JP2018536374A - 平面位置決め装置および平面位置決めテーブル - Google Patents

Abstract

本発明は位置決め装置に関する。位置決め装置は、扁平コイルを備えるコイル配置と、位置決め装置の動作位置においてステータに対向して配置され、複数の磁石列を備える平面磁石配置を有するロータであって、該平面磁石配置が跨る面がコイル配置の面に平行に配置されたロータと、ステータに対するロータの位置を検出する位置検出装置と、該位置検出装置の位置信号を評価し、ステータに対するロータの位置を制御するためにコイル配置への電流供給を制御するための評価制御装置と、を備え、コイル配置は、いずれの場合でも、コイル配置の第１の向きおよび第２の向きで互いにインターリーブされたｎ×３（ｎ≧１）個の細長い扁平コイルを備え、該扁平コイルの範囲の大部分は多面プリント回路基板の第１の面の導体トラックとして設計され、３個の関連する扁平コイルの導体トラックは多面プリント回路基板の第２の面内に広がる重なり領域を含む。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、扁平コイルのコイル配置を備えるステータと、平面位置決め装置の動作位置でステータに対向して配置され、複数の磁石列を備える平面磁石配置を有するロータであって、該平面磁石配置が跨る面がコイル配置の面に平行に配置されたロータと、ステータに対するロータの位置を検出するための位置検出装置と、該位置検出装置の位置信号を評価し、ステータに対するロータの位置を制御するためにコイル配置への電流供給を制御するための評価制御装置と、を備える平面位置決め装置に関する。

多様な種類の工作機械または他の加工装置もしくは測定装置は、工具に対する被加工物または測定装置に対する測定対象を適切に位置決めするためのクロステーブルまたはＸＹテーブルとも呼ばれる位置決めテーブルを備えている。この種類の高度な位置決めテーブルは、純粋なＸＹの位置決めだけでなく多軸の位置決めも提供し、６自由度ポジショナまたは６自由度テーブルとして開発の最も高い段階で参照もされる。

従来のＸＹテーブルまたはクロステーブルは２つのリニアアクチュエータを備えているが、ステータ側および／またはロータ側の扁平コイル配置または永久磁石の平面配列に基づく駆動概念は、予てより実用上の重要性が増している。いわゆる「平面モータ」または平面駆動装置は、単一のモータ一次部品（ステータ）および永久磁石を備えたモータ二次部品（ロータ）のみを備え、第２の駆動モータは、例えばボールねじ駆動装置に必要な追加の機械伝達要素として省略される。

上述の、又は類似する種類の平面位置決め装置は、例えば、米国特許第６，４５２，２９２（Ｂ１）号、米国特許出願第２００７／００３５２６７（Ａ１）号、米国特許出願第２００６／００４９６９９（Ａ１）号及び国際公開番号第ＷＯ２００９／１１５０７１（Ａ２）号から公知である。

また、本出願人によるドイツ特許出願第１０２０１１１００１５３（Ａ１）号は、一般的な平面位置決め装置を開示している。この平面位置決め装置の構造を図１及び図２に概略的に示す。

図１および図２では３組の、各組が１２０度ずつずれて星形に配置された６個の扁平コイルからなる扁平コイルアレイ１がステータプレート９上に配置され、取り付けられている。コイルアレイの中心には、空きスペースまたは窓６が残されており、その中で位置測定ヘッド（６自由度測定ヘッド）８がステータプレートに取り付けられている。コイルアレイ１を備えるステータプレート９の上方にはロータ３が配置されており、該ロータ３は、ステータプレート９に対して移動可能であり、ロータ３が中心位置にあるときにコイルアレイ１のコイル対の中心に各々が位置する、互いに着磁された３列の磁石列から形成された平面磁石アレイ２を備える。磁石アレイの中心においても、位置測定ヘッド８と協働してステータ９に対するロータ３の位置を測定するのに役立つ領域スケール７のためのスペースを提供する空きスペースまたは窓５が配置されている。ロータ２の上側には、物体キャリアまたは被加工物キャリア４が配置されている。

国際公開番号第ＷＯ２０１３／００５９９３４（Ａ１）号は、同様に、上述の種類の平面位置決め装置を記載しており、コイル配置は、ステータの幾つかの平面内に延在し、ステータに垂直な導体トラックまたはコイル巻線の第１の向きおよび第２の向きに複数の扁平コイルを備える導体トラックから実現される。分かる限りでは、コイル配置は、ステータの４枚以上の導体面に亘って延在している。複数のコイルへの電流供給のための接続がどのようにして実現されるかは、この公報から詳細に導き出すことができない。

本発明は、構造が簡易、特にステータの構造が簡易であり、製造工程を容易にすることができ、従って生産コストを下げることができる平面位置決め装置を提案するという課題に基づく。

課題は、請求項１の特徴を有する平面位置決め装置によって解決される。適切にさらに発展させた発明思想が従属請求項の主題である。さらに、有利な位置決めテーブルが提案される。

本発明は、ステータの構造を簡易にし、従ってこの簡易化によりコストを下げるために、コイル配置を実現するための導体面の枚数を減らすという思想を含む。好ましくは、２枚の導体面および中間絶縁層を有する従来の回路基板は、本発明者のさらなる根本的考察に従ってこの目的を果たすものである。

本発明は、同じ向き（すなわち、導体トラックの実質的に長手方向範囲の同じ延在方向）を有する３相の関連する扁平コイルをインターリーブすることによってこの目的を達成するという思想をさらに含む。最後に、本発明は、追加の（具体的には第３の）導体面無しでも実現可能とする、インターリーブされた扁平コイルの導体トラックの特定の幾何学的構成である必然の重なり領域という思想を含む。

従って、本発明によれば、いずれの場合でも、コイル配置の第１の向き及び第２の向きで互いにインターリーブされたｎ×３（ｎ≧１）個の細長い扁平コイルを備えるコイル配置であって、扁平コイルの大部分は多面プリント回路基板の第１の面の導体トラックとして設計され、関連する３個の扁平コイルの導体トラックは多面プリント回路基板の第２の面内に広がる重なり領域を含むコイル配置が全体として構想される。具体的には、第１の向きのｎ×３個の扁平コイルは、該扁平コイルの範囲の大部分が多面プリント回路基板の第１の面に広がるとともに関連する重なり領域が多面プリント回路基板の第２の面に広がり、第２の向きのｎ×３個の扁平コイルは、該扁平コイルの範囲の大部分が多面プリント回路基板の第２の面に広がるとともに関連する重なり領域が多面プリント回路基板の第１の面に広がる。

この構造により、最も単純な事例では従来の単一の２面プリント回路基板であるが、いずれの事例でも、導体面の枚数が少ないプリント回路基板を用いて、コイル配置を有する一般的な種類の平面位置決め装置のステータまたは一部を構成することができる。基本的な多面プリント回路基板の材料費は別として、これは構造上の高さを減じ、位置決め装置をよりコンパクトな構造にすることができる。この解決法により、コイル配置を生産する際、特にコイル配置の接続を実現する際に作業負荷も減る。全体として、製造過程を大幅に簡易にし、生産コストを下げるという結果が得られる。

この場合、全ての扁平コイルの接続端の一部は、特に多面プリント回路基板の第１の面に、他の部分は多面プリント回路基板の第２の面にそれぞれ配置される。さらに、３相の関連する３個の扁平コイルの接続端の全ては、各々が多面プリント回路基板の小さな接続領域に有利な方法で集中する。これにより、接続端に対するそれぞれの接続接点の備え付けが容易になり、従って、全体として、位置決め装置のステータの構造および取り扱いが容易になる。

コイル配置のバランスの取り方および作業を簡単にするために、全ての扁平コイルは、好ましくは、実質的に同じ長さおよび同じオーム抵抗を有するように実現される。設計、製造工程および品質試験の簡易化は設計によって達成され、該設計では、扁平コイルの全てが略矩形範囲の導体を用いて設計される。

コイル配置が実質的にステータの表面全体を覆うさらなる実施形態では、基本的により広い移動範囲が実現される。この移動範囲は一実施形態で具体的に最適化されてよく、この実施形態では、位置検出装置が、位置決め装置の動作位置においてステータまたはロータ内に配置された位置測定ヘッドと、ロータまたはステータの位置に正確に固定された領域スケールとを備え、ステータまたはロータは少なくとも１つの窓、好ましくは、位置測定ヘッドが領域スケールを可視するようにマトリクス配置において複数の窓を有する。

領域スケールのために規則的に配列された複数の観測窓を備える好適な構成では、これらの窓または窓の少なくとも一部は、個々のコイルセット間の凹部および／または位相に関してセットを形成する、各相が３個の扁平コイルを有する３相間の凹部によって作成される。これにより、ｎ個の扁平コイルのサブアセンブリの密集した並置が可能となり、従って、一方ではステータ表面を高度に利用することができ、他方では十分に密集させて観測窓を配置することができる。

さらなる実現において、ロータは、チェス盤状に配置した磁石列、特にチェス盤配置に４列の四角状の磁石列を備える。有利な幾何学的構成では、磁石列は実質的にロータの中央領域を覆う。それにより、磁石列の各々は、有利な方法でいわゆるハルバッハ配列を形成する。

本発明の範囲内でさらに提案する位置決めテーブルは、上述の種類の平面位置決め装置の他に、平面位置決め装置のための保持案内手段と、位置決めすべき物体を保持するための物体ホルダとを備える。そのような位置決めテーブルは機械装置、特に工作機械、または、特に複雑な被加工物を測定するための測定装置の実質的な部分を形成してよく、従って簡易な方法で、かつ費用を抑えて製造することができる。

本発明の有利かつ好都合な特徴は、図面を用いて以下で概略的に記載した例示的な実施形態から付随的に現れる。

公知の平面位置決め装置の概略的な断面図である。 公知の平面位置決め装置の概略的な上面図である。 本発明の一実施形態によるコイル装置の概略図（上面図の様子の切欠図）である。 図３の概略図の詳細図である。

図３は、ステータプレート１０９上のコイル配置１０１の一部を示す。図３では、図１および図２の平面位置決め装置の特定の部品の指定に従って参照符号が割り当てられている。コイル配置１０１は、互いに垂直に延在する細長いコイル部分配置群（図３では別個には言及しない）を備える。一方向（図３及び図３Ａの上下方向）に延在する扁平コイルの全ては、二面プリント回路基板の第１の面上の導体トラックによって実質的に実現され、他方向（図３および図３Ａの水平方向）に延在する扁平コイルの全ては、該扁平コイル範囲の大部分が二面プリント回路基板の第２の面上の導体トラックとして実現される。第１の面上の導体トラックは実線で示され、第２の面上の導体トラックは破線で示されている。図３Ａの切欠図において、第１の種類のコイル部分配置（コイルセット）は符号１０１ａで示され、第１の種類に垂直に配向された螺旋状の範囲を有する第２の種類のコイル部分配置は、符号１０１ｂで示されている。

各コイル部分配置は、互いにインターリーブされた３個のコイルを備え、それぞれが略矩形の導体範囲を有することが明らかである。

扁平コイルの延在部分の大部分に亘って、該扁平コイルの導体は、プリント回路基板のそれぞれの導体面にパターンニングされた導体トラックの並列配置によって、簡単な方法で実現されてよい。しかしながら、重なり領域Ｘａ、Ｘｂおよび接続領域Ｙａ、Ｙｂでは、導体トラック間で短絡が発生しないように、各コイルセットの個々の扁平コイルの接続端の一部は、対応する主延在面を離れる必要がある。これは、導体トラックを表す線の経路の表現を適宜変更することで図中に識別されている。

各コイル部分配置１０１ａ、１０１ｂの接続領域Ｙａ、Ｙｂは、図３Ａに示す実現化では、それぞれが、各コイル部分配置の延在部分の表面の５％未満の表面、具体的には約２．５％の表面を占有し、従って小さな接続領域として適していなければならない。接続領域の形状は、上面図において略矩形のものと見なすことができる。

技術的には、それぞれの対向面（従って、第１の面から第２の面または第２の面から第１の面）への「跳躍（“leap”）」は、従来のスルー接続（ビア）によって、すなわち、導電材で充填された、絶縁キャリア材の突破口を介して実現することができる。１つのコイルセットの扁平コイルを用いた本発明によるインターリーブは、重なり領域の全てを単一の追加的な導体面で実現できるように幾何学的に構成されており、それ故、３個の関連する扁平コイルを用いた従来のインターリーブとは対照的に、第３の導体面または巻線面は必要ないことが強調されるべきである。

本発明の実現はこの例に限定されるものではなく、また、当業者が行う範囲内で様々な変更が可能である。

Claims (15)

1. 平面位置決め装置であって、
   扁平コイルのコイル配置を備えるステータと、
   前記位置決め装置の動作位置で前記ステータに対向して配置され、複数の磁石列を備える平面磁石配置を有するロータであって、該平面磁石配置が跨る面が前記コイル配置の面に平行に配置された、ロータと、
   前記ステータに対する前記ロータの位置を検出するための位置検出装置と、
   前記位置検出装置の位置信号を評価し、前記ステータに対する前記ロータの位置を制御するために前記コイル配置への電流供給を制御するための評価制御装置と、を備え、
   前記コイル配置は、いずれの場合でも、該コイル配置の第１の向きおよび第２の向きで互いにインターリーブされたｎ×３（ｎ≧１）個の細長い扁平コイルを備え、該扁平コイルの範囲の大部分は多面プリント回路基板の第１の面の導体トラックとして設計され、前記３個の関連する扁平コイルの前記導体トラックは前記多面プリント回路基板の第２の面内に広がる重なり領域を含み、前記３個の関連する扁平コイルの接続端の全ては、各々が、前記多面プリント回路基板の小さな接続領域に集中している、平面位置決め装置。
2. 前記第１の向きの前記ｎ×３個の扁平コイルは、該扁平コイルの範囲の大部分が前記多面プリント回路基板の前記第１の面内に広がるとともに関連する重なり領域が前記第２の面内に広がり、前記第２の向きの前記ｎ×３個の扁平コイルは、該扁平コイルの範囲の大部分が前記多面プリント回路基板の前記第２の面内に広がるとともに関連する重なり領域が前記第１の面内に広がる、請求項１に記載の平面位置決め装置。
3. いずれの場合でも、前記扁平コイルの全ての接続端の一部は前記多面プリント回路基板の前記第１の面内にあり、他の部分は前記第２の面内にある、請求項１または２に記載の平面位置決め装置。
4. 前記扁平コイルの全ては、実質的に同じ長さ及び同じオーム抵抗を有するように実現される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の平面位置決め装置。
5. 前記扁平コイルの全ては、略矩形の導体範囲を有するように実現される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の平面位置決め装置。
6. 前記多面プリント回路基板の前記小さな接続領域は、前記扁平コイルが占有する表面の１０％未満、特に５％未満の表面を占有し、特に矩形に形成される、請求項１乃至５のいずれか1項に記載の平面位置決め装置。
7. 前記多面プリント回路基板は、二面プリント回路基板である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の平面位置決め装置。
8. 前記コイル配置は、実質的に前記ステータの表面全体を覆う、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の平面位置決め装置。
9. 前記位置検出装置は、前記位置決め装置の動作位置において前記ステータまたは前記ロータ内に配置された少なくとも１つの位置測定ヘッドと、前記ステータまたは前記ロータの位置に正確に固定された領域スケールとを備え、前記ステータまたは前記ロータは少なくとも１つの窓、好ましくは、前記位置測定ヘッドが領域スケールを可視するようにマトリクス配置の複数の窓を有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の平面位置決め装置。
10. 請前記マトリクス配置の前記複数の窓の少なくとも一部は、いずれの場合でも前記３個の関連する扁平コイルの隣接する扁平コイル間、または、いずれの場合でも各群が前記３個の関連する扁平コイルを備える、隣接するｎ群間に配置される、請求項９に記載の平面位置決め装置。
11. 前記ロータは、各々が特にハルバッハ配列を形成する、チェス盤状に配置された磁石列、特に、チェス盤配置に４列の四角状の磁石列を備える、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の平面位置決め装置。
12. 前記磁石列は、実質的に前記ロータの中心領域を覆う、請求項１１に記載の平面位置決め装置。
13. 前記平面位置決め装置のための保持案内手段と、位置決めすべき物体を保持するための物体ホルダとを有する、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の平面位置決め装置を備える位置決めテーブル。
14. 請求項１３に記載の位置決めテーブルを備える加工装置、特に工作機械。
15. 請求項１３に記載の位置決めテーブルを備える測定装置。
    

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