CN101978585A - 多自由度传动装置以及载物台装置 - Google Patents

多自由度传动装置以及载物台装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多自由度传动装置，可进行X方向的推进动作和Z方向的悬浮动作的2自由度动作及加上θY方向的驱动动作的3自由度动作，其小型且推力、悬浮力、可变悬浮力较大。具体为，由具有多个永久磁铁(114)的可动元件(110)、具有定子芯(118)与多个线圈的定子(100)构成，所述永久磁铁(114)在X方向上并列配置，极数P由2以上的偶数组成，所述线圈由X方向驱动用线圈(105)与Z方向驱动用线圈(104)的2种构成，将P个所述Z方向驱动用线圈(104)配置在与所述永久磁铁(114)磁极相对的位置，同时将P/2个所述X方向驱动用线圈(105)配置在与所述永久磁铁(114)磁极间的中心相对的位置。

Description

多自由度传动装置以及载物台装置
技术领域
本发明涉及一种用于半导体制造装置和液晶制造装置等精密装置中的多自由度传动装置以及载物台装置。
背景技术
以往，存在如下多自由度传动装置：由在XY平面上排列有永久磁铁的可动元件与排列有线圈的定子构成，通过对邻接的线圈供给不同相位差的控制电流，从而利用电磁力使可动元件在X方向上进行推进，在Z方向上进行悬浮(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：日本国特开2004-254489号公报(第19页，图1、2)
在使用于半导体制造装置和液晶制造装置等的精密载物台中，使用在水平Y方向上进行推进动作的直线电动机和用于在垂直Z方向上进行悬浮且在水平X方向上进行推进的传动装置。现在，要求这些直线电动机和传动装置实现小型化，尤其要求使用1个传动装置来进行垂直Z方向与水平X方向的2个方向上的动作的多自由度传动装置的精密载物台。
但是，在现有的多自由度传动装置中存在线圈的空心部，为了在XY的2个方向上进行推进，并在Z方向上进行悬浮，而且在θX、θY、θZ方向上进行驱动，有必要对线圈进行积层。另外，由于6层线圈全部进行积层，因此磁间隙变大，存在与体型相比推力、悬浮力、可变悬浮力变小的问题。
另外，由于现有的载物台装置通过配置多台只能在1个方向上产生推力或悬浮力的传动装置而构成，因此在X、Y、Z的直线3方向与绕各轴θX、θY、θZ的旋转3方向上进行移动的6自由度载物台装置的情况下，有必要使用6台传动装置。因此，安装有6台可动元件的悬浮体的重量变得极其重，难以使悬浮体稳定地进行悬浮或高速地进行定位。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种小型但推力、悬浮力、可变悬浮力却较大，进行Z方向上的悬浮动作、X方向上的推进动作及θY方向上的驱动动作的多自由度传动装置以及使用该传动装置的精密载物台。
为了解决上述问题，本发明如以下构成。
技术方案1所述的发明为，一种多自由度传动装置，构成为，由具有多个永久磁铁的可动元件、具有定子芯与多个线圈的定子构成，将所述永久磁铁在X方向上并列配置，使极数P由2以上的偶数组成，所述线圈由X方向驱动用线圈与Z方向驱动用线圈的2种构成，将P个所述Z方向驱动用线圈配置在与所述永久磁铁的磁极相对的位置，同时将P/2个所述X方向驱动用线圈配置在与所述永久磁铁磁极间的中心相对的位置。
技术方案2所述的发明的构造为，将所述X方向驱动用线圈的线圈边配置于所述Z方向驱动用线圈的空心部。
技术方案3所述的发明的构造为，在所述定子芯上整体形成P个齿，同时将所述Z方向驱动用线圈***于所述齿，将所述X方向驱动用线圈配置在所述齿的顶端。
技术方案4所述的发明为，使用1台放大器对所述X方向驱动用线圈进行X方向驱动控制，使用1台放大器对所述Z方向驱动用线圈进行Z方向驱动控制。
技术方案5所述的发明为，使用1台放大器对所述X方向驱动用线圈进行X方向驱动控制，在分成2组的所述Z方向驱动用线圈中，在使用1台放大器对一个所述Z方向驱动用线圈进行Z方向驱动控制的基础上，使用另1台放大器对另一个所述Z方向驱动用线圈进行θY方向驱动控制。
技术方案6所述的发明为，一种载物台装置，至少使用3台多自由度传动装置使悬浮体多自由度地移动，多自由度传动装置由具有多个永久磁铁的可动元件、具有定子芯与多个线圈的定子构成。
技术方案7所述的发明是使3台所述多自由度传动装置在水平XY面上分别旋转120度而配置的载物台装置。
技术方案8所述的发明是沿着水平X方向配置4台所述多自由度传动装置中的2台，沿着水平Y方向配置另外2台的载物台装置。
技术方案9所述的发明是附加可在一个方向上较大地进行移动的直线电动机的载物台装置。
根据本发明，由于是将Z方向驱动用线圈配置于各磁极的中心，将X方向驱动用线圈配置于磁极间的中心，将X方向驱动用线圈的线圈边配置为埋入到Z方向驱动用线圈空心的结构，因此可以使磁间隙变小，可以提供小型但推力、悬浮力、可变悬浮力却较大的传动装置。
另外，由于是在定子芯上整体形成齿，同时将Z方向驱动用线圈***于齿，将X方向驱动用线圈配置在齿的顶端的结构，因此可以在未使磁间隙变大的情况下提供Z方向悬浮力、可变悬浮力与X方向推力较大的传动装置。
另外，由于使用1台放大器对X方向驱动用线圈进行Z方向驱动控制，使用1台放大器对Z方向驱动用线圈进行X方向驱动控制，因此可以提供进行Z方向悬浮动作与X方向推进动作的多自由度传动装置。
另外，由于使用1台放大器对X方向驱动用线圈进行Z方向驱动控制，使用2台放大器对Z方向驱动用线圈进行X方向与θY方向(围绕与X轴和Z轴正交的Y轴的旋转方向)驱动控制，因此可以提供在进行Z方向悬浮动作与X方向推进动作的2自由度动作的基础上，加上进行θY方向驱动的3自由度动作的多自由度传动装置。
另外，由于是至少使用3台可在2个方向或3个方向上产生推力或悬浮力的多自由度传动装置来使悬浮体在多自由度上进行移动的载物台装置，因此可以减少安装于悬浮体上的可动元件的台数，可以使悬浮体轻量化。而且，可以使悬浮体稳定地进行悬浮或高速地进行定位。
另外，由于使3台多自由度传动装置在水平XY面上分别旋转120度而配置，因此可以通过最小限度的多自由度传动装置来实现技术方案1所述的效果。
另外，由于沿着水平X方向配置4台多自由度传动装置中的2台，沿着水平Y方向配置另外2台，因此可以得到技术方案6所述的效果。而且，由于可以在工作台的4个角落配置4台多自由度传动装置，因此即使是工作台区域较大的悬浮体，也可以稳定地进行悬浮。
另外，由于附加可在一个方向上较大地进行移动的直线电动机，因此可以使悬浮体在较广的范围内进行移动。
附图说明
图1是表示本发明第1实施例的多自由度传动装置的仰视图。
图2是表示本发明第1实施例的多自由度传动装置的侧视图。
图3是表示本发明第1实施例的从多自由度传动装置的正面观察的剖视图。
图4是表示在本发明第1实施例中的可变悬浮力与推力产生原理的图。
图5是表示本发明第1实施例的多自由度传动装置与放大器的连接构成图。
图6是表示本发明第2实施例的多自由度传动装置的仰视图。
图7是表示本发明第2实施例的多自由度传动装置的侧视图。
图8是表示本发明第2实施例的从多自由度传动装置的正面观察的剖视图。
图9是表示本发明第3实施例的示出θY动作发生原理的图。
图10是表示在本发明第3实施例中的可变悬浮力与推力产生原理的图。
图11是表示本发明第4实施例的载物台装置的立体图。
图12是表示本发明第5实施例的载物台装置的立体图。
图13是表示本发明第5实施例的载物台装置的立体图。
图14是表示本发明第6实施例的载物台装置的立体图。
图15是表示本发明第6实施例的载物台装置悬浮体的立体图。
符号说明
100-定子；104-Z方向驱动用线圈；105-X方向驱动用线圈；106-齿；107a、107b-Z方向驱动用放大器；108-X方向驱动用放大器；110-可动元件；112-可动元件轭(天板)；114-永久磁铁；116-6层线圈；118-定子芯(基体)；119-磁铁磁通线；200-悬浮体；201-工作台；300-直线电动机定子；310-直线电动机可动元件。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施方式进行说明。
实施例1
图1、图2是表示本发明第1实施例的多自由度传动装置的仰视图与侧视图，图3是从正面观察的剖视图。
可动元件110由永久磁铁114和可动元件轭112构成，定子100由定子芯118、X方向驱动用线圈105、Z方向驱动用线圈104构成。
其构成如下：将永久磁铁114在X方向上交互排列配置，极数P＝2且极性相反，在与永久磁铁114的磁极相对的位置配置P＝2个Z方向驱动用线圈104，同时在X方向驱动用线圈105的线圈边与Z方向驱动用线圈104中心一致的位置配置P/2＝1个X方向驱动用线圈105。
另外，如图2所示，X方向驱动用线圈105构成为将线圈端部弯曲，以将线圈边埋入到Z方向驱动用线圈104空心中的形式配置。
定子芯118是磁性体，例如以减少铁损为目的，使用积层电磁钢板的部件或由压粉磁芯构成的压型体。
图4是表示悬浮力、可变悬浮力、推力产生原理的图。虚线表示由永久磁铁114产生的磁通线119。
首先，在永久磁铁114与定子芯118之间产生磁吸引力，该磁吸引力成为悬浮力。
接下来，如永久磁铁114产生的磁通线119所示，在X方向驱动用线圈105中通过磁通密度±Z方向的磁通，在Z方向驱动用线圈104中通过磁通密度±X方向的磁通。
电流在图4所示的方向上流动时，在Z方向驱动用线圈104中产生-Z方向的劳伦兹力，其结果，在可动元件110上产生Z方向的可变悬浮力。
另外，在X方向驱动用线圈105中产生-X方向的劳伦兹力，其结果，在可动元件110上产生+X方向的推力。
图5表示多自由度传动装置与放大器的连接构成。其构成如下：使用1台放大器对X方向驱动用线圈105在X方向上进行驱动控制，串联连接P＝2个Z方向驱动用线圈104，并使用1台放大器107a在Z方向上进行驱动控制，连接X方向驱动用线圈105，并使用1台放大器108在X方向上进行驱动控制。
通过这样的构成，可以实现X方向的推进动作与Z方向的悬浮动作的2自由度动作。另外，在实现进行Z方向的悬浮动作与X方向的推进动作的多自由度传动装置的同时，可以使磁间隙变小，可以实现小型但推力、悬浮力、可变悬浮力却较大的传动装置。
实施例2
下面对本发明第2实施例进行说明。
图6、图7、图8是表示本发明第2实施例的多自由度传动装置的仰视图、侧视图及从正面观察的剖视图。
在定子芯118上整体形成齿106，同时将Z方向驱动用线圈104***于齿106，将X方向驱动用线圈105配置在齿106的顶端。在现有的构成中，由于将定子芯配置在进行积层的线圈上部，因此磁间隙增大了所有线圈部分的厚度。但是，由于是在Z方向驱动用线圈104的空心部配置齿的构成，磁间隙只是X方向驱动用线圈105的厚度，因此可以在未加大磁间隙的情况下通过增厚Z方向驱动线圈来增加卷绕数，通过加宽X方向驱动用线圈的宽度来增加卷绕数。因此，可以提供X方向的推力与Z方向的悬浮力、可变悬浮力较大的多自由度传动装置。
实施例3
下面对本发明第3实施例进行说明。
图9是表示本发明第3实施例的多自由度传动装置与放大器的连接构成图。
其构成如下：使用2台放大器107a、107b对P＝2个Z方向驱动用线圈进行Z方向与θY方向(围绕与X轴和Z轴正交的Y轴的旋转方向)的驱动控制，连接X方向驱动用线圈105，并使用1台放大器108进行X方向上的驱动控制。
图10是表示θY动作的产生原理的图。虚线表示由永久磁铁114产生的磁通线119。
如永久磁铁114产生的磁通线119所示，在X方向驱动用线圈105中通过±Z方向的磁通，在Z方向驱动用线圈104中通过±X方向的磁通。
电流在图10所示的方向上流动时，在Z方向驱动用线圈104中产生-Z方向的劳伦兹力，其结果，在可动元件110上产生Z方向的可变悬浮力。
另外，在X方向驱动用线圈105中产生-X方向的劳伦兹力，其结果，在可动元件110上产生+X方向的推力。
在此，如图10所示，对流动于2个Z方向驱动用线圈104中的电流使用2台放大器，通过使连接于Z方向驱动用放大器107a的Z方向驱动用线圈104(图10左侧)的电流大于连接于Z方向驱动用放大器107b的Z方向驱动用线圈104(图10右侧)的电流，从而可以使X轴方向左右的可变悬浮力存在差异，在图中所示的θY方向上也可以进行驱动。
通过这样的构成，可以提供在进行X方向的悬浮动作与X方向的推进动作的2自由度动作的基础上，还进行θY方向的驱动动作的3自由度动作的多自由度传动装置。
另外，虽然在本实施例中对P＝2的情况进行了说明，但是，即便使本实施例为在X方向上进行排列且P＝4、6、…的构成，也当然可以得到本发明的效果。
以下，对使用有这些多自由度传动装置的精密载物台进行说明。
实施例4
图11是表示本发明第4实施例的载物台装置的立体图。
本发明第4实施例是使用3台实施例1或实施例2的多自由度传动装置而作为载物台装置构成的。悬浮体200由工作台201与3台可动元件110构成，可动元件110在工作台201的水平XY面上分别旋转120度而设置。而且，在与可动元件110相对的上部隔着间隙将3台定子100设置在未图示的固定用天板上。在各可动元件110上产生的推力与悬浮力的方向与图11中表示在各定子100上的箭头(→)方向一致。3台可动元件110都产生Z方向的悬浮力。而且，在将水平XY面上的X方向作为0度时，可动元件110在0度、120度、240度的方向上产生推力。
另外，对于悬浮体200的位置，通过未图示的激光干涉仪等光学式距离检测装置可以高精度地检测出X、Y、Z的直线3方向与围绕各轴θX、θY、θZ的旋转3方向的位置。
如上构成的载物台装置由于多自由度传动装置产生推力与悬浮力的2方向的力，因此可以通过3台多自由度传动装置合计控制6个力。通过在考虑这6个力的大小、各力的产生点、悬浮体的重心位置的同时进行控制，可以使悬浮体200在X、Y、Z的直线3方向与θX、θY、θZ的旋转3方向上移动。
因此，与现有的载物台装置相比，可以减少安装于悬浮体的可动元件的台数，使悬浮体轻量化。而且，可以稳定地使悬浮体进行悬浮和高速地进行定位。
实施例5
图12是表示本发明第5实施例的载物台装置的立体图。
悬浮体200由面积较大的大致呈四角形的工作台201与设置在其4个角落的可动元件110构成。4台可动元件110中的2台沿着水平X方向配置在工作台201的对角位置，另外2台沿着水平Y方向同样配置在工作台201的对角位置。而且，在与这些可动元件110相对的上部隔着间隙将4台定子100设置在未图示的固定用天板上。在各可动元件110上产生的推力与悬浮力的方向与图12中表示在各定子100上的箭头(→)方向一致。4台可动元件110都产生Z方向的悬浮力。而且，各可动元件110在XY面上产生X方向与Y方向的推力。
另外，对于悬浮体200的位置，通过未图示的激光干涉仪等可以高精度地检测出X、Y、Z的直线3方向与围绕各轴θX、θY、θZ的旋转3方向的位置。
如上构成的载物台装置由于多自由度传动装置产生推力与悬浮力的2方向的力，因此可以通过4台多自由度传动装置合计控制8个力。在考虑这8个力的大小、各力的产生点、悬浮体的重心位置的同时进行控制，可以使悬浮体200在X、Y、Z的直线3方向与θX、θY、θZ的旋转3方向上移动。
因此，与现有的载物台装置相比，可以减少安装于悬浮体的可动元件的台数，使悬浮体轻量化。而且，可以稳定地使悬浮体进行悬浮和高速地进行定位。而且，由于在工作台的4个角落配置有4台多自由度传动装置，因此即使是工作台的面积较大的悬浮体，也可以稳定地进行悬浮。
实施例6
图13是表示本发明第6实施例的载物台装置的立体图。
在本实施例中，4台可动元件110中的2台沿着水平X方向配置在工作台201的对角位置，另外2台沿着水平Y方向同样配置在工作台201的对角位置。与此相对，在第6实施例中，4台可动元件110中的2台沿着水平X方向配置在工作台201的左右两边，另外2台沿着水平Y方向同样配置在工作台201的上下两边。
在如上的构成中，可以与第5实施例相同地控制悬浮体，同时可以得到相同的效果。
实施例7
图14、15是表示本发明第7实施例的载物台装置与其悬浮体的立体图。在这些图中，直线电动机定子是300，直线电动机可动元件是310。
在悬浮体200上首先配置有大致呈四角形的工作台201与4台可动元件110。4台可动元件110沿着水平Y方向被配置成2台直列，在X方向上并列配置有与此相同的可动元件。而且，在与可动元件110相对的上部隔着间隙将4台定子100设置在未图示的固定用天板上。在各可动元件110上产生的推力与悬浮力的方向与图14中表示在各定子100上的箭头(→)方向一致。4台可动元件110都在Z方向上产生悬浮力，在X方向上产生推力。并且，定子100构成为增加了悬浮体200的Y方向移动量的长度，以便悬浮体200即使在Y方向上较大地进行移动也可以产生推力与悬浮力。
而且，在工作台201的中央部设置有直线电动机可动元件310，在与此相对的上部隔着间隙将直线电动机定子300设置在固定用天板上(未图示)。在直线电动机可动元件310上产生的推力的方向是与图14中表示在直线电动机定子300上的箭头(→)方向一致的Y方向。
另外，对于悬浮体200的位置，通过未图示的激光干涉仪等可以高精度地检测出X、Y、Z的直线3方向与围绕各轴θX、θY、θZ的旋转3方向的位置。
如上构成的载物台装置由于多自由度传动装置产生推力与悬浮力的2方向的力，因此可以通过4台多自由度传动装置合计控制8个力。但是，由于4台多自由度传动装置的推力都是X方向的力，因此无法得到使悬浮体在Y方向上移动的力。也就是说，通过在考虑8个力的大小、各力的产生点、悬浮体的重心位置的同时进行控制，可以使悬浮体200在X、Z的直线2方向与θX、θY、θZ的旋转3方向上移动。而且，通过直线电动机可以控制Y方向的力，因此可以在Y方向上较大地进行移动。
因此，与现有的载物台装置相比，可以在减少安装于悬浮体的可动元件台数的同时，可以稳定地进行悬浮和在一个方向上较大地进行移动。
由于可以进行Z方向的悬浮动作与X方向的推进动作，实现小型但推力、悬浮力、可变悬浮力却较大的传动装置，因此也可以应用于真空用搬运装置这样的用途中。

Claims (9)

1.一种多自由度传动装置，其特征在于，构成为，由具有多个永久磁铁的可动元件、具有定子芯与多个线圈的定子构成，将所述永久磁铁在X方向上并列配置，使极数P由2以上的偶数组成，所述线圈由X方向驱动用线圈与Z方向驱动用线圈的2种构成，将P个所述Z方向驱动用线圈配置在与所述永久磁铁的磁极相对的位置，同时将P/2个所述X方向驱动用线圈配置在与所述永久磁铁磁极间的中心相对的位置。
2.根据权利要求1所述的多自由度传动装置，其特征为，将所述X方向驱动用线圈的线圈边配置于所述Z方向驱动用线圈的空心部。
3.根据权利要求1所述的多自由度传动装置，其特征为，在所述定子芯上整体形成P个齿，同时将所述Z方向驱动用线圈***于所述齿，将所述X方向驱动用线圈配置在所述齿的顶端。
4.根据权利要求1所述的多自由度传动装置，其特征为，使用1台放大器对所述X方向驱动用线圈进行X方向驱动控制，使用1台放大器对所述Z方向驱动用线圈进行Z方向驱动控制。
5.根据权利要求1所述的多自由度传动装置，其特征为，使用1台放大器对所述X方向驱动用线圈进行X方向驱动控制，在分成2组的所述Z方向驱动用线圈中，在使用1台放大器对一个所述Z方向驱动用线圈进行Z方向驱动控制的基础上，使用另1台放大器对另一个所述Z方向驱动用线圈进行θY方向驱动控制。
6.一种载物台装置，其特征为，至少使用3台多自由度传动装置使悬浮体多自由度地移动，多自由度传动装置由具有多个永久磁铁的可动元件、具有定子芯与多个线圈的定子构成。
7.根据权利要求6所述的载物台装置，其特征为，使3台所述多自由度传动装置在水平XY面上分别旋转120度而配置。
8.根据权利要求6所述的载物台装置，其特征为，沿着水平X方向配置4台所述多自由度传动装置中的2台，沿着水平Y方向配置另外2台。
9.根据权利要求6所述的载物台装置，其特征为，附加可在一个方向上较大地进行移动的直线电动机。
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