JP7035040B2 - 磁気軸受組立体のための薄型回転子 - Google Patents

Description

本発明は、磁気軸受組立体に関し、より詳細には、磁気軸受組立体とともに使用される回転子に関する。

磁気軸受はよく知られており、典型的には磁気固定子と回転子とを備える。磁力を加えるために比較的大きい表面積が必要とされるため、典型的な磁気軸受組立体は、空間が限られる産業では使用されず、このような用途は従来の回転要素軸受の使用を必要としている。

一態様では、本発明は、ワークピースを中心軸の周りで角度変位させるための回転子である。回転子は、軸を略中心とし、対向する第１および第２の軸方向端、ならびに、内周面および外周面を有する略環状の中心軸方向部分を備える。外側径方向部分が、略環状の外側空洞が中心部分と外側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められるように、中心部分の第１の軸方向端から略径方向外向きに延びる。さらに、内側径方向部分が、略環状の内側空洞が中心部分と内側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められるように、中心部分の第２の軸方向端から略径方向内向きに延びる。

別の態様では、本発明は、ワークピースを中心軸の周りで角度変位させるための装置である。装置は、軸を略中心とし、対向する第１および第２の軸方向端、ならびに、内周面および外周面を有する略環状の中心軸方向部分を含む回転子を備える。外側径方向部分が、略環状の外側空洞が中心部分と外側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められるように、中心部分の第１の軸方向端から略径方向外向きに延びる。内側径方向部分が、略環状の内側空洞が中心部分と内側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められるように、中心部分の第２の軸方向端から略径方向内向きに延びる。さらに、少なくとも１つのモータ固定子が、外側空洞または内側空洞の内部に少なくとも部分的に配置され、回転子を中心軸の周りで角度変位させるように構成される。

先の概要と、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明とは、添付の図面と併せて読まれるときにより良く理解されることになる。本発明を図示する目的のために、現在好ましいとされている実施形態が、線図である図面に示されている。しかしながら、本発明が、示されている正確な配置および手段に限定されないことは、理解されるべきである。

本発明による回転子を有する装置の軸方向断面図である。 図１の切り離された部分の図である。 図１の別の切り離された部分の図である。 装置の上からの平面図である。 回転子なしで示された装置の別の上からの平面図である。 図１の線６－６を貫いての図である。 複数の強磁性歯を示す、回転子の外側軸方向部分の切り離された拡大での径方向断面図である。

特定の用語が、便宜だけのために以下の記載において使用され、限定ではない。「内側」、「内向き」および「外側」、「外向き」という言葉は、記載されている要素の指定された中心線または幾何学的中心に向かう方向と、その中心線または幾何学的中心から離れる方向とにそれぞれ言及しており、具体的な意味は、記載の文脈から容易に明らかとなる。さらに、本明細書で使用されているように、「連結」および「結合」という言葉は、他の部材が間に介在されていない２つの部材の間の直接的な連結と、１つまたは複数の部材が間に介在されている部材同士の間の間接的な連結とを含むように各々意図されている。用語は、上記で特に言及されていない言葉、その派生語、および同様の趣旨の言葉を含む。

ここで、同様の符号が全体を通じて同様の要素を示すために使用されている図面を詳細に参照すると、図１～図７では、ワークピース１を中心軸Ａ_Ｃの周りで角度変位させるかまたは／および位置決めするための小形装置１２の回転子１０が示されており、装置１２は、回転子１０を軸Ａ_Ｃの周りで角度変位させるための少なくとも１つで好ましくは複数のモータ固定子７０をさらに備える。１つの好ましい用途では、回転子１０を含む小形装置１２は、半導体ウェハ（つまり、ワークピース１）を加工または製作するために使用されるが、任意の他の適切な用途で使用されてもよい。回転子１０は、概して環状であり、概して軸Ａ_Ｃが中心とされる中心軸方向部分１４と、外側径方向部分１６と、内側径方向部分１８とを基本的に備え、好ましくは外側軸方向部分２０も備える。中心軸方向部分１４は、概して環状であり、最も好ましくは概して円筒形であり、反対にある第１の軸方向端１４ａおよび第２の軸方向端１４ｂと、内周面１５Ａおよび外周面１５Ｂとを有する。外側径方向部分１６は、概して円形の円板または座金として好ましくは形成され、回転子中心部分１４と連結された内側径方向端１６ａと、反対にある外側径方向端１６ｂとを有する。回転子外側径方向部分１６は、概して環状の外側空洞Ｃ_Ｏが中心軸方向部分１４と外側径方向部分１６との間に少なくとも部分的に定められるように、中心部分１４の第１の軸方向端１４ａから概して径方向外向きに延びる。

さらに、内側径方向部分１８は、概して円形の円板または座金として好ましくは形成され、回転子中心部分１４と連結された外側端１８ａと、中心軸Ａ_Ｃから径方向外向きに離間され、中心軸Ａ_Ｃの周りで周方向に延びる内側径方向端１８ｂとを有する。このようにして、内側径方向部分１８は、後に記載されている理由のため、回転子１０を貫いて延びる中心孔１７を提供する。回転子内側径方向部分１８は、概して環状の内側空洞Ｃ_Ｉが中心部分１４と内側径方向部分１８との間に少なくとも部分的に定められるように、回転子中心部分１４の第２の軸方向端１４ｂから概して径方向内向きに延びる。回転子の外側空洞Ｃ_Ｏおよび内側空洞Ｃ_Ｉの各々１つは、モータ固定子７０、径方向位置センサ８１、軸方向位置センサ８０、角速度および位置センサ８４、ラジアル軸受１１、ならびに／もしくはアキシャル軸受６０、または、後でさらに詳細に記載されているような装置１２の任意の他の構成部品のうちの少なくとも１つの少なくとも部分を受け入れる大きさとされる。それによって、装置１２は、以後においてより詳細に論じられているように、概して「軸方向に小形」である。

図１～図３において最もよく示されているように、回転子外側軸方向部分２０は、好ましくは概して円筒形であり、外側径方向部分１６の外側端１６ｂから概して軸方向に延び、回転子中心軸方向部分１４から径方向外向きに離間され、回転子中心軸方向部分１４の周りで概して同軸に配置されている。このようにして、回転子外側空洞Ｃ_Ｏは、回転子中心軸方向部分１４と回転子外側軸方向部分２０との間で径方向において画定されている。好ましくは、回転子区域１４、１６、１８、および２０のすべては、回転子１０が概してＳ字形の軸方向の断面形状を伴う一体品構造のものとなるように一体的に連結または形成されるが、代替で、２つ以上の永久的または取り外し可能に取り付けられ物品から形成されてもよい。

なおも図１～図３を参照すると、装置１２は、回転子１０と連結され、中心軸Ａ_Ｃの周りでの回転子１０の角度変位の間に少なくとも１つのワークピース１を保持するように構成されたワークピースホルダまたは「チャック」４０をさらに備える。好ましくは、回転子外側径方向部分１６はワークピースホルダ４０に連結可能であり、最も好ましくは、ホルダ４０は、回転子外側径方向部分１６と回転子外側軸方向部分２０との間に形成される環状肩部２１に取り付けられる。しかしながら、ホルダ／チャック４０が、内側軸方向部分１４または内側径方向部分１８など、回転子１０の別の部分と結合されてもよい。さらに、ホルダ／チャック４０は、１つまたは複数のワークピース１が配置可能であるが、ワークピース１を受け入れおよび／または保持するために形成されてもよい、概して円形で概して平坦な上面４２を、好ましくは有する。また、平坦な円形のガスケットまたはＯリングなどのエラストマの層４４が、図２および図３において最もよく分かるように、振動を減衰させるためなどにホルダ下面４３と肩部２１との間に好ましく配置される。

ここで図１～図３、図５、および図６を参照すると、回転子１０は、例えば「スイッチトリラクタンス」の原理によってなど、回転子１０を非接触で駆動するように好ましくは構成される固定子組立体を形成するために、中心軸Ａ_Ｃの周りで周方向に離間される１つまたは好ましくは複数のモータ固定子７０によって、中心軸Ａ_Ｃの周りで回転可能に変位させられるように構成されている。このようにして、回転子１０、好ましくは回転子外側軸方向部分２０、回転子中心部分１４、または／および回転子外側径方向部分１６は、少なくとも１つの切替要素、磁極、または強磁性区域を有し、モータ固定子７０は、回転子１０を中心軸Ａ_Ｃの周りで角度変位させるように、磁力を回転子切替要素、磁極、または強磁性区域に発揮するように構成されている。最も好ましくは、回転子外側軸方向部分２０は、図７に描写されているように、軸方向部分２０の内周面２０ａから内向きに延び、中心軸Ａ_Ｃの周りで周方向に離間された複数の強磁性歯２３を含む。さらに、各々のモータ固定子７０は、外側空洞Ｃ_Ｏに好ましくは配置され、回転子を中心軸Ａ_Ｃの周りで角度変位させるために、歯２３のうちの各々１つに磁力を発揮することでトルクを回転子１０に発揮するように構成されている。代替で、歯は、回転子中心軸方向部分１４に、または、回転子外側径方向部分１６および内側径方向部分１８のいずれかに、それぞれ設けられてもよい。しかしながら、モータ固定子７０は、回転子１０を非接触で回転可能に駆動するように構築されてもよく、または、好ましくはないが、回転子１０を、直接的に駆動するように、または、例えばベルトおよびプーリ、複数の歯車など、伝達要素もしくは伝達組立体（図示せず）を通じて駆動するように、構成されてもよい。

再び図１～図６を参照すると、装置１２は、上面５２を有する基礎５０をさらに備え、基礎５０は、隆起した中心部分５６を有する概して円形の本体５４を好ましくは備える。モータ固定子７０は、基礎上面５２に回転子外側空洞Ｃ_Ｏの内部で好ましくは各々配置される。好ましくは、装置１２は、基礎５０に配置され、内側回転子空洞Ｃ_Ｉおよび外側回転子空洞Ｃ_Ｏの一方の内部に少なくとも部分的に配置された少なくとも１つの軸方向アクチュエータ６０をさらに備える。少なくとも１つの軸方向アクチュエータ６０は、軸方向隙間Ｇ_１を回転子１０と基礎５０との間で維持するように構成されている。最も好ましくは、装置１２は、中心軸Ａ_Ｃの周りで周方向に離間された複数の軸方向アクチュエータ６０を備え、各々のアクチュエータ６０は、基礎上面５２に配置される第１の端６０ａと、上面５２から軸方向で離間された第２の端６０ｂとを有する。さらに、軸方向アクチュエータ６０の部分６１が、回転子内側径方向部分１８が基礎５０と軸方向アクチュエータ部分６１との間に概して配置されるように、回転子内側空洞Ｃ_Ｉの内部に好ましくは配置される。

各々の軸方向アクチュエータ６０は、好ましくは、能動的な電磁アクチュエータ、または、電磁石と永久磁石との両方を含むハイブリッドアクチュエータであるが、１つまたは複数の永久磁石アクチュエータだけを含んでもよい。いずれの場合でも、軸方向アクチュエータ６０は、回転子１０と基礎５０との間の接触と、回転子１０と軸方向アクチュエータ６０との間の接触とを防止するように、磁力を回転子１０に発揮し、好ましくは内側径方向部分１８に発揮することで、軸方向隙間Ｇ_１を維持するように構成されている。さらに、軸方向アクチュエータ６０は、回転子外側径方向部分１６と外側空洞Ｃ_Ｏの内部に位置付けられるモータ１１などの任意の構成部品との間、および、外側径方向部分１６と基礎５０との間で、外側軸方向隙間Ｇ_２も維持する。

図１、図３、図５、および図６を参照すると、装置１２は、基礎５０に配置され、回転子内側空洞Ｃ_Ｉまたは回転子外側空洞Ｃ_Ｏの内部に少なくとも部分的に配置された複数の径方向アクチュエータ１１もさらに備える。径方向アクチュエータ１１は、回転子中心軸方向部分と、モータ７０、および、回転子中心軸方向部分１４に隣接して配置される任意の他の構成部品との間で、環状の隙間Ｇ_３を維持するように、回転子１０が中心軸Ａ_Ｃを中心とするように構成されている。各々の径方向アクチュエータ１１は、好ましくは、能動的な電磁アクチュエータ、または、電磁石と永久磁石との両方を含むハイブリッドアクチュエータであるが、１つまたは複数の永久磁石アクチュエータだけを含んでもよい。いずれの場合でも、径方向アクチュエータ１１は、回転子１０とモータ固定子７０（および他の構成部品）との間の接触と、回転子１０と径方向アクチュエータ１１との間の接触とを防止するように、磁力を回転子１０に発揮し、好ましくは内側軸方向部分１４に発揮することで、環状の隙間Ｇ_３を維持するように構成されている。

図１、図２、図４、および図５を参照すると、装置１２は、好ましくは、１つまたは複数の径方向位置センサ８１と１つまたは複数の軸方向位置センサ８０ともさらに備え、各々のセンサ８１、８０は、回転子内側空洞Ｃ_Ｉまたは外側空洞Ｃ_Ｏの内部に少なくとも部分的に配置される。各々の径方向位置センサ８１は、中心軸Ａ_Ｃに対して垂直である平面において、不動の中心軸Ａ_Ｃに対する回転子１０の径方向位置を感知し、より具体的には、隙間Ｇ_３を測定するように構成されている。各々の軸方向センサ８０は、中心軸Ａ_Ｃに沿って、回転子１０またはその部分の軸方向位置を感知し、より具体的には、隙間Ｇ_２を測定するように構成されている。さらに、装置１２は、１つまたは複数の角速度および位置センサ８４も好ましくは含む。各々の角速度および位置センサ８４は、中心軸Ａ_Ｃの周りでの回転子１０の角速度および／または角度位置を検出し、より具体的には、図６で指示されているように、回転子１０の１回転ごとに１回、好ましくは装置１２にさらに含まれる単一の目標特徴物８６（例えば、歯、磁気ノードなど）を検出することで、先の角速度および／または角度位置を検出するように構成されている。好ましくは、装置１２は、回転子１０に配置された少なくとも１つで好ましくは複数の目標物８６を含み、そのため、径方向位置センサ８１、軸方向位置センサ８０、または／および角速度および位置センサ８４は、中心軸Ａ_Ｃに対する回転子１０の径方向位置、軸方向位置、または角速度もしくは角度位置を決定するために、１つまたは複数の目標物８６を検出するように構成される。具体的には、速度センサ８４は、回転子外側軸方向部分２０に形成された歯２３（図７）を検出するように好ましくは配置され、そのため、歯２３は、モータ固定子７０によって駆動されることに加えて、概してエンコーダとして機能する。

本発明の幅広い概念から逸脱することなく前述した実施形態に変更が行われ得ることは、当業者には理解されるものである。そのため、本発明が開示された特定の実施形態に限定されず、本明細書および添付の特許請求の範囲において概して定められているような本発明の精神および範囲内にある変更を網羅するように意図されていることは、理解されている。

１ ワークピース
１０ 回転子
１１ ラジアル軸受、径方向アクチュエータ
１２ 小形装置
１４ 中心軸方向部分、回転子中心部分、内側軸方向部分
１４ａ 第１の軸方向端
１４ｂ 第２の軸方向端
１５Ａ 内周面
１５Ｂ 外周面
１６ 外側径方向部分
１６ａ 内側径方向端
１６ｂ 外側径方向端
１７ 中心孔
１８ 内側径方向部分
１８ａ 外側端
１８ｂ 内側径方向端
２０ 外側軸方向部分
２０ａ 内周面
２１ 環状肩部
２３ 強磁性歯
４０ ホルダ、チャック
４２ 上面
４４ エラストマの層
５０ 基礎
５２ 上面
５４ 本体
５６ 中心部分
６０ アキシャル軸受、軸方向アクチュエータ
７０ モータ固定子
８１ 径方向位置センサ
８０ 軸方向位置センサ
８４ 角速度および位置センサ
８６ 目標特徴物
Ａ_Ｃ 中心軸
Ｃ_Ｏ 外側空洞
Ｃ_Ｉ 内側空洞
Ｇ_１ 内側軸方向隙間
Ｇ_２ 外側軸方向隙間
Ｇ_３ 環状の隙間

Claims (18)

1. ワークピースを中心軸の周りで角度変位させるための回転子であって、
   前記軸を略中心とし、対向する第１および第２の軸方向端、ならびに、内周面および外周面を有する略環状の中心軸方向部分と、
   前記中心軸方向部分の前記第１の軸方向端から略径方向外向きに延びる外側径方向部分であって、略環状の外側空洞が前記中心軸方向部分と前記外側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められる、外側径方向部分と、
   前記中心軸方向部分の前記第２の軸方向端から略径方向内向きに延びる内側径方向部分であって、略環状の内側空洞が前記中心軸方向部分と前記内側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められる、内側径方向部分と
   を備え、
   前記中心軸方向部分、前記外側径方向部分、および前記内側径方向部分は、前記回転子がＳ字形の軸方向の断面形状を伴う一体品構造のものとなるように構成されており、
   前記外側径方向部分は、前記中心軸方向部分と連結される内側径方向端と、対向する外側径方向端とを有し、
   前記回転子は、前記外側径方向部分の外側端から略軸方向に延び、前記中心軸方向部分から径方向外向きに離間され、前記中心軸方向部分と略同軸に配置される外側軸方向部分をさらに備え、前記外側空洞が前記中心軸方向部分と前記外側軸方向部分との間で画定される
   回転子。
2. 前記外側空洞および前記内側空洞のそれぞれは、アクチュエータ、モータ固定子、位置センサ、速度センサ、ラジアル軸受、およびアキシャル軸受のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分を受け入れる大きさであり、
   前記アクチュエータは、軸方向または径方向に駆動力を発生させる装置である、
   請求項１に記載の回転子。
3. 前記回転子は、モータ固定子によって中心軸の周りで回転可能に変位させられるように構成される、請求項１に記載の回転子。
4. 前記中心軸方向部分、前記外側径方向部分、または前記内側径方向部分のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの切替要素、少なくとも１つの磁極、または少なくとも１つの強磁性区域を有する、請求項３に記載の回転子。
5. 前記内側径方向部分は、前記中心軸方向部分と連結された外側端と、前記中心軸から径方向外向きに離間され、前記中心軸の周りで周方向に延びる内側径方向端とを有し、中心孔が前記回転子を通り延在する、請求項１に記載の回転子。
6. 前記外側径方向部分は、ワークピースホルダに連結可能である、請求項１に記載の回転子。
7. ワークピースを中心軸の周りで角度変位させるための装置であって、
   前記軸を略中心とし、対向する第１および第２の軸方向端、ならびに、内周面および外周面を有する略環状の中心軸方向部分と、前記中心軸方向部分の前記第１の軸方向端から略径方向外向きに延びる外側径方向部分であって、略環状の外側空洞が前記中心軸方向部分と前記外側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められる、外側径方向部分と、前記中心軸方向部分の前記第２の軸方向端から略径方向内向きに延びる内側径方向部分であって、略環状の内側空洞が前記中心軸方向部分と前記内側径方向部分との間に少なくとも部分的に定められる、内側径方向部分と、を備える回転子、および
   前記外側空洞または前記内側空洞の内部に少なくとも部分的に配置され、前記回転子を前記中心軸の周りで角度変位させるように構成される少なくとも１つのモータ固定子
   を備え、
   前記中心軸方向部分、前記外側径方向部分、および前記内側径方向部分は、前記回転子がＳ字形の軸方向の断面形状を伴う一体品構造のものとなるように構成されており、
   前記外側径方向部分は、前記中心軸方向部分と連結される内側径方向端と、対向する外側径方向端とを有し、
   前記回転子は、前記外側径方向部分の外側端から略軸方向に延び、前記中心軸方向部分から径方向外向きに離間され、前記中心軸方向部分と略同軸に配置される外側軸方向部分をさらに含み、前記外側空洞が前記中心軸方向部分と前記外側軸方向部分との間で画定される
   装置。
8. 前記モータ固定子は、前記回転子を非接触で駆動するように構成される、請求項７に記載の装置。
9. 前記回転子は、少なくとも１つの切替要素、少なくとも１つの磁極、または少なくとも１つの強磁性区域を有し、
   前記モータ固定子は、前記回転子を前記中心軸の周りで角度変位させるように、磁力を前記回転子切替要素、前記磁極、または前記強磁性区域に及ぼすように構成される、請求項７に記載の装置。
10. 前記回転子と連結され、前記中心軸の周りでの前記回転子の角度変位の間にワークピースを保持するように構成されるワークピースホルダをさらに備える、請求項７に記載の装置。
11. 上面を有し、モータが配置される基礎と、
    前記基礎に配置され、前記内側空洞および前記外側空洞の一方の内部に少なくとも部分的に配置され、前記回転子と前記基礎との間の軸方向隙間を維持するように構成される少なくとも１つの軸方向アクチュエータと
    をさらに備える、請求項７に記載の装置。
12. 前記少なくとも１つの軸方向アクチュエータは、前記基礎上面に配置される第１の端と、前記上面から軸方向で離間される第２の端とを有し、前記回転子の内側径方向部分が前記基礎と前記軸方向アクチュエータの部分との間に略配置されるように、前記軸方向アクチュエータの部分が前記回転子の内側空洞の内部に配置される、請求項１１に記載の装置。
13. 前記内側空洞または前記外側空洞に少なくとも部分的に配置され、前記回転子の中心軸方向部分とモータとの間に環状の隙間を維持するように前記回転子が前記中心軸周りにセンタリングされるように構成される複数の径方向アクチュエータをさらに備える、請求項７に記載の装置。
14. 前記内側空洞および前記外側空洞の一方の内部に少なくとも部分的に配置され、前記中心軸の周りでの前記回転子の角度位置を感知するように構成される少なくとも１つの径方向位置センサと、
    前記内側空洞および前記外側空洞の一方の内部に少なくとも部分的に配置され、前記中心軸に沿う前記回転子の軸方向位置を感知するように構成される少なくとも１つの軸方向位置センサと
    の少なくとも一方をさらに備える、請求項７に記載の装置。
15. 前記回転子に配置される少なくとも１つの目標物をさらに備え、前記径方向位置センサおよび前記軸方向位置センサの少なくとも一方が、前記目標物を検出するように構成される、請求項１４に記載の装置。
16. 前記外側空洞および前記内側空洞の各々１つは、アクチュエータ、モータ、位置センサ、速度センサ、ラジアル軸受、およびアキシャル軸受のうちの少なくとも１つの少なくとも一部分を受け入れる大きさであり、
    前記アクチュエータは、軸方向または径方向に駆動力を発生させる装置である、
    請求項７に記載の装置。
17. 前記内側径方向部分は、前記中心軸方向部分と連結された外側端と、前記中心軸から径方向外向きに離間され、前記中心軸の周りで周方向に延びる内側径方向端とを有し、中心孔が前記回転子を通り延在する、請求項７に記載の装置。
18. 基礎と、前記基礎に配置され、前記内側空洞の内部に部分的に配置されるように回転子孔を通り延びる構成部品の少なくとも１つとをさらに備え、前記少なくとも１つの構成部品は、アクチュエータ、モータ、位置センサ、速度センサ、ラジアル軸受、およびアキシャル軸受のうちの１つであり、
    前記アクチュエータは、軸方向または径方向に駆動力を発生させる装置である、
    請求項１７に記載の装置。

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