KR20100011992A - Ｘｙ 테이블 액추에이터 - Google Patents

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KR20100011992A
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티에치케이 가부시끼가이샤
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Abstract

가동 테이블(5)을 XY 평면 내에 있어서 충분한 추력으로 자유롭게 이동시키고 또한 위치 결정 가능한 동시에, 간이하게 또한 저비용으로 제작하는 것이 가능한 XY 테이블 액추에이터이며, 고정 플레이트(2), 중간 플레이트(4), 가동 플레이트(5)를 적층하여 구성되고, 상기 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에는, 상기 고정 플레이트(2)에 대해 중간 플레이트(4)를 X방향으로 추진하는 X방향 구동 수단이 배치되는 한편, 상기 중간 플레이트(4)와 가동 플레이트(5)의 사이에는, 상기 중간 플레이트(4)에 대해 가동 플레이트(5)를 Y방향으로 추진하는 Y방향 구동 수단(7)이 설치되고, 대략 채널 형상으로 형성되고 고정 플레이트(2) 및 가동 플레이트(5)와 대략 평판 형상의 중간 플레이트(4)를 적층함으로써, 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에는 상기 X방향 구동 수단의 수용실(60)을 형성하고, 중간 플레이트(4)와 가동 플레이트(5)의 사이에는 상기 Y방향 구동 수단의 수용실(70)을 형성하였다.
가동 플레이트, 중간 플레이트, 고정 플레이트, 코일 부재, 마그네트 부재

Description

ＸＹ 테이블 액추에이터{X-Y TABLE ACTUATOR}
본 발명은, 예를 들어 각종 검사 장치, 계측 장치, 반송 장치 등에 이용되고, 대상물을 XY 평면 내에서 자유롭게 이동시켜, 위치 결정하기 위한 XY 테이블 액추에이터에 관한 것으로, 상세하게는 매우 박형으로 제작하는 것이 가능한 XY 테이블 액추에이터에 관한 것이다.
종래, 이러한 종류의 XY 테이블 액추에이터로서는, WO2005/124789호(특허 문헌 1)에 개시되는 것이 알려져 있다. 이 특허 문헌 1에 개시되어 있는 XY 테이블 액추에이터는, 베드나 컬럼 등에 고정되는 고정 플레이트와, 이 고정 플레이트에 대해 X방향으로 이동 가능한 중간 플레이트와, 이 중간 플레이트에 대해 Y방향으로 이동 가능한 가동 플레이트로 구성되어 있고, 상기 가동 플레이트가 고정 플레이트에 대해 X방향 및 Y방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 3매의 플레이트가 적층되어 있다.
상기 고정 플레이트 및 가동 플레이트는 각각이 수용 홈을 갖고 채널 형상으로 형성되는 한편, 상기 중간 플레이트는 상기 수용 홈에 헐겁게 끼워지는 직사각 형상으로 형성되어 있다. 중간 플레이트의 하반체는 다수의 볼을 통해 고정 플레이트의 수용 홈 내에 조립 부착되고, 이러한 수용 홈 내를 X방향으로 자유롭게 이 동할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 중간 플레이트의 상반체는 다수의 볼을 통해 가동 플레이트의 수용 홈 내에 조립 부착되고, 가동 플레이트가 중간 플레이트에 대해 Y방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 구성되어 있다. 이에 의해, 최상위의 가동 플레이트가 최하위의 고정 플레이트에 대해 X방향 및 Y방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 특허 문헌 1에는 중간 플레이트를 고정 플레이트에 대해 임의량만큼 X방향으로 진퇴시키고, 가동 플레이트를 중간 플레이트에 대해 Y방향으로 임의량만큼 진퇴시키는 수단으로서, 압전 소자를 이용한 초음파 리니어 모터가 개시되어 있다. 이 초음파 리니어 모터는, 압전 소자에 의해 진행파를 형성하는 고정자와, 금속 박판으로 형성되어 상기 고정자의 주행면이 되는 가동자로 구성되어 있다. 그리고 상기 고정자는 중간 플레이트에 형성된 수용실 내에 배치되는 한편, 상기 가동자는 고정자와 대향하는 위치에서 가동 플레이트 또는 고정 플레이트에 장착되고, X방향으로의 구동 수단 또는 Y방향으로의 구동 수단을 구축하고 있다.
특허 문헌 1 : WO2005/124789호
그러나 특허 문헌 1에 개시되는 XY 테이블 액추에이터에서는, 상기 중간 플레이트가 고정 플레이트 및 가동 플레이트의 각각의 수용 홈 내에 헐겁게 끼워지는 직사각 형상을 이루고 있으므로, 전술한 초음파 리니어 모터의 고정자와 같이, 중간 플레이트 또는 가동 플레이트를 추진하는 구동 수단의 일부를 중간 플레이트에 설치하는 것에 있어서는, 이러한 중간 플레이트의 일부를 절결하여 수용실을 형성하는 것이 필요해져, 중간 플레이트의 가공에 수고를 필요로 한다고 하는 문제점이 있었다.
또한, 상기 중간 플레이트에는 X방향으로의 구동 수단 및 Y방향으로의 구동 수단의 양쪽이 탑재되므로, 중간 플레이트 상에 있어서의 이들 구동 수단끼리의 간섭을 피하기 위해서는, 각 구동 수단의 소형화가 필수가 되어, 충분한 추력을 가동 테이블에 부여하는 것이 곤란했다.
한편, 가동 플레이트의 X방향 및 Y방향의 이동에 대해 충분한 추력과 속도를 부여한다고 하는 관점에서 보면, 상기 구동 수단으로서는 마그네트 부재와 코일 부재로 구성되는 리니어 모터를 이용하는 것을 생각할 수 있지만, 그 경우에는 코일 부재로부터의 방열을 고려하고, 이러한 코일 부재를 가동 플레이트 또는 고정 플레이트에 탑재하고, 마그네트 부재를 중간 플레이트에 배열하는 것이 필요해진다. 그러나 상기 중간 플레이트는 고정 플레이트 및 가동 플레이트의 각각의 수용 홈 내에 헐겁게 끼워지는 직사각 형상을 이루고 있고, 고정 플레이트 및 가동 플레이트보다도 한층 작게 형성되어 있으므로, 그만큼 중간 플레이트에 있어서의 마그네트 부재의 배열 길이가 짧아져, 고정 플레이트에 대한 중간 플레이트의 스트로크 범위, 중간 플레이트에 대한 가동 플레이트의 스트로크 범위가 제한되어 버린다고 하는 문제점도 있었다.
본 발명은 이러한 문제점에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 현저한 소형화를 달성하면서도, 가동 테이블을 XY 평면 내에 있어서 충분한 추력으로 자유롭게 이동시키고 또한 위치 결정하는 것이 가능한 동시에, 간이하게 또한 저비용으로 제작하는 것이 가능한 XY 테이블 액추에이터를 제공하는 데 있다.
즉, 본 발명의 XY 테이블 액추에이터는, 고정 플레이트와, 이 고정 플레이트에 적층되는 동시에 상기 고정 플레이트에 대해 X방향으로 이동 가능한 중간 플레이트와, 이 중간 플레이트에 적층되는 동시에 상기 중간 플레이트에 대해 Y방향으로 이동 가능한 가동 플레이트와, 상기 고정 플레이트에 대해 중간 플레이트를 X방향으로 추진하는 X방향 구동 수단과, 상기 가동 플레이트를 상기 중간 플레이트에 대해 Y방향으로 추진하는 Y방향 구동 수단으로 구성되어 있고, 상기 고정 플레이트 및 가동 플레이트는 수용 홈을 통해 대향하는 한 쌍의 측벽을 갖고 각각이 대략 채널 형상으로 형성되는 한편, 상기 중간 플레이트는 대략 평판 형상으로 형성되어 있다. 그리고 상기 고정 플레이트 및 가동 플레이트의 수용 홈을 상기 중간 플레이트와 대향시켜 이들 삼자를 적층함으로써, 고정 플레이트와 중간 플레이트의 사이에는 상기 X방향 구동 수단의 수용실이 형성되는 동시에, 중간 플레이트와 가동 플레이트의 사이에는 상기 Y방향 구동 수단의 수용실이 형성되도록 되어 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 채널 형상으로 형성된 고정 플레이트와 평판 형상으로 형성된 중간 플레이트를 적층함으로써, 이들 고정 플레이트와 중간 플레이트의 사이에 X방향 구동 수단의 수용실이 형성되는 한편, 채널 형상으로 형성된 가동 플레이트와 평판 형상으로 형성된 중간 플레이트를 적층함으로써, 이들 가동 플레이트와 중간 플레이트의 사이에 Y방향 구동 수단의 수용실이 형성된다. 이로 인해, 중간 플레이트는 단순한 평판 형상이라도 상관없으며, 구동 수단의 수용실이 되는 오목부를 가공할 필요가 없으므로, 간이하게 또한 저비용으로 생산하는 것이 가능하다.
또한, 중간 플레이트는 X방향 및 Y방향에 관하여 고정 플레이트 및 가동 플레이트와 동일한 크기로 형성되므로, 이러한 중간 플레이트를 고정 플레이트 및 가동 플레이트보다도 한층 작은 직사각 형상으로 형성한 종래의 경우와 비교하여, X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단의 스트로크 범위를 크게 설정하는 것이 가능해진다. 한편, X방향 및 Y방향에 있어서의 가동 플레이트 및 고정 플레이트의 크기는 종래와 상이한 부분이 없고, 근소하게 평판 형상의 중간 플레이트의 두께 분만큼 액추에이터의 높이가 증가할 뿐이다. 즉, 본 발명의 XY 테이블 액추에이터에 따르면, 종래의 XY 테이블 액추에이터와 비교하여, 액추에이터 전체의 사이즈를 거의 변경하는 일 없이, 가동 플레이트의 X방향 및 Y방향으로의 이동 범위를 확대하는 것이 가능하다.
또한, X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단은 중간 플레이트의 표리에 위치하는 수용실 내에 설치되므로, X방향 구동 수단과 Y방향 구동 수단이 서로 간섭하는 일이 없어, 상기 수용실에 수납할 수 있는 사이즈이면, X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단의 사이즈에 아무런 제약이 없으므로, 가동 테이블의 추력 향상을 용이하게 도모하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명을 적용한 XY 테이블 액추에이터의 제1 실시 형태를 도시하는 사시도이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 XY 테이블 액추에이터의 고정 플레이트를 도시 하는 사시도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 XY 테이블 액추에이터로부터 가동 플레이트를 제거한 상태를 도시하는 사시도이다.
도 4는 제2 실시 형태에 관한 XY 테이블 액추에이터로부터 가동 플레이트를 제거한 상태를 도시하는 사시도이다.
도 5는 제2 실시 형태에 관한 XY 테이블 액추에이터로부터 가동 플레이트, 마그네트 부재 및 리니어 가이드를 제거한 상태를 도시하는 사시도이다.
이하, 첨부 도면에 기초하여 본 발명의 XY 테이블 액추에이터를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명을 적용한 XY 테이블 액추에이터의 제1 실시 형태를 도시하는 사시도이다. 이 XY 테이블 액추에이터(1)는, 기계 장치의 하우징이나 베드 등의 고정부에 고정되는 고정 플레이트(2)와, 리니어 가이드를 통해 상기 고정 플레이트(2)에 조립 부착된 중간 플레이트(4)와, 리니어 가이드를 통해 상기 중간 플레이트(4)에 조립 부착된 가동 플레이트(5)를 포함하고 있다.
상기 중간 플레이트(4)는 고정 플레이트(2)에 대해 X방향으로, 상기 가동 플레이트(5)는 중간 플레이트(3)에 대해 Y방향으로 이동 가능하게 설치되어 있다. 따라서, 이러한 가동 플레이트(5)에 대해 검사 스테이지나 반송 테이블 등의 가동체를 고정함으로써, 이 가동체를 상기 고정 플레이트(2)에 대해 X방향 및 Y방향으로 자유롭게 이동시키는 것이 가능하게 되어 있다.
또한, 이들 고정 플레이트(2), 중간 플레이트(4) 및 가동 플레이트(5)는 XY 평면 내에 있어서의 크기가 동일하고, 도 1에 도시하는 바와 같이 중간 플레이트(4) 및 가동 플레이트(5)를 홈 포지션으로 설정하였을 때에는, 3매의 플레이트(2, 4, 5)가 상하로 포개져 직사각형체를 이루도록 되어 있다. 따라서, XY 테이블 액추에이터(1) 자체가 매우 콤팩트하게 구성되어 있다.
또한, 도 1에 도시하는 외관으로부터는 파악할 수 없지만, 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에는 상기 중간 플레이트(4)를 X방향으로 구동하는 X 구동 모터가 설치되는 한편, 중간 플레이트(4)와 가동 플레이트(5)의 사이에는 상기 가동 플레이트(5)를 Y방향으로 구동하는 Y 구동 모터가 수납되어 있다. 이들 X 구동 모터 및 Y 구동 모터는 구동용 동력 케이블(8)에 의해 드라이버(9)와 접속되어 있고, 이러한 드라이버(9)는 X 구동 모터 및 Y 구동 모터에 대해 구동 전류를 송출하고 있다. 또한, X 구동 모터 및 Y 구동 모터의 구체적 구성에 대해서는 이후에 상세하게 서술한다.
또한, 이 XY 테이블 액추에이터(1)에는 고정 플레이트(2)에 대한 중간 플레이트(4)의 X방향 이동량, 중간 플레이트(4)에 대한 가동 플레이트(5)의 Y방향 이동량을 계측하는 2세트의 위치 검출 수단이 내장되어 있다. 각 위치 검출 수단은, 리니어 스케일과 이 리니어 스케일을 판독하는 검출 센서로 구성되어 있고, 검출 센서는 상기 중간 플레이트(4)에 탑재되는 한편, 리니어 스케일은 상기 검출 센서와 대향하는 위치에서 고정 플레이트(2) 또는 가동 플레이트(5)에 보유 지지되어 있다. 이 리니어 스케일과 검출 센서의 조합은, 광학적인 판독 방법에 의한 것이 라도 좋고, 혹은 자기적인 판독 방법에 의한 것이라도 좋다.
그리고 2개의 검출 센서의 출력 신호는 센서용 신호 케이블(10)을 통해, 상기 드라이버(9)에 입력되고, 드라이버(9)는 검출 센서의 출력 신호를 참조하면서 상기 X 구동 모터 및 Y 구동 모터의 구동 신호를 생성하고 있다.
도 2는 상기 고정 플레이트(2)를 도시하는 사시도이다. 상기 고정 플레이트(2)는 양단부에 측벽(20a)을 갖는 동시에 중앙에 수용 홈(20)을 갖고 채널 형상으로 형성되어 있고, 수용 홈(20)에 면한 각 측벽(20a)의 내측면에는 볼의 구름 주행 홈(30)이 형성되어 있다. 상기 가동 플레이트(5)도 이 고정 플레이트(2)와 완전히 동일한 형상으로 형성되어 있지만, 상기 중간 플레이트(4)와 포갰을 때의 위상이 서로 90도 어긋난 것으로 되어 있다. 즉, 고정 플레이트(2)에서는 상기 수용 홈(20)이 X방향을 따라 형성되어 있지만, 가동 플레이트(5)에서는 상기 수용 홈(20)이 Y방향을 따라 형성되어 있다.
또한, 상기 중간 플레이트(4)는 X방향 및 Y방향에 관하여 고정 플레이트(2) 및 가동 플레이트(5)와 동일한 크기의 평판 형상으로 형성되어 있고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 1점 쇄선으로 나타내는 중간 플레이트(4)를 상기 고정 플레이트(2)에 대해 포갬으로써, 상기 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에 상기 수용 홈(20)의 크기에 대응한 공간이 형성되고, 이 공간이 전술한 X 구동 모터(6)의 수용실(60)로서 이용되도록 되어 있다. 이러한 공간은 가동 플레이트(5)와 중간 플레이트(4)의 사이에도 형성되고, 이러한 공간은 전술한 Y 구동 모터의 수용실(70)로서 이용된다.
도 3은 상기 가동 플레이트(5)를 제거한 상태를 도시하는 XY 테이블 액추에이터(1)의 사시도이다. 상기 가동 플레이트(5)와 대향하는 중간 플레이트(4)의 표면에는 X방향으로 간격을 두고 한 쌍의 리니어 가이드(21)가 볼트를 이용하여 고정되어 있다. 각 리니어 가이드(21)는 가동 플레이트(5)의 측벽(20a)에 형성된 볼의 구름 주행 홈(30)과 대향하는 부하 구름 주행 홈(22)을 구비하고 있고, 가동 플레이트(5)의 구름 주행 홈(30)과 리니어 가이드(21)의 부하 구름 주행 홈(22)의 사이를 복수의 볼이 하중을 부하하면서 구름 주행함으로써, 가동 플레이트(5)가 중간 플레이트(4)에 대해 Y방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 상기 리니어 가이드(21)는 볼의 무한 순환로를 구비하고 있고, 가동 플레이트(5)는 스스로 구름 주행 홈(30)이 리니어 가이드(21)와 대향하는 범위 내에서 중간 플레이트(4)에 대해 이동하는 것이 가능하게 되어 있다.
또한, 중간 플레이트(4) 상에는 전술한 한 쌍의 리니어 가이드에 끼워지도록 하여 Y 구동 모터(7)가 배치되어 있다. 이 Y 구동 모터(7)는 동기형 리니어 모터이며, 상기 중간 플레이트(4) 상에 1열로 배열된 복수의 마그네트 부재(71)와, 상기 가동 플레이트(5)에 고정되는 동시에 이들 마그네트 부재(71)와 근소한 간극을 통해 대향하는 코일 부재(72)로 구성되어 있다.
상기 마그네트 부재(71)는 N극 및 S극을 교대로 상기 코일 부재(72)를 향하도록 배열되어 있다. 이들 마그네트 부재(71)는 합성 수지제의 보유 지지 플레이트(73)에 배열되어 있고, 이러한 보유 지지 플레이트(73)를 상기 중간 플레이트(4)에 고정함으로써, 상기 마그네트 부재(71)의 중간 플레이트(4)에 대한 배열을 용이 하게 행할 수 있도록 되어 있다. 또한, 각 마그네트 부재(71)는 접착에 의해 상기 보유 지지 플레이트(73)에 배열되어 있지만, 상기 보유 지지 플레이트(73)를 사출 성형함으로써, 마그네트 부재(71)를 상기 보유 지지 플레이트(73)와 일체화할 수도 있다.
또한, 상기 코일 부재(72)는 철 등의 강자성체로 형성된 코어 부재에 대해 코일을 권회하여 형성되어 있고, 이러한 코어 부재의 선단이 상기 마그네트 부재(71)와 근소한 간극을 통해 대향하고 있다. 코일은 u상, v상, w상의 삼상으로 이루어지고, 이들 코일에 대해 삼상 교류 전류를 통전하면, 코일 부재(71)가 Y방향을 따른 이동 자계를 발생한다. 이 이동 자계에 기초하여 상기 마그네트 부재(71)와 코일 부재(72)의 사이에 자기 흡인력 또는 자기 반발력이 작용하고, 코일 부재(72)를 마그네트 부재(71)의 배열 방향을 따라 추진할 수 있도록 되어 있다.
또한, 도 3은 중간 플레이트(4)의 표면측, 즉 가동 플레이트(5)에 면한 측의 구조를 도시하고 있지만, 이러한 중간 플레이트(4)의 이면측, 즉 고정 플레이트(2)에 면한 측에도 한 쌍의 리니어 가이드(21)가 배치되고, 고정 플레이트(2)에 대해 중간 플레이트(4)가 X방향으로 자유롭게 운동할 수 있도록 되어 있다. 또한, 중간 플레이트(4)를 고정 플레이트(2)에 대해 X방향으로 구동하는 X 구동 모터는, 상기 Y 구동 모터(7)와 마찬가지로 마그네트 부재 및 코일 부재로 구성되는 동기형 리니어 모터이며, 마그네트 부재가 중간 플레이트(4)의 이면측에, 코일 부재가 고정 플레이트(2)에 각각 고정되어 있다.
또한, 도 3 중에 있어서, 부호 74는 가동 플레이트(5)의 수용 홈(20)에 근소 한 간극을 통해 대향하는 격벽이며, 중간 플레이트(4)의 표면측에서 Y방향의 양단부에 각각 설치되어 있다. 이 격벽(74)은 가동 플레이트(5)와 중간 플레이트(4)의 사이에 형성된 Y 구동 모터(7)의 수용실(70)에 대해 외부로부터 먼지가 침입하는 것을 방지하는 동시에, 가동 플레이트(5)에 고정된 코일 부재(72)의 이동 범위를 제한하고 있다. 즉, 상기 가동 플레이트(5)는 한 쌍의 격벽(74)에 의해 규제된 코일 부재(72)의 이동 범위 내에 있어서 스트로크하는 것이 가능하다.
마찬가지로 하여, 중간 플레이트(4)의 이면측에는 X방향의 양단부에 대응하여 한 쌍의 격벽(75)이 각각 설치되고, 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에 형성된 X 구동 모터의 수용실(60)에 대해 외부로부터 먼지가 침입하는 것을 방지하는 동시에, 고정 플레이트(2)에 고정된 코일 부재의 이동 범위를 제한하고 있다.
한편, 도 1 또는 도 3에 도시하는 바와 같이, 상기 가동 플레이트(5)에 고정된 코일 부재(72)에는 구동용 동력 케이블(8)의 일단부가 접속되어 있다. 이 구동용 동력 케이블(8)은 중간 플레이트(4)를 통해 XY 테이블 액추에이터(1)로부터 인출되고, 도 1에 도시하는 드라이버(9)에 접속되어 있다. 이 구동용 동력 케이블(8)은 두께 150㎛ 정도의 편평한 띠 형상 FPC로 형성되어 있고, 유연하게 만곡됨으로써, 가동 플레이트(5)의 X방향 및 Y방향으로의 운동을 허용하면서, 가동 플레이트(5)에 탑재된 Y 구동 모터(7)의 코일 부재(72)를 드라이버(9)와 접속하고 있다.
또한, 도 1 및 도 3에서는 X 구동 모터를 드라이버(9)에 접속하는 구동용 동 력 케이블은 생략되어 있다. X 구동 모터의 코일 부재는 고정 플레이트(2)에 장착되므로, 이러한 코일 부재는 X방향 및 Y방향의 어느 쪽으로도 운동하고 있지 않아, 구동용 동력 케이블을 아무런 문제없이 드라이버에 접속할 수 있기 때문이다.
또한, 도 1 및 도 3 중에 도시하는 센서용 신호 케이블(10)도 편평한 띠 형상의 FPC로 이루어지고, 중간 플레이트(4)로부터 인출되어 드라이버(9)에 접속되어 있다. 중간 플레이트(4)로부터 인출된 센서용 신호 케이블(10)은, 자유롭게 만곡할 수 있는 방향이 중간 플레이트(4)의 고정 플레이트(2)에 대한 이동 방향인 X방향에 합치하고 있다. 즉, 센서용 신호 케이블(10)은 중간 플레이트(4)의 X방향으로의 이동에 대해 유연하게 추종하는 것이 가능하게 되어 있고, 중간 플레이트(4)의 X방향으로의 이동을 저해하지 않도록 구성되어 있다.
그리고 이상과 같이 구성된 XY 테이블 액추에이터(1)에서는, 도 2를 이용하여 설명한 바와 같이, 채널 형상으로 형성된 고정 플레이트(2)와 평판 형상으로 형성된 중간 플레이트(4)를 적층함으로써, 고정 플레이트(2)의 수용 홈(20)에 대응하여, X방향 구동 수단의 수용실(60)이 이들 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에 형성된다. 또한, 채널 형상으로 형성된 가동 플레이트(5)와 평판 형상으로 형성된 중간 플레이트(4)를 적층함으로써, 가동 플레이트(5)의 수용 홈(20)에 대응하여, Y방향 구동 수단(7)의 수용실(70)이 이들 가동 플레이트(5)와 중간 플레이트(4)의 사이에 형성된다.
즉, X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단(7)의 수용실을 형성하는 것에 있어서, 중간 플레이트(4)는 단순한 평판 형상이라도 상관없으며, 중간 플레이트(4)에 대해 전혀 오목부를 가공할 필요가 없으므로, 그만큼 XY 테이블 액추에이터(1)를 간이하게 또한 저비용으로 생산하는 것이 가능하게 되어 있다.
또한, 상기 중간 플레이트(4)는 X방향 및 Y방향에 관하여 고정 플레이트(2) 및 가동 플레이트(5)와 동일한 크기로 형성되어 있고, 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에 있어서의 X방향 구동 수단의 수용실(60)은 그 X방향 길이가 고정 플레이트의 X방향 길이와 합치하고 있다. 또한, 중간 플레이트(4)와 가동 플레이트(5)의 사이에 수용된 Y방향 구동 수단(7)의 수용실(70)은 그 Y방향 길이가 가동 플레이트(5)의 Y방향 길이와 합치하고 있다. 이로 인해, 중간 플레이트(4)의 X방향 스트로크량 및 가동 플레이트(5)의 Y방향 스트로크량은, 고정 플레이트(2) 및 가동 플레이트(5)의 크기에 대해 최대한 확보되어 있고, XY 테이블 액추에이터(1)의 소형화를 도모하면서도, XY 평면 내에 있어서의 가동 플레이트의 이동 범위를 크게 설정하는 것이 가능하게 되어 있다.
다음에, 본 발명을 적용한 XY 테이블 액추에이터의 제2 실시 형태에 대해 설명한다.
전술한 제1 실시 형태에서는 X방향 구동 모터의 마그네트 부재를 중간 플레이트에, 코일 부재를 고정 플레이트에 배치하는 한편, Y방향 구동 모터의 마그네트 부재를 중간 플레이트(4)에, 코일 부재를 고정 플레이트(2)에 배치하였다. 그러나 본 제2 실시 형태의 XY 테이블 액추에이터(101)에서는 마그네트 부재와 코일 부재의 배치 위치를 역전(逆轉)시켜, X방향 구동 모터 및 Y방향 구동 모터의 코일 부재를 중간 플레이트에 배치하도록 하였다. 또한, 고정 플레이트(2), 중간 플레이 트(4) 및 가동 플레이트(5)에 관한 구조 및 이들을 이동 가능하게 지지하는 리니어 가이드(21)에 관한 구조는 전술한 제1 실시 형태와 동일하며, 이후의 설명에서는 도면 중에 제1 형태와 동일한 번호를 부여하고 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4는 XY 테이블 액추에이터(101)에 있어서, 상기 가동 플레이트(5)를 제거한 상태를 도시하는 제2 실시 형태의 사시도이다. 중간 플레이트(4) 상에는 전술한 한 쌍의 리니어 가이드(21)에 끼워지도록 하여 Y 구동 모터(107)가 배치되어 있다. 이 Y 구동 모터(107)는 동기형 리니어 모터이며, 상기 중간 플레이트(4) 상에 1열로 배열된 복수의 코일 부재(171)와, 상기 가동 플레이트(5)에 고정되는 동시에 이들 코일 부재(171)와 근소한 간극을 통해 대향하는 마그네트 부재(172)로 구성되어 있다.
상기 마그네트 부재(172)는 Y방향을 따라 N극 및 S극을 교대로 상기 코일 부재(171)를 향하도록 배열되어 있다. 이들 마그네트 부재(172)는 합성 수지제의 보유 지지 플레이트(173)에 배열되어 있고, 이러한 보유 지지 플레이트(173)를 상기 가동 플레이트(5)에 고정함으로써, 상기 마그네트 부재(172)의 가동 플레이트(5)에 대한 배열을 용이하게 행할 수 있도록 되어 있다. 또한, 각 마그네트 부재(172)는 접착에 의해 상기 보유 지지 플레이트(173)에 배열되어 있지만, 상기 보유 지지 플레이트(173)를 사출 성형함으로써, 마그네트 부재(172)를 상기 보유 지지 플레이트(173)와 일체화할 수도 있다.
도 5는, 도 4에 도시하는 상태로부터 또한 한 쌍의 리니어 가이드(21) 및 마그네트 부재(172)를 제거한 상태의 XY 테이블 액추에이터(101)를 도시하는 것이다. 중간 플레이트 상에 배열된 각 코일 부재(171)는 철 등의 강자성체로 형성된 코어 부재에 대해 코일을 권회하여 형성되어 있고, 이러한 코어 부재의 선단이 가동 플레이트(5)에 보유 지지된 상기 마그네트 부재(172)와 근소한 간극을 통해 대향하고 있다. 코일 부재(171)는 삼상 교류 전류의 u상, v상, w상에 대응하여 설치되어 있고, 3개의 코일 부재(171)가 1세트가 되어, 삼상 교류 전류의 통전시에 이동 자계를 발생하도록 되어 있다. 도 5에 도시하는 예에서는 중간 플레이트(4)에 대해 2세트 6개의 코일 부재(171)가 Y방향을 따라 배열되어 있다. 그리고 이들 코일 부재(171)가 발생하는 이동 자계에 기초하여 상기 마그네트 부재(172)와 코일 부재(171)의 사이에 자기 흡인력 또는 자기 반발력이 작용하고, 마그네트 부재(172)를 코일 부재(171)의 배열 방향을 따라 추진할 수 있도록 되어 있다.
또한, 도 4 및 도 5는 중간 플레이트(4)의 표면측, 즉 가동 플레이트(5)에 면한 측의 구조를 도시하고 있지만, 이러한 중간 플레이트(4)의 이면측, 즉 고정 플레이트(2)에 면한 측에도 한 쌍의 리니어 가이드(21)가 배치되고, 고정 플레이트(2)에 대해 중간 플레이트(4)가 X방향으로 자유롭게 운동할 수 있도록 되어 있다. 또한, 중간 플레이트(4)를 고정 플레이트(2)에 대해 X방향으로 구동하는 X 구동 모터는, 상기 Y 구동 모터(107)와 마찬가지로 마그네트 부재 및 코일 부재로 구성되는 동기형 리니어 모터이며, 코일 부재가 중간 플레이트(4)의 이면측에, 마그네트 부재가 고정 플레이트(2)에 각각 고정되어 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 가동 플레이트(5)에 있어서의 마그네트 부재(172)의 Y방향의 배열 길이는 중간 플레이트(4)에 있어서의 코일 부재(171)의 배 열 길이보다도 짧게 설정되어 있고, 코일 부재(171)에 대해 삼상 교류 전류를 통전하면, 마그네트 부재(172)는 코일 부재(171)의 배열된 범위 내에서만 Y방향으로 추진된다. 즉, 마그네트 부재(172)는 코일 부재(171)의 배치 범위로부터 비어져 나와 Y방향으로 왕복 이동하는 일은 없고, 마그네트 부재(172)의 자기력이 코일 부재(171)와 관계없이 중간 플레이트(4)의 Y방향 단부에 작용하는 것을 방지하고 있다. 이로 인해, 마그네트 부재(172)의 자기력이 중간 플레이트(4)에 작용하여 코깅이 발생하는 문제를 방지할 수 있고, 리니어 모터가 발휘하는 추력의 대부분을 가동 플레이트(5)의 Y방향으로의 추진에 이용하여, 소형의 리니어 모터라도, 가동 플레이트(5)에 대해 충분한 추력을 부여하는 것이 가능해진다.
이러한 마그네트 부재(172)와 코일 부재(171)의 관계는 Y 구동 모터(107)에 한정되지 않고, 고정 플레이트(2)에 대해 중간 플레이트(4)를 X방향으로 구동하는 X 구동 모터의 마그네트 부재 및 코일 부재에 있어서도 동일하다.
또한, X방향 구동 모터 및 Y방향 구동 모터를 구성하는 한 쌍의 코일 부재는 중간 플레이트(4)에 배치되므로, 이들 코일 부재에 대해 전력을 공급하는 케이블은 하나로 통합한 후에 중간 플레이트(4)로부터 인출하는 것이 가능해지고, 이러한 중간 플레이트(4)가 X방향으로만 이동하고 Y방향으로는 이동하지 않으므로, 상기 케이블의 중간 플레이트(4)에 대한 견인 이동 구조는 간이한 것으로 할 수 있어, 본 발명의 XY 테이블 액추에이터(101)를 간이하게 또한 저비용으로 제작하는 것이 가능해진다.
한편, 도 5에 도시하는 바와 같이, 상기 중간 플레이트(4)에는 가동 플레이 트(5)의 측벽(20a)과 대향하는 위치에 인코더(111Y)가 장착되어 있고, 이 인코더(111Y)가 가동 플레이트(5)의 측벽(20a)에 고정된 리니어 스케일을 판독함으로써, 상기 가동 플레이트(5)의 중간 플레이트(4)에 대한 Y방향의 실제의 이동량을 검출할 수 있도록 되어 있다. 또한, 마찬가지로 하여, 상기 중간 플레이트(4)에는 고정 플레이트(2)의 측벽(20a)과 대향하는 위치에 인코더(111X)가 장착되어 있고, 이 인코더(111X)가 고정 플레이트(2)의 측벽(20a)에 고정된 리니어 스케일을 판독함으로써, 상기 중간 플레이트(4)의 고정 플레이트(2)에 대한 X방향의 실제의 이동량을 검출할 수 있도록 되어 있다.
또한, 이 리니어 스케일과 인코더의 조합으로서는, 예를 들어 일본 특허 출원 공개 제2004-271423호에 개시되는 위치 변위 센서를 사용할 수 있다.
이상과 같이 구성된 제2 실시 형태의 XY 테이블 액추에이터(101)에서는, 중간 플레이트(4)에 대해 X 구동 모터 및 Y 구동 모터의 코일 부재가 각각 배치되고, 이러한 중간 플레이트(4)의 온도가 상승하기 쉬운 것에 부가하여, 중간 플레이트(4)는 상하로부터 가동 플레이트(5) 및 고정 플레이트(2)에 의해 덮여 있고, 이들 가동 플레이트(5) 및 고정 플레이트(2)에 비해 냉각되기 어려운 구조로 되어 있다. 이로 인해, 이 XY 테이블 액추에이터(101)의 운전시에는, 중간 플레이트(4)의 온도가 가동 플레이트(5)나 고정 플레이트(2)에 비해 상승하기 쉽고, 또한 운전 후의 정지시에 있어서도 중간 플레이트(4)에 비해 가동 플레이트(5) 및 고정 플레이트(2)의 쪽이 냉각되기 쉬우므로, 중간 플레이트(4)의 온도가 가동 플레이트(5)나 고정 플레이트(2)에 비해 높아지기 쉽다고 하는 특질이 있다.
중간 플레이트(4)와 가동 플레이트(5)의 사이에 온도차가 발생하면, 각 플레이트(4, 5)는 스스로 온도에 따른 열팽창을 발생하므로, 전술한 리니어 가이드(21)의 부하 구름 주행 홈(22)과 가동 플레이트(5)의 구름 주행 홈(30)의 거리가 변화되게 되어, 때로는 당해 거리가 과소가 되어, 리니어 가이드(21)의 볼에 대해 과도하게 예압이 작용하고, 또한 때로는 당해 거리가 과대가 되어, 볼이 부하 구름 주행 홈(22) 또는 구름 주행 홈(30)으로부터 이탈해 버리게 된다. 이것은 중간 플레이트(4)와 고정 플레이트(2)의 관계에 대해서도 동일하다.
본 실시 형태의 XY 테이블 액추에이터(101)에서는 가동 플레이트(5)에 고정된 한 쌍의 측벽(20a)이 중간 플레이트(4)에 고정된 한 쌍의 리니어 가이드(21)를 외측으로부터 끼워 넣고 있으므로, 중간 플레이트(4)의 열팽창량이 가동 플레이트(5)의 그것보다도 큰 경우에는, 리니어 가이드(21)의 볼에 대해 과도한 예압이 작용하는 경향에 있는 한편, 가동 플레이트(5)의 열팽창량이 중간 플레이트(4)의 그것보다도 큰 경우에는, 볼이 부하 구름 주행 홈(22) 또는 구름 주행 홈(30)으로부터 이탈하기 쉬운 경향에 있다.
가동 플레이트(5)와 중간 플레이트(4)의 사이에 존재하는 볼에 대해 이들 플레이트(4, 5)의 열팽창에 기인하여 과도한 예압이 작용하는 것을 방지한다고 하는 관점에서 보면, 열팽창에 의한 예압의 증가를 예상하여, XY 테이블 액추에이터(101)의 조립시에 부하 구름 주행 홈(22)과 구름 주행 홈(30)의 사이에 볼 직경보다도 약간 큰 거리를 부여해 두면 좋다. 그러나 조립시에 그러한 설정을 행하면, 가동 플레이트(5)와 중간 플레이트(4)의 열팽창량의 관계가 역전되었을 때에, 볼이 부하 구름 주행 홈(22) 또는 구름 주행 홈(30)으로부터 이탈하기 쉬워져 버린다. 즉, 가동 플레이트(5)와 중간 플레이트(4)의 온도차가 플러스/마이너스의 양방향으로 변위하는 경우에는, 부하 구름 주행 홈(22)과 구름 주행 홈(30)의 거리의 변동량이 자연히 커져 버리는 것이다. 이로 인해, 부하 구름 주행 홈(22)과 구름 주행 홈(30)의 거리의 변동량을 억제하기 위해서는, 리니어 모터의 코일 부재(171)의 발열량을 억제할 필요가 발생하여, 당해 코일 부재(171)에 대해 큰 전류를 통전할 수 없다.
그러나 본 발명의 XY 테이블 액추에이터(101)에서는, 리니어 모터의 코일 부재(171)를 중간 플레이트(4)에 배치하였으므로, 전술한 바와 같은 운전시 및 정지시의 양쪽에 있어서 중간 플레이트(4)의 온도가 가동 플레이트(5)나 고정 플레이트(2)에 비해 높아져, 운전시로부터 정지시를 통해, 부하 구름 주행 홈(22)과 구름 주행 홈(30)의 거리의 변동을 작게 억제하는 것이 가능하게 되어 있다. 이로 인해, 가동 플레이트나 고정 플레이트에 대해 코일 부재를 배치하고 있었던 종래의 XY 테이블 액추에이터에 비교하여, 본 발명의 XY 테이블 액추에이터(101)에서는 코일 부재(171)에 대해 큰 전류를 통전할 수 있고, 그만큼 큰 추력으로 가동 플레이트를 X방향 및 Y방향으로 추진할 수 있도록 되어 있다.
무엇보다, 코일 부재(171)의 발열에 의해 중간 플레이트(4)의 온도가 가동 플레이트(5)의 온도보다도 극단적으로 높아져, 중간 플레이트(4)의 열팽창량이 가동 플레이트(5)의 그것을 크게 상회하면, 리니어 가이드(21)의 볼에 대해 과도한 예압이 작용하여, 제품 수명이 현저하게 저하되는 것이 우려된다.
이로 인해, 본 실시 형태에 있어서의 XY 테이블 액추에이터(101)에서는, 코일 부재(171)가 배치된 중간 플레이트(4)의 선팽창 계수가, 마그네트 부재(172)가 배치된 고정 플레이트(2) 또는 가동 플레이트(5)의 선팽창 계수보다도 작아지도록, 이들 플레이트(2, 4, 5)의 재질을 선정하고 있다. 또한, 고정 플레이트 및 가동 플레이트의 선팽창 계수는, 일반 탄소강의 선팽창 계수인 10×10-6(㎛/m/℃)보다도 작아지도록 선정하고 있다. 구체적으로는, 중간 플레이트로서 선팽창 계수가 0.8×10-6(㎛/m/℃)인 저팽창 주물을 사용하는 한편, 고정 플레이트 및 가동 플레이트로서는 선팽창 계수가 2.5×10-6(㎛/m/℃)인 저팽창 주물을 사용하였다. 이에 의해, 가동 플레이트와 중간 플레이트의 사이, 고정 플레이트와 중간 플레이트의 사이의 덜걱거림을 억제하면서, 볼에 대해 과도한 예압이 작용하는 것을 방지할 수 있어, 가동 플레이트를 X방향 및 Y방향으로 고정밀도로 이동시킬 수 있었다.

Claims (7)

  1. 고정 플레이트(2)와, 이 고정 플레이트(2)에 적층되는 동시에 상기 고정 플레이트(2)에 대해 X방향으로 이동 가능한 중간 플레이트(4)와, 이 중간 플레이트(4)에 적층되는 동시에 상기 중간 플레이트(4)에 대해 Y방향으로 이동 가능한 가동 플레이트(5)와, 상기 고정 플레이트(2)에 대해 중간 플레이트(4)를 X방향으로 추진하는 X방향 구동 수단과, 상기 가동 플레이트(5)를 상기 중간 플레이트(4)에 대해 Y방향으로 추진하는 Y방향 구동 수단(7)으로 구성되고,
    상기 고정 플레이트(2) 및 가동 플레이트(5)는 수용 홈(20)을 통해 대향하는 한 쌍의 측벽(20a)을 갖고 각각이 대략 채널 형상으로 형성되는 한편, 상기 중간 플레이트(4)는 대략 평판 형상으로 형성되고,
    상기 고정 플레이트(2) 및 가동 플레이트(5)의 수용 홈(20)을 상기 중간 플레이트(4)와 대향시켜 이들 삼자를 적층함으로써, 고정 플레이트(2)와 중간 플레이트(4)의 사이에는 상기 X방향 구동 수단의 수용실(60)이 형성되는 동시에, 중간 플레이트(4)와 가동 플레이트(5)의 사이에는 상기 Y방향 구동 수단(7)의 수용실(70)이 형성되는 것을 특징으로 하는, XY 테이블 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단은, 마그네트 부재(71)와, 이것에 대향하는 코일 부재(72)로 구성되는 리니어 모터이며, 상기 마그네트 부재(71)는 중간 플레이트(4)에 배치되는 한편, 코일 부재(72)는 고정 플레이 트(2) 및 가동 플레이트(5)의 수용 홈(20) 내에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, XY 테이블 액추에이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단(107)은, 마그네트 부재(172)와, 이것에 대향하는 코일 부재(171)로 구성되는 리니어 모터이며, 상기 X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단의 코일 부재(171)는 모두 상기 중간 플레이트(4)에 배치되는 한편, 상기 X방향 구동 수단의 마그네트 부재(172)는 고정 플레이트(2)에, 상기 Y방향 구동 수단의 마그네트 부재(172)는 가동 플레이트(5)에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, XY 테이블 액추에이터.
  4. 제3항에 있어서, 리니어 모터의 추진 방향을 따른 상기 코일 부재(171)의 배치 길이는, 대향하는 마그네트 부재(172)의 배치 길이보다도 큰 것을 특징으로 하는, XY 테이블 액추에이터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 코일 부재(171)가 배치된 중간 플레이트(4)의 선팽창 계수가, 상기 마그네트 부재(172)가 배치된 고정 플레이트(2) 또는 가동 플레이트(5)의 선팽창 계수보다도 작은 것을 특징으로 하는, XY 테이블 액추에이터.
  6. 제3항에 있어서, 상기 X방향 구동 수단 및 Y방향 구동 수단의 코일 부재(171)에 대한 급전선은 1매의 가요성 프린트 기판에 수납되어, 상기 중간 플레이 트(4)로부터 인출되고 있는 것을 특징으로 하는, XY 테이블 액추에이터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 고정 플레이트(2), 가동 플레이트(5) 및 중간 플레이트(4)의 선팽창 계수가 10×10-6(㎛/m/℃)보다도 작은 것을 특징으로 하는, XY 테이블 액추에이터.
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