CN108370210B - 平面定位设备和定位台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面定位设备，其包括：定子，所述定子具有包括扁平线圈的线圈系统；在定位设备的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有包括多个磁体排的平面的磁体系统，其中，通过平面的磁体系统构成的平面平行于线圈系统的平面设置；位置检测装置，其用于检测转子相对于定子的位置；和评估与控制装置，其用于评估位置检测装置的位置信号并且用于控制线圈系统的通电以用于转子相对于定子的位置控制，其中，线圈系统在线圈系统的第一和第二定向中分别具有n×3(n≥1)个彼此嵌套的、细长的扁平线圈，所述扁平线圈在其延伸的绝大部分中设计为多平面印刷电路板的第一平面的印制导线，并且三个配套的扁平线圈的印制导线包围交叉区域，所述交叉区域在多平面印刷电路板的第二平面中延伸。

Description

平面定位设备和定位台
技术领域
本发明涉及一种平面定位设备，其包括：定子，所述定子具有包括扁平线圈的线圈系统；在定位设备的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有包括多个磁体排的平面的磁体系统，其中，通过平面的磁体系统构成的平面平行于线圈系统的平面设置；位置检测装置，其用于检测转子相对于定子的位置；以及评估与控制装置，其用于评估位置检测装置的位置信号并且用于控制线圈系统的通电以用于转子相对于定子的位置控制。
背景技术
许多类型的机床或其他的加工或测量系统装备有也称为十字工作台或XY台的定位台，所述定位台用于工件相对于工具亦或测量对象相对于测量装置的适合的定位。这种先进的定位台不仅提供单纯的XY定位，而且提供多轴的定位，并且在最高的开发阶段中也称为6D定位器或定位台。
传统的XY台或十字工作台装备有两个线性驱动装置，而自从一些时间以来如下驱动设计方案获得实际的意义，所述驱动设计方案基于永磁体在定子侧或转子侧上的面阵列和扁平线圈系统。所谓的“面马达”或平面驱动装置只包括单独的马达初级部分(定子)和以永磁体装备的马达次级部分(转子)，从而第二驱动马达同样如附加的机械的传递元件那样被取消，所述机械传递元件例如在滚珠丝杠传动装置中是需要的。
所述或类似类型的平面定位设备例如由US 6,452,292 B1、US 2007/0035267 A1、US 2006/0049699 A1和WO 2009/115071 A2已知。
来自本申请人的DE 10 2011 100 153 A1也公开一种同类型的平面定位设备。该平面定位设备的构造在图1和2中示意性地示出。
平面的线圈系统1设置并且紧固在定子板9上，所述线圈系统在此包括六个扁平线圈，所述扁平线圈成三对星形地以分别120°错开地设置。在线圈系统的中心保留空出的空间或窗口6，在所述空间或窗口中在定子板上安装位置测量头(6D测量头)8。在带有线圈系统1的定子板9上相对于该线圈系统可运动地设置带有平面的磁体系统2的转子3，所述磁体系统由三排彼此极化的磁体形成，所述磁体在转子3的中间位置中分别相对于线圈系统1的一个线圈对居中地定位。在磁体系统2的中心也存在自由空间或窗口5，所述自由空间或窗口提供用于面尺度7的空间，所述面尺度与位置测量头8共同作用以用于转子3相对于定子9的位置测量。在转子2的上侧上设置物体或工件架4。
WO 2013/0059934 A1同样说明以上所述类型的平面定位设备，其中，线圈系统设计为包括在定子的多个平面中延伸的印制导线，所述印制导线包括在印制导线或线圈绕组的第一定向和与该第一定向垂直的第二定向中的多个扁平线圈。就此可看出，线圈系统在定子的四个或更多个导体平面上延伸。从所述文献不能详细得出如何实施所述接头以用于对多个线圈通电。
发明内容
本发明的任务在于，提供一种平面定位设备，其具有简化的构造、尤其是定子的简化的构造，并且容易制造并且因此具有较低的生产费用。
该任务通过具有如下的平面定位设备解决，所述平面定位设备包括：
定子，所述定子具有包括扁平线圈的线圈系统；
在平面定位设备的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有包括多个磁体排的平面的磁体系统，其中，通过平面的磁体系统构成的平面平行于线圈系统的平面设置；
位置检测装置，其用于检测转子相对于定子的位置；和
评估与控制装置，其用于评估位置检测装置的位置信号并且用于控制线圈系统的通电以用于转子相对于定子的位置控制；
其中，线圈系统在线圈系统的第一和第二定向中分别包括n×3个彼此嵌套的、细长的扁平线圈，所述扁平线圈在其延伸的绝大部分延伸中设计为多平面印刷电路板的第一平面的印制导线，并且三个配套的扁平线圈的印制导线包围交叉区域，所述交叉区域在多平面印刷电路板的第二平面中延伸，其中，三个配套的扁平线圈的所有连接端分别集中在多平面印刷电路板的一个小的连接区域中，
其中，第一定向的n×3(n≥1)个扁平线圈在其延伸的绝大部分中在第一平面中延伸并且所属的交叉区域在多平面印刷电路板的第二平面中延伸，而第二定向的n×3个扁平线圈在其延伸的绝大部分中在第二平面中延伸并且所属的交叉区域在多平面印刷电路板的第一平面中延伸。
此外提出有利的定位台，其具有本发明的平面定位设备，其中，所述定位台具有用于平面定位设备的保持和引导机构和用于保持要定位的物体的物体保持装置。
本发明包括如下构思：为了简化定子构造和伴随于此的成本降低，减少用于实现线圈系统的导体平面的数量。在此，按照发明人的另一种基本的考虑，尽可能一个常规的带有两个导体平面和处于这两个导体平面之间的隔离层的印刷电路板应该能够用作为此的基础。
此外属于本发明的构思是，通过具有相同定向(即印制导线的主要的纵向延伸的相同延伸方向)的三相的配套的扁平线圈的彼此嵌套实现这一点。最后，本发明包括彼此嵌套的扁平线圈的印制导线的不可避免的交叉区域的特别的几何配置的构思，其能够实现在没有附加的(特别是第三)导体平面的情况下而是足够的。
因此总体上按照本发明规定，线圈系统在线圈系统的第一和第二定向中包括分别n×3(n>1)个彼此嵌套的、细长的扁平线圈，所述扁平线圈在其延伸的绝大部分中设计为多平面印刷电路板的第一平面的印制导线，并且三个配套的扁平线圈的印制导线包围交叉区域，所述交叉区域在多平面印刷电路板的第二平面中延伸。特别是第一定向的n×3个扁平线圈在其延伸的绝大部分中在第一平面中延伸并且所属的交叉区域在多平面印刷电路板的第二平面中延伸，而第二定向的n×3个扁平线圈在其延伸的绝大部分中在第二平面中延伸并且所属的交叉区域在多平面印刷电路板的第一平面中延伸。
利用该构造能够实现，将同类型的平面定位设备的定子或载有线圈系统的部分在最简单的情况中以唯一的常规的双平面印刷电路板、但在任何情况下由具有减少数量的导体平面的印刷电路板构造。这除了用于所基于的多平面导体结构的材料费用之外还节省了结构高度，并且能够实现定位设备的更紧凑的构造。该解决方案也节省了在制造线圈系统时、尤其是在实施其接头时的劳动成本。总体上得到制造过程的显著简化和生产费用的减少。
在此，尤其是所有扁平线圈的连接端的分别一部分处于多平面印刷电路板的第一平面中并且另一部分处于其第二平面中。有利地，此外三相的三个配套的扁平线圈的所有连接端分别集中在多平面印刷电路板的一个小的连接区域中。这简化了以相应的连接触点来装备连接端并且因此总体上简化了构造和定位设备的定子的操作。
为了简单地补偿和运行线圈系统，优选所有扁平线圈设计为具有基本上相同的长度和相同的欧姆阻抗。在设计、制造步骤并且也在质量试验中的简化通过如下设计方案实现：其中，所有扁平线圈设计为具有很大程度上矩形的导体走向。
在另一种实施方式中，线圈系统基本上遮盖定子的整个面，并且实现原则上更广的移动区域。所述移动区域能够特别地在如下设计方案中优化，其中，位置检测装置包括至少一个在定位设备的运行位置中设置在定子或转子内部的位置测量头和位置可靠地在转子或定子上固定的面尺度，并且在定子或转子中具有至少一个窗口并且优选具有以矩阵布置结构的多个窗口，以用于使面尺度对于位置测量头可见。
在带有用于面尺度的多个规则设置的观察窗的优选设计方案中，这些窗口(或在任何情况下其一部分)通过在各个线圈组之间和/或在分别三个按相来配套的扁平线圈形成的三线圈组之间的空隙提供。这能够实现n个扁平线圈子系统紧密地彼此排成一列并且因此一方面能够实现高度地利用定子面并且另一方面能够实现观察窗的足够紧密的放置。
在另一种实施方式中，转子具有磁体排的棋盘状布置结构，尤其是以棋盘布置结构的四方形磁体排。在一种有利的几何配置中，磁体排基本上遮盖转子的中心区域。以有利的方式，在此每个磁体排形成一个所谓的海尔贝克阵列。
在本发明的范围中此外提出的定位台除了以上所述类型的平面定位设备之外还包括用于平面定位设备的保持和引导机构和用于保持要定位的物体的物体保持装置。这样的定位台可以形成加工系统、尤其是机床、亦或(特别是用于测量复杂工件的)测量系统的重要部分，并且因此能够以简化的方式和减少的费用支出实现其制造。
附图说明
本发明的优点和便利此外由借助附图对实施例的后续概略的说明得出。图中示出：
图1和2为已知的平面定位设备的示意的剖视图和俯视图，和
图3为按照本发明的一种实施形式的线圈系统的示意图(以俯视图形式的局部视图)以及图3A为其详细视图。
具体实施方式
在图3中，附图标记根据图1和2的平面定位设备的确定的部件的名称来分配，图3示出在定子板109上的线圈系统101的一部分，所述线圈系统具有多组彼此垂直地延伸的细长的线圈子系统(在图3中未单独示出)。全部的沿一个方向(在图3和3A中沿竖直方向)延伸的扁平线圈基本上通过在双平面印刷电路板的第一平面上的印制导线实现，并且全部的沿另一个方向(在图3和3A中沿水平方向)延伸的扁平线圈在其延伸的绝大部分中实现为在该双平面印刷电路板的第二平面上的印制导线。第一印制导线作为实线示出，而在第二平面上的印制导线作为虚线示出。在图3A的局部视图中，第一类型的线圈子系统(线圈组)以编号101a表示，而具有相对于第一类型垂直定向的绕线走向的第二类型的线圈子系统以编号101b表示。
可看出，每个线圈子系统3包括具有分别一定程度上矩形的导体走向的彼此嵌套的线圈。
在扁平线圈的延伸的绝大部分中，该扁平线圈的导体能够通过结构化到印刷电路板的相应的导体平面中的印制导线的并联设置无困难地实现。然而在交叉区域Xa、Xb中并且在连接区域Ya、Yb中，每个线圈组的各个扁平线圈的连接端的一部分需要离开相应的主延伸平面，从而不会出现印制导线之间的短路。这在图中通过用于显示印制导线的线走向的相应改变的图示可看出。
在此示出的实施方式中，相应的线圈子系统101a或101b的连接区域Ya、Yb占据少于相应的线圈子系统的延伸面积的5％的面积、特别是大约2.5％的面积，因此被描述为小的连接区域。所述连接区域的形状在俯视图中可以大致作为矩形看待。
在技术上，到分别相对置的平面中的“跳跃”(即从第一平面到第二平面或从第二平面到第一平面中)通过常规的通孔敷镀(Vias)可实现，亦即通过在绝缘的基底材料中的缺口，所述缺口以导电的材料填充。要强调的是，线圈组的扁平线圈的按照本发明的彼此嵌套几何地这样配置，使得全部的交叉区域可以在唯一的附加的导体平面中实施，因此，不同于三个配套的扁平线圈的常规的彼此嵌套，不需要第三导体平面或绕线平面。
本发明的实施方式不限制于该示例，而是同样可以具有许多变型方案，所述变型方案处于本领域的手段的范围中。

Claims (19)

1.一种平面定位设备，所述平面定位设备包括：
定子，所述定子具有包括扁平线圈的线圈系统；
在平面定位设备的运行位置中与定子相对置地设置的转子，所述转子具有包括多个磁体排的平面的磁体系统，其中，通过平面的磁体系统构成的平面平行于线圈系统的平面设置；
位置检测装置，其用于检测转子相对于定子的位置；和
评估与控制装置，其用于评估位置检测装置的位置信号并且用于控制线圈系统的通电以用于转子相对于定子的位置控制；
其中，线圈系统在线圈系统的第一和第二定向中分别包括n×3个彼此嵌套的、细长的扁平线圈，所述扁平线圈在其延伸的绝大部分延伸中设计为多平面印刷电路板的第一平面的印制导线，并且三个配套的扁平线圈的印制导线包围交叉区域，所述交叉区域在多平面印刷电路板的第二平面中延伸，其中，三个配套的扁平线圈的所有连接端分别集中在多平面印刷电路板的一个小的连接区域中，
其中，第一定向的n×3个扁平线圈在其延伸的绝大部分延伸中在第一平面中延伸并且所属的交叉区域在多平面印刷电路板的第二平面中延伸，而第二定向的n×3个扁平线圈在其延伸的绝大部分延伸中在第二平面中延伸并且所属的交叉区域在多平面印刷电路板的第一平面中延伸。
2.按照权利要求1所述的平面定位设备，其中，相应地所有的扁平线圈的连接端的一部分处于多平面印刷电路板的第一平面中并且另一部分处于多平面印刷电路板的第二平面中。
3.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，所有扁平线圈设计为基本上具有相同的长度和相同的欧姆阻抗。
4.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，所有扁平线圈设计为具有基本上矩形的导体走向。
5.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，多平面印刷电路板的小的连接区域占据少于由扁平线圈占据的面积的10％的面积。
6.按照权利要求5所述的平面定位设备，其中，多平面印刷电路板的小的连接区域占据少于由扁平线圈占据的面积的5％的面积。
7.按照权利要求5所述的平面定位设备，其中，所述连接区域构成为矩形的。
8.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，所述多平面印刷电路板是双平面印刷电路板。
9.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，所述线圈系统基本上遮盖定子的整个面。
10.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，位置检测装置具有至少一个在定位设备的运行位置中设置在定子或转子内部的位置测量头和位置可靠地固定在转子或定子上的面尺度，并且定子或转子具有至少一个窗口，以用于使面尺度对于位置测量头可见。
11.按照权利要求10所述的平面定位设备，其中，定子或转子具有以矩阵布置结构的多个窗口。
12.按照权利要求11所述的平面定位设备，其中，以矩阵布置结构的多个窗口的至少一部分在相应三个配套的扁平线圈的相邻的扁平线圈之间或在具有相应三个配套的扁平线圈的相应n个相邻的组之间设置。
13.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，所述转子包括磁体排的棋盘状的布置结构，所述磁体排中的每个磁体排形成海尔贝克阵列。
14.按照权利要求1或2所述的平面定位设备，其中，所述转子包括磁体排的棋盘状的布置结构，所述磁体排中的每个磁体排形成以棋盘布置结构形式的四方形磁体排。
15.按照权利要求13所述的平面定位设备，其中，所述磁体排基本上遮盖转子的中心区域。
16.一种定位台，其具有按照权利要求1至15之一所述的平面定位设备，其中，所述定位台具有用于平面定位设备的保持和引导机构和用于保持要定位的物体的物体保持装置。
17.一种加工系统，其包括按照权利要求16所述的定位台。
18.按照权利要求17所述的加工系统，其中，所述加工系统是机床。
19.一种测量系统，其包括按照权利要求16所述的定位台。
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