JP4582448B2 - θ−Y−Xステージ - Google Patents
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Description
図9はYリニアモータ7Yの断面図であり、1はヨーク、2は永久磁石、5は固定子、6は多相コイル、10は基板、13は樹脂部、14はモールドコイル、11はキャリッジ、15は可動子である。
図10はθモータ7θの平面図であり、6θは多相コイル、2θは永久磁石である。図11は図10のA−O−B線矢視断面図であり、8θはベース、9は中心軸、1θはヨーク、5θは固定子、10θは基板、11θはキャリッジ、15θは可動子である。
更にXリニアモータ7X、Yリニアモータ7Y及びθモータ7θの各々が別体の可動子及び固定子を形成して構成されているので、X−Y−θステージの高さ(h2)が100mm超に厚くなり更に薄型にするのが困難であった。
更にθモータ7θのθ方向の位置決め分解能を向上する為には、X−Yステージ上に載置したθステージの外径寸法を大にし、かつその大外径部にリニアスケールを配設するのが望ましいが、θステージの外径寸法を大にするとθステージの質量増加が顕著になり、もってθステージを載置しているX−Yステージのリニアモータ推力を大きくする必要が生じてコスト上昇を招くという問題がある。
また本発明が解決しようとする課題は、前記θリニアモータを備えたθステージと、Y軸リニアモータを備えたYステージ及び/又はX軸リニアモータを備えたXステージとで構成された、θ方向への推力が大きいと共に薄型のリニアモータ駆動ステージを提供することである。
また、本発明が解決しようとする課題は、高精度で薄型のθ−Y−Xステージを提供することである。
本発明のθリニアモータは、多相扁平コイルの1つのコイルの空芯部に隣接する他のコイルの平面部を配設して有効鎖交部を形成し(空芯部を無くし)たことにより、従来に比べてθリニアモータの推力を大きくすることができると共に、薄型化を実現できる。
本発明のθリニアモータは可動コイル型リニアモータであるのが好ましい。また可動磁石型リニアモータであるのが好ましい。
本発明のリニアモータ駆動ステージは、θリニアモータの多相コイル構造を反映してθステージが薄型でかつトルク大のものになり、もって高精度で薄型のリニアモータ駆動ステージを提供することができる。
本発明のθ−Y−Xステージは、θステージがY−Xステージの下側に配設されているので、θステージの外径大寸法化によりθ方向の位置決め分解能が高められると共に、θステージの外径大寸法化によるθステージの質量増加はY−Xステージのリニアモータには無関係となりY−Xステージのリニアモータの推力下限仕様を緩和することができる。また本発明のθ−Y−Xステージの全高さ(h1)を100mm以下に薄型化できる。
本発明のθ−Y−Xステージにおいて、θリニアモータの固定子と可動子との間に配設された回転用軸受と、複数の永久磁石及びヨークとで形成された断面形状が略コの字状のY軸リニアモータの磁気回路部と、Y軸リニアモータのベアリングと、をX−Y平面上に投影して見たとき、回転用軸受とY軸リニアモータの磁気回路部との間にY軸リニアモータのベアリングが配設されることにより、θステージのベースに対するYプレートの平均撓み量を10μm以下に抑えることができる。更に、θリニアモータの固定子と可動子との間に配設された回転用軸受と、複数の永久磁石及びヨークとで形成された断面形状が略コの字状のX軸リニアモータの磁気回路部と、X軸リニアモータのベアリングと、をX−Y平面上に投影して見たとき、回転用軸受とX軸リニアモータの磁気回路部との間にX軸リニアモータのベアリングが配設されることにより、θステージのベースに対するYプレート及びXプレートの平均撓み量を10μm以下に抑えることができる。
またθ方向への推力が大きいと共に薄型のθリニアモータを有するθステージと、Y軸リニアモータを有するY軸ステージ及び/又はX軸リニアモータを有するXステージとで構成された高精度で薄型のリニアモータ駆動ステージを提供することができる。
また高精度で薄型のθ−Y−Xステージを提供することができる。
図1は本発明のθ−Y−Xステージの実施形態の一例を示す矢視図である。図1において、θ−Y−Xステージ100は、θ方向に揺動するθリニアモータを有するθステージ30と、θステージ30上に配設されていると共にY軸方向に走行するY軸リニアモータを有するYステージ60と、Yステージ60上に配設されていると共にX軸方向に走行するXステージ80と、を有して構成されている。
図2は図1のA−A線矢視断面図であり、便宜的にθ−Y−Xステージ100のうちの中心軸から左側半分を図示している。
図3は、図1のXステージ80についてのB−B線矢視断面図である。
図4は、便宜的に図1からXステージ80を除外して図示した斜視図である。
図5はθステージ30を示す平面図である。
図6はθリニアモータ50の構成を説明する平面図である。
図7はY軸リニアモータ(X軸リニアモータ)の多相コイルとして好適な3相扁平コイルのコイル幅、実質的な有効鎖交部分と、界磁磁石の磁極幅との関係を説明する図である。
図2、5を参照して、33は強磁性鋼材製のベース(SS400製等)であり、ベース33上に配設されたコイル基板35(ガラス入りエポキシ樹脂製等)とコイル基板35上に設けたθ用3相扁平コイル36等とによりθ用固定子45が構成されている。
強磁性のSプレート64(SS400製等)と強磁性のヨーク40,39(いずれもSS400製等)とがねじ(図示省略)で接合されて断面がコの字状のヨーク接合体が構成されている。このヨーク接合体のSプレート64側表面でかつθ用固定子45の3相扁平コイル36と空隙37を介して対向する位置に界磁磁石38(株式会社NEOMAX製のNdFeB系異方性焼結磁石、HS50−AH)が配設されている。界磁磁石38は着磁されて図示のようにZ軸方向に磁極N,Sを有し、界磁磁石38と前記ヨーク接合体により断面が略コの字状の磁気回路部を形成している。該磁気回路部により磁気空隙37が形成されている。前記磁気回路部はθリニアモータ50の可動子46の一部であり、回転用軸受42(クロスローラベアリング)を介してθ方向に所定角度揺動する。即ち回転用軸受42がθリニアモータ50の揺動運動の中心軸(支点)であり、ベース33の段差部分に配設されて、外輪押さえ41及び内輪押さえ44により固定されている。43は内輪押さえ44をベース33に螺着するためのねじである。48は内輪押さえ44の切欠き部である。52は中空穴である。θステージ30のベース33の外周面にリニアスケール32が配設され、リニアスケール32と対向する位置に読取ヘッドを有したθ用エンコーダ31が設けてある。θ用エンコーダ31はYステージ60のSプレート64から延存した取付部材(図示省略)に取り付けられ、リニアスケール32と対向している。リニアスケール32をベース33の外周面に配設したことで、ベース33の外径寸法を大きくしてθ方向の位置決め分解能を顕著に高められると共に、ベース33の外径大寸法化による質量増は上側のY軸リニアモータ74及びX軸リニアモータ98に何ら悪影響を及ぼさない。
図6において、θ用可動子46を構成する断面形状が略コの字状の磁気回路部のうちの下側のヨーク39,40は見えているが、上側のSプレート64及び界磁磁石38(図2参照)は見えないので便宜的に界磁磁石38(台形状)を点線で図示してある。
前記3相コイルの有効鎖交部は実質的にθ用可動子46の界磁磁石38の磁極S,Nに対向する高さHaの部分である。
実質的に同一平面部を形成した3相扁平コイル36の3つのコイルにまたがる平均幅をWc、界磁磁石38の磁極の平均幅をWm及び平均高さをHmとしたとき、Ha>HmでかつWc=Wmとするのが大推力を発生する為に好ましい。(平均幅Wc)=(3相扁平コイルの3つのコイル幅の合計)+(微小空隙部58,58)であるが、(微小空隙部58,58)の占有部分は小さい。従って、(3相扁平コイルの3つのコイル幅の合計)部分がθ方向に連なり形成された前記有効鎖交部は図10の従来コイルの有効鎖交部(6θeff)の約1.8倍の占有部分を有しており、θ方向の推力を顕著に高めることができる。
平均幅Wcのコイルピッチ角度をθc、及び平均幅Wmの界磁磁石38の磁極ピッチ角度をθmとしたとき、θc=θmとするのが大推力を発生する為に好ましい。
49a,49b,49cは磁極検出手段(ホール素子等)であり、51はコイル基板35をベース33に固定するためのねじである。
このような構成の可動コイル型θリニアモータ50を搭載したθステージ30はθ方向に最大で揺動角度(θ)=20度程度迄、好ましくは1〜10度程度の高精度の揺動が可能であり、また扁平コイル36の使用により薄型化を実現した。
θリニアモータ50において、界磁磁石38の磁極と磁気空隙37を介して対向するヨーク39の表面に更に界磁磁石38と同一材質、形状でかつ異なる磁極を対向面に形成した永久磁石を配設して一対の永久磁石列を有する断面略コの字状の磁気回路部を形成した場合は推力を更に高めることができる。
θリニアモータ50において、θ用固定子45側に界磁磁石と強磁性ヨークとで形成した断面略コの字状の磁気回路部を配設し、θ用可動子46側に多相コイルを配設すれば、可動コイル型θリニアモータとなり、有用である。
Sプレート64上にコイル基板71(ガラス入りエポキシ樹脂製等)がY軸方向に延びて配設され、その上に3相扁平コイル65が配設されてY軸リニアモータ74の固定子46が構成されている。Y軸リニアモータ74の固定子46はθリニアモータ50の可動子46を兼用しており、θ−Yステージの薄型化に寄与している。
図7を参照して、3相扁平コイル65は少なくともそれぞれ中央に空芯部を有する第1、第2、及び第3の3つの扁平コイル65a,65b,65cを有して構成されている。扁平コイル65aは平坦部からなり、扁平コイル65b及び65cは紙面の上下長手方向の中央側が平坦部で、かつ両端に折り曲げ部を有する。3相扁平コイル65aの空芯部(Wi:各扁平コイルの空芯部の幅)に扁平コイル65b,65cの平坦部(Wc’:各扁平コイルの幅)がそれぞれ配置されて実質的に同一平面部を形成し、Y軸方向に大推力を発生するようになっている。各コイル65a,65b及び65cの位相検出用として、コイル基板71の端部に3個のホール素子(図示省略)が設置してある。Wm’、Hm’はそれぞれ各界磁磁石81の磁極幅、及び高さである。Ha’は推力発生に寄与する前記扁平コイルの実質的な有効鎖交部分の高さである。実質的にWc’はWm’の1/3であり、WiはWc’の2倍である。このような寸法関係を有するので、Y軸リニアモータ74の走行方向において各扁平コイルは界磁磁石81の2つの磁極N,Sにまたがる大きさに設定されている。
強磁性のYプレート84(SS400製等)と強磁性のヨーク66,75(いずれもSS400製等)とがねじ68により接合されて断面がコの字状のヨーク接合体がY軸方向に延びて形成されている。前記コの字状ヨーク接合体のYプレート84側表面でかつY軸リニアモータ74の固定子46の扁平コイル65と空隙67を介して対向する位置にブロック状の界磁磁石81(HS50−AH)が配設されている。界磁磁石81は厚み方向に磁極を有し、このブロック状界磁磁石81の複数個が隣り合う磁極を交互に異なるようにしてY軸方向に延びて配列されている。そしてヨーク66,75、Yプレート84及び界磁磁石81により断面が略コの字状の磁気回路部が形成されている。該磁気回路部はY軸リニアモータ74の可動子90の一部を構成しており、磁気空隙67を形成している。Sプレート64の外周面に配設されたリニアスケール62と、Yプレート84の外周側にブラケット63(Al合金製等)を介して配設された、読取ヘッドを有するエンコーダ61とにより、走行方向(Y軸方向)の位置決めを高精度で行えるようになっている。
Yステージ60では、撓み抑制の為に、Yプレート84(Y軸リニアモータ74の可動子90)とSプレート64(Y軸リニアモータ74の固定子46)との接合に工夫を施してある。このようにY軸リニアモータ74は可動磁石型であり、両プレート間にはベアリング85及びレール87が配設されており、可動子90がY軸方向に高精度で走行自在になっていると共に、ベアリング85、レール87、θステージ30の回転用軸受42及びY軸リニアモータ74における断面が略コの字状の磁気回路部とをX−Y平面上に投影して見たとき、ベアリング85及びレール87をθステージ30の回転用軸受42とY軸リニアモータ74における断面が略コの字状の磁気回路部との間に配設したことにより、ベース33に対するYプレート84の平均撓み量を5μm以下に抑えることができた。更に、本発明者の検討から、同様にX−Y平面上に投影して見たとき、ベアリング85及びレール87をY軸リニアモータ74における断面が略コの字状の磁気回路部の外周側に配設した場合には前記平均撓み量が10μm超になることが確認された。
Y軸リニアモータ74において、界磁磁石81の磁極と磁気空隙67を介して対向するヨーク66の表面に更に界磁磁石81と同一材質、形状でかつ異なる磁極を対向面に形成した永久磁石を配設して一対の永久磁石列を有する断面略コの字状の磁気回路部を形成した場合は推力を更に高めることができる。
Y軸リニアモータ74において、Y用固定子46側に界磁磁石と強磁性ヨークとで形成した断面略コの字状の磁気回路部を配設し、Y用可動子90側に多相コイルを配設すれば、可動コイル型Y軸リニアモータとなり、有用である。
強磁性のYプレート84(SS400製等)上にブロック状の界磁磁石(HS50−AH)がX軸方向に延設されていると共に、Yプレート84とヨーク83,82(いずれもSS400製等、図1では図示省略。)とがねじ(図示省略)により締結されて、断面が略コの字状の磁気回路部を形成している。該磁気回路部はX軸リニアモータ98の固定子90の一部を構成しており、磁気空隙120を形成している。X軸リニアモータ98の固定子90はY軸リニアモータ74の可動子90を兼務しており、θ−Y−Xステージ100の薄型化に寄与している。
Yプレート84上にコイル基板110(ガラス入りエポキシ樹脂製等)がX軸方向に延設され、その上に3相扁平コイル115が配設されてX軸リニアモータ98の可動子95を構成している。3相扁平コイル115の構造は図7に示される3相扁平コイル65と同様なので説明を省略する。X軸リニアモータ98は可動コイル型である。
Xステージ80では、ベアリング102、レール101、θステージ30の回転用軸受42及びX軸リニアモータ98における断面が略コの字状の磁気回路部とをX−Y平面上に投影して見たとき、ベアリング102及びレール101を、θステージ30の回転用軸受42とX軸リニアモータ98における断面が略コの字状の磁気回路部との間に配設したことにより、ベース33に対するXプレート86の平均撓み量を5μm以下に抑えることができた。更に、本発明者の検討から、同様にX−Y平面上に投影して見たとき、ベアリング102及びレール101をX軸リニアモータ98における断面が略コの字状の磁気回路部の外周側に配設した場合には前記平均撓み量が10μm超になることが確認された。
X軸リニアモータ98において、界磁磁石108の磁極と磁気空隙120を介して対向するヨーク82の表面に更に界磁磁石108と同一材質、形状でかつ異なる磁極を対向面に形成した永久磁石を配設して一対の永久磁石列を有する断面略コの字状の磁気回路部を形成した場合は推力を更に高めることができる。
X軸リニアモータ98において、X用固定子90側に多相コイルを配設し、X用可動子95側に界磁磁石と強磁性ヨークとで形成した断面略コの字状の磁気回路部を配設すれば、可動磁石型X軸リニアモータとなり、有用である。
図1に示される構造の本発明のθ−Y−Xステージを作製し、性能を評価した結果を表1に示す。
(従来例)
図8〜11に示される従来構造のX−Y−θステージ装置に対し、比較の為に性能評価を行った。評価結果を表1に示す。
表1の性能に限定されず、本発明のθ−Y−Xステージでは、全高さ(h1)を60〜80mmに、X軸及びY軸の推力を30〜150Nに、θ軸のトルクを2〜6N・mに、X軸及びY軸のストロークを最大100mm迄(100mm以下に)、X軸及びY軸の位置決め分解能を0.2μm以下に(好ましくは0.1μm以下に)、θ方向の位置決め分解能を0.00014度以下に(好ましくは0.00013度以下に)、X軸及びY軸の絶対位置精度を好ましくは5μm以下に、θ軸の絶対位置精度を0.0035度以下に(好ましくは0.0030度以下に)、X軸及びY軸の繰返し位置精度を好ましくは3μm以下に、θ軸の繰り返し位置精度を0.00070度以下に(好ましくは0.00060度以下に)するのが可能である。更に、表1に記したように、θ方向の位置決め分解能を0.00001度〜0.00005度程度という従来実現が困難であったレベルを実現可能である。
また上記実施の形態及び実施例では3相コイルの場合を記載したが、2相あるいは4相以上の多相コイルの場合でも本発明のθリニアモータ及びリニアモータ駆動ステージを構成するのに何ら支障は無い。
また上記実施の形態及び実施例では台形状又は矩形状の空芯コイルであって曲げコイルと平コイルとからなる3相コイルの場合を記載したが、特に限定されず、従来周知の形状の多相コイルを用いて本発明のθリニアモータ及びリニアモータ駆動ステージを構成することができる。
また上記実施の形態及び実施例では台形状及びブロック状の永久磁石を使用したが、特に限定されず、円弧状等の適宜の形状品を用いることができる。
また上記実施の形態及び実施例ではθモータの支持摺動部材としてクロスローラベアリングを使用したが、これに限定されず、例えばクロスローラベアリングに替えてラジアル軸受けとスラスト軸受けとを組み合わせて使用してもよい。
2,2θ:永久磁石、
3,3θ:磁気空隙、
4,4θ:支持板、
5,5θ:固定子、
6,6θ:コイル、
6tl:端末線、6p:端子ピン、
7X:Xリニアモータ、
7Y:Yリニアモータ、
7θ:θモータ、
8,8θ:ベース、
8θa:ベースケーブル穴、
9:中心軸、
10,10θ:基板、
11,11θ:キャリッジ、
11θa:キャリッジケーブル穴、
12:インサートナット、
13,13θ:樹脂部、
14,14θ:モールドコイル、
15、15θ:可動子、
16,16θ:支持摺動部材、
17:内輪押さえ板、
18:外輪押さえ板、
19:配線、20:ケーブルベア、
20a:リンクプレート、20b:穴付板、20c:穴、
20d:ケーブルベア受け、
21,21θ:位置検出手段、
21a,21θa:読取ヘッド、
21b,21θb:スケール、
30:θステージ、
31:θ用位置検出手段、
32:θ用リニアスケール、
33:ベース、
34:凹部、
35:コイル基板、
36:θ用多相コイル、
37:磁気空隙、
38:永久磁石、
39,40:ヨーク、
41:外輪押さえ、
42:回転用軸受、
43:ねじ、
44:内輪押さえ、
45:θ用固定子、
46:θ用可動子兼Y軸用固定子、
48:切り欠き部、
49:磁極検出手段、
50:θリニアモータ、
51:ねじ、
52:中空穴、
54:窓、
55:扁平コイルの折り曲げ部、
58:微小空芯部、
59:空芯部、
60:Yステージ、
61:Y軸用位置検出手段、
62:Y軸用リニアスケール、
63:ブラケット、
64:Sプレート、
65:Y用多相コイル、
66,75:ヨーク、
67:磁気空隙、
68,69:ねじ、
70a,70b:ねじ、
71:コイル基板、
74:Y軸リニアモータ、
78:ねじ、
80:Xステージ、
81:永久磁石、
82,83:ヨーク、
84:Yプレート、
85:リニアモータ用ベアリング(リニアモータ用ブロック)、
86:Xプレート、
87:レール、
88a,88b:リニアモータ用ベアリング(リニアモータ用ブロック)、
89:ねじ、
90:Y軸用可動子兼X軸用固定子、
93:カバー(Al合金製)、
95:X軸用可動子、
98:X軸用リニアモータ、
100:θ−Y−Xステージ、
101:レール、
102:ベアリング、
103:X軸用位置検出手段、
104:X軸用リニアスケール、
105:取付部材、
108:永久磁石、
110:コイル基板、
115:X用多相コイル、
120:磁気空隙、
122〜124:取付用孔、
126:給電ケーブル、
128:信号ケーブル。
Claims (3)
- ベース(33)と前記ベース(33)上にコイル基板(35)を介して円弧状に配設された多相扁平コイル(36)を有する固定子(45)と、強磁性プレート(64)とヨーク(39,40)とで形成される断面略コの字状のヨーク接合体とそのヨーク接合体に前記多相扁平コイル(36)と空隙を介して対向し円弧状に配設された複数の永久磁石(38)を有する断面略コの字状の磁気回路を有する可動子(46)と、前記固定子(45)と可動子(46)とを相対的に揺動可能に接合する回転用軸受(42)を有し、前記可動子(46)を前記回転用軸受(42)を介してθ方向に揺動するように構成されたθリニアモータ(50)を有するθステージ(30)と、
前記θリニアモータの可動子(46)を構成する強磁性プレート(64)と前記強磁性プレート(64)上にY軸方向に延設されたコイル基板(71)を介して配設された多相扁平コイル(65)を有する固定子(46)と、強磁性プレート(84)とヨーク(66,75)とで形成される断面略コの字状のヨーク接合体とそのヨーク接合体に前記多相扁平コイル(65)と空隙を介して対向して配設された複数の永久磁石(81)を有する断面略コの字状の磁気回路を有する可動子(90)と、前記強磁性プレート(64)と強磁性プレート(84)とを相対的に移動可能に接合するベアリング(85)を有し、前記可動子(90)を前記ベアリング(85)を介してY軸方向に走行自在としたY軸リニアモータ(74)を有するY軸ステージ(60)と、
前記Y軸リニアモータの可動子(90)を構成する強磁性プレート(84)と前記強磁性プレート(84)上に前記Y軸リニアモータの可動子(90)の移動方向と直交するX軸方向に延設された複数の永久磁石(108)とヨーク(82,83)とで形成される略コの字状の磁気回路を有する固定子(90)と、プレート(86)と前記プレート(86)にX軸方向に延設されたコイル基板(110)を介して前記永久磁石(108)と空隙を介して対向して配設された多相扁平コイル(115)を有する可動子(95)と、前記強磁性プレート(84)とプレート(86)とを相対移動可能に接合するベアリング(102)を有し、前記可動子(95)を前記ベアリング(102)を介してX軸方向に走行自在としたX軸リニアモータ(98)を有するX軸ステージ(80)とを順次搭載するとともに、
前記多相扁平コイル(36)、(65)及び(115)のうち少なくともθリニアモータ(50)を構成する前記多相扁平コイル(36)は、複数の扁平な平コイル及び曲げコイルから構成され、前記扁平コイルの空芯部に該扁平コイルに隣接する他の扁平コイルの扁平部が配設されることにより実質的に同一平面部からなる有効鎖交部が形成されていることを特徴とするθ−Y−Xステージ。 - 前記θリニアモータの回転用軸受と、前記Y軸リニアモータの磁気回路と、前記Y軸リニアモータのベアリングと、をX−Y平面上に投影して見たとき、前記Y軸リニアモータのベアリングが前記θリニアモータの回転用軸受と前記Y軸リニアモータの磁気回路との間に配設されていることを特徴とする請求項1に記載のθ−Y−Xステージ。
- 前記θリニアモータの回転用軸受と、前記X軸リニアモータの磁気回路と、前記X軸リニアモータのベアリングと、をX−Y平面上に投影して見たとき、前記X軸リニアモータのベアリングが前記θリニアモータの回転用軸受と前記X軸リニアモータの磁気回路との間に配設されていることを特徴とする請求項1または2に記載のθ−Y−Xステージ。
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