JP2012219992A - 真空用２軸ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】真空容器内に設置する駆動用モータ、潤滑油や樹脂製ベルトなどから発生するアウトガスによって真空度が悪化するため分析精度が低下する。またピニオンとラック間のバックラッシュによって位置決め精度が悪化し、ピニオンやベルトの使用によりテーブル移動の分解能が低下する。
【解決手段】Ｙ軸方向に移動可能なスプライン軸受１４を使用することにより、Ｙモータ２とともにＸモータ７を真空容器３０の外に設置することができる。また、直交する２軸間のトルクおよび回転運動の伝達機構として、ラック＆ピニオンの代わりに、非接触でバックラッシュのない磁気カップリング２４を使用することにより、位置決め精度が改良される。さらにラック＆ピニオンやベルトに代えてＸ送りねじ１０を使用することにより分解能が改善される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、質量分析装置等に使用される真空用２軸ステージ（ＸＹステージ）に関する。

質量分析装置は、複数のサンプルを真空容器内のステージ上に載置し、各サンプルにイオン生成のためのレーザーや電子ビームなどを照射して化合物等のサンプルをイオン化し、質量スペクトルから化合物を分析する装置である。質量分析装置では、通常、サンプルをステージごと移動させる２軸ステージ装置が用いられる。これにより、サンプルを適宜、レーザーや電子ビームの照射位置に移動させることができる。

図３に一般的な２軸ステージの構成を示す。２軸ステージ装置は、Ｙステージ６９の上にＸステージ６８が直交して重ねられた構造を有する。Ｙ軸ステージ６９は、ベース３１と、ベース３１に固定されたＹ方向ガイド３６、Ｙ送りねじ３５およびＹモータ３２と、Ｙガイド方向３６に沿ってＹ軸方向に移動可能なＹテーブル３４と、Ｙテーブル３４に固定されたＹ送りねじ用ナット６４と、Ｙ送りねじ３５とＹモータ３２を結合するＹ継手３３から構成されている。

Ｘステージ６８は、Ｘベース５８と、Ｘベース５８に固定されたＸ方向ガイド５７、Ｘ送りねじ５６およびＸモータ３７と、Ｘ方向ガイド５７に沿ってＸ軸方向に移動可能なＸテーブル３９と、Ｘテーブル３９に固定されたＸ送りねじ用ナット５９と、Ｘ送りねじ５６とＸモータ３７を結合するＸ継手３８から構成されている。また、Ｘステージ６８は、Ｙ軸ステージ６９のＹテーブル３４に固定されている。

Ｘモータ３７およびＹモータ３２の回転運動は、それぞれＸ送りねじ５６、Ｘ送りねじ用ナット５９、およびＹ送りねじ３５、Ｙ送りねじ用ナット６４を介して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向への直線運動に変換され、Ｘテーブル３９及びＹテーブル３４をそれぞれの軸方向に移動させる。また、Ｙテーブル３４に固定されたＸステージ６８は、Ｙ方向に移動するＹテーブル３４と一体にＹ方向に移動する。

２軸ステージ装置を真空用として用いる場合、真空用モータを使用して２軸ステージ装置全体を真空容器内に収納する方法がある。また、図４に示すとおり、Ｙテーブル７４と一体に移動するＸステージ８０のＸモータを真空モータ７１に変更して、Ｙモータ７２以外のステージ部分は真空容器７３内に収納する方法がある。図４に示す２軸ステージ装置も、Ｙステージ８１の上にＸステージ８０が直交して重ねられた構造であり、取付台７７に固定されたＹモータ７２は、真空容器７３に固定されたＹ軸回転導入器７６を挟んでＹ継手７５およびＹモータ継手７８によってＹステージ８１のＹ送りねじ７９に連結されている。

また、特許文献１には、ＸモータおよびＹモータを真空容器の外部に設置し、それ以外のステージ部分を真空容器内に収納する２軸ステージ装置が開示されている。特許文献１では、前記図４において説明した、Ｙテーブルと一体に移動するＸモータも真空容器外に設置するために、真空容器内にＸＹステージ駆動装置を固定し、その上にＸＹステージを載置する方法を採用している。このため部品数は増加し、装置全体も大きくならざるを得ない。また、この２軸ステージ装置では、ほぼ箱形に形成された真空チャンバの直交する２つの側面部にそれぞれモータが１個ずつ固定されているため設置面積が大きくなる。

図５に、特許文献２に開示されている２軸ステージ装置の構成を示す。図５（ａ）に平面図、図５（ｂ）に下側面図（Ａ矢視図）、図５（ｃ）にスプライン軸受５４周辺の縦断面図（Ｂ矢視図）を示す。
図５に示す２軸ステージ装置は、Ｘ方向に移動可能なＸステージ１００と、前記Ｘステージを載置するとともに、Ｘ方向と直交するＹ方向に移動可能なＹステージ２００と、前記Ｘステージ１００およびＹステージ２００をそれぞれＸ方向及びＹ方向に移動させるＸステージ移動手段およびＹステージ移動手段から構成されている。

前記Ｘステージ移動手段は、Ｙ方向を回転中心として回転運動を行うＸモータ４７と、Ｙ方向に延び、Ｘモータ４７の回転軸とＸ継手４８によって連結されたボールスプライン軸６３と、ボールスプライン軸６３に沿って移動可能であるととともに、ボールスプライン軸６３の回転運動およびトルクを伝達するスプライン軸受５４と、スプライン軸受５４に固定されたピニオン５３と、Ｘステージ１００上のＸ軸方向に移動可能なＸテーブル４９と、Ｘテーブル４９の下面に固定されたラック５２から構成されている。したがって、Ｘモータ４７の回転運動は、ボールスプライン軸６３、スプライン軸受５４、ピニオン５３の順に伝達され、ピニオン５３とかみ合ったラック５２によってＸテーブル４９がＸ軸方向に移動する。

前記Ｙステージ移動手段は、Ｙ方向を回転中心として回転運動を行うＹモータ４２と、Ｙモータ４２の回転軸とＹ継手４３によって連結されたＹモータ４２の回転運動を前記Ｙステージ２００のＹ方向への直線運動に変換するＹ送りねじ４５およびＹ送りねじナット４４から構成されている。

図５（ｃ）にスプライン軸受５４周辺の縦断面図を示す。スプライン軸受５４は、スプラインナット６５、サポートベアリング６６、フランジ６７から成り、これらが一体化した構造を有する。スプラインナット６５は、ボールスプライン軸６３に設けられた溝をボールが転がることでＹ軸方向に移動可能であるとともに、ボールスプライン軸６３の回転に伴ってＹ軸方向を回転中心として回転することができる。一方、フランジ６７はＸステージ１００を載置するＹテーブル５５に固定されており、このフランジ６７とスプラインナット６５の間にはサポートベアリング６６が組み込まれているため、スプラインナット６５が回転してもフランジ６７は回転することはない。

また、特許文献２には変形例として、Ｘ軸回転−直線運動変換機構としてベルト＆プーリ構造（図示せず）が開示されている。

特開２００６−１７７４２１号公報 特開２０１１−２３８９号公報

しかしながら、真空用モータを使用したとしても、モータを真空中に設置することにより、モータ配線やモータ内部から発生するアウトガスが、真空装置の真空度を悪化させ分析精度を低下させる。また真空中のモータの発熱は発散されにくいため、アウトガスの発生をさらに助長し、またモータの劣化を早める。さらに、ステージの構造体を熱膨張により変形させるためステージの位置決め精度を悪化させる。

また、特許文献２に開示されたステージでは、ラック＆ピニオン構造に必要である潤滑材やベルト＆プーリ構造に使用される樹脂等の材料から発生するアウトガスが、真空装置の真空度を悪化させ分析精度を低下させる。さらに、ラック＆ピニオン構造に存在するバックラッシュのため位置決め精度を悪化させる。

さらに、ピニオン５３やプーリ（図示せず）の外径は構造的に軸径より大きくなるため、軸１回転あたりの直線移動距離が回転−直線運動変換機構としてよく使用されるボールネジより１桁以上悪化し、分解能を低下させる。一例として、シャフト１回転あたりの動作距離は、直径１０ｍｍのピニオンや直径１０ｍｍのプーリにおいては３１．４ｍｍ／回転であるのに対し、直径８ｍｍのボールネジにおいては２ｍｍ／回転である。

モータを真空中で使用することに付随する問題を解決するため、モータを真空容器の外部に設置するとともに、２個のモータを一体化して取り付けることによる装置の小型化と調整の容易化が課題である。

上記課題を解決するために成された本発明に係る真空用２軸ステージ装置は、
被移動物を載置すると共に、第1方向に移動可能な第1テーブルと、該第1テーブルを載置すると共に、前記第1方向と直交する第2方向に移動可能な第2テーブルと、前記第1テーブル及び第2テーブルをそれぞれ第1方向及び第2方向に移動させる第1テーブル移動手段及び第2テーブル移動手段と、を備える2軸ステージ装置において、
前記第1テーブル移動手段が、前記第2方向を回転中心として回転運動を行う第1駆動源と、前記第2方向に延び、前記第1駆動源の回転軸と連結されたスプライン軸と、前記スプライン軸に沿って移動可能であると共に、前記スプライン軸の回転トルクを伝達するスプライン軸受と、前記スプライン軸受から伝達された回転トルクを前記第1方向を回転中心とする回転トルクに変換する磁気カップリングと，前記第1方向を回転中心とする回転トルクを前記第１テーブルの前記第１方向への直線運動に変換する第1回転−直線変換機構と，を有し，
前記第2テーブル移動手段が、前記第2方向を回転中心として回転運動を行う第2駆動源と、前記第2駆動源の回転運動を前記第2テーブルの前記第2方向への直線運動に変換する第2回転−直線変換機構と、を有し，
前記第1駆動源および第2駆動源を除く2軸ステージ部分を収納する真空容器と，を有することを特徴とする。
理解を容易とするために、本発明を真空用ＸＹステージとして記載すると、
Ｘ方向に移動可能なＸステージと、前記Ｘステージを載置するとともに、Ｘ方向と直交するＹ方向に移動可能なＹステージと、前記ＸステージおよびＹステージをそれぞれＸ方向及びＹ方向に移動させるＸステージ移動手段およびＹステージ移動手段と、を備えるＸＹステージにおいて、
前記Ｘステージ移動手段が、Ｙ方向を回転中心として回転運動を行うＸ駆動源と、Ｙ方向に延び、前記Ｘ駆動源の回転軸と連結されたスプライン軸と、前記スプライン軸に沿って移動可能であるととともに、前記スプライン軸のトルクを伝達するスプライン軸受と、前記スプライン軸受から伝達された回転運動およびトルクを、Ｘ方向を回転中心とするトルクに変換する磁気カップリングと、その回転運動を前記ＸステージのＸ方向への直線運動に変換するＸ回転−直線変換機構と、を有し、
前記Ｙステージ移動手段が、Ｙ方向を回転中心として回転運動を行うＹ駆動源と、前記Ｙ駆動源の回転運動を前記ＹステージのＹ方向への直線運動に変換するＹ回転−直線変換機構と、を有し、前記Ｘ駆動源およびＹ駆動源を除くＸＹステージ部分を収納する真空容器と、を有することを特徴とする。

また本発明は、駆動側リングおよび従動側リングによって構成されている前記磁気カップリングにおいて、前記スプライン軸受に固定された駆動側リングと前記Ｘステージの駆動軸に固定された従動側リングの間のギャップ調整により、前記駆動側リングおよび従動側リングの２軸間の最大伝達トルクを設定できるようにすることができる。

さらに本発明は、前記Ｘ駆動源およびＹ駆動源が、一体化されたものが好適である。

上記のとおり、本発明は、モータ等のアウトガスの発生源を極力排除した構成にするものである。また、ラック＆ピニオン構造やベルト＆プーリ構造などの機械的な回転−直線運動変換機構に代えて、磁気的な力を利用して直交する２軸間のトルクおよび回転運動の伝達機構を採用するものである。

非接触でバックラッシュのない磁気カップリングを使用し、またモータを真空容器の外に設置することにより、モータや潤滑材、ベルトに使用される樹脂等の材料から発生するアウトガスをなくして真空度の悪化による分析精度の低下を防ぎ、さらにバックラッシュによる位置決め精度の悪化を防止することができる。

また、磁気カップリングは過負荷に対して空転してトルクリミットの役割を果たすので、構造的に過負荷対策を講じることなく、スプライン軸などのトルク伝達部品の過負荷による破損を防止することができる。さらに，磁気カップリングは，駆動リングと従動リングの角度が直角から2〜3度のずれがあっても駆動力やトルクリミットに対してほとんど影響が出ないため，組み立てでは厳密な角度調整作業を省略することができる。

Ｘ軸およびＹ軸のステージとして市販の調整済みの１軸ステージである直線ガイドアクチュエータ等を使用することにより小型化と調整の容易化を図ることができる。
またX駆動源，Y駆動源が近くにあることで，冷却が必要な際には1つの冷却装置（ファンなど）で容易に実施可能になる。

本発明による実施例である真空用ＸＹステージの構成の概要を示す。図１（ａ）に平面図、図１（ｂ）に下側面図（Ａ矢視図）、図１（ｃ）にスプライン軸受１４周辺の縦断面図（Ｂ矢視図）を示す。 本発明による実施例である真空用ＸＹステージの磁気カップリング部分の構成の詳細を示す。 一般的な２軸ステージ装置の構成の概要を示す。 従来例としてＹモータのみ真空容器の外部に設置し、それ以外のステージ部分はＸ軸真空用モータを含めて真空容器内に収納した場合の構成の概要を示す。 従来例として特許文献２に開示された２軸ステージ装置の構成の概要を示す。図５（ａ）に平面図、図５（ｂ）に下側面図（Ａ矢視図）、図５（ｃ）にスプライン軸受５４周辺の縦断面図（Ｂ矢視図）を示す。

図１に本発明による実施例である真空用ＸＹステージの構成の概要を示す。図１（ａ）に平面図、図１（ｂ）に下側面図（Ａ矢視図）、図１（ｃ）にスプライン軸受１４周辺の縦断面図（Ｂ矢視図）を示す。
図１に示す真空用ＸＹステージは、Ｘ方向に移動可能なＸステージ２８と、前記Ｘステージ２８を載置するとともに、Ｘ方向と直交するＹ方向に移動可能なＹステージ２９と、前記Ｘステージ２８およびＹステージ２９をそれぞれＸ方向及びＹ方向に移動させるＸステージ移動手段およびＹステージ移動手段から構成されている。そしてそれらの主要部分が真空容器３０の中に収納されている。ここで真空容器３０は質量分析装置等の容器の一部を表している。

前記Ｘステージ移動手段は、Ｙ方向を回転中心として回転運動を行うＸモータ７と、Ｙ方向に延び、真空容器３０を挟んでＸモータ７の回転軸とＸモータ継手１７、Ｘ軸回転導入器１９およびＸ継手８によって連結されたボールスプライン軸２３と、ボールスプライン軸２３に沿って移動可能であるととともに、ボールスプライン軸２３のトルクを伝達するスプライン軸受１４と、前記スプライン軸受１４に固定された磁気カップリング２４の駆動側リング１２と、前記Ｘステージ２８のＸ送りねじ１０に固定された磁気カップリング２４の従動側リング１３と、から構成されている。

磁気カップリング２４の構成および取り付けの詳細を図２に示す。磁気カップリング２４の駆動側リング１２および従動側リング１３は、それぞれ４５°の着磁ラインに沿って着磁され、微小なすき間を持たせて図２に示すとおり軸が直交する状態に配置される。駆動側リング１２が回転すると４５°の着磁ラインに沿って従動側リング１３が最大の吸引力が働く箇所追随し、その動きに連れてトルクと回転運動が伝達される。それはスパイラルギヤの歯のかみ合いによるトルクと回転運動の伝達に相当する。しかし、歯車との相違点は、非接触駆動であることから、低発塵、低振動、潤滑不要であり、磁気吸引力による駆動であることから、バックラッシュが無く、駆動軸の角度変換に許容度（通常２〜３度）があり、かつ磁気吸引力以上の過大なトルクがかかると滑りが発生するトルクリミッター機能をも有することである。なお、図２に示す符号は図１の同符号のものと同一である。

前記Ｙステージ移動手段は、Ｙ方向を回転中心として回転運動を行うＹモータ２と、真空容器３０を挟んでＹモータ２の回転軸とＹモータ継手１６、Ｙ軸回転導入器１８およびＹ継手３によって連結されたＹステージ２９のＹ送りねじ５およびＹ送りねじ用ナット４から構成されている。

図１（ｃ）にスプライン軸受１４周辺の縦断面図を示す。スプライン軸受１４は、スプラインナット２５、サポートベアリング２６、フランジ２７から成り、これらが一体化した構造を有する。スプラインナット２５は、ボールスプライン軸２３に設けられた溝をボールが転がることでＹ軸方向に移動可能であるとともに、ボールスプライン軸２３の回転に伴ってＹ軸方向を回転中心として回転することができる。一方、フランジ２７はＹテーブル１５に固定されており、このフランジ２７とスプラインナット２５の間にはサポートベアリング２６が組み込まれているため、スプラインナット２５が回転してもフランジ２７は回転することはない。

上記のとおり、スプライン軸受１４のフランジ２７がＹテーブル１５に固定されているため、Ｙ送りねじ用ナット４の移動に伴って、Ｙ送りねじ用ナット４の上に載置されたＹテーブル１５と該Ｙテーブル１５に固定されたスプライン軸受１４が、ボールスプライン軸２３に沿ってＹ方向に移動する。

一方、スプラインナット２５には磁気カップリング２４の駆動側リング１２が固定されており、Ｘテーブル９には前記駆動側リング１２のトルクおよび回転運動が伝達される磁気カップリング２４の従動側リング１３がＹテーブル１５のＸ送りねじ１０に固定されているため、ボールスプライン軸２３の回転によって、Ｘテーブル９がＸステージ２８上をＸ方向に移動する。上記の構成により、Ｘステージ２８がＹ軸のどの位置にあっても、ボールスプライン軸２３およびＸモータ７の位置を固定したまま、Ｘテーブル９をＸ方向に移動させることができる。

また、Ｘモータ７およびＹモータ２は、図１（ａ）に示すとおり真空容器３０の一側面に並列に取り付けられる。したがって、Ｘモータ７およびＹモータ２は、例えば取付ベース２０の如き構造物で一体化することが容易である。さらに、磁気カップリング２４は、駆動側リング１２と従動側リング１３のギャップの調整により最大伝達トルクを設定できるので、設定した最大伝達トルク以上の過負荷に対して空転し、スプライン軸などのトルク伝達部品の過負荷による破損を防止することができる。なお、駆動側リング１２と従動側リング１３のギャップの調整については、ボールスプライン軸２３またはＸステージ２８を上下方向の位置変更が可能な構成にしておくことにより、前記ギャップを調整することができる。

真空用ＸＹステージを構成するＸステージ２８およびＹステージ２９の基本的構成は同一であり、Ｘステージ２８は、ベース４１に固定されたＸ方向ガイド１１、Ｘ送りねじ１０、Ｘ送りねじ用ナット２２から構成され、Ｙステージ２９は、ベース１に固定されたＹ方向ガイド６、Ｙ送りねじ５、Ｙ送りねじ用ナット４から構成されている。本実施例ではＸステージ２８およびＹステージ２９に、市販の調整済みの１軸ステージである直線ガイドアクチュエータを使用することにより小型化と調整の容易化を図っている。

１、３１、４１ ベース
２、３２、４２、７２ Ｙモータ
３、３３、４３、７５ Ｙ継手
４、４４、６４ Ｙ送りねじ用ナット
５、３５、４５、７９ Ｙ送りねじ
６、３６ Ｙ方向ガイド
７、３７、４７ Ｘモータ
８、３８、４８ Ｘ継手
９、３９、４９ Ｘテーブル
１０、５６ Ｘ送りねじ
１１、５７ Ｘ方向ガイド
１２ 駆動側リング
１３ 従動側リング
１４、５４ スプライン軸受
１５、３４、５５、７４ Ｙテーブル
１６、７８ Ｙモータ継手
１７ Ｘモータ継手
１８、７６ Ｙ軸回転導入器
１９ Ｘ軸回転導入器
２０、７７ 取付ベース
２２、５９ Ｘ送りねじ用ナット
２３、６３ ボールスプライン軸
２４ 磁気カップリング
２５、６５ スプラインナット
２６、６６ サポートベアリング
２７、６７ フランジ
２８、６８、８０、１００ Ｘステージ
２９、６９、８１、２００ Ｙステージ
３０、７３ 真空容器
５２ ラック
５３ ピニオン
５８ Ｘベース
７１ 真空モータ

Claims (3)

1. 被移動物を載置すると共に、第1方向に移動可能な第1テーブルと、該第1テーブルを載置すると共に、前記第1方向と直交する第2方向に移動可能な第2テーブルと、前記第1テーブル及び第2テーブルをそれぞれ第1方向及び第2方向に移動させる第1テーブル移動手段及び第2テーブル移動手段と、を備える2軸ステージ装置において、
   前記第1テーブル移動手段が、前記第2方向を回転中心として回転運動を行う第1駆動源と、前記第2方向に延び、前記第1駆動源の回転軸と連結されたスプライン軸と、前記スプライン軸に沿って移動可能であると共に、前記スプライン軸の回転トルクを伝達するスプライン軸受と、前記スプライン軸受から伝達された回転トルクを前記第1方向を回転中心とする回転トルクに変換する磁気カップリングと，前記第1方向を回転中心とする回転トルクを前記第１テーブルの前記第１方向への直線運動に変換する第1回転−直線変換機構と，を有し，
   前記第2テーブル移動手段が、前記第2方向を回転中心として回転運動を行う第2駆動源と、前記第2駆動源の回転運動を前記第2テーブルの前記第2方向への直線運動に変換する第2回転−直線変換機構と、を有し，
   前記第1駆動源および第2駆動源を除く2軸ステージ部分を収納する真空容器と，を有することを特徴とする真空用2軸ステージ装置。
   
2. 駆動側リングおよび従動側リングによって構成されている前記磁気カップリングにおいて、前記スプライン軸受に固定された駆動側リングと前記第1テーブルの駆動軸に固定された従動側リングの間のギャップ調整により、前記駆動側リングおよび従動側リングの２軸間の最大伝達トルクを設定できる機能を有することを特徴とする請求項１に記載の真空用2軸ステージ装置。
   
3. 前記第1駆動源および第2駆動源が、一体化されたことを特徴とする請求項１または２に記載の真空用2軸ステージ装置。