JP2008090718A - 位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素且つ軽量な構成で高精度な位置決めを実現できる位置決め装置を提供する。
【解決手段】移動部材３の両端近傍をスライダ３ｄ、３ｄと支持部３ｂとでそれぞれ支持することで、移動部材３をガイドレール２，２に沿って精度良く移動させることができると共に、移動部材３に熱膨張が生じた場合でも、その熱膨張分を静圧軸受３ａを介して基台１に対して非接触状態で支持される支持部３ｂの変位により吸収し、移動部材３に歪みを与えない。更に、リニアモータ５、５が、基台１に対して、移動部材３の両端側を駆動するので、スライダ３ｄ、３ｄと支持部３ｂとで移動時の抵抗が異なる場合でも、リニアモータ５、５による駆動を相対的に調整することで、駆動時における移動部材３の姿勢変化を抑えることができ高精度な位置決めを実現できる。又、移動部材３の両端側を駆動することで移動部材３の剛性を低くでき、移動部材３の軽量化を図ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、位置決め装置に関し、例えば高精度な検査や処理に用いられると好適な位置決め装置に関する。

半導体ウェハや液晶パネルなどを製造する場合において、微細パターンを露光形成したり検査等を行ったりするために、計測器や工具を搭載して、被測定物やワークが載置された定盤（基台）上を移動する位置決め装置が知られている。特に２本の脚部を有し、被測定物やワークを跨いで移動するものを、ガントリ式の位置決め装置と呼んでいる。このようなガントリ式の位置決め装置が、特許文献１に開示されている。
実公平７−３２８３号公報

ところで、特許文献１の位置決め装置においては、定盤上を移動可能なスライダ装置が設けられ、その一つの脚部はエアベアリングで支持されており、別の脚部は定盤上を単に摺動する構成となっている。又、エアベアリングで支持された脚部側が、駆動装置によりベルト駆動されるようになっている。しかるに、かかる構成では、摺動抵抗、駆動側の案内要素特に回転方向の剛性、及び連結コラムの剛性のバランス等により、ステージの位置決め特性に遅れ（ロストモーション）が生じ、例えばスライダ装置の中央に保持された測定器を高精度に移動させることができないという問題がある。このようなロストモーションは、スライダ装置の剛性が低いと、より増幅される傾向がある。

かかるロストモーションを抑制するために、駆動側の案内要素の剛性を高めることが考えられる。かかる場合、駆動側の案内要素としてエアべアリングのような非接触式のものより高い剛性が得られ、かつ、比較的低摩擦力で移動体を移動できる転がり式の案内要素で、移動体の、上下方向及び幅方向の位置を拘束する構造のものを使用することが考えられる。さらに、このような転がり式の案内要素自体の大型化を図ったり、上記案内要素を構成するスライダを１レールに複数配置する場合には、配置スパンを長くしたりすることで剛性を高めることはできるが、それによりステージの大型化が避けられないという問題が生じる。特に、高精度に移動するステージは、熱膨張による歪などを回避するために、定盤に対して、一方の側は上記のような転がり式の案内要素で案内し、他方の側はエアパッドなどの非接触式ガイドで案内されることがあるが、抵抗が異なることから、転がり式の案内要素側にステージの遅れが生じやすいという傾向がある。

そこで本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、簡素且つ軽量な構成でありながら、高精度な位置決めを実現できる位置決め装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するために、本発明の位置決め装置は、基台に対して移動体を往復移動自在に配置してなる位置決め装置において、
前記基台上に配置された前記移動体を上下方向及び幅方向に拘束しつつ前記往復移動方向に案内する案内要素を一端側に、且つ前記基台に対して非接触状態で支持された支持部を他端側に備えた移動部材と、
前記基台に対して、前記移動部材の両端側を駆動する駆動手段とを有することを特徴とする。

本発明の位置決め装置によれば、前記移動部材を、その両端側で前記案内要素と前記支持部とで支持することにより、前記移動部材を前記往復移動方向に精度良く移動させることができると共に、前記移動部材に熱膨張が生じた場合でも、熱膨張分を非接触状態である前記支持部により吸収し、前記移動部材に歪みを与えないようにできる。更に、前記駆動手段が、前記基台に対して、前記移動部材の両端側を駆動するので、前記スライダと前記支持部とで移動時の抵抗が異なる場合でも、前記駆動手段による駆動を調整することで、駆動時における前記移動部材の姿勢変化を抑えることができ、ロストモーションを抑えることで高精度な位置決めを実現できる。又、前記移動部材の両端側を駆動することにより駆動時の撓みが少なくなるので、前記移動部材の剛性を低くしてもロストモーションを抑制できるため、前記移動部材の軽量化を図ることができ、それにより加減速特性に優れた制御を行うことができる。なお、「移動部材の両端側を駆動する」とは、その駆動点の一方がスライダより支持部に近接し、駆動点の他方が支持部よりスライダに近接していれば足りる。

更に、前記スライダに近接して前記基台に対する前記移動部材の移動量を測定する第１のリニアスケールと、前記支持部に近接して前記基台に対する前記移動部材の移動量を測定する第２のリニアスケールとを有すると、両方の移動量を比較することで、前記移動部材の姿勢変化を検出して、前記駆動手段のフィードバック制御を行えるので好ましい。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。図１は、測定器に用いられる本実施の形態の位置決め装置の上面図であり、図２は、本実施の形態の駆動装置の正面図である。

図１，２に示すように、矩形板状の基台１上には、細長い板状の移動部材３が両端をはみ出させた形で配置されている。移動部材３の中央下面には、基台１上に載置されたワーク（不図示）の画像を読み取って形状を求める画像読み取り装置（移動体）Ｃが移動自在に配置されている。

図１において、基台１上の左端近傍に、転がり式の案内要素を２組配設している。具体的には、基台１上の左端近傍に一対のガイドレール２、２をその長手方向（図１で上下方向）に延在させるとともに、移動部材３の左端近傍下面には、ガイドレール２、２に沿って移動可能なスライダ（案内要素）３ｄ、３ｄが取り付けられている（図２参照）。それぞれのガイドレール２の両側面には、延在方向に沿って図示しない複数の転動体（ポールまたは略円柱状等のころ）が転動するための転動体転動溝がそれぞれ２列設けられ、これらに対応するように、各スライダ３ｄのガイドレール２の転動体転動溝に対向する面にも、それぞれ転動体転動溝が設けられている。スライダ３ｄの内部には、スライダ３ｄの転動体転動構の両端部に連結するように転動体戻り通路が設けられ、転動体転動溝とともに転動体循環路を形成する。転動体循環路には複数の転動体が装填されている。転動体転動溝の部分では、各転動体は適度な予圧が与えられた状態でガイドレール２及びスライダ３ｄの転動体転動溝に当接するように設定されている。ガイドレール２に対するスライダ３ｄの相対移動に伴い、各転動体が転動体循環路を循環し、ガイドレール２及びスライダ３ｄの転動体転動溝の間を転動するものが、負荷を支持する。以上のような構成により、上下方向、幅方向の負荷と、モーメント荷重を支持することができる。なお、転動体転動溝の列数は上記に限られるものではなく、また、複数列配される場合、一部をガイドレール２の上面、あるいは上面と側面の交差部に設けるようにしてもよい。スライダ３ｄは、各ガイドレール２に対して２つ、所定のスパンをあけて配置されており、これにより移動部材３の付与されるより大きなモーメント力に抗することができるようになっている。ガイドレール２，２とスライダ３ｄ、３ｄと図示しない複数の転動体とで、転がり式のリニアガイドを構成する。一方、移動部材３の右端近傍下面には、静圧軸受３ａを取り付けた支持部３ｂが形成されている。静圧軸受３ａの構成は良く知られているので詳細は記載しないが、その下面に設置された静圧パッドから空気を吹き出して、その静圧により基台１から静圧軸受３ａの下面を浮上させて支持するものである。静圧パッドへの気体は、支持部３ｂと移動部材３内に形成された配管（不図示）を介して供給されると好ましい。なお、図示していないが、部品の平行度などの誤差や剛性不足に起因した偏荷重が静圧軸受に作用しないように、任意の調整機構が配置されていると好ましい。

図２において、移動部材３の両端に、駆動手段であるリニアモータ５、５が配置されている。なお、リニアモータの例としては、リニア誘導モータ、リニア同期モータ、リニアパルスモータ、リニア直流モータ、リニアハイブリッドモータなどがあるが、いずれも用いることができ、ここではその一例を説明する。図３は、リニアモータ５の原理を説明するための図である。図３において、基台１に取り付けられガイドレール２，２と平行に延在する磁性体ヨーク５ａは、長手方向に沿って多数のＮ極とＳ極（界磁磁石）とを等ピッチで交互に配置している。一方、移動部材３の両端には、磁性体ヨーク５ａのＮ極とＳ極とに対向するようにしてコアを備えた電機子５ｂを取り付けている。リニアモータ５、５において、個別に電機子５ｂ、５ｂのコアに三相交流電流を流すことで、磁性体ヨーク５ａ、５ａの界磁磁石との間に磁力が発生し、それにより移動部材３の両端は基台１に対して独立して駆動されるようになっている。なお、移動部材３の長手方向に沿って、それぞれ磁性体ヨーク５ａ、５ａと電機子５ｂ、５ｂとの間に所定の隙間が生じるので、熱膨張により移動部材３が伸縮してもリニアモータ５、５により拘束されないため、移動部材３に歪みが生じないようになっている。

図１，２において、基台１上には、ガイドレール２，２の隣接して（第１の）リニアスケール６が配置され、且つ支持部３ｂに隣接して（第２の）リニアスケール７が配置されている。リニアスケール６，７は、ガイドレール２，２に平行に延在しており、位置に応じた磁気情報を記録している。リニアスケール６，７にそれぞれ対向して、移動部材３の下面には、読み取りヘッド６ａ、７ａが取り付けられている。リニアスケール６，７の記録された情報を読み取りヘッド６ａ、７ａで磁気的に読み取ることにより、移動部材３の位置が検出できるようになっている。尚、リニアスケール６，７は、磁気ではなく、光学その他何らかの手法で位置検出できるものであれば足りる。

本実施の形態の位置決め装置の動作について説明する。図４は、位置決め装置における移動部材の速度と経過時間との関係を求めたグラフである。図４において、時刻０からリニアモータ５、５への電力供給（正側）を開始すると、移動部材３は加速し始め、時刻ｔ１で一定速度ｖ１に到達する。その後、摩擦力にうち勝つ程度の電力（正側）をリニアモータ５、５に供給することで、移動部材３は一定速で移動する。更に、時刻ｔ２でリニアモータ５、５への電力供給（負側）を開始すると、移動部材３は減速し始め、時刻ｔ３で停止する。このとき、移動部材３の移動距離は、図４に示すダイヤグラムの面積に相当するので、移動にあたっては、この面積が所定値となるように、リニアモータ５、５へ電力供給を行うことが望ましい。

本実施の形態の位置決め装置によれば、移動部材３の両端近傍を、スライダ３ｄ、３ｄと支持部３ｂとでそれぞれ支持することにより、移動部材３をガイドレール２，２に沿って精度良く移動させることができると共に、移動部材３に熱膨張が生じた場合でも、その熱膨張分を、静圧軸受３ａを介して基台１に対して非接触状態で支持される支持部３ｂの変位により吸収し、移動部材３に歪みを与えないようにできる。更に、リニアモータ５、５が、基台１に対して、移動部材３の両端側を駆動するので、スライダ３ｄ、３ｄと支持部３ｂとで移動時の抵抗が異なる場合でも、リニアモータ５、５による駆動を相対的に（独立に）調整することで、駆動時における移動部材３の姿勢変化を抑えることができ、ロストモーションを抑えることで高精度な位置決めを実現できる。又、移動部材３の両端側を駆動すると駆動時の撓みが少なくなるので、移動部材３の剛性を低くしてもロストモーションを抑制できるため、移動部材３の軽量化を図ることができ、それにより加減速特性に優れた制御を行うことができる。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、本発明はリペア装置等にも適用可能である。また、一端側に配される案内要素は、移動部材を上下方向及び幅方向を約束しつつ往復移動可能に案内できるものであれば、上記のような転がり式の案内要素に限定されるものではない。

本実施の形態の位置決め装置の上面図である。 本実施の形態の駆動装置の正面図である。 リニアモータ５の原理を説明するための図である。 位置決め装置における移動部材の速度と経過時間との関係を求めたグラフである。

符号の説明

１ 基台
２，２ ガイドレール
３ 移動部材
３ａ 静圧軸受
３ｂ 支持部
３ｄ スライダ
５、５ リニアモータ
５ａ、５ａ 磁性体ヨーク
５ｂ、５ｂ 電機子
６、７ リニアスケール
６ａ、６ｂ 読み取りヘッド
Ｃ 画像読み取り装置

Claims (2)

1. 基台に対して移動体を往復移動自在に配置してなる位置決め装置において、
   前記基台上に配置された前記移動体を上下方向及び幅方向に拘束しつつ前記往復移動方向に案内する案内要素を一端側に、且つ前記基台に対して非接触状態で支持された支持部を他端側に備えた移動部材と、
   前記基台に対して、前記移動部材の両端側を駆動する駆動手段とを有することを特徴とする位置決め装置。
2. 前記案内要素に近接して前記基台に対する前記移動部材の移動量を測定する第１のリニアスケールと、前記支持部に近接して前記基台に対する前記移動部材の移動量を測定する第２のリニアスケールとを有することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。

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