JP4335704B2 - Ｘ−ｙステージ装置 - Google Patents

Description

本発明はステージ装置に関し、特にテーブル等の被駆動物体をＸ軸方向、Ｙ軸方向に可動としたＸ−Ｙステージ装置に関する。

Ｘ−Ｙステージ装置の一例として、本発明者らにより提案されているＸ−Ｙステージ装置について説明する。このＸ−Ｙステージ装置は、特許文献１に開示されている。

図４を参照して、Ｘ−Ｙステージ装置の固定部は、上面を表面仕上げ加工して案内面としたベース２０と、ベース２０上に所定間隔をおいて固定配置されたガイドレール２１及び２２である。図４には、互いに直交し合うＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三方向が示されている。ガイドレール２１、２２はそれぞれＹ軸方向に延び、互いに対向し合う案内面２１ａ、２２ａを持つ。Ｘ−Ｙステージ装置において、案内面２１ａ、２２ａに沿ってＹ軸方向に直線案内される可動部分は、Ｙスライダ２３と、静圧軸受けパッド２５−１、２５一２、２５−３、２５−４と、静圧軸受けパッド２７−１、２７−２、２７−３である。Ｙスライダ２３は、ガイドレール２１と２２との間に架け渡して配置され、Ｘ軸方向に延びるビーム２３−１とビーム２３−１の両端にＴ形部２３−２を持つ。

静圧軸受けパッド２５−１〜２５−４はそれぞれ、Ｙ軸及びＺ軸まわりの回転２自由度を持つ継ぎ手（図示省略）を介してＹスライダ２３の２つのＴ形部２３−２の側面に設置されている。静圧軸受けパッド２５−１、２５−２はそれぞれ、案内面２１ａに圧縮空気を吹き出すためのものであり、静圧軸受けパッド２５−３、２５−４はそれぞれ、案内面２２ａに圧縮空気を吹き出すためのものである。静圧軸受けパッド２７−１、２７−２はビーム２３−１の一方のＴ形部２３−２の下面に設置され、静圧軸受けパッド２７−３はビーム２３−１の下面であって他方のＴ形部２３−２に近い場所に設置されている。静圧軸受けパッド２７−１〜２７−３はそれぞれ、ベース２０の上面に圧縮空気を吹き出すためのものである。

なお、静圧軸受けパッド２７−１、２７−２はＹスライダ２３の中心軸、すなわちビーム２３−１の中心軸に関してほぼ対称な位置に設けられる。一方、静圧軸受けパッド２７−３は、Ｙスライダ２３の中心軸に対応する箇所に設けられる。すなわち、静圧軸受けパッド２７−１〜２７−３は、それぞれの中心を結ぶ線分が二等辺三角形を形成するように配置される。

また、図４中、Ｙ軸方向に直線案内されながらＸ軸方向にも直線案内される可動部分は、Ｘスライダ２４と、静圧軸受けパッド２５−５、２５−６、２５−７、２５−８と、静圧軸受けパッド２７−４、２７−５、２７−６である。Ｘスライダ２４はビーム２３−１に沿って移動可能なようにＹスライダ２３に組み合わされている。ビーム２３−１はＸ軸方向に延びる２つの側面を持つ四角形の断面形状を有する。Ｘスライダ２４は、Ｙスライダ２３のビーム２３−１の２つの側面に対向する２つの内面を持つ略逆Ｕ形状の断面形状を有する。

静圧軸受けパッド２５−５〜２５−８はそれぞれ、Ｘ軸及びＺ軸まわりの回転２自由度を持つ継ぎ手（図示省略）を介してＸスライダ２４の２つの内面に設置されている。静圧軸受けパッド２７−４〜２７−６はそれぞれ、Ｘスライダ２４の下面に設置されている。Ｙスライダ２３においては、ビーム２３−１のＸ軸方向に延びる２つの側面がＸスライダ２４を案内するための基準面として形成されている。静圧軸受けパッド２５−５〜２５−８はビーム２３−１の側面に圧縮空気を吹き出すためのものである。静圧軸受けパッド２７−４〜２７−６は、ベース２０の上面に圧縮空気を吹き出すためのものである。

このＸ−Ｙステージ装置では、Ｙスライダ２３の駆動源として、ガイドレール２１とＹスライダ２３との間、ガイドレール２２とＹスライダ２３との間にそれぞれ構成された一対のリニアモータ３１を使用している。一方、Ｘスライダ２４の駆動源としてＹスライダ２３とＸスライダ２４との間に構成されたリニアモータ３２を使用している。リニアモータ３１、３２は同じ構造であり、周知であるのでリニアモータ３１について簡単に説明する。リニアモータ３１は、Ｙ軸方向に配列した多数の上側永久磁石とＹ軸方向に配列した多数の下側永久磁石との間にできるギャップに、Ｙスライダ２３のＴ形部２３−２から延ばした可動コイル（図示省略）を配置して成る。

Ｘ−Ｙステージ装置では、上記の構成要素の他に、各リニアモータには位置制御のための位置検出センサとしてリニアスケールとリニアセンサとの組み合わせが必要である。また、一対のリニアモータ３１を同期して駆動するための同期制御系が必要である。更に、移動するＹスライダ２３、Ｘスライダ２４のリニアモータへの電力供給線及びセンサの検出信号線、静圧軸受け用の空気配管が必要である。これらはすべて可撓性を持つように作られ、可撓性配管に収容される。そして、Ｘスライダ２４とＹスライダ２３との間がＸスライダ用の可撓性配管で接続され、Ｙスライダ２３とベース２０との間が、Ｘスライダ及びＹスライダ用の可撓性配管で接続される。

上記説明のように、従来のＸ−Ｙステージ装置では、Ｙスライダ（下軸）２３の上下方向及び水平方向の案内に複数の静圧軸受けパッドを用い、且つＸスライダ（上軸）２４の上下方向及び水平方向の案内にも複数の静圧軸受けパッドを用いて、Ｘスライダ２３に搭載されるワークテーブルの高い走り精度を得ていた。

静圧軸受けは、一般に高い走り精度（水平方向真直度や移動平面度）を得ることができるが、静止摩擦がほとんど無いため、その停止精度は制御性能に依存し、高価且つ高分解能のリニアスケールを必要としていた。このため、あえて接触摩擦を得るために静圧案内を使用せずにボールねじを使うこともあった。

高分解能のリニアスケールでは、その出力信号周波数の制約から同時に高速度を得ることは困難である。また、ボールねじでは、長ストローク化した場合に危険速度の制約から高速度を得ることは困難である。

一方、静圧案内を使わないスタック型ステージ装置の場合、ワークテーブルの高い移動平面度を得るにはＹスライダ（下軸）の走り精度を機械加工で追い込み、且つＸスライダの移動に伴って変形しないよう高い剛性を必要とするので必然的に質量が大きくなってしまう。

特開２０００−１５５１８６号公報

そこで、本発明の課題は、静圧軸受けのような高価な部品をできるだけ減らしたうえで高い停止精度を得ることのできるＸ−Ｙステージ装置を提供することにある。

本発明の他の課題は、移動平面度のばらつきを最小に抑え、且つ高い停止精度を得ることのできるＸ−Ｙステージ装置を提供することにある。

本発明の更に他の課題は、移動体の総質量を小さくし、高速／高加速を得ることのできるＸ−Ｙステージ装置を提供することにある。

本発明によれば、表面加工されたベースと、該ベース上に一軸方向に延びるように固定されたガイド部材と、該ガイド部材に前記一軸方向と直角な方向に延びるように組み合わされ、かつ該ガイド部材に沿って前記一軸方向に走行可能にされた第１のスライダと、該第１のスライダに沿って前記一軸方向に直角な方向に走行可能に該第１のスライダに組み合わされた第２のスライダとを備え、前記第１のスライダは、前記ガイド部材にころがり軸受けを介して支持されてリニアモータを駆動源として前記ベース表面から離れて走行可能に構成されており、前記第２のスライダは、前記第１のスライダとの間にころがり軸受けを介在させてリニアモータを駆動源として走行可能に構成されていると共に、前記ベース表面に対向する下面に複数の静圧軸受けが設けられていることにより前記ベース表面上をそこから浮上した状態で走行可能にされ、これによって該第２のスライダの全荷重を前記複数の静圧軸受けで支持する一方、該第２のスライダの走行を前記第１のスライダとの間の前記ころがり軸受けでガイドすることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置が提供される。

本Ｘ−Ｙステージ装置においては、前記第２のスライダの下側に、前記ベース表面に吸着可能な減圧式の吸着パッドによる少なくとも１個のブレーキ機構が設けられる。

このブレーキ機構においては、前記第２のスライダに取り付けられて前記ベース表面に接近、離反する方向に変形可能な板ばねに前記吸着パッドが取り付けられる。

本Ｘ−Ｙステージ装置においてはまた、前記ガイド部材は、所定間隔をおいて互いに平行に前記一軸方向に延びる第１、第２のガイド部材から成り、前記第１のスライダは前記第１、第２のガイド部材の間に架け渡されて、その両端部においてそれぞれ前記ころがり軸受けを介して支持される。

本発明によるＸ−Ｙステージ装置は以下のような効果を持つ。

（１）表面仕上げ加工されたベース上面を上下方向の静圧軸受けの案内面として使えるので高い移動平面度を得ることができる。

（２）ＸスライダのＸ軸方向、Ｙ軸方向の停止時に、ころがり案内の摩擦力により高い停止精度を得ることができる。

（３）摩擦力でＸスライダ停止時の整定性を得られるので、高分解能な位置センサを必要としなくなり、高い移動速度を得ることができる。

（４）図４で説明したＸ−Ｙステージ装置に比べて多数の静圧軸受けパッドを省略することで移動体の質量を軽くできるので、リニアモータの推力に対し高加速度を得ることができる。

（５）案内系に静圧案内ところがり案内を複合させているので、全て静圧案内とする場合より低コストを達成できる。

図１、図２を参照して、本発明によるＸ−Ｙステージ装置の好ましい実施の形態について説明する。

図１、図２において、本Ｘ−Ｙステージ装置は、上面を表面仕上げ加工して案内面としたベース１００が架枠２００に固定されている。ベース１００は、通常、石定盤が用いられる。本Ｘ−Ｙステージ装置の固定部は、ベース１００と、ベース１００上に所定間隔をおいて固定配置されたガイドレール１１０及び１２０（第１、第２のガイド部材）である。図１には、互いに直交し合うＸ軸、Ｙ軸の二方向が示されている。ガイドレール１１０、１２０はそれぞれＹ軸方向に延びている。このＸ−Ｙステージ装置において、ガイドレール１１０、１２０に沿ってＹ軸方向に直線案内される可動部分は、Ｙスライダ１３０である。Ｙスライダ１３０は、ガイドレール１１０と１２０との間に架け渡して配置され、Ｙスライダ１３０の両端部とガイドレール１１０、１２０との間にそれぞれ介在するように設けられたころがり軸受け１１１、１２１によりＹ軸方向に走行可能に支持されている。Ｙスライダ１３０は、ベース１００の上面から離れて走行する。

また、図１中、Ｙ軸方向に直線案内されながらＸ軸方向にも直線案内される可動部分は、Ｘスライダ１４０と、静圧軸受けパッド１４１、１４２、１４３である。Ｘスライダ１４０はＹスライダ１３０に沿って移動可能なようにＹスライダ１３０に組み合わされている。つまり、Ｙスライダ１３０は、Ｘ軸方向に延びるガイドレール１３１を有する。このガイドレール１３１とＸスライダ１４０との間に、前述したころがり軸受け１１１、１２１と同様のころがり軸受け（図示せず）が介在するようにされていることにより、Ｘスライダ１４０はＹスライダ１３０に沿って移動可能にされている。

静圧軸受けパッド１４１〜１４３は、それぞれＸスライダ１４０の下面に設置され、ベース１００の上面に圧縮空気を吹き出すことにより、Ｘスライダ１４０をベース１００の上面から浮上させて移動可能にするためのものである。この浮上量は、数十μｍ以下である。言い換えれば、静圧軸受けパッド１４１〜１４３は、Ｘスライダ１４０及びこの上に搭載されるワークテーブル及びワーク（いずれも図示省略）の全荷重を支えつつこれらを移動可能にするものである。静圧軸受けパッド１４１〜１４３は三角形の頂点に対応する位置に配置されるが、三角形の形状は静圧軸受けパッド１４１〜１４３の支える可動部分の重心位置に応じて決定される。ここでは静圧軸受けパッド１４１〜１４３は二等辺三角形の頂点に対応する位置に配置されている。

図４で説明したＸ−Ｙステージ装置と同様、このＸ−Ｙステージ装置においても、Ｙスライダ１３０の駆動源として、ガイドレール１１０に隣接してＹ軸方向に延びる固定部１５１とＹスライダ１３０の一端部との間、ガイドレール１２０に隣接してＹ軸方向に延びる固定部１６１とＹスライダ１３０の他端部との間にそれぞれ構成された一対のリニアモータ１５０、１６０を使用している。一方、Ｘスライダ１４０の駆動源としてＹスライダ１３０とＸスライダ１４０との間に構成されたリニアモータ１７０を使用している。

リニアモータ１５０、１６０、１７０は同じ構造であり、周知であるのでリニアモータ１５０について簡単に説明する。リニアモータ１５０は、Ｙ軸方向に延びる固定部１５１に互いに対向し合うように２列に配列された多数の永久磁石１５２と１５３との間にできるギャップに、Ｙスライダ１３０の一端部から逆Ｌ形状にして介在させた可動コイル（図示省略）を配置して成る。なお、リニアモータ１７０においては、多数の永久磁石が上下２列になるように配置され、これらの間に水平に可動コイルが介在している。

本Ｘ−Ｙステージ装置では、上記の構成要素の他に、各リニアモータには位置制御のための位置検出センサとしてリニアスケールとリニアセンサとの組み合わせが設置されるが、図４で説明した位置検出センサの分解能より低い分解能で良い。勿論、リニアスケールとリニアセンサとの組み合わせによるものに限らず、他の周知の位置センサが用いられても良い。また、一対のリニアモータ１５０、１６０を同期して駆動するための同期制御系が備えられる。

更に、移動するＸスライダ１４０のリニアモータへの電力供給線や静圧軸受け用の空気配管、Ｙスライダ１３０、Ｘスライダ１４０のセンサの検出信号線が必要である。これらはすべて可撓性を持つように作られ、可撓性配管に収容される。そして、Ｘスライダ１４０とＹスライダ１３０との間がＸスライダ用の可撓性配管で接続され、Ｙスライダ１３０とベース１００との間が、Ｘスライダ及びＹスライダ用の可撓性配管で接続される。図１、図２には、ガイドレール１１０、１２０に沿って延びるＸスライダ及びＹスライダ用の可撓性配管の収容部１８１、１８２を示している。

本形態では更に、図２に示されるように、Ｘスライダ１４０には、その上に搭載されるテーブル（二点鎖線で示す）をＺ軸方向に駆動したり、チルト（傾斜）機能を持たせるための複数の、いわゆるスライドウエッジ機構３００が組み込まれている。

図３をも参照して、本形態によるＸ−Ｙステージ装置では更に、Ｘスライダ１４０の下側に、ベース１００の上面に吸着可能な減圧式の吸着パッド１９１による１個以上（ここでは２個）のブレーキ機構１９０が設けられる。このブレーキ機構１９０は、Ｘスライダ１４０に設けられた穴（ここでは四角形の穴）の縁部にこの穴を跨ぐように取り付けられてベース１００の表面に接近、離反する方向に変形可能な十字形状の板ばね１９２に吸着パッド１９１が取り付けられて構成されている。吸着パッド１９１には、正圧用及び減圧用の空気配管（図示省略）が接続されている。吸着パッド１９１は、通常はベース１００に圧縮空気を吹き出してその上面数十μｍ上を移動している。一方、Ｘスライダ１４０の停止時には、吸着パッド１９１の下面側を減圧状態にして吸着パッド１９１をベース１００の上面に吸着させる。これにより、ブレーキ機構１９０はブレーキとして作用する。

以上のようなＸ−Ｙステージ装置によれば、Ｘスライダ１４０のベース１００上の上下方向（Ｚ軸方向）の走行案内は３つの静圧軸受けによりスムーズに行われる。一方、ベース１００とＹスライダ１３０との間及びＹスライダ１３０とＸスライダ１４０との間にはころがり軸受けが介在していることによりＸ軸及びＹ軸方向には適度な摩擦力が作用する。加えて、ベース１００面への吸着パッドによるブレーキ機構を備えていることにより、移動体の停止精度は制御系の制御性能に依存せず、高価かつ高分解能の位置センサを必要としない。また、高分解能のリニアスケールを用いた場合には出力信号周波数の制約から高速度を得ることが困難であったが、本Ｘ−Ｙステージ装置ではそのような制約は生じない。

なお、上記の形態では、Ｙスライダ１３０は、その両端部をガイド部材１１０、１２０に組み合わせて走行可能にされているが、Ｙスライダ１３０を一方のガイド部材のみで片持ち式にて走行可能にすることも可能である。この場合、Ｙスライダ１３０の自由端部の下面に静圧軸受けを設けて走行案内を行うようにすれば良い。このような片持ち式のＹスライダは、前述した特許文献１に示されている。また、上記の形態では、２本のガイドレールの間に架け渡されたスライダをＹスライダ、これに組み合わされたスライダをＸスライダと呼んでいるが、これらＸ、Ｙの関係が逆になっても良いことは言うまでも無い。更に、上記の形態ではＸスライダ１４０の下面側に３つの静圧軸受けパッドを備えているが、１つ以上あれば良い。

本発明によるＸ−Ｙステージ装置の実施の形態を示した平面図である。 図１のＸ−Ｙステージ装置を図１の下側から見た正面図である。 図１に示されたブレーキ機構の構成を説明するための図である。 従来のＸ−Ｙステージ装置の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１００ ベース
１１０、１２０、１３１ ガイドレール
１１１、１２１ ころがり軸受け
１３０ Ｙスライダ
１４０ Ｘスライダ
１４１〜１４３ 静圧軸受けパッド
１５０、１６０ リニアモータ
１５２、１５３ 永久磁石
２００ 架枠

Claims (4)

1. 表面加工されたベースと、
   該ベース上に一軸方向に延びるように固定されたガイド部材と、
   該ガイド部材に前記一軸方向と直角な方向に延びるように組み合わされ、かつ該ガイド部材に沿って前記一軸方向に走行可能にされた第１のスライダと、
   該第１のスライダに沿って前記一軸方向に直角な方向に走行可能に該第１のスライダに組み合わされた第２のスライダとを備え、
   前記第１のスライダは、前記ガイド部材にころがり軸受けを介して支持されてリニアモータを駆動源として前記ベース表面から離れて走行可能に構成されており、
   前記第２のスライダは、前記第１のスライダとの間にころがり軸受けを介在させてリニアモータを駆動源として走行可能に構成されていると共に、前記ベース表面に対向する下面に複数の静圧軸受けが設けられていることにより前記ベース表面上をそこから浮上した状態で走行可能にされ、これによって該第２のスライダの全荷重を前記複数の静圧軸受けで支持する一方、該第２のスライダの走行を前記第１のスライダとの間の前記ころがり軸受けでガイドすることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
2. 請求項１に記載のＸ−Ｙステージ装置において、前記第２のスライダの下側にはまた、前記ベース表面に吸着可能な減圧式の吸着パッドによる少なくとも１個のブレーキ機構が設けられていることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
3. 請求項２に記載のＸ−Ｙステージ装置において、前記ブレーキ機構においては、前記第２のスライダに取り付けられて前記ベース表面に接近、離反する方向に変形可能な板ばねに前記吸着パッドが取り付けられていることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のＸ−Ｙステージ装置において、前記ガイド部材は、所定間隔をおいて互いに平行に前記一軸方向に延びる第１、第２のガイド部材から成り、前記第１のスライダは前記第１、第２のガイド部材の間に架け渡されて、その両端部においてそれぞれ前記ころがり軸受けを介して支持されていることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。

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