JP2007061949A - ステージ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヨーイングのみならず、ピッチングの少ない構造のステージ駆動装置を提供する。
【解決手段】 ベッド１と、このベッドにＹ軸方向へ移動可能に支持されたＹステージ１１と、このＹステージにＸ軸方向へ移動可能に支持されたＸステージと、このＸステージにＺ軸方向へ移動可能に支持されたＺステージとを備えたステージ駆動装置。Ｙステージ１１を同方向へ駆動する３つ以上の駆動手段（リニアモータ）１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが設けられ、これら３つ以上のリニアモータは、Ｙ〜Ｚステージからなる構造体の重心位置Ｇを内部に包含する三角形の頂点位置に配置されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ステージ駆動装置に関する。例えば、工作機械や半導体製造装置などに使用されるステージ駆動装置に関する。

例えば、工作機械などのステージを駆動させる駆動装置として、ボールねじを用いたステージ駆動装置が知られている（特許文献１参照）。
このステージ駆動装置は、コラムに移動可能に設けられた主軸頭の両側に、２本のボールねじ軸を主軸頭の移動方向と平行に配置するとともに、主軸頭に螺合し、この両側のボールねじ軸の間にモータを配置し、このモータの回転を歯車を介してボールねじ軸に伝達する構造である。
この構造によれば、コラムの構造的、熱的対称性を確保できるので、コラムの倒れや曲がり等、軸方向と異なる方向の熱変位が顕在化するのを防止できる。しかも、軸方向の熱変位を３軸制御によって補正すれば、コラムの熱応力による倒れ、曲がりを防止できる。従って、熱変位の少ない工作機械を提供できる。

特公平２−３８３３５号公報

上述したステージ駆動装置では、主軸頭の移動方向と平行に２本のボールねじ軸が配置されているから、主軸頭のヨーイング（２本のボールねじ軸を含む平面に対して直交する軸回りに回転する動き）を減少させることができる。しかし、主軸頭のピッチング（２本のボールねじ軸を含む平面に対して直交する軸線と主軸頭の移動方向軸線とで定まる面内を揺動する動き）を減少させるのは困難である。
最近、ナノメートルオーダの加工精度が要求される超精密加工機械にあっては、ヨーイングのみならず、ピッチングの少ない構造が要望されている。

本発明の目的は、ヨーイングのみならず、ピッチングの少ない構造のステージ駆動装置を提供することにある。

本発明のステージ駆動装置は、ステージを駆動させるステージ駆動装置であって、前記ステージを同方向へ駆動する３つ以上の駆動手段を備え、これら３つ以上の駆動手段は、前記ステージの重心位置を囲んで配置されていることを特徴とする。
ここで、駆動手段としては、３つ以上であればよいが、３〜５つが好ましい。
この発明によれば、ステージを同方向へ駆動する３つ以上の駆動手段が、ステージの重心位置を囲んで配置されているから、ヨーイングのみならず、ピッチングの少ない構造に構成できる。つまり、２つの駆動手段によって、これら２つの駆動手段を含む平面に対して直交する軸回りの回動（ヨーイング）を減少させることができ、更に、残りの１以上の駆動手段によって、前記２つの駆動手段を含む平面に対して直交する軸線とステージの移動方向軸線とで定まる面内の揺動（ピンチング）を減少させることができる。しかも、これら３つ以上の駆動手段が、ステージの重心位置を囲んで配置されているから、ステージに対して移動方向以外の力が作用することが少なく、円滑な移動を実現できる。従って、超精密加工機械などのステージ駆動装置に応用すれば、ナノメートルオーダの加工精度を実現できる。

本発明のステージ駆動装置は、ベッドと、このベッドに移動可能に支持された第１ステージと、この第１ステージに第１ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第２ステージと、この第２ステージに前記第１ステージの移動方向および第２ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第３ステージとを備えたステージ駆動装置において、前記第１ステージを同方向へ駆動する３つ以上の駆動手段を備え、これら３つ以上の駆動手段は、前記第１〜第３ステージからなる構造体の重心位置を囲んで配置されていることを特徴とする。
この発明によれば、第１ステージの移動方向をＹ軸方向とすると、第２ステージの移動方向はＸ軸方向、第３ステージの移動方向はＺ軸方向となるから、つまり、第３ステージはＹ，Ｘ，Ｚ軸方向の三次元方向へ移動可能であるから、三次元移動ステージにおいて、ヨーイングのみならず、ピッチングの少ない構造に構成できる。

本発明のステージ駆動装置において、前記３つ以上の駆動手段は、前記第１〜第３ステージからなる構造体の重心位置を内部に包含する三角形の頂点位置にそれぞれ配置されていることが好ましい。ここで、三角形の重心位置が、第１〜第３ステージからなる構造体の重心位置に一致していれば、より好ましい。
この発明によれば、３つ以上の駆動手段が、構造体の重心位置を内部に包含する三角形の頂点位置にそれぞれ配置されているから、構造体に対して、各駆動手段が略均等な駆動力で駆動させることができるから、ピンチングの少ない円滑な移動を実現できる。

本発明のステージ駆動装置において、前記各駆動手段は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されていることが好ましい。
ここで、リニアモータとしては、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニア直流モータ、リニアパルスモータなど任意のものを採用することができる。
この発明によれば、３つ以上の駆動手段の各々が、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されているから、ステージを高精度に移動させることができるとともに、所定位置に高精度に位置決めすることができる。また、ステージにワークあるいは加工工具を取り付けて加工を行う場合であっても、加工時の振動などの影響を極力低減することができるから、高精度な加工を実現できる。

本発明のステージ駆動装置において、前記駆動手段は３つ設けられ、これら３つの駆動手段のうち２つの駆動手段は、１つの固定子に対して２つの可動子を備え、これら４つの可動子と残りの駆動手段の可動子とが、前記第１〜第３ステージからなる構造体の重心位置を内部に包含する四角錐の各頂点位置にそれぞれ配置されていることが好ましい。
この発明によれば、合計５つの可動子が四角錐の各頂点位置に配置されているから、ヨーイングおよびピッチングを極力低減させることができる。

本発明のステージ駆動装置において、前記第３ステージには、ワークまたはワークを加工する工具が取り付けられていることが好ましい。
この発明によれば、第３ステージにワークまたは工具を取り付け、ワークを加工するようにすれば、高精度な加工機械（工作機械）や半導体製造装置などを構成できる。また、第３ステージに測定子などを取り付け、ワークを測定するようにすれば、計測機械を構成できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
図１は、本発明のステージ駆動装置を適用した工作機械の斜視図、図２は、工作機械の正面図、図３は、工作機械の側面図である。
これらの図に示すように、本実施形態の工作機械は、ベッド１と、このベッド１上に前後方向（Ｙ軸方向）へ移動可能に支持された第１ステージとしてのＹステージ１１と、このＹステージ１１上にＹステージ１１の移動方向に対して直交する左右方向（Ｘ軸方向）へ移動可能に支持された第２ステージとしてのＸステージ３１と、このＸステージ３１上にＹステージ１１およびＸステージ３１の移動方向に対して直交する上下方向（Ｚ軸方向）へ移動可能に支持された第３ステージとしてのＺステージ５１とを備える。

ベッド１は、正面から見てＵ字形状に形成されている。つまり、底部連結壁部２と、この底部連結壁部２の両側から上方へ向かって互いに平行に立ち上がった立上壁部３とを有するＵ字形状に形成されている。底部連結壁部２の一端側には、ワークを載置するテーブル４が配置されている。テーブル４は、単なる台でもよいが、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動可能な移動機構を備える構造であってもよい。

Ｙステージ１１は、ベッド１の両立上壁部３の上端面にガイド手段１２を介して移動可能に支持され、かつ、３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを介してＹ軸方向へ移動されるとともに、３つのリニアスケール２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃを介してＹ軸方向位置が検出される。
ガイド手段１２は、立上壁部３の上端面にＹ軸方向に沿って固定されたガイドレール１３と、このガイドレール１３に沿って摺動可能でかつＹステージ１１の下面に固定されたスライダ１４とから構成されている。

駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは、Ｙステージ１１をＹ軸方向（同方向）へ駆動するもので、図４（図２の部分拡大図）に示すように、ベッド１の両側に駆動手段１５Ａ，１５Ｂが配置され、Ｙステージ１１の下面中央に駆動手段１５Ｃが配置されている。
駆動手段１５Ａ，１５Ｂは、ベッド１の両立上壁部３の外面にＹ軸方向に沿って設けられた固定子１６と、Ｙステージ１１の両側面にブラケット１８を介して取り付けられかつ固定子１６に対して隙間を隔てて対向配置された可動子１７とを有するリニアモータによって構成されている。駆動手段１５Ｃは、ベッド１の立上壁部３間に支持台１９を介してＹ軸方向に沿って固定された固定子１６と、Ｙステージ１１の下面中央にブラケット２０を介して取り付けられかつ固定子１６に対して隙間を隔てて対向配置された可動子１７とを有するリニアモータによって構成されている。なお、固定子１６はコイルによって、可動子１７はマグネットによって構成されているが、これとは逆でもよい。

ここにおいて、Ｙステージ１１およびこれに搭載されるＸステージ３１やＺステージ５１等の構造物は、正面（図２の正面図）から見て中心軸に対して左右対称構造に構成されている。また、側面（図３の側面図）から見て、構造体の重心位置ＧがＹステージ１１の略中心（Ｘステージ３１を駆動させる駆動手段３５の中心軸線上の下方位置）に設定されている。例えば、これらの構造物の上部部材をアルミ合金で構成し、下部部材を鉄（鋳鉄）などで構成することにより、重心位置Ｇを下方に設定している。
そして、Ｙステージ１１およびこれに搭載されるＸステージ３１やＺステージ５１等の構造物の重心位置Ｇを囲んで、駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが配置されている。つまり、図５に示すように、構造体の重心位置Ｇ（図５において×印位置）を内部に包含する三角形の頂点位置に駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃの可動子１７がそれぞれ配置されている。

リニアスケール２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃは、図４に示すように、対応する駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃに近接した位置に設けられている。
リニアスケール２５Ａ，２５Ｂは、ベッド１の両立上壁部３の外面にＹ軸方向に沿って設けられたスケール部材２６と、Ｙステージ１１のブラケット１８に取り付けられかつスケール部材２６に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド２７とから構成されている。リニアスケール２５Ｃは、固定子１６（ベッド１側に支持台１９を介して固定された固定子１６）の側面にＹ軸方向に沿って固定されたスケール部材２６と、ブラケット２０にブラケット２８を介して取り付けられかつスケール部材２６に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド２７とから構成されている。

Ｘステージ３１は、図６に示すように、Ｙステージ１１の上端面にガイド手段３２およびブラケット３８を介して移動可能に支持され、かつ、駆動手段３５を介してＸ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール４５を介してＸ軸方向位置が検出される。
Ｘステージ３１は、（図１参照）、ブラケット３８に固定された本体部４１と、この本体部４１の前部に設けられたガイドブロック４２と、本体部４１の後部に設けられたバランスウエイト４３とを備える。バランスウエイト４３は、Ｘステージ３１およびこれに搭載されるＺステージ５１やこれに取り付けられる部材（主軸ヘッドなど）の重心位置がＸステージ３１の駆動手段３５の中心軸線上にくるように、重量設定されている。

ガイド手段３２は、Ｙステージ１１の上端面にＸ軸方向に沿って形成されたガイドレール３３と、このガイドレール３３に沿って摺動可能でかつブラケット３８の下面に固定されたスライダ３４とから構成されている。
駆動手段３５は、Ｙステージ１１の上面中央にＸ軸方向に沿って固定された固定子３６と、ブラケット３８の下面に取り付けられかつ固定子３６に対して隙間を隔てて対向配置された可動子３７とを有するリニアモータによって構成されている。
リニアスケール４５は、固定子３６の側面にＸ軸方向に沿って設けられたスケール部材４６と、ブラケット３８の下面にブラケット４８を介して取り付けられかつスケール部材４６に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド４７とから構成されている。

Ｚステージ５１は、図７に示すように、Ｘステージ３１のガイドブロック４２の正面にガイド手段５２およびブラケット５８を介してＺ軸方向へ移動可能に支持され、かつ、駆動手段５５を介してＺ軸方向へ移動されるとともに、リニアスケール６５を介してＺ軸方向位置が検出される。
Ｚステージ５１には（図１参照）、テーブル４上に載置されたワークに対して加工を施す工具を備えた主軸ヘッド６１が搭載されているとともに、ブラケット６２を介してＸステージ３１のガイドブロック４２の上端に固定されたバランスシリンダ６３が連結されている。バランスシリンダ６３は、ブラケット５８や主軸ヘッド６１を含むＺステージ５１の重量をシリンダ内のエアー圧で保持できるように構成され、Ｚステージ５１を軽い力で昇降できるように構成されている。

ガイド手段５２は、Ｘステージ３１の正面にＺ軸方向に沿って形成されたガイドレール５３と、このガイドレール５３に沿って摺動可能でブラケット５８の裏面に固定されたスライダ５４とから構成されている。
駆動手段５５は、Ｘステージ３１のガイドブロック４２の正面にＺ軸方向に沿って固定された固定子５６と、ブラケット５８の裏面に取り付けられかつ固定子５６に対して隙間を隔てて対向配置された可動子５７とを有するリニアモータによって構成されている。
リニアスケール６５は、固定子５６の側面に設けられたスケール部材６６と、ブラケット５８の裏面にブラケット６８を介して取り付けられスケール部材６６に対して隙間を隔てて対向配置された検出ヘッド６７とから構成されている。

＜実施形態の効果＞
（１）ベッド１と、このベッド１にＹ軸方向へ移動可能に支持されたＹステージ１１と、このＹステージ１１にＸ軸方向へ移動可能に支持されたＸステージ３１と、このＸステージ３１にＺ軸方向へ移動可能に支持されたＺステージ５１とを備え、Ｙステージ１１を同方向へ駆動する３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが設けられ、これら３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが、Ｙステージ１１，Ｘステージ３１，Ｚステージ５１からなる構造体の重心位置Ｇを囲んで配置されているから、ヨーイングのみならず、ピッチングの少ない構造に構成できる。
つまり、２つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂによって、これら２つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂを含む平面に対して直交する軸回りの回動（ヨーイング）を減少させることができ、更に、残りの駆動手段１５Ｃによって、２つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂを含む平面に対して直交する軸線とＹステージ１１の移動方向軸線とで定まる面内の揺動（ピンチング）を減少させることができる。

（２）３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが、構造体の重心位置Ｇを囲んで配置されているから、Ｙステージ１１に対して移動方向以外の力が作用することが少なく、円滑な移動を実現できる。
従って、超精密加工機械などのステージ駆動装置に応用すれば、ナノメートルオーダの加工精度を実現できる。

（３）３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは、Ｙステージ１１，Ｘステージ３１，Ｚステージ５１からなる構造体の重心位置を内部に包含する三角形の頂点位置にそれぞれ配置されているから、構造体に対して、各駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃが略均等な駆動力で駆動させることができ、この点からも、ピンチングの少ない円滑な移動を実現できる。

（４）各駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，３５，５５は、固定子１６，３６，５６と可動子１７，３７，５７とを有するリニアモータによって構成されているから、Ｙステージ１１，Ｘステージ３１，Ｚステージ５１を高精度に移動させるとともに、所定位置に高精度に位置決めすることができる。また、Ｚステージ５１に主軸ヘッド６１を取り付けて加工を行う場合であっても、加工時の振動などの影響を極力低減することができるから、高精度の加工を実現できる。

＜変形例＞
本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれる。
前記実施形態では、Ｙステージ１１を駆動させる３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを、図５に示す配置、構成としたが、これに限られない。
例えば、前記実施形態では、Ｙステージ１１，Ｘステージ３１，Ｚステージ５１からなる構造体の重心位置Ｇを内部の包含する三角形の頂点位置に駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃの可動子１７を配置したが、構造体の重心位置Ｇと、駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃの可動子１７を頂点位置に配置した三角形の重心位置とが一致するように構成すれば、より好ましい。

また、図８に示すように、３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃのうち２つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂは、１つの固定子１６に対して２つの可動子１７Ａ，１７Ｂを備え、これら４つの可動子１７Ａ，１７Ｂと残りの駆動手段１５Ｃの可動子１７とが、Ｙステージ１１，Ｘステージ３１，Ｚステージ５１からなる構造体の重心位置Ｇを内部に包含する四角錐の各頂点位置にそれぞれ配置するようにしてもよい。このようにすれば、合計５つの可動子１７Ａ，１７Ｂ，１７が四角錐の各頂点位置に配置されているから、ヨーイングおよびピッチングを極力低減させることができる。

また、図９に示すように、駆動手段１５Ａ，１５Ｂにおいて、１つの固定子１６に対して２つの可動子１７Ａ，１７Ｂを設けるのではなく、２つの可動子１７Ａ，１７Ｂに跨るような、長い可動子１７Ｃを設けるようにしても、同様な効果が期待できる。
また、Ｙステージ１１を駆動させる駆動手段の数についても、前記実施形態で述べた３つに限らず、４以上でもよい。ただし、多すぎても経済的に不利になるので、３〜５つ程度が好ましい。

前記実施形態では、Ｙステージ１１のみについて３つの駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃで駆動させるようにしたが、Ｘステージ３１やＺステージ５１についても、３つ以上の駆動手段で駆動させるようにしてもよい。この場合も、各ステージおよびこれに搭載される部材からなる構造体の重心位置を囲んで駆動手段を配置すればよい。

前記実施形態では、Ｙステージ１１を駆動する駆動手段１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ、Ｘステージ３１を駆動させる駆動手段３５、Ｚステージ５１を駆動させる駆動手段５５を全てリニアモータで構成したが、必ずしも、リニアモータでなくてもよい。ボールねじ軸を用いた送り機構であってもよい。

前記実施形態では、ベッド１に対してＹステージ１１をＹ軸方向へ移動可能に支持し、このＹステージ１１にＸステージ３１をＸ軸方向へ移動可能に支持し、このＸステージ３１にＺステージ５１をＺ軸方向へ移動可能に支持した構成であったが、少なくとも１つのステージを１軸方向へ移動可能に支持した構造であっても、本発明を適用することができる。

前記実施形態では、Ｚステージ５１に、ワークを加工する主軸ヘッド６１（工具）を取り付けたが、計測ヘッドやワークでもよい。計測ヘッドを取り付ければ、テーブル４上に載置したワークを計測するための計測機械を構成できる。また、ワークを取り付けた場合でも、別に主軸ヘッド（工具）を用意すれば、ワークを加工する加工機械として構成することができる。

本発明は、ワークに対して各種加工を行う工作機械や半導体製造装置のほか、計測装置などにも利用できる。

本発明の実施形態にかかる工作機械を示す斜視図。 同上実施形態の工作機械の正面図。 同上実施形態の工作機械の側面図。 同上実施形態において、Ｙステージ駆動用の３つの駆動手段およびリニアスケールを示す部分拡大正面図。 同上実施形態において、Ｙステージ駆動用の３つの駆動手段の配置を示す図。 同上実施形態において、Ｘステージ駆動用の駆動手段およびリニアスケールを示す部分拡大側面図。 同上実施形態において、Ｚステージ駆動用の駆動手段およびリニアスケールを示す部分拡大平面図。 本発明の変形例を示す概念図。 本発明の更に他の変形例を示す概念図。

符号の説明

１…ベッド、
１１…Ｙステージ（第１ステージ）
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ…駆動手段（リニアモータ）
１６…固定子
１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ…可動子
３１…Ｘステージ（第２ステージ）
５１…Ｚステージ（第３ステージ）
６１…主軸ヘッド（工具）

Claims (6)

1. ステージを駆動させるステージ駆動装置であって、
   前記ステージを同方向へ駆動する３つの以上の駆動手段を備え、
   これら３つ以上の駆動手段は、前記ステージの重心位置を囲んで配置されていることを特徴とするステージ駆動装置。
2. ベッドと、このベッドに移動可能に支持された第１ステージと、この第１ステージに第１ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第２ステージと、この第２ステージに前記第１ステージの移動方向および第２ステージの移動方向に対して直交する方向へ移動可能に支持された第３ステージとを備えたステージ駆動装置において、
   前記第１ステージを同方向へ駆動する３つ以上の駆動手段を備え、
   これら３つ以上の駆動手段は、前記第１〜第３ステージからなる構造体の重心位置を囲んで配置されていることを特徴とするステージ駆動装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のステージ駆動装置において、
   前記３つ以上の駆動手段は、前記第１〜第３ステージからなる構造体の重心位置を内部に包含する三角形の頂点位置にそれぞれ配置されていることを特徴とするステージ駆動装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のステージ駆動装置において、
   前記各駆動手段は、固定子と可動子とを有するリニアモータによって構成されていることを特徴とするステージ駆動装置。
5. 請求項４に記載のステージ駆動装置において、
   前記駆動手段は３つ設けられ、これら３つの駆動手段のうち２つの駆動手段は、１つの固定子に対して２つの可動子を備え、これら４つの可動子と残りの駆動手段の可動子とが、前記第１〜第３ステージからなる構造体の重心位置を内部に包含する四角錐の各頂点位置にそれぞれ配置されていることを特徴とするステージ駆動装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載のステージ駆動装置において、
   前記第３ステージには、ワークまたはワークを加工する工具が取り付けられていることを特徴とするステージ駆動装置。

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