JP6050799B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステージ装置に係り、特に精密機器等の測定対象物を載せた移動ステージを、その水平状態を維持しつつ上下動可能に構成して成るステージ装置に関する。

従来より、移動ステージを上下動可能に形成されたステージ装置としては、例えば可動ステージと当該可動ステージの中心部から下方に向けて装備された雄ねじ部と、この雄ねじ部を支持し且つ上下動させる駆動支持機構とを備え、この駆動支持機構を外部操作することにより前記可動ステージを上下動させる構造のものが、知られている。

また、昨今にあっては、上記した従来例と同様に機能する雄ねじ部を備えると共に、この雄ねじ部を振動型アクチュエータを用いて駆動する全自動型のステージ装置が知られている（特許文献１）。

特開２０００−３４４４７４号公報

しかしながら、上記した雄ねじ部を回転させて上下動させる構造のものは、当該雄ねじ部の微小単位での上下動に際しては、この雄ねじ部に上下動を付勢する雌ねじ部を設けると共に、この雌ねじ部を定位置で保持し且つ回転駆動する複数段の駆動ねじ機構を、前記駆動支持機構が予め備えていることが必要とされる。
このため、装置全体として構造が複雑化しバックラッシュが大きくなり、更に、上記駆動支持機構については、雄ねじ部の下方に配置する必要性より、装置全体の高さが大きくなり、その小型化および薄型化に支障を来すという不都合がある。

また、上記雄ねじ部を振動型アクチュエータを用いて駆動する全自動型のステージ装置にあっては、雌ねじ部の回転角度の精密設定（即ち、雄ねじ部の上下動の微小設定）には適しているものの、上記雌ねじ部におけるバックラッシュの課題のほか、更に駆動部分に振動型アクチュエータを必要とし且つ当該アクチュエータの振動力を回転動作に変換し更に当該回転動作を電気的に制御する手段を必要とすることから、全体的に構造が複雑化し、且つ生産性が悪く、比較的高価になり、更には保守性が悪いという不都合が常に存在する。

〔発明の目的〕
上記従来例の有する不都合を改善し、特に、簡単な構造の駆動手段を用いて可動ステージの微小単位の上下動およびその設定を可能とした小型化が可能なステージ装置を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、基台ステージと、この基台ステージ上に上下動可能に配設された可動ステージと、この可動ステージを保持する保持部材と、この保持部材を介して前記可動ステージに上下動を付勢する上下動付勢機構とを設け、
前記上下動付勢機構が、前記可動ステージの下面側の中央領域に配置され前記基台ステージ上を外力に付勢されて一方向に往復移動する往復移動部材と、この往復移動部材と前記可動ステージとの間に設けられ当該往復移動部材の動作を前記可動ステージの上下方向の動作に変換するクサビ型動作変換機構と、前記基台ステージ上に装備され前記可動ステージが上下動するのを案内する上下動案内機構とを備えた構成とし、
前記可動ステージを保持する保持部材を、前記往復移動部材の両側面にそれぞれ配置すると共に、
前記クサビ型動作変換機構を、前記往復移動部材の両側面と前記各保持部材の内壁面との間に、それぞれ設置したこと、という構成を採っている。

本発明は上述したように構成したので、これによると、クサビ型動作変換機構が有効に機能して可動ステージを支持しつつ微小単位でその上下動を実行し且つその高さ位置の可変設定を高精度に成し得る保守性が良好なステージ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態を示すステージ装置の駆動軸を含む縦断面図である。 図１に開示したステージ装置を示す図で、図２（Ａ）はその全体を示す外観斜視図、図２（Ｂ）は図１の平面図である。 図１に開示したステージ装置の構成上の基盤を成す基台ステージを示す斜視図である。 図１に開示したステージ装置の矢印Ａ方向から見た一部省略した正面図である。 図４に開示したステージ装置の矢印Ｖ−Ｖ線に沿った断面図である。 図４に開示したステージ装置の矢印VI−VI線に沿った断面図である。 図１に開示したステージ装置の矢印Ａ方向から見た他の一部を省略した正面図である。 図７に開示したステージ装置の矢印VIII−VIII線に沿った断面図である。 図１に開示したステージ装置の構成部材全体を示す分解斜視図である。 図１に開示したステージ装置の全体的な動作を示す図で、図１０（Ａ）は往復移動部材を押し込んで可動ステージを最上位に移動させた場合の状態を示す斜視図、図１０（Ｂ）は往復移動部材を通常の位置に設置し可動ステージを中位の高さ位置に配置させた場合の状態を示す斜視図、図１０（Ｃ）は往復移動部材を引き出して可動ステージを最下位に移動させた場合の状態を示す斜視図である。 図１に開示したステージ装置の図１０に準じた全体的な動作を示す図で、図１１（Ａ）は往復移動部材を押し込んで可動ステージを最上位に移動させた場合の当該往復移動部材と駆動ねじ機構との連動状態を示す説明図、図１１（Ｂ）は往復移動部材を通常の位置に設置して可動ステージを中位の高さ位置に配置させた場合の当該往復移動部材と駆動ねじ機構との連動状態を示す説明図、図１１（Ｃ）は往復移動部材を引き出して可動ステージを最下位に移動させた場合の当該往復移動部材と駆動ねじ機構との連動状態を示す説明図である。 図１に開示したステージ装置の図１０に準じた全体的な動作を示す図で、図１２（Ａ）は往復移動部材を押し込んで可動ステージを最上位に移動させた場合の当該往復移動部材と基台ステージとの係合状態を示す説明図、図１２（Ｂ）は往復移動部材を通常の位置に設置して可動ステージを中位の高さ位置に配置させた場合の当該往復移動部材と基台ステージとの係合状態を示す説明図、図１２（Ｃ）は往復移動部材を引き出して可動ステージを最下位に移動させた場合の当該往復移動部材と基台ステージとの係合状態を示す説明図である。

以下、本発明の一実施形態を図１乃至図１２に従って説明する。
（基本的構成）
まず、図１乃至図４において、符号１は基台ステージを示し、符号２は可動ステージを示す。
この内、基台ステージ１は、装置全体の基盤を成すもので、各構成部材を保持する機能を備えている。又、可動ステージ２は、基台ステージ１上に配設され、下面側の両端部に前記基台ステージ１に向けて一体的に装備された保持部材３，４を備えて構成されている。符号３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂは、保持部材３，４を可動ステージ２に固着装備する連結ねじを示す。

上記基台ステージ１および可動ステージ２は、本実施形態では、図１乃至図４に示すように共に同一の四角形状に形成されている。又、これに合わせて、保持部材３，４が上記したように可動ステージ２の下面側に固着装備されている。

ここで、上記各保持部材３，４の各外側の両角部の下面側は、下端面に平行に一部切除されており、この切除部３Ａ，３Ｂ，４Ａ，４Ｂに設けられた貫通穴を介して、当該各保持部材３，４が、上述したように、連結ねじ３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂにより下面側から可動ステージ２に一体的に固着されている。

基台ステージ１上には、上記可動ステージ２および保持部材３，４で囲まれた空間領域に、上記可動ステージ２の全体を微小単位で上下動させるための上下動付勢機構５が装備されている（図５，図６参照）。

この上下動付勢機構５は、可動ステージ２の下面側の中央部に配置され前記基台ステージ１上を保持部材３，４の各内壁に沿って一方向に往復移動する往復移動部材６と、基台ステージ１上の左右両端部に植設された状態で配置され上述した保持部材３，４が上下動するのを左右二か所で案内する上下動案内機構７，８，９，１０と、この上下動案内機構７乃至１０に協同して機能し前記往復移動部材６の動作を前記保持部材３，４の上下方向の動作に変換するクサビ型動作変換機構１７，１８とを備えて構成されている。

このため、例えば、往復移動部材６が水平に設置された基台ステージ１上を水平移動すると、同時にその両側に位置する前記クサビ型動作変換機構１７，１８と上下動案内機構７乃至１０とが協同して機能し、当該往復移動部材６の一方向への水平移動を保持部材３，４の上下方向への移動に変換するようになっている。

ここで、装置全体の構成及び形状を明確化するため、図２（Ａ）に装置全体の斜視図を示し、各構成部材の配置を明確化するための平面図を図２（Ｂ）に示す。
更に、装置全体の各構成部材の形状および相互間に位置関係を明らかにするため、図９に、上記図２（Ａ）に開示した装置の全体的な分解斜視図を示す。
尚、図１は上記図４におけるＩ−Ｉ線に沿った縦断面図である。

又、上記保持部材３，４によって保持されている可動ステージ２の下面と往復移動部材６の上面との相互間には、可動ステージ２が最下位に位置する場合でも一定の隙間空間（例えば２〔ｍｍ〕前後）ＳＫが常時設定されるように、往復移動部材６の高さ寸法，およびがクサビ型動作変換機構１７，１８の斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａの取付け位置が、予め特定されている。

更に、本実施形態にあって、クサビ型動作変換機構１７，１８に付勢されて可動ステージ２が上下動する場合の移動範囲については、具体的には後述するが、クサビ機能を発揮する斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａの傾斜角度を、例えば８°に設定しておくと、往復移動部材６の水平移動が１〔ｍｍ〕の場合、高さ方向への変換値は「１〔ｍｍ〕×ｔａｎ８°＝０．１４１〔ｍｍ〕」となる。
一方、往復移動部材６の水平移動を０．１〔ｍｍ〕とすると、高さ方向への変換値は「０．１〔ｍｍ〕×ｔａｎ８°＝０．０１４１〔ｍｍ〕＝１４．１〔μｍ〕」となる。

即ち、本実施形態では、往復移動部材６の微小水平移動が０．１〔ｍｍ〕という粗い移動量であっても、可動ステージ２を１０数μ単位で、若しくはそれ以下のμ単位で、上下動させることが可能となる。

（駆動ねじ機構１１と連結部材１２）
本実施形態におけるステージ装置は、図１乃至図７に示すように、上記した基本的な構成に加えて、更に、往復移動部材６に対してその往復移動を付勢する駆動ねじ機構１１と、この駆動ねじ機構１１の駆動ねじ１１Ａが中心線Ｌ上を回転移動する場合の移動量をそのまま往復移動部材６に伝達する連結部材１２と、を備えている。

この内、駆動ねじ機構１１は、上記したように往復移動部材６に微小往復動作を付勢するためのものであり、当該往復移動部材６の移動方向に沿って前述した基台ステージ１の中央部に、図１，図２（Ｂ）に示すように、その中心線Ｌに沿って配置されている。
符号１Ｂは、中心線Ｌに沿って基台ステージ１の前端面（図１の右端面）の中央部に形成された駆動ねじ機構１１の要部を成す駆動ねじ１１Ａ用のねじ穴を示す（図１，図３参照）。

この駆動ねじ機構１１は、基台ステージ１に形成された上記ねじ穴１Ｂと、このねじ穴１Ｂに螺合されて機能する駆動ねじ１１Ａと、この駆動ねじ１１Ａの回転移動時におけるバックラッシュを吸収する樹脂製のバックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅと、このバックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅを上記ねじ穴１Ｂ内の開口端で基台ステージ１に固定する固定ねじ部１１ｄ，１１ｅとを備えて構成されている。

ここで、駆動ねじ１１Ａは、ねじ部本体１１Ａａと、このねじ部本体１１Ａａを外部（図１の右端側）から回転駆動するためのヘッド部１１Ｂと、このヘッド部１１Ｂに連なるネック部１１Ｃとを備えて構成されている。

又、上記バックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅは、本実施形態では公知のバックラッシュ吸収部材が使用されている（特許第 4383402号公報／段落番号「0026」乃至「0035」参照）。
このため、駆動ねじ機構１１から出力される駆動ねじ１１Ａの往復移動量は、バックラッシュを含まない状態の移動量がそのまま高精度で出力されるようになっている。

又、連結部材１２は、駆動ねじ機構１１のネック部１１Ｃを回転自在に保持しつつ当該駆動ねじ機構１１の駆動ねじ１１Ａによる中心軸に沿った方向の移動量を、上述したようにそのまま往復移動部材６に伝達するように機能する。
この連結部材１２は、前述した往復移動部材６の端部（具体的には図１における往復移動部材６の右端面）にその上端部が固着装備されている。符号１２Ａ，１２Ｂは、連結部材１２を往復移動部材６に一体的に連結する連結ねじを示す。

即ち、上記駆動ねじ機構１１の駆動ねじ１１Ａによる中心軸に沿った回転移動時の移動量は、連結部材１２を介してそのまま往復移動部材６に伝達されるため、この往復移動部材６の往復移動量については、これを上記駆動ねじ１１Ａのヘッド部１Ｂをオペレータが回転操作することによって、外部から自在に設定することが可能な構造となっている。
尚、この場合、駆動ねじ１１Ａのヘッド部１Ｂの回転操作に際しては、例えば回転用治具等を使用すると、手動であっても１０°間隔程度の設定は可能となっている。

ここで、駆動ねじ１１Ａのへッド部１１Ｂと上記した連結部材１２との連結構造を詳述する。
まず、符号１２Ｋは、駆動ねじ１１Ａのネック部１１Ｃを、ヘッド部１１Ｂと共に上記連結部材１２に回転自在に且つ軸方向のガタを排除した状態で連結する位置決めナットを示す。
この場合、ヘッド部１１Ｂは連結部材１２の外面に露出した状態に設定され、これによって、オペレータは、上記したように駆動ねじ１１Ａの回転角度を外部から自在に設定し得るようになっている。

そして、駆動ねじ１１Ａのネック部１１Ｃは、ヘッド部１１Ｂと連結ナット１２Ｋとによって連結部材１２を挟持するようにして、上述したように連結部材１２に回転自在に連結されている。符号１１ｇ，１１ｈは連結用の座がねを示す。

この場合、位置決めナット１２Ｋは、適度の当接力をもって連結部材１２の内面に座がね１１ｈを介して摺動自在に当接され、同時にピン若しくは接着材によって駆動ねじ１１Ａのねじ部本体１１Ａａに固着されている。

このため、駆動ねじ機構１１は、そのネック部１１Ｃで、ヘッド部１１Ｂと位置決めナット１２Ｋとによって連結部材１２を回転自在に挟持する形態をもって連結され、これにより、駆動ねじ１１Ａの回転移動時の移動量が、そのまま連結部材１２を介して往復移動部材６に伝達されることとなる。

（基台ステージ１と往復移動部材６）
基台ステージ１は、各構成部材を保持し且つその動作を許容する機能を備え、本実施形態では四角形状に形成された一定の厚さの部材により形成されている（図３参照）。
この基台ステージ１は、その四隅の上面角部に水平切除部１ａ，１ａ，……を有し、この各水平切除部１ａに設けた貫通穴１ｂ，１ｂ，……を介して外部装置へ固定されるようになっている。

この基台ステージ１には、図１乃至図４に示すように、連結部材１２側である前端部中央に、当該連結部材１２に対応して、一部切除されてなる凹状切除部１Ａが設けられている。
この場合、この凹状切除部１Ａの開口幅Ｅは、図２（Ｂ）に示すように、連結部材１２の対向面の横幅Ｆよりも幾分大きく（Ｅ＞Ｆに）設定されている。

このため、例えば、往復移動部材６と共に連結部材１２が基台ステージ１上を内側に入り込むような状態が生じても（図１２（Ａ）参照）、基台ステージ１の上記凹状切除部１Ａがこれを許容することから、駆動ねじ機構１１はこれに対応して作動し連結部材１２を介して往復移動部材６に所定の往復移動を付勢し得るようになっている。

これにより、往復移動部材６の往復移動範囲を外部へ大きく突出させることなく比較的大きく設定することが可能となり、その結果、上下動の微小調整を比較的広く設定することができ、更に装置全体の小型化にも寄与し得る構造となっている（図１１参照）。

この基台ステージ１には、図２（Ｂ）の中心線Ｌに沿って、前記凹状切除部１Ａの中心部に開口端を有する前述した駆動ねじ１１Ａ用のねじ穴１Ｂが設けられている。そして、このねじ穴１Ｂの開口端に、前述したねじ部本体１１Ａ用のバックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅが装備されるようになっている。

ここで、上記駆動ねじ１１Ａ用のねじ穴１Ｂは、その開口部が座ぐり加工され、ここに、上記バックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅが圧入され且つ前述した止めねじ１１ｄ，１１ｅによって固定されるようになっている（図１参照）。

図３では、ねじ穴１Ｂに固着される前のバックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅを中心線Ｌ上に図示している。符号１ｄ，１ｅは、バックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅを基台ステージ１に固定するための上記止めねじ１１ｄ，１１ｅ用の固定ねじ穴を示す。

又、この図３に示すように、基台ステージ１は、前記凹状切除部１Ａに向かって左右の端部上面が中央領域の上面よりも幾分低く設定されている。
これにより、前述した保持部材３，４が移動ステージ２と共に上下動した場合に、その下端面が基台ステージ１の上面よりも下降することを許容することができ、これによって装置全体の小型化を意図してその高さを抑えた構造となっている。

この基台ステージ１の上面中央領域には、上記中心線Ｌに沿って且つ所定間隔を隔てて二箇所にキー溝Ｋｍ_１ ，Ｋｍ_２ が設けられている。図３において、符号Ｋ_１ ，Ｋ _２は、キー溝Ｋｍ_１ ，Ｋｍ_２ に固着装備される前の水平移動案内キーを示す。

又、この水平移動案内キーＫ_１ ，Ｋ _２に対応して、前述した往復移動部材６の底面には、移動方向に沿ってキー溝Ｋｍ_５ ，Ｋｍ_６ が形成されている（図４参照）。
これにより、往復移動部材６は、駆動ねじ機構１１に付勢されて基台ステージ１上を高精度に往復移動し得るように当該基台ステージ１上に組み込まれるようになっている。

更に、図３において、基台ステージ１の上面中央領域のキー溝Ｋｍ_１ ，Ｋｍ _２の両側には、中心線Ｌに沿ってそれぞれ貫通長穴７１Ａ，７２Ａが設けられている。この各貫通長穴７１Ａ，７２Ａ部分に、後述するように、往復移動部材６を基台ステージ１に係合した状態で且つ当該往復移動部材６と共に往復移動する係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂが配設されている。
そして、この各貫通長穴７１Ａ，７２Ａと係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂとにより、二組の移動部材用摺動保持機構７１，７２が、それぞれ構成されている（図６参照）。

また、基台ステージ１の前述した凹状切除部１Ａ側からみた左右の両端部上面には、具体的には後述するが、それぞれ二箇所にわたって、前述した保持部材３，４が上下動するのを案内するガイド支柱用の支柱固定穴８１_１ ，８１_２ ；８２_１ ，８２_２ が、それぞれ設けられている（図３参照）。

（クサビ型動作変換機構１７，１８）
クサビ型動作変換機構１７，１８は、図１，図４乃至図５に示すように、可動ステージ２の下端面の両側に固着装備された保持部材３，４の内壁面と前述した往復移動部材６の両側面との相互間に、それぞれ設けられている。

このクサビ型動作変換機構１７，１８は、それぞれが、往復移動部材６の両側面に各別に配設され、前記往復移動部材６の一の側面における移動方向の前面側（図１の右側）の上方領域から，移動方向の背面側（図１の左側）の下方領域に向けて直線状に形成された移動部材側斜め溝部（移動部材側斜めガイド溝）１７Ｃ，１８Ｃと、これに対向して前記一の保持部材３，４の内壁面の同位置に形成された保持部材側斜め溝部（保持部材側斜めガイド溝）３Ｃ，４Ｃと、前記移動部材側斜め溝部１７Ｃ，１８Ｃ内に固定装備され且つ対向する保持部材側斜め溝部３Ｃ，４Ｃに摺動自在に係合する斜め平行ガイドキー（斜めガイドキー）１７Ａ，１８Ａとを、それぞれ備えて構成されている。

換言すると、上記クサビ型動作変換機構１７，１８は、本実施形態では、往復移動部材６の両側面にあって当該往復移動部材６の前面側（連結部材１２側）から背面側に向けて下がるように斜めに装着された直線状の斜め平行ガイドキー（クサビ機能を有する斜めガイドキー）１７Ａ，１８Ａと、この各斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａに個別に対向する前記各保持部材３，４の内壁面に設けられ前記斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａにそれぞれ摺動自在に係合する斜めガイド溝３Ｃ，４Ｃとにより構成されている。

ここで、上記斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａの傾斜角度αは、本実施形態では、上記往復移動部材６の往復移動を許容する基台ステージ１の表面（具体的には水平移動案内キーＫ_１ ，Ｋ _２の上面）に対して、α＝８°に設定されている。

そして、今、往復移動部材６を、前面側（図１の右側方向）から基台ステージ１の前記案内キーＫ_１ ，Ｋ _２に沿って背面側（図１の左側方向）に向けて移動させると、往復移動部材６の斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａが、各保持部材３，４の斜めガイド溝３Ｃ，４Ｃを介して当該各保持部材３，４を上方へ押し上げるように作用する（クサビ効果）。

この場合、各保持部材３，４は前述した上下動案内機構７乃至１０によって上下方向に限定した移動が許容されていることから、当該保持部材３，４は、上下動案内機構７乃至１０に同時に案内されて移動ステージ２と共に上方へ移動することとなる。

一方、往復移動部材６を、水平移動案内キーＫ_１ ，Ｋ _２に沿って背面側から前面側に向けて移動させると、往復移動部材６の斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａが、各保持部材３，４側の斜めガイド溝３Ｃ，４Ｃを介して当該各保持部材３，４を下方へ押し下げるように作用する（クサビ効果）。
これにより、当該保持部材３，４は移動ステージ２と共に下方へ向けて移動することとなる。

ここで、往復移動部材６の両側面に装着された上記クサビ型動作変換機構１７，１８の直線状の斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａは、実際には当該箇所に形成された斜めガイド溝（移動部材側斜め溝部）１７Ｃ，１８Ｃに、その当接面側が係合された後に固着され、これによって、往復移動部材６の両側面に固着装備された状態となっている。

このため、斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａは、往復移動部材６の両側面に堅牢に装着され、これによって、耐久性が強化されると共に、上記各保持部材３，４を保持しつつ移動キー２と共にその上下動を微小単位で高精度に付勢し得るようになっている。

（上下動案内機構７乃至１０）
この上下動案内機構７乃至１０は、前述した移動ステージ２が保持部材３，４と共に上下動するのを案内する機能を備えており、図２（Ｂ），図７乃至図８に示すように、本実施形態では四組装備されている。
この四組の各上下動案内機構７乃至１０は、各保持部材３，４に二組ずつ係合装備され、当該各保持部材３，４の上下動を二箇所で円滑に案内するように設置されている。

この各上下動案内機構７乃至１０は、下端部が前記基台ステージ１に固定されたガイド支柱７Ａ乃至１０Ａと、このガイド支柱７Ａ乃至１０Ａに係合して前記各保持部材３，４の上下動作を案内する当該各保持部材３，４に形成された被ガイド用貫通穴３１，３２，４１，４２とを備えて構成されている。

これを更に詳述すると、この各上下動案内機構７乃至１０は、それぞれガイド支柱７Ａ，８Ａ，９Ａ，１０Ａと、各ガイド支柱７Ａ乃至１０Ａの下端部を個別に保持する基台ステージ１上の支柱固定穴８１_１ ，８１_２ ；８２_１ ，８２_２ と、この支柱固定穴８１_１ ，８１_２ ；８２_１ ，８２_２ に配設された各ガイド支柱７Ａ乃至１０Ａを前述した基台ステージ１に個別に固定する固定ねじ７Ｂ，８Ｂ，９Ｂ，１０Ｂとを備えている。

ここで、各ガイド支柱７Ａ乃至１０Ａは、本実施形態では円柱状部材で形成されている。そして、上記した各固定ねじ７Ｂ乃至１０Ｂは、上述した各支柱固定穴８１_１ ，８１_２ ；８２_１ ，８２_２ と同一の中心線上で基台ステージ１の底面側に形成された座ぐり穴を介して、各ガイド支柱７Ａ乃至１０Ａを当該基台ステージ１に個別に固定するようになっている。

また、各保持部材３，４には、前述した基台ステージ１の各支柱固定穴８１_１ ，８１_２ ；８２_１ ，８２_２ に対応する位置に、前述した被ガイド用貫通穴３１，３２；４１，４２が形成されている。更に、この各保持部材３，４の被ガイド用貫通穴３１，３２；４１，４２に対応して、移動ステージ２の下面には、上記ガイド支柱７Ａ乃至１０Ａ用の逃げ座ぐり穴２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈが設けられている。

そして、この上記した各被ガイド用貫通穴３１，３２；４１，４２に、前述した各ガイド支柱７Ａ乃至１０Ａが、それぞれ個別に且つ摺動自在に挿入され係合されている。これにより、当該ガイド支柱７Ａ乃至１０Ａに案内されて、上記各保持部材３，４は、移動ステージ２と共に、その上下動が成されるようになっている。

（移動部材用摺動保持機構７１，７２）
次に、図４乃至６に基づいて移動部材用摺動保持機構７１，７２を説明する。
この移動部材用摺動保持機構７１，７２は、基台ステージ１上にあって、その両側領域の各中央部分に設置され、上記往復移動部材６が基台ステージ１から離脱することなく該基台ステージ１を円滑に摺動しつつ移動し得るようにしたものである。

この移動部材用摺動保持機構７１，７２は、基台ステージ１の下面側の左右２箇所に形成された座ぐり長穴部分に、それぞれ配置され、基台ステージ１から上側に位置する往復移動部材６を下側から摺動可能に係合するように構成されている。

この各移動部材用摺動保持機構７１，７２は、具体的には、それぞれが、前記往復移動部材６の底面の左右両側の中央部分にそれぞれ設けられ連結用ネジ穴６１，６２と、この連結用ネジ穴６１，６２に対応して前記基台ステージ１に設けられた摺動連結用の貫通長穴７１Ａ，７２Ａと、この貫通長穴７１Ａ，７２Ａの周囲に予め設けられた座ぐり長穴Ｚ１，Ｚ２と、この座ぐり長穴Ｚ１，Ｚ２に係合する座がね７３，７４及びヘッド部７５Ａ，７６Ａを有すると共に前記貫通長穴７１Ａ，７２Ａを介して前記連結用ネジ穴６１，６２にそれぞれ螺合して成る係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂとを備えて構成されている。

ここで、前述した基台ステージ１側の貫通長穴７１Ａ，７２Ａおよび座ぐり長穴Ｚ１，Ｚ２は、上記往復移動部材６の往復移動の方向およびその許容範囲に対応した長穴として予め形成されている。

これを更に具体的に説明すると、この各移動部材用係合移動機構７１，７２は、図２（Ｂ），図４乃至図６に示すように、前述した基台ステージ１の上面中央領域のキー溝Ｋｍ_１ ，Ｋｍ _２の両側に中心線Ｌに沿ってそれぞれ形成された上記貫通長穴７１Ａ，７２Ａが設けられ、この各貫通長穴７１Ａ，７２Ａ部分に配設され且つ往復移動部材６を基台ステージ１に係合した状態を維持しつつ上記した係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂが、当該往復移動部材６と共に往復移動するように構成されている。

ここで、上記貫通長穴７１Ａ，７２Ａは、上記したように、基台ステージ１の下面側に形成された座ぐり長穴Ｚ１，Ｚ２内に配置された形態を成している（図２（Ｂ）及び図６参照）。
そして、この座ぐり長穴Ｚ１，Ｚ２部分に、前述した各係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂのヘッド部が座がね７３，７４と共に配置されている（図４，図５参照）。

また、往復移動部材６の底面には、上記基台ステージ１の貫通長穴７１Ａ，７２Ａに対応する箇所に、前述した係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂ用の連結用ネジ穴６１，６２が設けられている（図４乃至図６参照）。

そして、この往復移動部材６の連結用ねじ穴６１，６２に、上記した係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂが、基台ステージ１の当該座ぐり長穴Ｚ１，Ｚ２部分で当該基台ステージ１を介して螺合されている。これにより、この係合移動ねじ７１Ｂ，７２Ｂは、上述したように、基台ステージ１との係合状態を維持しつつ往復移動部材６の移動と共に、座ぐり長穴Ｚ１，Ｚ２部分で往復移動するように構成されている。

これにより、前述した駆動ねじ機構１１に付勢されて、往復移動部材６が基台ステージ１上を往復移動しても、前述した上下動付勢機構５の中枢部を成す上記往復移動部材６は基台ステージ１との係合状態が維持され、上下動付勢機構５の安定動作を確保することが可能となっている。

〔全体的動作、効果〕
次に、上記実施形態の全体的な動作を、図１０乃至図１２に従って説明する。
まず、駆動ねじ機構１１の要部である駆動ねじ１１Ａのヘッド部１Ｂを操作し、右回転させると、該駆動ねじ１１Ａは、連結部材１２を介して往復移動部材６を、基台ステージ１上の水平移動案内キーＫ_１ ，Ｋ_２ に沿って内側（図１０（Ａ）のＰの方向）に引き込む。図１０（Ａ），図１１（Ａ）に、往復移動部材６が引き込まれた状態を示す。
ここで、図１０（Ｂ）は、動作前の基準位置を示す。

この場合、往復移動部材６は、その移動過程において、両側面に装備された上下動案内機構７乃至１０とクサビ型動作変換機構１７，１８とが機能して、保持部材３，４と共に移動ステージ２を、上方へ押し上げる。

具体的には、クサビ型動作変換機構１７，１８の斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａが、保持部材３，４側の斜めガイド溝３Ｃ，４Ｃ部分で、下方に潜り込むような状態となり、これによって保持部材３，４を上方に押し上げる（クサビ効果）。

記号ＳＫ_２ は、移動ステージ２が押し上げられた時の当該移動ステージ２と往復移動部材６との間に形成される最大隙間空隙を示す。
図１０（Ｂ），図１１（Ｂ）は、操作前の通常状態を示す。

この場合、本実施形態では、駆動ねじ機構１１の駆動ねじ１１Ａのねじ部本体１１Ａａをリード０．７〔ｍｍ〕の４〔ｍｍ〕ネジで形成し、且つ５回転で図１０（Ａ），図１１（Ａ）の状態が設定されたとすると、斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａの傾斜角αは８°としてあるので、上方への移動距離Ｈは、操作前の通常状態に比較して、Ｈ＝０．７×５×ｔａｎ８°で、約０．５〔ｍｍ〕、即ち、５００〔μｍ〕の上昇距離となる。
尚、図１０（Ａ）では、分かりやすさを強調する意味で、最大隙間空隙ＳＫ_２ は図面上誇張した寸法で明記した。下記図１０（Ｃ）も同様である。

一方、駆動ねじ機構１１の上記ヘッド部１Ｂを操作して図１０（Ｂ），図１１（Ｂ）の位置に戻した後に、更に左回転させると、駆動ねじ１１Ａは、ヘッド部１Ｂおよび連結部材１２を介して基台ステージ１上の往復移動部材６を、水平移動案内キーＫ_１ ，Ｋ_２ に沿って外側に押し出すように付勢する。
図１０（Ｃ），図１１（Ｃ）に、往復移動部材６が外側に押し出された状態を示す。

この場合、駆動ねじ１１Ａを５回転して図１０（Ｃ），図１１（Ｃ）の状態が得られたとすると、斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａの傾斜角αが８°であるので、この場合の下方への移動距離Ｈは、操作前の通常状態に比較して、同じく、Ｈ＝０．７×５×ｔａｎ８°≒０．５〔ｍｍ〕、即ち、５００〔μｍ〕の下降距離となる。
この図１０（Ｃ）において、記号ＳＫ_１ は、この時の最小隙間空隙を示す。

このため、この事例の場合、移動ステージ２の上下方向への最大移動距離Ｈｍは、
Ｈｍ＝０．５〔ｍｍ〕×２＝１．００〔ｍｍ〕となっている。

更に、本実施形態において、上記移動ステージ２の微小移動距離について、その設定可能な最小単位を検討すると、以下のようになる。
設定条件は、上記基本的内容説明の項で開示したのと同一の条件で検討する。
この場合、駆動ねじ１１Ａのねじ部本体１１Ａａを４〔ｍｍ〕ネジとし、そのネジのリードを０．７〔ｍｍ〕とし、ヘッド部１１Ｂの回転駆動角を、例えば、１／１０回転（３６°）に設定すると、高さ方向への移動距離Ｈは、前述したように、Ｈ＝０．７×０．１〔ｍｍ〕×ｔａｎ８°
≒０．００９８７〔ｍｍ〕≒１０．０〔μｍ〕、となる。

一方、治具を用いてヘッド部１Ｂを回し、駆動ねじ１１Ａの回転角度を１０°間隔に設定すると、
Ｈ＝０．７×（１０／３６０）〔ｍｍ〕×ｔａｎ８°
≒０．００２７〔ｍｍ〕≒３〔μｍ〕、となる。

即ち、本実施形態によると、治具を用いてヘッド部１Ｂの回転角度を１０°前後に設定すると、手動であっても、回転角度１０°毎に３〔μｍ〕前後の微小単位で移動ステージ２を上下動させることが可能となる。

この場合、駆動ねじ機構１１の駆動ねじ１１Ａにおけるバックラッシュの影響を少なくすることが重要である。本実施形態では、駆動ねじ１１Ａが螺合する基台ステージ１側のねじ穴１Ｂに、前述したようにバックラッシュ吸収部材１１Ｄ，１１Ｅを装備することで、この課題を解決している。

また、オペレータによる駆動ねじ機構１１のヘッド部１Ｂの回転操作に際しては、当該ヘッド部１Ｂに対する外部振動が入力されやすい。この場合、連結部材１２を介して基台ステージ１上の往復移動部材６（特にその後端部側）が、上下方向に微小振動し易い状態が生じる。これに対して、本実施形態では、かかる不都合を移動部材用摺動保持機構７１，７２を装備することによって回避している。

図１２に、往復移動部材６が、往復移動中であっても、この移動部材用摺動保持機構７１，７２によって基台ステージ１に常時係合されている状態を示す。
この図１２において、まず、図１２（Ａ）は往復移動部材６が基台ステージ１上で奥に引き込まれた状態（図１０（Ａ）の状態）を示し、図１２（Ｂ）は往復移動部材６が基台ステージ１上で正常位置に配置された状態（図１０（Ｂ）の状態）を示し、図１２（Ｃ）は往復移動部材６が基台ステージ１で外部に引き出された状態（図１０（Ｃ）の状態）を示す。

即ち、可動ステージ２の上下動に際しては、往復移動部材６は、駆動ねじ機構１１に付勢されて基台ステージ１上を往復移動するが、この間、移動部材用摺動保持機構７１，７２によって基台ステージ１との係合状態が維持される。

このため、往復移動部材６は常時安定した状態で基台ステージ１上を往復移動することができ、従って、クサビ型動作変換機構１７，１８は、この往復移動部材６の移動量を安定した状態で上下方向の移動量に変換することができ、装置全体の動作精度を常時高精度に維持することができる。

このように、本実施形態によると、上述したクサビ型動作変換機構１７，１８が有効に機能して、可動ステージ２を支持しつつ微小単位でその上下動を実行し且つその高さ位置の可変設定を高精度に成し得るという操作性および保守性が良好で且つ小型化が可能なステージ装置を得ることができる。

尚、本実施形態では、上下動案内機構７乃至１０を４組装備した場合を例示したが、各保持部材３，４毎に一組の上下動案内機構を用いるようにしてもよい。又、この上下動案内機構７乃至１０については、円柱状のガイド支柱７Ａ乃至１０Ａを用いる場合を例示したが、上下動案内機構として同等に機能するものであれは他の形状のものであってもよい。

また、本実施形態では、クサビ型動作変換機構１７，１８における斜めガイドキー１７Ａ，１８Ａの傾斜角度αを「α＝８°」の場合を例示したが、必要に応じて８°以外の他の角度に設定してもよい。

更に、本実施形態では、可動ステージ２と保持部材３，４とを別々に取り扱う場合について例示したが、同時に上下動させる部材であることから、保持部材３，４を可動ステージ２の一部として両者を一体的に取り扱うようにしてもよい。

また、本実施形態では、クサビ型動作変換機構１７，１８を往復移動部材６の両側面に設置した場合を例示したが、往復移動部材６の上面を前面上側から背面下側に向けて斜めに切除し、これによって得られる楔状傾斜面に合わせて、移動ステージ２の下面側に楔状逆傾斜面を設け、この各楔状の傾斜面に前述したクサビ型動作変換機構１７，１８と同等に機能する一組の斜め平行ガイドキーおよびこれに係合するキー溝を、前述した水平移動案内キーＫ_１ ，Ｋ_２ 及びこれに対応するキー溝Ｋｍ_５ ，Ｋｍ_６ に沿ってそれぞれ設けるように構成してもよい。

更に、上記クサビ型動作変換機構１７，１８にあって、斜め平行ガイドキー１７Ａ，１８Ａおよびこれに係合するキー溝（斜めガイド溝）３Ｃ，４Ｃの傾斜角αを８°に設定した場合を例示したが、本発明はこの傾斜角αを８°に限定するものではなく、例えば０°を除く３０°以下の任意の角度（例えば、５°，７°，１０°，１１°，その他の角度）に設定したものであってもよい。
このようにしても、上記実施形態の場合と同等のステージ装置を得ることができる。
又、上記実施形態にあっては、平行ガイドキー１７Ａ，１８Ａおよびこれに係合するキー溝３Ａ，４Ａの傾斜角αを、往復移動部材６の前面側（図１の右端側）の上方領域から背面側（図１の左端側）の下方領域に向けて下降する場合を例示したが、その逆の設定であってもよい。
即ち、上記傾斜角αは、往復移動部財６の前面側の下方領域から背面側の上方領域に向けて上昇するように設定してもよい。
このようにしても、同等の作用効果を得ることができる。

本発明にかかるステージ装置は、５乃至１０〔μｍ〕単位に上下動が可能となるので、電子顕微鏡を始めとしてμ単位の精密測定を必要とする各種光学測定器等に有効利用されるものであり、しかも手動で可変設定を成し得ることから、各種精密実験にも頗る有用なものであり、その用途は広い。

１ 基台ステージ
１Ｂ 駆動用ねじ穴
２ 移動ステージ
３，４ 保持部材
３Ｃ，４Ｃ 保持部材側斜め溝部（保持部材側斜めガイド溝）
５ 上下動付勢機構
６ 往復移動部材
７，８，９，１０ 上下動案内機構
７Ａ，８Ａ，９Ａ，１０Ａ ガイド支柱
１１ 駆動ねじ機構
１１Ａ 駆動ねじ
１１Ｂ ヘッド部
１１Ｄ，１１Ｅ バックラッシュ吸収部材
１２ 連結部材
１７，１８ クサビ型動作変換機構
１７Ａ，１８Ａ 斜め平行ガイドキー（斜めガイドキー）
１７Ｃ，１８Ｃ 移動部材側斜め溝部（移動部材側斜めガイド溝）
３１，３２，４１，４２ 被ガイド用貫通穴
６１，６２ 連結用ネジ穴
７１，７２ 移動部材用摺動保持機構
７１Ａ，７２Ａ 貫通長穴
７１Ｂ，７２Ｂ 係合移動ねじ
Ｚ１，Ｚ２ 座ぐり長穴

Claims (9)

1. 基台ステージと、この基台ステージ上に上下動可能に配設された可動ステージと、この可動ステージを保持する保持部材と、この保持部材を介して前記可動ステージに上下動を付勢する上下動付勢機構とを設け、
   前記上下動付勢機構が、
   前記可動ステージの下面側の中央領域に配置され前記基台ステージ上を外力に付勢されて一方向に往復移動する往復移動部材と、この往復移動部材と前記可動ステージとの間に設けられ当該往復移動部材の動作を前記可動ステージの上下方向の動作に変換するクサビ型動作変換機構と、前記基台ステージ上に装備され前記可動ステージが上下動するのを案内する上下動案内機構とを備えた構成とし、
   前記可動ステージを保持する保持部材を、前記往復移動部材の両側面にそれぞれ配置すると共に、
   前記クサビ型動作変換機構を、前記往復移動部材の両側面と前記各保持部材の内壁面との間に、それぞれ設置したことを特徴とするステージ装置。
2. 請求項１に記載のステージ装置において、
   前記往復移動部材に往復動作を付勢する駆動ねじ機構を、前記往復移動部材の移動方向に沿って前記基台ステージの中央部に設置し、
   この駆動ねじ機構が備えている駆動ねじのヘッド部を回転自在に係合すると共に当該駆動ねじの中心線に沿った移動量を前記往復移動部材に伝達する連結部材を、前記往復移動部材の前端部に固着装備したことを特徴とするステージ装置。
3. 請求項２に記載のステージ装置において、
   前記駆動ねじ機構を、
   前記基台ステージの前端面中央部に形成されたねじ穴と、このねじ穴に螺合されて機能する駆動ねじと、前記ねじ穴内の開口端部に装備され前記駆動ねじの回転移動時におけるバックラッシュを吸収する樹脂製のバックラッシュ吸収部材とを備えて構成したことを特徴とするステージ装置。
4. 請求項１乃至３の何れか一つに記載のステージ装置において、
   前記クサビ型動作変換機構を、
   前記往復移動部材の両側面に，当該往復移動部材の前面側から当該往復移動部材の背面側に向けて傾斜するように各別に固着装備された直線状の斜め平行ガイドキーと、この各斜め平行ガイドキーに対向して前記各保持部材の内壁面にそれぞれ形成され且つ対応する前記各斜め平行ガイドキーに摺動自在に係合する保持部材側斜め溝部とを、それぞれ備えて構成したことを特徴とするステージ装置。
5. 請求項１乃至３の何れか一つに記載のステージ装置において、
   前記クサビ型動作変換機構を、
   前記往復移動部材の両側面に，当該往復移動部材の前面側から当該往復移動部材の背面側に向けて傾斜するように各別に形成された移動部材側斜め溝部と、
   この各移動部材側斜め溝部に対向して前記各保持部材の内壁面の同位置に形成された保持部材側斜め溝部と、前記移動部材側斜め溝部内に固定装備され且つ対応する前記保持部材側斜め溝部に摺動自在に係合する斜め平行ガイドキーとを、それぞれ備えて構成したことを特徴とするステージ装置。
6. 請求項４又は５に記載のステージ装置において、
   前記斜め平行ガイドキー及びこれに係合する各斜め溝部の各傾斜角度を、前記基台ステージの上面に対して１０°前後の一定値に設定したことを特徴とするステージ装置。
7. 請求項１乃至５の何れか一つに記載のステージ装置において、
   前記各上下動案内機構を、前記各保持部材毎にそれぞれ設置すると共に、
   この各上下動案内機構を、下端部が前記基台ステージに固定されたガイド支柱と、このガイド支柱に係合して前記各保持部材の上下動作を案内する当該各保持部材に形成された被ガイド用貫通穴とにより構成したことを特徴とするステージ装置。
8. 請求項１乃至７の何れか一つに記載のステージ装置において、
   前記往復移動部材が前記基台ステージとの係合状態を維持しつつ前記基台ステージ上を滑り接触の状態で摺動自在に移動するのを許容する移動部材用摺動保持機構を、前記基台ステージに装備したことを特徴とするステージ装置。
9. 請求項１乃至７の何れか一つに記載のステージ装置において、
   前記移動部材用摺動保持機構を、前記基台ステージの左右二箇所にそれぞれ設置すると共に、
   この各移動部材用摺動保持機構を、
   前記往復移動部材の底面の左右両側部分にそれぞれ設けられ連結用ネジ穴と、この連結用ネジ穴に対応して前記基台ステージに設けられた摺動連結用の貫通長穴と、前記基台ステージの底面側で前記貫通長穴の周囲に予め設けられた座ぐり長穴と、この座ぐり長穴に係合する座がね及びヘッド部を有し且つ前記基台ステージ側の貫通長穴を介して往復移動部材側の前記各連結用ネジ穴に螺合して成る係合移動ねじとを備えた構成とし、
   前記基台ステージ側の前記貫通長穴および座ぐり長穴を、前記往復移動部材の往復移動の方向およびその許容範囲に対応した長穴としたことを特徴とするステージ装置。

Images