JPH10154012A - ステージ機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステージ機構において、小型、低コストで、
送りネジの軸ブレの、位置決め及び真直案内精度への悪
影響がなく、またモータの発熱の悪影響の少いステージ
機構を提供する。 【解決手段】 ネジ送り機構のナットと、移動テーブル
を連結する連結ブロックを設け、この連結ブロックに９
０°交差する弾性ヒンジ部を２対設けて、ボールネジの
送り方向には剛性を保ち、ボールネジの軸振れの方向に
は柔軟に変形するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、寸法、形状等を検
査する装置の位置決めステージの移動の真直度改善に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】寸法、形状等の精密検査装置に用いられ
る位置決めステージには、検出器または被測定物を所定
の位置に位置決めする必要があるが、精密に位置決めす
る為にはテーブルの、送り方向への精密な位置決めに加
えて、送り方向に直角な方向の、いわゆるピッチング、
ヨーイング誤差を極力小さくする必要がある。

【０００３】特にＸ，Ｙ，Ｚ各軸について１μｍ以内
の、位置決めや送りの真直移動精度が必要な場合、Ｘ
軸、Ｙ軸上で０．５μｍ以内の真直度で案内しなければ
ならないが、一般にテーブルの送りに用いられるボール
ネジを含むネジ送り機構には、１０μｍ程度の軸振れは
避けられず、この軸振れが、Ｘ軸、Ｙ軸移動の真直度に
悪影響を与えるという問題があった。

【０００４】そこで従来は送りネジのナットとテーブル
の間にスラスト方向に静圧軸受を設ける方法があった。

【０００５】この方法ではネジの軸振れ方向には殆ど摩
擦がなく、ネジの軸振れの影響を小さくできるが、装置
が大がかりで高価になり、小形で低価格を必要とするス
テージには使用できないという問題があった。

【０００６】また、従来技術の他の方法として、送りネ
ジの代わりにリニアモータを使用し、ボールネジの軸振
れの問題を回避する方法もあった。しかしこの方法もリ
ニアモータが高価であり、また発熱するモータが移動す
るテーブルに取付けられる為、位置決めに発熱の影響が
出やすいという問題があった。

【０００７】次にこのような問題を解決した一つの公知
例について、図４及び図５により説明する。図４は位置
決めステージの斜視図であり、図５は図４のナットホル
ダ部の斜視図である。図４及び図５において、２１はス
テージベース、２２は上面案内面、２３は側面案内面、
２４はテーブル、２５は摺動材、２６はボールネジ、２
７はボールネジナット、２８はナットホルダ、２９はボ
ールネジ軸受、２１０はカップリング、２１１はモー
タ、２１２は締結ボルト、２１３，２１４，２１７，２
１８は切欠部、２１５，２１６，２１９，２２０は弾性
ヒンジ部、２２１はナットホルダテーブル結合部、２２
２は結合ボルト、２２３はテーブル２４の移動方向であ
る。

【０００８】以下、この動作について説明する。テーブ
ル２４はテーブル２４に固定されている摺動材２５を介
して高精度に仕上げられた上面案内面２２及び側面案内
面２３に案内されて２２３の方向に移動可能である。

【０００９】ボールネジ２６は軸受２９によって上面案
内面２２及び側面案内面２３に平行で、２２３の方向に
ガタなく、かつ回転自在に支えられ、カップリング２１
０を介してモータ２１１に結合され、またボールネジ２
６にはなり合うボールネジナット２７、ナットホルダ２
８を介してテーブル２４に結合されており、モータ２１
１の回転に伴ってテーブル２４を２２３の方向に移動さ
せる。

【００１０】このときボールネジ２６は回転に伴って１
０μｍ程度の軸ブレを発生するが、ナットホルダ２８に
互いに９０°交差して２ケ所ずつ設けられた切込２１
３，２１４，２１７，２１８によって、接続部の肉厚が
０．５ｍｍに形成された弾性ヒンジ部２１５，２１６，
２１９，２２０が撓むことによってナットホルダテーブ
ル結合部２２１へ働く力が非常に小さくなる。この動作
を詳細に考えること、今ボールネジが上下方向に変位し
た場合、ナットホルダ２８は弾性ヒンジ部２１９，２２
０を支点にして互に逆の方向に傾くことにより、ナット
ホルダテーブル結合部２２１が上下方向には動かない状
態でボールネジナット２７が上下することを許容するこ
とができる。ボールネジが水平方向に軸振れを起こした
場合には弾性ヒンジ部２１５，２１６が支点となり同様
の撓みでボールネジナット２７の水平方向振れを許容で
きる。ボールネジの軸振れは水平方向及び上下方向軸振
れの結合力であるから、弾性ヒンジ部２１５，２１６，
２１９，２２０を互いに９０°交差して２ケ所ずつ設け
ることにより、軸振れを吸収できる。

【００１１】ところが、この例ではネジの回転に伴って
ナットホルダに回転しようとする力２２４が働く。

【００１２】この力はナットホルダを介してテーブルに
伝わるが、テーブルはエアスライド等の案内によって回
転を軸止される。

【００１３】このときナットホルダが捻られ、同時にナ
ットもわずかに回転する為軸方向の移動にわずかなロス
トモーションが発生してしまう。この傾向を小さくする
為にはナットホルダを剛にすれば良いが、水平方向垂直
方向も剛になってしまい移動の真点案内精度が悪くなり
やすい。

【００１４】本発明ではナットホルダに働く回転力は第
２の直線案内機構で阻止され、移動ブロックの移動方向
の力と、軸ブレ及び真点案内誤差の分のみが、連結ブロ
ックに伝えられる為、より高精度なステージができる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術は、装
置が大がかりで高価になり、また、熱による位置決め及
び真直案内精度への悪影響を与えやすいという欠点があ
った。

【００１６】また、図４、図５の公知例についても前述
のような問題点があった。

【００１７】本発明はこれらの欠点を除去し、小形、低
コストで、位置決め及び真直案内精度に、送りネジの軸
ブレの悪影響がなく、また駆動モータの発熱の悪影響の
ない、位置決めステージを提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明は、これら目的を
達成する為に、ネジ送り機構のナットと移動テーブルを
連結する連結ブロックを設け、この連結ブロックに９０
°交差する弾性ヒンジ部を２対設けて、ボールネジの送
り方向には剛性を保ち、ボールネジの軸振れの方向には
柔軟に変形するようにしたものである。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例を図１、図
２、図３に示す。

【００２０】エアスライドガイド１にはスライドテーブ
ル２が組込まれており、エア供給口３から０．５Ｍｐの
圧縮空気を供給され、スライドテーブル２のガイド面
と、エアスライドガイド１のガイド面の間に、約１０μ
ｍの隙間を保ってエアベアリングを形成し、２の軸受効
果によって、エアスライドテーブル２がエアスライドガ
イド１に軸支されて高い真直案内精度で移動できるよう
になっている。

【００２１】一方、エアスライドガイド１の横にはボー
ルネジ４が、サポート軸受５及び６によって、エアスラ
イドガイド１に平行になるように、また回転自在でかつ
軸方向には変位しないように軸支されている。このボー
ルネジ４は、軸継手７を介して、モータ８によって回転
駆動される。またボールネジ４には、ボールネジナット
９が組込まれており、ボールネジナット９は送りブロッ
ク１０に取付けられている。送りブロック１０とスライ
ドテーブル２には、断面が８ｍｍ□の連結ブロック１１
が取付けられており、この連結ブロック１１には、スラ
イドテーブル２の取付部近傍及び送りブロック近傍に、
上下両面から中心に向ってＵ字形溝状切込１２を設け、
さらに上下両面からのＵ字形溝状切込１２に隣接して、
左右両面から中心に向ってＵ字形溝状切込１３を設けて
ある。Ｕ字形溝状切込１２及び１３の底部１４の断面は
０．６ｍｍ×８ｍｍとなり、この部分を中心として回転
運動をするヒンジの働きをする。

【００２２】ボールネジ４の下にはエアスライドガイド
１と平行にボール循環形リニアモーションガイドのリニ
アモーションガイドブロック１５がエアスライドガイド
１と平行に配設されており、リニアモーションガイドブ
ロック１５にはベアリングブロック１６が組込まれてお
り、ベアリングブロック１６に送りブロック１０が固定
されている。送りブロック１０は、ボールネジ４が回転
すると、ボールネジナット９の回転が、送りブロック１
０、ベアリングブロック１６を介してリニアモーション
ガイドブロック１５によって阻止されて軸方向にのみ案
内される為、回転量に応じて軸方向に移動するようにな
っている。

【００２３】この動作は、図示しない制御装置及びモー
タドライバによってモータ８が所定量回転駆動すると、
軸継手７を介してボールネジ４が回転する。このとき、
ボールネジ４はサポート軸受５及び６によって軸支され
ているため、軸方向には変位せず、回転方向にのみ移動
する。ボールネジ４が回転すると、ボールネジナット９
とリニアモーションガイド１５のベアリングユニット１
６の働きでボールネジ４のリード角に応じて送りブロッ
ク１０が軸方向に移動する。

【００２４】送りブロック１０の移動は、連結ブロック
１１を介してスライドテーブル２に伝えられる。このと
きボールネジ４に１０μｍの軸ブレがあり、またリニア
モーションガイド１５に１０μｍの真直案内誤差があっ
た場合、送りブロック１０の軸方向移動の真直度は、両
者の誤差がミックスされてやはり１０μｍ前後の誤差と
なる。

【００２５】この誤差があって送りブロック１０が垂直
方向に変位した場合図２に誇張して示すように、２箇所
の垂直方向のＵ字形溝状切込１２の底部１４が対称に変
形する。また水平方向に変位した場合には図３に誇張し
て示すように、２箇所の水平方向のＵ字形溝状切込１３
の底部１４が対称に変形する。この変形によりテーブル
２を変位させようとする力は、底部１４の間の距離を５
０ｍｍとした場合約１０ｇｆとなり、軸受剛性２０ｋｇ
ｆ／μｍを有するスライドテーブル２への影響は、理論
上変位が５×１０~⁵μｍとなり、スライドテーブル２の
移動の真直誤差以内となる。

【００２６】実際にもスライドテーブル２の移動の真直
案内誤差に与える影響は全く認められなかった。

【００２７】本発明の実施例では、スライドテーブル２
に搭載固定する図示していない被測定物の高さを精密測
定する為のステージ機構である為垂直方向の移動精度
が、水平方向の移動精度よりも高くする必要がある為、
水平方向のＵ字形溝状切込１２の間の距離を、垂直方向
のＵ字形溝状切込１３の間の距離よりも長く取り、スラ
イドテーブル２への影響を小さくしている。

【００２８】本発明の連結ブロックには捻る力が働かな
い為ボールネジに過大なトルクが加わった時（調整時に
しばしば発生する。）にも捻れによる破損の恐れがな
い。

【００２９】更に、本発明の連結ブロックには捻り剛性
を考えなくてよい為、ヒンジ間隔ｌを長くすることがで
き、送り方向の剛性と水平、垂直方向の剛性の最適化が
しやすい。

【００３０】図４、図５と比較した場合本発明では捻り
剛性の影響を考える必要がなく、また水平、垂直方向い
ずれか精度の必要な方向のヒンジ間隔を長くとる事もで
きるので、軸受剛性が１０ｋｇ／μｍの空気軸受でも充
分０．０５μｍの真点案内精度が実現できた。

【００３１】空気軸受は非接触の為、寿命が長く摩擦抵
抗の変化がない。

【００３２】

【発明の効果】以上述べた如く本発明によれば、モータ
駆動されるネジのナット部と高精度案内部のテーブル
を、９０°交差した弾性ヒンジを形成するＵ字形溝状切
込を入れた連結棒で結合するのみで、ボールネジの軸ブ
レの影響を実質的に無くする事ができ、また発熱するモ
ータからテーブルが離れている為、熱変位も殆どない。

【００３３】従って小形、低コストで熱による位置決め
及び真直案内精度への悪影響のない高精度ステージを得
る事ができる。

【００３４】また精度をより必要とする方向に応じて、
Ｕ字形溝状切込間の距離を設定できる為、設計の自由度
も高い特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す外形図。

【図２】本発明の実施例の動作を誇張して示す外形説明
図。

【図３】本発明の実施例の動作を誇張して示す外形説明
図。

【図４】従来例の斜視図。

【図５】従来例のナットホルダ斜視図。

【符号の説明】

１：エアスライドガイド、２：スライドテーブル、４：
ボールネジ、１０：送りブロック、１１：連結ブロッ
ク、１２：垂直方向のＵ字形溝状切込、１３：水平方向
のＵ字形溝状切込。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真直案内ブロックと、該真直案内ブロッ
   クに案内される移動ブロックと、前記真直案内ブロック
   に平行に設置された送りネジと、該送りネジに平行に設
   置した第２の直線案内ブロックと、該直線案内ブロック
   に案内される第２の移動ブロックと、前記送りネジのナ
   ットを取付け、かつ第２の移動ブロックに取付けられた
   送りブロックと、該送りブロックと前記高精度移動ブロ
   ックとを結合する連結ブロックとで構成され、該連結ブ
   ロックが前記移動ブロックと、前記送りブロックとの近
   傍計２箇所に前記連結ブロックの両外径面から、中心に
   向って対称に断面Ｕ字形溝状切込を入れ、該両Ｕ字形溝
   状切込の底部によって薄肉長方形断面が形成される第１
   の弾性ヒンジ部を１箇づつ、計２箇有し、さらに該第１
   の弾性ヒンジ部に隣接して前記第１の弾性ヒンジと同形
   状の第２の弾性ヒンジ部を１箇づつ計２箇有し、かつ該
   第２の弾性ヒンジの断面Ｕ字形溝状切込の方向が、第１
   の弾性ヒンジと９０°交差していることを特徴とするス
   テージ機構。
2. 【請求項２】 請求項第１項記載の前記送りネジがボー
   ルネジであることを特徴とするステージ機構。
3. 【請求項３】 請求項第１項記載の前記連結ブロックの
   断面が円形であることを特徴とするステージ機構。