JPH11207559A - リニアステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステージの変位量を計測する光学式スケール
のアッベの誤差を低減する。 【解決手段】 ステージ２は、ヨーガイドである静圧案
内面１ａに沿って移動する。ステージ２を駆動するリニ
アモータ４は、ステージ２の下面の中央部に配設され、
リニアモータ４と静圧案内面１ａの間にステージ２の変
位量を計測する光学式スケール３が配設される。リニア
モータ４のまわりにヨーイングが発生したときのアッベ
の誤差を最小限に抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械、光学機
器、磁気情報装置、光情報装置等において用いられる高
速かつ高精度のリニアステージ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高精度の工作機械等に用いられるリニア
ステージ装置においては、従来、案内部として摺動ガイ
ドや転がりガイドを用いるとともに、変位量を検出する
ための光学式スケールや磁気方式の変位センサ等が利用
されている。摺動ガイドを用いた場合は、移動部と固定
部の摺動面を高い面精度に加工することが必要であり、
摺動面のわずかなひずみやたわみが位置決め精度に大き
く影響する。また、転がりガイドの精度を向上させるに
は、ステージに大きな与圧を加える必要がある。

【０００３】このように、移動部の摺動抵抗や転がり抵
抗が大であるから、駆動部には大きな推力を得られるボ
ールネジを用いることが多いが、ボールネジを駆動部と
するステージの場合は、位置決め精度がネジの加工精度
に大きく依存し、加工技術の点で限界がある。加えて、
ストロークの長いステージで高速位置決めを行なうと、
ネジの伸びや慣性モーメントによる駆動力の損失が大き
い。さらに、ネジ部の防塵対策や、定期的な清掃、オイ
ル補給等のメンテナンスも必要となり、コスト高であ
る。特に高速度でステージを移動させて短時間で位置決
めを行なうことは非常に難しい。

【０００４】そこで、図５および図６に示すような静圧
ガイド（静圧軸受）を用いたステージが開発された。こ
れは、左右両面１０１ａ，１０１ｂと、上下両面１０１
ｃ，１０１ｄの合計４面を静圧案内面とする固定ガイド
１０１に沿ってリニアモータ等の駆動手段によってステ
ージ１０２を移動させるもので、各静圧案内面１０１ａ
〜１０１ｄの面精度とこれに供給する気体の圧力を調整
することで極めて高精度の制御を行なうことができる。
各静圧案内面１０１ａ〜１０１ｄはステージ１０２と非
接触であるから抵抗が極めて小さく、静粛性にすぐれて
おり、高速かつ高精度の位置決めを行なうことが容易で
あり、しかもメンテナンスも簡単である。

【０００５】ところが、ステージ１０２のヨーイング、
ピッチング等を抑えるために、上記のように上下、左右
の合計４方向から静圧支持する必要があり、また、４方
向の静圧案内面１０１ａ〜１０１ｄをそれぞれ高い面精
度に加工するための加工コストが高く、加えて、リニア
モータの推進力をステージ１０２に伝達する方法や、ス
テージ１０２の変位を検出するための位置検出センサ１
０３の配設位置等に設計上の制約が多い等の不都合があ
る。

【０００６】図７ないし図９は別の従来例によるリニア
ステージ装置を示すもので、これは、固定ガイド２０１
に垂直方向と水平方向の２つの静圧案内面２０１ａ，２
０１ｂを設け、両者をそれぞれ磁性体として、ステージ
２０２には、各静圧案内面２０１ａ，２０１ｂに対向す
るように静圧パッド２１０ａ，２１０ｂと与圧マグネッ
ト２１１ａ，２１１ｂを設けて、静圧案内面２０１ａ，
２０１ｂに対するステージ２０２の浮上量を与圧マグネ
ット２１１ａ，２１１ｂの磁気吸引力（付勢力）によっ
て一定に保つように構成されており、上記のように４方
向に静圧案内面を設ける場合に比べて加工コストが低く
てすむ。また、ステージ２０２の変位量を検出するため
に、ステージ２０２の走行路の延長上に光学干渉計２０
３を配設し、ステージ２０２と一体であるミラー２０３
ａの反射光を利用して非接触で計測を行なう。このよう
にステージ２０２の走行路の延長上に光学干渉計２０３
を設けることで、ステージ２０２のヨーイング、ピッチ
ングによるアッベの誤差の影響を最小にして、極めて高
精度の計測が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術によれば、前述のようにステージの変位量を計
測するために光学干渉計を用いると、光学干渉計それ自
体が高価であるうえに、装置の必要スペースが大きくな
るため、光学式スケール等に比べて装置の小型化や低価
格化の観点から不利である。そこで、図１０ないし図１
２に示すように、固定ガイド３０１の垂直方向と水平方
向の２つの静圧案内面３０１ａ，３０１ｂをそれぞれ磁
性体として、ステージ３０２に、固定ガイド３０１の各
静圧案内面３０１ａ，３０１ｂに対向するように静圧パ
ッド３１０ａ，３１０ｂと、与圧マグネット３１１ａ，
３１１ｂを設けることで、各静圧案内面３０１ａ，３０
１ｂに対するステージ３０２の浮上量を一定に保つとと
もに、ステージ３０２の走行路の側傍すなわち、水平方
向の静圧案内面３０１ｂの端縁に光学式スケール３０３
のセンサ部３０３ｂを配設し、これに、ステージ３０２
の側縁に設けたスケール部３０３ａを対向させたものが
提案されている。この場合は、ステージ３０２のピッチ
ングによるアッベの誤差の影響は小さいものの、ステー
ジ３０２の下面中央に配設されたリニアモータ３０４の
可動子である一対のマグネット３０４ｂが、固定子であ
る駆動コイル３０４ａの両側に配設されており、これを
中心にヨーイングが発生すると、アッベの誤差のために
光学式スケール３０３の出力の信頼性が著しく劣化す
る。加えて、高速位置決めを行なうためにはリニアモー
タ３０４の推力を発生するマグネット３０４ｂの質量を
大きくしなければならず、可動部が高重量となる等の不
都合もある。

【０００８】本発明は上記従来の技術の有する未解決の
課題に鑑みてなされたものであり、高速かつ高精度の位
置決めを行なうことができるうえに、ステージの変位量
を検出するために高価な光学干渉計等を必要とすること
なく、しかも計測値の信頼性の極めて高いリニアステー
ジ装置を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明のリニアステージ装置は、固定台に配設され
た案内面に沿って移動自在であるリニアステージと、該
リニアステージを所定の方向に案内する静圧案内手段
と、前記リニアステージを前記所定の方向に駆動する駆
動手段と、前記リニアステージの変位量を検出する光学
式スケールを有し、該光学式スケールが、前記静圧案内
手段と前記駆動手段の間に配設されていることを特徴と
する。

【００１０】駆動手段がリニアモータであるとよい。

【００１１】駆動手段と光学式スケールが、リニアステ
ージの下面の中央部に配設されているとよい。

【００１２】また、案内面の中央部に凹所が設けられて
おり、該凹所に、駆動手段の固定部と光学式スケールの
スケール部が配設されているとよい。

【００１３】

【作用】リニアステージの走行中にリニアステージの下
面の中央部に配設された駆動手段を中心とするヨーイン
グが発生すると、アッベの誤差のために光学式スケール
の計測値の信頼性が低下する。そこで、ヨーガイドであ
る静圧案内手段と駆動手段の間に光学式スケールを配設
することで、アッベの誤差の影響を軽減する。これによ
って、リニアステージの位置制御を高精度で行なうこと
ができる。

【００１４】光学干渉計等に比べて安価である光学式ス
ケールを用いて高精度の計測が可能であり、しかも装置
の必要スペースも小さくてすむため、高精度なリニアス
テージ装置の小型化や低価格化を促進できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００１６】図１は一実施の形態によるリニアステージ
装置を示す平面図であって、これは、固定台である固定
ガイド１の静圧案内手段である垂直方向の静圧案内面
（ヨーガイド）１ａと、案内面である水平方向の静圧案
内面１ｂをぞれぞれ磁性体とし、リニアステージである
ステージ２には、固定ガイド１の各静圧案内面１ａ，１
ｂに対向するように静圧パッド１０ａ，１０ｂと、与圧
手段である与圧マグネット１１ａ，１１ｂを設けたもの
で、各静圧案内面１ａ，１ｂに対するステージ２の浮上
量を与圧マグネット１１ａ，１１ｂの磁気吸引力（付勢
力）によって一定に保つように構成されている。

【００１７】各静圧パッド１０ａ，１０ｂは、多孔質の
材料から作られており、配管１０ｃを経て供給される高
圧の気体を、多孔質の表面から静圧案内面１ａ，１ｂに
向かって均一に放出することで浮上力を得る。

【００１８】固定ガイド１の水平方向の静圧案内面１ｂ
は、図３に示すように、その中央部に設けられた凹所１
ｃによって２分割され、凹所１ｃには、光学式スケール
３のスケール部３ａと駆動手段であるリニアモータ４の
固定部である固定子４ａと、給電用のフレキシブル基板
５が支持されている。光学式スケール３のスケール部３
ａは、ステージ２の下面に配設されたセンサ部３ｂに対
向し、リニアモータ４の固定子４ａは、ステージ２の走
行路に沿って上下２列に配設された推力発生用の磁石で
あり、ヨーク４ｃによって保持されている。磁石列の中
央に形成された空間部を、ステージ２と一体的に設けら
れた駆動コイルである可動子４ｂが移動する。

【００１９】このようにリニアモータの可動子を駆動コ
イルとする可動コイル方式は、これに供給する電流を変
化させることで推力を任意に制御できるという利点を有
し、可動子が磁石である場合のように可動子を高重量に
することなく、大きな推力を得られるという利点があ
る。

【００２０】リニアモータ４の可動子４ｂは、ステージ
２の下面の中央部において、ステージ２を含む可動部全
体の重心位置に配設され、ステージ２が極めて安定した
走行を行なうことができるように構成されている。

【００２１】光学式スケール３のスケール部３ａは、リ
ニアモータ４の固定子４ａとヨーガイドである静圧案内
面１ａの間で固定子４ａに近接して配設され、同じく光
学式スケール３のセンサ部３ｂは、ヨーガイドに近い側
でリニアモータ４の可動子４ｂに近接した位置に配設さ
れ、ステージ２の重心位置の近傍でステージ２の変位量
を検出する。このように、光学式スケール３によるステ
ージ２の変位量の計測をステージ２の重心位置の近傍
で、しかもヨーガイド寄りにおいて行なうことで、ステ
ージ２のヨーイングに伴なうアッベの誤差を最小限に抑
えることができる。

【００２２】なお、各静圧案内面１ａ，１ｂは磁性体で
ある鋼材を鏡面研磨加工したものであり、ヨーガイドを
構成する静圧案内面１ａは、与圧マグネット１１ａとの
間に作用する磁気吸引力によってステージ２の側面を拘
束し、ピッチングやローリングを防ぐ。

【００２３】また、水平方向の静圧案内面１ｂは前述の
ように中央の凹所１ｃによって２分割されているが、両
者は同一平面上にあるため、研磨加工等は同一工程で行
なうことができる。

【００２４】さらに、リニアモータ４の可動子４ｂであ
る駆動コイルに対する給電や光学スケール等の位置情報
の伝達はフレキシブル基板５によって行なわれるため、
ステージ２の走行に及ぼす影響はほとんど無視できる。

【００２５】本実施の形態によれば、固定ガイドに沿っ
て、ステージを水平方向に直線的に走行させるリニアス
テージ装置において、ヨーイングによるアッベの誤差を
低減し、ステージの変位量を光学式スケールによって極
めて高精度で検出できる。光学式スケールは光学干渉計
等に比べて安価であり、しかも設置スペースを大きくと
る必要もないために、装置の小型化や低価格化に貢献で
きる。

【００２６】また、静圧パッドの空気圧や与圧マグネッ
トの磁気吸引力を変更することで、ステージの剛性を任
意に設定することができるうえに、２方向の静圧案内面
を設けるだけでよいから、加工コストの低減にも大きく
役立つ。

【００２７】さらに、可動コイル方式のリニアモータを
採用することで、ステージの可動部の全体重量を低減
し、かつ、大きな推力を得ることが可能となり、高速位
置決めを実現できるという利点もある。

【００２８】図４は一変形例を示す。これは、光学式ス
ケール２３のスケール部２３ａを固定ガイド１の凹所１
ｃから突出させ、ステージ２の下面に保持されたセンサ
部２３ｂの検出面をステージ２のピッチング方向の回転
中心の高さに合わせたものである。このように配置する
ことで、ヨーイングによるアッベの誤差の影響を抑えな
がらピッチングの影響も大幅に低減できる。

【００２９】なお、上記のように光学式スケールの検出
面が水平になるように配設する替わりに、ステージの特
性に応じてピッチングの影響を優先的に軽減したい場合
には、光学式スケールの検出面が垂直になるように固定
ガイドに立設してもよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。

【００３１】２つの静圧案内面と与圧マグネットにリニ
アモータを組み合わせることで高速かつ高精度の位置決
めを行なうことができる。加えて、比較的安価でしかも
省スペースである光学式スケールを用いてステージの変
位量を検出するものであるため、装置の小型化や低価格
化に大きく貢献できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態によるリニアステージ装置を示す
平面図である。

【図２】図１の装置を示す立面図である。

【図３】図１の装置を示す正面図である。

【図４】一変形例を示す正面図である。

【図５】一従来例を示す立面図である。

【図６】図５の装置を示す正面図である。

【図７】別の従来例を示す平面図である。

【図８】図７の装置を示す立面図である。

【図９】図７の装置を示す正面図である。

【図１０】さらに別の従来例を示す正面図である。

【図１１】図１０の装置を示す平面図である。

【図１２】図１０の装置を示す立面図である。

【符号の説明】

１ 固定ガイド １ａ，１ｂ 静圧案内面 １ｃ 凹所 ２ ステージ ３，２３ 光学式スケール ３ａ，２３ａ スケール部 ３ｂ，２３ｂ センサ部 ４ リニアモータ ４ａ 固定子 ４ｂ 可動子 ５ フレキシブル基板 １０ａ，１０ｂ 静圧パッド １１ａ，１１ｂ 与圧マグネット

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定台に配設された案内面に沿って移動
   自在であるリニアステージと、該リニアステージを所定
   の方向に案内する静圧案内手段と、前記リニアステージ
   を前記所定の方向に駆動する駆動手段と、前記リニアス
   テージの変位量を検出する光学式スケールを有し、該光
   学式スケールが、前記静圧案内手段と前記駆動手段の間
   に配設されていることを特徴とするリニアステージ装
   置。
2. 【請求項２】 駆動手段がリニアモータであることを特
   徴とする請求項１記載のリニアステージ装置。
3. 【請求項３】 駆動手段と光学式スケールが、リニアス
   テージの下面の中央部に配設されていることを特徴とす
   る請求項１または２記載のリニアステージ装置。
4. 【請求項４】 駆動手段が、リニアステージの重心位置
   に駆動力を発生するように構成されていることを特徴と
   する請求項３記載のリニアステージ装置。
5. 【請求項５】 案内面の中央部に凹所が設けられてお
   り、該凹所に、駆動手段の固定部と光学式スケールのス
   ケール部が配設されていることを特徴とする請求項１な
   いし４いずれか１項記載のリニアステージ装置。
6. 【請求項６】 案内面および静圧案内手段に、それぞれ
   リニアステージを付勢するための与圧手段が設けられて
   いることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記
   載のリニアステージ装置。