CN100555820C - 平面电动机 - Google Patents

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Abstract

提供一种平面电动机，不使用高价的直线导轨，将X轴以及Y轴用的空心式直线电动机配置在同一平面，同时具备X以及Y方向的高精度静电电容型位移传感器，由此，能够实现薄型化、低振动以及高精度定位。永久磁铁(2a～3b)被配置为与可动台的互相垂直的两个轴分别垂直、且相对可动台表面在垂直方向产生磁通。并且被分别配置为以夹住两个轴的各轴的方式位于对称位置。与各永久磁铁分别相向设置有线圈(5a～5b)。在可动台1安装有十字型公共电极(12)，公共电极(12)被配置为与由在固定电极台(14)表面上配置的两个电极构成的固定电极(13)相向。根据十字型公共电极(12)和固定电极(13)构成的电容器的静电电容变化，可以得到可动台(1)的移动位置。

Description

平面电动机
技术领域
本发明涉及一种用于光学显微镜等的样品载物台的精密位置控制的平面电动机。
背景技术
以前，作为在X-Y轴二维驱动对象物、并且进行定位的装置，公知的是X-Y载物台，与把滚珠螺杆和伺服电动机组装到直线导轨上而构成的一个方向的台垂直，从而重叠为台阶。
并且，如专利文献1所示的X轴驱动直线电动机、Y轴驱动直线电动机以及可变磁阻式脉冲电动机处于同一平面上构成的平面电动机也是公知的。此外，如专利文献2所示在同一平面上配置有双轴直线电动机的平面电动机，使用多个作为用于在平面3个方向高精度定位的位置检测器的激光干涉计。
[专利文献1]特开平10-75562号公报
[专利文献2]特开平3-172326号公报
第一种平面电动机由于重叠为台阶而难于薄型化，此外，因为机构零件变多，从而存在由于空转和载物台的重量等引起的响应度和精度的问题。
第二种平面电动机由于其基本构成是脉冲电动机，从而在失调时会变得不能控制。此外，即使对控制内容下工夫也不能使操作时的振动消失。
第三种平面电动机需要用作位置检测的高价的外围设备，此外，设置时的定位也很困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种平面电动机，不使用高价的直线导轨，将X轴以及Y轴用的空心式直线电动机配置在同一平面上，同时具备X以及Y方向的高精度静电电容型位移传感器，由此，能够实现薄型化、低振动以及高精度定位。
为了实现上述目的，本发明的平面电动机，是对于可动台平面上互相垂直的两个轴分别设置相对于所述可动台表面在垂直方向产生磁通的S、N一对永久磁铁，使其与两轴中的一个轴垂直，并且以将另一轴夹在中间的方式相隔有规定的间隔，在固定台表面上分别与所述永久磁铁相向设置线圈，通过驱动各线圈使所述可动台沿所述固定台的平面方向运动的平面X-Y驱动电动机，其特征在于，具有：设置为与所述可动台一起在平面上运动的十字型公共电极；和相对所述十字型公共电极具有间隙、由分别与所述十字型公共电极的电极端部对应配置的一对电极构成的多个固定电极，与所述十字型公共电极相向的所述一对固定电极构成的2个电容器的静电电容，对应于被配置的轴方向的运动，保持不变；对应于向另一轴的轴方向运动，具有与位移成比例一个电容增加时另一个电容减少的差动结构。
此外，本发明根据上述构成，特征在于：具有比运算电路的一部分或全部，该比运算电路从所述十字型公共电极和所述固定电极之间构成的所有电容器的静电电容算出X、Y及θ方向的位移，根据所述比运算电路输出的各位移进行所述X、Y及θ方向的位置控制。
还有，本发明根据上述构成，特征在于：具有比运算电路的一部分或全部，该比运算电路从所述十字型公共电极和所述固定电极之间构成的所有电容器的静电电容算出X、Y方向的位移，根据所述比运算电路输出的各位移进行所述X、Y方向的位置控制。
根据上述构成，由于在平面的2个方向上各具备2个直线电动机以及位移传感器，可以控制当着眼于X轴或Y轴的任意一轴时，另一轴的位移总为零。即，在一定位置使用伺服闭锁从而能够兼作导轨的用途，因此不使用高价的直线导轨，也可以作为一维的直线电动机使用。
此外，根据比运算电路输出可以对平面的各方向进行精密的控制。
附图说明
图1为表示本发明的平面电动机的实施方式的分解透视图。
图2为本发明的平面电动机的A’-O-A的剖面图。
图3为用于说明X轴和Y轴的线圈与永久磁铁的配置关系的图。
图4为表示静电电容传感器部分的各电极的配置关系的二维图。
图5为用于说明永久磁铁的配置结构的其他的实施方式的图。
图6为用于说明比运算电路的操作的图。
图7为用于说明本发明的平面电动机的十字型公共电极的其他的实施方式的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是表示本发明的平面电动机的实施方式的分解透视图。
该实施方式是由永久磁铁和线圈构成的可动磁铁式平面发电机的例子。平面发电机由作为基本单位的X轴方向的直线电动机结构部、和在几何学上与之垂直并在同一平面上构成的Y轴方向直线电动机结构部构成。
X轴直线电动机结构部，具备安装在可动台1下表面、以强磁性体为材料的一对永久磁铁2a、2b；和配置在固定台4的上表面、以与该永久磁铁2a、2b的磁通交链的强磁性体为材料的平面线圈5a、5b。
此外，Y轴直线电动机结构部，具备在可动台1的下表面安装的一对永久磁铁3a、3b；和配置在固定台4的上表面、与该永久磁铁3a、3b的磁通交链的的平面线圈6a、6b。
永久磁铁2a、2b，其长度方向(SN极)为X轴方向，并被配置为与Y轴垂直，并且以夹住X轴的方式位于对称位置。
同样的，永久磁铁3a、3b，其长度方向(SN极)为Y轴方向，并被配置为与X轴垂直，并且以夹住Y轴的方式位于对称位置。
相对永久磁铁2a、2b、3a以及3b，平面线圈5a、5b、6a以及6b的位置关系如图3(a)、(b)所示。
平面线圈的上表面形状为长方形，厚度较薄。配置为相对各永久磁铁的长度方向(SN极)、平面线圈的长度方向与之相垂直的位置关系，且配置为各永久磁铁的磁通贯穿各平面线圈表面。
可动台1下表面的4角分别由中央有开口部7a的球状挡块7固定，在开口部7a处安装有硬质材料的支撑板8。
同样的，固定台4的上表面的4角也分别由中央有开口部7a的球状挡块7固定，在开口部7a处安装有硬质材料的支撑板8。
在固定台4的4角的球状挡块7的开口部7a处各自放入球体9，装上可动台1，由永久磁铁2a、2b、3a以及3b与固定台4之间产生的吸引力，两台1、4被拉在一起吸附着。此时，由于球体7的存在，两台1、4之间被限制有一定的间隔、且可动台1可以在固定台4上在要求的范围内自由的移动。
直接连结轴11的一端被固定在可动台1的下表面中心部，在直接连结轴11的另一端安装有十字状的公共电极12，此十字型公共电极12和可动台部分的中心一致且电绝缘。在固定电极台14上配置有与可动台1的十字型公共电极12保持有一定的空隙且平行相对的8个固定电极13a1、13a2～13d1、13d2。十字型公共电极12的电极片12a和固定电极13a1、13a2之间，同样的，电极片12b、12c以及12d和固定电极13b1、13b2，13c1、13c2，以及13d1、13d2之间各自形成2个1组的电容器，全部就形成4组8个电容器。各电容器的静电电容与十字型公共电极12的位移相对应分别变化，从而实现静电电容传感器。
图2为组装了图1的各零件的平面电动机的A’-O-A的剖面图。
固定台4在中央具有使直接连结轴11贯通、且为了可动台1在可动范围内运动不受阻碍的孔，在下表面的4角形成内螺纹。此外，在固定电极台14的4角设有贯通孔，通过把螺丝15贯通此孔，经由垫片10分别与所述内螺纹螺合，固定台4被组装到固定电极台14上。
从固定电极台14的下表面引出十字型公共电极12的导线17和接地导线16。另外，省略了励磁线圈的导线以及各固定电极的导线。
图4(a)、(b)以及(c)为表示静电电容传感器部分的各电极的配置关系的二维图。
图中的斜线部分表示十字型公共电极12和各固定电极13a1、13a2～13d1、13d2重叠部分的面积，该面积的大小与各电极构成的电容器的静电电容成比例。
图4(a)中可动台1在X轴以及Y轴的零基准位置，8个电容器的静电电容全部相等。
图4(b)为可动台1从零基准位置沿X轴正方向移动后传感器的位置关系，成为与X轴方向并排的2组固定电极13a1、13a2，13c1、13c2的一侧的电极13a1、13c2对应的静电电容增加，另一侧的电极13a2、13c1对应的静电电容减少的差动结构。还有，成为此时与Y轴方向并排的2组固定电极13b1、13b2，13d1、13d2的静电电容不变的结构。
图4(c)为从图4(b)的位置沿Y轴方向移动时传感器的位置关系，同样的，与X轴方向并排的2组固定电极13a1、13a2，13c1、13c2的各静电电容不变、与Y轴方向并排的2组固定电极13b1、13b2，13d1、13d2的静电电容差动变化。
图5为用于说明永久磁铁的配置结构的其他的实施方式的图。
图5(a)为图1的实施例的永久磁铁的配置例。图5(b)为其他的配置例，永久磁铁3a’和3b’配置在以Y轴为中心等距、在X轴方向的上下错开的位置，同样的，永久磁铁2a’和2b’配置在以X轴为中心等距、在Y轴方向的上下错开的位置。这样的配置结构也可以得到同样效果的平面电动机。
图6为表示输入各电极的输出、求得相对静电电容变化的平面的移动的比运算(比演算)电路的实施方式的框图。
图6(a)的比运算电路20，由差动构成的4组8个静电电容Ca～Ch的输出根据下述式(1)～(4)算出X轴和Y轴的位移量。该比运算电路利用了专利申请2003-309072所示的演算式(差动操作的1组的电容器的静电电容Ca、Cb的变化量作为直流电压检测信号可以用V0＝(Ca-Cb)/(Ca+Cb)求得)。
X1＝(Cb-Ca)/(Ca+Cb+Cc+Cd+Ce+Cf+Cg+Ch)……(1)
X2＝(Ce-Cf)/(Ca+Cb+Cc+Cd+Ce+Cf+Cg+Ch)……(2)
Y1＝(Cc-Cd)/(Ca+Cb+Cc+Cd+Ce+Cf+Cg+Ch)……(3)
Y2＝(Ch-Cg)/(Ca+Cb+Cc+Cd+Ce+Cf+Cg+Ch)……(4)
通过把如此按比运算求得的传感器各组的位移量作为反馈信号，能够对相对传感器各组(4组静电电容传感器)位于平面垂直方向的各直线电动机(4个直线电动机结构部)分别独立进行位置控制。
此外，图6(b)所示的比运算电路21，由差动构成的8个静电电容Ca～Ch的输出进行式(5)～(7)的计算，可以算出X轴、Y轴以及平面垂直方向的轴转角θ的各位移。在这种情况下，为了提高控制性能，不是独立控制，而是使用坐标变换的用于集中控制的反馈信号，与独立控制相比，由于能够校正各轴的干扰而能够进一步的提高平面电动机的位置控制性能。
图7为用于说明适用图6(b)所示的比运算电路21的十字型公共电极的形状的实施方式的图。
在图7中，十字型公共电极22由十字型基板、在该十字型基板各端部形成的岛状的电极端部22a～22d、在基板中央处设置的圆环状的图案24以及连接电极端部22a～22d和圆环状的图案24的线状图案23a～23d构成。
如此，十字型公共电极22的电极端部22a～22d形成岛状，与固定电极13a1、13a2～13d1、13d2重叠部分(斜线部分)的面积，如(a)所示不仅可动台向X、Y轴方向的移动，即使是使之转动也没有变化。由此，可以使8个电容器的静电电容的总和(式(7)的分母的值)维持不变，根据图6(b)的式进行比运算。
X1＝X1+X2……(5)
Y1＝Y1+Y2……(6)
θ＝[(Cb+Cd+Cf+Ch)-(Ca+Cc+Ce+Cg)]/(Ca+Cb+Cc+Cd
+Ce+Cf+Cg+Ch)……(7)
以上的实施方式表示了直线电动机被设置在上部、传感器部分被设置在该直线电动机下部的例子，但是，直线电动机和传感器的位置关系是自由的，例如，可以在直线电动机的中心部位配置传感器，也可以在直线电动机的侧面配置传感器。
此外，表示了在固定台上使用球体作为支撑可动台能够在平面移动的装置的例子，但是，使用气垫或电磁悬浮等支撑装置构成能够平面移动也是可以的。在这种情况下，不需要如实施方式那样的由磁铁引起的吸引力，因此，由固定台提供的磁电路部分也可以设置在可动台。
还有，说明了分别在可动台上搭载永久磁铁、在固定台上搭载线圈的平面X-Y轴驱动电动机的例子，但是，分别在可动台上搭载线圈、在固定台上搭载永久磁铁的情况也可以得到同样的效果，该例也没有脱出本发明权利要求的范围。
本发明用于光学显微镜等的样品载物台的精密位置控制等。

Claims (3)

1.一种平面电动机，是对于可动台平面上互相垂直的两个轴分别设置相对于所述可动台表面在垂直方向产生磁通的一对永久磁铁，使所述一对永久磁铁与两轴中的一个轴垂直，并且以将另一轴夹在中间的方式相隔有规定的间隔，在固定台表面上分别与所述永久磁铁相向设置线圈，通过驱动各线圈使所述可动台沿所述固定台的平面方向运动的平面X-Y驱动电动机，其特征在于，
具有：设置为与所述可动台一起在平面上运动的十字型公共电极；和
相对所述十字型公共电极具有间隙、由分别与所述十字型公共电极的电极端部对应配置的一对电极构成的多个固定电极，
所述十字型公共电极与其相向的一对固定电极构成的2个电容器的静电电容，对应于被配置的轴方向的运动，保持不变；对应于向另一轴的轴方向运动，具有与位移成比例一个电容增加时另一个电容减少的差动结构。
2.如权利要求1所述的平面电动机，其特征在于：具有比运算电路的一部分或全部，该比运算电路从所述十字型公共电极和所述固定电极之间构成的所有电容器的静电电容算出X、Y及θ方向的位移，根据所述比运算电路输出的各位移进行所述X、Y及θ方向的位置控制，其中，θ方向是平面垂直方向的轴转角方向。
3.如权利要求1所述的平面电动机，其特征在于：具有比运算电路的一部分或全部，该比运算电路从所述十字型公共电极和所述固定电极之间构成的所有电容器的静电电容算出X、Y方向的位移，根据所述比运算电路输出的各位移进行所述X、Y方向的位置控制。
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