精密送り装置および精密移動装置
【課題】高精度な位置検出に基づく高精度な移動および位置決めが可能な精密送り装置および精密移動装置を提供すること。
【解決手段】ベース２に支持されたテーブル３１を所定の移動方向へ駆動する精密送り装置９は、テーブル３１に接続されたロッド４１と、ロッド４１を移動方向に進退駆動する駆動機構４と、ベース２に対するロッド４１の変位を検出するレーザ干渉計５とを有し、駆動機構４は、ロッド４１への駆動力が移動方向の軸線に対して対称に作用するリニアモータ４４を有し、レーザ干渉計５のレーザ光路５６はロッド４１を貫通して移動方向に延びており、ロッド４１の移動軸線と駆動機構４の推力軸線とレーザ干渉計５の検出軸線とが一致している。
【解決手段】ベース２に支持されたテーブル３１を所定の移動方向へ駆動する精密送り装置９は、テーブル３１に接続されたロッド４１と、ロッド４１を移動方向に進退駆動する駆動機構４と、ベース２に対するロッド４１の変位を検出するレーザ干渉計５とを有し、駆動機構４は、ロッド４１への駆動力が移動方向の軸線に対して対称に作用するリニアモータ４４を有し、レーザ干渉計５のレーザ光路５６はロッド４１を貫通して移動方向に延びており、ロッド４１の移動軸線と駆動機構４の推力軸線とレーザ干渉計５の検出軸線とが一致している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密送り装置および精密移動装置に関し、測定装置や工作機械などの載物テーブルあるいはコラム等を高精度で移動し位置決めする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密な運動精度が要求される精密位置決めシステムや、精密測定機器および工作機械など、精密移動装置においては、移動対象である載物テーブルや主軸コラム等に高い幾何運動精度が求められるほか、直動方向の位置が正確に検出され制御されることが求められる。
このような移動対象の位置検出や位置制御に当たって、機構的にはアッベの原理が遵守されていることが望ましい。すなわち、移動対象の位置を同定する検出軸線が、移動対象の移動によって実行される測定や加工などの作用点を通るように配置され、加えて移動対象の運動や位置決め制御のために、駆動軸線あるいは推力軸線と案内軸線とがともに移動対象の重心を通り、さらに各軸線が検出軸線とも一致することが望まれる。
従来、精密移動装置の駆動機構には、ボールねじ、摩擦駆動、ベルト駆動、ラック・アンド・ピニオンなどの伝達機構が採用されている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１の装置では、移動対象であるテーブル等の移動体を駆動機構で駆動する際に、伝達機構として駆動ローラを用い、駆動体であるロッドに摩擦転動させて駆動力を付与している。この際、ロッドの反対側には駆動ローラの圧接力を受ける従動ローラが配置されるが、ロッドに対する駆動力は駆動ローラ側だけである。
特許文献１の装置では、ロッドとテーブルとを接続する際に流体静圧継手が用いられている。なかでも、給排静圧軸受あるいは真空圧バランス型静圧空気軸受では、圧縮方向及び引張方向に強い剛性を確保することができ、このような高剛性の静圧軸受を用いた駆動機構により、高精度直動テーブルの幾何運動精度の高度化が図られている。
特許文献１の静圧継手では、ロッド側にヨーイング方向の運動誤差を吸収するジンバル機構に支持されたスラスト板が設けられ、テーブル側はピッチング方向の運動誤差を吸収する同様のジンバル機構により支持される構成とすることで、継手を介してテーブルの移動方向以外の力の伝達が生じないようにされている。
【０００４】
特許文献２の装置では、テーブルの下方に送りねじ軸を用いたスライダ駆動機構が設置され、この送りねじ軸により上方のテーブルを水平に移動させている。
特許文献２の装置では、テーブルの側方にレーザ干渉計による位置検出機構が設置される。この際、レーザ干渉計の光源からテーブル端部に至るレーザ光路は、ベローズを用いた伸縮性の筒体によって囲われ、内部を減圧されており、レーザ光路における空気ゆらぎの影響を排除して更なる高精度化が図られている。
このようなレーザ干渉計により、高精度化の要件である駆動機構ないし移動体の高い幾何運動精度に加えて、移動体の送り方向の位置を正確に検出し制御することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０５２９２号公報
【特許文献２】特開２０００−５５６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述した特許文献１あるいは特許文献２においては、それぞれ駆動機構として摩擦式の駆動ローラあるいはボールねじ軸を用いており、これらの移動軸線（移動部分がガイドされる方向）と推力軸線（駆動力が作用する方向）とが必ずしも一致せず、前述したオフセット量が問題となる。
さらに、移動軸線および推力軸線を一致させて移動対象の重心を通過するように配置し、測定や加工などの作用点を通過するように検出軸線を配置したうえ、これらの移動軸線、推力軸線および検出軸線を全て一致させることは、設計上、極めて困難である。
【０００７】
このような装置において、アッベの原理を満たせず、オフセット量の影響が問題となる場合、駆動機構の位置決めの再現性の高さを前提に、移動対象の駆動によって実行される測定や加工などの作用点において、別途、レーザ干渉測長計などの上位基準となる第３の位置観測装置を用いた校正や補正の作業が必要となり、機器構成の複雑化、保守性の低下、コストの増加などの原因となっていた。
これらは、テーブル等の移動体を含む精密移動装置において問題となるだけでなく、テーブル等の移動体を駆動する装置、つまり移動対象を含まない精密送り装置においても同様に問題となる。
【０００８】
本発明の主な目的は、高精度な位置検出に基づく高精度な移動および位置決めが可能な精密送り装置および精密移動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の精密送り装置は、ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体を前記移動方向へ駆動する精密送り装置であって、
前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の精密移動装置は、ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体と、前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする。
【００１１】
このような構成では、移動体が駆動体を介して駆動機構により所定の移動方向へと駆動される。駆動機構からの駆動力は駆動体の移動方向の軸線に対して対称（線対称あるいは直交面における点対称）とされ、その結果、駆動力の軸線である推力軸線と、駆動体の移動軸線とを一致させることができる。
さらに、変位検出器のレーザ光路は駆動体を貫通するように配置することで、レーザ干渉計の検出軸線を、駆動機構の移動軸線および推力軸線に一致させることができる。
なお、駆動体の移動軸線に対して対称な駆動力とする具体的構成としては、以下に述べる構成が採用できる。
【００１２】
本発明において、前記駆動源は、前記駆動体に設置された可動子と、前記駆動体を挟んで対向する少なくとも一対の固定子と、を有するリニアモータであることが望ましい。
この構成において、リニアモータを構成する可動子および固定子は、何れか一方を誘導コイル等の電機子とし、何れか他方を磁界生成用の磁石とすればよい。通常、移動する側である可動子を磁石とし、固定子を誘導コイルとすればよい。
このような構成では、駆動体に設置された可動子が駆動体を挟んで設置された固定子により推力を受けて駆動される。この際、少なくとも一対の固定子が対向配置されることにより、各固定子から可動子に作用する推力は、駆動体の中心を通る推力軸線に合成され、これにより推力軸線と移動軸線とを一致させることができる。
【００１３】
本発明において、前記固定子は、前記駆動体の周囲に筒状に配置されることが望ましい。
このような構成では、駆動体の周囲から一様な駆動力が付与され、合成される駆動力の推力軸線を、中心にある駆動体の移動軸線に一致させることが容易にできる。
このような構成としては駆動体に沿って配列された固定子の列を、駆動体の周囲に複数列配置する構成のほか、駆動体を一巡する環状の固定子を移動軸線に沿って複数配列した構成を利用することができる。
【００１４】
このようなリニアモータを採用することで、以下のような優れた効果が得られる。
すなわち、従来技術として述べたローラあるいはボールねじ等の駆動機構や伝達機構では、摩擦やロストモーションおよび転がり接触に起因する非線形な負荷変動を伴うことがあり、その解決には駆動の加減速時におけるオーバーシュートの抑制や、安定した精密位置決め制御にゲインスケジューリング法などの特殊な制御手法を必要とするといった難点がある。
これに対し、リニアモータは、基本的に固定側と可動側とが非接触なアクチュエータであり、前述した従来の伝達機構における摩擦やロストモーションなどの非線形な要素を排除することができる。
なお、リニアモータは、半導体製造装置などの精密送り装置に多く採用されているが、本発明のように、移動軸線、推進軸線および検出軸線までを全て一致させることができる構成はなく、これらの軸線を全て一致させる構成は本発明に独自のものである。
【００１５】
本発明の駆動源としてのリニアモータは、前述したように筒状に配置することが望ましいが、駆動体を挟んで対向する一対のリニアモータ構造であれば、各々の駆動力による推力軸を駆動体の中心に一致させることができ、かつ構造を簡略化して設備コストも低減できる。従って、本発明の実施にあたり、リニアモータの構成および配置は、要求される精度等に応じて適宜選択することが望ましい。
【００１６】
本発明において、前記駆動源は、前記駆動体を挟んで配置された一対の駆動ローラとしてもよい。
このような構成では、リニアモータのような非接触での駆動力伝達はできないが、駆動体に対して対称に配置された一対の駆動ローラを同期回転させることで、駆動体に対して対称な駆動力を付与することができ、移動軸線と推力軸線とを一致させることができる。
さらに、一対の駆動ローラを用いた構成では、リニアモータに比べて極めて簡単な構成とすることができ、設備コストも大幅に削減することができ、用途に応じて選択すれば、各軸線の一致による十分な精度を得ることができる。
【００１７】
本発明においては、前記駆動体を前記移動方向に沿って移動自在に支持するガイド機構を有することが望ましい。
このような構成では、駆動機構として非接触のリニアモータを用いる場合でも、駆動体をガイド機構で支持することができる。
ここで、ガイド機構は支持された駆動体の移動方向（案内軸線）を決定するものとなる。従って、ガイド機構においては、設置方向を精密に調整することが望ましく、かつガイド機構としても、駆動体の周囲に筒状あるいは環状に形成されるなど、案内軸線が駆動体に要求される移動軸線に一致するように調整することが望ましい。
【００１８】
本発明において、前記駆動体は、前記移動体に接続される側の先端が閉鎖され、前記先端の内側には前記レーザ光路に直交する反射面を有する構成とすることができる。
ここで、反射面としては、レーザ干渉計からのレーザ光を適切に反射できるものであればよく、高精度の平滑面のほか、コーナーキューブなどの再帰反射性の反射体を用いることができる。
このような構成では、レーザ干渉計から駆動体内のレーザ光路に送られたレーザ光は、反射面で反射してレーザ干渉計に戻され、これにより検出軸線と駆動体の移動軸線および推進軸線との一致を図ることができる。
この際、駆動体の先端は閉鎖されているため、レーザ光路を高真空とすることができるとともに、レーザ光路が駆動体の先端までで完結するため、駆動体の先端より先の、移動体との接続には任意の形式の継手あるいは接続手段を用いることができる。
【００１９】
本発明において、前記移動体と前記駆動体とを接続する継手を有し、
前記継手は、前記移動体に接続されかつ前記移動方向と直交する移動側対向面と、前記駆動体に接続されかつ前記移動側対向面に対向する駆動側対向面と、前記移動側対向面および駆動側対向面の間に形成される静圧隙間に加圧された流体を導く流体供給路と、負圧源に連結され前記静圧隙間から前記流体を排出する流体供給路と、を有する給排静圧継手であり、
前記レーザ光路は、前記駆動体ないし前記駆動側対向面を貫通しかつ前記移動側対向面を反射面とすることが望ましい。
【００２０】
このような構成では、駆動機構により駆動体を駆動することで、駆動体および継手を介して移動体が移動される。継手として、給排静圧継手を用いることで、駆動源からの振動の影響を回避し、かつ移動方向のみの駆動による高精度な移動が行われる。
移動体の移動は変位検出器により検出される。変位検出器は、レーザ干渉計による高精度を有するとともに、駆動体を貫通するレーザ光路によりオフセット誤差を回避できるため、移動体の位置決め精度を高めることができる。
なお、給排静圧継手で用いる流体としては、空気その他の気体のほか、液体も利用可能である。ただし、空気を用いれば、その確保および装置の保守が容易であるうえ、漏洩しても問題が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明の第２実施形態の全体構成を示す模式図。
【図３】前記第２実施形態の要部を示す断面図。
【図４】本発明の第３実施形態の要部を示す断面図。
【図５】本発明の第４実施形態の全体構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１および図２には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、本実施形態の精密移動装置１は、ベース２上にテーブル機構３、駆動機構４、レーザ干渉計５を備えている。
ベース２は、安定した基礎上に固定され、上面が水平に形成されている。駆動機構４およびレーザ干渉計５は、テーブル機構３に応じた高さとなるように、支持台２１，２２を介してベース２上に支持されている。これらの駆動機構４およびレーザ干渉計５により、本発明の精密送り装置９が構成されている。
【００２３】
テーブル機構３は、移動体であるテーブル３１を支持するものであり、ベース２に固定されたガイドレール３２を有する。
テーブル３１の下面にはガイド軸受３３が形成され、テーブル３１はガイド軸受３３およびガイドレール３２を介してベース２に支持されている。
ガイドレール３２は、所定の移動方向（テーブル３１を移動させる所期の方向）に連続して形成され、上面が水平かつ平滑とされている。
ガイド軸受３３は、ガイドレール３２の上面との間に圧縮空気を供給することによって静圧隙間を形成する空気静圧軸受であり、テーブル３１の荷重によりプリロードを得ている。
テーブル３１は、テーブル機構３により移動自在に支持され、前述した移動方向へ滑らかに移動可能である。
【００２４】
駆動機構４は、駆動体であるロッド４１を駆動するものであり、ベース２に固定されたケーシング４２を有するとともに、駆動源としてリニアモータ４４を備えている。
ロッド４１は、前述したテーブル３１の移動方向に延びる中空管状の長尺部材であり、両端（図１右側の基端および同左側の先端）がケーシング４２から突出されている。ロッド４１の先端は、継手６を介してテーブル３１に接続されている。
ケーシング４２は、ロッド４１を貫通させかつロッド４１の外周と滑らかに摺動するロッドガイド４３を２箇所に有し、これらのロッドガイド４３で支持されることでロッド４１はテーブル３１の移動方向のまま支持され、かつ長手方向に自由に移動可能とされている。これらのロッドガイド４３によりガイド機構が構成されている。
【００２５】
リニアモータ４４は、ロッド４１に設置された可動子としての磁石４５と、ケーシング４２に設置された固定子としての誘導コイル４６とを有する。
磁石４５は、環状の磁石あるいは円弧状の磁石を環状に接続したものを、各々の中心孔が揃うように複数重ねて管状にしたものであり、ロッド４１の表皮材の内側に収容される。
誘導コイル４６は、ロッド４１の外周を一巡する環状に形成され、ケーシング４２の中央に支持される。誘導コイル４６には、図示しない外部の制御装置からロッド４１の移動方向および移動速度に応じた駆動電流が供給され、これにより磁石４５および誘導コイル４６がリニアモータ４４として機能する。
これらの誘導コイル４６、磁石４５、ロッドガイド４３およびロッド４１は、互いに中心軸が一致するように配置されており、これによりリニアモータ４４としての推力軸線とロッド４１の移動軸線とが一致され、駆動体であるロッド４１への駆動力が、その移動方向である移動軸線に対して対称に作用するような構成とされている。
【００２６】
レーザ干渉計５は、本発明の変位検出器であり、受光素子およびスプリッタ等の基本構成が収容された干渉計本体５１を有し、この干渉計本体５１には光ファイバ５２を介して外部のレーザ光源５３が接続されている。
干渉計本体５１のレーザ出射口５４は、金属製のベローズ５５を介してロッド４１の基端に接続されている。前述の通りロッド４１は長手方向に進退し、干渉計本体５１に対して距離が変動するが、ベローズ５５が伸縮することで、ロッド４１と干渉計本体５１との接続が維持される。
【００２７】
ベローズ５５の内部およびロッド４１の中空部は互いに連通され、これらの一連の空間によりレーザ光路５６が形成される。
ロッド４１の先端においてロッド４１の中空部はキャップ４９により気密状態で封止されている。キャップ４９の内側には、反射面を有するミラー５７が固定されている。
これにより、レーザ出射口５４から出射されたレーザ光は、レーザ光路５６を通ってロッド４１の先端まで達し、ミラー５７で反射されたのち、レーザ光路５６を通り干渉計本体５１に戻って受光されるようになっている。
測定精度を高めるために、レーザ光路５６内は高真空状態まで減圧される。ベローズ５５は、ロッド４１の移動に伴って長手方向には伸縮可能であるが、金属製とされて径方向には所定の剛性が確保されており、内外の気圧差が大きくても圧壊することはない。
【００２８】
このような本実施形態によれば、駆動機構４によりロッド４１を駆動することで、ロッド４１および継手６を介してテーブル３１を移動させることができる。そして、テーブル３１の移動は、変位検出器であるレーザ干渉計５により検出される。
駆動機構４は、リニアモータ４４を採用することでリニアモータ機構としての基本的な高精度が得られるとともに、ロッド４１の周囲に管状に配置されたリニアモータ４４とすることで、その推力軸線をロッド４１の移動軸線と一致させることができる。これにより、推力軸線と移動軸線に関するオフセット誤差を解消し、テーブル３１の位置決め精度を高めることができる。
【００２９】
レーザ干渉計５は、レーザ干渉による高精度を有するとともに、ロッド４１を貫通するレーザ光路５６を用いた配置によりロッド４１の移動軸線およびレーザ光による位置検出軸線をテーブル３１の移動方向に一致させ、オフセット誤差を回避できるため、テーブル３１の位置決め精度を高めることができる。
従って、本実施形態によれば、レーザ干渉計５の検出軸線、駆動機構４の推力軸線、ロッド４１の移動軸線を全て一致させることができ、高精度な位置検出に基づく高精度な移動および位置決めが可能な精密送り装置９および精密移動装置１を提供することができる。
【００３０】
〔第２実施形態〕
図２および図３には、本発明の第２実施形態が示されている。
図２において、本実施形態の精密移動装置１Ａは、ベース２上にテーブル機構３、駆動機構４、レーザ干渉計５を備え、これらの駆動機構４およびレーザ干渉計５により本発明の精密送り装置９Ａが構成されている。
本実施形態の精密移動装置１Ａおよび精密送り装置９Ａは、基本的構成が前述した第１実施形態の精密移動装置１および精密送り装置９と同様であり、共通の構成については、同じ符号を用いて重複する説明を省略する。
【００３１】
図２において、ロッド４１Ａは、先端に前記第１実施形態のようなキャップ４９がなく、中央を貫通するレーザ光路５６の開口が露出され、継手６Ａの中央孔に連通されている。
すなわち、前述した第１実施形態のロッド４１が先端閉鎖型であったのに対し、本実施形態のロッド４１Ａは先端開放型とされている。
また、前述した第１実施形態の継手６がレーザ光路５６と絶縁され、任意の継手構造が採用されるものであったのに対し、継手６Ａが反射面を含む給排静圧継手とされている。
【００３２】
図３において、継手６Ａは、テーブル３１に接続される移動側部材６１と、ロッド４１Ａの先端に接続される駆動側部材６２とを有する。
移動側部材６１および駆動側部材６２は、それぞれ金属製の円盤状に形成され、一方の表面が高精度の平面となるように研磨されている。これにより、移動側部材６１の表面には移動側対向面６３が形成され、駆動側部材６２の表面には駆動側対向面６４が形成されている。
【００３３】
移動側部材６１は、水平な回動軸７１を介して支持部材７３に支持され、この支持部材７３はテーブル３１の側面に固定されている。これにより、移動側のジンバル機構が形成され、移動側部材６１および移動側対向面６３はピッチング方向に揺動可能である。
駆動側部材６２は、垂直な回動軸７２を介して支持部材７４に支持され、この支持部材７４はロッド４１Ａの先端に固定されている。これにより、駆動側のジンバル機構が形成され、駆動側部材６２および駆動側対向面６４はヨーイング方向に揺動可能である。
回動軸７１、７２は、それぞれ移動側部材６１あるいは駆動側部材６２に固定されたトラニオンピンであり、その外周を一巡するＶ溝に軸受ボールが配列され、支持部材７３、７４の受け部内周に単列深溝球軸受を構成したものであり、中心軸まわりの回転は自在であるが、軸方向への移動は規制される。
これらのジンバル機構により、ロッド４１Ａとテーブル３１との間のピッチング方向およびヨーイング方向の傾きが緩和される。なお、ロッド４１Ａとテーブル３１との間の垂直方向および水平方向の変位については、後述する継手６Ａの静圧隙間６５により緩和される。
【００３４】
継手６Ａにおいて、移動側部材６１および駆動側部材６２は互いに向かい合わせに配置され、移動側対向面６３および駆動側対向面６４の間には後述する流体によって静圧隙間６５が形成される。
通常、テーブル３１は所定の移動方向へ移動可能であり、ロッド４１Ａもこの移動方向に延びかつこの移動方向に進退駆動される。移動側部材６１および駆動側部材６２は互いの回動軸が直交しており、通常は移動側対向面６３および駆動側対向面６４がそれぞれ前述したテーブル３１の移動方向に直交する状態である。ここで、ロッド４１Ａがテーブル３１の移動方向に対して僅かな傾きを生じたとしても、前述した移動側および駆動側のジンバル機構により傾きが吸収され、前述した移動側対向面６３および駆動側対向面６４がテーブル３１の移動方向に直交する状態が維持される。
【００３５】
移動側部材６１には、流体供給路６６および流体排出路６７が接続され、静圧隙間６５への流体の供給および排出が行われる。
流体供給路６６は、流体である圧縮（または加圧）空気を移動側対向面６３の外周近傍の複数箇所に配置された（流体）絞りから静圧隙間６５へと供給する。
そして、負圧源とリンクする流体排出路６７を通って、移動側対向面６３の外周近傍の空気が供給される領域より内側の領域から空気が排出される。
これにより、流体供給路６６から静圧隙間６５の外周近傍に供給された空気は、一部が静圧隙間６５の外周から大気開放されるとともに、内側の領域では流体排出路６７から排出される。
従って、空気が排出される内側の領域は負圧領域となり、移動側対向面６３および駆動側対向面６４を近接させるような引張力が生じ、これが静圧継手としてのプリロードとなる。そして、外周近傍の空気供給領域において一定厚みの空気層が圧縮力を受け、これにより給排静圧継手が構成される。
【００３６】
駆動側部材６２には、中央に貫通孔６８が形成されている。
駆動側部材６２のロッド４１Ａ側には、金属製のベローズ７５が接続され、ベローズ７５は、ロッド４１Ａの先端のレーザ光路５６の開口の周囲に接続されている。
これらにより、ロッド４１Ａの内部のレーザ光路５６からベローズ７５の内部ないし貫通孔６８まではテーブル３１の移動方向の軸線に沿って連通されている。
【００３７】
貫通孔６８の駆動側対向面６４側近傍にはガラス製の透明板６９が設置され、この透明板６９により静圧隙間６５と貫通孔６８、ベローズ７５ないしレーザ光路５６の内部とは気密状態で遮断されている。但し、透明板６９はレーザ干渉計５のレーザ光に対して透明であり、レーザ光路５６を通って到達したレーザ光は、透明板６９を透過して移動側対向面６３で反射され、再び透明板６９を透過してレーザ光路５６に戻り、レーザ干渉計５で検出されるようになっている。
【００３８】
この際、移動側対向面６３はテーブル３１の移動方向つまりレーザ光路５６を通るレーザ光の光軸と直交状態を維持されているため、レーザ光路５６からのレーザ光を確実に反射させることができる。
一方、透明板６９は、貫通孔６８内に固定されるにあたって、テーブル３１の移動方向つまりレーザ光路５６を通るレーザ光の光軸に対して直交状態ではなく、僅かな角度傾斜した状態で固定されている。これにより、透明板６９で生じた反射成分はレーザ光軸から外れ、レーザ干渉計５に戻ることはない。
【００３９】
このような本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様な効果が得られるとともに、さらに下記の効果が得られる。
本実施形態では、継手６Ａとして直交２軸のジンバル機構を含む給排静圧継手を用いたため、駆動機構４で発生する駆動に伴う振動等の影響を回避することができ、かつテーブル３１の移動方向のみの駆動による高精度な移動を行うことができる。
また、レーザ光路５６の反射面として、移動側対向面６３を利用したため、別途のミラー等を省略できるとともに、移動体であるテーブル３１側により近い部位での反射が得られるため、検出精度を向上することができる。
【００４０】
さらに、駆動側対向面６４には、ロッド４１Ａ内から貫通孔６８まで連通するレーザ光路５６と静圧隙間６５とを気密状態に仕切る透明板６９を設けたため、静圧隙間６５の気圧とは関わりなくレーザ光路５６の減圧状態を設定することができる。このため、レーザ光路５６に要求される高真空に対して静圧隙間６５の圧力が高い場合でも、静圧隙間６５の流体がレーザ光路５６内に流入することが回避できる。
透明板６９は、レーザ光路５６を通るレーザ光の光軸に対して傾斜しているため、レーザ干渉計５の測定にあたって不必要な反射光を返す可能性を解消することができる。
【００４１】
〔第３実施形態〕
図４には、本発明の第３実施形態が示されている。
本実施形態の精密移動装置１Ｂは、基本的構成が前述した第１実施形態の精密移動装置１と同様であり、共通の構成については、同じ符号を用いて重複する説明を省略する。
なお、精密移動装置１Ｂに含まれる精密送り装置９Ａは、前述した第１実施形態と同様である。
本実施形態においては、精密送り装置９Ａとテーブル機構３とを接続するために、直交２軸のジンバル機構を含むが給排静圧式でない継手６Ｂが採用されている。
【００４２】
図４において、精密送り装置９Ａから延びる先端開放型のロッド４１Ａの先端には、前記第２実施形態と同様な支持部材７４および垂直な回動軸７２Ｂが固定されている。一方、テーブル３１の側面には、前記第１実施形態と同様な支持部材７３および水平な回動軸７１Ｂが固定されている。
本実施形態では、前記第２実施形態の移動側部材６１および駆動側部材６２に替えて、中間部材７６が設置されている。中間部材７６は、テーブル３１側が水平な回動軸７１Ｂに回動連結されるとともに、ロッド４１Ａ側が垂直な回動軸７２Ｂに回動連結されている。
回動軸７１Ｂおよび回動軸７２Ｂとしては、中心軸線まわりに回転可能であるとともに、中心軸線方向に沿って移動を許容するストロークベアリングが用いられている。
【００４３】
このような本実施形態においては、前記第２実施形態と同様な効果が得られるとともに、さらに下記の効果が得られる。
本実施形態では、継手６Ｂにおいて、水平に回動する移動側のジンバル機構および垂直に回動する固定側のジンバル機構が形成され、それぞれピッチング方向の揺動およびヨーイング方向の揺動を許容することができる。また、回動軸７１Ｂおよび回動軸７２Ｂとしてストロークベアリングを用いることで、ロッド４１Ａの移動軸線と交叉する垂直方向および水平方向の変位を許容することができる。この垂直方向および水平方向の変位への対応は、前述した第１および第２の実施形態では給排静圧式の継手６，６Ａによって行われていたものであるが、本実施形態ではストロークベアリングを用いた回動軸７１Ｂおよび回動軸７２Ｂにより対応することができる。
このような構成により、ロッド４１Ａからテーブル３１に移動軸線に沿った方向と異なる方向の力が加えられた場合でも、その伝達を緩和することができる。
【００４４】
〔第４実施形態〕
図５には、本発明の第４実施形態が示されている。
図５において、本実施形態の精密移動装置１Ｃは、ベース２上にテーブル機構３、駆動機構４Ｃ、レーザ干渉計５を備え、これらの駆動機構４Ｃおよびレーザ干渉計５により本発明の精密送り装置９Ｃが構成されている。
本実施形態の精密移動装置１Ｃおよび精密送り装置９Ｃは、基本的構成が前述した第２実施形態の精密移動装置１Ａおよび精密送り装置９Ａ（第１実施形態に対して先端開放型のロッド４１Ａとし、ジンバル機構を含む給排静圧軸受による継手６Ａとしたもの）と同様であり、共通の構成については、同じ符号を用いて重複する説明を省略する。
【００４５】
図５において、前述した第２実施形態との相違は、駆動機構４Ｃの駆動源がリニアモータでないことである。
駆動機構４Ｃは、ロッド４１Ａを駆動するために、ケーシング４２、ロッドガイド４３、駆動ローラ４４Ｃを備えている。
駆動機構４Ｃにおいて、駆動ローラ４４Ｃは、ロッド４１Ａを挟んで一対が対向配置され、これにより一対の駆動ローラ４４Ｃがロッド４１Ａに対して対称に配置されている。これらの駆動ローラ４４Ｃには、図示しない電動モータ等の動力源からの回転力が伝達機構を介して伝達され、これにより一対の駆動ローラ４４Ｃは等速で回転してロッド４１Ａに対して対称な駆動力を付与可能である。
【００４６】
このような本実施形態では、前述した第１実施形態の駆動機構４のようにリニアモータ４４による非接触での駆動力伝達はできないが、ロッド４１Ａを挟んで対向配置された一対の駆動ローラ４４Ｃを同期回転させることで、ロッド４１Ａに対して対称な駆動力を付与することができ、ロッド４１Ａの移動軸線と駆動機構４Ｃによる推力軸線とを一致させることができ、前述したレーザ干渉計５の検出軸線との一致と併せて高精度を得ることができる。
さらに、本実施形態では、駆動機構４Ｃを一対の駆動ローラ４４Ｃを用いた構成とすることで、前記第１実施形態のようなリニアモータ４４を用いた駆動機構４に比べて極めて簡単な構成とすることができ、設備コストも大幅に削減することができ、用途に応じて選択すれば、各軸線の一致による十分な精度を得ることができる。
【００４７】
〔変形例〕
本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形等は本発明に含まれるものである。
例えば、駆動機構４において、リニアモータ４４は、環状の磁石４５および環状の誘導コイル４６を用いて筒状を形成するものに限らず、磁石４５および誘導コイル４６を移動軸線に沿って配列したリニアモータ構造を、ロッド４１，４１Ａの周囲に複数配列し、全体として筒状となるように構成してもよい。
【００４８】
駆動機構４Ｃとしては、一対の駆動ローラ４４Ｃに限らず、二対以上の駆動ローラ４４Ｃを用いてもよい。例えば、上下一対の駆動ローラ４４Ｃの他に、水平に並列な一対の駆動ローラ４４Ｃを配置してもよい。このように複数対を用いることでロッド４１の支持を兼ねることができ、ロッドガイド４３の一方を省略することも可能である。
さらに、他の駆動機構として、駆動ローラ４４Ｃによる摩擦転動に限らず、送りねじ軸等の他の機構を用いてもよく、例えば送りねじ軸をロッド４１，４１Ａの両側に並列に設置し、各々による推力軸線を移動軸線に一致させてもよい。
駆動機構４とレーザ干渉計５との間のベローズ５５は、テレスコピック構造などで代替してもよい。
前記各実施形態では、テーブル３１を移動させる方向を一次元で説明したが、２系統を組み合わせて二次元的な移動を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ〜１Ｃ…精密移動装置
２…ベース
３…テーブル機構
４，４Ｃ…駆動機構
５…レーザ干渉計
６，６Ａ〜６Ｃ…継手
９，９Ａ，９Ｃ…精密送り装置
３１…移動体であるテーブル
３２…ガイドレール
３３…ガイド軸受
４１，４１Ａ…駆動体であるロッド
４２…ケーシング
４３…ガイド機構であるロッドガイド
４４…リニアモータ
４４Ｃ…駆動ローラ
４５…可動子である磁石
４６…固定子である誘導コイル
５１…干渉計本体
５２…光ファイバ
５３…レーザ光源
５４…レーザ出射口
５５…ベローズ
５６…レーザ光路
５７…反射面を有するミラー
６１…移動側部材
６２…駆動側部材
６３…移動側対向面
６４…駆動側対向面
６５…静圧隙間
６６…流体供給路
６７…流体排出路
６８…貫通孔
６９…透明板
７１，７２…回動軸
７３，７４…支持部材
７５…ベローズ
７６…中間部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密送り装置および精密移動装置に関し、測定装置や工作機械などの載物テーブルあるいはコラム等を高精度で移動し位置決めする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密な運動精度が要求される精密位置決めシステムや、精密測定機器および工作機械など、精密移動装置においては、移動対象である載物テーブルや主軸コラム等に高い幾何運動精度が求められるほか、直動方向の位置が正確に検出され制御されることが求められる。
このような移動対象の位置検出や位置制御に当たって、機構的にはアッベの原理が遵守されていることが望ましい。すなわち、移動対象の位置を同定する検出軸線が、移動対象の移動によって実行される測定や加工などの作用点を通るように配置され、加えて移動対象の運動や位置決め制御のために、駆動軸線あるいは推力軸線と案内軸線とがともに移動対象の重心を通り、さらに各軸線が検出軸線とも一致することが望まれる。
従来、精密移動装置の駆動機構には、ボールねじ、摩擦駆動、ベルト駆動、ラック・アンド・ピニオンなどの伝達機構が採用されている（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
特許文献１の装置では、移動対象であるテーブル等の移動体を駆動機構で駆動する際に、伝達機構として駆動ローラを用い、駆動体であるロッドに摩擦転動させて駆動力を付与している。この際、ロッドの反対側には駆動ローラの圧接力を受ける従動ローラが配置されるが、ロッドに対する駆動力は駆動ローラ側だけである。
特許文献１の装置では、ロッドとテーブルとを接続する際に流体静圧継手が用いられている。なかでも、給排静圧軸受あるいは真空圧バランス型静圧空気軸受では、圧縮方向及び引張方向に強い剛性を確保することができ、このような高剛性の静圧軸受を用いた駆動機構により、高精度直動テーブルの幾何運動精度の高度化が図られている。
特許文献１の静圧継手では、ロッド側にヨーイング方向の運動誤差を吸収するジンバル機構に支持されたスラスト板が設けられ、テーブル側はピッチング方向の運動誤差を吸収する同様のジンバル機構により支持される構成とすることで、継手を介してテーブルの移動方向以外の力の伝達が生じないようにされている。
【０００４】
特許文献２の装置では、テーブルの下方に送りねじ軸を用いたスライダ駆動機構が設置され、この送りねじ軸により上方のテーブルを水平に移動させている。
特許文献２の装置では、テーブルの側方にレーザ干渉計による位置検出機構が設置される。この際、レーザ干渉計の光源からテーブル端部に至るレーザ光路は、ベローズを用いた伸縮性の筒体によって囲われ、内部を減圧されており、レーザ光路における空気ゆらぎの影響を排除して更なる高精度化が図られている。
このようなレーザ干渉計により、高精度化の要件である駆動機構ないし移動体の高い幾何運動精度に加えて、移動体の送り方向の位置を正確に検出し制御することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０５２９２号公報
【特許文献２】特開２０００−５５６１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述した特許文献１あるいは特許文献２においては、それぞれ駆動機構として摩擦式の駆動ローラあるいはボールねじ軸を用いており、これらの移動軸線（移動部分がガイドされる方向）と推力軸線（駆動力が作用する方向）とが必ずしも一致せず、前述したオフセット量が問題となる。
さらに、移動軸線および推力軸線を一致させて移動対象の重心を通過するように配置し、測定や加工などの作用点を通過するように検出軸線を配置したうえ、これらの移動軸線、推力軸線および検出軸線を全て一致させることは、設計上、極めて困難である。
【０００７】
このような装置において、アッベの原理を満たせず、オフセット量の影響が問題となる場合、駆動機構の位置決めの再現性の高さを前提に、移動対象の駆動によって実行される測定や加工などの作用点において、別途、レーザ干渉測長計などの上位基準となる第３の位置観測装置を用いた校正や補正の作業が必要となり、機器構成の複雑化、保守性の低下、コストの増加などの原因となっていた。
これらは、テーブル等の移動体を含む精密移動装置において問題となるだけでなく、テーブル等の移動体を駆動する装置、つまり移動対象を含まない精密送り装置においても同様に問題となる。
【０００８】
本発明の主な目的は、高精度な位置検出に基づく高精度な移動および位置決めが可能な精密送り装置および精密移動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の精密送り装置は、ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体を前記移動方向へ駆動する精密送り装置であって、
前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の精密移動装置は、ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体と、前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする。
【００１１】
このような構成では、移動体が駆動体を介して駆動機構により所定の移動方向へと駆動される。駆動機構からの駆動力は駆動体の移動方向の軸線に対して対称（線対称あるいは直交面における点対称）とされ、その結果、駆動力の軸線である推力軸線と、駆動体の移動軸線とを一致させることができる。
さらに、変位検出器のレーザ光路は駆動体を貫通するように配置することで、レーザ干渉計の検出軸線を、駆動機構の移動軸線および推力軸線に一致させることができる。
なお、駆動体の移動軸線に対して対称な駆動力とする具体的構成としては、以下に述べる構成が採用できる。
【００１２】
本発明において、前記駆動源は、前記駆動体に設置された可動子と、前記駆動体を挟んで対向する少なくとも一対の固定子と、を有するリニアモータであることが望ましい。
この構成において、リニアモータを構成する可動子および固定子は、何れか一方を誘導コイル等の電機子とし、何れか他方を磁界生成用の磁石とすればよい。通常、移動する側である可動子を磁石とし、固定子を誘導コイルとすればよい。
このような構成では、駆動体に設置された可動子が駆動体を挟んで設置された固定子により推力を受けて駆動される。この際、少なくとも一対の固定子が対向配置されることにより、各固定子から可動子に作用する推力は、駆動体の中心を通る推力軸線に合成され、これにより推力軸線と移動軸線とを一致させることができる。
【００１３】
本発明において、前記固定子は、前記駆動体の周囲に筒状に配置されることが望ましい。
このような構成では、駆動体の周囲から一様な駆動力が付与され、合成される駆動力の推力軸線を、中心にある駆動体の移動軸線に一致させることが容易にできる。
このような構成としては駆動体に沿って配列された固定子の列を、駆動体の周囲に複数列配置する構成のほか、駆動体を一巡する環状の固定子を移動軸線に沿って複数配列した構成を利用することができる。
【００１４】
このようなリニアモータを採用することで、以下のような優れた効果が得られる。
すなわち、従来技術として述べたローラあるいはボールねじ等の駆動機構や伝達機構では、摩擦やロストモーションおよび転がり接触に起因する非線形な負荷変動を伴うことがあり、その解決には駆動の加減速時におけるオーバーシュートの抑制や、安定した精密位置決め制御にゲインスケジューリング法などの特殊な制御手法を必要とするといった難点がある。
これに対し、リニアモータは、基本的に固定側と可動側とが非接触なアクチュエータであり、前述した従来の伝達機構における摩擦やロストモーションなどの非線形な要素を排除することができる。
なお、リニアモータは、半導体製造装置などの精密送り装置に多く採用されているが、本発明のように、移動軸線、推進軸線および検出軸線までを全て一致させることができる構成はなく、これらの軸線を全て一致させる構成は本発明に独自のものである。
【００１５】
本発明の駆動源としてのリニアモータは、前述したように筒状に配置することが望ましいが、駆動体を挟んで対向する一対のリニアモータ構造であれば、各々の駆動力による推力軸を駆動体の中心に一致させることができ、かつ構造を簡略化して設備コストも低減できる。従って、本発明の実施にあたり、リニアモータの構成および配置は、要求される精度等に応じて適宜選択することが望ましい。
【００１６】
本発明において、前記駆動源は、前記駆動体を挟んで配置された一対の駆動ローラとしてもよい。
このような構成では、リニアモータのような非接触での駆動力伝達はできないが、駆動体に対して対称に配置された一対の駆動ローラを同期回転させることで、駆動体に対して対称な駆動力を付与することができ、移動軸線と推力軸線とを一致させることができる。
さらに、一対の駆動ローラを用いた構成では、リニアモータに比べて極めて簡単な構成とすることができ、設備コストも大幅に削減することができ、用途に応じて選択すれば、各軸線の一致による十分な精度を得ることができる。
【００１７】
本発明においては、前記駆動体を前記移動方向に沿って移動自在に支持するガイド機構を有することが望ましい。
このような構成では、駆動機構として非接触のリニアモータを用いる場合でも、駆動体をガイド機構で支持することができる。
ここで、ガイド機構は支持された駆動体の移動方向（案内軸線）を決定するものとなる。従って、ガイド機構においては、設置方向を精密に調整することが望ましく、かつガイド機構としても、駆動体の周囲に筒状あるいは環状に形成されるなど、案内軸線が駆動体に要求される移動軸線に一致するように調整することが望ましい。
【００１８】
本発明において、前記駆動体は、前記移動体に接続される側の先端が閉鎖され、前記先端の内側には前記レーザ光路に直交する反射面を有する構成とすることができる。
ここで、反射面としては、レーザ干渉計からのレーザ光を適切に反射できるものであればよく、高精度の平滑面のほか、コーナーキューブなどの再帰反射性の反射体を用いることができる。
このような構成では、レーザ干渉計から駆動体内のレーザ光路に送られたレーザ光は、反射面で反射してレーザ干渉計に戻され、これにより検出軸線と駆動体の移動軸線および推進軸線との一致を図ることができる。
この際、駆動体の先端は閉鎖されているため、レーザ光路を高真空とすることができるとともに、レーザ光路が駆動体の先端までで完結するため、駆動体の先端より先の、移動体との接続には任意の形式の継手あるいは接続手段を用いることができる。
【００１９】
本発明において、前記移動体と前記駆動体とを接続する継手を有し、
前記継手は、前記移動体に接続されかつ前記移動方向と直交する移動側対向面と、前記駆動体に接続されかつ前記移動側対向面に対向する駆動側対向面と、前記移動側対向面および駆動側対向面の間に形成される静圧隙間に加圧された流体を導く流体供給路と、負圧源に連結され前記静圧隙間から前記流体を排出する流体供給路と、を有する給排静圧継手であり、
前記レーザ光路は、前記駆動体ないし前記駆動側対向面を貫通しかつ前記移動側対向面を反射面とすることが望ましい。
【００２０】
このような構成では、駆動機構により駆動体を駆動することで、駆動体および継手を介して移動体が移動される。継手として、給排静圧継手を用いることで、駆動源からの振動の影響を回避し、かつ移動方向のみの駆動による高精度な移動が行われる。
移動体の移動は変位検出器により検出される。変位検出器は、レーザ干渉計による高精度を有するとともに、駆動体を貫通するレーザ光路によりオフセット誤差を回避できるため、移動体の位置決め精度を高めることができる。
なお、給排静圧継手で用いる流体としては、空気その他の気体のほか、液体も利用可能である。ただし、空気を用いれば、その確保および装置の保守が容易であるうえ、漏洩しても問題が生じない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態の全体構成を示す模式図。
【図２】本発明の第２実施形態の全体構成を示す模式図。
【図３】前記第２実施形態の要部を示す断面図。
【図４】本発明の第３実施形態の要部を示す断面図。
【図５】本発明の第４実施形態の全体構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
図１および図２には、本発明の第１実施形態が示されている。
図１において、本実施形態の精密移動装置１は、ベース２上にテーブル機構３、駆動機構４、レーザ干渉計５を備えている。
ベース２は、安定した基礎上に固定され、上面が水平に形成されている。駆動機構４およびレーザ干渉計５は、テーブル機構３に応じた高さとなるように、支持台２１，２２を介してベース２上に支持されている。これらの駆動機構４およびレーザ干渉計５により、本発明の精密送り装置９が構成されている。
【００２３】
テーブル機構３は、移動体であるテーブル３１を支持するものであり、ベース２に固定されたガイドレール３２を有する。
テーブル３１の下面にはガイド軸受３３が形成され、テーブル３１はガイド軸受３３およびガイドレール３２を介してベース２に支持されている。
ガイドレール３２は、所定の移動方向（テーブル３１を移動させる所期の方向）に連続して形成され、上面が水平かつ平滑とされている。
ガイド軸受３３は、ガイドレール３２の上面との間に圧縮空気を供給することによって静圧隙間を形成する空気静圧軸受であり、テーブル３１の荷重によりプリロードを得ている。
テーブル３１は、テーブル機構３により移動自在に支持され、前述した移動方向へ滑らかに移動可能である。
【００２４】
駆動機構４は、駆動体であるロッド４１を駆動するものであり、ベース２に固定されたケーシング４２を有するとともに、駆動源としてリニアモータ４４を備えている。
ロッド４１は、前述したテーブル３１の移動方向に延びる中空管状の長尺部材であり、両端（図１右側の基端および同左側の先端）がケーシング４２から突出されている。ロッド４１の先端は、継手６を介してテーブル３１に接続されている。
ケーシング４２は、ロッド４１を貫通させかつロッド４１の外周と滑らかに摺動するロッドガイド４３を２箇所に有し、これらのロッドガイド４３で支持されることでロッド４１はテーブル３１の移動方向のまま支持され、かつ長手方向に自由に移動可能とされている。これらのロッドガイド４３によりガイド機構が構成されている。
【００２５】
リニアモータ４４は、ロッド４１に設置された可動子としての磁石４５と、ケーシング４２に設置された固定子としての誘導コイル４６とを有する。
磁石４５は、環状の磁石あるいは円弧状の磁石を環状に接続したものを、各々の中心孔が揃うように複数重ねて管状にしたものであり、ロッド４１の表皮材の内側に収容される。
誘導コイル４６は、ロッド４１の外周を一巡する環状に形成され、ケーシング４２の中央に支持される。誘導コイル４６には、図示しない外部の制御装置からロッド４１の移動方向および移動速度に応じた駆動電流が供給され、これにより磁石４５および誘導コイル４６がリニアモータ４４として機能する。
これらの誘導コイル４６、磁石４５、ロッドガイド４３およびロッド４１は、互いに中心軸が一致するように配置されており、これによりリニアモータ４４としての推力軸線とロッド４１の移動軸線とが一致され、駆動体であるロッド４１への駆動力が、その移動方向である移動軸線に対して対称に作用するような構成とされている。
【００２６】
レーザ干渉計５は、本発明の変位検出器であり、受光素子およびスプリッタ等の基本構成が収容された干渉計本体５１を有し、この干渉計本体５１には光ファイバ５２を介して外部のレーザ光源５３が接続されている。
干渉計本体５１のレーザ出射口５４は、金属製のベローズ５５を介してロッド４１の基端に接続されている。前述の通りロッド４１は長手方向に進退し、干渉計本体５１に対して距離が変動するが、ベローズ５５が伸縮することで、ロッド４１と干渉計本体５１との接続が維持される。
【００２７】
ベローズ５５の内部およびロッド４１の中空部は互いに連通され、これらの一連の空間によりレーザ光路５６が形成される。
ロッド４１の先端においてロッド４１の中空部はキャップ４９により気密状態で封止されている。キャップ４９の内側には、反射面を有するミラー５７が固定されている。
これにより、レーザ出射口５４から出射されたレーザ光は、レーザ光路５６を通ってロッド４１の先端まで達し、ミラー５７で反射されたのち、レーザ光路５６を通り干渉計本体５１に戻って受光されるようになっている。
測定精度を高めるために、レーザ光路５６内は高真空状態まで減圧される。ベローズ５５は、ロッド４１の移動に伴って長手方向には伸縮可能であるが、金属製とされて径方向には所定の剛性が確保されており、内外の気圧差が大きくても圧壊することはない。
【００２８】
このような本実施形態によれば、駆動機構４によりロッド４１を駆動することで、ロッド４１および継手６を介してテーブル３１を移動させることができる。そして、テーブル３１の移動は、変位検出器であるレーザ干渉計５により検出される。
駆動機構４は、リニアモータ４４を採用することでリニアモータ機構としての基本的な高精度が得られるとともに、ロッド４１の周囲に管状に配置されたリニアモータ４４とすることで、その推力軸線をロッド４１の移動軸線と一致させることができる。これにより、推力軸線と移動軸線に関するオフセット誤差を解消し、テーブル３１の位置決め精度を高めることができる。
【００２９】
レーザ干渉計５は、レーザ干渉による高精度を有するとともに、ロッド４１を貫通するレーザ光路５６を用いた配置によりロッド４１の移動軸線およびレーザ光による位置検出軸線をテーブル３１の移動方向に一致させ、オフセット誤差を回避できるため、テーブル３１の位置決め精度を高めることができる。
従って、本実施形態によれば、レーザ干渉計５の検出軸線、駆動機構４の推力軸線、ロッド４１の移動軸線を全て一致させることができ、高精度な位置検出に基づく高精度な移動および位置決めが可能な精密送り装置９および精密移動装置１を提供することができる。
【００３０】
〔第２実施形態〕
図２および図３には、本発明の第２実施形態が示されている。
図２において、本実施形態の精密移動装置１Ａは、ベース２上にテーブル機構３、駆動機構４、レーザ干渉計５を備え、これらの駆動機構４およびレーザ干渉計５により本発明の精密送り装置９Ａが構成されている。
本実施形態の精密移動装置１Ａおよび精密送り装置９Ａは、基本的構成が前述した第１実施形態の精密移動装置１および精密送り装置９と同様であり、共通の構成については、同じ符号を用いて重複する説明を省略する。
【００３１】
図２において、ロッド４１Ａは、先端に前記第１実施形態のようなキャップ４９がなく、中央を貫通するレーザ光路５６の開口が露出され、継手６Ａの中央孔に連通されている。
すなわち、前述した第１実施形態のロッド４１が先端閉鎖型であったのに対し、本実施形態のロッド４１Ａは先端開放型とされている。
また、前述した第１実施形態の継手６がレーザ光路５６と絶縁され、任意の継手構造が採用されるものであったのに対し、継手６Ａが反射面を含む給排静圧継手とされている。
【００３２】
図３において、継手６Ａは、テーブル３１に接続される移動側部材６１と、ロッド４１Ａの先端に接続される駆動側部材６２とを有する。
移動側部材６１および駆動側部材６２は、それぞれ金属製の円盤状に形成され、一方の表面が高精度の平面となるように研磨されている。これにより、移動側部材６１の表面には移動側対向面６３が形成され、駆動側部材６２の表面には駆動側対向面６４が形成されている。
【００３３】
移動側部材６１は、水平な回動軸７１を介して支持部材７３に支持され、この支持部材７３はテーブル３１の側面に固定されている。これにより、移動側のジンバル機構が形成され、移動側部材６１および移動側対向面６３はピッチング方向に揺動可能である。
駆動側部材６２は、垂直な回動軸７２を介して支持部材７４に支持され、この支持部材７４はロッド４１Ａの先端に固定されている。これにより、駆動側のジンバル機構が形成され、駆動側部材６２および駆動側対向面６４はヨーイング方向に揺動可能である。
回動軸７１、７２は、それぞれ移動側部材６１あるいは駆動側部材６２に固定されたトラニオンピンであり、その外周を一巡するＶ溝に軸受ボールが配列され、支持部材７３、７４の受け部内周に単列深溝球軸受を構成したものであり、中心軸まわりの回転は自在であるが、軸方向への移動は規制される。
これらのジンバル機構により、ロッド４１Ａとテーブル３１との間のピッチング方向およびヨーイング方向の傾きが緩和される。なお、ロッド４１Ａとテーブル３１との間の垂直方向および水平方向の変位については、後述する継手６Ａの静圧隙間６５により緩和される。
【００３４】
継手６Ａにおいて、移動側部材６１および駆動側部材６２は互いに向かい合わせに配置され、移動側対向面６３および駆動側対向面６４の間には後述する流体によって静圧隙間６５が形成される。
通常、テーブル３１は所定の移動方向へ移動可能であり、ロッド４１Ａもこの移動方向に延びかつこの移動方向に進退駆動される。移動側部材６１および駆動側部材６２は互いの回動軸が直交しており、通常は移動側対向面６３および駆動側対向面６４がそれぞれ前述したテーブル３１の移動方向に直交する状態である。ここで、ロッド４１Ａがテーブル３１の移動方向に対して僅かな傾きを生じたとしても、前述した移動側および駆動側のジンバル機構により傾きが吸収され、前述した移動側対向面６３および駆動側対向面６４がテーブル３１の移動方向に直交する状態が維持される。
【００３５】
移動側部材６１には、流体供給路６６および流体排出路６７が接続され、静圧隙間６５への流体の供給および排出が行われる。
流体供給路６６は、流体である圧縮（または加圧）空気を移動側対向面６３の外周近傍の複数箇所に配置された（流体）絞りから静圧隙間６５へと供給する。
そして、負圧源とリンクする流体排出路６７を通って、移動側対向面６３の外周近傍の空気が供給される領域より内側の領域から空気が排出される。
これにより、流体供給路６６から静圧隙間６５の外周近傍に供給された空気は、一部が静圧隙間６５の外周から大気開放されるとともに、内側の領域では流体排出路６７から排出される。
従って、空気が排出される内側の領域は負圧領域となり、移動側対向面６３および駆動側対向面６４を近接させるような引張力が生じ、これが静圧継手としてのプリロードとなる。そして、外周近傍の空気供給領域において一定厚みの空気層が圧縮力を受け、これにより給排静圧継手が構成される。
【００３６】
駆動側部材６２には、中央に貫通孔６８が形成されている。
駆動側部材６２のロッド４１Ａ側には、金属製のベローズ７５が接続され、ベローズ７５は、ロッド４１Ａの先端のレーザ光路５６の開口の周囲に接続されている。
これらにより、ロッド４１Ａの内部のレーザ光路５６からベローズ７５の内部ないし貫通孔６８まではテーブル３１の移動方向の軸線に沿って連通されている。
【００３７】
貫通孔６８の駆動側対向面６４側近傍にはガラス製の透明板６９が設置され、この透明板６９により静圧隙間６５と貫通孔６８、ベローズ７５ないしレーザ光路５６の内部とは気密状態で遮断されている。但し、透明板６９はレーザ干渉計５のレーザ光に対して透明であり、レーザ光路５６を通って到達したレーザ光は、透明板６９を透過して移動側対向面６３で反射され、再び透明板６９を透過してレーザ光路５６に戻り、レーザ干渉計５で検出されるようになっている。
【００３８】
この際、移動側対向面６３はテーブル３１の移動方向つまりレーザ光路５６を通るレーザ光の光軸と直交状態を維持されているため、レーザ光路５６からのレーザ光を確実に反射させることができる。
一方、透明板６９は、貫通孔６８内に固定されるにあたって、テーブル３１の移動方向つまりレーザ光路５６を通るレーザ光の光軸に対して直交状態ではなく、僅かな角度傾斜した状態で固定されている。これにより、透明板６９で生じた反射成分はレーザ光軸から外れ、レーザ干渉計５に戻ることはない。
【００３９】
このような本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様な効果が得られるとともに、さらに下記の効果が得られる。
本実施形態では、継手６Ａとして直交２軸のジンバル機構を含む給排静圧継手を用いたため、駆動機構４で発生する駆動に伴う振動等の影響を回避することができ、かつテーブル３１の移動方向のみの駆動による高精度な移動を行うことができる。
また、レーザ光路５６の反射面として、移動側対向面６３を利用したため、別途のミラー等を省略できるとともに、移動体であるテーブル３１側により近い部位での反射が得られるため、検出精度を向上することができる。
【００４０】
さらに、駆動側対向面６４には、ロッド４１Ａ内から貫通孔６８まで連通するレーザ光路５６と静圧隙間６５とを気密状態に仕切る透明板６９を設けたため、静圧隙間６５の気圧とは関わりなくレーザ光路５６の減圧状態を設定することができる。このため、レーザ光路５６に要求される高真空に対して静圧隙間６５の圧力が高い場合でも、静圧隙間６５の流体がレーザ光路５６内に流入することが回避できる。
透明板６９は、レーザ光路５６を通るレーザ光の光軸に対して傾斜しているため、レーザ干渉計５の測定にあたって不必要な反射光を返す可能性を解消することができる。
【００４１】
〔第３実施形態〕
図４には、本発明の第３実施形態が示されている。
本実施形態の精密移動装置１Ｂは、基本的構成が前述した第１実施形態の精密移動装置１と同様であり、共通の構成については、同じ符号を用いて重複する説明を省略する。
なお、精密移動装置１Ｂに含まれる精密送り装置９Ａは、前述した第１実施形態と同様である。
本実施形態においては、精密送り装置９Ａとテーブル機構３とを接続するために、直交２軸のジンバル機構を含むが給排静圧式でない継手６Ｂが採用されている。
【００４２】
図４において、精密送り装置９Ａから延びる先端開放型のロッド４１Ａの先端には、前記第２実施形態と同様な支持部材７４および垂直な回動軸７２Ｂが固定されている。一方、テーブル３１の側面には、前記第１実施形態と同様な支持部材７３および水平な回動軸７１Ｂが固定されている。
本実施形態では、前記第２実施形態の移動側部材６１および駆動側部材６２に替えて、中間部材７６が設置されている。中間部材７６は、テーブル３１側が水平な回動軸７１Ｂに回動連結されるとともに、ロッド４１Ａ側が垂直な回動軸７２Ｂに回動連結されている。
回動軸７１Ｂおよび回動軸７２Ｂとしては、中心軸線まわりに回転可能であるとともに、中心軸線方向に沿って移動を許容するストロークベアリングが用いられている。
【００４３】
このような本実施形態においては、前記第２実施形態と同様な効果が得られるとともに、さらに下記の効果が得られる。
本実施形態では、継手６Ｂにおいて、水平に回動する移動側のジンバル機構および垂直に回動する固定側のジンバル機構が形成され、それぞれピッチング方向の揺動およびヨーイング方向の揺動を許容することができる。また、回動軸７１Ｂおよび回動軸７２Ｂとしてストロークベアリングを用いることで、ロッド４１Ａの移動軸線と交叉する垂直方向および水平方向の変位を許容することができる。この垂直方向および水平方向の変位への対応は、前述した第１および第２の実施形態では給排静圧式の継手６，６Ａによって行われていたものであるが、本実施形態ではストロークベアリングを用いた回動軸７１Ｂおよび回動軸７２Ｂにより対応することができる。
このような構成により、ロッド４１Ａからテーブル３１に移動軸線に沿った方向と異なる方向の力が加えられた場合でも、その伝達を緩和することができる。
【００４４】
〔第４実施形態〕
図５には、本発明の第４実施形態が示されている。
図５において、本実施形態の精密移動装置１Ｃは、ベース２上にテーブル機構３、駆動機構４Ｃ、レーザ干渉計５を備え、これらの駆動機構４Ｃおよびレーザ干渉計５により本発明の精密送り装置９Ｃが構成されている。
本実施形態の精密移動装置１Ｃおよび精密送り装置９Ｃは、基本的構成が前述した第２実施形態の精密移動装置１Ａおよび精密送り装置９Ａ（第１実施形態に対して先端開放型のロッド４１Ａとし、ジンバル機構を含む給排静圧軸受による継手６Ａとしたもの）と同様であり、共通の構成については、同じ符号を用いて重複する説明を省略する。
【００４５】
図５において、前述した第２実施形態との相違は、駆動機構４Ｃの駆動源がリニアモータでないことである。
駆動機構４Ｃは、ロッド４１Ａを駆動するために、ケーシング４２、ロッドガイド４３、駆動ローラ４４Ｃを備えている。
駆動機構４Ｃにおいて、駆動ローラ４４Ｃは、ロッド４１Ａを挟んで一対が対向配置され、これにより一対の駆動ローラ４４Ｃがロッド４１Ａに対して対称に配置されている。これらの駆動ローラ４４Ｃには、図示しない電動モータ等の動力源からの回転力が伝達機構を介して伝達され、これにより一対の駆動ローラ４４Ｃは等速で回転してロッド４１Ａに対して対称な駆動力を付与可能である。
【００４６】
このような本実施形態では、前述した第１実施形態の駆動機構４のようにリニアモータ４４による非接触での駆動力伝達はできないが、ロッド４１Ａを挟んで対向配置された一対の駆動ローラ４４Ｃを同期回転させることで、ロッド４１Ａに対して対称な駆動力を付与することができ、ロッド４１Ａの移動軸線と駆動機構４Ｃによる推力軸線とを一致させることができ、前述したレーザ干渉計５の検出軸線との一致と併せて高精度を得ることができる。
さらに、本実施形態では、駆動機構４Ｃを一対の駆動ローラ４４Ｃを用いた構成とすることで、前記第１実施形態のようなリニアモータ４４を用いた駆動機構４に比べて極めて簡単な構成とすることができ、設備コストも大幅に削減することができ、用途に応じて選択すれば、各軸線の一致による十分な精度を得ることができる。
【００４７】
〔変形例〕
本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形等は本発明に含まれるものである。
例えば、駆動機構４において、リニアモータ４４は、環状の磁石４５および環状の誘導コイル４６を用いて筒状を形成するものに限らず、磁石４５および誘導コイル４６を移動軸線に沿って配列したリニアモータ構造を、ロッド４１，４１Ａの周囲に複数配列し、全体として筒状となるように構成してもよい。
【００４８】
駆動機構４Ｃとしては、一対の駆動ローラ４４Ｃに限らず、二対以上の駆動ローラ４４Ｃを用いてもよい。例えば、上下一対の駆動ローラ４４Ｃの他に、水平に並列な一対の駆動ローラ４４Ｃを配置してもよい。このように複数対を用いることでロッド４１の支持を兼ねることができ、ロッドガイド４３の一方を省略することも可能である。
さらに、他の駆動機構として、駆動ローラ４４Ｃによる摩擦転動に限らず、送りねじ軸等の他の機構を用いてもよく、例えば送りねじ軸をロッド４１，４１Ａの両側に並列に設置し、各々による推力軸線を移動軸線に一致させてもよい。
駆動機構４とレーザ干渉計５との間のベローズ５５は、テレスコピック構造などで代替してもよい。
前記各実施形態では、テーブル３１を移動させる方向を一次元で説明したが、２系統を組み合わせて二次元的な移動を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１，１Ａ〜１Ｃ…精密移動装置
２…ベース
３…テーブル機構
４，４Ｃ…駆動機構
５…レーザ干渉計
６，６Ａ〜６Ｃ…継手
９，９Ａ，９Ｃ…精密送り装置
３１…移動体であるテーブル
３２…ガイドレール
３３…ガイド軸受
４１，４１Ａ…駆動体であるロッド
４２…ケーシング
４３…ガイド機構であるロッドガイド
４４…リニアモータ
４４Ｃ…駆動ローラ
４５…可動子である磁石
４６…固定子である誘導コイル
５１…干渉計本体
５２…光ファイバ
５３…レーザ光源
５４…レーザ出射口
５５…ベローズ
５６…レーザ光路
５７…反射面を有するミラー
６１…移動側部材
６２…駆動側部材
６３…移動側対向面
６４…駆動側対向面
６５…静圧隙間
６６…流体供給路
６７…流体排出路
６８…貫通孔
６９…透明板
７１，７２…回動軸
７３，７４…支持部材
７５…ベローズ
７６…中間部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体を前記移動方向へ駆動する精密送り装置であって、
前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする精密送り装置。
【請求項２】
請求項１に記載した精密送り装置において、
前記駆動源は、前記駆動体に設置された可動子と、前記駆動体を挟んで対向する少なくとも一対の固定子と、を有するリニアモータであることを特徴とする精密送り装置。
【請求項３】
請求項１に記載した精密送り装置において、
前記駆動源は、前記駆動体を挟んで配置された一対の駆動ローラであることを特徴とする精密送り装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れかに記載した精密送り装置において、
前記駆動体を前記移動方向に沿って移動自在に支持するガイド機構を有することを特徴とする精密送り装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかに記載した精密送り装置において、
前記駆動体は、前記移動体に接続される側の先端が閉鎖され、前記先端の内側には前記レーザ光路に直交する反射面を有することを特徴とする精密送り装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れかに記載した精密送り装置において、
前記移動体と前記駆動体を接続する継手を有し、
前記継手は、前記移動体に接続されかつ前記移動方向と直交する移動側対向面と、前記駆動体に接続されかつ前記移動側対向面に対向する駆動側対向面と、前記移動側対向面および駆動側対向面の間に形成される静圧隙間に加圧された流体を導く流体供給路と、負圧源に連結され前記静圧隙間から前記流体を排出する流体排出路と、を有する給排静圧継手であり、
前記レーザ光路を通るレーザ光は、前記駆動体ないし前記駆動側対向面を貫通しかつ前記移動側対向面で反射することを特徴とする精密送り装置。
【請求項７】
ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体と、前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする精密移動装置。
【請求項１】
ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体を前記移動方向へ駆動する精密送り装置であって、
前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする精密送り装置。
【請求項２】
請求項１に記載した精密送り装置において、
前記駆動源は、前記駆動体に設置された可動子と、前記駆動体を挟んで対向する少なくとも一対の固定子と、を有するリニアモータであることを特徴とする精密送り装置。
【請求項３】
請求項１に記載した精密送り装置において、
前記駆動源は、前記駆動体を挟んで配置された一対の駆動ローラであることを特徴とする精密送り装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れかに記載した精密送り装置において、
前記駆動体を前記移動方向に沿って移動自在に支持するガイド機構を有することを特徴とする精密送り装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れかに記載した精密送り装置において、
前記駆動体は、前記移動体に接続される側の先端が閉鎖され、前記先端の内側には前記レーザ光路に直交する反射面を有することを特徴とする精密送り装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れかに記載した精密送り装置において、
前記移動体と前記駆動体を接続する継手を有し、
前記継手は、前記移動体に接続されかつ前記移動方向と直交する移動側対向面と、前記駆動体に接続されかつ前記移動側対向面に対向する駆動側対向面と、前記移動側対向面および駆動側対向面の間に形成される静圧隙間に加圧された流体を導く流体供給路と、負圧源に連結され前記静圧隙間から前記流体を排出する流体排出路と、を有する給排静圧継手であり、
前記レーザ光路を通るレーザ光は、前記駆動体ないし前記駆動側対向面を貫通しかつ前記移動側対向面で反射することを特徴とする精密送り装置。
【請求項７】
ベースに支持されて所定の移動方向に沿って移動可能な移動体と、前記移動体に接続された駆動体と、前記駆動体を前記移動方向に沿って進退駆動する駆動機構と、前記ベースに対する前記移動体の変位を検出する変位検出器とを有し、
前記駆動機構は、前記駆動体への駆動力が前記駆動体の前記移動方向の軸線に対して対称に作用する駆動源を有し、
前記変位検出器は、前記駆動体を貫通して前記移動方向に延びるレーザ光路を有するレーザ干渉計であることを特徴とする精密移動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−７９９５０（Ｐ２０１３−７９９５０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２０６８６０（Ｐ２０１２−２０６８６０）
【出願日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【出願人】（０００１３７６９４）株式会社ミツトヨ (979)
【Ｆターム（参考）】
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