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JP5343728B2 - 2軸ステージ装置 - Google Patents

2軸ステージ装置 Download PDF

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Description

本発明は、テーブル上に載置された被移動物を移動させる2軸ステージ装置に関し、さらに詳しくは、真空容器への適用が可能な2軸ステージ装置に関する。
マトリックス支援レーザー脱離イオン化法(MALDI)では、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照射を行っている。また、走査型電子顕微鏡(SEM)では、サンプル表面を電子ビームで2次元的に走査することによって、サンプルの各位置から放出される2次電子や反射電子等を検出し、該サンプルの表面構造の分析を行っている。これらの分析装置では、通常、サンプルをステージごと移動させる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1に、一般的な2軸ステージ装置の構成を示す。この2軸ステージ装置は、サンプルを載置すると共に、X軸方向に移動可能なXテーブル9と、前記Xテーブル9を載置すると共に、X軸方向と直交するY軸方向に移動可能なYテーブル4と、前記Xテーブル9と連結された、Xモータ7、X継手8、X送りねじ10から成るXテーブル駆動機構と、前記Yテーブル4と連結された、Yモータ2、Y継手3、Y送りねじ5から成るYテーブル駆動機構と、を備えている。X送りねじ10及びY送りねじ5は、X継手8及びY継手3によって、Xモータ7の軸及びYモータ2の軸とそれぞれ結合しており、Xモータ7及びYモータ2の回転運動をX軸方向及びY軸方向への直線運動に変換し、Xテーブル9及びYテーブル4をそれぞれの軸方向に移動させる。
ステージ装置を真空容器で用いる場合、モータ等の駆動源は真空容器の外部に設けることが望ましい。これは、真空中では熱が発散されにくく、駆動源を動作させることによって発生する熱が、駆動源自体の温度を容易に上昇させてしまうためである。また、高温となった駆動源内部からガス(アウトガス)が発生し、それによって真空容器内の真空度が低下したり、発生したアウトガスが分析データに取り込まれることでサンプル本来のデータに悪影響を及ぼしたりすることもある。従って、駆動源を真空容器内に設ける場合、駆動源の温度上昇を抑えるために、長期の連続運転を避けたり、駆動速度を落とす等の措置が必要となってしまう。
しかしながら、図1の2軸ステージ装置では、Yテーブル4の移動に伴ってXテーブル駆動機構がXテーブルと共にY軸方向に移動するため、Xモータ7とYモータ2の両方を真空容器の外部に配置することは困難である。
これに対して、特許文献1では真空容器への適用が可能な2軸ステージ装置が記載されている。この2軸ステージ装置の構造を図2に示す。図2の2軸ステージ装置は、ベース1と、Xテーブル9、Yテーブル4、第3テーブル23の3つのテーブルと、第3テーブル23及びYテーブル4のそれぞれに接続されたX送りねじ10及びY送りねじ5と、X送りねじ10及びY送りねじ5のそれぞれに接続され、真空容器30の外部に設けられたXモータ7及びYモータ2と、を有している。X送りねじ10とY送りねじ5は、互いに交差しないようにベース1に配置されている。また、第3テーブル23とXテーブル9は、Yテーブル4に設けられた長い抜き穴24を通して、図示しない連結部材を介して接続されている。この連結部材はスライド部25によりY軸方向にスライド可能な構成となっている。
図2の2軸ステージ装置の動作を説明する。この2軸ステージ装置では、Yモータ2を動作させることでY送りねじ5が回転し、Y送りねじ5と連結されたYテーブル4がY軸上を前後に移動する。このときYテーブル4上に載置されたXテーブル9もYテーブル4と共に移動し、Xテーブル9と連結された連結部材もスライド部25上をY軸方向にスライドする。一方、Xモータ7を動作させることでX送りねじ10が回転し、X送りねじ10と連結された第3テーブル23及び該第3テーブル23と連結部材によって連結されたXテーブル9が、X軸上を前後に移動する。
特許文献1の2軸ステージ装置は、図1に示したような従来の2軸ステージ装置とは異なり、Yテーブル4の移動にも関わらず、Xテーブル9の駆動源であるXモータ7が移動しない。従って、真空容器30の外部にXモータ7及びYモータ2の両方を配置することができ、モータの発熱によって生じる問題を解消することができる。
特開2004-317758号公報([0012]〜[0016]、図4)
特許文献1の2軸ステージ装置では、構造上の問題から、2本の送りねじを互いに交差させることができない。そのため、サンプルを載置するXテーブル9がベース1の全面で移動可能となるには、2本の送りねじの一方(図2ではY送りねじ5)をベース1の端に配置する必要がある。
また、Xモータ7及びYモータ2の回転軸が直交しているため、これらのモータは真空容器30の直交する2つの側面の外部にそれぞれ配置されることになる。また、モータと送りねじの間の距離は、動力の伝達やステージの移動精度等の理由から短い方が望ましいため、この2軸ステージ装置は真空容器のコーナーの近傍に設置されることになる。
以上に示すように、特許文献1の2軸ステージ装置は設計自由度及び設置の自由度が低い。分析装置は分析に用いる検出器等の各種機器の配置に制約が多いため、これらの機器の配置を妨げないよう、ステージ装置の設計自由度と設置の自由度は高い方が望ましい。また、メンテナンス性の問題から、各軸の駆動源(モータ)は互いに近接して配置することが求められる。
本発明の目的は、真空容器への適用が可能で、設計自由度及び設置の自由度が高く、メンテナンス性の良い2軸ステージ装置を提供することである。
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、該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、を有する
ことを特徴とする。
本発明に係る2軸ステージ装置によれば、第1テーブルの移動は第1回転−直線変換機構によって行われる。スプライン軸は自らの回転運動をスプライン軸受を介して第1回転−直線変換機構に伝達するだけであり、第2テーブルの移動に伴ってスプライン軸は移動しない。これにより、第1テーブル移動手段の駆動源と第2テーブル移動手段の駆動源を共に固定することができるため、本発明の2軸ステージ装置を真空容器へ適用することが可能となる。
また、本発明の2軸ステージ装置は、第1駆動源の回転軸の向きと第2駆動源の回転軸の向きが一致した構造となっている。これにより、これら2軸の配置の自由度が増すため、ステージ装置の設計自由度を高くすることができる。また、回転軸の向きが一致していることから、第1駆動源及び第2駆動源を同一面に集約させることができるため、真空容器への適用の際、ステージ装置を真空容器のコーナー以外にも配置することができる。また、駆動源を同一面に集約させることによって、本発明の2軸ステージ装置を組み込んだ装置の小型化を図ることができると共に、メンテナンス性が良くなるという効果も得ることができる。
一方の軸のモータが移動する従来の2軸ステージ装置の上面図(a)、及び側面図(b)。 両軸のモータが共に固定された従来の2軸ステージ装置の上面図。 本発明に係る2軸ステージ装置の第1実施例を示す上面図(a)、A-A'断面図(b)、側面図(c)、及びB-B'断面図(d)。 第1実施例の2軸ステージ装置の第1変形例を示す上面図(a)、A-A'断面図(b)、及び側面図(c)。 第1実施例の2軸ステージ装置の第2変形例を示す上面図(a)、A-A'断面図(b)、側面図(c)、及び斜視図(d)。 スチールベルトを示す上面図。 本発明に係る2軸ステージ装置の第2実施例を示す上面図(a)、側面図(b)、及びB-B'断面図(c)。 第2実施例の変形例における2軸ステージ装置のモータ周辺の連結を示す概略図。
本発明に係る2軸ステージ装置の第1実施例を図3を用いて説明する。なお、以下の実施例では、第1方向をX軸方向、第2方向をY軸方向としている。
本実施例のステージ装置は、ベース1と、該ベース1の一方の端に取り付けられたXモータ(第1駆動源)7及びYモータ(第2駆動源)2と、該Xモータ7及びYモータ2の回転軸にX継手8及びY継手3を介して連結されたボールスプライン軸101及びY送りねじ5と、前記ボールスプライン軸101に沿ってY軸方向に移動可能なスプライン軸受14と、スプライン軸受14に固定された歯車13と、前記ベース1上に載置され、該ベース1に設けられたY方向ガイド6に沿ってY軸方向に移動可能なYテーブル(第2テーブル)4と、前記スプライン軸受14に固定され、前記ボールスプライン軸101に沿ってY軸方向に移動可能な中間テーブル15と、前記Yテーブル4上に前記中間テーブル15を介して載置され、該中間テーブル15に設けられたX方向ガイド11に沿ってX軸方向に移動可能なXテーブル(第1テーブル)9と、前記Xテーブル9の下面に固定されたラック12と、を有している。
歯車13、ラック12、及び中間テーブル15は、Y軸方向を回転中心として回転するボールスプライン軸101及びスプライン軸受14の回転運動を、歯車13及びラック12を介して中間テーブル15上のXテーブル9に伝達し、該Xテーブル9のX軸方向への直線運動に変換する第1回転−直線運動変換機構である。また、Y送りねじ5は、Y軸方向を回転中心とするYモータ2の回転運動をYテーブル4のY軸方向への直線運動に変換する第2回転−直線運動変換機構である。
スプライン軸受14は、ボールスプライン軸101に沿って直線運動を行いながら、ボールスプライン軸101の回転によって生じるトルクを他に伝達できる機械要素である。図3の(d)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141、サポートベアリング142、フランジ143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141は、ボールスプライン軸101に沿ってY軸方向に移動可能であると共に、ボールスプライン軸の回転に伴って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143は中間テーブル15に固定されている。このフランジ143とスプラインナット141の間にはサポートベアリング142が組み込まれているため、スプラインナット141が回転してもフランジ143は回転しない。
上記のように、スプライン軸受14のフランジ143が中間テーブル15に固定されているため、Yテーブル4の移動に伴って、Yテーブル4の上に載置された中間テーブル15と該中間テーブル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101に沿ってY軸方向に移動する。一方、スプラインナット141には歯車13が固定されており、Xテーブル9には歯車13の回転を受けるラック12が固定されているため、ボールスプライン軸101の回転によって、Xテーブル9が中間テーブル15上をX方向ガイド11に沿ってX軸方向に移動する。上記の構成により、Yテーブル4がY軸のどの位置にあっても、ボールスプライン軸101及びXモータ7の位置を固定したまま、Xテーブル9をX軸方向に移動させることができる。
本実施例の2軸ステージ装置の第1の変形例を図4に示す。図3の2軸ステージ装置では、ボールスプライン軸101及びスプライン軸受14の回転運動をラック−ピニオンでX軸方向の直線運動に変換していたが、本変形例では、タイミングベルトあるいはスチールベルトを用いてX軸方向の直線運動に変換している。プーリ大17はスプラインナット141に固定されており、プーリ小18は中間テーブル15に固定された回転軸19を軸として自由に回転できるようになっている。従って、ボールスプライン軸101の回転によりプーリ大17は回転し、タイミングベルト20と結合されたXテーブル9は、X軸方向へ移動することになる。
本実施例の2軸ステージ装置の第2の変形例を図5に示す。本変形例では、図6に示すような形状のスチールベルト22をスプラインナット141に固定したプーリ21にα巻きし、両端をXテーブル9に固定している。従って、ボールスプライン軸101の回転によってプーリ21は回転し、α巻きされたスチールベルト22により回転トルクが伝達されることにより、Xテーブル9がX軸方向へ移動することになる。
本発明に係る2軸ステージ装置の第2実施例を図7を用いて説明する。
本実施例は、第1実施例の2軸ステージ装置を真空容器に適用したものである。第1実施例の2軸ステージ装置は、真空容器30のベース部分である真空容器ベース301に設置されている。真空容器30は、真空容器ベース301に図示しない真空容器カバーを取り付け、内部を排気することにより真空状態を保持することができる。
本実施例の2軸ステージ装置は、Xモータ7及びYモータ2が真空容器30の外部に配置された構造を有している。真空容器30(真空容器ベース301)にはモータ軸挿入口が設けられているため、内部の気密性を保持できるようモータ軸挿入口にはシール部材が設けられている。本実施例ではシール部材としてOリング31を用いており、モータ軸挿入口にOリング溝を形成し、このOリング溝にOリング31をはめ込んでいる。
本発明に係る2軸ステージ装置は、Xモータ7及びYモータ2の回転軸が共に同一の方向を向いているため、真空容器30の一面にこれらのモータを集約することができる。これにより、2軸ステージ装置を真空容器30のコーナー以外にも設置することができ、設置の自由度を向上させることができる。また、Xモータ7及びYモータ2のメンテナンスが容易になるという効果も奏する。
シール部材として上記のようにOリングを用いると、例えばモータを交換するなどモータを真空容器から取り外す際、モータと継手の結合を外すために真空容器カバーを外す必要があり、真空容器内部の真空が破れてしまう。また、摺動面でOリングを使用することになるため、定期的なOリングの交換が必要となる。この問題点を解決した変形例を図8に示す。本変形例は、Y送りねじ5とYモータ2の軸の間及びボールスプライン軸101とXモータ7の軸の間に磁気シール16を組み込み、さらに、Xモータ7及びYモータ2と磁気シール16との間にX継手8及びY継手3を設けたものである。本変形例で用いた磁気シール16は回転軸の周囲を磁性流体で固定しており、回転軸が回転しても回転軸の周囲の気密性が保持される構造を有している。また、磁気シール16の筐体と真空容器の側壁に設けられた開口部の間の気密性は、これらの間に設けられた図示しないOリングにより保持されている。これにより、大気中の継手部分でXモータ7及びYモータ2を取り外しても、真空容器内部の気密性を保つことができ、真空を破らずに各モータの交換作業を行うことができる。また、モータ軸に用いていたOリングの定期的な交換も不要となる。
なお、第2実施例及びその変形例では、本発明に係る2軸ステージ装置を真空容器に適用した例を示したが、真空容器以外の容器、例えば内部を不活性ガスで満たした密閉容器などに対しても適用可能であることは言うまでもないことである。
1…ベース
2…Yモータ
3…Y継手
4…Yテーブル
5…Y送りねじ
6…Y方向ガイド
7…Xモータ
8…X継手
9…Xテーブル
10…X送りねじ
101…ボールスプライン軸
11…X方向ガイド
12…ラック
13…歯車
14…スプライン軸受
141…スプラインナット
142…サポートベアリング
143…フランジ
15…中間テーブル
16…磁気シール
17…プーリ大
18…プーリ小
19…回転軸
20…タイミングベルト
21…プーリ
22…スチールベルト
23…第3テーブル
24…抜き穴
25…スライド部
30…真空容器
301…真空容器ベース
31…Oリング

Claims (7)

  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、該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、を有する
    ことを特徴とする2軸ステージ装置。
  2. 前記第1回転−直線変換機構が、前記第2テーブルに載置され、前記第1テーブルを載置する中間テーブルと、前記スプライン軸受に固定された歯車と、前記第1テーブルに固定されたラックと、から成ることを特徴とする請求項1に記載の2軸ステージ装置。
  3. 前記第1回転−直線変換機構が、前記第2テーブルに載置され、前記第1テーブルを載置する中間テーブルと、前記スプライン軸受に固定された第1プーリと、前記中間テーブルに固定され、前記第2方向を回転軸とする第2プーリと、前記第1プーリの第2プーリの間に張設されたベルトと、から成ることを特徴とする請求項1に記載の2軸ステージ装置。
  4. 前記第1回転−直線変換機構が、前記第2テーブル上に載置され、前記第1テーブルを載置する中間テーブルと、前記スプライン軸受に固定されたプーリと、前記プーリにα巻きされ、両端が前記中間テーブルに固定されたベルトと、から成ることを特徴する請求項1に記載の2軸ステージ装置。
  5. 前記第1駆動源及び第2駆動源が、シール部材を介して真空容器の外部に設置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の2軸ステージ装置。
  6. 前記シール部材が磁気シールであることを特徴とする請求項5に記載の2軸ステージ装置。
  7. 前記第1駆動源及び第2駆動源と前記磁気シールとの間に継手が設けられていることを特徴とする請求項6に記載の2軸ステージ装置。
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