特表 2024-506377 静電容量式センサ装置およびそのような静電容量式センサ装置を備えた磁気軸受アセンブリ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-13

(54)【発明の名称】静電容量式センサ装置およびそのような静電容量式センサ装置を備えた磁気軸受アセンブリ

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/00 20060101AFI20240205BHJP

【ＦＩ】

G01B7/00 101C

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023548861

(86)(22)【出願日】2022-02-08

(85)【翻訳文提出日】2023-10-11

(86)【国際出願番号】 NL2022050060

(87)【国際公開番号】W WO2022173290

(87)【国際公開日】2022-08-18

(31)【優先権主張番号】2027543

(32)【優先日】2021-02-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】NL

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520147360

【氏名又は名称】ブイディーエル イネーブリング テクノロジーズ グループ ビー．ブイ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】アシェス、ロナルド ヤン

(72)【発明者】

【氏名】バーデ、リック

(72)【発明者】

【氏名】セーゲルス、ヒュバート マリー

【テーマコード（参考）】

2F063

【Ｆターム（参考）】

2F063AA02

2F063BA03

2F063BC05

2F063CA08

2F063DA01

2F063DA05

2F063HA01

(57)【要約】

【解決手段】本発明は、剛体ボディの他の剛体ボディに対する相対的な直線移動経路に沿って非接触直線移動を実現するシステムにおいて、前記剛体ボディと前記他の剛体ボディとの間の距離を決定する静電容量式センサ装置に関する。このセンサ装置は、剛体ボディに取り付けられた第１のセンサノードと、他の剛体ボディに取り付けられた第２のセンサノードと、を有する静電容量式センサ部品と、入力信号を受信する少なくとも１の入力ノードと、距離を表す出力信号を与える出力ノードと、を有する送信部品と、静電容量式センサ部品の第１のセンサノードに動作可能に接続された周波数依存入力信号発生器と、を備える。送信部品の第１の入力ノードは、静電容量式センサ部品の第２のセンサノードに動作可能に接続されている
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

剛体ボディの他の剛体ボディに対する相対的な直線移動経路に沿って非接触直線移動を実現するシステムにおいて、前記剛体ボディと前記他の剛体ボディとの間の距離を決定する静電容量式センサ装置であって、
前記剛体ボディに取り付けられた第１のセンサノードと、前記他の剛体ボディに取り付けられた第２のセンサノードと、を有する静電容量式センサ部品と、
入力信号を受信する少なくとも１の入力ノードと、距離を表す出力信号を与える出力ノードと、を有する送信部品と、
前記静電容量式センサ部品の第１のセンサノードに動作可能に接続された周波数依存入力信号発生器と、
を備え、
前記送信部品の第１の入力ノードは、前記静電容量式センサ部品の第２のセンサノードに動作可能に接続されていることを特徴とする静電容量式センサ装置。

【請求項2】

前記送信部品の出力ノードおよび第１の入力ノードに動作可能に接続された少なくとも１つのフィルタ素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式センサ装置。

【請求項3】

前記送信部品は、前記入力信号の周波数依存的な変化に応答して前記出力信号を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量式センサ装置。

【請求項4】

前記送信部品は、接地電位に動作可能に接続された第２の入力ノードを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の静電容量式センサ装置。

【請求項5】

前記送信部品は、前記第１の入力ノードが反転入力ノードであり、前記第２の入力ノードが非反転入力ノードであるようなオペアンプとして構成されていることを特徴とする請求項４に記載の静電容量式センサ装置。

【請求項6】

剛体ボディの他の剛体ボディに対する相対的な直線移動経路に沿って非接触直線移動を実現するシステムにおける磁気軸受アセンブリであって、
前記剛体ボディに取り付けられた少なくとも１つの第１の静的背面鉄と、
前記他の剛体ボディに取り付けられた磁気軸受モジュールと、
を備え、
前記磁気軸受モジュールは、
－強磁性コアと、
－第１の静的背面鉄に対向する前記強磁性コアの第１側面に配置された第１の磁性体素子と、
－前記強磁性コアの周囲に巻かれたコイルと、
－請求項１から５のいずれかに記載の静電容量式センサ装置と、
を備えることを特徴とする磁気軸受アセンブリ。

【請求項7】

前記静電容量式センサ部品の第２のセンサノードは、前記強磁性コアの第１側面に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の磁気軸受アセンブリ。

【請求項8】

ハウジングをさらに備え、
前記ハウジングのハウジング部品は、前記の第１部品側面で前記静電容量式センサ部品の第２のセンサノードを支持し、
前記第１部品側面は、距離を隔てて前記強磁性コアの第１側面と対向していることを特徴とする請求項６または７に記載の磁気軸受アセンブリ。

【請求項9】

前記静電容量式センサ部品の第２のセンサノードを支持するハウジング部品は、誘電体材料、特にガラスで作られていることを特徴とする請求項８に記載の磁気軸受アセンブリ。

【請求項10】

前記静電容量式センサ部品の第２のセンサノードを支持しない部分は、接地電位に動作可能に接続されていることを特徴とする請求項８または９に記載の磁気軸受アセンブリ。

【請求項11】

前記静電容量式センサ部品の第２のセンサノードを支持する前記ハウジング部品のさらなる部品側面に取り付けられた遮蔽部品をさらに備え、
前記さらなる部品側面は、前記強磁性コアの第１側面に対向していることを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の磁気軸受アセンブリ。

【請求項12】

前記静電容量式センサ部品の第２のセンサノードを支持する前記ハウジング部品は、櫛状の領域形状を有することを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載の磁気軸受アセンブリ。

【請求項13】

直線移動経路を定義する直線案内路として形成された剛体ボディと、前記直線案内路に沿って移動可能な製品キャリアとして形成された１つ以上の剛体ボディと、によって構成される直線案内路アセンブリであって、
請求項６から１２のいずれかに記載の磁気軸受アセンブリを備えることを特徴とする直線案内路アセンブリ。

【請求項14】

複数の入力ノードを有する中央制御装置をさらに備え、
前記複数の入力ノードの各々は、前記静電容量式センサ装置の出力ノードに電子的に接続されていることを特徴とする請求項１３に記載の直線案内路アセンブリ。

【請求項15】

前記中央制御装置は、距離を表す振動出力信号であって、前記複数の入力ノードの１つに入力する振動出力信号の各々を直流測定信号に変換することを特徴とする請求項１４に記載の直線案内路アセンブリ。

【請求項16】

前記中央制御装置は、前記直流測定信号を単一の多重化出力信号に多重化するマルチプレクサをさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載の直線案内路アセンブリ。

【請求項17】

前記中央制御装置は、前記単一の多重化出力信号をプリアンプするプリアンプ部品をさらに備えることを特徴とする請求項１６に記載の直線案内路アセンブリ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、磁気浮上を用いた、剛体ボディの、別の剛体ボディに対する直線変位移動に沿った非接触直線移動の分野に関する。特に本開示は、磁気浮上を用いた、剛体ボディの、別の剛体ボディに対する直線移動経路に沿った非接触直線移動システムにおいて、剛体ボディと他の剛体ボディとの間の距離を決定する静電容量式センサ装置に関する。また本開示は、このような静電容量式センサ装置を備えた磁気軸受アセンブリ、およびこのような静電容量式センサ装置を備えた１つ以上の磁気軸受アセンブリを実装した直線案内路アセンブリにも関する。

【背景技術】

【0002】

磁気軸受アセンブリ、すなわち磁気軸受は、転動体または流体軸受を実装した従来の転動体軸受に代わる有利な選択肢となり得る。磁気軸受は非接触であるため、機械的摩擦がなく、微粒子の発生が非常に少ない。さらに、潤滑の必要がないため、分子汚染の大きな脱ガスを伴わない真空運転が可能である。こうした点から、汚染シールを省略することができる。ハイテク真空封止システムに磁気軸受を適用するときの主な課題は、コイルの熱放散の最小化、渦電流効果の最小化、安定した制御システムの実装、一般的な非線形特性の線形化にある。さらに、費用対効果の高いソリューションを維持することが求められる。

【0003】

磁気軸受技術は、すでに産業用途で利用されている。回転磁気軸受は市販されており、例えば医療システム、ターボ分子真空ポンプ、極低温システム、工作機械などに応用されている。また、ロータが磁気浮上するベアリングレスモーターもある。磁気浮上は、一般にローレンツ力を利用した平面ステージの作動に広く利用されている。磁気軸受の別のタイプはリラクタンス力に基づくもので、同様のコンセプトがアクチュエータとしても使用できる。他の分野でも利用されているが、例えば高清浄度基板ハンドリングロボットのような商業規模での磁気軸受アプリケーションのさらなる開発においては、技術的および構造的な制約に悩まされている。

【0004】

一般に既知の磁気軸受アプリケーションは、設計サイズが限定されることで特徴付けられる。一方、１自由度以上の既知の磁気軸受アプリケーションは、設計複雑で高価格である。さらに、磁気軸受アプリケーションの大規模な実装には、相当な重量、サイズ、コストの磁気軸受を開発する必要がある。

【0005】

磁気軸受アプリケーションでは、直線案内路アセンブリのクローズドループ・フィードバック制御を可能にするために、２つの剛体ボディ間の磁気エアギャップを非接触で測定する移動センサが必要である。このような用途では、静電容量式センサ装置が使われることが多い。磁気軸受アプリケーションのエアギャップ測定に静電容量式センサ装置を使用する利点は以下の通りである。
－非接触測定
－高精度と高分解能（サブナノメートルまで）
－磁場の影響を受けない（磁気軸受アプリケーション用）
－センサプローブ内にアクティブな電気部品が存在しないため、センサプローブ内のエネルギー散逸が少なく、部品のアウトガスが少ない（真空中のアプリケーションに適する）。

【0006】

しかしながら市販のセンサにはいくつかの問題があり、特定の磁気軸受アプリケーションへの適切な実装に悪影響を及ぼしている。第１に、磁気軸受アプリケーションでは、比較的「ローエンド」の位置決め要件を持つ特定のアプリケーションでは、約０．５～１ｍｍの測定範囲で要求されるエアギャップ測定精度は、約０．１μｍ程度である。その結果、より安価な技術的ソリューションが得られる。しかし市販の静電容量式センサのほとんどは、これよりもはるかに高精度である。このため、静電容量式センサおよび装置は、測定軸（自由度）ごとに比較的高価になる。この価格は、磁気軸受システム全体のハードウェアコストに大きく影響する。特にそのようなシステムが、監視および制御される複数の自由度を実装している場合は、その影響が大きくなる。

【0007】

次に、測定されるエアギャップは通常１～２ｍｍのオーダーである。磁気軸受の力は、磁気軸受モジュールの中心で発生する。アッベ測定の原理に従うと、エアギャップはベアリングモジュールの中心にできるだけ近い位置で測定する必要がある。しかし市販の静電容量式センサ装置の仕様では、センサを磁気軸受モジュールの隣に取り付ける必要がある。このため、システム寸法が大きくなり、システム性能に悪影響を及ぼす。

【0008】

特に既知の市販の静電容量式センサ装置は、通常、センサプローブから処理ユニット（多くの場合、アプリケーション環境の外部に配置される）まで、比較的太い３軸ケーブルを必要とする。複数の磁気軸受モジュールを持つシステムの場合、各軸受モジュールに１本の３軸ケーブルと１つのセンサが必要である。本質的に比較的高い曲げ剛性を持つ複数の３軸ケーブルを使用することにより、システム設計および性能が影響を受ける可能性がある。従来提案されている磁気ベアリングモジュールは、複数の自由度を持つ、より大きく複雑な機構の一部であることが多い。

【0009】

さらに、このような静電容量式センサ装置を高清浄度システムや真空システムで使用するには、ケーブルを環境から遮蔽する必要がある。可動部品間のケーブル・フィードスルーは、直線運動にはケーブル・スラブを、回転運動には回転フィードスルーを使用することが多い。ケーブルの量、曲げ剛性、直径によって、フィードスルーの寸法と複雑さが増す。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本開示の目的は、磁気浮上を用いた、剛体ボディの他の剛体ボディに対する相対的な直線移動経路に沿った非接触直線移動を目的としたシステムにおいて、剛体ボディと他の剛体ボディとの間のエアギャップ距離を決定するのに適した静電容量式センサ装置であって、より単純で安価な構成を有する静電容量式センサ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

第１の実施の形態によれば、静電容量式センサ装置は、一方の剛体ボディに取り付けられた第１のセンサノードと他方の剛体ボディに取り付けられた第２のセンサノードとを有する静電容量式センサ部品と、入力信号を受信する少なくとも第１の入力ノードと、距離を表す出力信号を与える出力ノードとを有する送信部品と、静電容量式センサ部品の第１のセンサノードに動作可能に接続され、送信部品の第１の入力ノードが静電容量式センサ部品の第２のセンサノードに動作可能に接続された周波数依存入力信号発生器と、を備える。

【0012】

周波数依存入力信号発生器によって生成された周波数依存入力信号を、対象剛体ボディを接地電位にする代わりに、対象剛体ボディ（第１のセンサノード）に印加することにより、他方の剛体ボディに取り付けられた静電容量式センサの測定面を仮想接地電位に保つことができる。周波数に依存する入力信号により、周波数依存入力信号の振幅と、対象剛体ボディと測定面との間の静電容量式センサ部品のインピーダンス（したがって、エアギャップ／センサノード間の相対距離に比例する）に応じて、対象剛体ボディから仮想接地へ電流が流れる。

【0013】

この構成により、他方の剛体ボディ（第２のセンサノード）に取り付けられた静電容量式センサ部品の測定面は実質的に接地電位となるため、能動遮蔽を省略することができる。能動遮蔽を使用しないことで、複雑な信号ケーブルを、直径が小さく曲げ剛性の低い同軸ケーブルに置き換えられるなど、いくつかの利点が得られる。後者は、回転式ケーブル・フィードスルーにおいて有益である。同軸ケーブルの中心導体は測定信号に使用され、外部導体は接地電位に保たれて遮蔽に使用される。さらに、センサプローブが必要とする活性表面と絶縁層が少ないことで、磁気軸受エアギャップ領域内の統合により適したものとなる。

【0014】

さらなる実施の形態では、少なくとも１つのフィルタ素子が、送信部品の出力ノードおよび第１の入力ノードに動作可能に接続されている。このフィルタ素子は基準コンデンサとして機能する。送信部品は、基準コンデンサを流れる電流が対象から仮想グランドに流れる電流と等しくなるように、出力ノードにその出力信号を印加する。従って出力信号は、対象剛体ボディと他方の剛体ボディ上の静電容量式センサ装置の測定面との間のエアギャップの測定値となる。

【0015】

従って送信部品は、入力信号の周波数依存的な変化に応答して出力信号を出力するように構成されてもよい。

【0016】

さらに送信部品は、接地電位に動作可能に接続された第２の入力ノードを有してもよい。

【0017】

好ましくは送信部品は、第１の入力ノードが反転入力ノードであり、第２の入力ノードが非反転入力ノードであるオペアンプとして構成される。

【0018】

本開示による磁気軸受アセンブリは、本開示による静電容量式センサ装置を実装する。この磁気軸受アセンブリは、剛体ボディ（第１のセンサノード）に取り付けられる少なくとも１つの第１の静的背鉄と、他方の剛体ボディに取り付けられる少なくとも１つの磁気軸受モジュールをさらに備える。さらにこの磁気軸受アセンブリは、少なくとも、強磁性コアと、第１の静的背鉄に対向する強磁性コアの第１側面に配置された第１の磁性体素子と、強磁性コアに巻かれたコイルと、から構成される。

【0019】

この磁気軸受アセンブリの一例では、静電容量式センサ装置の第２のセンサノードは、強磁性コアの第１側面に配置されている。

【0020】

さらに、磁気軸受アセンブリ／静電容量式センサ装置は、ハウジングを備えてもよい。ハウジングの一部（ハウジング部品）は、静電容量式センサの第２のセンサノードをその第１部品側面で支持するように構成される。第１部品側面は、距離を隔てて強磁性コアの第１側面と対向している。静電容量式センサの第２のセンサノードを支持するハウジング部品は、誘電体材料、特にガラスで作られていてもよい。

【0021】

静電容量式センサ部品の第２のセンサノードを支持しない部分は、接地電位に動作可能に接続されていてもよい。

【0022】

磁気軸受アセンブリと同様に、静電容量式センサ装置は、静電容量式センサ部品の第２のセンサノードを支持するハウジング部品のさらなる部品側面に取り付けられた遮蔽部品をさらに備えてもよい。そのさらなる部分側面は強磁性コアの第１側面に対向している。この受動遮蔽は、金属部品が寄生容量として作用して測定品質を歪めるのを防ぐために、測定領域の背後に配置される。

【0023】

特に、静電容量式センサの第２センサノードを支持するハウジング部品は、櫛状の領域形状を有していてもよい。これにより、静電容量式センサの第２センサノードを支持するハウジングの部分の表面が磁気軸受モジュールの磁界の内側に位置するため、誘導渦電流が最小限に抑えられる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

以下、図面を参照して本発明を説明する。

【図1】磁気軸受アセンブリの実施の形態の概略例を示す図である。

【図2】本開示による静電容量式センサ装置の実施の形態の概略例を示す図である。

【図3】本開示による容量式センサ装置を組み込んだ磁気軸受アセンブリの実施の形態の概略例を示す図である。

【図4】本開示による静電容量式センサ装置の実施の形態のさらなる詳細を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明の適切な理解のために、以下の詳細な説明では、本発明の対応する要素または部品には図面において同一の符号を付す。

【0026】

図１に、本開示による静電容量式センサ装置を実施するのに適した可変リラクタンス磁気軸受アセンブリの概略例を示す。図１の磁気軸受アセンブリは、符号１０で示される。磁気軸受アセンブリ１０は、剛体ボディの別の剛体ボディに対する直線移動経路に沿った非接触直線移動（または単一の並進自由度）を可能にする。図１では、一方の剛体ボディを符号２０で示し、他方の剛体ボディを符号３０で示す。

【0027】

分かりやすくするために、一例として、直線案内路アセンブリは、直線移動経路を定義する直線案内路として形成された剛体ボディ３０で構成される。前記直線案内路に沿って、製品キャリアとして形成された１つまたは複数の剛体ボディ２０が磁気浮上を利用して移動可能である。

【0028】

磁気軸受アセンブリ１０は、剛体ボディ３０の１つに取り付けられ、少なくとも強磁性コア３１からなる少なくとも１つの軸受モジュール３０’（３１－３５）からなる。本開示の理解のために、任意の強磁性コアを設計できることに留意すべきである。しかし、図１の例では、強磁性コア３１は、基部３１ａ、中央脚部３３、および２つの外側脚部３２ａ－３２ｂを有するＥコアである。強磁性コア３１の第１の側（破線３１ａで示す）には第１の磁性素子３４が配置される。この例では、強磁性コア３１の第１の端部は、中央脚部３３の自由端面３３ａに位置している。またこの例では、コイル３５がＥコアの中央脚３３に巻かれている。

【0029】

しかしながら、磁気軸受アセンブリ１０は、強磁性コア３１の第１の側面３１ａに配置されたコア要素および任意選択で磁気要素の周りに巻かれたコイルを有する強磁性コアの任意の設計により実現できることに留意されたい。

【0030】

さらに磁気軸受アセンブリ１０は、少なくとも第１の静的背面鉄または背面軸受２０を有する。第１の静的背面鉄または背面軸受２０は、剛体ボディ２０の他方（移動可能な製品キャリア）に取り付けられ（またはその一部を構成し）、使用中、軸受モジュール３１－３４の側面から一定のギャップ距離４０（図１においてｇ１で示される）を隔てて配置される。

【0031】

好ましくは（必須ではないが）、Ｅコア３１として設計される強磁性コアは積層Ｅコアからなり、第１の磁気要素３４は永久磁石と考えてよい。

【0032】

使用中または動作中、第１の静的背面軸受けまたは背面鉄は、Ｅコアアセンブリ３１－３４－３５からギャップ距離４０（ｇ１）を隔てて配置される。この構成は低リラクタンス経路を定義する。その結果、ギャップ距離４０によって定義されるエアギャップｇ１内の磁束密度は、Ｅコアアセンブリ３１－３４－３５（およびそのような一方の剛体ボディ３０）と、他方の剛体ボディ（第１の静的背面軸受（背面鉄）２０として概略的に描かれている）との間に、ギャップに依存する吸引力をもたらす。

【0033】

Ｅコア３１の中央の脚または歯３５に巻かれたコイル３５は、コイル３５を流れる電流の方向と大きさに基づいて、エアギャップｇ１（４０）内の磁束密度を増大または減少させる。磁気軸受アセンブリ１０（実際には、少なくとも１つの軸受モジュール３１－３４－５１）は、Ｅコア３１と第１の静的背面軸受（背面鉄）２０との間に、吸引力のみ発生させ、反発力は発生させないことに留意されたい。

【0034】

磁気軸受アプリケーションでは、直線案内路アセンブリのクローズドループフィードバック制御を可能にするために、２つの剛体ボディ２０、３０間の磁気エアギャップｇ１（４０）を非接触で測定する移動センサが必要である。こうした用途には、静電容量式センサ装置がよく適用される。

【0035】

図２および図３に、本発明による剛体ボディの他の剛体ボディに対する直線移動経路に沿って非接触直線移動を行うシステムにおいて、剛体ボディと他の剛体ボディとの間の距離を決定する静電容量式センサ装置の一例を示す。

【0036】

静電容量式センサ装置は、符号１００で示され、静電容量式センサ部品１１０から構成される。静電容量式センサ部品１１０は、剛体ボディ２０（移動可能な製品キャリア）に結合または取り付けられる第１のセンサノード１１０ａを備える。同様に、静電容量式センサ部品１１０は、他方の剛体ボディ３０（直線案内路）に結合されたまたは取り付けられた第２のセンサノード１１０ｂを備える。第１および第２のセンサノード１１０ａ－１１０ｂの両方は、互いに近接して取り付けられ、静電容量Ｃ_ｘを形成する。従って、２つの剛体ボディ２０および３０間のエアギャップｇ１（４０）の距離を非接触に感知することができる。

【0037】

静電容量式センサ部品１１０は、符号１２０で示される伝送部品も含んでいる。この実施形態では、伝送部品１２０は、他方の剛体ボディ３０に取り付けられている。伝送部品１２０は、少なくとも第１の入力ノード１２０ａを有する。この入力ノード１２０ａは、静電容量式センサ部品１１０の第２のセンサノード１１０ｂに動作可能に接続されている。従って、動作中、伝送部品１２０は、静電容量式センサ部品１１０から入力信号を受信する。この入力信号は、第２のセンサノード１１０ｂによって出力され、伝送部品１２０の第１の入力ノード１２０ａに入力する。

【0038】

送信部品１２０はまた、出力信号Ｖ_ｏｕｔを与える出力ノード１２０ｂを備える。出力信号Ｖ_ｏｕｔは、２つの剛体ボディ２０、３０間の距離ｇ１（４０）を表し、静電容量式センサ部品１１０のセンサノード１１０ａ－１１０ｂによって検出される

【0039】

静電容量式センサ装置１００はさらに、周波数依存入力信号発生器１３０を備える。周波数依存入力信号発生器１３０は、大地または接地電位１０００と、静電容量式センサ部品１１０の第１のセンサノード１１０ａとの両方に動作可能に接続され、第１のセンサノード１１０ａに発振電圧信号Ｖ_ｏｓｃを印加することができる。

【0040】

また図２には、少なくとも１つのフィルタ素子１４０（Ｃ_ｒｅｆ）が描かれている。このフィルタ素子１４０は、送信部品１２０の第１の入力ノード１２０ａと同様に、出力ノード１２０ｂにも動作可能に接続されている。送信部品１２０はまた、第２の入力ノード１２０ｃを構成し、この例では接地電位１０００に動作可能に接続されている。

【0041】

本発明による静電容量式センサ装置の適切な動作のために（従って剛体ボディ２０および３０間のエアギャップｇ１（４０）の正確な測定のために）、送信部品１２０は、第１のセンサノード１１０ａに印加される発振電圧信号Ｖ_ｏｓｃと、第１および第２のセンサノード１１０ａ－１１０ｂの両方の間の実際のエアギャップ距離ｇ１（４０）とに基づいて、静電容量式センサ部品１１０で生成される入力信号の周波数に依存する変化に応答して、出力ノード１２０ｂを介して出力信号Ｖ_ｒｅｆを出力するように構成される。

【0042】

図２に示すように、この具体例では、送信部品１２０は、第１の入力ノード１２０ａが反転（－）入力ノードであり、第２の入力ノード１２０ｃが非反転（＋）入力ノードであるようなオペアンプとして構成される。

【0043】

図２に組み合わせて図１に戻ると、図１の磁気軸受アセンブリ１０は、図２に示されるような容量式センサ装置１００を備えており、センサ部品１１０の各第２のセンサノード１１０ｂは、強磁性コアの第１側面３３ａに配置されている。

【0044】

図３は、本発明による静電容量式センサ装置１００を備える磁気軸受アセンブリの一例をより詳細に示している。

【0045】

静電容量式センサ部品１１０の第１のセンサノード１１０ａは、剛体ボディ２０に取り付けられている。単芯ケーブル１３０ａは、周波数依存入力信号発生器１３０に電力を供給し、第１のセンサノード１１０ａに発振電圧信号Ｖ_ｏｓｃを印加する役割を果たす。静電容量式センサ部品１１０の第２のセンサノード１１０ｂは、磁気軸受アセンブリ３０として形成され、他方の剛体ボディ３０に取り付けられる。

【0046】

磁気軸受アセンブリ３０は、ハウジング３００を備える。符号３１０で示されるハウジング３００の一部は、静電容量式センサ１００の第２のセンサノード１１０ｂをその第１部品側面３１０ａで支持する構造となっている。ハウジング部品３１０の第１部品側面３１０ａは、距離を隔てて強磁性コア３１の第１の側面３１ａと対向している。

【0047】

好ましくは、静電容量式センサ部品１１０の第２のセンサノード１１０ｂを支持するハウジング部品３１０は、誘電体材料、特にガラスで形成される。ガラス板で形成されるハウジング部品３１０は、０．１５ｍｍの厚さを有していてもよい。

【0048】

静電容量式センサ部品１１０の第２のセンサノード１１０ｂをそのさらなる側面３１０ｂで支持するように構成されたハウジングのハウジング部品３１０には、遮蔽部品３２０が取り付けられている。さらなる側面３１０ｂは、強磁性コアの第１の側面３１ａに面している。遮蔽部品３２０は、受動的なガード領域として機能する。

【0049】

第２のセンサノード１１０ｂによって形成される測定領域、および、受動的ガード領域または遮蔽部品３２０は、ハウジング部品３１０（ガラス板）の両側面３１０ａおよび３１０ｂ上にそれぞれ物理蒸着技術を用いて塗布される１－５μｍの銀（Ａｇ）の薄層として形成することができる。しかし、より大量生産に適した他の層堆積技術を利用してもよいことは言うまでもない。

【0050】

さらなる実施形態では、第２のセンサノード１１０ｂによって形成される測定層領域は、第２のセンサノード１１０ｂが磁気軸受モジュール３０の磁界内に位置するため、渦電流を最小化するために櫛のような形状を有していてもよい。

【0051】

あるいは、ガラス板３１０は、厚さ０．５ｍｍのウォータージェット切断されたガラスフレームを受動ガード／遮蔽部品３２０の上のさらなる側面３１０ｂに接着することによって補強することができる。

【0052】

好ましくは、静電容量式センサ部品１１０の第２のセンサノード１１０ｂを支持していないハウジング３００の他の部分は、接地電位１０００に動作可能に接続される。

【0053】

ほとんどの市販の容量式センサ装置は、単一プレート容量式センサ設計を使用する。既知の測定原理によれば、図１の磁気軸受モジュールに実装される場合、（移動される製品キャリアである）剛体ボディ２０は、接地電位になければならない。従って、振動電圧信号Ｖ_ｏｓｃは、基準コンデンサを介して、測定面（第２のセンサノード１１０ｂ）上の他方の剛体ボディ３０（磁気軸受モジュールを備えた直線案内路）に供給される必要がある。電圧信号は、第２のセンサノード１１０ｂのセンサ出力として測定される。

【0054】

既知の測定原理によれば、剛体ボディ２０は接地電位にあり、第２のセンサノード１１０ｂ（測定面）を有する磁気軸受モジュール３０は可変電位にある必要がある。この測定構成には、測定面／第２のセンサノード１１０ｂに物理的に近接して配置された全ての構成要素が寄生容量として作用するという欠点がある。これらの寄生容量の影響を最小化し、電界線のフリンジのようなエッジ効果を最小化するために、能動遮蔽部品として機能する２次アクティブガード面を、測定面／第２のセンサノード１１０ｂの後方および周囲に実装する必要がある。

【0055】

この能動遮蔽部品は、測定面／第２のセンサノード１１０ｂと同じ電位にアクティブに保たれる必要がある。従って、能動遮蔽部品は、測定面／第２のセンサノード１１０ｂおよびセンサハウジング３００の両方から電気的に絶縁される必要がある。結果的にこのような既知のセンサデザインは、より複雑な機械的構造を有し、構造寸法が大きくなる。

【0056】

さらに、既知の静電容量式センサ装置を処理電子機器に接続する信号ケーブルは、通常、３軸ケーブルである。その中心コアは測定信号に使用され、中間導体は能動遮蔽部品に向かうアクティブガード信号に使用され、外側遮蔽は遮蔽目的のために接地電位に保たれる。このような設計では、アクティブガード信号線は接地電位に保たれた外部遮蔽の近くに位置する。このタイプのケーブル構成では、接地電位に対する静電容量が比較的小さくなり、能動遮蔽部品のアクティブガード信号を生成するユニティゲイン増幅器に対する要求が高くなる。

【0057】

その結果、既知の静電容量式センサ装置から処理電子機器までかなりの長さの信号ケーブルを使用するアプリケーションでは、能動遮蔽部品を正確に同じ電位に保つのがより難しくなる可能性がある。

【0058】

図２および図３に示されるように、本発明による静電容量式センサ装置１００は、周波数依存入力信号発生器１３０を取り付けることにより、剛体ボディ２０を接地電位１０００にする代わりに、剛体ボディ２０（移動可能な製品キャリア）に振動電圧信号Ｖ_ｏｓｃを印加する点で既知のセンサ設計と異なる。これにより、センサ装置の測定面を仮想接地電位１０００に保つことができる。発振励起信号Ｖ_ｏｓｃは、発振電圧の振幅、および、剛体ボディ２０（移動可能な製品キャリア）と磁気軸受モジュール３０との間における両センサノード１１０ａ－１１０ｂ間のキャパシタンスのインピーダンスＣ_ｘに応じて、剛体ボディ２０（移動可能な製品キャリア）から仮想接地への電流を引き起こす。

【0059】

フィルタ素子または基準コンデンサ１４０（Ｃ_ｒｅｆ）は、出力ノード１２０ｂと第１の入力ノード１２０ａとの間のオペアンプ１２０の帰還経路上に配置される。送信部品１２０（演算増幅器）は、フィルタ素子または基準コンデンサ１４０を流れる電流が剛体ボディ２０／静電容量式センサ部品１１０から仮想接地へ流れる電流と等しくなるように、出力ノード１２０ｂに電圧Ｖ_ｏｕｔを印加する。従って、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、剛体ボディ２０（製品キャリア）と他の剛体ボディ３０（直線案内路）との間のギャップｇ１（４０）の測定値となる。

【0060】

静電容量式センサ装置１００の測定部分（ここでは、第２のセンサノード１１０ｂ、および静電容量式センサ部品１１０）は、実質的に接地電位１０００にあるため、能動的な遮蔽部品を省略することができる。このとき、金属部品が寄生容量として作用するのを防ぐために、受動遮蔽部品３２０が第２のセンサノード１１０ｂの背後に配置される。能動的な遮蔽部品を含まないことには、以下の利点がある。
－上記のような既知のセンサ装置の構成における複雑な３軸信号ケーブルは、直径が小さく曲げ剛性が低い同軸ケーブル１００ａに置き代えることができる。後者は、回転ケーブルフィードスルーにおいて有益である。同軸ケーブル１１０ａの中心導体は測定信号Ｖ_ｏｕｔに使用され、外部導体は接地電位１０００に保たれ、遮蔽に使用される。
－本発明による静電容量式センサ装置１００は、必要なアクティブ測定面や絶縁層が少ない。このため、磁気軸受モジュール内部、剛体ボディ／製品キャリア２０と磁気軸受モジュール／直線案内路３０との間のエアギャップ４０の近くまたはエアギャップ４０内部に組み込むのに適している。複雑な電気部品が少ないこの設計は、コスト、測定精度、最小限のケーブル、最小限のエネルギー散逸のバランスを最適化する。

【0061】

好ましくは、好適な用途では、複数の磁気軸受モジュール３０が、本発明による複数の静電容量式センサ装置１００を必要とする直線案内路アセンブリに使用される。これらの静電容量式センサ装置１００は、移動する製品キャリア（第１の剛体ボディ２０）および直線案内路３０のいずれかに配置される。センサプローブから処理電子機器に向かう信号ケーブルの量をさらに最小限にするために、複数の静電容量式センサ装置１００は、中央コントローラまたは中央電子回路基板（ＰＣＢ）に電子的に接続される。

【0062】

図４に、このような中央制御装置または中央電子回路基板（ＰＣＢ）４００の一例が示されており、複数の機能を実装している。これには、図２を参照して説明したように、基準コンデンサＣ_ｒｅｆ／フィルタ素子１４０を使用した電流測定が含まれる。中央コントローラ／中央電子回路基板（ＰＣＢ）４００は、使用されるｎ個の容量式センサ装置１００－１／１００－ｎの数に適合する複数の入力ノード４００－１／４００－ｎを有する。

【0063】

フィルタと組み合わせた同期整流器または同期検波器は、様々なｎ個の振動測定信号Ｖ_ｏｕｔを、各測定チャネルに対応するｎ個の直流（ＤＣ）測定（電圧）信号に変換するために使われる。同期検波は、外乱信号の影響を最小限に抑える。対応するｎ個の直流（ＤＣ）測定（電圧）信号の合計５個の測定信号は、１本の配線４００－２を介して出力される１個の多重化出力信号に多重化され、信号はプリアンプされる。このＰＣＢ設計は、信号ケーブルの量を最小化するように設計されているため、電力損失を最小化することができる。

【0064】

合計２本の同軸ケーブル４００－２ａ／２ｂが、６つの異なる信号を伝送するように、前処理ＰＣＢ４００から後処理ＰＣＢ５００まで通っている。１本の同軸ケーブル４００－２ａは、同期検出に必要な発振信号を伝送する。振幅±１２Ｖのこの発振信号は、－１５Ｖだけオフセットされる。同軸ケーブル４００－２ａの被覆は＋１５Ｖであり、デマルチプレクサ用の同期パルスを含む。第２の同軸ケーブル４００－２ｂは多重化された測定信号を伝送し、被覆は信号グラウンドを伝送する。

【0065】

この設計により、信号対ノイズ比（Ｓ／Ｒ）が改善され、測定信号Ｖ_ｏｕｔを容量式センサ装置１００の近くで増幅することにより、外部ノイズ源の影響が最小限に抑えられる。アナログからデジタルへの変換（Ａ／Ｄ）は、ＰＣＢ４００でのエネルギー散逸を最小限に抑えるため、前処理ＰＣＢ４００ではなく、後処理ＰＣＢ５００で行われる。この構成により、熱安定性が重要視される真空環境内での応用が可能になる。

【符号の説明】

【0066】

１０・・磁気ベアリングアセンブリ、
２０・・剛体ボディ、
３０・・他の剛体ボディ、
３０’・・磁気軸受モジュール、
３１・・強磁性コア、
３１ａ・・強磁性コアの第１側面、
３２ａ－３２ｂ・・強磁性コアの外側脚部、
３３・・強磁性コアの中央脚、
３３ａ・・中央脚の自由端面、
３４・・第１の磁性体素子、
３５・・コイル、
４０／ｇ１・・エアギャップ、
１００・・静電容量式センサ装置、
１００ａ・・静電容量式センサ装置の同軸信号ケーブル、
１１０・・静電容量式センサ部品、
１１０ａ・・第１のセンサノード、
１１０ｂ・・第２のセンサノード、
１２０・・送信部品、
１２０ａ・・送信部品の第１の入力ノード、
１２０ｂ・・伝送部品の出力ノード、
１２０ｃ・・伝送部品の第１の入力ノード、
１３０・・周波数依存入力信号発生器、
１３０ａ・・周波数依存入力信号発生器の単芯信号ケーブル、
１４０・・フィルタ素子、
３００・・磁気軸受モジュール／容量式センサ装置のハウジング、
３１０・・ハウジング部品、
３１０ａ・・ハウジング部品３１０の第１部品側面、
３１０ｂ・・ハウジング部品３１０のさらなる側面または第２部品側面、
３２０・・遮蔽部品、
４００・・前処理回路基板ＰＣＢ、
５００・・後処理回路基板ＰＣＢ、
１０００・・グランド電位。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】