(57)【要約】【課題】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。【解決手段】本発明に係る２軸ステージ装置は、Ｙ軸方向に移動可能なＹテーブル４と、Ｙテーブル４上に載置された中間テーブル１５と、中間テーブル１５上に載置され、該中間テーブル１５上に設けられたＸ方向ガイド１１によってＹ軸方向と直交するＸ軸方向に移動可能なＸテーブル９を有している。Ｙ送りねじ５はＹモータ２の回転をＹ軸方向への直線運動に変換し、Ｙテーブル４をＹ軸方向に移動させる。一方、ボールスプライン軸１４はＸモータ７によりＹ軸方向を回転中心として回転する。スプラインナット１４１には歯車１３が固定されており、この歯車１３とＸテーブル９に固定されたラック１２によってボールスプライン軸１４の回転がＸ軸方向への直線運動に変換され、Ｘテーブル９をＸ軸方向に移動させることができる。【選択図】図３
2011002389.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2004-317758号公報（[0012]〜[0016]、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【発明の効果】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】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)。
【図２】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。
【図３】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)。
【図４】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)。
【図５】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)。
【図６】スチールベルトを示す上面図。
【図７】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)。
【図８】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。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【実施例２】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【符号の説明】
【００２８】
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
【図１】
2011002389.tif 000003
【図２】
2011002389.tif 000004
【図３】
2011002389.tif 000005
【図４】
2011002389.tif 000006
【図５】
2011002389.tif 000007
【図６】
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【図７】
2011002389.tif 000009
【図８】
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