JP5416104B2 - セルフベアリングモータ用位置フィードバック - Google Patents

Description

本出願は、「セルフベアリングモータ用位置フィードバック」と題する２００７年６月２７日に出願された米国特許仮出願第６０／９４６，６８６号、３９０Ｐ０１２９１１−ＵＳ（−＃１）の利益を主張するものであり、前記出願の全文は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用される。

本出願は、「電磁推進および誘導システムの整流」と題する２００７年６月２７日に出願された米国特許出願第１１／７６９，６８８号、３９０−０１２１９７−ＵＳ（ＰＡＲ）、「複雑度を低減させたセルフベアリングブラシレスＤＣモータ」と題する２００７年６月２７日に出願された米国特許出願第１１／７６９，６５１号、３９０−０１２７５０−ＵＳ（ＰＡＲ）、「リフト能力および低減されたコギング特性を有するモータステータ」と題する２００７年６月２７日に出願された米国特許仮出願第６０／９４６，６９３号、３９０Ｐ０１２９１２−ＵＳ（−＃１）、および「磁気スピンドルベアリングを伴うロボット駆動」と題する２００７年６月２７日に出願された米国特許仮出願第６０／９４６，６８７号、３９０Ｐ０１２９１３−ＵＳ（−＃１）に関し、前記全ての出願の全文は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用される。

ここに開示する実施形態は、位置判定、特にモータ用の非接触で非侵襲の位置判定の提供に関する。

モータシステムでは、所望の量の駆動力ならびに軸方向および半径方向の剛性を実現するとともに、リアクタンス素子の動きを適切に制御するために、ステータとリアクタンス素子との間に所望の間隙を維持できるよう、ロータなどのリアクタンス素子の偏心度および方位の測定が必要となることがある。例えば、セルフベアリングモータにおいて、間隙情報は、一般的に、ステータとロータとの間の間隙をさまざまな位置で検出することのできる近接センサから取得することができる。近接センサは、位置レゾルバーなど、ステータに対するロータの方位を判定する他の測定装置により補足されることが少なくない。

特定の適用では、微小な汚染物質が深刻な問題を意味し得る制御された清浄な空気中で、材料を処理しなければならない。このような適用では、清浄度が歩留まりに直結する可能性があり、このためにコストに影響が及ぶことが考えられる。これ以外の適用に、非常に腐食性の高いガスおよび高温という厳しい環境を利用した処理工程などがある。接触軸受を伴うモータは、摩耗し、微粒子汚染を生じさせ、いずれは厳しい環境のために故障する可能性がある。また、故障に先立ち、軸受にも許容できない量の振動および遊びが出るかもしれない。セルフベアリングモータは、これらの適用の実現可能な代替物となり得るが、リアクタンス素子の正確な位置を測定するためにケーブルまたはその他の導線を厳しい環境に貫通または侵襲させるのは望ましいことではない。光学技術も、同様に、環境を包含しているエンクロージャの完全性を危険にさらす可能性のある、厳しい環境内への「窓」が必要となることが考えられるため、不利になり得る。

正確な位置と偏心度の測定をもたらすために、ロータなどのモータリアクタンス素子に取り付けて、センサおよびスケールのシステムを備えると有益である。

また、ロータの位置を正確に測定するため、およびリアクタンス素子に取り付けるか一体化させることのできるスケールを正確に測定するために、磁束密度を利用するセンサシステムを設けることも有益である。

また、２種類のセンサを使用することなく、ステータに対するロータの偏心度と方位を同時に測定するモータフィードバックシステムを設けることも有益である。

前述の特徴および開示される実施形態の他の特徴は、添付の図面との関係において、以下の記載において説明される。

図１Ａおよび１Ｂは、開示する実施形態の実施に適した例示的なモータの概略図を示す。 図１Ａおよび１Ｂは、開示する実施形態の実施に適した例示的なモータの概略図を示す。 図２は、例示的実施形態を利用することのできる例示的なロボット搬送装置を示す。 図３は、例示的実施形態を利用することのできる例示的な基板処理装置を示す。 図４は、例示的実施形態を利用するセルフベアリングモータの概略図を示す。 図５は、開示する実施形態に係る例示的な感知機構を示す。 図６は、図５の感知機構に相当する磁気回路を示す。 図７は、例示的なインクリメンタルスケールを示す。 図８は、他の１つの例示的なセンサシステムの実施形態を示す。 図９Ａおよび９Ｂは、インクリメンタルスケールの付加的な例示的実施形態を示す。 図９Ａおよび９Ｂは、インクリメンタルスケールの付加的な例示的実施形態を示す。 図１０は、グレイコードパターンを示す。 図１１は、絶対位置を示すための単一スケールの一例を示す。 図１２は、例示的なセンサ出力変化の図解である。 図１３は、同一の直径上に配置された複数のスケールを伴う１つの例示的実施形態を示す。 図１４は、複数センサシステムを示す。 図１５は、記載する実施形態での使用に適した他の１つの例示的なセンサシステムを示す。 図１６は、強磁性素子の周囲における磁気センサの例示的な配置を示す。 図１７は、１つの例示的実施形態の特徴を組み入れた駆動部の部分的な図解である。 図１８は、１つの例示的実施形態に係るフィードバックシステムの概略図である。 図１９は、１つの例示的実施形態に係るフィードバックシステムの概略図である。 図２０Ａおよび２０Ｂは、複数のセンサセットを使用したロータの変位測定を提供する付加的な実施形態を示す。 図２０Ａおよび２０Ｂは、複数のセンサセットを使用したロータの変位測定を提供する付加的な実施形態を示す。 図２１は、スケールの読み取りにセンサシステムを使用する１つの実施形態を示す。

ここに開示する実施形態は、図面を参照して記載されるが、これらは、多数の代替形式で実施できるものである点を理解されたい。また、任意の適切なサイズ、形状、または種類の素子または材料を使用できる点も理解されたい。

これらの例示的実施形態は、所望のレベルの精度および再現性をもたらす、モータ用の位置感知システムに関する。付加的な実施形態には、厳しいまたは清浄な環境内でモータとともに使用されるシステム、特にロータとステータとを互いに環境的に隔離することのできるロボット駆動という適用が含まれる。

図１Ａは、本明細書に開示する実施形態の実施に適した例示的なモータ１０の概略図を示す。ここに開示する実施形態は、図面を参照して記載されるが、これらは、多数の代替形式で実施できるものである点を理解されたい。また、任意の適切なサイズ、形状、または種類の素子または材料を使用できる点も理解されたい。

モータ１０には、この実施形態においてはロータという形式のリアクタンス素子１１、巻線セット１２、１５、およびステータ１４が含まれる。図１に描写する例示的なモータ１０の実施形態は、回転式の構成を有するものとして示されているが、他の実施形態では、後述のように線形の構成を含むものであってもよい。ロータ１１は、任意の適切な構造とすることができる。ロータ１１は、永久磁石、電磁石、または他の種類の磁気源など、１つ以上の磁気源を取り付けたものとすることができる。巻線セット１２、１５は、１つ以上の巻線を含んでいてもよく、巻線セットの駆動に適したソフトウェア、ハードウェア、またはソフトウェアとハードウェアの組み合わせを含むことのできる電流増幅器２５により駆動させることができる。電流増幅器２５は、巻線セットを駆動するためのプロセッサ２７、整流機能３０、およびカレントループ機能３５を含んでいてもよい。整流機能３０は、指定された機能セットに従い各巻線セットの１つ以上の巻線用に電流を供給することができ、一方カレントループ機能３５は、供給されるとともに巻線を通る電流を維持するためのフィードバックおよび駆動能力を提供することができる。プロセッサ２７、整流機能３０、およびカレントループ機能３５には、位置情報を提供する１つ以上のセンサまたはセンサシステムからフィードバックを受け取るための回路も含めることができる。本段落に開示するそれぞれの電流増幅器には、開示される実施形態について機能および計算を実行するために必要な回路、ハードウェア、またはソフトウェアが任意の組み合わせで含まれる。

図１Ｂは、線形の構成を有する他の１つの例示的実施形態を示す。モータ２０には、この実施形態ではプラテンという形式のリアクタンス素子２１、巻線セット２２、２４、およびステータ４５が含まれる。図１の実施形態と同様、プラテン２１は、永久磁石、電磁石、または他の種類の磁気源など、１つ以上の磁気源を取り付けたものとすることができる。プラテン２１は、任意の適切な態様で構築することができ、巻線セット２２、２４には、１つ以上の巻線を含めることができる。

モータ１０、２０はいずれも、空隙を横切る磁束密度の実質的なゲインに影響を与えて、これにより所望の軸および傾斜剛性を作り出すために、最小限の空隙と強磁性体を利用することができる。モータ１０、２０のリアクタンス素子の位置を正確に測定することは有益である。

図２は、例示的なロボット搬送装置２００を示す。搬送装置には、上腕部２１０と、前腕部２２０と、少なくとも１つのエンドエフェクタ２３０とを有する少なくとも１本のアームを含めることができる。エンドエフェクタは、前腕部に回転自在に連結させることができ、前腕部は、上腕部に回転自在に連結させることができる。上腕部は、上述のモータ１０、２０の１つ以上を含むことのできる搬送装置の駆動部２４０などに回転自在に連結させることができる。

図３は、このような例示的実施形態の特徴を組み込んだ例示的な基板処理装置３００を示す。この例では、処理装置３００が、一般バッチ処理ツール構成を有するものとして示されている。代替の実施形態では、このツールは、任意の所望の構成とすることができ、例えばツールを、基板のシングルステップ処理を実施するよう構成してもよい。他の代替の実施形態では、基板装置をソータ、ストッカー、計測ツールなど、任意の所望の種類とすることができる。装置１００内で処理される基板２１５は、液晶表示板、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍのウェハや任意の他の所望の直径の基板などの半導体ウェハ、基板処理装置１００による処理に適した任意の他の種類の基板、ブランク基板、または特定の寸法もしくは特定の質量など基板と似た特徴を有する品目を含むがこれに限定されない、任意の適切な基板とすることができる。

この実施形態では、装置３００は、概して、例えばミニ環境を形成する前方部１０５と、例えば真空チャンバとして機能するために装備することのできる、隣接する環境隔離部１１０を有することができる。代替の実施形態では、環境隔離部は、不活性ガス（Ｎ２など）または任意の他の隔離されたおよび／または制御された雰囲気を保持することができる。

この例示的実施形態では、前方部１０５は、概して、例えば１つ以上の基板保持カセット１１５と、図２に示したものに類似する前部ロボットアーム１２０とを有することができる。前方部１０５は、例えば、アライナ１６２または内部に位置づけられたバッファなど、他のステーションやセクションも有することができる。セクション１１０は、１つ以上の処理モジュール１２５、および図２に示したものに類似していてもよい真空ロボットアーム１３０を有することができる。処理モジュール１２５は、材料の堆積、エッチング、ベーキング、研磨、イオン注入、洗浄など、任意の種類とすることができる。

実現可能なこととして、ロボット基準フレームなど、所望の基準フレームに対する各モジュールの位置は、コントローラ１７０で位置決めすることができる。また、１つ以上のモジュールは、基板上の基準（図示せず）を用いるなどして、基板を確立された所望の方位にした状態で、基板１９５を処理することができる。処理モジュール内の基板の所望の方位も、コントローラ１７０で位置決めすることができる。真空部１１０は、ロードロックと称する１つ以上の中間チャンバも有することができる。

図３に示す実施形態は、ロードロックＡ １３５とロードロックＢ １４０の２つのロードロックを有することができる。ロードロックＡおよびＢは、真空部１１０内に存在し得る任意の真空度の完全性を乱すことなく、前方部１０５および真空部１１０間の基板の通過を許容するインターフェースとして動作する。基板処理装置１００には、概して、基板処理装置１００の動作を制御するコントローラ１７０が含まれる。コントローラ１７０は、プロセッサおよびメモリ１７８を有する。上記の情報に加え、メモリ１７８には、オンザフライの基板の偏心度および調整不良の検出および補正のための技術を含むプログラムを含めることができる。メモリ１７８には、さらに、処理モジュールおよび装置のセクション１０５、１１０の他の部分またはステーションの温度および／または圧力などの処理パラメータ、処理中の基板２１５の時間情報、基板のメトリック情報、ならびにオンザフライの基板の偏心度を判定するために装置および基板のこの暦データを適用するためのアルゴリズムなどのプログラムも含めることができる。

例示的な装置３００では、ＡＴＭロボットとも称する前部ロボットアーム１２０に、駆動部１５０および１本以上のアーム１５５を含めることができる。少なくとも１本のアーム１５５は、上述の図１Ａおよび１Ｂのモータに類似するモータを１つ以上含めることのできる駆動部１５０上に取り付けることができる。少なくとも１本のアーム１５５は、リスト１６０に連結させることができ、これにより１枚以上の基板２１５を保持するための１つ以上のエンドエフェクタ１６５に連結される。エンドエフェクタ１６５は、リスト１６０に回転自在に連結させることができる。ＡＴＭロボット１２０は、基板を前方部１０５内の任意の位置に搬送するよう適合させることができる。例えば、ＡＴＭロボット１２０は、基板を基板保持カセット１１５、ロードロックＡ １３５、およびロードロックＢ １４０間で搬送することができる。ＡＴＭロボット１２０は、基板２１５をアライナ１６２との間で往復搬送できる。駆動部１５０は、コントローラ１７０からコマンドを受け取ることができ、これを受けて、ＡＴＭロボット１２０の半径方向の、周方向の、高さ方向の、複合的な、および他の動きを指示することができる。

この例示的実施形態では、真空ロボットアーム１３０をセクション１１０の中央チャンバ１７５内に取り付けることができる。コントローラ１７０は、開口部１８０、１８５を循環させるとともに、処理モジュール１２５、ロードロックＡ １３５、およびロードロックＢ １４０間の基板の搬送のための真空ロボットアーム１３０の動作を調整するために動作可能である。真空ロボットアーム１３０には、駆動部１９０および１つ以上のエンドエフェクタ１９５を含めることができる。他の実施形態では、ＡＴＭロボット１２０および真空ロボットアーム１３０は、例えばＳＣＡＲＡタイプのロボットなど、任意の適した種類の搬送装置、関節アームロボット、カエル足タイプの装置、または左右相称の搬送装置とすることができる。

ここで図４を参照すると、例えば搬送ロボット２００の駆動部２４０内に採用することのできる、セルフベアリングモータ４００の概略図が示されている。セルフベアリングモータ４００には、ロータ４１０とステータ４１５とが含まれる。図４には、例示的な目的に限り、１つのロータ／ステータの組み合わせが示されているが、モータ４００には、任意の適切な構成を有する任意の適切な数のロータを含めることができる点に留意されたい。図４の例示的実施形態では、ステータ４１５は、例えば上述の図１のステータ１４に実質的に類似したものとすることができる。したがって、ロータ４１０も、図１のロータ１１に実質的に類似したものとすることができる。ロータ４１０には、例えば強磁性体で構築することができるほか、永久磁石４２０および鉄製の裏当て４２５を含めることができる。

他の代替の実施形態では、ステータとの相互作用のために永久磁石を、電磁石などの他の種類の磁気源を含め、任意の適切な強磁性体に置き換えてもよい。ロータマグネット４２０には、ロータ周縁の周囲に取り付けられた交互に極性を変えた一連のマグネットを含めることができる。ロータ周縁は、ロータの内周壁であっても外周壁であってもよい。代替の実施形態では、マグネット４２０をロータ内に埋め込んでもよい。他の代替の実施形態では、マグネット４２０をロータ４１０の上または中の任意の適切な位置に位置づけることができる。

ステータ４１５には、励起時にロータを回転方向、半径方向、および／または軸方向に駆動する巻線セットを含めることができる。この例示的実施形態では、ステータ４１５は、強磁性体で構築することができるが、代替の実施形態では、ステータは、任意の適切な材料で構築することができる（非磁性体のステータの場合は、受動的な浮場を提供するためにステータ内に磁性体を含めることができる。ステータ４１５とロータマグネット４２０との間の相互作用は、ロータ４１０を受動的に浮揚させる矢印４３０の方向に受動的な力を生じさせることができる。磁束線４３５を受けて、例えば矢印４４０、４４５の方向に半径方向の力または引力を生じさせることができる。これらの引力は、所望の位置でロータの幾何学的中心／回転軸を維持するために半径方向にロータを能動的に中心化および／または配置するよう巻線が励起されるという、不安定な状態を作り出すことができる。

図４の例示的実施形態では、ロータ４１０が、例えば真空といったステータ４１５とは異なる環境内でのロータ４１０の動作を許容する壁体４５０によって、ステータ４１５から隔離されていることに注意されたい。壁体４５０は、非磁性体で構築することができ、これによりロータ４１０とステータ４１５との間にある壁体における磁力の横断が許容される。

ここで図５を参照して、開示する実施形態に係る感知機構５００の原理を説明する。図５の実施形態には、例えば強磁性体の裏当て５１０という強磁性ターゲットが示されている。強磁性裏当ては、例えばロータ５０５などのモータリアクタンス素子に取り付けることができる。ロータ５０５は、１つ以上の永久磁石５１５を有することができる。ロータは、真空、高温、腐食性大気など、チャンバ外とは異なる環境を支持することのできるチャンバ５２５内に封入することができる。チャンバ５２５は、非磁性体で構築することができる。ロータ５０５は、チャンバ５２５外に位置する１つ以上のコイル５２０により駆動させることができる。

感知機構５００には、磁気源５３０およびセンサ裏当て５５０上に取り付けられたセンサ５４０を有する読み取りヘッド５４５が含まれる。この実施形態では、感知機構は、磁気源５３０と、磁気源５３０および本実施形態ではロータ裏当て５１０という強磁性ターゲットの間の空隙５５５と、ロータ裏当て５１０を通過する経路５６０と、センサ裏当て５５０経由で磁気源５３０に戻る空隙５３５を通過するセンサ５４０への戻り経路とから形成される磁気回路または磁束ループ経路を提供する。磁束ループ経路は、継続的に閉鎖され、センサ５４０は、とりわけ磁気源５３０とロータ裏当て５１０との間の距離に依存する磁束強度を判定する能力を有する。少なくとも１つの実施形態では、センサ５４０は、磁束強度を磁気源および強磁性ターゲット間の距離に一意的に相関させる出力を有する。磁気源５３０には、１つ以上の永久磁石、電磁石、または任意の他の適切な磁気源を含めることができる。センサ５４０には、１つ以上の磁束センサ、ホール効果、磁気抵抗、または磁束の感知に適した任意の他の種類のセンサを含めることができる。

図６は、図５のセンサ機構に相当する磁気回路を示す。磁気源５３０は、一定の磁束源φｒおよび平行の磁気源の磁気抵抗Ｒｍにより表される。磁束強度φは、２Ｒｇとして表される、ロータ裏当て５１０からセンサ５４０への空隙５３５と組み合わせた磁気源５３０からロータ裏当て５１０への空隙５５５の磁気抵抗と、磁気源の磁気抵抗Ｒｍと、ロータ裏当ての磁気抵抗Ｒ_Ｔと、センサ裏当ての磁気抵抗Ｒ_Ｂとに依存する。磁気源の磁気抵抗Ｒｍと、ロータ裏当ての磁気抵抗Ｒ_Ｔと、およびセンサ裏当ての磁気抵抗Ｒ_Ｂとは、比較的一定である。空隙の磁気抵抗２Ｒｇは、磁気源５３０およびロータ裏当て５１０間ならびにロータ裏当て５１０およびセンサ５４０間の距離に直接的に依存するため、変化に合わせて各距離と一意的に相関させることができる。故に、距離５３５、５５５に沿ったロータ裏当ての位置は、チャンバ５２５の侵襲なく、およびチャンバ５２５内に感知装置を配置することなく判定することができる。

さらに図５の例示的実施形態を参照すると、ロータ位置を所望のレベルの分解能で判定するために、ロータ５０５上に２つのスケールを定義することができる。スケールは、センサ５４０により判定される磁束強度に変動を生じさせるよう配置および構築することができる。その結果、センサ出力が、センサに影響を及ぼすスケールの特定部分に応じて可変となるため、位置情報を提供することができる。例えば、第１のスケールは、信号補間を伴う高分解能のインクリメンタル位置を提供することができ、第２のスケールは、第１のインクリメンタルスケールの１サイクル内におけるロータ５０５の絶対位置を提供することができる。

図７には、例示的なインクリメンタルスケール７０５が描写されている。図７は、例えばインクリメンタルスケール７０５と相互作用するチャンバ５２５といったチャンバの壁体７３０の一面上にあるセンサシステム７２０、７２５を示す。この例では、簡便化のために線形スケールが示されているが、上記のインクリメンタルスケールおよび絶対スケールはいずれも回転構造にすることもできる点を理解されたい。インクリメンタルスケール７０５には、規則的間隔の歯ピッチ７１５を有する外形７１０を含めることができる。インクリメンタルスケール上には、スケールに沿ったインクリメンタル位置を示すのに適切である限り、他の規則的なパターンを利用することができる。インクリメンタルスケール７０５は、適切な材料から加工し、ロータ５０５に固定的に適用することができる。他の実施形態では、スケール７０５をロータ５０５内へ成形、加工、またはそうでなければ一体化させることができる。各センサシステム７２０、７２５には、それぞれセンサ７４０、７５５、およびそれぞれ磁気源７４５、７６５が含まれる。センサ７４０、７５５は、アナログまたはデジタル出力を提供することができる。この実施形態では、センサシステム７２０、７２５は、センサ７４０、およびセンサシステム７２０などのセンサシステムの磁気源７４５が、インクリメンタルスケール７０５のピッチに対し同一位置となるよう、位置づけられている。つまり、対応するセンサ７４０および同一センサシステム７２０の磁気源７４５間の中心間距離７５０は、インクリメンタルスケール７０５の整数ピッチ数７１５に近似させて設定することができる。センサシステム７２０、７２５は、センサ経路に沿った空隙の磁気抵抗が異なるために、それぞれの出力が例えば９０度の位相の不一致となるよう、互いに分数インクリメンタルスケールピッチ距離１３となるよう配置することができる。

少なくとも１つの実施形態では、センサ７４０、７５５は、ｓｉｎｅ／ｃｏｓｉｎｅのようなアナログ信号を出力として提供することができる。一部の実施形態では、センサ７４０、７５５の組み合わされた出力に、クワドラチャカウントを含めることができる。結果として、インクリメンタル位置は、ｓｉｎｅ波のクワドラチャカウントに特定のｓｉｎｅサイクル内の補間位置を加算したものとして判定することができる。実際の分解能は、アナログ出力のデジタル化に使用するアナログ−デジタル変換器のビット数と出力中に存在するノイズレベルとに依存し得る。各センサおよび磁気源は、スケールのまたは図７でスケールに沿ってインクリメンタル位置を示すのに使用されたパターンのピッチに平行な線に沿って方向づけられているが、センサおよび磁気源の他の方位も予期される。

図８は、他の１つのセンサシステムの例示的実施形態を示しており、センサシステム８２０と、チャンバ８３０内に位置づけられたインクリメンタルスケール８３５を有するロータ８２５とが描写されている。図８では、磁気源８１０とセンサシステム８２０のセンサ８１５とが、スケールに沿ったインクリメンタル位置を示すのに使用されるパターンのピッチに垂直な線に沿って方向づけられている。故に、センサおよび磁気源はいずれも、スケール上のパターンの同一部分に面している。

図９Ａおよび９Ｂは、別のインクリメンタルスケール位置を伴う例示的実施形態を示す。図９Ａの実施形態では、インクリメンタルスケール９０５が、ロータ９１０から離れるよう設定されているため、ロータの直径に依存しない。一部の実施形態では、インクリメンタルスケール９０５は、例えばシャフトまたは他の装置９１５などにより、ロータ９１０に直接結合させることができる。他の実施形態では、任意の適切な間接連結装置または方法を用いてインクリメンタルスケール９０５をロータ９１０に間接的に結合させることができる。図９Ｂでは、インクリメンタルスケール９２５が、ロータ９３０の内径内に一体化されている。ロータ裏当てを適切な厚みと高さにすることにより、ロータマグネットをインクリメンタルスケールから磁気的に隔離できる点に注意されたい。

上述のように、位置決めの測定用に、インクリメンタルスケールと絶対位置スケールの２個のスケールをロータ上に定義することができる。少なくとも１つの実施形態では、絶対位置スケールに、ロータ位置を一意的に特定するのに必要な追加的な位置情報を含めることができる。絶対位置エンコーダは、概して、関係する動きがなくても一意的な位置を提供することができる。通常、そのようなエンコーダは、独立センサシステムが各スケールを読み取ることができる場合、いくつかのスケールを必要とすることがある。スケール数は、絶対位置エンコーダのビット数、それ故に絶対エンコーダの分解能を決定し得る。デジタル絶対位置スケールを使用する実施形態では、デジタル絶対位置を、それぞれが各スケールに面した多数の独立センサで読み取らせることができる。各センサは、デジタル位置を定義する単語の１つの個別のビットの状態を提供することができる。パターン１００５の標準的な例として、５ビットを伴うグレイコードと称するものが図１０に示されている。パターン１００５の各行には、絶対位置を示す１つの５ビットの単語が含まれており、この実施形態では、角度位置が度数で表現される。Ｓ４は、５ビットの各単語の最も重要なビットを表しており、グレイコード系列に典型的であるように、各単語は次の単語と１ビットしか違わない。

絶対位置は、ロータに取り付けられた１つのデジタルスケールを利用して取得することができる。デジタル絶対位置を読み取るために、一連のセンサを、互いに特定の間隔になるように絶対トラックに面して配置することができる。センサ数は、絶対位置のビット数を決定し得る。単一スケール設計の使用は、設計の占有面積を小さくすることができるため有益である。単一スケールのビットパターン系列は、一度に１ビットしか変化しないグレイコード形式を有するものとすることもできる。

図１１は、絶対位置を示すための単一スケール１１０５の一例を示す。単一スケール１１０５は、図１０のＳ４について示したパターンを模倣したパターンを有する。５個のセンサＳＯ １１１０、Ｓ１ １１１５、Ｓ２ １１２０、Ｓ３ １１２５、Ｓ４ １１３０をスケール１１０５の周囲の特定の位置に配置することにより、パターンが回転するにつれ図１０の系列がセンサにより生成され、これにより取り付けられたロータの絶対位置情報が生成される。所望の位置分解能を提供するのに適切なビット数を利用するようスケールを構成できる点を理解しておくことが重要である。単一の絶対スケールは、例えば図１１の１１３５などのインクリメンタルスケール、およびインクリメンタルスケールセンサ１１４０と組み合わせて利用することができる。

他の１つの実施形態では、デジタル絶対位置の分解能の範囲で、デジタル絶対位置と補間されたインクリメンタル位置とを同時に生成するために、図１１の単一絶対スケール１１０５を単独で使用することができる。上述のように、磁気センサは、デジタルまたはアナログ出力を提供できるものにしてもよい。磁気センサがアナログ出力の提供能力を有する実施形態では、パターンの１つのビットの変化を判断するための閾値を設定することにより、絶対位置スケールのデジタル出力パターンをアナログ出力信号から生成することができる。同時に、単一絶対スケールにより提供されるものに対し付加的な分解能で位置を判定するために、変化する信号のアナログ値を測定するとともに、変化するアナログ値を利用することができる。例えば、デジタル信号プロセッサは、設定された閾値に従いセンサのデジタル出力および１ビット変化を受けているセンサの瞬間アナログ出力を感知するよう、センサの出力測定に利用することができる。この瞬間アナログ出力は、現在のデジタル絶対位置と次のデジタル絶対位置との間の補間位置を生成するために使用することができる。

図１２は、図１０に示されるようにロータが１２度から２４度に移行する場合における、図１０および１１のセンサＳ２の例示的な出力変化を図解したものである。図１２では、補間位置が角度９で表現されており、アナログセンサ出力がパラメータＶで表現されている。これはグレイコードスケールであるため、センサＳ２の状態だけが変化する（この場合は高い状態から低い状態に）。補間位置９は、出力Ｖから次のように決定できる。

故に、図１２の位置情報を与えたロータの絶対位置の総計は次となる。

補間位置９の分解能は、信号Ｖのサンプリングに使用するアナログ−デジタル（ＡＤ）変換器などの変換機能で利用可能な分解能しだいである。絶対位置を表現するためのビット数合計の１つの表現を、センサ数とＡＤ変換器のビット数との合計とすることができる。

例えば、図１１のセンサと１２ビットのＡＤ変換器とを使用した図１０に示す系列の場合、絶対位置を表現するためのビット数の合計は、１７となり、それ故に図１０の５ビットのグレイコード系列だけを使用した場合に比べ分解能が著しく改善する。

図１３は、同一の直径上に複数のスケールを配置した１つの例示的実施形態を示す。この実施形態では、絶対スケール１３０５、間隙スケール１３１０、およびインクリメンタルスケール１３１５が互いに軸方向にオフセットされている。少なくとも１つの実施形態では、インクリメンタルスケールの上部面１３２０または下部面１３２５を適宜間隙面と認識し、本明細書に記載される磁気抵抗の測定技術を使用して当該ポイントで間隙を測定することにより、間隙スケールを排除することができる。他の１つの実施形態では、絶対スケール１３０５の上部面１３３０または下部面１３３５を、上述の技術を使用して間隙を測定するためにも使用することで、別途の間隙スケールの必要性を解消できる。この実施形態では、スケールは、多数のマグネット１３５０を有するロータ１３４５の内面上に配置される。裏当て１３４０は、スケールに関連する磁気センサシステムをロータマグネット１３５０の影響から隔離するよう動作する。

図１４は、図１３に示したものなど、複数のスケールを配置することのできる複数センサシステムを示す。図１４には、強磁性裏当て１４１０と１つ以上の永久磁石１４１５とを伴うロータ１４０５が示されている。ロータは、真空、高温、または腐食性大気など、チャンバ外とは異なる環境を支持することのできるチャンバ１４２５内に封入させることができる。チャンバ１４２５は、非磁性体で構築することができる。ロータ１４０５は、チャンバ１４２５外に位置する１つ以上のコイル１４２０により駆動させることができる。

この実施形態では、絶対スケール１４３０、間隙スケール１４３５、およびインクリメンタルスケール１４４０の３つのスケールが、ロータ１４０５に取り付けられているか、または一体化されている。各スケールには、１つ以上のセンサシステムを関連付けることができる。この実施形態には、絶対スケール１４３０を読み取るための絶対センサシステム１４４５と、間隙スケール１４３５を読み取るための間隙センサシステム１４５０と、インクリメンタルスケール１４４０を読み取るためのインクリメンタルセンサシステム１４５５とが含まれる。センサシステム１４４５、１４５０、１４５５のそれぞれには、上述のように任意の数のソースとセンサとを含めることができる。上記のように、間隙スケール１４３５は、他のスケールのいずれと組み合わせることも、多層構造とすることもできる。組み合わせまたは多層構造とした場合、間隙スケールは、引き続き間隙センサシステム１４５０を使用して読み取らせることも、または組み合わせたもしくは多層構造化されたスケール用のセンサシステムで読み取らせることもできる。この実施形態では３つのスケールと３つのセンサシステムが示されているが、任意の適切な数のスケールとセンサシステムを利用してもよいことを理解されたい。

この実施形態では、複数センサシステムに、絶対、インクリメンタル、および間隙センサシステムに連結された回路１４６０も含めることができる。回路は、絶対、インクリメンタル、および間隙センサシステムの出力の組み合わせから、モータリアクタンス素子の測定位置を示す出力を提供することができる。

図１５は、ここに記載される実施形態での使用に適した例示的なセンサシステム１５００を示す。センサシステム１５００は、例えばロータ裏当てからセンサシステムの基準フレームまでなど、強磁性ターゲット１５５５からの距離を判定するために、上記のものと類似したものなど、磁気回路の原理を利用することができる。強磁性ターゲット１５５５は、平面もしくは曲面とすること、または上記のスケールなど、任意の加工した外形をターゲットに取り付け、埋め込み、もしくは一体化させたものとすることができる。センサシステム１５００には、強磁性素子１５０５、永久磁石などの磁気源１５１０、多数の磁気センサ１５１５、１５２０、１５２５、１５３０、および調整回路１５３５を含めることができる。強磁性素子１５０５が磁気源１５１０を包囲するようにしてもよい。他の実施形態では、強磁性素子１５０５は、磁気源１５１０を取り囲むか、または封入することすらできる。少なくとも１つの例示的実施形態では、強磁性素子１５０５を、閉鎖端１５６５および開放端１５７０を伴うカップ形状にできる。磁気源１５１０は、磁化方向が強磁性素子１５０５の対称軸に平行の場合に、円柱形状を有することができる。磁気源１５１０は、永久磁石、電磁石、または任意の他の適切な磁気エネルギー源とすることができる。磁気源１５１０は、強磁性素子内で、引力により強磁性素子１５０５の中心に取り付けることができるとともに、接着剤など適切な固定具を用いて所定の位置に保持することができる。少なくとも１つの実施形態では、センサシステム１５００をカップの開放面１５７０が強磁性ターゲット１５５５に面するように方向づけることができる。

図１５に示す実施形態では、強磁性素子１５０５と磁気源１５１０との間に、流束密度がカップの軸、または磁気源１５１０と強磁性素子１５０５との間の任意の同心境界線に関して対称となるように、磁気回路が確立される。強磁性素子１５０５の形状は、磁場の形状に影響を及ぼす。強磁性素子１５０５をカップ形状とした実施形態では、磁場が比較的制限され、これにより強磁性ターゲットまでの距離１５６０の変化に対する感度が増す。強磁性素子１５０５は、具体的な形状の磁場を作り出すよう調整した形状とすることができる。一部の実施形態では、強磁性素子１５０５を、センサシステム１５００と強磁性ターゲット１５５５との間の距離の変化に対し特定の感度を与えるよう構築することもできる。

磁気センサ１５１５、１５２０、１５２５、１５３０は、流束密度を感知するよう動作させることができるとともに、強磁性素子１５０５の対称軸から半径方向に一定距離の軌道配置内になるよう配置ことができる。磁気センサは、磁気センサの出力が約同じになるよう、配置することもできる。４つの磁気センサが示されているが、任意の適切な数の磁気センサを利用できることを理解されたい。磁気センサ１５１５、１５２０、１５２５、１５３０の出力は、調整回路１５３５に提供することができる。調整回路１５３５には、例えば補正、フィルタリング、ノイズ低減、または任意のその他適切な信号処理を提供するために、センサ出力を処理するための信号処理回路を含めることができる。センサ出力信号は、概して、センサシステム出力１５５０を提供するために処理される。追加的なセンサを使用すると、システムのノイズ排除性が向上する可能性がある。周囲環境からの外部磁気妨害を最小限に抑えるよう、強磁性素子１５０５を磁気センサ用の磁気隔離ケージとしても動作させることもできる。それ故に、センサシステム１５００は、磁気センサが検出する磁束密度ベクトルの変化を測定するよう構成される。特に、センサシステム１５００は、強磁性ターゲット１５５５の存在による磁束密度ベクトルの変化を測定することができる。少なくとも１つの実施形態では、磁気センサ１５１５、１５２０、１５２５、１５３０の出力は、強磁性ターゲット１５５５までの距離１５６０を示すセンサシステム出力１５５０を提供するよう調整することができる。

図１６は、強磁性素子の周囲における磁気センサの例示的な配置を示す。この実施形態では、磁気センサを１６１０と１６１５、１６２０と１６２５、１６３０と１６３５、１６４０と１６４５のペアにして、強磁性素子１５０５と磁気源１５１０との間の流束密度の線に対する方向を交互にしながら配置することができる。この実施形態では、各センサペアが差分出力を提供することができる。加算１６５０および差分調整１６５５回路は、調整回路１５３５の一部とすることができるとともに、差分信号としてセンサシステム出力１５５０をさらに提供することができる。差分出力を用いることで、ノイズ排除性が向上する可能性があり、特に信号が低いレベルにある場合、厳しい電気電磁環境にさらされている場合、または任意の感知可能な距離の移動がある場合にはこの可能性が高い。例えば、センサシステム出力１５５０を差分信号として提供すると、出力が読み取り装置１６６０に提供されるため、ノイズ排除性が向上する可能性がある。

他の実施形態では、磁気センサを対称軸から半径方向に等しい距離に配置しなくてもよく、かつ磁気センサの出力が必ずしも等しくなくてもよいが、有効なターゲット距離をもたらすよう出力を適切に処理することができる。グループ化していない状態の、または任意の適切な数もしくは配置でグループ化した、任意の数の磁気センサを使用できることを理解されたい。

ターゲット距離の測定に加え、感知システム１５００は、インクリメンタルまたは絶対位置トラックを読み取るために、図７および８の感知システム７２０または７２５または８２０と相互に代替可能に使用することができる。

図１５を参照すると、強磁性ターゲット１５５５は、いったんセンサシステム１５００の前に位置づけられると、磁気センサ１５１５、１５２０、１５２５、１５３０により検出される磁束密度ベクトルを変化させるため、出力信号１５５０に影響が及ぶ。ターゲット１５５５とセンサシステムとの間の距離１５６０に、センサシステム出力１５５０の値を決定させることができる。センサシステム出力１５５０は、強磁性ターゲット１５５５に取り付けるまたは一体化させることのできる１つ以上のスケールによりもたらされる磁束の変化に伴い変化し得る。

磁気源１５１０および強磁性素子１５０５の形状は、特定の流束密度のパターンまたは構成を得るために、またはセンサシステム出力１５５０もしくは距離１５６０を最適化もしくはそうでなければ向上させるために、修正することができる。例えば、一部の実施形態では、少なくとも１つの強磁性素子１５０５および磁気源１５１０は、円柱、円錐、立方体もしくは他の多面体、放物体、または任意の他の適切な形状を有することができる。上述のように、任意の数のセンサを利用することができる。さらに、センサは、特定の流束密度パターンを得るため、またはセンサシステム出力１５５０もしくは距離１５６０を最適化するため、任意の適切な配置とすることができる。

センサシステム１５００は、例えばセンサシステムからターゲットロータまたはスケールを隔離することのできる本明細書に開示されるチャンバにおいて使用されるとおりの非磁性体の壁体を介した、本明細書において記載される実施形態での使用に適している。センサシステム１５００は、真空自動化システムの実施形態での使用に適している。センサシステム１５００は、本明細書に記載される全ての実施形態について、特に磁束、間隙、およびスケールの測定に適している。

図１７は、１つの例示的実施形態に係る位置フィードバックシステム２１００を含む例示的なモータ２１１０を図解したものである。開示する実施形態は、図に示す実施形態を参照しながら説明されるが、開示する実施形態は、多くの代替形式の実施形態で実施できることを理解されたい。また、任意の適切なサイズ、形状、または種類の素子または材料を使用してもよい。

こうした例示的実施形態のフィードバックシステムは、任意の適切なモータ用の高分解能の位置フィードバックを提供することができる。例示的実施形態のフィードバックシステムは、接線の位置測定に基づき、モータのステータに関する偏心度および方位（回転など）の同時測定を許容することができる。

図１７に示すモータ２１１０には、例示的な目的に限り１つのロータ／ステータが含まれているが、モータ２１１０には、同軸および非同軸の構成を含むがこれに限定されない、任意の適切な構成で配置された任意の適切な数のロータを含めることができる点に注意されたい。図１７の例示的実施形態では、ステータ２１１０Ｓは、例えば鉄心ステータとすることができるが、代替の実施形態では、ステータは、任意の適切なステータとすることができる。ロータ２１１０Ｒを、例えば任意の適切な材料で構築し、これに永久磁石２１１０Ｍと鉄製の裏当て２１１０Ｂを含めてもよい。代替の実施形態では、ロータに、ステータ２１１０Ｓと相互作用させるための任意の強磁性体を含めてもよい。

ステータ２１１０Ｓには、例えばＸ−Ｙ面および／またはＺ方向におけるロータ２１１０Ｒの位置を制御するための任意の適切な巻線セットを含めることができる。代替の実施形態では、巻線セットは、任意の適切な構成とすることができる。ステータ２１１０Ｓとロータマグネット２１１０Ｍとの間の相互作用は、ロータ２１１０Ｒを受動的に浮揚させる力を生じさせることができる。浮揚力は、例えば全文が本明細書の一部を構成するものとして援用される、「磁気スピンドルベアリングを伴うロボット駆動」と題する２００７年６月２７日に出願された米国特許仮出願第６０／９４６，６８７号、３９０Ｐ０１２９１３−ＵＳ（−＃１）に記載された、ステータの端部に対するロータマグネットの端部のオフセットなどにより生成されることになる、湾曲した磁束線の結果もたらし得るものである。代替の実施形態では、浮揚力を任意の適切な態様で生じさせることができる。

この例示的実施形態のフィードバックシステム２１００には、複数の読み取りヘッド２１３０、およびスケール２１２０が含まれる。読み取りヘッド２１３０は、非接触の光学的、容量性、誘導式、および磁気的な読み取りヘッドを含むがこれに限定されない、任意の適切な読み取りヘッドとすることができる。代替の実施形態では、読み取りヘッドは、接触式の読み取りヘッドとすることができる。読み取りヘッドは、読み取りヘッド２１３０がステータ２１１０Ｓに対して固定されるように、モータ内の任意の適切な場所に配置できる。代替の実施形態では、読み取りヘッド２１３０は、ステータ２１１０Ｓに対し任意の適切な関係を有することができる。代替の実施形態で実現可能なこととして、読み取りヘッド２１３０を、例えば読み取りヘッド２１３０とロータ２１１０Ｒおよびステータ２１１０Ｓとの間の磁気的な相互作用が読み取りヘッド２１３０の提供する読み取り値を変化させないよう、配置、構成、および／またはロータ２１１０Ｒおよびステータ２１１０Ｓから適切に隔離することができる。

読み取りヘッド２１３０は、読み取りヘッド２１３０から出力信号を受け取り、それらの信号を後述のように処理してロータ２１１０Ｒに関する位置データを判定するよう構成された任意の適切なプロセッサ２１６０に通信可能に連結させることができる。例示的な目的でしかないが、読み取りヘッド２１３０は、広域ネットワーク（ＷＡＮ）、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、ブルートゥース、赤外線、ラジオ周波数、または任意の他の適切な接続を含むがこれに限定されない、任意の適切な有線または無線の接続を介して、プロセッサ２１６０と通信するものにできる。１つ以上の実施形態では、読み取りヘッド２１３０に、感知機構５００または上記のセンサシステム１５００を１つ以上含めることができる。

スケール２１２０は、上記の読み取りヘッドと使用するよう構成された絶対またはインクリメンタルスケールを含むがこれに限定されない、任意の適切なスケールとすることができる。図には１つのスケールが示されているが、代替の実施形態では、任意の適切な数のスケールを使用できることに注意されたい。非制限的な例として、１つの代替の実施形態では、各読み取りヘッド２１３０が、独自の個別のスケールを有することができる一方で、他の代替の実施形態では、いくつかの読み取りヘッドが１つのスケールを共有し、他の読み取りヘッドが別のスケールを共有することができる。

１つの例示的実施形態では、スケール２１２０を、ロータ２１１０Ｒに接合またはそうでなければ取り付けることができる。他の例示的実施形態では、スケール２１２０は、加工、エッチング、または任意の他の適切な製造技術などにより、ロータ２１１０Ｒに埋め込むことができる。代替の実施形態では、スケール２１２０は、ロータに取り付けられ、ロータから半径方向に伸展するディスクとすることができる。他の代替の実施形態では、スケールは、任意の適切な構成とすることができる。スケール２１２０は、以下に非常に詳細に記載されるように、読み取りヘッドがロータ１１０Ｒの偏心度および／または回転の検出を実現できるように、スケール上の目盛り２１２０Ｇを配置した構成とできる。代替の実施形態では、スケール上の目盛りを任意の適切な態様で配置することができる。

さらに図１７を参照すると、例示的な実施形態のフィードバックシステム２１００は、真空、大気、または制御空気の各環境を含むがこれに限定されない、任意の適した環境内で利用できることに注意されたい。１つの例示的実施形態では、モータに、ステータ２１１０Ｓが大気環境内で動作する一方で、ロータ２１１０Ｒの真空内での動作を許容することのできる境界２１４０を含めることができる。代替の実施形態では、ステータおよびロータのそれぞれを、互いに同一であっても異なっていてもよい、任意の適切な環境内で動作させることができる。境界２１４０は、例えば真空環境内での使用に適した材料で、かつ流束の短絡を引き起こすことなく、または渦電流のおよび磁気相互作用からの熱の影響を受けやすい状態になることなく、磁場内に介在させることのできる材料で構築することができる。また、境界は、駆動部内の温度を最小限に抑えるために、適切な熱伝達装置（受動的または能動的など）に連結させることもできる。読み取りヘッド２１３０が光学式読み取りヘッド２１３０である１つの例示的実施形態では、読み取りヘッド２１３０によるスケール２１２０の読み取りを許容するために、境界に光学式のぞき窓を含めることができる。読み取りヘッド２１３０が容量性、誘導、または磁性（ホールセンサなど）である場合は、読み取りヘッド２１３０に関連付けたのぞき窓がなくてもよい。

ここで図１８を参照すると、１つの例示的実施形態に係るフィードバックシステム２１００’の概略図が示されている。図１８に示す例示的実施形態では、フィードバックシステム２１００’に、３つのヘッド２１３０Ａ−２１３０Ｃが含まれているが、代替の実施形態では、フィードバックシステム２１００’が３つ未満または３つ以上の読み取りヘッドを有していてもよい。この図では、読み取りヘッド２１３０Ａ−２１３０Ｃは、読み取りヘッドが半径方向にスケール２１２０を指すよう、実質的に等間隔の態様で、ステータ２１１０Ｓの周囲に配置されるものとして示されている。代替の実施形態では、読み取りヘッド２１３０Ａ−２１３０Ｃは、任意の適切な所定の間隔配置で、ステータ２１１０Ｓの周囲に配置することができるとともに、スケール２１２０に関し任意の適切な方位とすることができる。１つの例示的実施形態では、読み取りヘッド２１３０Ａ−２１３０Ｃのそれぞれが、各読み取りヘッドが見ているスケール２１２０上のポイントとスケール２１２０の原点ＳＯとの間の距離（ｄＡ、ｄＢ、ｄＣなど）に相当する位置情報を提供するよう構成することができる。この情報は、例えば、ステータ２１１０Ｓに対するロータ２１１０Ｒの偏心度と方位の判定に使用することができる。代替の実施形態では、読み取りヘッド２１３０Ａ−２１３０Ｃは、ステータ２１１０Ｓに対するロータ２１１０Ｒの偏心度と方位を判定するための任意の適した情報を提供することができる。図１８に示す距離ｄＡ、ｄＢ、ｄＣは、時計回り方向に伸展するよう示されているが、代替の実施形態では、例えばロータ２１１０Ｒの回転方向に応じて、距離を反時計回り方向にしてもよい。

ここで図１９を参照して、４つの読み取りヘッド２２３０Ａ−２２３０Ｄの接線位置の測定を用いたロータ２１１０Ｒの偏心度および方位の判定を、１つの例示的実施形態に従い説明する。ただし、以下に記載した４つの読み取りヘッド２２３０Ａ−２２３０Ｄに対応する例示的な方程式は、ロータ２１１０Ｒの偏心度および回転位置を判定できるように、任意の適切な数の読み取りヘッド用に適合させることができる。

実現可能なこととして、モータ２１１０の動作中、ロータ２１１０Ｒは、回転Ｃの第１の中心から回転Ｃ１の第２の中心へと逸脱することがある。この逸脱は、ロータに適用されるラジアルおよび／または軸荷重などのためと考えることができる。フィードバックシステム２１００”は、逸脱およびロータ２１１０Ｒの回転方向を計算するよう構成することができる。後述する例示的な位置判定では、ロータ２１１０Ｒが反時計周り方向に回転するにつれて、距離ｄ１−ｄ４が増加すると想定されている。ただし、代替の実施形態では、以下に記載した方程式に適切な変更を加えれば、ロータ２１１０Ｒが時計回り方向に回転するにつれ、距離ｄ１−ｄ４が増加すると想定することができる。

非限定的な例として、この例示的実施形態では、中心点Ｃからの偏心度または逸脱を、次の方程式で見出すことができる。

ここで、ｘ_０およびｙ_０はそれぞれ、ロータ２１１０Ｒの偏心度のｘおよびｙ成分を表す。上記の方程式から実現し得ることとして、偏心距離ｘ_０は、読み取りヘッド２２３０Ｄおよび２２３０Ｂで接線方向に測定した弧長２２４０Ｘに対応する角度を用いて見出すことができる。同様に、偏心距離ｙ_０は、読み取りヘッド２２３０Ｃおよび２２３０Ａで接線方向に測定した弧長２２４０Ｙに対応する角度を用いて見出すことができる。ロータの回転方向または位置は、次の方程式で見出すことができる。

ここでθ_０は、ロータ２１１０Ｒの方位である。θ_１−θ_４はそれぞれ、読み取りヘッド２２３０Ａ−２２３０Ｄとスケール２１２０の原点ＳＯとの間の角度を表す。スケールの原点ＳＯと読み取りヘッド２２３０Ａ−２２３０Ｄとの間の距離は、それぞれｄ_１−ｄ_４として表される。スケール２１２０の半径は指標ｒで表される。上記の方程式により、Ｘ−Ｙ面におけるロータ２１１０Ｒの位置（つまり偏心度）および任意の所望の基準点に関するロータ２１１０Ｒの回転方向θ_０の実質的に正確な判定を提供することができる。

もう１つの例では、ロータの偏心度および回転方向θ_０を、三角関数の値を求めずに判定することもできる。位置的な概算は、次の方程式を用いて判定することができる。

ここで、θ_０、θ_１−θ_４、ｄ_１−ｄ_４、およびｒは、上記と同様の特徴を表す。

ロータ２１１０Ｒの偏心度（つまりｘ_０およびｙ_０）および回転方向（つまりθ_０）を判定するための上記の解法は、例示に過ぎず、接線位置の測定を用いて偏心度と回転方向を判定するための他の解法を使用することもできる。

ここで図２０Ａを参照すると、他の１つの実施形態では、この例では２セットのセンサとしているが、複数のセンサセットを用いてロータのＸ−Ｙ変位の測定を提供することができる。図２０Ａには、ステータ裏当て２００５および１つ以上の巻線２０１０を伴うステータ２００３、ロータ２０１５、および少なくとも２つのセンサペア２０２０、２０２５を有するモータ２０００の一部を含む１つの例示的実施形態が示されている。ロータ２０１５には、多数のロータマグネット２０３５を取り付けることのできるロータ裏当て２０３０を含めることができる。

この実施形態では、センサセットを使用して、ステータ２００３に対するロータ２０１５の変位、特にステータ２００３とロータ２０１５との間の間隙２０４０に沿った変位を検出する。例えば、第１のセンサセット２０２０が第１の位置Ｙにおける変位を測定する一方で、第２のセンサ２０２５が第１の位置Ｙから角度オフセットＡにおける第２の位置Ｘでの変位を測定する。この実施形態では、各位置は９０度オフセットされているが、任意の適切な角度オフセットを利用できることを理解されたい。センサセット２０２５内のＸ１とＸ２、およびセンサセット２０２０内のＹ１とＹ２のように、各センサセットには、２つのセンサシステムを含めることができる。他の実施形態では、各センサセットに、追加的なセンサシステムを含めることができる。各センサシステムは、図１５のセンサシステム１５００に類似したものにすることができる。各セットのセンサシステムは、一般的に、互いに対立する極の磁気源を有する。

図２０Ｂに示すように、センサシステムＸ１（またはＹ１）には、強磁性素子２０４０と磁気源２０４５とが含まれており、センサシステムＸ２（またはＹ２）には、強磁性素子２０５０と磁気源２０５５とが含まれている。磁気源２０４５と２０５５は、互いに対立する極に配置されている。一例として、および図２０Ｂに示すように、センサシステムＸ１およびＹ１が、強磁性素子２０４０の内側に面した磁気源２０４５のＮ極Ｎを有する一方で、センサシステムＸ２およびＹ２は、強磁性素子２０５０の内側に面した磁気源２０５５のＳ極Ｓを有する。渦電流により生じるものなど、外来の磁場は、センサシステムの各ペアの中で各センサシステムに反対の影響を及ぼす。したがって、そのような外来の磁場の影響は、各ペア内の各センサシステムの出力の平均を取ることにより解消することができる。ノイズ吸収は、これらの配置および技術を用いて有利に改善することができる。

図２１は、ｓｉｎｅおよびｃｏｓｉｎｅ信号を生成するためにインクリメンタルトラックの読み取りにセンサシステムを使用する、図７に示した実施形態と類似する実施形態を示す。図２１の実施形態は、４つのセンサシステムを使用することができる。各センサシステムは、図１５のセンサシステム１５００に類似したものにすることができる。図２１のセンサシステムは、ＤＣオフセットのない、Ｚ軸とセンサシステムおよびインクリメンタルトラックを分離する間隙とに沿った変位の小さな変化に対し不変の振幅のｓｉｎｅおよびｃｏｓｉｎｅ信号を生成するために配置することができる。

図２１では、センサシステム２１０１、２１０２、２１０３、２１０４が、規則的間隔の歯ピッチ２１１０および平面２１１５を伴う領域を設けることのできるインクリメンタルスケール２１０５に沿って配置される。この実施形態では、センサシステム２１０１および２１０２は、ｓｉｎｅ信号を出力するためにスケール２１０５に沿った第１のペアとして配置され、センサシステム２１０３および２１０４は、ｃｏｓｉｎｅ信号を出力するためにスケール２１０５に沿った第２のペアとして配置される。各ペア内のセンサシステムを１８０度オフセットさせることができる一方で、第１のペアにおける対応するセンサシステムは、第２のペアにおける対応するセンサシステムから９０度オフセットされる。各センサシステム２１０１、２１０２、２１０３、２１０４は、少なくとも２つの磁気センサＡおよびＢを有することができる。センサＡは、インクリメンタルスケール２１０５の歯形を読み取るために配置することができる。Ｚ軸に沿った、およびセンサＡまたはスケール２１０５の間隙に沿った変位の変化は、概して、センサＡの信号振幅とＤＣオフセットの両方に影響を及ぼす。センサＢは、スケール２１０５の平面領域２１１５のみを読み取るために配置することができる。これにより、センサＢの信号出力が、Ｚ軸に沿った変位の影響を受けない一方で、間隙２１２０に沿った変化の影響だけを受けるようにすることができる。

センサＡおよびＢからの信号を組み合わせることにより、間隙に沿った変位の変更に不変であるｓｉｎｅまたはｃｏｓｉｎｅ信号を得ることができる。また、各センサシステムペア内のセンサの出力は、１８０度位相が異なることがあり、Ｚ軸に沿った変位の結果として同一方向に変化し得る。各センサシステムペア内のセンサＡおよびＢからの信号を組み合わせることにより、ＤＣオフセットなく、Ｚ軸および間隙２１２０に沿った変位に対し不変であるｓｉｎｅまたはｃｏｓｉｎｅ信号を得ることができる。

開示した実施形態は、隔離された環境内に電子機器またはセンサを必要とすることなく、またロータが動作できる隔離された環境を侵襲することなく、ロータの回転位置を判定する技術を提供するものである。１つの実施形態では、絶対およびインクリメンタル位置の両方の判定に単一スケールを使用することができる。

ここに開示する実施形態は、センサを磁気源の周囲に軌道配置することのできるよう、強磁性素子、磁気源、および均一な磁束密度の線を生成する磁気センサを一意的に配置したセンサシステムも提供する。

また、開示した実施形態は、独特の構造を含むモータのためのフィードバックシステムおよびモータのロータの変位度と回転位置とを判定するための技術も提供する。

前述の記載は、本明細書の実施形態を説明したものに過ぎないことを理解されたい。当業者であれば、本明細書に開示される実施形態から逸脱することなく、さまざまな代替方法および修正を考案することができる。したがって、これらの実施形態は、添付の請求の範囲に含まれるそのような全ての代替方法、修正、および差異を包含することを意図している。

Claims (7)

1. 磁気源と、
   磁束センサと、
   前記磁気源および前記磁束センサが取り付けられたセンサ裏当てと、
   を備える感知機構であって、
   前記磁気源および前記磁束センサは、前記磁気源から強磁性ターゲットへ、前記ターゲットから前記磁束センサへ、および前記センサ裏当てを介して前記磁気源へと戻る磁気回路を形成するよう配置され、
   前記磁束センサは、前記強磁性ターゲットから前記磁束センサへ達する磁束強度を、前記磁気源と前記強磁性ターゲットとの間の間隙に相関させた出力を有することを特徴とする感知機構。
2. 前記強磁性ターゲットに連結された、前記強磁性ターゲットの絶対位置を示す第１のスケールをさらに備える請求項１に記載の感知機構。
3. 磁気源と、
   前記磁気源を包囲する強磁性素子と、
   前記強磁性素子の対称軸の周囲に配置された複数の磁気センサと、
   を備えるセンサシステムであって、
   前記磁気源は、磁化方向が前記強磁性素子の対称軸に平行となるように配置されることと、
   前記強磁性素子の開放端が強磁性ターゲットの位置を測定するために前記強磁性ターゲットに面していることと、
   を特徴とするセンサシステム。
4. 前記強磁性素子がカップ形状を有することを特徴とする請求項３に記載のセンサシステム。
5. 前記磁気センサが、各ペア要素が前記強磁性素子と前記磁気源との間の流束密度の線に対し交互の方位を有するよう、ペアで配置され、各センサペアが、少なくともノイズ排除性を有する差分出力を提供するよう構成されていることを特徴とする請求項３に記載のセンサシステム。
6. 前記強磁性ターゲットに連結された、前記強磁性ターゲットの絶対位置を示す第１のスケールをさらに備える請求項３に記載のセンサシステム。
7. 前記磁気センサが、前記第１のスケールにより生じる可変の磁束強度を感知するとともに、前記強磁性ターゲットの測定された絶対位置を示す信号を出力するよう動作可能であることを特徴とする請求項６に記載のセンサシステム。

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