JPH0674234A - 反発磁気浮上型回転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 減圧容器やクリーンルーム等の容器内で外部
と完全に分離した非接触状態で回転させ、特に容器内で
の機械的摩擦や摩耗部分の発生のない回転装置を得るこ
と。 【構成】 円盤状ロータを床盤ステータに対面配置させ
前記ロータ側にリング状永久磁石を設けるとともに床盤
側にはリング状永久磁石とほぼ同径のリング状永久磁石
または電磁石を対向させ、これら両磁石間に斥力を発生
させるように磁極を設定してロータを浮上回転可能とす
る。かつロータおよび床盤ステータとの間には回転トル
ク発生手段を設けている。ロータの外周縁部のステータ
側にはロータ回転面に沿ってロータ側浮上磁石とオーバ
ラップ配置される複数の横ずれ制御コイルを設ける。ま
た、ロータ回転面と直交配置され対面するロータ側浮上
磁石に上下方向の電磁力を発生する複数の傾斜制御コイ
ルを設ける。ロータの横ずれおよび傾斜を検出するセン
サとこのセンサ検出に基づき各制御コイルへの制御電流
を発生する制御装置を備えて反発磁気浮上回転を安定保
持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は反発磁気浮上型回転装置
に係り、特に密閉容器内で物体を回転駆動するのに好適
な構造とした反発磁気浮上型回転装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に減圧された容器内、あるいはクリ
ーン度が要求される容器内で物体を回転させる場合があ
る。例えば減圧ＣＶＤ装置等では、容器内に導入された
基板表面に薄膜を生成付着させるに際して、付着膜層が
均一になるように基板を容器内で回転させる。このよう
なクリーン容器内で物体を回転させる場合、従来から、
容器内に回転部分を設け、これを容器外の回転駆動装置
によって回転操作するものとしている。このとき外部の
回転駆動装置と内部の回転部とは容器を貫通するシャフ
トによって連結されるため、シャフトの容器貫通部には
シールを設けて内外の絶縁を図っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のよう
に減圧容器やクリーン容器を貫通するシャフトを設ける
ことは固体接触部分を持つことになり、メンテナンスが
必要となる他、パーティクルの発生を引起こす問題があ
り、高度のクリーン度が要求される容器内部での回転装
置としては不適当であった。

【０００４】本発明は、上記従来の問題点に着目し、容
器内で回転機構を有する装置において、特に容器内での
機械的摩擦や摩耗を排除できるようにした非接触型回転
装置を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る反発磁気浮上型回転装置は円盤状ロー
タを床盤ステータに対面配置させ前記ロータ側にリング
状永久磁石を設けるとともに前記床盤側には前記リング
状永久磁石とほぼ同径のリング状永久磁石または電磁石
を対向させ、これら両磁石間に斥力を発生させるように
磁極を設定して前記ロータを浮上回転可能とし、かつ前
記ロータおよび床盤ステータとの間には回転トルク発生
手段を設けてなり、前記ロータの外周縁部のステータ側
にはロータ回転面に沿ってロータ側浮上磁石とオーバラ
ップ配置される複数の横ずれ制御コイルと、ロータ回転
面と直交配置され対面するロータ側浮上磁石に上下方向
の電磁力を発生する複数の傾斜制御コイルとを設け、前
記ロータの横ずれおよび傾斜を検出するセンサとこのセ
ンサ検出に基づき前記各制御コイルへの制御電流を発生
する制御装置を備えたものである。

【０００６】

【作用】上記構成によれば、ロータ側浮上磁石の作る磁
束と、３種類のステータ側の浮上磁石、横ずれ制御コイ
ル、および傾斜制御コイルで発生させる磁束との磁気的
作用により、ロータの反発浮上力、軸方向・傾斜方向操
作力、半径方向操作力を発生させることができる。セン
サによりロータの位置を検出し、検出値に基づいて制御
演算してコイルにネガティブフィードバックを施すこと
により、ロータの非接触安定浮上を実現することができ
る。そして、ロータおよび床盤ステータとの間には永久
磁石およびこれに対向するコイルからなる回転トルク発
生手段を設けることにより、ロータを非接触回転駆動さ
せることができる。このような作用により、クリーンル
ーム等の容器に回転伝達シャフトを貫通させることなく
ロータを非接触状態で安定浮上させつつ回転させること
ができるのである。

【０００７】

【実施例】以下に本発明に係る反発磁気浮上型回転装置
の具体的実施例を図面を参照して詳細に説明する。

【０００８】図１は実施例に係る反発磁気浮上型回転装
置の断面構成図である。この図に示すように、当該反発
磁気浮上型回転装置は減圧され、あるいはクリーン度が
要求される容器１０を床盤１２に構築しており、容器１
０の内部を密閉空間として構成している。前記床盤１２
の中央部には円形凹部１４が形成されており、この内部
に円形凹部１４よりは小径に形成された円盤ロータ１６
を配設している。円盤ロータ１６は容器１０内で回転さ
せるべき物体１８を載置するものであり、これを非接触
回転駆動させる。

【０００９】円盤ロータ１６を回転するために、当該ロ
ータ１６にはその外周縁に沿ってリング状の永久磁石か
ら形成された浮上用磁石２０が設けられている。この浮
上用リング磁石２０はロータ１６の回転中心軸と平行に
磁化されており、図示のように全周にわたってロータ下
面が同極（実施例ではＳ極）となるように設定されてい
る。一方、ロータ１６を収容している円形凹部１４はス
テータを構成しており、その底面部内には前記浮上磁石
２０と対をなすようにほぼ同径に形成された浮上用電磁
石２２が取り付けられている。この浮上用電磁石２２は
図示しない電源からの通電によってロータ軸芯方向と平
行に磁化させ、前記ロータ側浮上用磁石２０との対面部
が同極（Ｓ極）となるように構成されている。これによ
りロータ側の浮上用磁石２０とステータ側の浮上用電磁
石２２との対面部分が同極対向となり、両者の間に磁気
的な斥力を発生させてロータ１６を反発浮上させるもの
としている。前記ステータ側浮上用電磁石２２は、図４
（１）に示したように、ロータ側磁石２０とほぼ同サイ
ズに形成したリング状鉄芯２４を挟む形で外周面と内周
面にコイル２６を巻き付ける。そして、このコイル２６
に図示のように（×印は紙面手前から奥行方向へ、・印
はその逆方向へ）電流を流すようにし、鉄芯２４のロー
タ側磁石２０と同極対面するように磁化することで反発
斥力を発生させることができる。同様に、同図（２）に
示すように、ステータ側を電磁石２２に替えて永久磁石
２２Ａの構造としてもよく、また電磁石２２と永久磁石
２２Ａを併用した構造としてもよい。

【００１０】このような構成によってロータ１６を磁気
浮上させることができるが、この浮上状態でロータ１６
を回転駆動すべく、ロータ１６とステータ床盤１２との
間には回転トルク発生手段を設けている。これはロータ
１６の回転中心寄りの位置に設けられた小径の永久磁石
２８と、ステータ床盤１２側に対向配置された駆動コイ
ル３０とによりＤＣブラシレス同期モータとして構成さ
せたものである。あるいはステータ側にも永久磁石を配
置して磁気カップリングを構成し、非接触トルク伝達機
構として回転を非接触で与えるようにしてもよい。

【００１１】上記構成によりロータ１６は磁気浮上状態
で回転駆動されるものとなるが、安定した回転を行わせ
るために、本実施例ではロータ１６の回転面と直交配置
され対面するロータ側浮上用磁石２０に上下方向の電磁
力を発生する複数の傾斜制御コイル３２と、ロータ１６
の外周縁部のステータ側には当該ロータ１６の回転面に
沿ってロータ側浮上用磁石２０とオーバラップ配置され
る複数の横ずれ制御コイル３４とを設けている。

【００１２】まず、傾斜制御コイル３２は、図２にも示
しているように、円形凹部１４の側壁にてロータ１６の
外周縁に対面するように円周方向の４ヵ所に等角度位
置、すなわち９０度間隔に設けられており、これはコイ
ル中心軸芯がロータ１６の回転平面の半径方向に一致す
るように配置された空芯コイルとして構成されたもので
ある。また、横ずれ制御コイル３４は、上記傾斜制御コ
イル３２の直下部分に位置して円形凹部１４の床盤部分
に取り付けられており、これはロータ１６の回転中心軸
と平行なコイル中心軸芯をもつように、コイル面をロー
タ回転平面と平行に形成している。そして当該横ずれ制
御コイル３４の一部がロータ側浮上用磁石２０にオーバ
ラップするように配置して、ロータ側浮上用磁石２０の
磁束中に横ずれ制御コイル３４のオーバラップしている
部分が位置するようにしている。

【００１３】上記傾斜制御コイル３２および横ずれ制御
コイル３４の機能を、図５を参照して説明する。ロータ
側浮上用磁石２０の回りには同図（１）に示すように、
Ｎ極からＳ極に回り込む磁束密度の分布が作られる。こ
れらの磁場分布中に傾斜制御コイル３２となる円形コイ
ルをロータ平面と直交するように配置して電流を流すと
（×印は紙面手前から奥行方向へ、・印はその逆方向
へ、以下同じ）、断面上の微小の電流要素Ｉdlにはフレ
ミングの左手の法則に従うdＦ＝（Ｉ×Ｂ）・dlなる力が
作用する。このdＦを円形コイルの全周にわたって積分
するとコイル３２と永久磁石２０間に働く力が計算でき
るが、図５（２）に示した左方のコイルには−Ｚ方向、
右側コイルには＋Ｚ方向の力が働く。今傾斜コイル３２
はステータ側に固定されているので、浮上用磁石２０に
はθy（傾斜方向）の電流の大きさＩに比例した操作力
が働くことになる。左右コイルの電流の向きを同時に同
相で反転すると−θy方向の力が発生することになる。
また、左右コイルの電流を逆相で流すことにより、浮上
用永久磁石２０に＋Ｚ方向、−Ｚ方向（軸方向）の操作
力を発生させることができるのである。

【００１４】一方、横ずれ制御コイル３４も同様に浮上
用磁石２０の磁束中に置かれるオーバラップ部分に水平
方向に沿った力dＦを発生させることができ（図５
（３））、オーバラップしない部分では磁束密度が小さ
いので作用力は無視できる。したがって相対的にロータ
１６に対する横ずれを当該横ずれ制御コイル３４に対す
る電流制御によって調整できるのである。

【００１５】このような制御コイル３２、３４による調
整作用を行わせるために、各コイル３２、３４に対応し
てロータ１６の変位を検出するセンサ３６がステータ側
に配置されている。これは例えば、図２（２）に示した
ように、ロータ１６の表面に対向するセンサコイル３８
をセンサプローブ４０に内蔵した構造として構成され、
センサプローブ４０内のコイル３８に数ＭＨzの交流電
流を流し、磁場を変動させてセンサターゲットとしての
ロータ１６表面に渦電流を生じさせる。ロータ１６とセ
ンサプローブ４０の距離によって渦電流の量が変化する
ため、これをセンサコイル３８のインピーダンスの変化
として捉え、これを検出してロータ１６の変位を検出さ
せるようにすればよい。

【００１６】このようなセンサ３６によるロータ１６の
横ずれ量や傾斜変化を検出するが、これを最適に制御調
整するため、図３に示すように制御装置４２が設けられ
ている。傾斜制御コイル３２への電流制御のためにロー
タ１６の下面部に対向するセンサ３６が円周方向に沿っ
て４ヵ所設けられ、これからの検出信号を第１前処理回
路４４を介してロータ１６の傾斜角θx、θy並びに垂直
軸方向変位ｚを出力させるようにしている。また、ロー
タ１６の外周面に対向して周囲４ヵ所にセンサ３６を配
置し、これから第２前処理回路４６を介してロータ１６
の水平変位ｘ、ｙを出力させるものとしている。両前処
理回路４４、４６からの信号を入力する補償回路４８が
あり、この回路４８によって初期設定されたロータ１６
の浮上回転位置との偏差を求めるようにしている。偏差
はθx、θy、および３軸方向ｘ、ｙ、ｚ毎に演算され、
これを各制御コイル３２、３４毎に第１制御信号後処理
回路５０、第２制御信号後処理回路５２に出力され、制
御電流に変換して電流増幅器５４に出力するものとして
いる。増幅器５４は各コイル３２、３４のチャンネル毎
に増幅信号を供給し、個々の傾斜制御コイル３２および
横ずれ制御コイル３４に位置制御電流を供給し、ロータ
１６の位置調整をなす。

【００１７】このように構成された反発磁気浮上型回転
装置によれば、ステータ側浮上用電磁石２２に一定の電
流を流すことによりロータ側の浮上用磁石２０との間に
斥力が発生し、ロータ１６を浮上させる。そして駆動コ
イル３２とロータ１６に取り付けた永久磁石２８とで構
成する回転トルク発生手段によりロータ１６に回転駆動
力が与えられ、ロータ１６を任意に回転させることがで
きる。ロータ１６に積載される物体１８の荷重に応じて
浮上用電磁石２２への通電供給量を設定すればよい。磁
気浮上状態でロータ１６が回転駆動されるが、この回転
中にロータ１６が傾斜あるいは垂直方向に変位した場
合、あるいは水平方向に横ずれした場合、ステータ側に
設けた複数のセンサ３６がその変位を検出し、これが制
御装置４２に取込まれて補償電流を傾斜制御コイル３２
あるいは横ずれ制御コイル３４に適宜補償電流を流す。
これによってロータ１６を安定した位置に保持させつ
つ、回転させることができるのである。

【００１８】上記実施例によれば、容器１０内で外部と
機械的接触部を持つことなく、ロータ１６を非接触状態
で回転させることができる。特に、実施例装置では反発
磁気浮上型として構成されているため、吸引型磁気軸受
の使用では実現できないロータ底部周辺のスペースのみ
で非接触支持が可能となっている。この結果、ロータ１
６の側面や上部スペースを有効利用することができ、か
つロータ１６とステータ側の分解が簡単にでき、メンテ
ナンスが容易になるなどの大きなメリットを得ることが
できる。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る反発
磁気浮上型回転装置は、円盤状ロータを床盤ステータに
対面配置させ前記ロータ側にリング状永久磁石を設ける
とともに前記床盤側には前記リング状永久磁石とほぼ同
径のリング状永久磁石または電磁石を対向させ、これら
両磁石間に斥力を発生させるように磁極を設定して前記
ロータを浮上回転可能とし、かつ前記ロータおよび床盤
ステータとの間には回転トルク発生手段を設けてなり、
前記ロータの外周縁部のステータ側にはロータ回転面に
沿ってロータ側浮上磁石とオーバラップ配置される複数
の横ずれ制御コイルと、ロータ回転面と直交配置され対
面するロータ側浮上磁石に上下方向の電磁力を発生する
複数の傾斜制御コイルとを設け、前記ロータの横ずれお
よび傾斜を検出するセンサとこのセンサ検出に基づき前
記各制御コイルへの制御電流を発生する制御装置を備え
たので、容器内で回転機構を有する装置において、特に
容器内での機械的摩擦や摩耗を排除できる、減圧容器や
クリーンルーム内に導入される物体を非接触で回転駆動
できるという優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る反発磁気浮上型回転装置の縦断面
構成図である。

【図２】同装置の平面構成図およびセンサの斜視図であ
る。

【図３】制御装置の構成ブロック図である。

【図４】ロータ側浮上用磁石とステータ側浮上用電磁石
の機能説明図である。

【図５】傾斜制御コイルおよび横ずれ制御コイルの機能
説明図である。

【符号の説明】

１０ 容器 １２ 床盤（ステータ） １４ 円形凹部 １６ 円盤ロータ １８ 積載物体 ２０ 浮上用永久磁石 ２２ 浮上用電磁石 ２４ リング鉄芯 ２６ コイル ２８ 永久磁石（モータ用） ３０ 駆動コイル（モータ用） ３２ 傾斜制御コイル ３４ 横ずれ制御コイル ３６ センサ ３８ センサコイル ４０ センサプローブ ４２ 制御装置 ４４ 第１前処理回路 ４６ 第２前処理回路 ４８ 補償回路 ５０ 第１制御信号後処理回路 ５２ 第２制御信号後処理回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円盤状ロータを床盤ステータに対面配置
   させ前記ロータ側にリング状永久磁石を設けるとともに
   前記床盤側には前記リング状永久磁石とほぼ同径のリン
   グ状永久磁石または電磁石を対向させ、これら両磁石間
   に斥力を発生させるように磁極を設定して前記ロータを
   浮上回転可能とし、かつ前記ロータおよび床盤ステータ
   との間には回転トルク発生手段を設けてなり、前記ロー
   タの外周縁部のステータ側にはロータ回転面に沿ってロ
   ータ側浮上磁石とオーバラップ配置される複数の横ずれ
   制御コイルと、ロータ回転面と直交配置され対面するロ
   ータ側浮上磁石に上下方向の電磁力を発生する複数の傾
   斜制御コイルとを設け、前記ロータの横ずれおよび傾斜
   を検出するセンサとこのセンサ検出に基づき前記各制御
   コイルへの制御電流を発生する制御装置を備えたことを
   特徴とする反発磁気浮上型回転装置。