リニアステージ

リニア ステージまたは移動ステージは、物体を単一の運動軸に制限するために使用される精密運動システムのコンポーネントです。リニア スライドという用語は、「リニア ステージ」と互換的に使用されることがよくありますが、技術的には「リニア スライド」はリニア ステージのコンポーネントの 1 つであるリニア モーション ベアリングを指します。すべてのリニア ステージは、プラットフォームとベースで構成され、何らかのガイドまたはリニア ベアリングによって結合され、プラットフォームがベースに対して直線運動に制限されます。一般的な用法では、リニア ステージという用語には、プラットフォームの位置をベースに対して制御するメカニズムが含まれる場合と含まれない場合があります。

3 次元空間では、物体は 3 つの軸の周りを回転するか、その軸に沿って移動します。したがって、物体は 6 つの自由度 (3 つの回転と 3 つの移動) を持つと言われています。リニア ステージは 1 つの自由度 (1 つの軸に沿った移動) のみを示します。つまり、リニア ステージは 3 つの回転軸と 2 つの移動軸を物理的に制限して動作し、1 つの移動軸のみでの動きを可能にします。

リニア ステージは、ベースに対して移動するプラットフォームで構成されています。プラットフォームとベースは、プラットフォームの動きを 1 次元のみに制限する何らかのガイドによって結合されています。さまざまなガイド スタイルが使用され、それぞれに利点と欠点があるため、あるアプリケーションには適したガイド タイプと、他のアプリケーションには適さないガイド タイプがあります。

利点

安価です。

欠点

耐荷重性が低く、精度が低く、寿命が短い。

アプリケーション

光学実験室ステージ、引き出しスライド。

利点

無制限の旅行、比較的安価。

欠点

耐荷重性が低く、摩耗が早く、ベアリングが循環する際に位置決め荷重が振動します。

アプリケーション

利点

優れた精度、バックラッシュなし、摩耗なし（寿命は無限）。

欠点

移動距離が短い（曲げ範囲によって制限される）、耐荷重が低い、高価。

アプリケーション

光ファイバーの調整。

利点

高い積載容量、無制限の移動、安価。

欠点

曲げモーメントが存在する場合、拘束の影響を受けやすくなります。

アプリケーション

ラジアルアームソー、スキャナー、プリンター。

利点

最高の積載容量、無制限の移動、長寿命、低価格。

欠点

高い位置決め力が必要で、曲げモーメントが存在すると固着しやすく、バックラッシュも大きくなります。

アプリケーション

機械工場設備（例：フライス盤や旋盤テーブル）。

固定ベースに対する移動プラットフォームの位置は、通常、手動、電動、油圧/空気圧のいずれかの形式のリニア アクチュエータによって制御されます。最も一般的な方法は、プラットフォーム内のリード ナットを通過するリード スクリューを組み込むことです。このようなリード スクリューの回転は、手動またはモーターによって制御できます。

手動リニア ステージでは、通常、リード スクリューに取り付けられたコントロール ノブが使用されます。ノブには、角度位置を示すインデックスが付けられている場合があります。ステージの直線変位は、リード スクリュー ピッチによるノブの角度変位と関連しています。たとえば、リード スクリュー ピッチが 0.5 mm の場合、ノブを 1 回転させると、ステージ プラットフォームがステージ ベースに対して 0.5 mm 移動します。ノブの周囲に 50 個のインデックス マークがある場合、各インデックス区分はステージ プラットフォームの 0.01 mm の直線移動に相当します。

光学用などの精密ステージでは、リード スクリューは使用されず、代わりにステージ プラットフォーム上の硬化金属パッドに押し付けるファイン ピッチ スクリューまたはマイクロメータが使用されます。スクリューまたはマイクロメータを回転させると、プラットフォームが前方に押し出されます。スプリングは復元力を提供し、プラットフォームをアクチュエータに接触させたままにします。これにより、ステージの動きがより正確になります。垂直に取り付けるように設計されたステージでは、わずかに異なる配置が使用され、アクチュエータは可動プラットフォームに取り付けられ、その先端は固定ベースの金属パッド上に載ります。これにより、プラットフォームの重量と負荷をスプリングではなくアクチュエータで支えることができます。

一部の自動ステージでは、手動ノブの代わりに、または手動ノブに加えて、ステッピング モーターが使用されることがあります。ステッピング モーターは、ステップと呼ばれる固定増分単位で移動します。この意味では、インデックス ノブと非常によく似た動作をします。リード スクリュー ピッチが 0.5 mm で、ステッピング モーターが 1 回転あたり 200 ステップ (一般的な動作) である場合、モーターが 1 回転するたびにステージ プラットフォームが 0.5 mm 直線移動し、1 ステップごとに 0.0025 mm 直線移動します。

他の自動化ステージでは、手動制御ノブの代わりに DC モーターが使用されることがあります。DC モーターは一定の増分で動きません。したがって、ステージの位置を決定するには別の手段が必要です。ステージの内部にスケールを取り付け、スケールに対するステージの位置を測定するエンコーダーを使用して、これをモーター コントローラーに報告します。これにより、モーション コントローラーはステージを設定位置に確実かつ繰り返し移動できます。

複数の方向で位置を制御するには、複数のリニア ステージを一緒に使用します。「2 軸」または「XY」ステージは、2 つのリニア ステージから組み立てることができます。1 つのステージをもう 1 つのステージのプラットフォームに取り付けて、2 番目のステージの運動軸が最初のステージの運動軸と垂直になるようにします。多くの人がよく知っている 2 軸ステージは、スライドをレンズの下に配置するために使用する顕微鏡ステージです。「3 軸」または「XYZ」ステージは、3 つのリニア ステージを互いに取り付けて (多くの場合、追加のアングル ブラケットを使用)、すべてのステージの運動軸が直交するように構成されます。一部の 2 軸ステージと 3 軸ステージは、個別の単軸ステージから組み立てられるのではなく、統合設計になっています。一部の多軸ステージには、回転ステージや位置決めゴニオメータなどの回転要素または傾斜要素も含まれています。さまざまな方法でリニア要素と回転要素を組み合わせることで、4 軸、5 軸、および 6 軸ステージも可能です。リニアステージは、高速、高精度、高力の組み合わせを必要とするアプリケーションにおいて、 高性能な位置決めシステムの高度な形態をとります。

リニアステージは、半導体デバイスの製造プロセスにおいて、ウェーハの正確なリニア位置決めに使用され、ウェーハの誘電体マッピング、特性評価、エピタキシャル層のモニタリングなど、位置決め速度と精度が重要となります。^[1]

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