KR20180033296A - 평면형 위치설정 장치 및 위치설정 테이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평면형 위치설정 장치(planar positioning apparatus)로서, 평탄 코일로 이루어진 코일 구성체를 포함하는 스테이터와, 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 스테이터와 로터; 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 검출하도록, 상기 위치설정 장치의 작동 상태에서 상기 스테이터 또는 로터 내에 배치되는 적어도 하나의 위치 측정 헤드; 특정 위치에서 상기 로터 또는 상기 스테이터에 고정되는 영역 스케일(area scale); 및 상기 위치 측정 헤드의 위치 신호를 평가하고, 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 제어하도록 상기 코일에 전류 인가를 제어하기 위한 평가 및 제어 장치를 포함하는, 평면형 위치설정 장치에 관한 것이다. 상기 스테이터 또는 상기 로터는 상기 위치 측정 헤드에 대해 상기 영역 스케일을 보이게 하는 적어도 하나의 윈도우를 갖고, 상기 영역 스케일은 상기 코일 및 자석 구성체 사이에서 상기 윈도우 위로 연장되고, 상기 자석 또는 상기 코일 구성체의 적어도 하나의 섹션 상에 직접 위치되고, 상기 스테이터와 상기 로터 사이에서 자기장에 영향을 받지 않는 재료로 구성되고, 상기 영역 스케일의 전체 크기 위에서 상기 로터와 스테이터에 대해 평행한 구성을 보장하기 위해 관련된 보유 수단을 갖는다.

Description

평면형 위치설정 장치 및 위치설정 테이블

본 발명은, 평탄 코일로 이루어진 코일 구성체를 포함하는 스테이터와, 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 스테이터와 로터; 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 검출하도록, 상기 위치설정 장치의 작동 상태에서 상기 스테이터 또는 로터 내에 배치되는 위치 측정 헤드; 특정 위치에서 상기 로터 또는 상기 스테이터에 고정되는 영역 스케일(area scale); 및 상기 위치 측정 헤드의 위치 신호를 평가하고, 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 제어하도록 상기 코일에 전류 인가를 제어하기 위한 평가 및 제어 장치를 포함하며, 상기 스테이터 또는 상기 로터는 상기 위치 측정 헤드에 대해 상기 영역 스케일을 보이게 하는 적어도 하나의 윈도우를 갖는, 평면형 위치설정 장치에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 이러한 위치설정 장치를 갖춘 머시닝 또는 측정 구성체뿐만 아니라, 이러한 위치설정 장치를 구비하는 위치설정 테이블에 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 평탄한 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, WO 2009/115071 A2 및 WO 2013/0059934 A1에 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 레드(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.

위치 센서 시스템의 개념으로 인해, 공지된 평면형 위치설정 장치에서 측방향 변위 범위가 상대적으로 구속된다.

따라서, 본 발명은 확대된 변위 범위와, Z 방향으로 더 높은 동작 파워를 갖는 한편, 그 요건을 만족하는 위치설정 정확도를 나타내는 본 발명의 관점에 따른 개선된 기능적 특성을 구비한 평면형 위치설정 장치를 제공하는 것에 근거한다.

이러한 과제는 본 발명의 제1 관점에 따라, 청구항 1의 특징에 따른 평면형 위치설정 장치에 의해 해결된다. 본 발명의 상대적으로 독립된 관점에 의하면, 청구항 9의 특징을 갖는 평면형 위치설정 장치가 제공된다. 본 아이디어에 대한 또 다른 적절한 개발은 각각의 종속항의 요지이다. 더욱이, 유리한 위치설정 테이블이 제안된다.

본 발명의 제1 관점은, 코일 구성체와 자석 구성체 사이에서 스테이터(또는 로터) 내의 윈도우를 지나 연장되며 위치 측정 헤드를 위한 확대된 위치 검출 범위를 제공하는 영역 스케일을 제공하는 아이디어를 구비한다. 본 발명의 또 다른 아이디어는 영역 스케일이 자석 구성체, 또는 그 대신에 코일 구성체의 적어도 하나의 섹션 상에 직접 위치된다는 점이다. 본 발명의 또 다른 아이디어에 의하면, 이러한 영역 스케일은 상기 스테이터와 상기 로터 사이(더 정확하게, 평탄한 코일과 영구자석 사이)의 자기장에 영향을 미치지 않는 재료로 형성된다. 본 발명의 이러한 관점에 대한 또 다른 구성 아이디어에 의하면, 이와 같이 확대된 영역 스케일은 임의의 관련된 굴곡, 돌출 또는 파형 없이 상기 영역 스케일의 전체 크기 위에서 상기 로터와 스테이터에 대해 평행한 구성을 보장하기 위해 관련된 보유 수단을 갖는다.

이러한 관점의 구현에 의하면, 상기 영역 스케일은 상기 로터 또는 스테이터 표면의 주요부 위에서 적어도 연장된다. 더 구체적으로, 상기 영역 스케일은 상기 로터 또는 스테이터 내의 복수의 윈도우 또는 관찰 개구 위에서 연장된다. 상기 위치 센서 시스템에 대한 임의의 경우에, 이는 구동 부품인 스테이터 또는 로터의 치수에 실질적으로 대응하는 위치설정 장치의 변위 범위를 확립한다.

또 다른 구현에서, 상기 영역 스케일은 높은 고유 강도(inherent rigidity)를 보장하는, 재료로 제조되고 두께를 갖는다. 기본적으로, 유리 또는 세라믹 이외에, 자성이 없고 자화될 수 없으며 스테이터와 로터 사이의 자기장을 방해하지 않는 금속이 적용가능하다. 이러한 관점의 구성에서, 상기 영역 스케일은 유리, 특히 높은 경도의 강화유리 또는 알루미늄 합금으로 제조된다.

또 다른 구성은 상기 영역 스케일이 0.5 내지 3 mm의 두께를 갖는 것을 제공한다. 물론, 구체적으로 선택되는 두께는 전체적으로 위치설정 장치의 치수, 및 기존의 정확도 요건뿐만 아니라, 상기 영역 스케일에 사용되는 재료에 의존할 것이다.

본 발명의 또 다른 구현에서, 상기 영역 스케일은 자석 열들 사이의 상기 로터 상에 제공된 웹에 지지되도록 상기 로터에 장착된다.

유사하게, 상기 영역 스케일에 대한 지지는, 상기 영역 스케일이 상기 스테이터에 부착되도록 제공된다면 상기 스테이터 상의 대응하는 웹 또는 지지점에서 발생할 수 있다. 이로써, 상기 로터 또는 스테이터 상의 각각의 지지점 또는 라인을 향하는 방향으로 적어도 가장 큰 가능한 범위로 돌출 또는 파형이 회피될 수 있다. 특히, 상기 웹 또는 지지점으로의 사전 정의된 탄성 접착은 이러한 효과를 개선시킨다.

또 다른 구현에 의하면, 상기 보유 수단은 상기 로터 또는 스테이터 양자의 연장방향으로 상기 영역 스케일을 접선방향으로 클램핑하기 위한 클램핑 장치를 포함한다. 이러한 클램핑 장치가 기본적으로 공지되어 있으며, 예컨대 X 및 Y 방향으로 변위가능한 클램핑(clamping) 또는 그립핑(gripping) 죠(jaws)는 이러한 기능을 구현할 수 있다.

제2 관점에 의하면, 본 발명은 자석 열의 체스판형 구성체(chessboard-like arrangement)를 갖는 로터 구성에 근거하며, 각 경우에 인접한 자석 열들 사이에는 분리 웹(separating web)이 형성된다. 이에, 상기 자석 열 및 웹은, 보통 서로 비스듬하게 대향되게 위치되어 대각선으로 대향된 자석 열의 경계부 에지가 서로 정렬되도록 구성되는 것이 제안된다. 이에 의해, 스테이터와 로터 사이에 확립되는 자기장의 구성이 최적화될 수 있다.

특히, 동일한 방향으로 연장되는 연속적인 경계부 웹은 대략 상기 웹 폭의 양에 의해 측방향 오프셋을 갖는 것으로 제공된다.

상기 웹은 예컨대 상기 자석 구성체를 위한 리세스가 외부로 밀링될 때 상기 웹을 떠남으로써 상기 로터 또는 위치설정 테이블의 베이스 바디와 함께 원피스로 제조될 수 있다.

유리한 방식으로 구현될 작업 피스 또는 측정 물체의 회전운동을 가능하게 하는 이와 같이 공지된 구성에서, 상기 로터는 체스판 구성체 내에 2개의 정방형 자석 열을 포함하며, 이 경우 대각선으로 대향되게 위치된 상기 자기장 열의 정렬된 경계부 에지는 중앙의 교차점에서 교차한다.

또 다른 구현에서, 상기 자석 열은 상기 오터의 중앙 영역을 실질적으로 덮도록 제공된다. 그러나, 상기 경계부 에지의 정렬된 구성체가 상기 로터의 구성에서 유리할 수도 있지만, 본 발명을 위해 필요한 특징을 아니며, 상기 로터는 상기 중앙 영역에서 상기 위치 센서 시스템을 위한 관찰 윈도우를 갖는다.

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 3a 내지 3d는 본 발명의 실시예에 따른 평면형 위치설정 장치의 필수 부분에 대한 단면 사시도, 사시도, 단면 사시도 및 분해도,
도 4는 도 3a에 따른 평면형 위치설정 장치의 부분 단면도로서, 자기장 라인을 표현한 도면,
도 5는 도 3a 내지 3d 및 4에 따른 평면형 위치설정 장치에 채용될 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 평면형 자석 구성체에 대한 평면도.

도 3a 내지 3d 및 4에 도시한 본 발명에 따른 평면형 위치설정 장치(10)의 실시예에서, 상기 장치는 코일 구성체(11)를 구비한 평탄한 설계의 스테이터(베이스 바디)(19)를 갖고, 그 위에 통합형 평면 자석 구성체(할바흐 어레이(Halbach array)(12)를 구비하며 후크형 구성을 갖는 로터/위치설정 테이블(13)이 배치된다. 코일 구성체(11)는 각 경우에 X 방향으로 하나만의 코일(11a)과, Y 방향으로 하나만의 코일(11b)이 명확성을 위해 도시된 3-상 시스템과, 코일 드라이버 보드(11c)를포함한다. 제1 구성(도 3a)에서는, 상술한 공지된 구성에서와 같이 코일 구성체(11)를 갖는 스테이터(19)에서, 위치 측정 헤드(미도시)를 위한 중앙의 자유 공간 또는 윈도우(16)가 제공되고, 제2 구성(도 3a 내지 도 3d)이 복수의 윈도우 또는 관찰 개구(16)의 규칙적인 구성체를 포함하지만, 로터/위치설정 테이블(13) 내의 자석 구성체(12)에는 이러한 자유 공간 또는 윈도우가 없다. 자석 열은 임의의 갭 없이 로터의 중앙 내로 가능한 한 멀리 연장된다.

로터/위치설정 테이블(13) 내의 평면형 자석 구성체(12)의 하측부 상에는, 유리의 영역 스케일(17)이 고정되게 위치되어 로터의 전체 연장부 위로 연장된다. 바람직하게, 영역 스케일(17)은 도면에 도시하지 않은 클램핑 장치에 의해 XY 평면 내에 클램핑되고 그리고/또는 로터/위치설정 테이블(13)의 외측 에지에서 로터에 탄성적으로 부착된다. 도 4에 따른 부분도로부터 명백한 바와 같이, 코일 구성체(11)와 자석 구성체(12) 사이의 자기장 라인의 과정은 개재된 영역 스케일(17)에 의해 방해받지 않는다. 유리 외에, 이러한 효과는 다른 비금속 재료 또는 자성이 없고 자화될 수 없는 재료, 예컨대 세라믹 또는 알루미늄 합금으로 성취될 수도 있으며, 이는 그 기계적 특성 및 저렴한 비용으로 인해 영역 스케일을 실시될 수 있는 후보군에 있다.

도 5는 그 외측 윤곽부에서 정방형인 4개의 자석 열(12a-12d)을 갖는 자석 구성체(12)에 대한 구현을 도시하며, 그 자석 열(12a-12d) 사이에는 분리 웹(123-12h)이 제공된다. 상술한 바와 같이, 자석 열은 그 중앙으로 가능한 한 멀리 평면형 위치설정 장치의 구현에서 연장된다.

통상적으로 서로 경사지게 대향되게 위치되어 대각선으로 대향된 각각의 자석 열(12a, 12c, 12b, 12d)의 경계부 에지의 상호 정렬된 배향을 성취하기 위해, 경계부 웹(12e, 12g, 12f, 12h) 각각은 서로 정렬되는 것이 아니라, 대략 웹 폭(web width)에 대응하도록 서로에 대해 오프셋되게 배치된다. 대각선으로 대향되게 위치된 자석 열의 관련된 경계부 에지에 대한 상호 정렬된 구성체는 로터 내의 평면형 자석 구성체와 위치설정 장치의 스테이터 내의 평면형 코일 구성체 사이의 자기장 구성에 대한 최적화가 성취되게 한다. 이에 따라 힘을 발생시키기 위해 회로 기판 내에 선형이 되도록 위치된 코일 와이어는 임의의 갭 없이 대각선으로 발생되며 인접한 자기장을 덮고, 코일 와이어들 사이에 상 오프셋(phase offset)이 없다.

그런데, 도 3 및 4에 따른 자석 구성체 아래에 장착된 영역 스케일을 위한 지지선과 동일한 시간에 기능하고, 위치 측정을 왜곡할 수 있는 자석 구성체 또는 파형부를 향하는 방향으로 돌출부(bulging)가 가능한 가장 큰 크기로 회피되도록 지지하기 위해, 웹(12e-12h)의 높이가 치수설정될 수 있다. 특히 유리한 방식에서, 이러한 효과는 로터의 외측 에지에서 클램핑 장치 및 다른 보유 수단과 연동하여 구현될 수 있다.

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

Claims (15)

1. 평면형 위치설정 장치(planar positioning apparatus)에 있어서,
   평탄 코일로 이루어진 코일 구성체를 포함하는 스테이터와, 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 스테이터와 로터;
   상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 검출하도록, 상기 위치설정 장치의 작동 상태에서 상기 스테이터 또는 로터 내에 배치되는 위치 측정 헤드;
   특정 위치에서 상기 로터 또는 상기 스테이터에 고정되는 영역 스케일(area scale); 및
   상기 위치 측정 헤드의 위치 신호를 평가하고, 상기 스테이터에 대한 상기 로터의 위치를 제어하도록 상기 코일 구성체에 전류 인가를 제어하기 위한 평가 및 제어 장치
   를 포함하며,
   상기 스테이터 또는 상기 로터는 상기 위치 측정 헤드에 대해 상기 영역 스케일을 보이게 하는 적어도 하나의 윈도우를 갖고, 상기 영역 스케일은 상기 코일 및 자석 구성체 사이에서 상기 윈도우 위로 연장되고,
   상기 로터는 하나의 필드에서 상기 자석 모두의 균일한 정방형 윤곽 및 균일한 분극(polarization), 및 인접한 필드의 상호 수직하는 분극을 각각 갖는 자석 열의 필드에 대한 체스판형 구성체(chessboard-like arrangement)를 포함하고,
   각 경우에 인접한 필드들 사이에는 분리 웹(separating web)이 형성되고,
   상기 필드와 상기 웹은 서로 비스듬하게 대향되게 위치되어 대각선으로 대향된 자석 열의 2개의 경계부 에지가 서로 정렬되도록 구성되고,
   동일한 방향으로 연장되는 연속적인 경계부 웹은 상기 웹 폭의 양에 의해 측방향 오프셋을 각각 갖는,
   평면형 위치설정 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 로터는 체스판 구성체 내에 4개의 정방형 자석 열을 갖고, 정렬된 경계부 에지는 중앙의 교차지점에서 교차하는,
   평면형 위치설정 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 자석 열은 상기 로터의 중앙 영역을 실질적으로 덮는,
   평면형 위치설정 장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 자석 열은 할바흐 어레이(Halbach array)를 형성하는,
   평면형 위치설정 장치.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 영역 스케일은 상기 자석 구성체 또는 코일 구성체의 적어도 하나의 섹션 상에 직접 위치되고, 상기 스테이터와 상기 로터 사이의 자기장에 영향을 미치지 않는 재료로 형성되고, 상기 로터와 스테이터에 대해 그 전체적인 연장부 위에 평행한 구성을 보장하기 위해 관련된 보유 수단을 갖는,
   평면형 위치설정 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 영역 스케일은 상기 로터 또는 스테이터 표면의 주요부 위에서 그리고/또는 상기 로터 또는 스테이터 내의 복수의 윈도우 위에서 적어도 연장되는,
   평면형 위치설정 장치.
   
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 영역 스케일은 높은 고유 강도(inherent rigidity)를 보장하는, 재료로 제조되고 두께를 갖는,
   평면형 위치설정 장치.
   
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 영역 스케일은 유리, 특히 높은 경도의 강화유리 또는 알루미늄 합금으로 제조되는,
   평면형 위치설정 장치.
   
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 영역 스케일은 0.5 내지 3 mm의 두께를 갖는,
   평면형 위치설정 장치.
   
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영역 스케일은 자석 열들 사이의 상기 로터 상에 제공된 웹에 지지되도록 상기 로터에 장착되는,
    평면형 위치설정 장치.
    
11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보유 수단은 상기 로터 또는 스테이터 양자의 연장방향으로 상기 영역 스케일을 접선방향으로 클램핑하기 위한 클램핑 장치를 포함하는,
    평면형 위치설정 장치.
    
12. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보유 수단은 상기 영역 스케일과 상기 로터 또는 스테이터 사이에서, 특히 상기 로터 상에 제공된 웹 및/또는 지지점에 접착하는 접착제를 상기 로터 또는 스테이터 위에 포함하는,
    평면형 위치설정 장치.
    
13. 위치설정 테이블(positioning table)에 있어서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 평면형 위치설정 장치;
    상기 평면형 위치설정 장치를 위한 보유 및 안내 수단; 및
    위치설정될 물체를 보유하기 위한 물체 홀더
    를 갖는,
    위치설정 테이블.
    
14. 제13항에 따른 위치설정 테이블을 갖는 처리 구성체, 특히 머신 툴.
    
15. 제13항에 따른 위치설정 테이블을 갖는 측정 구성체.
    

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