JP2005033943A - 振動型駆動装置を用いた位置決め機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】移動体のバックラッシを無くすとともに、移動体の停止時に駆動装置が発熱したり、振動してしまうことを無くし、更には移動体の停止位置を保持するにあたり電力が要らずに省エネルギーとした機構とする。
【解決手段】位置決めされる移動体の位置を検出する位置検出装置11と、該位置検出装置の検出出力に応じて制御される複数の振動型駆動装置1,10と、該複数の振動型駆動装置の回転運動を直線的な方向へ前記移動体を移動させる運動に変換する、ラック7,8と歯車9,10の組み合わせより成る出力変換手段とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の振動型駆動装置を用いた位置決め機構に関するものである。
図10はボールねじを用いた従来の位置決め機構の一例を示す構成図であり、同図において、ボールねじ73がカップリング74により電磁モータ75の出力軸76に接続されている。ボールねじ73の回転運動はナット77により直線運動に変換され、テーブル78が直線的に移動する。
図11は、例えば非特許文献1に開示の機構の一部を変更してなる従来の他の位置決め機構の概略構成を示す斜視図であり、図12は図11の断面図である。
図11および図12において、ベース79には案内80,81が固定されており、図10に示したような電磁モータによってボールねじ83が回転するとその回転運動が上記ナット等により直線的運動に変換されて案内80,81によりテーブル82が直線的に移動する。そして、テーブル82の位置が後述の位置検出装置によって検出され、テーブル82の位置制御が行われる。位置検出装置は、ここではガラスに細い線状のパターンが形成されたリニアスケール84とそれを光学的に読み取る光学センサ85(図12参照)により構成される例を示している。
この種の機構においては、図12に示すように、テーブル82の下にボールねじ83と位置検出装置(84,85)が設置されている。
寺町彰博監修 リニアシステム編集委員会編、リニアシステムの活用、初版、 日刊工業新聞社、2000年10月16日、12頁
しかしながら、上記のような従来の機構においては、ボールねじとナットとの間(回転運動を直線運動に変換する部分)には隙間があり、バックラッシを取り切ることは困難であった。
また、従来、位置決め機構の駆動源としては電磁モータが用いられているため、該電磁モータへの電源がオフされると保持トルクが無くなるまたは保持トルクが小さくなり、テーブルが不用意に動いてしまう問題があった。これに対処する為に、電磁モータの駆動制御をし続ける(サーボロックをかけ続ける)ことでその位置保持を行うことが考えられるが、制御応答や電圧変動により該テーブルが振動的な動きをしたり、常時電流を流し続けることにより電磁モータが発熱したりし、好ましくない。
また、図11および図12に示す簡易な機構においては、ボールねじ83、位置検出装置(84,85)とも案内80,81の中央で、テーブル82の中心線(テーブルの移動方向に平行でかつ該テーブルの重心を通る線を意味する)上に配置することが望ましい。ボールねじ83が中央にないとテーブル82にヨーイング方向のモーメントが働き、テーブル82が斜行して位置決め精度が低下し、また位置検出装置が中央に配置されていないとヨーイング成分が加わったテーブル82の位置を検出することになる。しかし従来の電動ステージでは図11から明らかなように、ボールねじ83、位置検出装置(84,85)のどちらもテーブル82の中心線上に配置することが出来ないため、位置決め精度が上がらないといった問題があった。
上記の点に鑑み、請求項1に記載の発明は、位置決めされる移動体の位置を検出する位置検出装置と、該位置検出装置の検出出力に応じて制御される複数の振動型駆動装置と、該複数の振動型駆動装置の回転運動を直線的な方向へ前記移動体を移動させる運動に変換する、ラックと歯車の組み合わせより成る出力変換手段とを有する位置決め機構とするものである。
上記構成においては、無通電時に保持力をもつ、電気−機械エネルギー変換素子に周波信号を印加して振動体を励振させて回転力を得る振動型駆動装置を駆動源として用いると共に、この振動型駆動装置を複数具備することで、これら複数の振動型駆動装置相互の回転差を利用して移動体のバックラッシを無くする構成にしている。
また、請求項2に記載の発明は、前記出力変換手段の構成要素である歯車とラックの相互の当接位置をずらし、これら歯車とラックの接触の同時性を回避するように構成した請求項1に記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構とするものである。
また、請求項3に記載の発明は、前記ラックに前記歯車を押し付ける手段を有する請求項1又は2に記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構とするものである。
また、請求項4に記載の発明は、前記位置検出装置を、前記移動体の重心を通る線に沿って配置した請求項1乃至3の記載のいずれかに記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構とするものである。
また、請求項5に記載の発明は、前記振動型駆動装置および前記ラックと前記歯車の接触部分に防塵対策を施した請求項1乃至4記載のいずれかに記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構とするものである。
上記請求項1に記載の発明によれば、移動体のバックラッシを無くすとともに、移動体の停止時に駆動装置が発熱したり、振動してしまうことを無くし、更には移動体の停止位置を保持するにあたり電力が要らずに省エネルギーとした振動型駆動装置を用いる位置決め機構を提供できるものである。
また、上記請求項2又は3に記載の発明によれば、より確実にバックラッシを無くすことのできる振動型駆動装置を用いる位置決め機構を提供できるものである。
また、上記請求項4に記載の発明によれば、移動体の位置を検出するにあたり、高い精度で位置検出ができる振動型駆動装置を用いる位置決め機構を提供できるものである。
また、上記請求項5に記載の発明によれば、塵埃による影響を抑えることのできる振動型駆動装置を用いる位置決め機構を提供できるものである。
以下の各実施例1〜実施例4に記載される通りである。
図1は本発明の実施例1に係る位置決め機構を示す一部破断斜視図である。
図1において、1,2は、電気−機械エネルギー変換素子に周波信号を印加して振動体を励振させ、回転力を得る振動型駆動装置としての振動型モータである。3はベースであり、このベース3に振動型モータ1,2および案内4,5が固定されている。6はベース3に固定された案内4,5に沿って直線的に移動するテーブル6である。7,8はテーブル6に固定されたラックである。9,10は振動型モータ1,2の出力軸に固定された歯車である。なお、案内としては、クロスローラガイドやLMガイド(登録商標)等のリニアシステムが好適である。
11はベース3に対するテーブル6の移動位置を検出するための直線状の位置検出装置であり、図11と同様に例えばガラスに細い線状のパターンが形成されたリニアスケールとそれを光学的に読み取る光学センサにより構成される(図1ではリニアスケールのみを図示)。
上記位置検出装置11は、テーブル6の中心線(テーブル6の移動方向に平行で、かつ該テーブル6の重心を通る線)に沿って該テーブル6の移動範囲をカバーする長さを有しており、ラック7,8および振動型モータ1,2はこの位置検出装置11を挟んで左右対称(対称でなくとも良い)の位置に配置されている。
ここで、本実施例の位置決め機構に、振動型モータ1,2を用いた理由について説明する。
第1に、電磁モータに比べて高速応答性に優れていることからである。高速応答性に優れていないと、移動体(テーブル)を移動、停止させる命令に追従できず、ナノメートルレベルでの位置制御を行うことは出来ないが、駆動源に振動型モータを用いることにより、ナノメートルレベルでの位置制御が可能になる。
第2に、無通電状態で移動体の停止位置の保持力を有することからである。他の電磁モータ等においては従来例で述べたように、無通電(電源がオフ)されると保持力が無くなるもしくは小さい為に移動体が不用意に動いてしまう為に常時制御し続ける(サーボロックをかける)必要があり、このようにサーボロックをかけて位置保持をしている状態では移動体が微細な振動をしている状態となる。また、所定位置に停止させている間、サーボロックをかけ続けることにより、モータが発熱してしまう虞もある。これに対し、振動型モータは無通電位置保持力を有するため、上記のサーボロックをかける必要が無く、発熱せずかつ振動を生じず、更に移動体の停止位置を保持するにあたり、電力が要らない省エネルギーな機構となる。
第3に、振動型モータは非磁性材料により構成されていることからである。振動型モータは電磁モータのようにマグネットを構成要素としていないため、周辺機器等に磁気の影響を与えたり、本位置決め機構が磁気の影響を受けたりすることが無い。したがって、磁気の影響を受け易い、電子線描画装置や電子顕微鏡などにも、図1の位置決め機構を適用可能となる。
その他、本発明では複数の振動型モータを用いている。これは、大きな駆動力や高速の要求に対して、大きな振動型モータを1つ用いることも考えられるが、位置決め機構の大型化(肉厚化)を招くことになる。これに対し、要求に応じて小さな振動型モータを複数配置する構造とすることにより、機構の薄型化を達成しつつ、大きな駆動力や高速の要求に対応可能となる。
次に、上記位置検出装置11をテーブル6の中心線(テーブル6の移動方向に平行かつ該テーブル6の重心を通る線)に沿って配置するとともに、複数の振動型モータおよび回転運動を直線運動に変換する出力変換手段を成す歯車とラックを位置検出装置11を挟んで左右に配置している理由について説明する。
図11および図12のような従来の機構の場合、位置検出装置を中心線上に配置した場合、ボールねじを中心線上に配置することが出来ず、移動体であるテーブルの中心線から外れた位置から該テーブルに対して推力を与えるため、特にヨーイング方向にテーブルを斜行させてしまい、位置決め精度が上がらない。
これに対し、図1に示すように位置検出装置11をテーブル6の中心線に沿って配置し、振動型モータ1とその出力変換手段(歯車9およびラック7)、振動型モータ2とその出力変換手段(歯車10およびラック8)をこの位置検出装置11を挟んで左右対称位置に配置することにより、テーブル6に対してヨーイング方向の推力が働くことはなく、また位置検出装置は中心線に沿って配置されているためにその検出出力にヨーイング成分が加わることもなく、位置決め精度が向上することになる。なお、振動型モータ1,2とその出力変換手段を位置検出装置11を挟んで左右対称位置に配置する例を述べているが、テーブル6が図示のように左右対称面を有する形状でなかった場合には、対称位置でなくとも良い。
図2は、振動型モータを駆動するために入力される駆動周波数fと、振動型モータの出力回転数Nとの関係を示すf−N特性を示す図であり、この図2では負荷a<b<cと、負荷の大きさごとのf−N特性を示している。
図2に示したように、同一周波数f1で振動型モータを駆動させた場合において、a→b→cと負荷が大きくなると、回転数がN1→N2→N3と低下し、逆に負荷が小さくなると回転数が増加する。
ここで、図1および図2を用いて、複数個の振動型モータ1,2を用いることによりバックラッシの無い送りが出来る原理について説明する。
上記のようにテーブル6を移動させるために図1に示す振動型モータ1,2に、図2に示す駆動周波数f1を印加した場合、振動型モータの固体差や、ある時点において複数ある振動型モータにかかる負荷バランスが必ずしも均等でない等に起因して例えば振動型モータ1に若干大きな負荷がかかったとすると、該振動型モータ1が負荷を受け持つ分、他方の振動型モータ2の負荷が小さくなり、その回転数が増加する。そして、今度は回転数が増加した振動型モータ2に負荷がかかっていくというように、複数個の振動型モータを用いると、互いに突っ張りあいながら、バックラッシが生じないようにして力を出し合うという駆動機構が出来上がる。
次に、図1の複数のラック7,8と歯車9,10の関係について、図3および図4を用いて説明する。なお、図3および図4では、説明を判り易くする為に、対を成す歯車とラックをそれぞれくっつけて示している。
図3はラックと歯車との関係について示す第1の例を示す図であり、ラック12とラック13との歯の位置を同一にした場合である。このような配置の場合、歯車14がラック12に、歯車15がラック13に、それぞれ力を伝達する際、2組の歯車とラック相互の接触の同時性が生じて、振動が発生したり、停止時にバックラッシが生じたりする。
図4はラックと歯車との関係について示す第2の例を示す図であり、ラック16とラック17との歯の位置をずらして、別言すれば歯車とラックの相互の当接位置をずらして配置した場合である。このような配置にすると、歯車18がラック16に、歯車19がラック17に、それぞれ力を伝達する際、2組の歯車とラック相互の接触の同時性が起こりにくく、停止時にバックラッシが生じないようになる。
したがって、図1のラック7,8と歯車9,10を、図4のような配置にすることで、よりバックラッシが生じないようにすることが可能となる。
また、ラックと歯車の間で発生する振動を抑え、停止位置精度の向上を図るため、ラックと歯車の表面粗さや寸法精度が重要である。よって、表面粗さを向上させるためにラックと歯車に化学研磨をかける等が望ましい。また、ラックと歯車の摩擦や該摩擦による磨耗を低減するため、フッ素樹脂めっき等の表面処理を施したり、使用環境に応じたグリスを塗布したりすることも望ましい。
以上の実施例1によれば、位置決め機構を、位置決めされるテーブル6の移動方向に平行かつ前記テーブル6の移動範囲にわたって(移動距離をカバーする範囲にわたって)配置される直線状の位置検出装置11と、高速応答性、無通電位置保持力を有し、前記位置検出装置11を挟んで左右に配置される複数の振動型モータ11と、該複数の振動型モータ1,2の出力軸に固着される歯車9,10とラック7,8の組み合わせより成り、振動型モータ1,2の回転運動を直線運動に変換してテーブル6を移動させる出力変換手段とにより構成している。
よって、複数の振動型モータと出力変換手段を上記配置にすることにより、バックラッシの無い、ナノメートルレベルでの位置決めを行うことが可能となる。詳しくは、ラックと歯車の寸法の僅かな狂いでもラックと歯車との間に隙間が生じるが、図1の構成とすることにより、ラックと歯車の寸法に狂いがあってもバックラッシの無い位置決めを、簡便な機構で実現できる。また、振動型モータが持つ保持力より省エネルギーを達成することができる。さらには、振動型モータは停止時にサーボロックをかけ続ける必要がないので振動を生じることがなく、この面からも位置決めを精度良く行えることになる。
また、位置検出装置11を移動体であるテーブル6の重心を通る線に沿って配置することにより、テーブル6のヨーイング方向の成分が加わることなく、位置検出するため、」テーブル6の位置決め精度を向上することができる。
さらに、図4に示したように、ラック7と8の歯の位相(位置)をずらすように配置することで、2組の歯車とラック相互の接触の同時性が起こりにくいため、振動が少なく、停止時のバックラッシが生じない、より高精度な位置決め機構となる。
更に、移動体の駆動源として、非磁性材料より成る振動型モータを用いているので、磁気の影響を受け易い、電子線描画装置や電子顕微鏡にも適用可能となる。また、磁場の影響を受けないので、強磁場下での使用も可能になる。
図5は本発明の実施例2に係る位置決め機構を示す図であり、図6は図5の主要部の構成図である。
図5では、ラックに歯車を押し付ける機構、および防塵対策に用いられ機構に係る構成要素を主に示しているが、振動型モータやラック、歯車を複数具備する点(図6参照)は、図1と同様である。
まず、ラックに歯車を押し付ける機構について説明する。
図5において、20は出力軸23に歯車24(24a,24b)が固定された振動型モータであり、ねじ21によりモータ取付板22に固定される。25,26はモータ取付板22に固定される平行ばねであり、これら平行ばね25,26は取付板27,28に固定される。取付板27,28はベース(不図示)に固定される。
29はスプリングであり、該スプリング29がモータ取付板22を押すことにより、歯車24がラック30(30a,30b)に押し付けられる。この際、歯車24をラック30に押し付ける力を大きくすると負荷が大きくなるが、押し付ける力をあまり大きくすると停止位置精度が悪くなる。一方、歯車24をラック30に押し付ける力が小さい場合も停止位置精度が悪い。よって、歯車24をラック30に押し付ける力はそれぞれのケースで最適値を求める。
図1に、図5を組み合わせたテーブルサイズ120mm角のステージでの例では、歯車をラックに押し付ける力が、4〜5(N)の時、最も停止位置精度が良いという結果を得た。
次に、防塵対策に用いられる機構について説明する。
この種の位置決め機構は、例えばウエハ搬送といった半導体製造装置の中でも、とりわけクリーン度を要求されるところで使われることが多い。可動機構において、金属どうしが接触、摺動する部分からゴミが発生するので、クリーン度の要求が厳しい用途には、防塵対策が取れるような構造を備えている必要がある。この点に鑑み為された機構である。
図5における防塵構造は、振動型モータ20およびラック30と歯車24の接触部の防塵対策をとるべく、ベース31と振動型モータ20との隙間31aに通じる通気路を有するバキューム孔32からポンプ(不図示)により塵埃を排気するものである。また排気により温度上昇を抑える冷却効果もある。
図6は位置決め機構の概略を示す構成図であり、振動型モータ20および歯車24a,24bを固定側に、ラック30を移動側に、それぞれ配置した例を示したものである。
図5に示す防塵方法を取る場合、図6に示した構造にすると、歯車24a,24bを駆動する振動型モータ周辺の局所排気という簡便な機構で済む。
図7は、ラック30を固定側に、振動型モータ20および歯車24a,24bを移動側に、それぞれ配置した例を示すものである。
図7のように、ラック30a,30bを固定し、歯車24a,24bを駆動する振動型モータをテーブル33に取り付ける構造にすると、排気管や振動型モータを駆動するための電線を引きずりながらテーブル33が動く機構となる。よって、図7の構成の場合、長い移動距離が必要で、厳しいクリーン度を必要としない場合に用いられる。
以上の実施例2によれば、平行ばね25,26とスプリング29等より成る、ラック30に歯車24を押し付ける機構を具備しているので、ラックと歯車の隙間が無くなり、より確実にバックラッシを無くすることができる。なお、平行ばねのみでラックに歯車を押し付ける構造にすることも可能である。
また、振動型モータ20、ラック30と歯車24の接触部分に防塵対策を施しているので、クリーン度の要求が厳しい場所においても、上記構成の位置決め機構を用いることが可能となる。また、振動型モータ20を固定側にし、ラック30側を移動させる構成にすることにより、塵埃の発生場所を局所に限定させることができる。
図8は本発明の実施例3に係る位置決め機構を示す一部破断斜視図である。
図8において、34はベースであり、これに振動型モータ35a,35bが固定され、その出力軸には歯車36a,36bが固定されている。38はX軸テーブルであり、このX軸テーブル38にはラック37a,37bが固定されていて、歯車36a,36bの回転により該X軸テーブル38が移動する。前記ベース34はY軸テーブル兼ねており、X軸テーブル38同様、不図示のラックと歯車によりベース41に対し、X軸テーブル38と直交する方向に移動する。
39はX軸テーブル38に固定されたミラーであり、レーザ測長機40aによりベース41に対するX軸テーブル38のX軸方向の位置検出を、レーザ測長機40bによりベース41に対するY軸テーブル(34)のY軸方向の位置検出を、それぞれ行う。
上記実施例3によれば、上記実施例1や実施例2のように一次元方向へのみテーブルを移動させる簡易な機構のみでなく、二次元方向へテーブルを移動させる(X−Yステージ)ものにも適用することができる。つまり、このような位置決め機構とした場合においても、バックラッシが無く、発熱せずかつ振動しない位置決め機構とすることができる。
また、このような構成の場合、推力が移動体(X軸テーブル、Y軸テーブル)の重心を通る線上に作用するので、移動される移動体の斜行が少なく、位置検出装置としてのレーザ測長機40a,40bをこのような配置としても位置検出精度に殆んど問題を生じない。
図9は本発明の実施例4に係る位置決め機構の主要部を示す構成図である。
42〜45は出力軸に歯車50〜53が固定される振動型モータであり、モータ取付板46〜49に固定される。また、モータ取付板46,47には平行ばね54,55が固定され、モータ取付板48,49には平行ばね56,57が固定されている。平行ばね54,55は取付板58〜60に固定され、平行ばね56,57は取付板61〜63に固定される。取付板58,61はベース64に固定され、取付板59,62はベース65に固定され、取付板60,63はベース66に固定される。
67はスプリングであり、該スプリング67がモータ取付板46を押すことにより、歯車50がラック71に押し付けられる。同様に、スプリング68がモータ取付板47を押すことにより、歯車51がラック71に押し付けられる。反対側についてもスプリング69がモータ取付板48を押すことにより、歯車52がラック72に押し付け、スプリング70がモータ取付板49を押すことにより、歯車53がラック72に押し付けられる
上記の実施例4によれば、ラック71,72に歯車42〜45を押し付ける機構(平行ばね54〜57、スプリング67〜70等より成る)を具備しているので、ラックと歯車の隙間が無くなり、より確実にバックラッシを無くすることができる。
また、振動型モータを4個具備した構造をしているので、大きな駆動力や高速移動の要求に対応可能な位置決め機構とすることができる。つまり、新規に大きな振動型モータを設計する必要がなく、既にある振動型モータを必要な数用意することで対応でき、またこのように4個の振動型モータを具備しても、図1のように2個具備したものと同様に薄型化を保持できる。
(変形例)
上記実施例1〜4においては、複数の振動型モータおよびその出力軸に固定される歯車と該歯車の噛み合う複数のラックを有する例を示しているが、これに限定されるものではない。
例えば図8のラック37a,37bは一つのラックの両側に歯が、図3または図4にように切られ、それを挟むようにして歯車(振動型モータ)が配置されたものも本発明に含まれるものである。さらには、図9に示した例えばラック71と歯車50,51、もしくは、ラック72と歯車52,53のみを具備する位置決め機構も本発明に含まれるものである。
案内によって直線的な方向に移動させられる移動体の移動位置を位置検出装置によって監視しつつ、所望の位置まで移動させる各種の装置への適用が可能である。なお、前記直線的な方向に移動とは、直線はもとより、円弧状の移動や、複数軸を組み合わせた三次元方向の移動をも含むものである。
本発明の実施の第1の形態に係る位置決め機構の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の第1の形態に用いられる振動型モータの駆動周波数と出力回転数との関係を示すf−N特性図である。 本発明の実施の第1の形態に係るラックと歯車との関係についての第1の例を示す図である。 本発明の実施の第1の形態に係るラックと歯車との関係についての第2の例を示す図である。 本発明の実施の第2の形態に係る位置決め機構においてラックに歯車を押し付ける機構、および防塵対策を具備した構成を示す斜視図である。 本発明の実施の第2の形態において振動型モータを固定側、ラックを移動側にした例を示す構成図である。 本発明の実施の第2の形態においてラックを固定側、振動型モータを移動側にした例を示す構成図である。 本発明の実施の第3の形態に係る位置決め機構を示す斜視図である。 本発明の実施の第4の形態に係る位置決め機構の主要部を示す平面図である。 従来の位置決め機構を示す概略構成図である。 従来のボールねじ駆動の位置決め機構の概略構成を示す斜視図である。 図11の位置決め機構の断面図である。
符号の説明
1,2,20,42〜45 振動型モータ
4,5 案内レール
6 テーブル
7,8,30,71,72 ラック
9,10,24,50〜53 歯車
11 位置検出装置
22,46、47、48、49 モータ取付板
23 モータ軸
25,26,54〜57 平行ばね
27,28,58〜63 取付板
29,67〜70 スプリング
32 バキューム孔

Claims (5)

  1. 位置決めされる移動体の位置を検出する位置検出装置と、該位置検出装置の検出出力に応じて制御される複数の振動型駆動装置と、該複数の振動型駆動装置の回転運動を直線的な方向へ前記移動体を移動させる運動に変換する、ラックと歯車の組み合わせより成る出力変換手段とを有することを特徴とする振動型駆動装置を用いる位置決め機構。
  2. 前記出力変換手段の構成要素である歯車とラックの相互の当接位置をずらし、これら歯車とラックの接触の同時性を回避するように構成したことを特徴とする請求項1に記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構。
  3. 前記ラックに前記歯車を押し付ける手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構。
  4. 前記位置検出装置は、前記移動体の重心を通る線に沿って配置されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構。
  5. 前記振動型駆動装置および前記ラックと前記歯車の接触部分に防塵対策を施したことを特徴とする請求項1乃至4記載のいずれかに記載の振動型駆動装置を用いた位置決め機構。
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