JP2006296059A - 回転支持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ばね部材を用いることなく、転がり軸受のガタを排除できる回転支持装置を提供する。
【解決手段】
磁力線が永久磁石３０ａから永久磁石２１ａへと向かい、それにより磁気的吸引力（付勢力）が発生するので、永久磁石３０ａは軸線方向へと付勢されることとなる。永久磁石３０ａが軸線方向に付勢されると、第１内側ロータ３０を介して、軸受３３の内輪が軸線方向に付勢されることとなり、それにより軸受３３のガタが排除されることとなる。
【選択図】 図３

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用いられると好適な回転支持装置に関する。

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 特開平５−２８８５７０号公報

ところで、特許文献１における真空用アクチュエータは、アームに連結されて回転するリング状ボスを支持する転がり軸受を真空雰囲気中に備えている。ここで、アームから大きなモーメント力を受けながらもアームを精度良く位置決めするためには、転がり軸受のガタなどを予め排除する必要がある。かかる場合、深溝玉軸受またはアンギュラ玉軸受を二つ使用する方策や、４点接触玉軸受またはクロスローラ軸受を一つ使用する方策がある。しかるに、前者の方策では軸受を二つ使用することにより軸長が長くなるため、装置の小型化が難しいという問題点があり、後者の方策では温度変化により内輪と外輪の温度差が生じるため、内部すきまが生じたり、予圧過大となりトルク変動を生じる問題点がある。

このような問題点を解消するために、特許文献２においては、ロータを支持する深溝玉軸受の外輪を、ステータに対してアキシアル方向ヘ付勢して予圧をかけるためのばね部材を設けることにより、一つの深溝玉軸受を用いた場合でも、ガタがなく高精度な回転を可能としている。しかしながら、特許文献２に開示された技術は、ばね部材を設置することにより部品点数が多くなり、軸長が長くなったり、又ばねの劣化によって適正な予圧がかけられなくなる恐れがあるという問題がある。

一方、ばね部材を支持するための軸受を用いずに、回転体を支持する転がり軸受の固定輪をすきまばめとし、その固定輪２０を予圧ばねで付勢して予圧をかけることも可能であるが、固定輪は予圧ばねのみで支持されているので、回転体の軸心ずれや異常振動を生じ、回転精度が悪くなる。

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、ばね部材を用いることなく、転がり軸受のガタを排除できる回転支持装置を提供することを目的とする。

本発明の回転支持装置は、
ハウジングと、
前記ハウジングに対して回転する第１回転体と、
前記第１回転体に取り付けられた第１磁石と、
前記ハウジングに対して前記第１回転体を支持する第１の軸受と、
前記ハウジングに対して回転する第２回転体と、
前記第２回転体に取り付けられた第２磁石と、
前記ハウジングに対して前記第２回転体を支持する第２の軸受と、を有し、
前記第１磁石の軸線方向中心に対して、前記第２磁石の軸線方向中心がズレており、前記第１磁石と前記第２磁石との間に生じる磁気的付勢力を用いて、前記第１の軸受と前記第２の軸受の少なくとも一方に予圧を付与することを特徴とする。

本発明の回転支持装置によれば、前記第１磁石の軸線方向中心に対して、前記第２磁石の軸線方向中心がズレているので、前記第１磁石と前記第２磁石との間に形成される磁界により、前記第１磁石と前記第２磁石とは互いに少なくとも軸線方向に対して磁気的付勢力が与えられるため、かかる磁気的付勢力を用いて、前記第１の軸受と前記第２の軸受の少なくとも一方に予圧を付与することができ、それにより前記第１回転体又は前記第２回転体の高精度な回転を確保することができる。

更に、前記回転支持装置は、前記第１回転体に対向して配置されたステータと、前記第２回転体の回転位置を検出する検出器とを備え、且つ前記ステータが前記第１回転体と前記第２回転体とを同時に駆動するダイレクトドライブモータに用いられると、前記ダイレクトドライブモータの高精度な回転を支援することができる。

更に、前記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、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に対し、前記第１回転体は大気外側に配置され、前記ステータ及び前記第２回転体は大気側に設けられていると、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、前記第１回転体と前記第２回転体とを同時に駆動することにより、前記検出器により前記第２回転体の回転角を検出することで、前記第１回転体の回転角を精度良く求めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。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を同軸に連結したモータシステムについて説明する。

本実施の形態は、表面磁石型の３２極３６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８極９スロットというスロットコンビネーションの４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２を参照して、ダイレクトドライブモータを直接につなげた２軸のモータシステムの内部構造について詳細に説明する。まず、本実施の形態にかかる回転支持装置を用いたダイレクトドライブモータＤ１について説明する。定盤Ｇに据え付けた円板１０の中央開口１０ａに嵌合しボルト１１により相互に固定された中空円筒状の本体１２は、その上端にカップ状の隔壁１３を取り付けている。本体１２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１２，円板１０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、本体１２に嵌合される肉厚の底部１３ａと、その周縁から軸線方向にダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２を貫くようにして延在する薄肉の円筒部１３ｂと、ホルダ１５とからなる。従って、隔壁１３は、ダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２に共通に用いられる。円筒部１３ｂの下端は、ＴＩＧ溶接にて封止可能にホルダ１５に接合され、ホルダ１５は、円板１０にボルト１６により固定されている。ここで、円筒部１３ｂとホルダ１５の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抑制し、嵌合部を均一に溶接できる構造となっている。ホルダ１５と円板１０の接触面には、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ホルダ１５と円板１０をボルト１６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。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を材料としており、ホルダ１５は隔壁１３との溶接性から同じくＳＵＳ３１６を材料としている。

更に、隔壁１３とホルダ１５とは気密的に接合され、且つホルダ１５と円板１０、及び円板１０と定盤Ｇとは、それぞれＯ−リングＯＲによって気密されている。従って、円板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、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。

円板１０の外周上面において、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４点接触式玉軸受１９の外輪が嵌合的に取り付けられ、ボルト２０により固定されている。一方、軸受１９の内輪は、第１外側ロータ２１の外周に嵌合し、ボルト２２により固定されている。すなわち、第１外側ロータ２１は、隔壁１３に対して回転自在に支持されており、またアームＡ１（図１）を支持する円筒状部材２３を、ボルト２４によって固定している。ここで、ボルト２４は、半径方向内方に延在する磁気シールド板２５を、円筒状部材２３に共締めしている。

円板１０および軸受ホルダ１７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、円板１０は、チャンバである定盤Ｇとの嵌合固定およびシール装置を兼ねており、その下面に、Ｏ−リングＯＲを填め込む溝１０ｂが設けられている。

磁気シールド板２５は、磁性体であるＳＰＣＣ鋼板をプレス成型加工後に、防錆および耐食性を高めるためにニッケルめっきを施している。その効果については後述する。

第１の軸受である軸受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、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、また４点接触式玉軸受であるので、アームＡ１からの第１外側ロータ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、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。

第１外側ロータ２１は、永久磁石２１ａと、磁路を形成するため磁性体から成る円環状のヨーク２１ｂと、永久磁石２１ａとヨーク２１ｂを機械的に締結するための非磁性体からなるくさび（不図示）によって構成されている。永久磁石２１ａは、３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６個交互に磁性金属からなり、極ごとに分割されたセグメント形式であり、その個々の形状は扇形である。内径と外径の円弧中心は同一であるが、円周方向端面の接線交点を永久磁石２１ａ寄りとすることで、くさびをヨーク２１ｂ外径側からねじで締め上げることにより永久磁石２１ａをヨーク２１ｂに締結している。このような構成とすることにより、接着剤など、アウトガスを発生する固定部材を用いることなく永久磁石を締結できる。永久磁石２１ａはエネルギー積の高いネオジウム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）系磁石であり、耐食性を高めるためにニッケルコーティングを施してある。ヨーク２１ｂは高い磁性を有する低炭素鋼を材料とし、加工成型後に、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。

また、第１外側ロータ２１は、軸受１９の内輪と円筒状部材２３を嵌合固定する面を有している。４点接触式玉軸受１９は非常に薄肉の軸受であり、組みつけられる部材の精度や線膨張係数の差異により回転精度や摩擦トルクが大きな影響を受ける。よって本実施の形態の場合は、回転輪である軸受１９の内輪を、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２１ｂに締まり嵌めあるいは中間嵌めとし、固定輪である軸受１９の外輪を、オーステナイト系ステンレス製の軸受ホルダやアルミニウム製のボスにすきま嵌めとすることで、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。

隔壁１３の半径方向内側において、第１外側ロータ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、本体１２の中央で半径方向に延在したフランジ部１２ａの円筒状に変形した下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の半径方向内側に、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、本体１２の外周面にボルト固定されたレゾルバホルダ３２に対して、第２の軸受である深溝玉軸受３３により回転自在に支持されている。第１内側ロータ３０の外周面には、バックヨーク３０ｂを介して永久磁石３０ａが取り付けられている。永久磁石３０ａは、第１外側ロータ２１の永久磁石２１ａと同様に３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６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、第１ステータ２９によって駆動される第１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。

図３は、図２の矢印III部を拡大して示す図であるが、一部簡略化して示している。図３において、第１内側ロータ３０を回転自在に支持する軸受３３は、深溝玉軸受である。一般的に深溝玉軸受は安価であるが、高精度な回転を確保するためにはガタを排除する予圧装置が必要であり、それにより装置の大型化やコスト増を招く恐れがある。

そこで、本実施の形態においては、第１回転体である第１外側ロータ２１の永久磁石（第１磁石）２１ａと、第２回転体である第１内側ロータ３０の永久磁石（第２磁石）３０ａとの間に作用する磁力を用いて、軸受３３に予圧を付与している。より具体的には、図３に示すように、第１外側ロータ２１の永久磁石２１ａの軸線方向中心Ａに対して、第１内側ロータ３０の永久磁石３０ａの軸線方向中心Ｂを、軸線方向（図で下側）にずらす配置としている。ここで、永久磁石２１ａがＳ極で、永久磁石３０ａがＮ極であるとすると、図４で模式的に示すように、磁力線が永久磁石３０ａから永久磁石２１ａへと向かい、それにより磁気的吸引力（付勢力）が発生するので、永久磁石３０ａは軸線方向（図で上方）へと付勢されることとなる。永久磁石３０ａが上方に付勢されると、第１内側ロータ３０を介して、軸受３３の外輪が上方に付勢されることとなり、一方、軸受３３の内輪は軸線方向位置が固定されているので、かかる付勢力によって軸受３３のガタが排除されることとなる。即ち、大がかりな予圧装置を用いることなく、磁気カップリングにおいて本来的に発生する磁力を用いることで、軸受３３に予圧を付与することができ、構成のコンパクト化やコスト低減を図ることができる。このような構成とすれば、高価な４点接触式玉軸受を用いることなく１個の深溝玉軸受で済むため、ダイレクトドライブモータＤ１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。

図２において、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。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。

第１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、レゾルバホルダ３２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、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。

レゾルバホルダ３２と第１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、加工成型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。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３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。又、第１外側ロータ２１と回転自在に支持する軸受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１９の駆動輪と略同一であるロータヨーク２１ｂ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。

次に、ダイレクトドライブモータＤ２について説明するが、ここでは本体１２がハウジングを構成する。上述したダイレクトドライブモータＤ１の円筒状部材２３は、ダイレクトドライブモータＤ２に重合する位置まで上方に延在しており、その内周面に、真空中で用いられる４点接触式玉軸受１９’の外輪が嵌合的に取り付けられ、ボルト２０’により固定されている。一方、軸受１９’の内輪は、第２外側ロータ２１’の外周に嵌合し、ボルト２２’により固定されている。ここで、ボルト２２’、半径方向内方に延在する磁気シールド板４１を共締めしている。第２外側ロータ２１’は、隔壁１３に対して回転自在に支持されており、またアームＡ２（図１）を支持するリング状部材２３’を、ボルト２４’によって固定している。更に、ボルト２４’は、半径方向内方に延在する磁気シールド板２５’を、リング状部材２３’に共締めしている。

磁気シールド板４１，２５’は、磁性体であるＳＰＣＣ鋼板をプレス成型加工後に、防錆および耐食性を高めるためにニッケルめっきを施している。磁気シールド板４１，２５’は、第１外側ロータ２１及び第２外側ロータ２１’の間に介在して磁気的シールドを形成し、それらからの磁束漏れによるお互いの連れ回しを防止している。即ち、磁気シールド板２５’は、非磁性体であるリング状部材２３’挟んでヨーク２１ｂ’に締結しており、それにより不要な磁気回路を生成することを防いでいる。この磁気シールド板４１，２５’により、ロータ相互の磁気干渉を防ぐことができるので、２軸同軸モータシステムでありながら全体の軸長を抑えた構成が可能である。磁気シールド板４１は外部からの異物吸引を防止している。

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、ダイレクトドライブモータＤ２の軸受は１個で済むため、本発明の２軸同軸モータを薄型化できる。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、また４点接触式玉軸受であるので、アームＡ１からの第１外側ロータ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、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。

第２外側ロータ２１’は、永久磁石２１ａ’と、磁路を形成するため磁性体から成る円環状のヨーク２１ｂ’と、永久磁石２１ａ’とヨーク２１ｂ’を機械的に締結するための非磁性体からなるくさび（不図示）によって構成されている。永久磁石２１ａ’は、３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６個交互に磁性金属からなり、極ごとに分割されたセグメント形式であり、その個々の形状は扇形である。内径と外径の円弧中心は同一であるが、円周方向端面の接線交点を永久磁石２１ａ’寄りとすることで、くさびをヨーク２１ｂ’外径側からねじで締め上げることにより永久磁石２１ａ’をヨーク２１ｂ’に締結している。このような構成とすることにより、接着剤など、アウトガスを発生する固定部材を用いることなく永久磁石を締結できる。永久磁石２１ａ’はエネルギー積の高いネオジウム（Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ）系磁石であり、耐食性を高めるためにニッケルコーティングを施してある。ヨーク２１ｂ’は高い磁性を有する低炭素鋼を材料とし、加工成型後に、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。

また、第２外側ロータ２１’は、軸受１９’の内輪とリング状部材２３’を嵌合固定する面を有している。深溝玉軸受１９’は非常に薄肉の軸受であり、組みつけられる部材の精度や線膨張係数の差異により回転精度や摩擦トルクが大きな影響を受ける。よって本実施の形態の場合は、軸受１９’の内輪を、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２１ｂに締まり嵌めあるいは中間嵌めとし、軸受１９’の外輪を、オーステナイト系ステンレス製の軸受ホルダやアルミニウム製のボスにすきま嵌めとすることで、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。

隔壁１３の半径方向内側において、第２外側ロータ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、本体１２の中央で半径方向に延在したフランジ部１２ａの円筒状に変形した上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’の半径方向内側に、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、本体１２の外周面にボルト固定されたレゾルバホルダ３２’に対して、深溝玉軸受３３’により回転自在に支持されている。第２内側ロータ３０’の外周面には、バックヨーク３０ｂ’を介して永久磁石３０ａ’が取り付けられている。永久磁石３０ａ’は、第２外側ロータ２１’の永久磁石２１ａ’と同様に３２極の構成でＮ極、Ｓ極の磁石が各１６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、第２ステータ２９’によって第２外側ロータ２１’に同期して回転駆動されるようになっている。

ダイレクトドライブモータＤ２においても、第１外側ロータ２１’の永久磁石２１ａ’の軸線方向中心に対して、第１内側ロータ３０’の永久磁石３０ａ’の軸線方向中心は、軸線方向（図で下側）にずれているので、永久磁石３０ａ’は軸線方向（図２で下方）へと付勢されることとなる。永久磁石３０ａ’が下方に付勢されると、第１内側ロータ３０’を介して、軸受３３’の外輪が下方に付勢されることとなり、一方、軸受３３’の内輪は軸線方向位置が固定されているので、かかる付勢力によって軸受３３’のガタが排除されることとなる。このような構成とすれば、高価な４点接触式玉軸受を用いることなく１個の深溝玉軸受で済むため、ダイレクトドライブモータＤ２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、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。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。

第２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、レゾルバホルダ３２’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、ダイレクトドライブモータＤ２の相対回転角度を、極検出センサを用いることなく可能となっている。

レゾルバホルダ３２’と第２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、加工成型後に防錆のためにクロメートめっきを施している。

本実施の形態によれば、第２外側ロータ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。又、第２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２１ｂ’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。

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。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１外側ロータ２１と第２外側ロータ２１’との間に、磁気シールド板２５，４１を配置しているので、相互の磁気的干渉を抑制し、誤駆動や連れ周りなどの不具合を回避している。又、本体１２においてダイレクトドライブモータＤ１，Ｄ２の間を延在するフランジ部１２ａの外周縁１２ｂは、磁性体である炭素鋼を材料とし、第１ステータ２９と第２ステータ２９’との間に介在し、それらが洩れ磁束の影響を受けることで第１外側ロータ２１又は第２外側ロータ２１’に誤った回転方向の推力を発生させないように、互いの磁界を遮蔽する磁気シールドとして機能する。

尚、フランジ部１２ａを中心として第１ステータ２９と第２ステータ２９’を上下に配置し、その半径方向内側にレゾルバを配置している。また、本体１２は中空構造となっており、フランジ部１２ａには中央に連通する径方向の通し穴１２ｄが少なくとも１つ設けてあり、ここを介してモータ配線を本体１２の中央に引き出す構造となっている。一方、本体１２の両端部にはそれぞれ少なくとも１つの切り欠き１２ｅ、１２ｅが設けてあり、これらを介してレゾルバの配線を本体１２の中央に引き出す構造となっている。このような構造とすることで、ハウジング側から順に、ダイレクトモータＤ１のレゾルバ、ステータ２９、ダイレクトモータＤ２のステータ２９’、そのレゾルバの順で配置することが可能となり、２軸でありながら容易にステータとレゾルバの角度調整が行える。そこで、基準となる外側ロータ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とレゾルバを組み込んだ本体１２をセットすることにより、高精度にステータに対するレゾルバ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、本発明の２軸同軸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。

図５は、ダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２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Ｄ１用のモータ制御回路ＤＭＣ１及びダイレクトドライブモータＤ２用のモータ制御回路ＤＭＣ２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）からダイレクトドライブモータＤ１、Ｄ２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、Ｄ１の外側ロータ２１，２１’が独立して回転し、アームＡ１，Ａ２（図１）を移動させるようになっている。外側ロータ２１，２１’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３５，３６，３５’、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２１，２１’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２１，２１’の回転を停止させる。これにより外側ロータ２１，２１’のサーボ制御が可能となる。

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およびＡ２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ステータ３６および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および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、２１’即ちアームＡ１，Ａ２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６は、本実施の形態の変形例にかかる４軸同軸モータシステムを示す断面図である。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）直接に配置してなるが、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。

本実施の形態においては、直列に連結した本体１２の上面に取り付けられた上部円板部１１０に、隔壁ホルダ１１３ａをＯ−リングＯＲを介して気密的に結合し、その外周面に薄肉円筒１１３ｂの上端をＴＩＧ溶接してなる。薄肉円筒１１３ｂの下端は、上述の実施の形態と同様にホルダ１５にＴＩＧ溶接されている。隔壁ホルダ１１３ａと薄肉円筒１１３ｂとホルダ１５とで隔壁を構成するが、これは４つのダイレクトドライブモータに共通して用いられる。

円板部１１０の上面は、蓋部材１０１により閉止され、その外周に取り付けられた軸受ホルダ１０７は、軸受１９を支持するようになっている。円板部１１０，蓋部材１０１，軸受ホルダ１０７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いる。

上部円板部１１０の、軸受ホルダ１０７の取り付け外周面は、薄肉円筒１１３ｂより半径方向内側に位置しており、従って、軸受ホルダ１０７を上部円板部１１０より取り外せば、４つの外側ロータ２１，２１’は、上部円板部１１０を分解することなく上方に取り外し可能となっている。従って、メンテナンス時などに気密構造を分解する必要はなく、作業を容易にすることができる。

本実施の形態においては、中央の第２外側ロータ２１’、２１’との間に、磁気シールド板２５’，２５’を配置しているので、相互の磁気的干渉を抑制し、誤駆動や連れ周りなどの不具合を回避している。又、本体１２，１２の間には、その外周から薄肉円筒１１３ｂの内側まで半径方向に延在する磁気シールド板１２５が配置されている。磁気シールド板１２５は、磁性体である炭素鋼を材料とし、第２ステータ２９’、２９’の間に介在することによって、洩れ磁束の影響を受けて隣接する第２外側ロータ２１’、２１’に誤った回転方向の推力を発生させないように、互いの磁界を遮蔽する磁気シールドとして機能する。このように、その他の磁気シールド２５，４１、１２ｂの効果と相まって、４軸同軸でありながら全体の軸長を抑えた構成が可能である。

以上の実施の形態では、表面磁石型の３２極３６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、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３２極３６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３２極３６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、永久磁石をヨークに締結する方法は、非磁性のくさびをヨーク外径側からねじで締め上げる例を用いて説明したが、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、環境によっては接着でも良いし、他の締結方法でも良い。

また、軸受１９，１９’は真空用グリス潤滑の４点接触式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、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、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、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、軸受１９，１９’を、深溝玉軸受として、同様に磁力を用いて予圧を付与する構成とすることもできる。

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、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、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。

以上述べたモータシステムは、各軸のロータや、ステータや、レゾルバに用いた磁気カップリングから漏れる磁束によって、互いのロータや回転検出器に用いた磁気カップリングに回転方向の推力を発生させないように、互いの磁界を遮蔽するための磁気シールドを各軸のロータ間に配設したり、各軸のロータ、ステータ、レゾルバから発生する電磁界によって互いのレゾルバに干渉しないように、互いの電磁界を遮蔽するための磁気シールドを配設したり、軸方向に隣接する軸同士のロータの極数やステータのスロット数を変えたりすることによって、各軸相互に発生する磁気的干渉を防止しているので、各軸の軸方向長さと、各軸の軸方向距離を短くすることができる。よって、２軸同軸、４軸同軸といった多軸同軸モータシステムでありながら、全体の軸長を抑えた構成が可能である。特に、４軸同軸といった多軸構成のダイレクトドライブモータを用いたシステムにおいては、チャンバ構造を大きく変えることなく高精度な位置決めが出来るフロッグレッグアーム式ロボットを２台設置できるので、装置全体の性能および稼働率を高めることができる。

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。

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の矢印III部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。 本実施の形態の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ 円板
１１ ボルト
１２ 本体
１２ａ フランジ部
１２ｂ 外周縁
１２ｄ 穴
１２ｅ 欠き
１３ 隔壁
１３ａ 円板部
１３ｂ 円筒部
１５ ホルダ
１６ ボルト
１７、１７’ 軸受ホルダ
１８、１８’ ボルト
１９、１９’ ４点接触玉軸受
２０、２０’ ボルト
２１、２１’ 外側ロータ
２１ａ、２１ａ’ 永久磁石
２１ｂ、２１ｂ’ ヨーク
２２、２２’ ボルト
２３’ リング状部材
２３ 円筒状部材
２４、２４’ ボルト
２５、２５’ 磁気シールド板
２９、２９’ ステータ
３０、３０’ 内側ロータ
３０ａ、３０ａ’ 永久磁石
３０ｂ、３０ｂ’ バックヨーク
３２、３２’ レゾルバホルダ
３３、３３’ 深溝玉軸受
３４ａ、３４ａ’ インクリメンタルレゾルバロータ
３４ｂ、３４ｂ’ アブソリュートレゾルバロータ
３５、３５’ インクリメンタルレゾルバステータ
３６、３６’ アブソリュートレゾルバステータ
４１ 磁気シールド板
１０１ 蓋部材
１０７ 軸受ホルダ
１１０ 上部円板部
１１３ａ 隔壁ホルダ
１１３ｂ 薄肉円筒
１２５ 磁気シールド板
Ａ１，Ａ２ アーム
Ｄ１，Ｄ２ 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
Ｇ 定盤
Ｌ１，Ｌ２ リンク
ＯＲ Ｏ−リング
Ｔ テーブル

Claims (3)

1. ハウジングと、
   前記ハウジングに対して回転する第１回転体と、
   前記第１回転体に取り付けられた第１磁石と、
   前記ハウジングに対して前記第１回転体を支持する第１の軸受と、
   前記ハウジングに対して回転する第２回転体と、
   前記第２回転体に取り付けられた第２磁石と、
   前記ハウジングに対して前記第２回転体を支持する第２の軸受と、を有し、
   前記第１磁石の軸線方向中心に対して、前記第２磁石の軸線方向中心がズレており、前記第１磁石と前記第２磁石との間に生じる磁気的付勢力を用いて、前記第１の軸受と前記第２の軸受の少なくとも一方に予圧を付与することを特徴とする回転支持装置。
2. 前記回転支持装置は、前記第１回転体に対向して配置されたステータと、前記第２回転体の回転位置を検出する検出器とを備え、且つ前記ステータが前記第１回転体と前記第２回転体とを同時に駆動するダイレクトドライブモータに用いられることを特徴とする請求項１に記載の回転支持装置。
3. 前記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、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に対し、前記第１回転体は大気外側に配置され、前記ステータ及び前記第２回転体は大気側に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の回転支持装置。
   

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