精密位置決め選定ガイド 選定時に押さえるべき5つのプロセス

精密位置決めのコンサルタントがサポート！ 精密位置決め選定ガイド ピーアイ・ジャパン株式会社 TEL: 044-280-7676

精密位置決め装置とは 精密位置決め装置とは、フィードバック制御を含んだ、あらゆる駆動 原理でのステージやアクチュエータを指します。 近年、あらゆる産業において、より精度の高い位置決め装置が求め られています。特に半導体関連装置や光学関連部品には“ナノ”レベ ルの精度が求められており、一連の要求事項から、正しい精密位置 決め装置の選択が不可欠になっています。 一方で、技術的に提案できる内容も必ずしもひとつではなくなってき ている状況の中、精密位置決め装置を供給する側として、お客様が 製品の使用を見つけるのではなく、供給する側がコンサルタントとし て、いくつかの可能性の中から、最もふさわしいソリューションを提供 する必要があります。 本冊子では、精密位置決め装置を選定するプロセスについての解説 と、弊社のヘキサポッドの特徴について、積み重ねステージとの比較 やアプリケーションの紹介を交えて解説します。

精密位置決め装置の主な用途 半導体関連装置 • 露光装置、非破壊検査装置 • シリコンフォトニクス オートメーション • レーザー加工、加工部品評価 • 精密組立て 光学関連部品 • レンズ加工、モジュール組み立て、評価 • カメラ組み立て、評価 • 顕微鏡

精密位置決め装置選定のステップ １．駆動距離はどれくらいですか？  ピエゾステージ：<2mm  ピエゾステッピングドライブ <100mm  DCモーター/Steppingモーター: 制限なし  ボイスコイル/リニアモーター:制限なし  超音波モータ：<200mm 駆動原理が少し絞られる

精密位置決め装置選定のステップ ２．精度はどれくらいですか？ 精度＝位置決め精度＆位置安定性＆繰り返し精度 繰返し再現性： × △ 〇 絶対精度： × × 〇 センサー分解能1nm  位置決め精度はその10倍くらいを見込むべき。 実際は、制御側（電流、電圧）や機械的誤差（バックラッシュ、ベアリング加工精度など）、 環境変化（温度変化による金属の変形）等も寄与 駆動距離の情報と合わせることで、検討すべき駆動原 理、エンコーダー、ガイドが少し絞られる

精密位置決め装置選定のステップ ３．荷重 ・駆動距離100um, 位置決め精度1um, 耐荷重1kg以下、 フレクシャーガイド（板ばね構造）のピエゾステージ ・駆動距離1m, 位置決め精度5um, 耐荷重10kg以下、 メカニカルガイドを使ったリニアモータステージ、または DC・Steppingモーターステージ 採用すべき駆動原理、エンコーダー、ガイドがほぼ決まる。

精密位置決め装置選定のステップ ４．環境、動作シーケンス 環境 ＝真空、非磁性、放射光（X線）下、温度、湿度、雰囲気、圧力 （標高）、ケーブル長など 動作シーケンス ＝速度、静的または動的動作、駆動周波数など 採用すべき駆動原理、エンコーダー、ガイドが決まる。 もう一度、１～４を見直す。 すべての条件が叶わない場合に、どの条件が緩和できるか 検討する必要がある。

精密位置決め装置選定のステップ ５．コントローラ １～４が確定すればコントローラが確定できます。  アナログコントローラ/デジタルコントローラ  通信方法（EtherNet, RS-232, USB, EtherCAT…）  I/O signal 製品の選定＝カタログ製品 or 特注製品の提案

ピーアイ・ジャパンのコンサルティング ピーアイ・ジャパンでは前述のプロセスを考慮して、単軸だけでなく 多軸に対するソリューションも提案が可能です。 その代表例として、モーターステージを使った積重ねでの多軸位置 決め装置に対し、ヘキサポッドと呼ばれるパラレルリンク機構を持っ た6軸制御可能な位置決め装置を紹介します。

ヘキサポッドの特徴 パラレルキネマティックと積上ステージの違い 連続的に積層したシステムの1番下の軸は、ペイロードの質量だけでなく、上にある他すべてのドラ イブの質量も移動させることになります。 パラレルキネマティック(左)と比較対象の連続積層構造(右)のモーション方向 パラレルキネマティック 連続積上設計 サイズ コンパクト構造 比較的大サイズ、ベース部に安定化機構必須 ダイナミクス/剛性 プラットフォーム搭載時 各ステージで搭載物に加えて上部に搭載されているス テージも動かすため、適切に設計する必要あり 精度 すべての動作軸で同じ 「最下部」から「最上部までの」すべての誤差が積算され、 構造の高さのため並列誤差が大きい ケーブル接続 ケーブルの移動がなく精度に影響 必須 なし コマンド PI社コントローラにより直交座標系でコマンド 軸ごとに直交座標で指定 を記録し、各ストラットのモーションに変換可 能 回転中心 PI社製ソフトウエア使用により空間内のあら 選択したステージ形状により固定 ゆる点を選択可能 ワークスペース 通常は制御あり 選択したステージ形状により固定

PI社のヘキサポッド PI社のヘキサポッドについて PI社のヘキサポッドはピエゾステージ同様独自開発はもちろんのこと、エンコーダ・ ヒンジ及びソフトウエアに関しても独自開発・自主生産をしています。そのためあら ゆるカスタマイズも対応可能です。 一見設置が複雑に見えるかもしれませんが、PI社のヘキサポッドは設置後すぐに 付属のソフトウエアPIMikroMoveにて動作が可能です。 ヘキサポッドの主な特徴 ■大口径 ■3本の直線軸、3本の回転軸 ■低移動質量、低慣性 ■加振機またはポイントtoポイントでの制御 ■軸クロストークの最小化 ■非常に優れた再現性 ■積み重ねステージに比べて狭い設置スペース ■高剛性 ■自由に定義できる安定した仮想ピボットポイント ■個々のアクチュエータに対して移動距離を指定する必要はなく、直交座標による 座標入力のみで制御 ■モーターブレーキ、アブソリュート測定に対応 BiSSインターフェース付きセンサ

製品ラインナップ 型式 H-811型 H-820型 H-825型 外観 寸法 上面：100mmΦ 底面：350mmΦ 上面：210mmΦ 底面：136mmΦ 高さ：308mm 底面：320mmΦ 高さ：114.3mm 高さ：195mm トラベル X,Y :±17, ±16mm X,Y :±50 ±50mm X,Y :±27.5, ±25mm レンジ Z:±6.5mm Z:±25mm Z:±14mm θx,θy:±10,±10° θx,θy:±15° θx,θy:±11.5,±10.5° θZ:±21° θZ:±30° θZ:±19° 最大速度 X,Y,Z : X,Y,Z : X,Y,Z :2.5/25mm/sec 20mm/sec 2.8～25mm/ sec θx,θy,θz: θx,θy,θz: θx,θy,θz: 27/ 270mrad/s 500mrad/s 25/270mrad/s 最大荷重 ５kg 20kg 30kg 自重 2.2kg 15kg 10kg 特徴 小型・高速動作 コストパフォーマンス コンパクト・ブラシレスDCモータと ブラシレスDCモータ 良 ブラシレスDCモータ アブソリュートエンコーダを使用 したバリエーション

製品ラインナップ H-840型 H-845型 H-850型 H-855型 上面：260mmΦ 上面：520mmΦ 上面：250mmΦ 上面：300～360mmΦ 底面：348mmΦ 底面：750mmΦ 底面：348mmΦ 底面：450～570mmΦ 高さ：320mm 高さ：663.5mm 高さ：328.27mm 高さ：380～450mm X,Y :±50 ±50mm X,Y : X,Y :±50 ±50mm X,Y :±10～75mm Z:±25mm ±110～170mm Z:±25mm Z:±12.5～50mm θx,θy:±15° Z:±50～105mm θx,θy:±15° θx,θy:±6.5～15° θZ:±30° θx,θy: θZ:±30° θZ:±10～30° ±15～20° θZ:±30° X,Y,Z : X,Y,Z :20～50mm X,Y,Z :6/100mm/sec X,Y,Z :2.8～25mm/sec 2.5/60mm/sec /sec θx,θy,θz: θx,θy,θz: θx,θy,θz: θx,θy,θz: 3/ 50mrad/s 25～270mrad/s 30/ 700mrad/s 50～120mrad/s 30kg 1000kg 250kg 500kg 12kg 120kg 17kg 35～45kg 高速動作・ブラシレ 最大１トンまで搭載可 ブラシレスDCモータとア 新製品 スDCモータとアブソ 能。繰返し精度： ブソリュートエンコーダを リュートエンコーダを ±0.5μm 使用したバリエーション 使用したバリエーショ ン

ソフトウェアツール 【ヘキサポッドシミュレーションツール】 パラレルキネマティックの作業空間の境界は、現在位置(並進座標および回転座標)回転中心の現在の 座標、および選択した座標系によって異なります。PI社のヘキサポッドには、これらの境界を楽に計算 でき、境界を視覚的に表示できるプログラムが別にあります。 「PIMikroMove」高速アライメントのサポート PI社の位置決め装置は「PIMikroMove」で制御可能 です。駆動原理、軸数には左右されません。接続済 みのコントローラと軸はすべて同一のインターフェー スに表示されます。複数軸を様々なコントローラで 制御し、同一ウィンドウから「PIMikroMove」を使って 制御できます。 ポジションパッドを使用すると、複数の別々の軸の モーションをマウスやジョイスティックで制御できます。 ベクトルモーションも可能です。 PIVeriMoveにおける複雑なセットアップ表現 【ヘキサポッド向けソフトウェアツール / PIVeriMove】オプション料金が発生します 限られた空間で作業する場合、モーションプラットフォームとその周辺のセットアップの両方で問題が発生 する可能性があります。実験段階のセットアップや本稼働ユニットの設計時によく注意したとしても、常に衝 突のリスクを回避できるとは限りません。「PIVeriMove」は、プローブセットアップ、その他の可動パーツ、真 空チャンバーの壁面のいずれであっても、動作範囲内に何かしらの障害物がある場合、ヘキサポッドの許 容トラベルレンジを計算します。 作成した設定は、ヘキサポッドコントローラーの幾何学計算のベースとして保存され、障害物に対する安全 な空間ができ、モーションまたはポジションコマンドごとにオンラインでチェックできます。結果、ヘキサポッド が占有できる位置の新しい境界を把握することができます。 ターゲット位置と、衝突が発生する可能性がある軌跡に沿ったすべての点が実行前に確認されます。衝突 が差し迫っている場合、動作しません。 更に安全策として余剰空間指定が可能です。余剰空間は空間の方向とは関係なく距離に加えられます。プ ラットフォームの回転の基準点となる回転中心は、いつでも変更できます。 衝突の表現(赤色の領域)

制御について システム分析のためのデータレコーダー • ユーザーが定義する周期的なモーションプロファイルを簡 単に生成できるファンクションジェネレーター • パラレルキネマティックの位置の視覚化 • コントローラーのマクロの追加機能として利用できるGCS ベースのホストマクロ • 1つのマクロで任意数のコントローラに対応可能 • デジタルピエゾコントローラのチューニングツール • スキャニングウィンドウ。1軸以上の位置に応じて値(アナ ログ入力、デジタル入力、別軸の位置など)の指定と表示 が可能 • 指定したデータ表現での高速アラインメントタスクをサ PIMikroMoveでの高速アライメントのサポート ポート データレコーダー さまざまなデータを保存、時間関数としてデータを表示、迅速な視覚化を実現。 全てのコントローラが内部データストレージを備えています。よって非常に高速な操作でも正確なストレージが可能です。 データソースおよびトリガーの種類は「PIMikroMove」のデータレコーダ画面で設定および選択できます。 典型的なデータソース： ・軸の指定された現在の位置 ・指示された軸の速度と加速度 ・軸あたりのモーター出力量 ・ステータス情報 ・アナログ入力の入力量 ・システム関連の内部信号 測定された値はPIMikroMoveのデータレコーダ画面に 即座に表示されます。優れた機能により正確な分析と 評価を直接実行できます。 データ分析に使用できる機能例： • カーソル位置での測定機能 PIMikroMoveのデータレコーダー • 最小の信号モーションにもアクセスできるズーム機能 • フィルターおよび分析機能。FFT、代数、微分、統計など • カスタマイズ可能なデータ表現オプション • csvなどの一般的なデータ形式での記録データのインポートおよびエクスポート • グラフィックファイルへのエクスポートおよび標準プリンター出力 【プログラミングサポート】 すべてのPIコントローラをアプリケーションとシームレスに統合できるよう、独自のプログラムをプログラミングできま す。そしてカプセル化された関数呼び出しの形でコントローラにアクセスできる様々なライブラリーとドライブバーを 利用できます。コントローラへの接続と通信はわずかな作業で確立できます。コントローラの通信インターフェース は問いません。PIコントローラの総合的なソフトウェアパッケージでは次のような一般的なプログラム言語に対応す るライブラリーとドライバーを利用できます。 ・C、C++、C#、VB.NET ・Python ・MATLAB ・LabVIEW Visual Basic (VB)やDelphiなどのあまり一般的ではないプログラミング言語についてはお気軽にお問い合わせくだ さい。コントローラによっては利用できない機能があります。詳細については、該当する製品のデータシートをご覧く ださい。

応用事例のご紹介 【ALMA望遠鏡配列用50のヘキサポッドシステム】 ALMA天文台の50基のアンテナは、PI社の高精度ヘキサポッドを使用して います。アタカマ砂漠の過酷な環境条件の下、電波望遠鏡の副反射鏡を 高精度に位置合わせするため採用されました。 副反射鏡の背面に6自由度を持つヘキサポッドシステムが設置され、サブ ミクロン秒角の分解能で位置決めをすることができます。低気圧、最大 50 度の温度差、強風、埃、雨、海抜5000メートルという過酷な環境条件に 適合し、高剛性で頑丈なジョイントをALMA向けヘキサポッド用に開発しま した。このヘキサポッドは、数ミリメートルまで高い精度で副反射鏡の位置 を調節することができます。 ALMA望遠鏡の副反射鏡でPIのヘキサポッドを設置するエンジ ニア 【ヘキサポッドによるモーションシミュレーション】 加振機としてのヘキサポッドは、耐振動性を評価するために使用され ます。例えば、手振れ補正の機能を持つスマートフォンや携帯電話、カ メラなどに使われる、加速度センサやジャイロセンサを持つデバイスの 評価です。 H-811ヘキサポッドは、CIPA （一般社団法人カメラ映像機器工業会） 基準に従って画像安定化システムを試験するためにカメラのぶれをシ ミュレーションします。PI社は、画像安定化システム向けにCIPAで認定 された、事前定義モーションによる高ダイナミクスシミュレーション用途 として、ヘキサポッドを提供しています。 Image Engineeringから提供されているテスト設備 (画像: Image Engineering） 【メカニカルエンジニアリングツールとしてのヘキサ ポッド】 メカニカルエンジニアリングの位置決めタスクに多軸システ ムとしてヘキサポッドを利用することができます。利用分野 としては、電子部品生産現場での精密なハンドリングシス テムや、穴あけやミリングの精密機械加工機のツールや ワークの制御、車、航空機、重機の取り付け作業が挙げら れます。

【フォトニクスパッケージング】 大容量化、高速化を求める世界のデータ需要を満たす上でシリコンフォトニクス（SiP）は不可欠な技術で す。PI社のオートメーションサブシステムにより、SiP製品のメーカーは、必要なナノスケールの精度と高 い生産スループットを維持しながら、優れたコスト効率と信頼性で新世代のフォトニクスデバイスのテスト およびパッケージングを実現しています。 この技術の鍵を握るのが複数の入出力と自由度の同時高速アライメントを自動化し、最適化を通常わず か数百ミリ秒で完了するPI社独自の機能です。その並列処理により、テストおよびパッケージングにおい てマルチチャネルSiPコンポーネントのポジショニングに従来必要だった時間のかかる反復的アプローチ が不要になり、2桁を超える時間短縮が可能になります。またモジュール型アーキテクチャを採用している ため、デバイスおよび生産アプリケーションによって要件の異なるあらゆる生産テストおよびパッケージン グのニーズに応えることができます。 自動化された組立およびアライメントシステムはシリコンフォトニクスの製造プロセスを数分に短縮するこ とができます。 しかし、デリケートな導波管の取扱い、光源の組み込み、光の入出経路の接続は非常に 難しく、大きな課題となっています。 シリコン ウエハ上の導波管の直径は150～200 nmであり、コア径が9 µm の光ファイバーと比較するとは るかにデリケートです。（50 倍の大きさ）また、大量消費市場に供給するには最速の生産速度が必要とさ れ、ハンドリング、位置決め、アライメントには最高の精度が要求されます。 PI社は、SiP製品の重要な平面テストからパッケージング工程に必要となる、高速、平行、ナノレベルの精 度、マルチ光学アライメント等の最適化に取り組んでいます。 この重要性は、2016 Photonics Prism Award“Oscars of Photonics”のファイナリストにノミネートされたこ とからもわかります。この画期的なシステムには、高速ピエゾナノポジショニングテクノロジーと斬新なアル ゴリズムで制御された超高精度モーションコントロールがインテグレーションされています。Photonics West 2015で紹介された画期的な技術は、長年に渡りフォトニクスアライメントの自動化及び基礎技術に携 わってきたPI社のエンジニアチームより開発されました。 PI社が提供しているフォトニクスアライメントシス テムは、ソフトウエア駆動ステージソリューションからアライメント機能が内蔵された６軸ヘキサポッドまで 幅広いセレクションがあり、このシステムはその一つです。 Photonics West 2015で紹介された画期的な技術は、長年に渡り フォトニクスアライメントの自動化に携わってきたPI社のエンジニア チームより開発されました。 PI社が提供しているフォトニクスアラ PI社の高速多軸フォトニクスアライメントシステムは、SPIE イメントシステムは、ソフトウエア駆動ステージソリューションから Photonics Westにて2016Prism Awardのファイナリストにノミ アライメント機能が内蔵された６軸ヘキサポッドまで幅広いセレク ネートされました。 ションがあります。