JP2019059011A

JP2019059011A - 高耐荷の案内機構及び多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージシステム

Info

Publication number: JP2019059011A
Application number: JP2018000624A
Authority: JP
Inventors: 楊志軍; Zhijun Yang; 李乾; Qian Li; 白有盾; Youdun Bai; 陳新; Xin Chen; 陳▲しゅん▼; Xun Chen; 何耀斌; Yaobin He; 孫▲はん▼; Han Sun; 黄観新; Guanxin Huang; 呉柏生; Baisheng Wu
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2018-01-05
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2038-01-05
Also published as: JP6860869B2; US10564553B2; US20190094714A1

Abstract

【課題】高耐荷の案内機構及び多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージシステムを提供する。【解決手段】案内機構は、大ストローク変位、高速移動を実現する剛性フレームと、非接触式アクチュエータの移動部分に接続し、かつフレキシブルヒンジユニットにより剛性フレームに接続し、アクチュエータの駆動でフレキシブルヒンジユニットの弾性変形で小ストロークの精密変位を発生するコア移動ステージと、コア移動ステージの両側と剛性フレームとの間に設けられ、コアステージを支持し、かつ移動方向変形によりコア移動ステージに精密変位を発生されるメインフレキシブルヒンジユニットと、コア移動ステージの別の両側と剛性フレームとの間に設けられ、コア移動ステージの捩り変形抵抗能力を向上することに用いられ、コア移動ステージの移動方向の変位を許容する、メインフレキシブルヒンジユニットに垂直配置されるサブフレキシブルヒンジユニットを含む。【選択図】図１

Description

本発明は精密移動ステージの技術分野に関し、特に、高耐荷の案内機構及び当該案内機構を使用した多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージに関する。

科学技術の進歩に伴って、人々の製品に対する要求は、ますます高くなり、それにより、メーカーは、製品の加工精度に対する要求もますます高くなっている。従来の高精度のフィード移動ステージシステムは、ストロークが一般的に短いが、大ストロークの通常のマクロ移動システムの精度が実際の必要を満たさず、専用の大ストローク、高精度の移動ステージシステムを採用すると、製品の製造コストは、大幅に増加してしまう。上記現状について、大ストローク、一般的な精度のマクロ移動と高精度、小ストロークのマイクロ移動とを結合する、大ストローク、高精度のフィードを実現することができ、かつ多方向の移動ステージシステムは、ますます、受け入れられている。

従来技術では、大ストロークの通常のマクロ移動設備の精度が比較的低く、高精度のフィード移動ステージのストロークが一般的に短く、かつ移動ステージシステムの移動自由度が多くとも二自由度である欠陥について、本発明は、高耐荷の案内機構及び多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージシステムを提供する。

本発明は、上記技術問題を解決するために以下の技術案を提出する。
一態様として、高耐荷の案内機構を提出し、大ストロークの変位を発生し、高速移動を実現するための剛性フレーム（102）と、前記剛性フレーム（102）に設けられて、非接触式アクチュエータの駆動で前記剛性フレーム（102）に小ストロークの精密変位を発生するためのコア移動ステージ（104）と、前記剛性フレーム（102）と前記コア移動ステージ（104）両側との間に設けられ、前記コア移動ステージ（104）を前記剛性フレーム（102）に接続し、前記コア移動ステージ（104）の負荷を支持し、かつ移動方向に沿う変形により前記コア移動ステージに前記精密変位を発生させるためのメインフレキシブルヒンジユニット（106）と、前記剛性フレーム（102）と前記コア移動ステージ（104）の別の両側との間に設けられてかつ前記メインフレキシブルヒンジユニットと垂直配置され、前記コア移動ステージ（104）を前記剛性フレーム（102）に接続し、コア移動ステージの捩り変形抵抗能力を向上し、かつコア移動ステージが前記移動方向に沿う変位を発生することを許容するサブフレキシブルヒンジユニット（108）と、を含み、前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）のフレキシブルヒンジは、前記コア移動ステージ（104）に対して対称的に設置され、前記メインフレキシブルヒンジユニット（106）のフレキシブルヒンジは、前記コア移動ステージ（104）に対して対称的に設置されている。

好ましくは、前記剛性フレーム（102）、コア移動ステージ（104）及びメインフレキシブルヒンジユニット（106）は、一体成形されている。

好ましくは、前記剛性フレーム（102）、コア移動ステージ（104）及びメインフレキシブルヒンジユニット（106）は、航空アルミニウム又は航空アルミニウム合金から製造される。

好ましくは、前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）と前記剛性フレーム（102）とは一体成形されている。

好ましくは、前記案内機構は、さらに、剛性接続部（110）を含み、前記コア移動ステージ（104）は、剛性接続部（110）により前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）に接続している。

好ましくは、前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）、前記コア移動ステージ（104）及び前記剛性接続部（110）は、一体成形されている。

好ましくは、前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）、前記剛性フレーム（102）、前記コア移動ステージ（104）及び前記剛性接続部（110）は、航空アルミニウム又は航空アルミニウム合金から製造される。

好ましくは、前記剛性フレーム（102）には前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）を連通する開口（112）が開設されており、前記案内機構は、さらに、剛性ブロック（118）を含み、前記剛性ブロック（118）は、前記開口（112）に嵌め込まれ、かつ前記剛性フレーム（102）に剛性接続し、それにより、前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）の加工なので前記剛性フレーム（104）が発生する脆弱箇所の剛性を増加する。

他の実施態様として、多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージシステムを提供し、第1回動部材（100a）、第2回動部材（100b）、摺動部材（200）、第1、第2及び第3一自由度移動ステージを含み、それぞれの前記一自由度移動ステージは、いずれも、ベース（20）、非接触式アクチュエータ（30）及び上記案内機構を含む。第1回動部材（100a）と摺動部材（200）とは回動・摺動対偶を構成している。前記回動・摺動対偶は、第1一自由度移動ステージにおけるコア移動ステージ（104a）に剛性接続し、かつ第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続している。第2回動部材（100b）は第2一自由度移動ステージにおけるコア移動ステージ（104b）に剛性接続し、かつ第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続している。

好ましくは、前記多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージは、さらに、第1接続部材（400a）と第2接続部材（400b）とを含む。前記回動・摺動対偶は、第1接続部材（400a）により第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続し、前記第2回動部材（100b）は、第2接続部材（400b）により第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続している。

好ましくは、前記第1回動部材（100a）と第2回動部材（100b）とは、共に、クロスローラベアリングである。

好ましくは、前記摺動部材（200）は、短いリニアガイドステージである。

好ましくは、それぞれの前記一自由度の移動ステージは、いずれも、リニアガイド（40）を含み、剛性フレーム（102）は、リニアガイド（40）によりベース（20）と摺動対偶接続を形成し、コア移動ステージ（104）が非接触式アクチュエータ（30）の移動部分（302）に接続し、前記非接触式アクチュエータ（30）の固定部分（304）が前記ベース（20）に剛性接続している。

好ましくは、第1一自由度移動ステージと第2一自由度移動ステージとは、共に、台座（500）に設けられている。

本発明の実施例によれば、以下の有益な効果を有する。1、具体的な要求に応じて、必要である自由度の多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージをフレキシブルに構築することができる。2、それぞれの一自由度、大ストローク、高精度の移動ステージコンポーネントは、いずれも、汎用装置による加工方式を採用して加工製造を行い、加圧浮上、磁気浮上などの特殊部材を採用せず、コストが比較的低い。

本発明の実施例又は従来技術の技術案を明瞭に説明するために、以下、実施例又は従来技術の説明に必要な図面を簡単に説明するが、勿論、以下に説明する図面は本発明の一部の実施例に過ぎず、当業者は、創造的な努力を必要とせずに、これらの図面に基づいて他の図面を想到し得る。
図1は、一自由度移動ステージを模式的に示す図である。図2は、一自由度移動ステージの分解を模式的に示す図である。図3は、三自由度移動ステージの全体を模式的に示す図である。図4は、三自由度移動ステージの分解を模式的に示す図である。図5は、案内機構を模式的に示す図である。図6a及び6bは、案内機構の軸側断面図及び部分拡大図である。図7a及び7bは、案内機構の前断面図及び部分拡大図である。図8a及び8bは、案内機構の組立体の軸側断面図である。図9a及び9bは、案内機構の組立体の軸側前断面図及び部分拡大図である。

以下、本発明の実施例における図面を参照しながら、本発明の実施例における技術案を明瞭、完全に説明する。勿論、説明する実施例は本発明の一部の実施例に過ぎず、すべての実施例ではない。当業者は、創造的な努力をしない前提で、本発明における実施例に基づいて得られた他のすべての実施例は、本発明の保護しようとする範囲に含まれる。図面は、例示的なものであり、本出願を制限しない。本実施例をよく説明するためには、図面におけるある部材は、省略したり、拡大したり、縮小したりし、実際の製品のサイズを示さない。当業者にとっては、図面にある公知構成及びその説明は、省略することができる、と理解できる。図面に説明した位置関係は、例示的なものであり、本出願を制限しない。

図面全体には、相似する符号を使用すると、相似する部材を示す。明細書及び請求の範囲には、明確に限定しない限り、「一」、「前記」、或いは「その数を限定しない」の場合、部材の数は、1つであってもよく、複数であってもよい。同様に、明細書及び請求の範囲には、明確に限定しない限り、「...に位置する」ことは、「...内に位置する」ことと、「...上面に位置する」ことを含む。かつ、読みやすいために、明細書には標題及びサブ標題をさらに使用したが、これらは、本明細書の範囲に影響しない。

本出願に使用するような、「約」、「近似」、「近接」などの用語は、所定値の20％の範囲であり、好ましくは、10％であり、さらに、好ましくは5％である。
本出願に使用するような「複数個」は、2つ以上を示す。
本出願に使用するような、「含む」、「含有」、「有する」、「付く」、又は類似する用語は、開放式として理解すべきであり、即ち、それを含むが、それに限定されていない。

実施例一移動ステージシステム
一自由度移動ステージは、図1、2に示すように、案内機構10、ベース20、非接触式アクチュエータ30及びリニアガイド40を含む。案内機構10は、剛性フレーム102、コア移動ステージ104、メインフレキシブルヒンジユニット106及びサブフレキシブルヒンジユニット108を含む。剛性フレーム102は、リニアガイド40によりベース20と摺動対偶接続を形成し、高耐荷の案内機構10におけるコア移動ステージ104は、非接触式アクチュエータ30の移動部分302に接続し、前記コア移動ステージ104を駆動してメインフレキシブルヒンジユニット106の剛性約束で変位を生じる。前記非接触式アクチュエータ30の固定部分304は、前記ベース20に剛性接続している。

多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージシステムは、図3及び図4に示すように、三自由度移動ステージシステムである。図3及び4に示す三自由度移動ステージシステムは、3つの同じ一自由度移動ステージ300a、300b及び300c、第1回動部材100a、第2回動部材100b及び摺動部材200を含む。第1回動部材100aと摺動部材200は回動・摺動対偶を構成する。前記回動・摺動対偶は、第1一自由度移動ステージ300aにおけるコア移動ステージ104aに剛性接続し、かつ第3一自由度移動ステージ300cにおけるベース114cに剛性接続している。第2回動部材100aは、第2一自由度移動ステージ300bにおけるコア移動ステージ104bに剛性接続し、かつ第3一自由度移動ステージ300cにおけるベース114cに剛性接続している。本実施例には、前記第1回動部材100a及び第2回動部材100bは、共に、クロスローラベアリングである。前記摺動部材200は、短いリニアガイドステージである。前記多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージは、さらに、第1接続部材400aと第2接続部材400bとを含む。上記回動・摺動対偶は、一自由度移動ステージ300aにおけるコア移動ステージ104aに剛性接続し、かつ第1接続部材400aにより、一自由度移動ステージ300cにおけるベース114cに剛性接続している。上記回動対偶は、一自由度移動ステージ300bにおけるコア移動ステージ104bに剛性接続し、かつ第2接続部材400bにより、第3一自由度移動ステージ300cにおけるベース114cに剛性接続している。前記第1、第2一自由度移動ステージ300a、300bは、共に、台座500に設置されている。

前記第1一自由度移動ステージ300a、第2一自由度移動ステージ300bにおけるコア移動ステージ104a、104bは、差動運動方式により、前記第3一自由度移動ステージ300cにおけるベース114cの一方向直線移動及び偏向移動などの2つの自由度方向の移動を実現することができる。前記第3一自由度移動ステージ300cにおけるコア移動ステージ104cは、ベース114cに沿って固定するリニアガイドが第3自由度方向の移動を実現することができる。上記方式によれば、本発明に係る三自由度移動ステージは、x−y−zという三自由度移動を実現することができる。

実施例二案内機構
さらに、図5−9に示すように、本実施例は、案内機構の具体的な構成を提供する。前記案内機構が、従来のフレキシブルヒンジ案内機構との主な区別は、大負荷を支持し、非作動方向の変形を防止するのに使用するサブフレキシブルヒンジ108を増加することである。本実施例に係る案内機構は、大ストロークの変位を発生し、高速移動を実現するための剛性フレーム102と、前記剛性フレーム102に設けられて、非接触式アクチュエータの駆動で前記剛性フレーム102に小ストロークの精密変位を発生するためのコア移動ステージ104と、前記剛性フレーム102と前記コア移動ステージ104両側との間に設けられ、前記コア移動ステージ104を前記剛性フレーム102に接続し、前記コア移動ステージ104の負荷を支持し、かつ移動方向に沿う変形により前記コア移動ステージに前記精密変位を発生させるためのメインフレキシブルヒンジユニット106と、前記剛性フレーム102と前記コア移動ステージ104の別の両側との間に設けられてかつ前記メインフレキシブルヒンジユニットと垂直配置され、前記コア移動ステージ104を前記剛性フレーム102に接続し、コア移動ステージの捩り変形抵抗能力を向上し、かつコア移動ステージが前記移動方向に沿う変位を発生することを許容するサブフレキシブルヒンジユニット108と、を含む。前記サブフレキシブルヒンジユニット108は、前記コア移動ステージ104の移動方向に沿って設置され、前記メインフレキシブルヒンジユニット106は、前記コア移動ステージ104に垂直する移動方向に沿って設置されている。前記サブフレキシブルヒンジユニット108のフレキシブルヒンジは、前記コア移動ステージ104に対して対称的に設置され、前記メインフレキシブルヒンジユニット106のフレキシブルヒンジは、前記コア移動ステージ104に対して対称的に設置されている。

本実施例に係る案内機構の作動原理は、以下の通りである。図6及び図7に示すように、前記コア移動ステージ104は、それぞれ、メインフレキシブルヒンジユニット106及びサブフレキシブルヒンジユニット108により前記剛性フレーム102に接続している。前記メインフレキシブルヒンジユニット106、サブフレキシブルヒンジユニット108におけるフレキシブルヒンジ及び前記剛性フレーム102は、一体加工により製造される。前記剛性フレーム102、コア移動ステージ104及びメインフレキシブルヒンジユニット106は、航空アルミニウム又は航空アルミニウム合金から製造される。前記サブフレキシブルヒンジユニット108は、剛性接続部110により前記コア移動ステージ104に接続している。前記サブフレキシブルヒンジユニット108、前記コア移動ステージ104及び前記剛性接続部110は、一体成形されている。前記サブフレキシブルヒンジユニット108、前記剛性フレーム102、前記コア移動ステージ104及び前記剛性接続部110は、航空アルミニウム又は航空アルミニウム合金から製造される。前記メインフレキシブルヒンジユニット106及びサブフレキシブルヒンジユニット108におけるフレキシブルヒンジの主な作動方向は、共に、前記コア移動ステージ104の変位方向である。前記メインフレキシブルヒンジユニット106及び前記サブフレキシブルヒンジユニット108のフレキシブルヒンジのレイアウト方向は、図7に示すように、前記コア移動ステージ104の移動方向の平面内に相互に垂直に設けられ、かつ、共に、前記コア移動ステージ104に対して対称的に配置されている。三次元空間において相互に垂直配置されるメインフレキシブルヒンジユニット106及び前記サブフレキシブルヒンジユニット108におけるフレキシブルヒンジは、相互に同士の大負荷を支持し、非作動方向の変形を防止する能力を強化することができる。

さらに、図8及び図9に示すように、前記コア移動ステージ104は、前記非接触式アクチュエータ30により駆動され、前記コア移動ステージ104の作動変位は、ラスタ変位センサ116により測定して取得する。前記非接触式アクチュエータ30の前記コア移動ステージ104に作用するトルクによる偏向変位は、前記コア移動ステージ104に対して対称的に配置されるサブフレキシブルヒンジユニットにより消滅される。前記コア移動ステージ104が大荷重を受けたとき、メインフレキシブルヒンジユニット106が負荷方向に垂直する方向における剛性が低くて前記移動ステージ3が沈下変位することは、前記サブフレキシブルヒンジユニット108において、前記コア移動ステージ104の水平中心面に対して対称的に配置されるフレキシブルヒンジにより消滅される。上記作動原理により、前記コア移動ステージ104は、前記サブフレキシブルヒンジユニットの剛性増強方式を利用して大荷重を受け、非作動方向の変形を防止する能力を大幅に向上する。

さらに、本実施例には、前記剛性フレーム102には前記サブフレキシブルヒンジユニット108を連通する開口112が開設されており、前記サブフレキシブルヒンジユニット108の加工を便利にする。サブフレキシブルヒンジユニット108の加工なので剛性フレーム102の脆弱箇所は、剛性ブロック118を嵌め込んで、かつボルトセット120で剛性接続する方式により剛性フレーム102の剛性を増加することができる。

明らかに、本発明の上記実施例は、本発明を明瞭に説明するために行った例示的ものであり、本発明の実施形態を限定しない。当業者にとっては、上記説明の基礎で、そのほかの異なる形式の変化及び変更を行うことができる。ここで、すべての実施形態を例示することができない。本発明の精神及び原則内に行ったいずれかの改正、同等な置換、及び改良などは、本発明の請求の範囲に含まれる。

Claims

大ストロークの変位を発生し、高速移動を実現するための剛性フレーム（102）と、
前記剛性フレーム（102）に設けられて、非接触式アクチュエータの駆動で前記剛性フレーム（102）に小ストロークの精密変位を発生するためのコア移動ステージ（104）と、
前記剛性フレーム（102）と前記コア移動ステージ（104）両側との間に設けられ、前記コア移動ステージ（104）を前記剛性フレーム（102）に接続し、前記コア移動ステージ（104）の負荷を支持し、かつ移動方向に沿う変形により前記コア移動ステージに前記精密変位を発生させるためのメインフレキシブルヒンジユニット（106）と、
前記剛性フレーム（102）と前記コア移動ステージ（104）の別の両側との間に設けられてかつ前記メインフレキシブルヒンジユニットと垂直配置され、前記コア移動ステージ（104）を前記剛性フレーム（102）に接続し、コア移動ステージの捩り変形抵抗能力を向上し、かつコア移動ステージが前記移動方向に沿う変位を発生することを許容するサブフレキシブルヒンジユニット（108）と、を含み、
前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）のフレキシブルヒンジは、前記コア移動ステージ（104）に対して対称的に設置され、前記メインフレキシブルヒンジユニット（106）のフレキシブルヒンジは、前記コア移動ステージ（104）に対して対称的に設置されていることを特徴とする高耐荷の案内機構。
前記剛性フレーム（102）、コア移動ステージ（104）及びメインフレキシブルヒンジユニット（106）は、一体成形されていることを特徴とする請求項1に記載の案内機構。
前記剛性フレーム（102）、コア移動ステージ（104）及びメインフレキシブルヒンジユニット（106）は、航空アルミニウム又は航空アルミニウム合金から製造されることを特徴とする請求項2に記載の案内機構。
前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）と前記剛性フレーム（102）とは一体成形されていることを特徴とする請求項1に記載の案内機構。
前記案内機構は、さらに、剛性接続部（110）を含み、前記コア移動ステージ（104）は、剛性接続部（110）により前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）に接続していることを特徴とする請求項4に記載の案内機構。
前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）、前記コア移動ステージ（104）及び前記剛性接続部（110）は、一体成形されていることを特徴とする請求項5に記載の案内機構。
前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）、前記剛性フレーム（102）、前記コア移動ステージ（104）及び前記剛性接続部（110）は、航空アルミニウム又は航空アルミニウム合金から製造されることを特徴とする請求項6に記載の案内機構。
前記剛性フレーム（102）には前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）を連通する開口（112）が開設されており、前記案内機構は、さらに、剛性ブロック（118）を含み、前記剛性ブロック（118）は、前記開口（112）に嵌め込み、かつ前記剛性フレーム（102）に剛性接続し、それにより、前記サブフレキシブルヒンジユニット（108）の加工なので前記剛性フレーム（104）が発生する脆弱箇所の剛性を増加することを特徴とする請求項4に記載の案内機構。
第1回動部材（100a）、第2回動部材（100b）、摺動部材（200）、第1、第2及び第3一自由度移動ステージ（300a、300b、300c）を含み、それぞれの前記一自由度移動ステージは、いずれも、ベース（20）、非接触式アクチュエータ（30）及び請求項1に記載の案内機構（10）を含み、
第1回動部材（100a）と摺動部材（200）とは回動・摺動対偶を構成し、前記回動・摺動対偶が第1一自由度移動ステージにおけるコア移動ステージ（104a）に剛性接続し、かつ第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続し、
第2回動部材（100b）が第2一自由度移動ステージにおけるコア移動ステージ（104b）に剛性接続し、かつ第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続していることを特徴とする多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージシステム。
前記多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージは、さらに、第1接続部材（400a）と第2接続部材（400b）とを含み、
前記回動・摺動対偶は、第1接続部材（400a）により第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続し、
前記第2回動部材（100b）は、第2接続部材（400b）により第3一自由度移動ステージにおけるベース（114c）に剛性接続していることを特徴とする請求項9に記載の多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージシステム。
前記第1回動部材（100a）と第2回動部材（100b）とは、共にクロスローラベアリングであることを特徴とする請求項9に記載の多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージ。
前記摺動部材（200）は、短いリニアガイドステージであることを特徴とする請求項9に記載の多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージ。
それぞれの前記一自由度の移動ステージは、いずれも、リニアガイド（40）を含み、剛性フレーム（102）は、リニアガイド（40）によりベース（20）と摺動対偶接続を形成し、コア移動ステージ（104）が非接触式アクチュエータ（30）の移動部分（302）に接続し、前記非接触式アクチュエータ（30）の固定部分（304）が前記ベース（20）に剛性接続していることを特徴とする請求項9に記載の多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージ。
第1一自由度移動ステージ（300a）と第2一自由度移動ステージ（300b）とは、共に、台座（500）に設けられていることを特徴とする請求項9に記載の多自由度、大ストローク、高精度の移動ステージ。