JP5387570B2 - 多自由度アクチュエータおよびステージ装置 - Google Patents
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Description
しかし、従来の多自由度アクチュエータは、コイルの空心部があり、XYの2方向に推進、Z方向に浮上、さらにθX、θY、θZ方向に駆動させるためには、コイルを積層する必要があった。また6層のコイルすべてが積層されているため磁気ギャップが大きくなり、体格の割に推力、浮上力、可変浮上力が小さくなってしまう問題があった。
また、従来のステージ装置は、1方向のみに推力もしくは浮上力が発生可能なアクチュエータを複数台配置して構成していたため、X、Y、Zの直線3方向と各軸周りのθX、θY、θZの回転3方向の移動を行う6自由度のステージ装置の場合、アクチュエータを6台用いる必要があった。そのため、6台の可動子が取り付いた浮上体の重量が極めて大きくなり、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることが困難であった。
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、小型でありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きく、Z方向の浮上動作とX方向の推進動作とθY方向の駆動動作を行う多自由度アクチュエータおよびそれを用いた精密ステージを提供することを目的とする。
請求項1に記載の発明は、複数の永久磁石を有する可動子と、固定子コアと複数のコイルを有する固定子から構成され、前記永久磁石を2以上の偶数からなる極数PとなるようにX方向に並べて配置し、前記コイルをX方向駆動用コイルとZ方向駆動用コイルの2種類で構成し、前記Z方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極と対向する位置にP個配置するとともに、前記X方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極間の中心と対向する位置にP/2個配置して構成し、前記固定子コアにP個のティースを一体に形成するとともに、前記Z方向駆動用コイルを前記ティースに挿入し、前記X方向駆動用コイルを、前記ティースの先端に配置したものである。
請求項2に記載の発明は、前記X方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてX方向に駆動制御し、前記Z方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてZ方向に駆動制御するものである。
請求項3に記載の発明は、前記X方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてX方向に駆動制御し、2組に分けた前記Z方向駆動用コイルのうち、一つの前記Z方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてZ方向に駆動制御することに加え、もう一つの前記Z方向駆動用コイルをもう1台のアンプを用いてθY方向に駆動制御するものである。
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れか一つに記載の多自由度アクチュエータを少なくとも3台用いて浮上体を多自由度に移動させるステージ装置とするものである。
請求項5に記載の発明は、3台の前記多自由度アクチュエータを水平XY面に120度ずつ回転させて配置したステージ装置とするものである。
請求項6に記載の発明は、4台の前記多自由度アクチュエータのうち2台を水平X方向に沿って配置し、もう2台を水平Y方向に沿って配置したステージ装置とするものである。
請求項7に記載の発明は一方向に大きく移動可能なリニアモータを付加したステージ装置とするものである。
また、固定子コアにティースを一体に形成するとともに、Z方向駆動用コイルをティースに挿入し、X方向駆動用コイルを、ティースの先端に配置する構造となっているため、磁気ギャップを大きくすることなくZ方向の浮上力、可変浮上力と、X方向の推力が大きいアクチュエータを提供することができる。
また、X方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてZ方向に駆動制御し、Z方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてX方向に駆動制御するため、Z方向の浮上動作とX方向の推進動作を行う多自由度アクチュエータを提供することができる。
また、X方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてZ方向に駆動制御し、Z方向駆動用コイルを2台のアンプを用いてX方向とθY方向(X軸とZ軸に直交したY軸の回転周りの方向)に駆動制御するため、Z方向の浮上動作とX方向の推進動作の2自由度動作に加え、θY方向の駆動を加えた3自由度動作を行う多自由度アクチュエータを提供することができる。
また、2方向もしくは3方向に推力や浮上力が発生可能な多自由度アクチュエータを少なくとも3台用いて浮上体を多自由度に移動させるステージ装置としているので、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らし、浮上体を軽量化することができる。ひいては、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることができる。
また、3台の多自由度アクチュエータを水平XY面に120度ずつ回転させて配置させているので、請求項1記載の効果を最小限の多自由度アクチュエータによって実現することができる。
また、4台の多自由度アクチュエータのうち2台を水平X方向に沿って配置し、もう2台を水平Y方向に沿って配置させているので、請求項6記載の効果を得ることができる。さらに、テーブルの4隅に4台の多自由度アクチュエータを配置することができるので、テーブルエリアが大きな浮上体であっても安定して浮上させることができる。
また、一方向に大きく移動可能なリニアモータを付加しているので、浮上体を広範囲に移動させることができる。
104 Z方向駆動用コイル
105 X方向駆動用コイル
106 ティース
107a、107b Z方向駆動用アンプ
108 X方向駆動用アンプ
110 可動子
112 可動子ヨーク(天板)
114 永久磁石
116 6層のコイル
118 固定子コア(ベース)
119 磁石磁束線
200 浮上体
201 テーブル
300 リニアモータ固定子
310 リニアモータ可動子
可動子110は永久磁石114、可動子ヨーク112から構成され、固定子100は固定子コア118とX方向駆動用コイル105とZ方向駆動用コイル104から構成されている。
永久磁石114を極数P=2、極性が逆となるようにX方向に交互に並べて配置し、Z方向駆動用コイル104を永久磁石114の磁極と対向する位置にP=2個配置するとともに、X方向駆動用コイル105のコイル辺がZ方向駆動用コイル104の中心と一致する位置にX方向駆動用コイル105をP/2=1個配置する構成となっている。
また、図2に示すように、X方向駆動用コイル105は、コイルエンドを折り曲げ、コイル辺をZ方向駆動用コイル104の空心に埋め込むように配置する構成となっている。
固定子コア118は磁性体であり、例えば鉄損の低減を目的として電磁鋼板を積層したものや、圧粉磁心による成形体を使用する。
図4は浮上力、可変浮上力、推力の発生原理を示す図である。点線は永久磁石114による磁束線119を示している。
まず、永久磁石114と固定子コア118間には磁気吸引力が発生する。これが浮上力となる。
次に、永久磁石114による磁束線119に示す通り、X方向駆動用コイル105には磁束密度の±Z方向の磁束が通り、Z方向駆動用コイル104には磁束密度の±X方向の磁束が通る。
図4に示した方向に電流を流した場合、Z方向駆動用コイル104には−Z方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子110はZ方向に可変浮上力が発生する。
また、X方向駆動用コイル105に−X方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子110は+X方向に推力が発生する。
多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成を図5に示す。X方向駆動用コイル105を1台のアンプを用いてX方向に駆動制御し、P=2個のZ方向駆動用コイル104を直列に接続して1台のアンプ107aを用いてZ方向に駆動制御し、X方向駆動用コイル105を接続して1台のアンプ108でX方向に駆動制御する構成となっている。
このような構成としたことによって、X方向に推進動作とZ方向の浮上動作の2自由度動作を実現することができる。また、Z方向の浮上動作とX方向の推進動作を行う多自由度アクチュエータを実現するとともに、磁気ギャップを小さくすることが出来、コンパクトでありながら推力、浮上力、可変浮上力が大きいアクチュエータを実現することができる。
図6、図7、図8は本発明の第2の実施例を示す多自由度アクチュエータの下面図と側面図、正面から見た断面図である。
固定子コア118にティース106を一体に形成するとともに、Z方向駆動用コイル104をティース106に挿入し、X方向駆動用コイル105を、ティース106の先端に配置した。従来の構成では積層したコイルの上部に固定子コアが配置されていたため、すべてのコイル厚分、磁気ギャップが大きくなっていた。しかし、Z方向駆動用コイル104の空心部にティースを配置する構成としたことで、磁気ギャップがX方向駆動用コイル105の厚み分のみとなるため、磁気ギャップを大きくすることなくZ方向駆動コイルを厚くして巻き数を増やし、X方向駆動用コイルの幅を広くして巻き数を増やすことができる。よって、X方向の推力とZ方向の浮上力、可変浮上力が大きい多自由度アクチュエータを提供することができる。
図9は本発明の第3の実施例を示す多自由度アクチュエータとアンプとの接続構成図である。
P=2個のZ方向駆動用コイルを2台のアンプ107a、107bを用いてZ方向とθY方向(X軸とZ軸に直交したY軸の回転周りの方向)にも駆動制御し、X方向駆動用コイル105を接続して1台のアンプ108でX方向に駆動制御する構成とした。
図10はθY動作の発生原理を示す図である。点線は永久磁石114による磁束線119を示している。
永久磁石114による磁束線119に示す通り、X方向駆動用コイル105には±Z方向の磁束が通り、Z方向駆動用コイル104には±X方向の磁束が通る。
図10に示した方向に電流を流した場合、Z方向駆動用コイル104には−Z方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子110はZ方向に可変浮上力が発生する。
また、X方向駆動用コイル105に−X方向のローレンツ力が発生し、その結果、可動子110は+X方向に推力が発生する。
ここで、図10に示しているように、2個のZ方向駆動用コイル104に流す電流を2台のアンプを用いて、Z方向駆動用アンプ107aに接続されたZ方向駆動用コイル104(図10左側)の電流を、Z方向駆動用アンプ107bに接続されたZ方向駆動用コイル104(図10右側)の電流より大きくすることによって、X軸方向左右の可変浮上力に差をつけることが出来、図中に示したθY方向にも駆動することが出来る。
以上のように構成したことで、X方向の浮上動作とX方向の推進動作の2自由度動作に加えて、θY方向の駆動動作の3自由度動作を行う多自由度アクチュエータを提供することができる。
また、本実施例ではP=2の場合で説明したが、本実施例の構成をX方向に並べてP=4、6、…として構成しても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
本発明の第4実施例は実施例1もしくは実施例2の多自由度アクチュエータを3台用いてステージ装置として構成したものである。浮上体200はテーブル201と3台の可動子110から構成されており、テーブル201の水平XY面上に可動子110が120度ずつ回転して設置されている。そして、可動子110と対向する上部にギャップを介して3台の固定子100が固定用の不図示の天板に設置されている。各可動子110に発生する推力と浮上力の方向は、図11において各固定子100上に示した矢印(→)のとおりである。可動子110は3台ともZ方向に浮上力を発生する。さらに、水平XY面におけるX方向を0度とした場合、各可動子110は0度、120度、240度の方向に推力を発生する。
また、浮上体200の位置は、不図示のレーザ干渉計などの光学式距離検出装置によりX、Y、Zの直線3方向と各軸周りのθX、θY、θZの回転3方向の位置を高精度に検出できるようになっている。
以上のような構成のステージ装置は、多自由度アクチュエータが推力と浮上力の2方向に力を発生できるので、3台の多自由度アクチュエータによって合計6つの力を制御できる。これら6つの力の大きさと各力の発生点、浮上体の重心位置を考慮しながら制御することで、浮上体200をX、Y、Zの直線3方向とθX、θY、θZの回転3方向に移動させることができる。
よって、従来のステージ装置に比べ、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らし、浮上体を軽量化することができる。そして、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることができる。
浮上体200はエリアの大きな略四角形状のテーブル201と、その4隅に設けられた可動子110から構成されている。4台の可動子110のうち、2台は水平X方向に沿ってテーブル201の対角位置に配置されており、もう2台は水平Y方向に沿って同じくテーブル201の対角位置に配置されている。そして、4台の固定子100がそれら可動子110と対向する上部にギャップを介して固定用の不図示の天板に設置されている。各可動子110に発生する推力と浮上力の方向は、図12において各固定子100上に示した矢印(→)のとおりである。可動子110は4台ともZ方向に浮上力を発生する。さらに、XY平面において各可動子110がX方向とY方向に推力を発生する。
また、浮上体200の位置は、不図示のレーザ干渉計などにより、X、Y、Zの直線3方向と各軸周りのθX、θY、θZの回転3方向の位置を高精度に検出できるようになっている。
以上のような構成のステージ装置は、多自由度アクチュエータが推力と浮上力の2方向に力を発生できるので、4台の多自由度アクチュエータによって合計8つの力を制御できる。これら8つの力の大きさと各力の発生点、浮上体の重心位置を考慮しながら制御することで、浮上体200をX、Y、Zの直線3方向とθX、θY、θZの回転3方向に移動させることができる。
よって、従来のステージ装置に比べ、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らし、浮上体を軽量化することができる。そして、浮上体を安定して浮上させることや、高速に位置決めすることができる。さらに、テーブルの4隅に4台の多自由度アクチュエータを配置しているので、テーブルのエリアが大きな浮上体であっても安定して浮上させることができる。
本実施例では、4台の可動子110のうち、2台は水平X方向に沿ってテーブル201の対角位置に配置されており、もう2台は水平Y方向に沿って同じくテーブル201の対角位置に配置されていた。これに対し、第6実施例では、4台の可動子110のうち、2台は水平X方向に沿ってテーブル201の左右2辺に配置されており、もう2台は水平Y方向に沿って同じくテーブル201の上下2辺に配置されている。
以上のような構成においても、第5実施例と同様に浮上体を制御することができるとともに、同様の効果を得ることができる。
浮上体200には、まず、略四角形状のテーブル201と4台の可動子110が配置されている。4台の可動子110は、水平Y方向に沿って2台直列に配置され、それと同じものがX方向に並列に配置されている。そして、4台の固定子100が可動子110と対向する上部にギャップを介して固定用の不図示の天板に設置されている。各可動子110に発生する推力と浮上力の方向は、図14において各固定子100上に示した矢印(→)のとおりである。可動子110は4台ともZ方向に浮上力、X方向に推力を発生する。なお、固定子100は、浮上体200がY方向に大きく移動しても推力と浮上力が発生可能なように浮上体200のY方向移動量分だけ長く構成されている。
さらに、テーブル201の中央部にはリニアモータ可動子310が設置されており、それと対向する上部にギャップを介してリニアモータ固定子300が固定用の天板(図示しない)に設置されている。リニアモータ可動子310に発生する推力の方向は、図14においてリニアモータ固定子300上に示した矢印(→)のとおりY方向である。
また、浮上体200の位置は、不図示のレーザ干渉計などにより、X、Y、Zの直線3方向と各軸周りのθX、θY、θZの回転3方向の位置を高精度に検出できるようになっている。
以上のような構成のステージ装置は、多自由度アクチュエータが推力と浮上力の2方向に力を発生できるので、4台の多自由度アクチュエータによって合計8つの力を制御できる。ただし、4台の多自由度アクチュエータとも推力はX方向であるために、浮上体をY方向に移動させる力だけは得ることができない。つまり、8つの力の大きさと各力の発生点、浮上体の重心位置を考慮しながら制御することで、浮上体200をX、Zの直線2方向とθX、θY、θZの回転3方向に移動させることができる。さらに、リニアモータによってY方向の力を制御できるようになっているので、Y方向に大きく移動させることができる。
よって、従来のステージ装置に比べ、浮上体に取り付ける可動子の台数を減らしつつ、安定した浮上と一方向の大きな移動を可能にすることができる。
Claims (7)
- 複数の永久磁石を有する可動子と、固定子コアと複数のコイルを有する固定子から構成され、前記永久磁石を2以上の偶数からなる極数PとなるようにX方向に並べて配置し、前記コイルをX方向駆動用コイルとZ方向駆動用コイルの2種類で構成し、前記Z方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極と対向する位置にP個配置するとともに、前記X方向駆動用コイルを前記永久磁石の磁極間の中心と対向する位置にP/2個配置して構成し、前記固定子コアにP個のティースを一体に形成するとともに、前記Z方向駆動用コイルを前記ティースに挿入し、前記X方向駆動用コイルを、前記ティースの先端に配置したことを特徴とする多自由度アクチュエータ。
- 前記X方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてX方向に駆動制御し、前記Z方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてZ方向に駆動制御することを特徴とした請求項1記載の多自由度アクチュエータ。
- 前記X方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてX方向に駆動制御し、2組に分けた前記Z方向駆動用コイルのうち、一つの前記Z方向駆動用コイルを1台のアンプを用いてZ方向に駆動制御することに加え、もう一つの前記Z方向駆動用コイルをもう1台のアンプを用いてθY方向に駆動制御することを特徴とした請求項1記載の多自由度アクチュエータ。
- 請求項1〜3の何れか一つに記載の多自由度アクチュエータを少なくとも3台用いて浮上体を多自由度に移動させることを特徴としたステージ装置。
- 3台の前記多自由度アクチュエータを水平XY面に120度ずつ回転させて配置したことを特徴とする請求項4記載のステージ装置。
- 4台の前記多自由度アクチュエータのうち2台を水平X方向に沿って配置し、もう2台を水平Y方向に沿って配置したことを特徴とする請求項4記載のステージ装置。
- 一方向に大きく移動可能なリニアモータを付加したことを特徴とする請求項4記載のステージ装置。
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