JP3732763B2

JP3732763B2 - Stage equipment

Info

Publication number: JP3732763B2
Application number: JP2001213885A
Authority: JP
Inventors: 誠金子; 良幸冨田; 雅彦堀内; 和晴内海
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: JP2003028973A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に関し、特にステージを沿直方向（以下、Ｚ軸方向と呼ぶ）に高速・高精度で駆動するのに適したステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステージ装置の一例を、本出願人により提案（特願平１０−３３２２１３号）されたＸ−Ｙステージ装置について図３を参照して説明する。
【０００３】
図３において、このＸ−Ｙステージ装置の固定部分は上面を静圧軸受け案内面としたベース（石定盤）６０とベース６０上に固定された一対のガイドレール６１及び６２である。ガイドレール６１、６２はそれぞれ、互いに対向し合う案内面６１ａ、６２ａを持つ。図３中、案内面６１ａ、６２ａに沿ってＹ軸方向に直線案内される部分は、ガイドレール６１と６２との間に配置されて両端にＴ字状部を持つＹステージ６３と、Ｘ−Ｙ平面に垂直なＺ軸まわりの回転１自由度を持つ４個の継ぎ手６４（２個のみ図示）を介してＹステージ６３のＴ字状部の側面に接続された４個の静圧空気軸受けパッド６５（１個のみ図示）と、Ｙステージ６３の下面に接続された３個の静圧空気軸受けパッド６６−１〜６６−３である。なお、静圧空気軸受けパッド６６−３は、Ｙステージ６３の中心軸に対応する箇所に設けられ、静圧空気軸受けパッド６６−１、６６−２はＹステージ６３の中心軸に関してほぼ対称な位置に設けられる。すなわち、静圧空気軸受けパッド６６−１〜６６−３は、それぞれの中心が二等辺三角形を形成するように配置される。Ｙステージ６３は、その延在方向に平行な２つの側面がＸステージ６７を案内するための基準面として形成されている。
【０００４】
図３中、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ステージ６３をまたぐように組み合わされたコ字形状のＸステージ６７（Ｘ−Ｙ可動部）と、Ｙステージ６３の側面に対向するようにＸステージ６７のコ字形状の内面に接続された４個の静圧空気軸受けパッド６９−１〜６９−４と、Ｘステージ６７の下面に接続された３個の静圧空気軸受けパッド７０−１〜７０−３である。
【０００５】
Ｙステージ６３は静圧空気軸受けパッド６５によって、ベース６０に対するＸ軸方向の拘束を非接触に受ける。Ｙステージ６３はまた、静圧空気軸受けパッド６６−１〜６６−３とＹステージ６３の自重によって、ベース６０に対するＺ軸方向の拘束を非接触に受ける。この２方向の拘束によりＹステージ６３はＹ軸方向に運動（直線案内）可能となる。
【０００６】
同様に、Ｘステージ６７は静圧空気軸受けパッド６９−１〜６９−４によって、Ｙステージ６３に対するＹ軸方向の拘束を非接触に受ける。Ｘステージ６７はまた、静圧空気軸受けパッド７０−１〜７０−３とＸステージ６７の自重によって、ベース６０に対するＺ軸方向の拘束を非接触に受ける。これらの構成により、Ｘステージ６７は、ベース６０に対してＸ軸方向とＹ軸方向に直線案内される。
【０００７】
ここでは、Ｙステージ６３の駆動系として、ガイドレール６１、６２上にそれぞれ構成された一対のＹ１リニアモータ７４、Ｙ２リニアモータ７５を使用し、Ｘステージ６７の駆動系としてＹステージ６３上に構成されたＸリニアモータ７３をそれぞれ使用している。
【０００８】
例えばＹ２リニアモータ７５について簡単に説明すると、ギャップをおいて配列した多数の上側永久磁石７５−１と多数の下側永久磁石７５−２との間にＹステージ６３から延ばしたコイル（図示せず）を配置して成る。Ｙステージ６３の２つのＴ字状部には、ガイドレール６１、６２に設けられたＹ１リニアスケール７１、Ｙ２リニアスケール７２と共にＹ１リニアモータ７４、Ｙ２リニアモータ７５による移動量を検出するためのＹ１リニアエンコーダ７６、Ｙ２リニアエンコーダ７７が設けられる。Ｘステージ６７には、Ｙステージ６３に設けられたＸリニアスケール７８と共にＸリニアモータ７３による移動量を検出するためのＸリニアエンコーダ７９が設けられる。
【０００９】
ところで、この種のＸ−Ｙステージ装置を、半導体、液晶、磁気・光記憶装置等の検査を目的とするステージ装置として使用する場合には、Ｘステージ６７には更に、垂直方向に光学系の焦点合わせのための高速フォーカス駆動機構（Ｚ軸駆動機構）、及び搭載ワークの回転方向のアライメントを行うための回転駆動機構（θ軸駆動機構）を搭載する必要がある。
【００１０】
通常、高速フォーカス駆動機構は、数１０μｍから数１００μｍの微小範囲で高速動作する微動機構と、搭載ワークの厚み方向のばらつきに対応するために１〜２ｍｍ程度動作する、あまり移動速度の速くない（低応答）粗動機構とから構成される。このため、構造が複雑となり、摺動部を有するためにそこからの発塵が問題となる。また、回転駆動機構はウォーム歯車を使用した機構が多く用いられている。このため、発塵に加えてバックラッシ、停止精度が大きな問題となっている。
【００１１】
Ｘ軸、Ｙ軸方向の駆動に加えて、Ｚ軸方向、θ軸方向の駆動をも可能としたステージ装置の一例を図４を参照して説明する。ここでは、ベース（石定盤）８０上に、図３で説明したようなＸ−Ｙステージ装置が構築され、その中のＸ−Ｙテーブル８１（Ｘ−Ｙ可動部であり、図３のＸステージ６７に対応すると考えて良い）にＺ軸可動部及びその駆動機構とθ軸可動部及びその駆動機構が搭載されているものとして説明する。図３で説明したように、Ｘ−Ｙテーブル８１は、その内側であって図面に垂直な方向（Ｘ軸方向とする）に延びるように配設されているＹステージ８２に沿って可動である。つまり、Ｘ−Ｙテーブル８１はＹステージ８２との間に設けられたＸ軸リニアモータ８３により駆動される。Ｘ−Ｙテーブル８１の案内系としては、Ｘ−Ｙテーブル８１の両脚部に設けられてベース８０に対して浮上する静圧空気軸受けパッド８４−１、８４−２（２個のみ図示）と、Ｘ−Ｙテーブル８１の両脚部の内側に設けられてＹステージ８２に対して浮上する静圧空気軸受けパッド８５−１、８５−２（２個のみ図示）がある。Ｙステージ８２は図面の左右方向（Ｙ軸方向とする）に可動であり、Ｘ−Ｙテーブル８１はＸ軸方向、Ｙ軸方向に可動である。次に、Ｚ軸可動部及びその駆動機構とθ軸可動部及びその駆動機構について説明する。
【００１２】
図４において、Ｘ−Ｙテーブル８１上にウォーム歯車等で駆動されるθ軸テーブル８６が搭載される。θ軸テーブル８６はＺ軸方向の中心軸に関して回転可能である。θ軸テーブル８６上にはスライドウエッジ等で構成され１〜２ｍｍ程度移動する粗動Ｚ軸機構８７が搭載され、更にその上にピエゾ素子を用いて数１０μｍから数１００μｍ程度移動する微動Ｚ軸機構８８が搭載されている。微動Ｚ軸機構８８にはＺ軸可動部８９を介してワークテーブル９０が搭載されている。粗動Ｚ軸機構８７は高い応答性は要求されないが、微動Ｚ軸機構８８には数１００Ｈｚ程度の高い応答性が要求される。
【００１３】
微動Ｚ軸機構８８はピエゾ素子を使用しているため、一定期間での交換がかならず必要となり、検査装置メーカから敬遠される傾向にある。一方、粗動Ｚ軸機構８７は、スライドウエッジで構成されることが多いため、運動真直度が問題となることがある。
【００１４】
このように、従来の構造ではＺ軸可動部及びその駆動機構の駆動・案内系は、摺動部を有しているため、発塵、メンテナンス及び経年変化が問題となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者らは、上記のような問題点を解決できるＺ軸可動部及びその駆動機構を備えたステージ装置を提案した。
【００１６】
図５を参照して、この提案例について説明する。この提案例でも、ベース（石定盤）５０上に、図３で説明したようなＸ−Ｙステージ装置が構築され、その中のＸ−Ｙテーブル５１（図３のＸステージ６７に対応すると考えて良い）上にＺ軸可動部及びその駆動機構が搭載されている。図３で説明したように、Ｘ−Ｙテーブル５１は、その内側であって図面に垂直な方向（Ｘ軸方向とする）に延びるように配設されているＹステージ５２に沿って可動である。つまり、Ｘ−Ｙテーブル５１はＹステージ５２との間に設けられたＸ軸リニアモータ５３により駆動される。
【００１７】
なお、Ｘ−Ｙテーブル５１は、図４に示したものと同様、その両脚部の内側に設けられてＹステージ５２に対して浮上する静圧空気軸受けパッド５４−１、５４−２（２個のみ図示）と、両脚部に設けられてベース５０に対して浮上する静圧空気軸受けパッド５５−１、５５−２（２個のみ図示）とで案内される。Ｙステージ５２は図面の左右方向（Ｙ軸方向とする）に可動であり、Ｘ−Ｙテーブル５１はＸ軸方向に可動であると共に、Ｙステージ５２と一緒にＹ軸方向にも可動である。
【００１８】
次に、Ｚ軸可動部及びその駆動機構について説明する。このステージ装置は、Ｚ軸方向に駆動されるＺ軸可動部２０及びこれに搭載されたワークテーブル２３の駆動源として、エアシリンダを用いた粗動駆動機構３０と２つのＺ軸ボイスコイルモータ４１、４２による高速微駆動機構との組合わせによるハイブリッド駆動源を用いたものを備える。つまり、粗動駆動機構３０と、Ｚ軸ボイスコイルモータ４１、４２による高速微駆動機構はＸ−Ｙテーブル５１上に搭載されている。粗動駆動機構３０は、エアシリンダ３１とその内部に移動可能に配置されたピストン体３２とを含み、ピストン体３２の上部にＺ軸可動部２０の中央部が取り付けられている。粗動駆動機構３０においては、エアシリンダ３１に対して圧縮エアを導入、排出することでピストン体３２がＺ軸方向に駆動される。なお、図示していないが、エアシリンダ３１の内壁とピストン体３２との間には静圧空気軸受けが設けられる。これは、エアシリンダ３１の内壁からある高さ位置においてピストン体３２に向けて圧縮エアを吹き出すようにすれば良い。このために、エアシリンダ３１の壁には、底壁側にピストン体３２駆動用の圧縮エアの通路が設けられ、側壁側に静圧空気軸受け用の通路が設けられる。
【００１９】
高速微駆動機構は、Ｘ−Ｙテーブル５１とＺ軸可動部２０の両側との間にそれぞれ支持体２０−１、２０−２を介してＺ軸ボイスコイルモータ４１、４２を設けることで実現される。ボイスコイルモータというのは、良く知られているように、簡単に言えば一定のギャップをおいて磁極を対向配置させた複数の永久磁石（固定部側）のギャップ部に可動コイル（可動部側）を配置し、この可動コイルに通電すると永久磁石からの磁束との相互作用により可動コイルには駆動力が作用するという原理を利用したリニアアクチュエータの一種である。図５に概略的に示されるように、Ｚ軸ボイスコイルモータ４２について言えば、Ｚ軸方向に並べて左右両側に固定配置した複数の永久磁石４２−１、４２−２のギャップ部に、支持体２０−２に取り付けられた可動コイル４２−３が配置されている。可動コイル４２−３に通電すると、そこに駆動力が作用することによりＺ軸可動部２０がＺ軸方向に移動する。Ｚ軸可動部２０の上にはワークテーブル２３が取り付けられる。
【００２０】
このように、図５によるステージ装置によれば、図４のステージ装置における問題点を解消できるが、高速微駆動用のＺ軸ボイスコイルモータ４１、４２がＸ−Ｙテーブル５１への振動伝搬による機械共振を起こし、ステージ装置の応答性、駆動、停止精度を低下させる可能性がある。
【００２１】
そこで本発明の課題は、粗動駆動機構と高速微駆動機構によるＺ軸可動部を備えたステージ装置に改良を加えることで、ステージ装置の応答性、駆動、停止精度の向上を図ることにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、石定盤上においてＸ軸方向、Ｙ軸方向の少なくとも一方の方向に可動とされたテーブル上に搭載されて前記Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に直角なＺ軸方向に可動のＺ軸可動部を備えたステージ装置において、前記Ｚ軸可動部の駆動源として、前記テーブル上に搭載された流体圧シリンダを用いた粗動駆動機構と、少なくとも１つのＺ軸リニアアクチュエータを用いた高速微駆動機構との組合わせによるハイブリッド駆動源を用い、しかも前記高速微駆動機構におけるＺ軸リニアアクチュエータの固定部側を、静圧空気軸受けを介して前記石定盤上に置いて該高速微駆動機構が前記石定盤上を前記テーブルと一体に可動としたことを特徴とする。
【００２３】
前記粗動駆動機構は、エアシリンダと、該エアシリンダに対して圧縮エアを導入、排出することで該エアシリンダ内に移動可能に配置されたピストン体とを含み、該ピストン体に前記Ｚ軸可動部の中央部が取り付けられ、前記ピストン体は前記エアシリンダ内壁において静圧空気軸受を介してガイドされる。
【００２４】
前記Ｚ軸リニアアクチュエータとしてボイスコイルモータを用いることができ、前記Ｚ軸可動部はその両側に可動部側を連結した少なくとも２つの前記Ｚ軸ボイスコイルモータにより駆動され、前記Ｚ軸可動部のＺ軸方向への変位量を検出するためのＺ軸リニアセンサを備えることが好ましい。
【００２５】
前記ハイブリッド駆動源の制御手段としてはハイブリッド制御系を備え、該ハイブリッド制御系はＺ軸ボイスコイルモータ駆動系とエアシリンダ駆動系とを含み、前記Ｚ軸ボイスコイルモータ駆動系は前記Ｚ軸リニアセンサからのＺ軸変位量と位置目標値との差に基づいて電流値を出力する第１の制御手段を含んで該第１の制御手段からの電流値に基づいて前記Ｚ軸ボイスコイルモータを励磁して前記Ｚ軸可動部の位置制御を行い、前記エアシリンダ駆動系は前記第１の制御手段からの電流値と電流指令値との差に基づいて電流値を出力する第２の制御手段と該第２の制御手段からの電流値に基づいて前記エアシリンダへの圧縮エア流量を調整するエアシリンダ制御手段とを含んで前記第１の制御手段からの電流値が実電流値として該エアシリンダ駆動系にフィードバックされることにより、定常状態では前記Ｚ軸ボイスコイルモータへの励磁電流が０に収束するように構成される。
【００２６】
前記テーブルは、Ｘ軸方向駆動用のＸ軸リニアモータとＹ軸方向駆動用のＹ軸リニアモータにより駆動される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明によるステージ装置の実施の形態について説明する。本形態によるステージ装置は、図５で説明した、本発明者らにより提案されているステージ装置に改良を加えたものであり、図５に示されている部分と同じ部分には同一番号を付している。
【００２８】
本形態によるステージ装置と、図５に示されたステージ装置の大きな違いは、Ｚ軸ボイスコイルモータとＺ軸可動部との結合構造にある。つまり、高速微駆動機構におけるＺ軸ボイスコイルモータ１１、１２の固定部側（固定子側）をそれぞれ、静圧空気軸受けパッド１３−１、１３−２を介してベース（石定盤）５０上に置く。しかも、固定部側をＸ−Ｙテーブル５１の脚部と機械的に連結することにより、この高速微駆動機構のＺ軸ボイスコイルモータ１１、１２が石定盤５０上をＸ−Ｙテーブル５１と一体に可動としたことを特徴とする。
【００２９】
本形態でも、ベース（石定盤）５０上に、図３で説明したようなＸ−Ｙステージ装置が構築され、その中のＸ−Ｙテーブル５１（図３のＸステージ６７に対応すると考えて良い）にＺ軸可動部２０と粗動駆動機構とが組み合わされている。図３で説明したように、Ｘ−Ｙテーブル５１は、その内側であって図面に垂直な方向（Ｘ軸方向とする）に延びるように配設されているＹステージ５２に沿って可動である。つまり、Ｘ−Ｙテーブル５１はＹステージ５２との間に設けられたＸ軸リニアモータ５３により駆動される。
【００３０】
Ｘ−Ｙテーブル５１は、その両脚部の内側に設けられてＹステージ５２の外面に対して浮上する静圧空気軸受けパッド５４−１、５４−２（２個のみ図示）と、両脚部に設けられてベース５０に対して浮上する静圧空気軸受けパッド５５−１、５５−２（２個のみ図示）とで案内される。Ｙステージ５２は図面の左右方向（Ｙ軸方向とする）に可動であり、Ｘ−Ｙテーブル５１はＸ軸方向に可動であると共に、Ｙステージ５２と一緒にＹ軸方向にも可動である。
【００３１】
このステージ装置においてＺ軸可動部２０をＺ軸方向に駆動するための駆動源はハイブリッド駆動源である。ハイブリッド駆動源は、エアシリンダを用いた粗動駆動機構３０と２つのＺ軸ボイスコイルモータ１１、１２による高速微駆動機構との組合わせによるものである。粗動駆動機構３０はＸ−Ｙテーブル５１に組み合わされるが、Ｚ軸ボイスコイルモータ１１、１２による高速微駆動機構はベース５０とＺ軸駆動部２０の両端部との間に設けられる。
【００３２】
粗動駆動機構３０は、エアシリンダ３１とその内部に移動可能に配置されたピストン体３２とを含み、ピストン体３２の上部にＺ軸可動部２０の中央部が取り付けられている。粗動駆動機構３０においては、エアシリンダ３１に対して圧縮エアを導入、排出することでピストン体３２がＺ軸方向に駆動される。図示していないが、エアシリンダ３１の内壁とピストン体３２との間には静圧空気軸受けが設けられる。これは、エアシリンダ３１の内壁からある高さ位置においてピストン体３２に向けて圧縮エアを吹き出すようにすれば良い。このために、エアシリンダ３１の壁には、底壁側にピストン体３２駆動用の圧縮空気の通路及び圧縮空気導入部が設けられ、側壁側に静圧空気軸受け用の通路及び圧縮空気導入部が設けられる。これらの圧縮空気導入部はフレキシブルホースのような可撓性配管部材を介して外部の圧縮空気発生源と接続される。
【００３３】
高速微駆動機構は、ベース５０とＺ軸可動部２０の両側との間にそれぞれ剛性を持つ支持体１４−１、１４−２を介してＺ軸ボイスコイルモータ１１、１２を設けることで実現される。特に、Ｚ軸ボイスコイルモータ１１、１２は、その固定部側が静圧空気軸受けパッド１３−１、１３−２を介してベース５０に対して浮上可能に置かれている。しかも、Ｚ軸ボイスコイルモータ１１、１２の固定部側は、連結部材１５−１、１５−２を介してＸ−Ｙテーブル５１の脚部と連結されている。
【００３４】
図１に概略的に示されるように、Ｚ軸ボイスコイルモータ１２について言えば、固定部（固定子）側はＺ軸方向に並べて左右両側に固定配置した複数の永久磁石１２−１、１２−２を持つ。可動部（可動子）側は、永久磁石１２−１、１２−２のギャップ部に配置され、支持体１４−２に取り付けられた可動コイル１２−３を持つ。可動コイル１２−３に通電すると、そこに駆動力が作用することによりＺ軸可動部２０がＺ軸方向に移動する。Ｚ軸可動部２０の上にはワークテーブル２３が取り付けられる。
【００３５】
なお、Ｚ軸可動部２０の変位量を検出するためにＺ軸リニアセンサが設けられる。Ｚ軸リニアセンサの一例として、リニアエンコーダを用いる場合には、次のようにすれば良い。支持体１４−１あるいは１４−２のＺ軸に平行な部分にテープ状のスケールを貼り付け、これに対向するＸ−Ｙテーブル５１側にはスケールを光学的あるいは磁気的に検出するエンコーダヘッドを設ける。この種のリニアセンサは良く知られている。
【００３６】
図２は、上記のハイブリッド駆動源の制御手段としてのハイブリッド制御系を示す。このハイブリッド制御系はＺ軸ボイスコイルモータ駆動系５とエアシリンダ駆動系６とを含む。Ｚ軸ボイスコイルモータ駆動系５は、上記のＺ軸リニアセンサからのＺ軸変位量と位置目標値との差を算出する減算器５−１と、減算器５−１で算出された差信号に基づいて電流値を出力するＰＩＤ制御器（第１の制御手段）５−２と、ＰＩＤ制御器５−２からの電流値を増幅する電流アンプ５−３とを含み、Ｚ軸ボイスコイルモータの可動コイルをこの増幅された電流値により励磁することでＺ軸方向の位置制御が行われる。
【００３７】
一方、エアシリンダ駆動系６はＰＩＤ制御器５−２からの電流値と電流指令値との差を算出する減算器６−１と、減算器６−１で算出された差信号に基づいて電流値を出力するＰＩＤ制御器（第２の制御手段）６−２と、ＰＩＤ制御器６−２からの電流値に基づいてエアシリンダへの圧縮エア流量を調整するサーボバルブ６−３とを含み、Ｚ軸可動部２０の粗動駆動が行われる。エアシリンダ駆動系６はエア負荷補償機構として作用する。
【００３８】
ハイブリッド制御系全体として見ると、Ｚ軸ボイスコイルモータで発生される推力と、エアシリンダで発生される推力とが加算され、加算された推力でＺ軸可動部２０が駆動されることとなる。特に、Ｚ軸可動部２０の位置制御をＺ軸ボイスコイルモータ駆動系５により行い、Ｚ軸ボイスコイルモータへの電流値を０とするようエアシリンダ駆動系６に実電流値をフィードバックする。これにより、定常状態ではＺ軸ボイスコイルモータへの電流値は原理的に０に収束し、可動コイルの抵抗損失による発熱が抑えられる。つまり、エアシリンダ３１内に規定の圧縮エアを送ってワークテーブル２３を指令位置まで浮上させ、そこからの高速微駆動はＺ軸ボイスコイルモータ１１、１２により行われる。
【００３９】
上記の説明で明らかなように、本形態ではワークテーブル２３は静圧空気軸受で案内される粗動駆動機構３０と結合されており、Ｘ−Ｙテーブル５１と水平（Ｘ−Ｙ）方向に対しては高い剛性で結合されている。
【００４０】
Ｚ（垂直）軸方向のアクチュエータにはワークテーブル２３の粗動駆動と重力分の補償としてエアシリンダ駆動系を用い、高速微駆動に対してはＺ軸ボイスコイルモータを使用したハイブリッド方式としている。エアシリンダ駆動系のピストン体３２は応答速度も遅く、振動源になり得ないためＸ−Ｙテーブル５１に内蔵しても問題無い。一方、高速微駆動をするＺ軸ボイスコイルモータ１１、１２はＸ−Ｙテーブル５１への振動伝搬による機械共振を避けるため、ベース５０を基準としてＸ−Ｙテーブル５１と同様に静圧空気軸受けパッド１３−１、１３−２を介して支持している。また、連結部材１５−１、１５−２は、例えば板バネのようにＸ−Ｙ方向（水平方向）には高い剛性を発揮し、Ｚ軸方向には剛性の低い構造として、高速微動機構の駆動反力（振動）をＸ−Ｙテーブルに伝搬しにくくしている。
【００４１】
以上、本発明を好ましい実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものでは無い。例えば、Ｚ軸ボイスコイルモータは、２個が好ましいが、３個以上あるいは１個でも良い。また、Ｚ軸可動部が搭載されるテーブルはＸ−Ｙテーブルのみならず、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に駆動される一軸駆動テーブルであっても良い。更に、高速駆動用のアクチュエータにはボイスコイルモータだけでなく、ストローク等の仕様に併せてリニアモータなどのアクチュエータを適用しても良く、エアシリンダに代えて他の気体、例えば窒素ガス等による流体圧シリンダを用いても良い。更に、本発明によるステージ装置の用途は検査用装置に限定されず、アライメントや高さ補正を必要とするステージ装置に広く応用可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｚ軸可動部の駆動源にボイスコイルモータとエアシリンダのハイブリッド方式を採用したことにより、従来の粗・微動機構に比べて、高速・高精度な性能を実現しつつ大幅に機構を簡素化することが可能となった。
【００４３】
特に、図５のような構造では、エアシリンダとＺ軸ボイスコイルモータからのＺ軸方向反力が直接Ｘ−Ｙテーブルに伝達される。このため、Ｘ−Ｙテーブルの機械共振による激しい振動が駆動周波数と共振周波数の一致する場合に発生することとなる。これに対し、本発明の構造では、ワークテーブルの駆動反力がベースに直接作用し、Ｘ−Ｙテーブルに対して伝搬しにくい構造となる。このため、ステージ装置各部との共振によるワークテーブルの駆動精度への影響が小さくなる。また、Ｘ−Ｙテーブルとワークテーブルを分離することでＺ軸方向に駆動するワークテーブルの駆動負荷は大幅に軽減され、高速応答させるに有利な条件となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるステージ装置の構成を示した断面図である。
【図２】本発明に使用されるＺ軸可動部のハイブリッド駆動源の制御手段としてのハイブリッド制御系を示した図である。
【図３】本発明によるＺ軸可動部が組み合わされるＸ−Ｙステージ装置の構成例を示した斜視図である。
【図４】図３のＸ−Ｙステージ装置に組み合わされる、従来のＺ軸可動部の駆動機構の例を示した図である。
【図５】図３のＸ−Ｙステージ装置に組み合わされる、本発明者らにより提案されているＺ軸可動部の駆動機構の例を示した図である。
【符号の説明】
１１、１２Ｚ軸ボイスコイルモータ
１２−１、１２−２永久磁石
１２−３可動コイル
１３−１、１３−２、５４−１、５４−２、５５−１、５５−２静圧空気軸受けパッド
１４−１、１４−２、２０−１、２０−２支持体
２０Ｚ軸可動部
３０粗動駆動機構
３１エアシリンダ
３２ピストン体
５０ベース（石定盤）
５１Ｘ−Ｙテーブル
５２Ｙステージ
５３Ｘ軸リニアモータ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a stage apparatus, and more particularly to a stage apparatus suitable for driving a stage in a straight direction (hereinafter referred to as a Z-axis direction) with high speed and high accuracy.
[0002]
[Prior art]
An example of a stage apparatus will be described with reference to FIG. 3 for an XY stage apparatus proposed by the present applicant (Japanese Patent Application No. 10-332213).
[0003]
In FIG. 3, the fixed part of the XY stage apparatus is a base (stone surface plate) 60 whose upper surface is a static pressure bearing guide surface and a pair of guide rails 61 and 62 fixed on the base 60. The guide rails 61 and 62 have guide surfaces 61a and 62a that face each other. In FIG. 3, the portion that is linearly guided along the guide surfaces 61a and 62a in the Y-axis direction is disposed between the guide rails 61 and 62, the Y stage 63 having T-shaped portions at both ends, and the X− Four static pressure air bearings connected to the side surface of the T-shaped portion of the Y stage 63 through four joints 64 (only two shown) having one degree of freedom of rotation about the Z axis perpendicular to the Y plane A pad 65 (only one is shown) and three static pressure air bearing pads 66-1 to 66-3 connected to the lower surface of the Y stage 63. The static pressure air bearing pad 66-3 is provided at a position corresponding to the central axis of the Y stage 63, and the static pressure air bearing pads 66-1 and 66-2 are substantially symmetrical positions with respect to the central axis of the Y stage 63. Is provided. That is, the static pressure air bearing pads 66-1 to 66-3 are arranged so that their centers form an isosceles triangle. In the Y stage 63, two side surfaces parallel to the extending direction are formed as reference surfaces for guiding the X stage 67.
[0004]
In FIG. 3, a portion that is linearly guided in the X-axis direction while being linearly guided in the Y-axis direction is a U-shaped X stage 67 (XY movable portion) combined so as to straddle the Y stage 63. Four static pressure air bearing pads 69-1 to 69-4 connected to the U-shaped inner surface of the X stage 67 so as to face the side surface of the Y stage 63, and 3 connected to the lower surface of the X stage 67 These are the static pressure air bearing pads 70-1 to 70-3.
[0005]
The Y stage 63 receives the restraint in the X-axis direction with respect to the base 60 in a non-contact manner by a static pressure air bearing pad 65. The Y stage 63 also receives the restraint in the Z-axis direction with respect to the base 60 in a non-contact manner by the self-weight of the static pressure air bearing pads 66-1 to 66-3 and the Y stage 63. The Y stage 63 can move (linearly guide) in the Y-axis direction by the restriction in these two directions.
[0006]
Similarly, the X stage 67 receives the restraint in the Y-axis direction with respect to the Y stage 63 in a non-contact manner by the static pressure air bearing pads 69-1 to 69-4. The X stage 67 also receives the restraint in the Z-axis direction with respect to the base 60 in a non-contact manner by the self-weight of the static pressure air bearing pads 70-1 to 70-3 and the X stage 67. With these configurations, the X stage 67 is linearly guided with respect to the base 60 in the X-axis direction and the Y-axis direction.
[0007]
Here, as a drive system for the Y stage 63, a pair of Y1 linear motors 74 and Y2 linear motors 75 respectively configured on the guide rails 61 and 62 are used, and as a drive system for the X stage 67, configured on the Y stage 63. Each X linear motor 73 is used.
[0008]
For example, the Y2 linear motor 75 will be briefly described. A coil (not shown) extending from the Y stage 63 between a large number of upper permanent magnets 75-1 and a large number of lower permanent magnets 75-2 arranged with a gap. ) Is arranged. The two T-shaped portions of the Y stage 63 have Y1 for detecting the amount of movement by the Y1 linear motor 74 and Y2 linear motor 75 together with the Y1 linear scale 71 and Y2 linear scale 72 provided on the guide rails 61 and 62. A linear encoder 76 and a Y2 linear encoder 77 are provided. The X stage 67 is provided with an X linear encoder 79 for detecting the amount of movement by the X linear motor 73 together with the X linear scale 78 provided on the Y stage 63.
[0009]
By the way, when this type of XY stage apparatus is used as a stage apparatus for the purpose of inspection of semiconductors, liquid crystals, magnetic / optical storage devices, etc., the X stage 67 further includes an optical system in the vertical direction. It is necessary to mount a high-speed focus drive mechanism (Z-axis drive mechanism) for focusing and a rotation drive mechanism (θ-axis drive mechanism) for alignment in the rotation direction of the mounted workpiece.
[0010]
Usually, the high-speed focus drive mechanism is a fine movement mechanism that operates at a high speed in a minute range of several tens of μm to several hundreds of μm and a movement speed of about 1 to 2 mm to cope with variations in the thickness direction of the mounted workpiece, and the movement speed is not so fast ( Low response) coarse motion mechanism. For this reason, the structure becomes complicated, and since there is a sliding portion, dust generation from there becomes a problem. Further, a mechanism using a worm gear is often used as the rotational drive mechanism. For this reason, in addition to dust generation, backlash and stopping accuracy are serious problems.
[0011]
An example of a stage apparatus that enables driving in the Z-axis direction and the θ-axis direction in addition to driving in the X-axis and Y-axis directions will be described with reference to FIG. Here, an XY stage apparatus as described with reference to FIG. 3 is constructed on a base (stone surface plate) 80, and an XY table 81 (an XY movable portion in the XY stage device) is shown in FIG. It is assumed that the Z-axis movable part and its drive mechanism, the θ-axis movable part and its drive mechanism are mounted on the stage 67). As described with reference to FIG. 3, the XY table 81 is movable along the Y stage 82 which is disposed so as to extend in the direction perpendicular to the drawing (X-axis direction). . That is, the XY table 81 is driven by the X axis linear motor 83 provided between the XY table 81 and the Y stage 82. As a guide system for the XY table 81, static pressure air bearing pads 84-1 and 84-2 (only two are shown) provided on both legs of the XY table 81 and floating with respect to the base 80; There are hydrostatic air bearing pads 85-1 and 85-2 (only two are shown) that are provided on the inner side of both legs of the XY table 81 and float with respect to the Y stage 82. The Y stage 82 is movable in the left-right direction (Y-axis direction) in the drawing, and the XY table 81 is movable in the X-axis direction and the Y-axis direction. Next, the Z-axis movable part and its drive mechanism, the θ-axis movable part and its drive mechanism will be described.
[0012]
In FIG. 4, a θ-axis table 86 driven by a worm gear or the like is mounted on an XY table 81. The θ-axis table 86 is rotatable with respect to the central axis in the Z-axis direction. On the θ-axis table 86, a coarse movement Z-axis mechanism 87 constituted by a slide wedge or the like and moving about 1 to 2 mm is mounted. Further, a fine movement Z-axis mechanism that moves about several tens μm to several hundreds μm using a piezo element thereon. 88 is installed. A work table 90 is mounted on the fine movement Z-axis mechanism 88 via a Z-axis movable portion 89. The coarse movement Z-axis mechanism 87 is not required to have high responsiveness, but the fine movement Z-axis mechanism 88 is required to have high responsiveness of about several hundred Hz.
[0013]
Since the fine movement Z-axis mechanism 88 uses a piezo element, it needs to be replaced in a certain period, and tends to be avoided from the inspection apparatus manufacturer. On the other hand, since the coarse movement Z-axis mechanism 87 is often composed of a slide wedge, the motion straightness may be a problem.
[0014]
Thus, in the conventional structure, since the Z-axis movable part and the drive / guide system of the drive mechanism have the sliding part, dust generation, maintenance, and secular change are problems.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present inventors have proposed a stage device including a Z-axis movable part and its drive mechanism that can solve the above-described problems.
[0016]
The proposed example will be described with reference to FIG. Also in this proposed example, an XY stage apparatus as described in FIG. 3 is constructed on the base (stone surface plate) 50, and it is considered that it corresponds to the XY table 51 (X stage 67 in FIG. 3) therein. The Z-axis movable part and its drive mechanism are mounted on it. As described with reference to FIG. 3, the XY table 51 is movable along the Y stage 52 disposed so as to extend in the direction perpendicular to the drawing (X-axis direction). . That is, the XY table 51 is driven by the X-axis linear motor 53 provided between the XY table 51 and the Y stage 52.
[0017]
As in the case shown in FIG. 4, the XY table 51 is provided with static pressure air bearing pads 54-1 and 54-2 (two pieces) that are provided on the inner side of both legs and float on the Y stage 52. Only) and hydrostatic air bearing pads 55-1 and 55-2 (only two are shown) provided on both leg portions and floating with respect to the base 50. The Y stage 52 is movable in the left-right direction (Y-axis direction) in the drawing, and the XY table 51 is movable in the X-axis direction and is also movable in the Y-axis direction together with the Y stage 52.
[0018]
Next, the Z-axis movable part and its drive mechanism will be described. This stage apparatus includes a coarse drive mechanism 30 using an air cylinder and two Z-axis voice coil motors 41 as drive sources for a Z-axis movable unit 20 driven in the Z-axis direction and a work table 23 mounted thereon. , 42 using a hybrid drive source in combination with a high-speed fine drive mechanism. That is, the coarse drive mechanism 30 and the high-speed fine drive mechanism using the Z-axis voice coil motors 41 and 42 are mounted on the XY table 51. The coarse drive mechanism 30 includes an air cylinder 31 and a piston body 32 movably disposed therein, and a central portion of the Z-axis movable unit 20 is attached to an upper portion of the piston body 32. In the coarse drive mechanism 30, the piston body 32 is driven in the Z-axis direction by introducing and discharging compressed air to and from the air cylinder 31. Although not shown, a static pressure air bearing is provided between the inner wall of the air cylinder 31 and the piston body 32. This may be achieved by blowing compressed air toward the piston body 32 at a certain height position from the inner wall of the air cylinder 31. For this purpose, the wall of the air cylinder 31 is provided with a passage for compressed air for driving the piston body 32 on the bottom wall side and a passage for static pressure air bearings on the side wall side.
[0019]
The high-speed fine driving mechanism is realized by providing Z-axis voice coil motors 41 and 42 between the XY table 51 and both sides of the Z-axis movable unit 20 via supports 20-1 and 20-2, respectively. The As is well known, a voice coil motor is simply a movable coil (movable part side) in the gap part of a plurality of permanent magnets (fixed part side) with magnetic poles arranged opposite each other with a certain gap. ) And is a type of linear actuator that utilizes the principle that when the movable coil is energized, a driving force acts on the movable coil due to the interaction with the magnetic flux from the permanent magnet. As schematically shown in FIG. 5, in the case of the Z-axis voice coil motor 42, a support is provided in the gap portion between the plurality of permanent magnets 42-1 and 42-2 that are arranged in the Z-axis direction and fixed on both the left and right sides. A movable coil 42-3 attached to 20-2 is arranged. When the movable coil 42-3 is energized, the driving force acts on the movable coil 42-3 to move the Z-axis movable unit 20 in the Z-axis direction. A work table 23 is attached on the Z-axis movable unit 20.
[0020]
As described above, according to the stage apparatus of FIG. 5, the problems in the stage apparatus of FIG. 4 can be solved, but the Z-axis voice coil motors 41 and 42 for high-speed fine driving are caused by vibration propagation to the XY table 51. There is a possibility that mechanical resonance will occur and the responsiveness, driving and stopping accuracy of the stage apparatus will be lowered.
[0021]
Accordingly, an object of the present invention is to improve the responsiveness, drive, and stop accuracy of the stage device by improving the stage device including the Z-axis movable portion by the coarse drive mechanism and the high-speed fine drive mechanism. .
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is mounted on a table that is movable in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction on a stone surface plate, and is movable in a Z-axis direction perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction. In a stage apparatus having an axis movable part, as a drive source for the Z axis movable part, a coarse drive mechanism using a fluid pressure cylinder mounted on the table and a high speed using at least one Z axis linear actuator Using a hybrid drive source in combination with a fine drive mechanism, the fixed portion side of the Z-axis linear actuator in the high-speed fine drive mechanism is placed on the stone surface plate via a static pressure air bearing and the high-speed fine drive A mechanism is characterized in that the mechanism is movable integrally with the table on the stone surface plate.
[0023]
The coarse drive mechanism includes an air cylinder and a piston body that is movably disposed in the air cylinder by introducing and discharging compressed air to and from the air cylinder. A central portion of the movable portion is attached, and the piston body is guided through a static pressure air bearing on the inner wall of the air cylinder.
[0024]
A voice coil motor can be used as the Z-axis linear actuator, and the Z-axis movable part is driven by at least two Z-axis voice coil motors having movable parts connected to both sides of the Z-axis movable part. It is preferable to include a Z-axis linear sensor for detecting the amount of displacement in the axial direction.
[0025]
The hybrid drive source control means includes a hybrid control system, the hybrid control system including a Z-axis voice coil motor drive system and an air cylinder drive system, and the Z-axis voice coil motor drive system is the Z-axis linear sensor. Including first control means for outputting a current value based on the difference between the Z-axis displacement amount and the position target value, and exciting the Z-axis voice coil motor based on the current value from the first control means. And the second control means for outputting the current value based on the difference between the current value from the first control means and the current command value. Air cylinder control means for adjusting the flow rate of compressed air to the air cylinder based on the current value from the second control means, and the current value from the first control means is the actual current value. By being fed back to Sunda drive system configured as excitation current to the Z-axis voice coil motor converges to 0 in the steady state.
[0026]
The table is driven by an X-axis linear motor for driving in the X-axis direction and a Y-axis linear motor for driving in the Y-axis direction.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of a stage apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The stage apparatus according to the present embodiment is an improvement of the stage apparatus proposed by the present inventors described in FIG. 5, and the same parts as those shown in FIG. is doing.
[0028]
A major difference between the stage apparatus according to the present embodiment and the stage apparatus shown in FIG. 5 is the coupling structure of the Z-axis voice coil motor and the Z-axis movable part. That is, the fixed part side (stator side) of the Z-axis voice coil motors 11 and 12 in the high-speed fine driving mechanism is respectively mounted on the base (stone surface plate) 50 via the static pressure air bearing pads 13-1 and 13-2. Put on. Moreover, the Z-axis voice coil motors 11 and 12 of the high-speed fine drive mechanism are moved over the stone surface plate 50 with the XY table 51 by mechanically connecting the fixed portion side to the legs of the XY table 51. It is characterized by being movable as a unit.
[0029]
Also in this embodiment, an XY stage apparatus as described in FIG. 3 is constructed on the base (stone surface plate) 50, and it is considered that it corresponds to the XY table 51 (X stage 67 in FIG. 3) therein. The Z-axis movable unit 20 and the coarse drive mechanism are combined. As described with reference to FIG. 3, the XY table 51 is movable along the Y stage 52 disposed so as to extend in the direction perpendicular to the drawing (X-axis direction). . That is, the XY table 51 is driven by the X-axis linear motor 53 provided between the XY table 51 and the Y stage 52.
[0030]
The XY table 51 is provided on both leg portions, and is provided on both leg portions with static pressure air bearing pads 54-1 and 54-2 (only two are shown) which are provided inside the both leg portions and float on the outer surface of the Y stage 52. Then, they are guided by hydrostatic air bearing pads 55-1 and 55-2 (only two are shown) that float on the base 50. The Y stage 52 is movable in the left-right direction (Y-axis direction) in the drawing, and the XY table 51 is movable in the X-axis direction and is also movable in the Y-axis direction together with the Y stage 52.
[0031]
In this stage apparatus, the drive source for driving the Z-axis movable unit 20 in the Z-axis direction is a hybrid drive source. The hybrid drive source is a combination of a coarse drive mechanism 30 using an air cylinder and a high-speed fine drive mechanism using two Z-axis voice coil motors 11 and 12. The coarse drive mechanism 30 is combined with an XY table 51, but a high-speed fine drive mechanism using the Z-axis voice coil motors 11 and 12 is provided between the base 50 and both ends of the Z-axis drive unit 20.
[0032]
The coarse drive mechanism 30 includes an air cylinder 31 and a piston body 32 movably disposed therein, and a central portion of the Z-axis movable unit 20 is attached to an upper portion of the piston body 32. In the coarse drive mechanism 30, the piston body 32 is driven in the Z-axis direction by introducing and discharging compressed air to and from the air cylinder 31. Although not shown, a static pressure air bearing is provided between the inner wall of the air cylinder 31 and the piston body 32. This may be achieved by blowing compressed air toward the piston body 32 at a certain height position from the inner wall of the air cylinder 31. For this purpose, the wall of the air cylinder 31 is provided with a compressed air passage and a compressed air introduction portion for driving the piston body 32 on the bottom wall side, and a static pressure air bearing passage and a compressed air introduction portion on the side wall side. Is provided. These compressed air introducing portions are connected to an external compressed air generation source via a flexible piping member such as a flexible hose.
[0033]
The high-speed fine driving mechanism is realized by providing the Z-axis voice coil motors 11 and 12 via the supports 14-1 and 14-2 having rigidity between the base 50 and both sides of the Z-axis movable unit 20, respectively. The In particular, the Z-axis voice coil motors 11 and 12 are placed such that their fixed portions can float with respect to the base 50 via the static pressure air bearing pads 13-1 and 13-2. Moreover, the fixed portion side of the Z-axis voice coil motors 11 and 12 is connected to the leg portions of the XY table 51 via the connecting members 15-1 and 15-2.
[0034]
As schematically shown in FIG. 1, with regard to the Z-axis voice coil motor 12, a plurality of permanent magnets 12-1, 12-arranged on the left and right sides of the fixed part (stator) side are arranged in the Z-axis direction. Have two. The movable part (movable element) side has a movable coil 12-3 which is disposed in the gap part of the permanent magnets 12-1 and 12-2 and attached to the support 14-2. When the movable coil 12-3 is energized, the Z-axis movable part 20 moves in the Z-axis direction by applying a driving force thereto. A work table 23 is attached on the Z-axis movable unit 20.
[0035]
A Z-axis linear sensor is provided to detect the amount of displacement of the Z-axis movable unit 20. As an example of the Z-axis linear sensor, when a linear encoder is used, the following may be performed. A tape-like scale is attached to a portion of the support 14-1 or 14-2 parallel to the Z-axis, and an encoder head for optically or magnetically detecting the scale is provided on the XY table 51 side facing the scale. Provide. This type of linear sensor is well known.
[0036]
FIG. 2 shows a hybrid control system as control means for the hybrid drive source. This hybrid control system includes a Z-axis voice coil motor drive system 5 and an air cylinder drive system 6. The Z-axis voice coil motor drive system 5 includes a subtracter 5-1 for calculating a difference between the Z-axis displacement amount from the Z-axis linear sensor and the position target value, and a difference signal calculated by the subtractor 5-1. Z-axis voice coil motor including a PID controller (first control means) 5-2 that outputs a current value based on the current and a current amplifier 5-3 that amplifies the current value from the PID controller 5-2 The position control in the Z-axis direction is performed by exciting the movable coil with the amplified current value.
[0037]
On the other hand, the air cylinder drive system 6 has a subtractor 6-1 for calculating the difference between the current value from the PID controller 5-2 and the current command value, and the current based on the difference signal calculated by the subtractor 6-1. A PID controller (second control means) 6-2 that outputs a value, and a servo valve 6-3 that adjusts the flow rate of compressed air to the air cylinder based on the current value from the PID controller 6-2. Then, coarse driving of the Z-axis movable unit 20 is performed. The air cylinder drive system 6 acts as an air load compensation mechanism.
[0038]
When viewed as the entire hybrid control system, the thrust generated by the Z-axis voice coil motor and the thrust generated by the air cylinder are added, and the Z-axis movable unit 20 is driven by the added thrust. In particular, the position control of the Z-axis movable unit 20 is performed by the Z-axis voice coil motor drive system 5, and the actual current value is fed back to the air cylinder drive system 6 so that the current value to the Z-axis voice coil motor is zero. Thereby, in a steady state, the current value to the Z-axis voice coil motor converges to 0 in principle, and heat generation due to resistance loss of the movable coil is suppressed. That is, prescribed compressed air is sent into the air cylinder 31 to lift the work table 23 to the command position, and high-speed fine driving therefrom is performed by the Z-axis voice coil motors 11 and 12.
[0039]
As is apparent from the above description, in this embodiment, the work table 23 is coupled to the coarse drive mechanism 30 guided by the hydrostatic air bearing, and is in the horizontal (XY) direction with respect to the XY table 51. Are connected with high rigidity.
[0040]
For the actuator in the Z (vertical) axis direction, an air cylinder drive system is used for coarse motion drive and gravity compensation of the work table 23, and a hybrid system using a Z-axis voice coil motor for high-speed fine drive. The piston body 32 of the air cylinder drive system has a slow response speed and cannot be a vibration source, so there is no problem even if it is built in the XY table 51. On the other hand, the Z-axis voice coil motors 11 and 12 that perform high-speed fine driving avoid the mechanical resonance due to the vibration propagation to the XY table 51, and the static pressure air bearing pad is the same as the XY table 51 with the base 50 as a reference. It supports via 13-1, 13-2. Further, the connecting members 15-1 and 15-2 exhibit high rigidity in the XY direction (horizontal direction) like a leaf spring, for example, and have a low rigidity in the Z-axis direction. The driving reaction force (vibration) is difficult to propagate to the XY table.
[0041]
As mentioned above, although this invention was demonstrated about preferable embodiment, this invention is not limited to said embodiment. For example, the number of Z-axis voice coil motors is preferably two, but may be three or more or one. Further, the table on which the Z-axis movable unit is mounted is not limited to an XY table, but may be a uniaxial drive table driven in the X-axis direction or the Y-axis direction. Furthermore, not only a voice coil motor but also an actuator such as a linear motor may be applied to the actuator for high-speed driving in accordance with the specifications such as the stroke, etc., instead of an air cylinder, a fluid such as nitrogen gas. A pressure cylinder may be used. Furthermore, the use of the stage apparatus according to the present invention is not limited to an inspection apparatus, and can be widely applied to stage apparatuses that require alignment and height correction.
[0042]
【The invention's effect】
According to the present invention, by adopting a hybrid system of a voice coil motor and an air cylinder as a drive source for the Z-axis movable part, it achieves high speed and high precision performance compared with the conventional coarse / fine movement mechanism. It became possible to simplify the mechanism.
[0043]
In particular, in the structure as shown in FIG. 5, the Z-axis direction reaction force from the air cylinder and the Z-axis voice coil motor is directly transmitted to the XY table. For this reason, intense vibration due to mechanical resonance of the XY table occurs when the drive frequency and the resonance frequency coincide. On the other hand, in the structure of the present invention, the driving reaction force of the work table acts directly on the base and is difficult to propagate to the XY table. For this reason, the influence on the drive accuracy of the work table due to resonance with each part of the stage apparatus is reduced. Further, by separating the XY table and the work table, the driving load of the work table driven in the Z-axis direction is greatly reduced, which is an advantageous condition for high-speed response.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a stage apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a hybrid control system as control means for a hybrid drive source of a Z-axis movable part used in the present invention.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a configuration example of an XY stage apparatus in which a Z-axis movable unit according to the present invention is combined.
4 is a diagram showing an example of a conventional drive mechanism for a Z-axis movable unit combined with the XY stage apparatus of FIG. 3;
5 is a view showing an example of a drive mechanism for a Z-axis movable unit proposed by the present inventors, which is combined with the XY stage apparatus of FIG. 3; FIG.
[Explanation of symbols]
11, 12 Z-axis voice coil motor 12-1, 12-2 Permanent magnet 12-3 Movable coil 13-1, 13-2, 54-1, 54-2, 55-1, 55-2 Static pressure air bearing pad 14-1, 14-2, 20-1, 20-2 Support 20 Z-axis movable part 30 Coarse drive mechanism 31 Air cylinder 32 Piston body 50 Base (stone surface plate)
51 XY table 52 Y stage 53 X axis linear motor

Claims

A Z-axis movable portion that is mounted on a table that is movable in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction on the stone surface plate and is movable in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis direction and the Y-axis direction. In the stage device provided,
Hybrid drive by a combination of a coarse drive mechanism using a fluid pressure cylinder mounted on the table as a drive source of the Z-axis movable part and a high-speed fine drive mechanism using at least one Z-axis linear actuator Using the source
Moreover, the fixed portion side of the Z-axis linear actuator in the high-speed fine driving mechanism is placed on the stone surface plate via a static pressure air bearing, and the high-speed fine driving mechanism is movable integrally with the table on the stone surface plate. A stage device characterized by that.

2. The stage device according to claim 1, wherein the coarse drive mechanism includes an air cylinder and a piston body that is movably disposed in the air cylinder by introducing and discharging compressed air to and from the air cylinder. A stage device comprising: a central portion of the Z-axis movable portion attached to the piston body, and the piston body being guided through a static pressure air bearing on the inner wall of the air cylinder.

3. The stage apparatus according to claim 2, wherein a voice coil motor is used as the Z-axis linear actuator, and the Z-axis movable part is driven by at least two Z-axis voice coil motors having movable parts connected to both sides thereof. A stage apparatus comprising a Z-axis linear sensor for detecting a displacement amount of the Z-axis movable part in the Z-axis direction.

4. The stage apparatus according to claim 3, further comprising a hybrid control system as control means for the hybrid drive source, the hybrid control system including a Z-axis voice coil motor drive system and an air cylinder drive system, and the Z-axis voice coil motor. The drive system includes first control means for outputting a current value based on the difference between the Z-axis displacement amount from the Z-axis linear sensor and the position target value, and based on the current value from the first control means. The Z-axis voice coil motor is excited to control the position of the Z-axis movable part, and the air cylinder drive system calculates a current value based on a difference between a current value from the first control means and a current command value. The first control means includes a second control means for outputting and an air cylinder control means for adjusting a flow rate of compressed air to the air cylinder based on a current value from the second control means. The stage is configured such that the excitation current to the Z-axis voice coil motor converges to 0 in a steady state by feeding back the current value of the current to the air cylinder drive system as an actual current value. apparatus.

5. The stage device according to claim 1, wherein the table is driven by an X-axis linear motor for driving in the X-axis direction and a Y-axis linear motor for driving in the Y-axis direction. apparatus.