JP4784905B2 - Xy位置決め装置 - Google Patents
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Description
前者の装置については、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により、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するもの(例えば、特許文献1参照)、格子プラテン上において原点復帰位置を高精度に行うもの(例えば、特許文献2参照)、移動体を原点またはその近傍に短時間で復帰させるもの(例えば、特許文献3参照)、あるいは磁気浮上により6自由度の制御を行うもの(例えば、特許文献4参照)もある。
また、後者の装置は、複数の位置検出器(レーザー干渉計)を切り替えてもレーザー干渉計の波長補正を高精度にできるもの(例えば、特許文献5参照)、スライダの移動中にレーザー干渉計を切り替えることによって生じる誤差を抑えることができるもの(例えば、特許文献6参照)がある。これら従来技術は、いずれも高精度な位置決めが要求されるXY位置決め装置に関するものであり、すべて位置検出器にはレーザー干渉計が使用されている。
図8は従来技術によるXY位置決め装置の全体を示す斜視図である。図において、1はXYスライダ、2はX1干渉計、3はX2干渉計、4はY干渉計、100はプラテン、101はX平面ミラー、102はY平面ミラー、103は格子状鉄心歯である。また、図9は図8に示すXYスライダの底面から見た斜視図である。図において、5aと5bはX電機子、6aと6bはY電機子、7は浮上手段である。XYスライダ1上には図8に示すようにX1干渉計2、X2干渉計3、Y干渉計4が配置され、内部には図9に示すようにX電機子5aと5b、Y電機子6aと6b、浮上手段7が搭載されている。
まず、XY位置決め装置の浮上、駆動手段について述べる。該XYスライダ1はプラテン100と浮上手段7により微小のギャップを介して非接触に浮上支持されている。XYスライダ1内部に設けたX電機子5a、5bとY電機子6a、6bは電機子鉄心に巻装された電機子巻線(不図示)と該鉄心の歯先に設けた永久磁石(不図示)から構成され、微小のギャップを介してプラテン100上に形成された格子状鉄心歯103との電磁力によってX軸方向推力とY軸方向推力を発生させる。
次に、XY位置決め装置の位置検出手段について述べる。X1干渉計2、X2干渉計3、Y干渉計4は光の干渉を利用したレーザー干渉計であり、プラテン100の外周2辺にはX1干渉計2およびX2干渉計3のレーザー光を反射するX平面ミラー101、Y干渉計4のレーザー光を反射するY平面ミラー102が設置されている。
X1干渉計2とX2干渉計3は、X平面ミラー101にレーザ光を照射すると、その反射光を受けXYスライダ1のX軸方向位置を検出する。Y干渉計4は、Y平面ミラー102にレーザ光を照射し、その反射光を受けXYスライダ1のY軸方向位置を検出する。X1干渉計2、X2干渉計3、Y干渉計4により得られたXYスライダ1のXとYの位置情報は制御装置(図示無し)に送られ、制御器はXとYの位置偏差量に応じてX軸方向とY軸方向の推力指令を生成する。その推力指令をもとに、X電機子5a、5bとY電機子6a、6bが推力を発生させることでXYスライダ1はX軸とY軸の位置決めを行えるようになっている。
請求項1は、XY位置決め装置の発明に係り、直交するX軸方向およびY軸方向に沿って形成されたプラテンと、前記プラテンとギャップを介して対向配置されたXYスライダと、前記XYスライダの内部に搭載すると共に当該XYスライダをX軸方向およびY軸方向にそれぞれ推力を発生させるX電機子およびY電機子と、を備え、前記X電機子および前記Y電機子は、それぞれ電機子巻線と永久磁石を有すると共に、前記永久磁石を前記プラテンに対向したギャップ面に配置してあり、前記プラテン上に配置されると共にX軸位置とY軸位置を検出するための目盛を有する平面状のXYスケールと、前記XYスライダに配置されると共に前記XYスケールの目盛を検出するXY位置検出器とよりなる平面エンコーダが設けられたことを特徴としている。
また、請求項2は、XY位置決め装置の発明に係り、直交するX軸方向およびY軸方向に沿って形成されたプラテンと、前記プラテンとギャップを介して対向配置されたXYスライダと、前記XYスライダをX軸方向およびY軸方向にそれぞれ推力を発生させるX電機子およびY電機子と、前記プラテン上に配置されると共にX軸位置とY軸位置を検出するための目盛を有する平面状のXYスケールと、前記XYスライダに配置されると共に前記XYスケールの目盛を検出するXY位置検出器とよりなる平面エンコーダと、を備え、前記X電機子は、前記XYスライダに搭載してあり、前記XYスライダは、X軸の長手方向に沿って設けたX固定部上を移動するように配設してあり、前記X固定部の両端のそれぞれには、前記Y電機子を搭載してなるY可動部を連結してあり、前記Y可動部は、Y軸の長手方向に沿って設けたY固定部を移動するように配設してあり、前記X電機子により前記XYスライダをX軸方向に駆動し、前記Y電機子により前記XYスライダをY軸方向に駆動するようにしたことを特徴としている。
また、請求項3は、請求項1または2記載のXY位置決め装置において、前記XY位置検出器を、X軸位置を検出するX位置検出器とY軸位置を検出するY位置検出器の2つに分離したことを特徴としている。
また、請求項4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スケール上を非接触で浮上するように、前記XYスライダに磁気吸引力による浮上手段を備えたことを特徴としている。
また、請求項5は、請求項1に記載のXY位置決め装置において、前記プラテン上に前記XYスライダを複数台載せたことを特徴としている。
また、X電機子とY電機子、X位置検出器とY位置検出器のすべてをXYスライダに搭載することで直接XYスライダをX軸方向とY軸方向に移動させることができ、XYスライダの機構を簡素化できる。
また、XYスケールをプラテン上に配置することでXYスライダのX電機子、Y電機子とプラテンの格子状鉄心歯間の磁気ギャップ長が大きくなっても、また、磁気ギャップ長を出来る限り小さくするためXYスケールを薄くしなくても、XYスライダの推力低下を抑えることができる。
請求項2記載の発明によると、XYスライダが浮上方向だけでなく案内方向も支持された走行性能が高いXY位置決め装置においても請求項1同様の効果を得ることができる。
請求項3記載の発明によると、X軸位置を検出するX位置検出器とY軸位置を検出するY位置検出器をXYスライダの任意の場所、例えばX電機子とY電機子の近傍に配置し、X電機子のX軸位置、Y電機子のY軸位置を正確に検出することができる。つまり、XYスライダがヨーイングを起こした場合でも、各電機子の位置を、XYスライダの重心位置と回転角度がそれらX位置検出器とY位置検出器から演算して正確にわかるので、各電機子に応じた推力指令を生成でき、ヨーイングを低減することができる。
請求項4記載の発明によると、浮上手段によって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。
請求項5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。
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、同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
図において、1はXYスライダ、5(5a、5b)はX電機子、6(6a、6b)はY電機子、7は浮上手段、8はXY位置検出器、100はプラテン、103は格子状鉄心歯、104はXYスケールである。
本発明が従来技術と異なる点は、以下のとおりである。
すなわち、本装置は、プラテン1上に配置され、X軸位置とY軸位置を検出するための目盛を有する平面状のXYスケール104と、XYスライダに配置され、XYスケールの目盛を検出するXY位置検出器8とよりなる平面エンコーダを備え、XY位置検出器8より得られたX軸位置とY軸位置の位置情報をもとにXYスライダの位置決めを行うようにした点である。
なお、XYスケール104は、その厚さが一様に薄く製造されており、X軸とY軸に平行な格子状のスリットが設けられている。また、XYスライダ1に搭載される構成要素のうち、X電機子5、Y電機子6、浮上手段7について以下に述べる。
また、XY位置決め装置の浮上手段7については、詳細構成を図示しないが、XYスライダ1の内部に設けられた空気配管、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、ギャップ面での空気の主流路となる絞り溝から構成されており、空気配管に圧縮空気を送り込むことでギャップ面を非接触に浮上させることができるオリフィス絞りの静圧空気軸受となっている。
このような構成において、XYスケール104の格子状スリットをXY位置検出器8で検出することでX軸位置とY軸位置を得ることができる。XYスケール104はプラテン100上の全面をカバーしており、XYスライダ1に搭載されたXY位置検出器8はXYスライダ1の移動に伴いプラテン100からその移動量を検出することができる。
また、平面エンコーダはレーザー干渉計に比べ大気の揺らぎや温度、湿度、気圧の影響を受けにくいので、これらが変動する環境下でも大幅な精度劣化を起こすことなく使用することができる。
さらに、X電機子とY電機子、X位置検出器とY位置検出器のすべてをXYスライダに搭載することで直接XYスライダをX軸方向とY軸方向に移動させることができ、XYスライダの機構を簡素化できる。また、浮上手段によってXYスライダを非接触で支持しているので、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。
図3は第2実施例を示すXYスライダの底面の斜視図である。
図において、9はX位置検出器、10はY位置検出器である。
第2実施例が第1実施例と異なる点は、XY位置検出器8をX位置検出器9とY位置検出器10の2つに分離して配置した点である。X電機子5とY電機子6は各2台で構成されており、X電機子5a、5bの近傍にはX位置検出器9a、9bが、Y電機子6a、6bの近傍にはY位置検出器10a、10bがそれぞれ配置されている。
図4は第3実施例を示すXYスライダの側断面図であって、第1実施例における図2を側面から見た側断面図に相当する。
図において、11は電機子ユニット、12は電機子コア、13は電機子コアに形成されたティース、14は電機子巻線、15は永久磁石である。
第3実施例の特徴は、X電機子5a(5b)およびY電機子6a(6b)は、各々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を形成するE形状の電機子コア12に電機子巻線14が各相巻装され、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。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。
したがって、本XY位置決め装置は、格子状鉄心歯103と電機子ユニット11の相対位置に応じて、電機子巻線14に所定の電流を流すことで推力を発生することができる。
ギャップ中のプラテン100上にXYスケール104を配置させるため、XYスケール104無しの場合に比べギャップ長が大きくなり、一般的には推力が低下することになる。しかし、以上のように構成された第3実施例の電磁部構造は、推力に影響する磁気ギャップ長がティース13の先端から格子状鉄心歯101までの鉄心間距離であるため、従来技術のような電機子側鉄心歯と格子状鉄心歯が対向するような電磁部構造(ハイブリッド形)に比べ、ギャップ拡大による推力低下が極めて小さい。その結果、図5中に示すように、XYスケール104を配置した場合でも十分な推力を発生させることができる。
図6は第4実施例を示すXY位置決め装置の全体斜視図である。
図において、200はX固定部、201はY可動部、202はY固定部である。
第4実施例が第1、第2実施例と異なる点は、X電機子5a(5b)はXYスライダ1
に搭載してあり、XYスライダ1は、X軸の長手方向に沿って設けたX固定部200上を移動するように配設してあり、X固定部200の両端のそれぞれには、Y電機子6a、6bを搭載してなるY可動部201を連結してあり、Y可動部201は、Y軸の長手方向に沿って設けたY固定部202を移動するように配設してあり、X電機子5a(5b)によりXYスライダ1をX軸方向に駆動し、Y電機子6a、6bによりXYスライダ1をY軸方向に駆動するようにした点である。なお、XYスライダ1がX位置検出器9、Y位置検出器10を搭載した点は、第2実施例と同じである。また、プラテン100にはX位置検出器9、Y位置検出器10と対向するようにXYスケール100が配置されている。XYスライダ1は、浮上手段7(不図示)によってX固定部200とXYスケール100と非接触に浮上・案内支持されている。
図7は第5実施例を示すXY位置決め装置の全体斜視図である。
図において、1aと1bはXYスライダである。第1、第2実施例と異なる点は、同一のプラテン100上にXYスライダ1a、1bの2台配置した点である。XYスライダ1a、1bは各制御装置によりXYの位置決め制御が行われる。
また、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、浮上手段には静圧空気軸受で説明したが、別に電磁装置を設けた磁気浮上であっても本発明と同様の効果が得られることは言うまでも無い。
2 X1干渉計
3 X2干渉計
4 Y干渉計
5、5a、5b X電機子
6、6a、6b Y電機子
7 浮上手段
8 XY位置検出器
9、9a、9b X位置検出器
10、10a、10b Y位置検出器
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
100 プラテン
101 格子状鉄心歯
102 X平面ミラー
103 Y平面ミラー
104 XYスケール
200 X固定部
201 Y可動部
202 Y固定部
Claims (5)
- 直交するX軸方向およびY軸方向に沿って形成されたプラテンと、
前記プラテンとギャップを介して対向配置されたXYスライダと、
前記XYスライダの内部に搭載すると共に当該XYスライダをX軸方向およびY軸方向にそれぞれ推力を発生させるX電機子およびY電機子と、
を備え、
前記X電機子および前記Y電機子は、それぞれ電機子巻線と永久磁石を有すると共に、前記永久磁石を前記プラテンに対向したギャップ面に配置してあり、
前記プラテン上に配置されると共にX軸位置とY軸位置を検出するための目盛を有する平面状のXYスケールと、前記XYスライダに配置されると共に前記XYスケールの目盛を検出するXY位置検出器とよりなる平面エンコーダが設けられたことを特徴とするXY位置決め装置。 - 直交するX軸方向およびY軸方向に沿って形成されたプラテンと、
前記プラテンとギャップを介して対向配置されたXYスライダと、
前記XYスライダをX軸方向およびY軸方向にそれぞれ推力を発生させるX電機子およびY電機子と、
前記プラテン上に配置されると共にX軸位置とY軸位置を検出するための目盛を有する平面状のXYスケールと、前記XYスライダに配置されると共に前記XYスケールの目盛を検出するX位置検出器およびY位置検出器とよりなる平面エンコーダと、
を備え、
前記X電機子は、前記XYスライダに搭載してあり、
前記XYスライダは、X軸の長手方向に沿って設けたX固定部上を移動するように配設してあり、
前記X固定部の両端のそれぞれには、前記Y電機子を搭載してなるY可動部を連結してあり、
前記Y可動部は、Y軸の長手方向に沿って設けたY固定部を移動するように配設してあり、前記X電機子により前記XYスライダをX軸方向に駆動し、前記Y電機子により前記XYスライダをY軸方向に駆動するようにしたことを特徴とするXY位置決め装置。 - 前記XY位置検出器を、X軸位置を検出するX位置検出器とY軸位置を検出するY位置検出器の2つに分離し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XYスライダが前記XYスケール上を非接触で浮上するように、前記XYスライダに磁気吸引力による浮上手段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。
- 前記プラテン上に前記XYスライダを複数台載せたことを特徴としている請求項1に記載のXY位置決め装置。
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