JPH0628505B2 - 非接触平面型テ−ブル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、塵埃をきらう半導体やバイオテクノロジー関
連の工場などに用いて好適な非接触平面型テーブルに関
する。

（従来の技術） 従来、リニアモータを使用した直接駆動型のテーブルが
ある。このテーブルは入力パルス信号に同期して歩進す
るリニアモータを駆動部としているため開ループ制御が
可能であり、誤差が累積しないなどの特徴を有しており
その用途は拡がってきている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、この種の従来のテーブルにおいて、ワー
クを含めたテーブルは、リニアモータと切り離して機械
的な直線軸受で支持されるようになっている。従って、
この機械的な直線軸受部を有しているために、この部分
から塵埃が発生し、半導体製造用、或いはバイオテクノ
ロジー関連のクリーンルームに用いるには不適である。
また、高真空状態においては潤滑油が蒸発し、雰囲気を
汚すと共に軸受部の焼損を招くといった問題があった。
このように、従来のこの種のテーブルは上記した厳しい
環境下で用いるには十分なものではなかった。

本発明は、上記問題点を除去し、磁気力による可動テー
ブルの浮上と推進をブロック化されたリニアモータ磁極
によって行い、無塵埃型で、しかも直接駆動される非接
触平面型テーブルを提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記問題点を解決するために、非接触平面型
テーブルにおいて、(a) 一定のピッチを有して整列した
歯列を有する固定体と、(b) 前記歯列と対向する複数の
歯を有し、かつ所定の間隔で設置される少なくとも４つ
の極片を設けた芯部材を有し、該極片上にそれぞれ巻回
される推進案内用コイルによって励磁される推進案内用
磁極と該推進案内用磁極に隣接して前記磁極の２つを同
極に励磁するように芯部材上に巻回される吸引用コイル
によって励磁される吸引用磁極とを一体化したリニアモ
ータ磁極を推進方向に少なくとも２つ有し該推進方向に
配されたリニアモータ磁極が前記固定体の歯列に対して
互いに位相をπ／４ずらされている可動テーブルと、
(c) 前記固定体と前記可動テーブル間の相対変位を検出
する変位検出手段と、(d) 該変位検出手段からの検出値
に基づいて、前記固定体と前記可動テーブル間の間隙を
調整し、前記可動テーブルの磁気浮上状態での推進を行
う制御手段とを設けるようにしたものである。

（作用） 本発明によれば、リニアモータ磁極中の吸引用磁極の磁
気力により可動テーブルは、非接触状態に保持され、リ
ニアモータ磁極中の推進案内用磁極の磁気力により、こ
の可動テーブルは推進され、また、可動テーブルの姿勢
制御は複数のリニアモータ磁極中の各吸引用コイルのそ
れぞれの励磁電流を調整することにより遂行される。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細
に説明する。

まず、この非接触平面型テーブルの構造及び作用の概略
を第１図乃至第３図を用いて説明する。

図中、１は固定体であり、底面部１ａ、その底面部の両
側端から上方に延びる側面部１ｂ、その側面部の上端か
ら内側に延びる張出部１ｃとからなり、可動テーブルの
進行方向の前後は開口となっている。２は可動テーブル
であり、上部にはテーブル面２ａを有し、その中心部か
ら下部に垂下する垂直部２ｂと、その垂直部２ｂから両
側に延びる棚部２ｃとからなり、断面工形状をなしてい
る。そして、固定体１の張出部１ｃの下面には進行方向
に直行する歯面を有する歯列を形成し、可動テーブルの
棚部２ｃにはリニアモータ磁極３を配設し、その歯列と
リニアモータ磁極３を対向させる。

(1) 可動テーブルの非接触状態保持 リニアモータ磁極３の吸引用コイルによって励磁される
吸引用磁極と、固定体の張出部１ｃの下面に設けられる
歯列間の磁気力により、リニアモータ磁極３はその歯列
に吸引され、可動テーブルは釣り下げられ、非接触状態
に保持される。

(2) 可動テーブルの推進 リニアモータ磁極３の推進案内用コイルによって励磁さ
れる推進案内用磁極と、固定体１の張出部１ｃの下面に
設けられる歯列間の磁気力により、可動テーブル２は釣
り下げされた状態で推進する。

(3) 可動テーブルの姿勢制御 可動テーブル２の姿勢制御は、可動テーブル２に磁気力
が作用する各リニアモータ磁極中の吸引用磁極の励磁電
流の調整により行う。即ち、可動テーブル２が所定の状
態になるように各リニアモータ磁極中の吸引用磁極の励
磁電流を調整して位置決めを行う。そのために、可動テ
ーブル２と吸引用磁極間の間隙は変位検出器４によって
検出され、その検出値に基づいて適性な姿勢制御が行わ
れる。

以下、本発明の一実施例を順次説明する。

まず、リニアモータ磁極について説明する。

前記したように、固定体１の張出部１ｃの下面には、一
定のピッチを有して整列した歯列が推進方向に直行する
ように形成され、この歯列に対向してある間隙をもつ位
置にリニアモータ磁極３が配設される。第４図のよう
に、このリニアモータ磁極３には芯部材21の基部に可動
テーブル２の吸引用コイル、先端部に推進案内用コイル
が巻装される。即ち、可動テーブル２を磁気的に吸引し
て非接触支持を行う吸引用磁極と可動テーブル２を磁気
的に推進する推進案内用磁極を一体形成する。この芯部
材21は、即ち、凹形を持つ連接した形状に打ち抜かれた
電磁鋼板等の強磁性材料を積み重ねて構成され、この芯
部材21の各々凹部の外周には吸引用コイル26及び27を互
いに逆磁性になるように巻装している。この芯部材の各
先端部は第１極片、第２極片、第３極片、第４極片より
なり、各極片にはそれぞれ推進案内用コイル28，29，3
0，31が巻装され、第１磁極22、第２磁極23、第３磁極2
4、第４磁極25を形成している。これらの磁極22、23、24、
25 に設けられた各々の歯のピッチは固定体の歯のピッ
チと同一にするが、磁極相互の間の歯のピッチは磁極の
歯のピッチからずれており、第１磁極22を基準にする
と、これに対して第２磁極23は１／２ピッチ、第３磁極
24は１／４ピッチ、また、第４磁極25は３／４ピッチだ
け固定体の歯のピッチに対して相対的にずらすように配
設する。

次に、このリニアモータ磁極の動作について第５図を用
いて説明する。

(1) 吸引用コイル26，27のみに第５図に矢印で示す方向
（正方向とする）の電流を流すと、第５図(a) に示され
るように磁束が流れ、磁気吸引力を生じる。

(2) 第１磁極22及び第２磁極23を励磁する推進案内用コ
イル28，29のみに電流を流すと、起磁力を生じ、第５図
(b)に示されるように磁束が流れる。また負の方向に電
流を流すと、起磁力の方向は逆になり、磁束も逆の方向
に流れる。第３磁極24及び第４磁極25を励磁する推進案
内用コイル30，31についても同様のことが言える。

ここで、吸引用コイル26，27に、ある一定電流Ｉｃを流
しておく。つまり、第５図 (a)に示される起磁力を発生
させて磁束を流しておき、同時に推進用コイル28，29に
正の電流Ｉａを流すと、第１磁極22では電流Ｉｃと電流
Ｉａの起磁力が強め合い、一方、第２磁極23では電流Ｉ
ｃと電流Ｉａの起磁力が打ち消し合い、可動テーブル２
は第５図 (b)の位置に安定するような復元力を発生す
る。つまり、第１磁極22の歯の凸部と固定体１の歯の凸
部が一致するような位置に安定しようとする。

次に、電流Ｉａを零にし、電流Ｉｂを正にすると、第３
磁極24に磁束が流れようとし、第５図 (c)に示す位置に
安定するように可動テーブル２に推力が発生し、１／４
ピッチだけ歩進する。

次に、電流Ｉｂを零にし、電流Ｉａを負にすると、第２
磁極23に対する起磁力が強め合い磁束が流れるため、更
に１／４ピッチ歩進する。

このようにして、Ｉａ（正）→Ｉｂ（正）→Ｉａ（負）
→Ｉｂ（負）というように、推進案内用コイル28，29及
び30，31の電流を切り換えることによって、１／４ピッ
チ毎に可動テーブル２が歩進することになる。

このように構成することにより、可動テーブルの非接触
支持と可動テーブルの推進をコンパクトなリニアモータ
磁極によって達成し、従来のころがり軸受等の機構的な
軸受機構が全廃することができる。

次に、可動テーブルの姿勢制御について第１図〜第３図
を用いて説明する。

これらの図に示されるように、可動テーブル２の棚部２
ｃには４個のリニアモータ磁極３が可動テーブルの進行
方向に二列に配設され、固定体１の張出部１ｃの下面の
歯列と所定の間隙を有して対向する。また、リニアモー
タ磁極３の略中央部付近に変位検出器４をそれぞれ配設
し、固定体１と可動テーブル２間の間隙の相対変位を検
出する。

ここで、まず、可動テーブル２の原点位置をドクスイッ
チなどによって定め、この位置で可動テーブル２の非接
触支持を行う。つまり、リニアモータ磁極に予め駆動回
路９を介して励磁電流を流して可動テーブル２の重量と
磁気吸引力とをバランスさせ可動テーブル２の重量と磁
気吸引力とをバランスさせ可動テーブル２を磁気浮上さ
せ非接触状態にする。

次に、その非接触状態において、各変位検出器４からの
検出値を電子制御装置８に入力インターフェース８−３
を介して読み込み、その読み込まれた値と予めメモリ８
−２に記憶されている各変位検出器の基準値（基準とな
る空隙値）とが比較され、偏差が零になるようにＩ／Ｏ
インターフェース８−４を介して駆動回路９において、
各リニアモータ磁極中の吸引用コイルの励磁電流値を調
整する。なお、ＣＰＵ８−１は中央処理装置であり、電
子制御装置８の全体的制御及び演算を行う。ＭＤ１８−
５はマニュアルデータインプット装置であり、各種のデ
ータを入力できるようになっている。10は駆動回路９に
接続される電源である。

このように、フィードバック制御を行うことにより、円
滑な可動テーブルの姿勢制御を行うことができる。

また、推進方向の位置は予め原点位置を記憶しておき、
この位置からリニアモータ磁極に加えられるパルス数に
よってその変位量を認識すると共に可動テーブルの位置
を制御することができる。

次に、可動テーブルのマイクロステップ駆動について説
明する。

ここで、マイクロステップ駆動とはリニアパルスモータ
の２つの巻線に90゜位相のずれた二相電流を流し、同期
モータとして駆動する方法であり、可動テーブルの推進
用電流ＩａとＩｂとして第６図に示されるような電流波
形を供給する。

第７図はマイクロステップ駆動を行わせるためのブロッ
ク図であり、図中、41はリングカウンタ、42，43はＲＯ
Ｍ、44，45はＤ／Ａコンバータ、46，47は駆動アンプで
ある。

この図に示されるように、リングカウンタ41に移動指令
が入力されると、ＲＯＭ42，43に記憶されている波形デ
ータ、つまり、正弦、余弦値が読み出され、Ｄ／Ａコン
バータ44，45を介してアナログ量が駆動アンプ46，47に
入力され、増幅されて推進案内用コイル28，29，30，31
に加えられる。

波形はＡ相とＢ相の比率が電気角位置（時間）によって
決められており、それを角電気角位置に応じて出力して
可動テーブル２を移動させる。なお、駆動アンプとして
電圧アンプを用いる場合は受動的なタイピングを期待で
きる。このように構成することによって、可動テーブル
は滑らかに移動し、また微小距離の位置決めが可能とな
る。

ところで、この可動テーブルは接触状態にして駆動させ
るために、可動テーブルの動きに対する機械的ダイピン
グが非常に小さい。従って、マイクロステップ駆動を行
っても若干の振動を伴う。この振動を抑制するには、推
進方向に配設される複数のリニアモータ磁極の可動テー
ブル２の歯に対する位相を互いにπ／４ずらすようにす
る。つまり、ある時点においてリニアモータ磁極３ａ，
３ｂの推進案内用コイルにおいては、第８図 (a)に示さ
れる起磁力を生じるように、一方、リニアモータ磁極３
ｃ、３ｄの推進案内用コイルにおいては第８図 (b)に示
されるような起磁力を生じるようにそれぞれリニアモー
タ磁極を配置する。

このように、リニアモータ磁極の位置を電気角でπ／４
ずらした場合、推力及びダイピング特性は均一化され、
同位相の配置にした場合に比して、より、円滑な駆動が
可能となる。

なお、上記ではマイクロステップ駆動の場合について説
明したが、通常のステップモータとして考えると、第９
図のようなパターンとなる。即ち、リニアモータ磁極Ｉ
（リニアモータ磁極３ａ或いは３ｂ）が１相励磁の時は
リニアモータ磁極II（リニアモータ磁極３ｃ或いは３
ｄ）は２相励磁となり、逆の場合は逆となる。

ここで表のプラスマイナスはステップモータのバイポー
ラ駆動の時のコイル電圧（或いは電流）の極性である。

このように、マイクロステップ駆動時だけでなく、通常
のステップモータの場合も、励磁位相をずらすことによ
りダイピングを行わせることができる。

更に、ｎ×π／４（ｎ＝１，３，５，７）進んでいても
遅れるようにしても上記の作用効果を奏することができ
る。つまり、片一方が２相励磁の場合、もう一方が１相
励磁になるように構成するとよい。

次に、この非接触平面型テーブルの位置閉ループ制御の
一実施例を第10図を用いて説明する。

ここでは進行方向位置検出器66を設ける。そして、リニ
アモータ磁極３と進行方向検出器66は可動テーブル２に
固定される。また、吸引用コイル26の駆動回路やギャッ
プ検出器とギャップ制御回路などは省略されている。

図中、51は現在位置と移動指令値との誤差を出力する偏
差カウンタ、52はＤ／Ａコンバータ、53はＰＩＤ調節器
などからなる制御器、54は符号判別器であり、位相を進
めるか遅らせるか、つまり、プラスかマイナスかの信号
を出力する。55は絶対値回路、56は位相出力器であり通
常は90゜に固定しておく。57は位相加減算器、58、59は
ＲＯＭ、60，61はＤ／Ａ変換器、62，63は乗算器、64，
65は駆動アンプ、66は進行方向位置検出器であり、固定
体１に設けられる歯に対する位相を検出する。波形は、
例えば、正弦波、余弦波形として出力する。67は位置変
換器であり、例えば、Ｒ／Ｄ（レゾルバ／デジタル）コ
ンバータであり、現在位相出力を位相加減算器57に出力
すると共に、速度出力を加算点68に出力し、速度ループ
を形成する。また、この位置変換器67からは現在位置信
号を偏差カウンタ51に出力し、位置ループを形成する。

次に、この非接触平面型テーブルの他の実施例について
第11図を用いて説明する。

図中、101 は固定体であり、底面部101a、その底面部の
中心部から上部へ延びる垂直部101b、その垂直部から両
側に延びる張出部101cからなり、断面工形状である。10
2 は可動テーブルであり、上部にテーブル面102a、その
テーブル面の両端から下部に延びる側面部102b、その側
面部の下端から内側に延びる棚部102cからなり、固定体
101 を抱き込むような形状をなしている。103 はリニア
モータ磁極であり、前記棚部102cに配設される。つま
り、この実施例においては、可動テーブルはアウターム
バー形となっている。

このように構成すると、リニアモータ磁極部の防水、防
塵機能を高めることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これ
らを本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、非接触平
面型テーブルにおいて、一定のピッチを有して整列した
歯列を有する固定体と、前記歯列と対向する複数の歯を
有し、かつ所定の間隔で設置される少なくとも４つの極
片を設けた芯部材を有し、該極片上にそれぞれ巻回され
る推進案内用コイルによって励磁される推進案内用磁極
と該推進案内用磁極に隣接して前記磁極の２つを同極に
励磁するように芯部材上に巻回される吸引用コイルによ
って励磁される吸引用磁極とを一体化したリニアモータ
磁極を推進方向に少なくとも２つ有し該推進方向に配さ
れたリニアモータ磁極が前記固定体の歯列に対して互い
に位相をπ／４ずらされている可動テーブルと、前記固
定体と前記可動テーブル間の相対変位を検出する変位検
出手段と、該変位検出手段からの検出値に基づいて、前
記固定体と前記可動テーブル間の間隙を調整し、前記可
動テーブルの磁気浮上状態での推進を行う制御手段とを
設けるようにしたので、 (1) 可動テーブルを非接触状態で推進可能であり、その
制御も極めて円滑である。

(2) 可動テーブルは直接駆動型の平面型テーブルであ
り、しかも、その構成は簡単でコンパクトである。

(3) 従来の機械的な軸受を必要とするものに比べて、雰
囲気を汚すことがなく、しかも保守を容易にすることが
できる。

(4) 高真空状態における使用が可能であり、この場合、
従来の機械的な軸受のように潤滑油は蒸発し、雰囲気を
汚すと共に軸受部が焼損することもない。

このように、本発明は種々の利点を有し、その効果は大
である。

特に、本発明は前記した厳しい環境下においても十分に
使用できるため、半導体製造用、或いはバイオテクノロ
ジー関連のクリーンルームに用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す非接触平面型テーブル
の一部破断斜視図、第２図は第１図のII−II′線断面
図、第３図はその全体構成図、第４図はリニアモータ磁
極の斜視図、第５図はリニアモータ磁極の動作説明図、
第６図及び第８図はマイクロステップ駆動電流波形図、
第７図はマイクロステップ駆動システム構成図、第９図
は励磁シーケンス図、第10図は閉ループ制御システム構
成図、第11図は本発明の他の実施例を示す非接触平面型
テーブルの一部破断斜視図である。 １，101 ……固定体、２，102 ……可動テーブル、３，
103 ……リニアモータ磁極、４……変位検出器、８……
電子制御装置、９……駆動回路、10……電源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】(a) 一定のピッチを有して整列した歯列を
   有する固定体と、 (b) 前記歯列と対向する複数の歯を有し、かつ所定の間
   隔で設置される少なくとも４つの極片を設けた芯部材を
   有し、該極片上にそれぞれ巻回される推進案内用コイル
   によって励磁される推進案内用磁極と該推進案内用磁極
   に隣接して前記磁極の２つを同極に励磁するように芯部
   材上に巻回される吸引用コイルによって励磁される吸引
   用磁極とを一体化したリニアモータ磁極を推進方向に少
   なくとも２つ有し該推進方向に配されたリニアモータ磁
   極が前記固定体の歯列に対して互いに位相をπ／４ずら
   されている可動テーブルと、 (c) 前記固定体と前記可動テーブル間の相対変位を検出
   する変位検出手段と、 (d) 該変位検出手段からの検出値に基づいて、前記固定
   体と前記可動テーブル間の間隙を調整し、前記可動テー
   ブルの磁気浮上状態での推進を行う制御手段とを具備す
   ることを特徴とする非接触平面型テーブル。
2. 【請求項２】前記推進案内用コイルには正弦波状と余弦
   波状の電流を供給し、これらの各相に流れる電流により
   マイクロステップ駆動を行う手段を具備することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の非接触平面型テーブ
   ル。
3. 【請求項３】前記マイクロステップ駆動時に変位検出手
   段により前記可動テーブルの進行方向の変位を検出し、
   その検出値に基づいて一定の励磁進み角となるようにク
   ローズドループ制御を行う手段を具備することを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の非接触平面型テーブ
   ル。