(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面位置決め装置であって、
フラット・コイルからなるコイル構造体を備える固定子と、
該位置決め装置の動作状態において該固定子に対向して配置され、複数の列の磁石を備える平面磁石構造体を有する回転子であって、該平面磁石構造体が広がる平面が、該コイル構造体の平面に平行に配置される、回転子と、
該固定子に対する該回転子の位置を検出するために、該位置決め装置の動作状態において該固定子または該回転子の中に配置される位置測定ヘッドと、
該回転子または該固定子に特定の位置で固定される面積スケールと、
該位置測定ヘッドの位置信号を評価し、該コイル構造体に対する電流の印加を制御して該固定子に対する該回転子の位置を制御するための評価および制御デバイスと、
を備え、
該固定子または該回転子が、該位置測定ヘッドから該面積スケールが見えるようにするための少なくとも１つの窓を有し、該面積スケールが、該コイルと該磁石構造体との間で該窓を越えて延在しており、
該回転子が、磁石の列の磁界のチェス盤状の構造体を備え、それぞれの列が、正方形の輪郭、ならびに１つの磁界におけるすべての該磁石の均一な分極、および隣接した磁界の相互に垂直な分極を有し、
各事例において、隣接した磁界間に分離ウェブが形成され、該磁界および該ウェブは、対角方向に対向した磁石の列の、互いに斜め方向に対向して位置付けられる２つの境界縁部が相互に整列するように構成され、同じ方向に延在する連続した境界ウェブが、それぞれ該ウェブの幅の量だけ横方向にずれている、平面位置決め装置。
【請求項２】
前記回転子が、チェス盤状の構造体内に磁石の４つの正方形の列を有し、前記整列された境界縁部が、中央の交点において交わる、請求項１記載の平面位置決め装置。
【請求項３】
前記磁石の列が、前記回転子の前記中央面積を実質的に覆う、請求項１または２記載の平面位置決め装置。
【請求項４】
磁石のそれぞれの列が、ハルバッハ・アレイを形成する、請求項１から３のいずれか一項記載の平面位置決め装置。
【請求項５】
前記面積スケールが、前記磁石構造体またはコイル構造体の少なくとも１つの区分上に直接置かれ、前記固定子と前記回転子との間の磁界に影響を与えない材料から形成され、その範囲全体にわたって前記回転子および前記固定子に対して平行な構成を確保するための関連した保持手段を有する、請求項１から４のいずれか一項記載の平面位置決め装置。
【請求項６】
前記面積スケールが、前記回転子または前記固定子の少なくとも大部分にわたって、および／または前記回転子または前記固定子の複数の窓にわたって、延在する、請求項５記載の平面位置決め装置。
【請求項７】
前記面積スケールが、材料から製造され、高い固有の剛性を確保する厚さを有する、請求項５または６記載の平面位置決め装置。
【請求項８】
前記面積スケールが、ガラス、特に強化ガラス、または硬度の高いアルミニウム合金から製造される、請求項５から７のいずれか一項記載の平面位置決め装置。
【請求項９】
前記面積スケールが、０．５〜３ｍｍの厚さを有する、請求項５から８のいずれか一項記載の平面位置決め装置。
【請求項１０】
前記面積スケールが、前記回転子上で磁石の列の間に設けられたウェブで支持されるように、前記回転子に取り付けられる、請求項５から９のいずれか一項記載の平面位置決め装置。
【請求項１１】
前記保持手段が、前記回転子または前記固定子の両方の延在方向において前記面積スケールを接線方向に締め付けるための締付けデバイスを備える、請求項５から１０のいずれか一項記載の平面位置決め装置。
【請求項１２】
前記保持手段が、前記面積スケールと、前記面積スケールが置かれる前記回転子または前記固定子のそれとの間に、特に前記回転子に設けられたウェブおよび／または支持ポイントに、接着結合を備える、請求項５から１１のいずれか一項記載の平面位置決め装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項記載の平面位置決め装置と、該平面位置決め装置のための保持および案内手段と、位置決めされる物体を保持するための物体ホルダとを有する、位置決めテーブル。
【請求項１４】
請求項１３記載の位置決めテーブルを有する加工設備、特に工作機械。
【請求項１５】
請求項１３記載の位置決めテーブルを有する測定設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面位置決め装置であって、フラット・コイルからなるコイル構造体を備える固定子と、位置決め装置の動作状態において固定子に対向して配置され、複数の列の磁石を備える平面磁石構造体を有する回転子であって、平面磁石構造体が広がる平面が、コイル構造体の平面に平行に配置される、回転子と、固定子に対する回転子の位置を検出するために、位置決め装置の動作状態において固定子または回転子の中に配置される少なくとも１つの位置測定ヘッドと、回転子または固定子に特定の位置で固定される面積スケールと、位置測定ヘッドの位置信号を評価し、コイル構造体に対する電流の印加を制御して固定子に対する回転子の位置を制御するための評価および制御デバイスと、を備え、固定子または回転子が、位置測定ヘッドから面積スケールが見えるようにするための少なくとも１つの窓を有する、平面位置決め装置に関する。本発明はさらに、そのような位置決め装置を含む位置決めテーブル、およびそのような位置決め装置が装備された機械または測定設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのタイプの工作機械、または他の機械もしくは測定設備には、クロステーブルまたはＸＹテーブルとも呼ばれる位置決めテーブルが装備されて、機械などに対するワークピースの適切な位置決め、測定デバイスに対する測定物体の適切な位置決めを行なう。この種類の進歩した位置決めテーブルは、純粋なＸＹ位置決めだけでなく多軸位置決めも提供し、開発の最上位段階では６Ｄポジショナまたはテーブルとも呼ばれている。
【０００３】
従来のＸＹまたはクロステーブルには２つのリニア・アクチュエータが装備されるが、固定子および／または回転子側にあるフラット・コイル構造体または永久磁石の平面アレイに基づいた駆動コンセプトが、当面は実用的な重要性をもつ。いわゆる「平面モータ」または平面駆動は、単一のモータ一次部分（固定子）、および永久磁石が装備されたモータ二次部分（回転子）のみを備え、それにより第２の駆動モータが省略され、これは、例えばボールねじ駆動において必要とされる追加的な機械的伝動要素が省略されるのと同様である。
【０００４】
言及したまたは同様の種類の平面位置決め装置は、例えばＵＳ６，４５２，２９２Ｂ１、ＵＳ２００７／００３５２６７Ａ１、ＵＳ２００６／００４９６９９Ａ１、ＷＯ２００９／１１５０７１Ａ２、およびＷＯ２０１３／００５９９３４Ａ１から知られている。
【０００５】
また、出願人から出された文献ＤＥ１０２０１１１００１５３Ａ１は、一般的な平面位置決め装置を開示している。この平面位置決め装置の構造が、図１および図２に概略的に示される。それぞれ１２０°ずれた星形に３対で配置された６つのフラット・コイルからここでは構成される平面コイル・アレイ１が、固定子プレート９上に配置され取り付けられている。コイル・アレイの中央には、自由空間または窓６が残されており、その中で位置測定ヘッド（６Ｄ測定ヘッド）８が固定子プレートに取り付けられる。コイル・アレイ１を備える固定子プレート９の上に回転子３が配置され、回転子３は、固定子プレート９に対して移動可能であり、相互に分極された磁石の３つの列から形成された平面磁石アレイ２を備え、それぞれの磁石は、回転子３が中央位置にあるとき、コイル・アレイ１のコイル対の中心になるように位置付けられる。磁石アレイの中央にも自由空間または窓５が設定され、面積スケール７のための空間を提供し、面積スケール７は、位置測定ヘッド８と協働して、固定子９に対する回転子３の位置を測定する役割を果たす。回転子２の上側には、物体キャリアまたはワークピースキャリア４が配置される。
【０００６】
位置センサ・システムの概念に起因して、知られている平面位置決め装置では、横方向の変位の範囲が比較的制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって本発明は、向上した機能的特性を有する平面位置決め装置であって、本発明の態様によれば、具体的には拡大された変位範囲およびＺ方向における高い作動力を有するとともに、要件を満たす位置設定精度を呈する平面位置決め装置を提供するという課題に基づいている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、本発明の第１の態様により、請求項１の特徴による平面位置決め装置によって解決される。本発明の比較的独立した態様によれば、請求項９の特徴を有する平面位置決め装置が、さらに提供される。本発明の構想の適切なさらなる発展形態が、それぞれの従属請求項の主題である。さらに、有利な位置決めテーブルが提案される。
【０００９】
本発明の第１の態様は、固定子（または回転子）の窓を越えて、コイルと磁石構造体との間に延在し、位置測定ヘッドのための拡大された位置検出範囲を提供する面積スケールを提供するという構想を含む。本発明のさらなる構想は、面積スケールが、磁石構造体または代替的にコイル構造体の少なくとも１つの区分上に直接置かれるということである。本発明のさらなる構想によれば、この面積スケールは、固定子と回転子（より正確には、フラット・コイルと永久磁石）の間の磁界に影響を与えない材料から形成される。本発明のこの態様のさらなる構成上の構想によれば、この拡大された面積スケールは、前記面積スケールの全範囲にわたって、いかなる関係した曲がり、膨らみ、またはうねりもない状態で、回転子および固定子に対して平行な構成を確保するための関連した保持手段を有する。
【００１０】
この態様の実現形態によれば、面積スケールは、回転子または固定子の表面の少なくとも大部分にわたって延在する。さらにより具体的には、面積スケールは、回転子または固定子の複数の窓または観察開口にわたって延在する。これにより、位置センサ・システムに関するいずれの事例においても、駆動構成要素である固定子または回転子の寸法に実質的に相当する位置決め装置の変位範囲が確立される。
【００１１】
さらなる実現形態では、面積スケールは、材料から製造され、高い固有の剛性を確保する厚さを有する。基本的には、ガラスまたはセラミックの他に、磁性体ではなく、磁化できず、固定子と回転子の間の磁界を乱さない金属も適用可能である。この態様の構成では、面積スケールは、ガラス、特に強化ガラス、または硬度の高いアルミニウム合金から製造される。
【００１２】
さらなる構成は、面積スケールが０．３〜３ｍｍの厚さを有することを実現する。具体的に選択される厚さは、当然ながら位置決め装置全体の寸法、および面積スケールに使用される材料、ならびに既存の精度要件に依存する。
【００１３】
本発明のさらなる実現形態では、面積スケールは、磁石の列の間で回転子に設けられたウェブで支持されるように、回転子に取り付けられる。同様に、面積スケールが固定子に取り付けられるように提供される場合には、面積スケールの支持は、固定子上の対応したウェブまたは支持ポイントにおいて行なわれてもよい。これにより、少なくとも回転子または固定子上のそれぞれの支持ポイントまたはラインに向かう方向においては、膨らみまたは起伏を、最大限可能な範囲まで回避することができる。ウェブまたは支持ポイントに対する特に事前定義された弾性結合によって、この効果はさらに改善される。
【００１４】
さらなる実現形態によれば、保持手段は、回転子または固定子の両方の延在方向において面積スケールを接線方向に締め付けるための締付けデバイスを備える。そのような締付けデバイスは基本的には知れられており、例えばＸおよびＹ方向に変位可能な締付けまたは把持あご部によって、この機能を実現することができる。
【００１５】
第２の態様によれば、本発明は、磁石の列のチェス盤状の構造体を有する回転子構成に基づいており、各事例において、隣接した磁石の列の間に分離ウェブが形成される。これに関して、対角方向に対向した磁石の列の、通常互いに斜め方向に対向して位置付けられる境界縁部が相互に整列するように、磁石の列およびウェブを構成することが提案される。これにより、固定子と回転子との間に確立される磁界の構成を最適化することができる。
【００１６】
特に、同じ方向に延在する連続した境界ウェブを、おおよそウェブの幅の量だけ横方向にずらすことが実現される。
【００１７】
ウェブは、例えば磁石構造体のための凹所が機械加工されるときにウェブを残すことによって、回転子または位置決めテーブルの基体と一体に製造されてもよい。
【００１８】
ワークピースまたは測定物体の回転移動の実現を有利な態様で可能にする、それ自体知られている構成では、回転子は、チェス盤状の構造体内に磁石の４つの正方形の列を備え、この場合は、対角方向に対向して位置付けられた磁界の列の整列した境界縁部が、中央の交点で交わる。
【００１９】
さらなる実現形態では、磁石の列が回転子の中央面積を実質的に覆うことが実現される。しかし、これは本発明にとって必要な特徴ではなく、むしろ回転子が中央面積に位置センサ・システムのための観察窓を有する回転子の構成においては、境界縁部の整列した配置も有利であり得る。
【００２０】
本発明の利点および好適な特性は、図を用いた例示的な実施形態の以下の略図状の描写から、付随的に生じる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】知られている平面位置決め装置の概略断面図である。
【図２】知られている平面位置決め装置の概略上面図である。
【図３Ａ−３Ｄ】本発明の実施形態による平面位置決め装置の本質的な部分の斜視断面図、斜視全体図、斜視断面図、および分解図である。
【図４】磁界線が描かれた図３Ａによる平面位置決め装置の部分断面図である。
【図５】図３Ａ〜図３Ｄおよび図４による平面位置決め装置において使用することができる、本発明の実施形態による平面磁石構造体の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図３Ａ〜図３Ｄおよび図４に示される本発明による平面位置決め装置１０の実施形態では、装置は、コイル構造体１１を含む平坦な設計の固定子（基体）１９を有し、固定子１９の上に、フード状の構成であり、一体化された平面磁石構造体（ハルバッハ・アレイ）１２を含む回転子／位置決めテーブル１３が配置される。コイル構造体１１は、わかりやすくするために各事例においてＸ方向に１つのコイル１１ａのみ、およびＹ方向に１つのコイル１１ｂのみが示された三相システムと、コイル・ドライバ・ボード１１ｃとを備える。第１の構成（図３Ａ）では、上述した知られている構造体と同様に、コイル構造体１１を有する固定子１９には、位置測定ヘッド（ここでは図示せず）のための中央自由空間または窓１６が設けられ、第２の構成（図３Ａ〜図３Ｄ）は、規則的に配置された複数の窓または観察開口１６を備えるが、一方、回転子／位置決めテーブル１３の磁石構造体１２には、そのような自由空間または窓がない。磁石の列は、隙間なく回転子の中央まで延在している。
【００２３】
回転子／位置決めテーブル１３の平面磁石構造体１２の底側には、ガラスの面積スケール１７が、回転子の全範囲にわたって延在するように固定して置かれている。好ましくは、面積スケール１７は、図に示されない締付けデバイスによってＸＹ平面に締め付けられる、および／または回転子／位置決めテーブル１３の外縁部において回転子に弾性接着される。図４による部分図から明らかになるように、コイル構造体１１と磁石構造体１２との間の磁界線の経路は、介在する面積スケール１７によって妨害されることはない。ガラスの他に、磁性体ではない、磁化できない材料、例えばセラミックまたはアルミニウム合金を有する他の非金属材料などでもこの効果を達成することができ、これらの材料も、その機械的特性および妥当なコストに起因して、面積スケールを実現するための候補である。
【００２４】
図５は、外側輪郭が正方形であり、間に分離ウェブ１２ｅ〜１２ｈが設けられた磁石の４つの列１２ａ〜１２ｄを有する磁石構造体１２の実現形態を示す。前述したように、磁石の列は、平面位置決め装置のこの実現形態ではその中央まで延在している。
【００２５】
対角方向に対向した磁石の列１２ａと１２ｃおよび１２ｂと１２ｄの、通常互いに斜め方向に対向して位置付けられる境界縁部がそれぞれ相互に整列した配向を達成するために、境界ウェブ１２ｅと１２ｇおよび１２ｆと１２ｈは、それぞれ互いに整列しておらず、おおよそウェブの幅に相当した分だけ互いにずれて配置される。対角方向に対向して位置付けられた磁石の列の関係した境界縁部を相互に整列して配置することによって、回転子の平面磁石構造体と、位置決め装置の固定子の平面コイル構造体との間における磁界構成の最適化を達成することができる。したがって力を生成するために回路ボードにおいて線形になるように位置付けられたコイルワイヤは、対角方向に生成され隣接した磁界をいかなる隙間もなく覆い、それらの間に位相のずれを有さない。
【００２６】
付随的に、ウェブ１２ｅ〜１２ｈは、図３および図４による磁石構造体の下に取り付けられる面積スケールのための支持ラインとしての役割を同時に果たすように高さが寸法設定されてもよく、位置測定を歪める恐れのある、磁石構造体に向かう方向における膨らみまたは起伏を最大限可能な範囲まで回避するように、面積スケールを支持してもよい。特に有利な態様では、回転子の外縁部において締付けデバイスおよび他の保持手段と協働して、この効果が実現されてもよい。
【００２７】
本発明の実現形態はこれらの例に制限されず、同様に様々な変形形態が可能であり、これらの変形形態は当業者による措置（ｓｋｉｌｌｅｄ  ａｃｔｉｏｎ）の範囲内にある。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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