JP2009186450A - Positioning automatic stage with closely integrated built-in ball screw and linear scale - Google Patents

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真澄 林
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the accuracy by closely integrating a ball screw with a linear scale to be a load resistant structure and to move a moving object in a sub-micron order. <P>SOLUTION: In a positioning automatic stage operated by a motor cable and a scale cable through a controller connected to a personal computer, a stepping motor is arranged at either end of a positioning automatic stage body, the upper surface where a drive part is arranged is slimmed to 25-48 mm, the ball screw is closely integrated not to closely contact the upper part of the linear scale keeping some space to make a load resistant stage structure, assembled type cloth roller guides are provided to both sides of the positioning automatic stage, a feedback control is performed with the linear scale, and the ball screw and the linear scale are closely integrated and built in. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、ボールねじとリニアスケールを近接一体化することにより、耐荷重ステージ構造とし、精度を良くするとともに、移動対象をサブミクロンオーダーで移動することができるようにした位置決め自動ステージに関するものである。  The present invention relates to an automatic positioning stage which has a load-bearing stage structure by integrating a ball screw and a linear scale close to each other to improve accuracy and move a moving object in a submicron order. is there.

ボールねじとリニアスケールを用いて位置決めする自動ステージは、ボールねじとリニアスケールが乖離しているものが多く、そのために、組み立が複雑で、大型化し、肥大化していたが、位置決め装置などの分野では、超小型の光学部品や熱膨張率を考慮した耐熱・耐荷重などの材料が登場し、すでにアルミからチタン、ガラス、セラミックなどに代替され、位置決め自動ステージなどにも構造の単純化、小型化、スリム化の技術開発が期待されるようになってきている。  Many automatic stages that use a ball screw and a linear scale have a gap between the ball screw and the linear scale. As a result, the assembly is complicated, large, and enlarged. Has introduced ultra-compact optical components and materials such as heat resistance and load resistance that take into account the coefficient of thermal expansion. Already, aluminum has been replaced by titanium, glass, ceramics, etc. The development of technology for streamlining and slimming is now expected.

精度についても、ミクロンからサブミクロンまでの、ストロークは10〜500mmの製品が登場しているが、数ヵ月で精度が出なくなったというものが出るなど精度の維持に責任が持てないものが多くみられるようになった。  As for accuracy, products with a stroke of 10 to 500 mm from micron to submicron have appeared, but there are many things that are not responsible for maintaining accuracy, such as those that have become inaccurate in a few months. It came to be able to.

ボールねじとリニアスケールを内蔵している自動ステージは、組み立てが複雑で、大型化し、肥大化していたが、位置決め装置などの分野では、超小型の光学部品や熱膨張を考慮した耐熱材料や、耐荷重などの材料が登場し、位置決め自動ステージなどにも構造の単純化、小型化、スリム化の技術開発が期待されるようになってきている。  The automatic stage with a built-in ball screw and linear scale is complex, large, and enlarged, but in fields such as positioning devices, ultra-compact optical components, heat-resistant materials that take thermal expansion into account, Materials such as load-bearing capacity have appeared, and technical developments for simplification, downsizing, and slimming of structures have been expected for automatic positioning stages.

そのために、ボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージとすることによって、組み立が簡単で、小型化し、スリム化するばかりか、高精度を長期に維持しながら耐荷重用ステージが作られることになる。  For this purpose, a self-positioning stage that incorporates a ball screw and linear scale close together and integrated makes it easy to assemble, downsizing, and slimming, while also creating a load-bearing stage while maintaining high accuracy over a long period of time. Will be.

本発明の課題を解決するための手段として、図面に従って詳細に説明すると、図1は、本発明にかかるボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した自動ステージのシステム配置図であり、図2は、本発明のボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージの概略図であり、図3は、ガイドつき機構(荷重用ブロク)に組み込むスケール付き位置決め自動ステージであり、図4は、スケール付き位置決め自動ステージ本体の側面部であり、図5は、位置決め自動ステージの両側に組み込まれたクロスローラガイドが取り付けられた位置決め自動ステージの概略図である。  As means for solving the problems of the present invention, it will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a system layout diagram of an automatic stage in which a ball screw and a linear scale according to the present invention are integrated in close proximity. Fig. 4 is a schematic view of a positioning automatic stage in which the ball screw and the linear scale of the present invention are integrated close to each other, and Fig. 3 is a positioning automatic stage with a scale incorporated in a guided mechanism (load block). FIG. 5 is a side view of a positioning automatic stage body with a scale, and FIG. 5 is a schematic view of the positioning automatic stage to which cross roller guides incorporated on both sides of the positioning automatic stage are attached.

本発明のシステムを図1に従って説明すると、図1はボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージのシステム配置図であって、ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージ5のシステム配置として、パーソナルコンピュータ1に連結するコントローラ2を介してモータケーブル3とスケールケーブル4で操作される自動ステージ5としている。  The system of the present invention will be described with reference to FIG. 1. FIG. 1 is a system layout diagram of an automatic positioning stage in which a ball screw and a linear scale are integrated in close proximity, and the ball screw 7 and linear scale 8 are integrated in close proximity. As the system arrangement of the positioning automatic stage 5, the automatic stage 5 is operated by the motor cable 3 and the scale cable 4 via the controller 2 connected to the personal computer 1.

本発明の位置決め自動ステージ5の内容を図2に従って説明すると、位置決め自動ステージ5本体のどちらかの一端にステッピングモータ6を配設し、駆動部9が配設された上面10を25〜48mmにスリム化し、ボールねじ7をリニアスケール8の上部に近接一体化して耐荷重ステージ構造としている。  The contents of the positioning automatic stage 5 according to the present invention will be described with reference to FIG. 2. The stepping motor 6 is disposed at one end of the positioning automatic stage 5 main body, and the upper surface 10 on which the drive unit 9 is disposed is 25 to 48 mm. The ball screw 7 is integrated close to the upper part of the linear scale 8 to form a load-bearing stage structure.

また、図5で明示しているように位置決め自動ステージ5の両サイドには組み込み方式のクロスローラガイド13を設け、フィードバック制御をリニアスケール8で行い、ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージ5である。  Further, as clearly shown in FIG. 5, built-in cross roller guides 13 are provided on both sides of the positioning automatic stage 5, feedback control is performed by the linear scale 8, and the ball screw 7 and the linear scale 8 are closely integrated. The positioning automatic stage 5 is built in.

位置決め自動ステージ5本体のどちらかの一端にステッピングモータが配設されているが、これは作業者に右利きや左利きがあることから、作業者に応じて位置決め自動ステージ5本体のどちらかの一端にステッピングモーターが配置され、これは駆動方式として使われている。  A stepping motor is disposed at one end of the positioning automatic stage 5 main body. This is because the worker has a right-handed or left-handed one, and therefore one end of either of the positioning automatic stage 5 main body according to the worker. A stepping motor is arranged in the front, which is used as a drive system.

また、図3のガイド付き機構に組み込むスケール付き位置決め自動ステージで明示しているように、耐荷重の大きい物に対応してスケール付き位置決め自動ステージ12をガイド付き機構(荷重用ブロク)11に組み込むことを特徴としたボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化して内蔵したスケール付き位置決め自動ステージ12としたものである。  In addition, as clearly shown in the scaled positioning automatic stage incorporated in the guided mechanism of FIG. 3, the scaled positioning automatic stage 12 is incorporated in the guided mechanism (load block) 11 corresponding to an object having a large load resistance. This is a positioning automatic stage 12 with a scale in which a ball screw 7 and a linear scale 8 characterized by the above are integrated in close proximity.

さらに、ボールねじ7とリニアスケール8の近接一体化にあたって、潤滑作用を持つグリースがリニアスケール8に付着し、固化するのを防止するために、ボールねじ7を位置決め自動ステージ5に組み込む前に、ボールねじ7本体を50〜100℃の範囲内で予熱し、四弗化エチレン樹脂をボールねじ7本体表面に熱噴射し、コーティングして溶着したことを特徴としたボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージ5である。  Furthermore, before the ball screw 7 is incorporated in the positioning automatic stage 5 in order to prevent the grease having a lubricating action from adhering to the linear scale 8 and solidifying in the close integration of the ball screw 7 and the linear scale 8, The ball screw 7 and the linear scale 8 are characterized in that the ball screw 7 body is preheated within a range of 50 to 100 ° C., and tetrafluoroethylene resin is thermally sprayed onto the surface of the ball screw 7 body, coated and welded. This is an automatic positioning stage 5 that is integrated in close proximity.

位置決め自動ステージ5の材料としては、普通アルミニウムが使われているが、精度の維持を図るためには、ステンレスが使われることになっている。  As a material for the automatic positioning stage 5, aluminum is usually used, but stainless steel is used to maintain accuracy.

ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化することによって、位置決め自動ステージ5をコンパクトに小型化でき、長期的に精度を高めることができるばかりか、耐荷重用ステージに完成することができるとともに、移動対象をサブミクロンオーダーで移動することができるようになった。  By integrating the ball screw 7 and the linear scale 8 close together, the automatic positioning stage 5 can be made compact and compact, and the accuracy can be improved over the long term, and it can be completed as a load-bearing stage and moved. It is now possible to move objects in submicron order.

また、位置決め自動ステージ5本体のどちらかの一端にステッピングモータ6を配設するため、装置の使用態様の違いによっても、また、右利き、左利きのいずれにも活用できるという利点がある。  Further, since the stepping motor 6 is disposed at one end of the main body of the positioning automatic stage 5, there is an advantage that it can be utilized for both right-handed and left-handed depending on the use mode of the apparatus.

また、ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化することによって、軽量化が図られるばかりか、環境条件や荷重条件を考慮して、耐荷重の大きいものにも対応することができるようになった。  In addition, by integrating the ball screw 7 and the linear scale 8 in close proximity, not only can the weight be reduced, but it is also possible to cope with a large load resistance in consideration of environmental conditions and load conditions. It was.

さらに、ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化するにあたって、ボールねじ7の表面に四弗化エチレン樹脂をコーティングすることによって、四弗化エチレン樹脂の撥水効果を利用して、潤滑作用を持っていたグリースがリニアスケール8に付着することがなくなるという効果を生じ、耐熱性の向上で精度の向上にもつながった。  Further, when the ball screw 7 and the linear scale 8 are closely integrated, the surface of the ball screw 7 is coated with a tetrafluoroethylene resin, thereby providing a lubricating action by utilizing the water repellent effect of the tetrafluoroethylene resin. The effect was that the grease that was held would not adhere to the linear scale 8, and the improvement in heat resistance also led to an improvement in accuracy.

ユーザーが駆使するパーソナルコンピュータ1に連結するコントローラ2を介してモータケーブル3とスケールケーブル4で操作される位置決め自動ステージ5において、位置決め自動ステージ5本体のどちらかの一端にステッピングモータ6を配設し、駆動部9が配設された上面10を25〜48mmにスリム化し、ボールねじ7をリニアスケール8の上部に近接一体化して耐荷重ステージ構造とし、位置決め自動ステージ5の両サイドには組み込み方式のクロスローラガイド13を設け、フィードバック制御をリニアスケール8で行い、ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化して内蔵した自動ステージ5としている。  In a positioning automatic stage 5 operated by a motor cable 3 and a scale cable 4 via a controller 2 connected to a personal computer 1 that is used by a user, a stepping motor 6 is disposed at one end of the positioning automatic stage 5 main body. The upper surface 10 on which the drive unit 9 is disposed is slimmed to 25 to 48 mm, and the ball screw 7 is closely integrated with the upper part of the linear scale 8 to form a load-bearing stage structure. The cross roller guide 13 is provided, feedback control is performed by the linear scale 8, and the ball screw 7 and the linear scale 8 are integrated in close proximity to form an automatic stage 5 built-in.

また、ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化するにあたって、ボールねじ7の表面に四弗化エチレン樹脂をコーティングするが、ボールねじ7を位置決め自動ステージ5に組み込む前に、ボールねじ7本体を50〜100℃の範囲内で予熱し、四弗化エチレン樹脂をボールねじ7本体に熱噴射し、コーティングすることによって、潤滑作用を持っていたグリースがスケール付着することがなくなった。  Further, when the ball screw 7 and the linear scale 8 are closely integrated, the surface of the ball screw 7 is coated with ethylene tetrafluoride resin. Before the ball screw 7 is incorporated in the positioning automatic stage 5, the ball screw 7 body is mounted. By preheating within the range of 50 to 100 ° C., and heat spraying the tetrafluoroethylene resin onto the body of the ball screw 7 and coating it, the grease that had a lubricating action did not adhere to the scale.

ボールねじ7とリニアスケール8を近接一体化するにあたっては、ボールねじ7とリニアスケール8とを若干の間隙を保たせ、密着させないで一体化させているものである。  In the close integration of the ball screw 7 and the linear scale 8, the ball screw 7 and the linear scale 8 are integrated without maintaining a slight gap therebetween.

自動ステージの移動量(ストローク)については、20mm〜150mmのストロ−クが可能となり、Z軸に関してはブラケットで対応できるようになっている。  With respect to the movement amount (stroke) of the automatic stage, a stroke of 20 mm to 150 mm is possible, and the Z axis can be handled by a bracket.

また、耐荷重用ステージも20mm〜150mmのステージが可能となる。  In addition, the load-bearing stage can be 20 mm to 150 mm.

下部取り付けに関しては、アダプタを取り付けて下部ベースなどに取り付けなくてはならないので、ピッチ及びねじの寸法を考慮して決定している。  The lower mounting is determined in consideration of the pitch and screw dimensions because the adapter must be mounted on the lower base or the like.

本発明のボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージのシステム配置図  System layout of automatic positioning stage with built-in ball screw and linear scale 本発明のボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージの概略図  Schematic diagram of an automatic positioning stage incorporating the ball screw and linear scale of the present invention in close proximity and integration ガイド付き機構に組み込むスケール付き位置決め自動ステージ  Scaled positioning automatic stage to be incorporated into a guided mechanism スケール付き自動ステージ本体側面部  Automatic stage body side with scale 位置決め自動ステージの両側のいずれかに組み込まれたクロスローラガイドが取り付けられた位置決め自動ステージの概略図  Schematic diagram of an automatic positioning stage with a cross roller guide installed on either side of the automatic positioning stage

符号の説明Explanation of symbols

図 中 1.パーソナルコンピュータ
2.コントローラ
3.モータケーブル
4.スケールケーブル
5.位置決め自動ステージ
6.ステッピングモータ
7.ボールねじ
8.リニアスケール
9.駆動部
10.上面
11.ガイド付き機構(荷重用ブロク)
12.スケール付き位置決め自動ステージ
13・クロスローラガイド
In the figure 1. Personal computer Controller 3. Motor cable Scale cable 5. Automatic positioning stage Stepping motor Ball screw 8. 8. Linear scale Drive unit 10. Top surface 11. Guided mechanism (load block)
12 Automatic positioning stage with scale 13. Cross roller guide

Claims (3)

パーソナルコンピュータに連結するコントローラを介してモータケーブルとスケールケーブルで操作される位置決め自動ステージにおいて、位置決め自動ステージ本体のどちらかの一端にステッピングモータを配設し、駆動部が配設された上面を25〜48mmにスリム化し、ボールねじをリニアスケールの上部に、若干の間隙を持たせながらも密着させないように近接一体化して耐荷重ステージ構造とし、位置決め自動ステージの両サイドには組み込み方式のクロスローラガイドを設け、フィードバック制御をリニアスケールで行い、ボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージ  In a positioning automatic stage operated by a motor cable and a scale cable via a controller connected to a personal computer, a stepping motor is disposed at one end of the positioning automatic stage main body, and an upper surface on which a driving unit is disposed Slimmed to 48mm, the ball screw is integrated close to the upper part of the linear scale so that it does not stick with a slight gap, making it a load-bearing stage structure. Built-in cross rollers on both sides of the positioning automatic stage An automatic positioning stage with a guide, feedback control on a linear scale, and a ball screw and linear scale integrated in close proximity. 耐荷重の大きい物に対応してスケール付き位置決め自動ステージをガイド付き機構(荷重用ブロク)に組み込むことを特徴としたボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージ  Automatic positioning stage with built-in ball screw and linear scale, which is built into a guided mechanism (load block) corresponding to a load-bearing object. ボールねじとリニアスケールの近接一体化にあたって、ボールねじを位置決め自動ステージに組み込む前に、ボールねじ本体を50〜100℃の範囲内で予熱し、四弗化エチレン樹脂をボールねじ本体表面に熱噴射し、コーティングしたことを特徴としたボールねじとリニアスケールを近接一体化して内蔵した位置決め自動ステージ  When integrating the ball screw and linear scale in the vicinity, before the ball screw is incorporated into the positioning automatic stage, the ball screw body is preheated within a range of 50 to 100 ° C and ethylene tetrafluoride resin is sprayed onto the surface of the ball screw body. A self-positioning automatic stage that incorporates a ball screw and linear scale that are characterized by being coated and integrated in close proximity.
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