JP4902612B2 - 機械装置の平面ステージ移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械装置の平面ステージ移動装置（PLANAR STAGE MOVING APPARATUS FOR MACHINE）に関するもので、より詳細には、ミーリングマシーンをはじめ、各種機械装置に設けられるテーブルが電磁気力によって移動されるようにすることによって、テーブル移送システムの大きさを縮小することができるようにするだけでなく、より正確な移送がなされるようにする機械装置の平面ステージ移動装置に関するものである。

産業現場で使用されている各種工作機械および測定機械などには、ベース上部側に置かれているテーブルが別途の移送手段によって移動されながら必要な作業が行われるようにする装置が設けられている。特に、工具はテーブルの上部側に固定される一方、工作物が置かれたテーブルが移動しながら加工が行われるように構成されたミーリングマシーン、ワイヤーカッティングマシーンなどの工作機械には、NCコントローラーの制御によってテーブルが移動されるようにするテーブル移動手段が設けられている。

従来、一般的な機械装置のテーブル移動手段は、電動モーターを駆動させて発生される回転力を直線運動力に変換させて、固定体であるベースに対して移動体であるテーブルが移動されるようにするシステムからなる。従って、ミーリングマシーンなどの工作機械のように、テーブルが横方向（X軸方向）および縦方向（Y軸方向）に移動するように構成されなければならない場合は、横方向の移動のための移動軸と、縦方向の移動のための移動軸が別途に具備されなければならないため、テーブル移動手段の構成が複雑になり、大型化されるしかないという短所があった。

従って、本発明の出願人は、従来の一般的な機械装置に適用されていたテーブル移動手段の問題点を改善することを目的に、“永久磁石移動型リニアモーターと空気ベアリングを利用した超小型ステージ装置”を開発したことがある。図１は、本出願人によって大韓民国特許庁に出願され、公開（特許文献１：公開番号１０-２００７-００５２５２４号）された“永久磁石移動型リニアモーターと空気ベアリングを利用した超小型ステージ装置”を概略的に説明するための図面である。

図１aおよび図１bに示したとおり、ステージ移動装置１００は、大きく、固定体であるベース２００部分と、移動体であるテーブル３００部分に区分形成される一方、ベース２００の一側にはテーブル３００が移動される程度を感知するためのリニアエンコーダ（grid encoder）６００が固定装着されている。特に、ベース２００とテーブル３００の両側には、図面に示されているような形態にガイド壁２１０，３１０が形成される一方、ベース２００の内部側にはテーブル３００に移動力を提供するためのリニアモーター４００装着のためのモーター装着空間２２０，３２０が形成される。

リニアモーター４００は、コイル４１０の巻線がなされる固定子コア４２０と、一対の永久磁石４３０が付着された移動子コア４４０とを含んでなるもので、両側に位置した永久磁石４３０による所定の磁場が形成された状態でコイル４１０に電流が流れることになると、電流および磁場の方向によって力の方向が決定される原理が適用されたものである。つまり、コイル４１０に電流が印加されると、コイルに流れる電流の方向によって力の方向が定まった後、ベース２００上でテーブル３００が該当方向に移動されるように構成されるものである。このために、コイル４１０に印加される電流の方向が逆転される場合は、力が作用する方向が逆転されることができるように、コイル４１０に流れる電流の方向は任意に調節できるように構成される。

そして、リニアモーター４００の移送力によってテーブル３００が移動される過程で、テーブル３００がベース２００から離脱されないようにし、エアーベアリングの剛性を増加させるための予圧を作用させる手段は、リニアモーター４００の永久磁石４３０と固定子コア４２０の間に引力として作用する磁力によってなされる。

また、リニアモーター４００の移送力によってベース２００上部側でテーブル３００が移動する過程で、お互い摩擦されたり干渉されないようにするためのエアーベアリング手段５００がベース２００とテーブル３００の間に形成される。エアーベアリング手段５００は、ベース２００と向かい合うテーブル３００の表面に固定装着される多数のエアーパッド５１０と、各々のエアーパッド５１０に空気圧が供給されるようにするためのエアー供給ライン５２０とを含んで構成される。エアーベアリング手段５００が動作してベース２００とテーブル３００の間に斥力として作用する力と、リニアモーター４００の永久磁石４３０と固定子コア４２０の間に引力として作用する力は、お互い力の方向は反対で、力の大きさは平衡をなすように設定されることによって、リニアモーター４００の動作による移送力がテーブル３００に伝達された時、ベース２００上でテーブル３００が安定した状態で移動することができるようになるのである。

前述したように、リニアモーター４００の駆動でテーブル３００が移動する過程では、リニアエンコーダ６００によってテーブル３００の位置が測定されることによって、未図示のNCコントローラーによるテーブル３００の制御が正確になされることになる。
韓国特許出願公開第１０-２００７-００５２５２４号明細書

ところが、前述のようなステージ移動装置の場合は、テーブルがどちらか一側の直線方向に向かってのみ移動されるように制限されることによって、横方向（X軸方向）と縦方向（Y軸方向）および角運動方向の移動が必要なミーリングマシーンなどの工作機械に適用するためには、テーブルの移動のための移動装置の設置空間が増大されるしかないという問題点があった。また、X-Y軸の移送のために二つの移送軸を積層する場合は、全体ステージの高さが高くなり、ステージ上部での剛性は低下するという問題点があった。

従って、本発明は、前述したような従来の技術の諸般問題点を解決するために案出されたもので、ミーリングマシーンをはじめ、各種機械装置に設けられるテーブルが電磁気力によって移動されるようにすることによって、テーブルの移送システムの大きさを縮小させることができるだけでなく、より正確な移送がなされるようにする機械装置のステージ移動装置を提供することにその目的があるものである。

本発明は、前述したような目的を達成するための手段で、次のような構成からなる。つまり、本発明は、固定体であるベースと移動体であるテーブルの間に、テーブルに移動力を加えるためのリニアモーターが形成されるのだが、コイルが巻線されたリニアモーターの固定子コアはベースに固定され、永久磁石が付着された移動子コアはテーブルに固定される一方、ベースとテーブルの間にはエアーベアリング手段が形成され、コイルに電流印加時、磁場の影響でテーブルが移動するように形成され、テーブルの移動状態を測定するためのリニアエンコーダがテーブルの一側に形成される機械装置の平面ステージ移動装置において、前記ベースとテーブルの間には、テーブルの横方向（X軸方向）移動のための二つのリニアモーターと、テーブルの縦方向（Y軸方向）移動のための二つのリニアモーターとが組み合わさった四つのリニアモーターが形成されるのだが、横方向移動のための第１リニアモーターおよび第３リニアモーターは、テーブルの下部および上部側に位置し、第２リニアモーターおよび第４リニアモーターは、テーブルの左右両側に形成された構造からなる。

また、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置で、第１リニアモーターの前端は、テーブルの下部前方側に位置する一方、第３リニアモーターの後端は、テーブルの上部後方側に位置し、前記第２リニアモーターの下端は、テーブルの下部後方側に位置する一方、第４リニアモーターの上端は、テーブルの上部前方側に位置することができるものである。

また、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置で、リニアモーターの固定子コアには、電流の流れる方向がお互い相反する方向に流れることができるように、その中央部を基準に両側にコイルが巻線されることができるのである。

また、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置で、エアーベアリング手段のエアーパッドは、テーブルの下部面に凹溝形状に形成された多数のグルーブに固定装着される一方、各々のグルーブに空圧が提供されるようにするためのエアー供給ラインがテーブルの途中に形成されることができるのである。

また、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置で、エアーパッドは、リニアモーターをなす永久磁石と永久磁石の間に位置することができるのである。

並びに、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置で、リニアエンコーダは、テーブルの下部中央部に対応するベースに固定装着される一方、テーブルの下部中央部には、２次元のグリッドが表現されたスケーラーが形成されることができるのである。

また、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置では、テーブルが角運動できるように、リニアモーターは同時に一方向に作動するように設定されることができるのである。

以上のような手段によってなる機械装置の平面ステージ移動装置は、テーブルの横方向移動と縦方向移動が必要な機械装置に適用される場合、横方向の移動のための移動手段と縦方向の移動のための移動手段が、ベースとテーブルの間の同一な平面上に形成されことができることによって、各運動方向の移動手段が占める空間の縮小が可能だという大きな長点があるのである。

また、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置では、横方向移動のためのリニアモーターと縦方向移動のためのリニアモーターを同時に駆動させる時は、テーブルの角運動方向の移動が可能になることによって、機械装置の構成をより多様な形態に設計することができるという長点があるのである。

特に、横方向の移動と縦方向の移動が単一のテーブルで構成された構造でも可能になることによって、同じ広さの二つのテーブルが重なった状態で装着された場合に比べ、剛性および動特性が優秀であるという長点があり、リニアエンコーダおよびレーザー変位測定装置などの位置センサーを適用させて高精度を得ることができ、小型工作機械および測定システムの適用に有利であるという長点があるのである。

以下では、添付の図面を参照しながら、本発明による機械装置の平面ステージ移動装置の構成および作動による好ましい実施例について説明することにする。

図２は、本発明による平面ステージ移動装置の平面構成図で、図３は、本発明による平面ステージ移動装置の側面構成図で、図４は、本発明による平面ステージ移動装置に適用される単位体リニアモーターの構造を説明するための断面図で、図５は、本発明によるベースの平面図で、図６は、本発明によるテーブルの底面を示した図面で、図面中に表示される図面符号１０は、本発明によって形成された平面ステージ移動装置を示すものである。

本発明による平面ステージ移動装置１０で、テーブル３０は、ベース２０の上部で横方向（X軸方向）と縦方向（Y軸方向）および角運動方向に動作するように構成されているもので、図面に示されているように、ベース２０の面積に比べ小さな大きさに形成されることができるのである。この時、ベース２０は、非磁性体でありながら非伝導体で、剛性の高いセラミック材質で形成されることができるもので、テーブル３０は、非磁性体であるアルミニウム合金材質で形成されることができるのである。

ベース２０の上部側でテーブル３０に移動力を加えるようにする移動手段は、背景技術を説明しながら既に説明したような形態のリニアモーター、つまりコイルが巻線された固定子コアが固定体であるベースに固定装着され、永久磁石が付着された移動子コアが移動体であるテーブルに固定装着された形態のリニアモーターが適用されるものである。リニアモーター４０の装着のために、ベース２０の下部側とテーブル３０の下部側には、各々凹溝状のモーター装着空間２２，３２が形成される。

本発明による平面ステージ移動装置は、テーブル３０の横方向移動、縦方向移動、角運動方向移動のための多数のリニアモーター４０が同一な平面上に形成されることによって、ミーリングマシーンのようにテーブルのX軸方向移動だけでなく、Y軸方向移動が必要な工作機械などに適用される過程で、テーブルの移動のために必要とする空間の縮小を可能にする。つまり、ベース２０の上部面とテーブル３０の下部面の間に多数のリニアモーター４０が配置されることができるのだが、本発明の実施例を説明するための図面では、四つのリニアモーター４０がテーブル３０の平面上の上下左右側に各々形成された状態を示している。テーブルの下側のリニアモーターは第１リニアモーター４０-１で、テーブルの右側のリニアモーターは第２リニアモーター４０-２で、テーブルの上側のリニアモーターは第３リニアモーター４０-３で、テーブルの左側のリニアモーターは第４リニアモーター４０-４に区分されるもので、これは説明の便宜のために任意に区分されたものに過ぎないもので、これによって本発明の特許請求の範囲が制限されるものではない。

特に、テーブル３０の平面上の上側および下側に配置される二つのリニアモーター、つまり第１リニアモーター４０-１および第３リニアモーター４０-３は、テーブル３０の横方向移動のためのもので、テーブル３０の平面上の右側および左側に配置される二つのリニアモーター、つまり第２リニアモーター４０-２および第４リニアモーター４０-４は、テーブルの縦方向移動のためのものである。

図面に示されているように、第１リニアモーター４０-１の前端は、テーブル３０の平面上の下部前方側に位置し、第３リニアモーター４０-３の後端は、テーブル３０の平面上の上部後方側に位置する一方、第２リニアモーター４０-２の下端は、テーブル３０の平面上の下部後方側に位置し、第４リニアモーター４０-４の上端は、テーブル３０の平面上の上部前方側に位置するようにするのが空間活用の側面で有利である。この時、単位体のリニアモーターがなす長さと幅の差によって、ベース２０およびテーブル３０の平面上の中央部分には、リニアモーター４０が位置しない部分が設けられるのだが、この部分にはテーブル３０の移動程度を測定するためのリニアエンコーダ６０が形成される。つまり、固定体であるベース２０の平面上の中央部分にはリニアエンコーダ６０が固定装着され、移動体であるテーブル３０の平面上の中央部分には２次元のグリッド（grid）が表現されたスケーラー６２が付着されるのである。

リニアエンコーダ６０は、未図示のNCコントローラーと通信しながら、NCコントローラーの制御によってテーブル３０の移動を制御するためのモジュール部品中の一つとして一般的なNC機械装置によく使用されるものである。従って、リニアエンコーダ６０に対する細部的な説明は省略することにする。また、グリッドエンコーダを利用せず、多数のレーザー干渉計を利用してX、Y方向の変位と各運動変位を測定することも可能であることを明かしておく。

単位体としてのリニアモーター４０のより詳細な構造は、図４に示したとおりである。つまり、ベース２０に固定装着される固定子コア４２にはコイル４１が巻線され、テーブル３０に固定装着される移動子コア４４には一対の永久磁石４３がお互い磁極を異ならせて付着される。従って、永久磁石４３による磁場が図面に表示されているように形成されることによって、コイル４１に電流が印加された時は、磁場の方向とコイルに流れる電流の方向によって電磁気力の方向が決定され、結局は移動体であるテーブル３０に該当方向への直線移動力が作用することになるのである。

固定子コア４２に巻線されるコイル４１は、電流が印加される方向によって、力が作用する方向がリニアモーターの長さ方向に決定されるようにするために、固定子コア４２の中央部を基準に両側に印加される電流の方向が反対になり得るように別途の巻線がなされる。図面に表示された‘〇’は、コイルに印加された電流が図面上の前面に向かってでる方向を表現したもので、‘×’は、コイルに印加された電流が図面上の後面に向かって入る方向を表現したものである。

また、リニアモーター４０の一部を構成している永久磁石４３と固定子コア４２の間には磁力による引力が作用することによって、テーブル３０の下部面はベース２０の上部面に密着しようという性向を有することになる。このようなベース２０とテーブル３０の間の引力がリニアモーター４０によるテーブル３０の移動力の妨げにならないようするために、ベース２０とテーブル３０の間にはエアーベアリング手段５０が装着される。つまり、永久磁石４３と固定子コア４２の間の引力は、エアーベアリング手段５０による斥力と均衡をなしながら、エアーベアリング手段の剛性を増加させるための予圧として作用するように設計されるのである。

エアーベアリング手段５０は、テーブル３０の下部側からベース２０の上部面に向かう方向に空圧を提供することによって、テーブル３０がベース２０から浮上した状態で動作するようにするためのものである。エアーベアリング手段５０の核心構成要素となるエアーパッド５１の付着のために、テーブル３０の底面には多数のグルーブ３４が形成され、テーブル３０の一側に設けられる未図示のエアー流入口から各々のグルーブ３４までエアー供給ライン５２が設けられる。特に、エアーパッド５１の装着がなされるグルーブ３４は、リニアモーター４０を構成する永久磁石４３と永久磁石４３の間に形成されるのが好ましい。

図７ないし図９は、本発明による平面ステージ移動装置が駆動されている状態を説明するための図面で、図７は、テーブルが横方向（X軸方向）に移動する状態を示した図面で、図８は、テーブルが縦方向（Y軸方向）に移動する状態を示した図面で、図９は、テーブルが角運動する状態を示した図面である。

図７に示したように、本発明が適用されたテーブル３０が横方向に移動するようにするためには、第１リニアモーター４０-１と第３リニアモーター４０-３のコイル４１にだけ電流が印加されるようにし、第２リニアモーター４０-２および第４リニアモーター４０-４の動作は行われないようにする。この時、第１リニアモーター４０-１および第３リニアモーター４０-３のコイル４１に流れる電流の方向は、磁場による力の作用方向が図面上の左側から右側に向かう方向に決定されるようにする。テーブルが移動する過程でのテーブル３０の移動速度および移動方向の変化は、コイルに印加される電流の強さおよび方向を調節することによって可能である。

図８に示したように、本発明が適用されたテーブル３０が縦方向に移動するようにするためには、第２リニアモーター４０-２と第４リニアモーター４０-４のコイル４１にだけ電流が印加されるようにし、第１リニアモーター４０-１および第３リニアモーター４０-３の動作は行われないようにする。この時、第２リニアモーター４０-２および第４リニアモーター４０-４のコイル４１に流れる電流の方向は、磁場による力の作用方向が図面上の下側から上側に向かう方向に決定されるようにする。

図９に図示されているように、本発明が適用されたテーブル３０が角運動するようにするためには、四つのリニアモーター４０が動作するようにする。つまり、各々のリニアモーターのコイルに印加される電流の方向は第１リニアモーター４０-１と第３リニアモーター４０-３がお互い反対方向に動作するようにする一方、第２リニアモータ４０-２と第４リニアモーター４０-４がお互い反対方向に動作するように電流の印加方向が決定される。図９は、第１リニアモーター４０-１、第２リニアモーター４０-２、第３リニアモーター４０-３および第４リニアモーター４０-４から発生される力の方向が全体的に反時計方向に向かっている場合で、テーブル３０が該当方向に角運動している状態を示しているものである。

以上で説明したように、本発明による平面ステージ移動装置が、テーブルの移動が必要な工作機械などの機械装置に適用されると、テーブルの移動に必要な移動手段が形成される空間を大きく縮小させることができ、特に小型でありながら精密な加工が必要な工作機械の大きさを縮小するのに効果的であり得る。

上述したように、本発明による好ましい実施例を説明したが、本発明は前記の実施例に限定されず、本発明の特許請求の範囲で請求する発明の要旨を脱することなく、当該発明が属する分野で通常の知識を有した者なら誰でも多様な変更実施が可能な範囲まで、本発明の技術的な精神に属するとみなすべきである。

従来の技術を説明するための図面である。 従来の技術を説明するための図面である。 本発明による平面ステージ移動装置の平面構成図である。 本発明による平面ステージ移動装置の側面構成図である。 本発明による平面ステージ移動装置に適用される単位体リニアモーターの構造を説明するための図面である。 本発明によるベースの平面状態図である。 本発明によるテーブルの底面を示した図面である。 テーブルが横方向（X軸方向）に移動する状態を示した図面である。 テーブルが縦方向（Y軸方向）に移動する状態を示した図面である。 テーブルが角運動する状態を示した図面である。

符号の説明

１０ 平面ステージ移動装置
２０ ベース
２２ モーター装着空間
３０ テーブル
３２ モーター装着空間
３４ グルーブ
４０ リニアモーター
４０-１ 第１リニアモーター
４０-２ 第２リニアモーター
４０-３ 第３リニアモーター
４０-４ 第４リニアモーター
４１ コイル
４２ 固定子コア
４３ 永久磁石
４４ 移動子コア
５０ エアーベアリング手段
５１ エアーパッド
５２ エアー供給ライン
６０ リニアエンコーダ
６２ スケーラー

Claims (5)

1. 固定体であるベース（２０）と移動体であるテーブル（３０）の間に、テーブル（３０）に移動力を加えるためのリニアモーター（４０）が形成されるのだが、コイル（４１）が巻線されたリニアモーター（４０）の固定子コア（４２）はベース（２０）に固定され、永久磁石（４３）が付着された移動子コア（４４）はテーブル（３０）に固定される一方、ベース（２０）とテーブル（３０）の間にはエアーベアリング手段（５０）が形成され、コイル（４１）に電流印加時、磁場の影響でテーブル（３０）が移動されるように形成され、テーブル（３０）の移動状態を測定するためのリニアエンコーダ（６０）がベース（２０）の平面上の中央部分に形成される機械装置の平面ステージ移動装置において、 前記ベース（２０）とテーブル（３０）の間には、テーブル（３０）のX軸方向移動のための二つのリニアモーター（４０-１、４０-３）と、テーブル（３０）のY軸方向移動のための二つのリニアモーター（４０-２、４０-４）とが組み合わさった四つのリニアモーター（４０）が形成されるのだが、X軸方向移動のための第１リニアモーター（４０-１）および第３リニアモーター（４０-３）は、テーブル（３０）の平面上の下部および上部側に位置し、第２リニアモーター（４０-２）および第４リニアモーター（４０-４）は、テーブル（３０）の平面上の左右両側に形成され、前記のエアーベアリング手段（５０）のエアーパッド（５１）は、各リニアモーター（４０）をなす互いに磁極の異なった１対の永久磁石（４３）と永久磁石（４３）の間に位置し、テーブル（３０）の下部面に凹溝形状に形成された多数のグルーブ（３４）に固定装着される一方、各々のグルーブ（３４）に空圧が提供されるようにするためのエアー供給ライン（５２）がテーブル（３０）の内に形成されていることを特徴とする機械装置の平面ステージ移動装置。
2. 前記第１リニアモーター（４０-１）の前端は、テーブル（３０）の平面上の下部前方側に位置する一方、第３リニアモーター（４０-３）の後端は、テーブルの平面上の上部後方側に位置し、前記第２リニアモーター（４０-２）の下端は、テーブル（３０）の平面上の下部後方側に位置する一方、第４リニアモーター（４０-４）の上端は、テーブル（３０）の平面上の上部前方側に位置することを特徴とする請求項１に記載の機械装置の平面ステージ移動装置。
3. 前記リニアモーター（４０）の固定子コア（４２）には、流れる電流の方向がお互い相反する方向に流れることができるように、その中央部を基準に両側にコイル（４１）が巻線されていることを特徴とする請求項１に記載の機械装置の平面ステージ移動装置。
4. 前記リニアエンコーダ（６０）は、テーブル（３０）の下部中央部に対応するベース（２０）に固定装着される一方、テーブル（３０）の下部中央部には、グリッドが表現されたスケーラー（６２）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の機械装置の平面ステージ移動装置。
5. 前記テーブル（３０）が角運動できるように、リニアモーター（４０-１、４０-２、４０-３、４０-４）は同時に一方向に作動するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の機械装置の平面ステージ移動装置。

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