JP5048243B2 - 位置決めデバイス - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの往復台と少なくとも１つのリニア・モータとを備える位置決めデバイスに関する。

この種類の位置決めデバイスは、例えば、工具を加工するワークピースに対して連続的に位置決めする工作機械で使用される（例えばドイツ特許第ＤＥ １９９ ４８ ４９０ Ａ１号を参照）。リニア・モータ駆動の使用が提供する利点は、その動作が非接式によること、高速度及び加速を作り出すことができ、それによって往復台の素早い移動を可能にすることである。しかし１つの欠点は、リニア・モータの主要部分と副次部分の間に作り出される引力が高くなり過ぎて、往復台が変形し、充分な精度で位置決めすることができなくなる場合があることである。例えば円形研磨では、サブミクロメータ範囲の精度による、高度に精確な工具の位置決めが必要である。

ドイツ特許出願第ＤＥ １９６ ４３ ５１８ Ａ１号には、水平位置合わせ能動ユニットと垂直位置合わせ能動ユニットを備えるリニア駆動部を持つ位置決めデバイスが記載されている。リニア・ドライブの受動ユニットは、四角形の断面を有し、空気軸受によって変位可能な本体に取り付けられる。しかしこの種類の軸受は、複数のノズルを能動ユニットの全表面に配置しなければならないので、比較的複雑で、コスト高である。さらに、空気軸受の担持力は限られている。

この従来技術に基づいて、本発明の目的は、序文で述べた種類の位置決めデバイスであって、その往復台を改良された形で素早く、精確に位置決めすることができるデバイスを提供することである。

これは、請求項１に規定した通りの位置決めデバイスによって達成される。さらなる請求項は、好ましい実施例、並びに位置決めデバイスに設けられた研磨機に関する。

本発明を、好ましい例示的実施例によって、図面を参照して以下に説明する。

図１は、明確にするために、支持体１５の正面部を除いた位置決めデバイスの斜視図である。図面で見られる通り、この位置決めデバイスは、支持体１５に沿ってＸ方向に変位可能な往復台１０を備える。往復台１０が備える基部プレート１１の底側には、変位方向Ｘに延びる、突出するガイド部材１２ａ、１２ｂが設けられる。支持体１５が備えるガイド・レール１６ａ、１６ｂで、それぞれのガイド部材１２ａ、１２ｂが変位可能である。

ガイド部材１２ａ、１２ｂと、ガイド・レール１６ａ、１６ｂとはそれらの間に位置する液体、一般的には油によって分離される。軸受１２ａ、１６ａ、１２ｂ、１６ｂは静圧軸受として設計され、動作中、液体が圧力下で、ガイド部材１２ａ、１２ｂの供給孔を通して、ガイド部材１２ａ、１２ｂと、ガイド・レール１６ａ、１６ｂとの隙間に連続的に供給され、それによって往復台１０が上で「浮動する」膜を形成する。必要な圧力は軸受１２ａ、１６ａ、１２ｂ、１６ｂの外側で、適切な手段によって生成され、膜の厚みが実質的に一定となるように調整される。

静圧軸受の使用がもたらす利点は、それらの動作が非接式によるものであり、したがって摩耗が無いということ、又素早い方向変更及び／又は往復台に作用する大きな重力がある場合にも高度に精確な変位が達成されるということである。一般的に１／１０マイクロメータ未満の変位が可能である。

静圧軸受を液体滑り軸受として使用することも考えることができるが、その場合、分離液体膜は、ガイド部材１２ａ、１２ｂと、対応するガイド・レール１６ａ、１６ｂとの間の相対的な動きによって生成される。

軸受１２ａ、１６ａ、１２ｂ、１６ｂは自由に支持されるガイドの形態であり、即ち取り囲むものが無く、例えば−図２に示すような−Ｖ字形の、平担な滑り面の形態である。両軸受１２ａ、１６ａ、１２ｂ、１６ｂをＶ字形滑り面又は平担な滑り面として設計することも可能である。

図１及び２で見られるように、支持体１５は、ガイド・レール１６ａ、１６ｂの間で変位方向Ｘに延びる、往復台駆動部が中に配置される陥凹部１７を含む。後者は、支持本体１８と、主要部分２０ａ、２０ｂ及び副次部分２１ａ、２１ｂをそれぞれに備える２つのリニア・モータとを含む。主要部分２０ａ、２０ｂは電線を含み、副次部分２１ａ、２１ｂには永久磁石が設けられる。電線を適切に励起することによって、移動領域が生成され、これが、主要部分２０ａ、２０ｂそれぞれと、副次部分２１ａ、２１ｂそれぞれとの間に推力を生み出す。

図２から４でも見られるように、支持本体１８が備える２つの傾斜付き面１９ａ及び１９ｂは、変位方向Ｘに延び、副次部分２１ａ、２１ｂが取り付けられる。主要部分２０ａ、２０ｂは、それぞれ往復台１０の取付本体２２ａ、２２ｂによって、対応する副次部分２１ａ、２１ｂと向かい合うように取り付けられる。主要部分２０ａ、２０ｂは、このようにして往復台駆動部の可動部に連結され、それによって主要部分２０ａ、２０ｂ及び副次部分２１ａ、２１ｂが、それぞれの短い固定子リニア・モータを形成する。リニア・モータ２０ａ、２１ａ、並びに２０ｂ、２１ｂは、非接触状態で動作し、それぞれの主要部分２０ａ、２０ｂ、及び副次部分２１ａ、２１ｂは、一般にミリメートル範囲、又は１ｍｍ未満の範囲で形成された空気の隙間によって、相互に離隔される。

図１に示すような往復台１０の配向では、軸受１２ａ、１６ａ、１２ｂ、１６ｂはＸＹ平面に位置する。その平面に対する垂直面（これより以下、往復台の垂直面と呼ぶ）は、Ｚ方向と一致する。表面１９ａ及び１９ｂの傾斜は、往復台の垂直面と、副次部分２１ａ及び２１ｂが配置される平面との間の角度αが、３５から５５度の間から成り、好ましくはα＝４５度に等しくなるように選択される。２つの平面１９ａ及び１９ｂはこのように、２αと等しい角度で交差する。主要部分２０ａ及び２０ｂは、それぞれの副次部分２１ａ及び２１ｂと協働するが、これらも往復台の垂直面に対して角度α分それぞれに傾斜する。

動作中に、リニア・モータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂは熱を生成するが、これは適切なやり方で放散させて、往復台１０及び支持体１５が余分な加熱、したがって変形を受けることを防止しなければならない。冷却するために、主要部分２０ａ、２０ｂは、一体化された冷却システムを備え、副次部分２１ａ、２０ｂには、冷却剤を導通させることができる内部通路が設けられる。さらに支持本体１８と、取付本体２２ａ、２２ｂとが冷却デバイスの役目を果たし、その目的のためにそれらには、冷却剤を導通させることができる内部通路が設けられる。内部通路に冷却剤を供給するラインは、本体２２ａ、２２ｂ、及び１８に、それぞれの連結部２３ａ、２３ｂ、２４を介して連結することができる。適切な冷却剤としては、例えば、工作機械で一般に使用されるような防食添加剤を用いた水性液体などがある。位置決めデバイスは、機械、例えば研磨機械で使用される場合、冷却回路をそれ自体に備え、冷却デバイス１８、２２ａ、２２ｂは有利にこの冷却回路に連結される。

リニア・モータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂの間には、往復台１０の位置を測定する役目をする変位測定システム３０ａ、３０ｂが配置される。変位測定システムの静止部３０ａは、２つの傾斜付き面１９ａ及び１９ｂの間の支持本体１８の頂部に配設され、変位測定システムの可動部３０ｂは往復台１０に固定される。変位測定システムは、往復台１０の位置を、好ましくはナノメートル範囲の精度で決定することができるように選択される。適切な変位測定システム３０ａ、３０ｂとしては、例えば光電変位測定システムがあり、そこでは、例えばガラス目盛の目盛システムの区分が光学的に検出され、対応する電気変位測定信号が生成される。

変位測定システム３０ａ、３０ｂの信号を評定する（図示しない）適切な制御システムが設けられ、信号をリニア・モータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂに配送して、指定された目標位置に従って往復台１０を移動させる。

さらなる実施例によれば、リニア・モータ駆動部及び変位測定システムを含む第２の往復台が、往復台１０に配置されて、（図面に示さない）２つの従動軸を形成する。第２往復台のリニア・モータ駆動部、及び変位測定システムの構造は、第１往復台の対応するデバイスのそれと類似している。例えば工具を平面に位置決めするのに、これらの２つの往復台の変位方向は、必ずしも相互に直角に構成する必要はなく、別法として相互に鈍角又は鋭角に構成することができる。

本発明の位置決めデバイスは、例えば研磨機械、特に円形研磨機械で使用することができる。一般的な用途では、移動する塊は、数百キログラム、一般的には５００ｋｇから１，５００ｋｇの範囲であることができる。リニア・モータ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂは、１０ｍ／ｓ^２以上の加速、及び３０ｍ／ｓまでの速度を達成することができる。位置決め精度は、サブマイクロメータ範囲である。冷却デバイス１８、２２ａ、２２ｂによって放散される熱は、一般的に１キロワット時以上の程度である。

以上に述べた位置決めデバイスは、とりわけ以下の利点を提供する：

リニア・モータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂの傾斜された配置（以下Ｖ字形配置と呼ぶ）は、主要部分２０ａ、２０ｂと副次部分２１ａ、２１ｂの間に生成される引力が、縮小された形で往復台１０に作用するという利点を提供する。α＝４５度である場合、この縮小は最大になる：結果として起こる、往復台の垂直面の方向に作用する引力は、リニア・モータが傾斜していない（α＝９０度）である構成と比較して、因数

分縮小される。往復台１０に対する引力の衝撃が縮小されるので、より強力なリニア・モータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂを使用することができ、且つ／又は往復台１０を、往復台１０に変形を受けさせずに、より軽量に構築することができる。

さらに、リニア・モータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂによって生成された引力を使用して、静圧軸受１２ａ、１６ａ、１２ｂ、１６ｂに予め荷重を加えるができ、それによってガイド部材１２ａ、１２ｂが規定の力でガイド・レール１６ａ、１６ｂに作用するようになる。したがって、例えば取り囲む形の軸受よりも簡単で、低コストである自由に支持された軸受を使用することが可能であり、同時に、小さな重力又は可変重力が往復台に作用する時、必要な事前荷重も保証される。

リニア・モータのＶ字形構成を、液体滑り軸受と組み合わせて使用することは、往復台が非接触式であり、高度に精確に、素早く変位可能である位置決めデバイスをもたらし、同時に変位が小さい場合でもほぼがたつきの無い動作が保証される。

さらにこの位置決めデバイスの所与の構造高さで、リニア・モータ２０ａ、２１ａ、２０ｂ、２１ｂのＶ字形構成は、比較的大型、したがって効果的な冷却デバイス１８、２２ａ、２２ｂのための充分な空間を生む。リニア・モータ駆動部を二部分に設計することは、後者によって作り出される熱の放散をし易くもする。

支持本体１８及び取付本体２２ａ、２２ｂを含む冷却デバイスは、効果的な熱障壁としての役目をし、これが、熱の支持体１５及び往復台１０への移送を防止し、或いは熱の移送を調整して、支持体１５及び往復台１０を一定の温度に維持するようにすることを可能にする。このようにして、往復台１０及び支持体１５の大きさの変化が防止され、それによって素早く高度に精確な往復台の動きが常に可能となる。

Ｖ字形構成は又、変位測定システム３０ａ、３０ｂを、リニア・モータ２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂの間に配置し、そのようにしてコンパクトな左右対称な構成をもたらすことを可能にする。これは、往復台１０が高速及び加速を受ける、極めて動的な用途でも、往復台の精確な位置制御を可能にするが、それは、例えば往復台１０の変位方向が逆転される時、測定される位置の角度の狂いが小さいからである。

本発明の位置決めデバイスの斜視図である。 図１の詳細を示す図である。 正面から見た、図１の部分的断面の詳細を示す図である。 図１による往復台駆動部と、位置決めデバイスの変位測定システムとを示す図である。

符号の説明

１０ 往復台
１１ 基部プレート
１２ａ、１２ｂ ガイド部材、軸受
１５ 支持体
１６ａ、１６ｂ ガイド・レール、軸受
１７ 陥凹部
１８ 支持本体 冷却デバイス
１９ａ、１９ｂ 支持本体１８が備える２つの傾斜付き面
２０ａ、２０ｂ 主要部分、リニア・モータ
２１ａ、２１ｂ 副次部分 リニア・モータ
２２ａ、２２ｂ 取付本体 冷却デバイス
３０ａ 変位測定システムの静止部
３０ｂ 変位測定システムの可動部

Claims (11)

1. 位置決めデバイスであって：
   少なくとも１つの変位可能な往復台（１０）と、
   前記往復台がその上で変位可能であると共に、周りを取り囲まれずに自由に支持されている、液体滑り軸受（１２ａ、１６ａ；１２ｂ、１６ｂ）と、
   往復台駆動部であって、
   第１主要部分（２０ａ）と、前記第１主要部分と向かい合って第１平面（１９ａ）に位置する第１副次部分（２１ａ）とを備える第１リニア・モータと、
   第２主要部分（２０ｂ）と、前記第２主要部分と向かい合って第２平面（１９ｂ）に位置する第２副次部分（２１ｂ）とを備える少なくとも１つの第２リニア・モータとを備える往復台駆動部とを備え、
   前記第１平面と前記第２平面（１９ａ、１９ｂ）が異なり、交角（２α）を形成するように、前記第１リニア・モータ及び第２リニア・モータが、傾斜された位置に配置される位置決めデバイス。
2. 前記液体滑り軸受（１２ａ、１６ａ；１２ｂ、１６ｂ）が静圧軸受又は流体軸受である、請求項１に記載の位置決めデバイス。
3. 前記液体滑り軸受が、ガイド・レール（１６ａ、１６ｂ）と、前記ガイド・レール上にあるガイド部材（１２ａ、１２ｂ）とを備える、請求項１又は２に記載の位置決めデバイス。
4. 前記往復台（１０）が、基部プレート（１１）を備え、その下側から前記ガイド部材（１２ａ、１２ｂ）が突出する、請求項３に記載の位置決めデバイス。
5. 前記液体滑り軸受（１２ａ、１６ａ；１２ｂ、１６ｂ）が、前記第１及び第２リニア・モータ（２０ａ、２１ａ；２０ｂ、２１ｂ）が間に配置される２つの軸受を形成し、該２つの軸受は本質的に平行に配置される、請求項１から４までの一項に記載の位置決めデバイス。
6. 前記第１及び第２主要部分（２０ａ、２０ｂ）と、前記第１及び第２副次部分（２１ａ、２１ｂ）とを冷却する冷却デバイス（１８、２２ａ、２２ｂ）をさらに備える、請求項１から５までの一項に記載の位置決めデバイス。
7. 前記冷却デバイスが、
   前記第１及び第２副次部分（２１ａ、２１ｂ）がその上に取り付けられる支持本体（１８）と、
   前記第１及び第２主要部分（２０ａ、２０ｂ）を往復台（１０）に取り付ける取付本体（２２ａ、２２ｂ）とを備え、前記支持本体及び前記取付本体には冷却剤を受け取る内部通路が設けられる、請求項６に記載の位置決めデバイス。
8. 前記往復台の位置を測定する役目を果たし、前記リニア・モータ（２０ａ、２１ａ；２０ｂ、２１ｂ）の間に配置される変位測定システム（３０ａ、３０ｂ）をさらに備える請求項１から７までの一項に記載の位置決めデバイス。
9. 前記平面（１９ａ、１９ｂ）の間の交角（２α）が、７０度から１１０度の範囲である、請求項１から８までの一項に記載の位置決めデバイス。
10. 第２往復台が前記第１往復台（１０）上に構成される、請求項１から９までの一項に記載の位置決めデバイス。
11. 請求項１から１０までの一項に記載の位置決めデバイスを備える研磨機械。

Images