JP2008034796A - 位置決め構造およびガイド構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決めが簡易にでき、且つ真空中においても非接触の位置決めができる構造を提供する。
【解決手段】 本発明の位置決め構造は、ワーク３およびステージ４の双方に、ピン１またはピンを挿入する挿入孔２のいずれかをそれぞれ設けて、ワークをステージに位置決めするもので、ピンは、軸方向に着磁された磁石ピン１ａと磁性体ピン１ｂを挿入孔に近い側から磁性体ピン、磁石ピンの順となる構成とし、挿入孔は軸方向に着磁されたリング状の磁石孔部材２０ａとリング状の磁性体孔部材２０ｂをピンに近い側から磁性体孔部材、磁石孔部材の順となる構成にしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば真空中においてワーク等を非接触で位置決めすることができる位置決め構造およびガイド構造に関する。

従来、ワークとステージなどの２部品の位置決め方法として位置決めピンによる方法が多く使われている。位置決めピンの従来例としての説明図を図６に示す。
図６において１はピン、２は挿入孔、３はワーク、４はステージである。
ワーク３にはピン１もしくは挿入孔２のいずれか一方が設けられ、ステージ４にはピン１もしくは挿入孔２のうちワーク３に設けられていない方が設けられる。そして、これらワーク３及びステージ４にそれぞれ設けられたピン１の凸部と挿入孔２の凹部が嵌合することによってワーク３とステージ４との位置決めが行なわれる。
このように、位置決めピンによる位置決め方法は構造が非常に簡単且つ安価であるため、さまざまなところで使われているが、凸部と凹部を嵌合させる際にピン１と挿入孔２との機械的な接触が生じるので、クリーン環境や真空環境においてはパーティクルの発生が問題となる。機械的な接触の無い位置決め方法として、図７に示すようにステージ４側にワーク３に対して気体を噴出させるための噴出穴７を施し、噴出穴７からの気体の流れによってワーク３を非接触状態で保持する機構を備えた位置決め装置も考案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３１７９９号公報

しかしながら、前述のような気体の流れによって非接触状態で保持する方法では気体を供給するためのポンプや流量を制御するための装置等が必要となり機構が大掛かりとなるうえ、真空環境においては使用が困難である。
したがって、本発明は位置決め機構が簡易にでき、且つ真空中においても使用可能な非接触の位置決め構造およびガイド構造を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、ワークおよびステージの双方に、ピンまたはこのピンを挿入する挿入孔のいずれかをそれぞれ設け前記ワークを前記ステージに位置決めする位置決め構造において、前記ピンは、軸方向に着磁された永久磁石からなる磁石ピンと磁性体からなる磁性体ピンとを結合し、前記磁性体ピンを前記挿入孔側に向けて配置した構成とし、前記挿入孔は、その内部に軸方向に着磁されたリング状の永久磁石からなる磁石孔部材とリング状の磁性体からなる磁性体孔部材とを結合し、前記磁性体孔部材を前記ピン側に向けて配置した構成にするとともに、前記磁石ピンと前記磁石孔部材の磁化方向が互いに逆になるように配置したものである。
請求項２に記載の発明は、前記磁石ピンと前記磁石孔部材は、起磁力の大きさを略同じにしたものである。
請求項３に記載の発明は、前記ピンの固定部に前記ピンを囲むリング状の補助磁石を設け、前記挿入孔の開口部分にリング状の第２補助磁石を設け、前記磁石ピンと前記補助磁石の磁化方向が同じになるようにし、かつ前記磁石孔部材と前記第２補助磁石の磁化方向が同じになるようにしたものである。
請求項４に記載の発明は、一方向に相対的に移動可能なワークおよびステージの双方に、ティースまたはこのティースが挿入される挿入溝のいずれかをそれぞれ設けた前記ワークと前記ステージとのガイド構造において、前記ティースは、前記挿入溝の奥行き方向に着磁された直方体の永久磁石からなる磁石ティースと磁性体からなる直方体の磁性体ティースとを結合し、前記磁性体ティースを前記挿入溝側に向けて配置した構成とし、前記挿入溝は、その両壁面に前記挿入溝の奥行き方向に着磁されるとともに溝に平行に長い直方体の永久磁石からなる磁石溝部材と溝に平行に長い直方体の磁性体からなる磁性体溝部材とを結合し、前記磁性体溝部材を前記ティース側に向けて配置した構成にするとともに、前記磁石ティースと前記磁石溝部材の磁化方向が互いに逆になるように配置したものである。
請求項５に記載の発明は、前記磁石ティースと前記磁石溝部材は、対向する部分における起磁力の大きさを略同じにしたものである。
請求項６に記載の発明は、前記ティースの固定部に前記ティースを挟む２本の直方体の補助磁石を設け、前記挿入溝の開口部両側の前記補助磁石と対向する部分それぞれに溝に平行に長い直方体の第２補助磁石を１本ずつ設け、前記磁石ティースと前記補助磁石の磁化方向が同じになるようにし、かつ前記磁石溝部材と前記第２補助磁石の磁化方向が同じになるようにしたものである。

請求項１〜３に記載の発明によると、位置決め機構が簡易に構成でき、且つ真空中においても使用可能な非接触の位置決め構造を提供することができる。
また、請求項４〜６に記載の発明によると、真空中においても使用可能な非接触のガイド構造を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図1は、本発明の実施例１を示す位置決め構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図である。
図1において、１はピン、２はピン１を挿入する挿入孔、３はワーク、４はステージ、２０は孔部材である。ピン１は、円柱状の永久磁石からなる磁石ピン１ａおよび円柱状の磁性体からなる磁性体ピン１ｂとからなり、ワーク３に固定されている。孔部材２０は、リング状の永久磁石からなる磁石孔部材２０ａおよびリング状の磁性体からなる磁性体孔部材２０ｂとからなり、ステージ４の挿入孔２の内部に内接して設けられている。なお、Ｇはピン１の外径と挿入孔２の内径間のギャップを示し、磁石ピン１ａ及び磁石孔部材２０ａ上に描かれた黒矢印はそれぞれの磁化方向を表す。磁石ピン１ａと磁石孔部材２０ａは、磁化方向を互いに逆になるよう、また起磁力の大きさが略同等になるよう軸方向に着磁されている。
本実施例が従来例と異なる部分は、つぎのとおりである。すなわち、ピン１の構成を軸方向に着磁された磁石ピン１ａと磁性体ピン１ｂを挿入孔２に近い側から磁性体ピン１ｂ、磁石ピン１ａの順となるような２段積みとした構成とし、また挿入孔２の内部に軸方向に着磁されたリング状の磁石孔部材２０ａとリング状の磁性体孔部材２０ｂとをピン１に近い側から磁性体孔部材２０ｂ、磁石孔部材２０ａの順となるような２段積みとした構成とするとともに、磁化方向を互いに逆にした点である。

次に、本実施例の動作原理を図２を用いて説明する。
図２において、白矢印は力の発生方向を表す。
まず、ピン１が挿入孔２の外にある状態（図２（ａ））では、ピン１と挿入孔２を構成する磁石ピン１ａと磁石孔部材２０ａによる磁力の相互作用によって、ピン１には挿入孔２に引き込まれようとする軸方向の吸引力と挿入孔２の軸中心に向かう径方向の反発力が働く。このときピン１が挿入孔２の外側に近づこうとすると近づいた方の反発力が増すため、結果として挿入孔２の軸中心に戻される。
そして、ピン１が挿入孔２の内側部に入ってくると（図２（ｂ））、ピン１にかかる挿入孔２に引き込まれようとする軸方向の吸引力と挿入孔２の軸中心に向かう径方向の反発力はともに更に大きくなり、ピン１は安定して挿入孔２の軸中心を進んでいく。
更に、磁性体ピン１ｂと磁性体孔部材２０ｂの軸方向位置が重なるところまで挿入が進むと（図２（ｃ））、ピン１にかかる挿入孔２に引き込まれようとする吸引力は更に大きくなり、挿入孔２の軸中心に向かう反発力は小さくなるが、ピン１が挿入孔２の内壁に近づこうとすると近づいた方の反発力が増え挿入孔２の軸中心に戻されるので、ピン１は安定して挿入孔２の軸中心に留まる。
このように、ピン１は挿入孔２に挿入される間、磁石ピン１ａと磁石孔部材２０ａによる磁力の相互作用によって挿入孔２の軸中心に留まるような力がかかりながら挿入孔２側に引き込まれつづけるので、非接触な状態で安定してスムーズに挿入することができ、挿入後もピン１は挿入孔２の軸中心位置に安定して留まることができる。

図３は、本発明の実施例２を示す位置決め構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図である。
図３において、５はワーク３側に設けられたリング状の永久磁石からなる補助磁石、６はステージ４側に設けられたリング状の永久磁石からなる第２補助磁石である。その他の符号は実施例１と同じであるため説明を省く。
本実施例が実施例１と異なる部分は、つぎのとおりである。すなわち、実施例１において磁性体ピン１ｂと磁性体孔部材２０ｂの軸方向位置が重なるところまで来たときに、ワーク３とステージ４との間にかかるピン１が挿入孔２に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すような力が発生するように、ワーク３側のピン１の固定部にピン１を囲むリング状の補助磁石５を設けるとともにステージ４側の挿入孔２の開口部の補助磁石５と対向する部分にリング状の第２補助磁石６を設け、磁石ピン１ａと補助磁石５の磁化方向が同じになるとともに、磁石孔部材２０ａと第２補助磁石６の磁化方向が同じになるような構成を追加した部分である。
この構造を追加したことにより、ピン１が挿入孔２に挿入されたときに、補助磁石５と第２補助磁石６の間で発生する反発力によって、ワーク３とステージ４との間にかかるピン１が挿入孔２に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すことができ、ワーク３とステージ４とを完全非接触とすることができる。また、磁石ピン１ａと補助磁石５の磁化方向が同じになるとともに磁石部材２０ａと第２補助磁石６の磁化方向が同じになるような構成としているので、磁石ピン１ａ及び補助磁石５と磁石孔部材２０ａ及び第２補助磁石６とは互いに反発し合い、ピン１が挿入孔２の外に引き寄せられることは無い。

図４は、本発明の実施例３を示すガイド構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図である。
図４において、８はティース、９はティース８を挿入する挿入溝、３はワーク、４はステージ、９０は溝部材である。ティース８は、直方体の永久磁石からなる磁石ティース８ａおよび直方体の磁性体からなる磁性体ティース８ｂとからなり、ワーク３に固定されている。溝部材９０は、コの字状の溝の両壁面を構成する溝に平行に長い２本の直方体の永久磁石からなる磁石溝部材９０ａおよび同じくコの字状の溝の両壁面を構成する溝に平行に長い２本の直方体の磁性体からなる磁性体溝部材９０ｂとからなり、各１本ずつがステージ４の挿入溝９の両壁面にそれぞれ内接して設けられている。なお、Ｇはティース８の側面と挿入溝９の内壁間のギャップを示し、磁石ティース８ａ及び磁石溝部材９０ａ上に描かれた黒矢印はそれぞれの磁化方向を表す。磁石ティース８ａと磁石溝部材９０ａは、磁化方向を互いに逆になるよう、また対向する部分における起磁力の大きさが略同等になるよう溝の奥行き方向に着磁されている。

本実施例が実施例１と異なる部分は、つぎのとおりである。すなわち、ピン形状であった部分をティース８とし、挿入孔であった部分を挿入溝９とすることで、ワーク３とステージ４が溝に沿って相対的に移動可能となるようにした点である。ティース８は溝の奥行き方向に着磁された直方体の永久磁石からなる磁石ティース８ａと磁性体からなる直方体の磁性体ティース８ｂを挿入溝９に近い側から磁性体ティース８ｂ、磁石ティース８ａの順となるような２段積みとした構成となっており、また挿入溝９はその両壁面に溝の奥行き方向に着磁されるとともに溝に平行に長い直方体の永久磁石からなる磁石溝部材９０ａと溝に平行に長い直方体の磁性体からなる磁性体溝部材９０ｂとをティース８に近い側から磁性体溝部材９０ｂ、磁石溝部材９０ａの順となるような２段積みとした構成となっており、磁石ティース８ａと磁石溝部材９０ａの磁化方向を互いに逆向きになっている。
本実施例の動作原理は基本的に実施例１と同じであり、ティース８には挿入溝９の任意の位置に挿入された状態において挿入溝９の幅方向軸中心に留まるような力が働くので、ティース８が挿入溝９の幅方向中心位置に安定して留まりながらワーク３とステージ４が挿入溝９に沿って相対的に移動可能となることができる。

図５は、本発明の実施例４を示すガイド構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図である。
図５において、５はワーク３側に設けられた２本の直方体の永久磁石からなる補助磁石、６はステージ４側に設けられた２本の長い直方体の永久磁石からなる第２補助磁石である。その他の符号は実施例３と同じであるため説明を省く。
本実施例が実施例３と異なる部分は、つぎのとおりである。すなわち、実施例３において磁性体ティース８ｂと磁性体溝部材９０ｂが溝の奥行き方向位置が重なるところまで挿入されたときに、ワーク３とステージ４との間にかかるティース８が挿入溝９に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すような力が発生するように、ワーク３側のティース８の固定部にティース８を挟む２本の直方体の補助磁石５を設けるとともにステージ４側の挿入溝９の開口部両側の補助磁石５と対向する部分それぞれに溝に平行に長い直方体の第２補助磁石６を１本ずつ設け、磁石ティース８ａと補助磁石５の磁化方向が同じになるとともに、磁石溝部材９０ａと第２補助磁石６の磁化方向が同じになるような構成を追加した部分である。
この構造を追加したことにより、ティース８が挿入溝９に挿入されたときに、補助磁石５と第２補助磁石６の間で発生する反発力によって、ワーク３とステージ４との間にかかるティース８が挿入溝９に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すことができ、ワーク３側にマグネット、ステージ４側にコイルを配置した図示しないリニアモータ等で駆動することによりワーク３とステージ４とは完全非接触な状態で相対移動可能となる。また、磁石ティース８ａと補助磁石５の磁化方向が同じになるとともに磁石溝部材９０ａと第２補助磁石６の磁化方向が同じになるような構成としているので、磁石ティース８ａ及び補助磁石５と磁石溝部材９０ａ及び第２補助磁石６とは互いに反発し合い、ティース８を挿入溝９の任意の位置に挿入する場合においてティース８は挿入溝９の外側に引き寄せられることは無い。

このように、本発明によれば、ワーク３にピン１もしくは挿入孔２のどちらか一方が設けられると共に、ステージ４にピン１もしくは挿入孔２のうちワーク３に設けられていない方が設けられた位置決め構造において、ピン１の構成を軸方向に着磁された円柱状の磁石ピン１ａと円柱状の磁性体ピン１ｂを挿入孔２に近い側から磁性体ピン１ｂ、磁石ピン１ａの順となるような２段積みとした構成とし、また、挿入孔２の構成をその内部に軸方向に着磁されたリング状の磁石孔部材２０ａとリング状の磁性体孔部材２０ｂをピン１に近い側から磁性体孔部材２０ｂ、磁石孔部材２０ａの順となるような２段積みとした構成とし、磁石ピン１ａと磁石孔部材２０ａの起磁力は同じ大きさであり且つ磁化方向が互いに逆となっているとともに、ピン１の外径と挿入孔２の内径とが所定のギャップを持つような構成をしているので、従来例において凸部と凹部を嵌合させる際にピン１と挿入孔２との機械的な接触が生じていたのが、磁石ピン１ａと磁石孔部材２０ａによる磁力の相互作用によってピン１は非接触な状態で挿入孔２の中心に留まるような力がかかりながら挿入孔２に引き込まれるため、安定してスムーズに挿入することができる上、永久磁石によるものであることから、真空中においても使用可能な非接触の位置決め構造を提供することができる。

また、磁性体ピン１ｂと磁性体孔部材２０ｂの軸方向位置が重なるところまで来たときに、ワーク３とステージ４との間にかかるピン１が挿入孔２に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すような力が発生するように、ワーク３側のピン１の固定部側にピン１を囲むリング状の補助磁石５を設けるとともにステージ４の挿入孔２の開口部の補助磁石５と対向する部分にリング状の第２補助磁石６を設け、磁石ピン１ａと補助磁石５の磁化方向が同じになるとともに、磁石孔部材２０ａと第２補助磁石６の磁化方向が同じになるような構成を追加することで、ピン１が挿入孔２の外に引き寄せられること無く、ピン１が挿入孔２に挿入されたときに、補助磁石５と第２補助磁石６の間で発生する反発力によって、ワーク３とステージ４との間にかかるピン１が挿入孔２に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すことができ、ワーク３とステージ４を完全非接触とすることができる。

また、ワーク３およびステージ４を一方向に相対的に移動可能とし、ティース８またはこのティース８が挿入されるとともに上記移動方向に平行な挿入溝９のいずれかをワーク３およびステージ４にそれぞれ設けたガイド構造において、ティース８の構成を溝の奥行き方向に着磁された直方体の永久磁石からなる磁石ティース８ａと磁性体からなる直方体の磁性体ティース８ｂを挿入溝９に近い側から磁性体ティース８ｂ、磁石ティース８ａの順となるような２段積みとした構成とし、挿入溝９の構成をその両壁面に溝の奥行き方向に着磁されるとともに溝に平行に長い直方体の永久磁石からなる磁石溝部材９０ａと溝に平行に長い直方体の磁性体からなる磁性体溝部材９０ｂとをティース８に近い側から磁性体溝部材９０ｂ、磁石溝部材９０ａの順となるような２段積みとした構成とし、磁石ティース８ａと磁石溝部材９０ａの対向する部分における起磁力は同じ大きさであり且つ磁化方向が互いに逆となっているとともに、ティース８の側面と挿入溝９の内壁面とが所定のギャップを持つような構成をしているので、ティース８には挿入溝９の任意の位置に挿入された状態において挿入溝９の幅方向軸中心に留まるような力が働くことにより、ティース８が挿入溝９の幅方向中心位置に安定して留まりながらワーク３とステージ４が溝に沿って相対的に移動可能なガイド構造を提供することができる。

また、磁性体ティース８ｂと磁性体溝部材９０ｂが溝の奥行き方向位置が重なるところまで挿入されたときに、ワーク３とステージ４との間にかかるティース８が挿入溝９に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すような力が発生するように、ワーク３側のティース８の固定部にティース８を挟む２本の直方体の補助磁石５を設けるとともにステージ４側の挿入溝９の開口部両側の補助磁石５と対向する部分それぞれに溝に平行に長い直方体の第２補助磁石６を１本ずつ設け、磁石ティース８ａと補助磁石５の磁化方向が同じになるとともに、磁石溝部材９０ａと第２補助磁石６の磁化方向が同じになるような構成を追加することで、ティース８が挿入溝９の外に引き寄せられること無く、ティース８が挿入溝９に挿入されたときに、補助磁石５と第２補助磁石６の間で発生する反発力によって、ワーク３とステージ４との間にかかるティース８が挿入溝９に引き込まれようとする力とワーク３にかかる重力との合力を打ち消すことができ、ワーク３とステージ４を完全非接触な状態で、ティース８が挿入溝９の幅方向中心位置に安定して留まりながらワーク３とステージ４が溝に沿って相対的に移動可能なガイド構造を提供することができる。

本発明は、実施例としてワークをステージに対して位置決めする場合を挙げたが、一般的な２つの構造物を位置決めする構成において適用できる。例えば、半導体露光装置において、鏡筒（光軸）の上をレチクル等が搬送される際に、鏡筒内へのパーティクル混入を防ぐため、カバーを所定の位置まで搬送し位置決めすることがある。この場合、鏡筒をステージにカバーをワークにそれぞれ置き換えることができる。

本発明の実施例１を示す位置決め構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図 本発明の実施例１の動作を示す部分斜視図 本発明の実施例２を示す位置決め構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図 本発明の実施例３を示すガイド位置決め構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図 本発明の実施例４を示すガイド位置決め構造の図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は部分断面図 従来例の位置決め構造を示す斜視図 従来例の他の位置決め構造を示す斜視図

符号の説明

１ ピン
１ａ 磁石ピン
１ｂ 磁性体ピン
２ 挿入孔
２０ 孔部材
２０ａ 磁石孔部材
２０ｂ 磁性体孔部材
３ ワーク
４ ステージ
５ 補助磁石
６ 第２補助磁石
７ 噴出穴
８ ティース
８ａ 磁石ティース
８ｂ 磁性体ティース
９ 挿入溝
９０ 溝部材
９０ａ 磁石溝部材
９０ｂ 磁性体溝部材
Ｇ ピン外径と挿入孔内径間のギャップ
黒矢印 永久磁石の磁化方向
白矢印 力の発生方向

Claims (6)

1. ワークおよびステージの双方に、ピンまたはこのピンを挿入する挿入孔のいずれかをそれぞれ設け前記ワークを前記ステージに位置決めする位置決め構造において、
   前記ピンは、軸方向に着磁された永久磁石からなる磁石ピンと磁性体からなる磁性体ピンとを結合し、前記磁性体ピンを前記挿入孔側に向けて配置した構成とし、
   前記挿入孔は、その内部に軸方向に着磁されたリング状の永久磁石からなる磁石孔部材とリング状の磁性体からなる磁性体孔部材とを結合し、前記磁性体孔部材を前記ピン側に向けて配置した構成にするとともに、前記磁石ピンと前記磁石孔部材の磁化方向が互いに逆になるように配置したことを特徴とする位置決め構造。
2. 前記磁石ピンと前記磁石孔部材は、起磁力の大きさを略同じにしたことを特徴とする請求項１記載の位置決め構造。
3. 前記ピンの固定部に前記ピンを囲むリング状の補助磁石を設け、前記挿入孔の開口部分にリング状の第２補助磁石を設け、前記磁石ピンと前記補助磁石ピンの磁化方向が同じになるようにし、かつ前記磁石孔部材と前記第２補助磁石の磁化方向が同じになるようにしたことを特徴とする請求項１記載の位置決め構造。
4. 一方向に相対的に移動可能なワークおよびステージの双方に、ティースまたはこのティースが挿入される挿入溝のいずれかをそれぞれ設けた前記ワークと前記ステージとのガイド構造において、
   前記ティースは、前記挿入溝の奥行き方向に着磁された直方体の永久磁石からなる磁石ティースと磁性体からなる直方体の磁性体ティースとを結合し、前記磁性体ティースを前記挿入溝側に向けて配置した構成とし、
   前記挿入溝は、その両壁面に前記挿入溝の奥行き方向に着磁されるとともに溝に平行に長い直方体の永久磁石からなる磁石溝部材と溝に平行に長い直方体の磁性体からなる磁性体溝部材とを結合し、前記磁性体溝部材を前記ティース側に向けて配置した構成にするとともに、前記磁石ティースと前記磁石溝部材の磁化方向が互いに逆になるように配置したことを特徴とするガイド構造。
5. 前記磁石ティースと前記磁石溝部材は、対向する部分における起磁力の大きさを略同じにしたことを特徴とする請求項４記載のガイド構造。
6. 前記ティースの固定部に前記ティースを挟む２本の直方体の補助磁石を設け、前記挿入溝の開口部両側の前記補助磁石と対向する部分それぞれに溝に平行に長い直方体の第２補助磁石を設け、前記磁石ティースと前記補助磁石の磁化方向が同じになるようにし、かつ前記磁石溝部材と前記第２補助磁石の磁化方向が同じになるようにしたことを特徴とする請求項４記載のガイド構造。

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