JP6328948B2 - ２軸ステッパ装置 - Google Patents

Description

本発明は、２軸ステッパ装置に関する。

光学センサ等の機器を位置決めするためのアクチュエータに対する高い位置決め精度、軽量化、低消費電力化の要望が高まっている。

このような、アクチュエータとして実開平９−３４８号公報において、図６に示すような回転鏡装置が開示されている。この回転鏡装置１１０は、半球状鏡本体１１６の下部に取り付けられた永久磁石１３２と、磁石１３２に対向する磁極１３６を有するヨーク１３４とからなる電動モータを備えている。そして、ヨーク１３４はステータブロック１１２に取り付けられて、半球状鏡本体１１６とステータブロック１１２との間が空気軸受けをなして半球状鏡本体１１６を支持している。

従って、ヨーク１３４に通電することにより、ステータブロック１１２に対して半球状鏡本体１１６を駆動する駆動力を発生させることができる。このようにして、駆動源としてのモータを別途設けて、ギア等の動力伝達機構を介して半球状鏡本体１１６を位置制御する場合に比べ高精度に位置決めできるようになる。

実開平９−３４８号公報

ところが、近年においてはアクチュエータの高い位置決め精度、軽量化、低消費電力化の要求が益々厳しくなる一方で、重い駆動対象体（実開平９−３４８号公報の例では半球状鏡本体１１６に相当）であっても、これらの要求を満たすことが望まれている。

しかし、重量が大きい駆動対象体は慣性モーメントも大きくなるため、高い位置決め精度等の上記要求を満たすことが困難になっている。

そこで、本発明の主目的は、重量が大きい駆動対象体であっても、高い位置決め精度、軽量化、低消費電力化の要求を持たす２軸ステッパ装置を提供することである。

上記課題を解決するため、駆動対象体を第１軸と、該第１軸と所定の角度をなす第２軸とを回動軸として回動させる２軸ステッパ装置にかかる発明は、駆動対象体が取り付けられた半球体のステージ基部と、ステージ基部における半球体の頂部を通り、第２軸に平行に固着された第１軸ロータ、及び、第２軸に直交する第１軸に平行に固着された第２軸ロータを有するロータ部と、第１軸ロータ及び第２軸ロータとそれぞれ対峙して基台に固着され、通電されることにより磁場を発生する第２軸ステータ及び第１軸ステータを有するステータ部と、ステージ基部の外周に配置された外輪体と、外輪体を挟むように基台に立設された軸柱と、一端がステージ基部に固着され、他端が外輪体に回動自在に軸受けされて第２軸と同軸芯に配置された第２軸シャフトと、一端が外輪体に固着され、他端が軸柱に回動自在に軸受けされて第１軸と同軸心に配置された第１軸シャフトと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、駆動対象体を駆動する際のトルクが大きくできるので、駆動対象体が重い場合であっても高い位置決め精度、軽量化、低消費電力化の要求を満たすことが可能になる。

本実施形態にかかる２軸ステッパ装置の斜視図である。 ステージ基部を頂部側から見た図である。 Ｘ軸に沿った２軸ステッパ装置の断面図である。 Ｘ軸ステータとＸ軸ロータとの作用面の形状を示す図２のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 ステッパの動作を説明する図で、（ａ）は軸柱側から見たステッパの側面図、（ｂ）はＸ軸ロータとＸ軸ステータとの位置関係を示す図、（ｃ）はＹ軸ロータとＹ軸ステータとの位置関係を示す図である。 関連技術の説明に適用される回転鏡装置の断面図である。

本発明の実施形態を説明する。図１は本実施形態にかかるゴニオステージ型の２軸ステッパ装置（以下、ステッパと略記する）２の斜視図である。なお、図１においては、内部構造の理解が容易になるように一部破断して示し、またＡ−Ａ拡大断面図、Ｂ−Ｂ拡大断面図を示している。また、説明の都合から、座標軸（Ｘ軸−Ｙ軸）を示している。なお、この座標軸はステッパ２の回動軸をなし、直交系に限定する趣旨ではなく、少なくとも２軸が平行でないことが要件である。従って、軸名は便宜的な呼称であり、Ｘ軸を第１軸、Ｙ軸を第２軸と記載することも可能であり、逆にＹ軸を第１軸、Ｘ軸を第２軸と記載することも可能である。

このステッパ２は、基台１０、ステージ２０、支持部３０、駆動部４０を主要構成とする。

基台１０は、ステージ２０や駆動部４０等が組み立てられるステッパ２のベース部材である。

ステージ２０は、駆動対象体２１、この駆動対象体２１を支持するステージ基部２２を備える。なお、駆動対象体２１とステージ基部２２とは一体物であるか否かは問わない。また、駆動対象体２１にはアンテナ、ジンバル、レーザ等の機器を搭載しても良く、また駆動対象体２１自体を鏡等のように形成しても良い。

ステージ基部２２は、半球状に形成されて、この半球体の平面にステージ２０が取り付けられている。半球体の頂部には凹部２２ａ（図３を参照）が形成されている。ステージ基部２２は中空体であるか否かは問わず、また材質については強度のある材料であれば特に限定しない。以下の説明では、ステージ基部２２は鉄として、内部は空洞でないとして説明する。

支持部３０は、外輪体３１、Ｘ軸シャフト３２、Ｙ軸シャフト３３、軸柱３４を備える。Ｘ軸シャフト３２は、Ｘ軸に平行であり、Ｙ軸シャフトはＹ軸に平行である。そして、ステージ２０をＸ軸、Ｙ軸の周りにそれぞれ独立に回動できるように支持している。

外輪体３１は、ステージ２０より適宜大きな内径を持つリング体である。そして、Ｘ軸に沿ってＸ軸シャフト３２が挿着される一対のＸ軸受３１ｂが内設されている。即ち、図１のＡ−Ａ拡大断面図に示すように、外輪体３１におけるステージ２０側の側面３１ａからＸ軸受３１ｂが埋め込まれて、このＸ軸受３１ｂにＸ軸シャフト３２の一端が嵌合している。Ｘ軸シャフト３２の他端は、ステージ基部２２に固着されている。これにより、ステージ２０は、Ｘ軸シャフト３２を回動軸として外輪体３１に対して回動できるようになっている。

軸柱３４は、外輪体３１を挟むように基台１０に立設されて、Ｙ軸シャフト３３の一端が装着されるＹ軸受３４ｂが内設されている。即ち、図１のＢ−Ｂ拡大断面図に示すように、軸柱３４のステージ２０側の側面３４ａからＹ軸受３４ｂが埋め込まれている。そして、Ｙ軸シャフト３３の一端がＹ軸受３４ｂに嵌合し、他端が外輪体３１の外側面に固着されている。従って、外輪体３１は、Ｙ軸シャフト３３を回動軸として軸柱３４に対して回動できるようになっている。

駆動部４０は、ステッピングモータやサーボモータ等のＸ軸駆動部４１、このＸ軸駆動部４１に対して直交して配置されたＹ軸駆動部４２を備える。このとき、Ｘ軸駆動部４１はＹ軸に平行に配置され、Ｙ軸駆動部４２はＸ軸に平行に配置されている。

Ｘ軸駆動部４１は、図示しない励磁コイルを含むＸ軸ステータ４１ａと永久磁石を含むＸ軸ロータ４１ｂとを備える。そして、Ｘ軸ステータ４１ａは基台１０に固着され、Ｘ軸ロータ４１ｂはステージ基部２２の球体面に固着されている。同様に、Ｙ軸駆動部４２は、図示しない励磁コイルを含むＹ軸ステータ４２ａと永久磁石を含むＹ軸ロータ４２ｂとを備える。そして、Ｙ軸ステータ４２ａは基台１０に固着され、Ｙ軸ロータ４２ｂはステージ基部２２の球体面に固着されている。換言すれば、駆動部４０は、Ｘ軸ステータ４１ａとＹ軸ステータ４２ａとからなるステータ部と、Ｘ軸ロータ４１ｂとＹ軸ロータ４２ｂとからなるロータ部とにより構成されている。

図２は、ステージ基部２２を頂部側（ステージ２０と反対側）から見た図である。また図３は、Ｘ軸に沿ったステッパ２の断面図である。但し、図３においては、外輪体３１や軸柱３４等は図示省略している。ステージ基部２２の頂点には、平面視四角形の凹部２２ａが設けられて、この凹部２２ａの各辺からステージ基部２２の端縁に向かって、Ｘ軸ロータ４１ｂとＹ軸ロータ４２ｂとが十字をなすように配置されている。即ち、Ｘ軸ロータ４１ｂはＸ軸と平行に設けられ、Ｙ軸ロータ４２ｂはＸ軸ロータ４１ｂと直交し、かつ、Ｙ軸と平行に設けられている。

以下、Ｘ軸駆動部４１及びＹ軸駆動部４２は共に同じ構造なので、Ｘ軸駆動部４１を例に説明する。図２（ａ）に示すように、Ｘ軸ロータ４１ｂは、Ｎ極磁石が等間隔に多数配置されたＮ極部４１ｃとＳ極磁石が等間隔に多数配置されたＳ極部４１ｄとが並設されてなるロータ４３が、凹部２２ａを真ん中に配置して形成されている。Ｎ極磁石及びＳ極磁石は永久磁石で、その配置間隔は同じである。そして、Ｎ極部４１ｃにおけるＮ極磁石は、Ｓ極部４１ｄにおけるＳ極磁石の中間位置に位置するように（Ｎ極磁石とＳ極磁石とが交互に位置するように）配置されている。

一方、Ｘ軸ステータ４１ａの励磁コイルは、エナメル線等の絶縁被覆された導線をヨーク４１ｅに巻回して形成されている。このヨーク４１ｅには、Ｎ極磁石及びＳ極磁石の位置に対応した歯４１ｆが設けられている。従って、磁束は歯４１ｆに集中する。なお、図３において導線は図示省略している。そして、励磁コイルに図示しないドライバーから所定周波数のパルス電流を供給することにより、パルス電流に応じた磁界がＸ軸ステータ４１ａに発生する。これにより、Ｘ軸ステータ４１ａとＸ軸ロータ４１ｂとの間に時期的相互作用が生じて、Ｘ軸駆動部４１はステッピングモータとして機能する。従って、ステージ基部２２はＸ軸シャフト３２を回動軸として回動するようになる。

なお、凹部２２ａは、磁束の集中を緩和するために設けられている。即ち、ステージ基部２２が鉄等の強磁性体の場合には、磁石が発生した磁束の磁路が広がり、Ｘ軸ステータ４１ａとの磁気的相互力が小さくなる。そこで、かかる磁路の広がりを抑制するために凹部２２ａを設けている。このとき、ステージ基部２２が空気と殆ど同じ透磁率を持つ部材からなる場合には、凹部２２ａは省略することが可能である。

ステージ基部２２が回動した際でも、Ｘ軸ステータ４１ａとＸ軸ロータ４１ｂとの間隔が一定となるように、図４に示すように、Ｘ軸ステータ４１ａにおける複数の歯４１ｆがなす面である作用面４１ｇと、Ｘ軸ロータ４１ｂにおける磁石がなす面である作用面４１ｈとは、Ｙ軸の周りの回動方向（図４では矢印Ｄ方向）に沿って円弧状に形成されている。なお、図４は、Ｘ軸ステータ４１ａとＸ軸ロータ４１ｂとの作用面の形状が分かるように示した、図２におけるＣ−Ｃ線に沿った断面図である。但し、図４においてはＸ軸ステータ４１ａ及び基台１０も併せて図示している。

次に、ステッパ２の動作を説明する。図５は、ステッパ２の動作を説明する図で、（ａ）は軸柱３４側から見たステッパ２の側面図、（ｂ）はＸ軸ロータ４１ｂとＸ軸ステータ４１ａとの位置関係を示す図、（ｃ）はＹ軸ロータ４２ｂとＹ軸ステータ４２ａとの位置関係を示す図である。なお、図５（ａ）においては、軸柱３４は図示省略されている。Ｘ軸ロータ４１ｂ側がＮ極の磁界が発生すると、Ｘ軸ロータ４１ｂのＳ極との間で引力が働く共にＮ極との間で斥力が働く。このような引力、斥力を発生させる電流が直流電流（パルス電流のデュ−ティー比が１００％）の場合には、力が釣り合った位置で、Ｘ軸ロータ４１ｂはＸ軸ステータ４１ａに対して停止した状態を維持する（ホールド状態）。一方、デュ−ティー比が１００％以外の場合には、Ｘ軸ロータ４１ｂはＸ軸ステータ４１ａに対してパルス数に応じた量だけ進退する。

このパルス電流値とデュ−ティー比とは、共にＸ軸ステータ４１ａで発生する磁界の強さを決定するので、駆動トルクや保持トルクを容易に制御できるようになる。

即ち、駆動対象体２１の重量が重く、慣性モーメントが大きい場合でも、高トルクで駆動して高い位置決め精度で位置設定することが可能になる。また、ホールド状態を保持するための力は電流値だけで制御できるので、高精度に位置決めした状態を的確にキープできるようになって、信頼性が向上する。

図５（ｂ）及び図５（ｃ）における実線矢印ＤｘはＸ軸駆動部４１が駆動することによるＸ軸ロータ４１ｂの進退方向を例示し、点線矢印ＤｙはＹ軸駆動部４２が駆動することによるＹ軸ロータ４２ｂの進退方向を例示している。

図５（ｂ）における実線で示すＸ軸ロータ４１ｂは、Ｙ軸駆動部４２がホールド状態でＸ軸駆動部４１が駆動されたときの状態を示している。このとき、ステッパ２は、図５（ａ）に示すようにＹ軸シャフト３３を回動軸としてＸ軸ロータ４１ｂの進退量に応じて傾動する。一方、点線で示すＸ軸ロータ４１ｂは、Ｙ軸駆動部４２とＸ軸駆動部４１が駆動されたときの状態を示している。同様に図５（ｃ）における実線で示すＹ軸ロータ４２ｂは、Ｘ軸駆動部４１がホールド状態でＹ軸駆動部４２が駆動されたときの状態を示している。一方、点線で示すＹ軸ロータ４２ｂは、Ｙ軸駆動部４２とＸ軸駆動部４１が駆動されたときの状態を示している。

Ｘ軸ステータ４１ａの励磁コイルにパルス電流を流すと、この電流極性に応じた磁界極性の磁界がＸ軸ステータ４１ａに発生する。

以上説明したように、駆動対象体の重量が重く、慣性モーメントが大きい場合でも、高トルクで駆動して高い位置決め精度で位置設定することが可能になる。また、ホールド状態を保持するための力は電流値だけで制御できるので、高精度に位置決めした状態を的確にキープできるようになって、信頼性が向上する。

２ ステッパ
１０ 基台
２０ ステージ
２１ 駆動対象体
２２ ステージ基部
２２ａ 凹部
３０ 支持部
３１ 外輪体
３１ｂ Ｘ軸受
３２ Ｘ軸シャフト
３３ Ｙ軸シャフト
３４ 軸柱
３４ｂ Ｙ軸受
４０ 駆動部
４１ Ｘ軸駆動部
４１ａ Ｘ軸ステータ
４１ｂ Ｘ軸ロータ
４１ｅ ヨーク
４１ｇ 作用面
４１ｈ 作用面
４１ｆ 歯
４２ａ Ｙ軸ステータ
４２ｂ Ｙ軸ロータ
４２ Ｙ軸駆動部
４３ ロータ

Claims (2)

1. 第１軸と、該第１軸と所定の角度をなす第２軸とを回動軸として駆動対象体を回動させる回動装置であって、
   前記駆動対象体が取り付けられた半球体のステージ基部と、
   前記第２軸を含む面であって前記半球体の平面に直交する面と、前記半球体の曲面との交線に沿って固着された第１軸ロータ、及び、前記第１軸を含む面であって前記平面に直交する面と、前記半球体の曲面との交線に沿って固着された第２軸ロータを有するロータ部と、
   前記第１軸ロータ及び第２軸ロータとそれぞれ対峙して基台に固着される第２軸ステータ及び第１軸ステータを有するステータ部と、
   前記ステージ基部の外周に配置された外輪体と、
   前記外輪体を挟むように前記基台に軸柱と、
   一端が前記ステージ基部に固着され、他端が前記外輪体に回動自在に軸受けされて前記第２軸と同軸芯に配置された第２軸シャフトと、
   一端が前記外輪体に固着され、他端が前記軸柱に回動自在に軸受けされて前記第１軸と同軸心に配置された第１軸シャフトと、
   を備え、
   前記第１軸ロータ及び前記第２軸ロータは、等間隔に配列された複数の永久磁石をそれぞれ有するＮ極部とＳ極部とを含み、
   前記Ｎ極部と前記Ｓ極部は、互いに離間して並列するように設けられ、
   前記Ｓ極部における前記永久磁石は、前記Ｎ極部における前記複数の永久磁石のうちで互いに隣接する前記永久磁石の間に対応する位置に配置されていることを特徴とする回動装置。
2. 請求項１に記載の回動装置であって、
   前記ステージ基部の前記半球体の頂部に凹部を設けたことを特徴とする回動装置。

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