JP6220149B2 - 移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、精密加工装置、精密測定装置あるいは半導体露光装置などで用いる直線運動ステージを駆動する移動装置に関するものである。

従来、切削や研削のような機械的な加工を行う加工装置や、種々の測定を行う測定装置には加工、測定の対象物や工具を移動させるために直線運動ステージが用いられている。特に精密加工装置や精密測定装置においては、高精度な加工や測定を行うために、直線運動ステージには高い運動精度が求められている。

このような直線運動ステージの駆動機構として、送りねじ機構が採用されている。送りねじ機構は、回転モータによって送りねじ軸を回動し、送りねじ軸に螺合した送りナットが送りねじ軸の軸心に沿って運動することに伴って、ナットに結合された移動体を移動させるものである。

しかしながら、送りねじ機構によって駆動される移動装置において、ナノメートル単位の運動精度を得ることは困難である。これは、組付誤差による移動体の案内面と送りねじ軸の軸心の平行ずれ、送りねじ軸の曲がりや振れ回り、送りねじ軸と送りナットの螺合部のばらつき、移動体の案内の剛性不足により、送りナットの運動が必ずしも理想的な直線運動とはならないためである。

送りナットの運動は直線運動のみならず、送りねじ軸の軸心に直交する面内での上下左右２方向への位置変動および互いに直交する３平面の各面内での姿勢変動を伴っている。こうした送りナットの送りねじ軸の軸心方向以外への位置変動と姿勢変動が移動体に伝達されることで、直線運動ステージの運動精度が悪化する。以下、この送りナットの互いに直交する３平面の各面内での姿勢変動をそれぞれローリング、ピッチング、ヨーイングと呼称する。

このような問題を解決するために、従来様々な対策が取られており、中でも流体静圧継手が代表的である。すなわち、送りナットと移動体の間に流体静圧軸受を形成し、送りナットの送りねじ軸の軸心方向以外への位置変動と姿勢変動の伝達を遮断、吸収する継手機構である。

例えば、特開平０８−１１８１８７号公報（特許文献１）は、移動体に固着した従動部材を送りナットの前後に配し、従動部材と送りナットの間に流体静圧軸受を形成する構成である。しかも、送りナットの送りねじ軸回りの回動を規制する案内を移動体と独立に設ける構成としている。この構成によれば、送りねじ軸の軸心方向以外の２方向への位置変動と、ローリングの姿勢変動の遮断と、ピッチングの姿勢変動の抑制が可能である。

特開平０８−１１８１８７号公報

しかしながら、従来の構成では送りねじ軸の軸心方向以外の２方向の位置変動と３方向の姿勢変動の全てを遮断、吸収することは困難である。特許文献１では、送りナットの回動を規制する案内の剛性によって送りナットのピッチングの姿勢変動の発生を抑制する構成となっている。案内の剛性如何ではピッチングの姿勢変動の発生を抑制しきれず、送りナットの前後に形成された流体静圧軸受を介して姿勢変動が移動体に伝達してしまう。また、ヨーイングの姿勢変動は抑制することができない。

以上の事から、本発明は、送りねじ機構によって駆動される移動装置において、送りナットの送りねじ軸の軸心方向の運動を伝達し、送りねじ軸の軸心方向以外への全ての位置変動と姿勢変動の伝達を遮断し得る継手機構を提供することを課題とする。

本発明の移動装置は、送りねじ軸の回動によって、送りナットを送りねじ軸の軸心に沿って移動させることによって、移動体を移動させる移動装置であって、前記送りナットの移動方向の面と、前記移動体の従動部を対向配置し、前記面は、複数のポケットを有し、前記複数のポケットには、共通の減圧手段を介した流体が供給されることを特徴とする。

本発明によれば、送りナットの送りねじ軸の軸心方向の運動を伝達し、送りねじ軸の軸心方向以外への全ての位置変動と姿勢変動の伝達を遮断、吸収することが可能である。すなわち、送りねじ軸の回動によって生じる推力が送りナット前後の流体静圧軸受に作用すると、送りナットと従動部材の隙間すなわち流体静圧軸受の軸受隙間が均等に変化する。この時、減圧手段の作用によりポケット内の圧力が変化することで、推力と前記流体静圧軸受の負荷容量が平衡する。

これにより、送りナットのねじ軸の軸心方向の運動を移動体に伝達することが可能である。送りナットが送りねじ軸の軸心方向以外への位置変動を生じても、移動体の案内面と流体静圧軸受が略直角であることで、送りナットのねじ軸の軸心方向以外への位置変動の移動体への伝達を吸収することができる。しかも、移動体と独立に設けられた直線摺動部によって送りナットを摺動自在に支持しているため、送りナットのローリング方向の姿勢変動の移動体への伝達を遮断することができる。また、共通の減圧手段の作用により、軸受隙間の偏りに対して流体静圧軸受はほとんどモーメントを発生しないため、送りナットのピッチング方向またはヨーイング方向の姿勢変動を吸収することができる。

また、共通の減圧手段の間において各ポケットに個別の減圧手段を設けることで、並進剛性とモーメント剛性を略独立に設定することが可能となる。共通の減圧手段の間において各ポケットに個別の減圧手段を設けない場合、送りナットの姿勢変動に対して流体静圧軸受はほとんどモーメントを発生しない。この時、送りナットの姿勢変動が流体静圧軸受の当初の軸受隙間を上回る場合、送りナットと従動部材の衝突が発生する可能性がある。このため、共通の減圧手段の間において各ポケットに個別の減圧手段を設けることで送りナットの姿勢変動を吸収しながらも、送りナットと前記従動部材との衝突を回避することが可能な流体静圧軸受の並進剛性とモーメント剛性を設定することができる。

本発明の実施の形態に係わる移動装置の全体概略図である。 本発明の実施の形態に係わる移動装置の部分断面図である。 図２のＡ−Ａ矢視線における移動装置の断面図である。 図２のＢ−Ｂ矢視線に沿って見た流体静圧軸受のポケット９ａ〜９ｄまたは２０ａ〜２０ｄの形状を示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係わる並進剛性のシミュレーション結果を示すグラフである。（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係わるモーメント剛性のシミュレーション結果を示すグラフである。 従来例による流体静圧軸受を用いた場合の移動装置の部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる移動装置の部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わるシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）〜（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係わるポケットの形状の例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係わるポケットの形状の例を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係わる流体供給系の例を示す図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係わる移動装置の全体概略図、図２は本発明の実施形態に係わる移動装置の部分断面図である。また、図３は図２のＡ−Ａ矢視線における移動装置の断面図、図４は図２のＢ−Ｂ矢視線に沿って見た流体静圧軸受のポケット９ａ〜９ｄおよび２０ａ〜２０ｄの形状を示す図である。

本発明の各実施形態の概略を図１に基づいて説明する。本発明の実施形態としての駆動部を内蔵するステージ２２は、案内部１０、移動体３、不図示の駆動部によって構成されている。移動体３が案内部１０の周囲を取り囲む形状となっており、案内部１０の側面である外側案内面１３によって移動体３の直線運動が案内されている。また、駆動部は、案内部１０の内部に格納されている。

次に、図２を参照して本発明の各実施形態に係わる移動装置（駆動部に相当）について説明する。移動装置は、不図示の回転モータを駆動源とした回動要素としての送りねじ軸１と、送りねじ軸１に螺合した直動要素としての送りナット２を基本構造要素として有している。送りねじ軸１および送りナット２は、移動体３を送り動作対象として、矢印Ｌで示す送りねじ軸の軸心方向に送り動作するように設けられる。実施形態においては、送りねじ軸１および送りナット２の螺合部に略球形の転動体を有するボールねじを用いている。なお、送りねじ軸１および送りナット２として、ボールねじの代わりに静圧ねじ、または、すべりねじを使用することもできる。

図２に基づいて送りナット２の周辺に配置された機構について説明する。移動体３は従動部４を有している。従動部４は送りねじ軸の軸心方向（送りナットの移動方向）について、送りナット２の前面５、後面１２を挟むように配されている。つまり、送りナットの移動方向の面と、前記移動体の従動部を対向配置する。図２において、送りナットは、紙面左右どちらにも移動可能である。ここでは、送りナットの移動方向の面を前面５、後面１２としたが、後面１２が前面、前面５が後面であってもよい。従動部４と送りナット２の前面５は隙間８をおいて近接しており、送りナット２の前面５に設けられたポケット９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ（９ｃ、９ｄは不図示）から隙間８に流体を供給することで、流体静圧軸受を形成している。

また、従動部４と送りナット２の後面１２も隙間８をおいて近接しており、送りナット２の後面１２に設けられたポケット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ（２０ｃ、２０ｄは不図示）から隙間８に流体を供給することで、流体静圧軸受を形成している。すなわち、送りナット２が従動部４に荷重を伝達する方向（送りナット２の送りねじ軸による移動方向（送りねじ軸の軸心方向））の前面５および後面１２で、対向する流体静圧軸受によって支持されている。

ここで、従動部４の内面１５は、移動体３を案内する案内部１０の外側案内面１３と直交する方向に配置され、送りナット２には、送りねじ軸の軸心方向と直交する方向に流体静圧軸受が形成されている。流体静圧軸受は、軸受面に関する法線方向（ねじ軸の軸心方向）にのみ荷重を伝達する。この実施の形態の構成を取ることにより、送りナット２が従動部４に荷重を伝達する方向（送りナット２の送りねじ軸による移動方向（送りねじ軸の軸心方向））の前面５および後面１２を支持する流体静圧軸受は、送りねじ軸の軸心方向にのみ荷重を伝達する。

図４に、送りナット２の前面５に設けられたポケット９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ（９ｃ、９ｄは不図示）または送りナット２の後面１２に設けられたポケット２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ（２０ｃ、２０ｄは不図示）の形状を示す。図４に示すように、送りナット２の前面５に設けられたポケット９ａ〜９ｄ、後面１２に設けられたポケット２０ａ〜２０ｄは、ねじ軸の軸心の同心円周上で送りねじ軸１を取り囲むよう等配されている。また、ポケット９ａ〜９ｄには、供給孔３２ａ〜３２ｄがあけられ、ポケット２０ａ〜２０にｄは、供給孔３３ａ〜３３ｄがあけられている。
供給孔３２ａ〜３２ｄからは、図２に示すように、共通の減圧手段である共通絞り７を介して流体が供給される。また、供給孔３３ａ〜３３ｄからは、共通の減圧手段である共通絞り１９を介して流体が供給される。共通の減圧手段から流体が供給されるポケットを有していると、たとえ軸受隙間が異なっていても、ポケット間での圧力差を生じないよう動作する。したがって、各実施形態の構成により、隙間８の偏りに対して、同一の軸受面に配置されたポケットから供給される流体による圧力は、各ポケット間で圧力差を生じさせることがなく、従来例による流体静圧軸受に比してモーメント剛性を低くすることが可能である。

ここで、図３に基づいて送りナット２および移動体３の案内機構について説明する。送りナット２の動きを規制するため、特に送りねじ軸の軸心回りの回動を規制するため、案内部１０が配置されている。そして、案内部１０は送りナット２の側面に設けられた面（流体静圧軸受面）１７に対向する面（内側案内面）１１を有する。送りナット２に設けた流体静圧軸受面１７を案内部１０の内側案内面１１と内側隙間２３をおいて近接させ、流体静圧軸受面１７に設けられた内側ポケット２４から内側案内面１１との間の内側隙間２３に流体を供給することで流体静圧軸受を形成し、案内部１０を支持している。

また、内側ポケット２４には、減圧手段として内側絞り２５がそれぞれ設けられており、内側絞り２５を介して内側ポケット２４に流体が供給される。送りねじ軸１の回動に連動して送りナット２が回動しようとすると、内側隙間２３が変化し、内側絞り２５の作用によって内側ポケット２４の圧力が変化する。これにより、送りナット２を回動させるモーメントと流体静圧軸受面１７の負荷容量とが平衡し、送りナット２の送り軸心回りの回動が規制される。しかも、流体静圧軸受面１７によって非接触に支持されているため、送りナット２は送りねじ軸の軸心方向に摺動自在である。

また、案内部１０は、移動体３の内面と対向する面を有し、移動体３は、前記内面と対向する面との間に流体を供給することによって前記案内部を支持する。具体的には、移動体３の送りねじ軸の軸心方向への直線運動を案内するために、移動体３に流体静圧軸受面１４を設けている。流体静圧軸受面１４は案内部１０の外側案内面１３と外側隙間２６を介して近接しており、流体静圧軸受面１４に設けられた外側ポケット２７から外側隙間２６に流体を供給することで流体静圧軸受を形成し、前記案内部１０を支持している。また、外側ポケット２７には、減圧手段として外側絞り２８がそれぞれ設けられており、外側絞り２８を介して外側ポケット２７に流体が供給される。流体静圧軸受面１４は互いに対向するように移動体３の左右両側に設けられている。

対向する流体静圧軸受面１４は互いの負荷容量が平衡しているから、流体静圧軸受面に対して外力が作用しない限り、移動体３が送りねじ軸の軸心方向に直線運動する時、外側隙間２６は一定に保たれる。移動体３に左右方向の外力が作用する場合、外側隙間２６が変化し、外側絞り２８の作用によって外側ポケット２７の圧力が変化することで、左右方向の外力と流体静圧軸受面１４の負荷容量が平衡する。したがって、移動体３に左右方向の外力が作用する時、移動体３の送りねじ軸の軸心方向の直線運動の精度は流体静圧軸受面１４の並進剛性とモーメント剛性に依存する。

また、移動体３の自重を支持し、移動体３の送りねじ軸の軸心方向への直線運動を案内するために、移動体３の下面には流体静圧軸受面１６が設けられている。流体静圧軸受面１６は土台１８と下部隙間２９を介して近接しており、流体静圧軸受面１６に設けられた下部ポケット３０から下部隙間２９に流体を供給することで流体静圧軸受を形成している。

また、下部ポケット３０には減圧手段として下部絞り３１がそれぞれ設けられており、下部絞り３１を介して下部ポケット３０に流体が供給される。流体静圧軸受面１６の負荷容量と移動体３の自重が平衡しているため、移動体３に上下方向の外力が作用しない限り、移動体３が送りねじ軸の軸心方向に直線運動する時、下部隙間２９は一定に保たれる。移動体３に上下方向の外力が作用する場合、下部隙間２９が変化し、下部絞り３１の作用によって下部ポケット３０の圧力が変化することで、上下方向の外力と流体静圧軸受面１６の負荷容量が平衡する。したがって、移動体３に上下方向の外力が作用する時、移動体３の送りねじ軸の軸心方向の直線運動の精度は流体静圧軸受面１６の並進剛性とモーメント剛性に依存する。なお、移動体３または土台１８に錘または磁石を設けるなどして流体静圧軸受面１６に予圧を作用させても良い。

なお、上述の実施形態における流体静圧軸受の作動流体としては、圧力油、圧力液体、圧縮空気のいずれも用いることができる。

［第１の実施形態］
上述の実施の形態の効果を確認するために流体静圧軸受の並進剛性とモーメント剛性のシミュレーションを行った。ポケット９ａ〜９ｄまたは２０ａ〜２０ｄは、各ポケットの面積を８００[ｍｍ^２]とし、直径４８[ｍｍ]の円周上に等配した。ポケット深さを１[ｍｍ]、軸受隙間を１０[μｍ]、供給圧力を１．４[ＭＰａ]とした。送りナット２の送り移動を精度良く移動体３に伝達するために、ポケット９ａ〜９ｄまたは２０ａ〜２０ｄによって構成される流体静圧軸受は高い並進剛性を有しているべきであり、ここでは２００[Ｎ／μｍ]程度を目標とした。

シミュレーション結果を図５（ａ）および（ｂ）に示す。共通絞り７および１９を変化させ、送りナット２の前面５および送りナット２の後面１２の流体静圧軸受の合成として並進剛性とモーメント剛性を求めたものである。比較のため、図６に示したような従来手法による流体静圧軸受を送りナット２の前面５および送りナット２の後面１２に配した場合のシミュレーション結果を併記している。ここで、従来例による流体静圧軸受とは、同一の軸受面を構成する複数ポケットに対して、それぞれ個別の絞りを介して流体を供給するものである。

シミュレーション結果より、それぞれ同程度の並進剛性をもつ時、第１の実施形態を取る場合、モーメント剛性は従来例に比して１／１０倍程度となっており、本発明の効果が確認できる。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる移動装置の部分断面図である。図７を参照しながら本実施形態を説明する。第２の実施形態では、送りナット２の前面５に設けられたポケット９ａ〜９ｄと、ポケット９ａ〜９ｄに流体を供給する共通絞り７の間に、各ポケットに個別の減圧手段である個別絞り６ａ〜６ｄがそれぞれ設けられている。また、送りナット２の後面１２に設けられたポケット２０ａ〜２０ｄと、ポケット２０ａ〜２０ｄに流体を供給する共通絞り１９の間に、各ポケットに個別の減圧手段である個別絞り２１ａ〜２１ｄがそれぞれ設けられている。

上記実施形態の効果を確認するために流体静圧軸受のモーメント剛性のシミュレーションを行った。共通絞り７および１９の絞り抵抗Ｒ_０を６．４×１０^１０に固定し、個別絞り６ａ〜６ｄおよび２１ａ〜２１ｄの絞り抵抗Ｒ_１を変化させ、並進剛性とモーメント剛性を求めた。シミュレーション結果を図８に示す。

シミュレーション結果より、個別絞り６ａ〜６ｄおよび２１ａ〜２１ｄの絞り抵抗Ｒ_１を変化させることで、並進剛性を大きく変化させることなくモーメント剛性を変化させることができるとわかる。したがって、送りナット２の姿勢変動を伝達することなく、送りナット２と従動部材４を衝突させないモーメント剛性を並進剛性と略独立に設定することが可能である。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係わる移動装置の送りナット２の前面５または送りナット２の後面１２に設けるポケットの形状例を図９および図１０に示す。ポケット９ａ〜９ｆの形状は、多角形ポケットを送りねじ軸１を取り囲むよう等配しても良い。また、ポケット９ａ〜９ｆの個数は、複数のポケットであれば同様の効果をなすことが可能である。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係わる移動装置の流体供給系を図１１に示す。同一の軸受面を構成するポケット９ａ〜９ｄのうち、送りねじ軸１について軸対称の位置に配置されたポケットの組において共通絞り３４ａまたは３４ｂを設けても良い。

１． 送りねじ軸
２． 送りナット
３． 移動体
４． 従動部材
５． 送りナット前面
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ． 個別絞り
７． 共通絞り
８． 隙間
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ． ポケット
１０． 案内部
１１． 内側案内面
１２． 送りナット後面
１３． 外側案内面
１４． 流体静圧軸受面
１５． 従動部材内面
１６． 流体静圧軸受面
１７． 流体静圧軸受面
１８． 土台
１９． 共通絞り
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ． ポケット
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ． 個別絞り
２２． ステージ
２３． 内側隙間
２４． 内側ポケット
２５． 内側絞り
２６． 外側隙間
２７． 外側ポケット
２８． 外側絞り
２９． 下部隙間
３０． 下部ポケット
３１． 下部絞り
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ． 供給孔
３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ． 供給孔
３４ａ，３４ｂ． 共通絞り
Ｌ 送りねじ軸の軸心方向

Claims (7)

1. 送りねじ軸の回動によって、送りナットを送りねじ軸の軸心に沿って移動させることによって、移動体を移動させる移動装置であって、
   前記送りナットの第一の移動方向の第一の面と、前記移動体の第一の従動部を対向配置し、
   前記送りナットの第二の移動方向の第二の面と、前記移動体の第二の従動部を対向配置し、
   前記第一の面は、複数のポケットを有し、該第一の面の複数のポケットには、共通の第一の減圧手段を介した流体が供給され、
   前記第二の面は、複数のポケットを有し、該第二の面の複数のポケットには、前記共通の第一の減圧手段とは異なる共通の第二の減圧手段を介した流体が供給されることを特徴とする移動装置。
2. 前記第一の面の複数のポケットと前記共通の第一の減圧手段の間に、前記第一の面の複数のポケットそれぞれに個別の減圧手段を有する請求項１に記載の移動装置。
3. 前記第一の面の複数のポケットは、前記送りねじ軸の周囲に等配に設けられている請求項１または２に記載の移動装置。
4. 前記第一の面の複数のポケットのうち、軸対称の位置に配置されたポケットに、前記共通の第一の減圧手段を介した流体が供給されることを特徴とする請求項３に記載の移動装置。
5. 前記送りナットの動きを規制する案内部を有し、該案内部は、前記送りナットの側面に対向する面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の移動装置。
6. 前記送りナットは、前記送りナットの側面に対向する面との間に流体を供給することによって前記案内部を支持することを特徴とする請求項５に記載の移動装置。
7. 前記案内部は、前記移動体の内面と対向する面を有し、
   前記移動体は、前記内面と対向する面との間に流体を供給することによって前記案内部を支持することを特徴とする請求項６に記載の移動装置。

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