JP2005527392A - 反力移動システム - Google Patents

Abstract

反力移送システムは、フレームと、受動防振構造体を通じてフレームに支持される機械ベースとを含む。往復台は、機械ベースに対する運動のために支持され、また、モーターは、機械ベースに対し往復台を移動させるため、フレームに連結された固定子と、往復台に連結された可動子とを有するように設けられる。

Description

本発明は、高スループット動作の用途におけるステージの加速に起因する機械ベースの運動を低減する反力移動方法に関する。

大型クラスの精密機械は、工作物を工具に対し配置して移動させる。該工作物、工具又はその両方は、いくつかの動作軸に沿って移動する。高精度が要求されるので、そのような機械は、周囲の振動源からの実質的な絶縁を与えるように取り付けられる。現代の受動除振システムは、該機械に入り込む周囲の環境振動の振幅を減衰させるのにきわめて効果的である。除振は、一般に、花崗岩ベースのような大きい機械質量を軟らかい（ソフトな）ばね上で垂直に支持して、非常に低いシステム固有振動数をもたらすことによって一般に成し遂げられる。この低固有振動数付近の障害（外乱）を最小にするために減衰（ダンピング／制動）が付加される。

主要な障害は、機械の水平軸が急に加速又は減速する際に生じる。ある軸に沿ってペイロード質量を加速するのに必要とされる大きい力は、ニュートンの第三法則に従って等しい反力（反作用の力）を該機械の「静止」構造に発生させる。この反力は、上述したような一般にどっしりした花崗岩厚板である機械ベースを含む全機械質量を加速する。機械の該横方向（水平方向）の運動に対する唯一の抵抗は、該除振システムの比較的軟らかい水平ばね定数である。該問題を悪化させるのは、水平方向における該アイソレータ（除振システム）の低減衰比である。従って、該機械は、受け入れがたい振幅及び修正時間により、横方向に振動する。

この機械ベースの振動は、他の問題を引き起こし得る。該機械ベースの運動は、これに取り付けられる他のすべての構成物に対する一時的な励起である。この入力は、そのような構成物に共鳴振動数（共振周波数）を励起する。これらの構成物は、動作軸、度量衡計器及び機械工具（例えば、原子間力顕微鏡又は光学系）のような振動に敏感な装置／デバイスを含み得る。

この機械振動問題を抑制することができるアクティブ除振システムは、入手可能である。しかしながら、アクティブ除振は、きわめて高価である。あるいは、力を打ち消す方法が使用され得ることが知られている。この場合、ダミー軸が、機械に付加されて、真の機械軸によって引き起こされる反力を打ち消す反対の動きを作り出すようにプログラムされる。ある機械構成において、この力打ち消し技術は、見事に実行され得る。しかし、他の多くの機械構成において、この解決法は、所要電力の倍増、空間要求の増加、及び費用の増大により、実際的ではない。

本発明によれば、反力移動システムは、フレームと、受動防振構造体を通じてフレームによって支持される機械ベースとを含む。往復台が、機械ベースに対する運動のために支持される。フレームに連結される固定子と往復台に連結される可動子を有するモーターが、機械ベースに対して往復台を移動させる。好ましい実施形態において、該モーターはリニアモーターであり、往復台は、機械ベースに対して単一の自由度の運動に拘束される。この実施形態において、モーター固定子は、機械ベース上のリニア軸受により支持される。

好ましい実施形態において、固定子を、フレームに対する単一の自由度のみの運動において拘束する一方、他の五自由度における自由な運動を許容するように、固定子はフレームに連結される。固定子は、球面軸受、自在継手、回転軸受、リニア軸受、平面軸受、及び曲げ部材からなる群から選択される一又は複数の構成要素によってフレームに連結され得る。好ましい一実施形態において、固定子は、フレームに連結される。二自由度継手と三自由度継手との直列の組合せによってフレームに連結される。二自由度継手は自在継手であり得、三自由度継手は平面軸受であり得る。

更に別の実施形態において、固定子は、曲げ部材によってフレームに連結される。曲げ部材は、軸上の高剛性及び他の五自由度における高コンプライアンスを有するノッチ付きヒンジたわみ部材を含む。往復台が機械ベースに対し単一の自由度の運動に拘束される実施形態において、当該拘束はリニア軸受によって与えられる。適当なリニア軸受セットは、ボールリニア軸受、ローラーリニア軸受、気体静力学的リニア軸受又は流体静力学的リニア軸受からなる群から選択され得る。機械ベースに対する往復台の位置に反応（応答）するエンコーダも設けられ得る。

明確にするため、図１ａ及び１ｂは、動作の一つの軸のみを示す先行技術の機械の簡易化した図を例示している。可動往復台（キャリヤ）１０は、一組のリニア軸受１４を通じて機械ベース１２上に取り付けられている。可動往復台１０は、動きが正確に制御されるべき工作物（図示せず）を支持するということを当業者は認識するであろう。リニア軸受１４（ボール軸受、ローラー軸受、気体静力学的軸受、流体静力学的軸受等）は、主軸方向以外のすべての自由度における動きを制約しつつ主軸方向における自由な運動を許容する。図１ａにおいて、図示される該動作の主軸は、図１ａの紙面に対し出入りするものであり、図１ｂにおいてはＸ軸に沿うものである。

リニアモーター１６は、軸上の往復台１０を移動させる力を供給する。リニアモーター１６は、往復台１０に取り付けられた可動子（フォーサ）１８（一般にモーター１６のコイル）を含む。リニアモーター１６の固定子（ステータ）１９（一般にマグネットトラック）は、機械ベース１２に堅く取り付けられる。当業者には認識されるように、位置フィードバックは、往復台１０と機械ベース１２との間の相対的位置を測定するリニアエンコーダ又はレーザー干渉計（図示せず）によって一般に与えられる。機械ベース１２自体は、受動防振体（受動振動アイソレータ）２０上に取り付けられている。そして、受動防振体２０は、溶接された鉄骨のようなフレーム２２により、互いに保持されて床（図示せず）上に支持される。

モーター可動子１８が、可動往復台１０を＋Ｘ方向に駆動すると、モーター固定子１９における反力が、機械質量（可動往復台１０の質量を除いた、防振体２０上の全質量）を−Ｘ方向に加速する。結果として受け入れがたい機械振動が生じる。

本発明は、図２ａ及び２ｂに示される実施形態と共に記述される。図１ａの先行技術における機械ベース１２にしっかりと固定されたリニアモーター固定子１９に代えて、リニア軸受セット２４は、固定子１９が、Ｘ−軸に沿って機械ベース１２に対して移動することを許容する（一自由度）が、他の五自由度において固定子１９を拘束する。リニア軸受セット２４は、ボール軸受、ローラー軸受、気体静力学的軸受、流体静力学的軸受等であり得る。すなわち、固定子１９は、機械ベース１２に対して単一の自由度において自由に移動できる。

図２ｂに示されるように、固定子１９の一端部は、フレーム２２の拡張部２６に連結される。この実施形態における固定子１９とフレーム拡張部２６間の上記連結は、自在継手２８及び平面軸受３０によって与えられる。フレーム拡張部２６に対して、固定子１９は、Ｘ−軸に沿って拘束されるが（ある単一の拘束された自由度）、他の五自由度において自由に移動できる。

自在継手２８及び平面軸受３０の機能は、ある一つだけの自由度においてモーター固定子１９を拘束する一方、他の五自由度においては自由な運動が依然として許容される機械的構成要素のどのような組合せによっても成し遂げられ得る。該構成要素の組合せは、球面軸受、自在継手、回転軸受、リニア軸受、及び平面軸受を含み得る。別の適当な継手（カップリング）は、軸上の高い剛性及び他の五自由度における高いコンプライアンスを有する組合せにおける曲げ部材（ノッチ付きヒンジたわみ部材）である。

当業者は、モーター固定子１９の拘束構成要素の自由方向におけるどのような摩擦又はばね定数も、システムの防振を劣化させることを認識するであろう。従って、理想的な実行は、すべての静圧気体軸受を利用する。この場合、機械ベース１２に対しモーター固定子１９を取り付けるために、リニア空気軸受が使用される。直列の球面及び平面空気軸受は、モーター固定子１９とフレーム拡張部２６との間に単一自由度拘束を与える。

操作において、例えば、モーター可動子１８が、可動往復台１０を＋Ｘ方向に駆動すると、モーター固定子１９における反力は、フレーム拡張部２６を−Ｘ方向に加速しようとする。力は、分離された機械ベース１２には与えられない（リニア軸受２４における摩擦は無視できるとする）。従って、分離された機械ベース１２には水平運動が全く誘発されず、また、一時的な励起も他の機械構造部に全く導入されない。機械ベース１２は、依然として六自由度のすべてに自由に移動でき、受動防振体２０によってのみ拘束される。従って、受動防振体２０は、周囲の環境振動から機械ベース１２を絶縁する機能を依然として実行する。フレーム２２は、床に摩擦結合されるので移動しない。ある振動は、往復台１０の動きによってフレーム２２及びモーター固定子１９へと導入される。しかしながら、適切な設計により、これらの振動の周波数は、全体的な機械動作に影響しないように十分高く保たれ得る。

本発明の反力移動システムの潜在的悪影響は、モーター固定子１９と機械ベース１２に取り付けられたエンコーダー・スケールとの間のどのような相対的運動もモーター１６の整流性能を劣化させることである点が認識される。しかしながら、典型的な整流周期に対する機械ベース１２のいかなる運動の振幅の比率も、実験で確かめられているように、この影響が最小となるように十分小さい。

明確に理解できるように、本発明は、一つの軸に沿う運動に対して例示した。当業者は、開示した技術が、複数軸の運動用途に容易に拡張され得ることを認識するであろう。

先行技術システムのＹ−Ｚ平面における断面図である。 この先行技術機械のＸ−Ｚ平面における断面図である。 本発明のシステムの一実施形態を示すＹ−Ｚ平面における断面図である。 本発明のシステムのこの実施形態のＸ−Ｚ平面における断面図である。

符号の説明

１０ 往復台
１２ 機械ベース
１４ リニア軸受
１６ モーター
１８ 可動子
１９ 固定子
２０ 受動防振体
２２ フレーム
２４ リニア軸受セット
２６ （フレームの）拡張部
２８ 自在継手
３０ 平面軸受

Claims (13)

1. 反力移動システムであって、
   フレームと、
   受動防振構造体を通じてフレームによって支持された機械ベースと、
   機械ベースに対する運動のために支持される往復台と、
   前記フレームに連結された固定子及び往復台に連結された可動子を有し、かつ機械ベースに対して往復台を移動させるモーターとを備える反力移動システム。
2. 前記モーターはリニアモーターである請求項１の反力移動システム。
3. 前記往復台は、機械ベースに対し単一の自由度の運動に拘束される請求項１の反力移動システム。
4. 前記モーター固定子は、機械ベース上のリニア軸受によって単一の自由度に拘束される請求項３の反力移動システム。
5. 前記固定子を、フレームに対する単一の自由度の運動のみ拘束し、他の五自由度における自由運動を許容するように、固定子がフレームに連結される請求項１の反力移動システム。
6. 前記固定子は、球面軸受、自在継手、回転軸受、リニア軸受、平面軸受、及び曲げ部材からなる群から選択される一又は複数の構成要素によってフレームに連結される請求項５の反力移動システム。
7. 前記固定子は、二自由度継手と三自由度継手との直列結合によってフレームに連結される請求項５の反力移動システム。
8. 前記２自由度継手は自由継手であり、三自由度継手は平面軸受である請求項７の反力移動システム。
9. 前記曲げ部材は、軸上の高剛性及び他の５自由度における高コンプライアンスを有するノッチ付きヒンジたわみ部材である請求項６の反力移動システム。
10. 前記往復台は、リニア軸受により、機械ベースに対し単一の自由度の運動に拘束される請求項３の反力移動システム。
11. 前記リニア軸受セットは、ボール軸受、ローラー軸受、気体静力学的軸受、又は流体静力学的軸受からなる群から選択される請求項１０の反力移動システム。
12. 前記リニア軸受セットは、ボール軸受、ローラー軸受、気体静力学的軸受、流体静力学的軸受、又は滑り軸受からなる群から選択される請求項４の反力移動システム。
13. 前記機械ベースに対する往復台の位置に対応するエンコーダーを更に含む請求項１の反力移動システム。
    
    

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