JP2020054015A

JP2020054015A - 反力キャンセル装置

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Publication number: JP2020054015A
Application number: JP2018177892A
Authority: JP
Inventors: 哲也末田; Tetsuya Sueda
Original assignee: Canon Machinery Inc
Current assignee: Canon Machinery Inc
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JP7110048B2

Abstract

【課題】戻し用アクチュエータ等のカウンタマス戻し機構を必要とすることなく、カウンタマスの位置ずれを回復できて、しかも、装置としてコンパクト化を図ることが可能な反力キャンセル装置を提供する。【解決手段】可動子と、この可動子を受けるカウンタマスと、可動子及びカウンタマスを受けるベースとを備えた反力キャンセル装置である。カウンタマス側の最大静止摩擦力と可動子側の最大静止摩擦力とに、カウンタマスが静止した状態で可動子が動作する差を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、反力キャンセル装置に関し、特に、ＸＹテーブルの駆動手段として用いられるリニアモータ駆動機構に組み込まれる反力キャンセル機構に関する。

リニアモータ駆動機構に用いられるリニアモータは、例えば、永久磁石を有するモータ本体と、コイルを有する可動子（直線可動子）とを備えたものである。このようなリニアモータでは、図５に示すように、リニアモータの反力をベース（土台）１に伝えないように、可動子２と相反する方向に移動可能なカウンタマス３を配置した反力キャンセル機構（反力キャンセル装置）が構成される。なお、ベース１とカウンタマス３との間にスライドガイド４が配設され、カウンタマス３と可動子２との間にスライドガイド５が配設されている。

カウンタマス３は有限ストロークであり、摩擦力、往復運動、配線や配管等のテンション、傾き、振動などでの動作パターンの違いにより、動作中にカウンタマス３の位置がいずれかの方向に偏る。このため、従来には、この偏りを修正する（元に位置に戻す）ために、図６に示すようにダンパー６を配置したものがある（特許文献１）。また、図６において、７はＶＣＭ（ボイスコイルモータやリニアモータ等）を示し、戻し用アクチュエータである。なお、図６においては、ダンパー６と戻し用アクチュエータ７と備えているが、いずれか一方のみでよい。

図６に示すような反力キャンセル機構（反力キャンセル装置）をパッシブ型反力キャンセル機構と呼ぶことができ、これに対して、アクティブ型と呼ぶことができる反力キャンセル機構(反力キャンセル装置)を図７に示す。この場合も、ベース１と可動子３との間、ベース１のカウンタマス３との間にそれぞれスライドガイド８が設けられている。

この反力キャンセル装置は、ベース１上に可動子２とカウンタマス３とを併設したものであり、カウンタマス３に可動子２の動きと相反する方向の推力を付与するものである。この場合、可動子２とカウンタマス３とのそれぞれにリニアモータ等の駆動アクチュエータを付設することになる。

特許２９８１９９９号公報

パッシブ型においてダンパー６を備えたものでは、ダンパー６を介して反力がベース１に伝わるため、カウンタマス３を配置した意味が無くなる。パッシブ型において戻し用アクチュエータ７を設けた場合、装置の複雑化を招きコスト高となる欠点がある。

また、図７に示すアクティブ型では、可動子２とカウンタマス３とのそれぞれにリニアモータ等の駆動アクチュエータを設ける必要があり、装置の複雑化を招きコスト高となるとともに、駆動アクチュエータを設けるためのスペースを必要とし、装置全体が大型化するおそれもある。

本発明は、上記課題に鑑みて、戻し用アクチュエータ等のカウンタマス戻し機構を必要とすることなく、カウンタマスの位置ずれを回復できて、しかも、装置としてコンパクト化を図ることが可能な反力キャンセル装置を提供する。

本発明の反力キャンセル装置は、可動子と、この可動子を受けるカウンタマスと、可動子及びカウンタマスを受けるベースとを備えた反力キャンセル装置であって、カウンタマス側の最大静止摩擦力と可動子側の最大静止摩擦力とに、カウンタマスが静止した状態で可動子が動作する差を設けたものである。

本発明の反力キャンセル装置によれば、カウンタマスを静止させたまま可動子を動作させることが可能とって、カウンタマスの位置ずれを回避（防止）したり、カウンタマスに位置ずれが生じても、可動子を動作させることによって発生する反力を利用してカウンタマスを所定の位置付近に動作させることが可能となって、カウンタマスの位置ずれを回復させることができる。すなわち、従来において必要とした戻し機構を設けることなく、カウンタマスの位置ずれを回避（防止）・回復することができる。

可動子とカウンタマスとの間及び／又は可動子とベースと間に可動子側のガイド部材を介在させるとともに、カウンタマスとベースとの間にカウンタマス側のガイド部材を介在させ、カウンタマス側のガイド部材は、可動子側のガイド部材よりも大きな摩擦力を発生させるよう構成することができる。このように構成することによって、カウンタマスを静止させたまま可動子を動作させることが安定して可能となる。

可動子側のガイド部材に流体軸受を用い、カウンタマス側のガイド部材に転がり案内を用いることができる。ここで、流体軸受とは、薄い液体、または気体の膜によって支持される軸受である。転がり案内とは、コロ（もしくは玉）を基準面上で転がすことで、低いころがり抵抗を利用して案内するものである。

カウンタマスの質量を可動子の質量よりも大きく設定したり、カウンタマスの質量と可動子の質量とを同等に設定したりできる。カウンタマスの質量を可動子の質量よりも大きく設定する場合、最大静止摩擦力に差を設け易い利点がある。

可動子の位置を検出する可動子位置検出器と、カウンタマスの位置を検出するカウンタマス位置検出器とを備え、可動子が動くとともにカウンタマスが動かない状態での推力内に設定されている。このように設定することによって、カウンタマスを静止させたまま可動子を動作させるようにより安定して構成できる。

可動子がリニアモータの可動子であるのが好ましい。ここで、リニアモータとは、軸のない電気モーター（電動機）のことであり、一般的なモーターが回転運動をするのに対し、リニアモータは基本的に直線運動をする。動作原理により、リニア誘導モーター（LIM）、リニア同期モーター（LSM）、リニア直流モーター（LDM）、リニアステッピングモーターがある。ローレンツ力を用いた電磁式リニアモータだけでなく、超音波モーターと同じ作動原理であるピエゾ効果を応用した圧電素子で駆動するリニアモータも存在する。

本発明では、従来において必要とした戻し機構を設けることなく、カウンタマスの位置ずれを回避することができる。このため、装置の簡素化およびコンパクト化を図ることができ、また、低コスト化に寄与する。

本発明の反力キャンセル装置の簡略図である。可動子及びカウンタマスの速度と摩擦力との関係を示すグラフ図である。リニアモータの簡略図である。本発明の他の反力キャンセル装置の簡略図である。従来の反力キャンセル装置の簡略図である。従来の戻し機構を備えたパッシュブ型反力キャンセル装置の簡略図である。従来の戻し機構を備えたアクティブ型反力キャンセル装置の簡略図である。

以下本発明の実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明の反力キャンセル装置の簡略図を示し、この反力キャンセル装置は、図３に示すリニアモータ２４等の可動子１２と相反する方向に移動可能なカウンタマス１３を配置したものである。この場合、ベース（基台）１１上にカウンタマス１３が配置され、このカウンタマス１３上に可動子１２が配置される。

そして、可動子１２とカウンタマス１３との間に可動子側のガイド部材１５を介在させるとともに、カウンタマス１３とベース１１との間にカウンタマス側のガイド部材１６を介在させている。ガイド部材１５としては、例えば、流体軸受にて構成され、ガイド部材１６は転がり案内にて構成される。ここで、流体軸受とは、薄い液体、または気体の膜によって支持される軸受である。また、転がり案内とは、コロ（もしくは玉）を基準面上で転がすことで、低いころがり抵抗を利用して案内するものである。

流体軸受は転がり案内よりも低摩擦力である。このため、カウンタマス１３側の最大静止摩擦力と可動子１２側の最大静止摩擦力とに差を持たせることができる。この場合、カウンタマス１３側の最大静止摩擦力と可動子１２側の最大静止摩擦力とに、カウンタマス１３が静止した状態で可動子１２が動作する差を設ける。

図２は、カウンタマス１３側と可動子１２側の速度と摩擦力との関係を示している。各グラフにおいて、速度が０の範囲Ｈ１、Ｈ２は、力を加えても速度が発生しない範囲である。このため、Ｈ１がカウンタマスが動かない不感帯領域であり、Ｈ２が可動子が動かない不感帯領域である。そこで、可動子１２を、図２に示すＨ３の範囲で動作させるように設定する。

具体的には、可動子１２の位置を検出する可動子位置検出器２０と、カウンタマス１３の位置を検出するカウンタマス位置検出器２１とを設ける。そして、各検出器２０、２１にて、可動子１２及びカウンタマス１３の位置を検出し、可動子１２が動くとともにカウンタマス１３が動かない状態での推力（可動子１２に付与さされる推力）内に設定する。

各検出器２０、２１としては、接触式又は非接触式の各種の変位センサを用いることができる。接触式には、作動トランス式があり、非接触式には、渦電流式、超音波式、光学式、及び静電容量式等があり、これらの変位センサから採用することができる。

本反力キャンセル装置では、カウンタマス１３側の最大静止摩擦力と可動子１２側の最大静止摩擦力とに、カウンタマス１３が静止した状態で可動子１２が動作する差を設ければよいので、カウンタマス１３の質量を可動子１２の質量よりも大きく設定したり、カウンタマス１３の質量と可動子１２の質量とを同等に設定したりできる。

図３に示すリニアモータ２４は、永久磁石型リニアモータ（コアレスタイプ）を示し、可動コイル（可動子１２の一部）２５が、一対の磁石２６，２６の間に介在され、コイル２５に電流が流されることによって、発生する磁束と磁石２６，２６との吸引・反発作用により、可動コイル２５が直線運動する。また、リニアモータ２４には、可動子が永久磁石やコア付き電磁石等であるものもある。

本発明の反力キャンセル装置によれば、カウンタマス１３を静止させたまま可動子１２を動作させてカウンタマスの位置ずれを回避（防止）したり、カウンタマス１３に位置ずれが生じても、可動子を動作させることによって発生する反力を利用してカウンタマス１３を所定の位置付近に動作させることにより、カウンタマス１３の位置ずれを回復させることができる。このため、カウンタマスの位置ずれを回避（防止）できたり、カウンタマス１３の位置ずれが生じたとしても、カウンタマス１３の位置ずれを回復することができる。したがって、従来において必要とした戻し機構を設ける必要が無くなり、装置の簡素化およびコンパクト化を図ることができ、また、低コスト化に寄与する。なお、カウンタマス１３が位置ずれした際には、可動子１２を動作させることによって生じる反力でカウンタマス１３を所定の位置付近に動作させることができる場所に、カウンタマス１３が動かない状態での推力で、可動子１２の位置移動を行うことになる。その後は、前記したように、可動子１２を動作させることによって発生する反力を利用してカウンタマス１３を所定の位置付近に動作させることでカウンタマス１３の位置ずれを回復することが可能となる。

可動子１２とカウンタマス１３との間にガイド部材１５を介在させるとともに、カウンタマス１３とベース１１との間にガイド部材１６を介在させ、ガイド部材１６は、ガイド部材１５よりも大きな摩擦力を発生させるよう構成することができる。このように構成することによって、カウンタマス１３を静止させたまま可動子１２を動作させることが安定して可能となる。

ガイド部材１５に流体軸受を用い、ガイド部材１６に転がり案内を用いることができる。ここで、流体軸受とは、薄い液体、または気体の膜によって支持される軸受である。転がり案内とは、コロ（もしくは玉）を基準面上で転がすことで、低いころがり抵抗を利用して案内するものである。

カウンタマス１３の質量を可動子１２の質量よりも大きく設定する場合、最大静止摩擦力に差を設け易い利点がある。

また、本反力キャンセル装置では、可動子１２の位置を検出する可動子位置検出器２０と、カウンタマス１３の位置を検出するカウンタマス位置検出器２１とを備え、可動子１２が動くとともにカウンタマス１３が動かない状態での推力内に設定されている。このように設定することによって、カウンタマス１３を静止させたまま可動子１２を動作させるようにより安定して構成できる。

前記実施形態では、可動子として、リニアモータの可動子を用いた。ここで、リニアモータとは、軸のない電気モーター（電動機）のことであり、一般的なモーターが回転運動をするのに対し、リニアモータは基本的に直線運動をするものである。そして、動作原理により、リニア誘導モーター（LIM）、リニア同期モーター（LSM）、リニア直流モーター（LDM）、リニアステッピングモーターがある。ローレンツ力を用いた電磁式リニアモータだけでなく、超音波モーターと同じ作動原理であるピエゾ効果を応用した圧電素子で駆動するリニアモータも存在する。このため、本発明に係る反力キャンセル装置の可動子として、リニアモータの可動子を用いる場合、このような各種のリニアモータの可動子を用いることができる。また、リニアモータであるボイスコイルモータ（ＶＣＭ）であってもよい。

図４（ａ）（ｂ）は他の実施形態を示し、図４（ａ）では、ベース１１を、下壁１１ａと上壁１１ｂと、側壁１１ｃ、１１ｄとからなる角筒体にて構成している。この場合、可動子１２とベース１１の上壁１１ｂとの間に可動子側のガイド部材１５，１５を介在させているとともに、カウンタマス１３と可動子１２との間に可動子側のガイド部材１５，１５を介在させている。また、カウンタマス１３とベース１１の下壁１１ａとの間にカウンタマス側のガイド部材１６，１６を介在させている。そして、ベース１１の下壁１１ａには、カウンタマス１３の位置を検出する位置検出器２１が設けられ、ベース１１の上壁１１ｂには、可動子１２の位置検出する可動子位置検出器２０が設けられている。

図４（ｂ）では、２つのベース１１（１１Ａ）、１１（１１Ｂ）を有し、各ベース１１Ａ，１１Ｂがそれぞれ固定部材に固定されている。下方のベース１１Ａは、下壁１１ａと、この下壁１１ａから立設される側壁片１１ｃ１、１１ｄ１で構成され、上方のベースＢ
上壁１１ｂと、この上壁１１ｂから垂設される側壁片１１ｃ２、１１ｄ２で構成される。
この場合も、可動子１２と上方のベース１１Ｂとの間に可動子側のガイド部材１５，１５を介在させているとともに、カウンタマス１３と可動子１２との間に可動子側のガイド部材１５，１５を介在させている。また、カウンタマス１３と下方のベース１１Ａとの間にカウンタマス側のガイド部材１６，１６を介在させている。そして、下方のベース１１Ａには、カウンタマス１３の位置を検出する位置検出器２１が設けられ、上方ベース１１のには、可動子１２の位置検出する可動子位置検出器２０が設けられている。

すなわち、図４（ａ）（ｂ）では、可動子１２とベース１１との間に可動子側のガイド部材１５，１５を介在させていることになり、このような場合でも、前記図１に示す反力キャンセル装置と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、カウンタマス１３を静止させたまま可動子１２を動作させて、カウンタマスの位置ずれを防止したり、可動子１２を動作させることによる反力を利用してカウンタマス１３を所定の位置付近に動作させることでカウンタマス１２の位置ずれを回復することが可能となる。

本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、ガイド部材１５としては、流体軸受以外に、転がり軸受等で構成され、ガイド部材１６としてすべり軸受等で構成されていてもよい。すなわち、ガイド部材１５の最大静止摩擦力をガイド部材１６の最大摩擦力が小さく、カウンタマス１３側の最大静止摩擦力と可動子１２側の最大静止摩擦力とに、カウンタマス１３が静止した状態で可動子１２が動作する差を設けられればよい。

ガイド部材１５、１６にリニアガイドを用いてもよい。ここで、リニアガイドはガイドレールとこのガイドレールに沿ってスライドするスライド体等で構成される。この場合、ガイドレールには、スライド体に付設されたボールが転動する転動溝が設けられている。このため、ガイドレールの方向に沿って滑らかにスライドすることができる。このようなリニアガイドを用いた場合、リニアガイドに予圧をかけることで摺動抵抗を増加させることができる。このため、ガイド部材１５とガイド部材１６とに与圧差を設けることによって、カウンタマス１３側の最大静止摩擦力と可動子１２側の最大静止摩擦力とに、カウンタマス１３が静止した状態で可動子１２が動作する差を設けるようにしてもよい。

また、ガイド部材１５、１６のいずれか又はいずれも用いることなく、カウンタマス１３側の最大静止摩擦力と可動子１２側の最大静止摩擦力とに、カウンタマス１３が静止した状態で可動子が動作する差を設けるようにしてもよい。なお、図４（ａ）（ｂ）では、可動子１２とカウンタカス１３との間にガイド部材１５，１５を設けたが、例えば、可動子１２とカウンタカス１３との間に隙間が設けられる構造等することによって、可動子１２とカウンタカス１３との間のガイド部材１５，１５を省略することも可能である。このように省略した場合、部品点数を少なくできてコスト低減に寄与する等の効果を奏することなる。

反力キャンセル装置としては、リニアモータを用いる駆動手段等に用いることができ、ダイボンダやＸＹステージ等に用いることができる。

１１ベース
１２可動子
１３カウンタマス
１５可動子側のガイド部材
１６カウンタマス側のガイド部材
２０可動子位置検出器
２１カウンタマス位置検出器

Claims

可動子と、この可動子を受けるカウンタマスと、可動子及びカウンタマスを受けるベースとを備えた反力キャンセル装置であって、
カウンタマス側の最大静止摩擦力と可動子側の最大静止摩擦力とに、カウンタマスが静止した状態で可動子が動作する差を設けたことを特徴とする反力キャンセル装置。
可動子とカウンタマスとの間及び／又は可動子とベースとの間に可動子側のガイド部材を介在させるとともに、カウンタマスとベースとの間にカウンタマス側のガイド部材を介在させ、カウンタマス側のガイド部材は、可動子側のガイド部材よりも大きな摩擦力を発生させることを特徴とする請求項１に記載の反力キャンセル装置。
可動子側のガイド部材に流体軸受を用い、カウンタマス側のガイド部材に転がり案内を用いたことを特徴とする請求項２に記載の反力キャンセル装置。
カウンタマスの質量を可動子の質量よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の反力キャンセル装置。
カウンタマスの質量と可動子の質量とを同等に設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の反力キャンセル装置。
可動子の位置を検出する可動子位置検出器と、カウンタマスの位置を検出するカウンタマス位置検出器とを備え、可動子が動くとともにカウンタマスが動かない状態での推力内に設定されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の反力キャンセル装置。
カウンタマスの位置ずれを生じさせないことを特徴とする請求項１に記載の反力キャンセル装置。
カウンタマスの位置ずれが生じた場合に、可動子を動作させることによって発生する反力を利用してカウンタマスを所定の位置付近に動作させることを特徴とする請求項１に記載の反力キャンセル装置。
可動子がリニアモータの可動子であることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の反力キャンセル装置。