(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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た大気側回転子と
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、
前記モータ回転子は、前記隔壁を介して前記ステータに対向する駆動用磁石と、複数の真空カップリング磁石と、真空ヨークと、前記駆動用磁石と前記真空カップリング磁石と前記真空ヨークを保持する磁石ホルダとを含み、
前記大気側回転子は、前記隔壁を介して前記真空カップリング磁石に対向して配置される複数の大気カップリング磁石と、大気ヨークと、前記大気カップリング磁石及び前記大気ヨークを保持するロータホルダとを含み、
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石との間に発生する磁気力により、前記大気側回転子は前記モータ回転子に連れ回るようになっており、
前記ロータホルダは円形部を有し、等間隔で前記円形部より半径方向外方に突出した保持部に形成された切欠内に、前記大気カップリング磁石及び前記大気ヨークを収容していることを特徴するダイレクトドライブモータ。
【請求項２】
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石とは、単一の磁石の面に多極着磁がなされており、且つ前記モータ回転子と前記大気側回転子とが正対した位置で互いに対向する面が異なる極性を対向させてい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。
【請求項３】
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石とは、３極又は２極の着磁がなされていることを特徴とする請求項２に記載のダイレクトドライブモータ。
【請求項４】
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石との間に形成される磁路は、対向する磁石同士の間で閉じていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダイレクトドライブモータ。
【請求項５】
前記切欠は、前記円形部の半径方向外方に向かうに連れて間隔が狭まるテーパ面と、前記テーパ面より回転軸側に配置された奥溝とを有し、前記大気カップリング磁石は台形板状であって、その短辺側及び長辺側の面に着磁されており、
前記切欠の奥溝に前記大気ヨークを嵌合させ、前記大気ヨークに前記大気カップリング磁石を密着させるようにして前記切欠内に配置したときに、前記大気カップリング磁石の台形斜辺側の面が前記テーパ面に平行且つ隙間を空けた状態にな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。
【請求項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有することを特徴とする搬送ロボット。
【請求項７】
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有することを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【特許文献１】特開２００６−１０９６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１のダイレクトドライブモータにおいては、回転子に取り付けた駆動用の磁石を、カップリング用の磁石と兼用していたので、磁石自体が大型化すると共に、磁路を形成しない磁石部分も存在するため無駄があり、コストが高くなるという問題があった。
【０００８】
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低コストであ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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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た大気側回転子と
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、
前記モータ回転子は、前記隔壁を介して前記ステータに対向する駆動用磁石と、複数の真空カップリング磁石と、真空ヨークと、前記駆動用磁石と前記真空カップリング磁石と前記真空ヨークを保持する磁石ホルダとを含み、
前記大気側回転子は、前記隔壁を介して前記真空カップリング磁石に対向して配置される複数の大気カップリング磁石と、大気ヨークと、前記大気カップリング磁石及び前記大気ヨークを保持するロータホルダとを含み、
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石との間に発生する磁気力により、前記大気側回転子は前記モータ回転子に連れ回るようになっており、
前記ロータホルダは円形部を有し、等間隔で前記円形部より半径方向外方に突出した保持部に形成された切欠内に、前記大気カップリング磁石及び前記大気ヨークを収容していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、前記隔壁を介して前記ステータに対向する駆動用磁石と、複数の真空カップリング磁石とを別体として、前記磁石ホルダに取り付けることで、必要最小限の駆動用磁石と真空カップリング磁石のみとすることができ、それにより軽量化と低コスト化を図ることができる。又、前記駆動用磁石の数に対して、真空カップリング磁石の数を自由に変更できるので、設計の自由度が向上する。
【００１１】
例えば、駆動用磁石と真空カップリング磁石を軸線方向に分けて、前記磁石ホルダに取り付けることより、無駄な磁石体積を滅らしコスト低減することができる。また、真空カップリング磁石の磁極対数を駆動用磁石の磁極対数と異ならせることができ、駆動用磁石の磁極対数に関わりなく、より少ない磁極対数で磁気カップリングを実現できるため、さらにコストの低減が可能になる。っまり、駆動用磁石と真空カップリング磁石の機能を独立させることによって、磁石の使用量が必要最小限に納められ、従来の構造よりコスト低減ができるのである。
【００１２】
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石とは、単一の磁石の面に多極着磁がなされており、且つ前記モータ回転子と前記大気側回転子とが正対した位置で互いに対向する面が異なる極性を対向させていると好ましい。
【００１３】
カップリング磁石の磁極対数を減少させた場合、それに応じて吸引力の低下が生じる恐れがあるが、前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石の１磁対の面に多極着磁を行うことで、対向する一対の磁石間で一つ以上の磁気回路が形成されるため、より少ない磁石数で大きな吸引力が得ら、磁気カップリング剛性が向上する。
【００１４】
例えば、モータ円周方向において、大気カップリング磁石の内側と真空カップリング磁石の外側に、直接に高磁性材料を付着することより、１個の大気カップリング磁石と１個の真空カップリング磁石からなる１磁対自身で磁気回路を閉じることによって、前記ロータホルダはアルミ等の非磁性の軽金属から成形することができ、これにより回転慣性を低減し、磁気カップリングの共振周波数を高めることによって共振特性を向上できる。
【００１５】
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石とは、３極又は２極の着磁がなされていると好ましい。
【００１６】
前記真空カップリング磁石と前記大気カップリング磁石との間に形成される磁路は、対向する磁石同士の間で閉じていると好ましい。
【００１７】
前記ロータホルダは円形部を有し、等間隔で前記円形部より半径方向外方に突出した保持部に形成された切欠内に、前記大気カップリング磁石及び前記大気ヨークを収容していると好ましい。
【００１８】
前記切欠は、前記円形部の半径方向外方に向かうに連れて間隔が狭まるテーパ面と、前記テーパ面より回転軸側に配置された奥溝とを有し、前記大気カップリング磁石は台形板状であって、その短辺側及び長辺側の面に着磁されており、
前記切欠の奥溝に前記大気ヨークを嵌合させ、前記大気ヨークに前記大気カップリング磁石を密着させるようにして前記切欠内に配置したときに、前記大気カップリング磁石の台形斜辺側の面が前記テーパ面に平行且つ隙間を空けた状態になると好ましい。
【００１９】
例えば、前記ロータホルダをスター状とすることにより、回転慣性を減らし、磁気カップリングの共振周波数を高めることによって共振特性を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。図２は、図１のダイレクトドライブモータの矢印IIで示す部位を拡大して示す図である。図３は、図１の構成を矢印III方向に見た図である。図４は、図３のダイレクトドライブモータの矢印IVで示す部位を拡大して示す図である。図５は、磁石ホルダ２１ａとロータホルダ３１の斜視図である。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。不図示のロボットアームを連結した第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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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、また不図示のロボットアームからの第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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
図５に示すように、永久磁石２１ｂのヨーク２１ｄ（図１）と接する外径側の形状は、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。
【００３６】
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。尚、真空カップリング磁石２１ｃを２極着磁とする場合には、Ｎ極とＳ極が周方向に同じ長さになるように設定する。他の特徴は三極着磁の場合と同様である。また、３極または２極着磁の以外の多極着磁でも構わない。
【００３７】
図５に示すように、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、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。尚、溝２１ｘの方が、溝２１ｙよりも軸線方向に深くなっている。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
図１、２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を両端近傍内周に設置し、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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
本実施の形態によれば、駆動用磁石としての永久磁石２１ｂと、真空カップリング磁石２１ｃとを分離しているので、従来の一体化磁石構造と同程度のレベルの磁気カップリング剛性と予圧効果が得られる同時に、使用する磁石体積量を減らすことができるので、コスト低減を図れる。また、磁石ホルダ２１ａとヨーク２１ｄの内面のしまりばめ嵌め合いにより、永久磁石２１ｂを簡単に等配でき、安定なモータ出力と磁気カップリング剛性が得られる。更に、永久磁石２１ｂは、磁極固定にまつわる無用な穴や溝や辺を設けることなく、無駄な磁石体積増加を回避できる。よって、モータ性能および永久磁石の部品コストは、接着剤による磁極固定を行う場合と同等に抑えることができ、加えて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という利点がある。
【００４８】
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。
【００４９】
永久磁石２１ｂと真空カップリング磁石２１ｃとを磁石ホルダ２１ｄに組入れた後、軸方向における永久磁石２１ｂと真空カップリング磁石２１ｃ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と真空カップリング磁石２１ｃを固定する。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
図５に示すように、第１内側ロータ３０は、ロータホルダ３１と、ロータホルダ３１の外周に等間隔に形成された保持部３１ａに取り付けられる永久磁石（大気カップリング磁石）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（大気ヨーク）３０ｂとからなる。隔壁１３の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に接着固定することができる。永久磁石３０ａは、隔壁１３を介して真空カップリング磁石２１ｃに対向する面に、真空カップリング磁石２１ｃの着磁に応じて３極（Ｓ−Ｎ−Ｓ又はＮ−Ｓ−Ｎ）着磁した磁石からなる。
【００５４】
永久磁石３０ａのエアギャップ側である外周側の形状は、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。又、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（台形短辺側）が狭く、バックヨーク３０ｂと接する側（台形長辺側）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。軸方向長さは真空カップリング磁石２１ｃとほぼ同じに設定する。永久磁石３０ａの円周端面方向には、Ｎ極の着磁長さ＝２×Ｓ極の着磁長さのように設定することより、バランス良い磁気回路が得られる（真空カップリング磁石２１ｃも同じ）。このようにすることで、図４に一点鎖線で示すように、永久磁石３０ａと真空カップリング磁石２１ｃとの間に閉じた２つの磁路ＭＰが形成され、磁力を有効に利用することができる。尚、永久磁石３０ａを２極着磁とする場合には、Ｎ極とＳ極が周方向に同じ長さになるように設定する。他の特徴は三極着磁の場合と同様である。また、３極または２極着磁の以外の多極着磁でも構わない。
【００５５】
図５において、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。バックヨーク３０ｂの軸方向の端面において、面形状は略長方形であり、十分な磁路を確保するために、高さは前記の永久磁石３０ａと同じ若しくは若干大きく設定する。同じく磁路確保の理由で、バックヨーク３０ｂの長さは、永久磁石３０ａの内側側面の長さより長く設定する。
【００５６】
慣性低減を図るために、ロータホルダ３１はアルミ材で作られ、スター状のように、外周側に等間隔に突出した保持部３１ａがあり、各保持部３１ａは磁気カップリングと同極数で配置されている。各保持部３１ａには、薄い底壁を有する切欠３１ｂが形成されている。切欠３１ｂは、ロータホルダ３１の半径方向外方に向かうに連れて間隔が狭まるテーパ面３１ｃと、テーパ面３１ｃに連通した奥溝３１ｄとを有している。切欠３１ｂの奥溝３１ｄ内に、所定の厚みを有する板状のバックヨーク３０ｂを嵌め込むように挿入することにより、バックヨーク３０ｂは切欠３１ｂ内に配置され、更にバックヨーク３０ｂに密着するようにして永久磁石３０ａが切欠３１ｂ内に配置されたとき、その台形斜辺側の面がテーパ面３１ｃに平行且つ隙間を空けた状態で組み付けられるようになっている。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、真空カップリング磁石２１ｃとの吸着力より、バックヨーク３０ｂ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とバックヨーク３０ｂ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とバックヨーク３０ｂをロータホルダ３１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。
【００５７】
さらに、ロータホルダ３１をスター形状とし、アルミなどの軽金属で形成することにより軽量化され、第１内側ロータ３０全体の回転慣性が小さくなり、磁気カップリングの共振周波数を増大させることができる。
【００５８】
軸受装置３３の静止輪側は、接着剤による定位置予圧をかけられ、信頼性を高めるために、止め輪で上下運動を拘束されている。この予圧により、軸受装置３３の精密な回転ができ、高精度位置検出が可能になる。
【００５９】
また、上記の定位置予圧を用いずに、磁気吸引力を使って、軸受装置３３に定圧予圧をかけることも可能である。より具体的には、モータ軸方向において、永久磁石３０ａと真空カップリング磁石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が働き、ロータホルダ３１を介して、軸受装置３３にアキシアル荷重がかかり、適切な予圧効果を付与することができる。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。
【００６０】
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。
【００６１】
図１において、第１内側ロータ３０を保持するロータホルダ３１の内周は、回転角度を計測する検出器としてのレゾルバロータ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，ロボットアーム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。
【００６２】
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５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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。不図示のロボットアームを連結した第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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、また不図示のロボットアームからの第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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
永久磁石２１ｂ’のヨーク２１ｄ’と接する外径側の形状は、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。
【００７０】
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。尚、真空カップリング磁石２１ｃ’を２極着磁とする場合には、Ｎ極とＳ極が周方向に同じ長さになるように設定する。他の特徴は三極着磁の場合と同様である。また、３極または２極着磁の以外の多極着磁でも構わない。
【００７１】
図５に示すものと同様に、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、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。
【００７２】
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。
【００７３】
図５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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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’を両端近傍内周に設置し、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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
本実施の形態によれば、駆動用磁石としての永久磁石２１ｂ’と、真空カップリング磁石２１ｃ’とを分離しているので、従来の一体化磁石構造と同程度のレベルの磁気カップリング剛性と予圧効果が得られる同時に、使用する磁石体積量を減らすことができるので、コスト低減を図れる。また、磁石ホルダ２１ａ’とヨーク２１ｄ’の内面のしまりばめ嵌め合いにより、永久磁石２１ｂ’を簡単に等配でき、安定なモータ出力と磁気カップリング剛性が得られる。更に、永久磁石２１ｂ’は、磁極固定にまつわる無用な穴や溝や辺を設けることなく、無駄な磁石体積増加を回避できる。よって、モータ性能および永久磁石の部品コストは、接着剤による磁極固定を行う場合と同等に抑えることができ、加えて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という利点がある。
【００８２】
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。
【００８３】
永久磁石２１ｂ’と真空カップリング磁石２１ｃ’とを磁石ホルダ２１ｄ’に組入れた後、軸方向における永久磁石２１ｂ’と真空カップリング磁石２１ｃ’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’と真空カップリング磁石２１ｃ’を固定する。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
図５に示すものと同様に、第２内側ロータ３０’は、ロータホルダ３１’と、ロータホルダ３１’の外周に等間隔に形成された保持部３１ａ’に取り付けられる永久磁石（大気カップリング磁石）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（大気ヨーク）３０ｂ’とからなる。隔壁１３の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’に接着固定することができる。永久磁石３０ａ’は、隔壁１３を介して真空カップリング磁石２１ｃ’に対向する面に、真空カップリング磁石２１ｃ’の着磁に応じて３極（Ｓ−Ｎ−Ｓ又はＮ−Ｓ−Ｎ）着磁した磁石からなる。
【００８８】
永久磁石３０ａ’のエアギャップ側である外周側の形状は、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。又、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（台形短辺側）が狭く、バックヨーク３０ｂ’と接する側（台形長辺側）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。軸方向長さは真空カップリング磁石２１ｃ’とほぼ同じに設定する。永久磁石３０ａ’の円周端面方向には、Ｎ極の着磁長さ＝２×Ｓ極の着磁長さのように設定することより、バランス良い磁気回路が得られる（真空カップリング磁石２１ｃ’も同じ）。このようにすることで、永久磁石３０ａ’と真空カップリング磁石２１ｃ’との間に閉じた２つの磁路（不図示）が形成され、磁力を有効に利用することができる。尚、永久磁石３０ａ’を２極着磁とする場合には、Ｎ極とＳ極が周方向に同じ長さになるように設定する。他の特徴は三極着磁の場合と同様である。また、３極または２極着磁の以外の多極着磁でも構わない。
【００８９】
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。バックヨーク３０ｂ’の軸方向の端面において、面形状は略長方形であり、十分な磁路を確保するために、高さは前記の永久磁石３０ａ’と同じ若しくは若干大きく設定する。同じく磁路確保の理由で、バックヨーク３０ｂ’の長さは、永久磁石３０ａ’の内側側面の長さより長く設定する。
【００９０】
慣性低減を図るために、ロータホルダ３１’はアルミ材で作られ、スター状のように、外周側に等間隔に突出した保持部があり、各保持部は磁気カップリングと同極数で配置されている。図５に示すものと同様に、各保持部には、薄い底壁を有する切欠が形成されている。切欠は、ロータホルダ３１の半径方向外方に向かうに連れて間隔が狭まるテーパ面と、テーパ面に連通した奥溝とを有している。切欠の奥溝内に、所定の厚みを有する板状のバックヨーク３０ｂ’を嵌め込むように挿入することにより、バックヨーク３０ｂ’は切欠内に配置され、更にバックヨーク３０ｂ’に密着するようにして永久磁石３０ａ’が切欠内に配置されたとき、その台形斜辺側の面がテーパ面に平行且つ隙間を空けた状態で組み付けられるようになっている。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、真空カップリング磁石２１ｃ’との吸着力より、バックヨーク３０ｂ’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’とバックヨーク３０ｂ’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’とバックヨーク３０ｂ’をロータホルダ３１’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。
【００９１】
さらに、ロータホルダ３１’をスター形状とし、アルミなどの軽金属で形成することにより軽量化され、第２内側ロータ３０’全体の回転慣性が小さくなり、磁気カップリングの共振周波数を増大させることができる。
【００９２】
軸受装置３３’の静止輪側は、接着剤による定位置予圧をかけられ、信頼性を高めるために、止め輪で上下運動を拘束されている。この予圧により、軸受装置３３の精密な回転ができ、高精度位置検出が可能になる。
【００９３】
また、上記の定位置予圧を用いずに、磁気吸引力を使って、軸受装置３３’に定圧予圧をかけることも可能である。より具体的には、モータ軸方向において、永久磁石３０ａ’と真空カップリング磁石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が働き、ロータホルダ３１’を介して、軸受装置３３’にアキシアル荷重がかかり、適切な予圧効果を付与することができる。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。
【００９４】
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。
【００９５】
図１において、第２内側ロータ３０’を保持するロータホルダ３１’の内周は、回転角度を計測する検出器としてのレゾルバロータ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，ロボットアーム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。
【００９６】
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５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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。不図示のロボットアームを連結した第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。
【００９９】
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。
【０１００】
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、また不図示のロボットアームからの第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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
永久磁石２１ｂ”のヨーク２１ｄ”と接する外径側の形状は、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。
【０１０４】
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。尚、真空カップリング磁石２１ｃ”を２極着磁とする場合には、Ｎ極とＳ極が周方向に同じ長さになるように設定する。他の特徴は三極着磁の場合と同様である。また、３極または２極着磁の以外の多極着磁でも構わない。
【０１０５】
図５に示すものと同様に、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、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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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”を両端近傍内周に設置し、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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
本実施の形態によれば、駆動用磁石としての永久磁石２１ｂ”と、真空カップリング磁石２１ｃ”とを分離しているので、従来の一体化磁石構造と同程度のレベルの磁気カップリング剛性と予圧効果が得られる同時に、使用する磁石体積量を減らすことができるので、コスト低減を図れる。また、磁石ホルダ２１ａ”とヨーク２１ｄ”の内面のしまりばめ嵌め合いにより、永久磁石２１ｂ”を簡単に等配でき、安定なモータ出力と磁気カップリング剛性が得られる。更に、永久磁石２１ｂ”は、磁極固定にまつわる無用な穴や溝や辺を設けることなく、無駄な磁石体積増加を回避できる。よって、モータ性能および永久磁石の部品コストは、接着剤による磁極固定を行う場合と同等に抑えることができ、加えて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という利点がある。
【０１１６】
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。
【０１１７】
永久磁石２１ｂ”と真空カップリング磁石２１ｃ”とを磁石ホルダ２１ｄ”に組入れた後、軸方向における永久磁石２１ｂ”と真空カップリング磁石２１ｃ”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”と真空カップリング磁石２１ｃ”を固定する。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
図５に示すものと同様に、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保持部３１ａ”に取り付けられる永久磁石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（大気ヨーク）３０ｂ”とからなる。永久磁石３０ａ”は、隔壁１３を介して真空カップリング磁石２１ｃに対向する面に３極（Ｓ−Ｎ−Ｓ又はＮ−Ｓ−Ｎ）着磁した磁石が各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。
【０１２２】
永久磁石３０ａ”のエアギャップ側である外周側の形状は、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。又、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（台形短辺側）が狭く、バックヨーク３０ｂ”と接する側（台形長辺側）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。軸方向長さは真空カップリング磁石２１ｃ”とほぼ同じに設定する。永久磁石３０ａ”の円周端面方向には、Ｎ極の着磁長さ＝２×Ｓ極の着磁長さのように設定することより、バランス良い磁気回路が得られる（真空カップリング磁石２１ｃ”も同じ）。このようにすることで、永久磁石３０ａ”と真空カップリング磁石２１ｃ”との間に閉じた２つの磁路（不図示）が形成され、磁力を有効に利用することができる。尚、永久磁石３０ａ”を２極着磁とする場合には、Ｎ極とＳ極が周方向に同じ長さになるように設定する。他の特徴は三極着磁の場合と同様である。また、３極または２極着磁の以外の多極着磁でも構わない。
【０１２３】
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。バックヨーク３０ｂ”の軸方向の端面において、面形状は略長方形であり、十分な磁路を確保するために、高さは前記の永久磁石３０ａ”と同じ若しくは若干大きく設定する。同じく磁路確保の理由で、バックヨーク３０ｂ”の長さは、永久磁石３０ａ”の内側側面の長さより長く設定する。
【０１２４】
慣性低減を図るために、ロータホルダ３１”はアルミ材で作られ、スター状のように、外周側に等間隔に突出した保持部があり、各保持部は磁気カップリングと同極数で配置されている。図５に示すものと同様に、各保持部には、薄い底壁を有する切欠が形成されている。切欠は、ロータホルダ３１の半径方向外方に向かうに連れて間隔が狭まるテーパ面と、テーパ面に連通した奥溝とを有している。切欠の奥溝内に、所定の厚みを有する板状のバックヨーク３０ｂ”を嵌め込むように挿入することにより、バックヨーク３０ｂ”は切欠内に配置され、更にバックヨーク３０ｂ”に密着するようにして永久磁石３０ａ”が切欠内に配置されたとき、その台形斜辺側の面がテーパ面に平行且つ隙間を空けた状態で組み付けられるようになっている。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、真空カップリング磁石２１ｃ”との吸着力より、バックヨーク３０ｂ”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”とバックヨーク３０ｂ”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”とバックヨーク３０ｂ”をロータホルダ３１”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。
【０１２５】
さらに、ロータホルダ３１”をスター形状とし、アルミなどの軽金属で形成することにより軽量化され、第２内側ロータ３０”全体の回転慣性が小さくなり、磁気カップリングの共振周波数を増大させることができる。
【０１２６】
軸受装置３３”の静止輪側は、接着剤による定位置予圧をかけられ、信頼性を高めるために、止め輪で上下運動を拘束されている。この予圧により、軸受装置３３の精密な回転ができ、高精度位置検出が可能になる。
【０１２７】
また、上記の定位置予圧を用いずに、磁気吸引力を使って、軸受装置３３”に定圧予圧をかけることも可能である。より具体的には、モータ軸方向において、永久磁石３０ａ”と真空カップリング磁石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が働き、ロータホルダ３１”を介して、軸受装置３３”にアキシアル荷重がかかり、適切な予圧効果を付与することができる。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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
図１において、第３内側ロータ３０”を保持するロータホルダ３１”の内周は、回転角度を計測する検出器としてのレゾルバロータ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，ロボットアーム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。
【０１３０】
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５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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
図７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、不図示のロボットアーム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。
【０１３５】
次に、本実施の形態の変形例について説明する。図８は、変形例にかかる図３と同様な図であり、図９は、図８の構成をIX-IX線で切断して矢印方向に見た図である。上述した実施の形態と同様な構成には同じ符号を付している。ブラシレスモータＢＭ１に用いることができる本変形例においては、カップリング磁気回路を構成するために、円盤状のロータホルダ１３１を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。本変形例のロータホルダ１３１は、外周に磁石固定用の切欠とバックヨーク固定用の奥溝を有する保持部がなく、外周面は普通円筒面又は複数の平面である。永久磁石３０ａは、接着剤でロータホルダ１３１に固定される。かかる変形例によれば、ロータホルダ１３１の形状が単純化でき、製作コストを低減できる。このロータホルダ１３１は、ブラシレスモータＢＭ２，ＢＭ３に用いることもできる。
【０１３６】
以上、本実施の形態においては、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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】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。
【図２】図１のダイレクトドライブモータの矢印IIで示す部位を拡大して示す図である。
【図３】図１の構成を矢印III方向に見た図である。
【図４】図３のダイレクトドライブモータの矢印IVで示す部位を拡大して示す図である。
【図５】磁石ホルダ２１ａとロータホルダ３１の斜視図である。
【図６】レゾルバ制御回路の例を示す図である。
【図７】モータ制御回路の例を示す図である。
【図８】変形例にかかる図３と同様な図である。
【図９】図８の構成をIX-IX線で切断して矢印方向に見た図である。
【符号の説明】
【０１４６】
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
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
Ｂ ボルト
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
ＬＢ 長ボルト
ＯＲ Ｏ−リング
ＰＴ１ 抑え板
ＰＴ２ 抑え板
ＰＴ３ 抑え部材
ＰＴ４ 抑え部材
ＰＴ５ 抑え部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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