JP3673169B2 - XY stage device - Google Patents

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JP3673169B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、X−Yステージ装置に係り、特にX−Y平面に対して直交するZ軸回りの微小角度の回転制御を可能にしたX−Yステージ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9は従来のX−Yステージ装置の一例を示している。
【0003】
図において、ベース1の上面には、互いに平行に2本のガイドレール2が固定されている。ここで、直交する2軸方向をX軸方向とY軸方向とした場合、ガイドレール2はY軸方向に平行に配されており、各ガイドレール2には、Yスライダ3の両端の可動部3Aが、ガイドレール2に沿ってY軸方向にスライド自在に嵌合されている。また、Yスライダ3には、X軸方向にスライド自在にXスライダ4が嵌合されている。
【0004】
各ガイドレール2は矩形断面をなしており、その4つの周側面がY軸方向に平行な案内面となっている。そして、各案内面にYスライダ3の角筒状の可動部3Aの4つの内側面が対向しており、その対向面間にエアベアリング(静圧空気軸受)が配されている。同様に、Yスライダ3の案内部3Bは矩形断面をなしており、その4つの周側面がX軸方向に平行な案内面となっている。そして、各案内面に角筒状のXスライダ4の4つの内側面が対向しており、その対向面間にエアベアリングが配されている。
【0005】
このように、Yスライダ3がガイドレール2に対してY軸方向に可動であり、Xスライダ4がYスライダ3に対してX軸方向に可動であることにより、Xスライダ4がX−Y平面内の任意の位置に移動可能となっている。
【0006】
図10は、特開2000−155186号公報(特願平10−332213号)に記載されている別の従来のX−Yステージ装置の例を示している。
【0007】
このX−Yステージ装置の固定部分は、上面をエアベアリング案内面11Aとしたベース11と、該ベース11の上面に互いに平行に固定された2本のガイドレール12である。
【0008】
ここで、互いに直交する3軸方向をX軸、Y軸、Z軸方向とし、X軸及びY軸を含む平面(Z軸と直交する平面)をX−Y平面とした場合、ベース1の上面の静圧空気軸受案内面1Aは、X−Y平面上に配されている。また、一対のガイドレール12はY軸方向に配されており、各ガイドレール12の対向側面には、Y軸方向と平行な(X軸と直交する)第1案内面12Aが設けられている。
【0009】
これら対向する一対の第1案内面12Aに沿ってY軸方向に直線案内される部分は、両端にT字状部を持つYスライダ13と、継手14を介してYスライダ13のT字状部の側面に設けられたガイド用の4つのエアベアリング15と、Yスライダ13の下面に設けられたリフト用の3つのエアベアリング16である。
【0010】
また、Y軸方向に直線案内されながらX軸方向にも直線案内される部分は、Yスライダ13に組み合わされたXスライダ17と、Z軸回りの回転1自由度を持つ継手18を介してXスライダ17に設けられたガイド用の4つのエアベアリング19と、Xスライダ17の下面に設けられたリフト用のエアベアリング20である。
【0011】
上記の構成により、Yスライダ13は、ガイド用のエアベアリング15によって、ガイドレール11に対するX軸方向の拘束を非接触に受ける。また、Yスライダ13は、リフト用のエアベアリング16による浮上力とYスライダ13の自重とによって、ベース11に対するZ軸方向の拘束を非接触に受ける。従って、この2方向の拘束により、Yスライダ13は、Y軸方向にのみ運動(直線案内)可能となる。
【0012】
同様に、Xスライダ17は、ガイド用のエアベアリング19によって、Yスライダ13に対するY軸方向の拘束を非接触に受ける。また、Xスライダ17は、リフト用のエアベアリング20による浮上力とXスライダの自重とによって、ベース11に対するZ軸方向の拘束を非接触に受ける。従って、この2方向の拘束によって、Xスライダ17は、Yスライダ13に対してX軸方向にのみ運動(直線案内)可能となる。
【0013】
このように、上述したX−Yステージ装置においては、例えばXスライダ4、17上に載せたワークを、X軸方向及びY軸方向に駆動制御することができるが、さらに、X軸方向及びY軸方向の駆動制御に加えて、Z軸回りの回転θzを僅かの角度範囲で制御したい場合がある。例えば、X−Y座標に対してワークがずれて置かれた際に、ワークを置き直すことなく、X−Y座標側をワークに合わせて補正できるようにする場合である。
【0014】
そのような場合、従来ではXスライダ4、17の上に、図11に示すようなθテーブル30を別途用意して取り付けていた。このθテーブル30は、ベース板31に対して回動テーブル32が矢印N方向に回動可能に保持されており、アクチュエータ33を駆動することにより、回動テーブル32を回動制御できるようにしたものである。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のX−Yステージ装置では、Y軸方向のガイドレール2、12を2本設けており、各ガイドレール2、12に形成した案内面によってYスライダ3、13のY軸方向の直線運動を案内するようにしている。つまり、両サイド支持方式を採用している。
【0016】
例えば、図9のX−Yステージ装置の場合、矩形断面の2本のガイドレール2のX軸方向と直交する各両側面に案内面を形成して、これら案内面によってX軸方向の位置を拘束しながら、Yスライダ3のY軸方向の直線運動を案内するようにしている。従って、Yスライダ3のX軸方向の位置を拘束するのに4つの案内面が関与している。
【0017】
また、図10のX−Yステージ装置の場合、2本のガイドレール12の対向側面に第1案内面12Aを形成して、これら対向する第1案内面12AによってX軸方向の位置を拘束しながら、Yスライダ13のY軸方向の直線運動を案内するようにしている。従って、Yスライダ3のX軸方向の位置を拘束するのに2つの案内面が関与している。
【0018】
しかし、2本のガイドレール2、12を使用して、それらに高い面精度と平坦度が要求されるエアベアリング用の案内面を設けると、加工コストが高くなる。また、2本のガイドレール2、12の組み付けに際しても、2本のガイドレール2、12の平行度に高い精度が要求されるため、組み付けコストも高くなる。従って、Yスライダ3、13のZ軸回りの回転θzを抑えるためには、駆動系の位置決め精度を含めて全体に高い製造精度が必要となり、製造コストのアップを招くという問題がある。また、ガイドレール2、12が2本の場合は、案内部分の数が増える関係から、どうしても可動部質量が重くなって、応答性が低下するという問題もある。それに対し、応答性の低下を抑えるために駆動力を高めると、オーバーシュートの問題が発生するおそれが新たに生じる。
【0019】
また、Z軸回りの回転θzの制御を行う場合には、別途θテーブル30をXスライダ4、17の上に取り付ける必要があり、次のような新たな問題を生じていた。
【0020】
(1)θテーブル30を載せることから、可動部の重量が増加し、加速性能等が低下する。
【0021】
(2)θテーブル30の高さ分だけ、アッベ誤差が増大する。
【0022】
(3)可動部分の重心位置が高くなるので、加減速時のピッチング方向(X軸回りの回転θx方向)の振動が増大し、可動部分を位置決めする際の整定時間が長くなる。
【0023】
(4)θテーブル30の駆動は、例えばサーボモータにボールネジを組み合わせた構造のアクチュエータ33で行うので、バックラッシュ(ロストモーション)が存在する。
【0024】
(5)θテーブル30の位置計測は、例えばサーボモータのエンコーダで行われるため、高精度が望めない。
【0025】
(6)θテーブル30のアクチュエータ33では高速運動は望めない。
【0026】
(7)θテーブル30を追加するため、コストが増大する。
【0027】
本発明は、上記事情を考慮し、製造精度をそう高く設定しなくても、性能(応答性、位置決め精度)の向上を図ることができ、しかも、Z軸回りの精度の良い回転制御を簡単な構造で行うことのできる、低コストのX−Yステージ装置を提供することを目的とする。
【0028】
【課題を解決するための手段】
発明は、互いに直交する2軸方向をX軸方向、Y軸方向とし、X軸とY軸とを含む平面をX−Y平面とした場合、Y軸方向に平行な第1案内面を有したガイドレールと、X−Y平面内にて移動可能とされると共に、X軸方向に平行な第2案内面を有し、一端が前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持され、且つ、他端が自由端としてX軸方向に延在されたYスライダと、X−Y平面内にて移動可能とされると共に、前記Yスライダの第2案内面に沿って移動自在に支持されたXスライダと、を有し、前記Yスライダが、Y軸方向に沿って互いに平行な一対の第1、第2リンクと、該第1、第2リンクを連結する連結リンクからなる平行リンク機構を含んで構成されており、前記第1、第2リンクのうちの一方のリンクがYスライダの一端側に配されて、前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持され、さらに、前記Yスライダの一端側をY軸方向に駆動する第1Y軸駆動手段と、前記Yスライダの他端側をY軸方向に駆動する第2Y軸駆動手段と、前記Yスライダの一端側のY軸方向の位置を検出する第1位置検出手段と、前記Yスライダの他端側のY軸方向の位置を検出する第2位置検出手段と、前記第1及び第2位置検出手段の検出信号に基づいて、前記第1Y軸駆動手段及び第2Y軸駆動手段を制御する制御手段と、を備えていることにより、上記課題を解決したものである。
【0029】
発明では、ガイドレールを敢えて片側だけに絞り、そのガイドレールに片持式にYスライダを支持させ、YスライダのX軸方向の位置決めを片端側(一端側)のみとして、他端側は基本的にガイドフリーにしている。
【0030】
従って、ガイドレールが片側に絞られたことによる構造の単純化が実現できる。また、ガイドレールが片側のみにしか存在しないため、相互の平行度を確保しながらの組み付けが不要となるし、ベアリングの数も減らせて、結果的に加工コストや組付コストを含めた製造コスト全体の低減が図れる。さらに、ガイドレールを片側だけのガイド方式にしたので、可動部質量も軽くなり、同じ駆動動力ならそれだけ応答性が高まる。
【0031】
また、Y軸方向に沿った第1、第2リンクを有する平行リンク機構を採用したために、例えば一端側の第1リンクと他端側の第2リンクとを2つの駆動手段によって独立してY軸方向に駆動した際に、第1、第2リンクを並進させることができる。つまり、第1、第2リンクの双方をY軸方向に対して斜めになることなく、平行に変位させることができる。
【0032】
従って、Yスライダの他端側が自由端であるのに拘わらず、Y軸方向に対してYスライダは一端側と他端側は平行を保ちつつ駆動させることができる。
【0033】
このように(少なくとも座標系の補正のような微少な範囲においては)θzを任意の値に積極的に制御することにができ、X−Yガイド系を回転させることができるようになる。
【0034】
そして、発明では、(以下、この明細書ではこの回転を「θz」という)を、従来のように別に用意したθテーブルを用いるのではなく、Yスライダの他端側が自由端で、且つ、Y軸方向の第1Y軸駆動手段と第2Y軸駆動手段によって駆動を行う構成としたので、θz方向の専用の駆動アクチュエータを敢えて設ける必要がなく、その分のコストが不要となる。また、θテーブルの取り付けが不要であるから、全体重量の軽減を図ることができ、加減速性能の低下を最小限にとどめることができる。また、従来のようにθzを駆動するためのθテーブルを敢えてXスライダの上に積み重ねないですむので、アッベ誤差の増大を抑制することができる。また、重心位置が高くならないため、X軸回りの回転振動(ピッチング)が生じにくくなって、位置決めする際の整定時間を短縮できる。
【0035】
ところで、本発明では、片端だけのガイド方式を採用しているが、Yスライドの両端を位置決めする第1、第2のY軸駆動手段の位置決め精度が確保されてさえいれば、当該駆動手段に対するオープン指令だけで相応の精度が確保できる。
【0036】
しかしながら、その一方で、この構成では、第1、第2のY軸駆動手段自体の精度に装置全体の精度(特にZ軸回りの精度)が依存するようになるため、該第1、第2のY軸駆動手段に高精度(高コスト)のものを採用しなければならない。
【0037】
そこで、発明では、特に乙軸回りの回転θzを、Yスライダの一端側(ガイド端側)と他端側(自由端側)を独立して位置決めしながら駆動できるようにすることにより、この不具合を解消している。
【0038】
即ち、発明は、更に、前記Yスライダの一端側のY軸方向の位置を検出する第1位置検出手段と、前記Yスライダの他端側のY軸方向の位置を検出する第2位置検出手段と、前記第1及び第2位置検出手段の検出信号に基づいて前記第1及び第2Y軸駆動手段を制御する制御手段と、を備える
【0039】
この構成により、Yスライダのガイド端側(一端側)の位置を第1位置検出手段により検出し、自由端側(他端側)の位置を第2位置検出手段により検出する。そして、それらの両方の検出結果に基づいて、ガイド端側のY軸方向の動きと自由端側のY軸方向の動きを同期させる。それにより、自由にYスライダのZ軸回りの回転θzを制御できるようになる。例えば、ガイド端側を所定の要求位置にまで駆動し、自由端側をθz=0となるように、位置検出信号に基づいてフィードバック制御すれば、片持式のガイドでありながら、Y軸方向の位置精度を従来よりも簡単に高めることができる。
【0040】
言い換えると、Y軸方向の位置精度あるいはYスライダのθz方向の精度は、ガイド部分の性能に頼らずに、位置検出手段と駆動手段の組み合わせによって出すようにすることができ、ガイド部分には、YスライダのX軸方向の位置決め機能だけを期待するようにできる。
【0041】
この結果、構造の簡素化及びローコスト化と高精度化とを両立させることができる。
【0042】
又、Z軸回りの回転θzの変化の大きさに拘わらず、前記平行リンク機構の第2リンクが常にY軸方向に平行に変位することから、例えば、Yスライダの他端側に位置する第2リンクの位置を第2位置検出手段によって検出する際に、検出異常が発生しにくくなり、常に良好な検出を行うことができて、それに基づくθz制御の精度向上が図れる。
【0043】
本発明においては、前記連結リンクが互いに平行な一対の第3、第4リンクであって、前記第1、第2リンクと連結されることにより平行四辺形の平行リンク機構となるようにするのが好ましい。この構成では、平行リンク機構は、Y軸方向に沿った第1、第2リンクと、X軸方向に沿った第3、第4リンクとを有しており、Yスライダの一端側に位置する第1リンクを、ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持(拘束)することにより、他の3つのリンクを互いに向かい合ったリンク同士の平行を維持しながら自由に変位させることができる。
【0044】
この場合、前記平行リンク機構が前記一対の第1、第2リンクに平行で、且つ、第1、第2リンク間の中間に位置する中間リンクを有し、該中間リンクの両端を前記第3リンクと第4リンクに連結する構成が好ましい
【0045】
この構成によれば、第1リンクと第2リンク間に中間リンクを設けたので、第3、第4リンクの長さが長くなった場合でも、第3、第4リンクの曲げ剛性を高めることができる。従って、中間リンクの補強作用によって第3、第4リンクの軽量化を図ることができる。なお、中間リンクは第3、第4リンクの長さに応じて複数本設けてもよい。
【0046】
なお、前記第3、第4リンクのうちの少なくとも一方のリンクに平行に前記第2案内面が設けられるようにするのが好ましい
【0047】
それは、第1、第2リンクを第1、第2Y軸方向駆動手段でそれぞれ独立して制御でき、又、第3リンクあるいは第4リンクと平行に第2案内面を設けて、その第2案内面に沿って移動自在にXスライダを設けていることから、この第2案内面に沿って移動するXスライダを、Z軸回りに確実且つ積極的に回転制御することができるからである
【0050】
又、本発明では、前記YスライダをX−Y平面内にて移動可能とするために、X−Y平面に平行な第3案内面を確保して、該第3案内面とYスライダとの間に、Yスライダを前記第3案内面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングを設け、前記Yスライダの平行リンク機構の第1リンクを前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持するために、第1案内面と第1リンク側との間に、第1案内面から第1リンクを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを設ける構成にするのが好ましい
【0051】
この構成によれば、Yスライダのガイドのために非接触式(浮上式)のベアリングを設けているので、Yスライダの動きを軽くすることができ、応答性を高めることができる。
【0052】
又、本発明では、前記Yスライダを第3案内面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングをY軸方向に間隔をおいて2個配置すると共に、それら2個のリフトベアリングの間に、前記第1案内面からYスライダの第1リンクを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを配置する構成とするのが好ましい
【0053】
この構成によれば、リフトベアリングのY軸方向の間隔をガイドベアリングの間隔よりも大きく設定することができる。ただし、ガイドベアリングが2個の場合は間隔≠0であるが、ガイドベアリングが1個の場合は間隔=0である。リフトベアリングのY軸方向の間隔は大きい方が、モーメントの関係から、X軸回りのYスライダの回転θxを抑制できる。従って、この発明のように、リフトベアリングをガイドベアリングの外側に配置した場合は、リフトベアリングの間隔をガイドベアリングに左右されずに大きく設定できるので、X軸回りのYスライダの回転θxを抑制する点では好ましくなる。
【0054】
また、ガイドベアリングは2個を間隔をおいて配置した場合には、Yスライダの第1リンクのZ軸方向の回転θzを抑制できる。この構成では、Yスライダに平行リンク機構を使用することで積極的なθz制御を行うのものであるので、基準部材である第1リンクがθz方向に変位するのはあまり好ましくないとも言える。従って、第1リンクのZ軸方向の回転θzを、ガイドベアリングの配置によって抑制できることは、θz制御を精度よく行う上で好ましいと言うことができる。
【0055】
しかし、最終的にはYスライダの一端側と他端側を個別に駆動制御することでYスライダのZ軸回りの回転θzを制御するので、ガイドベアリングによるθzの抑制は、平行リンク機構を使用する利点を損なわない限り、ラフであっても構わない。
【0056】
又、本発明では、前記ガイドレールの第1案内面からYスライダの平行リンク機構の第1リンクを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングが、前記第1案内面と第1リンクとのギャップにガスを吹き込んで第1リンクに浮上力を与えるガスベアリングによって構成されており、該ガスベアリングと組み合わせて、前記第1案内面とYスライダの第1リンクとの間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる磁力発生手段が設けられている構成とするのが好ましい
【0057】
この構成では、ガスベアリングによる浮上力に対抗させて磁気吸引力を積極的に加えている。つまり、ガスベアリングによる案内系にマグネットプリロード方式を採用している。従って、磁気的なプリロードが積極的に与えられる分だけ、ガスベアリングによる案内剛性が高まる上、Yスライダの浮上隙間(浮上量)を精度良く一定に保つことができて、YスライダのX軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【0058】
また、従来例では、浮上力とプリロードとをバランスさせるため、2本のガイドレールの案内面に対してYスライダを突っ張る方式(図10の装置では浮上力とその反力をバランスさせる方式)を採用していたが、そのような方式にする必要がなくなる。即ち、従来の方式では、少なくとも2つの案内面によってYスライダをX軸方向に拘束していたが、この構成では、マグネットプリロード方式の採用により、1つの案内面だけでYスライダの第1リンクをX軸方向に精度良く位置決めすることができるようになる。従って、案内面の数を最小にすることができて、その分の加工コストを削減できる。また、案内面が1つで済むから、ベアリングの数も半減できる上、当然、Yスライダの質量を軽くでき、応答性を高めることができる。
【0059】
なお、マグネットプリロード方式については、特許公報2865369号の「磁気吸引ガス浮上型パッド」等において適用されている公知の技術であるので、ここでの詳しい説明は略する。
なお、本発明の場合、前記平行リンク機構が、それぞれのリンクがX−Y平面内で曲げ変形可能な弾性ヒンジにより連結されていることによっても同じく上記課題を解決することができる。
この構成では、平行リンク機構の連結ヒンジとして、弾性ヒンジを採用したので、バックラッシュのない高精度な位置決め性能が得られる。又、弾性ヒンジは常に元の位置に戻ろうとする性質があるため、制御系の収束性(安定性)を高く維持することができる。
【0060】
本発明は、いずれも、前記第1Y軸駆動手段及び第2Y軸駆動手段が、それぞれ非接触で前記Yスライダの一端側及び他端側に駆動力を伝達するリニアモータで構成されているのが好ましい
【0061】
この構成によれば、リニアモータでYスライダを非接触的に駆動するようにしているので、Yスライダの自由端側の動きを許容できる点で最適であり、応答性も高めることができる。しかも、非接触なので転動疲労もないし、位置決め精度も高くできる。
【0062】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0063】
図1は実施形態のX−Yステージ装置の平面図、図2は図1のII矢視図、図3は図1のIII矢視図である。また、図4は図1のIV部分の拡大概略斜視図である。
【0064】
図1〜図3に示すように、このX−Yステージ装置は、ベース101と、該ベース101上に川の字状に並べられた磁性体製の3枚の長方形状のスライドベース102、103、104と、端部に位置するスライドベース102上に固定された1本の磁性体製のガイドレール110と、このガイドレール110に一端が拘束され他端が自由端として延在する平面視T字形のYスライダ120と、Yスライダ120に組み付けられたXスライダ130とを備えている。
【0065】
互いに直交する3軸方向をX軸、Y軸、Z軸方向とし、X軸とY軸を含む平面をX−Y平面とした場合、スライドベース102、103、104は、X−Y平面上に配されており、スライドベース102、103、104の上面が、Z軸方向と直交する基準案内面(第3案内面及び第4案内面)105となっている。そして、各スライドベース102、103、104は、各々長手方向をY軸方向に沿わせてこの順にX軸方向に並んでいる。
【0066】
ガイドレール110は、これらスライドベース102、103、104のうちの片方の端部に位置するスライドベース102上に、Y軸方向に沿って固定されている。このガイドレール110の内側の側面(ベース101の中心側を向いた側面)には、図4に示すように、Y軸方向に平行な(X軸方向に直交する)第1案内面110Aが形成されている。
【0067】
T字形のYスライダ120は、ガイドレール110に沿ってY軸方向に延在するヘッド部121と、ヘッド部121の長さ方向の中間よりX軸方向に延在する直線案内部122とからなる。直線案内部122は、中央のスライドベース103を横断するようにX軸方向に延在しており、図3に示すように、下面側に配された弾性ヒンジプレート200の上に、Yスライダ本体220を積み重ねた2段構造をなしている。
【0068】
図5は弾性ヒンジプレート200の平面図で、(a)は変形前の状態、(b)は変形した状態を示している。
【0069】
図5に示すように、弾性ヒンジプレート200は、Y軸方向に沿って互いに平行な一方の対の第1、第2リンク201、202を配すると共に、X軸方向に沿って互いに平行な他方の対の第3、第4リンク203、204を配し、隣り合うリンク間をX−Y平面内でのみ回動可能な弾性ヒンジ(連結ヒンジ)205、206、207、208で結合した平行四辺形の平行リンク機構として構成されている。
【0070】
また、第1リンク201と第2リンク202の中間部には、第1リンク201及び第2リンク202と平行に中間リンク209が配されており、中間リンク209の両端が、第3リンク203と第4リンク204の長さ方向中間部に弾性ヒンジ210、211を介して連結されている。
【0071】
弾性ヒンジ205〜208、210、211は、曲げ変形方向をすべてX軸方向に揃えて設けられている。この場合の弾性ヒンジプレート200は、一枚の金属プレート(必ずしも薄くはない)に、5つのリンク201〜204、209と、各リンクをつなぐブリッジ状の6つの弾性ヒンジ205〜208、210、211とを一体に切り出し形成したものであり、第1リンク201の外側及び第2リンク202の外側に一体の取付ブラケット214、215を有している。また、Y軸方向に沿った2つのリンク203、204のうち片方の第3リンク203には、Yスライダ本体220を結合するためのボルト孔212が設けられている。
【0072】
そして、図1に示すように、弾性ヒンジプレート200の第1リンク201が取付ブラケット214によりヘッド部121に結合され、第2リンク202がYスライダ120の他端側に自由端として配されている。
【0073】
また、この弾性ヒンジプレート200の上に、ほぼ同じ大きさの矩形板状のYスライダ本体220が載っている。Yスライダ本体220と弾性ヒンジプレート200とは、第3リンク203でのみ互いに結合され、他の部位は相対的にスライドできるようになっている。即ち、Yスライダ本体220に通したボルト221を第3リンク203のボルト孔212にねじ込むことで、Yスライダ本体220と弾性ヒンジプレート200とが結合されている。従って、Yスライダ本体200の下面側で弾性ヒンジプレート200は自由に変形できる。
【0074】
そして、Yスライダ本体220の第3リンク203側の片側面に、X軸方向と平行な(Y軸方向と直交する)第2案内面120Aが形成されている。
【0075】
Yスライダ120の一端側に位置する第1リンク201と結合されたヘッド部121には、図4に拡大して示すように、底面にリフトエアベアリング123とリフトプリロードマグネット124とが配され、ガイドレール110の第1案内面110Aに対向する側面に、ガイドエアベアリング125とガイドプリロードマグネット126とが配されている。また、図1に示すように、Yスライダ120の他端側に位置する第2リンク202及び取付ブラケット215の底面には、リフトエアベアリング127とリフトプリロードマグネット128とが配されている。
【0076】
3つのリフトエアベアリング(リフト用のガスベアリング)123、123、127は、Yスライダ120をX−Y平面内にて移動可能に支持するためのもので、スライドベース102、104の基準案内面105に対してエア(他のガスでもよい)を吹き出すことにより、Yスライダ120に浮上力を与える。各リフトエアベアリング123、123、127の近傍に配置されたリフトプリロードマグネット(磁力発生手段)124、124、128は永久磁石よりなり、基準案内面105とYスライダ120との間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる。
【0077】
従って、エアベアリング作用による浮上力と磁気吸引力とによって、Yスライダ120は、基準案内面105上に所定高さで非接触で支持される。即ち、リフトプリロードマグネット124、128による磁気吸引力は、Yスライダ120と基準案内面105の距離が増大するに従い減少し、リフトエアベアリング123、127のエア吹き出しによる浮上力は距離の増大と共に減少する。しかも、磁気吸引力と浮上力は逆向きの力であるから、両者のバランスがとれた高さ(浮上隙間=ギャップ)でYスライダ120が移動可能に支持される。
【0078】
また、ガイドエアベアリング(ガイド用のガスベアリング)125及びガイドプリロードマグネット(磁力発生手段)126は、Yスライダ120の一端側のヘッド部121をガイドレール110の第1案内面110Aに沿ってY軸方向に移動自在に支持しながらX軸方向に拘束力を発揮するためのものであり、ガイドエアベアリング125は、ガイドレール110の第1案内面110Aに対してエアを吹き出すことにより、Yスライダ120のヘッド部121に浮上力を与え、永久磁石よりなるガイドプリロードマグネット126は、ガイドレール110の第1案内面110AとYスライダ120のヘッド部121との間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させ、前記と同じ原理で、浮上力と磁気吸引力のバランスにより、ガイドレール110の第1案内面110AからYスライダ120を一定量だけ浮上させて非接触状態でガイドする。
【0079】
前記リフトエアベアリング123、リフトプリロードマグネット124、ガイドエアベアリング125、ガイドプリロードマグネット126は、それぞれが対で設けられており、Yスライダ120のヘッド部121の長さ方向の中心線(直線案内部122の幅方向の中心線でもある)に対して対称に配置されている。
【0080】
この場合、リフトエアベアリング123が一番外側に配置され、その内側にリフトプリロードマグネット124及びガイドプリロードマグネット126が配置され、そのさらに内側にガイドエアベアリング125が配置されている。
【0081】
つまり、対をなすリフトエアベアリング123、123間の距離ができるだけ大きくなるように設定されている。これは、リフトエアベアリング123、123間の距離を大きくすると、Yスライダ120のX軸回りの回転θxを抑制する(θx方向の剛性を高める)ことができるからである。
【0082】
なお、エアを吹き出して浮上力を発生するリフトエアベアリング123、127とガイドエアベアリング125は、図4に示すように、球面継手129を介してYスライダ120に接続されている。
【0083】
このような構成により、Yスライダ120は、スライドベース102〜104上に浮上した状態で、Y軸方向にのみ移動自在とされている。そして、図1に示すように、Yスライダ120の一端側と他端側にそれぞれ独立して、Yスライダ120の一端側をY軸方向に駆動する第1Y軸リニアモータ(第1Y軸駆動手段)141と、他端側をY軸方向に駆動する第2Y軸リニアモータ(第2Y軸駆動手段)142とが設けられている。なお、リニアモータ141、142は、ベース101側と非接触でYスライダ120に対し駆動力を伝達することができるものである。
【0084】
また、Yスライダ120の一端側と他端側にはそれぞれ、Yスライダ120の一端側のY軸方向の位置を検出する第1Y軸リニアエンコーダ(第1位置検出手段)143と、Yスライダ120の他端側のY軸方向の位置を検出する第2Y軸リニアエンコーダ(第2位置検出手段)144とが設けられており、図示しない制御手段が、これらリニアエンコーダ143、144の検出信号に基づいて、第1Y軸リニアモータ141及び第2Y軸リニアモータ142を制御するようになっている。
【0085】
第1Y軸リニアモータ141は、Yスライダ120を構成する弾性ヒンジプレート200の第1リンク201(実際には第1リンク201と結合されたヘッド部121)を駆動するように設けられ、第2Y軸リニアモータ142は、Yスライダ120を構成する弾性ヒンジプレート200の第2リンク202(実際には第2リンク202と結合された部材)を駆動するように設けられている。
【0086】
同様に、第1Y軸リニアエンコーダ143は、Yスライダ120を構成する弾性ヒンジプレート200の第1リンク201(実際には第1リンク201と結合されたヘッド部121)のY軸方向の位置を検出するように設けられ、第2Y軸リニアエンコーダ144は、Yスライダ120を構成する弾性ヒンジプレート200の第2リンク202(実際には第2リンク202と結合された部材)のY軸方向の位置を検出するように設けられている。
【0087】
一方、Xスライダ130は、図3に示すように側壁131と上壁132とを有する断面逆L字形に形成されており、Yスライダ120の直線案内部122の上に被さるように載っている。Xスライダ130の側壁131は、Yスライダ本体220の第2案内面120Aに対向する位置にあり、この側壁131の内面には、第2案内面120Aに対向させて、2つのガイドエアベアリング133と、それらの間に1つのガイドプリロードマグネット134とが配されている。また、Xスライダ130には3つのリフトエアベアリング135が配置されている。3つのリフトエアベアリング135は、Yスライダ120と干渉しない位置で、Xスライダ130をバランス良く支持できる位置に配されている。なお、ガイドエアベアリング133とリフトエアベアリング135は、球面継手136、137を介してXスライダ130に接続されている。
【0088】
3つのリフトエアベアリング(リフト用のガスベアリング)135は、Xスライダ130をX−Y平面内にて移動可能に支持するためのもので、スライドベース103の基準案内面105に対してエアを吹き出すことにより、Xスライダ130に浮上力を与える。そして、エアベアリング作用による浮上力とXスライダ130の自重とのバランスによって、Xスライダ130を、基準案内面105上に所定高さで非接触状態で支持する。
【0089】
また、ガイドエアベアリング(ガイド用のガスベアリング)133及びガイドプリロードマグネット(磁力発生手段)134は、Xスライダ130をYスライダ120の第2案内面120Aに沿ってX軸方向に移動自在に支持しながらY軸方向に拘束力を発揮するためのものであり、ガイドエアベアリング133は、Yスライダ120の第2案内面120Aに対してエアを吹き出すことにより、Xスライダ130に第2案内面120Aに対する浮上力(離反力)を与え、永久磁石よりなるガイドプリロードマグネット134は、Yスライダ120の第2案内面120AとXスライダ130の側壁131との間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させ、浮上力と磁気吸引力のバランスにより、Yスライダ120の第2案内面120AからXスライダ130を一定量だけ浮上させて非接触状態でガイドする。
【0090】
このような構成により、Xスライダ130は、スライドベース103上に浮上した状態で、Yスライダ本体220に案内されてX軸方向にのみ移動自在とされている。そして、図3に示すように、Yスライダ本体220の上面に設置したX軸リニアモータ151によって、Xスライダ130がX軸方向に駆動されるようになっている。また、Xスライダ130には、Xスライダ130のX軸方向の位置を検出するX軸リニアエンコーダ152が設けられており、図示しない制御手段が、このX軸リニアエンコーダ152の検出信号に基づいて、X軸リニアモータ151を制御するようになっている。
【0091】
次に制御系について説明する。
【0092】
Yスライダ120のY軸方向の位置制御、並びに、Xスライダ130のX軸方向の位置制御は、Y軸リニアモータ141、142やX軸リニアモータ151の推力を、Y軸リニアエンコーダ143、144やX軸リニアエンコーダ152の検出信号に基づいてフィードバック制御することで行うことができる。
【0093】
Xスライダ130の位置制御については従来と特に変わりないが、Yスライダ120の位置制御については特徴があるので以下に説明する。
【0094】
先にも述べたように、Yスライダ120は、片端部(一端側)のみをガイドレール110によってガイドするという構造上の特徴ゆえに、Z軸回りの回転θzを生じやすい構造になっている。特に、Yスライダ120には弾性ヒンジプレート200が含まれており、微小角度(±1〜3deg)ではあるが、この弾性ヒンジプレート200によって、積極的にZ軸回りの回転自由度(θz)を得られるようにしている。
【0095】
また、この実施形態のX−Yステージ装置では、位置決め精度及び水平方向案内精度を確保する制御方式として、Yスライダ120の一端側(第1リンク201側)と他端側(第2リンク側)に2組の計測・駆動系を設けて、Y−θ制御方式を採用している。ここで、θはθzのことである。
【0096】
その詳細を図6を用いて説明する。
【0097】
第1Y軸リニアエンコーダ143の測定値をY1FB、第2Y軸リニアエンコーダ144の測定値をY2FBとすると、Y軸方向のフィードバック値YFBは、
YFB =(Y1FB+Y2FB)/2
となる。
【0098】
また、回転角が微小であることを考慮すると、θ軸(θz)のフィードバック値θFBは、
θFB =(Y1FB−Y2FB)/L
となる。
【0099】
そこで、フィードバック値YFB、θFBとY軸・θ軸への目標値Yref、θrefとの偏差演算を行い、Y軸・θ軸への力指令値FY、Fθを算出する。この力指令値から、各リニアモータ141、142への力指令値FY1、FY2の演算式は次式のようになる。
【0100】
FY1 =FY +Fθ
FY2 =FY −Fθ
【0101】
従って、上式の演算結果を各モータアンプ147、148に出力することにより、Yスライダ120のY−θ方向の制御を行う。
【0102】
次に作用を説明する。
【0103】
このX−Yステージ装置において、固定部分は、ベース101、スライドベース102〜104、ガイドレール110である。また、Y軸方向に直線案内される部分は、Yスライダ120、リフトエアベアリング123、ガイドエアベアリング125、リフトプリロードマグネット124、ガイドプリロードマグネット126である。また、Y軸方向に直線案内されながらX軸方向にも直線案内される部分は、Xスライダ130、ガイドエアベアリング133、ガイドプリロードマグネット134、リフトエアベアリング135である。
【0104】
従って、このステージ装置においては、第1Y軸リニアモータ141及び第2Y軸リニアモータ142を駆動すると、Yスライダ120が、ガイドレール110によってX軸方向に拘束されながらY軸方向に駆動される。その際、リフトエアベアリング123、127及びリフトプリロードマグネット124、128の作用により、Yスライダ120は、スライドベース102〜104の基準案内面105に対して一定の浮上隙間を確保しながら非接触状態で案内される。また、ガイドエアベアリング125及びガイドプリロードマグネット126の作用により、Yスライダ120は、ガイドレール110の第1案内面110Aに対して一定の浮上隙間(ギャップ)を確保しながら非接触状態で案内される。
【0105】
ここで、このX−Yステージ装置では、ガイドレール110を敢えて1本だけに限定して設けており、そのガイドレール110に片持式にYスライダ120の弾性ヒンジプレート200を支持させている。そして、Yスライダ120のX軸方向の位置決めを、片端側(一端側)のみとして、他端側は基本的にガイドフリーにしている。
【0106】
従って、この支持構造の特徴から、Yスライダ120は、X−Y平面に直交する軸(Z軸)回りの回転自由度(θzの自由度)を得ることになる。そして、このステージ装置では、Yスライダ120の弾性ヒンジプレート200の一端側(第1リンク201側)と他端側(第2リンク側)とを独立して位置制御できるように計測・駆動系を2組設けている。これにより、自由にYスライダ120のZ軸回りの回転θzを制御できるようになる。
【0107】
例えば、先に述べたように、第1、第2Y軸リニアエンコーダ143、144の位置検出信号に基づいて第1、第2Y軸リニアモータ141、142をフィードバック制御すれば、片持式のガイドでありながら、Y軸方向の位置精度を、従来よりも高めることができる。
【0108】
また、片持式のガイドであるという特徴を生かすことで、第1、第2Y軸リニアエンコーダ143、144の位置検出信号に基づいて第1、第2Y軸リニアモータ141、142をフィードバック制御することにより、Yスライダ120を構成する弾性ヒンジプレート200上のYスライダ本体220を、Z軸回りに積極的に回転制御(θz制御)することができるようになる。
【0109】
即ち、弾性ヒンジプレート200に図5(a)の矢印のような力が働くと、図5(b)に示すように、弾性ヒンジ205〜208、210、211が曲げ変形して、リニアモータを連結した第1、第2リンク201、202は回転することなく並進変位のみし、別の2つのX軸方向に沿った第3、第4リンク203、204に回転変位(回転θz)が得られる。この場合のθz方向の回転位置は、第1、第2リンク201、202のY軸方向の変位をY1、Y2とすると、次式により得られる。
【0110】
θz=sin-1〔(Y1−Y2)/L〕 但し、L:ヒンジ間距離
【0111】
ここで、Yスライダ本体220と弾性ヒンジプレート200は第3リンク203でのみ連結されており、他のリンク201、202、204はフリーとなっている。このため、Yスライダ本体220は、第3リンク203と共にθz方向に回転することになる。
【0112】
なお、ヒンジ間距離Lと第1、第2Y軸リニアエンコーダ143、144の分解能の組み合わせにより、θz方向の任意の駆動分解能を得ることができる。また、弾性ヒンジプレート200に中間ヒンジ209を設けたことで、軽量でありながら十分な剛性を確保しており、Yスライダ本体220の第2案内面120Aのθz回転精度を高めることに寄与している。
【0113】
この場合、弾性ヒンジプレート200が平行リンク機構であるために、次のような作用効果を得ることができる。
【0114】
即ち、図7(a)に示すように、第1リンク201と第2リンク202を第1Y軸リニアモータ141と第2Y軸リニアモータ142によって独立してY軸方向に駆動した際に、第1、第2リンク201、202は並進することになるが、第1リンク201がY軸方向に平行な姿勢で拘束されているため、自由端側の第2リンク202も、Y軸方向に対して斜めになることなく、平行に変位することになる。
【0115】
従って、Z軸回りの回転θzの変化の大きさに拘わらず、第2リンク202が常にY軸方向に平行に変位することによって、Yスライダ120の他端側に位置する第2リンク202の位置を第2Y軸リニアエンコーダ144によって検出する際に、検出異常が発生しにくくなる。
【0116】
例えば、第2Y軸リニアエンコーダ144の可動側(ここでは第2リンク202)に発光部、固定側に受光部を設けたとすると、可動側の第2リンク202から出射する検出光Kは、第2リンク202に対して垂直に出ていき、受光部に達する。
【0117】
このとき、弾性ヒンジプレートを用いない図7(b)の例の場合は、θzの変位が大きくなるに従い、発光側と受光側との光軸がずれ(斜めに光Kが届くことになり)、検出異常が生じやすくなる。
【0118】
これに対し、図7(a)の弾性ヒンジプレート200を用いた場合は、前述したように第2リンク202がY軸方向に平行に変位するので、常に発光側と受光側の平行度が保たれ、検出異常が生じることがない。従って、常に良好な検出を行うことができ、それに基づくθz制御の精度向上が図れる。
【0119】
また、Yスライダ120の動きとは別に、X軸リニアモータ151を駆動すると、Xスライダ130がYスライダ本体220によってY軸方向に拘束されながらX軸方向に駆動される。その際、リフトエアベアリング135の作用により、Xスライダ130は、スライドベース102〜104の基準案内面105に対して一定の浮上隙間を確保しながら非接触状態で案内される。また、ガイドエアベアリング133及びガイドプリロードマグネット134の作用により、Xスライダ130は、Yスライダ120の第2案内面120Aに対して一定の浮上隙間(ギャップ)を確保しながら非接触状態で案内される。
【0120】
そして、Yスライダ120のY軸方向の駆動制御と、Xスライダ130のYスライダ120に対するX軸方向の駆動制御とにより、Xスライダ130がX−Y平面内の任意の位置に駆動制御される。
【0121】
この場合、特にリニアモータ141、142でYスライダ120を非接触的に駆動するようにしているので、Yスライダ120の自由端側の動きを許容できる点で最適であり、応答性も高めることができる。しかも、非接触なので転動疲労がなく、位置決め精度も高くできる。
【0122】
また、このX−Yステージ装置の場合、ガイドレール110が1本に絞られているので、構造が単純化される上、加工精度をあまり高くしないでも、必要十分なY軸方向の位置決め精度を出せるようになる。また、ガイドレール110が1本であるために、従来のように相互の平行度を確保しながらの2本のガイドレールを組み付けるといった組み付けの面倒が不要となる。また、ベアリングの数も減らせるので、結果的に、加工コストや組付コストを含めた製造コスト全体の低減が図れる。また、ガイドレール110が1本になったので、可動部質量が軽くなり、応答性が高まる。
【0123】
また、Yスライダ120のガイドエアベアリング125による案内系にマグネットプリロード方式を採用しているので、案内剛性を高めることができる上、Yスライダ120のガイドレール110からの浮上隙間(浮上量)を精度良く一定に保つことができ、Yスライダ120のX軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【0124】
また、図10の従来例のように、両サイドの2本のガイドレールに対してYスライダを突っ張ることでX軸方向の位置決めを行う方式を採用するのではなく、片側のみのガイドレール110の1つの案内面110Aだけで、Yスライダ120をX軸方向に精度良く位置決めすることができるようになるので、Yスライダ120をガイドする案内面の数を最小にし、エアベアリングの数も半減することができる。従って、当然、Yスライダ120の質量を軽くすることができて、応答性を高めることができる。
【0125】
同様に、Xスライダ130のガイドエアベアリング133による案内系にもマグネットプリロード方式を採用しているので、同案内系の剛性を高めることができる上、Xスライダ130のYスライド120からの浮上隙間(浮上量)を精度良く一定に保つことができ、Xスライダ130のY軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【0126】
また、図10の従来例のように、浮上力とプリロードとをバランスさせるために、Yスライダの両横面に設けた2つの案内面を逆U字状断面のXスライダで挟み込む方式を採用するのではなく、1つの案内面120Aだけで、Xスライダ130をY軸方向に精度良く位置決めすることができるようになるので、Xスライダ130をガイドする案内面の数を最小にし、エアベアリングの数も半減することができる。従って、当然、Xスライダ130の質量を軽くすることができて、応答性を高めることができる。
【0127】
また、このX−Yステージ装置では、Yスライダ120のヘッド部121に設けたリフトエアベアリング123のベアリング間隔を、ガイドエアベアリング125のベアリング間隔よりも大きく設定しているので、X軸回りのYスライダ120の回転θxを抑制する点では好ましくなる。つまり、リフトエアベアリング123のベアリング間隔を大きくしたことにより、ステージのピッチング運動θxによる運動誤差を低減することができる。また、これによりスライドベース102〜104の加工誤差を平均化することができ、垂直方向の真直度の低下を防止できる。
【0128】
また、先に述べたように、Z軸回りの回転θzを任意の値に積極的に制御することができることから、X−Yガイド系を実施的に回転させることができるようになり、例えば、X−Y座標に対してワークがずれて置かれた場合に、ワークを置き直すことなく、X−Y座標側をワークに合わせて補正することができるようになる。
【0129】
また、θz方向の駆動制御を、Y軸方向の2つのリニアモータ141、142によって行う構成としているので、図11のθテーブルのような別の装置を取り付ける必要がなく、その分のコストが不要となる。また、θテーブルのような別の装置が不要であるから、全体重量の軽減を図ることができ、加減速性能の低下を最小限にとどめることができる。
【0130】
また、θテーブルを積み重ねないですむので、アッベ誤差の増大を抑制することができるし、重心位置が高くならないから、X軸回りの回転振動(ピッチング)が生じにくくなって、位置決めする際の整定時間を短縮できる。
【0131】
平行リンク機構として弾性ヒンジプレート200を採用したから、バックラッシュのない高精度なθz位置決め性能が得られる。特に、弾性ヒンジ205〜208の曲げ方向をX軸方向に揃えたことにより、中間リンク209の両端の弾性ヒンジ210、211を含めて全部の弾性ヒンジの曲げ方向がX軸方向に揃うので、各弾性ヒンジにおける曲げ変形性能が統一しやすくなり、加工の容易さと共に、θz制御の際の精度向上に寄与することができる。
【0132】
また、平行リンク機構は第1〜第4のリンク201〜204、中間リンク209、及び、全部の弾性ヒンジ205〜208、210、211を組み合わせて作られるが、すべて1枚の金属プレートから切り出して一体に形成することで、平行リンク機構としての精度向上及び製作の容易化が図れる。また、1枚のプレートとしての簡単な構造であるので、軽量化及び低コスト化が図れる。
【0133】
なお、弾性ヒンジプレートの構造は平行リンク機構を構成するものであれば、特に形状的に制限されるものではなく、要はY軸方向に沿って互いに平行な一対のリンクを有していれば良い。従って、図8に示す弾性ヒンジプレート300のように、第1〜第4の4つのリンク301〜304を互いに連結する弾性ヒンジ305〜308の曲げ変形の方向をY軸方向に揃えたものとしてもよい。この場合は、前記の4つの弾性ヒンジ305〜308の向きが、中間リンク309の両端の弾性ヒンジ310、311の向きと異なってしまうが、平行リンク機構としての機能には差違はない。
【0134】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ガイドレールを敢えて片側だけに絞った片持式のガイドであるため、従来例のような相互の平行度を確保しながらのガイドレールの組み付けが不要となるし、ベアリング等の部品点数も減らせるので、結果的に、加工コストや組付コストを含めた製造コスト全体の低減及びメンテナンス性の向上が図れる。また、ガイドレールが片側のみとなってガイド部分の数が減るので、可動部質量が軽くなり、応答性が高まるというメリットもある。
【0135】
また、Yスライダに平行リンク機構を取り入れ、Yスライダの一端側の第1リンクと他端側の第2リンクをY軸方向に独立駆動して、θz制御を積極的に行うようにしたので、従来のθz制御が可能なステージ装置と比べて、以下の利点が得られる。
【0136】
(1)従来のθテーブルが不要となり、コストの低減が図れる。
【0137】
(2)θテーブルをXスライダの上に積み重ねないですむため、アッベ誤差の増大を抑制できる。
【0138】
(3)θzの駆動をY軸方向の駆動手段で兼ねるので、全体重量の増大を軽減でき、加減速性能の低下を最小限にとどめることができる。
【0139】
(4)Xスライダの重心位置を低く抑えられるため、ピッチング方向の振動に変化がほとんどなく、位置決めの際の整定時間を短縮できる。
【0140】
また、θz方向の案内系に弾性ヒンジプレートを採用することで、バックラッシュのない高精度な位置決め性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態のX−Yステージ装置の平面図
【図2】図1のII矢視図
【図3】図1のIII矢視図
【図4】図1のIV矢視部分の概略拡大斜視図
【図5】弾性ヒンジプレートの平面図
【図6】X−Yステージ装置におけるYスライダの駆動制御系のブロック図
【図7】弾性ヒンジプレートの作用説明図
【図8】弾性ヒンジプレートの別の例を示す平面図
【図9】従来のX−Yステージ装置の一例を示す斜視図
【図10】別の従来のX−Yステージ装置の例を示す斜視図
【図11】従来のX−Yステージ装置に取り付けるθテーブルの平面図
【符号の説明】
101…ベース
102〜104…スライドベース
105…基準案内面(第3案内面、第4案内面)
110…ガイドレール
110A…第1案内面
120…Yスライダ
120A…第2案内面
121…ヘッド部(一端側)
123…リフトエアベアリング(リフト用のガスベアリング)
124…リフトプリロードマグネット(磁力発生手段)
125…ガイドエアベアリング(ガイド用のガスベアリング)
126…ガイドプリロードマグネット(磁力発生手段)
127…リフトエアベアリング(リフト用のガスベアリング)
128…リフトプリロードマグネット(磁力発生手段)
129…球面継手
130…Xスライダ
133…ガイドエアベアリング
134…ガイドプリロードマグネット
135…リフトエアベアリング
136,137…球面継手
141…第1Y軸リニアモータ(第1Y軸駆動手段)
142…第2Y軸リニアモータ(第2Y軸駆動手段)
143…第1Y軸リニアエンコーダ(第1Y軸位置検出手段)
144…第2Y軸リニアエンコーダ(第2Y軸位置検出手段)
151…X軸リニアモータ
152…X軸リニアエンコーダ
200…弾性ヒンジプレート
201…第1リンク
202…第2リンク
203…第3リンク
204…第4リンク
205〜208…弾性ヒンジ
209…中間リンク
210,211…弾性ヒンジ
220…Yスライダ本体
300…弾性ヒンジプレート
301…第1リンク
302…第2リンク
303…第3リンク
304…第4リンク
305〜308…弾性ヒンジ
309…中間リンク
310,311…弾性ヒンジ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an XY stage apparatus, and more particularly to an XY stage apparatus that enables rotation control of a minute angle around a Z axis orthogonal to an XY plane.
[0002]
[Prior art]
FIG. 9 shows an example of a conventional XY stage apparatus.
[0003]
In the figure, two guide rails 2 are fixed to the upper surface of the base 1 in parallel with each other. Here, when the two orthogonal directions are the X-axis direction and the Y-axis direction, the guide rails 2 are arranged in parallel to the Y-axis direction, and each guide rail 2 has a movable portion at both ends of the Y slider 3. 3A is fitted along the guide rail 2 so as to be slidable in the Y-axis direction. An X slider 4 is fitted to the Y slider 3 so as to be slidable in the X axis direction.
[0004]
Each guide rail 2 has a rectangular cross section, and its four peripheral side surfaces are guide surfaces parallel to the Y-axis direction. Then, the four inner surfaces of the movable portion 3A having a rectangular tube shape of the Y slider 3 face each guide surface, and an air bearing (static pressure air bearing) is disposed between the facing surfaces. Similarly, the guide portion 3B of the Y slider 3 has a rectangular cross section, and its four peripheral side surfaces are guide surfaces parallel to the X-axis direction. The four inner surfaces of the rectangular cylindrical X slider 4 are opposed to each guide surface, and an air bearing is disposed between the opposed surfaces.
[0005]
Thus, the Y slider 3 is movable in the Y axis direction with respect to the guide rail 2, and the X slider 4 is movable in the X axis direction with respect to the Y slider 3, so that the X slider 4 is in the XY plane. It can be moved to any position.
[0006]
FIG. 10 shows an example of another conventional XY stage apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-155186 (Japanese Patent Application No. 10-332213).
[0007]
The fixed part of the XY stage apparatus is a base 11 having an upper surface as an air bearing guide surface 11A, and two guide rails 12 fixed in parallel to each other on the upper surface of the base 11.
[0008]
Here, when the three-axis directions orthogonal to each other are the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the plane including the X-axis and the Y-axis (the plane orthogonal to the Z-axis) is the XY plane, The hydrostatic air bearing guide surface 1A is disposed on the XY plane. The pair of guide rails 12 are arranged in the Y-axis direction, and a first guide surface 12A parallel to the Y-axis direction (perpendicular to the X-axis) is provided on the opposite side surface of each guide rail 12. .
[0009]
The portions that are linearly guided in the Y-axis direction along the opposing pair of first guide surfaces 12A are a Y slider 13 having T-shaped portions at both ends, and a T-shaped portion of the Y slider 13 via a joint 14. These are four air bearings 15 for guides provided on the side surfaces and three air bearings 16 for lift provided on the lower surface of the Y slider 13.
[0010]
In addition, a portion that is linearly guided in the Y-axis direction while being linearly guided in the Y-axis direction is an X slider 17 combined with the Y slider 13 and a joint 18 having one degree of freedom of rotation around the Z axis. These are four air bearings 19 for guides provided on the slider 17 and an air bearing 20 for lift provided on the lower surface of the X slider 17.
[0011]
With the above configuration, the Y slider 13 receives the constraint in the X-axis direction with respect to the guide rail 11 in a non-contact manner by the guide air bearing 15. Further, the Y slider 13 receives the restraint in the Z-axis direction with respect to the base 11 in a non-contact manner by the flying force of the lift air bearing 16 and the weight of the Y slider 13. Accordingly, the Y slider 13 can move (straight guide) only in the Y-axis direction due to the restriction in these two directions.
[0012]
Similarly, the X slider 17 receives the Y-axis direction constraint on the Y slider 13 in a non-contact manner by a guide air bearing 19. In addition, the X slider 17 receives the restraint in the Z-axis direction with respect to the base 11 in a non-contact manner due to the flying force of the lift air bearing 20 and the weight of the X slider. Accordingly, the X slider 17 can move (linearly guide) only in the X-axis direction with respect to the Y slider 13 by the restriction in these two directions.
[0013]
As described above, in the above-described XY stage apparatus, for example, the work placed on the X sliders 4 and 17 can be driven and controlled in the X-axis direction and the Y-axis direction. In addition to axial drive control, it may be desired to control the rotation θz about the Z axis within a slight angular range. For example, when the workpiece is placed out of alignment with the XY coordinates, the XY coordinate side can be corrected in accordance with the workpiece without replacing the workpiece.
[0014]
In such a case, conventionally, a θ table 30 as shown in FIG. 11 is separately prepared and attached on the X sliders 4 and 17. The θ table 30 is configured such that the rotation table 32 is rotatably held in the direction of arrow N with respect to the base plate 31, and the rotation table 32 can be controlled to rotate by driving the actuator 33. Is.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional XY stage apparatus described above, two guide rails 2 and 12 in the Y-axis direction are provided, and the Y sliders 3 and 13 are guided in the Y-axis direction by the guide surfaces formed on the respective guide rails 2 and 12. It is trying to guide the linear motion. That is, the both side support system is adopted.
[0016]
For example, in the case of the XY stage apparatus of FIG. 9, a guide surface is formed on each side surface orthogonal to the X-axis direction of two guide rails 2 having a rectangular cross section, and the position in the X-axis direction is determined by these guide surfaces. The linear motion of the Y slider 3 in the Y-axis direction is guided while restraining. Accordingly, four guide surfaces are involved in restraining the position of the Y slider 3 in the X-axis direction.
[0017]
Further, in the case of the XY stage apparatus of FIG. 10, the first guide surface 12A is formed on the opposite side surfaces of the two guide rails 12, and the position in the X-axis direction is constrained by the opposed first guide surfaces 12A. However, the linear motion of the Y slider 13 in the Y-axis direction is guided. Therefore, two guide surfaces are involved in restraining the position of the Y slider 3 in the X-axis direction.
[0018]
However, if the two guide rails 2 and 12 are used and a guide surface for an air bearing that requires high surface accuracy and flatness is provided on the two guide rails 2 and 12, the processing cost increases. Further, when assembling the two guide rails 2 and 12, since high accuracy is required for the parallelism of the two guide rails 2 and 12, the assembling cost is also increased. Therefore, in order to suppress the rotation θz around the Z axis of the Y sliders 3 and 13, high manufacturing accuracy is required as a whole including the positioning accuracy of the drive system, which causes an increase in manufacturing cost. Further, when there are two guide rails 2 and 12, there is a problem in that the mass of the movable part is inevitably increased due to the increase in the number of guide portions and the responsiveness is lowered. On the other hand, if the driving force is increased in order to suppress a decrease in responsiveness, there is a new possibility that an overshoot problem will occur.
[0019]
Further, when the rotation θz around the Z axis is controlled, it is necessary to separately attach the θ table 30 on the X sliders 4 and 17, resulting in the following new problem.
[0020]
(1) Since the θ table 30 is placed, the weight of the movable part increases, and the acceleration performance and the like decrease.
[0021]
(2) The Abbe error increases by the height of the θ table 30.
[0022]
(3) Since the position of the center of gravity of the movable part increases, vibration in the pitching direction (rotation θx direction around the X axis) during acceleration / deceleration increases, and the settling time for positioning the movable part becomes longer.
[0023]
(4) Since the θ table 30 is driven by the actuator 33 having a structure in which a ball screw is combined with a servo motor, for example, backlash (lost motion) exists.
[0024]
(5) Since the position measurement of the θ table 30 is performed by an encoder of a servo motor, for example, high accuracy cannot be expected.
[0025]
(6) The actuator 33 of the θ table 30 cannot be expected to move at high speed.
[0026]
(7) Since the θ table 30 is added, the cost increases.
[0027]
In consideration of the above circumstances, the present invention can improve the performance (responsiveness, positioning accuracy) without setting the manufacturing accuracy so high, and can easily perform rotation control with high accuracy around the Z axis. An object of the present invention is to provide a low-cost XY stage apparatus that can be performed with a simple structure.
[0028]
[Means for Solving the Problems]
  BookThe inventionA guide rail having a first guide surface parallel to the Y-axis direction when the two axis directions orthogonal to each other are the X-axis direction and the Y-axis direction, and the plane including the X-axis and the Y-axis is the XY plane, , Having a second guide surface parallel to the X-axis direction and having one end movably supported along the first guide surface of the guide rail, and An X slider having the other end as a free end and extending in the X-axis direction and movable in the XY plane and supported so as to be movable along the second guide surface of the Y slider A parallel link mechanism comprising a pair of first and second links parallel to each other along the Y-axis direction, and a connecting link connecting the first and second links. One of the first and second links is one of the Y sliders. A first Y-axis driving means that is movably supported along the first guide surface of the guide rail and that drives one end side of the Y slider in the Y-axis direction; Second Y-axis drive means for driving the end side in the Y-axis direction, first position detection means for detecting the position in the Y-axis direction on one end side of the Y slider, and Y-axis direction on the other end side of the Y slider Second position detection means for detecting a position; and control means for controlling the first Y-axis drive means and the second Y-axis drive means based on detection signals of the first and second position detection means;By solving, the above-mentioned problems are solved.
[0029]
  BookIn the invention, the guide rail is squeezed only to one side, the Y slider is supported on the guide rail in a cantilevered manner, the positioning of the Y slider in the X-axis direction is only one end side (one end side), and the other end side is basically Guide free.
[0030]
Therefore, simplification of the structure can be realized by the guide rail being narrowed to one side. In addition, since the guide rail exists only on one side, it is not necessary to assemble while ensuring mutual parallelism, and the number of bearings can be reduced, resulting in manufacturing costs including processing costs and assembly costs. Overall reduction can be achieved. Furthermore, since the guide rail has a guide system only on one side, the mass of the movable part is reduced, and the same drive power increases the response.
[0031]
In addition, since the parallel link mechanism having the first and second links along the Y-axis direction is adopted, for example, the first link on one end side and the second link on the other end side are independently Y by two driving means. When driven in the axial direction, the first and second links can be translated. That is, both the first and second links can be displaced in parallel without being inclined with respect to the Y-axis direction.
[0032]
Therefore, regardless of whether the other end side of the Y slider is a free end, the Y slider can be driven while keeping one end side and the other end side parallel to the Y-axis direction.
[0033]
Thus, θz can be positively controlled to an arbitrary value (at least in a minute range such as correction of the coordinate system), and the XY guide system can be rotated.
[0034]
  AndBookIn the present invention (hereinafter, this rotation is referred to as “θz”), instead of using a separately prepared θ table as in the prior art, the other end side of the Y slider is a free end and the Y-axis direction is used. Since the first Y-axis drive means and the second Y-axis drive means are used for driving, it is not necessary to provide a dedicated drive actuator in the θz direction, and the cost for that is eliminated. Further, since it is not necessary to attach the θ table, it is possible to reduce the overall weight and to minimize the decrease in acceleration / deceleration performance. Further, since it is not necessary to dare to stack the θ table for driving θz on the X slider as in the prior art, an increase in Abbe error can be suppressed. In addition, since the position of the center of gravity does not increase, rotational vibration (pitching) around the X axis is less likely to occur, and the settling time for positioning can be shortened.
[0035]
  by the wayIn the present invention, a guide system with only one end is adopted. However, as long as the positioning accuracy of the first and second Y-axis driving means for positioning both ends of the Y slide is ensured, the opening to the driving means is open. Appropriate accuracy can be ensured only by the command.
[0036]
However, on the other hand, in this configuration, the accuracy of the entire apparatus (especially the accuracy around the Z axis) is dependent on the accuracy of the first and second Y-axis drive means themselves. High precision (high cost) must be adopted as the Y axis drive means.
[0037]
  there,BookThe invention eliminates this problem by enabling the rotation θz around the B axis to be driven while positioning the one end side (guide end side) and the other end side (free end side) of the Y slider independently. doing.
[0038]
  That is,BookThe inventionFurthermore,A first position detecting means for detecting a position in the Y-axis direction on one end side of the Y slider; a second position detecting means for detecting a position in the Y-axis direction on the other end side of the Y slider; Control means for controlling the first and second Y-axis drive means based on the detection signal of the two-position detection means.Get.
[0039]
  thisDepending on configurationThe position on the guide end side (one end side) of the Y slider is detected by the first position detecting means, and the position on the free end side (the other end side) is detected by the second position detecting means. Based on both detection results, the movement in the Y-axis direction on the guide end side and the movement in the Y-axis direction on the free end side are synchronized. Accordingly, the rotation θz around the Z axis of the Y slider can be freely controlled. For example, if the guide end side is driven to a predetermined required position and feedback control is performed based on the position detection signal so that the free end side becomes θz = 0, the Y axis direction The position accuracy can be increased more easily than before.
[0040]
In other words, the position accuracy in the Y-axis direction or the accuracy in the θz direction of the Y slider can be obtained by a combination of the position detection means and the drive means without depending on the performance of the guide part. Only the positioning function of the Y slider in the X-axis direction can be expected.
[0041]
As a result, it is possible to achieve both simplification of the structure, low cost, and high accuracy.
[0042]
Also, the second link of the parallel link mechanism is always displaced parallel to the Y-axis direction regardless of the magnitude of the change in the rotation θz around the Z-axis. When the position of the two links is detected by the second position detecting means, detection abnormality is less likely to occur, and good detection can always be performed, and the accuracy of θz control based on the detection can be improved.
[0043]
  In the present inventionThe connecting link is a pair of third and fourth links parallel to each other, and is connected to the first and second links to form a parallelogram parallel link mechanism.Preferably. thisIn the configurationThe parallel link mechanism includes first and second links along the Y-axis direction, and third and fourth links along the X-axis direction, and the first link located on one end side of the Y slider. The other three links can be freely displaced while maintaining the parallelness of the links facing each other by being supported (restrained) movably along the first guide surface of the guide rail.
[0044]
  in this caseThe parallel link mechanism has an intermediate link that is parallel to the pair of first and second links and is located between the first and second links, and both ends of the intermediate link are connected to the third link. Connect to 4th linkPreferred configuration.
[0045]
  thisAccording to the configurationSince the intermediate link is provided between the first link and the second link, the bending rigidity of the third and fourth links can be increased even when the lengths of the third and fourth links are increased. Therefore, the weight of the third and fourth links can be reduced by the reinforcing action of the intermediate link. A plurality of intermediate links may be provided according to the length of the third and fourth links.
[0046]
  In additionThe second guide surface is provided in parallel to at least one of the third and fourth links.Preferably.
[0047]
  that is,The first and second links can be controlled independently by the first and second Y-axis direction driving means, and a second guide surface is provided in parallel with the third link or the fourth link. Since the X slider is provided movably along the X slider, the X slider moving along the second guide surface can be reliably and positively controlled to rotate around the Z axis.Is from.
[0050]
  In the present invention,In order to make the Y slider movable in the XY plane, a third guide surface parallel to the XY plane is secured, and a Y slider is provided between the third guide surface and the Y slider. A non-contact type lift bearing is provided that guides by floating a certain amount from the third guide surface, and the first link of the parallel link mechanism of the Y slider is movable along the first guide surface of the guide rail. In order to support, a non-contact type guide bearing is provided between the first guide surface and the first link side to guide the first link by floating a certain amount from the first guide surface.It is preferable to make the configuration.
[0051]
  thisAccording to the configurationSince the non-contact type (floating type) bearing is provided for the guide of the Y slider, the movement of the Y slider can be lightened, and the responsiveness can be improved.
[0052]
  In the present invention,, Two non-contact type lift bearings that guide the Y slider by floating a certain amount from the third guide surface are arranged at intervals in the Y-axis direction, and between the two lift bearings, A non-contact type guide bearing that guides the first link of the Y slider from the first guide surface by a certain amountIt is preferable to adopt a configuration to.
[0053]
  thisAccording to the configuration, Set the clearance of the lift bearing in the Y-axis direction to be larger than that of the guide bearingTo doCanTheHowever, when there are two guide bearings, the interval ≠ 0, but when there is one guide bearing, the interval = 0. When the distance between the lift bearings in the Y-axis direction is larger, the rotation θx of the Y slider around the X-axis can be suppressed from the moment relationship. Accordingly, when the lift bearing is arranged outside the guide bearing as in the present invention, the interval between the lift bearings can be set large regardless of the guide bearing, and therefore the rotation θx of the Y slider around the X axis is suppressed. This is preferable in terms of points.
[0054]
  Further, when two guide bearings are arranged at an interval, the rotation θz in the Z-axis direction of the first link of the Y slider can be suppressed. thisConstitutionThen, since the active θz control is performed by using the parallel link mechanism for the Y slider, it can be said that it is not preferable that the first link as the reference member is displaced in the θz direction. Therefore, it can be said that the rotation θz in the Z-axis direction of the first link can be suppressed by the arrangement of the guide bearing, which is preferable in accurately performing the θz control.
[0055]
However, since the rotation θz around the Z axis of the Y slider is controlled by driving and controlling one end side and the other end side of the Y slider individually, a parallel link mechanism is used to suppress θz by the guide bearing. Rough may be used as long as the advantage is not impaired.
[0056]
  In the present invention,A non-contact type guide bearing that guides the first link of the parallel link mechanism of the Y-slider from the first guide surface of the guide rail by a certain amount is provided in the gap between the first guide surface and the first link. A preload is formed by a gas bearing that blows gas to give a levitation force to the first link, and in combination with the gas bearing, opposes the levitation force between the first guide surface and the first link of the Y slider. Magnetic force generating means for generating a magnetic attraction force is provided asPreferably configured.
[0057]
  thisConstitutionThen, the magnetic attractive force is positively applied against the levitation force by the gas bearing. In other words, the magnet preload system is adopted for the guide system using gas bearings. Therefore, the guide rigidity by the gas bearing increases as much as the magnetic preload is positively applied, and the flying gap (the flying height) of the Y slider can be kept constant with high precision, and the Y slider can be moved in the X-axis direction. The positioning accuracy can be improved.
[0058]
  Further, in the conventional example, in order to balance the flying force and the preload, a method in which the Y slider is stretched against the guide surfaces of the two guide rails (a method in which the flying force and the reaction force are balanced in the apparatus of FIG. 10). Although it was adopted, it is no longer necessary to use such a method. That is, in the conventional method, the Y slider is restrained in the X-axis direction by at least two guide surfaces.This configurationThen, the adoption of the magnet preload system makes it possible to accurately position the first link of the Y slider in the X-axis direction with only one guide surface. Therefore, the number of guide surfaces can be minimized and the machining cost can be reduced accordingly. Further, since only one guide surface is required, the number of bearings can be halved, and naturally, the mass of the Y slider can be reduced and the responsiveness can be improved.
[0059]
  The magnet preload system is a well-known technique applied in “Magnetic Suction Gas Floating Pad” of Japanese Patent Publication No. 2865369, and detailed description thereof is omitted here.
In addition, in the case of this invention, the said subject can be similarly solved by the said parallel link mechanism being connected with each link by the elastic hinge which can be bent and deformed in XY plane.
In this configuration, since an elastic hinge is used as the connecting hinge of the parallel link mechanism, high-precision positioning performance without backlash can be obtained. Further, since the elastic hinge always has the property of returning to the original position, the convergence (stability) of the control system can be kept high.
[0060]
  All of the present inventionThe first Y-axis driving means and the second Y-axis driving means are each constituted by a linear motor that transmits a driving force to one end side and the other end side of the Y slider in a non-contact manner.Is preferred.
[0061]
  thisAccording to the configurationSince the Y slider is driven in a non-contact manner by the linear motor, it is optimal in that the movement of the free end side of the Y slider can be allowed, and the responsiveness can be improved. Moreover, since there is no contact, there is no rolling fatigue and positioning accuracy can be increased.
[0062]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0063]
1 is a plan view of the XY stage apparatus of the embodiment, FIG. 2 is a view taken along the arrow II in FIG. 1, and FIG. 3 is a view taken along the arrow III in FIG. FIG. 4 is an enlarged schematic perspective view of a portion IV in FIG.
[0064]
As shown in FIGS. 1 to 3, the XY stage apparatus includes a base 101 and three rectangular slide bases 102 and 103 made of a magnetic material arranged in a river shape on the base 101. 104, one magnetic guide rail 110 fixed on the slide base 102 located at the end, and a plan view T in which one end is constrained to the guide rail 110 and the other end extends as a free end. A character-shaped Y slider 120 and an X slider 130 assembled to the Y slider 120 are provided.
[0065]
When the three axis directions orthogonal to each other are the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the plane including the X-axis and the Y-axis is the XY plane, the slide bases 102, 103, and 104 are on the XY plane. The upper surfaces of the slide bases 102, 103, 104 are reference guide surfaces (third guide surface and fourth guide surface) 105 that are orthogonal to the Z-axis direction. The slide bases 102, 103, and 104 are arranged in the X-axis direction in this order with the longitudinal direction along the Y-axis direction.
[0066]
The guide rail 110 is fixed along the Y-axis direction on the slide base 102 located at one end of the slide bases 102, 103, and 104. As shown in FIG. 4, a first guide surface 110A parallel to the Y-axis direction (perpendicular to the X-axis direction) is formed on the inner side surface of the guide rail 110 (the side surface facing the center side of the base 101). Has been.
[0067]
The T-shaped Y slider 120 includes a head portion 121 extending in the Y-axis direction along the guide rail 110 and a linear guide portion 122 extending in the X-axis direction from the middle in the length direction of the head portion 121. . The linear guide portion 122 extends in the X-axis direction so as to cross the central slide base 103, and as shown in FIG. 3, on the elastic hinge plate 200 disposed on the lower surface side, the Y slider body. It has a two-stage structure in which 220 are stacked.
[0068]
5A and 5B are plan views of the elastic hinge plate 200, where FIG. 5A shows a state before deformation, and FIG. 5B shows a deformed state.
[0069]
As shown in FIG. 5, the elastic hinge plate 200 includes a pair of first and second links 201 and 202 parallel to each other along the Y-axis direction and the other parallel to each other along the X-axis direction. Parallel four sides that are connected by elastic hinges (connection hinges) 205, 206, 207, and 208, in which a pair of third and fourth links 203 and 204 are arranged, and the adjacent links can be rotated only in the XY plane It is configured as a parallel link mechanism.
[0070]
In addition, an intermediate link 209 is arranged in the middle of the first link 201 and the second link 202 in parallel with the first link 201 and the second link 202, and both ends of the intermediate link 209 are connected to the third link 203. The fourth link 204 is connected to an intermediate portion in the length direction via elastic hinges 210 and 211.
[0071]
The elastic hinges 205 to 208, 210, and 211 are provided with the bending deformation directions all aligned in the X-axis direction. In this case, the elastic hinge plate 200 includes five links 201 to 204, 209 and six bridge-shaped elastic hinges 205 to 208, 210, 211 connecting the links to a single metal plate (not necessarily thin). Are integrally formed on the outer side of the first link 201 and the outer side of the second link 202. In addition, one of the two links 203 and 204 along the Y-axis direction is provided with a bolt hole 212 for coupling the Y slider body 220 to one of the third links 203.
[0072]
As shown in FIG. 1, the first link 201 of the elastic hinge plate 200 is coupled to the head portion 121 by the mounting bracket 214, and the second link 202 is disposed as a free end on the other end side of the Y slider 120. .
[0073]
On the elastic hinge plate 200, a rectangular plate-shaped Y-slider body 220 having substantially the same size is placed. The Y slider main body 220 and the elastic hinge plate 200 are coupled to each other only by the third link 203, and the other portions can slide relative to each other. That is, the Y slider body 220 and the elastic hinge plate 200 are coupled by screwing the bolt 221 passed through the Y slider body 220 into the bolt hole 212 of the third link 203. Therefore, the elastic hinge plate 200 can be freely deformed on the lower surface side of the Y slider body 200.
[0074]
A second guide surface 120A parallel to the X-axis direction (perpendicular to the Y-axis direction) is formed on one side surface of the Y slider main body 220 on the third link 203 side.
[0075]
As shown in an enlarged view in FIG. 4, a lift air bearing 123 and a lift preload magnet 124 are arranged on the bottom surface of the head portion 121 coupled to the first link 201 located on one end side of the Y slider 120. A guide air bearing 125 and a guide preload magnet 126 are disposed on the side surface of the rail 110 that faces the first guide surface 110A. Further, as shown in FIG. 1, a lift air bearing 127 and a lift preload magnet 128 are disposed on the bottom surface of the second link 202 and the mounting bracket 215 located on the other end side of the Y slider 120.
[0076]
Three lift air bearings (lift gas bearings) 123, 123, 127 are for supporting the Y slider 120 so as to be movable in the XY plane, and the reference guide surfaces 105 of the slide bases 102, 104. By blowing air (other gas may be used) to the Y slider 120, a flying force is applied to the Y slider 120. Lift preload magnets (magnetic force generating means) 124, 124, 128 arranged in the vicinity of the lift air bearings 123, 123, 127 are made of permanent magnets, and the levitation force is generated between the reference guide surface 105 and the Y slider 120. A magnetic attractive force is generated as a preload to counteract.
[0077]
Therefore, the Y slider 120 is supported on the reference guide surface 105 at a predetermined height in a non-contact manner by the levitation force and the magnetic attraction force due to the air bearing action. That is, the magnetic attractive force by the lift preload magnets 124 and 128 decreases as the distance between the Y slider 120 and the reference guide surface 105 increases, and the levitation force due to the air blowing from the lift air bearings 123 and 127 decreases as the distance increases. . In addition, since the magnetic attraction force and the levitation force are opposite forces, the Y slider 120 is supported movably at a height (levitation gap = gap) in which both are balanced.
[0078]
The guide air bearing (guide gas bearing) 125 and the guide preload magnet (magnetic force generating means) 126 are arranged so that the head 121 on one end side of the Y slider 120 moves along the first guide surface 110A of the guide rail 110 along the Y axis. The guide air bearing 125 blows air toward the first guide surface 110A of the guide rail 110, thereby supporting the Y slider 120. A guide preload magnet 126 made of a permanent magnet is applied as a preload that counteracts the levitation force between the first guide surface 110A of the guide rail 110 and the head portion 121 of the Y slider 120. Generates attractive force and balances levitation force and magnetic attraction force based on the same principle as above More, the Y slider 120 is floated by a predetermined amount from the first guide surface 110A of the guide rail 110 for guiding in a non-contact state.
[0079]
The lift air bearing 123, the lift preload magnet 124, the guide air bearing 125, and the guide preload magnet 126 are each provided in pairs, and the center line in the length direction of the head portion 121 of the Y slider 120 (the linear guide portion 122). (Which is also the center line in the width direction).
[0080]
In this case, the lift air bearing 123 is disposed on the outermost side, the lift preload magnet 124 and the guide preload magnet 126 are disposed on the inner side, and the guide air bearing 125 is disposed further on the inner side.
[0081]
That is, the distance between the paired lift air bearings 123 and 123 is set to be as large as possible. This is because if the distance between the lift air bearings 123 and 123 is increased, the rotation θx around the X axis of the Y slider 120 can be suppressed (the rigidity in the θx direction can be increased).
[0082]
Note that the lift air bearings 123 and 127 and the guide air bearing 125 that generate air by blowing air are connected to the Y slider 120 via a spherical joint 129, as shown in FIG.
[0083]
With such a configuration, the Y slider 120 is movable only in the Y-axis direction while floating on the slide bases 102 to 104. As shown in FIG. 1, a first Y-axis linear motor (first Y-axis drive unit) that drives one end side of the Y slider 120 in the Y-axis direction independently of the one end side and the other end side of the Y slider 120. 141, and a second Y-axis linear motor (second Y-axis drive means) 142 that drives the other end side in the Y-axis direction. The linear motors 141 and 142 can transmit driving force to the Y slider 120 in a non-contact manner with the base 101 side.
[0084]
Further, on one end side and the other end side of the Y slider 120, a first Y axis linear encoder (first position detecting means) 143 for detecting a position in the Y axis direction on one end side of the Y slider 120, and the Y slider 120, respectively. A second Y-axis linear encoder (second position detecting means) 144 that detects the position of the other end side in the Y-axis direction is provided, and a control means (not shown) is based on the detection signals of these linear encoders 143 and 144. The first Y-axis linear motor 141 and the second Y-axis linear motor 142 are controlled.
[0085]
The first Y-axis linear motor 141 is provided so as to drive the first link 201 (actually the head unit 121 coupled to the first link 201) of the elastic hinge plate 200 constituting the Y slider 120, and the second Y-axis The linear motor 142 is provided so as to drive the second link 202 (actually a member coupled to the second link 202) of the elastic hinge plate 200 constituting the Y slider 120.
[0086]
Similarly, the first Y-axis linear encoder 143 detects the position in the Y-axis direction of the first link 201 (actually the head unit 121 coupled to the first link 201) of the elastic hinge plate 200 constituting the Y slider 120. The second Y-axis linear encoder 144 determines the position in the Y-axis direction of the second link 202 (actually a member coupled to the second link 202) of the elastic hinge plate 200 constituting the Y slider 120. It is provided to detect.
[0087]
On the other hand, as shown in FIG. 3, the X slider 130 is formed in an inverted L-shaped cross section having a side wall 131 and an upper wall 132, and is placed on the linear guide portion 122 of the Y slider 120. The side wall 131 of the X slider 130 is at a position facing the second guide surface 120A of the Y slider main body 220, and the inner surface of the side wall 131 faces the second guide surface 120A and two guide air bearings 133 and One guide preload magnet 134 is disposed between them. Further, three lift air bearings 135 are arranged on the X slider 130. The three lift air bearings 135 are arranged at positions that can support the X slider 130 in a well-balanced manner at positions that do not interfere with the Y slider 120. The guide air bearing 133 and the lift air bearing 135 are connected to the X slider 130 via spherical joints 136 and 137.
[0088]
Three lift air bearings (lift gas bearings) 135 support the X slider 130 so as to be movable in the XY plane, and blow out air to the reference guide surface 105 of the slide base 103. As a result, a flying force is applied to the X slider 130. Then, the X slider 130 is supported on the reference guide surface 105 at a predetermined height in a non-contact state by a balance between the flying force due to the air bearing action and the own weight of the X slider 130.
[0089]
A guide air bearing (guide gas bearing) 133 and a guide preload magnet (magnetic force generating means) 134 support the X slider 130 movably in the X axis direction along the second guide surface 120A of the Y slider 120. However, the guide air bearing 133 blows air to the second guide surface 120A of the Y slider 120, thereby causing the X slider 130 to move against the second guide surface 120A. A guide preload magnet 134 that applies a levitating force (separation force) and is made of a permanent magnet has a magnetic attractive force as a preload that opposes the levitating force between the second guide surface 120A of the Y slider 120 and the side wall 131 of the X slider 130. The second draft of the Y slider 120 is generated by the balance between the levitation force and the magnetic attraction force. The X slider 130 from the surface 120A is floated by a predetermined amount to guide a non-contact state.
[0090]
With such a configuration, the X slider 130 is guided to the Y slider main body 220 while being floated on the slide base 103 and is movable only in the X-axis direction. As shown in FIG. 3, the X slider 130 is driven in the X axis direction by an X axis linear motor 151 installed on the upper surface of the Y slider body 220. Further, the X slider 130 is provided with an X axis linear encoder 152 that detects the position of the X slider 130 in the X axis direction, and a control means (not shown) is based on the detection signal of the X axis linear encoder 152. The X-axis linear motor 151 is controlled.
[0091]
Next, the control system will be described.
[0092]
The position control of the Y slider 120 in the Y axis direction and the position control of the X slider 130 in the X axis direction are based on the thrust of the Y axis linear motors 141 and 142 and the X axis linear motor 151, the Y axis linear encoders 143 and 144, This can be performed by feedback control based on the detection signal of the X-axis linear encoder 152.
[0093]
The position control of the X slider 130 is not particularly different from the conventional one, but the position control of the Y slider 120 has characteristics and will be described below.
[0094]
As described above, the Y slider 120 has a structure in which the rotation θz around the Z axis is likely to occur because of the structural feature that only one end (one end side) is guided by the guide rail 110. In particular, the Y slider 120 includes an elastic hinge plate 200, which has a small angle (± 1 to 3 degrees), but the elastic hinge plate 200 positively increases the degree of freedom of rotation (θz) about the Z axis. I try to get it.
[0095]
In the XY stage apparatus of this embodiment, one control side (first link 201 side) and the other end side (second link side) of the Y slider 120 are used as a control method for ensuring positioning accuracy and horizontal guidance accuracy. Two sets of measurement / drive systems are provided, and the Y-θ control method is adopted. Here, θ is θz.
[0096]
Details thereof will be described with reference to FIG.
[0097]
If the measured value of the first Y-axis linear encoder 143 is Y1FB and the measured value of the second Y-axis linear encoder 144 is Y2FB, the feedback value YFB in the Y-axis direction is
YFB = (Y1FB + Y2FB) / 2
It becomes.
[0098]
Also, considering that the rotation angle is very small, the feedback value θFB of the θ axis (θz) is
θFB = (Y1FB−Y2FB) / L
It becomes.
[0099]
Therefore, a deviation calculation is performed between the feedback values YFB and θFB and the target values Yref and θref for the Y-axis and θ-axis to calculate force command values FY and Fθ for the Y-axis and θ-axis. From these force command values, the calculation formulas of the force command values FY1, FY2 to the linear motors 141, 142 are as follows.
[0100]
FY1 = FY + Fθ
FY2 = FY-Fθ
[0101]
Therefore, the Y slider 120 is controlled in the Y-θ direction by outputting the calculation result of the above equation to the motor amplifiers 147 and 148.
[0102]
Next, the operation will be described.
[0103]
In this XY stage apparatus, the fixed parts are a base 101, slide bases 102 to 104, and guide rails 110. Further, the portions that are linearly guided in the Y-axis direction are the Y slider 120, the lift air bearing 123, the guide air bearing 125, the lift preload magnet 124, and the guide preload magnet 126. Further, the parts that are linearly guided in the Y-axis direction but are also linearly guided in the X-axis direction are an X slider 130, a guide air bearing 133, a guide preload magnet 134, and a lift air bearing 135.
[0104]
Therefore, in this stage apparatus, when the first Y-axis linear motor 141 and the second Y-axis linear motor 142 are driven, the Y slider 120 is driven in the Y-axis direction while being restrained in the X-axis direction by the guide rail 110. At that time, due to the action of the lift air bearings 123 and 127 and the lift preload magnets 124 and 128, the Y slider 120 is in a non-contact state while ensuring a certain floating clearance with respect to the reference guide surface 105 of the slide bases 102 to 104. Guided. Further, due to the action of the guide air bearing 125 and the guide preload magnet 126, the Y slider 120 is guided in a non-contact state while ensuring a certain floating gap (gap) with respect to the first guide surface 110 </ b> A of the guide rail 110. .
[0105]
Here, in this XY stage apparatus, only one guide rail 110 is intentionally provided, and the elastic hinge plate 200 of the Y slider 120 is supported on the guide rail 110 in a cantilever manner. The positioning of the Y slider 120 in the X-axis direction is limited to one end side (one end side) and the other end side is basically guide-free.
[0106]
Therefore, from the feature of this support structure, the Y slider 120 obtains a degree of freedom of rotation (degree of freedom of θz) about an axis (Z axis) orthogonal to the XY plane. In this stage apparatus, the measuring / driving system is controlled so that the position of one end side (first link 201 side) and the other end side (second link side) of the elastic hinge plate 200 of the Y slider 120 can be independently controlled. Two sets are provided. Accordingly, the rotation θz around the Z axis of the Y slider 120 can be freely controlled.
[0107]
For example, as described above, if the first and second Y-axis linear motors 141 and 142 are feedback-controlled based on the position detection signals of the first and second Y-axis linear encoders 143 and 144, the cantilever type guide is used. However, the positional accuracy in the Y-axis direction can be improved as compared with the conventional case.
[0108]
Further, the first and second Y-axis linear motors 141 and 142 are feedback-controlled based on the position detection signals of the first and second Y-axis linear encoders 143 and 144 by utilizing the feature of being a cantilever guide. Thus, the Y slider main body 220 on the elastic hinge plate 200 constituting the Y slider 120 can be actively controlled to rotate around the Z axis (θz control).
[0109]
That is, when a force as indicated by an arrow in FIG. 5A acts on the elastic hinge plate 200, the elastic hinges 205 to 208, 210, and 211 are bent and deformed as shown in FIG. The connected first and second links 201 and 202 are only translated without rotating, and rotational displacement (rotation θz) is obtained in the third and fourth links 203 and 204 along the other two X-axis directions. . In this case, the rotational position in the θz direction can be obtained by the following equation, assuming that the displacements in the Y-axis direction of the first and second links 201 and 202 are Y1 and Y2.
[0110]
θz = sin-1[(Y1-Y2) / L] where L: distance between hinges
[0111]
Here, the Y slider main body 220 and the elastic hinge plate 200 are connected only by the third link 203, and the other links 201, 202, and 204 are free. For this reason, the Y slider main body 220 rotates in the θz direction together with the third link 203.
[0112]
An arbitrary drive resolution in the θz direction can be obtained by combining the distance L between the hinges and the resolution of the first and second Y-axis linear encoders 143 and 144. In addition, since the elastic hinge plate 200 is provided with the intermediate hinge 209, it is lightweight and secures sufficient rigidity, contributing to increasing the θz rotation accuracy of the second guide surface 120A of the Y slider body 220. Yes.
[0113]
In this case, since the elastic hinge plate 200 is a parallel link mechanism, the following effects can be obtained.
[0114]
That is, as shown in FIG. 7A, when the first link 201 and the second link 202 are driven in the Y-axis direction independently by the first Y-axis linear motor 141 and the second Y-axis linear motor 142, The second links 201 and 202 translate, but since the first link 201 is constrained in a posture parallel to the Y-axis direction, the second link 202 on the free end side also moves in the Y-axis direction. It will be displaced in parallel without being inclined.
[0115]
Therefore, regardless of the magnitude of the change in the rotation θz around the Z axis, the position of the second link 202 located on the other end side of the Y slider 120 by the second link 202 being always displaced in parallel in the Y axis direction. Is detected less easily by the second Y-axis linear encoder 144.
[0116]
For example, if a light emitting unit is provided on the movable side (here, the second link 202) of the second Y-axis linear encoder 144 and a light receiving unit is provided on the fixed side, the detection light K emitted from the second link 202 on the movable side is the second It goes out perpendicular to the link 202 and reaches the light receiving part.
[0117]
At this time, in the case of the example of FIG. 7B in which the elastic hinge plate is not used, the optical axes of the light emitting side and the light receiving side shift as the displacement of θz increases (the light K reaches obliquely). , Detection abnormalities are likely to occur.
[0118]
On the other hand, when the elastic hinge plate 200 of FIG. 7A is used, the second link 202 is displaced in parallel to the Y-axis direction as described above, so that the parallelism between the light emitting side and the light receiving side is always maintained. No detection abnormality occurs. Therefore, good detection can always be performed, and the accuracy of θz control based on the detection can be improved.
[0119]
In addition to driving the Y slider 120, when the X axis linear motor 151 is driven, the X slider 130 is driven in the X axis direction while being restrained in the Y axis direction by the Y slider body 220. At that time, the X slider 130 is guided in a non-contact state with respect to the reference guide surface 105 of the slide bases 102 to 104 while ensuring a certain floating gap by the action of the lift air bearing 135. In addition, due to the action of the guide air bearing 133 and the guide preload magnet 134, the X slider 130 is guided in a non-contact state while ensuring a certain floating gap (gap) with respect to the second guide surface 120A of the Y slider 120. .
[0120]
The X slider 130 is driven and controlled to an arbitrary position in the XY plane by drive control of the Y slider 120 in the Y axis direction and drive control of the X slider 130 in the X axis direction with respect to the Y slider 120.
[0121]
In this case, since the Y slider 120 is driven in a non-contact manner by the linear motors 141 and 142 in particular, it is optimal in that the movement of the free end side of the Y slider 120 can be allowed, and the responsiveness is also improved. it can. Moreover, since there is no contact, there is no rolling fatigue and positioning accuracy can be increased.
[0122]
In addition, in the case of this XY stage apparatus, the guide rail 110 is narrowed down to one, so that the structure is simplified and the necessary and sufficient positioning accuracy in the Y-axis direction can be obtained even if the processing accuracy is not so high. It will come out. Further, since there is only one guide rail 110, there is no need for the trouble of assembling the two guide rails while assuring the parallelism between them as in the prior art. Further, since the number of bearings can be reduced, as a result, the entire manufacturing cost including the processing cost and the assembling cost can be reduced. Moreover, since the guide rail 110 became one, the movable part mass becomes light and responsiveness increases.
[0123]
In addition, since the magnet preload system is adopted for the guide system by the guide air bearing 125 of the Y slider 120, the guide rigidity can be increased, and the flying gap (the flying height) of the Y slider 120 from the guide rail 110 can be accurately measured. It can be kept well and the positioning accuracy of the Y slider 120 in the X-axis direction can be increased.
[0124]
Further, as in the conventional example of FIG. 10, a method of positioning in the X-axis direction by stretching the Y slider against the two guide rails on both sides is not adopted, but the guide rail 110 of only one side is used. Since the Y slider 120 can be accurately positioned in the X-axis direction with only one guide surface 110A, the number of guide surfaces for guiding the Y slider 120 is minimized, and the number of air bearings is also halved. Can do. Therefore, naturally, the mass of the Y slider 120 can be reduced and the responsiveness can be improved.
[0125]
Similarly, since the magnet preload system is also adopted for the guide system using the guide air bearing 133 of the X slider 130, the rigidity of the guide system can be increased, and the floating clearance (from the Y slide 120 of the X slider 130) The flying height) can be kept constant with high accuracy, and the positioning accuracy of the X slider 130 in the Y-axis direction can be increased.
[0126]
Further, as in the conventional example of FIG. 10, in order to balance the flying force and the preload, a method is adopted in which two guide surfaces provided on both lateral surfaces of the Y slider are sandwiched between X sliders having an inverted U-shaped cross section. Instead, the X slider 130 can be accurately positioned in the Y-axis direction by using only one guide surface 120A. Therefore, the number of guide surfaces for guiding the X slider 130 is minimized, and the number of air bearings is reduced. Can also be halved. Therefore, naturally, the mass of the X slider 130 can be reduced and the responsiveness can be improved.
[0127]
Further, in this XY stage apparatus, since the bearing interval of the lift air bearing 123 provided in the head portion 121 of the Y slider 120 is set larger than the bearing interval of the guide air bearing 125, the Y around the X axis is set. This is preferable in that the rotation θx of the slider 120 is suppressed. That is, by increasing the bearing interval of the lift air bearing 123, the motion error due to the pitching motion θx of the stage can be reduced. In addition, this makes it possible to average the processing errors of the slide bases 102 to 104, and to prevent a reduction in straightness in the vertical direction.
[0128]
Further, as described above, since the rotation θz around the Z axis can be actively controlled to an arbitrary value, the XY guide system can be effectively rotated, for example, When the workpiece is placed out of alignment with the XY coordinates, the XY coordinate side can be corrected in accordance with the workpiece without replacing the workpiece.
[0129]
Further, since the drive control in the θz direction is performed by the two linear motors 141 and 142 in the Y axis direction, it is not necessary to attach another device such as the θ table in FIG. It becomes. Further, since another device such as a θ table is not required, the overall weight can be reduced, and the decrease in acceleration / deceleration performance can be minimized.
[0130]
In addition, since it is not necessary to stack θ tables, it is possible to suppress an increase in Abbe error, and since the center of gravity does not increase, rotational vibration (pitching) around the X axis is less likely to occur, and settling during positioning is possible. You can save time.
[0131]
Since the elastic hinge plate 200 is employed as the parallel link mechanism, a highly accurate θz positioning performance without backlash can be obtained. In particular, since the bending directions of the elastic hinges 205 to 208 are aligned in the X-axis direction, the bending directions of all the elastic hinges including the elastic hinges 210 and 211 at both ends of the intermediate link 209 are aligned in the X-axis direction. It becomes easy to unify the bending deformation performance in the elastic hinge, which can contribute to the improvement of accuracy in the θz control as well as the processing.
[0132]
The parallel link mechanism is made by combining the first to fourth links 201 to 204, the intermediate link 209, and all the elastic hinges 205 to 208, 210, and 211, all cut out from one metal plate. By forming them integrally, it is possible to improve accuracy as a parallel link mechanism and facilitate manufacture. Moreover, since it is a simple structure as one plate, weight reduction and cost reduction can be achieved.
[0133]
The structure of the elastic hinge plate is not particularly limited as long as it constitutes a parallel link mechanism. In short, the elastic hinge plate may have a pair of links parallel to each other along the Y-axis direction. good. Therefore, as in the elastic hinge plate 300 shown in FIG. 8, the bending deformation directions of the elastic hinges 305 to 308 that connect the first to fourth links 301 to 304 may be aligned in the Y-axis direction. Good. In this case, the directions of the four elastic hinges 305 to 308 are different from the directions of the elastic hinges 310 and 311 at both ends of the intermediate link 309, but there is no difference in the function as a parallel link mechanism.
[0134]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the guide rail is a cantilever type guide that is squeezed only to one side, it is not necessary to assemble the guide rail while ensuring mutual parallelism as in the conventional example. As a result, the number of parts such as bearings can be reduced, and as a result, the overall manufacturing cost including the processing cost and the assembling cost can be reduced and the maintainability can be improved. In addition, since the guide rail is only on one side and the number of guide parts is reduced, there is an advantage that the mass of the movable part is reduced and the responsiveness is increased.
[0135]
In addition, since a parallel link mechanism is incorporated in the Y slider, the first link on one end side of the Y slider and the second link on the other end side are independently driven in the Y-axis direction so that the θz control is positively performed. Compared with a conventional stage apparatus capable of θz control, the following advantages can be obtained.
[0136]
(1) A conventional θ table becomes unnecessary, and the cost can be reduced.
[0137]
(2) Since it is not necessary to stack the θ table on the X slider, an increase in Abbe error can be suppressed.
[0138]
(3) Since driving of θz is also performed by the driving means in the Y-axis direction, an increase in the overall weight can be reduced, and a decrease in acceleration / deceleration performance can be minimized.
[0139]
(4) Since the center of gravity of the X slider can be kept low, there is almost no change in the vibration in the pitching direction, and the settling time during positioning can be shortened.
[0140]
In addition, by adopting an elastic hinge plate for the guide system in the θz direction, highly accurate positioning performance without backlash can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an XY stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view taken along arrow II in FIG.
FIG. 3 is a view taken along arrow III in FIG.
4 is a schematic enlarged perspective view of the IV arrow portion of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a plan view of an elastic hinge plate
FIG. 6 is a block diagram of a drive control system for a Y slider in an XY stage apparatus.
FIG. 7 is an explanatory diagram of the operation of the elastic hinge plate.
FIG. 8 is a plan view showing another example of an elastic hinge plate
FIG. 9 is a perspective view showing an example of a conventional XY stage apparatus.
FIG. 10 is a perspective view showing an example of another conventional XY stage apparatus.
FIG. 11 is a plan view of a θ table attached to a conventional XY stage apparatus.
[Explanation of symbols]
101 ... Base
102 to 104 ... slide base
105 ... Reference guide surface (third guide surface, fourth guide surface)
110 ... Guide rail
110A ... first guide surface
120 ... Y slider
120A ... Second guide surface
121 ... Head part (one end side)
123 ... lift air bearing (gas bearing for lift)
124 ... Lift preload magnet (magnetic force generating means)
125 ... Guide air bearing (gas bearing for guide)
126 ... Guide preload magnet (magnetic force generating means)
127 ... Lift air bearing (gas bearing for lift)
128 ... Lift preload magnet (magnetic force generating means)
129 ... Spherical joint
130 ... X slider
133 ... Guide air bearing
134 ... Guide preload magnet
135 ... lift air bearing
136, 137 ... Spherical joint
141 ... 1st Y-axis linear motor (1st Y-axis drive means)
142 ... 2nd Y-axis linear motor (2nd Y-axis drive means)
143 ... 1st Y-axis linear encoder (1st Y-axis position detection means)
144 ... 2nd Y-axis linear encoder (2nd Y-axis position detection means)
151 ... X-axis linear motor
152 ... X-axis linear encoder
200 ... elastic hinge plate
201 ... 1st link
202 ... Second link
203 ... Third link
204 ... Fourth link
205-208 ... Elastic hinge
209 ... Intermediate link
210, 211 ... elastic hinge
220 ... Y slider body
300 ... Elastic hinge plate
301 ... 1st link
302 ... Second link
303 ... Third link
304 ... Fourth link
305 to 308 ... Elastic hinge
309 ... Intermediate link
310, 311 ... elastic hinge

Claims (9)

互いに直交する2軸方向をX軸方向、Y軸方向とし、X軸とY軸とを含む平面をX−Y平面とした場合、
Y軸方向に平行な第1案内面を有したガイドレールと、
X−Y平面内にて移動可能とされると共に、X軸方向に平行な第2案内面を有し、一端が前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持され、且つ、他端が自由端としてX軸方向に延在されたYスライダと、
X−Y平面内にて移動可能とされると共に、前記Yスライダの第2案内面に沿って移動自在に支持されたXスライダと、
を有し、
前記Yスライダが、
Y軸方向に沿って互いに平行な一対の第1、第2リンクと、該第1、第2リンクを連結する連結リンクからなる平行リンク機構を含んで構成されており、
前記第1、第2リンクのうちの一方のリンクがYスライダの一端側に配されて、前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持され、
さらに、
前記Yスライダの一端側をY軸方向に駆動する第1Y軸駆動手段と、
前記Yスライダの他端側をY軸方向に駆動する第2Y軸駆動手段と、
前記Yスライダの一端側Y軸方向の位置を検出する第1位置検出手段と、
前記Yスライダの他端側のY軸方向の位置を検出する第2位置検出手段と、
前記第1及び第2位置検出手段の検出信号に基づいて、前記第1Y軸駆動手段及び第2Y軸駆動手段を制御する制御手段と、
を有することを特徴とするX−Yステージ装置。
When the two axis directions perpendicular to each other are the X axis direction and the Y axis direction, and the plane including the X axis and the Y axis is the XY plane,
A guide rail having a first guide surface parallel to the Y-axis direction;
It is movable in the XY plane, has a second guide surface parallel to the X-axis direction, one end is supported movably along the first guide surface of the guide rail, and the other A Y slider whose end extends in the X-axis direction as a free end;
An X slider which is movable in the XY plane and supported movably along the second guide surface of the Y slider;
Have
The Y slider is
A parallel link mechanism comprising a pair of first and second links parallel to each other along the Y-axis direction and a connecting link connecting the first and second links;
One of the first and second links is disposed on one end side of the Y slider, and is supported movably along the first guide surface of the guide rail,
further,
First Y-axis drive means for driving one end of the Y slider in the Y-axis direction;
Second Y-axis drive means for driving the other end of the Y slider in the Y-axis direction;
First position detecting means for detecting a position in the Y-axis direction on one end side of the Y slider;
Second position detecting means for detecting a position in the Y-axis direction on the other end side of the Y slider;
Control means for controlling the first Y-axis drive means and the second Y-axis drive means based on detection signals of the first and second position detection means;
XY stage apparatus characterized by having.
請求項において、
前記連結リンクは互いに平行な一対の第3、第4リンクであって、前記第1、第2リンクと連結されることにより平行四辺形の平行リンク機構となることを特徴とするX−Yステージ装置。
In claim 1 ,
The linking stage is a pair of third and fourth links parallel to each other, and is connected to the first and second links to form a parallelogram parallel link mechanism. apparatus.
請求項において、
前記平行リンク機構が前記一対の第1、第2リンクに平行で、且つ、第1、第2リンク間の中間に位置する中間リンクを有し、該中間リンクの両端を前記第3リンクと第4リンクに連結したことを特徴とするX−Yステージ装置。
In claim 2 ,
The parallel link mechanism has an intermediate link that is parallel to the pair of first and second links and is positioned between the first and second links, and both ends of the intermediate link are connected to the third link and the third link. An XY stage apparatus connected to 4 links.
請求項又はにおいて、
前記第3、第4リンクのうちの少なくとも一方のリンクに平行に前記第2案内面が設けられることを特徴とするX−Yステージ装置。
In claim 2 or 3 ,
An XY stage apparatus, wherein the second guide surface is provided in parallel with at least one of the third and fourth links.
請求項1〜のいずれかにおいて、
前記YスライダをX−Y平面内にて移動可能とするために、X−Y平面に平行な第3案内面を確保して、該第3案内面とYスライダとの間に、Yスライダを前記第3案内面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングを設け、前記Yスライダの平行リンク機構の第1リンクを前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持するために、第1案内面と第1リンクとの間に、第1案内面から第1リンクを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを設けたことを特徴とするX−Yステージ装置。
In any one of Claims 1-4 ,
In order to make the Y slider movable in the XY plane, a third guide surface parallel to the XY plane is secured, and the Y slider is placed between the third guide surface and the Y slider. A non-contact type lift bearing is provided that is guided by floating a certain amount from the third guide surface, and supports the first link of the parallel link mechanism of the Y slider along the first guide surface of the guide rail. In order to achieve this, an X-contact guide bearing is provided between the first guide surface and the first link, the non-contact type guide bearing for guiding the first link by a certain amount from the first guide surface. Y stage device.
請求項において、
前記Yスライダを第3案内面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングをY軸方向に間隔をおいて2個配置すると共に、それら2個のリフトベアリングの間に、前記第1案内面からYスライダの第1リンクを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを配置したことを特徴とするX−Yステージ装置。
In claim 5 ,
Two non-contact type lift bearings that guide the Y slider by floating a certain amount from the third guide surface are arranged at an interval in the Y-axis direction, and the second lift bearing is interposed between the two lift bearings. An XY stage apparatus comprising a non-contact type guide bearing that guides a first link of a Y slider that floats from a guide surface by a certain amount.
請求項又はにおいて、
前記ガイドレールの第1案内面からYスライダの平行リンク機構の第1リンクを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングが、前記第1案内面と第1リンクとのギャップにガスを吹き込んで第1リンクに浮上力を与えるガスベアリングによって構成されており、該ガスベアリングと組み合わせて、前記第1案内面とYスライダの第1リンクとの間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる磁力発生手段が設けられていることを特徴とするX−Yステージ装置。
In claim 5 or 6 ,
A non-contact type guide bearing that guides the first link of the parallel link mechanism of the Y-slider from the first guide surface of the guide rail by a certain amount is gas in the gap between the first guide surface and the first link. As a preload that opposes the levitation force between the first guide surface and the first link of the Y slider in combination with the gas bearing. An XY stage apparatus characterized in that a magnetic force generating means for generating a magnetic attractive force is provided.
互いに直交する2軸方向をX軸方向、Y軸方向とし、X軸とY軸とを含む平面をX−Y平面とした場合、
Y軸方向に平行な第1案内面を有したガイドレールと、
X−Y平面内にて移動可能とされると共に、X軸方向に平行な第2案内面を有し、一端が前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持され、且つ、他端が自由端としてX軸方向に延在されたYスライダと、
X−Y平面内にて移動可能とされると共に、前記Yスライダの第2案内面に沿って移動自在に支持されたXスライダと、
を有し、
前記Yスライダが、
Y軸方向に沿って互いに平行な一対の第1、第2リンクと、該第1、第2リンクを連結する連結リンクからなる平行リンク機構を含んで構成されており、
前記第1、第2リンクのうちの一方のリンクがYスライダの一端側に配されて、前記ガイドレールの第1案内面に沿って移動自在に支持され、
さらに、
前記Yスライダの一端側をY軸方向に駆動する第1Y軸駆動手段と、
前記Yスライダの他端側をY軸方向に駆動する第2Y軸駆動手段と、を備え
前記平行リンク機構は、それぞれのリンクがX−Y平面内で曲げ変形可能な弾性ヒンジにより連結されていることを特徴とするX−Yステージ装置。
When the two axis directions perpendicular to each other are the X axis direction and the Y axis direction, and the plane including the X axis and the Y axis is the XY plane,
A guide rail having a first guide surface parallel to the Y-axis direction;
It is movable in the XY plane, has a second guide surface parallel to the X-axis direction, one end is supported movably along the first guide surface of the guide rail, and the other A Y slider whose end extends in the X-axis direction as a free end;
An X slider which is movable in the XY plane and supported movably along the second guide surface of the Y slider;
Have
The Y slider is
A parallel link mechanism comprising a pair of first and second links parallel to each other along the Y-axis direction and a connecting link connecting the first and second links;
One of the first and second links is disposed on one end side of the Y slider, and is supported movably along the first guide surface of the guide rail,
further,
First Y-axis drive means for driving one end of the Y slider in the Y-axis direction;
And a second Y-axis driving means for driving the other end of the Y slider in the Y-axis direction. The parallel link mechanism is connected to each other by an elastic hinge that can be bent and deformed in an XY plane. The XY stage apparatus characterized by the above-mentioned.
請求項1〜のいずれかにおいて、
前記第1Y軸駆動手段及び第2Y軸駆動手段が、それぞれ非接触で前記Yスライダの一端側及び他端側に駆動力を伝達するリニアモータで構成されていることを特徴とするX−Yステージ装置。
In any one of Claims 1-8 ,
The XY stage characterized in that the first Y-axis driving means and the second Y-axis driving means are constituted by linear motors that transmit driving force to one end side and the other end side of the Y slider in a non-contact manner, respectively. apparatus.
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