JP2003343561A - 直線案内装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直線案内装置における移動ステージの姿勢精度
を向上させる。 【解決手段】被駆動部材３を固定した移動ステージ２
と、一対の静圧流体ガイド部材ａと、被駆動部材３の一
方側面に圧電モータ１０の摩擦部材１１を当接させ、そ
の摩擦駆動によって移動ステージ２を静圧流体ガイド部
材ａに沿って案内する直線案内装置において、被駆動部
材３の他方側面に、圧電モータ１０の摩擦部材１１によ
って生じる被駆動部材３の押圧力を緩和する支持部材２
０を静圧支持可能に設けた構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、往復移動する移
動ステージを圧電モータによって案内する直線案内装置
に関するものであり、特に超精密加工装置や超精密計測
装置、あるいは半導体装置の製造工程における露光装置
や描画装置に使用される案内装置として好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、往復移動する移動ステージを
高速かつ高精度に案内する駆動手段として圧電モータが
提案されており、さまざまな研究がなされている（特願
平１０−１９３２７４号公報参照）。

【０００３】図３（ａ）、（ｂ）は駆動手段に圧電モー
タを用いた従来の直線案内装置の一例を示す正面図及び
側面図である。図に示すように直線案内装置はベース基
盤１０１の上面に一対の角柱状のレール１０４が平行に
配置されており、これら一対のレール１０４を挟み込む
ようにスライド１０５が各々配置されている。レール１
０４とスライド１０５の対向面は２〜１０μｍの隙間を
形成し、その隙間にスライド１０４の内面に形成された
穴より圧縮空気を流入させてスライド１０５をレール１
０４から浮上させている。

【０００４】また、移動ステージ１０２の下面両側で、
レール１０４と対向する位置には、レール１０４と平行
にスライド１０５を配置している。レール１０４とスラ
イド１０５とが連結しており、レール１０４に沿って移
動ステージ１０２を往復移動自在に案内するようになっ
ている。

【０００５】また、移動ステージ１０２の下面中央には
レール１０４と平行に角柱状をした被駆動部材１０３が
固定されているとともに、この被駆動部材１０３の一方
側面には圧電モータ１１０の摩擦部材１１１が当接して
おり、この圧電モータ１０１を駆動させると、その先端
の摩擦材１１１がそれぞれ振動して被駆動部材１０３と
の摩擦駆動によって移動ステージ１０２をレール１０４
に沿って直線的に所定の位置まで駆動、案内するように
なっている。

【０００６】さらに上記被駆動部材１０３を挟んで圧電
モータ１１０と反対側には２つの回転可能な車輪１２１
を加圧機構１２２によって当接させ、被駆動部材１０３
を圧電モータ１１０の摩擦部材１１１と車輪１２１によ
って狭持するようにしてある。また、移動中の位置を正
確に計測するために移動ステージ１０２の下面にリニア
スケール１０６を固定し、コントローラ１０７にリニア
スケール１０６によって計測された位置信号をフィード
バックして圧電モータ１１０を制御することによって、
移動ステージ１０２はさらに正確な位置決めが可能とな
る。

【０００７】次に図４（ａ），（ｂ）を用いて直線案内
装置の駆動部の詳細を示す。（ａ）は１１０は圧電モー
タで、圧電セラミックスからなる振動体１１２の端面に
摩擦部材１１１が接着剤などで取着して構成されてい
る。各超音波モータ１１０は駆動特性を損なわないよう
に弾性支持体１１３によって規制された状態でケース１
１４内に収納されており、側断面がＬ字状をしたモータ
固定台１１５に角度調整可能に取り付けられている。ま
た、モータ固定台１１５にはネジ穴が設けてあり、該ネ
ジ穴に螺合された予圧調整ネジ１１６によって各圧電モ
ータ１１０の被駆動部材への押圧力を調整するようにな
っていた。

【０００８】また、予圧機構１２０は、車輪１２１を予
圧ベース１２２に収納されたシャフト１２３及びバネで
車輪１２１を被駆動部材１０３に押し当てる構造となっ
ている。さらに車輪１２１を予圧ベース１２４に固定す
るために板バネ１２５が取り付けられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示す
直線案内装置の移動ステージ１０２を圧電モータ１１０
によって駆動、案内する場合、駆動条件（負荷条件）に
対して所要のトルクが得られるように、被駆動部材１０
３への圧電モータ１１０の押圧力を適切に設定する必要
があり、通常この押圧力は１０〜１００Ｎの範囲で設定
されている。この押圧力を緩和するために車輪１２１に
よる反力除去を行っているが、接触式の車輪を使用して
反力除去を行うと、車輪の回転ぶれや転がり抵抗によっ
て移動ステージ１０２の姿勢、特に水平方向の真直精
度、角度精度（よーイング）が悪くなる。ステ−ジの姿
勢精度については真直精度で０．０５μｍ／１００ｍ
ｍ、角度精度で０．５ｓｅｃ／１００ｍｍが要求される
が図３（ａ）、（ｂ）の直線案内装置では真直精度で
０．１μｍ／１００ｍｍ、角度精度で１．０ｓｅｃ／１
００ｍｍになってしまうといった欠点があった。特に移
動ステージ１０２の姿勢精度は、スライド１０５をレー
ル１０４から浮上させて静圧支持しているので、接触し
たガイド部材に比べて表面の剛性が弱く姿勢精度が特に
悪くなるという問題点があった。

【００１０】しかも、コントローラにて制御を行ってス
テージを等速移動させると、車輪の転がり抵抗によって
周期的に定速駆動時の速度変動率が変化し、速度変動率
±０．５％の要求に対して±１％程度にしかならないと
いった課題もあった。

【００１１】また、接触式の車輪を使用していることと
バネ等の加圧機構を使用しているため、車輪の接触面の
摩耗やバネの経時変化によって姿勢精度や速度変動率が
悪化し定期的な交換が必要になるといった課題もあっ
た。

【００１２】そのため、真直精度が変化することや寿命
を問題にする半導体露光装置や座標測定機等に使用する
ためには、頻繁にメンテナンスしなければならないため
実用的ではなかった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を鑑
み、移動ステージと、該移動ステージを直線的に往復移
動自在に案内する静圧流体ガイド部材と、該静圧流体ガ
イド部材と平行に上記移動ステージに配設された被駆動
部材と、該被駆動部材の一方側面に圧電モータの摩擦部
材を当接させ、その摩擦駆動によって前記移動ステージ
を前記静圧流体ガイド部材に沿って案内する直線案内装
置において、上記被駆動部材の他方側面に、上記圧電モ
ータの摩擦部材によって生じる被駆動部材の押圧力を緩
和する支持部材を静圧支持可能に設けたことを特徴とす
る直線案内装置を提供する。

【００１４】また、本発明は上記支持部材による被駆動
部材の他方主面にかかる押圧力を随時調整できる圧力自
動調整機構を設けたものである。

【００１５】

【作用】本発明によれば、上記被駆動部材の他方側面に
圧電モータの摩擦部材によって生じる被駆動部材の押圧
力を緩和する支持部材を静圧可能に設けたことから、摩
擦部材の押圧力が被駆動部材の一方主面から加わって
も、ストロークのどの位置で摩擦駆動しても他方主面側
から静圧支持できるので、移動ステージ本来の姿勢精度
を保持しながら移動させることができ、高精度な位置決
め精度が可能となる。

【００１６】また、本発明の支持部材は非接触であるこ
とと、流体が被駆動部材に対して押し付ける領域の力が
被駆動部材の何れの領域でも均等にかかっているので、
余分な摩擦が発生せずに被駆動部材との摩擦係数を小さ
くすることができ、これにより、被駆動部材の移動を阻
害することがなく、圧電モータの駆動によって移動ステ
ージを滑らかに案内することができる。

【００１７】さらに、本発明によれば、支持部材による
被駆動部材の他方主面にかかる押圧力を随時調整できる
ようにしてあるので、圧電モータの摩擦部材が駆動条件
を変更したり、圧電モータの摩擦部材が摩耗によって被
駆動部材へ押し付ける力が変化したとしても、静圧流体
ガイドに圧力自動調整機構によって被駆動部材への静圧
流体ガイドの押圧力を調整して被駆動部材を狭持するこ
とができ、移動ステージを常に安定した姿勢で移動する
ので長寿命化を図ることが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１９】図１（ａ）、（ｂ）は本発明の直線案内装
置の正面図と側面図である。本発明の直線案内装置は、
主に、ベース基盤１、静圧流体ガイド部材ａ、移動ステ
ージ２、被駆動部材３、静圧流体ガイド２０（支持部
材）から構成されている。

【００２０】具体的には、ベース基盤１の上面に一対の
静圧流体ガイド部材ａが互いに平行に形成されている。
静圧流体ガイド部材ａは、ベース基盤１に互いに平行に
固設された一対の角柱状のレール４を挟み込むように移
動ステージ２に固設されたスライド５が互いに連結配置
して構成されている。レール４とスライド５の対向面は
２〜１０μｍの隙間を形成し、その隙間に図１（ｂ）に
示すようにスライド５の内面に形成された穴ｂより圧縮
空気を流入させてスライド５をレール４から浮上させて
いる。また、スライド５はレール４に沿って移動ステー
ジ２を往復移動自在に案内するようになっている。

【００２１】また、被駆動部材３は角柱状をしており、
移動ステージ２の下面にレール４と平行に固定してい
る。この被駆動部材３の一方側面に圧電モータ１０が配
置され、その先端の摩擦部材１１を当接させており、こ
の圧電モータ１０を駆動させると、摩擦材１１がそれぞ
れ楕円運動するため、被駆動部材３との摩擦駆動によっ
て移動ステージ２をレール４に沿って直線的に所定の位
置まで駆動、案内するようになっている。

【００２２】静圧流体ガイド２０は平板状に形成され、
圧電モータ１０と被駆動部材３を挟んで反対側の他方側
面に設けられ、被駆動部材３に対して２〜１０μｍの隙
間になるように対峙して配置している。そして、具体的
には後述するが、圧力制御弁２６によって調整された静
圧流体を、被駆動部材３の他方側面に噴射して静圧支持
するように構成されている。これにより、静圧流体ガイ
ド２０は、圧電モータ１０の摩擦部材１１によって生じ
る被駆動部材３の押圧力を緩和しながら静圧支持してい
る。

【００２３】また、移動中の位置を正確に計測するため
に移動ステージ２の下面にリニアスケール６を固定し、
コントローラ７にリニアスケール６によって計測された
位置信号をフィードバックして圧電モータ１０を制御す
ることにより、移動ステージ２はさらに正確な位置決め
が可能となる。

【００２４】上記構成において、圧電モータ１０の摩擦
部材１１の先端が楕円運動をするよう構成されているの
で、被駆動部材３に当接、非当接を繰り返し、当接する
ときに摩擦駆動が行われる。これにより、被駆動部材３
が移動ステージ２とともに図１（ａ）上の上方向あるい
は下方向に駆動される。

【００２５】この状態で移動ステージ２が移動すると、
静圧流体ガイド２０が非接触状態で静圧支持しているた
め、摩擦部材１１による押圧力が生じても移動ステージ
２の姿勢を変化させることがない。また、流体が被駆動
部材３の一方側面全体に対して押し付ける領域の力が被
駆動部材３の一方側面側の何れの領域でも均等にかかっ
ているので被駆動部材４の平面度の影響を受けることが
ない。しかも、移動ステージ２をストロークのどの位置
でも高精度に位置決めすることができる。

【００２６】更に、移動ステージ２の姿勢を変化により
被駆動部材３に過剰な負荷がかかることがないため、被
駆動部材３の異常摩耗を抑えることができ、結果として
直線案内装置の寿命を延ばすことができる。

【００２７】次に本発明に係る直線案内装置の駆動部の
詳細を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ａ）、（ｂ）
において、圧電モータ１０は圧電セラミックスからなる
振動体１２の端面に摩擦部材１１が接着剤などで取着し
て構成されている。圧電モータ１０の振動体１２は、そ
の所定領域に交流電圧を印加すると電歪効果によって摩
擦部材１１が伸縮運動し、先端が楕円運動することとな
る。ここで、摩擦部材１１の材質としては、アルミニウ
ム、鉄、真鍮あるいはステンレスなどの金属材料や、ア
ルミナ、炭化珪素、ジルコニアなどのセラミック材料、
さらには樹脂材料などを用いることができる。

【００２８】圧電モータ１０は駆動特性を損なわないよ
うにケース１４内に弾性支持体１３によって規制された
状態で吊設されており、側断面がＬ字状をしたモータ固
定台１５に角度調整可能に取り付けられている。また、
モータ固定台１５にはネジ穴１６ａが設けてあり、ネジ
穴１６ａに螺合された予圧調整ネジ１６によって各圧電
モータ１０の被駆動部材３への押圧力を調整するように
なっている。

【００２９】また、静圧流体ガイド２０は、静圧流体パ
ッド２１とパッドベース２２からなり、静圧流体パッド
２１をパッドベース２２に固定し、被駆動部材３との隙
間が２〜１０μｍになるように調整してある。この静圧
流体パッド２１は正確な隙間にするために１μｍ以下の
平面度が要求されるため、アルミナ、ジルコニア、窒化
珪素、炭化珪素等のセラミック材料や超硬やステンレス
合金の金属材料を用いる。静圧流体パッド２１には被駆
動部材３に対向する面に深さ２〜３０μｍの溝２３を形
成している。さらに溝２３には静圧流体を供給する給気
口２４がつながっており、この給気口２４より静圧流体
を供給する。

【００３０】また、供給される静圧流体は圧力制御弁２
６にて圧力を調整可能な構造となっているのでコントロ
ーラ７より静圧流体ガイド２０に供給する静圧流体の圧
力をリアルタイムで制御することが可能である。

【００３１】次に、圧力制御弁２６の調整方法について
説明する。まず、圧電モータ１０を被駆動部材３に５〜
５０Ｎの予圧で押し付ける。次に静圧流体パッド２１が
被駆動部材３の他方側面に静圧支持する受圧面に、圧電
モータ１０の押圧力と同等の供給圧力を圧力制御弁２６
で調整し、圧電モータ１０の摩擦部材１１による押圧力
と静圧流体パッド２１による押圧力がおおよそ均等にな
るようにする。さらに、この状態で移動ステージ２の水
平方向の姿勢精度をレーザー測長器等で計測し、移動ス
テージ２の姿勢精度（図１（ａ）の上側からみたステー
ジ２の傾き度合いをいう）を計測する。移動ステージ２
の姿勢精度は、静圧流体ガイド部材ａが静圧支持により
間隙を介して移動可能に構成しているので、接触したガ
イドに比べて表面の剛性が弱く姿勢精度を追求する必要
がある。このとき、ガイドレールと平行に配置したミラ
ーに移動ステージ２上に設置したレーザー光を照射さ
せ、移動ステージ２を移動させたときのミラーから反射
してくるレーザーの距離を測定することで姿勢精度がデ
ジタルデータとして計測される。この計測値をコントロ
ーラ７に入力し、圧力制御弁２６の圧力を微調整しなが
ら姿勢精度が最小になるところを探し出す。この状態で
移動ステージ２の姿勢精度は駆動系のない状態と同じ精
度にすることができるが、さらに圧力制御弁２６を移動
ステージ２の移動位置（即ち、被駆動部材３の摩擦部材
が当接する位置）によって静圧する圧力を変化させるこ
とによって姿勢精度をさらに向上させることが可能とな
る。具体的には、移動ステージ２の水平方向の姿勢精度
をレーザー測長器等で計測し、移動ステージ２の姿勢精
度を計測する。その後、移動ステージ２が移動する全ス
トローク（全移動距離）の１／１０〜１／２０のピッチ
で停止させながら移動させ、各停止位置において圧力制
御弁２６の圧力を変化させて姿勢精度を計測し、各計測
地点で姿勢精度が最小になる圧力を決定する。その後、
コントローラ７にあらかじめステージ座標と圧力値を記
憶させ、移動ステージ２が移動する度に圧力制御弁２６
に指令電圧を送ってリアルタイムに圧力制御を行い、移
動ステージ２の姿勢精度をコントロールする。この方式
によって、従来の直線案内装置では実現できなかった高
精度な姿勢精度を実現することができる。

【００３２】ここで図１（ａ）、（ｂ）に示す本発明の
直線案内装置を試作した。比較例として図３（ａ）、
（ｂ）に示す駆動構造の直線案内装置も用意して比較試
験を行った。

【００３３】本試験では、何れの直線案内装置も移動ス
テージ２、スライド３、レール４、静圧流体パッド２１
を純度９９．５％のアルミナセラミックスで、被駆動部
材３には純度９９．９％のアルミナセラミックス、車輪
１２１には純度９９．９％の窒化珪素でそれぞれ形成す
るとともに、移動ステージ２を３００ｍｍ×３００ｍｍ
×２０ｍｍの板状体とし、レールとして５００ｍｍの長
さを有するものを使用した。

【００３４】そして、可動距離２００ｍｍ、移動速度５
０ｍｍ／ｓｅｃの条件にて移動ステージ２を移動させた
時の真直度、角度精度（ヨ−イング）、速度変動率及び
寿命についてそれぞれ測定を行った。なお、寿命につい
ては真直度あるいは角度精度の値が初期の値の１０％以
上になった時の時間を寿命とした。

【００３５】結果は表１に示す通りである。

【００３６】

【表１】

【００３７】この結果、本発明の直線案内装置は従来と
比較して水平真直度で１／２に、角度精度で１／４に、
定速性が１／２にそれぞれ低減することができ、移動ス
テージ２の姿勢変化を低減することができた。さらに寿
命にあっては２．３倍まで延ばすことができた。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、直線案
内装置に用いる移動ステージに取り付けた被駆動部材の
他方側面に圧電モータの摩擦部材によって生じる被駆動
部材の押圧力を緩和する支持部材を静圧可能に設けたこ
とから、摩擦部材の押圧力が被駆動部材の一方主面から
加わっても、移動ステージが動く全ストロークのどの位
置で摩擦駆動しても他方主面側から静圧支持できるの
で、移動ステージ本来の姿勢精度を保持しながら移動さ
せることができ、高精度な位置決め精度が可能となるも
のである。

【００３９】また、支持部材は非接触であることと、流
体が被駆動部材に対して押し付ける領域の力が被駆動部
材の何れの領域でも均等にかかっているので、余分な摩
擦が発生せずに被駆動部材との摩擦係数を小さくするこ
とができ、これにより、被駆動部材の移動を阻害するこ
とがなく、圧電モータの駆動によって移動ステージを滑
らかに案内することができる直線案内装置を提供するこ
とができるものである。

【００４０】さらに、本発明によれば、支持部材による
被駆動部材の他方主面にかかる押圧力を随時調整できる
ようにしてあるので、圧電モータの摩擦部材が駆動条件
を変更したり、圧電モータの摩擦部材が摩耗によって被
駆動部材へ押し付ける力が変化したとしても、静圧流体
ガイドに圧力自動調整機構によって被駆動部材への静圧
流体ガイドの押圧力を調整して被駆動部材を狭持するこ
とができ、移動ステージを常に安定した姿勢で移動する
ので長寿命化を図ることが可能となる直線案内装置を提
供することができるものである。

【００４１】その為、本発明の直線案内装置を超精密加
工装置や超精密計測装置に用いれば、所望の精度に加工
や測定を施すことができ、また、半導体装置の製造工程
における露光装置や描画装置に用いれば、所望の精度に
露光処理や描画処理を施すことができるため、品質の高
い半導体製造装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の直線案内装置を示す平面図で
あり、（ｂ）はその側面図である。

【図２】（ａ）は本発明に用いる圧電モ−タの予圧構造
を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図
である。

【図３】（ａ）は従来の直線案内装置を示す平面図であ
り、（ｂ）はその側面図である。

【図４】（ａ）は従来に用いた圧電モ−タの予圧構造を
示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図で
ある。

【符号の説明】

１：ベ−ス基盤 ２：移動テ−ブル ３：被駆動部材 ａ：静圧流体ガイド部材 ４：レール ５：スライド ６：リニアスケール ７：コントローラ １０：圧電モータ １１：摩擦部材 １２：振動体 １３：弾性支持体 １４：ケ−ス １５：モータ固定台 １６：予圧調整ネジ ２０：静圧流体ガイド（支持部材） ２１：静圧流体パッド ２２：パッドベース ２３：溝 ２４：給気口

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動ステージと、該移動ステージを直線
   的に往復移動自在に案内する静圧流体ガイド部材と、該
   静圧流体ガイド部材と平行に上記移動ステージに配設さ
   れた被駆動部材と、該被駆動部材の一方側面に圧電モー
   タの摩擦部材を当接させ、その摩擦駆動によって前記移
   動ステージを前記静圧流体ガイド部材に沿って案内する
   直線案内装置において、 上記被駆動部材の他方側面に、上記圧電モータの摩擦部
   材によって生じる被駆動部材の押圧力を緩和する支持部
   材を静圧支持可能に設けたことを特徴とする直線案内装
   置。
2. 【請求項２】 上記支持部材による被駆動部材の他方主
   面にかかる押圧力を随時調整できる圧力自動調整機構を
   設けたことを特徴とする請求項１記載の直線案内装置。