JP6611739B2 - 位置決めユニット - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段部に記載の、リニア駆動装置によって移動可能なキャリッジのための位置決めユニットに関する。

リニア駆動装置は、一般的に、長い部分と短い部分とを有していて、例えばスピンドル駆動装置では、スピンドルとナットとを有しており、この両方の部分は、相対的に可動であり、両部分のうちの一方が、キャリッジに結合されているかまたは結合される。さらに従来技術から、シリンダと、ピストンロッドを有するかまたはピストンロッドを有しないピストンとを備えた、液圧式または空気力式の調節装置を有するリニア駆動装置、またはリニアモータが公知である。リニア駆動装置を備えた位置決めユニットは、例えば、ワークピースまたは試料が検査のために載置または固定されているキャリッジの位置決めのために使用される。このような位置決めユニットは、従来技術では、互いに垂直に位置する２つまたは３つの運動方向において配置されかつ組み合わせられ、これによって二次元または三次元の位置決めが可能になる。

電動機または他の駆動装置による、例えばスピンドル駆動装置であるリニア駆動装置の作動時に、構成要素の摩擦、駆動装置の加熱または外的な影響によって、リニア駆動装置は加熱する。その結果、構成要素も同様に加熱し、使用される材料の熱膨張係数に相応して、膨張または長さ変化することになる。このような長さ変化を吸収するかまたは許容することができるようにするために、従来技術では、例えばスピンドル駆動装置において、このような事情が、スピンドルの支持部において考慮される。従って、スピンドルは一端に可動軸受（Loslager）を備え、他端に固定軸受（Festlager）を備える。固定軸受は、回転軸線に沿ったスピンドルの位置を画定し、可動軸受は、スピンドルの膨張を可能にする。優先的にこれに結び付く問題としては、このような形態においてはスピンドルの加熱時に、スピンドルに結合されたキャリッジが、その目標位置からエラー距離だけ移動させられるということがある。このエラー距離の大きさ、およびこれに結び付く誤った位置決めは、固定軸受に関連したスピンドル駆動装置のナットの位置に関連している（固定軸受に対する間隔増大に連れて、エラー距離の値も大きくなる）。例えばスピンドルナットの位置誤差は、１５０ｍｍの長さを有するスピンドルにおいて、２.４μｍ／℃までの値である。このようなエラー位置決めによって、例えば、走査型プローブ顕微鏡における高精密な検査時またはプリント回路基板の製造時に、許容不能なエラーが生じる。

従来技術に基づいて、リニア駆動装置において温度に基づいて生じる位置誤差を補正する装置および方法が公知である。従来技術に基づいて公知の装置および方法では、多くの場合リニア駆動装置の加熱が測定され、リニア駆動装置の予め設定されたモデルを用いて後調整位置決めされる。代替的に、キャリッジの実際の位置を求めるために、ＮＣ制御される加工機において一般的であるように、温度に対して鈍感な長さ測定系、例えばガラスゲージを使用することができる。この場合には、閉ループ回路を介して、リニア駆動装置を、熱によるドリフトが補正されるように位置決めされることができる。

欧州特許出願公開第１１７０６４７号明細書に基づいて、工作機械のスピンドル駆動装置における熱発生および熱伝達に基づく熱によるずれを補正するための修正値を求めること、および工具位置を修正値に基づいて修正することが公知である。

さらに例えば特開平５−２０８３４２号公報に基づいて、送りねじ用の位置検出器を備えた送りモータが公知である。ギャップセンサを用いてギャップ量が検出され、測定器を用いて測定される。送りねじの長手方向の熱によるシフトが、測定された変位量、機械定数およびこれに類したものに基づいて計算され、位置誤差のための修正値が求められ、送りねじの位置がＮＣ制御装置によって修正される。

しかしながら、従来技術に基づいて公知の方法または装置において必要な「後調整位置決め」によって、位置決めユニットまたは位置決めユニットの部分が新たに加熱され、このことは、さらなる「後調整位置決め」を必要とし、かつ位置決めユニットを新たに加熱し、以下同様である。同様に、次いで生じる系の冷却時には、構成要素の短縮による位置誤差が再び発生し、これによってキャリッジの新たな「後調整位置決め」が必要となり、そしてこれは、それに続く新たな加熱に結び付く。このような事情により、位置決めユニットのキャリッジの調整および「後調整位置決め」は、絶え間なく行われ、これによって、たとえ不可能でないとしても、構成要素の特に正確な位置決めは困難になる。

従来技術に基づいて公知の別の方法は、例えば、型式に基づくアプローチによって、つまり構造体における温度分布から長さ変化を計算するアプローチによって、または例えば高価なガラススケールのような適宜な長さ測定系の使用によって、リニア駆動装置の熱による膨張／収縮に基づく試料の移動を測定し、リニア駆動装置を用いて再びキャリッジをほぼ正確に位置決めすることができる。位置誤差または温度勾配を把握するために必要な、センサ装置における高いコストを無視したとしても、駆動装置の作動は、系に対する動的な干渉を意味し、このような干渉は、スティックスリップ作用による震動、振動励起または位置決めエラーのような様々な不都合な結果を伴う。このような干渉は、測定系の場合には、測定結果のアーチファクトとして、加工機械の場合には、不所望の表面構造として現れることがある。さらに、この方法では、偏差がリニア駆動装置の感度限界のオーダ内にある場合にしか、サーマルドリフトを取り除くことができない。

ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の装置を改良して、リニア駆動装置の熱膨張に基づく位置誤差を最小にするかまたは完全に回避することである。

この課題は、請求項１の特徴部に記載の構成によって解決される。本発明によれば、位置決めユニットは、少なくとも２つの補正ロッドを有しており、各２つの隣接する補正ロッドが、一端でジョイントを介して互いに結合されていて、かつそれぞれ他端で、リニア駆動装置の長い部分に、リニア駆動装置の長い部分の端部にそれぞれ配置された２つのジョイント装置のうちの１つを介して結合されており、補正ロッドとリニア駆動装置の長い部分とは、三角形の形に配置されており、ジョイントにおける補正ロッドの間の角度が、リニア駆動装置の長い部分の熱による長さ変化によって、変化可能であり、かつキャリッジはジョイントに結合されていて、リニア駆動装置の短い部分はベースに結合されており、またはキャリッジはリニア駆動装置の短い部分に結合されていて、ベースはジョイントに結合されている。

補正ロッドおよびジョイントならびにジョイント装置を備えた装置の構造によって、リニア駆動装置の長さ変化によって、ジョイントを介して結合された隣接する補正ロッドの間における角度が変化する。この角度は、冷却時およびこれに関連したリニア駆動装置の長い部分の短縮時には小さくなり、かつ、加熱時または温度上昇時、およびこれに関連したリニア駆動装置の長い部分の伸長時には、この角度は大きくなる。このようにして、熱膨張によって生じるリニア駆動装置における応力が阻止され、かつ同時に、リニア駆動装置に固定されたキャリッジの位置誤差が補償される。補正は、最適な場合には、位置決め時にスピンドルの中心において完全に、かつ発生時に直ぐに補償され、キャリッジを後調整位置決めする必要はない。このようにして、キャリッジに配置された試料の測定が妨害なしに可能であり、または製造が中断なしに実施可能であり、かつ位置決め、加熱、後調整位置決め、冷却、新たな後調整位置決めといった、位置決め後における過渡的応答を予想することは不要である。

さらに、熱に対して安定性を有するコンパクトな新しい電動機式の位置決めユニットが得られ、この位置決めユニットは、位置決めユニットにおける構成要素の熱による長さ変化を補正し、迅速かつ確実な位置決めを可能にする。これによって、温度変化による許容不能なドリフト動作を生じさせることなしに、大きな温度飛躍がある環境においても、電動機式の位置決めユニットを使用することができる。本発明に係る位置決めユニットは、ワークピースの正確な位置決めのため、または顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡、走査型フォース顕微鏡、電子顕微鏡およびこれに類したもの用の試料位置決めのために提供される。

装置の特に好適な態様は、従属請求項に記載の特徴によって詳しく規定される。

リニア駆動装置自体が、スピンドル軸線の長手方向に向けられた負荷とは別の負荷、例えばスピンドル軸線に対して横方向の軸線を中心にしたトルクを受け止めねばならないことを阻止するために、対称的な構造が有利である。このような構成では、４つの補正ロッドが使用されるようになっており、このとき各２つの隣接する補正ロッドは、一端においてそれぞれジョイントを介して結合されていて、かつそれぞれ他端において、リニア駆動装置の長い部分に、リニア駆動装置の長い部分の端部にそれぞれ配置された２つのジョイント装置のうちの１つを介して結合されており、ジョイントを介して結合された２つの補正ロッドとリニア駆動装置の長い部分とは、それぞれ三角形の形で配置されており、ジョイントにおいて結合された２つの補正ロッドの間の、ジョイントにおける角度がそれぞれ、リニア駆動装置の長い部分の熱による長さ変化によって、変化可能であり、４つの補正ロッドは、平行四辺形の形で配置されており、キャリッジはジョイントに結合されていて、リニア駆動装置の短い部分はベースに結合されており、またはキャリッジはリニア駆動装置の短い部分に結合されていて、ベースはジョイントに結合されている。

このように構成されていると、リニア駆動装置の長い部分は、曲げ負荷を受けず、かつリニア駆動装置のスムーズな作動が保証され、かつキャリッジの傾きが阻止される。

補正ロッドにおける特に良好な配置形態および力分布を得るための態様では、２つの、特に４つの補正ロッドは、等しい長さを有していて、ジョイントを介して結合された２つの補正ロッドはそれぞれ、リニア駆動装置の長い部分と共に、等辺三角形の形で配置されており、特に４つの補正ロッドは、平行四辺形の形で配置されている。

代替的な態様では、２つの、特に４つの補正ロッドは、好ましくは対を成して異なった長さを有しており、かつジョイントを介して結合された２つの補正ロッドはそれぞれ、リニア駆動装置の長い部分と共に、一般的な三角形の形で配置されており、かつ／または特に４つの補正ロッドは、一般的な四角形の形で配置されている。

ジョイント装置の構造を簡単化し、かつこれにより本発明に係る装置のコストを低減する態様では、ジョイント装置はそれぞれ、少なくとも２つの部分ジョイントを有しており、各部分ジョイントはそれぞれ、ジョイント装置を各１つの補正ロッドに結合している。

装置のサイズを減じる態様では、ジョイント、ジョイント装置および／または部分ジョイントは、撓みジョイントとして形成されている。

撓みジョイントの使用は、分離型ジョイントに対して明らかな利点を提供する。すなわち撓みジョイントは、遊びのない、摩擦のない、つまり十分に直線的な特性を有し、安価に、かつ比較的小さな構造空間において実現することができる。

装置を特にフラットに構成することができかつ応力を特に効果的に装置内に分配する態様では、ジョイント、ジョイント装置およびリニア駆動装置は、一平面に配置されていて、ジョイントはこの平面において移動可能である。

位置決めユニットの剛性を高める態様では、補正ロッド、ジョイントおよび／またはジョイント装置は、比較的剛性の高い構成のためにダブルで構成されており、特に互いに平行に配置された各２つの平面においてそれぞれ、リニア駆動装置の運動平面に対して間隔をおいて、特にリニア駆動装置を中心にした鏡面対称の配置形態で配置されている。

キャリッジを回動およびジャミングに対して保護する態様では、キャリッジは、少なくとも１つのガイド、特にクロスローラガイドにおいて案内されている。さらに代替的に、リニアボールガイド、空気静圧式または静液圧式のリニアガイドが使用可能である。

装置の好適な態様では、リニア駆動装置は、スピンドル駆動装置として形成されており、長い部分はスピンドルとして形成されていて、短い部分は、スピンドルに沿って移動するナットとして形成されており、補正ロッドはそれぞれ、スピンドルの両端部のうちの１つに、ジョイント装置を介して、特に部分ジョイントに結合されており、キャリッジは、ナットに結合されていて、ベースは、ジョイントに、特に２つのジョイントに結合されており、またはキャリッジは、ジョイントに、特に２つのジョイントに結合されていて、ベースは、ナットに結合されている。

スピンドルの長さ変化を特に良好に装置において受け止める態様では、スピンドルはそれぞれ軸受に、特に固定軸受において、ジョイント装置に支持されている。

一方の側において緊締された軸受を使用する場合には、構造的に一方の側における軸受がそれでも固定軸受（Festlager）として作用するようにするために働く予荷重を、系内において生じさせねばならない。

キャリッジまたはベースにおける取付けを改善する態様では、装置はばねを有しており、各１つのばねは、それぞれジョイントを、キャリッジまたはベースに結合していて、かつ／またはジョイントはそれぞればねによって予荷重可能である。

予荷重はさらに、リニア駆動装置の長い部分における初期引張り力または初期押圧力の調節、およびジョイントを介して結合された補正ロッドの間における角度の変化を可能にする。

位置決めユニットの単純な構成が得られる態様では、補正ロッドおよび／またはジョイント装置は、好ましくは平らなプレートに、特に金属薄板に組み込まれていて、当該プレートとして形成されており、ジョイントおよび／または部分ジョイントは、好ましくはプレートに、撓みジョイントとして、特に補正ロッドおよび／またはジョイント装置を結合するウェブとして形成されている。

プレートの製造は、例えば打抜き、浸食加工、またはレーザまたは他の適宜な製造方法を用いた例えば金属薄板からのプレートの切出しによって達成される。

位置決めユニットの剛性をさらに高めることができる態様では、少なくとも２つの、特に４つのプレートが設けられており、位置決めユニットは、プレートの各２つの層を備えたジョイント構造の、互いに平行に配置された２つの平面によって形成されている。

位置決めユニットの細く形成された単純な構成が得られる態様では、ばねは、平行四辺形構造として形成されており、平行四辺形構造は、補正ロッドに、特にプレートに組み込まれている。

ジョイントまたは補正ロッドとキャリッジまたはベースとの結合を達成することができる態様では、補正ロッドは、特に平行四辺形構造に配置された、好ましくはジョイントの領域に配置された接続点を有しており、１つの補正ロッドの接続点は、各ジョイントを介して結合された補正ロッドの接続点と共に、それぞれ結合エレメントを介して、キャリッジまたはベースに結合されている。

補正構造内への入熱を僅かに保つためおよび局部的な温度勾配を回避するための態様では、リニア駆動装置、ジョイント装置および補正ロッドは、例えば同じ材料または適宜な熱伝達係数を有する材料のような、適宜な材料選択によって、相互に良好な熱伝達を有しており、かつ／または例えばキャリッジ、ベースおよびモータのような、位置決めユニットの残りに対して大きな接触面が、それにもかかわらず、例えば小さな接触面および、例えばプラスチック層または空隙のような絶縁層の所望の使用によって、熱的に十分に遮断されている。さらに補正構造はその熱容量が意識的に僅かに保たれ、これに対して、位置を確定しない構成要素の熱容量は比較的大きい。このような特性の共働によって、位置決めユニット内にもたらされる熱は、好適に、位置を確定しない部分内に分配される。それにもかかわらず、断熱部を介して補正構造内に流入する僅かな熱量は、良好な熱伝達と僅かな熱容量に基づいて補正構造内において迅速に分配され、温度勾配をほとんど発生させることがない。

二次元に位置決め可能なキャリッジを備えた位置決めユニットを提供する態様では、２つの位置決めユニットと、位置決めユニットに対応配置された各１つのリニア駆動装置とが設けられており、好ましくは、リニア駆動装置のキャリッジの運動方向が、互いに垂直に延びており、キャリッジのうちの１つが、それぞれ他方の位置決めユニットのベースまたはキャリッジに結合可能である。

三次元に位置決め可能なキャリッジを備えた位置決めユニットを提供する態様では、別の位置決めユニットが、三次元の位置決めのために設けられており、好ましくは、別の位置決めユニットは、２つの位置決めユニットに対して垂直に配置されていて、２つの位置決めユニットのうちの１つの位置決めユニットのベースまたはキャリッジに結合可能である。

本発明の別の利点および構成は、明細書の説明および添付の図面に記載されている。

次に、図面に概略的に示した特に有利な実施形態を参照しながら本発明を詳説する。なお本発明は、本実施形態に限定されるものとして理解されるべきではない。

図１ａは、本発明に係る位置決めユニットの一実施形態を概略的に示す図であり、図１ｂは、４つの補正ロッドを備えた本発明に係る位置決めユニットの一実施形態を概略的に示す図である。 基準系またはベースに固定されたナットを備えた本発明に係る位置決めユニットの一実施形態を概略的に示す図である。 キャリッジを備えた本発明に係る位置決めユニットの一実施形態を示す斜視図である。 図３に示した位置決めユニットの断面斜視図である。 図５ａは、本発明に係る位置決めユニットの補正構造の一実施形態を示す斜視図であり、図５ｂは、４つのプレートを備えた本発明に係る位置決めユニットの補正構造の一実施形態を示す斜視図である。 変形していない状態におけるジョイントの一実施形態を詳細に示す図である。 変形した状態におけるジョイントの一実施形態を詳細に示す図である。 本発明に係る位置決めユニットの断面斜視図である。 装置の一実施形態の輪郭を示す図である。 互いに垂直に位置決めされた２つの位置決めユニットを備えた本発明の一実施形態を示す図である。

図１ａには、２つの補正ロッド４ａ，４ｂを備えた本発明に係る位置決めユニット１０の一実施形態が示されている。両方の補正ロッド４ａ，４ｂは、ジョイント６を介して結合されていて、リニア駆動装置１の長い部分を備えた二等辺三角形の形に配置されている。この実施形態は、図１ｂの実施形態の図面についての説明においても同様に説明される。

図１ｂには、本発明に係る位置決めユニット１０の一実施形態が概略図で示されている。位置決めユニット１０は、長い部分と短い部分とを備えたリニア駆動装置１を有している。このリニア駆動装置１は、本実施形態ではスピンドル駆動装置として形成されていて、長い部分はスピンドル２であり、短い部分はナット７である。ナット７はスピンドル２に位置していて、キャリッジ３に固定されている。スピンドル２の回転時に、キャリッジ３は、ナット７によってスピンドル軸線に沿って並進移動させられる。スピンドル２は、その両端部に、本実施形態では固定軸受として形成されたころがり軸受である、２つの軸受１５ａ，１５ｂを用いて、回転可能に支持されており、軸受１５ａ，１５ｂにおいてそれぞれジョイント装置５ａ，５ｂに結合されている。位置決めユニット１０は、４つの補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを備えた補正構造１１を有している。隣接した補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄのうちの２つ、つまり補正ロッド４ａ，４ｂは、その両端部のうちの一方の端部において、それぞれ、ジョイント６ａ、本実施形態では例えばヒンジジョイントを介して互いに結合されていて、かつ他方の端部において、それぞれジョイント装置５ａ，５ｂを介して、リニア駆動装置１のスピンドル２に結合されている。別の２つの補正ロッド４ｃ，４ｄも補正ロッド４ａ，４ｂと同様に、ジョイント６ｂを介して、その両端部のうちの一方の端部において、互いに結合されていて、かつそれぞれ他方の端部で同様にジョイント装置５ａ，５ｂに固定されている。補正ロッド４ａ，４ｂおよび補正ロッド４ｃ，４ｄは、一緒に平行四辺形を形成している。補正ロッド４ａ，４ｂおよび補正ロッド４ｃ，４ｄは、ジョイント６ａ，６ｂを介して、リニア駆動装置１のスピンドル２と共に、それぞれ二等辺三角形を形成している。ジョイント６ａ，６ｂはそれぞれ、ばね９ａ，９ｂを介して、ベース１６に、つまり位置決めユニット１０のフレームに結合されている。補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、ジョイント６ａ，６ｂに、旋回可能なヒンジジョイントを用いて回転可能に互いに結合されており、かつジョイント装置５ａ，５ｂにおいて、それぞれ部分ジョイント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂに、本実施形態では同様にヒンジジョイントを介して、旋回可能に支持されている。ヒンジジョイントの他に、同様にボールジョイントまたは他の回転可能なジョイントも、ジョイント６ａ，６ｂおよび部分ジョイント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂのために適しており、同様に使用することができる。

スピンドル２の、熱による長さ変化時に、両方のジョイント装置５ａ，５ｂの間の間隔は増大する。補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、ジョイント装置５ａ，５ｂおよび部分ジョイント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂを介して傾けられ、ジョイント６ａ，６ｂは、スピンドル軸線に対して垂直にスピンドル２に向かって移動させられる。これによってさらに、補正ロッド４ａ，４ｂ；４ｃ，４ｄの間における角度が増大する。ベース１６におけるジョイント６ａ，６ｂの固定によって、スピンドル２の長さ変化は、補正ロッド４ａ，４ｂ；４ｃ，４ｄの間における角度変化およびスピンドル２に向かってのジョイント６ａ，６ｂの移動によって、キャリッジ３には伝達されず、キャリッジ３はその位置に留まる。ジョイント６ａ，６ｂをベース１６に結合するばね９ａ，９ｂは、ジョイント６ａ，６ｂの間の間隔の良好な調節のために、またはジョイント装置５ａ，５ｂにおける軸受遊びを回避するために、予荷重を有しているかまたは予荷重を加えることができる。ばね９ａ，９ｂは、空気力式のまたは調整された液圧式のシリンダと、または他のばね形式と、等価に交換することも可能である。

図２に示す実施形態は、図１に記載した実施形態と同様の、位置決めユニット１０の構造を有している。しかしながら、ナット７は、ベース１６に、つまり位置決めユニット１０のフレームおよび基準系に、不動に結合されている。キャリッジ３は、本実施形態では、ばね９ａ，９ｂを介してジョイント６ａ，６ｂに結合されている。この配置形態では、スピンドル２の回転時に、位置固定のナット７によって、補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、ジョイント装置５ａ，５ｂ、ジョイント６ａ，６ｂおよび、ジョイント６ａ，６ｂに結合されたキャリッジ３が、並進移動させられる。キャリッジ３は、良好な案内のために、両方の長辺においてそれぞれ、例えばクロスローラガイドであるガイド８ａ，８ｂを介して、案内されかつ支持されている。

図３には、キャリッジ３とリニア駆動装置１とを備えた位置決めユニット１０の別の実施形態が斜視図で示されている。図４には、この実施形態が断面図で示されている。スピンドル２は、モータ２３（図８）によって回転させられ、これにより、スピンドル２は、ベース１６またはフレームに固定されたナット７に対して移動する。スピンドル２の支持は、スピンドル２の両端部に取り付けられたころがり軸受１８ａ，１８ｂを介して行われる。ころがり軸受１８ａ，１８ｂの内レースは、スピンドル２の軸肩部にクランプされ、外レースはそれぞれ軸受シェル１７ａ，１７ｂ内にクランプされている。軸受シェル１７ａ，１７ｂの上側および下側には、ジョイント装置５ａ，５ｂが係合する。

図５ａには、図３および図４に記載された配置形態の位置決めユニット１０の補正構造１１が示されている。補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、例えば薄い金属薄板である２つのプレート２０ａ，２０ｂに、ジョイント装置５ａ，５ｂと一緒に形成されているか、または組み込まれている。軸受シェル１７ａ，１７ｂは、ジョイント装置５ａ，５ｂに結合されている。全補正構造１１は、プレート２０ａ，２０ｂを備えたジョイント構造の互いに平行に配置された２つの平面によって形成され、このときジョイント構造の両方の平面は、スピンドル２の軸線を中心にして鏡面対称に、またはリニア駆動装置１を挟んで鏡面対称に配置されている。これは、キャリッジ３とベース１６との間の剛性を高める。さらに構造は、補正構造１１がスピンドルの高さに位置する必要がないように対称的である。

図５ｂには、４つのプレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを備えた位置決めユニット１０の補正構造１１の別の実施形態が示されている。全補正構造１１は、互いに接触している、それぞれ２層のプレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを備えたジョイント構造の互いに平行に配置された２つの平面によって形成されており、ジョイント構造の両方の平面は、スピンドル２の軸線を中心にして鏡面対称に、またはリニア駆動装置１を挟んで鏡面対称に配置されている。プレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、同一に形成されていて、互いに上下に合致して位置している。ジョイント６ａ，６ｂおよび部分ジョイント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂは、プレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ内に撓みジョイント（Festkoerpergelenk）として形成されている（図９）。補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄとジョイント装置５ａ，５ｂとは、撓みジョイントとして形成されたジョイント６ａ，６ｂおよび部分ジョイント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂによって、本実施形態ではプレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄに形成されたウェブによって、枢着結合される。

プレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、それ自体閉鎖されていて、ナット７を介してベース１６に結合されている。プレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、４対の接続点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄを介してキャリッジ３に結合されている。図５ａおよび図５ｂに示すように、接続点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄは、結合エレメント２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを用いて対を成して、ねじを介して結合することができ、これらの結合エレメント２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄはその後で初めてキャリッジ３に結合される。代替的に、接続点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄは、キャリッジ３に直接結合されていてもよい。

スピンドル２の膨張時に、スピンドル２の支持部はスピンドル２と一緒に移動するが、キャリッジ３は位置固定のままである。ジョイント６ａ，６ｂおよび部分ジョイント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂは、図２に記載した実施形態と同様に、スピンドル２の膨張を補正し、これによって、キャリッジ３および、場合によってはキャリッジ３に載置された検査される試料は、位置決めユニット１０において同様に位置固定のままである。代替的に、可動のナット７と固定のスピンドル２とを備えた、機能方向が逆転されている構造も可能である。

接続点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄおよびばね９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄは、同様に撓みジョイントとして形成されるか、または撓みジョイントに合わせられる。接続点１９ａ，１９ｂの詳細図が、図６には変形していない状態で示され、図７には変形した状態で示されている。撓みジョイントとして形成されたジョイント６ａは、両方の補正ロッド４ａ，４ｂ相互の相対的な旋回を可能にし、旋回の回転中心を可能な限り画定する。スピンドル軸線に対して垂直な方向における回転中心の位置は、両方の補正ロッド４ａ，４ｂのそれぞれにおいて、各１つの平行四辺形構造２２ａを介して画定される。この平行四辺形構造２２ａは、取付け位置において可能な限りスピンドル軸線に対して横方向の純粋な運動を可能にし、これに対してスピンドル軸線に沿ったジョイント６ａ，６ｂの並進運動を阻止する。平行四辺形構造２２ａ自体は、接続点１９ａを介してキャリッジ３に結合されている。位置決めユニット１０の補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを介したスピンドル２の予荷重が望ましい場合には、接続点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄは、取付け中に、スピンドル２に向かってまたはスピンドル２から離間する方向に緊張させられ、これによって、スピンドル２に対する初期引張り力または初期押圧力を生じさせる。

キャリッジ３と位置決めユニット１０の補正構造１１とが、熱膨張係数の異なる材料から成っている場合には、２つの補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの接続点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄをそれぞれ最初に、位置決めユニット１０の補正構造１１と同じ熱膨張係数を有する結合エレメント２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して結合すること、およびこれらの結合エレメント２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄをキャリッジ３に結合することが可能である。このようにすると、接続点１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄの間における、温度に起因する応力を、平行四辺形構造２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄにおいて阻止することができる。図７には、変形された状態における補正ロッド４ａ，４ｂと、これによって生じた平行四辺形構造２２ａの変形とが詳細図で示されている。接続点１９ａまたはジョイント６ａは、このときスピンドル２の軸線に対して垂直な方向において移動させられ、スピンドル軸線の長手方向における移動は中断される。

図８には、リニア駆動装置１とキャリッジ３とを備えた本発明に係る位置決めユニット１０の一実施形態が示されている。スピンドル２の一端には、駆動装置、ここではステップモータ２３が固定されており、このステップモータ２３は、スピンドル２の回転を生じさせる。ナット７は、ベース１６に不動に結合されている。スピンドル２の回転は、スピンドル軸線に沿ったスピンドル２の移動を生じさせ、ひいてはスピンドル軸線の方向におけるキャリッジ３の並進移動を生じさせる。

図９には、図５に記載したプレート２０が、このプレート２０または金属薄板に組み込まれた補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、接続点１９ａ，１９ｂ、ジョイント６ａ，６ｂ、部分ジョイント１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂを備えたジョイント装置５ａ，５ｂ、および平行四辺形構造２２ａ，２２ｂと共に、平面図で示されている。

装置の別の実施形態は、対を成して異なる長さ寸法を有する４つの補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを備えており、このとき例えば補正ロッド４ａ，４ｃ；４ｂ，４ｄはそれぞれ異なった長さを有していて、一般的な四角形の形状に配置されていてよい。

図１０には、本発明の別の実施形態が示されている。ここでは、温度に基づく位置誤差を補正するための、各１つのキャリッジ３ａ，３ｂと各１つのリニア駆動装置１ａ，１ｂとを備えた２つの位置決めユニット１０ａ，１０ｂの組合せが示されている。この組合せは、直線的な調節動作を実行するのみならず、二次元の運動をも実行することができ、温度に基づいて同時に生じる二次元の位置誤差を回避することができる。両方の位置決めユニット１０ａ，１０ｂに対して垂直な追加的な位置決めユニット、ひいては三次元の運動および温度に基づいて同時に生じる位置誤差の補正も、同様に実現可能である。

本発明の別の観点は、本発明に係る位置決めユニット１０のための適宜な温度管理を提供することにある。先に記載した本発明の観点は、ここまですべて、いわば静的な状態から出発しており、つまりすべての構成要素が等しい温度を有することを前提としている。しかしながら、例えばスピンドル２において、例えば一端における駆動装置の取付けによって生じ得る温度勾配が形成されると、スピンドル２において不均一な膨張が生じる。

図３〜図１０に示した実施形態では、補正構造１１の提供と共に、構成要素における不均一な温度分布の作用に対して、熱絶縁および熱伝達の所望の観点が持ち出される。その走行方向に沿ったキャリッジ３の位置に対して責任がある構成要素、つまりスピンドル２、ナット７、軸受１８ａ，１８ｂ、ジョイント装置５ａ，５ｂおよび補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄおよび／またはプレート２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは、互いに良好に熱結合され、かつその熱容量（thermische Masse）が意識的に僅かに保たれる。これによって、これらの構成要素にまで伝わる熱は、迅速かつ均一に分配され、温度勾配は、このようにして小さく保たれる。例えばキャリッジ３およびモータ２３のような周囲に位置する構成要素に対しては、高い熱絶縁性が望まれる。さらに、これらの部分の高い熱容量が望まれる。これによってむしろ、例えばモータ２３のような幾つかの源からの熱が、位置を特定しない構成要素、つまりキャリッジ３、ベース１６および他の構造エレメントへの経路を見出す。さらに、境界を介して、位置を特定する領域、リニア駆動装置１、補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、ジョイント６ａ，６ｂ内などに流れる熱流は、当該領域の内部において均一な分布のために役立つ熱流に比べて小さい。（例えばモータ駆動による）１〜２℃の実際の温度上昇時に、スピンドル２は約５μｍ膨張する。

ステップモータ２３のフレームは、図８および図１０の実施形態では、キャリッジ３に結合されている。同様にまた、モータ２３を、軸受シェル１７ａ，１７ｂのうちの一方１７ａまたは１７ｂに配置することも可能である。このような構成形態には、モータ２３が駆動ストランドに直に支持され、かつ捩りモーメントが補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを介して支持されないという利点がある。

図示の実施形態におけるジョイント６ａ，６ｂおよびジョイント装置５ａ，５ｂは、撓みジョイントとして実現される。撓みジョイントの使用は、分離型ジョイント（diskret Gelenk）に対して明らかな利点を提供する。例えば撓みジョイントは、遊びなしに、摩擦なしに、つまりその特性を可能な限り直線的に実現することができ、かつ比較的僅かな構造空間内で実現することができる。代替的に、滑り軸受およびころがり軸受（例えば玉軸受、ころ軸受またはニードル軸受）を備えた分離型ジョイントも使用することができる。

図面を参照した記載において既に述べたように、温度補正のための位置決めユニット１０の、温度補正する構成要素が、キャリッジ３の一部ではなく、ベース１６の一部である配置形態も同様に可能である。

上に述べた発明は、同様に他のリニア駆動装置においても使用することができる。そのための例を挙げると：
スピンドル駆動装置、ボールねじ山駆動装置、例えばボール循環スピンドル、ローラ戻り機構を備えたローラねじ山駆動装置、プラネットローラねじ山駆動装置、台形ねじ山駆動装置、傾斜ねじ山駆動装置、静液圧式のねじ山駆動装置；リニアモータ；電気機械式のシリンダ、例えばスピンドル駆動装置を備えた電動機；空気力式シリンダ；液圧式シリンダ；ガス圧ばね；ラック式駆動装置；スコッチ・ヨーク・クランク伝動装置、例えばクランクループ；または歯付きベルト駆動装置。

リニア駆動装置における温度に基づいて生じる長さ変化を補正する位置決めユニット１０の別の等価構成は、屈曲ロッドを用いても可能である。屈曲ロッドはこのとき補正ロッド４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄおよび／またはジョイント６ａ，６ｂ、ならびにジョイント装置５ａ，５ｂの代わりを果たすことができる。屈曲ロッドは、曲げられた形状にまたは三角形の配置形態で構成されていてよい。この場合、リニア駆動装置１の長さ変化は、屈曲ロッドを変形させ、屈曲ロッドの湾曲または屈曲ロッド相互の角度を変化させ、かつこのようにして長さ変化補正の本発明に係る原理を実現する。

Claims (19)

1. リニア駆動装置（１）によって移動可能なキャリッジ（３）のための位置決めユニットであって、ベース（１６）を備えており、前記リニア駆動装置（１）、特にスピンドル駆動装置またはリニアモータは、前記リニア駆動装置（１）の長軸方向に延びる第１部材と前記第１部材に沿って移動する第２部材とを有している、位置決めユニットにおいて、
   当該位置決めユニット（１０）は、少なくとも２つの補正ロッド（４ａ，４ｂ）を有しており、各２つの隣接する補正ロッド（４ａ，４ｂ）が、一端でジョイント（６）を介して互いに結合されていて、かつそれぞれ他端で、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材に、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材の端部にそれぞれ配置された２つのジョイント装置（５ａ，５ｂ）のうちの１つを介して結合されており、前記補正ロッド（４ａ，４ｂ）と前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材とは、三角形の形に配置されており、前記ジョイント（６）における前記補正ロッド（４ａ，４ｂ）の間の角度が、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材の熱による長さ変化によって、変化可能であり、かつ前記キャリッジ（３）は前記ジョイント（６）に結合されていて、前記リニア駆動装置（１）の前記第２部材は前記ベース（１６）に結合されているか、または前記キャリッジ（３）は前記リニア駆動装置（１）の前記第２部材に結合されていて、前記ベース（１６）は前記ジョイント（６）に結合されていることを特徴とする、位置決めユニット。
2. ４つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）が設けられていて、各２つの隣接する補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、一端においてそれぞれジョイント（６ａ，６ｂ）を介して結合されていて、かつそれぞれ他端において、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材に、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材の端部にそれぞれ配置された２つのジョイント装置（５ａ，５ｂ）のうちの１つを介して結合されており、前記ジョイント（６ａ，６ｂ）を介して結合された２つの前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材とは、それぞれ三角形の形で配置されており、前記ジョイント（６ａ，６ｂ）において結合された２つの補正ロッド（４ａ，４ｂ）の間の、前記ジョイント（６ａ，６ｂ）における角度がそれぞれ、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材の熱による長さ変化によって、変化可能であり、前記４つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、平行四辺形の形で配置されており、前記キャリッジ（３）は前記ジョイント（６ａ，６ｂ）に結合されていて、前記リニア駆動装置（１）の前記第２部材は前記ベース（１６）に結合されているか、または前記キャリッジ（３）は前記リニア駆動装置（１）の前記第２部材に結合されていて、前記ベース（１６）は前記ジョイント（６ａ，６ｂ）に結合されている、請求項１記載の位置決めユニット。
3. 前記２つの、特に前記４つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、等しい長さを有していて、前記ジョイント（６）を介して結合された前記２つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）はそれぞれ、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材と共に、等辺三角形の形で配置されており、特に前記４つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、平行四辺形の形で配置されている、請求項１または２記載の位置決めユニット。
4. 前記２つの、特に前記４つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、好ましくは対を成して、異なった長さを有しており、かつ前記ジョイント（６）を介して結合された前記２つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）はそれぞれ、前記リニア駆動装置（１）の前記第１部材と共に、一般的な三角形の形で配置されており、かつ／または特に前記４つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、一般的な四角形の形で配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
5. 前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）はそれぞれ、少なくとも２つの部分ジョイント（１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ）を有しており、各部分ジョイント（１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ）はそれぞれ、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）を各１つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）に結合している、請求項１から４までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
6. 前記ジョイント（６ａ，６ｂ）、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）および／または前記部分ジョイント（１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ）は、撓みジョイントとして形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
7. 前記ジョイント（６ａ，６ｂ）、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）および前記リニア駆動装置（１）は、一平面に配置されていて、前記ジョイント（６ａ，６ｂ）はこの平面において移動可能である、請求項１から６までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
8. 前記補正ロッド、前記ジョイントおよび／または前記ジョイント装置は、比較的剛性の構成のためにダブルで構成されており、特に互いに平行に配置された各２つの平面においてそれぞれ、前記リニア駆動装置（１）の運動平面に対して間隔をおいて、特に前記リニア駆動装置（１）を中心にした鏡面対称の配置形態で配置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
9. 前記キャリッジ（３）は、少なくとも１つのガイド（８）、特にクロスローラガイドにおいて案内されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
10. 前記リニア駆動装置（１）は、スピンドル駆動装置として形成されており、前記第１部材はスピンドル（２）として形成されていて、前記第２部材は、前記スピンドル（２）に沿って移動するナット（７）として形成されており、前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）はそれぞれ、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）を介して前記スピンドル（２）の両端部のうちの１つに、特に前記部分ジョイント（１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ）に結合されており、前記キャリッジ（３）は、前記ナット（７）に結合されていて、前記ベース（１６）は、前記ジョイント（６）に、特に前記２つのジョイント（６ａ，６ｂ）に結合されているか、または前記キャリッジ（３）は、前記ジョイント（６）に、特に前記２つのジョイント（６ａ，６ｂ）に結合されていて、前記ベース（１６）は、前記ナット（７）に結合されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
11. 前記スピンドル（２）はそれぞれ軸受（１８ａ，１８ｂ）に、特に固定軸受において、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）に支持されている、請求項１０記載の位置決めユニット。
12. 前記装置はばね（９ａ，９ｂ）を有しており、各１つのばね（９ａ，９ｂ）は、それぞれジョイント（６ａ，６ｂ）を、前記キャリッジ（３）または前記ベース（１６）に結合していて、かつ／または前記ジョイント（６ａ，６ｂ）はそれぞれ前記ばね（９ａ，９ｂ）によって予荷重可能である、請求項１から１１までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
13. 前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）および／または前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）は、好ましくは平らなプレート（２０）に、特に金属薄板に組み込まれていて、当該プレート（２０）として形成されており、前記ジョイント（６ａ，６ｂ）および／または前記部分ジョイント（１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ）は、好ましくは前記プレート（２０）に、撓みジョイントとして、特に前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）および／または前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）を結合するウェブとして形成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
14. 少なくとも２つの、特に４つのプレート（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）が設けられており、当該位置決めユニット（１０）は、前記プレート（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）の各２つの層を備えたジョイント構造の、互いに平行に配置された２つの平面によって形成されている、請求項１３記載の位置決めユニット。
15. 前記ばね（９ａ，９ｂ）は、平行四辺形構造（２２ａ，２２ｂ）として形成されており、該平行四辺形構造（２２ａ，２２ｂ）は、前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）に、特に前記プレート（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）に組み込まれている、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
16. 前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、特に前記平行四辺形構造（２２ａ，２２ｂ）に配置された、好ましくは前記ジョイント（６ａ，６ｂ）の領域に配置された接続点（１９ａ，１９ｂ）を有しており、１つの補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の前記接続点（１９ａ，１９ｂ）は、前記各ジョイント（６ａ，６ｂ）を介して結合された前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の前記接続点（１９ａ，１９ｂ）と共に、それぞれ結合エレメント（２１ａ，２１ｂ）を介して、前記キャリッジ（３）または前記ベース（１６）に結合されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
17. 前記リニア駆動装置（１）、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）および前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）は、相互に良好な熱伝達および僅かな熱容量を有しており、かつ／または前記キャリッジ（３）、前記ベース（１６）および前記モータ（２３）は、前記リニア駆動装置（１）、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）および前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）に対して、断熱されていて、かつ前記リニア駆動装置（１）、前記ジョイント装置（５ａ，５ｂ）および前記補正ロッド（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の熱容量に比べて大きな熱容量を有している、請求項１から１６までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
18. ２つの位置決めユニット（１０ａ，１０ｂ）と、該位置決めユニット（１０ａ，１０ｂ）に対応配置された各１つのリニア駆動装置（１ａ，１ｂ）とが設けられており、好ましくは、該リニア駆動装置（１ａ，１ｂ）の前記キャリッジ（３ａ，３ｂ）の運動方向が、互いに垂直に延びており、前記キャリッジ（３ａ，３ｂ）のうちの１つが、それぞれ他方の位置決めユニット（１０ａ，１０ｂ）の前記ベース（１６）または前記キャリッジ（３ａ，３ｂ）に結合可能である、請求項１から１７までのいずれか１項記載の位置決めユニット。
19. 別の位置決めユニットが、三次元の位置決めのために設けられており、好ましくは、該別の位置決めユニットは、前記２つの位置決めユニット（１０ａ，１０ｂ）に対して垂直に配置されていて、前記２つの位置決めユニット（１０ａ，１０ｂ）のうちの１つの位置決めユニットの前記ベース（１６ａ，１６ｂ）または前記キャリッジ（３ａ，３ｂ）に結合可能である、請求項１８記載の位置決めユニット。

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