JPH08145142A

JPH08145142A - ステージ

Info

Publication number: JPH08145142A
Application number: JP28939894A
Authority: JP
Inventors: Jun Hane; 潤羽根
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【目的】可動部の目標位置や負荷の変化に対して、つ
り合いの位置を調整することで、数１０ｍｍ以上の動作
範囲内で負荷の影響のないステージを提供する。【構成】可動部４の可動方向に対して一定方向にかか
る負荷を低減するバネ１０からなる負荷低減部を可動部
４に設ける。可動部４の可動方向に負荷低減部を移動さ
せるつり合い位置調整部を設ける。つり合い位置調整部
は駆動部５、ガイド６、制御部７、ナット部８、梃子９
とで構成し、梃子９を、ナット部８を介して駆動部５に
よりバネ１０が伸縮するように移動するとで、可動部４
の可動方向にかかる負荷を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動方向に平行な成分
を持つ負荷がかかる可動部に対して、その負荷を低減す
る機構を持つ位置決め機構・フォーカシング機構・トラ
ッキング機構に用いるステージに係り、特に可動部に作
用する重力を負荷とするＺステージや軸の傾いたステー
ジにおいて有効なステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３に従来技術の可動部の駆動機構の例
を示す。駆動機構は、上面に傾斜面を形成したベース２
５と、ベース２５の傾斜面の上部に固定されたモータか
らなる駆動部２１と、駆動部２１に連結されベース２５
の傾斜面に対して平行に配置されたボールネジからなる
ガイド２２と、ガイド２２に螺合するナット部を有する
可動部２３と、一端がベース２５に固定され他端が可動
部２３に固定されたバネ２４とから構成されている。ガ
イド２２は、駆動部２１の駆動力を伝達して可動部２３
を動かす。ここで、バネ２４により、重力による下向き
の力の斜面方向成分とバネ２４の力とのつり合いの位置
の近傍で駆動部２１への負荷が駆動方向に拘らずほぼゼ
ロになる。これにより、バネ２４がない場合に比べて駆
動部２１にかかる負荷を低減できる。また、同じ仕様な
らば、駆動部２１の駆動力、またはトルクに関しても、
微調の際と最大加速の際とで必要なダイナミックレンジ
を小さくできる。このような駆動機構は、フォーカシン
グのためのＺステージや、動作方向が鉛直方向成分を含
むＺ軸ステージの位置決め・トラッキングにも用いられ
る。

【０００３】図４は、特開平３−２５５９０７号公報に
記載された可動部２６とその支持部であるバネ２７から
構成される形状測定用のプローブを表しており、可動部
２６をバネ２７からなる支持部材で重力の作用方向に支
持することで、可動部２６に取り付けた針２８が被測定
物２９に接触する際、バネ２７が一定量だけたわんで、
極めて軽い一定の接触圧で針２８が被測定物２９の表面
を走査する構成となっおり、可動部２６はリニアモータ
からなる駆動部３０で上下方向に移動可能に構成されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記バネ２４，２７か
らなる負荷低減部を持つ従来のステージ機構では、可動
部２３，２６に作用する負荷と負荷低減部が発生させる
力とのつり合いの位置から外れると、通常、そのずれ量
に応じてつり合いの位置に近づこうとする力が発生する
ため、位置決め・フォーカシング・トラッキングの精度
を劣化させる。すなわち、駆動部２１，３０は合力を打
ち消す大きな力と微妙な位置調整をする小さな力の２つ
を組み合わせて発生させる必要があるが、大きい力が働
く中で力を微妙に変動させて位置調整することは難し
い。そして、負荷と負荷低減部が発生させる力の合力
は、つり合いの位置の近傍から外れると、可動部２３，
２６の駆動に影響を及ぼすほど大きくなる機構が多い。
このような場合、可動部２３，２６を移動する目標位置
の変化や荷重の変化に対してステージの精度が保たれな
い。また、傾きの変化するステージについても同様であ
る。

【０００５】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたもので、目標位置や負荷の変化に対して、つり
合いの位置を調整することで、数１０ｍｍ以上の動作範
囲内で負荷の影響のないステージを提供することを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の請求項１では、可動方向の一定方向に負荷
のかかる可動部と、この可動部の可動範囲のある点で無
負荷となり、その点の近傍の限定された範囲において負
荷を低減するために設けられた負荷低減部とを有するス
テージにおいて、前記可動部の可動方向に前記負荷低減
部を移動させるつり合い位置調整部と、このつり合い調
整部を動かすための制御部を設けて構成した。

【０００７】請求項２では、可動方向の一定方向に負荷
のかかる可動部と、この可動部の可動範囲のある点で無
負荷となり、その点の近傍の限定された範囲において負
荷を低減するために設けられた負荷低減部とを有するス
テージにおいて、前記可動部または前記負荷低減部に力
を作用させるつり合い位置調整部を設けて構成した。

【０００８】請求項３では、請求項２にあって、つり合
い位置調整部が負荷低減部を兼ねるように構成した。

【０００９】すなわち、本発明では、動作範囲内で負荷
と負荷低減部の影響を受けなくするために、負荷と負荷
低減部のつり合いの位置を変化させる調整部を設ける。
そのつり合い位置を変化させる調整部として、負荷低減
部の位置調整機構と、負荷または負荷調整部の少なくと
も一方に力を与える機構の２つが考えられ、つり合い位
置を変化させる調整部として負荷低減部の位置調整機構
を設けて請求項１の発明を構成し、つり合い位置を変化
させる調整部として負荷または負荷調整部の少なくとも
一方に力を与える機構を設けて請求項２の発明を構成す
ることとした。そして、請求項２の構成において、負荷
低減部がつり合い調整部を兼ねるように請求項３の発明
を構成した。

【００１０】

【作用】請求項１の構成にあっては、ステージ機構の可
動部の現在位置もしくは目標位置に合わせて、負荷と負
荷低減部が発生させる力のつり合いの位置を負荷低減部
を動かして調整することで、可動部にかかる負荷の影響
をステージの動作範囲内で打ち消すように働く。

【００１１】請求項２の構成にあっては、ステージ機構
の可動部の現在位置もしくは目標位置に合わせて、負荷
と負荷低減部が発生させる力のつり合いの位置を、負荷
または負荷調節部の少なくとも一方に力を与えて調整す
ることで、可動部にかかる負荷の影響を動作範囲内で打
ち消すように働く。

【００１２】請求項３の構成にあっては、ステージ機構
の可動部の現在位置もしくは目標位置に合わせて、負荷
と負荷低減部が発生させる力のつり合いの位置を、負荷
低減部を用いて負荷または負荷調節部の少なくとも一方
に力を与えて調整することで、可動部にかかる負荷の影
響をステージの動作範囲内で打ち消すように働く。

【００１３】

【実施例１】図１は本発明の実施例１のステージを示す
正面図で、以下、図１を用いて本発明の実施例１を説明
する。本実施例は、請求項１に対応している。図におい
て１は、基端平面部１ａとこの基端平面部１ａの端部に
形成した立設部１ｂからなるＬ字型のベースで、このベ
ース１の基端平面部１ａ上には、モータからなる駆動部
２が固定されている。駆動部２には、リードネジからな
るガイド３が鉛直方向に連結されており、このガイド３
には、ガイド３に螺合するナット部を有してガイド３上
を上下方向に動く可動部４が取り付けられている。

【００１４】前記ベース１の立設部１ｂ上部には、モー
タからなる駆動部５が固定されており、この駆動部５に
は、リードネジからなるガイド６が鉛直方向に連結され
ている。さらに、この駆動部５には、駆動部５の回転動
を制御する制御部７が接続されており、制御部７は前記
立設部１ｂに固定されている。前記ガイド６には、ガイ
ド６に螺合するネジを持ち、駆動部５の回転動に合わせ
て上下動するナット部８が取り付けられている。

【００１５】９は、点ａを支点として端部において可動
自在に連結された２本の棒材９ａ，９ｂからなる梃子
で、棒材９ａの他端はベース１の立設部１ｂ上部に水平
に固定されており、棒材９ｂ（以下、可動棒材９ｂとい
う）の他端は前記ナット部８に摺動可能に連結されてい
る。すなわち、可動棒材９ｂの前記他端には、ナット部
８に設けた係止部材８ａがガタなく長手方向へ摺動自在
に嵌合される長穴９ｃが形成されており、ナット部８が
上下動されるとき、可動棒材９ｂが支点ａを中心にして
傾動するようになっている。この可動棒材９ｂにはバネ
１０の上端が取り付けられており、このバネ１０の下端
は前記可動部４に取り付けられている。

【００１６】駆動部２、駆動部５で発生した駆動力がそ
れぞれガイド３、ガイド６を回転させ、可動部４および
ナット部８をそれぞれガイド３およびガイド６に沿って
動かす。ナット部８が上下動することで、梃子９の可動
棒材９ｂに取り付けられたバネ１０の上端も上下動す
る。この構成の中で、バネ１０が負荷低減部であり、駆
動部５、ガイド６、制御部７、ナット部８、梃子９で負
荷低減部を移動させるつり合い位置調整部が構成され
る。この構成においてバネ１０の発生させる弾性力はそ
のバネの長さと１対１に対応し、その関係は既知とす
る。さらに、ナット部８の位置とバネ１０の長さが分か
っているときに、可動部４の位置も算出できるものとす
る。

【００１７】次に、上記構成からなる本実施例のステー
ジの作用を説明する。バネ１０の弾性力を利用して、可
動部４に下向きに作用する重力を打ち消す。バネ１０が
発生させる弾性力は通常、そのバネ１０の長さと１対１
に対応するため、可動部４にかかる重力を打ち消せるバ
ネ１０の長さは１つしかない。任意の位置で重力とバネ
の発生させる力がつり合うようにバネ１０の長さを調整
するため、制御部７が可動部４の位置をもとに梃子９の
可動棒材９ｂの目標位置を計算し、駆動部５を制御して
その目標位置へ持っていく。可動部４の重さが一定の場
合にはバネ１０の長さも一定でよい。しかし、可動部４
に載るセンサヘッドの交換などにより負荷が変化するな
らば、可動部４の重さとつり合う弾性力をバネ１０が発
生し得るバネ４の長さを制御部７で可動部４の目標位置
に合った梃子９の位置を計算して調整するか、駆動部２
を駆動するのに必要な電力の変化をモニタして駆動部２
の駆動に必要な電力が大きくなりすぎないように、例え
ば、電力が最小に近くなるように、バネ１０の長さを調
整する。

【００１８】バネ１０を直接駆動系で上下させることに
より梃子９は必ずしも必要ではないが、支点ａに対して
ガイド６よりバネ１０の取り付け位置の方を近く設定す
ることで、梃子９の作用により駆動部５にかかる負荷を
抑えることができることと、ナット部８の移動量に対し
てバネ１０の上端の送り量を小さくできるので、つり合
いの位置調整が高精度にできるという２つの利点があ
る。

【００１９】本実施例によれば、駆動部５、ガイド６、
制御部７、ナット部８、梃子９からなるつり合い位置調
整部は、バネやゴムなどの長さの変化によって発生力
（弾性力）の変化を生じる部材を負荷低減部として用い
た駆動機構において、負荷や目標位置の変化に対応した
負荷低減機能を働かせることができる。その結果、方向
転換による負荷の変動がほぼ無くなり、制御性が向上す
る他、微妙な出力調整のできる駆動部を採用できる。通
常、微妙な出力調整のできる駆動部は最大駆動力もそれ
に応じて小さいが、負荷がほぼ無いことでその採用が可
能となり、その性能も十分に発揮できる。可動部に光デ
ィスクのピックアップや磁気ディスクのヘッドなどを取
り付けることで広範囲にわたって精度の良い位置決め・
フォーカシング・トラッキングが可能となる。

【００２０】

【実施例２】図２は本発明の実施例２のステージを示す
正面図で、以下、図２を用いて本発明の実施例２を説明
する。本実施例は、請求項２，３に対応しており、磁力
によりつり合いの位置を変化させる調整部を設けた場合
を例示している。

【００２１】図において１７は、上面に傾斜面１７ａ
（図においては左下がりの斜面を表している）を有する
ベースで、傾斜面１７ａの右側上面にはモータからなる
駆動部１１が固定されている。駆動部１１には、リード
ネジからなるガイド１２が連結されており、前記駆動部
１１はガイド１２が傾斜面に平行で、最大斜度になる方
向にベース１７に取り付けられている。ガイド１２に
は、ガイド１２に嵌合するナット部を有してガイド１２
上を傾斜面に平行に動く可動部１３が取り付けられてお
り、駆動部１１で発生した回転駆動力をガイド１２を介
し可動部１３に対して直線方向の駆動力にして伝達し、
可動部１３をガイド１２に沿って動かすようになってい
る。可動部１３には磁石１４が取り付けられており、ま
た、駆動部１１を挟むように傾斜面１７ａの左側上面お
よび右側上面に磁石１５および磁石１６が固定されてい
る。前記磁石１４、磁石１５、磁石１６はそれぞれガイ
ド１２に平行に働くように配置され、この３つの磁石１
４，１５，１６で負荷低減部とつり合い位置調整部が構
成されるようになっている。

【００２２】前記３つの磁石１４，１５，１６が負荷低
減部とつり合い位置調整部を構成する際に、どのように
配分されるかは対応する本発明の請求項の構成により、
下記のように変化する。すなわち、請求項２にあって
は、磁石１４の左側と磁石１５で負荷低減部が構成さ
れ、磁石１４の右側と磁石１６でつり合い位置調整部が
構成される。また、請求項３にあっては、磁石１４、磁
石１５、磁石１６の全てで負荷低減部が構成され、磁石
１４の右側と磁石１６でつり合い位置調整部が構成され
る。

【００２３】前記負荷低減部とつり合い位置調整部の構
成にあって、磁石１４、磁石１５、磁石１６がそれぞれ
向き合った面、すなわち、磁石１５の右側と磁石１４の
左側の組合せと磁石１４の右側と磁石１６の左側の組合
せは、基本的には反発力を発生させるようにそれぞれ同
極の組合せになるように配置する。そして、この磁石１
４と磁石１５および磁石１４と磁石１６間に生ずる反発
力と可動部１３にかかる負荷のつり合う位置で、可動部
１３に作用する力の可動方向成分が０となる。特に、請
求項３の構成にあっては、磁石１４の右側と磁石１６の
間には負荷低減用として一定の大きさの磁力をオフセッ
トとして与え、つり合い位置調整用の力をそれに加え
る。（この場合、後述するように、磁石間の距離を変え
ることも含む。）

【００２４】ただし、磁石１４，１５，１６の極性の持
たせ方や磁力の大きさは、記負荷低減部とつり合い位置
調整部の構成よりは制御方法に関わり、いくつかの使用
方法が考えられる。負荷や可動部１３を移動する目標位
置の変化に素早く対応するために、一時的に異極または
少なくとも一方が極性を持たないことも有り得る。ま
た、磁石１５の右側と磁石１４の左側の組合せだけで負
荷、すなわち可動部１３にかかる重力を打ち消すだけの
反発力が容易にでき、ステージの目標に対する追従速度
にも問題がない場合、磁石１４の右側と磁石１６の左側
の組合せは少なくとも一方が一時的に極性を持たない場
合もある。さらに、磁石１４の右側と磁石１６の左側の
間に常に磁力が働かない場合、磁石１６は構成から除外
できる。

【００２５】以上の２つの磁石１４と磁石１５および磁
石１４および磁石１６の面の組合せのうち、少なくとも
１つは作用する力を変化させることができなければなら
ない。これは、例えば、磁石に電磁石を用いて電流量を
変化させたり、あるいは磁石間に鉄等を出し入れして透
磁率を変化させる、などして磁石１４、磁石１５、磁石
１６間で発生する磁力の大きさを変化させたり、磁石１
５または磁石１６をガイド２に平行に動かし磁石１４に
対して接近・離反させることで実現することができる。

【００２６】次に、上記構成からなる本実施例のステー
ジの作用を説明する。可動部１３を斜め下向きに動かそ
うとする重力の成分を可動部１３の位置に応じて磁石１
４、磁石１５、磁石１６を用いて前述のように打ち消
す。ここで、磁石１４、磁石１５、磁石１６間に働く力
が一定の場合、負荷に応じて決められる位置でのみ可動
部３にかかる外力を打ち消せる。現在位置ないし可動部
１３の移動の目標位置で磁力と負荷の２つの力がつり合
うように調整する際には、磁石１５の右側と磁石１４の
左側の組合せか磁石１４の右側と磁石１６の左側の組合
せに働く力、または、その両方を組合せを適切に変化さ
せる。例えば、右上方にステージを移動させる場合に
は、磁石１５の右側と磁石１４の左側の組合せにより可
動部１３に働く反発力を強め、磁石１４の右側と磁石１
６の左側の組合せにより可動部１３に働く反発力を弱め
ることで調整できる。すなわち、磁石１６の磁力を弱め
たり、磁石１６を右上方に遠ざけることで調整ができ
る。これにより、駆動部１１にかかる負荷が減少する。

【００２７】この磁石１４、磁石１５、磁石１６の組合
せは、使い方により、磁石１４と磁石１５および磁石１
４と磁石１６からなる２組の磁石による負荷低減部がつ
り合い位置調整部を兼ねる場合と、１組が負荷低減部で
他の１組がつり合い位置調整部ともなる。磁石が動かな
い場合にあっては、２組の磁石による負荷低減部がつり
合い位置調整部を兼ねる場合が本発明の請求項３に係る
実施例、１組が負荷低減部で他の１組がつり合い位置調
整部となる場合が本発明の請求項２に係る実施例に相当
する。

【００２８】本実施例によれば、つり合い位置調整部
は、負荷低減部がベース１７および可動部１３のある位
置に固定の駆動機構において、負荷や目標位置の変化に
対応した負荷低減機能を働かせることができるため、広
範囲にわたって精度の良い位置決め・フォーカシング・
トラッキングが可能となる。傾斜面１７ａ上に可動部１
３があることから、負荷の斜面方向成分が存在するが、
負荷の大きさそのものがほぼ０になるために摩擦力はほ
ぼ０となり、このことも制御性を向上させることにな
る。また、つり合い位置調整部が負荷低減部の機能を兼
ねられることと、つり合い位置調整部が調整にあたって
動かなくてもよいことで、機能をコンパクトにすること
ができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、負荷
低減部を持つステージのある特定の点やその近傍のみな
らず、負荷や目標位置の変化に対応して、広範囲にわた
って負荷をほぼ０にすることができる。

【００３０】各請求項で対象とする駆動機構と負荷低減
部の種類は次の通りである。請求項１では、特に、バネ
やゴムなどの長さの変化が発生力の変化を生じる部材を
負荷低減部として用いた駆動機構において、つり合い位
置調整部が負荷や目標位置の変化に対応した負荷低減機
能を働かせることができる。

【００３１】請求項２では、負荷低減部がベースおよび
可動部のある位置に固定の駆動機構において、つり合い
位置調整部が負荷・目標位置・ステージ傾きの変化に対
応した負荷低減機能を働かせることができる。

【００３２】請求項３では、負荷低減部がベースおよび
可動部のある位置に固定の駆動機構において、負荷低減
部がつり合い位置調整部を兼ねた上で、負荷・目標位置
・ステージ傾きの変化に対応した負荷低減機能を働かせ
ることができる。

【００３３】その結果、負荷がほぼ０で、方向転換によ
る負荷の変動もほぼ無くなるために制御性が向上する
他、微妙な出力調整のできる駆動部を採用できる。通
常、微妙な出力調整のできる駆動部は最大駆動力もそれ
に応じて小さいが、負荷がほぼ無いことでその採用が可
能となり、その性能も十分に発揮できる。したがって、
広範囲にわたって精度の良い位置決め・フォーカシング
・トラッキングが可能となる。

【００３４】傾斜面上に可動部がある時のように負荷の
斜面方向成分が存在する場合、負荷の大きさそのものが
ほぼ０になるために可動部が働く際の摩擦力もほぼ０と
なり、このことも制御性を向上させることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１を示す正面図である。

【図２】本発明の実施例２を示す正面図である。

【図３】従来技術を示す正面図である。

【図４】従来技術を示す断面図である。

【符号の説明】

２５１１駆動部４１３可動部９梃子１０バネ１４１５１６磁石

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動方向の一定方向に負荷のかかる可動
部と、この可動部の可動範囲のある点で無負荷となり、
その点の近傍の限定された範囲において負荷を低減する
ために設けられた負荷低減部とを有するステージにおい
て、前記可動部の可動方向に前記負荷低減部を移動させ
るつり合い位置調整部と、このつり合い調整部を動かす
ための制御部を有することを特徴とするステージ。
【請求項２】可動方向の一定方向に負荷のかかる可動
部と、この可動部の可動範囲のある点で無負荷となり、
その点の近傍の限定された範囲において負荷を低減する
ために設けられた負荷低減部とを有するステージにおい
て、前記可動部または前記負荷低減部に力を作用させる
つり合い位置調整部を有することを特徴とするステー
ジ。
【請求項３】前記つり合い位置調整部が、負荷低減部
を兼ねることを特徴とする請求項２記載のステージ。