JP2016150398A - Drive device, stage device, and industrial machinery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、駆動装置、ステージ装置、及び産業機械に関する。 The present invention relates to a drive device, a stage device, and an industrial machine.
ボールねじなどを用いたねじ送り機構を有する駆動装置として、一般的に、図6に示すように、駆動源である駆動モータ1011の端部にロータリーエンコーダ1012を配置して速度制御や位置制御を行う駆動装置1000が知られている。駆動装置1000は、ボールねじ1001と、ボールねじ1001に係合するナット1002と、ボールねじ1001と駆動モータ1011とを接続するカップリング1013と、キャリッジ1007とを有する。ここでは、ナット1002は、キャリッジ1007に設けられて(固定されて)いる。
As a drive device having a screw feed mechanism using a ball screw or the like, generally, as shown in FIG. 6, a
また、リニアエンコーダを用いて位置決めを行う駆動装置として、一般的に、図7(a)及び図7(b)に示すような駆動装置2000が知られている。図7(a)は、駆動装置2000の正面図であり、図7(b)は、駆動装置2000のM−M断面図である。駆動装置2000は、ボールねじ2001と、ボールねじ2001に係合するナット2002と、ボールねじ2001と駆動源である駆動モータ2011とを接続するカップリング2013と、ナット2002に支持されたキャリッジ2007とを有する。また、駆動装置2000は、キャリッジ2007の直線軌道を保証する直動ガイドレール2015と、スケール2017と、スケール2017(のパターン)を読み取るヘッド2006とを有する。ヘッド2006及びスケール2017は、位置計測用のリニアエンコーダを構成している。
Further, as a drive device that performs positioning using a linear encoder, a
図6、図7(a)及び図7(b)に示すように、ボールねじを用いたねじ送り機構を有する駆動装置では、位置計測装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダが多く用いられている。このようなエンコーダの精度を向上させるためには、例えば、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダのスケールのパターンの分割数を多くすればよい(スケールの分解能を上げればよい)。但し、スケールのパターンの分割数を多くするには物理的な限度がある。更に、図7(a)及び図7(b)に示すように、リニアエンコーダのスケールを配置する場合には、スケールを配置するためのスペースの確保や、キャリッジの位置決め精度を保証するのにアッベ誤差を低減するための取り付け(配置)の制約が必要となる。また、ボールねじの減速比を大きくするためには、ボールねじのピッチを短くすることで対応できるが、ボールねじのピッチの最小化も物理的な限界がある。 As shown in FIGS. 6, 7 (a), and 7 (b), in a drive device having a screw feed mechanism using a ball screw, a rotary encoder or a linear encoder is often used as a position measuring device. In order to improve the accuracy of such an encoder, for example, the number of divisions of the scale pattern of the rotary encoder or linear encoder may be increased (the resolution of the scale may be increased). However, there is a physical limit to increasing the number of divisions of the scale pattern. Further, as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), when the scale of the linear encoder is arranged, it is necessary to secure a space for arranging the scale and to ensure the positioning accuracy of the carriage. There is a need for attachment (placement) constraints to reduce errors. In order to increase the reduction ratio of the ball screw, it can be dealt with by shortening the pitch of the ball screw, but minimization of the pitch of the ball screw has a physical limit.
特許文献1には、省スペース化を実現するために、ボールねじに係合するナット内のボールの出入り(移動及び転動)を一対の近接センサで検出する技術が開示されている。しかしながら、特許文献1は、ナット内のボールをスケールとみなすものであるが、かかるボールの直径により計測分解能が制約されるため、上述のエンコーダに比して、高分解能が困難である。また、特許文献2には、シリンダのストロークセンサの例として、ピストンロッドに磁気スケールを螺旋状に設け、シリンダに、ピストンロッドの周囲を囲むように複数のセンサ(検出素子)を等間隔で同一円周上に設けることが開示されている。
特許文献2は、ピストンロッドに磁気スケールを螺旋状に設け、シリンダにセンサを設けているが、ピストンロッドの移動位置を計測するためには、ピストンロッドの周囲を囲むように設けられた複数のセンサが必要となる。従って、装置に要するリソース(部品点数もしくは部品コスト、スペース、又は演算負荷等)の増加を招いてしまう。
In
本発明は、それに要するリソースの点で有利な駆動装置を提供することを例示的目的とする。 An object of the present invention is to provide a driving device that is advantageous in terms of the resources required.
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての駆動装置は、ねじ部材と、前記ねじ部材に係合する係合部材とを有し、前記ねじ部材と前記係合部材との間の相対的な移動により物体を移動する駆動装置であって、スケールと検出器とを含み、前記スケールを前記検出器で読み取ることにより前記物体の位置を計測するためのエンコーダを有し、前記スケールは、前記ねじ部材に配置されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a drive device according to one aspect of the present invention includes a screw member and an engagement member that engages with the screw member, and the drive device is provided between the screw member and the engagement member. A driving device for moving an object by relative movement, comprising a scale and a detector, and having an encoder for measuring the position of the object by reading the scale with the detector, The screw member is arranged.
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。 Further objects and other aspects of the present invention will become apparent from the preferred embodiments described below with reference to the accompanying drawings.
本発明によれば、例えば、それに要するリソースの点で有利な駆動装置を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a drive device that is advantageous in terms of the resources required for it.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same reference number is attached | subjected about the same member and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1(a)及び図1(b)は、本発明の一側面としての駆動装置1の構成を示す概略図であって、図1(a)は、駆動装置1の正面図であり、図1(b)は、駆動装置1のL−L断面図である。駆動装置1は、精密ボールねじ直動伝達機構を用いて、駆動対象である物体を駆動する。駆動装置1は、ボールねじ11と、ボールねじ11に係合するナット12と、駆動モータ13と、カップリング14と、キャリッジ(台)15と、直動ガイドレール16と、エンコーダ17と、制御部20とを有する。
FIG. 1A and FIG. 1B are schematic views showing a configuration of a
駆動モータ13は、駆動源であって、本実施形態では、一般的なDCモータを用いている。駆動モータ13の種類は、駆動装置1の用途に応じて選択することが可能であり、駆動モータ13をDCモータに限定するものではない。
The
カップリング14は、ボールねじ11と駆動モータ13とを接続する。キャリッジ15は、ナット12に固定(締結)され、駆動対象である物体を保持する。直動ガイドレール16は、キャリッジ15の直線軌道を保証するレール部材である。
The
エンコーダ17は、スケール18と、ヘッド(検出器)19とを含み、スケール18(のパターン)をヘッド19で読み取ることでナット12の位置を計測して計測信号を出力する。ヘッド19は、スケール18に所定の距離及び所定の角度で対向するように、ナット12、或いは、ナット12に固定されたキャリッジ15に配置されている。ここで、所定の角度とは、実質的に、ボールねじ11のねじ部のねじり角に等しい角度である。ヘッド19は、本実施形態では、ボールねじ11の軸を含む平面に対してボールねじ11のねじり角をなす方向に沿って配置された複数の検出素子を含み、かかる複数の検出素子を介して、スケール18に含まれる複数のマークを検出する。
The
制御部20は、CPUやメモリなどを含み、駆動装置1の全体(動作)を制御する。例えば、制御部20は、エンコーダ17からの計測信号に基づいて、駆動モータ13をフィードバック制御する。
The
図2を参照して、ボールねじ11、ナット12及びエンコーダ17の詳細な構成について説明する。エンコーダ17は、本実施形態では、アブソリュートエンコーダである。ボールねじ11は、直動伝達機構におけるねじ部材である。ボールねじ11は、駆動する伝達力、駆動ストローク及び駆動ストロークに応じて、そのピッチとねじ径が選択される。なお、ボールねじ11は、台形ねじやスプライン(ボールスプライン)などの各種のねじ送り部材(送り部材)に置換することが可能である。ナット12は、ボールねじ11の軸(ねじ部の側面)11aに係合して物体を駆動可能な係合部材である。
A detailed configuration of the
ボールねじ11の軸11aには、エンコーダ17のスケール18が形成(配置)されている。本実施形態では、エンコーダ17のスケール18は、ボールねじ11の軸11aに螺旋状(連続的)に形成されているが、軸11aの一部分に形成されていてもよい。また、スケール18は、ボールねじ11の軸11aにおいて、ナット12が接触する溝部分11bではなく、溝部分11bを除く部分、即ち、ナット12が接触しない部分(溝部分11bに沿った非溝部分)11cに形成されている。これにより、ボールねじ11の軸11aとナット12とが接触することによって、スケール18が摩耗することを防止することが可能となる。但し、ボールねじ11の軸11aの溝部分11bにスケール18を形成することを禁ずるものではない。
A
ボールねじ11の軸11aにエンコーダ17のスケール18を形成する方法としては、例えば、レーザーマーカでスケール18を描画する方法やインクジェットプリンターを用いて不消インクでスケール18を描画する方法などがある。エンコーダ17のスケール18は、本実施形態では、アブソリュートエンコーダ用の巡回符号式の3値階調スケールである。このようなスケール18は、レーザーマーカにより階調マトリックスを使用し、ヘッド19が読み取り(検出)可能な2値以上のグレースケールパターンを描画することで実現できる。
Examples of a method for forming the
ここで、図3を参照して、ボールねじ11の軸11aにレーザーマーカでスケール18を描画する方法について具体的に説明する。まず、支持部によって、ボールねじ11を軸端で支持する。ボールねじ11が長尺である場合には、中間支持部を設けてボールねじ11の軸撓みを低減すればよい。ボールねじ11を支持する支持部は、ボールねじ11をθ回転可能に、且つ、回転角度を制御可能に支持することが望ましい。図3では、ボールねじ11の軸端に、継ぎ手を介して、サーボモータが接続されている。
Here, with reference to FIG. 3, the method of drawing the
レーザー描画を行うレーザーマーカヘッドは、並進三軸移動ステージなどを含むレーザーマーカヘッド支持台に、X、Y及びZ軸方向に可動に支持(固定)されている。レーザーマーカヘッドは、ボールねじ11の軸11a(スケール18を描画する部分11c)に対応する位置に配置される。レーザーマーカヘッドの並進駆動と、ボールねじ11の回転駆動とを連動させながら、ボールねじ11の軸11aに対して、レーザーマーカヘッドからレーザー光を照射することで、順次、エンコーダ17のスケール18を描画する。
A laser marker head for performing laser drawing is supported (fixed) movably in the X, Y, and Z axis directions on a laser marker head support including a translational triaxial moving stage. The laser marker head is disposed at a position corresponding to the
図4(a)、図4(b)及び図4(c)を参照して、エンコーダ17のスケール18(のパターン)の構成について具体的に説明する。図4(a)に示すように、スケール18は、3値階調の1つのトラックからなる1トラックアブソリュートスケールのパターンを有する。3値階調は、反射部と非反射部との格子を等間隔に配列し、更に、反射部の反射率を選択的に低下させることで実現する。このように、反射率の大小によって絶対位置情報を付与することができる。
With reference to FIG. 4A, FIG. 4B, and FIG. 4C, the configuration of the scale 18 (pattern) of the
反射部の選択的に反射率を低下させた中間値部は、以下の方法で形成することができる。反射部のパターン幅を数十μm、レーザー描画による線幅を数μmとすると、中間値部とするためには、反射部に対して、図4(b)に示すように複数の平行線を描画したり、図4(c)に示すように格子状の線を描画したりすればよい。但し、これらに限定されず、点状、多角形状、円形状などの各種の形状線図を反射部に描画して、反射部の反射率を低下させて中間値部を形成してもよい。 The intermediate value portion in which the reflectance of the reflecting portion is selectively lowered can be formed by the following method. Assuming that the pattern width of the reflecting portion is several tens of μm and the line width by laser drawing is several μm, in order to obtain an intermediate value portion, a plurality of parallel lines are formed on the reflecting portion as shown in FIG. Drawing may be performed, or a grid-like line may be drawn as shown in FIG. However, the present invention is not limited to these, and various shape diagrams such as a dotted shape, a polygonal shape, and a circular shape may be drawn on the reflecting portion, and the reflectance of the reflecting portion may be reduced to form the intermediate value portion.
図2に戻って、スケール18を読み取るヘッド19は、ナット12に配置され、具体的には、ボールねじ11の軸上に配置されている。ボールねじ11が回転することで、ボールねじ11に係合しているナット12が直進移動する。この際、スケール18は、ボールねじ11の回転に伴って、ヘッド19に対して相対的に移動する。換言すれば、ボールねじ11とナット12との間の相対的な回動によるボールねじ11とナット12との間の相対的な直動により物体を移動する。従って、スケール18をヘッド19で読み取ることで、ナット12の移動距離、即ち、位置を計測することができる。
Returning to FIG. 2, the
本実施形態では、エンコーダ17は、光学式エンコーダであるが、これに限定されるものではない。エンコーダ17は、ボールねじ11の軸11aにスケール18を配置することができる方式であればよく、例えば、磁気式エンコーダであってもよい。また、エンコーダ17は、本実施形態では、アブソリュートエンコーダであるが、インクリメンタルエンコーダであってもよい。この場合、スケール18は、窪みなどの原点マーク(スタートコード)を含む。
In the present embodiment, the
本実施形態における駆動装置1の動作について説明する。まず、制御部20に、キャリッジ15の移動速度や移動量などが指示される。制御部20は、キャリッジ15の移動速度や移動量などに基づいて、駆動モータ13に電力を供給する。この際、制御部20は、キャリッジ15を所定の速度で所定の位置に移動させるために、エンコーダ17のヘッド19で読み取ったスケール18の階調の変化に基づいて、駆動モータ13に供給する電力を制御する。
The operation of the
本実施形態におけるボールねじ11は、その外径が12mm、ピッチが8mmであり、ボールねじ11の軸11aの1周は、約38mmである。スケール18のスケール長を30mとすると、ボールねじ11の全回転数は796回転可能となり、約6.3mのストロークの範囲で、キャリッジ15の移動を制御することができる。
The ball screw 11 in the present embodiment has an outer diameter of 12 mm and a pitch of 8 mm, and one round of the
本実施形態では、駆動モータ13を制御するために駆動モータ13に取り付けられるロータリーエンコーダの代わりに、ボールねじ11の軸11aに配置されたスケール18をヘッド19で読み取って回転数を検出し、駆動モータ13を制御することができる。また、本実施形態では、エンコーダ17がアブソリュートエンコーダであるため、原点センサやリミットセンサが不要となり、電源停止時からの復帰処理(原点検出など)も不要となる。
In this embodiment, instead of using a rotary encoder attached to the
従来技術のように、ロータリーエンコーダを用いた場合には、カップリングでのバックラッシや駆動モータのねじれ誤差などが付加されるため、キャリッジの正確な位置決めができない。一方、本実施形態では、キャリッジ15の近傍に配置されたエンコーダ17の計測結果を利用して駆動モータ13を制御しているため、キャリッジ15の直接的な位置を計測することが可能である。また、ボールねじ11の軸11aにスケール18を配置することで、キャリッジ15を位置決めするためのリニアスケールなどを配置するスペースが不要となる。更に、キャリッジ15の移動距離に対して、スケール18のスケール長を、1/〔cos[tan−1{ボールねじ11のピッチ/(π×ボールねじ11の軸径)}]〕倍にすることができる。従って、本実施形態では、スケール18と同じスケールピッチのリニアスケールを配置した場合に比べて、より精細なスケールピッチを得ることができるため、エンコーダ17の計測結果に基づいて、キャリッジ15を高精度に位置決めすることができる。更に、ボールねじ11は、キャリッジ15に駆動伝達を行うため、一般に、移動体の重心位置に配置されるものであり、その重心位置に最も近い位置にエンコーダ17のヘッド19が配置されているため、アッベ誤差を低減する(最小にする)ことができる。
When a rotary encoder is used as in the prior art, a backlash in coupling, a torsion error of a drive motor, and the like are added, so that the carriage cannot be accurately positioned. On the other hand, in the present embodiment, since the
本実施形態では、ボールねじ11の軸11aにスケール18を配置することで、駆動モータ用のエンコーダや位置決め用のリニアスケールを用いることなく、キャリッジ15(ナット12)の精密な速度制御や位置決め制御が可能となる。また、ボールねじ11の軸11aにスケール18を配置することで、スケールピッチが従来技術と同等であっても、キャリッジ15からみたスケールピッチが細分化され、エンコーダ17の分解能を向上させることができる。更に、従来技術で説明したようなリニアスケールを配置することも不要となる。従って、本実施形態の駆動装置1によれば、省スペース化と高精度化とを両立することができる。
In this embodiment, by arranging the
図5を参照して、駆動装置1の応用例を説明する。駆動装置1は、それに含まれるエンコーダ17がアブソリュートエンコーダであれば、原点(基準位置)検出のための動作を必須としない。従って、駆動装置1は、種々の装置、例えば、ロボット、運輸、工作、加工、計測、製造に係る機械又は装置(対象物を処理する産業機械又は加工装置)において有用である。但し、上述したように、駆動装置1に含まれるエンコーダ17は、用途によっては、(必要に応じて原点検出機能を備える又は利用する)インクリメンタルエンコーダであってもよい。ここでは、露光装置に代表されるリソグラフィ装置が有するステージ装置(XYステージ)への適用例を説明する。図5は、本発明の一側面としてのステージ装置500の構成を示す概略図である。
An application example of the
ステージ装置500は、物体としての基板を保持して移動可能に構成されている。ステージ装置500は、図5に示すように、Y軸方向へのステージ508の駆動に用いられるY軸モータ509と、X軸方向へのステージ508の駆動に用いられるX軸モータ512とを有する。ここで、Y軸モータ509及びX軸モータ512は、それぞれ、上述した駆動装置1を含んで構成されている。
The
なお、リソグラフィ装置は、パターンを基板に形成する装置であって、例えば、露光装置、描画装置、インプリント装置として具現化される。露光装置は、例えば、(極端)紫外光を用いて基板(上のレジスト)に(潜像)パターンを形成する。また、描画装置は、例えば、荷電粒子線(電子線等)を用いて基板(上のレジスト)に(潜像)パターンを形成する。また、インプリント装置は、基板上のインプリント材を成型して基板上にパターンを形成する。 The lithography apparatus is an apparatus for forming a pattern on a substrate, and is embodied as, for example, an exposure apparatus, a drawing apparatus, or an imprint apparatus. For example, the exposure apparatus forms a (latent image) pattern on a substrate (upper resist) using (extreme) ultraviolet light. The drawing apparatus forms a (latent image) pattern on the substrate (the upper resist) using, for example, a charged particle beam (electron beam or the like). The imprint apparatus forms a pattern on the substrate by molding an imprint material on the substrate.
本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、半導体デバイスなどのマイクロデバイスや微細構造を有する素子などの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、上述したステージ装置500を有するリソグラフィ装置を用いて、感光剤が塗布された基板に(潜像)パターンを形成する工程(基板に描画を行う工程)と、かかる工程でパターンが形成された基板を現像する工程とを含みうる。更に、上記形成工程に続いて、かかる製造方法は、他の周知の工程(酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージングなど)を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも1つにおいて有利である。
The method for manufacturing an article in the embodiment of the present invention is suitable for manufacturing an article such as a microdevice such as a semiconductor device or an element having a fine structure. Such a manufacturing method uses a lithography apparatus having the above-described
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
1:駆動装置 11:ボールねじ 12:ナット 17:エンコーダ 18:スケール 19:ヘッド 1: Drive device 11: Ball screw 12: Nut 17: Encoder 18: Scale 19: Head
Claims (11)
スケールと検出器とを含み、前記スケールを前記検出器で読み取ることにより前記物体の位置を計測するためのエンコーダを有し、
前記スケールは、前記ねじ部材に配置されていることを特徴とする駆動装置。 A driving device that has a screw member and an engagement member that engages with the screw member, and moves an object by relative movement between the screw member and the engagement member;
An encoder for measuring the position of the object by reading the scale with the detector;
The scale device is disposed on the screw member.
前記スケールは、前記非溝部分に配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の駆動装置。 The screw member includes a groove portion with which the engagement member contacts, and a non-groove portion along the groove portion,
The drive device according to claim 1, wherein the scale is disposed in the non-groove portion.
前記物体を移動する請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の駆動装置を有することを特徴とする産業機械。 An industrial machine for processing objects,
An industrial machine comprising the drive device according to any one of claims 1 to 8 that moves the object.
前記ステージを移動する請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載の駆動装置と、
を有することを特徴とするステージ装置。 A movable stage,
The drive device according to any one of claims 1 to 8, wherein the stage is moved;
A stage apparatus characterized by comprising:
前記対象物をステージで保持して移動する請求項10に記載のステージ装置を有することを特徴とする産業機械。 An industrial machine for processing an object,
An industrial machine comprising the stage device according to claim 10, wherein the object is moved while being held on a stage.
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