JP4353702B2 - くさび形のガイドを有する移動段を備えた、物体の測定又はマシニングのための装置 - Google Patents

Description

本発明は、物体の測定又はマシニングのための装置であって、当該装置は、当該装置のフレームに対して移動させられるべき当該装置の部分の少なくとも1つの座標方向への並進移動のための移動段を備え、前記移動段は、
*当該装置の支持面に載せられた2つの支持用くさび形移動ガイドであって、これらガイドのそれぞれはくさび面を備え、これらガイドは該ガイドのくさび面が互いに対向するように配置される、くさび形移動ガイドと、
*当該装置の前記移動されるべき部分に接続されており、前記移動ガイドの前記くさび面と協働する2つのくさび面を備えた移動部材であって、前記協働の結果として前記移動ガイドの前記くさび面によって支持される、移動部材と、
を含み、
*当該装置は、前記2つの移動ガイドの移動を、前記移動ガイドの前記くさび面の互いに対する方向が保たれたままで前記くさび面間の距離が変化するような態様で行うための駆動手段を備える、
装置に関する。

この種類の装置は、例えば、部品取付装置、集積回路の製造のためのウェーハステッパ、プリンタ、又は、測定されるべき物体の形状を決定するための座標測定装置において用いられることができる。装置のフレームに対して移動されるべき装置の部分は、一般に、該装置によってマシニング又は測定されるべき物体のための物体キャリアである。しかし、代わりにこの物体が、測定又はマシニング動作の最中に装置に対して固定位置を占めることも可能である。その場合、装置の移動されるべき部分は、測定プローブ又はマシニングツール(例えばカッター)である。

この種類の装置に用いられる移動段は、"Micro-Controle, Member of the Newport Group"により発行された"Motion Control 1997 Product Catalog"から知られている。引用された文書の特にページ2〜38に説明される移動段は、そこで、"UZM Series Motorized Vertical Translation Stages"と呼ばれている。この公知の移動段の2つの支持用移動ガイドの2つのくさび面は、合わせて、V型の断面を有する溝を形成する。移動部材のくさび面が移動ガイドのくさび面に載せられ、移動部材は前記溝に配置される。このように、移動部材は移動ガイドのくさび面によって支持される。この移動部材をこの公知の移動段の1つの座標方向(例えば垂直方向)に移動させるために、移動ガイドは、送りネジの形の駆動手段によって互いに対して水平方向に移動する。2つの移動ガイドの移動は、前記くさび面の互いに対する方向が保たれたままで前記移動ガイドのくさび面間の距離が変化するような態様で行われるので、V型の溝は、その方向を変えることなく幅がより広く又はより狭くなる。移動部材が所望の方向に垂直な望ましくない方向にも移動してしまうのを防止する1つの方法は、一方の移動ガイドが、他方の移動ガイドの移動と等しいが方向が反対の移動をすることである。他の方法は、ハウジング中で、移動ガイド及び移動部材によって形成されるアセンブリをガイドすることである。

物体の測定又はマシニングのための装置、特に高精度移動のためのこの種類の装置に関する技術分野において、多くの場合、複数の座標方向への制御された移動の必要性がある。公知の移動段が用いられる場合、スタックの各段が他の2つの座標方向に垂直なそれぞれの方向への移動を与えるように複数の段を積み重ねることによって、所望の効果は達成されることができる。このように、x方向の移動、y方向の移動及びz方向の移動が3つの行程を用いることにより実現されることができ、3つの移動の各々には個別の(即ち他の各移動の大きさには依存しない)大きさを与えることができる。

しかし、移動段の前記積み重ねは、このようなスタックによって支持される装置の部分の位置的不確定性が増加する構造を生じる。このような位置的不確定性は、中でも、スタックの各移動段の無限でない剛性による位置的不確定性の累積によって、また、移動段の部品の幾何学的なずれの累積によって生じる。更に、このようなスタックの寸法は比較的大きく、モータ等の駆動手段を移動させることも必要であるので、供給ケーブルにより力が生じ、追加の質量が移動されなければならない。

本発明の目的は、示された種類の装置であって、無限でない剛性による位置的不確定性の累積が大きく低減され、比較的小さな構成が可能であるような装置を提供することである。

このために、本発明による装置は、前記駆動手段を制御するための制御手段を備え、前記駆動手段及び前記制御手段が前記2つの移動ガイドの互いに独立した移動のために構成されることを特徴とする。移動ガイドは独立して移動可能であるので、これら移動ガイドに対して、公知の移動段におけるように、互いに等しいが方向が反対の移動を与えることができる。従って、移動部材によって形成されるV型の溝は、該溝の中心が移動することなく幅がより広く又はより狭くなる。従って、溝に載置された移動部材は公知の態様で動く、即ち、移動ガイドの移動方向に垂直に、例えばz方向に、移動する。しかし、本発明による独立した動きを利用して、移動ガイドに、互いに等しくない反対の移動を与えることも可能である。例えば、ガイドに対して同じ方向に同じ移動が与えられることができる。この場合、移動部材は、以前の方向に対して垂直な方向(例えばx方向)に移動する。このように、移動ガイドの移動の任意に選ばれた組合せを用いることにより、移動ガイドの積み重ねなしで、それゆえに、これに伴う位置的不確定性の累積なしで、あらゆる所望の移動がz方向及びx方向において実現されることができる。

本発明の好適な実施例において、移動部材のくさび面は、流体ベアリングを介して移動ガイドのくさび面に載せられる。主に空気ベアリングとして構成されるこの種類のベアリングは、一般に知られているものである。それらのベアリング剛性が非常に高くされることができることは、このようなベアリングの公知の特性である。他の公知の特性は、それらが、軽微な回転エラー動き及び／又は並進エラー動きしか呈しないということである。本発明による精密装置におけるこれらの使用は、移動ガイド上の移動部材のベアリングの無限でない剛性による装置の移動されるべき部分の位置的不確定性が大幅に低減されることができ、動きを導く際に軽微なエラーしか発生しないという利点を提供する。

本発明の他の実施例において、移動ガイドは装置の支持面に流体ベアリングを介して載せられる。これは、再び、当該装置の支持面上の移動ガイドのベアリングの無限でない剛性による装置の移動されるべき部分の位置的不確定性が大幅に低減されることができ、動きを導く際に軽微なエラーしか発生しないという利点を提供する。

本発明の更に他の実施例において、前記移動ガイドは、当該装置の支持面上で、この支持面上に設けられたリニアガイドに沿って移動可能であり、前記移動ガイドは流体ベアリングを介して前記リニアガイドに載せられる。これは、再び、装置の移動されるべき部分の位置的不確定性が、リニアガイド上の移動ガイドのベアリングの無限でない剛性のため、大幅に低減されることができ、動きを導く際に軽微なエラーしか発生しないという利点を提供する。

本発明の更に他の実施例において、前記移動部材は、前記移動ガイドに対して、前記移動部材のくさび面間の交線の方向に移動可能であり、当該装置は、前記移動を駆動するために前記移動部材と接触する駆動部材を備え、前記移動部材と前記駆動部材との間の接触は、流体ベアリングによって実現される。交線の方向の移動部材の前記移動性は、移動部材及び移動ガイドのくさび面間の流体ベアリングによって、容易に達成されることができる。これは、この種類のベアリングが、2つの面の相互移動を2つの互いに垂直な方向において可能にするためである。移動部材に対して駆動部材を固定的に取り付ける場合、移動部材を駆動するための駆動部材は、その駆動方向に垂直な方向に移動しなければならず、これにより、2つの部品間に望ましくない力を引き起こす。2つの部品間の流体ベアリングを用いることにより、移動部材の横方向の位置に関係なく、駆動部材が力を前記交線の方向のみに加えることができるようになる。

本発明の他の実施例において、前記装置の移動されるべき部分は少なくとも1つのミラー面を備え、少なくとも1つの座標方向の移動が、前記ミラー面を有するレーザ距離センサによって測定される。測定又はマシニングされるべき物体の位置の決定の精密性のためには、位置的不確定性の原因を可能な限り防止することが重要である。これは、例えば移動ガイドの位置の代わりに、装置の移動されるべき部分自体の位置を決定するのが有利であることを意味する。従って、レーザ距離センサの一部を形成するミラーは、移動されるべき装置の部分自体に設けられる。精密装置を用いるときには、必要とされる精密性だけでなく、測定されるべき最大寸法、即ち装置の測定範囲も重要である。本発明に従って、100mmの測定範囲が、非常によく実現されることができる。このような測定範囲の場合に、装置の移動されるべき部分によって達成されるべき位置的精密性を有する、適切な測定のために(即ち、測定自身による重大な付加的な不確実性の導入を防止するために)、移動の決定のためにはレーザ距離センサが選択される。

本発明は、図を参照して以下で詳細に説明され、ここで、対応した要素は対応した参照番号によって示される。

図1は、現状技術から一般に知られている、物体の測定又はマシニングのための装置を示す。 この装置は、ベースプレートの形のフレーム2を含む。図1に示される装置は、物体の測定のために構成されると仮定される。測定されるべき物体は、ベースプレート2に配置されることができ、物体の形状及び／又は寸法は、測定プローブ4によってスキャンすることによって決定される。一般的に言って、物体が、装置に対して固定された測定プローブに対して移動することができ、又は、測定プローブが、装置に対して固定された物体に対して移動することができる。図1は、後者の状況を指す。従って、この場合は、装置のフレーム2に対して移動されるべき装置の部分は測定プローブ4である。測定プローブは3つの互いに垂直な座標方向x、y及びzに移動可能であり、この移動は、x方向、y方向及びz方向の移動のための3つの互いに独立した移動段6、8及び10のアセンブリによって実現される。測定プローブの位置を決定するために、x方向、y方向及びz方向のそれぞれに、3つの光学定規14、16及び18が設けられる。測定プローブ4は、移動部材12に取り付けられている。それぞれの移動段の所望の移動を実現するために、これら段の移動のための駆動手段(図示されない。例えばリニアモータ)が設けられてもよい。測定プローブ4の位置は、個々の段6、8及び10の位置の合計によって決定される。しかし、段の位置のこの加算のため、測定プローブ4の位置的不確定性は、アセンブリの各段6、8及び10の無限でない剛性による位置的不確定性の合計によっても、また、各段の部品の幾何学的なエラーの追加によっても生じる。更に、このようなアセンブリは、例えばz段の寸法によって示されているように比較的大きい寸法を有する(この段の移動範囲がこれに更に追加されなければならないということに注意されたい)。

図2は、本発明による移動段の重要な要素の概略の表示である。図2-aは、移動段及び測定プローブを有する本発明による装置の概略の正面図である。図2-aで示す装置は、支持面20と測定プローブ4のためのキャリア22とを有するフレーム2を含む。支持面20上には、2つのくさび形の支持用移動ガイド24及び26が配置され、これらはそれぞれくさび面28及び30を備え、これらのくさび面は、互いに対向するように配置される。移動ガイド24と26との間に移動部材32が配置される。この部材は、移動ガイド24及び26のくさび面28及び30とそれぞれ協働する2つのくさび面34及び36を備える。この協働は、移動部材32が移動ガイド24及び26のくさび面28及び30によって支持されることを保証する。

移動部材32には、装置で測定されるべき物体37を運ぶための物体キャリア34が取り付けられる。物体キャリアは、3つの互いに垂直に広がる面として構成され、この外面のそれぞれは、レーザ距離センサ(図示せず)により物体キャリアの位置を決定するためのミラーを備え、この3つのミラーのうちの2つ(ミラー38及び40)のみが示される。移動部材32は、z位置を測定するレーザビームの通過のための比較的大きい開口部42を備える。各移動ガイド24及び26も、それぞれ、前記レーザビームの通過のための開口部44及び46を備える。これらの開口部は、図2-cを参照して詳細に後述するように比較的小さい寸法を有する。移動ガイド24及び26、移動部材32並びに支持面20によって形成されたアセンブリは、移動段48を構成する。本実施例において、装置の移動されるべき部分は、移動部材32及び物体キャリア34の組合せによって形成される。

移動ガイド24及び26の移動のために駆動手段が設けられるが、これらは更に説明されることはなく、図の矢印50及び52によって概略的に表される。このような駆動手段は、リニア電気モータ又は液圧ドライブ等のあらゆる適当な形式を有していてもよい。駆動手段50と52とは互いに独立している、即ち、移動ガイド24のx方向の移動は移動ガイド26の位置に独立して起こることができ、その逆も可能である。移動ガイド24及び26としてくさび形状を選択したため、それらのくさび面の互いに対する方向が保たれたままで、くさび面28と30との間の距離が支持面20上のx方向の移動中に変化することができる。駆動手段50及び52は、あらゆる適切な方法で制御されることができ、好適には、駆動は、適切にプログラムされたコンピュータ54の管理下で起こる。

移動ガイド24及び26は、公知の流体ベアリングによって支持面20にジャーナルされる。移動部材32もまた、流体ベアリングを介してウェッジ面28及び30に載せられる。この種類のベアリングは、図2dを参照して概略的に後述する。

移動ガイド24及び26が本発明に従って駆動されると、移動部材32の移動は、z方向に、また、x方向に、実現されることができる。前者(z方向)の移動のために、移動ガイド24及び26の駆動は、等しい大きさだが反対方向の移動、例えば互いに向かう方向の移動、を実行するような態様で制御される。その結果、移動部材32は正のz方向に移動する。後者(x方向)の移動のために、移動ガイド24及び26の駆動は、等しい大きさで同一方向の移動、例えば正のx方向の移動、を実行するような態様で制御される。その結果、移動部材32は正のx方向に移動する。明らかに、前者及び後者の移動のあらゆる組合せが可能である。

図2-bは、移動ガイド(例えばガイド26)の1つの側面図である。この図は、この部品のx方向の移動が如何に実現されるかを示す。長方形の断面を持つリニアガイド56が支持面20に設けられ、対応する凹部が移動ガイド26に設けられる。移動ガイドは、流体ベアリングを介してリニアガイドに載せられる。

図2-cは、移動ガイド(例えばガイド26)の1つの平面図である。この図は、距離センサのレーザビームの通過のための開口部46を示す。本発明による構成の使用により、比較的小さな開口部を利用することが可能になるため、移動部材32のy方向への移動が前記流体ベアリングによって可能になり、この目的のためにはガイド24及び26のy方向への移動が必要ではないということに注意されたい。これは、この移動成分が、移動部材32のy方向への移動によって実現されるためである。後者の部材は、レーザビームのための比較的大きな開口部42を備えることができ、流体ベアリングによるこの部材の支持がこれによって妨げられることはない。これは、このような支持がくさび面34及び36で起こるためである。

図2-dは、くさび面36が見える移動部材32のより詳細な斜視図であり、このくさび面36は、移動ガイド26(図2a)の対応したくさび面30上の流体ベアリングのための要素を備えている。流体ベアリングは4つのベアリング領域58a〜58dを有し、これらのそれぞれは、(例えば空気)圧力を加えてベアリングギャップに流体を供給するための多くの供給ホール60a〜60dを備える。ベアリング領域の表面は、この領域の周りの溝(例えば62)によって規定される。更に、くさび面36は予圧領域64を備え、この予圧領域64においては、予圧領域64の周りに広がる溝66に設けられた放出口を介して負圧が生じる。予圧領域64の表面は、溝62、溝66及び中間領域の組合せによって公知の態様で規定される。流体ベアリングのためにくさび面36に作用する力(即ち、4つのベアリング領域58によってくさび面の方向に加えられる4つの力及び予圧領域64によってくさび面から離れる方向に加えられる1つの力)によって、移動部材32には回転モーメントが一般に生じる。このような回転モーメントは、この部材の位置決めの精度に対して悪影響を有する。この部材の対称的なくさび形状のため、 このようなモーメントは互いを打ち消すという利点が達成される。

図2-eは、移動部材32のy方向への駆動のための流体ベアリングの概略の表示である。この図の右側の部分は、図2aと同じ方向から見た図である。即ち、くさび面34及び36を備えた移動部材32の前面が図の面に対して垂直に延びる。図2の左側の部分は、前記前面と協働すると共に流体ベアリングのために必要な要素を備えた面68を示す。このような流体ベアリングは、図2dを参照して既に説明されており、更に詳しく説明される必要はない。面68は、y方向の移動、即ち図の面に対して垂直な方向の移動を駆動するために、駆動部材70の移動部材32(図3a、3bを参照)と接触する部分を形成する。面68の形状が、移動部材32の正面に、即ち中央位置に、示される。移動部材32は、y方向と同様にx方向にも移動することができる。この動きは、y方向に対しては駆動部材によって妨げられるべきでない。この所望の効果は、移動部材32の正面と駆動部材70との間の接触が流体ベアリングを介して実現されることにより達成される。

図3は、図3-a及び3-bから成る。図3-aは、本発明による装置の第1の斜視図である。図3-bは、本発明による装置の第2の斜視図であり、レーザ距離センサのより良い図を与えるために、(図3-aと比較すると)多くの要素が省略されている。図3は、移動部材32のy方向移動を駆動するための駆動部材70を示す。また、移動ガイド24及び26並びに移動部材32の組合せによって形成される移動段48が示される。このアセンブリは、堅固な支持フレーム72に構成される。レーザ距離測定のシステムも、示される装置の一部を形成する。このシステムは、図2-aを参照して既に説明された3つのミラーを有し、これらミラーの各々は、物体キャリア37の外側のそれぞれの座標面に位置している。各ミラーには、それぞれのレーザ光源74a、74b及び74cが関連している。これらの光源は別個のレーザであってもよいが、また、例えば光ファイバを介して各ミラーにレーザ光が導かれる単一のレーザによって形成されてもよい。このようなレーザ光源及びミラーを用いて、物体キャリアの位置の正確な決定のための公知の干渉原理に基づいて動作するレーザ距離センサが形成される。レーザ距離センサから導かれる信号はコンピュータ54に加えられ、このコンピュータが、この信号に基づいて、駆動部材が所望の位置に到達するように駆動手段を制御する。

現状技術による移動段の原理を概略的に示す。 本発明による測定又はマシニング装置の構造を概略的に示す。 本発明によるリニアガイドを備えたくさび形の移動ガイドの側面図である。 本発明によるくさび形の移動ガイドの平面図である。 本発明による移動部材の斜視図である。 y方向駆動のための流体ベアリングの概略の表示である。 本発明による装置の第1の斜視図である。 本発明による装置の第2の斜視図である。

Claims (6)

1. 物体の測定又はマシニングのための装置であって、当該装置は、当該装置のフレームに対して移動させられるべき当該装置の部分の少なくとも1つの座標方向への移動のための移動段を備え、前記移動段は、
   *前記フレームに含まれる当該装置の支持面に載せられた2つの支持用くさび形移動ガイドであって、これらガイドのそれぞれはくさび面を備え、これらガイドは該ガイドのくさび面が互いに対向するように配置される、くさび形移動ガイドと、
   *当該装置の前記移動されるべき部分に接続された移動部材であって、前記移動ガイドの等しい大きさの反対方向又は同一方向の移動によって、前記移動部材が前記移動ガイドの移動方向と垂直又は平行に移動するように前記移動ガイドの前記くさび面と協働する2つのくさび面を備え、前記協働の結果として前記移動ガイドの前記くさび面に載せられるとともに、前記移動ガイドの前記くさび面により形成される溝に配置され、前記移動部材には前記装置で測定されるべき物体を運ぶための物体キャリアがとりつけられ、前記装置の移動されるべき部分は、前記移動部材及び前記物体キャリアの組み合わせによって形成される、移動部材と、
   を含み、
   *当該装置は、前記2つの移動ガイドの移動を、前記移動ガイドの前記くさび面の互いに対する方向が保たれたままで前記くさび面間の距離が変化するような態様で行うための駆動手段を備える、
   装置において、
   前記駆動手段を制御するための制御手段を備え、前記駆動手段及び前記制御手段は、前記2つの移動ガイドの互いに独立した移動のために構成され、
   *前記移動部材は、前記移動ガイドに対して、前記移動部材の前記くさび面間の交線の方向に移動可能であり、
   *当該装置は、前記移動部材の移動を駆動するために前記移動部材と接触する駆動部材を備え、
   *前記移動部材と前記駆動部材との間の前記接触は、流体ベアリングを介して実現されることを特徴とする装置。
2. 請求項1に記載の装置において、前記移動部材の前記くさび面は、流体ベアリングを介して前記移動ガイドの前記くさび面に載せられる、装置。
3. 請求項1又は2に記載の装置において、前記移動ガイドは、流体ベアリングを介して前記装置の前記支持面に載せられる、装置。
4. 請求項の1乃至3の何れか1項に記載の装置において、前記移動ガイドは、当該装置の前記支持面上で、この支持面上に設けられたリニアガイドに沿って移動可能であり、前記移動ガイドは流体ベアリングを介して前記リニアガイドに載せられる、装置。
5. 請求項の1乃至4の何れか1項に記載の装置において、当該装置の前記移動されるべき部分は少なくとも1つのミラー面を備え、少なくとも1つの座標方向の前記移動が、前記ミラー面を有するレーザ距離センサによって測定される、装置。
6. 請求項1乃至5の何れか1項に記載の物体の測定又はマシニングのための装置に適した移動段。

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