JPH0616243B2 - 非接触位置決め装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、物体の位置を広範囲に亙って高精度に決定で
きるようにした非接触位置決め装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕 従来、物体の二次元的または三次元的な位置を比較的精
度良く定める方法の一つとして、滑らかなガイドに載置
されたプレートを精密ボールネジで移動させる方法が知
られている。しかしながら、このように機械的な位置決
めを行なう方法は、部品を極めて高い精度で加工しなけ
ればならず、たとえ部品の高精度な加工が可能であると
しても、ボールネジのいわゆるバックラッシュを完全に
回避することができない。このため、従来のこの種の位
置決め装置では高い精度で位置決めを行なうことができ
なかった。また、このような装置で三次元的な位置決め
を行なう場合には、空間の持つ自由度の数と同数の６個
の位置決め装置を併せて用いなければならず、全体とし
て大型で高価なものになっていた。

そこで、このような欠点を克服し得る位置決め装置とし
て、例えばusp4088018号に提案されているように、位置
決め対象物を非接触で磁気支承し、上記対象物に印加さ
れた磁気力を変化させることによって上記対象物の位置
を決定するようにした非接触位置決め装置が提案されて
いる。この装置によれば、機械的な誤差をほとんど考慮
する必要が無いため、極めて高精度の位置決めを行なう
ことができる。

しかしながら、従来のこの種の位置決め装置は、固定体
の磁極に囲まれた空間内に位置決め対象である浮揚体を
浮揚させるものであるため、浮揚体を、固定体との間の
ギャップ分だけしか移動させることができなかった。し
たがって、浮揚体の大きな移動量を確保することは困難
であり、広範囲に亙って高精度の位置決めを実現するに
は、前記磁極と前記浮揚体との間の空隙を広く取らなく
てはならず、この結果、磁気支承に必要な剛性および負
荷容量の低下を招くという問題があった。これを防止す
るには、浮揚体に強力な磁気力を供給すれば良いが、こ
の場合には、消費電力の大幅な増加や装置全体の大型化
を回避することができない。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる問題点に鑑みなされたものであり、そ
の目的とするところは、機械的な誤差の少ない非接触位
置決め装置にあって、磁気支承の際の剛性や負荷容量の
低下を招くことなしに、広範囲に亙って高精度の位置決
めを行なうことができる非接触位置決め装置を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明に係る非接触位置決
め装置は、浮揚体と、この浮揚体を磁気力で非接触支承
する固定体と、この固定体と前記浮揚体との間の磁気力
を制御して上記固定体と上記浮揚体との対向面で、かつ
磁気支承のための磁路を形成する面の広がる方向に上記
浮揚体の位置を調整する浮揚体位置調整手段とで単位位
置決め手段が構成され、前段の浮揚体に後段の固定体が
搭載されるとともに前段の単位位置決め手段の位置調整
方向に対して後段の単位位置決め手段の位置調整方向を
直交させて上記単位位置決め手段が少なくとも２段設け
られていることを特徴としている。

〔発明の効果〕

本発明によれば、少なくとも前記固定体と前記浮揚体と
の対向面でかつ磁気支承のための磁路を形成する面の広
がる方向、すなわち、磁気ギャップに対して何等影響を
与えない方向に浮揚体の位置を制御するようにしてい
る。このため、浮揚体と固定体との間の磁気ギャップを
極微小に設定したままで、浮揚体の移動距離を従来に較
べて、大幅に拡大化させることができる。したがって、
磁気支承の際の剛性や負荷容量の低下を招くことなし
に、広範囲に亙って高精度の位置決めを行なうことがで
きる。

また、浮揚体、固定体および浮揚体位置調整手段で単位
位置決め手段を構成し、前段の浮揚体が後段の固定体と
一体化し、かつ前段の単位位置決め手段の位置調整方向
に対して後段の単位位置決め手段の位置調整方向を直交
させて少なくとも２段構成に単位位置決め手段を設けて
いるので、各単位位置決め手段を構成している固定体そ
のものを移動させることが可能になる。このため、一つ
の単位位置決め手段に着目した場合、その固定体の移動
の自由度と浮揚体の移動の自由度とが加算され、上記浮
揚体の自由度や移動距離を大幅に拡大化させることがで
きる。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照し本発明の一実施例について説明す
る。

第１図乃至第４図は、２段の単位位置決め手段を組み合
わせて装置を構成した例を示すものであり、この装置
は、大別して位置決め装置本体Ａと、この位置決め装置
本体Ａを制御する制御装置Ｂとで構成されている。

説明を簡単にするために第１図に示した直角座標の各軸
を基準にして説明すると、位置決め装置本体Ａは、Ｘ，
Ｙ軸面と平行するように設けられたベース１と、このベ
ース１に固定された固定体２と、この固定体２に非接触
状態で磁気支承される中間浮揚体３と、さらにこの中間
浮揚体３に非接触状態で磁気支承される浮揚体４とで構
成されている。

浮揚体４は、Ｘ，Ｚ軸面と平行に設けられており、第２
図に示すように、略正方形の板状体の中央部から図中下
端部にかけて切欠部Ｐを有したコの字板状の浮揚体本体
５と、この浮揚体本体５の四隅両面に装着された同一大
きさの磁性板6a,6b,7a,7b,8a,8b,9a,9b（但し8bは図示
せず）と、Ｘ軸と直交する浮揚体本体５の両側縁中央部
の両面に装着された同一大きさの磁性板10a,10b,11a,11
bとで構成されている。そして、浮揚体４には、例えば
その上端部中央位置のＨ軸上に、図示しないアンテナな
どの位置決め対象物が装着される。

前記中間浮揚体３は、次のように構成されている。すな
わち、第１図中16は、中間浮揚体本体であり、この中間
浮揚体本体16は、その横断面が全体的に十字形状を呈す
るように、前記浮揚体４を挟んで対向配置された第１の
板状部17,18と、この第１の板状部17,18の対向面とは反
対側の面から外側に向けて延出する第２の板状部19,20
とを直交配置するとともに、第２図に示すように上記第
１の板状部17,18を前記浮揚体４の前記切欠部Ｐを非接
触に貫通して設けられた連結部材21で一体的に連結した
ものとなっている。第１の板状部17,18は、Ｘ軸方向の
両側縁部の対向面Ｑ_１，Ｑ_２，Ｑ_３，Ｑ_４を、他の対向
面に較べて離間させるように、クランク状に屈折させた
ものとなっている。そして、これら対向面Ｑ_１〜Ｑ_４に
は、前記浮揚体４に装着された磁性板6a,6b,7a,…,8b,9
a,9bと対向する位置に、浮揚体４を磁気的に支承すると
ともにＺ軸方向の位置調整を行なうための磁石26a,26b,
27a,27b,28a,28b,29a,29b（但し28a,28bは図示せず）が
固定されている。また、対向面Ｑ_１〜Ｑ_４には、前記浮
揚体４に装着された磁性板10a,10b,11a,11bと対向する
位置に、浮揚体４のＸ軸方向の位置調整を行なうための
磁石30a,30b,31a,31bが固定されている。

前記磁石26a,26b,…,29a,29bは、第３図に磁石26a,26b,
27a,27bを代表して示すように磁性材で形成され、その
両端磁極面を図中上下（Ｚ軸方向）に位置させて浮揚体
４に対向配置されたコ字状の継鉄Ｆと、これら継鉄Ｆに
巻装されたコイルＣとで構成されている。そして、各継
鉄Ｆは、その上側に位置する磁極面の上端縁と下側に位
置する磁極面の下端縁との間の距離が、これら継鉄Ｆに
対向する前記磁性板の上下端縁間の距離より長くなる寸
法に形成されている。一方、前記磁石30a,30b,31a,31b
は、第４図に示すように、磁性材で形成され、その両端
磁極面を図中左右（Ｘ軸方向）に位置させて浮揚体４に
対向配置されたコ字状の継鉄Ｇと、これら継鉄Ｇに巻装
されたコイルＣとで構成されている。そして、各継鉄Ｇ
は、その左側に位置する磁極面の左端縁と右側に位置す
る磁極面の右端縁との間の距離が、これら継鉄Ｇに対向
する前記磁性板の左右側縁間距離より長くなる寸法に形
成されている。したがって、各継鉄Ｆおよび磁性板6a,6
b,…9a,9bで形成される磁路と、各継鉄Ｇおよび磁性板1
0a,10b,11a,11bで形成される磁路とは直交している。そ
して、磁石26a,26b,…,29a,29bおよび磁石30a,30b,31a,
31bの各コイルＣの線端はケーブル32を介して制御装置
Ｂに接続されている。また、対向面Ｑ_１，Ｑ_２には、前
記磁性板6a,9aの上端縁部に対向するように、浮揚体４
のＺ軸方向位置およびギャップ方向位置（Ｙ軸方向位
置）を検出する非接触位置検出器33a,33bが固定されて
いる。同様に、対向面Ｑ_１，Ｑ_２には、浮揚体４の側端
部で且つ磁性板6a,7aと磁性板10aとの間の部分および磁
性板8a,9aと、磁性板11aとの間の部分と対向するよう
に、それぞれ浮揚体４のＸ軸方向位置およびギャップ方
向位置（Ｙ軸方向位置）を検出する非接触位置検出器34
a,34b,34c,34dが設置されている。

しかして、第２の板状部19,20のＹ軸方向側縁部両面に
は、中間浮揚体３の支承および位置調整に供される磁気
板35a,35b,36a,36b,37a,37b,38a,38b（但し38a,38bは図
示せず）が装着されている。また、第２の板状部19,20
の上記側縁部でかつＺ軸方向の中間位置の両面には、中
間浮揚体３のＹ軸方向の位置制御に供される磁性板39a,
39b,40a,40b（但し40a,40bは図示せず）が装着されてい
る。

一方、前記固定体２は、次のように構成されている。す
なわち、ベース１の上面に、前記中間浮揚体３の第２の
板状部19,20の前記側縁部をそれぞれ挟んで対向するよ
うに固定体本体46a,46bおよび47a,47bを固定されてい
る。この固定体本体46a,46b,47a,47bは、全体的に縦長
の板状に形成された対向板部48a,48b,49a,49bと、この
対向板部48a,48b,49a,49bを支持するための支持部50a,5
0b,51a,51bとで構成されている。対向板部48a,48b,49a,
49bの前記中間浮揚体３との対向面Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，
Ｒ_４には、前記中間浮揚体３の磁性板35a,35b,…,38a,3
8bと対向する位置に、中間浮揚体３を磁気的に支承する
とともに位置調整するための磁石52a,52b,53a,53b,54a,
54b,55a,55b（但し55a,55bは図示せず）が固定されてい
る。また、対向面Ｒ_１〜Ｒ_４には、前記中間浮揚体３に
装着された磁性板39a,39b,40a,40bと対向する位置に、
前記中間浮揚体３のＹ軸方向の位置を制御するための磁
石56a,56b,57a,57b（但し57a,57bは図示せず）が固定さ
れている。上記磁石52a,52b,…,55a,55bおよび上記磁石
56a,56b,57a,57bは、それぞれ前述した磁石26a,26b,…,
29a,29bおよび磁石30a,30b,31a,31bと同様な構成の電磁
石であり、それぞれのコイルＣの線端はケーブル32を介
して制御装置Ｂに接続されている。また、上記対向面Ｒ
_１，Ｒ_３には、前記磁性板35a,37aの上端縁部に対向す
るように、中間浮揚体３のＺ軸方向位置およびギャップ
方向位置（Ｘ軸方向位置）を検出する位置検出器61a,61
bが設置されている。同様に、対向面Ｒ_１，Ｒ_３には、
中間浮揚体３の第２の板状部19,20の側端部でかつ磁性
板35a,36aと磁性板39aとの間の部分および磁性板37a,38
aと磁性板40bとの間の部分と対向するように、それぞれ
中間浮揚体３のＹ軸方向位置およびギャップ方向位置
（Ｘ軸方向位置）を検出する位置検出器62a,62b,62c,62
dが設置されている。

このように構成された非接触位置決め装置は、固定体２
と中間浮揚体３とで第１段の単位位置決め手段を構成
し、さらに上記中間浮揚体３と浮揚体４とで第２段の単
位位置決め手段を構成する。

次に、このように構成された本実施例に係る非接触位置
決め装置の作用について説明する。

説明を簡単にするために、ここでは中間浮揚体３側で浮
揚体４の位置制御を行なう場合に付いて説明する。

いま、中間浮揚体３の磁石26a,26b,…,29a,29bの各コイ
ルＣに制御装置Ｂから電流を供給すると、第３図に示す
ように、中間浮揚体３の継鉄Ｆと、浮揚体４の磁性体6
a,6b,…,9a,9bとで形成される磁気回路中に磁束Ｍ_１が
発生する。この磁束Ｍ_１によって、浮揚体４は、中間浮
揚体３に非接触状態で磁気力支承される。浮揚体４のＹ
軸方向位置、すなわちギャップ方向位置は、６つの位置
検出器33a,33b,34a〜34dによってモニタされる。このモ
ニタ結果は、制御装置Ｂにフィードバックされ、制御装
置Ｂは上記モニタ結果に対応して各磁石のコイルＣの付
勢電流を制御する。このため、浮揚体４は、中間浮揚体
３に対して常に安定に非接触支承される。

しかして、浮揚体４をＺ軸方向およびＸ軸方向に位置決
めする場合には次のような制御が行われる。すなわち、
Ｚ軸方向の位置決めを行なう場合を例にとると、まず浮
揚体４のＺ軸方向の中心と第１の板状部17,18のＺ軸方
向の中心とを一致させるときには、上記第１の板状部1
7,18のＺ軸方向の中心を境にして上側に位置する磁石26
a,26b,29a,29bの各コイルＣと、下側に位置する磁石27
a,27b,28a,28bの各コイルＣとを均一に付勢する。この
ように付勢すると、第３図に示すように上側に位置する
磁石で発生した磁束Ｍ_１１によって磁性板6a,6b,9a,9b
に加わるＺ軸方向下向きの磁気的吸引力と、下側に位置
する磁石で発生した磁束Ｍ_１２によって磁性板7a,7b,8
a,8bに加わるＺ軸方向上向きの磁気的吸引力とが釣り合
う位置まで浮揚体４が起動して安定する。前述のよう
に、上側に位置する磁性板6a,6b,9a,9bと下側に位置す
る磁性板7a,7b,8a,8bとは浮揚体４のＺ軸方向の中心を
境にして対称的に設けられており、また磁石26a,26b,29
a,29bと磁石27a,27b,28a,28bとは第１の板状部17,18の
Ｚ軸方向の中心を境にして対称的に設けられており、さ
らに各磁性板のＺ軸方向の長さは各磁石の継鉄ＦのＺ軸
方向の長さより短く形成されている。したがって、浮揚
体４が静止安定する位置は、浮揚体４のＺ軸方向の中心
と第１の板状部17,18のＺ軸方向の中心とが一致した位
置となる。このとき、浮揚体４のＸ軸方向の位置は次の
ようになる。すなわち、浮揚体４のＸ軸方向の中心を境
にして両側に設けられている一方側の磁性板6a,6b,7a,7
bと他方側の磁性板8a,8b,9a,9bとは上記中心を境にして
対称的に設けられており、また第１の板状部17,18のＸ
軸方向の中心を境にして両側に設けられている一方側の
磁石26a,26b,27a,27bと他方側の磁石28a,28b,29a,29bと
は上記中心を境にして対称的に設けられている。このた
め、各磁石26a,26b,…,29a,29bで発生した磁束Ｍ_１によ
って各磁性板6a,6b,…，9a,9bに加わるＸ軸方向の磁気
的吸引力は互いに相殺される。したがって、浮揚体４の
Ｘ軸方向の位置は、第１の板状部17,18のＸ軸方向の中
心を境にして対称的に設けられた一方側の磁石30a,30b
で発生する磁束Ｍ_２１と他方側の磁石31a,31bで発生す
る磁束Ｍ_２２とだけによって決まる。

しかして、浮揚体４をＺ軸方向で、かつ第３図中上方へ
移動させ、ある位置に位置決めする場合には次のような
制御が行われる。すなわち、この場合には、各コイルＣ
に流れる電流を制御して第１の板状部17,18のＺ軸方向
の中心を境にして図中上側に位置する磁石26a,26b,29a,
29bで発生する磁束Ｍ_１１と、下側に位置している磁石2
7a,27b,28a,28bで発生する磁束Ｍ_１２とを、Ｍ_１１＜Ｍ
_１２の関係に設定する。このように設定すると、下側に
位置する磁性板7a,7b,8a,8bの上端面に作用する上向き
の磁気的吸引力の方が磁性板6a,6b,9a,9bの下端面に作
用する下向きの磁気的吸引力より大きくなり、この結
果、浮揚体４は上方へと移動する。そして、浮揚体４
は、磁性板6a,6b,9a,9bの下端面に作用する下向きの吸
引力と磁性板7a,7b,8a,8bの上端面に作用する上向きの
吸引力とがバランスする位置に停止する。同様に、Ｍ
_１１＞Ｍ_１２の関係に設定することによって浮揚体４を
第３図中下方に移動させることができる。したがって、
各位置検出器33a,33bで浮揚体４の位置をモニタしなが
ら磁束Ｍ_１１および磁束Ｍ_１２を制御することにより浮
揚体４のＺ軸方向の位置を高精度に位置決めすることが
できる。また、同様の制御を磁石30a,30b,31a,31bにつ
いても行なうことによって、浮揚体４のＸ軸方向の位置
を高精度に位置決めすることができる。

このように、中間浮揚体３と浮揚体４との間では、各磁
石26a,26b,…,31a,31bの磁気力の大小を組合わせること
によって、浮揚体４のＸ軸方向およびＺ軸方向の単独お
よび並進運動、あるいはβ方向の回転運動を実現するこ
とができる。そして、この場合、各磁石26a,26b,…,31
a,31bと、各磁性板6a,6b,…,11a,11bとの間を極微小間
隙に設定した状態で上述した位置制御を行なうことがで
きるので、浮揚体４を、高い磁気剛性の下で安定に磁気
支承させることができる。

一方、固定体２と中間浮揚体３との間でも、各磁石52a,
52b,…,57a,57bの磁気力の大小を組合わせることによっ
て、中間浮揚体３をＹ軸方向およびＺ軸方向への単独お
よび並進運動、あるいはα方向への回転運動を行なわせ
ることができる。そして、この場合にも、やはり高い磁
気剛性の下での安定支承が可能である。したがって、固
定体２に対する中間浮揚体３の移動制御と、中間浮揚体
３に対する浮揚体４の移動制御とを組合わせることによ
って、全体としては浮揚体４のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向な
らびにα，βの各方向への移動制御が、高い磁気剛性の
下で可能化できる。なお、固定体２、中間浮揚体３およ
び浮揚体４の間の磁気ギャップの許す範囲内においてγ
方向への回転動作が可能であることは言うまでもない。

このように、本実施例によれば、高い磁気剛性および高
い負荷容量を維持したままで、位置決め対象物を３次元
的に極めて広い範囲に亙って移動させ位置決めすること
ができる。しかも、この場合、中間浮揚体３および浮揚
体４は、非接触位置検出器33a,33b,34a〜34d,61a,61b,6
2a〜62dで常時モニタされ、制御装置Ｂで帰還制御され
ているので、位置決め装置としての精度および分解能
は、非接触位置検出器の精度および分解能によって決定
される。通常、この種の位置検出器の精度は、ボールネ
ジなどの機械的なものに勝るので、結局、高い位置決め
精度を確保することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、浮揚体４に構造的な剛性がさらに要求され
る場合には、第５図に示すように、浮揚体４の中央部や
中間浮揚体３の第１および第２の板状部17〜20の接続部
に図中上下に延びる厚肉部71,72を設け、また、連結部
材21を厚肉構造にすることによって、必要な剛性を確保
すればよい。また、この場合、必要に応じて肉逃げを行
なうようにすれば、製作上の困難性を伴うこともない。

また、第６図に示すように、浮揚体４の上端部に中空円
筒部81を形成し、この中空円筒部81の内面にコイル82を
装着するとともに、上記コイル82の装着された中空円筒
上部81の内部に非接触状態で磁性材製の円柱体83を装着
すれば、浮揚体４に対する円柱体83のＺ軸方向への動き
を加算することができ、さらに装置全体の自由度を高め
ることが可能である。

また、各磁石を永久磁石単体または、永久磁石と電磁石
との組合わせで構成するようにしてもよい。また、上述
した実施例では、中間浮揚体３の第１の板状部17,18
と、第２の板状部19,20とを直角に連結しているが、所
望する駆動方向に応じて任意の角度に設定できることは
言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の一実施例に係る非接触位置
決め装置を示す図であり、第１図は同装置の全体構成を
示す斜視図、第２図は同装置を一部切欠した斜視図、第
３図は同装置を第１図における矢印Ｅの向きから見た側
面図、第４図は同装置を第１図におけるＤ−Ｄ線に沿っ
て切断し矢印の向きに見た断面図、第５図および第６図
はそれぞれ他の実施例に係る非接触位置決め装置の一部
切欠斜視図である。 Ａ……位置決め装置本体、Ｂ……制御装置、１……ベー
ス、２……固定体、３……中間浮揚体、４……浮揚体、
５……浮揚体本体、6a,6b,7a,7b,8a,8b,9a,9b……磁性
板、10a,10b,11a,11b……磁性板、16……中間浮揚体本
体、26a,26b,27a,27b,28a,28b,29a,29b……磁石、30a,3
0b,31a,31b……磁石、33a,33b,34a〜34d……非接触位置
検出器、35a,35b,36a,36b,37a,37b,38a,38b……磁性
板、39a,39b,40a,40b……磁性板、52a,52b,53a,53b,54
a,54b,55a,55b……磁石、56a,56b,57a,57b……磁石、61
a,61b,62a〜62d……非接触位置検出器、71,72……厚肉
部、81……中空円筒部、82……コイル、83……円筒体、
Ｆ，Ｇ……継鉄、Ｃ……コイル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】浮揚体と、この浮揚体を磁気力で非接触支
   承する固定体と、この固定体と前記浮揚体との間の磁気
   力を制御して上記固定体と上記浮揚体との対向面で、か
   つ磁気支承のための磁路を形成する面の広がる方向に上
   記浮揚体の位置を調整する浮揚体位置調整手段とで単位
   位置決め手段が構成され、前段の浮揚体に後段の固定体
   が搭載されるとともに前段の単位位置決め手段の位置調
   整方向に対して後段の単位位置決め手段の位置調整方向
   を直交させて上記単位位置決め手段が少なくとも２段設
   けられてなることを特徴とする非接触位置決め装置。
2. 【請求項２】前記浮揚体位置調整手段は、前記浮揚体を
   前記固定体に対して二次元的に移動させるものであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の非接触位
   置決め装置。
3. 【請求項３】前記浮揚体は一部に磁性部材を備え、前記
   固定体は前記磁性部材と非接触に嵌合する位置に上記磁
   性部材中に磁束を発生させる支承磁石を備えており、前
   記浮揚体位置調整手段は前記固定体の前記磁性部材と非
   接触に嵌合する位置に上記磁性部材中の磁束数を選択的
   に変化させる駆動磁石を備えていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の非接触位置決め装置。
4. 【請求項４】前記支承磁石は、前記駆動磁石と兼用され
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   非接触位置決め装置。