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技術 単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ及びその実現方法、並びにアプリケーション

出願人 広東工業大学
発明者 楊志軍白有盾陳新陳超然
出願日 2016年8月4日 (2年11ヶ月経過) 出願番号 2018-528289
公開日 2019年4月4日 (3ヶ月経過) 公開番号 2019-509617
状態 特許登録済
技術分野 工作機械の駆動・送り 工作機械の自動制御 工作機械の検出装置 工作機械の機体 マイクロマシン 位置、方向の制御 ウエハ等の容器、移送、固着、位置決め等 器械の細部
主要キーワード 連続変位 リニア変位 移動ずれ 接触衝撃 摩擦移動 複合移動 磁気ブロック 変位状況
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題・解決手段

単一駆動の剛性フレキシブルカップリングされる精密移動ステージであって、リニアガイドレール(A101)、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサ(A6)を含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム(A201)、フレキシブルヒンジ(A203)及びコア移動ステージ(A202)を含む。リニア駆動器は、フレキシブルヒンジ(A203)を介して剛性フレーム(A201)を駆動してリニアガイドレール(A101)に移動させる。当該移動ステージは、高精度の連続変化変位を実現することができ、加速度の突然変化による変位「振動」を回避する。

概要

背景

高速精密移動ステージは、半導体パッケージなどの分野に広く使用されている。高速精密移動ステージにおける移動対偶間の表面粗さの不確定的変化により、摩擦抵抗の値は、不確定的に変化する。移動ステージの起動、停止及びマイクロ移動過程には、移動ステージの速度は、相対的に遅く、上記摩擦抵抗値波動により、移動ステージは、「徐行現象を発生しやすい。閉ループ制御システムの作用で、駆動器は、駆動力を増大することにより摩擦抵抗を克服し、移動ステージの位置決め誤差補償する。上記補償過程には、移動ステージは、頻繁に「静止から移動への」状態切替を経てしまう。「静止から移動へ」の過程には、移動対偶間の摩擦抵抗は、「静摩擦力から動摩擦力へ」の状態切替を経るが、静摩擦係数動摩擦係数との間の差異は、上記状態切替瞬間の加速度の突然変化に繋がり、移動ステージが最終位置決め位置付近における「振動」を引き起こし、位置決め精度に影響する。

どのように起動、停止及びマイクロ移動過程で、摩擦状態切り替えによる位置決め誤差の影響を低減させるかは、高速精密移動ステージの実行精度に影響する重要な問題である。上記問題について、現在、以下の方法解決方法が存在している。

1.正確な摩擦力モデル構築し、移動制御及び駆動力補償の方式を採用する。

2.摩擦がなく、或いは、摩擦が低い移動対偶の設計、例えば、空気ベアリングや、磁気サスペンションベアリング、マイクロ移動ステージのフレキシブルヒンジなどの構成設計を採用する。

移動対偶間の接触面のミクロ特性の差異及び製造誤差などの要素のため、非常に精密な摩擦力モデルを構築しにくく、移動制御システムには複雑な補償制御方法を採用する必要がある。

空気ベアリングや、磁気サスペンションベアリングなどの低摩擦の移動対偶の実施コストは、比較的高く、その使用範囲が制限されている。

フレキシブルヒンジは、外部摩擦がない移動対偶として、弾性変形により連続した高精度の移動を実現する。動作メカニズムの制限により、フレキシブルヒンジの移動対偶は、主に、微小ストロークの移動に適用される。大ストロークの移動の場合、フレキシブルヒンジは、いつも、摩擦移動対偶と結合して使用され、マクロ−マイクロ複合の移動ステージを構成して大ストロークの高精度な移動を実現し、従って大きな範囲の移動を補償する。

特許201410696217.0は、リニアモータステータ共用、両駆動のマクロ−マイクロ一体化される一次元の高速精密移動ステージを提案している。提案されたマクロ−マイクロ移動ステージのマクロ移動外部フレーム及びマイクロ移動ステージは、それぞれ、2組のリニアモータロータに接続する。マクロ移動外部フレームとマイクロ移動ステージとの間は、フレキシブルヒンジを介して接続し、前記マクロ移動外部フレームは、対応するリニアモータロータの駆動で大ストロークのマクロ移動を実現し、前記マイクロ移動ステージは、対応するリニアモータロータの駆動で上記マクロ移動の移動ずれ動態的に補償する。上記マクロ−マイクロ複合移動原理により、大ストロークの高精度な移動を実現する。前記移動ステージにおけるマイクロ移動ステージは、摩擦がないフレキシブルヒンジの移動対偶の設計を採用し、位置決め過程における連続変位変化を実現する。特許201410696217.0が提案した移動ステージは、以下の主な欠陥を有する。(1)マクロ−マイクロ複合制御を採用するので、移動ステージのマクロ移動ステージ及びマイクロ移動ステージは、それぞれの駆動器及び変位センサからフィードバックシステムをそれぞれ構成する必要があり、コストが比較的高い。(2)制御システムには、マクロ移動及びマイクロ移動の切り替え制御を考慮する必要があり、制御システムは、比較的複雑である。(3)ステージにおける移動部分の質量が比較的大きく、高加速などの慣性影響が大きい場合に使用される。(4)マクロ移動ステージのフィードバック制御システムは、位置決め段階における摩擦状態の影響を考慮する必要があり、位置決め過程においてマクロ移動ステージの変位ずれがフレキシブルヒンジの移動対偶の限界変形範囲により小さくなるようにする。

概要

単一駆動の剛性フレキシブルカップリングされる精密移動ステージであって、リニアガイドレール(A101)、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサ(A6)を含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム(A201)、フレキシブルヒンジ(A203)及びコア移動ステージ(A202)を含む。リニア駆動器は、フレキシブルヒンジ(A203)を介して剛性フレーム(A201)を駆動してリニアガイドレール(A101)に移動させる。当該移動ステージは、高精度の連続変化・変位を実現することができ、加速度の突然変化による変位「振動」を回避する。

目的

本発明の目的は、モータ駆動ステージの簡易な制御及び構成の最適化を実現することであり、具体的には、本発明は、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ及びその実現方法、並びにアプリケーションを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

単一駆動の剛性フレキシブルカップリングされる精密移動ステージであって、ベースリニアガイドレール、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサを含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレームフレキシブルヒンジ及びコア移動ステージを含み、前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、フレキシブルヒンジを介して前記剛性フレームに接続され、前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、リニア駆動器に接続し、前記剛性フレームは、ガイドレールスライドブロックを介して前記ベースに固定される前記リニアガイドレールに接続し、前記コア移動ステージが前記リニア駆動器の作用で前記フレキシブルヒンジを弾性変形させ、かつフレキシブルヒンジにより前記剛性フレームを駆動して前記リニアガイドレールの長手方向に自由移動させ、前記変位センサは、前記コア移動ステージに接続し、コア移動ステージの移動方向における変位を測定することに用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。

請求項2

前記リニア駆動器は、ボイスコイルモータ又はリニアモータであることを特徴とする請求項1に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。

請求項3

前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの剛性フレームとコア移動ステージとの間には、位置制限装置及びダンパが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。

請求項4

剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの前記コア移動ステージと前記剛性フレームとの間のフレキシブルヒンジは、対称的に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。

請求項5

前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージは、一体的に加工製造されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。

請求項6

前記フレキシブルヒンジは、ストレートビーム型又は切欠き型のフレキシブルヒンジであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。

請求項7

前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージにおけるコア移動ステージ及び剛性フレームは、さらに、リニアベアリング磁気支持剛性強化構造を有していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ。

請求項8

前記請求項1乃至4のいずれかの一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージにより実現され、リニア駆動器によりコア移動ステージを直接的に駆動し、駆動力が剛性フレームの静摩擦を客服することができない場合、コア移動ステージは、フレキシブルヒンジの弾性変形により微小変位を発生させ、精密のマイクロ移動を実現するステップ(1)と、リニア駆動器の駆動力が高まるとき、摩擦力を克服し、剛性フレームを移動させるが、この場合、弾性変形が増大し、位置制限状態に進入し、すべての駆動力が剛性フレームに伝達されて高速移動するステップ(2)と、ステージが減速するとき、コア移動ステージが、まず、制動し、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームを制動させ、その後、別の位置制限装置及びダンパに切り替え振動エネルギー減衰させるステップ(3)を含むことを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法

請求項9

単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションであって、前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、大ストローク精密加工設備に応用され、かつ権利要求1、2、3又は4のいずれか一項に記載の単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージをモータ駆動ステージとして用いられることを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーション。

請求項10

大ストロークの精密加工設備に用いられ、かつ前記請求項8に記載の方法を用いてモータ駆動を実現することを特徴とする単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションの実現方法。

技術分野

0001

本発明は、モータの駆動技術に関し、より具体的には、単一駆動の剛性フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ及びその実現方法、並びにアプリケーションに関する。

背景技術

0002

高速精密移動ステージは、半導体パッケージなどの分野に広く使用されている。高速精密移動ステージにおける移動対偶間の表面粗さの不確定的変化により、摩擦抵抗の値は、不確定的に変化する。移動ステージの起動、停止及びマイクロ移動過程には、移動ステージの速度は、相対的に遅く、上記摩擦抵抗値波動により、移動ステージは、「徐行現象を発生しやすい。閉ループ制御システムの作用で、駆動器は、駆動力を増大することにより摩擦抵抗を克服し、移動ステージの位置決め誤差補償する。上記補償過程には、移動ステージは、頻繁に「静止から移動への」状態切替を経てしまう。「静止から移動へ」の過程には、移動対偶間の摩擦抵抗は、「静摩擦力から動摩擦力へ」の状態切替を経るが、静摩擦係数動摩擦係数との間の差異は、上記状態切替瞬間の加速度の突然変化に繋がり、移動ステージが最終位置決め位置付近における「振動」を引き起こし、位置決め精度に影響する。

0003

どのように起動、停止及びマイクロ移動過程で、摩擦状態切り替えによる位置決め誤差の影響を低減させるかは、高速精密移動ステージの実行精度に影響する重要な問題である。上記問題について、現在、以下の方法解決方法が存在している。

0004

1.正確な摩擦力モデル構築し、移動制御及び駆動力補償の方式を採用する。

0005

2.摩擦がなく、或いは、摩擦が低い移動対偶の設計、例えば、空気ベアリングや、磁気サスペンションベアリング、マイクロ移動ステージのフレキシブルヒンジなどの構成設計を採用する。

0006

移動対偶間の接触面のミクロ特性の差異及び製造誤差などの要素のため、非常に精密な摩擦力モデルを構築しにくく、移動制御システムには複雑な補償制御方法を採用する必要がある。

0007

空気ベアリングや、磁気サスペンションベアリングなどの低摩擦の移動対偶の実施コストは、比較的高く、その使用範囲が制限されている。

0008

フレキシブルヒンジは、外部摩擦がない移動対偶として、弾性変形により連続した高精度の移動を実現する。動作メカニズムの制限により、フレキシブルヒンジの移動対偶は、主に、微小ストロークの移動に適用される。大ストロークの移動の場合、フレキシブルヒンジは、いつも、摩擦移動対偶と結合して使用され、マクロ−マイクロ複合の移動ステージを構成して大ストロークの高精度な移動を実現し、従って大きな範囲の移動を補償する。

0009

特許201410696217.0は、リニアモータステータ共用、両駆動のマクロ−マイクロ一体化される一次元の高速精密移動ステージを提案している。提案されたマクロ−マイクロ移動ステージのマクロ移動外部フレーム及びマイクロ移動ステージは、それぞれ、2組のリニアモータロータに接続する。マクロ移動外部フレームとマイクロ移動ステージとの間は、フレキシブルヒンジを介して接続し、前記マクロ移動外部フレームは、対応するリニアモータロータの駆動で大ストロークのマクロ移動を実現し、前記マイクロ移動ステージは、対応するリニアモータロータの駆動で上記マクロ移動の移動ずれ動態的に補償する。上記マクロ−マイクロ複合移動原理により、大ストロークの高精度な移動を実現する。前記移動ステージにおけるマイクロ移動ステージは、摩擦がないフレキシブルヒンジの移動対偶の設計を採用し、位置決め過程における連続変位変化を実現する。特許201410696217.0が提案した移動ステージは、以下の主な欠陥を有する。(1)マクロ−マイクロ複合制御を採用するので、移動ステージのマクロ移動ステージ及びマイクロ移動ステージは、それぞれの駆動器及び変位センサからフィードバックシステムをそれぞれ構成する必要があり、コストが比較的高い。(2)制御システムには、マクロ移動及びマイクロ移動の切り替え制御を考慮する必要があり、制御システムは、比較的複雑である。(3)ステージにおける移動部分の質量が比較的大きく、高加速などの慣性影響が大きい場合に使用される。(4)マクロ移動ステージのフィードバック制御システムは、位置決め段階における摩擦状態の影響を考慮する必要があり、位置決め過程においてマクロ移動ステージの変位ずれがフレキシブルヒンジの移動対偶の限界変形範囲により小さくなるようにする。

発明が解決しようとする課題

0010

上記技術問題を解決するために、本発明の目的は、モータ駆動ステージの簡易な制御及び構成の最適化を実現することであり、具体的には、本発明は、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ及びその実現方法、並びにアプリケーションを提供する。

課題を解決するための手段

0011

本発明に係る単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、ベースリニアガイドレール、剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージ、リニア駆動器及び変位センサを含み、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージは、剛性フレーム、フレキシブルヒンジ及びコア移動ステージを含む。

0012

前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、フレキシブルヒンジを介して前記剛性フレームに接続されている。

0013

前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージのコア移動ステージは、リニア駆動器に接続し、前記剛性フレームは、ガイドレールスライドブロックを介して前記ベースに固定される前記リニアガイドレールに接続し、前記コア移動ステージが前記リニア駆動器の作用で前記フレキシブルヒンジを弾性変形させ、かつフレキシブルヒンジにより前記剛性フレームを駆動して前記リニアガイドレールの長手方向に自由移動させる。

0014

前記変位センサは、前記コア移動ステージに接続し、コア移動ステージの移動方向における変位を測定することに用いられる。

0015

好ましくは、前記リニア駆動器は、ボイスコイルモータ又はリニアモータである。

0016

好ましくは、前記剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの剛性フレームとコア移動ステージとの間には、位置制限装置及びダンパが設けられている。

0017

好ましくは、剛性‐フレキシブルカップリングされるステージの前記コア移動ステージと前記剛性フレームとの間のフレキシブルヒンジは、対称的に配置されている。

0018

好ましくは、前記剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージは、一体的に加工製造されている。

0019

好ましくは、前記フレキシブルヒンジは、ストレートビーム型又は切欠き型のフレキシブルヒンジである。

0020

本発明は、さらに、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法を提供し、本方法は、上記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージにより実現され、以下のステップを含む。

0021

1)リニア駆動器によりコア移動ステージを直接的に駆動し、駆動力が剛性フレームの静摩擦を克服することができない場合、コア移動ステージは、フレキシブルヒンジの弾性変形により微小変位を発生させ、精密なマイクロ移動を実現する。

0022

2)リニア駆動器の駆動力が増大するとき、摩擦力を克服し、剛性フレームを移動させるが、この場合、弾性変形が増大し、位置制限状態に進入し、すべての駆動力が剛性フレームに伝達されて高速移動する。

0023

3)ステージが減速するとき、コア移動ステージが、まず、制動し、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームを制動させ、その後、別の位置制限装置及びダンパに切り替え、振動エネルギー減衰させる。

0024

本発明は、さらに、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションを提供し、前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージは、大ストロークの精密加工設備に応用され、かつ前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージをモータ駆動ステージとして用いられる。

0025

相応的に、本発明は、さらに、単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージのアプリケーションの実現方法を提供し、本方法は、大ストロークの精密加工設備に用いられ、かつ前記単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージの実現方法を用いてモータ駆動を実現する。

0026

本発明の有益な効果は、以下の通りである。

0027

1)摩擦がないフレキシブルヒンジの移動対偶を採用して高精度の連続変化変位を実現し、低速の作業状況で移動対偶の摩擦状態を切り替えることにより加速度が突然に変化して変位「振動」を発生することを回避する。

0028

2)剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージの設計を採用し、使用したフレキシブルヒンジは、自分の弾性変形によりガイドレールの移動対偶の摩擦力の変化に主動的に適応し、移動対偶の摩擦状態の切り替えによる「徐行」の連続変位の位置決めに対する影響を回避し、より高い位置決め精度を実現しやすい。

0029

3)移動ステージは、単一駆動の閉ループ制御システムを採用し、採用した駆動器及びセンサは、共に、前記コア移動ステージに接続され、制御システムの設計は、簡単であり、信頼性がより高い。

0030

4)移動ステージは、比較的にコンパクトである設計を採用し、マクロ−マイクロ複合移動ステージに対して、より小さい移動質量を実現することができ、高加速などの場合におけるアプリケーションに有利である。

図面の簡単な説明

0031

図1は、本発明に係る剛性‐フレキシブルカップリングされる移動ステージの作業原理を示す模式図である。
図2は、本発明の実施例Aの模式図である。
図3は、本発明の実施例Aの一部拡大される断面模式図である。
図4は、本発明の実施例Aの前断面図及び一部拡大図である。
図5は、本発明の実施例Bの模式図である。
図6は、本発明の実施例Bの一部拡大される断面模式図である。
図7は、本発明の実施例Bの前断面図及び一部拡大図である。
図8は、本発明の実施例Cの模式図である。
図9は、本発明の実施例Cの一部拡大される断面模式図である。
図10は、本発明に係る1μm精密マイクロ移動の実験データのカーブである。
図11は、本発明の100mm高速位置決めの実験データのカーブである。

実施例

0032

以下、本発明の実施例における図面を参照しながら、本発明の実施例における技術案を明瞭、完全に説明する。勿論、説明する実施例は本発明の一部の実施例に過ぎず、すべての実施例ではない。当業者は、創造的な努力をしない前提で、本発明における実施例に基づいて得られた他のすべての実施例は、本発明の保護しようとする範囲に含まれる。

0033

本発明が提出した移動ステージの一実施例Aは、以下の通りである。

0034

図1乃至図3に示すように、移動ステージは、主に、ベースA4、リニアガイドレールA101、ガイドレールのスライドブロックA102、剛性フレームA201、コア移動ステージA202、フレキシブルヒンジA203、ラスタ変位センサA6及びリニアモータ駆動器から構成する。剛性フレームA201とコア移動ステージA202との間は、フレキシブルヒンジA203の移動対偶により接続され、剛性フレームA201は、リニアガイドレールの移動対偶によりベースA4に接続されている。

0035

前記リニアモータ駆動器は、リニアモータロータA501及びリニアモータステータA502から構成する。リニアモータロータA501は、前記コア移動ステージA202に接続し、前記リニアモータロータA501は、電磁力の作用でコア移動ステージA202に対して駆動力を印加することができる。前記駆動力により、フレキシブルヒンジA203を弾性変形させ、従って、前記コア移動ステージA202にガイドレールの長手方向に沿うリニア変位を発生させる。前記フレキシブルヒンジA203の弾性変形の反作用力は、前記剛性フレームA201が接続するリニアガイドレールの移動対偶間の摩擦力を克服することに用いられることができ、フレキシブルヒンジA203の弾性変形の反作用力が前記リニアガイドレールの移動対偶間の静摩擦力などの抵抗より大きい場合、前記剛性フレームA201は、静止状態から移動状態に変える。

0036

前記コア移動ステージA202の変位は、以下の2種の状況に分けることができる、a.フレキシブルヒンジA203の弾性変形力が前記移動対偶の静摩擦力などの抵抗より小さい場合、前記コア移動ステージA202の変位は、前記フレキシブルヒンジA203の移動対偶の弾性変形量である。b.フレキシブルヒンジA203の弾性変形力が前記移動対偶の静摩擦力などの抵抗より大きい場合、前記コア移動ステージ(A202)の変位は、前記フレキシブルヒンジA203の移動対偶の弾性変形量と前記剛性フレームA201の剛性変位との和である。前記リニアガイドレールの移動対偶の移動状態が上記状況aとbとの間で切り替えられる場合、前記リニアガイドレールの移動対偶の静摩擦係数と動摩擦係数との間の差異により、抵抗の突然変化に繋がり、移動ステージの剛性に対して衝撃し、かつ移動対偶の摩擦「徐行」を引き起こす。前記フレキシブルヒンジA203は、それ自身の弾性変形により、上記の移動対偶の摩擦状態からの切り替えによる摩擦抵抗の突然変化に主動的に適応し、摩擦抵抗の突然変化の前記コア移動ステージA202に対する剛性衝撃を軽減する。上記のいずれかの状況でも、前記コア移動ステージA202は、フレキシブルヒンジA203の弾性変形により連続した変位変化を実現することができ、摩擦「徐行」の状況による移動位置決め精度への影響を回避する。

0037

前記ラスタ変位センサA6は、前記コア移動ステージA202に接続し、前記コア移動ステージA202のいずれかの状況での変位をリアルタイムに測定することができる。前記ラスタ変位センサA6の変位測定は、フィードバック要素とされてリニアモータ駆動器などと閉ループ制御システムを形成し、前記コア移動ステージA202の高精度の移動位置決めを実現することができる。

0038

前記移動ステージが高加速度などの状況にある場合、前記リニアモータ駆動器は、前記コア移動ステージA202が前記フレキシブルヒンジA203に駆動力を作用することにより前記フレキシブルヒンジA203の変形量は、限界弾性変形量を超えやすい。前記フレキシブルヒンジA203の弾性変形量が限界を超えるとき、前記コア移動ステージA202は、前記剛性フレームA201に接触し、かつ剛性移動ステージ全体を構成する。前記コア移動ステージA202と前記剛性フレームA201との間にはダンピング装置A3が設けられており、前記コア移動ステージA202と前記剛性フレームA201との接触衝撃力を軽減する。

0039

図3及び図4に示すように、前記コア移動ステージA202のロード能力を向上するために、前記剛性フレームA201と前記コア移動ステージA202との間にはリニアベアリングユニットが設けられている。剛性フレームA201の両支持端間には光軸A702が設けられ、前記コア移動ステージA202にはリニアベアリングスリーブA701が取り付けられている。前記リニアベアリングスリーブA701の移動自由度は、前記光軸A702の長手方向に制限されている。前記剛性フレームA201に取り付けられる光軸A702と前記コア移動ステージA202に取り付けられるリニアベアリングスリーブA701は、共に、剛性強化ユニットを構成し、前記コア移動ステージA202のロード能力を向上する。

0040

本発明が提出する移動ステージの一実施例Bは、以下の通りである。

0041

図5及び図6に示すように、実施例Bにおける移動ステージの構成設計及び移動原理は、実施例Bと同じである。移動ステージは、主に、ベースB4、リニアガイドレールB101、ガイドレールのスライドブロックB102、剛性フレームB201、コア移動ステージB202、フレキシブルヒンジB203、ラスタ変位センサB6及びリニアモータ駆動器などから構成する。剛性フレームB201とコア移動ステージB202との間は、フレキシブルヒンジB203の移動対偶により接続され、剛性フレームB201は、リニアガイドレールの移動対偶によりベースB4に接続されている。前記リニアモータ駆動器は、リニアモータロータB501及びリニアモータステータB502から構成する。リニアモータロータB501は、前記コア移動ステージB202に接続し、前記リニアモータロータB501は、電磁力の作用でコア移動ステージB202に対して駆動力を印加することができる。前記コア移動ステージB202と前記剛性フレームB201との間にはダンピング装置B3が設けられており、前記コア移動ステージB202と前記剛性フレームB201との接触衝撃力を軽減させる。

0042

実施例Aに対して、実施例Bの主な変化点は、さらに、実施例Aにおいて前記コア移動ステージのロード能力を向上するために採用した剛性強化ユニットの設計を改良する。

0043

図6及び図7に示すように、前記剛性フレームB201には磁気ブロックII B702が設けられており、前記コア移動ステージB202には磁気ブロックI B701が設けられている。前記磁気ブロックII B702は、ステージの移動過程では、終始ずっと前記磁気ブロックI B701の中間に位置している。前記磁気ブロックII B702と前記磁気ブロックI B701の上部との対向面は、同じ磁極極性を採用し、前記磁気ブロックII B702と前記磁気ブロックI B701の下部との対向面も、同じ磁極極性を有する。上記磁極配置方式を採用することにより、前記磁気ブロックII B702は、前記磁気ブロックI B701による磁気反発力を前記磁気ブロックII B702間に制限され、従って、前記コア移動ステージB202のロード能力を向上する。前記磁気ブロックII B702と磁気ブロックI B701は、共に、非接触式の剛性強化ユニットを構成する。

0044

本発明が提出する移動ステージの一実施例Cは、以下の通りである。

0045

図8及び図9に示すように、移動ステージは、主に、ベースC401、クロスローラーリニアガイドレールC1、剛性フレームC201、コア移動ステージC202、フレキシブルヒンジC203、ラスタ変位センサC7、ボイスコイルモータなどから構成している。剛性フレームC201とコア移動ステージC202との間は、フレキシブルヒンジC203の移動対偶により接続され、剛性フレームC201は、リニアガイドレールの移動対偶によりベースC401に接続されている。

0046

前記ボイスコイルモータ駆動器は、ボイスコイルモータロータC501及びボイスコイルモータステータC502から構成される。ボイスコイルモータロータC501は、ロータ接続部材C3により前記コア移動ステージC202に接続されている。前記ボイスコイルモータロータC501は、電磁力の作用でコア移動ステージC202に対して駆動力を印加することができる。前記駆動力により、フレキシブルヒンジC203を弾性変形させることができ、従って、前記コア移動ステージC202にガイドレールの長手方向に沿うリニア変位を発生させる。前記フレキシブルヒンジC203の弾性変形の反作用力は、前記剛性フレームA201が接続するリニアガイドレールの移動対偶間の摩擦力を克服することができ、フレキシブルヒンジC203の弾性変形の反作用力が前記リニアガイドレールの移動対偶間の静摩擦力などの抵抗より大きい場合、前記剛性フレームC201は、静止状態から移動状態に変わる。

0047

前記コア移動ステージC202の変位状況は、実施例Aと同じ2つの状況に分けることができ、採用した摩擦「徐行」の影響を回避する方法も実施例Aと同じである。

0048

前記ラスタ変位センサC7は、前記コア移動ステージC202に接続し、前記コア移動ステージC202がいずれかの状況での変位をリアルタイムに測定することができる。前記ラスタ変位センサC7の変位測定は、フィードバック要素としてボイスコイルモータ駆動器などと閉ループ制御システムを構成し、前記コア移動ステージC202の高精度の移動位置決めを実現することができる。

0049

前記移動ステージが高加速度などの状況にある場合、前記ボイスコイルモータ駆動器は、前記コア移動ステージC202が前記フレキシブルヒンジC203に駆動力を作用することにより前記フレキシブルヒンジC203の変形量は、限界弾性変形量を超えやすい。前記フレキシブルヒンジC203の弾性変形量が限界を超えるとき、前記コア移動ステージC202は、前記剛性フレームC201に接触し、かつ剛性移動ステージ全体を構成する。前記コア移動ステージC202と前記剛性フレームC201との間にはダンピング装置C8が設けられており、前記コア移動ステージC202と前記剛性フレームC201との接触衝撃力を軽減する。

0050

本発明の実施効果を説明するために、1μmの微小変位供給及び100mm高速位置決めの2つのケースを示す。普通のステージ(静摩擦係数0.2、動摩擦係数0.15)、本実施例の低摩擦(摩擦係数が普通のステージの1/10)及び無摩擦のケースを比較する。

0051

表1 精密マイクロ移動(1μm)移動精度比較

0052

表1に示すように、精密マイクロ移動の場合、摩擦作用により、普通のステージの実際の変位が0.44484μmのみであり、目標変位とのずれが−56.616%である。本発明に係る低摩擦の剛性‐フレキシブルカップリングされるマクロ−マイクロ複合ステージを採用すれば、コアステージの弾性変形変位が0.92547μmであり、目標変位とのずれが−7.453%であり、剛性フレームの変位が0.05071μmである。本発明に係る無摩擦の剛性‐フレキシブルカップリングされるマクロ−マイクロ複合ステージを採用すれば、コアステージの弾性変形変位が0.98611μmであり、目標変位とのずれが−1.389%であり、剛性フレームの変位が0.010593μmのみである。

0053

よって、精密マイクロ移動の場合、摩擦の作用により、大きな位置決め誤差を発生する。本方法の剛性‐フレキシブルカップリングにより、低摩擦又は無摩擦の弾性変形は、微小変位を発生し、精密マイクロ移動を実現する。

0054

図11.aは、ストローク100mmの高速位置決めのケースを示す。摩擦により、駆動力が非常に小さいとき、スライドブロックは、静止状態にあり、駆動力が静摩擦より大きくなるまで、移動し始める(図11.b)。制動過程では、駆動力は、まず、コアステージに作用し、ステージの移動速度を低下し、さらに、フレキシブルヒンジを介して剛性フレームに作用し、そのため、コアステージは、剛性フレームより先行して制動する。剛性フレームの速度が0に近接するとき、摩擦四輪駆動に進入し、この場合、コアステージは、フレキシブルヒンジが変形するマイクロ移動を介して誤差補償を完了する(図11.c)。

0055

表2 100mmストローク位置決め精度比較

0056

表2に示すように、摩擦がある普通のステージに対して、静態位置が99.9968mmであり、誤差が−0.0032%である。低摩擦弾性変形複合したあと、位置決め精度が99.9992mmに達し、誤差が−0.0008%である。無摩擦を弾性補償するとき、実際の変位が99.9996であり、相対誤差が−0.0004%であり、位置決め精度がサブミクロンオーダーである。

0057

以上のように、コアステージは、フレキシブルヒンジにより剛性フレームに接続し、駆動力が摩擦を克服することに不足すると、コアステージはフレキシブルヒンジを介して変形し、変位し、そのため、高速起動を実現する。高速運行時から停止時まで、速度が低下し、それに伴って、駆動力も低下し、駆動力が静摩擦より小さい状況が発生する。この際に、コアステージは、継続的にフレキシブルヒンジの変形を介して変位を実現する。すべての過程では、アルゴリズムを切り替える必要がなく、制御が簡単である。

0058

以上、本発明に係る単一駆動の剛性‐フレキシブルカップリングされる精密移動ステージ、実現方法及びそのアプリケーションを詳しく説明したが、本文には、具体例を挙げて本発明の原理及び実施形態を説明したが、以上の実施例についての説明は、本発明の方法及びその核心思想を理解させるためのものである。当業者にとっては、本発明の原理を逸脱しない前提で、本発明に対して、いくつかの改良及び修飾を行うことができ、これらの改良及び修飾は、本発明の請求範囲に含まれる。

0059

リニアガイドレール1、剛性フレーム201、コア移動ステージ202、フレキシブルヒンジ203、ダンパ3、リニアガイドレールA101、リニアガイドレールのスライドブロックA102、移動ステージ剛性フレームA201、コア移動ステージA202、フレキシブルヒンジA203、ダンピング装置A3、ベースA4、リニアモータロータA501、リニアモータステータA502、ラスタ変位センサA6、リニアベアリングスリーブA701、光軸A702、リニアガイドレールB101、リニアガイドレールのスライドブロックB102、移動ステージ剛性フレームB201、コア移動ステージB202、フレキシブルヒンジB203、ダンピング装置B3、ベースB4、リニアモータロータB501、リニアモータステータB502、ラスタ変位センサB6、磁気ブロックI B701、磁気ブロックII B702、クロスローラーリニアガイドレールC1、移動ステージ剛性フレームC201、コア移動ステージC202、フレキシブルヒンジC203、ロータ接続部材C301、ベースC4、衝突防止ブロックC6、ボイスコイルモータロータC501、ボイスコイルモータステータC502、ラスタ変位センサC7、ダンピング装置C8。

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