TWI491168B - 自軸承電動機的位置回饋 - Google Patents

Description

自軸承電動機的位置回饋

本發明係關於一種位置之決定，特別是提供電動機的非接觸及非侵入位置決定方法

電動機系統可能需要電抗元件，例如轉子的偏心和方向的測值，以維持定子和電抗元件間的所需間隙，從而產生所需的動力、及軸和徑向剛度，以利適當控制電抗元件的動作。例如，自軸承電動機的間隙資訊通常從接近感測器獲取，這些感測器可以檢測不同位置處的定子和轉子間的間隙。接近感測器往往輔之以其他測量設備，例如定位解算器，可以確定轉子相對於定子的方向。

在某些應用中，必須在可控的清潔環境中處理物料，否則微觀污染可能會造成嚴重的問題。在這些應用中，清潔與收益直接相關，而這反過來又會影響到成本。其他應用可能包括在高度腐蝕性氣體和高溫惡劣環境下的處理步驟。接觸式軸承電動機會磨損，產生微粒子污染，並最終會因惡劣環境而不能使用。故障前，軸承也會不停地振動。雖然自軸承電動機可以針對這些場合提供可行的替代方法，但是通過電纜或其他導體滲透或侵入惡劣環境測量電抗元件的精確位置是不妥當的方法。光學技術也有局限性，因為其需 要使用「窗戶」進入惡劣環境，這同樣可能損失包含此環境的外殼完整性。

這將有利於採用感測器系統和連接到電動機電抗元件的標尺，如轉子，提供精確定位和偏心測量。

也有利於使用採用磁通密度的感測器系統來準確測量轉子的定位和連接或集成到電抗元件的標尺。

還有利於無需使用二種類型的感測器，就可通過電動機回饋系統同時測量轉子相對於定子的偏心和方向。

本發明係有關一種可提供所需準確性和重複性的電動機所用之位置感測系統。另外亦有關電動機在惡劣或清潔環境中使用的系統，特別是自動機械驅動應用程式，其中定子和轉子可氣壓的彼此隔離。

圖1A所示為適用於執行本文中揭示之實施例的電動機10。雖然根據附圖描述多種實施例，但應知其可用許多備選形式實施該等實施例。同時應知任何大小、形狀或類型合適的元件或材料均可使用。

電動機10包括一個電抗元件(本實施例採用轉子11形式)，二個繞組12、15及一個定子14。圖1所示的電動機10的實施例具有旋轉結構，儘管其他的實 施例可以包括如下述的線性結構。轉子11可以有任何合適的結構。轉子11上可以安裝一個或多個磁源，例如，永久磁鐵、電磁鐵或其他類型的磁源。繞組12、15可以包括一個或多個線圈，可以由電流放大器25驅動，該放大器包括軟體、硬體或用於驅動繞組的軟硬體組合。電流放大器25也可包括一處理器27、用來驅動繞組的一換向功能元件元件和一個電流環功能元件元件。換向功能元件30可以根據一組特定的功能元件為每個繞組的一個或多個線圈提供電流；電流環功能元件35可以提供回饋和驅動能力，以維持通過線圈的電流。處理器27、換向功能元件30和電流環功能元件35還包括用於接收來自一個或多個感測器或提供定位資訊的感測器系統。此處公開的每個電流放大器包括電路、按所需任何組合的軟體、硬體，來完成公開的實施例功能和計算。

圖1B所示為具有線性結構的又一示範性實施例。電動機20包括一個電抗元件，本實施例採用壓板21形式，繞組22、24和一個定子45。類似圖1的實施例，壓板21上可以安裝一個或多個磁源，例如，永久磁鐵、電磁鐵或其他類型的磁源。壓板21可以採用任何合適的方式構造，繞組22、24可以包括一個或多個線圈。

電動機10、20都可使用最小的氣隙和鐵磁材料，以在氣隙獲得最大磁通密度增益，從而產生所需 的軸向和傾斜剛度。精確測量電動機10、20的電抗元件的位置乃極有利。

圖2例示自動輸送機械200。該輸送機械至少包括一個有上臂210的手臂、一個前臂220和至少一個末端作用器230。可將末端作用器旋轉連接到前臂合，前臂旋轉連接到上臂。例如，可以通過旋轉方式將上臂連接到包括上述一個或多個電動機10、20的輸送設備的驅動部件240上。

圖3為包含本發明特徵的基板處理設備300。所示處理設備300具有一般批次處理工具的結構。在備選實施例中，該工具可以具有任何所需的配備，例如該工具可設計來用單步處理基板。在其他備選實施例中，基板設備可以是任何所需的類型，例如分類機、儲料器、測量工具等等。在設備100中處理的基板215可以是任何合適的基板，包括但不限於液晶顯示幕、半導體晶片，例如200mm、300mm、450mm的晶片或任何其他所需的直徑基板、任何其他適用於基板處理設備100處理的基板、基板坯料，或其特性類似於基板的物件，例如具有特定尺寸或特殊材質者。

在本實施例中，裝置300一般有前半部件105，例如，形成一個小環境，和一個毗鄰大氣的隔離部件110，例如其被設置可作為一個真空室。在備選實施例中，大氣隔離區可容納惰性氣體(如N2)或任何其他隔離和/或可控氣體。

在實施例中，前半部件105一般可配備一個或多個裝有磁帶115的基板，類似於圖2所示的前端自動機械手臂120。前半部件105也還可以有其他站或部件，例如前軸定位器162或位於其中的緩衝器。部件110可以有一個或多個處理模組125，一個類似於圖2所示的真空自動機械手臂130。處理模組125可以是任何類型，例如材料沉積、蝕刻、烘烤、磨光、離子注入清潔等等。

對於一個所需的參考系，如自動機械參考系，可通過控制器170註冊記錄每個模組的位置。另外，一個或多個模組可以處理基板195，這些基板按照所需的方向，例如利用基板上的基準線(未示出)來設置。處理模組基板的所需取向也可以通過控制器170註冊記錄。真空部件110還可以有一個或多個中央室，指的是負載鎖。

圖3所示的實施例可以包含二個負載鎖，即負載鎖A135和負載鎖B140。負載鎖A和B作為介面運轉，允許基板在前半部105和真空部件110間傳輸而又不破壞可能存在於真空部件110中的任何真空的完整性。基板處理器具100一般包括一個控制基板處理設備100運轉的控制器170。控制器170包括一個處理器和一個記憶體178。除了上述提到的這些資訊，記憶體178包括含高速運轉中的基板偏心和偏心檢測的修正技術的程式。記憶體178還包括處理參數，例如處 理模組和設備部件105、110的其他部件或站的溫度和/或壓力、正在處理的基板215的時間資訊和基板的度量資訊以及利用設備和基板的位置推算資料來確定運轉基板的偏心度的程式，如演算法式。

在設備300中，前端自動機械手臂120，也稱為ATM自動機械，包括一個驅動部件150和一個或多個手臂155。至少可以將一個手臂155安裝在驅動部件150上，該驅動部件包括一個或多個類似於上圖1A和1B的電動機。至少一個手臂155可連接到一個手腕160，該手腕又可連接到帶有一個或多個基板215的一個或多個末端作用器165。末端作用器165可旋轉連接到160。ATM自動機械120可將基板傳輸到前半部件105中的任意位置。例如，ATM自動機械120可以在裝備磁帶115的基板、負載鎖A135和負載鎖B140之間傳輸基板。ATM自動機械120還可以來回地在前軸定位器162之間傳輸基板。驅動部件150可接收控制器170發出的命令，並響應ATM自動機械120的直接徑向、圓周、前視向、複合及其他的運動。

在本實施例中，真空自動機械手臂130可安裝在部件110的中央室175處。控制器170可以圍繞開口180、185作迴圈運行，並協調真空自動機械手臂130的運行，以便在處理模組125、負載鎖A135和負載鎖B140之間傳輸基板。真空自動機械手臂130包括一個驅動部件190及一個或多個末端作用器195。在備選實 施例中，ATM自動機械120和真空自動機械手臂130可以是任何合適的傳輸設備類型，如SCARA式的自動機械、絞合手臂自動機械、蛙腿式設備或雙對稱傳輸設備等。

圖4所示為可用在傳輸自動機械200的驅動部件240的自軸承電動機400的原理圖。自軸承電動機400包括一個轉子410和一個定子415。圖4所示為單一轉子/定子的組合，僅供參考。應認識到，電動機400可包括具有合適結構的任意數目的轉子。在圖4的示範性實施例中，定子415本質上與上述圖1的定子14相似。同樣，轉子410也與圖1的轉子11相似。轉子410可用鐵磁材料製作，包括永久磁體420和鐵支撐物425。

在其他備選實施例中，永久磁體可更換為能與定子互動的任何合適的鐵磁材料，包括其他類型的磁源，如電磁體。轉子磁體420包括大量的轉子週邊安裝了交變極性的磁鐵。轉子週邊可以指其內邊牆或外邊牆。在備選實施例中，磁鐵420可以插到轉子內部。在其他備選實施例中，磁鐵420可以位於轉子410內外的任何合適的位置。

定子415包括繞組，加電後，這些繞組可輪流地、放射狀地和/或軸向地驅動轉子。在此示範性實施例中，定子415可由鐵磁材料製造，但是在備選實施例中，定子可由任何合適的材料製作。對於非磁質定 子，其中可包含磁性材料以提供被動磁懸浮。定子415和轉子磁體420之間的相互作用可沿箭頭410方向產生消極力量。箭頭440、445方向上的磁通線435可產生徑向力或引力。這些引力造成環境很不穩定，所以線圈加電後，要使轉子居中和/或呈放射狀地定位定子，以便轉子/自轉軸的幾何中心保持在一個所需的位置。

圖4所示，轉子410與定子415之間被牆450隔開，該牆允許轉子410在別於定子415的環境中工作，如真空。牆450可由無磁性材料製造，這樣磁力就能穿透轉子410和定子415間的牆。

圖5，該圖所示為基於公開的實施例的傳感機制500的原理。圖5實施例所示為鐵磁目標，如鐵磁支援物510。鐵磁支援物可以連接到電抗電動機元件，如轉子505。轉子505包括一個或多個永久磁體515。轉子被包在室525內部，以支持不同於室外的環境，如真空、高溫或腐蝕性空氣。室525可用非磁性材料做成。轉子505可由位於室525外的一個或多個線圈520驅動。

傳感機制500包括一個讀磁頭545，感測器支援物550上安裝有磁源530和感測器540。在此實施例中，感測器實施磁路或由磁源530形成的通量環路徑、磁源530和磁鐵目標間的氣隙555、本實施例中的轉子支持物510、穿過轉子支持物510的路徑560、氣隙 535至感測器540的回路，經感測器支持物550返回磁源530。磁通環路不斷被關閉，因此感測器540能確定磁通密度，而影響磁通密度的因素是磁源530和轉子支持物510間的距離。至少在一個實施例中，感測器540有一個輸出，該輸出唯一將磁通密度與磁源和鐵磁體目標間的距離關聯。磁源530包括一個或多個永久磁體、電磁鐵或任何其他合適的磁源。感測器540包括一個或多個磁通感測器、霍耳效應感測器、磁阻或任何其他適於檢測磁通的感測器。

圖6所示為相當於圖5感測器機構的磁路。磁源530用恒定通量源Φr和並聯的磁源磁阻Rm表示。磁通Φ的密度由磁源530與轉子支持物510間的氣隙555的磁阻及轉子支持物510和感測器540間的氣隙535的磁阻共同決定。氣隙磁阻以2Rg符號表示、磁源磁阻以Rm表示、轉子支持物電阻以R_T表示，感測器支持物電阻以R_B表示。磁源磁阻Rm、轉子支持物磁阻R_T和感測器支持物磁阻R_B相對穩定。氣隙磁阻2Rg直接取決於磁源530和轉子支援物510間的距離和轉子支持物510和感測器540間的距離，因此氣隙磁阻可隨距離的變化與其單獨關聯。因此，無需侵入室525和檢測其內的設備，就可確定距離535、555上的轉子支持物的位置。

圖5所示，可於轉子505上設定二個標尺，以確定轉子位置是否達到所需的解析度。該等標尺必須予 以定位並構成，以使感測器540測定的磁通密度產生變化。感測器輸出會隨影響感測器的標尺的特定部分而改變，因此提供位置指示器。例如，第一個標尺提供帶信號內插的高解析度增量位置；第二個標尺提供第一個增量標尺之一個週期內的轉子505的絕對位置。

圖7所示為增量標尺705、符號720、725是設置於例如室525的牆壁730的一面上的感測器系統720、725，這些系統與增量標尺705相互作用。為簡單起見，特以線性標尺為例，但應該認識到上述的增量標尺和絕對標尺也都可以包括旋轉結構。增量標尺705包括帶有間隔均勻的齒距715的側面710。其他均勻的格局也可以用於增量標尺，只要它們能夠指示標尺上的增量位置即可。增量標尺705由合適的材料製成，嚴格上只能用於電動機505。在其他的實施例中，標尺705可鑄成、製成或集成到電動機505。每個感測器系統720、725分別包括感測器740、755和磁源745、765。感測器740、755可以提供類比或數位輸出。在此實施例中，感測器系統720、725已定位，感測器740、感測器系統的磁源745、感測器系統720都位於增量標尺705的同一個位置上。換句話說，相應感測器740和同一感測器系統720的磁源745之間的中心距750可設置為一個近似于增量標尺705的整間距數715。由於感測器路徑上的氣隙磁阻各不同，感測 器系統720、725的間距可以是與彼此相距一個增量標尺的分數值，如輸出可以是90度的相位差。

至少有一個實施例，感測器740、755可輸出類似於正弦/餘弦的類比信號。在一些實施例中，感測器740、755的組合輸出包括正交計數。因此，增量位置可根據正弦波的正交計數和特定正弦週期內的內插位置確定增量位置。實際解析度取決於類比數位轉換器的位元數，轉換器可將類比輸出及輸出的雜訊電平數位化。雖然每個感測器和磁源沿平行線定向到標尺節距，或用於指示圖7標尺的增量位置的格局節距，但是感測器和磁源的其他方向也應加以考慮。

圖8所示為另一個感測器系統示範性實施例，解釋了感測器系統820和在室830中結構了增量標尺835的轉子82。圖8中的磁源810和感測器系統820的感測器815沿垂線定向到用於指示標尺上的增量位置的格局節距。因此，感測器和磁源均面向標尺格局的同一部分。

圖9A和9B所示為不同增量位置上的示範性實施例。圖9A實施例中，增量標尺905是與轉子910分開的，因此獨立於轉子直徑。在一些實施例中，增量標尺905可通過轉軸或其他設備915直接連接到轉子910；而在另一些實施例中，增量標尺905可使用任何合適的間接聯結裝置或連接法直接連接到轉子910。在圖9B中，增量標尺925被整合到轉子930的內徑。應 注意：可通過適當地調整轉子支持物的厚度和高度在磁性方面將轉子磁體與增量標尺相分離。

如上所述，可定義轉子的二個標尺測量定位、增量標尺和絕對定位標尺。至少有一個實施例的絕對定位標尺包括單獨定位轉子所需的其他定位資訊。絕對位置編碼器一般無需參考任何運動，就能提供一個唯一的位置。通常，這種編碼器可能需要多個標尺，其中每個標尺由一個獨立的感測器系統讀取。標尺數量可以確定絕對位置編碼器的位元數，及其相應的解析度。在使用絕對數字位置標尺的實施例中，絕對數字位置可由多個面對各自標尺的獨立感測器讀取。每個感測器可提供定義數字位置的字包含的一個各自位元的狀態。圖10所示為格局1005的一個經典示範，稱為5位格雷碼。每行格局1005包括一個表示絕對位置的5位字，在本實施例中表示為角位置，並以度為單位。S4代表每個5位字的最高位，每個字與其相鄰字都有且僅有一位不同，屬於典型的格雷碼順序。

使用連接到轉子的單數字標尺可獲得絕對位置。若要讀取絕對數字位置，可以結構一組感測器，這些感測器在相對彼此的某一特定時間間隔內面向絕對磁軌。感測器數量決定絕對位置的位數。使用單標尺設計更有優勢，因為它能使設計瘦身。單標尺的位元格局順序還可採用格雷碼形式，即一次只有一個比特不同。

圖11所示為指示絕對位置的單標尺1105。單標尺1105的格局類似於圖10展示的S4格局。通過將標尺1105周圍的五個感測器S0 1110、S1 1115、S2 1120、S3 1125、S4 1130定位到一些特定位置，這些感測器會隨格局的旋轉生成圖10順序，從而指示已連轉子的絕對位置。可以使用任意數量的能提供理想位置解析度的位製作標尺，理解這點很重要。單絕對標尺可以和增量標尺一起使用，如圖11的單絕對標尺1135和增量標尺感測器1140。

在其他實施例中，圖11的單絕對標尺1105可單獨使用，以同時生成絕對數字位置和此絕對數字位置解析度的內插增量位置。如上所述，磁感測器能夠提供數位或類比輸出。在實施例中，如果磁感測器能提供模擬輸出，則通過設置閾值確定格局位發生變化的時間，類比輸出信號可生成絕對位置標尺的數位輸出格局。同時，可測量變化信號的類比值，並用這些值確定含單絕對標尺提供的額外解析度的位置。例如，可以使用數位信號處理器測量感測器的輸出，根據已設閾值檢測感測器的數字輸出，及檢測正發生一個位變化的感測器的暫態模擬輸出。可以使用此暫態類比輸出在當前數位絕對位置和下一個位置間生成內插位置。

圖12所示為圖10和11的感測器S2的輸出變化，其中轉子在12和24度之間變化，如圖10所示。 在圖12，角θ表示內插位置，參數V表示模擬感測器輸出。由於這是採用格雷碼的標尺，因此只有感測器S2的狀態正在變化(在本例中為從高到低)。根據輸出V確定的內插位置θ為：

因此，圖12中的位置指示給定的轉子總絕對位置為：θ_ABS=12⁰+θ

內插位置θ的解析度取決於執行信號V抽樣的轉換功能的有效解析度，如A/D轉換器。表示絕對位置的一種總位數運算式是感測器數量的總和加AD轉換器的位數：N_ABS=N_Sensors+N_AD

例如，圖10顯示的順序，如果使用圖11的感測器和12位AD轉換器，則表達絕對位置的總位數是17。因此，與單獨使用5位元格雷碼順序相比，顯著改善了解析度。

圖13所示為多標尺位於同一直徑的示範性實施例。在此實施例中，絕對標尺1305、間距標尺1310和增量標尺1315在軸向上彼此偏移。至少在一個實施例中，可酌情將增量標尺的上表面1320或下表面1325確定為間距表面並使用此處介紹的磁阻測量技術測量 該點的間距來消除間距標尺。在其他實施例中，還可通過上述方法使用絕對標尺1305的上表面1330或下表面1335測量間距，以消除對單個間距標尺的需要。在此實施例中，標尺位於轉子1345的內表面，該轉子配有一些磁體1350。支援物1340將這些標尺關聯的磁感測器系統與轉子磁體1350的效應相隔離。

圖14所示為多感測器系統，該系統採用多標尺排列，如圖13所示。該圖還解釋帶鐵磁支持物1410的轉子1405，及一個或多個永久磁體1415。轉子可封閉在室1425內，並且該室支持有別於室外的環境，如真空、高溫或腐蝕性空氣。室1425可用非磁性材料製作。轉子1405可由室外1425外的一個或多個線圈1420驅動。

在本實施例中，三個標尺已連接或整合到轉子1405，即絕對標尺1430、間距標尺1435和增量標尺1440。一個或多個感測器系統可以連接到每個標尺。本實施例包括一個用來讀取絕對標尺1430的絕對感測器系統1445、一個用來讀取間距標尺1435的間距感測器系統1450及一個讀取增量標尺1440的增量感測器系統1455。三個感測器系統1445、1450、1455均可以包括上述任意數量的磁源和感測器。如上所述，間距標尺1435可組合或連接到其他二個標尺。組合或附加間距標尺時，繼續使用間距感測器系統1450讀取該標尺，或使用與特定標尺組合或連接的感測器系統讀 取相應的標尺。應明白雖然該實施例只解釋了三個標尺及其對應的感測器系統，實際上可以使用任意數目的標尺和感測器系統。

在本實施例中，多感測器系統還包括連接到絕對、增量和間距感測器系統的電路1460。這些電路根據絕對、增量和間距感測器系統的輸出組合，提供電抗電動機元件的測量位置的輸出指示。

圖15所示為適用於以此處描述的實施例一起使用的示範感測器系統1500。感測器系統1500採用類似於上述介紹的磁路原理來確定鐵磁目標1555、轉子支援物與感測器系統參考系間的距離。鐵磁目標1555可以是平面或曲面，或將任何一個製件的側面連接、嵌入或整合到目標，如上述的標尺。感測器系統1500包括一個鐵磁元件1505、一個磁源1510、一個永久磁體、多個磁感測器1515、1520、1525、1530和調節電路1535。鐵磁元件1505可以限制磁源1510。在其他實施例中，鐵磁元件1505可以包圍甚或封閉磁源1510。至少在一個實施例中，鐵磁元件1505是帽蓋形，閉端1565，開端1570。磁源1510是圓柱形，磁化方向與鐵磁元件1505的對稱軸平行。磁源1510可以是永久磁體、電磁體或任何其他合適的磁能源。借助吸引力，可將磁源1510從鐵磁元件內部連接到鐵磁元件1505的中心處，並用合適的緊固物固定住，如粘合劑。至少在一個實施例中，感測器系統1500可以定向 到帽蓋面向鐵磁目標1555的開面1570。

圖15展示的實施例建立了鐵磁元件1505和磁源1510間的磁路，因此對於杯軸或磁源1510和鐵磁元件1505間的同心周邊，通量密度是對稱的。鐵磁元件1505的形狀會影響磁場的形狀。在實施例中，鐵磁元件1505是帽蓋形，磁場相對封閉，因此提高到鐵磁目標的距離1560變化的敏感性。可以定製鐵磁元件1505的形狀，以創建特定形狀的磁場。在一些實施例中，還可定做鐵磁元件1505，提供對感測器系統1500和鐵磁目標1555間距離變化的特定敏感性。

磁感測器1515、1520、1525、1530可以檢測通量密度，並可定位到軌道結構，使其以鐵磁元件1505的對稱軸保持恒定的徑向距離。還可定位磁感測器，使其輸出大致相似。雖然只圖示了4個磁感測器，但應明白任意數量的合適磁感測器都可以利用。可以向調節電路1535提供磁感測器1515、1520、1525、1530的輸出。調節電路1535包括處理感測器輸出的信號處理電路，以提供補償、濾波、降噪或任何其他合適的信號處理。通常處理感測器輸出信號是為了提供感測器系統輸出1550。使用附加感測器可提高系統的雜訊免疫。鐵磁元件1505也可作為磁源的磁隔離器，使來自周邊環境的外部磁場干擾降到最低。因此可結構感測器系統1500測量磁感測器檢測到的磁通密度失量的變化。特別是，因為有鐵磁目標1555，所以感測器系 統1500可以測量磁通密度失量的變化。至少在一個實施例中，可調節磁感測器1515、1520、1525、1530的輸出，以提供感測器系統輸出1550來指示到鐵磁目標1555的距離1560。

圖16所示為鐵磁元件周圍的磁感測器的示範排列。在此實施例中，磁感測器1610與1615、1620與1625、1630與1635、1640與1645可成對排列，交替方向是相對於鐵磁元件1505和磁源1510間的磁通密度線。在此實施例中，每對感測器可提供差分輸出。總和1650和微分調節電路1655是調節電路1535的一部分，並以微分信號形式進一步提供感測器系統輸出1550。使用差分輸出可以提高雜訊免疫，特別是信號為低電平、遭受惡劣的電磁環境或在可感知的距離內傳播。例如以微分信號形式提供感測器輸出1550可以提高雜訊免疫，因為該輸出會讀取設備1660。

在其他實施例中，不必將磁感測器放在距對稱軸相等的徑向距離上，它們的輸出也沒必要一定相等，但可以適當地處理這些輸出，以產生有效的目標距離。應該認識到可以使用任意數量的磁感測器，不管它們是未分組的還是以任意適當的數量或排列進行分組。

除了測量目標距離，感測系統1500還可以和圖7和8的測讀系統720、725或820交換使用，讀取增量或絕對位置磁軌。

請返回圖15，如果鐵磁目標1555置於感測器系統1500前面，會改變磁感測器1515、1520、1525、1530檢測的磁通密度失量，從而影響輸出信號1550。目標1555和感測器系統間的距離1560決定感測器系統輸出1550的值。感測器系統輸出1550的值隨一個或多個標尺引起的磁通變化而改變，這些標尺可以連接或整合到鐵磁目標1555。

可以修改磁源1510和鐵磁元件1505的形狀，以獲得特定的通量密度格局或結構及優化或改善感測器系統輸出1550或距離1560。例如，在一些實施例中，至少有一個鐵磁元件1505和磁源1510的形狀為圓柱體、圓錐、立方體、其他多面體、抛物面或任意合適的形狀。如上所述，可以使用任意數量的感測器。此外，可以對感測器進行任意排列以實現特定的通量密度格局，或優化感測器系統輸出1550或距離1560。

通過此處公開的室中所用的非磁體壁，感測器系統1500適用於此處介紹的實施例，因為這些室能使目標轉子或標尺與感測器系統隔開。感測器系統1500適用於真空自動化系統實施。感測器系統1500特別適合於測量此處介紹的所有實施例的磁通、間距和標尺。

圖17所示為示範電動機2110，其中包括與示範性實施例一致的位置回饋系統2100。儘管針對圖紙所示的實施例將介紹的是公開的實施例，但應明白公開的實施例可有多種備選實施例表現形式。另外，可以使 用任何合適的尺寸、形狀、元件類型或材料。

實施例的回饋系統可以為任何合適的電動機提供高解析度的位置回饋。基於相切位置測量結果，示範性實施例的回饋系統可以同時測量相對於電動機定子的偏心和方向(如旋轉)。

圖17所示的電動機2110包括僅作為示範參考的單轉子/定子，但應認識到電動機2110可以包括以合適結構排列的任意數量的轉子，包括但不限於同軸和非同軸結構。例如在圖17的示範性實施例中，定子2110S可以是鐵芯定子，但在備選實施例中，該定子可以採用任何合適的材料。例如轉子2110R可以用任何合適材料製作，其中包括永久磁2110M和鐵支援物2110B。在備選實施例中，轉子可以包括任何能與定子2110S相互作用的鐵磁材料。

定子2110S可包括任何合適的能控制轉子2110R在X-Y平面和/或Z方向的位置的繞組。在備選實施例中，繞組可以是任何合適的結構。定子2110S和轉子磁體2110M間的相互作用可以產生使轉子2110R被動懸浮的力。懸浮力可由彎曲磁通曲線產生，磁通曲線可由相對於定子邊緣的轉子磁鐵邊緣的偏移產生，其在美國臨時專利申請號60/946,687，代理人卷號：390P012913-US(-#1)，標題《具有磁浮主軸軸承的自動機械驅動器》，申請日期2007年6月27日，此處作為參考文獻加以整體引述。在備選實施例，懸浮力可 以任何合適的方式產生。

本示範性實施例的回饋系統2100包括多個讀取頭2130和一個標尺2120。讀取頭2130可以採用任何合適的形式，包括但不限於非接觸式光學式、電容式、感應式和磁式讀取頭。備選實施例中的讀取頭可以是接觸式讀取頭。這些讀取頭可以置於電動機的任意適當位置，以使讀取頭2130相對於定子2110S保持固定。在備選實施例的中 讀取頭2130相對於定子2110S可以具有任意合適的關係。應當認識到，在備選實施例中，讀取頭2130被定位、設置和/或與轉子2110R和定子2110S分離。例如，讀取頭2130和轉子2110R以及定子2110S間的磁相互作用不會改變讀取頭2130提供的讀數。

讀取頭2130可以通信方式連接到任意合適的處理器2160，這些處理器被設置來接收讀取頭2130的輸出信號，並按如下所述方式處理這些信號來確定轉子2110R的位置資料。讀取頭2130可通過任何合適的有線或無線連接方式與處理器2160進行通信，包括但不限於廣域網、局域網、藍牙、紅外線、無線電頻率或任何其他合適的連接方式，這些示範僅供參考。在一個或多個實施例中，讀取頭2130可以包括一個或多個感測器500或上述感測器系統1500。

標尺2120可以是任何合適的標尺，包括但不限於設置用於上述讀取頭使用的絕對或增量標尺。雖然圖 只顯示了一個標尺，但是在備選實施例中，可以使用任意合適數目的標尺。作為一個非限制示範，在一個備選實施例中，每個讀取頭2130可以有其各自的標尺，而在其他備選實施例中，一些讀取頭可共用同一個標尺，另一些讀取頭共用不同的標尺。

在一個示範性實施例中，標尺2120可粘結或附接到轉子2110R上。在其他示範性實施例中，例如可通過加工、蝕刻或任何其他合適的製造工藝將標尺2120嵌入轉子2110R中。在備選實施例中，標尺2120可以是連接到轉子的磁片和從轉子處徑向延伸的磁片。在其他備選實施例中，標尺可以是任何合適的結構。可以設置標尺2120，排列標尺上的刻度2120G，以便讀取頭可以檢測轉子110R的偏心和/或的旋轉，下文將對此詳細說明。在備選實施例中，標尺上的刻度可以按照任意合適的方式排列。

由圖17所示可知，回饋系統2100可以用在任意合適的環境，包括但不限於真空、大氣環境或可控氣體環境。在一個示範性實施例中，電動機可以包括邊界2140，該邊界允許轉子2110R在真空中運作，而定子2110S在大氣環境中運作。在備選實施例中，每個定子和轉子可以在任何合適的環境中運作，這些環境可以彼此相同或不同。邊界2140可由任何可在真空環境中使用的合適材料做成，或用可插入磁場而又不會造成通量短路或不易受渦流和磁相互作用所生的熱的 影響的材料製作。該邊界還可連接到合適的換熱設備(如被動或主動換熱設備)，以儘量降低驅動部件的溫度。在一個實施例中，如果讀取頭2130是光學式讀取頭2130，邊界可以包括光學視點來支援讀取頭2130讀取標尺2120。如果讀取頭2130是電容式、感應式或磁體式(如霍耳感測器)，則沒有與讀取頭2130相關的任何視點。

圖18，該圖所示為基於示範性實施例的回饋系統的示意圖。在圖18所示的示範性實施例中，回饋系統2100'包括三個讀取頭2130A-2130C，但在備選實施例中，回饋系統2100'可含有多於或少於三個讀取頭。圖中所示的讀取頭2130A-2130C大體上是以等距的方式排列在定子2110S的周圍，因此這些讀取頭呈放射狀地指向標尺2120。在備選實施例中，讀取頭2130A-2130C可以任何合適的預定間隔排列方式排列在轉子2110S周圍，並可位於相對於標尺2120的任何合適的方向上。在一個示範性實施例中，每個讀取頭2130A-2130C可設置來提供有關各個讀取頭正在查看的標尺2120上的點和標尺2120的源SO間的距離(如dA、dB、dC)的位置資訊。例如，這些資訊可用於確定轉子2110R相對於定子2110S的偏心和取向。在備選實施例中，讀取頭2130A-2130C可以提供任意合適的資訊，以確定轉子2110R相對於定子2110S的偏心和取向。圖18所示的距離dA、dB、dC是以順時針方向延 伸，但在備選實施例中，根據轉子2110R的旋轉方向，這些距離可以在逆時針方向上。

圖19，該圖依據一示範性實施例，描述了利用來自於4個讀取頭2230A-2230D相切位置測量，來確定轉子2110R的偏心和取向。然而，下文所述的對應於4個讀取頭2230A-2230D的示範式方程可被採用在任意合適數量的讀取頭上，從而可確定轉子2110R的偏心和旋轉位置。

應知道在電動機2110運作期間，轉子2110R可使旋轉的第一中心C偏離至旋轉的第二中心C1。例如，這種偏離可能是由於施加到轉子的徑向和/或軸向負載引起的。回饋系統2100”可設置來計算轉子2110R的偏差和旋轉方向。在下文所述的示範性位置確定中，假定距離d1-d4在逆時針方向上是隨轉子2110R旋轉而增加。然而，在備選實施例中，假定距離d1-d4在順時針方向上是隨轉子2110R旋轉而增加，這裏下面所述的方程作適當修改。

作為一個非限制性示例，在本示範性實施例中，可以使用下列方程算出中心點C的偏心率或偏差：x ₀=r cos[(d ₂-d ₄)/(2r)] (100)

y ₀=r cos[(d ₃-d ₁)/(2r)] (101)其中，x₀和y₀分別指轉子2110R偏心分量的x和y。從上述方程中應該知道可以根據讀取頭2230D和2230B沿切線方式測量的弧長2240X對應的角算出偏 心距離x₀。同樣，可以根據讀取頭2230C和2230A沿切線方式測量的弧長2240Y對應的角算出偏心距離y₀。可以使用下列方程式算出轉子的旋轉方向或位置：θ ₁=d ₁/r-asin(y ₀/r) (102)

θ ₂=d ₂/r-3π/2+asin(x ₀/r) (103)

θ ₃=d ₃/r-π+asin(y ₀/r) (104)

θ ₄=d ₄/r-π/2-asin(x ₀/r) (105)

其中，θ₀是轉子2110R的方向。θ₁-θ₄分別指讀取頭2230A-2230D與標尺2120的源SO之間構成的4個角。標尺源SO和讀取頭2230A-2230D之間構成的4個距離分別表示為d₁-d₄。標尺2120的半徑用符號r表示。上述方程式可以算出轉子2110R在X-Y平面的精准位置(如偏心)和相對於任何所需的參照點轉子2110R的旋轉取向θ₀。

在其他示例中，無需計算三角函數也可確定轉子的偏心和旋轉方向θ0的近似值。可通過以下方程式算出位置近似值：x ₀=-(d ₂-d ₄-πr)/2=(d ₄-d ₂+πr)/2 (107)

y ₀=-(d ₃-d ₁-πr)/2=(d ₁-d ₃+πr)/2 (108)

θ ₁=(d ₁-y ₀)/r (109)

θ ₂=(d ₂-3πr/2+x ₀)/r (110)

θ ₃=(d ₃-πr+y ₀)/r (111)

θ ₄=(d ₄-πr/2-x ₀)/r (112)

其中，θ₀、θ₁-θ₄、d₁-d₄和r所指的含義同上。

上述計算轉子2110R的偏心(如x₀和y₀)和旋轉方向(如θ₀)的方法僅為示範，還可以使用其他的通過切線位置測量來確定偏心和旋轉方向的方法。

上述實施例提供了無需侵入轉子工作的隔離環境中，也無需在隔離環境中使用電子設備或感測器，就可確定轉子旋轉位置的技術。在一個實施例中，可使用單標尺來確定絕對位置和增量位置。

上述實施例亦提供一個具有獨特排列的感測器系統，一個鐵磁元件、一個磁源及可生成均勻磁通密度線的磁感測器，以便使感測器置於磁源周圍的軌道結構中。

上述實施例亦提供一個電動機回饋系統，該系統包括用於確定電動機轉子偏心和旋轉位置的獨特結構和技術。

應知上面說明只是針對所舉示的實施例。具有經驗和技術的人員可在此公開的實施例中制定各種方案 和修改。因此，這些實施例旨在涵蓋所有此類方案、修改以及在附加權利要求範圍內的變化。

10‧‧‧電動機

11‧‧‧轉子

12、15‧‧‧繞組

14‧‧‧定子

25‧‧‧電流放大器

27‧‧‧處理器

30‧‧‧換向功能元件

35‧‧‧電流環功能元件

105‧‧‧前半部件

110‧‧‧隔離部件

115‧‧‧磁帶

120‧‧‧前端自動機械手臂

125‧‧‧處理模組

162‧‧‧前軸定位器

170‧‧‧控制器

178‧‧‧記憶體

195‧‧‧處理基板

200‧‧‧自動輸送機械

210‧‧‧上臂

220‧‧‧前臂

230‧‧‧末端作用器

240‧‧‧驅動部件

420‧‧‧永久磁體

425‧‧‧鐵支撐物

圖1A和1B所示為適用於執行公開的實施例的示範電動機的原理圖；圖2所示為可採用示範性實施例的示範自動機械輸送；圖3所示為可採用示範性實施例的示範基板處理裝置；圖4所示為使用示範性實施例的自軸承電動機的原理圖；圖5所示為基於公開的實施例的示範傳感機制；圖6所示為類似於圖5傳感機制的磁路；圖7所示為示範增量標尺；圖8所示為其他示範感測器系統實施例；圖9A和9B所示為附加的增量標尺示範性實施例；圖10所示為格雷碼模式；圖11所示為用於指示絕對位置的單標尺示範；圖12所示為示範感測器的輸出變化；圖13所示為含位於同一直徑上多標尺的示範性實施例；圖14所示為多感測器系統； 圖15所示為適用於與介紹的實施例配合使用的其他示範感測器系統；圖16所示為在磁性元件周圍排列磁感測器的示範；圖17所示為包含示範性實施例各方面的傳動部件；圖18是根據示範性實施例設計的回饋系統的簡圖；圖19是根據示範性實施例設計的回饋系統的簡圖。

105‧‧‧前半部件

110‧‧‧隔離部件

115‧‧‧磁帶

120‧‧‧自動機械手臂

125‧‧‧處理模組

130‧‧‧真空自動機械手臂

150‧‧‧驅動部件

155‧‧‧手臂

160‧‧‧手腕

162‧‧‧前軸定位器

165‧‧‧末端作用器

170‧‧‧控制器

175‧‧‧中央室

178‧‧‧記憶體

180、185‧‧‧開口

190‧‧‧驅動部件

195‧‧‧處理基板

215‧‧‧基板

300‧‧‧處理設備

Claims (60)

1. 一種感測裝置，包括：一個磁源；一個磁通感測器；一個安裝有磁源和磁通感測器的感測器支持物，其中，將磁源和磁通感測器予以排列，使在磁源、鐵磁體及感測器三者之間形成磁路，並經感測器支持物返回磁源。
2. 如請求項1之感測裝置，其中該磁通感測器提供以根據磁源和鐵磁目標間的距離而變的磁通密度成比例的輸出。
3. 如請求項1之感測裝置，其中該磁源包括一或多個永久磁鐵。
4. 如請求項1之感測裝置，其中該磁源包括一或多個電磁鐵。
5. 如請求項1之感測裝置，其中該磁通感測器包括一或多個Hall效應感測器。
6. 如請求項1之感測裝置，其中該磁通感測器包括一或多個磁敏感測器。
7. 如請求項1之感測裝置，其中該鐵磁體包括一電抗電動機元件而該磁通感測器包括一與該磁源及該反應電動機元件間之距離成比例一輸出端。
8. 如請求項1之感測裝置，進一步包括一連接於標示有鐵磁體的絕對位置之鐵磁體的第一標尺。
9. 如請求項8之感測裝置，其中該磁通感測器可檢測由第一標尺引起的各種磁通密度變化，並可輸出標示所測量的鐵磁體絕對位置的信號。
10. 如請求項8之感測裝置，其中該第一標尺為絕對數字尺度。
11. 如請求項10之感測裝置，其中該絕對數字尺度為單軌道格雷碼尺度。
12. 如請求項8之感測裝置，其中該磁通感測器可輸出連續測得的鐵磁體絕對位置間的內插位置。
13. 如請求項8之感測裝置，進一步包括：連接到鐵磁體標示第一標尺間隔內鐵磁體增量位置的第二標尺，其中磁通感測器可檢測由第一和第二標尺引起的磁通密度變化，並輸出標示已測量的鐵磁體絕對位置的信號，該位置由絕對和增量標尺引起的磁通密度變化組合而來。
14. 如請求項13之感測裝置，進一步包括至少兩對磁源和磁感測器，其中每對磁源和磁感測器均有一個與增量標尺的整數間距數對應的中心距。
15. 如請求項13之感測裝置，進一步包括至少兩對磁源和磁感測器，其中每對磁源和磁感測器均有一個與增量標尺的分數間距數對應的中心距。
16. 如請求項13之感測裝置，進一步包括至少兩對磁源和磁感測器，其中每對磁源和磁感測器均配有一個與增量標尺的1/4間距相等的對應間距。
17. 如請求項13之感測裝置，進一步包括至少兩對磁源和磁感測器，相應感測器和磁源的排列要使其感測器的組合輸出包含正交計數。
18. 如請求項13之感測裝置，其中該磁感測器和磁源沿著至少與第一或第二標尺節距其中之一平行的方向進行定位。
19. 如請求項13之感測裝置，其中該磁感測器和磁源沿著至少與第一或第二標尺節距其中之一垂直的方向進行定位。
20. 一種測量電抗電動機元件位置的裝置，包括：連接到電抗元件、確定電抗元件絕對位置的第一標尺；第一感測器系統設定用來讀取第一標尺；連接到電抗元件、確定第一標尺間隔內的電抗元件增量位置的第二標尺；第二感測器系統設定用來讀取第二標尺；連接到電抗元件、用來測量電抗電動機元件和磁源之間間距的第三標尺；第三感測器系統設定用來讀取第三標尺；以及連接到第一、第二和第三感測器系統，用於標示來自第一、第二和第三感測器系統輸出組合的電抗電動機元件測量位置的電路。
21. 如請求項20的裝置，其中該第三標尺與該第一標尺組合，且該第一感測器用於讀取該第三標尺。
22. 如請求項20的裝置，其中該第三標尺與該第 二標尺組合，且該第二感測器用於讀取該第三標尺。
23. 如請求項20中的裝置，進一步包括一個用來封裝環境以及環境內電抗元件的外殼，這裏第一、第二、第三感測器無需浸入外殼內部即可讀取第一、第二和第三標尺。
24. 一種感測器系統，包括：一個磁源；一個外接磁源的鐵磁元件；多個排列在鐵磁元件對稱軸周圍的磁感測器，其中，定向磁源時要使磁化方向與鐵磁元件的對稱軸平行，而且鐵磁元件的開口面向鐵磁體，以便測量鐵磁體的位置。
25. 如請求項24的感測器系統，其中該磁源為圓柱形。
26. 如請求項24的感測器系統，其中該鐵磁元件為杯形。
27. 如請求項24的感測器系統，其中該鐵磁元件為圓柱形。
28. 如請求項24的感測器系統，其中該磁感測器按軌道結構進行排列。
29. 如請求項24的感測器系統，其中該磁感測器相對於鐵磁元件和磁源間的磁通密度線的取向進行交錯排列。
30. 如請求項24的感測器系統，其中該磁感測器成對排列，每一對都相對於鐵磁元件和磁源之間的磁通密度線取向進行交替排列，其中每個感測器設定用來提供具有至少一個雜訊免疫的差分輸出。
31. 如請求項24的感測器系統，進一步包括連接到鐵磁體、標示鐵磁體絕對位置的第一標尺。
32. 如請求項31的感測器系統，其中該磁感測器可檢測由第一標尺引起的磁通密度變化，並可輸出標示所測量的鐵磁體絕對位置的信號。
33. 如請求項31的感測器系統，其中該第一標尺為絕對數字尺度。
34. 如請求項31的感測器系統，其中該磁感測器可輸出連續測量的鐵磁體絕對位置間的內插位置。
35. 如請求項31的感測器系統，進一步包括：連接到鐵磁體、標示第一標尺間隔內鐵磁體增量位置的第二標尺；其中磁感測器可檢測由第一和第二標尺引起的磁通密度變化，並可輸出標示鐵磁體測量位置的信號，該測量位置由絕對和增量標尺引起的磁通密度變化組合而來。
36. 一種自軸承電動機，包括：一個磁懸浮轉子；一個定子；和一感測裝置，包括： 一個磁源；一個磁感測器；和一個裝有磁源和磁感測器的感測器支持物，其中磁源和磁感測器係配置成一個從磁源到轉子，從轉子到感測器，及通過感測器支持物返回磁源的磁路。
37. 如請求項36的自軸承電動機，其中該磁感測器包括一個與磁通密度變化成正比的輸出，該磁通密度的變化依賴於磁源和轉子之間的距離。
38. 如請求項37的自軸承電動機，進一步包括與轉子連接、用於標示轉子絕對位置的絕對標尺。
39. 如請求項38的自軸承電動機，其中該磁感測器可檢測由絕對標尺引起的磁通密度變化，並可輸出標示所測量的轉子絕對位置的信號。
40. 如請求項38的自軸承電動機，其中該絕對標尺為絕對數字尺度。
41. 如請求項38的自軸承電動機，其中該磁感測器可輸出連續測量的轉子絕對位置間的內插位置。
42. 如請求項38的自軸承電動機，進一步包括：連接到轉子、標示絕對標尺間隔內轉子增量位置的增量標尺；其中磁感測器可檢測由絕對和增量標尺引起的磁通密度變化，並可輸出標示轉子測量位置的信號，該測量位置由絕對和增量標尺引起的磁通密度變化組合 而來。
43. 如請求項42的自軸承電動機，進一步包括：一個用來封裝環境以及環境內磁懸浮轉子的外殼，這裏感測器系統無需侵入該外殼內部即可讀取絕對和增量標尺。
44. 一種自軸承電動機，包括：一個磁懸浮轉子；一個定子；以及一個位置回饋系統包括：一個磁源；一個外接磁源的鐵磁元件；多個排列在鐵磁元件對稱軸周圍的磁感測器，其中定向磁源時要使磁化方向與鐵磁元件的對稱軸平行，以及鐵磁元件的開口面向鐵磁體，以便測量轉子的位置。
45. 一種測量電抗電動機元件位置的方法，包括：安裝磁源和磁感測器到感測器支持物上；形成一個從磁源到電抗電動機元件、從電抗電動機元件再到感測器，並通過感測器支持物返回磁源的磁路；輸出來自磁感測器、與磁通密度變化成正比的信號，該磁通密度的變化依賴於磁源和電抗電動機元件之間的距離。
46. 如請求項45的方法，進一步包括：利用磁路來讀取連接到電抗電動機元件、標示電抗電動機元件絕對位置的絕對標尺；以及利用磁感測器檢測由絕對標尺引起的磁通密度變化，並輸出標示電抗電動機元件絕對測量位置的信號。
47. 如請求項46的方法，其中該絕對標尺為絕對數字尺度。
48. 如請求項46的方法，進一步包括利用磁感測器輸出連續測量的電抗電動機元件絕對位置間的內插位置。
49. 如請求項46的方法，進一步包括：利用磁感測器讀取連接到電抗電動機元件、標示絕對標尺間隔內電抗電動機元件增量位置的增量標尺；以及利用磁感測器檢測由絕對和增量標尺引起的磁通密度變化，並輸出標示電抗電動機元件測量位置的信號，該位置由絕對和增量標尺引起的磁通密度變化組合而來。
50. 如請求項46的方法，進一步包括無需侵入電抗元件的隔離外殼內部，即可讀取絕對和相對增量尺度。
51. 一種測量電抗電動機元件位置的方法，包括：使用標示電抗元件絕對位置的絕對數字尺度測量 電抗電動機元件的第一位置；以及通過測量間隔內的模擬變化，在絕對數字尺度內插入第二位置。
52. 如請求項51的方法，進一步包括無需侵入封裝電抗元件的隔離外殼內部即可測量第一位置。
53. 如請求項51的方法，其中該絕對數字尺度連接到電抗元件上。
54. 如請求項51的方法，其中該絕對數字尺度為單軌道格雷碼尺度。
55. 如請求項51的方法，進一步包括使用磁源和感測器來測量第一位置。
56. 一種具有轉子和定子的電動機位置回饋系統，該回饋系統包括：一個圍繞轉子的框架；至少一個位於轉子上的尺度；位於框架上的多個讀取頭；讀取頭設定根據尺度平移測量來確定切線位置；以及一個與讀取頭連接的處理器；該處理器設置用來根據切線位置測量確定轉子相對於參考框架的偏心和旋轉位置。
57. 如請求項56的具有轉子和定子的電動機位置回饋系統，其中該多個讀取頭間大體等距離排列。
58. 如請求項56的具有轉子和定子的電動機位置回饋系統，其中該多個讀取頭包含光學、磁學、感應 或電容讀取頭。
59. 如請求項56的具有轉子和定子的電動機位置回饋系統，其中該多個讀取頭至少包含三個讀取頭。
60. 如請求項56的具有轉子和定子的電動機位置回饋系統，其中該處理器設置為同時確定轉子的偏心和旋轉位置。