2軸ステージとは
2軸ステージ (XY軸ステージ) とは、左右方向の移動を行うX軸と前後方向の移動を行うY軸の2つの軸を持った位置決めステージのことです。
2つの軸の使用によって位置決めしやすくなる点が、2軸ステージの利点として挙げられます。2軸ステージは、一般的にそれぞれの軸方向に動くステージを重ねる形で構成されています。
ステージを案内するガイド機構やステージを移動させる送り機構の違いなどで、2軸ステージの精度や特長は異なります。
2軸ステージの使用用途
2軸ステージは、位置決めが必要となる様々な装置で使用されます。例えば、ワークの位置決めが必要となる半導体製造装置や試料の位置決めが必要になる顕微鏡などです。
ガイド機構や送り機構の違いによって低精度なものから高精度なものまで、様々な2軸ステージが存在します。また、ガイド機構や送り機構の違いによって特長も異なります。そのため、使用用途に応じた適切な精度と特長を持つ2軸ステージの選択が必要です。
2軸ステージの原理
2軸ステージは、ステージのガイド機構と送り機構を備えています。以下、それぞれの機構の代表的な方式を説明します。
1. ガイド機構
アリ溝方式
台形状のアリ溝とアリ溝に収まるアリほぞを利用したガイド機構です。アリ溝の中でアリほぞが摺動します。摩擦係数が高いため、精度の高い位置決めには不向きとなります。一方で、コストが抑えられるため、簡単な位置決めを行う用途では最適です。
クロスローラー方式
ローラーが内蔵されるスライダーとV溝が形成されるレールを利用したガイド機構です。レールに沿ってスライダーが移動するときに、V溝の側面に線接触するローラが転がります。剛性が高いのが特長です。また、低摩擦で微小な送りが可能なため、正確な位置決めにも適しています。
ボール方式
ボールが内蔵されるスライダーと、円弧状のR溝が形成されるレールを利用したガイド機構です。レールに沿ってスライダーが移動するときに、R溝の側面に接触するボールが転がります。
R溝とボールとの接触が良く、あらゆる方向の荷重に対して安定した負荷能力がある点が特長です。移動精度もクロスローラー方式と大きな差はなく、正確な位置決めにも適しています。
2. 送り機構
ラック＆ピニオン
ラックギアが形成されるレールとピニオンと呼ばれる歯車を利用した送り機構です。素早くステージを送ることができるのが特長ですが、高精度な位置決めには不向きです。
送りねじ
おねじとめねじを利用したねじ方式の送り機構です。例えば、ボールねじがこの送り機構に該当します。ねじのピッチの分解能でステージを送ることができるので、細かな送りが可能ですが、送りの速度は遅く、長いストロークでの位置決めには不向きです。
マイクロメータ
送りねじよりも細かな精度での送りが可能なねじ方式の送り機構です。内部の構造は送りねじとほぼ同じです。目盛りがついているため、正確な移動量を把握できます。こちらも送りの速度は遅いため、長いストロークでの位置決めには不向きです。
上記のようなガイド機構と送り機構から、用途に合わせた組み合わせを選択して、2軸ステージを構成します。2軸ステージは、手動で操作するものに限らず、各軸の駆動をモーターで行うものもあります。
この場合、位置決めの精度は、送り機構の精度と駆動用のモーターの分解能によって決まるため、モーターの仕様選定も重要です。一般的に、精密な位置決めが必要となる場合には、サーボモーターもしくはステッピングモーターが使用されます。
2軸ステージの構造
2軸ステージは、一般的にベースとX軸のステージとY軸のステージを持っています。Y軸のステージはベースに対してY方向 (前後方向) に移動可能で、X軸のステージはY軸のステージに対してX方向 (左右方向) に移動可能です。
例えば、送り機構が送りねじである場合、Y軸の送り機構のおねじはベースに取り付けられ、Y軸の送り機構のめねじはY軸のステージに取り付けられています。また、X軸の送り機構のおねじはY軸のステージに取り付けられ、X軸の送り機構のおねじはX軸のステージに取り付けられています。
Y軸の送り機構によってベースに対してY軸のステージがY方向に送られると、X軸のステージも一緒にY方向に移動する仕組みです。X軸の送り機構によってY軸のステージに対してX軸のステージがX方向に送られると、X軸のステージのみがX方向に移動します。
参考文献
https://jp.misumi-ec.com/maker/misumi/mech/product/xy/faq/faq01.html
https://www.shodensha-inc.co.jp/solution/what-is-xy-stage/