位置決めステージとは
位置決めステージ (英: positioning stage) とは、位置決めが可能な台のことです。
モータとボールネジなどを組み合わせた構造が多く使われ、位置決めステージは、移動する部分です。位置決めステージは、精密な位置決めを行うことができます。
半導体やディスプレイ関連などの製造や検査をはじめとして、精密加工の分野において様々な用途で使用されます。xyステージは、2次元で自由な動きを可能にするなど、ステージの種類によって特性を活かした用途で使用されます。
位置決めステージの使用用途
位置決めステージは、精密機器の分野において位置決めを行うために使用されます。具体的には、半導体やプリント基板などの分野で、検査・加工装置用、露光・高精度検査装置用、ウエハ・基板の高速位置決めなどの用途です。
また、液晶の検査装置、レーザー関連装置、基板の移載装置・精密検査装置、基板と加工ヘッドの高精度位置決め、カメラやファイバのアライメント、試料の検査・分析治具などにも用いられます。ステージを目標位置に分解能単位で精密に移動させることで、定められた加工・検査・移動などが可能になります。
位置決めステージの原理
位置決め装置は、駆動するアクチュエータ、アクチュエータが動作するための信号を制御する制御装置、移動体であるステージ、ステージを支えるガイドなどから構成されます。高い精度を保持しながら高速で作業を行えるように、移動体である位置決めステージの振動などが小さくなるよう特性や制御機能を充実させなければなりません。
閉ループ制御やオープンループ制御、セミクローズド制御などの制御方式を用いることで、ステージの移動誤差を計測して目標位置に部品を移動させます。この際、アッベの原理を利用して測定誤差を小さくします。アッベの原理とは、「測定精度を高めるためには、測定対象物と測定器具の目盛を測定方向の同一線上に配置しなければならない」ことです。
位置決めステージの種類
位置決めステージには、1軸型、2軸直交型、3軸直交型、回転型、組合わせ型などがあります。
1. 1軸～3軸型
1軸型は、最もシンプルな構成で、x1方向のみの移動が可能です。縦方向のz型もあります。2軸直交型は、xy2方向またはx方向とz方向に移動できるタイプです。
3軸直交型は水平xy2方向に、縦z方向を加えたもので、構造が複雑です。
2. 回転型・組合せ型
回転型は、回転運動θのみが可能なタイプです。組合せ型は、回転型に1軸・2軸の移動を加えたx-θ,z-θ,xy-θ型などです。
位置決めステージの構造
1. ボールねじ
回転モータと組む合わせて、多く使われます。ボールがねじ溝を循環することで、摺動ねじに比べ大幅に摩擦が減り、軽く動きます。
2. リニアガイド
リニアガイドは、ステージを支持するガイドです。アリ溝、クロスローラ、ローラウェイ、ボールウェイ、ボールブッシュ、回転ベアリングなど、多くの種類があります。
移動精度に優れ、耐荷重が大きく、剛性が高い方式を選択する必要があります。
3. 制御装置
位置決めステージの制御装置には、オープンループ制御、セミクローズド制御、フルクローズド制御などが使用されます。
位置決めステージのその他情報
1. 位置決めステージの方式
ステージの位置決めをする方法は、間欠位置決め方式と連続位置決め方式があります。間欠位置決め方式はある地点から出発して、途中の経路や時間を問わないで、目標の地点に停止させる方法です。
連続位置決め方式は、移動途中の経路や時間を測定しながら、目標点に停止させる方法です。
2. 位置決めステージの稼働方式
位置決めステージの駆動は、回転モータ、リニアモータが主力です。圧電素子を使う方法もあります。空気や油圧を使う方法は、少なくなっています。
回転モータ
回転モータは、サーボモータとボールねじの組み合わせが多く使われます。
リニアモータ
リニアモータには多くの利点があり、具体的には高速が可能でコンタミの問題がないこと、構造が簡単で騒音が少なくなることなどが挙げられます。
そのほか、剛性も大きくできます。ただし、ステージの位置検出が必要でコスト高の要因になるのが欠点です。また、発熱が大きいので冷却装置が必要になる場合があります。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe/77/7/77_7_656/_pdf
https://www.ntn.co.jp/japan/products/catalog/pdf/6104.pdf
https://jp.misumi-ec.com/tech-info/categories/machine_design/md05/d0015.html
https://www.shi.co.jp/products/precision/position/