KR102060803B1

KR102060803B1 - 평면형 위치설정 장치 및 위치설정 테이블

Info

Publication number: KR102060803B1
Application number: KR1020187016224A
Authority: KR
Inventors: 라이너 글뢰스
Original assignee: 피직 인스트루멘테 (페이) 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2019-12-30
Also published as: CN108370210B; WO2017080859A1; JP2018536374A; EP3375081B1; US10461612B2; US20180269756A1; DE102015222482A1; KR20180083354A; JP6612982B2; CN108370210A; EP3375081A1

Abstract

본 발명은 평면형 위치설정 장치(planar positioning apparatus)로서, 평탄 코일의 코일 구성체를 포함하는 스테이터; 상기 위치설정 장치의 작동 상태에서 상기 스테이터에 대향되게 배치되며 복수의 자석 열을 포함하는 평면형 자석 구성체를 갖는 로터로서, 상기 평면형 자석 구성체에 의해 스팬(span)되는 평면은 상기 코일 구성체의 평면에 평행하게 배치되는, 상기 로터; 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 검출하기 위한 위치 검출 장치; 및 상기 위치 검출 장치의 위치 신호를 평가하고, 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 제어하도록 상기 코일 구성체에 전류 공급을 제어하기 위한 평가 및 제어 장치를 포함하며, 상기 코일 구성체는, 각 경우에, 상기 코일 구성체의 제1 및 제2 배향에서 서로 인터리빙(interleaving)되며, 그 크기 대부분 위에서 다중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면의 전도체 주행(run)으로서 설계되는 n x 3 (n ≥ 1) 신장된 평탄 코일을 포함하고, 3개의 관련된 평탄 코일의 전도체 주행은 다중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면에서 주행하는 크로스오버 영역을 둘러싸는, 평면형 위치설정 장치에 관한 것이다.

Description

평면형 위치설정 장치 및 위치설정 테이블

본 발명은, 평탄 코일의 코일 구성체를 포함하는 스테이터; 상기 위치설정 장치의 작동 상태에서 상기 스테이터에 대향되게 배치되며 복수의 자석 열을 포함하는 평면형 자석 구성체를 갖는 로터로서, 상기 평면형 자석 구성체에 의해 스팬(span)되는 평면은 상기 코일 구성체의 평면에 평행하게 배치되는, 상기 로터; 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 검출하기 위한 위치 검출 장치; 및 상기 위치 검출 장치의 위치 신호를 평가하고, 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 제어하도록 상기 코일 구성체에 전류 공급을 제어하기 위한 평가 및 제어 장치를 포함하는, 평면형 위치설정 장치에 관한 것이다.

다양한 타입의 머신 툴 또는 다른 머시닝 또는 측정 구성체는 툴에 대한 워크피스 또는 측정 장치에 대한 측정 물체를 적절하게 위치설정하기 위해, 위치설정 테이블(또는 크로스 테이블 혹은 XY 테이블로도 부름)을 구비한다. 이러한 유형의 진보한 위치설정 테이블은 순수한 XY 위치설정뿐만 아니라, 다축 위치설정을 제공하고, 또한 6D 포지셔너 또는 테이블로서 가장 높은 개발 단계로 언급된다.

종래의 XY 또는 크로스 테이블이 2개의 선형 액추에이터를 구비하지만, 구동 개념은 스테이터 및/또는 로터 측 상의 평탄 코일 구성체 또는 영구자석의 평면형 어레이에 근거하여 때때로 실제적인 중요성을 얻는다. 소위 "평면형 모터(planar motors)" 또는 평면형 구동부는 영구자석을 구비한 단일 모터 1차부(스테이터)와, 모터 2차부(로터)를 단지 포함하여, 예컨대 볼 스크류 구동부 내에 요구되는 추가적인 기계적 전달 요소로서의 제2 구동 모터가 생략된다.

언급되거나 그와 유사한 유형의 평면형 위치설정 장치는, 예컨대 US 6,452,292 B1, US 2007/0035267 A1, US 2006/0049699 A1 및 WO 2009/115071 A2에 공지되어 있다.

또한, 본 출원인으로부터 이루어진 문헌 DE 10 2011 100 153 A1는 일반적인 평면형 위치설정 장치를 개시한다. 이러한 평면형 위치설정 장치의 구조는 도 1 및 2에 개략적으로 도시된다.

120°만큼 각각 오프셋된 별 형상으로 3개의 쌍으로 배치된 6개의 평탄한 코일로 이루어진 평면형 코일 어레이(1)는 스테이터 플레이트(9)에 부착되도록 그 상에 배치된다. 코일 어레이의 중앙에는, 위치 측정 헤드(6D 측정 헤드)(8)가 스테이터 플레이트에 장착되는 자유 공간 또는 윈도우(6)가 남겨진다. 코일 어레이(1)를 포함하는 스테이터 플레이트(9) 위에는, 로터(3)가 중앙 위치에 있을 때 코일 어레이(1)의 코일 쌍에 중심설정되도록 각각 위치설정된 3개의 상호 분극된 자석 열로 형성된 평면형 자석 어레이(2)를 포함하고, 코일 어레이(1)에 대해 이동가능한 로터(3)가 배치된다. 마찬가지로 자석 어레이의 중앙에는, 위치 측정 헤드(8)와 연동하여, 스테이터(9)에 대한 로터(3)의 위치를 측정하도록 기능하는 영역 스케일(7)을 위한 공간을 제공하는 자유 공간 또는 윈도우(5)가 위치된다. 로터(2)의 상측에는, 물체 캐리어 또는 워크피스 캐리어(4)가 배치된다.

마찬가지로, WO 2013/0059934 A1호는 상술한 유형의 평면형 위치설정 장치를 기술하며, 그 코일 구성체는 스테이터의 몇 개의 평면 내로 연장되며 전도체 트랙 또는 그 전도체 트랙에 수직인 코일 권선의 제1 배향 및 제2 배향에서 복수의 평탄 코일을 포함하는 전도체 트랙으로 구현된다. 알 수 있는 한, 코일 구성체는 스테이터의 4개 이상의 전도체 평면 위로 연장된다. 복수의 코일의 전류 공급을 위한 연결이 어떻게 구현되는지는 그 문헌에서 상세하게 유도될 수 없다.

본 발명은, 특히 로터의 단순화된 구조를 가짐으로써 용이한 제조 공정과, 그에 따른 더 낮은 제조비용을 갖는 평면형 위치설정 장치를 제공하는 것에 근거한다.

이러한 과제는 청구항 1의 특징에 따른 평면형 위치설정 장치에 의해 해결된다. 본 발명의 또 다른 적절한 개발은 각각의 종속항의 요지이다. 더욱이, 유리한 위치설정 테이블이 제안된다.

본 발명은, 스테이터 구조를 단순화시켜 그와 관련된 비용을 감소시키기 위해, 코일 구성체를 구현하기 위해 전도체 평면의 개수를 감소시키는 아이디어를 구비한다. 바람직하게, 2개의 전도체 평면 및 중간 절연층을 갖는 종래의 회로기판은 본 발명자의 또 다른 기본적인 고려사항에 따라 이러한 목적을 제공해야 한다.

또한, 본 발명은 동일한 배향(즉, 전도체 트랙의 실질적인 종방향 크기의 동일한 연장방향)을 갖는 3개의 상(phases)의 관련된 평탄 코일을 인터리빙(interleaving)함으로써 성취하는 아이디어를 구비한다. 마지막으로, 본 발명은 추가적인(구체적으로, 제3의) 전도체 평면 없이 가능해지는 인터리빙된 평탄 코일의 전도체 트랙의 회피가능하지 않은 크로스오버 영역에 대한 특정한 기하학적 구성을 아이디어로 구비한다.

본 발명에 의하면, 코일 구성체는, 각 경우에, 상기 코일 구성체의 제1 및 제2 배향에서 서로 인터리빙되며, 그 크기(extent) 대부분 위에서 다중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면의 전도체 트랙으로서 설계되는 n x 3 (n ≥ 1) 신장된 평탄 코일을 포함하고, 3개의 관련된 평탄 코일의 전도체 트랙은 다중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면에서 주행하는 크로스오버 영역을 둘러싸도록 고안된다. 구체적으로, 상기 제1 배향의 n x 3 평탄 코일은, 그 크기 대부분 위에서, 제1 평면과, 다중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면 내의 관련된 크로스오버 영역 내로 주행하는 한편, 상기 제2 배향의 n x 3 평탄 코일은, 그 크기 대부분 위에서, 제2 평면과, 다중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면 내의 관련된 크로스오버 영역 내로 주행한다.

이러한 구조는 코일 구성체를 지지하는 일반적인 유형의 평면형 위치설정 장치의 스테이터 또는 그 일부가 종래의 단일 2-평면 인쇄 회로기판으로부터의 가장 단순한 경우이지만, 감소된 개수의 전도체 평면을 갖는 인쇄 회로기판으로부터의 임의의 경우에 구성되게 한다. 기본적인 다중 평면 인쇄 회로기판을 위한 재료 비용을 제외하고, 이는 구조적인 높이를 절약하여 위치설정 장치의 더 콤팩트한 구조를 가능하게 한다. 또한, 그 해결책은 코일 구성체를 제조할 때, 특히 그 연결을 구현할 때 작업부하를 절약한다. 전적으로, 그 결과는 제조 공정을 상당히 단순화시키고 제조 비용을 저감한다.

이러한 경우, 모든 평탄 코일의 연결 단부의 일부분은 특히 다중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면 내에 각각 위치되고, 다른 부분은 다중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면 내에 각각 위치된다. 더욱이, 3개 상의 3개의 관련된 평탄 코일의 모든 연결 단부는 다중 평면 인쇄 회로기판의 작은 연결 영역에 유리한 방식으로 집중된다. 이는 연결 단부가 각각의 연결 접점 및 그에 따른 위치설정 장치의 스테이터에 대한 구조 및 취급을 전체적으로 용이하게 구비하게 한다.

상기 코일 구성체를 단순히 밸런싱하고 작동시키기 위해, 모든 평탄 코일은 실질적으로 동일한 길이 및 동일한 옴 저항을 갖도록 구현되는 것이 바람직하다. 설계의 단순화, 제조 단계 및 품질 시험은 모든 평탄 코일이 전도체의 대체로 장방형 크기에 의해 설계되는 디자인으로 성취된다.

상기 코일 구성체가 실질적으로 스테이터의 전체 표면을 덮는 또 다른 실시예에서, 기본적으로 더 넓은 이동 범위가 구현된다. 이러한 이동 범위는 일 실시예에서 특히 최적화되며, 그 위치 검출 장치는 상기 위치설정 장치의 작동 위치에서 스테이터 또는 로터 내에 배치된 위치 측정 헤드와, 로터 또는 스테이터로의 위치에 정확하게 고정된 영역 스케일을 포함하고, 상기 스테이터 또는 상기 로터는 적어도 하나의 윈도우, 바람직하게 상기 영역 스케일이 상기 위치 측정 헤드에 대해 보이게 하도록 매트릭스 구성체 내에 복수의 윈도우를 갖는다. 상기 매트릭스 구성체 내의 복수의 윈도우의 적어도 일부는 각 경우에 3개의 관련된 평탄 코일의 인접한 평탄 코일들 사이에 또는 각 경우에 3개의 관련된 평탄 코일을 각각 포함하는 n 인접한 그룹들 사이에 배치된다.

상기 영역 스케일을 위한 복수의 규칙적으로 배치된 관찰 윈도우를 포함하는 바람직한 구성에서, 이들 윈도우 또는 그 중 적어도 일부는 별개의 코일 세트들 사이의 리세스 및/또는 각 경우에 상(phase)에 관해 세트를 형성하는 3개의 평탄 코일의 트리플릿(triplet)에 의해 형성된다. 이는 n 평탄 코일 부분적인 구성체의 밀집한 시리즈 구성체를 가능하게 하므로, 한편으로 스테이터 표면의 고등급 이용과, 다른 한편으로 관찰 윈도우의 충분히 밀집한 배치를 가능하게 한다.

또 다른 구현에서, 상기 로터는 자석 열의 체스판형 구성체(chessboard-like arrangement), 특히 체스판형 구성체 내에 4개의 정방형 자석 열을 포함한다. 유리한 기하학적 구성에서, 상기 자석 열은 실질적으로 로터의 중앙 영역을 덮는다. 이로써, 각 자석 열은 소위 할바흐 어레이(Halbach array)를 유리한 방식으로 형성한다.

또한, 본 발명의 범위 내에서 제안되는 위치설정 테이블은, 상술한 유형의 평면형 위치설정 장치를 제외하고, 평면형 위치설정 장치를 위한 보유 및 안내 수단과, 위치설정될 물체를 보유하기 위한 물체 홀더를 포함한다. 이러한 위치설정 테이블은 머시닝 구성체, 특히 툴 머신, 또는 복잡한 워크피스를 측정하기 위한 측정 구성체의 실질적인 부분을 형성할 수 있으므로, 단순화된 방식으로 그리고 감소된 비용으로 제조가능하게 된다.

본 발명의 유리한 방편적인 특징은 도면에 의해 예시적인 실시예에 대한 하기의 설명으로부터 부수적으로 발생한다.

도 1 및 2는 공지된 평면형 위치설정 장치에 대한 개략적인 단면도 및 평면도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 코일 구성체의 개략도(평면도의 방식으로의 절결도)이고, 도 3a는 도 3의 상세도.

도 1 및 2의 평면형 위치설정 장치의 특정 부분에 대한 지칭을 참조부호로 부여하고 있는 도 3은 스테이터 플레이트(109) 상의 코일 구성체(101)의 일부를 도시하며, 이는 서로 수직방향으로 연장되는 기다란 코일 부분적인 구성체(도 1에서 별도로 언급하지 않음)의 그룹을 포함한다. 일방향(도 3 및 3a에서 수직방향)으로 연장되는 모든 평탄 코일은 실질적으로 이중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면 상의 전도체 트랙에 의해 구현되고, 다른 방향(도 3 및 3a에서 수평방향)으로 연장되는 모든 평탄 코일은 그 크기의 대부분 위에서, 이중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면 상의 전도체 트랙에 의해 구현된다. 전자의 전도체 트랙은 실선으로 도시되는 한편, 제2 평면 상의 전도체 트랙은 점선으로 도시된다. 도 3a의 절결도에서, 제1 유형의 코일 부분적인 구성체(코일 세트)는 참조부호 101a로 지칭되는 한편, 제1 유형에 수직으로 배향된 권선 크기를 갖는 제2 유형의 코일 부분적인 구성체는 참조부호 101b로 지칭된다.

각각의 코일 부분적인 구성체(3)는 서로 인터리빙된 각각의 3개의 코일을 포함하고, 대체로 장방형 전도체 크기를 각각 갖는 것이 명백하다.

평탄 코일의 대부분의 연장부 위에서, 평탄 코일의 전도체는 인쇄 회로기판의 각각의 전도체 평면 내로 패터닝되는 전도체 트랙의 평행한 구성에 의해 문제 없는 방식으로 구현될 수 있다. 그러나, 크로스오버 영역(Xa, Xb) 및 연결 영역(Ya, Yb)에서, 각 코일 세트의 별개의 평탄 코일의 연결 단부의 일부는 대응하는 주요 연장 평면을 남기도록 요구됨으로써, 전도체 트랙들 사이에 단락이 발생하지 않을 것이다. 이는 전도체 트랙을 나타내기 위한 라인의 경로에 맞춰 변경된 도시에 의해 도면에서 식별된다.

각각의 코일 부분적인 구성체(101a, 101b)의 연결 영역(Ya, Yb)은, 본원에 도시된 구현에서, 각각의 코일 부분적인 구성체의 연장부의 표면의 5% 미만의 표면, 구체적으로 약 2.5%의 표면을 각각 점유하므로, 작은 연결 영역으로서 적합하게 되어야 한다. 그 형상은 평면도에서 대략 장방형으로 고려될 수 있다.

기술적으로, 각각의 대향 평면 내로의 "도약(leap)"(결과적으로, 제1 평면으로부터 제2 평면 내로 또는 제2 평면으로부터 제1 평면 내로)은 종래의 쓰루-연결부(비아), 그에 따라 전도체 물질로 충전된 절연 캐리어 물질 내에서의 돌파구(breakthroughs)에 의해 구현될 수 있다. 하나의 코일 세트의 평탄 코일의 인터리빙은, 모든 크로스오버 영역이 단일의 추가적인 전도체 평면에서 구현될 수 있으므로, 종래의 3개의 관련된 평탄 코일의 인터리빙과는 달리, 제3 전도체 또는 권선 평면이 요구되지 않도록 기하학적으로 구성되는 것이 강조되어야 한다.

본 발명의 구현은 이러한 예에 제한되는 것이 아니라, 보호범위 내에 있는 각종 변경에서 마찬가지로 가능하다.

Claims

평면형 위치설정 장치(planar positioning apparatus)에 있어서,
평탄 코일의 코일 구성체를 포함하는 스테이터;
상기 위치설정 장치의 작동 상태에서 상기 스테이터에 대향되게 배치되며 복수의 자석 열을 포함하는 평면형 자석 구성체를 갖는 로터로서, 상기 평면형 자석 구성체에 의해 스팬(span)되는 평면은 상기 코일 구성체의 평면에 평행하게 배치되는, 상기 로터;
상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 검출하기 위한 위치 검출 장치; 및
상기 위치 검출 장치의 위치 신호를 평가하고, 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 제어하도록 상기 코일 구성체에 전류 공급을 제어하기 위한 평가 및 제어 장치
를 포함하며,
상기 코일 구성체는, 각 경우에, 상기 코일 구성체의 제1 및 제2 배향에서 서로 인터리빙(interleaving)되며, 그 크기 위에서 다중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면의 전도체 트랙으로서 설계되는 n x 3 (n ≥ 1) 신장된 평탄 코일을 포함하고,
3개의 관련된 평탄 코일의 전도체 트랙은 상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면에서 주행하는 크로스오버 영역을 둘러싸는 한편, 상기 3개의 관련된 평탄 코일 각각의 모든 연결 단부는 상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 연결 영역에서 집중되는,
평면형 위치설정 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 배향의 n x 3 평탄 코일은, 그 크기 위에서, 상기 제1 평면과, 상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면 내의 관련된 크로스오버 영역 내로 주행하는 한편, 상기 제2 배향의 n x 3 평탄 코일은, 그 크기 위에서, 상기 제2 평면과, 상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면 내의 관련된 크로스오버 영역 내로 주행하는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
각 경우에, 모든 평탄 코일의 연결 단부의 일부분은 상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 제1 평면 내에 있고, 다른 부분은 상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 제2 평면 내에 있는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 평탄 코일 모두는 동일한 길이 및 동일한 옴 저항을 갖도록 구현되는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 평탄 코일 모두는 장방형 전도체 크기를 갖도록 구현되는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 연결 영역은 상기 평탄 코일에 의해 점유되는 표면의 5% 미만의 표면을 점유하는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다중 평면 인쇄 회로기판은 이중-평면 인쇄 회로기판인,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 코일 구성체는 상기 스테이터의 전체 표면을 덮는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 위치 검출 장치는 상기 위치설정 장치의 작동 위치에서 상기 스테이터 또는 상기 로터 내에 배치된 적어도 하나의 위치 측정 헤드와, 상기 로터 또는 상기 스테이터로의 위치에 정확하게 고정된 영역 스케일을 포함하고,
상기 스테이터 또는 상기 로터는 상기 영역 스케일이 상기 위치 측정 헤드에 대해 보이게 하도록 매트릭스 구성체 내에 적어도 하나의 윈도우를 갖는,
평면형 위치설정 장치.
제9항에 있어서,
상기 매트릭스 구성체 내의 복수의 윈도우의 적어도 일부는 각 경우에 3개의 관련된 평탄 코일의 인접한 평탄 코일들 사이에 또는 각 경우에 3개의 관련된 평탄 코일을 각각 포함하는 n 인접한 그룹들 사이에 배치되는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 로터는 자석 열의 체스판형 구성체(chessboard-like arrangement)를 포함하는,
평면형 위치설정 장치.
제11항에 있어서,
상기 자석 열은 상기 로터의 중앙 영역을 덮는,
평면형 위치설정 장치.
제1항 또는 제2항에 따른 평면형 위치설정 장치를 포함하는 위치설정 테이블(positioning table)에 있어서,
상기 위치설정 테이블은 상기 평면형 위치설정 장치를 위한 보유 및 안내 수단; 및 위치설정된 물체를 보유하기 위한 물체 홀더를 갖는,
위치설정 테이블.
제13항에 따른 위치설정 테이블을 갖는 머시닝 구성체.
제13항에 따른 위치설정 테이블을 갖는 측정 구성체.
제6항에 있어서,
상기 다중 평면 인쇄 회로기판의 연결 영역은 장방형이 되도록 형성되는,
평면형 위치설정 장치.
제9항에 있어서,
상기 스테이터 또는 상기 로터는 상기 영역 스케일이 상기 위치 측정 헤드에 대해 보이게 하도록 매트릭스 구성체 내에 복수의 윈도우를 갖는,
평면형 위치설정 장치.
제11항에 있어서,
상기 자석 열 각각은 할바흐 어레이(Halbach array)를 형성하고, 체스판형 구성체 내에 4개의 정방형 자석 열을 형성하는,
평면형 위치설정 장치.
제14항에 있어서,
상기 머시닝 구성체는 머신 툴인,
머시닝 구성체.