JP3687362B2

JP3687362B2 - ２軸移動装置

Info

Publication number: JP3687362B2
Application number: JP26634998A
Authority: JP
Inventors: 俊徳佐藤; 勝秋山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2018-09-21
Also published as: JPH11344585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精度な加工装置や測定装置，半導体製造装置や検査装置などにおいて、試料，工具，検出器などを高い位置精度をもって移動させるのに好適な２軸移動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の２軸移動装置としては、例えば特開平４−２９４９４７号公報に開示されたものがある（第１従来例）。このものは、図６に示すように、移動用案内軸としての四角い枠型のＸ方向可動体ＡＸと、この可動体ＡＸ上に重ね合わせて組み付けたステージとしての長方形テーブル状のＹ方向可動体ＡＹとを有する。Ｘ方向可動体ＡＸは、４本の枠軸のうちの相対する２本の軸が静圧気体軸受（エアスライド）１X を介して固定台２上に支持され、枠全体でＸ方向に移動可能になっている。Ｙ方向可動体ＡＹは、可動体ＡＸの残り２本の軸上に静圧気体軸受（エアスライド）１Y を介してＹ方向に移動可能に支持されている。そして、各可動体ＡＸ，ＡＹはそれぞれに設置した駆動用モータで独立に直線駆動されるようになっている。すなわち、Ｘ方向可動体ＡＸは固定台２に固定して設置した図外の駆動用モータによりギヤ機構を介してＸ方向に移動し、Ｙ方向可動体ＡＹの方は静圧気体軸受１Y に一体的に移動可能に設置した図外の駆動用モータによりギヤ機構を介してＹ方向に移動するものである。
【０００３】
また、特開平８−２２９７５９号公報には、図７に示すような２軸移動装置が開示されている（第２従来例）。このものは、定盤５５上に、Ｙ方向移動体であるＹステージ５４が載置され、そのＹステージ５４にＸ方向移動体であるＸステージ５１が組み付けられている。Ｙステージ５４は、可動式のＸステージ水平方向ガイド５４ｂの両端部の軸受取付板５４ａの下端面に備えた鉛直方向静圧気体軸受５３ｄにより定盤５５上に浮上支持されると共に、その一方の軸受取付板５４ａの外側面に備えた水平方向静圧気体軸受５３ｃにより、片側に設けられている固定式のＹステージ水平方向ガイド５２に案内されて、両側に設置されたリニアモータの如き駆動アクチュエータ５４ｃにより、Ｙ方向に移動される。
【０００４】
Ｘステージ５１は、被搬送体が装着される移動板５１ａを支持すると共に、前記可動式のＸステージ水平方向ガイド５４ｂを囲む水平方向軸受取付板５１ｂと鉛直方向軸受取付板５１ｃを備えている。そして、水平方向軸受取付板５１ｂの内側面に備えた静圧気体軸受５３ａ及び鉛直方向軸受取付板５１ｃの下面に備えた静圧気体軸受５３ｂにより、Ｘステージ水平方向ガイド５４ｂに案内されつつ、定盤５５から浮上されて、駆動アクチュエータ５１ｃによりＸ方向に移動される。
【０００５】
そして、Ｘステージ５１及びＹステージ５４に複数の予圧用磁石ユニット５６を設け且つ定盤５５と固定ガイド５２を磁性体で構成することにより、両ステージが常に一定の姿勢となるように調整している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来例の２軸移動装置には、次のような問題点がある。
【０００７】
▲１▼真直度の悪化
上軸であるＹ方向可動体ＡＹにかかる重量が、下軸であるＸ方向可動体ＡＸに直接に負荷される。しかも、Ｙ方向可動体ＡＹがそのストローク端にいる場合と、ストローク中央にいる場合とでは、下軸に対する重量負担が変化する。特に、合成ＸＹ運動可能なテーブルであるＹ方向可動体ＡＹ上に重量物が搭載された場合には、変化する負担重量と下軸の軸受剛性との兼ね合いで上軸の真直度が悪化する。
【０００８】
▲２▼軸受剛性の低下
上軸（可動体ＡＹ）と下軸（可動体ＡＸ）との軸受剛性が直列ばねとなり、最終的にＸＹ運動可能なテーブルであるＹ方向可動体ＡＹの上面では次式のように軸受剛性が低下する。
【０００９】
Ｋｚ＝１／（１／Ｋｘ＋１／Ｋｙ）
Ｋｚ：ＸＹ運動するテーブル上面での軸受剛性（ばね定数）
Ｋｘ：上軸（可動体ＡＹ）単独の剛性（ばね定数）
Ｋｙ、下軸（可動体ＡＸ）単独の剛性（ばね定数）
▲３▼高コスト
一般的に気体軸受は加工精度が厳しく、また精度維持のためにセラミックスを使うなどのために、コストが高い。これをＸ軸とＹ軸との双方に使用するので高価になる。
【００１０】
一方、上記第２の従来例は、基台（定盤）５５が磁性材（鉄）であることから、以下のような問題点を有している。
▲１▼耐焼付き性が低い
基台５５と対向している静圧軸受（５３ｂ，５３ｄ）が、何らかのアクシデントで基台に接触するようなことがあった場合、鉄製の基台との間に焼付きが生じやすい。
【００１１】
▲２▼経年変化しやすい
基台５５が腐食などで経年変化を起こしやすいため、基台上面を基準面とした静圧軸受部の運動精度が変化し易くなる。
【００１２】
▲３▼塑性変形しやすい
装置の組立調整時や使用中に基台５５の基準面が衝撃を受けると、軽微な衝撃であっても打痕等の塑性変形が生じる。静圧軸受と基準面との間の軸受すき間は微小であるから、僅かな打痕でも装置の運動精度に影響する。
【００１３】
本発明は、このような従来の２軸移動装置の問題点を解決することを課題とするもので、その目的とするところは、真直度，剛性が高くて運動再現性などに優れた安価な２軸移動装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に係る本発明は、Ｘ方向の可動体とＹ方向の可動体とを備えた２軸移動装置において、前記Ｘ方向可動体は転がり案内軸受を介して基台上に支持されると共に両サイド部に立ち上げ面を有し、前記Ｙ方向可動体は上下方向静圧気体軸受を介して基台上に支持されると共に前記Ｘ方向可動体の上面と対向する下面を有し、前記Ｙ方向可動体の下面に二つの水平方向静圧気体軸受を前記立ち上げ面に対向するように互いに平行に配設するとともに、前記Ｘ方向可動体の上面にリニアモータの固定子をＹ方向に沿って配設し、かつ前記リニアモータの移動子を前記Ｙ方向可動体の下面に取り付けたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、請求項１記載の２軸移動装置において、前記Ｘ方向可動体の上面と前記Ｙ方向可動体の下面との間に上下方向の磁気吸引部を設けたことを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１〜図４は本発明の一実施の形態を示すもので、図１は本発明の２軸移動装置の平面図、図２はそのII矢視で示す側面図、図３は図１のIII 矢視で示す側面図、図４は図１のIV−IV線断面図である。図に例示したものは、ＸＹ平面上で自在にステップ＆スキャン運動を繰り返すことができるタイプで、Ｘ軸がステップ位置決め、Ｙ軸が等速スキャンする。半導体製造工程などで好適に用いることができるものであるが、本発明をこのタイプに限定するものではない。
【００１７】
基台１０の上に、転がり案内軸受である直動案内軸受（リニアガイド）ＬＧのガイドレール１１を２本、Ｙ方向に間隔をおいて平行に並べてＸ方向に長く固定して取り付けている。その各ガイドレール１１上には、それぞれ２個ずつのスライダ１２を装着してある。その２本のガイドレール１１を跨ぐようにして、各スライダ１２の上面に、一方の可動体としてＸ方向の可動体１３が載置固定されている。このＸ方向可動体１３は、断面が凹形状で、幅方向の両サイド部に立ち上げ面１３ａを形成している。また、その溝底をなす上面１３ｂのセンターラインに沿ってリニアモータＬＭの固定子１４が長手方向に配設されている。なお、リニアモータＬＭの移動子１５の方は、後述のＹ方向可動体の裏面に固定して取り付ける。
【００１８】
基台１０の上面には、また前記２本のガイドレール１１，１１と平行に、その中間の任意の位置に１個のボールねじＢＳを、ベアリング１７を介して配設してある。そのボールねじＢＳのねじ軸１８の一端は、基台１０の上に固定して配設した回転駆動モータＭ（例えばＤＣサーボモータ，ＡＣサーボモータあるいはステップモータなど）の出力軸に連結してある。そして、ボールねじＢＳのナット１９が、図４に示すように、Ｘ方向の可動体１３の下面に取り付けてある。かくして、Ｘ方向の可動体１３は、基台１０に固定したリニアガイドＬＧで支持，案内されつつ回転駆動モータＭとボールねじＢＳとによりＸ方向に円滑に直線移動可能である。
【００１９】
他方の可動体であるＹ方向の可動体２０は、ほぼ正方形のテーブル板である。その下面の四隅にそれぞれ支柱２１を下方に向けて立設すると共に、各支柱２１の下端部に上下方向の支持機能を有する静圧気体軸受（エアパッド）２２を基台１０の面に対向して設けている。この上下方向静圧気体軸受２２により、Ｙ方向の可動体２０は基台１０の面上を非接触で移動自在である。Ｙ方向の可動体２０の下面には、更に、水平方向の支持機能を有する静圧気体軸受（エアパッド）２３を、Ｘ方向の可動体１３の両サイド部の立ち上げ面１３ａに僅かのすき間を介して対向するように２枚平行に配設している。この水平方向静圧気体軸受２３により、Ｘ方向の可動体１３のＸ方向の直線移動がＹ方向可動体２０に非接触で伝達可能である。
【００２０】
また、先に述べたように、Ｘ方向可動体１３に設けたリニアモータＬＭの移動子１５をＹ方向可動体２０の下面に取り付けてあるから、Ｙ方向可動体２０は当該移動子１５の運動に伴いＹ方向に移動可能である。その場合、前記水平方向静圧気体軸受２３がＸ方向可動体１３の立ち上げ面１３ａを案内面として可動体２０と共にＹ方向に移動して、Ｙ方向可動体２０の移動を非接触で抵抗なく滑らかに案内する。
【００２１】
Ｙ方向の可動体２０の位置検出のため、その上面にＬ型ミラー２５を設置すると共に、これに対向させて２方向のレーザ測長器２６ｘ，２６ｙを外部に配設してある。
【００２２】
次に、作用を述べる。
この２軸移動装置は、回転駆動モータＭの作動をボールねじＢＳの作動を介してＸ方向の可動体１３に伝達することにより、Ｘ方向の可動体１３をＸ方向に移動させる。すると、水平方向の支持機能を有する静圧気体軸受（エアパッド）２３を介して係合しているＹ方向の可動体２０も、Ｘ方向の可動体１３の移動に連動してＸ方向に移動する。その移動位置（距離）がＬ型ミラー２５の一辺に対向配置されたレーザ測長器２６ｘにより測定され、位置情報として図外の制御装置にフィードバックされる。制御装置は予め入力してある設定位置と比較して回転駆動モータＭの作動を制御する。これによりＸ方向可動体１３ひいてはＹ方向可動体２０のＸ方向のステップ位置決めを正確に行うことができる。一方、Ｘ方向可動体１３に搭載したリニアモータＬＭの固定子１４のコイルに通電することにより、Ｙ方向可動体２０がＹ方向に等速移動する。その移動位置（距離）がＬ型ミラー２５の他辺に対向配置されたレーザ測長器２６ｙにより測定され、位置情報として図外の制御装置にフィードバックされる。制御装置は予め入力してある設定位置と比較してリニアモータＬＭの作動を制御する。これによりＹ方向可動体２０のＹ方向の位置決めを正確に行うことができる。
【００２３】
上記の作動において、Ｘ軸を構成するＸ方向可動体１３を支承するリニアガイドＬＧの転がり振動や、駆動用ボールねじＢＳの振れ回りなどが避けられず、これらは真直度に悪影響を及ぼす成分である。しかし本発明にあっては、Ｘ方向可動体１３とＹ方向可動体２０とが非接触の水平方向静圧気体軸受２３により隔離されており、それらの悪影響がＹ方向可動体２０に及ぶことはない。
【００２４】
また、Ｙ方向可動体２０で構成されるＸＹテーブル上に重量物を搭載して移動させた場合も、Ｙ方向可動体２０の荷重は全て上下方向静圧気体軸受２２を介して基台１０に直接支承されており、ＸＹテーブルの自在な二次元運動が軸への偏荷重を生じることはなく、真直度が悪化しにくい。換言すれば、本２軸移動装置は真直度，軸受剛性，運動再現性などの諸元が非常に良好である。さらに、Ｙ方向可動体２０の四隅に静圧気体軸受２２を配置したので、最も安定良くＹ方向可動体２０を支持できる。
【００２５】
しかも、高価な空気軸受の使用をＹ軸のみとしてＸ軸には安価なリニアガイドを使用したため低コスト化できる。
なお、本発明の装置に用いる静圧気体軸受としては、自成絞り形，オリフィス絞り形，表面絞り形，スロット絞り形，多孔質絞り形等の公知の静圧式軸受を任意に選定することができる。
【００２６】
また、リニアモータについても特に限定はされず、ＡＣリニア誘導モータ，ＡＣリニア同期モータ，リニアパルスモータ，ＤＣリニアモータ，ＤＣブラシレスリニアモータ，ボイスコイルモータ，コア無し又はコア付モータ，複合形のリニアハイブリッドモータ等を任意に選定することができる。
【００２７】
また、上記実施形態では、Ｘ方向可動体１３の駆動源として回転駆動モータとボールねじとを組み合わせて使用するものを示したが、リニアモータを用いることもできる。
【００２８】
また、位置検出にレーザ測長器を用いＬ形ミラーと組み合わせた例を述べたが、リニアエンコーダのような他の測定器でもかまわない。
また、図２のＸ−Ｙ面は、水平面でも傾斜面でも良い。
【００２９】
また、上記実施形態では、ボールねじＢＳを２本のガイドレール１１，１１の中間の任意の位置に配設するものとしたが、特に両ガイドレールの中央位置に配置すれば、可動体１３，２０のヨーイングを防止できる。
【００３０】
続いて、図４に対応する断面図である図５を参照して本発明の他の実施の形態を説明する。なお、上記第１の実施の形態と同一乃至相当部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３１】
図５に示すように、この実施の形態では、Ｘ方向の可動体１３とＹ方向の可動体２０との対向する面の間に上下方向の磁気吸引部３０を設けている点が、上記第１の実施の形態とは異なっている。図示のものは、当該磁気吸引部３０を構成する永久磁石３１をＹ方向の可動体２０の下面に配設し、磁性体よりなる吸引材３２を磁気ギャップを隔ててＸ方向の可動体１３の上面に配設しているが、この配置は逆にしてもよい。
【００３２】
この磁気吸引部３０に作用する磁気吸引力により、Ｙ方向の可動体２０を基台１０上に浮上支持する上下方向静圧気体軸受２２に対し下方向に予圧が負荷される。そして、Ｙ方向の可動体２０は、第１の実施の形態の場合に比べて上下方向に強く拘束される。その結果、荷重を直接に受けるＹ方向の可動体２０の上下方向の剛性は一層高くなり、より安定する。
【００３３】
しかも、Ｘ方向の可動体１３の方は転がり案内軸受であるリニアガイドＬＧにより基台１０上に支持されているから、第２の従来例のようにＸステージ，Ｙステージとも静圧軸受により基台上に浮上支持されたものより高い真直度，剛性，運動再現性を備えた２軸移動装置を実現させることができる。且つ、鉄製の基台に代えてセラミックスや石などを用いた基台１０が使用可能であり、静圧軸受と基台との焼付きが防止でき、また基台の経年変化や打痕等の塑性変形が起こりにくくて、軸受の運動精度が安定する。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る２軸移動装置によれば、一方の軸の支持を安価な転がり案内軸受で行い、他方の軸は静圧気体軸受で支持して荷重を基台で受けるため、ＸＹ運動中に偏荷重となることがなく、低コストで高真直度，高軸受剛性であり良好な運動再現性が得られる。
【００３５】
また、請求項２に係る２軸移動装置によれば、Ｘ方向可動体の上面とＹ方向可動体の下面との間に磁気吸引部を設けてその磁気吸引力の作用で上下方向静圧気体軸受に予圧を負荷したため、Ｙ方向可動体の耐荷重剛性を向上できて、その結果、上記請求項１の場合より高い真直度，剛性，運動再現性が得られると同時に、加えて、セラミックスや石などの基台の採用により、静圧軸受の焼付き防止、更に基台の経年変化や塑性変形による軸受の運動精度の低下も阻止できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の平面図である。
【図２】図１のII矢視図である。
【図３】図１のIII 矢視図である。
【図４】図１のIV−IV線断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態の、図４に相当する断面図である。
【図６】従来例の２軸移動装置の斜視図である。
【図７】他の従来例の２軸移動装置で、（ａ）は側面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）はＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１０基台
１３Ｘ方向の可動体
２０Ｙ方向の可動体
２２上下方向静圧気体軸受
２３水平方向静圧気体軸受
ＬＧ転がり案内軸受（リニアガイド）
３０磁気吸引部
３１磁石
３２吸引材

Claims

Ｘ方向の可動体とＹ方向の可動体とを備えた２軸移動装置において、前記Ｘ方向可動体は転がり案内軸受を介して基台上に支持されると共に両サイド部に立ち上げ面を有し、前記Ｙ方向可動体は上下方向静圧気体軸受を介して基台上に支持されると共に前記Ｘ方向可動体の上面と対向する下面を有し、前記Ｙ方向可動体の下面に二つの水平方向静圧気体軸受を前記立ち上げ面に対向するように互いに平行に配設するとともに、前記Ｘ方向可動体の上面にリニアモータの固定子をＹ方向に沿って配設し、かつ前記リニアモータの移動子を前記Ｙ方向可動体の下面に取り付けたことを特徴とする２軸移動装置。
前記Ｘ方向可動体の上面と前記Ｙ方向可動体の下面との間に上下方向の磁気吸引部を設けたことを特徴とする請求項１記載の２軸移動装置。
前記リニアモータはコア付モータであることを特徴とする請求項１記載の２軸移動装置。