JP2011092011A

JP2011092011A - ダイレクトドライブモータ

Info

Publication number: JP2011092011A
Application number: JP2011025696A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Horikoshi; 敦堀越; Kazuo Nagatake; 和夫長竹; Shigeru Endo; 茂遠藤; Shin Kumagai; 紳熊谷
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: JP5246278B2

Abstract

【課題】雰囲気汚染を回避しながらも、高精度にロータの回転角度を検出できるダイレクトドライブモータを提供する。
【解決手段】内側ロータ２１は、ステータ２９によって外側ロータ１６に同期して回転駆動されるようになっているので、内側ロータ２１の回転角度を検出できれば、それから直ちに外側ロータ１６の回転角度を求めることができ、それにより外側ロータ１６の駆動制御を高精度に行うことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、大気外の雰囲気例えば真空中で用いられるダイレクトドライブモータに関する。

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。さらには、真空中においては空気の対流による放熱があり得ないから、コイル温度の局部的な上昇を生じた場合に、その部分の抵抗が増大して発熱が加速され、コイル絶縁皮膜の焼損を招き易い。これに対して、コイル絶縁材に無機材料を用いると共に、配線はステンレス管のシース電線を用いることで吸着不純分子を低減することが考えられる。しかしその場合はコストが非常に高くなるのみならず、コイル巻線スぺース内に占める銅などの導体の比率が減少して電気抵抗が増加し、その結果、モータの容量低下を来す恐れがある。

このような問題に対し、真空封止体の内側にステータを配置し、その外側に出力部材を配置して、出力部材即ちロータを用いてフロッグレッグアームを駆動するダイレクトドライブモータが特許文献１に記載されている。特許文献１のダイレクトドライブモータによれば、ステータに付随するコイル絶縁材や配線被覆などは、大気圧に維持された真空封止体の内側に配置するので、それらを真空槽内に配置した場合における吸蔵不純分子の排出の問題や、発熱の問題を回避できる。

特開２０００−６９７４１号公報

ところで、特許文献１には具体的な開示がないが、ダイレクトドライブモータを駆動制御するには、モータの回転角度を検出する必要がある。ところが、例えばロータの回転角度を検出するレゾルバを、真空封止体の外側に配置すると、吸蔵不純分子の排出の問題が生じる。又、一般的なレゾルバはキロへルツオーダの交流励磁を使用しているため、これを真空封止体として非磁性金属をレゾルバロータとステータの間に配置すると、隔壁にうず電流を発生させてしまい、ステータの励磁に対して損失が生じ、真空中内のロータ検出のＳ／Ｎ比が低下してしまうという問題もある。

さらに、レゾルバステータと同軸上にモータのステータコイルを配置すると、同軸であるためにモータのスイッチングノイズも拾ってしまうという欠点もありＳ／Ｎ比を低下させてしまっており、高精度のロータ位置検出は困難であった。この非磁性金属の真空封止体の厚みを薄くすると上記のＳ／Ｎ比は向上できるが、薄い真空封止体は真空と大気の圧力に耐えられずに、真空封止体が変形するなどの不都合が生じることがある。

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、雰囲気汚染を回避しながらも、高精度にロータの回転角度を検出できるダイレクトドライブモータを提供することを目的とする。

第１の本発明のダイレクトドライブモータは、大気外の雰囲気中で用いられるダイレクトドライブモータにおいて、
ハウジングと、
前記ハウジングから延在し、内側に密封された空間を形成する隔壁と、
前記隔壁に対して外側に配置された外側ロータと、
前記隔壁に対して内側に配置されたステータ及び内側ロータと、
前記内側ロータの回転速度を検出する検出器とを有し、
前記ステータは、前記外側ロータと前記内側ロータとを同時に駆動することを特徴とする。

第２の本発明のダイレクトドライブモータは、大気外の雰囲気中で用いられるダイレクトドライブモータにおいて、
ハウジングと、
前記ハウジングから延在し、内側に密封された空間を形成する隔壁と、
前記隔壁に対して外側に配置された外側ロータ及び前記外側ロータと一体で回転する磁気カップリング用ロータと、
前記隔壁に対して内側に配置され、前記外側ロータを駆動するステータと、
前記隔壁に対して内側に配置された内側ロータと、
前記内側ロータの回転速度を検出する検出器とを有し、
前記磁気カップリング用ロータと前記内側ロータとは、磁気カップリング作用により同期して回転することを特徴とする。

第１の本発明によれば、大気外の雰囲気中で用いられるダイレクトドライブモータにおいて、ハウジングと、前記ハウジングから延在し、大気側と大気外側とを隔絶する隔壁と、前記隔壁に対して大気外側に配置された外側ロータと、前記隔壁に対して大気側に配置されたステータ及び内側ロータと、前記内側ロータの回転速度を検出する検出器とを有し、前記ステータは、前記外側ロータと前記内側ロータとを同時に駆動するので、前記検出器を前記隔壁より大気側に置くことで、その配線被覆の吸蔵不純分子が前記隔壁より大気外側の雰囲気を汚染することが防止され、且つ前記ステータが、前記外側ロータと前記内側ロータとを同時に駆動することにより、前記検出器により前記内側ロータの回転角を検出することで、前記外側ロータの回転角を精度良く求めることができる。

前記外側ロータと、前記内側ロータとは磁極数が同一であると、前記外側ロータと前記内側ロータの回転角が等しくなるので、前記内側ロータの回転角を検出することで、前記外側ロータの回転角を直ちに求めることができる。但し、本発明はこれに限られることはなく、例えば前記外側ロータに磁極数と、前記内側ロータの磁極数を、倍数或いは整数分の一としてもよい。

前記ステータの半径方向内側に、内側ロータが配置されると、前記ステータの駆動を確実に行えるが、軸線方向にずれて配置しても良い。

第２の本発明によれば、大気外の雰囲気中で用いられるダイレクトドライブモータにおいて、ハウジングと、前記ハウジングから延在し、大気側と大気外側とを隔絶する隔壁と、前記隔壁に対して大気外側に配置された外側ロータ及び前記外側ロータと一体で回転する磁気カップリング用ロータと、前記隔壁に対して大気側に配置され、前記外側ロータを駆動するステータと、前記隔壁に対して大気側に配置された内側ロータと、前記内側ロータの回転速度を検出する検出器とを有し、前記磁気カップリング用ロータと前記内側ロータとは、磁気カップリング作用により同期して回転するので、前記検出器を前記隔壁より大気側に置くことで、その配線被覆の吸蔵不純分子が前記隔壁より大気外側の雰囲気を汚染することが防止され、且つ磁気カップリング作用により前記磁気カップリング用ロータと同期して回転する前記内側ロータの回転角を前記検出器により検出することで、前記外側ロータの回転角を精度良く求めることができる。尚、本発明において、「外側ロータ」と「磁気カップリング用ロータ」とを形式上異なる部材としているが、例えば単一のロータに駆動用の磁石と磁気カップリング用の磁石とを設けた場合、駆動用の磁石を設けたロータの部分が「外側ロータ」であり、磁気カップリング用の磁石を設けたロータの部分が「磁気カップリング用ロータ」であるといえるので、それも本発明に含まれる。

更に、大気側ロータと大気外側ロータ間の前記隔壁により、磁気カップリング系における共振周波数のゲインのピーク値を抑える効果により、振動少なく位置決めが可能となる。

本実施の形態にかかるダイレクトドライブモータを用いたフロッグレッグアーム式搬送装置の斜視図である。図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。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。本実施の形態の変形例を示す図である。図１に示す搬送装置に用いることができる第２の実施の形態にかかるダイレクトドライブモータの図２と同様な断面図である。隔壁１１３に渦電流損が発生する状態を示す模式図である。３つの磁石を並び方向に示した図８と同様な模式図である。隔壁がない場合におけるモータの制御系ブロック図である。隔壁がある場合におけるモータの制御系ブロック図である。伝達関数Ｇの周波数特性を示す図である。伝達関数Ｇの周波数特性を示す図である。磁気カップリングのばね剛性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態にかかるダイレクトドライブモータを用いたフロッグレッグアーム式搬送装置の斜視図である。図１において、２つのダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２を直列に連結している。下方のダイレクトドライブモータＤ１のロータには、第１アームＡ１が連結され、第１アームＡ１の先端には第１リンクＬ１が枢動可能に連結されている。一方、上方のダイレクトドライブモータＤ２のロータには、第２アームＡ２が連結され、第２アームＡ２の先端には第２リンクＬ２が枢動可能に連結されている。リンクＬ１，Ｌ２は、ウエハＷを載置するテーブルＴに、それぞれ枢動可能に連結されている。

図１より明らかであるが、ダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２のロータがそれぞれ同方向に回転すれば、テーブルＴも同方向に回転し、かかるロータが逆方向に回転すれば、テーブルＴは、ダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２に接近もしくは離隔するようになっている。従って、ダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２を任意の角度で回転させれば、テーブルＴが届く範囲内で、任意の２次元位置にウエハＷを搬送させることができる。

このように例えば半導体製造装置における真空槽内に配置されるウエハ搬送アーム、例えばスカラ型や図に示すフロッグレッグ型のように複数のアームを備えた装置では、特に複数の回転モータが必要となる。真空環境では外界との接触表面積を極力小さくすると同時に、スぺースを有効に活用するためにモータ等の取付穴はなるべく少なくする必要がある。また、ウエハＷを水平にまっすぐに、振動を極力少なくして搬送するためには、アームの先端に作用するモーメントをロータ支持部で強固に保持する必要がある。そこで、ダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２を複数、ハウジング部分で同軸に連結し、連結部分はシールで密に接合（溶接、Ｏリング、金属ガスケット、等による密な接合）して、モータロータの配設された空間とハウジング外部空間とを離隔することも必要となる。

また、ウエハＷを水平にまっすぐ、振動を少なく搬送するためにはアームＡ１、Ａ２の先端に作用するモーメントを、ロータ支持部で強固に保持する必要がある。更に、又、真空環境での複数軸のアーム駆動の際には、電源投入時に現在のアームの回転位置を認識しないと真空槽の壁や、真空槽のシャッタにアームＡ１，Ａ２等をぶつけてしまう可能性がある。このような要求に応じることができるダイレクトドライブモータについて説明する。

図２は、図１の構成をII-II線で切断して矢印方向に見た図である。図３は、図２の構成をIII-III線で切断して矢印方向に見た図である。図２、３を参照して、ダイレクトドライブモータの内部構造について詳細に説明する。尚、ダイレクトドライブモータＤ１，Ｄ２は基本的な構成が同一であるため、ダイレクトドライブモータＤ１のみ説明し、ダイレクトドライブモータＤ２の構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。

定盤Ｇにフランジ１０ａを据え付けた中空円筒状の本体１０は、その上端に小円板１１をボルトにより連結している。小円板１１の上面には、大円板１２が不図示のボルトにより固定されている。本体１０の中央は、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。本体１０，小円板１１，大円板１２によりハウジングを構成する。大円板１２の上面には、本体１０の開口を覆う蓋部材５０が密封的にボルト止めされている。

本体１０のフランジ１０ａ上に、非磁性体であるステンレス製（ＳＵＳ３０４等）の円筒状の隔壁１３が本体１０に対して同軸に取り付けられている。隔壁１３の上部は薄くなっており、更に上端は半径方向内方に折れ曲がっていて、円板１２により小円板１１に挟持される形で取り付けられている。尚、ダイレクトドライブモータＤ１の各部材間には、図示のようにＯ−リングＯＲが配置され、従って本体１０のフランジ１０ａと、隔壁１３と、小円板１１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、隔壁１３は必ずしも非磁性体である必要はない。又、Ｏ−リング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も良い。

隔壁１３の下部外周に、真空中で用いられる４点接触式玉軸受１４の内輪が嵌合し、隔壁１３にボルトで固定される内輪ホルダ１５により、隔壁１３に対して取り付けられている。一方、軸受１４の外輪は、外側ロータ１６の内周に嵌合し、外側ロータ１６にボルトで固定される外側ホルダ１７により、外側ロータ１６に対して取り付けられている。すなわち、外側ロータ１６は、隔壁１３に対して回転自在に支持されている。軸受１４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おり、また４点接触式玉軸受であるので、アームＡ１からの外側ロータ１６がチルトする方向のモーメントを受けることができるが、４点接触式に限らず、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１６の内周面には、外側ロータ磁石１８が取り付けられている。外側ロータ磁石１８は、２４極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１２個交互に磁性金属からなり、バックヨーク１９に組みつけられている。バックヨーク１９は、磁性ステンレスでも、鉄にニッケルメッキした物でも良い。本実施の形態においては、外側ロータ磁石１８は、ネオジウム鉄ボロンの磁石にニッケルメッキした物を用いている。また、この外側ロータ磁石１８は外側ロータ１６に対して、非磁性金属のクサビをねじで締め付けている。そのため接着剤などの樹脂は配置されておらず、ダイレクトドライブモータＤ１を真空中に配置した場合でも、吸蔵不純分子の放出ガスを極めて少なくできる。尚、外側ロータ磁石１８の上部を覆うようにして磁気シールド板３０が外側ロータ１６に取り付けられている。

隔壁１３の半径方向内側において、外側ロータ１６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、ステータホルダ２０により、本体１０のフランジ１０ａに取り付けられており、図３に示すように、円筒状にＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順序で各相１２個のコイルが並べられ、従って合計３６個のコイルを含んでいる。このコイルは、モールド材で成型して一体化している。このようにステータ２９を隔壁１３の内側に配置しているので、コイル発熱などに対して水冷や空冷などの強制冷却を行うことができる。

ステータ２９の半径方向内側に、内側ロータ２１が配置されている。内側ロータ２１は、本体１０の外周面にボルト固定されたレゾルバホルダ２２に対して、玉軸受２３により回転自在に支持されている。内側ロータ２１の外周面には、バックヨーク２５を介して内側ロータ磁石２４が取り付けられている。内側ロータ磁石２４は、外側ロータ磁石１８と同様に２４極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１２個交互に磁性金属からなり、バックヨーク２５に組みつけられている。従って、内側ロータ２１は、ステータ２９によって外側ロータ１６に同期して回転駆動されるようになっている。

内側ロータ２１の内周には、回転角度を計測する検出器用の検出ロータ２６を組みつけており、それに対向する形で、レゾルバホルダ２２の外周に、レゾルバ２７，２８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２７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２８とを２層に配置している。このため電源投入時にも、検出ロータ２６の回転角度がわかり、原点復帰が不要であり、また、コイルに対する磁石の電気的位相角度がわかるため、ダイレクトドライブモータＤ１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。

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、検出ロータ２６は、一定のピッチを有する複数のスロツト歯列を有し、レゾルバ２７，２８のステータの磁極の外周面には、回転軸と平行に各磁極で検出ロータ２６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２１と一体で検出ロータ２６が回転すると、レゾルバ２７，２８のステータの磁極との間のリラクタンスが変化し、検出ロータ２６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４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検出ロータ２６即ち内側ロータ２１の回転角度（又は回転速度）を検出するようになっている。検出ロータ２６と、レゾルバ２７，２８とで検出器を構成する。

本実施の形態においては、内側ロータ２１は、ステータ２９によって外側ロータ１６に同期して回転駆動されるようになっているので、内側ロータ２１の回転角度を検出できれば、それから直ちに外側ロータ１６の回転角度を求めることができ、それにより外側ロータ１６の駆動制御を高精度に行うことができる。

図５は、ダイレクトドライブモータＤ１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、モータ制御回路ＤＭＣは、そのＣＰＵから３相アンプ（ＡＭＰ）に駆動信号を出力し、３相アンプ（ＡＭＰ）からダイレクトドライブモータＤ１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Ｄ１の外側ロータ１６が回転し、アームＡ１を移動させるようになっている。外側ロータ１６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２７，２８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１６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相アンプ（ＡＭＰ）への駆動信号を停止することで外側ロータ１６の回転を停止させる。これにより外側ロータ１６のサーボ制御が可能となる。

本実施の形態においては、アブソリュートレゾルバ２８を使用しているので、検出ロータ２６の電気角とトルク指令に応じて３相のステータコイルに流す電流を制御できる。ダイレクトドライブモータＤ１の３相コイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に電流を流すとコアレスモータの構造であるので、フレミングの左手の法則に従って、外側ロータ１６、内側ロータ２１に、各々それぞれ、ほぼ同じトルクを発生させられる。本来、内側ロータ２１と外側ロータ１６が同期しなければ、各々回転自在の軸受で支持されているため
Ｔ_O：外側ロータ１６への発生トルク
Ｉ_O：外側ロータ１６側の負荷も含めたイナーシャ
α_O：外側ロータ１６の加速度
Ｔ_I：内側ロータ２１ヘの発生トルク
Ｉ_I：内側ロータ２１のイナーシャ
α_I：内側ロータ２１の加速度
とすると、外側ロータ１６にアームＡ１を取り付けているため、Ｉｏ：外側ロータ１６側の負荷も含めたイナーシャは大きくなっていることから、
Ｔ_O＝Ｉ_O×α_O
Ｔ_I＝Ｉ_I×α_I
のように別々の加速度で回転しようとする。

しかしながら、外側ロータ１６と内側ロータ２１とは同期して回転するので、回転角度の変位により所定のトルクを発生する。そのため、積載負荷のない内側ロータ２１が外側ロータ１６に対して、トルクの発生方向に微小角度位相が進むことにより内側ロータ２１から外側ロータ１６にトルクが伝達され、結果内側ロータ２１と外側ロータ１６との加速度が同一となるようにトルクが伝達されることになり、コイルが発生するトルクはイナーシャに応じたトルクが発生される。

以上述べた本実施の形態では、ダイレクトドライブモータＤ１が、モーメント力を多点接触軸受１４で支持しているので、剛性が高く、アームＡ１を伸ばした状態でもウエハＷを水平にまっすぐ搬送できる。また軸受１４の内輪は隔壁１３の肉厚の部材に組みつけているので、作用する力は隔壁１３に殆ど作用せず、本体１０に直接かかるため、隔壁１３が破れてしまう危険性を極めて小さくすることができる。

又、真空環境での複数軸のアーム駆動の際には、電源投入時に現在のアームＡ１の回転位置を認識しないと真空槽の壁や、真空槽のシャッタにアームＡ１等をぶつけてしまう可能性があるが、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２８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２７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１６即ちアームＡ１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２１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６は、本実施の形態の変形例を示す図である。図６に示す変形例においては、ダイレクトドライブモータＤ１，Ｄ２を２組（合計４個）直列に配置してなるが、個々のダイレクトドライブモータに関しては、図２に示す構成と同様であるので、主要な部品に同じ符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のダイレクトドライブモータは、ステータの半径方向内側に内側ロータを配置しているので、軸線方向寸法を小さく（薄く）できるため、図６に示すように４個直列として搬送装置を構成しても、高さ方向にコンパクトな構成を提供できる。また薄い構成であるので剛性が高まり共振などの恐れを回避でき、多軸化に有利であり各外側ロータの制御定数の差異を小さくできる。更に、同形状のダイレクトドライブモータを積層して用いることで、故障時にはそのダイレクトドライブモータのみを交換すれば良く、メンテナンス性に優れると共に、交換部品の在庫を最小限にできる。

図７は、図１に示す搬送装置に用いることができる第２の実施の形態にかかるダイレクトドライブモータの図２と同様な断面図である。尚、ダイレクトドライブモータＤ１，Ｄ２は基本的な構成が同一であるため、ダイレクトドライブモータＤ１のみ説明し、ダイレクトドライブモータＤ２の構成については同じ符号を付すことで説明を省略する。

図７において、定盤Ｇにフランジ１１０ａを据え付けた中空円筒状の本体１１０は、その上端に小円板１１１をボルトにより連結している。小円板１１１の上面外周側には、大円板１１２が不図示のボルトにより固定されている。本体１１０の中央は、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。本体１１０，小円板１１１，大円板１１２によりハウジングを構成する。

本体１１０のフランジ１１０ａ上に形成された円筒取り付け部１１０ｂに下端を圧入嵌合させて、非磁性体であるステンレス製（ＳＵＳ３１６Ｌ等）の円筒状の隔壁１１３が本体１１０に対して同軸に取り付けられている。隔壁１１３の上部は薄くなっており、更に上端は半径方向内方に折れ曲がっていて、円板１１２により小円板１１１に共締めされる形で取り付けられている。尚、ダイレクトドライブモータＤ１の各部材間には、図示のようにＯ−リングＯＲが配置され、従って本体１１０のフランジ１１０ａと、隔壁１１３と、小円板１１１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、隔壁１１３は必ずしも非磁性体である必要はない。又、Ｏ−リング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。

隔壁１１３の下部外周に、真空中で用いられる４点接触式玉軸受１１４の内輪が嵌合し、隔壁１１３にボルトで固定される内輪ホルダ１１５により、隔壁１１３に対して取り付けられている。一方、軸受１１４の外輪は、外側ロータ１１６の内周に嵌合し、外側ロータ１１６にボルトで固定される外側ホルダ１１７により、外側ロータ１１６に対して取り付けられている。すなわち、外側ロータ１１６は、隔壁１１３に対して回転自在に支持されている。軸受１１４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おり、また４点接触式玉軸受であるので、アームＡ１からの外側ロータ１１６がチルトする方向のモーメントを受けることができるが、４点接触式に限らず、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１１６の内周面中央には、磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８が取り付けられている。磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８は、３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６個交互に配置された磁性金属からなり、バックヨーク１０９に組みつけられている。外側ロータ１１６に嵌合固定される磁気カップリング用ロータであるバックヨーク１０９は、磁性ステンレスでも、鉄にニッケルメッキした物でも良い。本実施の形態においては、磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８は、ネオジウム鉄ボロンの磁石にニッケルメッキした物を用いている。また、この磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８は外側ロータ１１６に対して、非磁性金属のクサビをねじで締め付けている。そのため接着剤などの樹脂は配置されておらず、ダイレクトドライブモータＤ１を真空中に配置した場合でも、吸蔵不純分子の放出ガスを極めて少なくできる。磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８の上部を覆うようにして、磁気シールド板１０３が外側ロータ１１６に取り付けられている。

更に、外側ロータ１１６の内周面上部には、外側ロータ磁石１１８が取り付けられている。外側ロータ磁石１１８は、３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６個交互に配置された磁性金属からなり、バックヨーク１１９に組みつけられている。バックヨーク１１９は、磁性ステンレスでも、鉄にニッケルメッキした物でも良い。本実施の形態においては、外側ロータ磁石１１８は、ネオジウム鉄ボロンの磁石にニッケルメッキした物を用いている。また、この外側ロータ磁石１１８は外側ロータ１１６に対して、非磁性金属のクサビをねじで締め付けている。そのため接着剤などの樹脂は配置されておらず、ダイレクトドライブモータＤ１を真空中に配置した場合でも、吸蔵不純分子の放出ガスを極めて少なくできる。外側ロータ磁石１１８の上部を覆うようにして、磁気シールド板１３０が円板１１２の下面に取り付けられている。

隔壁１１３の半径方向内側において、外側ロータ磁石１１８に対向するようにして、ステータ１２９が配置されている。ステータ１２９は、本体１１０に取り付けられており、図示しないが、円筒状にＵ相が３スロット、Ｖ相が３スロット、Ｗ相が３スロットで合計９スロットの巻線を４組すなわち合計３６スロットが並べられてなる。ステータ１２９の上部を覆うようにして、磁気シールド板１０２が外側ロータ１１６に取り付けられている。

この３２極３６スロットのモータは、８極９スロットというコギング力が少ない公知の技術のモータの４倍のスロット構成であるので、同様に少ないコギング力を実現できる。また、８極９スロットモータの偶数倍の構成であるので、外側ロータ１１６の対角線に同相、同極が配置されている。８極９スロットモータでは、磁石の吸引力のアンバランスが、支持する軸受にラジアル力を発生させ、軸受１１４の剛性等により振動が発生することがあるが、偶数倍の構成であるので、このアンバランス力が対角線上の同相同極で相殺されるため、外側ロータ１１６を支持する軸受１１４には、アンバランス力は作用せずに、振動発生を抑えた特徴がある。

更に、隔壁１１３の半径方向内側において、磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８に対向するようにして、磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１が配置されている。磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１は、本体１１０のフランジ１１０ａの円筒取り付け部１１０ｂに対して、軸受１２３を介して回転自在に支持された内側ロータ１２１に、バックヨーク１２５を介して取り付けられている。磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１は、カップリング用外側ロータ磁石１０８と同様に３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６個交互に配置されている。従って、磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１と磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８とは、隔壁１１３を介在させつつ異極を対向させた状態で互いに引き合う磁力により相対回転が固定され、すなわち両磁石間に非接触で作用する磁気カップリング力に基づいて、内側ロータ１２１は、バックヨーク１１９即ち外側ロータ１１６と同期して回転するようになっている。

内側ロータ１２１の内周には、回転角度を計測する検出器用の検出ロータ１２６を組みつけており、それに対向する形で、本体１１０の外周に、レゾルバ１２７，１２８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１２７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１２８とを２層に配置している。このため電源投入時にも、検出ロータ１２６の回転角度がわかり、原点復帰が不要であり、また、コイルに対する磁石の電気的位相角度がわかるため、ダイレクトドライブモータＤ１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。

本実施の形態で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、検出ロータ１２６は、一定のピッチを有する複数のスロツト歯列を有し、レゾルバ１２７，１２８のステータの磁極の外周面には、回転軸と平行に各磁極で検出ロータ１２６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１２１と一体で検出ロータ１２６が回転すると、レゾルバ１２７，１２８のステータの磁極との間のリラクタンスが変化し、検出ロータ１２６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４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検出ロータ１２６即ち内側ロータ１２１の回転角度（又は回転速度）を検出するようになっている。検出ロータ１２６と、レゾルバ１２７，１２８とで検出器を構成する。

本実施の形態においては、内側ロータ１２１は、磁気カップリングを介して外側ロータ１１６に同期して回転駆動されるようになっているので、内側ロータ１２１の回転角度を検出できれば、それから直ちに外側ロータ１１６の回転角度を求めることができる。又、本実施の形態のダイレクトドライブモータＤ１は、図５に示すような駆動回路によってサーボ制御される。

本実施の形態においては、磁気シールド板１０２，１０３は、ステータ１２９と外側ロータ磁石１１８との間に発生する磁界が、磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１と磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８間の吸引力を乱し磁気カップリング作用に影響を与えないようにするために設けられている。但し、ステータ１２９及び外側ロータ磁石１１８の磁極が３２極で、磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１と磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８の磁極も３２極であるため、各々同磁極数であるから、磁気シールド板１０２，１０３を省略しても、磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１と磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８間の吸引力が特に乱れることはない。従って、磁気シールド板１０２，１０３は、ステータ１２９及び外側ロータ磁石１１８の磁極と、磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１と磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８の磁極とが異なる場合に特に有効である。

ところで、磁気カップリングの作用により、外側ロータ１１６が振動すると、内側ロータ１２１も連られて振動し、それに基づきレゾルバ１２７，１２８が角度位置を検出してダイレクトドライブモータＤ１の駆動制御を行うと、外側ロータ１１６の回転動作が異常となる恐れがある。これを磁気カップリング系の共振という。本実施の形態では、隔壁１１３を用いて、かかる動作異常を回避している。

以下に、隔壁１１３の渦電流損を利用した磁気カップリング系の共振周波数のゲインピーク値を小さくする原理を示す。図８は、隔壁１１３に渦電流損が発生する状態を示す模式図である。図８において、外側ロータ１１６には磁気カップリング用外側ロータ磁石１０８のＮ極が取り付けられ、内側ロータ１２１には磁気カップリング用内側ロータ磁石１０１のＳ極が取り付けられ、それらは隔壁１１３を挟んで対向配置されて磁気カップリングを形成しているものとする。

ここで、図８では不図示のステータに所定の電力を供給すると、外側ロータ１１６が図で矢印方向へと回転するが、隔壁１１３を貫通する磁力に基づく磁気カップリング作用によって、内側ロータ１２１も同方向に連れ回り回転する。この時、隔壁１１３のａ側（磁束密度が増大する側）には、磁束を弱める方向に渦電流Ａが発生する。また、隔壁１１３のｂ側（磁束密度が減少する側）には、磁束を強める方向に、逆回りの渦電流Ｂが発生する。これが、磁束の変化を妨げるように電流が発生する渦電流の原理である。

図９は、３つの磁石を並び方向に示した図８と同様な模式図であり、渦電流を用いて回転に対するブレーキ力が発生する状態を示している。外側ロータ１１６が、図９に矢印で示す方向に相対回転すると、図８に示す原理により隔壁１１３には渦電流が発生し磁束を発生する。渦電流により発生した磁束は、外側ロータ１１６に備え付けられた磁石１０８の進行方向に対し反発力を発生する。この渦電流は、磁束の変化率が高いほど大きくなるので、隔壁１１３の透磁率（磁気抵抗）と磁石１０８の磁束密度、周波数が高いほど大きくなる。隔壁１１３は、その材質と形状から固有の磁気抵抗値と電気抵抗値を持つており、電気抵抗値と渦電流の２乗の積が隔壁１１３の渦電流損となる。よって、周波数に依存する隔壁１１３の渦電流損により、磁気カップリング作用時には、外側ロータ１１６のダンピング抵抗が生じ、例えば外側ロータ１１６が振動している場合、これを減衰させる効果を有する。

図１０は、隔壁がない場合におけるモータの制御系ブロック図であり、図１１は、隔壁がある場合におけるモータの制御系ブロック図である。隔壁１１３が無い時は、図１０に示すように、磁気カップリングのばね剛性Ｋｆのみにより、外側ロータ１１６は反力を受け、隔壁１１３が有る時は、図１１に示すように、磁気カップリングのばね剛性Ｋｆと、隔壁のダンピング抵抗Ｃｆに基づく反力を受けることがわかる。

ここで、図１１に示す制御系において、モータトルクＴｅに対するモータ速度ωｒｍの伝達関数は式（１）のようになり、その共振周波数、減衰率は式（２）、（３）、（４）、（５）のようになる。ただし、Ｊｍはモータイナーシャ、Ｊｒはレゾルバイナーシャ、Ｋｆは磁気カップリングのばね係数、Ｃｆは磁気カップリングのダンピング抵抗、ωａは共振周波数、ωｚは反共振周波数、ζ_a、ζ_z は減衰率である。

この伝達関数Ｇの周波数特性を図１２、図１３に示す。ゲインは共振点ωａにて大きなピーク値を持つが、これは減衰率ζ_a（またはＣｆ：渦電流損によるダンピング抵抗）が小さくなれば、小さくなるほど大きくなる。つまり、周波数に対する渦電流損が小さければ、小さいほど共振のゲインピーク値は大きくなることがわかる。この共振が大きいと、レゾルバの角度検出信号の位相と外側ロータの位相が逆位相になり、それによりダイレクトドライブモータは発振してしまう恐れがある。これを回避するためには、減衰率ζ_aを大きくすればよく、この場合、隔壁の渦電流損からなるダンピング抵抗を大きくすることでピーク値を小さくすることができる。従来では、モータ制御部などでこの共振周波数にノッチフィルタを用いた角度信号を用いることで発振を防いできたが、ノッチフィルタの特性が強すぎると、その共振周波数近傍の角度信号を制御できなくなってしまう恐れがある。これに対し、隔壁の渦電流損を用いることで共振周波数のピーク値を小さくすることで、共振周波数近傍も制御できるようになる。なお、磁気カップリングのばね剛性は、図１４のように表される。

この発明による２軸同軸ダイレクトドライブモータは、隔壁の渦電流損を利用することで、磁気カップリングの共振周波数のゲインのピークを小さくすることができる。ただし、渦電流損は、隔壁の発熱につながるので、発熱を考慮して、隔壁の材質、形状を決めるのが望ましい。また、弱めのノッチフィルタの効果と共にダンピング抵抗を決めることで、発熱が少なく、制御を可能にすることもできる。

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、本実施の形態のダイレクトドライブモータは、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、本実施の形態のダイレクトドライブモータでは、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。

１０本体
１０ａフランジ
１１小円板
１２大円板
１２隔壁
１３隔壁
１４４点接触式玉軸受
１５内輪ホルダ
１６外側ロータ
１７外側ホルダ
１８外側ロータ磁石
１９バックヨーク
２０ステータホルダ
２１内側ロータ
２２レゾルバホルダ
２３玉軸受
２４内側ロータ磁石
２５バックヨーク
２６検出ロータ
２７インクリメンタルレゾルバ
２８アブソリュートレゾルバ
２９ステータ
３０磁気シールド板
１０１磁気カップリング用内側ロータ磁石
１０２磁気シールド板
１０３磁気シールド板
１０８カップリング用外側ロータ磁石
１０９バックヨーク
１１０本体
１１０ａフランジ
１１０ｂ円筒状取り付け部
１１１小円板
１１２大円板
１１３隔壁
１１４４点接触式玉軸受
１１５内側ホルダ
１１６外側ロータ
１１７外側ホルダ
１１８外側ロータ磁石
１１９バックヨーク
１２１内側ロータ
１２３軸受
１２５バックヨーク
１２６検出ロータ
１２７インクリメンタルレゾルバ
１２８アブソリュートレゾルバ
１２９ステータ
１３０磁気シールド板
Ｄ１，Ｄ２ダイレクトドライブモータ

Claims

大気外の雰囲気中で用いられるダイレクトドライブモータにおいて、
ハウジングと、
前記ハウジングから延在し、大気側と大気外側とを隔絶する隔壁と、
前記隔壁に対して大気外側に配置された外側ロータと、
前記隔壁に対して大気側に配置されたステータ及び内側ロータと、
前記内側ロータの回転速度を検出する検出器とを有し、
前記ステータは、前記外側ロータと前記内側ロータとを同時に駆動することを特徴とするダイレクトドライブモータ。
前記外側ロータと、前記内側ロータとは磁極数が同一であることを特徴とする請求項１に記載のダイレクトドライブモータ。
前記ステータの半径方向内側に、内側ロータが配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイレクトドライブモータ。
大気外の雰囲気中で用いられるダイレクトドライブモータにおいて、
ハウジングと、
前記ハウジングから延在し、大気側と大気外側とを隔絶する隔壁と、
前記隔壁に対して大気外側に配置された外側ロータ及び前記外側ロータと一体で回転する磁気カップリング用ロータと、
前記隔壁に対して大気側に配置され、前記外側ロータを駆動するステータと、
前記隔壁に対して大気側に配置された内側ロータと、
前記内側ロータの回転速度を検出する検出器とを有し、
前記磁気カップリング用ロータと前記内側ロータとは、磁気カップリング作用により同期して回転することを特徴とするダイレクトドライブモータ。
前記隔壁により、磁気カップリング系における共振周波数のゲインのピーク値を抑えたことを特徴とする請求項４に記載のダイレクトドライブモータ。