(57)【要約】【課題】ボールネジ機構の構造を複雑化、高精度化することなく、ボールネジとボールナットとの間のバックラッシュを解消しつつ、１０ナノ単位の高精度な送りを実現することができ、更にボールネジ機構を取り換える手数をかけることなく移動テーブル側の重量の変更に応じて予圧の強弱を容易に微調整することができるゼンマイバネ付勢ユニット、及びボールネジ駆動ステージを提供する。【解決手段】ホルダ３２により回転自在に支持された回転部材３１と、該回転部材を一方向へ回転付勢し且つトルクが一定なゼンマイバネ３５と、回転部材が一方向へ回転するときに該回転部材に巻き取られ且つ該回転部材が逆方向に回転するときに回転部材から巻出し可能に構成された連結テープ３６と、該連結テープに対して固定的に、或いは回動自在に取り付けられ且つ複数に分岐した連結枝４１を有した連結部材４０と、を備えた。【選択図】図１
2009127751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホルダにより回転自在に支持された回転部材と、該回転部材を一方向へ回転付勢し且つトルクが一定なゼンマイバネと、前記回転部材が前記一方向へ回転するときに該回転部材に巻き取られ且つ該回転部材が逆方向に回転するときに回転部材から巻出し可能に構成された連結テープと、該連結テープに対して固定的に、或いは回動自在に取り付けられ且つ複数に分岐した連結枝を有した連結部材と、を備えたことを特徴とするゼンマイバネ付勢ユニット。
【請求項２】
前記連結部材は、板材、又は線材にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載のゼンマイバネ付勢ユニット。
【請求項３】
ベース台座と、該ベース台座により支持された二本の平行なリニアガイドレールと、該各リニアガイドレールによって往復自在に支持される移動テーブルと、該移動テーブルに固定したボールナット、前記ベース台座に設けた軸受部により回転自在に軸支されると共に前記直線ガイドレール間に平行に配置され、且つ前記ボールナットにボールを介して螺合するボールネジ、及び該ボールネジの一端から駆動力を入力して回転駆動させるパルスモータを備えたボールネジユニットと、請求項１又は２に記載のゼンマイバネ付勢ユニットと、を備え、
前記ホルダを前記ボールネジの他端部の延長線上にある前記ベース台座適所に固定し、前記回転部材から引き出した前記連結テープに取り付けられた前記連結部材を構成する各連結枝を前記移動テーブルの幅方向中心部に対して左右対称となるように取り付けたことを特徴とするボールネジ駆動ステージ。
【請求項４】
前記各連結枝は、前記移動テーブルに対して、前記ベース台座の基準面と平行な方向へ回動自在に軸支されていることを特徴とする請求項３に記載のボールネジ駆動ステージ。
【請求項５】
前記連結テープと前記連結部材との連結部は、前記ベース台座の基準面と平行な方向へ回動自在に構成されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のボールネジ駆動ステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造を複雑化、高精度化せずにボールネジとボールナットとの間のバックラッシュを解消しつつ、１０ナノメートル単位の高精度な送りを実現することができるゼンマイバネ付勢ユニット、及びこれを用いたボールネジ駆動ステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールネジ機構を利用したリニアな精密送り機構は、精密測定装置、精密位置決め装置等々に応用されている。
図４はリニアエンコーダの精度評価を行うためのボールネジ駆動ステージを示す斜視図である。
このボールネジ駆動ステージ１００は、上面（基準面）が水平なベース台座１０１と、ベース台座１０１の上面により支持された二本の平行なリニアガイドレール１０２と、各リニアガイドレール１０２によって往復自在に支持される被ガイド部１０４を備えた移動テーブル１０３と、移動テーブル１０３に固定したボールナット１１１、ベース台座１０１に設けた軸受部１１２により回転自在に軸支されると共に直線ガイドレール間に平行に配置され、且つボールナット１１１の溝に対して図示しない複数のボールを介して螺合するボールネジ１１３、及びボールネジ１１３の一端から駆動力を入力して回転駆動させるパルスモータ１１４を備えたボールネジユニット１１０と、一端をベース台座１０１に設けた支持部１０１ａに支持されると共に他端部を移動テーブル１０３に固定した二本のコイルバネ１１５と、を備えている。
【０００３】
ベース台座１０１の側方に沿った位置にはボールネジ１１３と平行にリニアスケール１２０が固定され、移動テーブル１０３にはリニアスケール１２０に形成された目盛り１２１を光学的に読み取るための図示しないセンサ（読み取りヘッド）が搭載されている。リニアスケール１２０と読み取りヘッドは、リニアエンコーダを構成している。
パルスモータ１１４を駆動してボールネジ１１３を正逆回転させることによりボールナット１１１が固定された移動テーブル１０３はボールネジ１１３と平行な方向へ直線的に進退する。コイルバネ１１５は移動テーブル１０３を常時支持部１０１ａ方向へ向けて付勢することにより、ボールネジ１１３外周面の軸駆動溝と、ボールナット１１１の内周面のナット軌道溝と、両溝間に形成される循環路に沿って転動する複数のボールとの間のバックラッシュを防いで、移動テーブルの進退動作中の移動安定性、移動精度を確保する機能を有する。
【０００４】
しかし、コイルバネ１１５の特性は、周知のように圧縮状態における付勢力と伸長状態における付勢力との間にバラツキを有するため、コイルバネによるバックラッシュ防止機能にもバラツキが発生する。つまり、ナノレベルで見た場合にはコイルバネの付勢力のバラツキに起因した微小なバックラッシュが移動テーブルの移動精度を低下させる原因となる。従って、ボールネジの回転量と移動テーブルの移動量との関係が安定せず、移動精度低下をもたらす。
更に、移動テーブルの移動方向と直交する幅方向への微小なふらつきも防止することが難しかった。
このようにナノレベルでの移動精度に誤差が発生し易いコイルバネ予圧式のボールネジ駆動ステージ１００をリニアスケール１２０の精度測定に適用した場合には、測定精度低下が著しいものとなる。
【０００５】
特開２００６−３４９１４８には、ボールネジ外周面の軸駆動溝とボールナット内周面のナット軌道溝との間に形成される循環路に沿って転動する複数のボールを、負荷ボールと、負荷ボールよりも小径のスペーサボールとから構成することにより予圧を生成してバックラッシュを防止する技術が開示されている。また、２つのナット間に過小サイズスペーサを挿入したダブルナット予圧機構がＨＩＷＩＮ社から提案されている。
しかし、ボールナット及びボールネジの構成を種々改良し、高精度化、複雑化させた場合には、製造手数、コスト、組付け手数が増大したり、大型化するという問題がある。また、予圧の値は製造時にある程度確定しており、ボールネジ機構全体を取り換えない限り、後から予圧を変更、調整できないため、移動テーブル上に搭載するセンサやワークや機器や工具の重量に応じて予圧の強弱を微調整したい場合には迅速に対応できないという欠点がある。また、ボールナット及びボールネジの各溝部の加工精度の向上には限界があり、ナノメートルオーダーの精度誤差に起因したバックラッシュを解消することはできないのが実情である。
仮に、ボールナットとボールネジとボールとの間のバックラッシュがゼロとなったとしても、ボールネジを支持する軸受部１１２によるボールネジの支持部を高精度化することが困難であるため、ボールネジ駆動機構全体としてのバックラッシュを解消することは困難であった。
【特許文献１】特開２００６−３４９１４８公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上のように従来のコイルバネ予圧式のボールネジ駆動ステージにあっては、コイルバネの付勢力のバラツキに起因して発生するバックラッシュが移動テーブルの移動精度を低下させる虞があった。また、特開２００６−３４９１４８に開示されたスペーサボールによる予圧機構、或いはダブルナット予圧機構にあっては、製造手数、コスト、組付け手数が増大するばかりでなく、移動テーブル上に搭載する物体の重量に応じて予圧の強弱を微調整したい場合に対応できないという欠点がある。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、ボールネジ機構の構造を複雑化、高精度化することなく、ボールネジとボールナットとの間のバックラッシュを解消しつつ、１０ナノメートル単位の高精度な送りを実現することができ、更にボールネジ機構を取り換える手数をかけることなく移動テーブル側の重量の変更に応じて予圧の強弱を容易に微調整することができるゼンマイバネ付勢ユニット、及びボールネジ駆動ステージを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１の発明に係るゼンマイバネ付勢ユニットは、ホルダにより回転自在に支持された回転部材と、該回転部材を一方向へ回転付勢し且つトルクが一定なゼンマイバネと、前記回転部材が前記一方向へ回転するときに該回転部材に巻き取られ且つ該回転部材が逆方向に回転するときに回転部材から巻出し可能に構成された連結テープと、該連結テープに対して固定的に、或いは回動自在に取り付けられ且つ複数に分岐した連結枝を有した連結部材と、を備えたことを特徴とする。
延び長に関係なく引っ張り力が一定である定荷重のゼンマイバネを用いて直線移動する対象物を引っ張ることにより、安定した移動精度を確保することが可能となる。更に、対象物に対して複数の連結枝を用いて左右のバランスよく連結テープを止着するので、移動方向と直交する方向への振れを減殺することができる。
請求項２の発明は、請求項１において、前記連結部材は、板材、又は線材にて構成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３の発明に係るボールネジ駆動ステージは、ベース台座と、該ベース台座により支持された二本の平行なリニアガイドレールと、該各リニアガイドレールによって往復自在に支持される移動テーブルと、該移動テーブルに固定したボールナット、前記ベース台座に設けた軸受部により回転自在に軸支されると共に前記直線ガイドレール間に平行に配置され、且つ前記ボールナットに対して複数のボールを介して螺合するボールネジ、及び該ボールネジの一端から駆動力を入力して回転駆動させるパルスモータを備えたボールネジユニットと、請求項１又は２に記載のゼンマイバネ付勢ユニットと、を備え、前記ホルダを前記ボールネジの他端部の延長線上にある前記ベース台座適所に固定し、前記回転部材から引き出した前記連結テープに取り付けられた前記連結部材を構成する各連結枝を前記移動テーブルの幅方向中心部に対して左右対称となるように取り付けたことを特徴とする。
ボールネジ機構を構成するボールネジ、ボールナット、ボールの加工精度が夫々低いために各部材間に微小なガタが存在する場合であっても、定荷重バネであるゼンマイバネによって移動テーブルを一方向へ常時付勢するようにしているので、移動テーブルの移動精度をナノメートルレベルで高めることができる。低加工精度なボールネジに対して、ゼンマイバネの安定した付勢力によりボールナット、及びボールを同方向へ偏位させて接触させることによりバックラッシュを解消することができる。
移動テーブル、或いは移動テーブル上に搭載する物体の重量等の各種条件に応じて、ゼンマイバネによる引っ張り荷重を変更する必要がある場合には、ゼンマイバネユニットの全部、又は一部を交換すればよく、既存のボールネジ駆動ステージに対しても後付けが可能である。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項３において、前記各連結枝は、前記移動テーブルに対して、前記ベース台座の基準面と平行な方向へ回動自在に軸支されていることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項３又は４において、前記連結テープと前記連結部材との連結部は、前記ベース台座の基準面と平行な方向へ回動自在に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、定荷重バネとしてのゼンマイバネを用いたゼンマイバネ付勢ユニットにより移動テーブルを一方向へ付勢するようにしたので、ボールネジ機構の構造を複雑化、高精度化しなくても、ボールネジとボールナットとの間のバックラッシュを解消しつつ、１０ナノメートル単位の高精度な送りを実現することができ、更にボールネジ機構を取り換える手数をかけることなく移動テーブル側の重量の変更に応じて予圧の強弱を容易に微調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付図面に示した実施の形態により本発明を詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るボールネジ駆動ステージの構成を示す斜視図、及び要部拡大図、図２はその正面縦断面図である。
ボールネジ駆動ステージ１は、上面に水平な基準面を備えたベース台座２と、ベース台座２の基準面により支持された二本の平行なリニアガイドレール５と、各リニアガイドレール５によって往復自在に支持される被ガイド部１１を備えた移動テーブル１０と、移動テーブル１０の適所、この例では底面に固定したボールナット１５、ベース台座２に設けた軸受部２２，２３により回転自在に軸支されると共に直線ガイドレール５間に平行に配置され、且つ図示しない複数のボールを介してボールナット１５に螺合するボールネジ（ネジリード：１ｍｍ）２１、及びボールネジ２１の一端から駆動力を入力して回転駆動させるパルスモータ２４を備えたボールネジユニット２０と、ゼンマイバネ付勢ユニット３０と、を備えている。
【００１２】
ゼンマイバネ付勢ユニット３０は、ベース台座２に対して着脱自在に取り付けられたホルダ３２と、ホルダ３２により回転自在に支持された回転部材（リール）３１と、回転部材３１を一方向へ回転付勢するために回転部材３１の内部、或いは外部（軸部）に配置され、且つトルク（巻き取り力）が引出し長に関係なく一定なゼンマイバネ（スパイラルスプリング）３５と、回転部材３１が前記一方向へ回転するときに回転部材に巻き取られ且つ回転部材が逆方向に回転するときに回転部材から引出し可能に構成された連結テープ３６と、連結テープ３６に対して固定的に、或いは回動自在に取り付けられ且つ複数に分岐した連結枝４１を有した連結部材４０と、を備えている。連結テープ３６は、例えば金属製、或いは樹脂製の可撓性を有した帯状薄板（板材）、或いは線材等から構成する。
なお、ゼンマイバネ付勢ユニット３０は、巻き尺に採用されるメジャーテープの巻き取り、巻出し機構を応用したものである。
【００１３】
ホルダ３２をボールネジ２１の他端部の延長線上にあるベース台座適所に固定し、ゼンマイバネの定荷重の付勢力に抗して回転部材３１から引き出した連結テープ３６に取り付けられた連結部材４０を構成する各連結枝４１を、移動テーブル１０の幅方向中心部Ｃに対して左右対称となるように取り付けている。
ホルダ３２による回転部材３１の支持高さは、引き出された連結テープ３６の姿勢をベース台座２の上面と平行に維持できるように設定する。ホルダ３２は、ボルト、その他の任意の取付け手段によってベース台座上に着脱可能であるため、異なった高さのホルダを交換可能できる。或いは、同一のホルダによる回転部材の支持高さを段階的に、或いは無段階に調整可能に構成してもよい。回転部材３１から引き出される連結テープ３６の高さ位置をリニアガイドレール５の軌道面と同一高さに保持することにより、モーメント力の発生を防止して移動テーブルの姿勢を安定させることができる。
【００１４】
次に、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）は、連結部材４０の構成例を示している。
図３（ａ）の連結部材４０はアルミニウム、ステンレス等の金属、或いは樹脂等の板材（例えば、１．５ｍｍ厚程度）を加工したものであり、連結テープ３６の端部に固定される基片４０ａと、基片４０ａから２つに分岐した連結枝４１と、を備えている。連結テープ３６と、基片４０ａとは固定してもよいし、ヒンジにより矢印で示す水平方向へ回動自在に軸支してもよい。また、各連結枝４１と移動テーブル１０の適所（この例では、下面）との間は固定してもよいし、ヒンジにより水平方向へ回動自在に軸支してもよい。なお、連結枝の本数は、４本以上であってもよい。
次に、図３（ｂ）に示すように基片４０ａの中央部から他の連結枝４１を突出することにより、移動テーブル１０の中心部を支持するようにしてもよい。
【００１５】
次に、図３（ｃ）は連結部材４０を金属、或いは樹脂製のワイヤ（線材）から構成し、連結枝４１を二股状に構成した例を示している。或いは、破線で示すように中央部に三本目の線材を設けても良い。
図３（ｄ）は、線材から成る連結部材４０の先端部を４つに分岐させた連結枝４１とした例である。
このように板材、或いは線材から成る連結部材４０を複数の連結枝４１から構成し、移動テーブルに対して幅方向にバランスよく各連結枝４１を取り付けた（固定、或いは軸支）ので、左右のリニアガイドレールに対して均等に負荷を掛けて移動テーブルが進退するに際して幅方向へのバランスを高く維持することができ、ふらつきの発生を防止できる。
【００１６】
連結部材４０を移動テーブル１０に取り付ける高さ位置は、回転部材３１から引き出された連結テープ３６がベース台座２の上面と平行になるように設定するのが好ましく、図示の例では連結部材４０を移動テーブル１０の下面に取付けているために、ホルダ３２による回転部材の支持高さもそれに合わせて設定している。各連結枝４１を移動テーブルに取り付ける位置が低い程、安定した進退動作を実現することができる。
ただ、連結部材４０を移動テーブル１０の下面に取り付けた場合、移動テーブルの両側に位置する被ガイド部１１が障害となって連結枝４１の取付け位置を外側に移動させることができない。このような場合には、移動テーブル１０の上面に連結枝４１の先端部を取り付けたり、移動テーブル１０の前端面１０ａ、或いは両側面１０ｂに係止部を設けて連結枝を取り付けることにより、連結枝の取付け位置をできるだけ外側に配置して幅方向への振れを防止するようにしても良い。この場合には、連結テープ３６の高さ位置がベース台座上面と平行になるように回転部材の支持高さを調整すべきことは勿論である。
なお、図１の実施形態では、ベース台座２の側方に沿った位置にボールネジ２１と平行にリニアスケール５０が固定され、移動テーブル１０にはリニアスケール５０に形成された微小ピッチ（例えば、２０μｍピッチ）の目盛り５１を光学的に読み取るための図示しないセンサ（読み取りヘッド）が搭載されている。リニアスケール５０とセンサとは、リニアエンコーダを構成し、センサを用いてリニアスケール５０に形成された目盛り５１の精度を測定する。
【００１７】
パルスモータ２４を駆動してボールネジ２１を正逆回転させることによりボールナット１５が固定された移動テーブル１０はボールネジ２１と平行な方向へ直線的に進退する。ゼンマイバネ３５は延び長に関係なく移動テーブル１０を矢印Ａで示す一方向へ向けて一定荷重にて付勢することにより、ボールネジ外周面の軸駆動溝と、ボールナットの内周面のナット軌道溝と、両溝間に形成される循環路に沿って転動する複数のボールとの間のバックラッシュを防いで、移動テーブルの進退動作中の移動安定性、移動精度を確保することができる。特に、本発明においては、一定トルクバネとしてのゼンマイバネを用いた弾性引っ張り機構により移動テーブル１０を一定方向へ付勢する構成としているため、ボールネジやボールナット側に格別高精度な加工を加えることなくバックラッシュを解消することができる。このため、例えば図示の如きリニアエンコーダに適用した場合に、分解能（誤差評価）を１０ナノメートルレベルに高精度化することができる。
【００１８】
また、連結テープ３６と移動テーブル１０とを連結する手段として複数に分岐した連結枝を備えた連結部材４０を用い、各分岐枝を移動テーブル１０の幅方向中心部に対して左右対称となるように取り付けたため、移動テーブルが進退移動する際の微小な左右への振れ（スキュー）を防止することができる。特に、連結テープ３６と連結部材４０との連結部、或いは連結枝４１と移動テーブル１０との連結部を水平方向へ回動自在に軸支することにより、連結テープ３６と連結部材４０との間、或いは連結枝４１と移動テーブル１０との間の相対動作が可能となり、スキューを規制する効果を高め、１ｍｍピッチのボールネジを用いた場合の直進送り精度を１０ナノメートルレベルで高めることができる。
本発明をリニアエンコーダに適用した場合、ステージ停止後の数値のバラツキがなくなる。
【００１９】
なお、本発明のゼンマイバネ付勢ユニット３０では、ボールネジ、ボールナット、ボールの加工精度が夫々低いために各部材間に微小なガタが存在することを前提として、定荷重バネであるゼンマイバネによって移動テーブルを一方向へ常時付勢するようにしている。従って、加工精度の低い予圧タイプのボールネジ駆動機構に対して適用（後付けを含む）することにより、移動精度をナノレベルで高めることができる。このような低加工精度なボールネジに対して、ゼンマイバネの安定した付勢力によりボールナット、及びボールを同方向へ偏位させて接触させることによりバックラッシュを解消することができる。具体的には、ゼンマイバネによりボールナットを一方向へ付勢することにより、ボールナットの溝内のボールは溝の片側に偏位して接触し続けた状態でボールネジ側の溝との間で転動自在に挟圧されることとなる。このため、移動テーブルを進退させる過程においてガタが発生しない状態を維持できる。ボールネジを回転させる際にボールは溝間に形成される循環路に沿って追従移動することができ、溝間のガタに起因してリード誤差があったとしても負荷抵抗にならず、安定した回転トルクを得ることができる。
【００２０】
移動テーブル、或いは移動テーブル上に搭載する物体の重量等の各種条件に応じて、ゼンマイバネによる引っ張り荷重を変更する必要がある場合には、ゼンマイバネユニット３０の全部、又は一部を交換すればよく、既存のボールネジ駆動ステージに対しても後付けが可能である。
本発明のボールネジ駆動ステージにおいては、移動テーブルの追従精度、停止精度が高まるため、例えばリニアエンコーダに適用した場合に停止時のばたつき、目盛りずれを防止することができる。
本発明に係るゼンマイバネ付勢ユニット３０とボールネジ機構を利用したリニアな精密送り機構は、例えば、精密測定装置、精密位置決め装置、半導体露光装置における加工用ビームの真直精度の確保等々、応用範囲が極めて広い。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るボールネジ駆動ステージの構成を示す斜視図、及び要部拡大図である。
【図２】図１のボールネジ駆動ステージの正面縦断面図である。
【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）は、連結部材の構成例を示した図である。
【図４】従来のボールネジ駆動ステージの構成説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１…ボールネジ駆動ステージ、２…ベース台座、５…リニアガイドレール、１０…移動テーブル、１０ａ…前端面、１０ｂ…両側面、１１…被ガイド部、１５…ボールナット、２０…ボールネジユニット、２１…ボールネジ、２２，２３…軸受部、２４…パルスモータ、３０…ゼンマイバネ付勢ユニット、３１…回転部材、３２…ホルダ、３５…コイルバネ、３６…連結テープ、４０…連結部材、４０ａ…基片、４１…連結枝、５０…リニアスケール。
【図１】
2009127751.tif 000003
【図２】
2009127751.tif 000004
【図３】
2009127751.tif 000005
【図４】
2009127751.tif 000006