JP2009038910A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁極の固定に起因する雰囲気汚染を回避しながらもモータ性能が高く、かつ信頼性の高い、大気外の雰囲気中で用いられるブラシレスモータを提供する。
【解決手段】リング状ホルダ２４を用いることで、アウトガスを発生する接着剤などを用いることなく永久磁石を締結でき、永久磁石２２の固定に起因する雰囲気汚染を回避しながらも、モータ性能と信頼性を接着剤によって磁極を固定した場合と同等に維持しつつ、加工コストと組立コストが抑えられかつ機能保証が行いやすいブラシレスモータを提供できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、大気外の雰囲気例えば真空中で用いられる複数のブラシレスモータに関する。

例えば半導体製造装置等においては、不純物を極力排除するために真空槽内の超高真空雰囲気中で被加工物に対する加工作業が行われる。その場合に使用されるアクチュエータとして、例えば被加工物位置決め装置の駆動モータにあっては、駆動軸の軸受に一般的なグリースなどのように揮発成分を含有する潤滑剤を用いることはできないから、金や銀などの軟質金属を軸受の内外輪にプレーティングすることで潤滑性を高めている。また、駆動モータのコイル絶縁材、配線被覆材及び積層磁極の接着剤なども、耐熱性に優れ放出ガスの少ない安定した材料が選定されるという実情がある。

特に近年、半導体の集積度が高まり、それに伴って同時にＩＣのパターン幅の微細化による高密度化が進められている。この微細化に対応できるウエハを製造するために、ウエハ品質に対する高度の均一性が要求されている。その要求に応えるためには、ウエハの低圧ガス処理室における不純物ガス濃度の一層の低減が重要である。また、要求通りに微細加工を行うためには、極めて高精度の位置決め装置が必要である。こうした見地から上記従来のアクチュエータを検討すると、以下のような種々の問題点が指摘される。

すなわち、超真空雰囲気を備えた真空槽内で用いる駆動モータの場合、たとえ駆動モータのコイル絶縁材や配線被覆等に、耐熱性に優れ放出ガスの少ない安定した材料が選定されても、それが有機系の絶縁材料である限り、ミクロ的には多孔質であって表面には無数の穴を有している。これを一旦大気にさらすと、その表面の穴にガスや水分子等を取り込んで吸蔵してしまう。それらの吸蔵不純分子を真空排気で除去する脱ガスに長時間を要してしまい、生産効率の低下は避けがたい。

よって、駆動モータの形式を周対向型の表面磁石型ブラシレスモータとすることで、ロータの電気配線を排除し且つステータとロータとの狭間に円筒状の金属隔壁を設けることで、コイル絶縁材や配線被覆等、有機系の材料が多数用いられているステータ側を超真空雰囲気から隔絶し、吸蔵不純分子の放出を防ぐ手段が多く用いられてきた。

しかしながら、ロータには電気配線が存在しないものの、永久磁石とロータヨークとの固定には接着剤を用いるのが一般的であり、超真空雰囲気ではこの接着剤からの吸蔵不純分子の放出が無視できない。接着剤が広く用いられている理由は、ロータヨークと永久磁石の線膨張係数の差による応力を接着剤の層にて吸収し、極度の高温または低温時の永久磁石の割れや欠けを防ぐことにある。

このような問題に対し、ロータヨークにおいて、永久磁石の厚みを付加した直径を有する大径部を軸方向に２ヶ所設け、その間に永久磁石を配置して硬化性樹脂を充填することで永久磁石を固定し、かつ２ヶ所の大径部を含めて被せられるだけの長さを有する薄管を被せ、その口元を２ヶ所の大径部にそれぞれ溶接し密封することにより、吸蔵不純分子の放出を防ぐ手段を有するモータが特許文献１に記載されている。
特開２０００−６９６９６号公報

ところで、ロータヨークは磁路を形成する部品であるが、磁束の変化が非常に少なく渦電流損失がほとんど生じないという特性を有する。よって、構造体用材料であるが強磁性体である低炭素鋼が広く用いられている。一方、永久磁石を固定している硬化性樹脂と共にロータヨークの大径部に被せる薄管は、磁束の短絡を避けるためにオーストナイト系のステンレスなどの非磁性金属を用いるのが望ましい。

しかし、材料特性が大きく異なる前記２つの材料を溶接で完全に封止することは困難であり、高度な技術を要する。また、溶接部に硬化性樹脂が付着していると、溶接不良を生じる原因となる。ステータへの鎖交磁束の減少によるモータ性能の低下を許容し、薄管をロータヨークと同様の材質を用いた場合でも、ロータヨークは磁束を飽和することなく通すためにも、ある程度の体積を必要とする構造体であって熱容量が大きいことが望ましいのに対し、一方の薄管はモータのエアギャップを狭めるためにも非常に薄くすることが望ましく、熱容量が非常に小さいので、薄管にひずみや割れを生じやすく、溶接で完全に封止することは難しい。また、ロータヨークに用いられるような強磁性を有する金属材料は非常にさびやすく、真空槽内での発塵を防ぐためにニッケルメッキなどの防錆処理を溶接後に施す必要があるが、溶接部に施されためっき膜にはピンホールを生じやすく、そこから錆が進行する恐れがあった。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、磁極の固定に起因する雰囲気汚染を回避しながらもモータ性能が高く、かつ信頼性の高い、大気外の雰囲気中で用いられるブラシレスモータを提供することを目的とする。

本発明のブラシレスモータは、大気外の雰囲気中で用いられる、表面磁石型のブラシレスモータにおいて、
ハウジングと、
前記ハウジングから延在し、大気側と大気外側を隔絶する隔壁と、
前記隔壁に対して大気外側に配置された外側ロータユニットと、
前記ハウジングに対して前記外側ロータユニットを回転自在に支持する軸受装置と、
前記隔壁に対して大気側に配置されたステータと、を有しており、
前記外側ロータユニットは、磁性体から形成された環状のヨークと、前記隔壁を挟んで前記ステータに対向してなり且つ永久磁石から形成され極毎に分割されたセグメント形式の磁極と、前記磁極を前記環状のヨークに固定するために前記環状のヨークの軸線方向両側に配置された一対のリング状ホルダとからなり、
前記リング状ホルダは、前記環状のヨークに取り付けられた状態で、周方向に隣接する前記磁極の側面に係合可能な保持部を有することを特徴とする。

本発明のブラシレスモータによれば、前記リング状ホルダは、前記環状のヨークに取り付けられた状態で、周方向に隣接する前記磁極の側面に係合可能な保持部を有するので、例えば前記磁極との間に隙間を有しながらも、前記磁極がエアギャップ方向に脱落することを抑制し、接着剤を用いないために雰囲気汚染が抑制され、前記リング状ホルダを用いて前記磁極を前記環状のヨークに適切に取り付けることができる。尚、本明細書において、「軸線方向」とは特に断らない限り、モータ即ちロータヨークの軸線方向をいうものとする。

前記磁極における前記環状のヨーク側面の軸線方向長は、前記環状のヨークにおける前記磁極の取り付け面の軸線方向長以下であり、前記磁極における前記取り付け面に対向する面の周方向の長さは、前記磁極における前記ステータに対向する面の周方向の長さよりも長く、前記磁極における前記軸線方向の両端面は平行であると好ましい。周方向に隣接する前記磁極の側面同士を当接させないので、極度の高温又は低温時などにおいて各部に熱膨張の差が生じた場合でも、磁極に割れや欠けなどが生じないようにできるため、信頼性の高いモータを提供できる。

前記環状のヨークに取り付けた状態で、隣接する前記磁極における周方向に対向する側面同士は離隔しており、前記リング状ホルダの保持部は、前記磁極の周方向に対向する側面間に突出した凸部を含み、前記凸部は、前記環状のヨークに取り付けられた状態で、隣接する前記磁極の間に介在すると好ましい。例えば前記環状のヨークの軸線方向に見たときに、前記磁極の外周面の円弧角度を、３６０度／極数より小さくすることができる。これにより、隣接する前記磁極の対向する側面同士の間（内周方向）に隙間が生じ、前記リング状ホルダの凸部を等間隔で形成すれば、前記磁極を円周方向に等配的に配置することで、コギングトルクの低減ができる。さらに、前記凸部と前記磁極との間に若干隙間を設けることで、接着剤を用いることなく雰囲気汚染を回避しながらも、極度の高温または低温時において磁極に割れや欠けを生じることがなく、更にモータ性能と信頼性を接着剤により磁極を固定した場合と同等に維持しつつ、かつ機能保証を行いやすいブラシレスモータを提供できる。

前記凸部は、前記磁極の側面に平行な板部であると好ましい。

前記リング状ホルダは非磁性材料の薄板から形成されていると、前記磁極の磁界に対する影響を与えることがない。

以上の本発明によれば、前記外側ロータユニットは単純な円環状リングと、上下のリング状ホルダとで構成されるため、部品構造が単純、加工コスト及び組立コストが抑えられ、かつ機能保証を行いやすいブラシレスモータを提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本実施の形態は、ブラ足レスモータの一例として、表面磁石型の２０極１８スロットアウターロータ式ブラシレスタイプのダイレクトドライブモータを用いる。３２極３６スロットというスロットコンビネーションは、コギング力は小さいが径方向に磁気吸引力が発生し回転時の振動は大きいことが一般的に知られている１０極９スロットというスロットコンビネーションの２倍の構成である。２ⁿ倍（ｎは整数）にしたことにより、径方向の磁気吸引力は相殺されるので、固定子と回転子の真円度や同軸度および機構部品の剛性を高めることなく回転時の振動を小さくでき、かつ、本来的にコギングが小さい構成であるので、非常に滑らかな回転が得られる。一方、このような非常に多極なモータとすることにより、機械角の周期に対する電気角の周期が多いので、位置決め制御性が良い。よって本発明は、例えば減速器を用いずにロボット装置を駆動するようなダイレクトドライブモータに好適である。また、総磁束量を下げることなく固定子連結部の肉厚と突極幅、および回転子のヨーク肉厚を狭くできるので、本発明は、例えば薄型かつ大径幅狭のダイレクトドライブモータに好適である。

図１は、本実施の形態にかかるブラシレスモータの一例であるダイレクトドライブモータの断面図である。図１を参照して、ダイレクトドライブモータＤＤの内部構造について詳細に説明する。定盤Ｇに据え付けた円板１０ａと、その中央の円筒部１０ｂとからなるハウジング１０は、円筒部１０ｂ内に、ステータへの配線などを通すために用いることができる中央開口１０ｃを形成している。

このような構造とすることで、ハウジング１０の円筒部１０ｂ側から半径方向外方に向かって順に、検出器（レゾルバ）、ステータ２９を配置することが可能となり、容易にステータ２９に対する検出器の角度調整が行える。そこで、基準となる外輪ロータユニットを回転駆動する設備を別に用意しておけば、その設備にステータ２９と検出器を組み込んだハウジング１０をセットすることにより、高精度にステータ２９に対する検出器の角度調整ができるので、コンミテーションずれによる角度位置決め精度の低下を防ぎ、かつ、モータに対する駆動制御回路の互換性を高めることができる。検出器については後述する。

隔壁１３は、非磁性体であるステンレス製であり、ハウジング１０の円板１０ａの上面に嵌合される肉厚のフランジ底部１３ａと、その内周縁から軸線方向に延在する薄肉のカップ状円筒部１３ｂとからなる。フランジ底部１３ａは、ハウジング１０にボルト（不図示）により固定されている。フランジ底部１３ａの下面には、シール部材を填め込む溝加工が施してあり、シール部材ＯＲを溝に填め込んだ後にフランジ底部１３ａとハウジング１０をボルトにより締結することにより、締結部分を大気側から分離隔絶している。従って、ハウジング１０と、隔壁１３とで囲われる内部空間は、その外部から気密されている。尚、シール部材ＯＲを用いて気密する代わりに、電子ビーム溶接やレーザビーム溶接などで部材間を気密しても良い。又、隔壁１３は必ずしも非磁性体である必要はないが、ここでは耐食性が高く、特に磁性の少ないオーステナイト系ステンレスのＳＵＳ３１６を材料としている。尚、フランジ底部１３ａを、カップ状円筒部１３ｂと溶接する場合、溶接性から両者は同じくＳＵＳ３１６とするのがよい。

円板１０ａの外周上面において、隔壁１３の外側に、円筒状の軸受ホルダ１７がボルト１８により固定されている。軸受ホルダ１７には、真空中で用いられる複列玉軸受（特殊環境用軸受装置）１９の外輪が嵌合的に取り付けられ、ボルト１８により共締めされている。一方、軸受１９の内輪は、円筒状のロータヨーク２１の外周に嵌合している。

軸受１９は、ラジアル、アキシアル、モーメント荷重を１個の軸受で負荷できる複列の多点接触玉軸受である。この形式の軸受を用いることにより、ダイレクトドライブモータＤ１の軸受は１個で済むため、本発明の２軸同軸モータシステムを薄型化できる。軸受１９は、内外輪とも耐食性が高くかつ焼入れによる硬化が得られるマルテンサイト系ステンレスを材料とし。転動体はセラミックボール、潤滑剤は真空であっても固化しない真空用のグリスを用いている。

尚、軸受１９は内輪と外輪に金や銀などの軟質金属をプレーティングして、真空中でもアウトガス放出のない金属潤滑としたものを用いてもよく、クロスローラ、クロスボール、クロステーパ軸受も用いることができ、予圧状態で用いても良いし、潤滑性向上のためフッ素系被膜処理（ＤＦＯ）を行っても良い。

外側ロータ２３は、円筒部２３ａと、その上縁から半径方向に延在するフランジ部２３ｂとを有し、フランジ底部２３ｂの下面には嵌合部２３ｃが形成されている。嵌合部２３ｃはロータヨーク２１に対してインロー嵌めされ位置決め固定されている。

外輪ロータユニットＭＲは、外側ロータ２３と、磁路を形成するため磁性体から成る円環状のロータヨーク２１、ロータヨーク２１の内周面に取り付けられた永久磁石２２と、永久磁石２２とロータヨーク２１を機械的に締結するための非磁性体からなるリング状ホルダ２４によって構成されている。

図２は、外輪ロータユニットＭＲの斜視図であり、図３は、外輪ロータユニットＭＲの分解図であり、図４は、図１に構成の矢印IVで示す部位を拡大して示す図であるが、一部簡略化している。図３に示すように、永久磁石２２は、３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６個交互に並べられ、極ごとに分割されたセグメント形式である。

永久磁石２２は、エネルギー積の高いネオジウム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）系磁石を材料としている。このネオジウム系磁石は、鉄と比較して線膨張係数が非常に小さい上にもろく割れやすいという性質を持つ。本実施の形態においては、耐食性を高め且つ耐磨耗性を確保するためにニッケルコーティングを施してある。このような表面処理を施すことにより、不純分子を吸蔵しにくく、且つリング状ホルダ２４により固定される際のすべりや、極度の高温または低温時にさらされた際の摺動磨耗による発塵を防げるので真空環境に好適である。永久磁石２２の外周円弧角度は、３６０度／２０＝１８度乃至それより小さい角度を有する円弧である。即ち、隣接する永久磁石２２の周方向に対向する周方向側面２２ｄ間には隙間が設けられ、従って周方向に等配ができる。

ステータ２９（エアギャップ）側である永久磁石２２の内径側面２２ｃの形状及びそれと対向する側の外径側面２２ｂの形状は、ロータヨーク２１に取り付けられた際に、各々の永久磁石２２の円弧中心が回転中心と同一となるような半径を有する円弧状である。

永久磁石２２の周方向側面２２ｄ、２２ｄの形状は平面状であり、いずれもステータ２９の内周面の接線に対して内側に傾いている。永久磁石２２は、ステータ２９と対向する内径側面２２ｃの幅が狭く、ロータヨーク２１と接する外径側面２２ｂの幅がそれより広くなっており、従って略台形断面形状を有する。一方、永久磁石２２の軸線方向端面２２ａは長方形状であるが，ロータヨーク２１の回転軸線に対して直交している。永久磁石２２は、各縁に面取りが施してあり，微細な割れや欠けを防いでいる。

ロータヨーク２１は高い磁性を有する低炭素鋼を材料とし、加工成形後に、防錆および耐食性を高め、かつ軸受交換時の磨耗を防ぐためにニッケルめっきを施している。ロータヨーク２１の形状は円筒形状であり、永久磁石２２を配置する内周面２１ａの軸線方向長は、図４に示すように、それに対向する永久磁石２２の外径側面２２ｂの軸線方向端面の長さよりも若干長くなっているが、等しくても良い。

図５は、リング状ホルダ２４の斜視図であり、図６は、図５の矢印VIで示す部位を拡大して示す図である。薄い板材からなるリング状ホルダ２４は、磁束が短絡してステータ２９への鎖交磁束が低減することを防ぐため、非磁性材料で作られ、永久磁石２２をロータヨーク２１から外れること防ぐ機能を有する。またこの材料として非磁性ステンレスを採用すると、耐食性が高いために不純分子を吸蔵しにくく、真空環境に好適となる。その形状は略薄リング状であり、表面にボルトＢ（図３参照）による固定を行うための孔２４ａがあけられている。尚、ボルトＢは、ロータヨーク２１と同様に高い磁性を有する低炭素鋼を材料とし、加工成形後に、防錆および耐食性を高め、かつ軸受交換時の磨耗を防ぐためにニッケルめっきを施している。

更に、リング状ホルダ２４は、その内周において、周方向に等間隔に略Ｖ字状の切欠２４ｂを形成しており、切欠２４ｂの周方向両縁は略垂直に折り曲げられて、保持部としての板状の凸部２４ｃを形成している。図６に示すように、同じ切欠２４ｂ内の凸部２４ｃ同士は、内径側に向かうにつれて互いに離れるように非平行に延在している。

リング状ホルダ２４は、ロータヨーク２１の軸線方向両端面に、孔２４ａに挿通されたボルトＢを介して取り付けられる。リング状ホルダ２４の内径は、ロータヨーク２１の内径より小さくなっているので、取り付けた状態で、リング状ホルダ２４の凸部２４ｃは、周方向に隣接する永久磁石２２の間に介在し、その周方向側面２２ｄと略平行に延在するようになっている（図３参照）。隣接する永久磁石２２における周方向側面２２ｄ間に介在する凸部２４ｃの周方向距離は、その周方向側面２２ｄの最小周方向距離より大きくなっている。従って、永久磁石２２がロータヨーク２１から浮いた場合でも、凸部２４ｃが側面２２ｄに係合することにより、永久磁石２２の脱落を阻止することができる。これにより接着剤を用いる必要がなくなり、真空雰囲気を汚染することがない。尚、リング状ホルダ２４を取り付けた状態で、凸部２４ｃ、２４ｃと、永久磁石２２の軸線方向両側面２２ｄ、２２ｄとの間に隙間が形成され、かかる隙間は、永久磁石２２がエアギャップ方向に浮いたとしても、ステータ２９との吸着力よりロータヨーク２１との吸着力の方が強く、且つモータの使用温度および保存温度の低温側にさらされた際でも隙間が残留する寸法となっている。

図１に示すように、ロータヨーク２１の外周に軸受１９の内輪を直接固定しているが、両者に嵌合する円筒状のヨークホルダ（不図示）を介在させても良い。かかる場合は、真空用グリス潤滑の４点接触玉軸受１９を用いているので、回転輸である内輪を、加工精度を出しやすくかつ線膨張係数が軸受の軌道輸材質と略同一であるロータヨーク２１に締まり嵌めあるいは中間嵌めとし、固定輪である外輪を真空環境で頻繁に用いられるアルミニウムやオーステナイト系ステンレス製の軸受ホルダ１７にすきま嵌めとすることで、軸受装置の回転精度の低下や温度上昇による摩擦トルクの上昇を防ぐことができる。

ヨークホルダを用いる場合は、慣性低減のため、金属材料としては比重が小さいアルミニウム合金を材料とし、ロータヨーク２１の外径部とのはめあい部と、ロータヨーク端面に当接するフランジ部とを設けるようにすると好ましい。

本実施の形態によれば、永久磁石２２をロータヨーク２１の内周面２１ａに吸着させたのちに、一対のリング状ホルダ２４をボルトＢでロータヨーク２１の軸線方向両端面に固定することにより、永久磁石２２を等配する形で取り付けることができ、凸部２４ｃにより永久磁石２２がロータヨーク２１から浮き上がり脱落することを抑制できる。すべての永久磁石２２とリング状ホルダ２４が配置された状態であっても、両者の軸線方向端面間には隙間があるので，リング状ホルダ２４はロータヨーク２１の軸線方向端面から浮き上がることなく確実にボルトで固定できる。

更に、永久磁石２２におけるロータヨーク２１の内周面２１ａと接する外径側面２２ｂは、ロータヨーク２１の内周面２１ａと同一半径ないしそれより若干大きい半径を有する円弧状なので、ロータヨーク２１に取り付けた際に全面もしくは２ヶ所で線接触し、さらに強固に固定できる。よって、ステータ２９への通電による回転方向のトルクが加わっても不用意にぐらつくことがない。

また、永久磁石２２同士、或いは永久磁石２２とリング状ホルダ２４との間にも隙間があるので、永久磁石２２は磁気的な吸着力のみでロータヨーク２１に固定されており機械的に拘束されていないので、極度の高温にさらされた際でも、ロータヨーク２１に対して微細に摺動でき、極度の低温にさらされた際でも隙間があるので、リング状ホルダ２４からの圧縮応力を受けることが抑制される。よって、永久磁石２２に割れや欠けを生じる恐れが少ない。

更に、リング状ホルダ２４が固定された状態では、ロータヨーク２１との吸着力以上の引張力が加わったとしても、凸部２４ｃが設けられているので、凸部２４ｃと周方向側面２４２との隙間以上は、永久磁石２２がロータヨーク２１から浮くことができず、永久磁石２２がエアギャップ側に外れることがない。また、リング状ホルダ２４が固定された状態では、軸線方向にロータヨーク２１との吸着力以上の力を受けても、凸部２４ｃとの半径方向及び軸線方向の隙間以上は永久磁石２２が変位できないので、永久磁石２２が軸線方向にも外れることがない。また、アウタロータ形式であるので、モータ回転にともなう遠心力を受けても、永久磁石２２が外れることがない。

本実施の形態の永久磁石２２は、課題に対する作用を得ながらも、接着剤による固定を行う場合と同様の、略円環状の一部を切り出した単純な六面体であり、磁極固定にまつわる無用な穴や溝や辺、および無駄な磁石体積を設ける必要が無い。よって、モータ性能および永久磁石２２の部品コストは、接着剤による磁極固定を行う場合と同等である。逆に接着工程を省けるので、組立コストが抑えられ、かつ機能保証が行いやすい。

本実施の形態によれば、リング状ホルダ２４を用いることで、アウトガスを発生する接着剤などを用いることなく永久磁石を締結でき、永久磁石２２の固定に起因する雰囲気汚染を回避しながらも、モータ性能と信頼性を接着剤によって磁極を固定した場合と同等に維持しつつ、加工コストと組立コストが抑えられかつ機能保証が行いやすいブラシレスモータを提供できる。

隔壁１３の半径方向内側において、外側ロータ２３の内周面に対向するようにして、ステータ２９が配置されている。ステータ２９は、円板１０ａの上面の環状取り付け部１０ｄに不図示のボルトで固定されており、電磁鋼板の積層材で形成され、各突極には絶縁処理としてボビンを嵌め込んだ後にモータコイルが集中巻されている。ステータ２９の外径は隔壁１３の内径と略同一もしくは小さい寸法としている。

ステータ２９と同軸であって、その上方に、磁路を形成するための磁性体から成る円環状のカップリングヨーク２５が配置され、その外周にはカップリング磁石２６が固定配置されている。カップリング磁石２６は、外側ロータ２１の永久磁石２２と同様に２０極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１０個交互に磁性金属からなっている。従って、カップリングヨーク２５は、ステータ２９によって駆動される外側ロータ２１に同期して連れ回されるようになっている。

カップリングヨーク２５の内周側下面は、円筒状の内側ロータ３０の上端に取り付けられている。カップリングヨーク２５と一体的に回転する内側ロータ３０は、円板１０ａの環状取り付け部１０ｄに対し、大気側軸受３３により回転自在に支持されている。

内側ロータ３０を回転自在に支持する大気側軸受３３は、ラジアル、アキシアル、モーメント荷重を１個の軸受で負荷できる４点接触玉軸受である。この形式の軸受を用いることにより、１個の軸受で済むため、ダイレクトドライブモータＤＤを薄型化できる。隔壁１３の内部は大気環境であるため、一般的な軸受鋼と鉱油を基油としたグリス潤滑を用いた軸受を適用できる。

隔壁１３内部は大気環境であるため、カップリング磁石２６はカップリングヨーク２５に接着固定してある。カップリング磁石２６はエネルギー積の高いネオジウム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）系磁石であり、錆による減磁を防ぐためにニッケルコーティングを施してある。カップリングヨーク２５は高い磁性を有する低炭素鋼を材料とし、加工成形後に防錆のためにクロメートめっきを施している。カップリング磁石２６と、カップリングヨーク２５とで検出器カップリングを構成する。

内側ロータ３０の内周には、回転角度を計測する検出器として、レゾルバロータ３４ａ及び３４ｂを組みつけており、それに対向する形で、ハウジング１０の円筒部１０ｂの外周に、レゾルバステータ３５，３６を取り付けているが、本実施の形態では、高分解能のインクリメンタルレゾルバステータ３５と、１回転のいずれの位置にロータがあるかを検出できるアブソリュートレゾルバステータ３６とを２層に配置しており、アブソリュートレゾルバからの絶対角度情報に基づき、電源投入直後の回転子機械角の認識と、モータコイルへのコンミテーションを行っている。このため電源投入時にも、アブソリュートレゾルバロータ３４ｂの回転角度がわかり、原点復帰が不要であり、一方、インクリメンタルレゾルバからの相対角度情報に基づき、高分解能の角度位置決め動作を行っているので、コイルに対する磁石の電気的位相角度がわかる。従って、ダイレクトドライブモータＤＤの駆動電流制御に使用する回転角度検出が、極検出センサを用いることなく可能となっているので、ロボット装置等を駆動するようなダイレクトドライブモータには好適である。

検出器の回転側と軸受装置の回転側および検出器カップリングとを連結する内側ロータ３０は、モータの界磁およびモータコイルからの電磁ノイズが角度検出器であるレゾルバステータ３５，３６に伝達されないように、磁性体である炭素鋼を材料とし、加工成形後に防錆のためにクロメートめっきを施している。

本実施の形態に用いている高分解能の可変リラクタンス形レゾルバにおいて、インクリメンタルレゾルバロータ３４ａは、一定のピッチを有する複数のスロツト歯列を有し、インクリメンタルレゾルバステータ３５の外周面には、回転軸と平行に各磁極でインクリメンタルレゾルバロータ３４ａに対して位相をずらした歯が設けられており、コイルが各磁極に巻回されている。内側ロータ３０と一体でインクリメンタルレゾルバロータ３４ａが回転すると、インクリメンタルレゾルバステータ３５の磁極との間のリラクタンスが変化し、インクリメンタルレゾルバロータ３４ａの１回転でリラクタンス変化の基本波成分がｎ周期となるようにして、そのリラクタンス変化を検出して、図２に例を示すレゾルバ制御回路によりデジタル化し、位置信号として利用することでインクリメンタルレゾルバロータ３４ａ即ち内側ロータ３０の回転角度（又は回転速度）を検出するようになっている。レゾルバロータ３４ａ、３４ｂと、レゾルバステータ３５，３６とで検出器を構成する。

本実施の形態によれば、外側ロータ２１に対して、磁気カップリング作用により内側ロータ３０が同速で回転し、すなわち連れ回るので、外側ロータ２１の回転角を隔壁１３越しに検出することができる。また、本実施の形態では、モータを形成する部品やハウジングを用いることなくレゾルバ単体で軸受３３を有しており、従ってハウジングに組み込む前に、レゾルバ単体での偏芯調整やレゾルバコイルの位置調整などの精度調整が行えるので、ハウジング等に調整用の穴や切り欠きを別途設ける必要がない。又、外側ロータ２１と回転自在に支持する軸受装置１９の回転輪を、加工精度が出しやすくかつ線膨張係数が軸受装置１９の駆動輪と略同一であるロータヨーク２１に嵌合することで、回転精度の向上と温度変化による摩擦トルクの変動防止を図ることができる。

更に、隔壁１３の内側には、ステータ２９と、検出器であるレゾルバ（３４ａ、３４ｂ、３５，３６）と、検出器の回転側（内側ロータ３０）を回転自在に支持する大気側軸受３３と、外輪ロータユニットＭＲと検出器の回転側とを連れ回すための検出器カップリング（２５，２６）と、レゾルバロータ３４ａ、３４ｂと角度検出器カップリングとを連結する内側ロータ３０を配設している。

本実施の形態によれば、ステータ２９と、大気用軸受３３と、内側ロータ３０と、検出器であるレゾルバ（３４ａ、３４ｂ、３５，３６）が、ダイレクトドライブモータＤＤの軸線方向において互いに少なくとも一部が重合する位置に配置されているので、ダイレクトドライブモータＤＤの軸線方向長を小さく抑えることができる。

図７は、ダイレクトドライブモータＤＤの駆動回路を示すブロック図である。外部のコンピュータからモータ回転指令が入力されたとき、ダイレクトドライブモータＤＤ用のモータ制御回路ＤＭＣ（図８参照）は、そのＣＰＵから３層アンプ（ＡＭＰ）に駆動信号を出力し、３層アンプ（ＡＭＰ）からダイレクトドライブモータＤＤに駆動電流が供給される。それによりダイレクトドライブモータＤＤの外側ロータ２１が独立して回転する。外側ロータ２１が回転すると、上述のようにして回転角度を検出したレゾルバステータ３５，３６からレゾルバ信号が出力されるので、それをレゾルバデジタル変換器（ＲＤＣ）でデジタル変換した後に入力したＣＰＵは、外側ロータ２１が指令位置に到達したか否かを判断し、指令位置に到達すれば、３層アンプ（ＡＭＰ）への駆動信号を停止することで外側ロータ２１の回転を停止させる。これにより外側ロータ２１のサーボ制御が可能となる。

本実施の形態では、回転軸の１回転の絶対位置を検出するアブソリュートレゾルバステータ３６と、より分解能の細かい回転位置を検出するインクリメンタルレゾルバステータ３５からなる可変リラクタンス型レゾルバを採用しているので、外側ロータ２１の回転位置制御を高精度に行える。

尚、ここでは内側ロータ３０の回転検出にレゾルバを採用したが、検出器を隔壁１３の内部の大気側に配置できるため、一般に高精度位置決めに使用するサーボモータにおいては高精度で滑らかに駆動するための位置検出手段として採用されている光学式エンコーダや、磁気抵抗素子を使用した磁気式エンコーダ等も使用できる。

図９は、第２の実施の形態にかかる外輪ロータユニットＭＲの斜視図であり、図１０は、本実施の形態に用いるリング状ホルダ２４’の斜視図であり、図１１は、図１０に示す構成の矢印XIで示す部位を拡大して示す図である。

本実施の形態においては、リング状ホルダ２４’に切欠を形成することなく、プレスにより台形状に隆起変形させて凸部２４ｄを形成している。凸部２４ｄは、周方向の側面２４ｃ、２４ｃと、側面２４ｃの縁を連結する平面２４ｅとからなる。

図９に示すように、リング状ホルダ２４’をロータヨーク２１に取り付けると、凸部２４ｄの周方向の側面２４ｃ（図１１）が、所定の隙間をあけた状態で永久磁石２２の周方向側面２２ｄに平行して対向するので、上述した実施の形態と同様に永久磁石２２の脱落を抑制できる。本実施の形態によれば、凸部２４ｄがボックス状であるため、剛性が高く安定した保持が可能となる。

以上、本実施の形態をアウタロータ方式のモータを例として説明したが、インナロータ方式でも同様の効果が得られる。その場合、永久磁石とリング状ホルダの周方向側面の接線交点は、本実施の形態の如く、スペーサとの隙間以上は浮くことができない隙間にすべきである。また、ボルトの脱落防止と永久磁石の飛散防止のために、ロータに非磁性の薄管を被せると良い。また、リング状ホルダや、それを固定するボルトの材質は、製造コストや使用される環境などによって適宜変更されるものである。

以上の実施の形態では、表面磁石型の２０極１８スロットアウターロータ式ブラシレスモータを用いた例を用いて説明したが、この形式のモータに限定されるものではなく、ブラシレスモータであれば適用できるものであり、他の磁極形式、例えば永久磁石埋め込み型であっても良いし、他のスロットコンビネーションでも良いし、あるいはインナロータ型であっても良い。

また、ダイレクトドライブモータＤＤを同軸に積層して用いる場合、各軸の干渉対策として、軸方向に隣接する軸同士の回転子の極数およびスロット数が異なる構成としても良い。例えば、２軸同軸の場合は、第一軸が２０極１８スロット、第二軸が２４極２７スロット、４軸同軸の場合は、第一軸および第三軸が２０極１８スロット、第二軸および第四軸が２４極２７スロットといった構成にすれば、各軸の磁界による回転子および磁気カップリング装置への回転方向の推力発生といった相互干渉を防ぐことができる。

また、ロータの永久磁石は、ネオジウム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）系磁石を用い、耐食性を高めるためのコーティングとして、ニッケルコーティングを施した例を用いて説明したが、この材質、表面処理に限定されるものではなく、使用される環境などによって適宜変更されるものであり、例えばべークアウト時の温度条件によっては高温減磁しにくいサマリウム・コバルト（Ｓｍ−Ｃｏ）系の磁石を用いるべきであり、超真空中で使用されるのであればアウトガス遮断性の高い窒化チタンコーティングを施すべきである。

また、ヨークは、低炭素鋼を材料とし、ニッケルめっきを施した例を用いて説明したが、この材質、表面処理に限定されるものではなく、使用される環境などによって適宜変更されるものであり、特に表面処理に関しては、超真空中で使用されるのであればピンホールの少ないカニゼンめっきやクリーンエスめっき、窒化チタンコーティング等を施すべきである。

また、軸受１９は真空用グリス潤滑の多点接触玉軸受を用いた例を説明したが、この形式、材質、潤滑方法に限定されるものではなく、使用される環境、荷重条件、回転速度などによって適宜変更されるものであり、クロスローラ軸受であっても良いし、４軸同軸モータの場合、さらに機械的な剛性を高めるために、別な軸受で支持する構造としても良いし、高速回転する場合など、多点接触軸受を用いることができない場合は各軸の回転子を支持する軸受および別な軸受を深溝玉軸受やアンギュラ軸受として予圧をかける構造としても良いし、超真空中で使用される場合は、軌道輪に金や銀などの軟質金属をプレーティングしたような、ガス放出のない金属潤滑としたものを用いても良い。

また、磁気カップリングとして機能する内側ロータとして、永久磁石とカップリングヨークを用いた形式で説明したが、永久磁石とカップリングヨークの材質および形状はこれに限定されるものではない。例えば、レゾルバの質量と軸受の摩擦トルクによっては、外側ロータと同極数でなくても良いし、同幅でなくても良い。永久磁石を用いない突極でも良い。

また、角度検出器としてレゾルバを用いた例で説明したが、製造コストや分解能によって適宜変更されるものであり、例えば光学式のロータリエンコーダでも良い。

また、角度検出器の回転側を回転自在に支持する軸受３３として、グリス潤滑の４点接触玉軸受を用いた例を説明したが、この形式、潤滑方法に限定されるものではなく、設置スぺースや摩擦トルク、回転速度などによって適宜変更されるものであり、高速回転や摩擦トルクの低減など、多点接触軸受を用いることができない場合は、アンギュラ軸受や深溝玉軸受を各軸ごとに２個配置して、予圧をかける構造としても良い。

リング状ホルダ２４は、必ずしも一体の円形である必要もなく、同じ機能を担保できれば、分割構成となつてもかまわない。この場合、素材コストを低減できる。

また、その他の隔壁の外、中に配置される構造部品および隔壁の材質、形状、製造方法は、製造コストや使用される環境、荷重条件、構成などによって適宜変更されるものである。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本実施の形態のブラシレスモータは、真空雰囲気に限らず、大気外の雰囲気で使用することができる。例えば、半導体製造工程の場合、真空排気後に真空槽内部にエッチング用の反応性ガスが導入されることがあるが、本実施の形態のブラシレスモータでは、隔壁により内部と外部とが遮蔽されているため、モータコイルや絶縁材等がエッチングされてしまうおそれもない。

本実施の形態にかかるブラシレスモータの一例であるダイレクトドライブモータの断面図である。 外輪ロータユニットＭＲの斜視図である。 外輪ロータユニットＭＲの分解図である。 図１に構成の矢印IVで示す部位を拡大して示す図である リング状ホルダ２４の斜視図である。 図５の矢印VIで示す部位を拡大して示す図である。 レゾルバ制御回路の例を示す図である。 モータ制御回路の例を示す図である。 第２の実施の形態にかかる外輪ロータユニットＭＲの斜視図である。 本実施の形態に用いるリング状ホルダ２４’の斜視図である。 図１０に示す構成の矢印XIで示す部位を拡大して示す図である。

符号の説明

１０ ハウジング
１０ａ 円板
１０ｂ 円筒部
１０ｃ 中央開口
１０ｄ 取り付け部
１３ 隔壁
１３ａ フランジ底部
１３ｂ カップ状円筒部
１７ 軸受ホルダ
１８ ボルト
１９ 軸受
２１ ロータヨーク
２１ 外側ロータ
２２ 永久磁石
２３ 外側ロータ
２３ａ 円筒部
２３ｂ フランジ底部
２３ｃ 嵌合部
２４、２４’ リング状ホルダ
２５ カップリングヨーク
２６ カップリング磁石
２９ ステータ
３０ 内側ロータ
３３ 大気側軸受
３４ａ インクリメンタルレゾルバロータ
３４ｂ アブソリュートレゾルバロータ
３５ インクリメンタルレゾルバステータ
３６ アブソリュートレゾルバステータ
ＤＤ ダイレクトドライブモータ
ＤＭＣ モータ制御回路
Ｇ 定盤
ＭＲ 外輪ロータユニット
ＯＲ シール部材

Claims (5)

1. 大気外の雰囲気中で用いられる、表面磁石型のブラシレスモータにおいて、
   ハウジングと、
   前記ハウジングから延在し、大気側と大気外側を隔絶する隔壁と、
   前記隔壁に対して大気外側に配置された外側ロータユニットと、
   前記ハウジングに対して前記外側ロータユニットを回転自在に支持する軸受装置と、
   前記隔壁に対して大気側に配置されたステータと、を有しており、
   前記外側ロータユニットは、磁性体から形成された環状のヨークと、前記隔壁を挟んで前記ステータに対向してなり且つ永久磁石から形成され極毎に分割されたセグメント形式の磁極と、前記磁極を前記環状のヨークに固定するために前記環状のヨークの軸線方向両側に配置された一対のリング状ホルダとからなり、
   前記リング状ホルダは、前記環状のヨークに取り付けられた状態で、周方向に隣接する前記磁極の側面に係合可能な保持部を有することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記磁極における前記環状のヨーク側面の軸線方向長は、前記環状のヨークにおける前記磁極の取り付け面の軸線方向長以下であり、
   前記磁極における前記取り付け面に対向する面の周方向の長さは、前記磁極における前記ステータに対向する面の周方向の長さよりも長く、
   前記磁極における前記軸線方向の両端面は平行であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記環状のヨークに取り付けた状態で、隣接する前記磁極における周方向に対向する側面同士は離隔しており、
   前記リング状ホルダの保持部は、前記磁極の周方向に対向する側面間に突出した凸部を含み、前記凸部は、前記環状のヨークに取り付けられた状態で、隣接する前記磁極の間に介在することを特徴とする請求項２に記載のブラシレスモータ。
4. 前記凸部は、前記磁極の側面に平行な板部であることを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータ。
5. 前記リング状ホルダは非磁性材料の薄板から形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のブラシレスモータ。

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