JP7277868B2 - リニアアクチュエータおよびｘｙテーブル - Google Patents

Description

本発明は、基台に固定されたコイルユニットに、スライド自在に挿通された永久磁石が内装された可動軸を、コイルの励磁によってリニア駆動するリニアモータによって、基台上に設けらたワーク体を可動軸と共に１軸駆動により直進移動することのできるリニアアクチュエータおよびＸＹテーブルに関する。

近年、直線駆動する電気アクチュエータとしてシャフト型リニアアクチュエータが注目されている。この種リニアアクチュエータは、複数の棒状磁石が直列状に配列された可動軸（シャフト）と、該可動軸をスライド自在に外嵌する固定子としてコイルユニットを備え、該コイルユニットの内周部に設けられるコイルの励磁によって、可動軸を直線的に駆動させるようになっている。このような構成によれば、コギングや速度ムラが少ないので、様々な分野での応用が検討されており、殊に、半導体レーザー加工装置、半導体ウェハ検査装置、半導体ウェハダイサー、外観検査装置医療検査装置などの分野への応用が期待されている。

一般に、この種のリニアアクチュエータは、ＸＹテーブルとして、例えば、特許文献１のものに開示されたように、電動式ステージ（１００）を、基板（１１０）の一端部側にリニアモータ（１４０）を配設し、リニアモータの内側となる両側にレール（１１４、１１４）配置させて、プラットホーム（１２０）を移動できる構造のものや、特許文献２のものに開示されたように、ステージ装置を、基台（１）の中央にリニアモータ（４）を内装配置し、その両側にレール（２８、２８）に配置させてステージ（２）を移動できる構造のものが知られている。
しかしながら、この様なリニアアクチュエータに採用されるリニアモータは、当該ステージを移動するのに最適な推力を有するもの、即ち、リニアモータ自体の推力を、予め所望のコイルの起磁力や、永久磁石の磁気力を選択して仕様決定されたコイルユニットやシャフトを用いて専用のものとして製作されていた。

そのため、かかる専用仕様のリニアアクチュエータを、例えば、既存の精密ステージや半導体レーザー加工装置などに採用しようとした際に、必要な推力が得られなかったり、速度が足りないなどの適合性の問題が生じ、既存のワークに対してそのまま採用することができない場合が多く、或いは、採用を決定した後に、さらにリニアモータ自体の推力や速度、高応答性などの機能向上が必要であると判明した場合に、当該推力等の設定変更したいという要求に対応することができないという問題がある。しかも、この様な推力等の仕様変更に対する要求が生じた際には、数種の異なるリニアアクチュエータを個々別々に製作するなどしていたため、組付け構成が複雑となって、組み立て作業に時間を要し製作コストが高くなり、製品単価が高価なものとなってしまうという問題があるだけでなく、かかるＸＹテーブル構造は、Ｘ軸テーブル上にＹ軸テーブルを階層状に載置した一体構造と成っているため、Ｘ軸テーブル単体での動作を必要とするワークへの採用を行うことができず、その汎用性に欠けるものであった。

特開２０１３－５０８７５７号公報 特開２００４－１１２８６４号公報

本発明は、上記の如き問題点を一掃すべく創案されたものであって、第１リニアモータ単体で１軸駆動によりＸ軸方向に移動するワーク体を備えたリニアアクチュエータを、単独の製品ベースとして提供できるものでありながら、当該リニアアクチュエータに対して、第２リニアモータを任意仕様に応じて後付け装着可能とすることで、第１リニアモータとの複合による２軸駆動への推力設定の仕様変更を行うことができるだけでなく、当該リニアアクチュエータ同士を組み合わせて、Ｘ軸方向とＹ軸方向への直交する２方向に動作移動することのできるＸＹテーブルとしてのアッセンブリを行うことのできるリニアアクチュエータを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明のリニアアクチュエータは、基台の一端部側に設けられたコイルユニットに、スライド自在に外嵌される複数の棒状磁石が直列状に配列された可動軸を、コイルの励磁によって所定の可動域を進退駆動する第１リニアモータと、前記基台上に設けられて前記可動軸の駆動と共にＸ軸方向に移動可能なワーク体とを備えるリニアアクチュエータであって、前記第１リニアモータは、前記可動軸の両端部を前記ワーク体に持設せしめ、かつ、前記コイルユニットを前記基台中央に配設固定した状態で、前記ワーク体の一端部側に設けられると共に、前記ワーク体は、前記第１リニアモータの内側となる両側下面域に、対向配設されるガイドレールを介して、前記基台上にスライド自在に案内支持せしめ、前記第１リニアモータ単体による１軸駆動が可能に構成される一方、前記第１リニアモータが配設されていない前記ワーク体の他端部側を、任意仕様に応じてパラレル状に配置される第２リニアモータの後付け装着可能な装着域部として設定し、前記第２リニアモータは、そのコイルユニットを前記基台に並設取着される補助基台上の中央に配設固定せしめた状態で、その可動軸の両端部に前記ワーク体に持設取着される連結部材を軸着させて、前記第１リニアモータと同一の駆動機能を備えて構成せしめる一方、当該第２リニアモータを、前記装着域部において、前記補助基台を前記基台に対して面一状に並設し、かつ、前記連結部材を前記ワーク体の両端部に取着すると共に、前記第１リニアモータと同期して複合駆動するよう対称配置させて選択的に後付け装着せしめることで、前記第１リニアモータ単体で１軸駆動するワーク体を、後付け装着された前記第２リニアモータとの複合による２軸駆動によって、その推力設定を変更可能に構成してあることを特徴とするものである。

本発明は、上記のように構成したことにより、第１リニアモータ単体で１軸駆動により直進方向に移動するワーク体を備えたリニアアクチュエータを、単独の製品ベースとして提供できるものでありながら、当該１軸駆動仕様のリニアアクチュエータを、精密ステージなどへ採用する決定した後に、必要な推力や速度が足りない場合や、さらに高応答性が必要なことが判明した場合に際して、推力の設定変更をしたいなどの要求が生じても、ベースとなる１軸駆動仕様のリニアアクチュエータに対して、第２リニアモータを任意仕様に応じて後付け装着可能とすることができるので、第１リニアモータとの複合による２軸駆動への推力設定の仕様変更を行い得て、２軸駆動仕様のリニアアクチュエータとして提供することができるだけでなく、当該リニアアクチュエータ同士を組み合わせて、Ｘ軸方向とＹ軸方向への直交する２方向に動作移動することのできるＸＹテーブルとしてのアッセンブリを、１軸駆動か２軸駆動かの推力変更による組合せ仕様の設定を加味し、かつ、その組み立て作業を容易に行うことができる。その結果、ベースとなるリニアアクチュエータと、後付け装着可能な第２リニアモータだけをそれぞれ製作すれば良く、製作の効率化や、取り扱い製品の簡素化が図られて、製品コストを大幅に低減でき、バリエーションに富んだ組合せ設定が可能な汎用性の有る安価なものを提供することができ、安価な導入コストをもって半導体レーザー加工装置、半導体ウェハ検査装置、半導体ウェハダイサー、外観検査装置医療検査装置など多分野のものに容易に採用することができる。

本発明の実施形態を示すリニアアクチュエータであって、（Ａ）は１軸駆動仕様のリニアアクチュエータの斜視図、（Ｂ）は１軸駆動仕様のリニアアクチュエータに後付け装着される第２リニアモータの斜視図である。 本発明の実施形態を示す２軸駆動仕様のリニアアクチュエータであって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は右側面図、（Ｃ）は背面図、（Ｄ）は底面図である。 本発明の実施形態にかかる２軸駆動仕様のリニアアクチュエータを用いて、ＸＹテーブルとして組付けした状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を好適な実施の形態として例示するリニアアクチュエータを図面に基づいて詳細に説明する。図１（Ａ）は、１軸駆動仕様のリニアアクチュエータの斜視図、（Ｂ）は１軸駆動仕様のリニアアクチュエータに後付け装着される第２リニアモータの斜視図である。これら図に示すように、リニアアクチュエータ１は、矩形状の基台２の一端部側に設けられた固定子としてのコイルユニット３１と、コイルユニット３１にスライド自在に外嵌されてコイルの励磁によって所定の可動域を進退駆動する可動軸３２とを備えた第１リニアモータ３と、基台２上に設けられて可動軸の駆動と共にＸ軸方向に移動可能なワーク体４とを備えて構成される。

可動軸３２は、非磁性体ステンレス管よりなる円筒パイプ内に、図示しない中心に孔が穿設された複数のドーナツ状の棒状磁石が互いの磁極が対向するように直列状に配列されて形成されており、第１リニアモータ３は、可動軸３２の両端部をワーク体４に持設せしめ、かつ、コイルユニット３１を基台２の中央に配設固定した状態で、ワーク体４の一端部に設けられている。なお、棒状磁石は、その中心に孔が穿設されていない棒状磁石でも良い。各棒状磁石は、直接接している必要はなく、樹脂材などの非磁性体や純鉄などの軟磁性体を介在させても良い。

コイルユニット３１は、内部に図示しない、予めドーナツ状に巻線形成された複数のコイルが、筒状ボビンの胴部に都合１２個嵌挿配設され、３相駆動のためのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３個のコイルを１組として４組の組数による各コイルブロックにて構成される。なお、コイルの組数は任意であり、各相のコイル同士はそれぞれ直列または並列に接続せしめた所定のパターンによって結線されており、また、必要において各コイルの間には、ドーナツ状の絶縁紙や絶縁樹脂シートなどを介在させても良い。

ワーク体４は、第１リニアモータ３の内側となる両側下面域に、対向配設されるガイドレール５を介して、基台２上にスライド自在に案内支持せしめて、第１リニアモータ３単体による１軸駆動によって直線的な進退移動が可能に構成され、第１リニアモータ３が配設される一端部側が、可動軸３２の両端部を軸装支持するよう突出された軸止部４１、４１を有して凹状に形成され、軸止部４１、４１間のその凹状溝部の中央にコイルユニット３１が配設され、可動軸３２の端部が挿入された後、ネジ螺入により圧接挟持できるようスリット４１ａが設けられており、第１リニアモータ３が配設されていない他端部側が、任意仕様に応じてパラレル状に配置される第２リニアモータ３ａの後付け装着が可能な装着域部４２として設定される。

つまり、この様に構成されたリニアアクチュエータ１は、１軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１としての本体ベースとして機能し、可動軸３２は、コイルユニット３１の端部から軸止部４１まで間隔を可動域とする移動ストロークを、３相コイルを組とするコイルブロック毎に、或いは、中間のコイルブロックと、上側または下側のコイルブロックを組として、順次に切換え励磁制御されて反復リニア駆動することで、ワーク体４を直線方向に進退移動することができ、単体製品としての機能を有している。

一方、第２リニアモータ３ａは、そのコイルユニット３１を基台２に並設取着される補助基台２ａ上の中央に配設固定せしめた状態で、その可動軸３２の両端部に対して、ワーク体４に持設取着される連結部材４３を軸着させて、第１リニアモータと同一の駆動機能を備え、同形状に形成されている。補助基台２ａは、その幅が基台２に対して面一状に形成されてパラレル状に配置して並設されると共に、可動軸３２と略同幅となるよう長形に形成される。

また、連結部材４３は、可動軸３２の端部が挿入された後、ネジ螺入により圧接挟持できるようスリット４３２が設けられた軸装支持する軸止部４３ａと、ワーク体４の装着域部４２の両端部に形成されたＬ字状の連結部４２１に嵌着されるよう、同形のＬ字状の連結部４３１が形成され、ネジ孔４３３を介して装着域部４２にネジ固定するようになっている。
つまり、第２リニアモータ３ａを装着域部４２に連結するには、先ず、補助基台２ａを基台２に面当てさせてボルト止め固定した後、可動軸３２の両端部に連結部材４３、４３を仮軸着させた状態で、連結部４２１、４２１に連結固定してスリット４３２をネジ締め付けして本軸着すれば良く、その組付け作業を容易に行うことができる。

この様に、１軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１をベースとして、そのワーク体４を挟んで平行して第２リニアモータ３ａをパラレル状に配置することで、図２に示す２軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１を構成することができる。従って、１軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１を、精密ステージなどへ採用する決定した後に、必要な推力や速度が足りない場合や、さらに高応答性が必要なことが判明した場合に際して、推力の設定変更をしたいなどの要求が生じても、ベースとなる１軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１に対して、第２リニアモータ３ａを任意仕様に応じて後付け装着可能とすることができるようになり、第１リニアモータ３との複合による２軸駆動への推力設定の仕様変更を行うことで、２軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１として提供することができる。

また、５はガイドレールであって、ガイドレール５は、ワーク体４を挟んで平行して配置される第１リニアモータ３と第２リニアモータ３ａとが、右対称状に対向配置され、この第１リニアモータ３と第２リニアモータ３ａとの間に、左右対称状に対向配置されて設けられており、２軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１として構成された際に、全体が線対称となるよう配置形成されている。この様に線対称に配置された構造に対して、当該ガイドレール５、５間に、エンコーダ６が配設されており、エンコーダ６での位置決めにおいて、モーメント剛性や姿勢精度の影響を少なくすることができると共に、機械的剛性も向上できるようになっている。
なお、２軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１の動作制御は、第１リニアモータ３と第２リニアモータ３ａにより、同じ信号を同期させて一つのドライバに入力することで駆動制御を行えば良い。

図３は、本発明の実施形態にかかる２軸駆動仕様のリニアアクチュエータを用いて、ＸＹテーブルとして組付けした状態を示す斜視図である。この図に示すように、下部側に配置される１軸駆動仕様または２軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１のワーク体４を、Ｘ軸方向に移動するように配置させ、当該ワーク体４の上面部に他の１軸仕様または２軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１をＹ軸方向に移動可能に載置して、直交する２方向に動作移動するよう組付け固定することでＸＹテーブル１ａを構成している。
このＸＹテーブル１ａを組合せ設定するにあたっては、１軸駆動仕様同士または２軸駆動仕様同士の組合せ態様に加え、上下の配設変えを加味した１軸駆動仕様と２軸駆動仕様との組合せ態様とすることができるので、ＸＹテーブル１ａとしてのアッセンブリを、ワーク体４が要求される動作推力に応じて、１軸駆動か２軸駆動かの推力変更による最適な組合せ設定にて行うことができるようになっている。

その組み立てにあたっては、下側に配置されるワーク体４を載置用基台として機能させ、その上面に、載置される基台２の底面と略同幅の間隔で取着された位置決めストッパ７…を少なくとも４個所に予め配設させておき、基台２を載置した際に、その両側面が接して位置決めされた状態で仮組付けした後、上側に配置されるワーク体４を片寄り動作させて両者をネジ固定する。なお、本実施例の位置決めストッパ７として平行ピンを用いたが、Ｌ型の止め金具を用いて、下側に配置されるワーク体４の上面にネジ固定しておき、載置される基台２の側面にネジ固定する様にしても良い。

叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、リニアアクチュエータ１のワーク体４は、基台２に固定されたコイルユニット３１のコイルのＯＮ／ＯＦＦ切り替えにより、可動軸３２の駆動と共にＸ軸方向に進退移動するのであるが、本発明におけるリニアアクチュエータ１にあっては、第１リニアモータ３を、可動軸３２の両端部をワーク体４に持設せしめ、かつ、コイルユニット３１を基台２中央に配設固定した状態で、ワーク体４の一端部側に設けると共に、ワーク体４は、第１リニアモータ３の内側となる両側下面域に、対向配設されるガイドレール５、５を介して、基台２上にスライド自在に案内支持せしめて、第１リニアモータ単体による１軸駆動が可能に構成させて、単独の製品ベースとして提供することができるようになっている。

一方、このベースとなるリニアアクチュエータ１には、第１リニアモータ３が配設されていないワーク体４の他端部側を、任意仕様に応じてパラレル状に配置される第２リニアモータ３ａの後付け装着が可能な装着域部４２として設定形成すると共に、第２リニアモータ３ａを、そのコイルユニット３１を基台２に並設取着される補助基台２ａ上の中央に配設固定せしめた状態で、その可動軸３２の両端部にワーク体４に持設取着される連結部材４３を軸着させて、第１リニアモータ３と同一の駆動機能を備えて構成させたものを製作しておく。この第２リニアモータ３ａを、装着域部４２において、補助基台２ａを基台２に対して面一状に並設し、かつ、連結部材４３をワーク体４の両端部に取着させて、第１リニアモータ３と同期して複合駆動するよう対称配置させることで選択的に後付け装着できるようにし、第１リニアモータ３単体で１軸駆動するワーク体４を、後付け装着された第２リニアモータ３ａとの複合による２軸駆動によって、その推力設定を変更可能に構成されている。

この様に構成すると、第１リニアモータ３単体で１軸駆動により直進方向に移動するワーク体４を備えたリニアアクチュエータ１を、単独の製品ベースとして提供できるものでありながら、当該１軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１を、精密ステージなどへ採用する決定した後に、必要な推力や速度が足りない場合や、さらに高応答性が必要なことが判明した場合に際して、推力の設定変更をしたいなどの要求が生じても、ベースとなる１軸駆動仕様のリニアアクチュエータ１に対して、第２リニアモータ３ａを任意仕様に応じて後付け装着可能とすることができるので、第１リニアモータ３との複合による２軸駆動への推力設定の仕様変更を行い得て、２軸駆動仕様のリニアアクチュエータとして提供することができるだけでなく、当該リニアアクチュエータ１同士を組み合わせて、Ｘ軸方向とＹ軸方向への直交する２方向に動作移動することのできるＸＹテーブル１ａとしてのアッセンブリを、１軸駆動か２軸駆動かの推力変更による組合せ仕様の設定を加味し、かつ、その組み立て作業を容易に行うことができる。その結果、ベースとなるリニアアクチュエータと、後付け装着可能な第２リニアモータ３ａだけをそれぞれ製作すれば良く、製作の効率化や、取り扱い製品の簡素化が図られて、製品コストを大幅に低減でき、バリエーションに富んだ組合せ設定が可能な汎用性の有る安価なものを提供することができ、安価な導入コストをもって半導体レーザー加工装置、半導体ウェハ検査装置、半導体ウェハダイサー、外観検査装置医療検査装置など多分野のものに容易に採用することができる。

また、対向配設された前記ガイドレール５、５は、前記第２リニアモータ３ａを装着した際に、前記第１リニアモータ３との間に配置されるよう設けられると共に、当該ガイドレール５、５間には、エンコーダ６を配設してあるので、エンコーダ６での位置決めにおいて、モーメント剛性や姿勢精度の影響を少なくすることができると共に、機械的剛性も向上できる。

また、ワーク体４の上面部に、リニアアクチュエータ１をＹ軸方向に移動可能に載置して、直交する２方向に動作移動するＸＹテーブル１ａとして組付け固定せしめると共に、当該組となるリニアアクチュエータ１、１同士は、１軸駆動及び／又は２軸駆動による組合せ設定可能に構成されている。
つまり、ＸＹテーブル１ａを組合せ設定するにあたっては、１軸駆動仕様同士または２軸駆動仕様同士の組合せ態様に加え、上下の配設変えを加味した１軸駆動仕様と２軸駆動仕様との組合せ態様とすることができるので、例えば、Ｘ軸方向の移動には１軸駆動の推力で好適な動作が行えるものであれば、２軸駆動仕様とする過剰品質化を防止することができ、また、Ｙ軸方向の移動には１軸駆動仕様では推力不足となる場合には、２軸駆動仕様のものを導入することができ、ＸＹテーブル１ａとしてのアッセンブリを、ワーク体４が要求される動作推力に応じて、１軸駆動か２軸駆動かの推力変更による最適な組合せ設定にて行うことができる。

また、連結部材４３は、可動軸３２の端部を軸装支持する軸止部４３ａと、ワーク体４の装着域部４２の両端部に形成されたＬ字状の連結部４２１、４２１に嵌着される連結部４３１とを有して形成されているので、第２リニアモータ３ａのコイルユニット３１を、補助基台２ａ上の中央に配設固定せしめた後、その可動軸３２の両端部に対して連結部材４３を仮軸着させた状態で、連結部４２１、４２１に連結固定して本軸着すれば良く、その組付け作業を容易に行うことができる。

１ リニアアクチュエータ
１ａ ＸＹテーブル
２ 基台
２ａ 補助基台
３ リニアモータ
３ａ リニアモータ
３１ コイルユニット
３２ 可動軸
４ ワーク体
４１ 軸止部
４１ａ スリット
４２ 装着域部
４２１ 連結部
４３ 連結部材
４３ａ 軸止部
４３１ 連結部
４３２ スリット
４３３ ネジ孔
５ ガイドレール
６ エンコーダ
７ ストッパ

Claims (5)

1. 基台の一端部側に設けられたコイルユニットに、スライド自在に外嵌される複数の棒状磁石が直列状に配列された可動軸を、コイルの励磁によって所定の可動域を進退駆動する第１リニアモータと、前記基台上に設けられて前記可動軸の駆動と共に進退移動可能なワーク体とを備えるリニアアクチュエータであって、
   前記第１リニアモータは、前記可動軸の両端部を前記ワーク体に持設せしめ、かつ、前記コイルユニットを前記基台中央に配設固定した状態で、前記ワーク体の一端部側に設けられると共に、
   前記ワーク体は、前記第１リニアモータの内側となる両側下面域に、対向配設されるガイドレールを介して、前記基台上にスライド自在に案内支持せしめ、前記第１リニアモータ単体による１軸駆動が可能に構成される一方、
   前記第１リニアモータが配設されていない前記ワーク体の他端部側を、任意仕様に応じてパラレル状に配置される第２リニアモータの後付け装着可能な装着域部として設定し、
   前記第２リニアモータは、そのコイルユニットを前記基台に並設取着される補助基台上の中央に配設固定せしめた状態で、その可動軸の両端部に前記ワーク体に持設取着される連結部材を軸着させて、前記第１リニアモータと同一の駆動機能を備えて構成せしめる一方、
   当該第２リニアモータを、前記装着域部において、前記補助基台を前記基台に対して面一状に並設し、かつ、前記連結部材を前記ワーク体の両端部に取着すると共に、前記第１リニアモータと同期して複合駆動するよう対称配置させて選択的に後付け装着せしめることで、
   前記第１リニアモータ単体で１軸駆動するワーク体を、後付け装着された前記第２リニアモータとの複合による２軸駆動によって、その推力設定を変更可能に構成してあることを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 請求項１において、前記対向配設されたガイドレールは、前記第２リニアモータを装着した際に、前記第１リニアモータとの間に配置されるよう設けられると共に、当該ガイドレール間には、エンコーダを配設してあることを特徴とするリニアアクチュエータ。
3. 請求項１または２において、前記ワーク体の上面部に、前記リニアアクチュエータをＹ軸方向に移動可能に載置して、直交する２方向に動作移動するＸＹテーブルとして組付け固定せしめると共に、当該組となるリニアアクチュエータ同士は、１軸駆動及び／又は２軸駆動による組合せ設定可能に構成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記連結部材は、前記可動軸の端部を軸装支持する軸止部と、前記ワーク体の装着域部の両端部に形成されたＬ字状の連結部に嵌着される連結部とを有して形成されていることを特徴とするリニアアクチュエータ。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のリニアアクチュエータを上下に組付けして用いることで、当該上側と下側リニアアクチュエータのワーク体を、それぞれＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能に載置固定して構成してあることを特徴とするＸＹテーブル。

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