JP2009303331A - ダイレクトドライブモータ及びスカラーロボット - 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、ロボットに必要な剛性を確保でき且つ信頼性の高い，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及びスカラーロボットを提供する。
【解決手段】直列的に連結された３段のブラシレスモータＢＭ１において、ステータ２９と、大気軸受装置３３と、大気側回転子３０と、角度検出器３５，３６と、モータ回転子２１と、真空軸受装置１９のうち少なくとも２つを、モータ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しているので、コンパクトな構成ながら、高い剛性を確保することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面磁石型のブラシレスモータを備えたダイレクトドライブモータ及びスカラーロボットに関し、大気外の雰囲気例えば真空中で用いられる搬送ロボットなどに好適なダイレクトドライブモータ及びスカラーロボットに関する。

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。

これに対し，従来においては，大気側から分離隔絶された真空槽内のフロッグレッグアーム式ロボットを駆動する手段として，ベロ−ズ式駆動方式や磁気結合駆動方式，磁性流体シール駆動方式等のカップリング機構やシール機構を介して，大気中に配置した複数台のモータの出力を多重構造のシャフトにまとめ，その多重構造のシャフトを真空槽内に導入する方法が用いられていた。

ところが、上記のようなベローズ式駆動方式や磁気結合駆動方式などのカップリング機構を用いた場合、バックラッシが大きかったり、回転方向のねじれ剛性が低かったりして、高精度の位置決め精度が得られないという問題点があった、一方、シール機構を介して凹転力を導入する方式の場合、シール材に含まれる揮発成分によるアウトガスが発生してしまい、超高真空槽に適用することが難しかった。そこで、特許文献１に示すように、回転子と固定子の間に大気側との分離隔絶するための隔壁を配することにより、アウトガスの発生を抑えたダイレクトドライブモータが開発された。

一方、大気側から分離隔絶された雰囲気中にモータを設置し、多重シャフト構造よりチャンバ内に駆動力を伝達する方法も、例えば特許文献２に示すように開発されている。
特開２００６−２６０５７号公報 特表２００２−５３４２８２号公報

ここで、特許文献１の技術を流用して、特許文献２の３軸モータを改良することも考えられる。ところが、回転子と固定子の間に大気側との分離隔絶するための隔壁を配した３軸モータの場合、各々の回転子に軸受を配置する際、軸受の固定輪はチャンバ側の軸はモータ基台などの剛性の高い部材に固定できるが、もう一方の軸は剛性の低い薄管状の隔壁に固定せざるを得ず、スカラーアーム式などの搬送ロボットに適用する場合は、機械的な剛性および耐荷重を高めることが困難であった。また、多重シャフトにより動力をチャンバ内に伝える際に、各軸の慣性モーメント及びねじり剛性のバラツキが大きくなってしまい、バランスよく駆動することが難しくなり、長シャフトの使用によって機械バネ要素が含まれ、精密な位置決めが困難になるという問題もある。更に特許文献２に示すような多重シャフト式の場合は、装置全体の体積と重さが大きくなり、メンテナンスが困難であった。

また、大気側と分離隔絶された環境に配置される軸受は、固体潤滑や特殊な潤滑剤を用いることが多く、このような軸受は一般的な軸受に対して寿命が短いため頻繁に交換する必要がある。ところが、カップ型の隔壁に軸受の固定輪を配した場合、何れか一方の軸受を交換する際にはモータをチャンバから外す必要があり、その度にシール部材を分解するので、軸受交換後はシール性能を確認するためのリーク試験などが必要であり、これが装置全体の稼働率を低める原因となっていた。

本発明は，かかる従来技術の間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、ロボットに必要な剛性を確保でき且つ信頼性の高い，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及びスカラーロボットを提供することを目的とする。

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、３つのモータを直列に配置した３軸同軸ダイレクトドライブモータにおいて、
各モータは、表面磁石型の周対向ブラシレスモータであって、
べースと、
前記ベースから延在し、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モータ回転子と、
前記モータ回転子を回転自在に支持する真空軸受装置と、
前記モータ回転子に対向し、前記隔壁に対して大気側に配置されたステータと、
前記隔壁に対して大気側に配置され、前記モータ回転子と共につれ回る大気側回転子と
前記大気側回転子の回転角度を検出する角度検出器と
前記大気側回転子を回転自在に支持する大気軸受装置と、を有しており、
前記大気側回転子は、前記ベースに対して、前記大気軸受装置により支持されており
前記ステータと、前記大気軸受装置と、前記大気側回転子と、前記角度検出器と、前記モータ回転子と、前記真空軸受装置のうち少なくとも２つは、モータ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ことを特徴する。

本発明によれば、直列的に連結された３段のブラシレスモータの少なくとも一つにおいて、前記ステータと、前記大気軸受装置と、前記大気側回転子と、前記角度検出器と、前記モータ回転子と、前記真空軸受装置のうち少なくとも２つを、モータ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しているので、コンパクトな構成ながら、高い剛性を確保することができる。

例えば、ベースに対して、第１の真空軸受装置を介して、第１の回転子を相対回転自在に支持しており、また第１のモータ回転子に対して、第２の真空軸受装置を介して、第２のモータ回転子を相対回転自在に支持しており、また第２のモータ回転子に対して、第３の真空軸受装置を介して、第３のモータ回転子を相対回転自在に支持しているダイレクトドライブモータが考えられる。このような構成とすることで、前記ステータと、前記大気軸受装置と、前記大気側回転子と、前記角度検出器と、前記モータ回転子と、前記真空軸受装置のうち少なくとも２つを、モータ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できる。このような特徴を有する本発明により、以下のような効果がある。
（１）モータ回転子を支持する真空軸受装置の静止輪を、隔壁に取り付ける必要が無く、機械的な剛性を高めることができる
（２）隔壁より外側に真空軸受装置を設けることで、べースと隔壁とをの間のシール部材等を分解しないで真空軸受装置のメンテナンス等を行える。
（３）ダイレクト駆動のため、従来技術のような多重シャフト構造は不要になり、軸線方向長を短くし、高剛性を確保しつつ、各軸の慣性とねじり剛性を等しく設定でき、またシャフトによるバネ要素がないので、バランスよく、精密な駆動性能が実現できる。
（４）多重シャフト構造と磁気カップリングによる動力伝達構造の代わりに、ダイレクト駆動と磁気カップリングによる位置信号伝達の構造を使用することによって、ダイレクト検出を実現でき、ロボット位置決め精度が向上できる。

前記３軸同軸ダイレクトドライブモータの半径方向において、各モータの外周側から順に、前記真空軸受装置と、前記モータ回転子と、前記隔壁と、前記ステータと、前記角度検出器と、前記大気側回転子と、前記大気側軸受装置の並びで配置されていると好ましい。

前記３軸同軸ダイレクトドライブモータの半径方向において、第１のモータの前記モータ回転子を回転自在に支持する前記真空軸受装置の静止輪は、前記隔壁以外の静止部材に固定され、
前記第１のモータに隣接する第２のモータの前記モータ回転子を回転自在に支持する前記真空軸受装置の静止輪は、前記第１のモータの前記モータ回転子に固定されており、
前記第２のモータに隣接する第３のモータの前記モータ回転子を回転自在に支持する前記真空軸受装置の静止輪は、前記第２のモータの前記モータ回転子に固定されていると好ましい。

前記大気側回転子は、前記真空軸受装置とは別の軸受によって回転自在に支持され、かつ前記モータ回転子に取り付けられた磁極または突極に対して半径方向に対向する磁極また突極を有しており、両磁極の磁気吸引力により前記モータ回転子と前記大気側回転子が連れ回ることによって、前記隔壁越しにモータ回転子の角度を検出すると好ましい。

前記角度検出器は、絶対角度を検出するアブソリュート検出器と、高分解能で相対角度を検出するインクリメンタル検出器と、を有すると好ましい。

本発明のスカラーロボットは、上述したダイレクトドライブモータを用いており、前記第１のモータのモータ回転子に、第１回転環を回転可能に支持した第１アームアセンブリを取り付け、前記第３のモータのモータ回転子に、第２回転環を回転可能に支持した第２アームアセンブリを固定し、前記第２のモータのモータ回転子から、前記第１回転環及び前記第２回転環に対してそれぞれトルク伝達が可能となっていることを特徴する。

前記第２のモータのモータ回転子は、モータの軸線方向において分けられた一方側レース面と他方側レース面を有し、前記一方側レース面は前記第１回転環に対してベルト掛けされ、前記他方側レース面は前記第２回転環に対してベルト掛けされていると好ましい。

前記第１アームアセンブリは、前記第１回転環を回転自在に支持し且つ前記第１のモータのモータ回転子に連結された第１フレームと、前記第１フレームに固定された第１固定環と、前記第１回転環に対して一端側を連結された第１アーム部と、前記第１アーム部の他端側に回転自在に支持され且つ前記第１固定環に対してベルト掛けされた第１末端環とを有すると好ましい。

前記第２アームアセンブリは、前記第２回転環を回転自在に支持し且つ前記第２のモータのモータ回転子に連結された第２フレームと、前記第２フレームに固定された第２固定環と、前記第２回転環に対して一端側を連結された第２アーム部と、前記第２アーム部の他端側に回転自在に支持され且つ前記第２固定環に対してベルト掛けされた第２末端環とを有すると好ましい。

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表面磁石型の周対向ブラシレスモータを含むダイレクトドライブモータの断面図である。

本実施の形態においては、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タイプのダイレクトドライブモータを用いる。２０極１８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、本発明の如く、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は好適である。また、総磁束量を下げることなくステータ連結部の肉厚と突極幅、およびモータ回転子のヨーク肉厚を狭くできるので、本発明の如く、薄型かつ大径幅狭のダイレクトドライブモータには好適である。

図１を参照して、３つのブラシレスモータＢＭ１〜ＢＭ３を直接に連結した３軸の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。円盤部１０ａと、円盤部１０ａの外縁に連結された円筒部１０ｂとからなるベース１０は、円盤部１０ａの周囲を、定盤（不図示）に据え付けるようにして取り付けられている。円盤部１０ａの下面には、複数の周溝１０ｃが形成されており、これを遮蔽するようにしてドーナツ板状の遮蔽板１０ｄがボルトＢにより取り付けられている。複数の周溝１０ｃと遮蔽板１０ｄとで囲われる空間は、２本のＯ−リングＯＲで密封されており、かかる空間内には、遮蔽板１０ｄに連結されたコネクタＣＮ１から冷却液が注入され、動作時に発生した熱で加熱されたベース１０の冷却が行われる。尚、熱交換が行われた冷却液は、コネクタＣＮ２より外部に取り出される。

ベース１０の円盤部１０ａの上面に対して、円筒状の第１本体１２Ａがインロー嵌めにより同軸に取り付けられ、上方から挿通された長ボルトＬＢで固定されている。また第１本体１２Ａの上面には、円筒状の第２本体１２Ｂがインロー嵌めにより同軸に取り付けられ、上方から挿通された長ボルトＬＢで固定されている。更に第２本体１２Ｂの上面には、円筒状の第３本体１２Ｃがインロー嵌めにより同軸に取り付けられ、上方から挿通された長ボルトＬＢで固定されている。第３本体１２Ｃの上面には、円板１２Ｄがインロー嵌めにより同軸に取り付けられ、ボルトＢで固定されている。

薄肉円筒状の隔壁１３が、ベース１０の円盤部１０ａに下端を取り付け、円板１２Ｄに上端を取り付けている。尚、本体１２Ａ〜１２Ｃの中央に貫通孔を設け、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。ベース１０，本体１２Ａ〜１２Ｃ，円板１２Ｄによりハウジングを構成する。

隔壁１３は、非磁性体であるステンレス製であり、ベース１０の円盤部１０ａに面当てするように放射状外側に広がった底部１３ａと、その内周縁から軸線方向にブラシレスモータＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３を貫くようにして延在する薄肉の円筒部１３ｂと、円筒部１３ｂの上縁から半径方向内方に延在するフランジ状の取付部１３ｃとからなる。取付部１３ｃの内方縁は、軸線方向内側に折り曲げられて短い距離だけ延在している。

尚、隔壁１３の口元には口元つば部を嵌合することが出来、かかる場合、円筒部１３ｂと略同一厚さの薄肉部と、円筒部１３ｂとを軸方向のＴＩＧ溶接にて封止固定することができる。このように、溶接部を略同一厚さとすることにより、片側への部品にのみ熱が逃げることを避け、嵌合部を均一に溶接できる。口元つば部にはシール部材を填め込む溝加工を施すと好ましく、シール部材を溝に填め込んだ後にフランジにねじにて締結することにより、締結部分を大気側から分離隔絶できる。

明らかであるが、隔壁１３は、ブラシレスモータＢＭ１、ＢＭ２、ＢＭ３に共通に用いられる。隔壁１３の底部１３ａは、ベース１０の円盤部１０ａと、円筒部１０ｂの内周に嵌合する環状の抑え板ＰＴ１により挟持され、ボルトＢを用いて円盤部１０ａに固定されている。底部１３ａと円盤部１０ａとの間は、Ｏ−リングＯＲで密封されている。又、隔壁１３の取付部１３ｃは、円板１２Ｄと、円板状の抑え板ＰＴ２により挟持され、ボルトＢを用いて円板１２Ｄに固定されている。取付部１３ｃと円板１２Ｄとの間は、Ｏ−リングＯＲで密封されている。以上により、隔壁１３の締結部分を大気側から分離隔絶している。隔壁１３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。

更に、ベース１０と定盤とは気密されているので、ベース１０と隔壁１３とで囲われる内部空間は、その外部（真空環境）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良い。

ベース１０の円筒部１０ｂの内周段部には、真空中で用いられる背面組合せアンギュラ玉軸受１９の外輪が嵌合的に取り付けられ、環状の抑え部材ＰＴ３を介して中空のボルトＢにより固定されている。一方、背面組合せアンギュラ玉軸受１９の内輪は、第１外側ロータ部材２１のヨーク２１ｄの外周段部に嵌合しており、上方から第１円筒状部材２３により押圧されている。後述する第１アームアセンブリＡＡ１を支持する第１円筒状部材２３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、ヨーク２１ｄの外径部との嵌合部と、ヨーク２１ｄの端面との締結部を有している。第１円筒状部材２３は、上部内周に、第２のブラシレスモータＢＭ２の真空軸受装置１９’の外輪を嵌合固定するための軸受ホルダ部を有している。このような構造を取ることにより、真空軸受装置１９’の静止輪を隔壁１２に取り付ける必要がなく、機械的な剛性を高められる。尚、第１外側ロータ部材２１と第１円筒状部材２３が、モータ回転子を構成する。

ベース１０は、耐食性が高いオーステナイト系ステンレスを材料としており、チャンバである定盤との嵌合固定およびシール装置を兼ねている。

背面組合せアンギュラ玉軸受１９（真空軸受装置）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。この形式の軸受を用いることにより、ブラシレスモータＢＭ１のロータ支持用の軸受は１個で済むため、本発明の３軸同軸ダイレクトドライブモータを薄型化できる。背面組合せアンギュラ玉軸受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、背面組合せアンギュラ玉軸受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、また後述するアームアッセンブリからの第１外側ロータ部材２１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、これに限らず、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。

第１外側ロータ部材２１は、磁石ホルダ２１ａによって保持された永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃと、磁路を形成するため磁性体から成る円環状のヨーク２１ｄとによって構成されている。

永久磁石２１ｂは極ごとに分割されたセグメント形式であり、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性質を持つ。本実施の形態においては、耐食性を高め、かつ、耐磨耗性の高い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、かつ、後述する磁石ホルダ２１ａで固定する際のすべりや、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、その個々の形状は略分割円環状である。

永久磁石２１ｂのヨーク２１ｄと接する外径側の形状は、後述するヨーク２１ｄの内周と同一半径ないし若干大きい半径を有する円弧状である。又、永久磁石２１ｂのエアギャップ側である内周側の形状は、ヨーク２１ｄに配置された際に、各々の永久磁石２１ｂ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。更に、永久磁石２１ｂの円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては、後述する第１ステータ２９と対向する側が狭く、ヨーク２１ｄと接する側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。尚、永久磁石２１ｂの各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向の長さは第１ステータ２９の長さと同じか、やや長く設定し、トルク不足を防止することが望ましい。

一方、真空カップリング磁石２１ｃは、一つの磁石の面に３極（Ｎ−Ｓ−Ｎ又はＳ−Ｎ−Ｓ）着磁したタイプであって、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性質を持つ。本実施の形態においては、耐食性を高め、かつ、耐磨耗性の高い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、かつ、後述する磁石ホルダ２１ａで固定する際のすべりや、極度の高温または低湿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。その個々の形状は略分割円環状である。

真空カップリング磁石２１ｃのヨーク２１ｄと接する外径側の形状は、後述するヨーク２１ｄの内周と同一半径ないし若干大きい半径を有する円弧状である。又、真空カップリング磁石２１ｃのエアギャップ側である内周側の形状は、ヨーク２１ｄに配置された際に、各々の永久磁石２１ｂ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。更に、真空カップリング磁石２１ｃの円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては、後述する大気カップリング磁石３０と対向する側が狭く、ヨーク２１ｄと接する側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。尚、真空カップリング磁石２１ｃの各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向の長さは後述する大気カップリング磁石３０ａの長さと同じか、やや長く設定し、トルク不足を防止することが望ましい。

図１０に、磁石ホルダ２１ａとロータホルダ３１の斜視図を示す。磁石ホルダ２１ａは、磁束が短絡して第１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２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃがヨーク２１ｄから外れること防ぐ機能を有する。特に、この材料に非磁性ステンレスを使用した場合には、耐食性が高いので不純分子を吸蔵しにくく、真空環境に好適に使用されている。

軸方向における磁石ホルダ２１ａの両端面には、均等に永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃの固定用溝（切欠）２１ｘ、２１ｙを櫛歯状に有し、円筒の外径はヨーク２１ｄの内径と、しまり嵌めの関係になることよって、永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃを円周上で精度良く均等に配置でき、これによりコキングトルクの低減や磁気カップリング剛性向上の効果が得られる。

永久磁石２１ｂを保持する溝２１ｘと真空カップリング磁石２１ｃを保持する溝２１ｙは互いに独立し、必要なモータトルクと磁気カップリングの性能に従って、永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃを独立に設定できる。

本実施の形態の磁石ホルダ２１ａは、永久磁石２１ｂの固定用溝２１ｘが２０個、真空カップリング磁石２１ｃの固定用溝２１ｙが１０個で構成されている。

１つの磁石片は１つの溝２１ｘ、２１ｙと嵌めあい、各溝２１ｘ、２１ｙの側面は軸方向とほぼ平行し、かつ、円周方向において、永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃの側面の傾きに倣って、平行かつ隙間を有する形状である。また、この隙間は永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃがエアギャップ方向に浮いたとしても、第１ステータ２９との吸着力より、ヨーク２１ｄとの吸着力の方が強く、かつ、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である。

ヨーク２１ｄ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。その形状は略円環状である。

図１において、永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃを配置する内径部には、止め輪２１ｅを配置する溝２１ｆを両端に設置し、両端の止め輪溝２１ｆ間距離は、永久磁石２１ｂ長さ＋磁石ホルダ２１ａの間座部長さ＋真空カップリング磁石２１ｃ長さより若干幅広である。

両端の止め輪溝２１ｆ間距離と、永久磁石２１ｂ長さ＋磁石ホルダ２１ａの間座部長さ＋真空カップリング磁石２１ｃ長さとの差は、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である。

ヨーク２１ｄの外径側には、背面組合せアンギュラ玉軸受１９の内輪に嵌合固定する段部を有しており、互いに嵌合する構造となっている。本実施の形態の場合は、真空用グリス潤滑の背面組合せアンギュラ玉軸受１９を用いているので、回転輪である内輪を、加工精度を出しやすくかつ線膨張係数が軸受の軌道輪材質と略同一であるヨークに対して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ベース１０の円筒部１０ｂに対してすきま嵌めとすることで、背面組合せアンギュラ玉軸受１９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構成となっている。

本実施の形態では、トルク発生機能を持つ永久磁石２１ｂと磁気カップリング吸引機能を持つ真空カップリング磁石２１ｃは、磁石ホルダ２１ａにより、分離されているが、永久磁石２１ｂ及び真空カップリング磁石２１ｃを必ず分ける必要がなく、トルク発生と磁気カップリング吸引力の発生源を一つの磁石にまとめ、適切な固定方法より固定することも可能である。

永久磁石２１ｂを磁石ホルダ２１ｄに組入れた後、軸方向における永久磁石２１ｂの上下運動を拘束するために、非磁性ステンレスで作られた２重止め輪２１ｅをヨーク２１ｄの両端にある止め輪用溝２１ｆにいれて、永久磁石２１ｂを固定する。

磁石ホルダ２１ｄを固定するボルト（不図示）は、ヨーク２１ｄ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。

隔壁１３の半径方向内側において、第１外側ロータ部材２１の内周面に対向するようにして、第１ステータ２９が配置されている。第１ステータ２９は、第１本体１２Ａの下端から半径方向に延在したフランジ部１２ａの円筒状外周部に取り付けられており、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。第１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。

第１ステータ２９に隣接且つ平行して、第１内側ロータ３０が配置されている。第１内側ロータ３０は、ロータホルダ３１の外周に固定され、第１本体１２Ａに対して、玉軸受３３を介して回転自在に支持されている。

第１内側ロータ３０は、ロータホルダ３１の外周に等間隔に形成された凹部内に配置される永久磁石３０ａと、永久磁石３０ａの背面に装着され磁路を形成するための磁性体から成る板状のバックヨーク３０ｂとからなる。永久磁石３０ａは、３０極の構成でＳ極−Ｎ極−Ｓ極又はＮ極−Ｓ極−Ｎ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、第１内側ロータ３０は、磁気カップリング作用により、第１ステータ２９によって駆動される第１外側ロータ部材２１に同期して連れ回されるようになっている。バックヨーク３０ｂ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。

永久磁石３０ａのエアギャップ側の外周側の形状は、隔壁１３の内径より若干小さい半径を有する円弧状であり、軸方向において、回転軸と平行である。永久磁石３０ａの回転軸中心側の形状は平面であり、軸方向において、回転軸と平行になる。永久磁石３０ａの円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては真空側と対向する側が狭く、回転軸中心側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。永久磁石３０ａの各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向長さは大気側カップリング磁石とほぼ同じに設定する。

ロータホルダ３１は、図１０に示すごとく花の形状のように、円周方向に沿って外周側に永久磁石３０ａの固定部３１ａがあり、各固定部３１ａは永久磁石３０ａと同極数で配置されている。各固定部には永久磁石３０ａと嵌めあう台形凹部３１ｂが設置されている。各凹部３１ｂの側面は軸方向とほぼ平行し、かつ、円周方向において、ここに組み付けられる永久磁石３０ａの側面の傾きに倣って、平行かつ隙間を有する形状である。また、この隙間は永久磁石３０ａがエアギャップ方向に浮いたとしても、位置決めキーとの吸着力よりヨーク２１ｄとの吸着力の方が強く、かつ、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である。永久磁石３０ａの軸方向運動を拘束するために、２液エポキシ接着剤を使って永久磁石３０ａを第１内側ロータ３０に固定することより、高信頼性のモータを提供することができる。

モータ軸方向において、大気側の永久磁石３０ａと真空側カップリング磁石２１ｃの中心をずらして設置することによって、永久磁石３０ａに軸方向下向きの吸引力を作用させることができ、これにより第１内側ロータ３０を介して、軸受装置３３にアキシアル荷重が伝達され、適切な予圧効果を与えることができる。これによって、高精度な回転ができ、正確な位置検出ができる。

第１内側ロータ３０を回転自在に支持する軸受３３は、ラジアル、アキシアル、モーメント荷重を負荷できる二つの深溝玉軸受からなる。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、永久磁石３０ａはバックヨーク３０ｂに接着固定してある。永久磁石３０ａ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。バックヨーク３０ｂ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。

図１において、第１内側ロータ３０を取り付けたロータホルダ３１の内周は、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を保持してなる回転筒３４ｃに組みつけられている。ロータホルダ３１の内周を保持する回転筒３４ｃは、軸受３３により回転自在に支持されている。レゾルバロータ３４ａ及び３４ｂに対向する形で、第１本体１２Ａ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層に配置している。これによ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。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。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、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、ブラシレスモータＢＭ１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。このため、本実施の形態の如く，スカラーロボット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。

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。軸受３３により支持された第１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即ち第１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、第１外側ロータ部材２１に対して、磁気カップリング作用により第１内側ロータ３０が同速で回転し、すなわち連れ回るので、第１外側ロータ部材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、ハウジングや両フランジに調整用の穴や切り欠きを別途設ける必要がない。

次に、ブラシレスモータＢＭ２について説明するが、ここでは第２本体１２Ｂがハウジングを構成する。上述したブラシレスモータＢＭ１の一部となる第１円筒状部材２３は、ブラシレスモータＢＭ２の上端近くまで上方に延在しており、その内周段部に、真空中で用いられる複列の背面組合せアンギュラ玉軸受１９’の外輪が嵌合的に取り付けられ、環状の抑え部材ＰＴ４を介して中空のボルトＢにより固定されている。一方、背面組合せアンギュラ玉軸受１９’の内輪は、第２外側ロータ部材２１’のヨーク２１ｄ’の外周段部に嵌合しており、上方から第２円筒状部材２３’により押圧されている。第２円筒状部材２３’の下端は二重円筒状になっており、その間に第１円筒状部材２３の上端が入り込む形となっている。又、第２円筒状部材２３’の外周には、後述する第１１ベルトＢＬ１１が巻き付く第１レース面２３ａ’と、第２１ベルトＢＬ２１が巻き付く第１レース面２３ｂ’が軸線方向に離して設けられている。第２円筒状部材２３’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、ヨーク２１ｄ’の外径部との嵌合部と、ヨーク２１ｄ’の端面との締結部を有している。第２外側ロータ部材２１’は、第２円筒状部材２３’と一体的に、隔壁１３に対して回転自在に支持されている。尚、第２外側ロータ部材２１’が、外側ロータを構成する。

背面組合せアンギュラ玉軸受１９’（真空軸受装置）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。この形式の軸受を用いることにより、ブラシレスモータＢＭ２のロータ支持用の軸受は１個で済むため、本発明の３軸同軸ダイレクトドライブモータを薄型化できる。背面組合せアンギュラ玉軸受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、背面組合せアンギュラ玉軸受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、また後述するアームアッセンブリからの第２外側ロータ部材２１’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、これに限らず、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。

第２外側ロータ部材２１’は、磁石ホルダ２１ａ’によって保持された永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’と、磁路を形成するため磁性体から成る円環状のヨーク２１ｄ’とによって構成されている。

永久磁石２１ｂ’は極ごとに分割されたセグメント形式であり、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性質を持つ。本実施の形態においては、耐食性を高め、かつ、耐磨耗性の高い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、かつ、後述する磁石ホルダ２１ａ’で固定する際のすべりや、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、その個々の形状は略分割円環状である。

永久磁石２１ｂ’のヨーク２１ｄ’と接する外径側の形状は、後述するヨーク２１ｄ’の内周と同一半径ないし若干大きい半径を有する円弧状である。又、永久磁石２１ｂ’のエアギャップ側である内周側の形状は、ヨーク２１ｄ’に配置された際に、各々の永久磁石２１ｂ’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。更に、永久磁石２１ｂ’の円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては、後述する第２ステータ２９’と対向する側が狭く、ヨーク２１ｄ’と接する側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。尚、永久磁石２１ｂ’の各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向の長さは第２ステータ２９’の長さと同じか、やや長く設定し、トルク不足を防止することが望ましい。

一方、真空カップリング磁石２１ｃ’は、一つの磁石の面に３極（Ｎ−Ｓ−Ｎ又はＳ−Ｎ−Ｓ）着磁したタイプであって、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性質を持つ。本実施の形態においては、耐食性を高め、かつ、耐磨耗性の高い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、かつ、後述する磁石ホルダ２１ａ’で固定する際のすべりや、極度の高温または低湿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。その個々の形状は略分割円環状である。

真空カップリング磁石２１ｃ’のヨーク２１ｄ’と接する外径側の形状は、後述するヨーク２１ｄ’の内周と同一半径ないし若干大きい半径を有する円弧状である。又、真空カップリング磁石２１ｃ’のエアギャップ側である内周側の形状は、ヨーク２１ｄ’に配置された際に、各々の永久磁石２１ｂ’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。更に、真空カップリング磁石２１ｃ’の円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては、後述する大気カップリング磁石３０’と対向する側が狭く、ヨーク２１ｄ’と接する側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。尚、真空カップリング磁石２１ｃ’の各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向の長さは後述する大気カップリング磁石３０ａ’の長さと同じか、やや長く設定し、トルク不足を防止することが望ましい。

磁石ホルダ２１ａ’は、磁束が短絡して第２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２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’がヨーク２１ｄ’から外れること防ぐ機能を有する。特に、この材料に非磁性ステンレスを使用した場合には、耐食性が高いので不純分子を吸蔵しにくく、真空環境に好適に使用されている。

図１０に示すものと同様に、軸方向における磁石ホルダ２１ａ’の両端面には、均等に永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’の固定用溝（切欠）を櫛歯状に有し、円筒の外径はヨーク２１ｄ’の内径と、しまり嵌めの関係になることよって、永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’を円周上で精度良く均等に配置でき、これによりコキングトルクの低減や磁気カップリング剛性向上の効果が得られる。

永久磁石２１ｂ’を保持する溝と真空カップリング磁石２１ｃ’を保持する溝は互いに独立し、必要なモータトルクと磁気カップリングの性能に従って、永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’を独立に設定できる。

本実施の形態の磁石ホルダ２１ａ’は、永久磁石２１ｂ’の固定用溝が２０個、真空カップリング磁石２１ｃ’の固定用溝１０個で構成されている。

１つの磁石片は１つの溝と嵌めあい、各溝の側面は軸方向とほぼ平行し、かつ、円周方向において、永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’の側面の傾きに倣って、平行かつ隙間を有する形状である。また、この隙間は永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’がエアギャップ方向に浮いたとしても、第２ステータ２９’との吸着力より、ヨーク２１ｄ’との吸着力の方が強く、かつ、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である。

ヨーク２１ｄ’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。その形状は略円環状である。

永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’を配置する内径部には、止め輪２１ｅ’を配置する溝２１ｆ’を両端に設置し、両端の止め輪溝２１ｆ’間距離は、永久磁石２１ｂ’長さ＋磁石ホルダ２１ａ’の間座部長さ＋真空カップリング磁石２１ｃ’長さより若干幅広である。

両端の止め輪溝２１ｆ’間距離と、永久磁石２１ｂ’長さ＋磁石ホルダ２１ａ’の間座部長さ＋真空カップリング磁石２１ｃ’長さとの差は、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である。

ヨーク２１ｄ’の外径側には、背面組合せアンギュラ玉軸受１９’の内輪に嵌合固定する段部を有しており、互いに嵌合する構造となっている。本実施の形態の場合は、真空用グリス潤滑の背面組合せアンギュラ玉軸受１９’を用いているので、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輪材質と略同一であるヨークに対して締まり嵌めあるいは中間嵌めとし、外輪を第１円筒状部材２３に対してすきま嵌めとすることで、背面組合せアンギュラ玉軸受１９’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構成となっている。

本実施の形態では、トルク発生機能を持つ永久磁石２１ｂ’と磁気カップリング吸引機能を持つ真空カップリング磁石２１ｃ’は、磁石ホルダ２１ａ’により、分離されているが、永久磁石２１ｂ’及び真空カップリング磁石２１ｃ’を必ず分ける必要がなく、トルク発生と磁気カップリング吸引力の発生源を一つの磁石にまとめ、適切な固定方法より固定することも可能である。

永久磁石２１ｂ’を磁石ホルダ２１ｄ’に組入れた後、軸方向における永久磁石２１ｂ’の上下運動を拘束するために、非磁性ステンレスで作られた２重止め輪２１ｅ’をヨーク２１ｄ’の両端にある止め輪用溝２１ｆ’にいれて、永久磁石２１ｂ’を固定する。

磁石ホルダ２１ｄ’を固定するボルト（不図示）は、ヨーク２１ｄ’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。

隔壁１３の半径方向内側において、第２外側ロータ部材２１’の内周面に対向するようにして、第２ステータ２９’が配置されている。第２ステータ２９’は、第２本体１２Ｂの下端から半径方向に延在したフランジ部１２ｂの円筒状外周部に取り付けられており、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。第２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。

第２ステータ２９’に隣接且つ平行して、第２内側ロータ３０’が配置されている。第２内側ロータ３０’は、ロータホルダ３１’の外周に固定され、第２本体１２Ｂに対して、玉軸受３３’を介して回転自在に支持されている。

第２内側ロータ３０’は、ロータホルダ３１’の外周に等間隔に形成された凹部内に配置される永久磁石３０ａ’と、永久磁石３０ａ’の背面に装着され磁路を形成するための磁性体から成る板状のバックヨーク３０ｂ’とからなる。永久磁石３０ａ’は、３０極の構成でＳ極−Ｎ極−Ｓ極又はＮ極−Ｓ極−Ｎ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、第２内側ロータ３０’は、磁気カップリング作用により、第２ステータ２９’によって駆動される第２外側ロータ部材２１’に同期して連れ回されるようになっている。バックヨーク３０ｂ’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。

永久磁石３０ａ’のエアギャップ側の外周側の形状は、隔壁１３の内径より若干小さい半径を有する円弧状であり、軸方向において、回転軸と平行である。永久磁石３０ａ’の回転軸中心側の形状は平面であり、軸方向において、回転軸と平行になる。永久磁石３０ａ’の円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては真空側と対向する側が狭く、回転軸中心側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。永久磁石３０ａ’の各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向長さは大気側カップリング磁石とほぼ同じに設定する。

ロータホルダ３１’は、図１０を参照して、花の形状のように、円周方向に沿って外周側に永久磁石３０ａ’の固定部があり、各固定部は永久磁石３０ａ’と同極数で配置されている。各固定部には永久磁石３０ａ’と嵌めあう台形凹部が設置されている。各凹部の側面は軸方向とほぼ平行し、かつ、円周方向において、ここに組み付けられる永久磁石３０ａ’の側面の傾きに倣って、平行かつ隙間を有する形状である。また、この隙間は永久磁石３０ａ’がエアギャップ方向に浮いたとしても、位置決めキーとの吸着力よりヨーク２１ｄ’との吸着力の方が強く、かつ、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である。永久磁石３０ａ’の軸方向運動を拘束するために、２液エポキシ接着剤を使って永久磁石３０ａ’を第２内側ロータ３０’に固定することより、高信頼性のモータを提供することができる。

モータ軸方向において、大気側の永久磁石３０ａ’と真空側カップリング磁石２１ｃ’の中心をずらして設置することによって、永久磁石３０ａ’に軸方向下向きの吸引力を作用させることができ、これにより第２内側ロータ３０’を介して、軸受装置３３’にアキシアル荷重が伝達され、適切な予圧効果を与えることができる。これによって、高精度な回転ができ、正確な位置検出ができる。

第２内側ロータ３０’を回転自在に支持する軸受３３’は、ラジアル、アキシアル、モーメント荷重を負荷できる二つの深溝玉軸受からなる。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、永久磁石３０ａ’はバックヨーク３０ｂ’に接着固定してある。永久磁石３０ａ’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。バックヨーク３０ｂ’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。

図１において、第２内側ロータ３０’を取り付けたロータホルダ３１’の内周は、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’を保持してなる回転筒３４ｃ’に組みつけられている。ロータホルダ３１’の内周を保持する回転筒３４ｃ’は、軸受３３’により回転自在に支持されている。レゾルバロータ３４ａ’及び３４ｂ’に対向する形で、第２本体１２Ｂ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層に配置している。これによ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。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。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、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、ブラシレスモータＢＭ２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。このため、本実施の形態の如く，スカラーロボット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。

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。軸受３３’により支持された第２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’即ち第２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、第２外側ロータ部材２１’に対して、磁気カップリング作用により第２内側ロータ３０’が同速で回転し、すなわち連れ回るので、第２外側ロータ部材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、ハウジングや両フランジに調整用の穴や切り欠きを別途設ける必要がない。

次に、ブラシレスモータＢＭ３について説明するが、ここでは第３本体１２Ｃがハウジングを構成する。上述したブラシレスモータＢＭ２の一部となる第２円筒状部材２３’は、ブラシレスモータＢＭ３の上端まで上方に延在しており、その内周段部に、真空中で用いられる複列の背面組合せアンギュラ玉軸受１９”の外輪が嵌合的に取り付けられ、環状の抑え部材ＰＴ５を介して不図示のボルトにより固定されている。一方、背面組合せアンギュラ玉軸受１９”の内輪は、第３外側ロータ部材２１”のヨーク２１ｄ”の外周段部に嵌合しており、上方から第３円筒状部材２３”により押圧されている。第３外側ロータ部材２１”は、第３円筒状部材２３”と一体的に、隔壁１３に対して回転自在に支持されている。後述する第２アームアセンブリＡＡ２を支持する第３円筒状部材２３”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、ヨーク２１ｄ”の外径部との嵌合部と、ヨーク２１ｄ”の端面との締結部を有している。第３外側ロータ部材２１”は、第３円筒状部材２３”と一体的に、隔壁１３に対して回転自在に支持されている。尚、第３外側ロータ部材２１”と第３円筒状部材２３”が、モータ回転子を構成する。

背面組合せアンギュラ玉軸受１９”（真空軸受装置）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。この形式の軸受を用いることにより、ブラシレスモータＢＭ３のロータ支持用の軸受は１個で済むため、本発明の３軸同軸ダイレクトドライブモータを薄型化できる。背面組合せアンギュラ玉軸受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、背面組合せアンギュラ玉軸受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、また後述するアームアッセンブリからの第３外側ロータ部材２１”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、これに限らず、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。

第３外側ロータ部材２１”は、磁石ホルダ２１ａ”によって保持された永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”と、磁路を形成するため磁性体から成る円環状のヨーク２１ｄ”とによって構成されている。

永久磁石２１ｂ”は極ごとに分割されたセグメント形式であり、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性質を持つ。本実施の形態においては、耐食性を高め、かつ、耐磨耗性の高い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、かつ、後述する磁石ホルダ２１ａ”で固定する際のすべりや、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、その個々の形状は略分割円環状である。

永久磁石２１ｂ”のヨーク２１ｄ”と接する外径側の形状は、後述するヨーク２１ｄ”の内周と同一半径ないし若干大きい半径を有する円弧状である。又、永久磁石２１ｂ”のエアギャップ側である内周側の形状は、ヨーク２１ｄ”に配置された際に、各々の永久磁石２１ｂ”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。更に、永久磁石２１ｂ”の円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては、後述する第３ステータ２９”と対向する側が狭く、ヨーク２１ｄ”と接する側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。尚、永久磁石２１ｂ”の各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向の長さは第３ステータ２９”の長さと同じか、やや長く設定し、トルク不足を防止することが望ましい。

一方、真空カップリング磁石２１ｃ”は、一つの磁石の面に３極（Ｎ−Ｓ−Ｎ又はＳ−Ｎ−Ｓ）着磁したタイプであって、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性質を持つ。本実施の形態においては、耐食性を高め、かつ、耐磨耗性の高い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、かつ、後述する磁石ホルダ２１ａ”で固定する際のすべりや、極度の高温または低湿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。その個々の形状は略分割円環状である。

真空カップリング磁石２１ｃ”のヨーク２１ｄ”と接する外径側の形状は、後述するヨーク２１ｄ”の内周と同一半径ないし若干大きい半径を有する円弧状である。又、真空カップリング磁石２１ｃ”のエアギャップ側である内周側の形状は、ヨーク２１ｄ”に配置された際に、各々の永久磁石２１ｂ”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。更に、真空カップリング磁石２１ｃ”の円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては、後述する大気カップリング磁石３０”と対向する側が狭く、ヨーク２１ｄ”と接する側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。尚、真空カップリング磁石２１ｃ”の各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向の長さは後述する大気カップリング磁石３０ａ”の長さと同じか、やや長く設定し、トルク不足を防止することが望ましい。

磁石ホルダ２１ａ”は、磁束が短絡して第３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２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”がヨーク２１ｄ”から外れること防ぐ機能を有する。特に、この材料に非磁性ステンレスを使用した場合には、耐食性が高いので不純分子を吸蔵しにくく、真空環境に好適に使用されている。

図１０に示すものと同様に、軸方向における磁石ホルダ２１ａ”の両端面には、均等に永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”の固定用溝（切欠）を櫛歯状に有し、円筒の外径はヨーク２１ｄ”の内径と、しまり嵌めの関係になることよって、永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”を円周上で精度良く均等に配置でき、これによりコキングトルクの低減や磁気カップリング剛性向上の効果が得られる。

永久磁石２１ｂ”を保持する溝と真空カップリング磁石２１ｃ”を保持する溝は互いに独立し、必要なモータトルクと磁気カップリングの性能に従って、永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”を独立に設定できる。

本実施の形態の磁石ホルダ２１ａ”は、永久磁石２１ｂ”の固定用溝が２０個、真空カップリング磁石２１ｃ”の固定用溝１０個で構成されている。

１つの磁石片は１つの溝と嵌めあい、各溝の側面は軸方向とほぼ平行し、かつ、円周方向において、永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”の側面の傾きに倣って、平行かつ隙間を有する形状である。また、この隙間は永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”がエアギャップ方向に浮いたとしても、第３ステータ２９”との吸着力より、ヨーク２１ｄ”との吸着力の方が強く、かつ、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である。

ヨーク２１ｄ”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。その形状は略円環状である。

永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”を配置する内径部には、止め輪２１ｅ”を配置する溝２１ｆ”を両端に設置し、両端の止め輪溝２１ｆ”間距離は、永久磁石２１ｂ”長さ＋磁石ホルダ２１ａ”の間座部長さ＋真空カップリング磁石２１ｃ”長さより若干幅広である。

両端の止め輪溝２１ｆ”間距離と、永久磁石２１ｂ”長さ＋磁石ホルダ２１ａ”の間座部長さ＋真空カップリング磁石２１ｃ”長さとの差は、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である。

ヨーク２１ｄ”の外径側には、背面組合せアンギュラ玉軸受１９”の内輪に嵌合固定する段部を有しており、互いに嵌合する構造となっている。本実施の形態の場合は、真空用グリス潤滑の背面組合せアンギュラ玉軸受１９”を用いているので、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輪材質と略同一であるヨークに対して締まり嵌めあるいは中間嵌めとし、外輪を第１円筒状部材２３に対してすきま嵌めとすることで、背面組合せアンギュラ玉軸受１９”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構成となっている。

本実施の形態では、トルク発生機能を持つ永久磁石２１ｂ”と磁気カップリング吸引機能を持つ真空カップリング磁石２１ｃ”は、磁石ホルダ２１ａ”により、分離されているが、永久磁石２１ｂ”及び真空カップリング磁石２１ｃ”を必ず分ける必要がなく、トルク発生と磁気カップリング吸引力の発生源を一つの磁石にまとめ、適切な固定方法より固定することも可能である。

永久磁石２１ｂ”を磁石ホルダ２１ｄ”に組入れた後、軸方向における永久磁石２１ｂ”の上下運動を拘束するために、非磁性ステンレスで作られた２重止め輪２１ｅ”をヨーク２１ｄ”の両端にある止め輪用溝２１ｆ”にいれて、永久磁石２１ｂ”を固定する。

磁石ホルダ２１ｄ”を固定するボルト（不図示）は、ヨーク２１ｄ”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。

隔壁１３の半径方向内側において、第３外側ロータ部材２１”の内周面に対向するようにして、第３ステータ２９”が配置されている。第３ステータ２９”は、第３本体１２Ｃの下端から半径方向に延在したフランジ部１２ｃの円筒状外周部に取り付けられており、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。第３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。

第３ステータ２９”に隣接且つ平行して、第３内側ロータ３０”が配置されている。第３内側ロータ３０”は、ロータホルダ３１”の外周に固定され、第３本体１２Ｃに対して、玉軸受３３”を介して回転自在に支持されている。

第３内側ロータ３０”は、ロータホルダ３１”の外周に等間隔に形成された凹部内に配置される永久磁石３０ａ”と、永久磁石３０ａ”の背面に装着され磁路を形成するための磁性体から成る板状のバックヨーク３０ｂ”とからなる。永久磁石３０ａ”は、３０極の構成でＳ極−Ｎ極−Ｓ極又はＮ極−Ｓ極−Ｎ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、第３内側ロータ３０”は、磁気カップリング作用により、第３ステータ２９”によって駆動される第３外側ロータ部材２１”に同期して連れ回されるようになっている。バックヨーク３０ｂ”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。

永久磁石３０ａ”のエアギャップ側の外周側の形状は、隔壁１３の内径より若干小さい半径を有する円弧状である。軸方向において、回転軸と平行である。永久磁石３０ａ”の回転軸中心側の形状は平面であり、軸方向において、回転軸と平行になる。永久磁石３０ａ”の円周方向端面の形状は直線状であり、円周方向端面においては真空側と対向する側が狭く、回転軸中心側が広い略台形状であり、軸方向端面は直線状であるが、軸線に対して直角である。永久磁石３０ａ”の各辺は面取りが施してあり、微細な割れや欠けを防いでいる。軸方向長さは大気側カップリング磁石とほぼ同じに設定する。

ロータホルダ３１”は、図１０を参照して、花の形状のように、円周方向に沿って外周側に永久磁石３０ａ”の固定部があり、各固定部は永久磁石３０ａ”と同極数で配置されている。各固定部には永久磁石３０ａ”と嵌めあう台形凹部が設置されている。各凹部の側面は軸方向とほぼ平行し、かつ、円周方向において、ここに組み付けられる永久磁石３０ａ”の側面の傾きに倣って、平行かつ隙間を有する形状である。また、この隙間は永久磁石３０ａ”がエアギャップ方向に浮いたとしても、位置決めキーとの吸着力よりヨーク２１ｄ”との吸着力の方が強く、かつ、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である。永久磁石３０ａ”の軸方向運動を拘束するために、２液エポキシ接着剤を使って永久磁石３０ａ”を第３内側ロータ３０”に固定することより、高信頼性のモータを提供することができる。

モータ軸方向において、大気側の永久磁石３０ａ”と真空側カップリング磁石２１ｃ”の中心をずらして設置することによって、永久磁石３０ａ”に軸方向下向きの吸引力を作用させることができ、これにより第３内側ロータ３０”を介して、軸受装置３３”にアキシアル荷重が伝達され、適切な予圧効果を与えることができる。これによって、高精度な回転ができ、正確な位置検出ができる。

第３内側ロータ３０”を回転自在に支持する軸受３３”は、ラジアル、アキシアル、モーメント荷重を負荷できる二つの深溝玉軸受からなる。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、永久磁石３０ａ”はバックヨーク３０ｂ”に接着固定してある。永久磁石３０ａ”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。バックヨーク３０ｂ”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。

図１において、第３内側ロータ３０”を取り付けたロータホルダ３１”の内周は、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”を保持してなる回転筒３４ｃ”に組みつけられている。ロータホルダ３１”の内周を保持する回転筒３４ｃ”は、軸受３３”により回転自在に支持されている。レゾルバロータ３４ａ”及び３４ｂ”に対向する形で、第３本体１２Ｃ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層に配置している。これによ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。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。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、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、ブラシレスモータＢＭ３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。このため、本実施の形態の如く，スカラーロボット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。

角度検出器の回転側と軸受３３”の回転側および検出器カップリングとを連結するアウタボスおよび角度検出器の静止側と軸受装置の静止側とを連結するインナボスは，モータの界磁およびモータコイルからの電磁ノイズが検出器であるレゾルバに伝達しないように，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。軸受３３”により支持された第３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”即ち第３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、第３外側ロータ部材２１”に対して、磁気カップリング作用により第３内側ロータ３０”が同速で回転し、すなわち連れ回るので、第３外側ロータ部材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、ハウジングや両フランジに調整用の穴や切り欠きを別途設ける必要がない。

本実施の形態の３軸同軸ダイレクトドライブモータの半径方向において、ブラシレスモータＢＭ１〜ＢＭ３の外周側から順に、真空軸受装置１９，１９’、１９”と、モータ回転子である外側ロータ部材２１，２１’、２１”と、隔壁１３と、ステータ２９，２９’、２９”と、大気側回転子である内側ロータ部材３０，３０’、３０”に連結された角度検出器と、大気側軸受装置３３，３３’、３３”の並びで配置されており、そのうち少なくとも２つは軸線直交方向に見て重合する位置に配置されている。

本実施の形態の３軸同軸ダイレクトドライブモータにおいて、第１のブラシレスモータＢＭ１の真空軸受装置１９の静止輪は、隔壁１３以外の静止部材（ここではベース１０の円筒部１０ｂ）に固定され、その回転輪は、第１円筒状部材２３に固定されている。また、第２のブラシレスモータＢＭ２の真空軸受装置１９’の外輪は、第１円筒状部材２３に固定され、その内輪は、第２円筒状部材２３’に固定されている。更に、第３のブラシレスモータＢＭ３の真空軸受装置１９”の外輪は、第２円筒状部材２３’に固定され、その内輪は、第３円筒状部材２３”に固定されている。

図３は、ブラシレスモータＢＭ１〜ＢＭ３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、ブラシレスモータＢＭ１用のモータ制御回路ＤＭＣ１、ブラシレスモータＢＭ２用のモータ制御回路ＤＭＣ２、ブラシレスモータＢＭ３用のモータ制御回路ＤＭＣ３は、それぞれ、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）からブラシレスモータＢＭ１〜ＢＭ３に駆動電流が供給される。それによりブラシレスモータＢＭ１〜ＢＭ３の円筒状部材２３，２３’、２３”が独立して回転し、後述するようにしてアームアセンブリを移動させるようになっている。円筒状部材２３，２３’、２３”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３５，３６，３５’、３６’、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、円筒状部材２３，２３’、２３”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円筒状部材２３，２３’、２３”の回転を停止させる。これにより円筒状部材２３，２３’、２３”のサーボ制御が可能となる。

次に、本実施の形態の３軸同軸ダイレクトドライブモータを用いたスカラーロボットについて説明する。図４は、図１の３軸同軸ダイレクトドライブモータを用いたスカラーロボットの上方から見た斜視図であり、図５は下方から見た斜視図であり、図６は、ウェハ支持部を削除した状態で示すスカラーロボットの斜視図であり、図７は、ウェハ支持部を削除した状態で示すスカラーロボットの正面図であり、図８は、ウェハ支持部を削除した状態で示すスカラーロボットの断面図である。

図において、第１のブラシレスモータＢＭ１のモータ回転子に連結された円筒状部材２３の周囲には、第１アームアセンブリＡＡ１が設けられている。第１アームアセンブリＡＡ１において、円筒状部材２３に一端側をボルト止めされた筐体状の第１フレームＦＲ１は、その他端側に第１１ポストＰＳ１１を取り付けている。第１１ポストＰＳ１１の上端には、第１２プーリ（第１固定環）ＰＬ１２が同軸に固定されている。

第１１ポストＰＳ１１の周囲において、第１中空シャフトＨＳ１が玉軸受ＢＲにより回転自在に支持されている。第１中空シャフトＨＳ１の下端には、第１１プーリ（第１回転環）ＰＬ１１が連結されており、第１中空シャフトＨＳ１の上端には、筐体状の第１アーム部ＡＭ１の一端が固定されている。第１アーム部ＡＭ１の一端側は、第１２プーリＰＬ１２を収容しており、その他端には、第１２ポストＰＳ１２の下端側が玉軸受ＢＲにより回転自在に支持されている。第１２ポストＰＳ１２の上端には、第１３プーリ（第１末端環）ＰＬ１３が固定されている。第１３プーリＰＬ１３の上面には、ウェハ等を保持するための第１爪部材ＮＬ１が一体的に回転するように取り付けられている。

第１１プーリＰＬ１１の外径部と、円筒状部材２３’の第１レース面２３ａ’との間には、第１１ベルトＢＬ１１が張設され、両者は外径に応じた所定の関係で回転するようになっている。又、第１２プーリＰＬ１２の外径部と、第１３プーリＰＬ１３の外径部との間には、第１２ベルトＢＬ１２が張設され、両者は外径に応じた所定の関係で回転するようになっている。

一方、第３のブラシレスモータＢＭ２のモータ回転子に連結された円筒状部材２３”の周囲には、第２アームアセンブリＡＡ２が設けられている。第１アームアセンブリＡＡ１と類似の構成を有する第２アームアセンブリＡＡ２において、円筒状部材２３”に一端側をボルト止めされた筐体状の第２フレームＦＲ２は、その他端側に第２１ポストＰＳ２１が取り付けられている。第２１ポストＰＳ２１の上端には、第２２プーリ（第１回転環）ＰＬ２２が同軸に固定されている。

第２１ポストＰＳ２１の周囲において、第２中空シャフトＨＳ２が玉軸受ＢＲにより回転自在に支持されている。第２中空シャフトＨＳ２の下端には、第２１プーリ（第２回転環）ＰＬ２１が連結されており、第２中空シャフトＨＳ２の上端には、筐体状の第２アーム部ＡＭ２の一端が固定されている。第２アーム部ＡＭ２の一端側は、第２２プーリＰＬ２２を収容しており、その他端には、第２２ポストＰＳ２２の下端側が玉軸受ＢＲにより回転自在に支持されている。第２２ポストＰＳ２２の上端には、第２３プーリ（第２末端環）ＰＬ２３が固定されている。第２３プーリＰＬ２３の上面には、ウェハ等を保持するための第２爪部材ＮＬ２が一体的に回転するように取り付けられている。尚、図８に示すように、高さ方向において、第１アーム部ＡＭ１は、第２アーム部ＡＭ３とダイレクトドライブモータＤとの間に進入できる寸法となっている。

第２１プーリＰＬ２１の外径部と、円筒状部材２３’の第２レース面２３ｂ’との間には、第２１ベルトＢＬ２１が張設され、両者は外径に応じた所定の関係で回転するようになっている。又、第２２プーリＰＬ２２の外径部と、第２３プーリＰＬ２３の外径部との間には、第２２ベルトＢＬ２２が張設され、両者は外径に応じた所定の関係で回転するようになっている。

次に、図９を用いて、スカラーロボットの動作について説明する。図９は、簡略化した第１アームアセンブリＡＡ１を、モータの軸線方向に見た図であるが、理解しやすいように第１アーム部は省略しており、プーリ径は実際と異なる。まず、第２のブラシレスモータＢＭ２を静止させ、第１のブラシレスモータＢＭ１を動作させることより、第１フレームが反時計回りに回動したとすると、第１フレームＦＲ１の旋回により、第１ポストＰＳ１が図９に示すようにモータの回転軸線Ｏの回りを移動する。

ところが、第２のブラシレスモータＢＭ２が静止しているので、第２円筒状部材２３’と第１１ベルトＢＬ１１により連結された第１１プーリＰＬ１１は回転が拘束される。よって、第１１ポストＰＳ１１と第１中空シャフトＨＳ１との間に相対回転が生じ、それにより第１フレームＦＲ１に対して第１アーム部ＡＭ１が角度付けされることとなる。

このとき、第１アーム部ＡＭ１に取り付けられた第１２ポストＰＳ１２も変位するが、第１２ポストＰＳ１２は、玉軸受ＢＲにより回転自在に支持されており、且つ第１３プーリＰＬ１３及び第１２ベルトＢＬ１２を介して第１１ポストＰＳ１１との間で回転が拘束されているため、結局、第１３プーリＰＬ１３に取り付けられた第１爪部材ＮＬ１が、元の位置に対して、モータの回転軸線Ｏに対して半径方向に直線的に移動することとなる。即ち、第２のブラシレスモータＢＭ２を静止させ、第１のブラシレスモータＢＭ１を動作させることより、第１爪部材ＮＬ１が半径方向に所望の距離だけ移動する。逆方向も同様である。

一方、第２のブラシレスモータＢＭ２を静止させ、第３のブラシレスモータＢＭ３を動作させることより、同様に、第２爪部材ＮＬ２が半径方向に所望の距離だけ移動する。逆方向も同様である。

更に、ブラシレスモータＢＭ１〜ＢＭ３を、同時に同一方向へ同速度・同角度で作動させることにより、アームアセンブリＡＡ１，ＡＡ２を旋回前の姿勢を保ちながら、任意の角度で旋回させることができる。以上の組み合わせにより、爪部材ＮＬ１、ＮＬ２を独立して任意の２次元座標の位置に変位させることができる。

本実施の形態によれば、モータ回転子を支持する軸受装置の静止輪を隔壁に取り付ける必要が無く、機械的な剛性を高めることができる。また、隔壁１３とベース１０との間に設けたＯ−リングＯＲを分解しないで軸受交換を行える構造とすることができる。更に、ダイレクト駆動のため、多重シャフト構造は不要となり、各軸の慣性とねじり剛性がほぼ同じに設定できるので、バランスよい駆動性能が実現できる。多重シャフトと磁気カップリングによる動力伝達構造の代わりにダイレクト駆動と磁気カップリングによる位置信号伝達の構造を使用することによって、ダイレクト検出が実現でき、ロボット位置決め精度が向上できる。特に、３つのモータで二つのアーム部を独立に駆動でき、搬送効率向上ができる。

以上、本実施例においては、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、永久磁石とヨーク（磁石ホルダ）の端面の接線交点は、本実施の形態の如くヨークとの隙間以上は浮くことができない角度にすべきである。また、永久磁石の飛散防止のために、モータ回転子に非磁性の薄管を被せると良い。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、例えばベ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、超真空中で使朋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、真空軸受装置は、真空用グリス潤滑の背面組合わせアンギュラ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、深溝玉軸受や４点接触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、ホルダやボルトの材質は、製造コストや使用される環境などによって適宣変更されるものである。更に、モータ回転子は、必ずしも一体の円形である必要もなく、同じ機能ができれば、分割構成となってもかまわない。この場合、素材コストを低減できる。

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、永久磁石とバックヨークを用いた形式で説明したが、永久磁石とバック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、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３３，３３”として、グリス潤滑の深溝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。

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、本実施の形態のスカラーロボットは、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。

本実施の形態にかかる表面磁石型の周対向ブラシレスモータを含むダイレクトドライブモータの断面図である。 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。 図１の３軸同軸ダイレクトドライブモータを用いたスカラーロボットの上方から見た斜視図である。 図１の３軸同軸ダイレクトドライブモータを用いたスカラーロボットの下方から見た斜視図である。 ウェハ支持部を削除した状態で示すスカラーロボットの斜視図である。 ウェハ支持部を削除した状態で示すスカラーロボットの正面図である。 ウェハ支持部を削除した状態で示すスカラーロボットの断面図である。 簡略化した第１アームアセンブリＡＡ１を、モータの軸線方向に見た図である。 磁石ホルダ２１ａとロータホルダ３１の斜視図である。

符号の説明

１０ ベース
１０ａ 円盤部
１０ｂ 円筒部
１０ｃ 周溝
１０ｄ 遮蔽板
１２Ａ 第１本体
１２Ｂ 第２本体
１２Ｃ 第３本体
１２Ｄ 円板
１２ａ フランジ部
１２ｂ フランジ部
１２ｃ フランジ部
１３ 隔壁
１３ａ 底部
１３ｂ 円筒部
１３ｃ 取付部
１９、１９’、１９” アンギュラ玉軸受
２１、２１’、２１” 外側ロータ部材
２１ａ、２１ａ、２１ａ” 磁石ホルダ
２１ｂ、２１ｂ’、２１ｂ” 永久磁石
２１ｃ、２１ｃ’、２１ｃ” 真空側カップリング磁石
２１ｄ、２１ｄ’、２１ｄ” ヨーク
２１ｅ、２１ｅ’、２１ｅ” 止め輪
２１ｆ、２１ｆ’、２１ｆ” 止め輪用溝
２３、２３’、２３” 円筒状部材
２３ａ’ 第１レース面
２３ｂ’ 第２レース面
２９、２９’、２９” ステータ
３０、３０’、３０” 内側ロータ
３０ａ、３０ａ’、３０ａ” 永久磁石
３０ｂ、３０ｂ’、３０Ｂ” バックヨーク
３１、３１’，３１” ロータホルダ
３３、３３’、３３” 玉軸受
３４ａ、３４ａ’、３４ａ” インクリメンタルレゾルバロータ
３４ｂ、３４ｂ’、３４ｂ” アブソリュートレゾルバロータ
３４ｃ、３４ｃ’、３４ｃ” 回転筒
３５、３５’，３５” インクリメンタルレゾルバステータ
３６、３６’、３６” アブソリュートレゾルバステータ
ＡＡ１ 第１アームアセンブリ
ＡＡ２ 第２アームアセンブリ
ＡＭ１ 第１アーム部
ＡＭ２ 第２アーム部
Ｂ ボルト
ＢＬ１１ 第１１ベルト
ＢＬ１２ 第１２ベルト
ＢＬ２１ 第２１ベルト
ＢＬ２２ 第２２ベルト
ＢＭ１〜ＢＭ３ ブラシレスモータ
ＢＲ 玉軸受
ＣＮ１ コネクタ
ＣＮ２ コネクタ
Ｄ ダイレクトドライブモータ
ＤＭＣ１ モータ制御回路
ＤＭＣ２ モータ制御回路
ＤＭＣ３ モータ制御回路
ＦＲ１ 第１フレーム
ＦＲ２ 第２フレーム
ＨＳ１ 第１中空シャフト
ＨＳ２ 第２中空シャフト
ＬＢ 長ボルト
ＮＬ１ 第１爪部材
ＮＬ２ 第２爪部材
ＯＲ Ｏ−リング
ＰＬ１１ 第１１プーリ
ＰＬ１２ 第１２プーリ
ＰＬ１３ 第１３プーリ
ＰＬ２１ 第２１プーリ
ＰＬ２２ 第２２プーリ
ＰＬ２３ 第２３プーリ
ＰＳ１１ 第１１ポスト
ＰＳ１２ 第１２ポスト
ＰＳ２１ 第２１ポスト
ＰＳ２２ 第２２ポスト
ＰＴ１ 抑え板
ＰＴ２ 抑え板
ＰＴ３ 抑え部材
ＰＴ４ 抑え部材
ＰＴ５ 抑え部材

Claims (9)

1. 大気外の雰囲気中で用いられ、３つのモータを直列に配置した３軸同軸ダイレクトドライブモータにおいて、
   各モータは、表面磁石型の周対向ブラシレスモータであって、
   べースと、
   前記ベースから延在し、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モータ回転子と、
   前記モータ回転子を回転自在に支持する真空軸受装置と、
   前記モータ回転子に対向し、前記隔壁に対して大気側に配置されたステータと、
   前記隔壁に対して大気側に配置され、前記モータ回転子と共につれ回る大気側回転子と
   前記大気側回転子の回転角度を検出する角度検出器と
   前記大気側回転子を回転自在に支持する大気軸受装置と、を有しており、
   前記大気側回転子は、前記ベースに対して、前記大気軸受装置により支持されており
   前記ステータと、前記大気軸受装置と、前記大気側回転子と、前記角度検出器と、前記モータ回転子と、前記真空軸受装置のうち少なくとも２つは、モータ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ことを特徴するダイレクトドライブモータ。
2. 前記３軸同軸ダイレクトドライブモータの半径方向において、各モータの外周側から順に、前記真空軸受装置と、前記モータ回転子と、前記隔壁と、前記ステータと、前記大気側回転子に連結された角度検出器と、前記大気側軸受装置の並びで配置されていることを特徴する請求項１に記載のダイレクトドライブモータ。
3. 前記３軸同軸ダイレクトドライブモータのうち、第１のモータの前記真空軸受装置の静止輪は、前記隔壁以外の静止部材に固定され、その回転輪は、前記第１のモータの前記モータ回転子に固定されており、
   前記第１のモータに隣接する第２のモータの前記真空軸受装置の一方の輪は、前記第１のモータの前記モータ回転子に固定されており、他方の輪は、前記第２のモータの前記モータ回転子に固定されており、
   前記第２のモータに隣接する第３のモータの前記真空軸受装置の一方の輪は、前記第２のモータの前記モータ回転子に固定されており、他方の輪は、前記第３のモータの前記モータ回転子に固定されていることを特徴する請求項１又は２に記載のダイレクトドライブモータ。
4. 前記大気側回転子は、前記真空軸受装置とは別の軸受によって回転自在に支持され、かつ前記モータ回転子に取り付けられた磁極または突極に対して半径方向に対向する磁極また突極を有しており、両磁極の磁気吸引力により前記モータ回転子と前記大気側回転子が連れ回ることによって、前記隔壁越しにモータ回転子の角度を検出することを特徴する請求項１〜３のいずれかに記載のダイレクトドライブモータ。
5. 前記角度検出器は、絶対角度を検出するアブソリュート検出器と、高分解能で相対角度を検出するインクリメンタル検出器と、を有することを特徴する請求項１〜４のいずれかに記載のダイレクトドライブモータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のダイレクトドライブモータを用いており、前記第１のモータのモータ回転子に、第１回転環を回転可能に支持した第１アームアセンブリを取り付け、前記第３のモータのモータ回転子に、第２回転環を回転可能に支持した第２アームアセンブリを固定し、前記第２のモータのモータ回転子から、前記第１回転環及び前記第２回転環に対してそれぞれトルク伝達が可能となっていることを特徴するスカラーロボット。
7. 前記第２のモータのモータ回転子は、モータの軸線方向において分けられた一方側レース面と他方側レース面を有し、前記一方側レース面は前記第１回転環に対してベルト掛けされ、前記他方側レース面は前記第２回転環に対してベルト掛けされていることを特徴とする請求項６に記載のスカラーロボット。
8. 前記第１アームアセンブリは、前記第１回転環を回転自在に支持し且つ前記第１のモータのモータ回転子に連結された第１フレームと、前記第１フレームに固定された第１固定環と、前記第１回転環に対して一端側を連結された第１アーム部と、前記第１アーム部の他端側に回転自在に支持され且つ前記第１固定環に対してベルト掛けされた第１末端環とを有することを特徴とする請求項６又は７に記載のスカラーロボット。
9. 前記第２アームアセンブリは、前記第２回転環を回転自在に支持し且つ前記第２のモータのモータ回転子に連結された第２フレームと、前記第２フレームに固定された第２固定環と、前記第２回転環に対して一端側を連結された第２アーム部と、前記第２アーム部の他端側に回転自在に支持され且つ前記第２固定環に対してベルト掛けされた第２末端環とを有することを特徴とする請求項８に記載のスカラーロボット。

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