JP2016537948A - 密封スイッチトリラクタンスモータ - Google Patents

Abstract

少なくとも１つのロータ突極を有する密封ロータと、少なくとも１つのステータ突極を備えるステータであって、少なくとも１つのステータ突極が、ステータ突極と関連する励磁巻線を有し、少なくとも１つのステータ突極と、少なくとも１つのロータ突極との間に、軸方向磁束回路を生じさせるために、少なくとも１つのロータ突極と相互作用する、ステータと、を備える、モータ。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１３年１１月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／９０３，７９２号の利益を主張する通常出願であって、その開示内容の全ては、参照により本明細書に組み込まれる。

［技術分野］
例示的な実施形態は、概して、真空または腐食性環境、たとえば、基板処理装置内において使用されるモータに関する。

一般的に、半導体製造などの適用において使用されるモータは、典型的には、ブラシレス直流モータとして構成される。これらの適用のためのロータは、一般的に、希土類の材料を組み込む複数の永久磁石を含んでもよい。永久磁石をロータに接着するために、特別な取り付け具が必要となり得る。たとえば、作動のための永久磁石モータおよび位置計測のための光学エンコーダを使用する既存の直結駆動技術は、たとえば、直結駆動装置の磁石、接着された構成部分、密封部、腐食性材料が、超高真空ならびに／または攻撃性および腐食性環境に露出されるとき、著しい制限を示す。腐食性または高真空環境中で作動し続けるために、永久磁石は、一般的に、磁石の劣化を避けるために封入または密封される必要がある。

これらの適用のためのステータは、通常、複雑なスロット形状、複数の相、および重なったコイルを有し、積層された強磁性材料で構築される。従来の積層ステータの構築は、適切な組立て、積層の接着、コイルの巻き付けおよび設置、ならびに、厳格な公差を満たすための適切な機械加工を確実にするために、複数の複雑な製造工程を必要とする。

真空に適応可能であり、耐腐食性を有し、非積層型であり、希土類の材料を利用しないロータを提供することは有利となり得る。単純化された構築による非積層型のステータを使用することもまた、有利となり得る。結果として渦電流および鉄損の低下につながり、より高いトルク容量を提供する、より短い磁束通路を有するモータを提供することはさらに有利となる。

開示される実施形態の前述の態様および他の特徴が、添付の図面と関連して、以下の記載において説明される。

開示される実施形態の態様による基板処理装置またはツールの概略図を示す。 開示される実施形態の態様による基板処理装置またはツールの概略図を示す。 開示される実施形態の態様による基板処理装置またはツールの概略図を示す。 開示される実施形態の態様による基板処理装置またはツールの概略図を示す。 開示される実施形態の態様による例示的なモータを図示する。 開示される実施形態の態様による例示的なロータを図示する。 開示される実施形態の態様による例示的なステータを図示する。 開示される実施形態の態様によるコイル要素を示す。 開示される実施形態の態様によるコイル要素および関連するステータ極を示す。 開示される実施形態の態様によるロータ、ステータ、およびコイル要素の例示的なアセンブリを示す。 開示される実施形態の態様による例示的なロータを示す。 開示される実施形態の態様による例示的なロータを示す。 開示される実施形態の態様による例示的なロータを示す。 開示される実施形態の態様による、ロボット駆動装置に一体化されたロータ、ステータおよびコイル要素を示す。 開示される実施形態の態様によるコイル要素の例示的な接続を示す。 開示される実施形態の態様による例示的な軸方向磁束モータを示す。 開示される実施形態の態様による軸方向磁束モータの部分断面図を示す。 従来の径方向磁束機における磁束流を示す。 開示される実施形態の態様による軸方向磁束機における磁束流を示す。 開示される実施形態の態様による例示的な軸方向磁束モータを図示する。 開示される実施形態の態様によるステータ極を示す。 開示される実施形態の態様によるステータモジュール、ロータおよび隔離壁を示す。 開示される実施形態の態様による例示的な軸方向磁束機の別の態様を示す。 開示される実施形態の態様による例示的なロータを示す。 開示される実施形態の態様による例示的なロータを示す。 図１８Ａは、開示される実施形態の態様による、例示的な転換シーケンスの一段階における、ステータの巻線およびロータの例示的なセットの上面図を示す。図１８Ｂ〜Ｈは、開示される実施形態の態様による例示的な転換シーケンスを示す。

図１Ａ〜１Ｄを参照すると、本明細書においてさらに開示されるような、開示される実施形態の態様を組み込んだ基板処理装置またはツールの概略図が示される。

図１Ａおよび１Ｂを参照すると、たとえば、半導体ツールステーション１０９０などの処理装置が、開示される実施形態の態様に応じて示される。図中に半導体ツールが示されるが、本明細書で説明される、開示される実施形態の態様は、ロボットマニピュレータを使用する、いずれのツールステーションまたは応用例にも適用可能である。この例において、ツール１０９０はクラスターツールとして示されるが、開示される実施形態の態様は、たとえば、その開示内容の全てが、参照により本明細書に組み込まれる、２００６年３月２６日に出願された、「Ｌｉｎｅａｒｌｙ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｏｏｌ」と題された、米国特許出願第１１／４４２，５１１号明細書に記載されたような、図１Ｃおよび１Ｄに示されるもののような線形ツールステーションなどの、任意のツールステーションに適用されてもよい。ツールステーション１０９０は、一般的に、大気フロントエンド１０００、真空ロードロック１０１０、および真空バックエンド１０２０を含む。他の態様では、ツールステーションは、任意の適切な構成を有してもよい。フロントエンド１０００、ロードロック１０１０、バックエンド１０２０のそれぞれの構成要素は、たとえば、クラスタ化されたアーキテクチャ制御などの、任意の適切な制御アーキテクチャの一部であってもよい制御装置１０９１に接続されてもよい。制御システムは、その開示内容の全てが、参照により本明細書に組み込まれる、２０１１年３月８日に発行された、「Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された、米国特許第７，９０４，１８２号明細書に記載されたもののような、主制御装置、クラスタ制御装置および自律型遠隔制御装置を有する閉ループ制御装置であってもよい。他の態様では、任意の適切な制御装置および／または制御システムが利用されてもよい。

ある態様では、フロントエンド１０００は、一般的に、ロードポートモジュール１００５、および、たとえばイクイップメントフロントエンドモジュール（ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｆｒｏｎｔ ｅｎｄ ｍｏｄｕｌｅ）（ＥＦＥＭ）などのミニエンバイロメント１０６０を含む。ロードポートモジュール１００５は、３００ｍｍロードポート、前開き型または底開き型ボックス／ポッドおよびカセットのためのＳＥＭＩ規格Ｅ１５．１、Ｅ４７．１、Ｅ６２、Ｅ１９．５またはＥ１．９に適合したボックスオープナー／ローダーツール標準（ＢＯＬＴＳ）インターフェースであってもよい。他の態様では、ロードポートモジュールは、２００ｍｍウェハインターフェースとして、または、たとえば、大型もしくは小型のウェハもしくは平面パネルディスプレイ用の平面パネルなどの、他の任意の適切な基板インターフェースとして構成されてもよい。図１Ａに２つのロードポートモジュールが示されるが、他の態様では、任意の適切な数のロードポートモジュールがフロントエンド１０００に組み込まれてもよい。ロードポートモジュール１００５は、オーバーヘッド型搬送システム、無人搬送車、有人搬送車、レール型搬送車、または他の任意の適切な搬送手段から、基板キャリアまたはカセット１０５０を受容するように構成されていてもよい。ロードポートモジュール１００５は、ロードポート１０４０を通じて、ミニエンバイロメント１０６０と接続してもよい。ロードポート１０４０は、基板カセット１０５０とミニエンバイロメント１０６０との間で、基板の通過を可能にしてもよい。ミニエンバイロメント１０６０は、一般的に、本明細書で説明される、開示される実施形態の１つまたは複数の態様を組み込んでもよい、任意の適切な移送ロボット１０１３を含む。ある態様では、ロボット１０１３は、たとえば、その開示内容の全てが、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，００２，８４０号明細書に記載されたもののような、走路搭載型ロボットであってもよい。ミニエンバイロメント１０６０は、複数のロードポートモジュール間での基板移送のための、制御されたクリーンゾーンを提供してもよい。

真空ロードロック１０１０は、ミニエンバイロメント１０６０とバックエンド１０２０との間に位置して、ミニエンバイロメント１０６０とバックエンド１０２０とに接続されてもよい。本明細書において使用される真空という用語は、基板が処理される、１０^-5Ｔｏｒｒ以下のような高真空を意味してもよい。ロードロック１０１０は、一般的に、大気および真空スロットバルブを含む。スロットバルブは、大気フロントエンドから基板を搭載した後に、ロードロック内を排気するために使用され、および、窒素などの不活性ガスを用いてロック内に通気するときに、搬送チャンバ内の真空を維持するために使用される環境隔離を提供する。ロードロック１０１０は、基板の基準を、処理に望ましい位置に揃えるためのアライナ１０１１を含んでいてもよい。他の態様では、真空ロードロックは、処理装置の任意の適切な場所に設置されていてもよく、任意の適切な構成を有していてもよい。

真空バックエンド１０２０は、一般的に、搬送チャンバ１０２５、１つまたは複数の処理ステーション１０３０、および、本明細書で説明される、開示される実施形態の１つまたは複数の態様を含んでいてもよい任意の適切な移送ロボット１０１４を含む。移送ロボット１０１４は、以下において説明されるが、ロードロック１０１０と様々な処理ステーション１０３０との間で基板を搬送するために、搬送チャンバ１０２５内に位置していてもよい。処理ステーション１０３０は、様々な、成膜、エッチング、または他の種類の処理を通じて、基板上に電気回路または他の望ましい構造体を形成するために、基板に対して動作してもよい。典型的な処理は、限定されないが、プラズマエッチングまたは他のエッチング処理、化学蒸着（ＣＶＤ）、プラズマ蒸着（ＰＶＤ）、イオン注入などの注入、測定、急速熱処理（ＲＴＰ）、乾燥細片原子層成膜（ＡＬＤ）、酸化／拡散、窒化物の形成、真空リソグラフィ、エピタキシ（ＥＰＩ）、ワイヤボンダ、および蒸発などの、真空を使用する薄膜処理、または他の真空圧を使用する薄膜処理を含む。搬送チャンバ１０２５から処理ステーション１０３０に、またはその逆に、基板を通過させることを可能にするように、処理ステーション１０３０は、搬送チャンバ１０２５に接続される。

次に図１Ｃを参照すると、ツールインターフェースセクション２０１２が、概して搬送チャンバ３０１８の長手方向軸Ｘに（例えば内向きに）向くが、搬送チャンバ３０１８の長手方向軸Ｘからずれるように、ツールインターフェースセクション２０１２が、搬送チャンバモジュール３０１８に取り付けられている線形基板処理システム２０１０の概略平面図が示される。搬送チャンバモジュール３０１８は、すでに参照により本明細書に組み込まれた、米国特許出願第１１／４４２，５１１号明細書に記載されたように、他の搬送チャンバモジュール３０１８Ａ、３０１８Ｉ、３０１８Ｊを、インターフェースセクション２０５０、２０６０、２０７０に取り付けることによって、任意の適切な方向に延長されてもよい。各搬送チャンバモジュール３０１８、３０１９Ａ、３０１８Ｉ、３０１８Ｊは、基板を、処理システム２０１０の全体に亘って、および、たとえば処理モジュールＰＭの内外へ搬送するために、本明細書で説明される、開示される実施形態の１つまたは複数の態様を含んでもよい任意の適切な基板搬送部２０８０を含んでいる。理解できるように、各チャンバモジュールは、隔離された、または制御された雰囲気（たとえば、Ｎ２、清浄空気、真空）を維持することが可能であってもよい。

図１Ｄを参照すると、線形搬送チャンバ４１６の長手方向軸Ｘに沿った、例示的な処理ツール４１０の概略的な立面図が示される。図１Ｄに示される、開示される実施形態の態様では、ツールインターフェースセクション１２は、典型的に、搬送チャンバ４１６に接続されてもよい。この態様では、インターフェースセクション１２は、ツール搬送チャンバ４１６の一方の端部を画定してもよい。図１Ｄに見られるように、搬送チャンバ４１６は、たとえば、接続ステーション１２から反対の端部に、別のワークピース進入／退出ステーション４１２を有していてもよい。他の態様では、搬送チャンバからワークピースを挿入／除去するための他の進入／退出ステーションが設けられてもよい。ある態様では、インターフェースセクション１２および進入／退出ステーション４１２は、ツールからのワークピースの搭載および取出しを可能にしてもよい。他の態様では、ワークピースは、一方の端部からツールに搭載され、他方の端部から取り除かれてもよい。ある態様では、搬送チャンバ４１６は、１つまたは複数の搬送チャンバモジュール１８Ｂ、１８ｉを有していてもよい。各チャンバモジュールは、隔離された、または制御された雰囲気（たとえば、Ｎ２、清浄空気、真空）を維持することが可能であってもよい。既に述べられたように、図１Ｄに示される、搬送チャンバ４１６を形成する、搬送チャンバモジュール１８Ｂ、１８ｉ、ロードロックモジュール５６Ａ、５６Ｂ、およびワークピースステーションの構成／配置は例示的なものに過ぎず、他の態様では、搬送チャンバは、任意の望ましいモジュール配置で配置される、より多くのまたはより少ないモジュールを有してもよい。示された態様では、ステーション４１２はロードロックであってもよい。他の態様では、ロードロックモジュールは、（ステーション４１２に類似の）端部進入／退出ステーションの間に位置してもよく、または隣の（モジュール１８ｉに類似の）搬送チャンバモジュールは、ロードロックとして動作するように構成されてもよい。既に述べられたように、搬送チャンバモジュール１８Ｂ、１８ｉは、搬送チャンバモジュール１８Ｂ、１８ｉに位置し、本明細書で説明される、開示される実施形態の１つまたは複数の態様を含んでもよい、１つまたは複数の、対応する搬送装置２６Ｂ、２６ｉを有してもよい。それぞれの搬送チャンバモジュール１８Ｂ、１８ｉの搬送装置２６Ｂ、２６ｉは、搬送チャンバ内に線形に分散されたワークピース搬送システム４２０を提供するために連携してもよい。この態様では、搬送装置２６Ｂは、一般的なスカラ（ＳＣＡＲＡ）アーム（水平多関節ロボットアーム）構成を有してもよい（しかし他の態様では、搬送アームは、フロッグレッグ型の構成、伸縮型の構成、左右対称型の構成などの他の任意の望ましい配置を有してもよい）。図１Ｄに示される、開示される実施形態の態様では、以下においてより詳細に説明されるように、搬送装置２６Ｂのアームは、ピック／プレース場所から素早くウェハを交換する搬送を可能にする、いわゆる迅速交換配置（ｆａｓｔ ｓｗａｐ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を提供するように配置されてもよい。搬送アーム２６Ｂは、各アームに任意の適切な自由度（たとえば、Ｚ軸運動で、肩および肘関節部の周りの独立した回転）を提供するために、以下に説明されるような、適切な駆動部を有していてもよい。図１Ｄに見られるように、この態様では、モジュール５６Ａ、５６、３０ｉは、搬送チャンバモジュール１８Ｂと１８ｉとの間に介在して位置してもよく、適切な処理モジュール、１つまたは複数のロードロック、１つまたは複数のバッファステーション、１つまたは複数の測定ステーション、または他の任意の望ましい１つまたは複数のステーションを画定してもよい。たとえば、ロードロック５６Ａ、５６、およびワークピースステーション３０ｉなどの中間モジュールはそれぞれ、搬送チャンバの線形軸Ｘに沿った搬送チャンバの全長に亘って、ワークピースの搬送を可能にするために搬送アームと連携する静止型ワークピース支持部／棚５６Ｓ、５６Ｓ１、５６Ｓ２、３０Ｓ１、３０Ｓ２を有してもよい。例として、１つまたは複数のワークピースが、インターフェースセクション１２によって、搬送チャンバ４１６に搭載されてもよい。１つまたは複数のワークピースは、インターフェースセクションの搬送アーム１５を用いて、ロードロックモジュール５６Ａの１つまたは複数の支持部上に位置付けられてもよい。ロードロックモジュール５６Ａ内で、１つまたは複数のワークピースは、モジュール１８Ｂ内の搬送アーム２６Ｂによって、ロードロックモジュール５６Ａとロードロックモジュール５６との間で移動させられてもよく、同様の連続的な方法で、（モジュール１８ｉ内の）アーム２６ｉを用いて、ロードロック５６とワークピースステーション３０ｉとの間で、モジュール１８ｉ内のアーム２６ｉを用いて、ステーション３０ｉとステーション４１２との間で移動させられてもよい。１つまたは複数のワークピースを反対の方向に移動させるために、この処理は全体的に、または部分的に逆行されてもよい。したがって、ある態様では、ワークピースは、軸Ｘに沿って任意の方向に、および搬送チャンバに沿って任意の位置に移動させられてもよく、搬送チャンバと連通している、望ましいモジュール（処理モジュール、あるいは別のモジュール）に、または望ましいモジュールから、搭載または取り出されてもよい。他の態様では、静止型ワークピース支持部または棚を有する中間搬送チャンバモジュールは、搬送チャンバモジュール１８Ｂと１８ｉの間には設けられない。そのような態様では、隣接する搬送チャンバモジュールの搬送アームは、搬送チャンバを通してワークピースを移動させるために、ワークピースを、１つの搬送アームのエンドエフェクタから直接、別の搬送アームのエンドエフェクタへ受け渡してもよい。処理ステーションモジュールは、様々な、成膜、エッチング、または他の種類の処理を通じて、基板上に電気回路または他の望ましい構造体を形成するために、基板に対し動作してもよい。基板が、搬送チャンバから処理ステーションに、またはその逆に、通過することを可能にするように、処理ステーションモジュールは、搬送チャンバモジュールに接続される。図１Ｄに示された処理装置と類似の一般的特徴を有する処理ツールの適切な例は、既に参照により本明細書に組み込まれた、米国特許出願第１１／４４２，５１１号明細書に記載されている。

図２は、ロボット駆動装置２００５に一体化された例示的なモータ２０００を示す。ロボット駆動装置２００５は、任意の直結駆動またはロボット駆動の適用、たとえば、移送ロボット１０１３、移送ロボット１０１４、基板搬送部２０８０、または搬送アーム２６Ｂなどとの使用に適してもよい。モータ２０００は、少なくとも１つのステータ極２０１０、コイル要素２０１５、およびロータ２０２０を含んでもよい。図２に示される態様において、ステータ極２０１０および関連するコイル要素２０１５は、分離環境２０２５に位置し、ロータ２０２０から密封される。ロータ２０２０は、高真空（たとえば、およそ１０^-5Ｔｏｒｒ以下）または腐食性環境内に位置してもよく、非磁性の隔離壁２０３０によって、ステータ極２０１０およびコイル要素２０１５から分離されてもよい。ステータ極２０１０およびコイル要素２０１５は、大気圧環境内に位置してもよい。図面中に表示される例示的な実施形態は、本明細書において示され、説明されるように、様々な態様の特徴の説明を容易にする目的で図示される、いわゆる回転駆動構成を有している。理解できるように、回転駆動構成に関連して図示される、様々な態様の特徴は、線形駆動構成に、同様に適用可能である。

本明細書において説明される、開示される実施形態の態様は、ロータおよび他の可動部材が、固定のモータ構成要素、たとえばステータ極および関連するコイル要素から隔離される、真空または大気ロボットに適用するために使用されてもよい。開示される実施形態の態様は、任意の適切な直結駆動装置またはロボット駆動装置を動作させるための、１つまたは複数のスイッチトリラクタンスロータを含む。直結またはロボット駆動装置の可動部材は、本明細書においてさらに説明されるような、半導体処理ツールの移送チャンバ内において期待されるような、半導体処理に適した真空環境などの、制御された環境を含み得る、密封、もしくは隔離環境内部に位置してもよい。直結またはロボット駆動装置の可動部材は、大気圧環境内に位置してもよい。任意の適切な材料で作製された、非磁性の分離または隔離壁が、駆動装置の可動部材、たとえばロータと、駆動装置の固定部材、たとえばステータ極およびコイル要素との間に配置されてもよい。

図３は、開示される実施形態の態様によるロータ１００を図示する。開示される実施形態の態様は、図面を参照して説明されるが、開示される実施形態の態様は、多くの形態で具体化され得ることが理解されるべきである。加えて、任意の適切なサイズ、形状、または種類の要素または材料が使用され得る。

本明細書において説明される、開示される実施形態の態様は、隔離壁によってステータから分離される密封、隔離環境内にロータが位置してもよい、真空または大気モータの適用のために使用されてもよい。密閉環境は、真空または大気環境であってもよく、隔離壁は、非磁性材料製であってもよい。

図３Ａは、ロータの周囲に配置される、少なくとも１つのロータ突極１０５を有する例示的なロータ１００を示す。図３Ｂは、少なくとも１つのステータ突極２０５を有する例示的なステータ２００を図示する。ロータ１００が６つの突極を有して示され、ステータ２００が８つの突極を有して示されるが、ロータ１００およびステータ２００は、任意の適切な数の突極を含んでもよいことが理解されるべきである。

ロータ１００は、機械加工、押出し加工、焼結、鋳造、または任意の適切な工程によって作製され、提供される適切な処理は、高真空環境に曝露されるときなどの、ガス抜けを避けるために使用される。必要であれば、ロータ１００は、ロータを高真空中で使用可能にするために適した材料で被覆するなどによって、表面処理されてもよい。ロータ１００は、一般的に、非積層の構築を有してもよく、強磁性材料の固体片、たとえば、４００シリーズのステンレス鋼などの、軟磁性の鉄または鋼で構築されてもよい。少なくとも１つの例示的な態様では、ロータは、複合材料、たとえば高透磁性および高磁束密度と低電気伝導性とを組み合わせた材料で作製されてもよい。そのような材料は、ロータ極とステータ極との間の磁束の変化の速度から生じる渦電流による磁損の効果を低減するのに効果的であり得る。ロータによる、特に高真空環境において使用されるときの、ガス抜けを防止するために適切な処理が必要となり得る。

以下の表１は、例示的な複合材料およびそれらの、非複合材料、たとえば炭素およびステンレス鋼と比較した、相対透磁率および飽和磁束密度の表を示す。

少なくとも別の例示的な態様では、ロータ１００は、強磁性材料で構築された少なくとも１つのロータ突極とともに、非強磁性コアで構築されてもよい。

ステータ２００は、また、非積層の構築を有してもよく、機械加工、押出し加工、焼結、鋳造、または任意の適切な工程によって作製されてもよい。少なくとも１つの例示的な態様では、ステータ２００は、また、複合材料、たとえば、上述のような、高透磁性および高磁束密度と低電気伝導性とを組み合わせた材料で作製されてもよく、それらの例が表３に示される。

図４は、ステータ２００との使用に適したコイル要素４００を示す。コイル要素４００は、他の相巻線から独立した相巻線を提供する、個々に巻き付けられた要素として構築される。コイル要素４００には、コイル要素４００が個々のステータ極２０５と一体化されることを可能にする形成要素が設けられてもよい。

図５に示される態様では、コイル要素４００は、関連するステータ極２０５上に取り付けられるように、またはステータ極２０５を囲繞するように、および関連するステータ極２０５のための励起場を提供するように構成されている。

図６は、ロータ１００、ステータ２００、およびコイル要素４００の例示的なアセンブリ６００を示す。例示的なアセンブリ６００では、ロータ１００は、ロータ極１０５がステータ極２０５に面した状態で、ステータ２００内に位置決めされている。

図７Ａ〜７Ｃは、開示される実施形態との使用に適した、種々の例示的なロータを示す。図７Ａは、ロータ本体７１０よりも大きい軸方向の寸法を有する極７０５を備えるソリッドロータ７００を示す。理解できるように、図７Ａ〜７Ｃに図示される構成は例示的であり、開示される実施形態の代替の態様において、図７Ｂは、類似の構成を有するが、非強磁性コア７２０、および強磁性材料で構築されたロータ極７２５を有するロータ７１５を示す。別の態様において、図７Ｃは、相互に作用するステータ極の変化する磁界に曝露されるときに渦電流を最小化するために、積層され、またはいわゆる略櫛状に形成された極７３５を有するロータ７３０を示す。溝７４０または積層物は、渦電流を最小化するための、任意の適切な方向付けを有してもよい。ある態様では、ステータ極２０５もまた、櫛状に形成されていてもよい。

図８は、ロボット駆動装置に一体化された、ロータ１００、ステータ２００、およびコイル要素４００を示す。図８に示される態様では、ステータ２００、および各ステータ極２０５に関連するコイル要素４００は、ロータ１００から分離した環境８１０に位置する。ロータ１００は、非磁性の隔離壁８２０によって、ステータ２００およびコイル要素４００から分離される超高真空または腐食性環境内に位置してもよい。ステータ２００およびコイル要素４００は、大気圧環境内に位置してもよい。

図９は、ロータ１００を駆動するための磁束界を生じさせるために、コイル要素４００がどのように接続され得るかの例を示す。図９に示される態様では、コイル要素は、独立した４組のコイルとして構成されており、各組の部材は、互いに直径方向に対向している。各組は、モータの相として画定され、したがって、図５、６、および８に示される態様は、４相機として構成されている。ロータ１００およびステータ２００は、任意の数の極を有して構成されてもよく、任意の適切な数の相を実施するために、任意の適切な数のコイル要素４００が使用されてもよいことが理解されるべきである。

図１０は、ロータ１００を利用する例示的な軸方向磁束モータ１０００を示す。軸方向磁束モータ１０００のステータ１００５は、ロータ１００の周りに配置され、それぞれがステータ極１０１５および独立した相巻線１０２０を含む独立モジュール１０１０のアセンブリである。

例示目的のみのため、図１０の軸方向磁束モータは、６極のロータおよび８極のステータを有して構成されているが、他の態様では、任意の適切な数のロータ極およびステータ極が使用されてもよい。少なくとも１つの態様では、直径方向に対向するステータモジュールは、同相に配線される。相を構成するモジュールの相巻線は、直列に、または並列に巻き付けられる。

図１１に、軸方向磁束モータの部分断面図が示される。ステータモジュール１０１０は、接続部材１０３５から径方向にロータに向かって延在する端部材１０２５、１０３０を含んでもよく、ロータ極１０５の少なくとも一部と重なり合ってもよいステータ極１０１５を有してもよい。ステータ極１０１５は、上述のような、軟磁性鋼または他の任意の適切な材料で構築されてもよい。矢印１１００によって示されるように、磁束通路は、ステータ極９１５からロータ極１０５を通過する軸方向である。

図１２Ａおよび１２Ｂは、従来型径方向磁束機および軸方向磁束機それぞれにおける、磁束線の流れの違いを示す。径方向磁束機の場合、磁束は、ロータの直径方向に対向する極１２０１、１２０２を径方向に横切って流れ、ステータを通過して円周を流れるが、一方で、軸方向磁束機の場合、磁束は、軸方向に流れ、磁束線は、ステータモジュール１０１０および相互作用するロータ極に限定される。

少なくとも１つの態様によれば、巻線を通した磁束流が直列である径方向磁束機と対照的に、軸方向磁束モータの各相における全磁束流は、２つの並列通路を通って流れるように分割され得る。並列の磁束流は、低磁束密度レベルを提供し、磁束密度飽和レベル未満での動作を可能にし得る。不飽和の磁束密度レベルで動作するとき、トルク容量は概して電流の２次関数で増加するが、一方で、飽和レベルにおいては、トルク容量は概して電流の１次関数で増加する。したがって、同じ電流レベルにおいて、軸方向機における低磁束レベルは、結果として高トルク容量につながる。さらに、軸方向磁束モータ中の有効エアギャップが、軸方向に延在するため、ロータのウォブルは、エアギャップ中に最終的な変化を引き起こさず、トルクリップルにつながらない。

図１３に、３極のロータ１３０５および４極のステータ１３１０を有する例示的な軸方向磁束モータが示される。この態様では、各ステータの相は、製造および組立てコストの低下および配線構成の単純化を提供する、単一のステータモジュール１３１５に制限される。

図１４は、開示される実施形態によるステータ極１４０５の別の態様を示す。図１０において、ステータ極１０１５は、矩形の断面として示されるが、ステータ極１４０５は、ステータ極の周りにおける相コイルの巻き付けの容易さを可能にするために、円形の断面を備えた部分を有してもよい。矩形の断面を有するステータ極は、およそ０．６のフィルファクタを有する巻線を有してもよく、一方では、円形の断面を有するステータ極は、およそ０．８のフィルファクタを超えてもよい巻線を有してもよい。フィルファクタがより高くなると、結果としてモータトルク容量がより高くなり得る。図１５は、上記の態様に類似の、隔離壁１５２０と組み合わせた、少なくとも１つのステータモジュール１５１０、およびロータ１５１５の使用を図示する。ある態様では、隔離壁１５２０は、ステータモジュール１５１０およびロータ１５１５の環境を分離するための密封を提供する。たとえば、ロータ１５１５は、超高真空または腐食性環境内に位置してもよく、一方では、ステータモジュールは、大気環境内に位置してもよい。ある態様では、隔離壁は、ステータ極１５２５の延在部材１５３０、１５３５と、ロータ１５１５との間の外形に適合する密封を提供する。別の態様では、隔離壁は、ステータ極１５２５の延在部材１５３０、１５３５のうちの１つまたは複数を囲繞する分離環境の間に、またはステータ極自体を囲繞する分離環境の間に、密閉部１５２０’を提供する。他の態様では、隔離壁は、ステータ極と一体化されてもよい。適切な密閉は、超高真空の使用に適した、密閉ガスケットまたはリングなどの固定シールを含んでもよい。適切な密閉のさらなる態様は、同時に出願され、その開示内容の全てが、参照により本明細書に組み込まれる、２０１３年１１月１３日に出願された、「Ｓｅａｌｅｄ Ｒｏｂｏｔ Ｄｒｉｖｅ」と題された、代理人整理番号３９０Ｐ０１４９３９−ＵＳ（−＃１）に示され、説明されている。

図１６は、例示的な軸方向磁束機１６００の別の態様を示す。軸方向磁束機１６００は、ロータ１６１５の周りに配置される、複数の独立ステータモジュール１６１０のアセンブリで構築されるステータ１６０５を含む。各ステータモジュール１６１０は、ステータ極１６２０および独立した相巻線１６２５を含んでもよい。ロータ１６１５は、少なくとも１つのロータ突極１６３０を含む。ある態様では、ロータ突極１６３０は、ステータアセンブリ１６０５に向かって延在する端部材１６３５、１６４０を含む。少なくとも１つの態様では、ステータ極およびロータ極の配置が、ステータアセンブリ１６０５に干渉することなく、ロータの設置および除去を容易にする。１つまたは複数の態様によれば、ステータモジュール１６１０は独立しており、たとえば、個々に、ステータ上の任意の適切な場所に追加され、またはステータ上の任意の適切な場所から除去されてもよい。各ステータモジュール１６１０は、一体として共に設置されるステータ極および励磁コイルを含んでもよい。ステータ１６０５は、互いの間で交換可能であり、ステータの周りに配置される、選択可能な数のステータモジュール１６１０を含んでもよい。少なくとも１つの態様では、ステータ１６０５は、ステータに設置されるステータモジュール１６１０の数を選択することによって構成可能である。

図１７Ａは、開示される実施形態の別の態様による例示的なロータ１７００を示す。ロータ１７００は、スイッチトリラクタンスモータとして構成されてもよく、一般的に、非積層の一体型構築を有してもよく、強磁性材料、たとえば軟磁性の鉄または鋼で構築されてもよい。ある態様では、ロータは、複合材料、たとえば、高透磁性および高磁束密度と低電気伝導性とを組み合わせた材料で作製されてもよい。ある態様では、ロータ１７００は、強磁性材料で構築された少なくとも１つのロータ突極を有する、非強磁性コアで構築されてもよい。

少なくとも１つのロータ突極１７１０は、軸方向で変位した副極Ｘ、Ｙのセットを含んでもよい。副極Ｘ、Ｙは、電気角分ずれてもよい。副極Ｘ、Ｙの配置は、直流ブラシレスステータとして構成されるステータを用いた、スイッチトリラクタンスロータ１７００の使用を可能にする。

図１７Ｂは、副極Ｘ、Ｙが裏当て１７２０に取り付けられる別の例示的なロータ１７１５を示す。裏当て１７２０は、また、上記の軸方向磁束機１６１０のために説明されたように、軸方向磁束流をもたらすために、径方向に延在する端部材を含んでもよい。

精密な位置制御が、ロータに二方向の力を提供することによって達成されてもよく、たとえば、少なくとも２セットの、それぞれが反対方向に引力を発生させる、独立して励磁された巻線を使用することによって達成されてもよい。図１８Ａは、反対方向の引力を提供する、例示的な転換シーケンスの第１段階にある、ステータの巻線１８０５およびロータ１７００の例示的なセットの上面図を示す。図１８Ｂ〜１８Ｈは、例示的シーケンスの残りの第２〜８段階を図示する。

以下の表２は、例示的シーケンスの各段階における、例示的な転換シーケンス、おおよその作動力、および力を受ける副極を示す。

ステータは、３つの相巻線ＡＢＣおよびＤＥＦから成る、独立した２つのセットを含んでもよい。各３つの相巻線のセットＡＢＣ、ＤＥＦは、従来の３相ブラシレスモータのものと同様に巻き付けられてもよい。図１８Ａでは、２つの３相の巻線のセットＡＢＣ、ＤＥＦが、ステータの周りで互い違いになる。ロータの副極は、いずれのロータ位置においても、ロータ上の、結果として生じる電磁推進力が二方向であるような構成である。二方向の力は、上述のような位置制御を提供する。位置制御は、いずれのロータ位置においても、６つの巻線相のうちの２つが、一方の方向でロータに力を及ぼし、他の２つの巻線相が、反対の方向でロータに力を及ぼすように、ステータの電流を転換することによって実施されてもよい。上記の軸方向磁束流は、巻線を通して流動する磁界強度を最大化するために、磁束回路内の磁気抵抗の最小化を提供する。

ステータの巻線ＡおよびＤが直列接続され、ＢおよびＥが直列接続され、ＣおよびＦが直列接続されるとき、６相可変リラクタンスモータのステータは、３相直流ブラシレスモータのステータと同様に挙動する。したがって、同一のステータが、２つの異なる型式のモータ、スイッチトリラクタンスモータ、および直流ブラシレスモータに使用することが可能である。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、少なくとも１つのロータ突極を有する密封ロータと、少なくとも１つのステータ突極を備えるステータであって、少なくとも１つのステータ突極が、ステータ突極と関連する励磁巻線を有し、少なくとも１つのステータ突極と少なくとも１つのロータ突極との間に軸方向磁束回路を生じさせるために、少なくとも１つのロータ突極と相互作用する、ステータと、を備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、各ロータ突極が、軸方向で変位した副極のセットを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、少なくとも１つのロータ突極が、少なくとも１つのステータ突極から密封される。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、少なくとも１つのステータ突極が、副極を有する。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、各ロータ突極が、電気角分ずれた副極のセットを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、密封ロータが、非磁性コアを備え、少なくとも１つのロータ突極が、強磁性である。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、少なくとも１つのロータ突極が、強磁性裏当てに取り付けられる。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、強磁性裏当てが、軸方向磁束流回路を生じさせるために、少なくとも１つのステータ突極に向かって径方向に延在する部材を備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、少なくとも１つのステータ突極が、軸方向磁束流回路を生じさせるために、少なくとも１つのロータ突極が通過するスロットとして構成される。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、少なくとも１つのロータ突極および少なくとも１つのステータ突極が、対面する端部材を有し、軸方向磁束流回路を生じさせるように構成される。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、電気角分ずれたロータ極のセットを２つ有し、少なくとも３相の励磁のために構成されるロータを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、スイッチトリラクタンスモータとして構成されるロータと、密封区画によってロータから分離される、ブラシレスステータとして構成されるステータとを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ロータおよびステータが、モータ内に軸方向磁束流を発生させるように構成される。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ロータが、少なくとも１つのロータ突極を備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、少なくとも１つのロータ突極が、軸方向磁束流を生じさせるために、ステータに向かって延在する部材を備える強磁性裏当てに取り付けられる。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ロータが、軸方向で変位した副極のセットを備える少なくとも１つのロータ突極を備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ステータが、少なくとも３つの相巻線の独立したセットを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ステータは、それぞれがステータ極および励磁コイルを備える独立ステータモジュールのセットを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、引力をロータに印加するように構成される、ロータ極およびステータ極の配置を備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、複数の極を備えるロータと、ロータの周りに配置された複数の独立ステータモジュールを備えるステータであって、ステータモジュールが、分離セグメントとして構築されるステータ突極を備える、ステータとを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ロータ極およびステータ極が、ロータに対して軸方向の磁束流を生じさせるように配置される。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ロータが、非磁性コアおよび強磁性のロータ極を備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ロータが、軸方向磁束流を生じさせるために、ステータに向かって径方向に延在する部材を備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ステータのセグメントが、ロータに対して軸方向の磁束流を生じさせるために、ロータ極が通過するスロットとして構成される。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、ロータ極およびステータのセグメントが、対面する端部材を有し、ロータに対して軸方向の磁束流を生じさせるように構成される。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、複数の突極を備えるロータと、一体として共に設置されるステータ極および励磁コイルを備える少なくとも１つの交換可能なステータモジュールを備えるステータとを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、複数の突極を備えるロータと、選択可能な数の交換可能なステータモジュールを備えるステータであって、ステータモジュールのそれぞれが、個々のステータ極を画定する、ステータとを備える。

開示される実施形態の１つまたは複数の態様によれば、モータが、複数の突極を備えるロータと、一体として共に設置されるステータ極および励磁コイルを備える少なくとも１つの交換可能なステータモジュールを備える、構成可能なステータとを備え、ステータの構成が、ステータに設置されるステータモジュールの数の選択によってもたらされる。

上記記載は、開示される実施形態の態様の例示にすぎないことが理解されるべきである。当業者によって、様々な代替例および修正例が、開示される実施形態の態様から逸脱することなく案出され得る。従って、開示される実施形態の態様は、添付の請求の範囲に該当する、そのような代替例、修正例、および変形例のすべてを含むことを意図している。さらに、異なる特徴が、それぞれ異なる従属または独立請求項に詳述されるという一事実は、これらの特徴の組み合わせを有利に使用することができないということを意味せず、そのような組み合わせは、本発明の態様の範囲内に留まる。

Claims (28)

1. 少なくとも１つのロータ突極を有する密封ロータと、
   少なくとも１つのステータ突極を備えるステータであって、少なくとも１つのステータ突極が、ステータ突極と関連する励磁巻線を有し、前記少なくとも１つのステータ突極と前記少なくとも１つのロータ突極との間に軸方向磁束回路を生じさせるために、前記少なくとも１つのロータ突極と相互作用する、ステータと、
   を備える、
   モータ。
2. 各ロータ突極が、軸方向で変位した副極のセットを備える、請求項１記載のモータ。
3. 前記少なくとも１つのロータ突極が、前記少なくとも１つのステータ突極から密封される、請求項１記載のモータ。
4. 前記少なくとも１つのステータ突極が、副極を有する、請求項１記載のモータ。
5. 各ロータ突極が、電気角分ずれた副極のセットを備える、請求項１記載のモータ。
6. 前記密封ロータが、非磁性コアを備え、前記少なくとも１つのロータ突極が、強磁性である、請求項１記載のモータ。
7. 前記少なくとも１つのロータ突極が、強磁性裏当てに取り付けられる、請求項１記載のモータ。
8. 前記強磁性の裏当てが、前記軸方向磁束流回路を生じさせるために、前記少なくとも１つのステータ突極に向かって径方向に延在する部材を備える、請求項７記載のモータ。
9. 前記少なくとも１つのステータ突極が、前記軸方向磁束流回路を生じさせるために、前記少なくとも１つのロータ突極が通過するスロットとして構成される、請求項１記載のモータ。
10. 前記少なくとも１つのロータ突極および少なくとも１つのステータ突極が、対面する端部材を有し、前記軸方向磁束流回路を生じさせるように構成される、請求項１記載のモータ。
11. 電気角分ずれたロータ極のセットを２つ有し、少なくとも３相の励磁のために構成されるロータ
    を備える、
    モータ。
12. スイッチトリラクタンスモータとして構成されるロータと、
    密封区画によって前記ロータから分離される、ブラシレスステータとして構成されるステータと、
    を備える、
    モータ。
13. 前記ロータおよびステータが、前記モータ内に、軸方向磁束流を発生させるように構成される、請求項１２記載のモータ。
14. 前記ロータが、少なくとも１つのロータ突極を備える、請求項１２記載のモータ。
15. 前記少なくとも１つのロータ突極が、軸方向磁束流を生じさせるために、前記ステータに向かって延在する部材を備える強磁性裏当てに取り付けられる、請求項１４記載のモータ。
16. 前記ロータが、軸方向で変位した副極のセットを備える少なくとも１つのロータ突極を備える、請求項１２記載のモータ。
17. 前記ステータが、少なくとも３つの相巻線の独立したセットを備える、請求項１２記載のモータ。
18. 前記ステータが、それぞれがステータ極および励磁コイルを備える独立ステータモジュールのセットを備える、請求項１２記載のモータ。
19. 引力を前記ロータに印加するように構成される、ロータ極およびステータ極の配置をさらに備える、請求項１２記載のモータ。
20. 複数の極を備えるロータと、
    前記ロータの周りに配置された複数の独立ステータモジュールを備えるステータであって、ステータモジュールが、分離セグメントとして構築されるステータ突極を備える、ステータと、
    を備える、
    モータ。
21. 前記ロータが、非磁性コアおよび強磁性ロータ極を備える、請求項２０記載のモータ。
22. ロータ極およびステータ極が、前記ロータに対して軸方向の磁束流を生じさせるように配置される、請求項２０記載のモータ。
23. 前記ロータが、軸方向磁束流を生じさせるために、前記ステータに向かって径方向に延在する部材を備える、請求項２２記載のモータ。
24. 前記ステータのセグメントが、前記ロータに対して軸方向の磁束流を生じさせるために、前記ロータ極が通過するスロットとして構成される、請求項２２記載のモータ。
25. 前記ロータ極およびステータのセグメントが、対面する端部材を有し、前記ロータに対して軸方向の磁束流を生じさせるように構成される、請求項２２記載のモータ。
26. 複数の突極を備えるロータと、
    一体として共に設置されるステータ極および励磁コイルを備える少なくとも１つの交換可能なステータモジュールを備えるステータと、
    を備える、
    モータ。
27. 複数の突極を備えるロータと、
    選択可能な数の交換可能なステータモジュールを備えるステータであって、前記ステータモジュールのそれぞれが、個々のステータ極を画定する、ステータと、
    を備える、
    モータ。
28. 複数の突極を備えるロータと、
    一体として共に設置されるステータ極および励磁コイルを備える少なくとも１つの交換可能なステータモジュールを備える、構成可能なステータと、
    を備え、
    前記ステータの構成が、前記ステータに設置されるステータモジュールの数の選択によってもたらされる、
    モータ。

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