JP2012060853A - ２自由度アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 界磁の平面エリアを小さくすることで重量を低減して装置全体を小形化すると共に、ＸＹ両方向の推力を増大させ、複数台の可動子の個別駆動により装置の作業効率も上げることができる２自由度アクチュエータを提供する。
【解決手段】 Ｘ方向に推力を発生させるＸ電機子巻線とＸ方向とは異なるＹ方向に推力を発生させるＹ電機子巻線とで構成された電機子と、Ｘ方向とＹ方向に磁極を形成する界磁を備え、界磁に対し電機子が相対的にＸ方向とＹ方向に移動する２自由度アクチュエータにおいて、Ｘ電機子巻線のＸ方向長をＷａｘ、Ｙ電機子巻線のＹ方向長をＷａｙ、界磁のＸ方向長をＷｍｘ、界磁のＹ方向長をＷｍｙとした場合、Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙとして構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置や電子部品実装装置、各種検査装置の位置決め機構を駆動するための２自由度アクチュエータに関する。

従来の２自由度アクチュエータは、Ｘ方向に推力を発生させるＸ電機子巻線とＸ方向と直交するＹ方向に推力を発生させるＹ電機子巻線とで構成された電機子と、Ｘ方向とＹ方向に磁極を形成する界磁を備え、界磁に対して電機子が相対的にＸ方向とＹ方向に移動するようにしたものがある。このうち、ＸＹ平面におけるＸ方向とＹ方向の両方向に磁極を形成すると共にＸ電機子巻線とＹ電機子巻線を同一平面上に配置したもの（特許文献１）、あるいは該Ｘ電機子巻線と該Ｙ電機子巻線をＸＹ平面と直交するＺ方向（磁気的空隙方向）に重ねて配置したもの（特許文献２）が提案されている。

特開２００４−３４３１０５号公報（第６−１１頁、図２） 特開２００４−２５４４８９号公報（第５−１３頁、図１）

しかしながら、特許文献１に示す２自由度アクチュエータにおいて、電機子が界磁内を移動する際の界磁の平面エリアは、界磁のＸ方向長（電機子のＸ方向長とストロークＸ方向長を足し合わせた長さ）と、界磁のＹ方向長（電機子のＹ方向長とストロークＹ方向長を足し合わせた長さ）の積で表されることから極めて大きなものになる。その結果、界磁の平面エリアが大きいと、その重量が比例して大きくなるため、当該アクチュエータを支持する装置ベースも大きくなり、装置全体が大形化するという問題があった。
また、特許文献２に示す２自由度アクチュエータは、電機子のＸ電機子巻線とＹ電機子巻線をギャップ方向に重ねて配置した場合であって、Ｘ電機子巻線とＹ電機子巻線のうち、一方の電機子巻線は界磁永久磁石からの距離が近く、他方は遠くなるため、永久磁石からの距離が遠くなる電機子巻線の推力が低下するという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、界磁の平面エリアを小さくすることで重量を低減して装置全体を小形化すると共に、ＸＹ両方向の推力を増大させ、さらには複数台の可動子の個別駆動により装置の作業効率も上げることができる２自由度アクチュエータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、２自由度アクチュエータに係り、Ｘ方向に推力を発生させるＸ電機子巻線とＸ方向とは異なるＹ方向に推力を発生させるＹ電機子巻線とで構成された電機子と、前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、Ｘ方向とＹ方向に磁極を形成する界磁と、を備え、前記Ｘ電機子巻線のＸ方向長をＷａｘ、前記Ｙ電機子巻線のＹ方向長をＷａｙ、前記界磁のＸ方向長をＷｍｘ、前記界磁のＹ方向長をＷｍｙとした場合、Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙの関係に構成してあり、前記界磁に対し前記電機子を相対的にＸ方向とＹ方向に移動させるようにしたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の２自由度アクチュエータにおいて、前記電機子を構成する前記Ｘ電機子巻線と前記Ｙ電機子巻線を、前記界磁上にＸ方向とＹ方向で形成される同一平面内に隣接して配置したことを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の２自由度アクチュエータにおいて、前記Ｘ電機子巻線と前記Ｙ電機子巻線の間に直動案内機構を設け、前記Ｘ電機子巻線に対して前記Ｙ電機子巻線をＹ方向に移動させるようにしたことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の２自由度アクチュエータにおいて、１個の前記界磁に、１個の前記Ｘ電機子巻線と複数個の前記Ｙ電機子巻線を配置したことを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の２自由度アクチュエータにおいて、前記電機子を構成する前記Ｘ電機子巻線と前記Ｙ電機子巻線を、前記界磁上にＸ方向とＹ方向で形成される平面と直交する方向に重ねて配置したことを特徴としている。
また、請求項６に記載の発明は、請求項１または５記載の２自由度アクチュエータにおいて、１個の前記界磁に、前記電機子を複数個配置したことを特徴としている。
また、請求項７に記載の発明は、請求項１または５記載の２自由アクチュエータにおいて、前記界磁を、Ｘ方向に磁極を形成するＸ界磁とＹ方向に磁極を形成するＹ界磁とで構成すると共に、前記Ｘ界磁と前記Ｙ界磁の間に直動案内機構を設け、前記Ｙ界磁に対して前記Ｘ界磁をＸ方向に移動させるようにしたことを特徴としている。
また、請求項８に記載の発明は、請求項１または５記載の２自由度アクチュエータにおいて、前記界磁を、Ｘ方向に磁極を形成するＸ界磁とＹ方向に磁極を形成するＹ界磁とで構成すると共に、一方の前記Ｘ電機子巻線と近接した面に前記Ｘ界磁を対向させ、他方の前記Ｙ電機子巻線と近接した面に前記Ｙ界磁を対向させたことを特徴としている。
また、請求項９に記載の発明は、請求項１〜８記載の２自由度アクチュエータにおいて、前記電機子と前記界磁が配置されるＸ方向とＹ方向を互いに直交する２方向としたことを特徴としている。
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１〜８記載の２自由度アクチュエータにおいて、前記Ｘ方向を周方向（θ方向）、前記Ｙ方向を径方向（Ｒ方向）とする２方向としたことを特徴としている。
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜８記載の２自由度アクチュエータにおいて、前記Ｘ方向を周方向（θ方向）、前記Ｙ方向を軸方向（Ｚ方向）とする２方向としたことを特徴としている。

請求項１、２に記載の発明によると、２自由度アクチュエータのＸ電機子巻線のＸ方向長をＷａｘ、Ｙ電機子巻線のＹ方向長をＷａｙ、界磁のＸ方向長をＷｍｘ、界磁のＹ方向長をＷｍｙとした場合、Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙとしており、ストロークＸ方向長がＷｍｘ−Ｗａｘとなるように界磁のＸ方向長を大きくし、ストロークＹ方向長がＷａｙ−Ｗｍｙとなるように電機子のＹ方向長を大きくしている。つまり、ストロークＹ方向長がストロークＸ方向長に比べ圧倒的に小さな場合であっても、界磁の平面エリアは界磁のＸ方向長（＝電機子のＸ方向長＋ストロークＸ方向長）と界磁のＹ方向長（＝電機子のＹ方向長−ストロークＹ方向長）の積となり、従来技術に比べ格段に小さくなっている。界磁の平面エリアが小さいと、その重量が比例して小さくなる。そのため、２自由度アクチュエータを支持する装置ベースも小さくなり、装置全体を小形化することができる。
請求項３に記載の発明によると、Ｘ電機子巻線とＹ電機子巻線の間に直動案内機構を設けたので、Ｘ電機子巻線をＹ方向に移動させずＸ方向のみ移動させ、Ｙ電機子巻線をＸ方向とＹ方向に移動させることができる。つまり、Ｙ電機子巻線に負荷を取り付けることで、負荷をＸ方向とＹ方向に移動できるようにしている。Ｘ電機子巻線のＹ方向長をＹ電機子巻線のＹ方向長に合わせて大きくする必要がないため、所定の推力に対するＸ電機子巻線の発生銅損を小さくできる。つまり、同じ発生量の銅損を許容できるとすれば、Ｘ方向の推力を大きくすることができる。
請求項４に記載の発明によると、１個の界磁に１個のＸ電機子巻線と複数個のＹ電機子巻線を配置しているので、界磁とする固定子上で電機子とする複数の可動子を個別に移動させることができる。つまり、装置の作業効率を高めることができる。
請求項５、８に記載の発明によると、界磁をＸ方向に磁極を形成するＸ界磁とＹ方向に磁極を形成するＹ界磁とで構成するとともに、Ｘ電機子巻線の近い面にＸ界磁を対向させ、もう一方のＹ電機子巻線の近い面にＹ界磁を対向させているので、Ｘ電機子巻線がＸ方向成分の大きな界磁磁束を鎖交し、Ｙ電機子巻線がＹ方向成分の大きな界磁磁束を鎖交することができる。つまり、Ｘ方向とＹ方向の両方向に大きな推力を発生させることができる。
請求項６に記載の発明によると、１個の界磁に複数個の電機子を配置しているので、界磁とする固定子上で電機子とする複数の可動子を個別に移動させることができる。つまり、装置の作業効率を高めることができる。
請求項７に記載の発明によると、界磁を、Ｘ方向に磁極を形成するＸ界磁とＹ方向に磁極を形成するＹ界磁とで構成し、Ｘ界磁とＹ界磁の間に直動案内機構を設け、Ｙ界磁に対してＸ界磁をＸ方向に移動させるように取り付けているので、Ｙ界磁をＸ方向に移動させずにＹ方向のみ移動させ、Ｘ界磁をＸ方向とＹ方向に移動させることができる。
つまり、Ｘ界磁に負荷を取り付けることで、負荷をＸ方向とＹ方向に移動できる。Ｙ界磁のＸ方向長をＸ界磁のＸ方向長に合わせて大きくする必要がないため、界磁とする可動子の重量を低減することができる。また、Ｘ界磁はＸ方向成分のみの界磁磁束を作る永久磁石で構成され、Ｙ界磁はＹ方向成分のみの界磁磁束を作る永久磁石で構成されるので。界磁磁束のＸ方向成分とＹ方向成分の両方を増大できるため、両方向の推力を大きくすることができる。
請求項９に記載の発明によると、Ｘ方向とＹ方向を直交する２方向としているので、ＸＹ座標系の平面における移動が可能となる。
請求項１０に記載の発明によると、Ｘ方向を周方向（θ方向）、Ｙ方向を径方向（Ｒ方向）とする２方向としているので、Ｒθ座標系の極座標面における移動が可能となる。
請求項１１に記載の発明によると、Ｘ方向を周方向（θ方向）、Ｙ方向を径方向（Ｚ方向）とする２方向としているので、Ｚθ座標系の曲面における移動が可能となる。

本発明の実施形態１における２自由度アクチュエータの上面図 図１のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態２における２自由度アクチュエータの上面図 図３のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態３における２自由度アクチュエータの上面図 本発明の実施形態４における２自由度アクチュエータの上面図 本発明の実施形態５における２自由度アクチュエータの上面図 図７のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態６における２自由度アクチュエータの上面図 図９のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態７における２自由度アクチュエータの上面図 図１１のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態８における２自由度アクチュエータの上面図 図１３のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態９における２自由度アクチュエータの上面図 本発明の実施形態10における２自由度アクチュエータの上面図 図１６のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態11における２自由度アクチュエータの上面図 図１８のＡ−Ａ断面図 本発明の実施形態１２における２自由度アクチュエータの上面図 図２０のＡ−Ａ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。

＜実施形態１＞
図１は本発明の実施形態１における２自由度アクチュエータの上面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。これら図において、１０が界磁、１１が永久磁石、１２がヨーク、１００が電機子、１０１がコイル、１０２がフレーム、１２０がＸ電機子巻線、１３０がＹ電機子巻線である。
実施形態１は、電機子を構成するＸ電機子巻線１２０とＹ電機子巻線１３０を、界磁上にＸ方向とＹ方向で形成される平面と直交する方向に重ねて配置した２由度アクチュエータを構成しており、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向長をＷａｘ、Ｙ電機子巻線１３０のＹ方向長をＷａｙ、界磁１０のＸ方向長をＷｍｘ、界磁１０のＹ方向長をＷｍｙとした場合、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙとして構成した点を特徴としている。
実施形態１の２自由度アクチュエータは、直交するＸ方向とＹ方向に推力を発生し、界磁１０に対して電機子１００がＸＹ座標系の平面上を移動するものである。界磁１０は多数の永久磁石１１と１個のヨーク１２から構成されている。ヨーク１２上には表面をＮ極とする永久磁石１１がＸ方向にλ間隔に並べられ、表面をＳ極とする永久磁石１１がＸ方向にλ間隔に並べられている。さらに、表面をＮ極とする永久磁石１１の列と表面をＳ極とする永久磁石１１の列はＹ方向にλ／２間隔で交互に配置されている。このように構成された界磁１０は、Ｘ方向に磁極を形成するとともにＹ方向にも磁極を形成することになる。一方、電機子１００はＸ電機子巻線１２０とＹ電機子巻線１３０、それらを支持するフレーム１０２から構成されている。Ｘ方向に推力を発生する３相のＸ電機子巻線１２０は３個のコイル１０１から構成され、Ｙ方向に推力を発生する３相のＹ電機子巻線１３０は９個のコイル１０１から構成されている。Ｘ電機子巻線１２０とＹ電機子巻線１３０はギャップ方向に重ねて配置され、フレーム１０２に図示しないモールド樹脂によって一体に固着されている。また、電機子１００は図示しない支持案内機構によって、界磁１０に対してＸ方向とＹ方向の両方向に相対的に移動できるようになっている。
さらに、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向長Ｗａｘ、Ｙ電機子巻線１３０のＹ方向長Ｗａｙ、界磁１０のＸ方向長Ｗｍｘ、界磁１０のＹ方向長Ｗｍｙの間には、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
の関係がある。つまり、ストロークＸ方向長がＷｍｘ−Ｗａｘとなるように界磁１０のＸ方向長を大きくし、ストロークＹ方向長がＷａｙ−Ｗｍｙとなるように電機子１００のＹ方向長を大きくしている。

以上のような構成において、界磁１０のＸ方向の磁極に合わせＸ電機子巻線１２０に３相の交流電流を通電することでＸ方向に推力を発生させることができる。また、界磁１０のＹ方向の磁極に合わせＹ電機子巻線１３０に３相の交流電流を通電することでＹ方向に推力を発生させることができる。よって、電機子１００は界磁１０に対してＸＹ座標系の平面上を相対的に移動することができる。

以上のような構成により、界磁の平面エリアは界磁のＸ方向長（＝電機子のＸ方向長＋ストロークＸ方向長）と界磁のＹ方向長（＝電機子のＹ方向長−ストロークＹ方向長）の積となり、従来技術に比べ格段に小さくなる。界磁の平面エリアが小さいと、その重量も比例して小さくなる。よって、２自由度アクチュエータを支持する装置ベースを小さくすることができ、装置全体を小形化することができる。

＜実施形態２＞
図３は実施形態２における２自由度アクチュエータの上面図、図４は図３におけるＡ−Ａ断面図である。これら図において、１２２がＸフレーム、１３２がＹフレーム、２００が直動案内である。
実施形態２が実施形態１と異なる点は、電機子を構成するＸ電機子巻線１２０とＹ電機子巻線１３０を、界磁上にＸ方向とＹ方向で形成される同一平面内に隣接して配置すると共に、Ｘ電機子巻線１２０に対しＹ電機子巻線１３０をＹ方向に移動可能なようにしている点である。
具体的には、電機子１００はＸフレーム１２２に図示しないモールド樹脂によって一体に固着されたＸ電機子巻線１２０、Ｙフレーム１３２に同じくモールド樹脂によって一体に固着されたＹ電機子巻線１３０、そしてＸフレーム１２２とＹフレーム１３２の間に設けられた直動案内２００によって構成されている。Ｘ方向に推力を発生する３相のＸ電機子巻線１２０は３個のコイル１０１から構成され、Ｙ方向に推力を発生する３相のＹ電機子巻線１３０は９個のコイル１０１から構成されている。直動案内２００はＸフレーム１２２とＹフレーム１３２の間に配置されており、Ｘ電機子巻線１２０に対してＹ電機子巻線１３０をＹ方向に移動できるように支持案内している。また、Ｘ電機子巻線１２０は図示しない支持案内機構によって、界磁１０に対してＸ方向のみ相対的に移動できるようになっている。
ここで、Ｘ電機子巻線１２０のＹ方向長は実施形態１のものに比べかなり小さくなっており、界磁１０のＹ方向長とほぼ等しい長さになっている。さらに、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向長Ｗａｘ、Ｙ電機子巻線１３０のＹ方向長Ｗａｙ、界磁１０のＸ方向長Ｗｍｘ、界磁１０のＹ方向長Ｗｍｙの間には、実施形態１と同様に、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
の関係がある。

このような構成により、Ｘ電機子巻線をＹ方向に移動させずＸ方向のみ移動させ、Ｙ電機子巻線をＸ方向とＹ方向に移動させることができる。つまり、Ｙ電機子巻線に負荷を取り付けることで、負荷をＸ方向とＹ方向に移動できる。Ｘ電機子巻線のＹ方向長をＹ電機子巻線のＹ方向長に合わせて大きくする必要がないため、所定の推力に対するＸ電機子巻線の発生銅損を小さくできる。同じ発生量の銅損を許容できるとすれば、Ｘ方向の推力を実施形態１よりも大きくすることができる。

＜実施形態３＞
図５は実施形態３における２自由度アクチュエータの上面図である。
実施形態３が実施形態１と異なる点は、１個の界磁１０上に複数の電機子１００を配置して構成した点である。図５は電機子１００を２個配置した例である。それぞれの電機子１００は別の駆動装置によって制御されるため、個別の移動が可能である。

このような構成により、界磁とする固定子上で電機子とする複数の可動子を個別に移動させることができ、装置の作業効率を高めることができる。

＜実施形態４＞
図６は実施形態４における２自由度アクチュエータの上面図である。
実施形態４が実施形態２と異なる点は、１個の界磁１０上に複数のＹ電機子巻線１３０を配置して構成した点である。図６はＹ電機子巻線１３０を２個配置した例である。
電機子１００は１組のＸフレーム１２２とＸ電機子巻線１２０、２組のＹフレーム１３２とＹ電機子巻線１３０、そしてＸフレーム１２２とＹフレーム１３２をつなぐ２個の直動案内２００から構成されている。直動案内２００によって、Ｙ電機子巻線１３０はＸ電機子巻線１２０に対してＹ方向に移動可能となっている。なお、Ｙ電機子巻線１３０のＸ方向の動きは、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向の動きに制約され連動することになる。また、Ｘ電機子巻線１２０は図示しない支持案内機構によって、界磁１０に対してＸ方向のみ相対的に移動できるようになっている。

このような構成により、実施形態３と同じく、界磁とする固定子上で電機子とする複数の可動子を個別に移動させることができ、装置の作業効率を高めることができる。特に、複数の可動子がＸ方向に連動しても良い用途では、Ｘ電機子巻線を複数設ける必要がないため、実施形態３よりも簡素かつ安価にすることができる。

＜実施形態５＞
図７は実施形態５における２自由度アクチュエータの上面図、図８は図７におけるＡ−Ａ断面図である。これら図において、２０がＸ界磁、２１がＸ永久磁石、２２がＸヨーク、３０がＹ界磁、３１がＹ永久磁石、３２がＹヨークである。
実施形態５が実施形態２と異なる点は、実施形態２がＸ電機子巻線１２０に対しＹ電機子巻線１３０をＹ方向移動可能なように取り付けて構成していたのに対し、実施形態５がＹ界磁３０に対しＸ界磁２０をＸ方向移動可能なように取り付けて構成した点である。界磁１０はＸ界磁２０とＹ界磁３０、そしてＸ界磁２０をＸ方向に移動可能なように支持案内する直動案内２００から構成されている。Ｘ界磁２０はＸヨーク２２と複数のＸ永久磁石２１から構成され、Ｙ界磁３０はＹヨーク３２と複数のＹ永久磁石３１から構成されている。Ｘ界磁２０はＸ方向成分のみの界磁磁束を作るようにＸ永久磁石２１が隣りと異極になるように並べて構成され、Ｙ界磁３０はＹ方向成分のみの界磁磁束を作るようにＹ永久磁石３１が隣りと異極になるように並べて構成されている。そして、Ｘヨーク２１とＹヨーク３１の間には直動案内２００が設置されている。また、Ｙ界磁３０は図示しない支持案内機構によって、Ｘ界磁２０に対してＹ方向のみ相対的に移動できるようになっている。一方、電機子１００は実施形態１と同じように構成されている。
さらに、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向長Ｗａｘ、Ｙ電機子巻線１３０のＹ方向長Ｗａｙ、Ｘ界磁２０のＸ方向長Ｗｍｘ、界磁１０のＹ方向長Ｗｍｙの間には、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
の関係がある。

このような構成により、Ｙ界磁をＸ方向に移動させずにＹ方向のみ移動させ、Ｘ界磁をＸ方向とＹ方向に移動させることができる。つまり、Ｘ界磁に負荷を取り付けることで、負荷をＸ方向とＹ方向に移動できる。Ｙ界磁のＸ方向長をＸ界磁のＸ方向長に合わせて大きくする必要がないため、界磁とする可動子の重量を低減することができる。また、Ｘ界磁はＸ方向成分のみの界磁磁束を作る永久磁石で構成され、Ｙ界磁はＹ方向成分のみの界磁磁束を作る永久磁石で構成されるので、界磁磁束のＸ方向成分とＹ方向成分の両方を増大でき、両方向の推力を大きくすることができる。

＜実施形態６＞
図９は実施形態６における２自由度アクチュエータの上面図、図１０は図９におけるＡ−Ａ断面図である。これら図において、１５は連結部材である。
実施形態６が実施形態１と異なる点は、界磁１０をＸ界磁２０とＹ界磁３０で構成し、Ｘ電機子巻線１２０の近い面にＸ界磁２０を対向させ、もう一方のＹ電機子巻線１３０の近い面にＹ界磁３０を対向させた点である。電機子１００はＸ電機子巻線１２０とＹ電機子巻線１３０がギャップ方向に重ねて配置され、図示しないモールド樹脂によりフレーム１０２と一体に固着されて構成されている。Ｙ方向に推力を発生するＹ電機子巻線１３０は３相であり９個のコイル１０１から構成されている。一方、Ｘ方向に推力を発生するＸ電機子巻線１２０は単相であり１個のコイル１０１から構成されている。従って、実施形態６における２自由度アクチュエータはＹ方向に粗動、Ｘ方向に微動するものである。界磁１０はＸ界磁２０、Ｙ界磁３０、そして、Ｘ界磁２０とＹ界磁３０を固定する連結部材１５から構成されている。Ｘ界磁２０はＸヨーク２２と２個のＸ永久磁石２１から構成され、Ｙ界磁３０はＹヨーク３２と４個のＹ永久磁石３１から構成されている。Ｘ界磁２０はＸ方向成分のみの界磁磁束を作るようにＸ永久磁石２１が隣りと異極になるように並べて構成され、Ｙ界磁３０はＹ方向成分のみの界磁磁束を作るようにＹ永久磁石３１が隣りと異極になるように並べて構成されている。そして、Ｘ界磁２０はＸ電機子巻線１２０に近い面、Ｙ界磁３０はＹ電機子巻線１３０に近い面に配置され、連結部材１５によって一体に固定されている。また、界磁１０は図示しない支持案内機構によって、電機子１００に対してＸ方向とＹ方向の両方向に相対的に移動できるようになっている。

このような構成により、Ｘ電機子巻線がＸ方向成分の大きな界磁磁束を鎖交し、Ｙ電機子巻線がＹ方向成分の大きな界磁磁束を鎖交することができる。つまり、Ｘ方向とＹ方向の両方向に大きな推力を発生させることができる。

＜実施形態７＞
図１１は実施形態７における２自由度アクチュエータの上面図、図１２図は図１１おけるＡ−Ａ断面図である。
実施形態７が実施形態６と異なる点は、実施形態６の構造において、さらにＸ電機子巻線のＸ方向長をＷａｘ、Ｙ電機子巻線のＹ方向長をＷａｙ、界磁のＸ方向長をＷｍｘ、界磁のＹ方向長をＷｍｙとした場合、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
として構成した点である。また、実施形態６とは異なり、実施形態７ではストロークＸ方向長も大きくなるため、Ｙ電機子巻線１３０は３相として構成されている。よって、電機子１００は実施形態１とまったく同じ構成となっている。一方、界磁１０はＸ界磁２０、Ｙ界磁３０、そして、Ｘ界磁２０とＹ界磁３０を固定する連結部材１５から構成されている。Ｘ界磁２０とＹ界磁３０は、それぞれＸヨーク２２と多数のＸ永久磁石２１、Ｙヨーク３２と４個のＹ永久磁石３１により構成されている。Ｘ界磁２０はＸ方向成分のみの界磁磁束を作るようにＸ永久磁石２１が隣りと異極になるように並べて構成され、Ｙ界磁３０はＹ方向成分のみの界磁磁束を作るようにＹ永久磁石３１が隣りと異極になるように並べて構成されている。そして、Ｘ界磁２０はＸ電機子巻線１２０に近い面、Ｙ界磁３０はＹ電機子巻線１３０に近い面に配置され、連結部材１５によって一体に固定されている。また、界磁１０は図示しない支持案内機構によって、電機子１００に対してＸ方向とＹ方向の両方向に相対的に移動できるようになっている。
さらに、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向長Ｗａｘ、Ｙ電機子巻線１３０のＹ方向長Ｗａｙ、界磁１０のＸ方向長Ｗｍｘ、界磁１０のＹ方向長Ｗｍｙの間には、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
の関係がある。

このような構成により、実施形態１の効果と同じく、界磁の平面エリアを小さくでき、装置全体を小形化することができる。さらには、実施形態６の効果と同じく、Ｘ方向とＹ方向の両方向に大きな推力を発生させることができる。

＜実施形態８＞
図１３は実施形態８における２自由度アクチュエータの上面図、図１４は図１３におけるＡ−Ａ断面図である。
実施形態８が実施形態７と異なる点は、Ｘ電機子巻線１２０とＹ電機子巻線１３０をギャップ方向に重ねて配置させ、Ｘ電機子巻線１２０に対し、Ｙ電機子巻線１３０をＹ方向に移動可能なようにしている点である。電機子１００は、Ｘフレーム１２２に図示しないモールド樹脂によって一体に固着されたＸ電機子巻線１２０、Ｙフレーム１３２に同じくモールド樹脂によって一体に固着されたＹ電機子巻線１３０、そしてＸフレーム１２２とＹフレーム１３２の間に設けられた２個の直動案内２００によって構成されている。３相のＸ電機子巻線１２０は３個のコイル１０１から構成され、３相のＹ電機子巻線１３０は９個のコイル１０１から構成されている。直動案内２００はＸフレーム１２２とＹフレーム１３２の両側面に配置されており、Ｘ電機子巻線１２０に対してＹ電機子巻線１３０をＹ方向に移動できるように支持案内している。また、Ｘ電機子巻線１２０は図示しない支持案内機構によって、界磁１０に対してＸ方向のみ相対的に移動できるようになっている。
ここで、Ｘ電機子巻線１２０のＹ方向長は実施形態７のものに比べかなり小さくなっており、界磁１０のＹ方向長とほぼ等しい長さになっている。さらに、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向長Ｗａｘ、Ｙ電機子巻線１３０のＹ方向長Ｗａｙ、界磁１０のＸ方向長Ｗｍｘ、界磁１０のＹ方向長Ｗｍｙの間には、実施形態７と同様に、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
の関係がある。

このような構成により、実施形態７の効果と同じく、界磁の平面エリアを小さくでき、装置全体を小形化することができると共に、Ｘ方向とＹ方向の両方向に大きな推力を発生させることができる。さらに、実施形態２の効果と同じく、Ｘ電機子巻線のＹ方向長をＹ電機子巻線のＹ方向長に合わせて大きくする必要がないため、所定の推力に対するＸ電機子巻線の発生銅損を小さくできる。つまり、同じ発生量の銅損を許容できるとすれば、Ｘ方向の推力を実施形態７よりも大きくすることができる。

＜実施形態９＞
図１５は実施形態９における２自由度アクチュエータの上面図である。
実施形態９の電機子１００と界磁１０は実施形態７と同じである。実施形態９が実施形態７と異なる点は、１個の界磁１０内に複数の電機子１００を配置して構成した点である。図１５は電機子１００を２個配置した例である。それぞれの電機子１００は別の駆動装置によって制御されるため、個別の移動が可能である。

このような構成により、界磁とする固定子上で電機子とする複数の可動子を個別に移動させることができ、装置の作業効率を高めることができる。

＜実施形態１０＞
図１６は実施形態１０における２自由度アクチュエータの上面図、図１７は図１６におけるＡ−Ａ断面図である。
実施形態10が実施形態９と異なる点は、Ｘ電機子巻線１２０に対しＹ方向に移動可能にした複数のＹ電機子巻線１２０を配置して構成した点である。図１６、１７はＹ電機子巻線１３０を２個配置した例である。電機子１００は、Ｘフレーム１２２に図示しないモールド樹脂によって一体に固着されたＸ電機子巻線１２０、Ｙフレーム１３２に同じくモールド樹脂によって一体に固着されたＹ電機子巻線１３０、そしてＸフレーム１２２とＹフレーム１３２の間に設けられた２個の直動案内２００によって構成されている。３相のＸ電機子巻線１２０は９個のコイル１０１から構成され、Ｙ方向に推力を発生する３相のＹ電機子巻線１３０は９個のコイル１０１から構成されている。２個の直動案内２００はＸフレーム１２２と２組のＹフレーム１３２のそれぞれ片側面に配置されており、Ｘ電機子巻線１２０に対して２組のＹ電機子巻線１３０をＹ方向に個別に移動できるように支持案内している。また、Ｘ電機子巻線１２０は図示しない支持案内機構によって、界磁１０に対してＸ方向のみ相対的に移動できるようになっている。
ここで、Ｘ電機子巻線１２０のＹ方向長は実施形態９のものに比べかなり小さくなっており、界磁１０のＹ方向長とほぼ等しい長さになっている。さらに、Ｘ電機子巻線１２０のＸ方向長Ｗａｘ、Ｙ電機子巻線１３０のＹ方向長Ｗａｙ、界磁１０のＸ方向長Ｗｍｘ、界磁１０のＹ方向長Ｗｍｙの間には、実施形態９と同様に、
Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
の関係がある。

このような構成により、実施形態９の効果と同じく、界磁とする固定子上で電機子とする複数の可動子を個別に移動させることができ、装置の作業効率を高めることができる。特に、複数の可動子がＸ方向に連動しても良い用途では、Ｘ電機子巻線を複数設ける必要がないため、実施形態９よりも簡素かつ安価にすることができる。

＜実施形態１１＞
図２０は実施形態11における２自由度アクチュエータの上面図である。
実施形態11が実施形態１と異なる点は、実施形態１がＸ方向とＹ方向を直交する２方向としていたのに対し、実施形態11がＸ方向を周方向（θ方向）、Ｙ方向を径方向（Ｒ方向）とする２方向として構成した点である。電機子１００は実施形態１と同じ構成である。界磁１００は扇形のヨーク１２上に永久磁石１１をＲθ座標系に沿って配置させて構成している。

このような構成により、Ｒθ座標系の極座標面における移動が可能である。

＜実施形態１２＞
図２１は実施形態１２における２自由度アクチュエータの断面図である。
実施形態１２が実施形態１、実施形態１１と異なる点は、実施形態１がＸ方向とＹ方向を直交する２方向、実施形態11がＸ方向を周方向（θ方向）、Ｙ方向を径方向（Ｒ方向）とする２方向としていたのに対し、実施形態１２がＸ方向を周方向（θ方向）、Ｙ方向を軸方向（Ｚ方向）とする２方向として構成した点である。電機子１００は実施形態１と同じ構成である。界磁１００は円弧形のヨーク１２上に永久磁石１１をＺθ座標系に沿って配置させて構成している。

このような構成により、Ｚθ座標系の曲面における移動が可能である。

また、実施形態１〜実施形態１２では、電機子にコアがないもので説明したが、スロットを設けたコアを設け、スロットに電機子巻線を施した構成としても、本発明のすべての効果を得られることは言うまでもない。また、実施形態１１、実施形態１２は実施形態１をもとにした構成で説明したが、他の実施形態をもとにして構成しても同様の効果を得られることは言うまでもない。

本発明の２自由度アクチュエータは、従来のものに比べ界磁の平面エリアを小さくし重量を低減できるので、ガントリ形ステージのＹ軸可動部上に設けられるＸ軸・Ｚ軸駆動の２自由度アクチュエータとして使用することができる。

１０ 界磁
１１ 永久磁石
１２ ヨーク
２０ Ｘ界磁
２１ Ｘ永久磁石
２２ Ｘヨーク
３０ Ｙ界磁
３１ Ｙ永久磁石
３２ Ｙヨーク
１００ 電機子
１０１ コイル
１０２ フレーム
１０５ 連結部材
１２０ Ｘ電機子巻線
１２２ Ｘフレーム
１３０ Ｙ電機子巻線
１３２ Ｙフレーム
２００ 直動案内

Claims (11)

1. Ｘ方向に推力を発生させるＸ電機子巻線とＸ方向とは異なるＹ方向に推力を発生させるＹ電機子巻線とで構成された電機子と、
   前記電機子と磁気的空隙を介して対向配置すると共に、Ｘ方向とＹ方向に磁極を形成する界磁と、
   を備え、前記Ｘ電機子巻線のＸ方向長をＷａｘ、前記Ｙ電機子巻線のＹ方向長をＷａｙ、前記界磁のＸ方向長をＷｍｘ、前記界磁のＹ方向長をＷｍｙとした場合、
   Ｗａｘ ≦ Ｗｍｘ、かつ、Ｗａｙ ≧ Ｗｍｙ
   の関係に構成してあり、
   前記界磁に対し前記電機子を相対的にＸ方向とＹ方向に移動させるようにしたことを特徴とする２自由度アクチュエータ。
2. 前記電機子を構成する前記Ｘ電機子巻線と前記Ｙ電機子巻線を、前記界磁上にＸ方向とＹ方向で形成される同一平面内に隣接して配置した請求項１記載の２自由度アクチュエータ。
3. 前記Ｘ電機子巻線と前記Ｙ電機子巻線の間に直動案内機構を設け、前記Ｘ電機子巻線に対して前記Ｙ電機子巻線をＹ方向に移動させるようにした請求項１または２記載の２自由度アクチュエータ。
4. １個の前記界磁に、１個の前記Ｘ電機子巻線と複数個の前記Ｙ電機子巻線を配置した請求項１または２に記載の２自由度アクチュエータ。
5. 前記電機子を構成する前記Ｘ電機子巻線と前記Ｙ電機子巻線を、前記界磁上にＸ方向とＹ方向で形成される平面と直交する方向に重ねて配置した請求項１記載の２自由度アクチュエータ。
6. １個の前記界磁に、前記電機子を複数個配置した請求項１または５に記載の２自由度アクチュエータ。
7. 前記界磁を、Ｘ方向に磁極を形成するＸ界磁とＹ方向に磁極を形成するＹ界磁とで構成すると共に、
   前記Ｘ界磁と前記Ｙ界磁の間に直動案内機構を設け、前記Ｙ界磁に対して前記Ｘ界磁をＸ方向に移動させるようにした請求項１または５記載の２自由アクチュエータ。
8. 前記界磁を、Ｘ方向に磁極を形成するＸ界磁とＹ方向に磁極を形成するＹ界磁とで構成すると共に、一方の前記Ｘ電機子巻線と近接した面に前記Ｘ界磁を対向させ、他方の前記Ｙ電機子巻線と近接した面に前記Ｙ界磁を対向させた請求項１または５記載の２自由度アクチュエータ。
9. 前記電機子と前記界磁が配置されるＸ方向とＹ方向を互いに直交する２方向とした請求項１〜８記載の２自由度アクチュエータ。
10. 前記Ｘ方向を周方向（θ方向）、前記Ｙ方向を径方向（Ｒ方向）とする２方向とした請求項１〜８記載の２自由度アクチュエータ。
11. 前記Ｘ方向を周方向（θ方向）、前記Ｙ方向を軸方向（Ｚ方向）とする２方向とした請求項１〜８記載の２自由度アクチュエータ。

Images