JP4756459B2

JP4756459B2 - Ｘｙ位置決め装置

Info

Publication number: JP4756459B2
Application number: JP2005261995A
Authority: JP
Inventors: 透鹿山; 博信吉武
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: JP2007074877A

Description

本発明は、高速ボンディングマシンなどに搭載されると共に直動ＸＹ２軸の動作を同一ＸＹ平面上で行うＸＹ位置決め装置に関する。

従来、直動２軸の動作を平面上で行うＸＹ位置決め装置として、複数のプラテンをバックアッププレート上に隙間なく配置し一枚のプラテンとすることでＸＹスライダの移動領域を大きくした平面リニアパルスモータが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
また、プラテンとＸＹスライダの電機子の歯ピッチを比較的大きくして安価に構成した２次元リニアモータが知られている（例えば、特許文献２を参照）。
また、ＸＹスライダのＸ軸方向への制御と回転θ方向への制御を独立して行うことでＸＹスライダの回転ずれ（ヨーイング）により制御不能になることを防止した２次元位置決め装置が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
さらには、推力を低減せずにコギング力を低減でき、ＸＹ位置決め装置に適用可能なリニアモータ構造が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。

図１は従来技術と本発明に共通な基本構成を有するＸＹ位置決め装置の斜視図である。なお、特許文献４に記載のリニアモータをちょうど特許文献１〜３に記載のＸＹ位置決め装置に適用した例として、以下に説明する。
図において、１aがＸＹスライダ、１００がプラテンである。ＸＹスライダ１ａはプラテン１００と微小なギャップを介して非接触浮上している。

図７は従来技術によるＸＹスライダ１ａを底面から見た平面図、図８は図７におけるＡ−Ａ線に沿う側断面図である。これらの図において、１０ａ、２０ａはそれぞれＸ方向に配置されたＸ１軸電機子、Ｘ２軸電機子、３０ａ、４０ａはそれぞれＹ方向に配置されたＹ１軸電機子、Ｙ２軸電機子、１１は電機子ユニット、１２は電機子コア、１３はティース、１４は電機子巻線、１５は永久磁石、５０は筐体、６０は浮上機構、６１はオリフィス、６２は絞り溝、１０１は格子状鉄心歯である。

ＸＹスライダ１ａは、田形に配置されたＸ１軸電機子１０ａ、Ｘ２軸電機子２０ａ、Ｙ１軸電機子３０ａ、Ｙ２軸電機子４０ａと、これらの電機子を収納するための筐体５０、ＸＹスライダ１ａをプラテン１００から微小のギャップを介して浮上させるための浮上機構６０から構成されている。
また、プラテン１００のＸＹスライダ１ａとの対向面側には、ＸＹ格子状の突起である格子状鉄心歯１０１が設けられている。プラテン１００は、各電機子の永久磁石１５の磁石磁束、電機子巻線１４の巻線磁束を通す役割があり、透磁率の高い磁性体が使用されている。

このうち、電機子については、Ｘ１軸電機子１０ａとＸ２軸電機子２０ａがＸ軸方向の駆動力源となっており、Ｙ１軸電機子３０ａとＹ２軸電機子４０ａがＹ軸方向の駆動力源となっている。各電機子は同じ構造となっており。例えば、Ｘ１軸電機子１０ａを例に取ると、図８に示すように２つの電機子ユニット１１から構成されている。１個の電機子ユニット１１は３相のティース１３を有するＥ形状の電機子コア１２に電機子巻線１４が３相巻装され、ティース１３のギャップ対向面に多極の磁極を形成するように永久磁石１５が貼り付けられている。永久磁石１５の極ピッチはギャップ面を介して対向する格子状鉄心歯１０１のピッチの半分となっている。３相のティース１３は電気角で１２０度の位相差で配置されている。さらに、２つの電機子ユニット１１は電気角１８０度の位相差で配置され、１個の電機子ユニット１１で発生するコギング力をもう１個の電機子ユニット１１で発生するコギング力で相殺するようになっている。

浮上機構６０については、筐体５０の内部に設けられた図示しない空気配管、その空気配管の末端にあたるギャップ面に設けられたオリフィス６１、ギャップ面での空気の主流路となる絞り溝６２から構成されており、いわゆるオリフィス絞り方式による静圧空気軸受を構成している。浮上機構６０は空気配管に圧縮空気を送り込むことにより、プラテン１００に対してギャップ面を非接触に浮上させることができるである。

また、ＸＹスライダ１ａには図示しないＸ軸方向とＹ軸方向の位置を検出する手段が設けられている。これら位置検出手段には、例えばレーザ測長器、ＸＹ格子のガラススケールで構成されたＸＹ同時測長可能な光学式エンコーダなどが用いられる。

このような構成において、Ｘ軸方向とＹ軸方向の位置信号に応じてＸ１軸電機子１０ａ、Ｘ２軸電機子２０ａ、Ｙ１軸電機子３０ａ、Ｙ２軸電機子４０ａに所定の電流を流すことで、各電機子に推力が発生し、ＸＹスライダ１ａをＸ軸方向とＹ軸方向の２軸で、コギング力なくスムーズに推進させることができる。
特開平９−３０８２１７号公報（第３頁、図１）特開２００３−１５８８６６号公報（第４頁、図１）特許第３５４３７０１号公報（第４頁、図１）特開２００２−１０１６３６号公報（第３頁、図１）

ところが、従来技術におけるＸＹ位置決め装置は、コギング力がゼロとなる安定点が必ずしも４つの電機子（Ｘ１軸電機子、Ｘ２軸電機子、Ｙ１軸電機子、Ｙ２軸電機子）で一致しておらず、無通電状態の初期浮上時に、ＸＹスライダとプラテンのＸＹ座標軸が回転方向にずれるようにしてＸＹスライダが静止しようとすると、ＸＹスライダに大きな回転位置誤差が生じるという問題があった。
また、コギング力の安定点は、軸電機子の組立公差や永久磁石の磁化のばらつき、さらには４つの電機子の電気的な配置場所により変わるので、コギング力の安定点を一致させることが極めて困難であった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電機子の組立公差や永久磁石の磁化のばらつきがあってもコギング力の安定点を一致させ、ＸＹスライダの初期浮上時に起こる回転位置誤差を低減できるＸＹ位置決め装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、請求項１の発明は、直交するＸＹ軸方向に各々配置されると共に、各軸方向に推力を発生するための複数の電機子ユニットを備えたＸ軸電機子とＹ軸電機子とで構成される電機子と、前記電機子とギャップを介して対向配置され、表面に格子状鉄心歯を有するプラテンと、を備え、前記電機子と前記プラテンの何れか一方をＸＹ軸方向に移動可能なＸＹスライダを構成する可動子に、他方を固定子として相対移動を行うようにしたＸＹ位置決め装置において、前記Ｘ軸電機子をＸ１軸電機子とＸ２軸電機子の２個で構成し、前記Ｙ軸電機子をＹ１軸電機子とＹ２軸電機子の２個で構成すると共に、前記Ｘ軸電機子同士、前記Ｙ軸電機子同士をそれぞれ電気角０度の位相差に配置してあり、前記格子状鉄心歯のピッチをλとした場合、前記Ｘ軸電機子のギャップ対向面のＹ軸方向寸法幅ＬＸ、前記Ｙ軸電機子のギャップ対向面のＸ軸方向寸法幅ＬＹはそれぞれ、ＬＸ＝ｍ１×λ （ｍ１は自然数）、ＬＹ＝ｎ１×λ （ｎ１は自然数）と設定してあり、前記ＸＹスライダの中心に対して時計回りを正方向とした場合に、前記Ｘ軸電機子のＸ軸正方向における先端側の位置から前記Ｙ軸電機子のＸ軸正方向における先端側の位置までのＸ軸方向相対距離を表わす電気角ΔＸ、前記Ｘ軸電機子のＹ軸正方向における先端側の位置から前記Ｙ軸電機子のＹ軸正方向における先端側の位置までのＹ軸方向相対距離を表わす電気角ΔＹを、それぞれ、ΔＸ＝１２０×ｍ２＋α （ｍ２は整数）、ΔＹ＝１２０×ｎ２＋α （ｎ２は整数）としたことを特徴としている。但し、αの範囲は７０≦α≦１１０である。
また、請求項２の発明は、請求項１記載のＸＹ位置決め装置において、前記Ｘ軸電機子同士、前記Ｙ軸電機子同士をそれぞれ前記ＸＹスライダの中心に対して点対称に配置してあり、前記ＸＹスライダの中心から前記Ｘ１軸電機子の中心までのＹ軸方向距離をΔＹＸ１、前記ＸＹスライダの中心から前記Ｘ２軸電機子の中心までのＹ軸方向距離をΔＹＸ２、前記ＸＹスライダの中心から前記Ｙ１軸電機子の中心までのＸ軸方向距離をΔＸＹ１、前記ＸＹスライダの中心から前記Ｙ２軸電機子の中心までのＸ軸方向距離をΔＸＹ２としたとき、ΔＹＸ１＝ΔＹＸ２、ΔＸＹ１＝ΔＸＹ２であることを特徴としている。
また、請求項３の発明は、請求項１または２に記載のＸＹ位置決め装置において、前記ＸＹスライダが前記ＸＹプラテン上を非接触で浮上するように、前記ＸＹスライダに浮上機構を備えたことを特徴としている。
また、請求項４の発明は、請求項１または２に記載のＸＹ位置決め装置において、前記ＸＹスライダを前記プラテン上に複数台載せたことを特徴としている。
また、請求項５の発明は、請求項１または２に記載のＸＹ位置決め装置において、前記Ｘ軸電機子および前記Ｙ軸電機子は、磁性体からなる電機子コアのティースに巻装された３相の電機子巻線と、前記ティースのギャップ対向面に配設した永久磁石を備えたことを特徴としている。

請求項１記載の発明によると、電機子の組立公差や永久磁石の磁化のばらつきがあってもコギング力の安定点を一致させ、ＸＹスライダの回転位置誤差を大幅に低減することができる。
また、請求項２記載の発明によると、各電機子に発生するコギング力の作用点とＸＹスライダの中心までの距離を等しくできるので、コギング力の作用点の違いによるモーメントを無くすことができ、ＸＹスライダの回転位置誤差をさらに低減することができる。
また、請求項３記載の発明によると、浮上機構によってＸＹスライダを非接触で支持できるので、磨耗等による粉塵発生やメンテナンスを排除することができる。
また、請求項４記載の発明によると、複数台のＸＹスライダを同一プラテン上で駆動することができ、複数台のＸＹスライダ駆動による並列作業によって、機械装置の高タクト化を図ることができる。
また、請求項５記載の発明によると、電機子コアを構成する一般的な積層珪素鋼板に比べ、Ｘ軸方向寸法幅やＸ軸方向寸法幅の寸法誤差を低減できる無垢の永久磁石をギャップ対向面に配設しているので、寸法誤差にともなうコギング力のばらつきを低減できる。よって、ＸＹスライダの回転誤差をさらに低減することができる。

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。

図１は本発明の第１実施例と従来技術に共通な基本構成を有するＸＹ位置決め装置の斜視図、図２は第１実施例を示すＸＹスライダを底面から見た平面図、図３は図２におけるＡ−Ａ線に沿う側断面図である。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては同一符号で示して、その説明を省略し、異なる点のみ説明する。
これらの図において、１はＸＹスライダ、１０はＸ１軸電機子、２０はＸ２軸電機子、３０はＹ１軸電機子、４０はＹ２軸電機子である。
ＸＹスライダ１が、Ｘ軸方向の駆動力源となるＸ１軸電機子１０およびＸ２軸電機子２０、Ｙ軸方向の駆動力源となるＹ１軸電機子３０およびＹ２軸電機子４０、それら電機子を収納するための筐体５０、ＸＹスライダ１をプラテン１００に対してギャップを介して浮上させるための浮上機構６０から構成されている点、各電機子が２つの電機子ユニット１１から構成されると共に、電機子ユニット１１は３相のティース１３を形成してなるＥ形状の電機子コア１２に３相の電機子巻線１４を巻装し、ティース１３のギャップ対向面に多極の磁極を形成するように永久磁石１５を配設した点、永久磁石１５の極ピッチを格子状鉄心歯１０１のピッチの半分とし、ティース１３は電気角で１２０度の位相差で配置する点は従来技術と同じである。

本発明が従来技術と異なる点に以下のとおりである。
まず、Ｘ１軸電機子１０、Ｘ２軸電機子２０、Ｙ１軸電機子３０、Ｙ２軸電機子４０の各電機子における２つの電機子ユニット１１は、電気角０度の位相差、つまり全く同じ電機子ユニット１１を電気的に同じ位置に配置させている。次に、格子状鉄心歯１０１のピッチをλとした場合、Ｘ１軸電機子１０およびＸ２軸電機子２０は、そのギャップ対向面に配置された永久磁石１５のＹ軸方向寸法幅ＬＸを、
ＬＸ＝ｍ１×λ （ｍ１は自然数）
としており、ここでは、ｍ１＝４に設定している。また、Ｙ１軸電機子３０およびＹ２軸電機子４０も同様に、そのギャップ対向面に配置された永久磁石１５のＸ軸方向寸法幅ＬＹを、
ＬＹ＝ｎ１×λ （ｎ１は自然数）
としており、ここでは、ｎ１＝４に設定している。
さらに、Ｘ１軸電機子１０とＸ２軸電機子２０のＸ軸方向およびＹ軸方向の相対距離は電気角でゼロ度となっている。Ｙ１軸電機子３０とＹ２軸電機子４０も同様である。
しかし、ＸＹスライダ１の中心Ｏに対して時計回りを正方向とした場合に、Ｘ１軸電機子１０のＸ軸正方向における先端側の位置からＹ１軸電機子３０のＸ軸正方向における先端側の位置までのＸ軸方向相対距離を表わす電気角ΔＸ、Ｘ１軸電機子１０のＹ軸正方向における先端側の位置からＹ１軸電機子３０のＹ軸正方向における先端側の位置までのＹ軸方向相対距離を表わす電気角ΔＹは、それぞれ、
ΔＸ＝１２０×ｍ２＋α （ｍ２は整数）
ΔＹ＝１２０×ｎ２＋α （ｎ２は整数）
ここで
７０≦α≦１１０
の関係に定めており、ここでは、ｍ２＝２、ｎ＝０、α＝９０に設定している。つまり、ΔＸ＝３３０度、ΔＹ＝９０度となっている。

さらに、Ｘ軸電機子同士、前Ｙ軸電機子同士は、それぞれＸＹスライダ１の中心Ｏに対して点対称に配置してあり、ＸＹスライダ１の中心ＯからＸ１軸電機子１０の中心までのＹ軸方向距離をΔＹ_Ｘ１、ＸＹスライダ１の中心ＯからＸ２軸電機子２０の中心までのＹ軸方向距離をΔＹ_Ｘ２、ＸＹスライダ１の中心ＯからＹ１軸電機子３０の中心までのＸ軸方向距離をΔＸ_Ｙ１、ＸＹスライダ１の中心ＯからＹ２軸電機子４０の中心までのＸ軸方向距離をΔＸ_Ｙ２とした場合、
ΔＹ_Ｘ１＝ΔＹ_Ｘ２
ΔＸ_Ｙ１＝ΔＸ_Ｙ２
の関係になるようにＸ１軸電機子１０〜Ｙ２軸電機子４０を配置している。

このような構成において、Ｘ軸方向とＹ軸方向の位置信号に応じてＸ１軸電機子１０、Ｘ２軸電機子２０、Ｙ１軸電機子３０、Ｙ２軸電機子４０に所定の電流を流すことで、各電機子に推力が発生し、ＸＹスライダ１をＸ軸方向とＹ軸方向の２軸で推進させることができる。

次に、ＸＹスライダのコギング力特性について説明する。
図４はＸＹスライダをＸ軸方向に移動させたときのコギング力を示したものである。移動量の電気角３６０度は格子状鉄心歯のピッチλに相当している。Ｘ１軸電機子とＸ２軸電機子のコギング力は１周期を１２０度として発生するのに対し、Ｙ１軸電機子とＹ２軸電機子のＸ軸方向移動時のコギング力は１周期が３６０度である。従って、ＸＹスライダのＸ軸方向のコギング力は、３次成分に１次成分が重畳した波形となる。

図５は、Ｘ軸方向相対距離ΔＸを変えた場合のＸＹスライダのコギング力最大値を示したものである。図５において、ΔＸの変化に対しコギング力最大値の変化が小さいほど、コギング力波形の変化が小さい、つまりコギング力の安定点の変動が小さいことを表している。コギング力の安定点の変動が小さいΔＸは電気角９０、２１０、３３０度近傍である。また、Ｙ軸方向のコギング力特性およびＹ軸方向相対距離ΔＹとコギング力最大値の関係も同じであり、コギング力の安定点の変動が小さいΔＹはΔＸと同じ電気角である。第１実施例では前記したようにΔＸ＝３３０度、ΔＹ＝９０度となっており、コギング力の安定点の変動が小さい値に設定されている。

また、Ｘ１軸電機子、Ｘ２電機子、Ｙ１軸電機子、Ｙ２軸電機子のＸＹスライダ中心Ｏまでの距離を、ΔＹ_Ｘ１＝ΔＹ_Ｘ２、ΔＸ_Ｙ１＝ΔＸ_Ｙ２となるように各電機子を配置しているので、Ｘ１軸電機子とＸ２軸電機子のコギング力の作用点からＸＹスライダ中心Ｏまでの距離が等しく、また、Ｙ１軸電機子とＹ２軸電機子のコギング力の作用点からＸＹスライダ中心Ｏまでの距離も等しい値に設定されている。

本発明の第１実施例は上記構成にしたので、ＸＹ位置決め装置は、電機子の組立公差や永久磁石の磁化のばらつきがあっても、所定のΔＸ、ΔＹに設定することでコギング力の安定点の変動を小さくでき、ＸＹスライダの無通電・初期浮上時に起きる回転位置誤差を大幅に低減することができる。
また、コギング力の作用点の違いによるモーメントを無くすことができ、ＸＹスライダの回転位置誤差をさらに低減することができる。
さらには、回転位置誤差を低減できるので、非接触の浮上機構を用いていることができる。この浮上機構によって磨耗等による粉塵発生やメンテナンスを排除することができる。

次に、本発明の第２実施例について説明する。
図６は第２実施例であるＸＹ位置決め装置の斜視図である。
図において、２と３はＸＹスライダである。第１実施例と異なる点は、同一のプラテン１００上にＸＹスライダ２、３の２台を配置した点である。ＸＹスライダ２、３は各制御装置によりＸＹの位置決め制御が行われる。

本発明の第２実施例は上記構成にしたので、ＸＹ位置決め装置は、複数台のＸＹスライダを同一プラテン上で駆動することができ、複数台のＸＹスライダ駆動による並列作業によって、機械装置の高タクト化を図ることができる。

なお、本実施例では、電機子をＸＹスライダの可動側としたが、これを固定側とし格子状鉄心歯をＸＹスライダに搭載するような構成であっても良い。
また、ＸＹスライダの浮上機構は静圧空気軸受を用いたが、特にクリーン環境下において異物、粉塵などの侵入を防止し、大幅な耐久性の向上を図る意味においても電磁石など設けた磁気浮上によるもの、あるいはリニアガイド等を設けると良い。その結果、本発明と同様の効果が得られることは言うまでも無い。

本発明は、ＸＹスライダの無通電・初期浮上時に起きる回転位置誤差を大幅に低減することによって、同一平面上にＸＹスライダを複数台搭載したとしてもＸＹスライダ同士の回転誤差も小さくできるので、ＸＹスライダ同士の協調作業が可能となり、軸間で協調作業を行う電子部品実装装置や検査装置などの用途にも適用することもできる。

従来技術と本発明の第１実施例に共通な基本構成を有するＸＹ位置決め装置の斜視図本発明の第１実施例を示すＸＹスライダを底面から見た平面図図２におけるＡ−Ａ線に沿う側断面図本発明の第１実施例を示すＸＹスライダのＸ軸方向移動時のコギング力特性本発明の第１実施例を示すＸ軸電機子とＹ軸電機子のＸ軸方向相対距離とコギング力の関係本発明の第２実施例を示すＸＹ位置決め装置の斜視図従来技術を示すＸＹスライダを底面から見た平面図図７におけるＡ−Ａ線に沿う側断面図

符号の説明

１、１ａ、２、３ＸＹスライダ
１０、１０ａＸ１軸電機子（Ｘ軸電機子）
１１電機子ユニット
１２電機子コア
１３ティース
１４電機子巻線
１５永久磁石
２０、２０ａＸ２軸電機子（Ｘ軸電機子）
３０、３０ａＹ１軸電機子（Ｙ軸電機子）
４０、４０ａＹ２軸電機子（Ｙ軸電機子）
５０筐体
６０浮上機構
６１オリフィス
６２絞り溝
１００プラテン
１０１格子状鉄心歯
ＯＸＹスライダの中心

Claims

直交するＸＹ軸方向に各々配置されると共に、各軸方向に推力を発生するための複数の電機子ユニットを備えたＸ軸電機子とＹ軸電機子とで構成される電機子と、
前記電機子とギャップを介して対向配置され、表面に格子状鉄心歯を有するプラテンと、を備え、前記電機子と前記プラテンの何れか一方をＸＹ軸方向に移動可能なＸＹスライダを構成する可動子に、他方を固定子として相対移動を行うようにしたＸＹ位置決め装置において、
前記Ｘ軸電機子をＸ１軸電機子とＸ２軸電機子の２個で構成し、前記Ｙ軸電機子をＹ１軸電機子とＹ２軸電機子の２個で構成すると共に、前記Ｘ軸電機子同士、前記Ｙ軸電機子同士をそれぞれ電気角０度の位相差に配置してあり、
前記格子状鉄心歯のピッチをλとした場合、前記Ｘ軸電機子のギャップ対向面のＹ軸方向寸法幅ＬＸ、前記Ｙ軸電機子のギャップ対向面のＸ軸方向寸法幅ＬＹはそれぞれ、
ＬＸ＝ｍ１×λ （ｍ１は自然数）、
ＬＹ＝ｎ１×λ （ｎ１は自然数）
と設定してあり、
前記ＸＹスライダの中心に対して時計回りを正方向とした場合に、前記Ｘ軸電機子のＸ軸正方向における先端側の位置から前記Ｙ軸電機子のＸ軸正方向における先端側の位置までのＸ軸方向相対距離を表わす電気角ΔＸ、前記Ｘ軸電機子のＹ軸正方向における先端側の位置から前記Ｙ軸電機子のＹ軸正方向における先端側の位置までのＹ軸方向相対距離を表わす電気角ΔＹを、それぞれ、
ΔＸ＝１２０×ｍ２＋α （ｍ２は整数）、
ΔＹ＝１２０×ｎ２＋α （ｎ２は整数）
としたことを特徴とするＸＹ位置決め装置。
但し、７０≦α≦１１０
前記Ｘ軸電機子同士、前記Ｙ軸電機子同士をそれぞれ前記ＸＹスライダの中心に対して点対称に配置してあり、
前記ＸＹスライダの中心から前記Ｘ１軸電機子の中心までのＹ軸方向距離をΔＹＸ１、前記ＸＹスライダの中心から前記Ｘ２軸電機子の中心までのＹ軸方向距離をΔＹＸ２、前記ＸＹスライダの中心から前記Ｙ１軸電機子の中心までのＸ軸方向距離をΔＸＹ１、前記ＸＹスライダの中心から前記Ｙ２軸電機子の中心までのＸ軸方向距離をΔＸＹ２としたとき、ΔＹＸ１＝ΔＹＸ２、ΔＸＹ１＝ΔＸＹ２であることを特徴とする請求項１記載のＸＹ位置決め装置。
前記ＸＹスライダが前記プラテン上を非接触で浮上するように、前記ＸＹスライダに浮上機構を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のＸＹ位置決め装置。
前記ＸＹスライダを前記プラテン上に複数台載せたことを特徴とする請求項１または２記載のＸＹ位置決め装置。
前記Ｘ軸電機子および前記Ｙ軸電機子は、磁性体からなる電機子コアのティースに巻装された３相の電機子巻線と、前記ティースのギャップ対向面に配設した永久磁石を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のＸＹ位置決め装置。