JP2007533477A - 高精度ｚ−θステージ - Google Patents

Abstract

水平並進軸（ｚ軸）とこの並進軸に平行な回転軸（θ軸）とを有する高精度ｚ−θステージは、平行に離れて配置されたリニア並進ステージと、この平行並進ステージ間に支持されたキャリッジと、このキャリッジによって平行並進ステージ間を搬送される回転ステージとを備える。各ブラシなしリニアモータがキャリッジに接続されて、垂直重心と交差する水平面内で並進力を加える。

Description

［発明の背景］
この特許は、高精度ｚ−θステージに関する。このステージは、水平並進軸（ｚ軸）と、この水平並進軸に平行な回転軸（θ軸）とを有する。このステージは、特に人体への移植用に拡張可能なステント又は他の円筒形レーザ加工型部品の製造用に設計されている。ステントは、チューブ状供給材料、例えばステンレス鋼、ニタノール、又はプラスチックから製造され、そして複雑な円周模様が設けられる。供給材料から模様を加工するためのプロセスでは、レーザ加工を行い、ＣＮＣコントローラによって制御されるｚ−θステージは、供給材料をレーザビームに向けてチューブ状供給材料の複数の部分を切除する。“拡張可能なステント及びその製造方法”なる名称の米国特許６，５１１，５０４を、１つのステント製造プロセスの説明用に参照されたい。

［発明の要約］
簡単に、この発明に従って、高精度ｚ−θステージは、水平並進軸（ｚ軸）と、この並進軸に平行な回転軸（θ軸）とを有する。このｚ−θステージは、１つの平面内に横たわる複数の上面を有するベース板と、平行に離れて配置されたリニア並進ステージとを備える。各リニア並進ステージは、平行なリニア軸受けを有し、その軸受け面はベース板の平坦な面から実質的に等距離に搭載されている。各リニア並進ステージは、ブラシなしリニアモータを有する。このリニア軸受けによって平行並進ステージ間に、キャリッジが支持されている。平行並進ステージ間のキャリッジ内に、回転ステージが収容されている。回転ステージは、リニア軸受けに平行な軸で支えられたシャフトを有するブラシなし回転モータを備える。キャリッジと回転ステージは、垂直及び水平重心を有する。各ブラシなしリニアモータは、キャリッジの垂直重心と交差する水平面内で並進力を加えることによって、キャリッジに接続されている。

リゾルバ、レーザ干渉計、又はエンコーダを備えるリニア位置フィードバック装置は、ブラシなしリニアモータの一方又は双方に関連付けられる。リゾルバ又はエンコーダを備える回転フィードバック装置は、ブラシなし回転モータに関連付けられる。

高精度ｚ−θステージは、ロータに取り付けられた流体作動式のワークピース保持チャックまたはコレットを有する。

ロータは中空であって、円筒形ワークピース及び／又は流体冷却ジャケットがそこを通して進められるか、あるいはその中に位置決めされることを可能にするものであることが好ましい。

補助ツーリング・プラットフォームがベースの一部であって、ロータの軸に沿ってワークピースを案内、把持及び供給するブラケットを保持するように配置されていることが更に好ましい。

１つの代替実施形態によれば、高精度並進ステージは、互いに面する２つの同一キャリッジを支持し、各キャリッジは、同一の回転ステージを搬送する。

もう１つの代替実施形態によれば、精密ｚ−θステージは、２以上の同一回転ステージを支持するキャリッジを有する。

キャリッジ及び回転ステージの水平重心は、各リニアモータの中間に配置されていることが好ましい。

各リニアステージは、リニア運動ガイド、クロスローラ又は空気軸受けを含むことが好ましい。

各リニアモータは、リニア並進の方向に離された複数の位置でキャリッジに接続されていることが好ましい。

更なる特徴並びに他の目的及び利点は、図面を参照してなされる以下の詳細な説明から明らかになる。
［好ましい実施形態の説明］

図１を参照すると、精密パーツ、例えばステントを製造するに好適なｚ−θステージが示されている。このステージは、ベース板１０を含んでいる。このベース板には、通常は花崗岩、鋳物、又は溶接された構造体の大きな片である基礎に対してステージを固定するためのボルトを受ける開口部１１が設けられている。ベース板１０は、例えば金属、鋼、又はアルミにより製作される。ベース板の上には、２つの平行リニアモータ１２及び１３が搭載されている。これらリニアモータ間に搭載されて、それらによって搬送されるのはキャリッジ１４であり、これは、リニアモータの並進軸に平行な軸を有する回転モータ１５を支持する。ｚ軸は、水平であるか、実質的に水平であることが好ましい。リニアモータはｚ軸を規定し、回転モータはｚ−θステージのθ軸を規定する。この発明の本質的な特徴は、リニアモータがキャリッジに接続されて、１つの平面の表面に沿った方向の並進力をキャリッジに加える点である。この平面は、キャリッジの垂直重心を含むか、又は機械的に可能な限り垂直重心の近くを通過するものである。このようにして、並進移動に続くロッキング期間中の回転モータの回転の軸とｚ軸平面との間の角度変位は実質的に消去される。実際的に言えば、それに沿って並進力が加えられる平面は、キャリッジの垂直重心の１ｍｍ以内を通過する。回転モータの回転の軸は、並進力が加えられる平面より幾分下側におかれる。

図２は、図１に示されたｚ−θステージの１つの変形例を示している。この場合、二重θステージ（回転モータ１５Ａ及び１５Ｂ）が並んで配置され、平行な軸を有している。２つのワークピースを同時にこの配置で加工することは可能である。図２において、同一の要素には、図１の要素に与えられたものと同一番号が与えられている。

図３は、この発明に係るｚ−θステージのもう１つの変形例を示している。この場合、２つのｚ−θステージは同じベース板の上に整列されている。図３において、同一の要素には、図１に対して与えられたものと同一番号が与えられ、そして二重同一要素には、ダッシュ付きの同一番号が与えられている。この構成の利点は、移動式パーツがステージ上で逆方向に移動する点である。かくして、加速中に生成される力は相殺され、構造体に伝達される力を最小化して、有意に低減された沈静時間を生じる。

リニアモータ１２及び１３は、永久磁石型リニアモータ、例えば非接触式フォーサーコイル２４及びＵチャネル希土類元素磁石トラック２２からなる直接駆動型ブラシなしリニアモータであることが好ましい。このデザインは、バックラッシュ、ワインドアップ、摩耗、及びボールスクリューに関連した保守を排除する。このタイプのモータは、特にペンシルベニア州ピッツバーグのエアロテック社から入手可能である。

ロータリモータ１５は、ロータリ型ブラシなし希土類元素磁石サーボモータであることが好ましい。それは直接駆動型θステージの基礎を形成する。回転シャフトが軸穴を有し、そして空気動作型のコレットチャックを設けられていることが好ましい。このタイプのモータは、ペンシルベニア州ピッツバーグのエアロテック社から入手可能である。

図４を参照すると、ベース板１０上に平行に離れて位置決めされているリニアモータ１２，１３が示されている。これらモータに対し、例えばクロスローラ軸受け又は空気軸受けを有するリニア運動ガイド又は軸受けが関連付けられている。ロータリモータ１５は、それ自身とリニアモータとの間の等距離に且つリニアモータに平行な回転軸に関連して配置されている。

図５を参照すると、リニアモータは、ボルト１６によってベース板１０にボルト締めされたリニアスパー２０を備える。このリニアスパーは、リニア軸受けのトラック２１とＵ字型磁石トラック２２を支持する。磁石トラック２２は、磁性鋼で製作されたＵ字型チャネルである。それは、内向きの交番するＮ及びＳ極に整列された希土類元素永久磁石（図示せず）を、フォーサー巻線２４で磁石トラックの長さに沿って支持する。フォーサー巻線は、非磁性材により構成され、磁石トラック２２によって引き付けられないようにされている。軸受けトラック２３は、リニア軸受けのトラック２１上に乗って、キャリッジ１４を支持する。フォーサー巻線２４もまた、キャリッジ１４に固定されている。図５及び図７に示されているように、右側のリニアモータは、それに関連したリミットスイッチ２５を有し、また左側のリニアモータは、それに関連したエンコーダ読み取りヘッド２６とエンコーダスケール２７を有する。図５から判るように、リニアモータは並進力をキャリッジに加え、そこでフォーサーはキャリッジに取り付けられる（図５の矢印を参照）。

キャリッジ１４に取り付けられてリニアモータ１２，１３上をスライドするものは、柔軟なスライド式カバー１７である。このカバー１７は、リニアモータの各端部で下側を案内されるローラ１８（図６参照）上をスライドする。

図６を参照すると、キャリッジ１４によって搬送される回転モータ１５が以下で説明される。軸受け２８及び２９は、キャリッジ１４と一体化された電機子ケース３５から回転軸３０を支持する。電機子巻線３４は、典型的な手法で電機子ケース３５に固定されている。この巻線は、巻線を受け入れるためのスロット付き積層磁性コアによって支持されるか、スロット付きコアによっては支持されない（即ち、スロットなし）。永久磁石３３は、シャフト３０の円筒形外面に典型的な手法で固定されている。ロータリーエンコーダのスケール４３は、シャフトに取り付けられている。ロータリーエンコーダの読み取りヘッド４４は、電機子ケース３５に取付られている。

１つの特に有利な実施形態によると、電機子巻線は、スロットなしであり、またシャフトは、アルミや他の軽量金属製である。この実施形態に対するトルク／慣性比は低いが、スロットなし巻線に起因する分解圧延の不存在は、ステントの製造用に上質のθステージを生じる。

シャフトは、端から端まで延びる穴３１を有する。特に有利な実施形態では、穴３１内で入れ子状に重ねられているのは、水套アセンブリ３２であり、これは、シャフトと、シャフト内に保持されたワークピースとを冷却するためのものである。

シャフト３０の穴３１は、一端でステップ状に広がって、一方が他方より大きな直径を有する２つの円筒形の座を形成している。テーパ付きコレットチャック３６が小径の円筒形の座内に固定されている。ピストン３７は、大径の座内に乗っている。このピストンは、テーパ付きコレットチャック３６上を伸縮される。ピストン３７は、スプリング３８によってテーパ付きコレットチャックに向けてバイアスされている。ピストンに螺合されているのは、円環状ネジ付き維持キャップ３９であり、これはテーパ付き内側リムを有する。コレット４０が位置決めされて、テーパ付きコレットチャック３６内をスライドする。このコレットは、維持キャップ３９のテーパ付き内側リムによって定位置に保持されている。１つの好ましい実施形態によると、コレット４０は、０．０５ｍｍから１０ｍｍまでの複数のサイズで利用可能なＥＲ−１６シリーズの１つである。円環状マニホルド４１が電機子ケース３５に固定されている。ピストン室がマニホルド４１、ピストン３７、及び大径の座の間に形成されている。シール４５，４６，４７がピストンと大径の座の間、シャフトとマニホルドの間、マニホルドとピストンの間にそれぞれ設けられている。通路（図示せず）がピストン室と連通され、そして取付具がマニホルド４１の外側に設けられている。これは、加圧された空気をピストン室に供給して、ピストンをコレットに対して押し込んで、コレットをワークピース（図示せず）上に締め付けるためである。この実施形態では、空気圧はコレットをワークピースに係合させるが、空気圧がコレットを解放するようにピストンを配置してもよい。

ベース板１０は、ロータの軸に沿ってワークピースを案内、把持及び供給するブラケットを支持するように配列された少なくとも１つの補助ツーリング・プラットフォーム５０，５０’（図７参照）を有する。

リニアモータと回転モータは、関連するフィードバック手段を有する。ここで説明される具体的な実施形態では、位置フィードバックがエンコーダから供給される。しかしながら、他の位置フィードバック手段として、リゾルバやレーザ干渉計がある。

インクリメント型エンコーダは、一般に使用される測定変換器である。光学式インクリメント型エンコーダでは、ランプ又は発光ダイオードからの光が、測定される軸に取り付けられた格子を通過する。格子は通常、２つの互いに９０度オフセットされた（直交した）トラックを有する。第３トラック上の単一マーカーは、ホームマーカー（ロータリエンコーダの場合、１回転当たり１つのマーカー）として役立つ。格子で反射された光は、格子と共にシャッタとして役立つ網線又はマスクを通して継続する。シャッタを閉じられて検出器上に入射した光によって、電気信号が生成される。これらの信号は増幅され、２つの直交した増幅正弦又は矩形波として出力され、また２つの別々のチャネル上に信号ＳＩＮ及びＣＯＳとして出力される。単純なインクリメント型エンコーダを用いて、両チャネルのゼロクロス（正弦）又はエッジ（矩形波）を計数することによって、位置は測定される。より大きな精度が必要とされる場合、増幅された正弦信号（ＳＩＮ及びＣＯＳ）は、エンコーダ倍率器に送られ、ここで離れた時間間隔で中間位置が分解される。

エンコーダ倍率器は、ＳＩＮ及びＣＯＳ信号を使用して、１格子周期内で多くの位置（スクライブ線）を分解する。倍率器は、単純なインクリメント型エンコーダによる４とは対照的に、例えば１格子周期内で６５，０００遷移まで生成することが可能である。例えば、“校正されたエンコーダ倍率器”なる名称の米国特許第６，３５６，２１９号を参照されたい。インクリメント型エンコーダからのフィードバックは、巻線の各相に加えられる電流を制御して、ステージを精密に位置決めすることに使用され得る。

かくして我々の発明を詳細に且つ特許法によって特に要求されているように規定してきたが、特許によって保護が望まれるものは、以下の請求の範囲に言及されている。

この発明に係る単一回転ステージを有するｚ−θステージの斜視図である。 この発明に係る二重回転ステージを有するｚ−θステージの斜視図である。 この発明に係る一列に搭載された２つの回転ステージを有するｚ−θステージの斜視図である。 図１のｚ−θステージの平面図である。 θ軸に直交してとられた図４の線Ａ−Ａに沿う断面図である。 θ軸に沿ってとられた図５の線Ｂ−Ｂに沿う断面図である。 キャリッジが取り外された図１のｚ−θステージの平面図である。

Claims (12)

1. 水平並進軸（ｚ軸）とこの並進軸に平行な回転軸（θ軸）とを有する高精度ｚ−θステージであって、
   １つの平面内に横たわる複数の上面を有するベース板と、
   平行に離れて配置されたリニア並進ステージであって、各々が平行なリニア軸受けを有し、その軸受け面はベース板の平坦な面から実質的等距離に搭載され、各々がブラシなしリニアモータを有するリニア並進ステージと、
   リニア軸受けによって平行並進ステージ間に支持されたキャリッジと、
   キャリッジによって平行並進ステージ間を搬送される回転ステージであって、前記回転ステージはリニア軸受けに平行な軸で支えられたシャフトを有するブラシなし回転モータを備え、キャリッジと回転ステージが垂直及び水平重心を有する回転ステージとを備え、
   各ブラシなしリニアモータは、キャリッジに接続されて、垂直重心と交差する水平面内で並進力を加えるものであることを特徴とする高精度ｚ−θステージ。
2. １つのリニア位置フィードバック装置手段が、１つのブラシなしリニアモータに関連付けられている請求項１に記載の高精度ｚ−θステージ。
3. １つのリニア位置フィードバック手段が、各ブラシなしリニアモータに関連付けられている請求項１に記載の高精度ｚ−θステージ。
4. １つの回転フィードバック手段が、ブラシなし回転モータに関連付けられている請求項１〜３に記載の高精度ｚ−θステージ。
5. 回転モータのシャフトに取り付けられた流体作動式のワークピース保持チャックまたはコレットを有する請求項１〜３に記載の高精度ｚ−θステージ。
6. 回転モータのシャフトは中空であって、円筒形ワークピース及び／又は流体冷却ジャケットがその中に位置決めされることを可能にする請求項１〜３に記載の高精度ｚ−θステージ。
7. 回転モータのシャフトの軸に沿ってワークピースを案内及び供給すると共に、そこから軸方向に離れて配置されるブラケットを保持するための補助ツーリング・プラットフォームを更に備える請求項１〜３に記載の高精度ｚ−θステージ。
8. 平行並進ステージは、互いに面する２つの同一キャリッジを支持し、各キャリッジは、同一の回転ステージを搬送する請求項１に記載の高精度ｚ−θステージ。
9. キャリッジは、少なくとも２つの同一回転ステージを支持する請求項１に記載の高精度ｚ−θステージ。
10. 水平中心、キャリッジ及び回転ステージの重量は、各リニアモータの中間にある請求項１に記載の高精度ｚ−θステージ。
11. 各リニアステージは、リニア運動ガイド、クロスローラ軸受け又は空気軸受けを含む請求項１に記載の高精度ｚ−θステージ。
12. 各リニアモータは、リニア並進の方向に離された複数の位置でキャリッジに接続されている請求項１に記載の高精度ｚ−θステージ。

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