JP5470990B2

JP5470990B2 - 多自由度アクチュエータ

Info

Publication number: JP5470990B2
Application number: JP2009094818A
Authority: JP
Inventors: 昭仁豊田; 透鹿山
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP2010246334A

Description

本発明は、精密装置に用いられる多自由度アクチュエータに関する。

半導体製造装置、液晶製造装置などの精密装置には、垂直Ｚ方向に浮上させ、水平ＸとＹ方向に微動させ、さらにはθ_Ｘ、θ_Ｙ、θ_Ｚ方向（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の回転方向）にも微動させることができる多自由度アクチュエータが要望されている。
従来の多自由度アクチュエータとして、ＸＹ平面上に永久磁石を配列した可動子とコイルを配列した固定子によって構成し、隣接するコイルに位相差の異なる制御電流を供給することで、電磁力により可動子をＺ方向に浮上させ、Ｘ方向に推進させるものがある。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２５４４８９号公報（第１９頁、図１、２）

しかし、従来の多自由度アクチュエータは、コイルの空心部があり、Ｚ方向に浮上、ＸＹの２方向に推進、さらにθ_Ｘ、θ_Ｙ、θ_Ｚ方向に微動させるためには、コイルを積層する必要があった。また６層のコイルすべてが積層されているため磁気ギャップが大きくなり、体格の割に推力、浮上力、可変浮上力が小さくなってしまう問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、小型でありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きく、Ｚ方向の浮上とＸＹ方向の推進、さらにθ_Ｘ、θ_Ｙ、θ_Ｚ方向の微動を行う多自由度アクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、複数の永久磁石を有する可動子と、複数のコイルを有する固定子から構成され、前記コイルを励磁することで前記永久磁石に電磁力を発生させるとともに、前記可動子を、垂直方向、水平方向の第１の方向に移動させ、前記永久磁石を前記第１の方向および水平方向の第２の方向に並べて配置し、前記コイルを第１の方向駆動用コイルと垂直方向駆動用コイルとの２種類で構成し、前記垂直方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極と対向する位置に配置し、前記第１の方向駆動用コイルおよび前記垂直方向駆動用コイルのうち、一方のコイルにおける一対のコイルエンドを前記可動子に対して反対側にそれぞれ折り曲げるとともに、前記一方のコイルに他方のコイルのコイル辺をまたがせて前記一対の前記コイルエンドの空心部の両方を前記他方のコイルのコイル辺が通過するように前記一方のコイルおよび前記他方のコイルを配置して構成したものである。
請求項２に記載の発明は、前記垂直方向駆動用コイルを前記第２の方向にn列（nは２以上の整数）配置して構成したものである。
請求項３に記載の発明は、前記第１の方向駆動用コイルを前記第２の方向にn列（nは２以上の整数）配置して構成したものである。
請求項４に記載の発明は、前記垂直方向駆動用コイルと前記第１の方向駆動用コイルの両者を前記第２の方向にn列（nは２以上の整数）配置して構成したものである。
請求項５に記載の発明は、前記垂直方向駆動用コイルと前記第１の方向駆動用コイルのギャップ面もしくはその反対の背面に直交するように第２の方向駆動用コイルを配置し、極数Ｐ（Ｐは２以上の偶数）の前記永久磁石を第２の方向にもずらして構成するか、もしくは垂直軸周りに回転させて配置して構成し、水平方向の前記第２の方向にも移動させて構成するかの何れかの構成としたものである。
請求項６に記載の発明は、固定子コアを前記垂直方向駆動用コイルおよび前記第１方向駆動用コイルの背面に固定したものである。
請求項７に記載の発明は、可動子コアを前記垂直方向駆動用コイルおよび前記第１の方向駆動用コイルの背面に、空隙を介して前記可動子に配置させたものである。

本発明によると、永久磁石をＸ方向およびＹ方向に並べて配置し、コイルをＺ方向駆動用コイルとＸ方向駆動用コイルとの２種類で構成し、Ｚ方向駆動用コイルを永久磁石の磁極と対向する位置に配置し、Ｘ方向駆動用コイルおよびＺ方向駆動用コイルのうち、一方のコイルにおける一対のコイルエンドを可動子に対して反対側にそれぞれ折り曲げるとともに、一方のコイルに他方のコイルのコイル辺をまたがせて一方のコイルにおける一対のコイルエンドの空心部の両方を他方のコイルのコイル辺が通過するように一方のコイルおよび他方のコイルを配置する構造としている。そのため、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることができ、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進、θ_Ｙ方向の微動の３自由度動作に加え、θ_X方向の微動を加えた４自由度動作を行い、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを提供することができる。
また、Ｘ方向駆動用コイルまたはＺ方向駆動用コイルをＹ方向にn列（ここでnは２以上の整数）配置する構造としているため、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることができ、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進、θ_Ｙ方向の微動の３自由度動作に加え、θ_Z方向の微動を加えた４自由度動作を行い、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを提供することができる。
また、請求項４に記載の発明によると、Ｚ方向駆動用コイルとＸ方向駆動用コイルの両者をＹ方向にn列（ここでnは２以上の整数）配置する構造としているため、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることができ、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進、θ_Ｙ方向の微動の３自由度動作に加え、θ_X方向，θ_Z方向の微動を加えた５自由度動作を行い、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを提供することができる。
また、Ｚ方向駆動用コイルとＸ方向駆動用コイルのギャップ面もしくはその反対の背面に直交するようにＹ方向駆動用コイルを配置し、極数Ｐの永久磁石をＹ方向にもずらすか、もしくはＺ軸周りに回転させて配置する構造としている。そのため、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進、θ_Ｙ方向の微動の３自由度動作に加え、θ_X方向，θ_Z方向の微動，Ｙ方向の推進を加えた最大６自由度動作を行う多自由度アクチュエータを提供することができる。
また、固定子コアをＺ方向駆動用コイルおよびＸ方向駆動用コイルの背面に固定した構造としているため、ギャップ磁束密度を大きくすることができ、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを提供することができる。
また、可動子コアをＺ方向駆動用コイルおよびＸ方向駆動用コイルの背面に空隙を介して配置させた構造としているため、ギャップ磁束密度を大きくすることができ、浮上力をなくし可変浮上力と推力だけを発生させることができる。コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを提供することができる。

本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの側面図本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの正面から見た断面図本発明の第１の実施例における可変浮上力と推力の発生原理を示す図本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータの側面図本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図本発明の第３の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図本発明の第３の実施例を示す多自由度アクチュエータの側面図本発明の第３の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図本発明の第４の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図本発明の第４の実施例を示す多自由度アクチュエータの側面図本発明の第４の実施例を示す多自由度アクチュエータの正面から見た断面図本発明の第４の実施例を示すＹ方向推力の発生原理を示す図本発明の第５の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図本発明の第５の実施例を示す多自由度アクチュエータの側面図本発明の第６の実施例を示す多自由度アクチュエータの正面から見た断面図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１、図２は本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図、図３は正面から見た断面図である。
可動子１１０は、永久磁石１１４と可動子ヨーク１１２とから構成され、固定子１００は固定子コア１１８とＸ方向駆動用コイル１０５とＺ方向駆動用コイル１０４から構成されている。
永久磁石１１４を極数Ｐ＝２，極性が逆となるようにＸ方向に交互に並べて配置し、Ｚ方向駆動用コイル１０４を永久磁石１１４の磁極と対向する位置にＰ＝２個配置し、その永久磁石１１４とＺ方向駆動用コイル１０４をＹ方向にn＝２列並べて配置するとともに、Ｘ方向駆動用コイル１０５のコイル辺がＺ方向駆動用コイル１０４の中心と一致する位置にＸ方向駆動用コイル１０５をＰ／２＝１個配置する構成となっている。
また、図２に示すように、Ｚ方向駆動用コイル１０４はコイルエンドを折り曲げ、その空心にＸ方向駆動用コイル１０５のコイル辺を埋め込むように配置する構成となっている。
固定子コア１１８は磁性体であり、例えば鉄損の低減を目的として電磁鋼板を積層したものや、圧粉磁心による成形体を使用する。
図４は第１の実施例における浮上力、可変浮上力、推力の発生原理を示す図である。同図の点線は永久磁石１１４による磁束線１１９を示している。
まず、永久磁石１１４と固定子コア１１８間には磁気吸引力が発生する。これが浮上力となる。
次に、永久磁石１１４による磁束線１１９に示す通り、Ｘ方向駆動用コイル１０５には磁束密度のＺ方向の磁束が通り、Ｚ方向駆動用コイル１０４には磁束密度のＸ方向の磁束が通る。図４に示した方向に電流を流した場合、Ｚ方向駆動用コイル１０４には＋Ｚ方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子１１０は−Ｚ方向に可変浮上力が発生する。また、Ｘ方向駆動用コイル１０５に−Ｘ方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子１１０は＋Ｘ方向に推力が発生する。
図５は本発明の第１の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図である。図において、１０４はＺ方向駆動用コイル、１０５はＸ方向駆動用コイル、１０７a,１０７b,１０７c,１０７dはＺ方向駆動用アンプ、１０８aはＸ方向駆動用アンプである。
計４個のＺ方向駆動用コイルを４台のアンプを用い、それぞれのコイルに流す電流の大きさに差をつけることによって、Ｚ方向とθ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向に駆動制御する構成となっている。
このような構成としたことによって、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進に加え、θ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向にも微動する４自由度動作を実現することができる。
以上のように構成したことで、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進に加え、θ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向にも微動する多自由度アクチュエータを実現するとともに、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを実現することができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。
図６、図７は本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図である。正面から見た断面図は図３と同じである。
第２の実施例が第１の実施例と異なる点は、磁極間の中心と対向する位置にＰ／２＝１個配置したＸ方向駆動用コイル１０５をＹ方向にn＝２列並べて配置し、Ｚ方向駆動用コイル１０４を永久磁石１１４の磁極と対向する位置にＰ＝２個配置する構成とし、Ｘ方向駆動用コイル１０５のコイルエンドを折り曲げ、その空心にＺ方向駆動用コイル１０４のコイル辺を埋め込むように配置したことである。
図８は本発明の第２の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図である。図において、１０４はＺ方向駆動用コイル、１０５はＸ方向駆動用コイル、１０７a,１０７bはＺ方向駆動用アンプ、１０８a,１０８bはＸ方向駆動用アンプである。
２個のＺ方向駆動用コイルを２台のアンプを用い、２個のＸ方向駆動用コイルを２台のアンプを用い、それぞれのコイルに流す電流の大きさに差をつけることによって、Ｚ方向とＸ方向、θ_Ｙ方向、θ_Ｚ方向に駆動制御する構成となっている。
このような構成としたことによって、Ｚ方向の浮上とＸ方向に推進に加え、θ_Ｙ方向、θ_Ｚ方向にも微動する４自由度動作を実現することができる。
以上のように構成したことで、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進に加え、θ_Ｙ方向、θ_Ｚ方向にも微動する多自由度アクチュエータを実現するとともに、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを実現することができる。

次に本発明の第３の実施例について説明する。
図９、図１０は本発明の第３の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図である。正面から見た断面図は図３と同じである。
第３の実施例が第１の実施例と異なる点は、磁極間の中心と対向する位置にＰ／２＝１個配置したＸ方向駆動用コイルと、永久磁石の磁極と対向する位置にＰ＝２個配置したＺ方向駆動用コイル両方を、Ｙ方向にn＝２列並べて配置する構成とし、Ｘ方向駆動用コイル１０５のコイルエンドを折り曲げ、その空心にＺ方向駆動用コイル１０４のコイル辺を埋め込むように配置したことである。

図11は本発明の第３の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図である。図において、１０４はＺ方向駆動用コイル、１０５はＸ方向駆動用コイル、１０７a,１０７b,１０７c,１０７dはＺ方向駆動用アンプ、１０８a,１０８bはＸ方向駆動用アンプである。
計４個のＺ方向駆動用コイルを４台のアンプを用い、２個のＸ方向駆動用コイルを２台のアンプを用い、それぞれのコイルに流す電流の大きさに差をつけることによって、Ｘ方向とＺ方向とθ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向、θ_Ｚ方向に駆動制御する構成となっている。
このような構成としたことによって、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進に加え、θ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向、θ_Ｚ方向にも微動する５自由度動作を実現することができる。
以上のように構成したことで、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進に加え、θ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向、θ_Ｚ方向にも微動する多自由度アクチュエータを実現するとともに、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きいアクチュエータを実現することができる。

次に本発明の第４の実施例について説明する。
図12、図13、図14は本発明の第４の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図、正面から見た断面図である。図15は第４の実施例におけるＹ方向推力の発生原理を示す図である。
図において、１００は固定子、１１０は可動子、１０４はＺ方向駆動用コイル、１０５はＸ方向駆動用コイル、１０３はＹ方向駆動用コイル、１１２は可動子ヨーク、１１４は永久磁石、１１８は固定子コアである。また、図15の点線は永久磁石１１４による磁束線１１９を示している。
第４の実施例が第１〜第３の実施例と異なる点は、Ｚ方向駆動用コイルとＸ方向駆動用コイルのギャップ面もしくはその反対の背面に直交するようにＹ方向駆動用コイルを配置し、永久磁石をＺ軸周りに回転させて配置し、水平Ｙ方向にも移動させ構成したことである。なお、図示していないが、永久磁石はＹ方向にもずらして配置してもよい。
永久磁石１１４による磁束線１１９に示す通り、Ｙ方向駆動用コイル１０３には磁束密度のＺ方向の磁束が通る。
図15に示した方向に電流を流した場合、Ｙ方向駆動用コイル１０３に＋Ｙ方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子１１０は−Ｙ方向に推力が発生する。
ここで、Ｙ方向駆動用コイル１０３は、磁気ギャップの低減を目的として偏平にしたコイルを使用する。
以上のように構成したことで、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進、θ_Ｙ方向の微動の３自由度動作に加え、Ｙ方向の推進を加えた４自由度動作を行う多自由度アクチュエータを実現するとともに、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きいアクチュエータを実現することができる。

次に本発明の第５の実施例について説明する。
図16、図17は本発明の第５の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図である。正面から見た断面図は図14と同じである。
第５の実施例が第４の実施例と異なる点は、Ｚ方向駆動用コイルとＸ方向駆動用コイル、Ｙ方向駆動用コイル、永久磁石をＹ方向にn＝２列配置して構成したことである。
以上のように構成したことで、Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進、θ_Ｙ方向の微動の３自由度動作に加え、Ｙ方向の推進、θ_X方向，θ_Z方向の微動を加えた最大６自由度動作を行う多自由度アクチュエータを実現するとともに、従来例と比べ磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きいアクチュエータを実現することができる。

次に本発明の第６の実施例について説明する。
図18は本発明の第６の実施例を示す多自由度アクチュエータの正面から見た断面図である。図において、１２０は可動子コアである。
第６の実施例が第１〜第４の実施例と異なる点は、可動子コアをＺ方向駆動用コイル、Ｘ方向駆動用コイル、またＹ方向駆動用コイルの背面に、空隙を介して可動子に配置した構成としたことである。
以上のように構成したことで、ギャップ磁束密度を大きくすることができ、浮上力をなくし可変浮上力と推力だけを発生させることができる。つまり、浮上力を必要としない用途に、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを提供することができる。

また、本実施例ではＰ＝２，n＝２の場合で説明したが、本実施例の構成をＸ方向，Ｙ方向に並べてＰ＝４，６，…，n＝３，４，…として構成しても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。

Ｚ方向の浮上とＸ方向の推進、さらにはＹ方向の推進、θ_X方向，θ_Ｙ方向，θ_Z方向の微動の最大６自由度の動作を行うことができ、コンパクトでありながら浮上力、可変浮上力、推力が大きいアクチュエータを実現することができるので、真空用搬送装置という用途にも適用できる。

１００固定子
１０３Ｙ方向駆動用コイル
１０４Ｚ方向駆動用コイル
１０５Ｘ方向駆動用コイル
１０６ティース
１０７a、１０７b 、１０７c、１０７d Ｚ方向駆動用アンプ
１０８a、１０８b Ｘ方向駆動用アンプ
１１０可動子
１１２可動子ヨーク（天板）
１１４永久磁石
１１６６層のコイル
１１８固定子コア（ベース）
１１９磁石磁束線
１２０可動子コア

Claims

複数の永久磁石を有する可動子と、複数のコイルを有する固定子から構成され、前記コイルを励磁することで前記永久磁石に電磁力を発生させるとともに、前記可動子を、垂直方向、水平方向の第１の方向に移動させ、前記永久磁石を前記第１の方向および水平方向の第２の方向に並べて配置し、前記コイルを第１の方向駆動用コイルと垂直方向駆動用コイルとの２種類で構成し、前記垂直方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極と対向する位置に配置し、前記第１の方向駆動用コイルおよび前記垂直方向駆動用コイルのうち、一方のコイルにおける一対のコイルエンドを前記可動子に対して反対側にそれぞれ折り曲げるとともに、前記一方のコイルに他方のコイルのコイル辺をまたがせて前記一対の前記コイルエンドの空心部の両方を前記他方のコイルのコイル辺が通過するように前記一方のコイルおよび前記他方のコイルを配置して構成したことを特徴とする多自由度アクチュエータ。
前記垂直方向駆動用コイルを前記第２の方向にn列（nは２以上の整数）配置して構成したことを特徴とする請求項１記載の多自由度アクチュエータ。
前記第１の方向駆動用コイルを前記第２の方向にn列（nは２以上の整数）配置して構成したことを特徴とする請求項１記載の多自由度アクチュエータ。
前記垂直方向駆動用コイルと前記第１の方向駆動用コイルの両者を前記第２の方向にn列（nは２以上の整数）配置して構成したことを特徴とする請求項１記載の多自由度アクチュエータ。
前記垂直方向駆動用コイルと前記第１の方向駆動用コイルのギャップ面もしくはその反対の背面に直交するように第２の方向駆動用コイルを配置し、極数Ｐ（Ｐは２以上の偶数）の前記永久磁石を第２の方向にもずらして構成するか、もしくは垂直軸周りに回転させて配置して構成し、水平方向の前記第２の方向にも移動させて構成するかの何れかの構成としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の多自由度アクチュエータ。
固定子コアを前記垂直方向駆動用コイルおよび前記第１方向駆動用コイルの背面に固定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の多自由度アクチュエータ。
可動子コアを前記垂直方向駆動用コイルおよび前記第１の方向駆動用コイルの背面に、空隙を介して前記可動子に配置させたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の多自由度アクチュエータ。