JP2009201307A - 両面パルスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ、Ｙ方向およびθ方向の位置決めを可能とする両面パルスモータを実現する。
【解決手段】進行方向に平行な上面および下面に所定ピッチの歯がＸ軸方向およびＹ軸方向に形成された可動子コアを備える可動子フレームと、
前記可動子フレームを挟み、前記可動子コアの上面および下面に形成されたＸ軸方向およびＹ軸方向の歯に対向して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に歯が形成された一対の固定子コアを備える固定子フレームと、
前記可動子コア又は前記固定子コアの少なくともいずれかに設けられた励磁巻線と、
前記励磁巻線への励磁電流供給で発生する磁気吸引力に抗して前記可動子コアと前記一対の固定子コア間に所定の空隙を形成するための空気軸受け手段と、
を備えることを特徴とする両面パルスモータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子コアと可動子コアが空気軸受け手段を介して対向する両面パルスモータに関するものである。

所定ピッチで歯が形成されたプラテン（固定子フレーム）上面に、空気軸受け手段により浮上するスライダ（可動子フレーム）を２次元方向に位置制御するＸＹステージおよびこのステージに用いられているパルスモータの構造とスライダの位置制御については、特許文献１に詳細が開示されている。

進行方向に平行な上面および下面に所定ピッチの歯が形成された可動子コアを備える可動子フレームと、この可動子フレームを挟み、可動子コアの歯に対向する歯が形成された一対の固定子コアを備える固定子フレームとを備える１軸形の両面パルスモータの構成については、特許文献２に開示されている。

図４は、特許文献２に記載されている１軸形の両面パルスモータの縦断面図である。可動子フレーム１０は、進行方向Ｐに平行な上面および下面に所定ピッチの歯が形成された可動子コア２１および２２を備える。この可動子フレーム１０を挟んで、固定子フレーム３１および３２が対向配置されている。

固定子フレーム３１は、固定子コア４１を支持する。同様に、固定子フレーム３２は、固定子コア４２を支持する。固定子コア４１には、可動子コア２１の上面に形成された歯に対向する歯が形成されている。同様に、固定子コア４２には、可動子コア２２の下面に形成された歯に対向する歯が形成されている。

固定子コア４１は、そのヨークに巻回された励磁巻線５１を備える。同様に、固定子コア４２は、そのヨークに巻回された励磁巻線５２を備える。これら励磁巻線への励磁電流供給で発生する磁気吸引力に抗して一対の可動子コアと一対の固定子コア間に所定の空隙を実現するために、可動子フレーム１０側から固定子コア４１および４２の両側に圧縮空気Ａを噴出する空気軸受手段が設けられている。

図５は、進行方向Ｐから見た図４のＢ−Ｂ側断面図である。可動子フレーム１０の上下両面に取り付ける可動子コア２１および２２は、磁気吸引力のバランスを取るため、互いの位置関係を長手方向および幅方向ともに精度良く合わせてある。

上下の固定子フレーム３１，３２は、磁気吸引力のバランスを取るため、スペーサ部材６０を介して互いの位置関係を長手方向および幅方向ともに精度よく合わせてある。可動子コア、固定子コアとも理想的に位置関係が合えば、上下で磁気吸引力のバランスがとれるため吸引力による可動子フレーム１０の変形がなくなる。

スペーサ部材６０は、上下の固定子フレーム３１，３２を互いに固定するためのものである。空気軸受けによる浮上時の微小ギャップに合わせて、スペーサ部材６０の厚さを可動子フレーム１０の厚さよりも30〜40μm程度大きくしている。

磁気吸引力と釣り合うように、数値計算（ＤＦ法等）を用いて空気軸受けを設計することにより、固定子コアと可動子コアの間で上下とも15〜20μm程度の微小空隙を保持させることができる。

ガイド部材７０は、可動子フレーム１０とスペーサ部材６０に接して可動子フレーム１０の進行方向（紙面に垂直方向）に配置されており、可動子フレーム１０の進行方向と直交する方向のぶれを規制している。

このような構成の両面パルスモータでは、可動フレーム１０を軽量化するために、固定子コア４１，４２側に励磁巻線５１，５２を持ち、この励磁巻線に電流を流すことで、可動子コア２１，２２のみで構成される軽量の可動子フレーム１０を移動させアクチュエータとして動作させる。

このような構成の両面パルスモータでは、可動子フレーム１０を上下から固定子フレーム３１，３２で挟み込むことで、一般的なモータのような片側のみの励磁の場合の２倍の推力を得ることができる。

特開２０００−０６５９７０号公報 特開２００７−２６７４９７号公報

従来構成の両面パルスモータでは、次のような問題がある。
（１）可動フレーム１０の移動方向が１軸のみのため、特許文献１のＸＹステージのように、Ｘ-Ｙ-θ（Ｚ軸回りの回転角）の２次元的な位置制御ができない。

（２）１軸移動で使用する場合では、可動子フレーム１０の進行方向と直交する方向のぶれを規制するためのガイド部材７０等の補助部材が必要となる。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、Ｘ、Ｙ方向およびθ方向の位置決めを可能とする両面パルスモータの実現を目的としている。

このような課題を達成するために、請求項１の発明は、
進行方向に平行な上面および下面に所定ピッチの歯がＸ軸方向およびＹ軸方向に形成された可動子コアを備える可動子フレームと、
前記可動子フレームを挟み、前記可動子コアの上面および下面に形成されたＸ軸方向およびＹ軸方向の歯に対向して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に歯が形成された一対の固定子コアを備える固定子フレームと、
前記可動子コア又は前記固定子コアの少なくともいずれかに設けられた励磁巻線と、
前記励磁巻線への励磁電流供給で発生する磁気吸引力に抗して前記可動子コアと前記一対の固定子コア間に所定の空隙を形成するための空気軸受け手段と、
を備えることを特徴とする両面パルスモータ。

請求項２の発明は、請求項１に記載の両面パルスモータにおいて、
前記可動子コアは、一体部材の前記可動子フレームの上面および下面に形成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の両面パルスモータにおいて、
前記可動子フレームは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ独立した位置センサを備えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにに記載の両面パルスモータにおいて、 前記位置センサは、前記可動子フレームのＸ軸方向またはＹ軸方向に所定距離を隔てて複数個設けられ、それぞれの検出値に基づいて前記可動子フレームのＺ軸回りの回転角を検出することを特徴とする。

本発明の構成によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）一軸方向だけでなく、これに直行する方向にも固定子コア、可動子コアを設けることによって、Ｘ、Ｙ、θ方向の位置決めを可能とする両面パルスモータを実現することができる。

（２）Ｘ、Ｙ各軸方向の位置検出センサを使用すれば、外乱によるこれらのずれを補正する動きが可能となる。そのため、ガイド部材等の補助部材なしに、位置ずれを抑制することが可能となる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明が適用された両面パルスモータの一実施形態を示す（図２のＢ−Ｂ位置における）縦断面図である。図２（Ａ）は、Ｙ軸の側断面、図２（Ｂ）は、Ａ−Ａ矢線方向から見た平面図である。

本発明の構成上の特徴は、従来技術の１軸方向（これをＹ軸方向とする）の固定子コアおよび可動子コアに加えて、これに直交するＸ軸方向の固定子コアおよび可動子コアを配置した構成にある。各軸の両面パルスモータ個々の基本構成は、図４および図５で説明した１軸方向両面パルスモータの構成と同一である。

しかしながら、各軸方向の固定子コアおよび可動子コアの大きさや形状、巻線等は、Ｘ軸方向とＹ軸方向で同一である必要はない。必要とするストロークや推力により、各軸の仕様に合わせて独立に設計可能である。

図１の縦断面図において、可動子フレーム１００は、Ｘ軸およびＹ軸の進行方向に平行な上面および下面に所定ピッチの歯が形成されたＸ軸用の可動子コア２０１Ｘ，２０２ＸおよびＹ軸用の可動子コア２０１Ｙ，２０２Ｙを備える。この可動子フレームを挟んで、固定子フレーム３０１および３０２が対向配置されている。

固定子フレーム３０１は、Ｘ軸用の固定子コア４０１ＸおよびＹ軸用の固定子コア４０１Ｙを支持する。同様に、固定子フレーム３０２は、Ｘ軸用の固定子コア４０２ＸおよびＹ軸用の固定子コア４０２Ｙを支持する。

Ｘ軸用の固定子コア４０１ＸおよびＹ軸用の固定子コア４０１Ｙには、それぞれのヨークに巻回された励磁巻線５０１Ｘおよび５０１Ｙを備える。同様に、Ｘ軸用の固定子コア４０２ＸおよびＹ軸用の固定子コア４０２Ｙには、それぞれのヨークに巻回された励磁巻線５０２Ｘおよび５０２Ｙを備える。励磁巻線を固定子側に設けることにより、可動子を小型化、軽量化できるという利点がある。

これら励磁巻線への励磁電流供給で発生する磁気吸引力に抗して一対の可動子コアと一対の固定子コア間に所定の空隙を実現するために、可動子フレーム１００側から固定子コア４０１Ｘ，４０１Ｙおよび４０２Ｘ，４０２Ｙの両側に圧縮空気を噴出する空気軸受手段（図示せず）が設けられている。

上下の固定子フレーム３０１，３０２は、磁気吸引力のバランスを取るため、スペーサ部材６００を介して互いの位置関係を長手方向および幅方向ともに精度よく合わせてある。可動子コア、固定子コアとも理想的に位置関係が合えば、上下で磁気吸引力のバランスがとれるため吸引力による可動子フレーム１００の変形がなくなる。

スペーサ部材６００は、上下の固定子フレーム３０１，３０２を互いに固定するためのものである。空気軸受けによる浮上時の微小ギャップに合わせて、スペーサ部材６００の厚さを可動子フレーム１００の厚さよりも30〜40μm程度大きくしている。

図２（Ａ）は、Ｙ軸の側断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の矢線Ａ−Ａから見た平面図である。各軸の側断面図は、図４で示した１軸構成の両面パルスモータの側断面図と同一であるが、可動子１００には、Ｙ軸の位置センサ８００ＹおよびＸ軸の位置センサ８００Ｘが取り付けられている。

このような構成において、各固定子コアの励磁巻線に電流を流すことにより磁気回路を励磁して可動子フレーム１００をＸ軸およびＹ軸方向に移動制御して、ＸＹステージとして動作させることができる。

位置センサ８００Ｘ、８００Ｙとして、それぞれ独立した非接触位置検出センサ（レーザ干渉計、レゾルバ等）を用いれば、サーボ動作により高精度な２次元の位置制御を実現することができる。これにより、ガイド部材等の補助部材なしに、位置ずれを抑制することができる。ただし、条件によっては接触式の位置センサを用いることも可能である。Ｘ，Ｙ軸の位置サーボ制御に関しては、特許文献１に詳細が開示されている。

例えば、可動子フレーム１００のＸ軸方向の所定距離を隔てた位置を２箇所以上で検知することにより、可動子フレームのＺ軸回りの回転角θを検出することができる。Ｘ軸方向の固定子コアを複数配置し、個別に異なる位相での励磁ができるようにしておけば、この情報に基づいてθ方向の微小位置ずれを補正することができる。２個の位置センサによるθ方向の制御についても、特許文献１に詳細が開示されている。

図３は、本発明が適用された両面パルスモータの縦型の使用形態を示す側断面図である。縦型の使用形態では、１軸のみの場合には、重力により可動子フレームが落下しないように、図５のガイド部材７０等の補助機構が必要となるが、本発明の両面パルスモータでは、２軸の駆動ができるため、軽量の可動子フレーム１００を落下しないように自己保持することが可能であり、補助部材を必要としない。

本発明が適用された両面パルスモータの一実施形態を示す縦断面図である。 本発明が適用された両面パルスモータの側断面図および平面図である。 本発明が適用された両面パルスモータの縦型の使用形態を示す側断面図である。 特許文献２に記載されている両面パルスモータの縦断面図である。 図４のＢ−Ｂ位置における側断面図である。

符号の説明

１００ 可動子フレーム
２０１Ｘ，２０２Ｘ Ｘ軸可動子コア
２０１Ｙ，２０２Ｙ Ｙ軸可動子コア
３０１，３０２ 固定子フレーム
４０１Ｘ，４０２Ｘ Ｘ軸固定子コア
４０１Ｙ，４０２Ｙ Ｙ軸固定子コア
５０１Ｘ，５０２Ｘ Ｘ軸励磁巻線
５０１Ｙ，５０２Ｙ Ｙ軸励磁巻線
６００ スペーサ部材
８００Ｙ Ｙ軸位置センサ

Claims (4)

1. 進行方向に平行な上面および下面に所定ピッチの歯がＸ軸方向およびＹ軸方向に形成された可動子コアを備える可動子フレームと、
   前記可動子フレームを挟み、前記可動子コアの上面および下面に形成されたＸ軸方向およびＹ軸方向の歯に対向して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に歯が形成された一対の固定子コアを備える固定子フレームと、
   前記可動子コア又は前記固定子コアの少なくともいずれかに設けられた励磁巻線と、
   前記励磁巻線への励磁電流供給で発生する磁気吸引力に抗して前記可動子コアと前記一対の固定子コア間に所定の空隙を形成するための空気軸受け手段と、
   を備えることを特徴とする両面パルスモータ。
2. 前記可動子コアは、一体部材の前記可動子フレームの上面および下面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の両面パルスモータ。
3. 前記可動子フレームは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にそれぞれ独立した位置センサを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の両面パルスモータ。
4. 前記位置センサは、前記可動子フレームのＸ軸方向またはＹ軸方向に所定距離を隔てて複数個設けられ、それぞれの検出値に基づいて前記可動子フレームのＺ軸回りの回転角を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかにに記載の両面パルスモータ。

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