JP3981660B2

JP3981660B2 - 縦横移動旋回装置

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Publication number: JP3981660B2
Application number: JP2003355495A
Authority: JP
Inventors: 和也廣瀬; 重桓安
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Current assignee: Individual
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: KR100587498B1; TW200524697A; KR20050036724A; JP2005121436A

Description

本発明は、精密測定・検査器具、ＬＣ製造工程のアライメント作業における位置決めステージに適用可能な、縦横移動旋回装置に関するものである。

近年、縦横移動機構、及び旋回機構を上下に組み合わせた構成でない機構で、ステージの中央部分を機構部分が専有しない構成の縦横移動旋回支持機構を提案している。

例えば特許文献１に示されるような縦横移動旋回支持機構では、図６〜図９に示すように、ベース１にステージ２を、支持ユニット３，３，３により、縦横移動旋回可能に支持する構成とし、３個の駆動機構４，４，４によって所定の縦横移動旋回動作を行なう構成である。前記支持ユニット３は、図８に示すように、内側支持板５と、この内側支持板５を挟んで一体に結合した２つの外側支持板６ａ，６ｂとを備え、内側支持板５とそれぞれの外側支持板６ａ，６ｂ間に保持部材７に保持したボール８を介装して、内側支持板５と外側支持板６ａ，６ｂを平面上で相対的に自由運動可能としている。この場合、外側支持板６ａ，６ｂは内側支持板５の周囲を囲む構成とすると共に、一方側の外側支持板６ａ，６ｂと保持部材７に遊び孔９を形成しており、内側支持板５の取付部材１０を前記遊び孔９を通して外側支持板６ａ，６ｂの外側に突出させている。

このような構成において、内側支持板５の取付部材１０をベース１の枠部に取り付けると共に、上側の外側支持板６ａ，６ｂをステージ２の枠部に取り付けることにより、ベース１上にステージ２を支持することができる。この場合、支持ユニット３は、それぞれの枠部の一辺の両端と、対向する辺の中間の３個所に設置して、いわゆる３点支持式に支持している（図６参照）。

以上のようにして、ステージ２は、各支持ユニット３の移動ストロークに制限されるものの保持部材７に保持されたボール８によりベース１に対して自由運動、すなわち縦横移動旋回可能に支持することができる。なお、各支持ユニット３は取付部材１０と遊び孔９間の間隔により移動ストロークが規定される。

そして、３個の駆動機構４，４，４を、選択的に駆動することで、ステージを、縦横移動旋回動作させることができるとしている。
特開平９−１５５６６６号公報

しかしながら、上述のように支持ユニット３は、内側支持板５と、この内側支持板５を挟んで一体に結合した２つの外側支持板６ａ，６ｂとを備え、内側支持板５とそれぞれの外側支持板６ａ，６ｂ間に保持部材７に保持したボール８を介装したという構成であるので、結果的にボール８を介して内側支持板５と外側支持板６ａ，６ｂとが、高さ方向に積み重ねた構成となっており、ここに、支持ユニット３の構成において、改善の余地があるといえる。
本発明はこのような背景から提案されたものであって、縦横移動旋回装置において、一層の位置決め精度、安定性等の向上、さらにはコンパクト化の為に、ベースとステージとを支持する支持ユニットを簡略化した、縦横移動旋回装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明では、請求項１において、基台上にステージを、平面上で相対的に自由運動可能な複数の第１の支持ユニットで支持する構成として、複数の駆動機構により、前記ステージを縦横移動可能に、且つ旋回可能に調節する構成とし、前記第１支持ユニットは、下方に向かう荷重を支持する内側部材と、上方に向かう荷重を支持する外側部材とを備え、前記内側部材は、前記基台上に固設した、上面平坦な基部材と、基部材上面縁部近傍に、前記基部材の中心を直交方向に貫く中心軸に対し等距離に段差配置した、前記基部材に比較して前記中心軸方向の寸法が小さい基部縁部材とを有し、前記外側部材は、前記内側部材に上方から包囲する際、前記内側部材における基部縁部材を下面側から対向する外下部縁部材を延設し、前記内側部材における基部材上面中心周囲に、第１の保持部材に保持した第１転動部材を介在すると共に、前記内側部材における基部縁部材と前記外側部材における外下部縁部材間に第２の保持部材に保持した第２転動部材を介在させて、内側部材に外側部材を支持する構成とした縦横移動旋回装置を提案する。

また本発明では、請求項２において、基台上にステージを、交互に配した、平面上で相対的に自由運動可能な第２、第３の支持ユニットとにより支持する構成として、複数の駆動機構により、前記ステージを縦横移動可能に、且つ旋回可能に構成し、前記第２支持ユニットは、基台側に固設した下部材と、下部材の中心を鉛直方向に貫く軸線を中心として突設した取付部材と、前記ステージ下面側に固設した上部材とを有して前記下部材と上部材とは、上部材と下部材との間に、保持部材により保持した多数の転動体を介在させて、水平方向に自由運動可能な構成とし、前記第３支持ユニットは、基台側に配置した下部材と、この下部材の中心部所に設けた通孔を介して、前記基台側に固設した取付部材に固定した上部材とを有し、前記下部材は、前記ステージ下面側にスペース部材を介して軸止めして、このスペース部材によって形成される間隙に前記上部材を配置してなり、この上部材下面と前記下部材上面間に、保持部材により保持した多数の転動体を介在させて、水平方向に自由運動可能な構成とした縦横移動旋回装置を提案する。

また本発明では、請求項３において、前記駆動機構は、前記基台側に取り付け、駆動方向が前記平面と平行に駆動する作動ロッドを備えたリニアアクチュエータと、前記ステージ側に取り付け、前記作動ロッドの駆動方向と直交する方向に配設した案内部材とこの案内部材に移動可能に配置した移動子と、この移動子と前記作動ロッドとを、前記平面と直交する軸周りに回動可能に連結する構成とした縦横移動旋回装置を提案する。

本発明によれば、支持ユニットを簡略化し、ベースとステージ間の間隔を極力抑えることができたので、一層の位置決め精度、安定性等の向上、並びにコンパクト化が達成でき、精密測定器具、精密加工機械、精密位置決め装置等、広範な利用が期待できる。

請求項１によれば、第１支持ユニットは、外側部材と内側部材とが、内側部材における基部材と、基部材両側縁において一体の基部縁部材とで、それぞれ第１保持部材に保持した第１転動部材、第２保持部材に保持した第２転動部材を介して、相対的に移動可能な状態で接する構成としたので、図８に示す従来の支持ユニットに比較して高さを抑え、構成を単純化することができる。
その際、内側部材における基部材上面には、ステージ側から、外側部材における外基部材を介して荷重がかかり、装置の縦横移動旋回動作中には、ステージ側から、外側部材における外基部材に偏荷重となってかかることがある。
偏荷重がかかると、外側部材における外基部材の両端部側には、一方が下向きの力がかかり、他方が上向きの力がかかる状態となる。
しかし、外側部材と内側部材とは、外基部材の他、外下部縁部材とで、第２保持部材に保持した第２転動部材を介して接しているので、外側部材は揺動することなく、安定した縦横移動旋回動作を行うことができる。
このように、この第１支持ユニットによって基台上にステージを支える構成の縦横移動旋回装置の、一層の位置決め精度、安定性等の向上、並びにコンパクト化が達成できる。

請求項２によれば、ステージを、上方から下方への荷重を支持する第２支持ユニットと、下方から上方向への荷重を支持する３支持ユニットとを用いて支持するようにしたので、ステージに対する偏荷重に対しても安定してステージを支えることができ、ステージの相対的な自由運動が妨げられることはない。

請求項３によれば、複数の駆動機構を、適量、選択的にまたは組み合わせて駆動させることで、ステージを、ステージ上面を含む面上で、縦横に、また旋回調節することができる。

以下、本発明にかかる縦横移動旋回装置につき、好適な実施の態様を挙げ、添付の図面に基づいて説明する。なお、ここでは、前述した従来のアライメントステージ１を構成する構成要素は同様のものを使用することができるため、同符号を付して説明する。

図１に縦横移動旋回装置１１を示す。すなわちこの縦横移動旋回装置１１では、基台（後述）上にステージ２を、平面上で相対的に自由運動可能な複数の第１の支持ユニット１２により支持し、複数の駆動機構４，４，４とにより、前記ステージ２を縦横移動可能に、且つ旋回可能に駆動する構成としている。
前記第１支持ユニット１２は、詳細は後述するが、長方形状のステージ２の四隅近傍、および中央部に配設している。

前記駆動機構４，４，４は、周知の構成のもので、ステージ２の４端面のうちの、３端面に、端面に対してそれぞれ直交するように配置したガイドレール１３と、このガイドレール１３に沿って移動する移動子１４と、この移動子１４に回転ジョイント１５を介し、リニアアクチュエータ１６の作動ロッド１６ａを連結する構成としている。前記駆動機構４，４，４のうち、互いに対向する端面に配設した駆動機構４，４は、動作方向が端面に平行に、互いに逆方向となる設定であり、残りの駆動機構４は、前記向かい合わせの駆動機構４の動作方向に対して、直交する方向に動作方向が設定されている。

次に、前記第１支持ユニット１２について、詳細に説明する。
すなわち前記第１支持ユニット１２は、図２に示すように、基台Ｂ側に固設した内側部材１７と、ステージ２側に固設した外側部材１８とを備えている。

前記内側部材１７は、前記基台Ｂ上に固設した、上面平坦な基部材１７ａと、基部材１７ａ上面縁部近傍に、前記基部材１７ａの中心を直交方向に貫く中心軸Ｚに対し等距離に段差配置した、前記基部材１７ａに比較して前記中心軸Ｚ方向の寸法が小さい基部縁部材１７ｂとを有している。

前記外側部材１８は、前記内側部材１７に上方から包囲する際、前記内側部材１７における基部材１７ａの中心軸Ｚに中心を合わせて、前記基部材１７ａおよび基部縁部材１７ｂに対向するように配置した外基部材１８ａと、前記内側部材１７における基部縁部材１７ｂに、下面側から外枠部材１８ｂを介して、対向するように配置した外下部縁部材１８ｃとで構成している。

前記内側部材１７における基部材１７ａ上面中心周囲には、第１保持部材１９に保持した第１転動部材２０を介在すると共に、前記内側部材１７における基部縁部材１７ｂと前記外側部材１８における外下部縁部材１８ｃ間に第２の保持部材２１，２１に保持した第２転動部材２２を介在させて、内側部材１７に外側部材１８を支持する構成としている。

上述の構成の第１支持ユニット１２において、前記内側部材１７における基部材１７ａと前記外側部材１８における外下部縁部材１８ｃ間には、適宜な間隔ｄ1を設け、また、前記内側部材１７における基部縁部材１７ｂと前記外側部材１８における外枠部材１８ｂとに、間隔ｄ2を設けている。なお、ｄ1＝ｄ2とすることができる。これら間隔ｄ1，ｄ2により、移動ストロークが規定される。

以上のような縦横移動旋回装置１１において、３つの駆動機構４，４，４を、ソフトウェアを基に、適量、選択的にまたは組み合わせて駆動させることで、ステージ２を、ステージ２上面を含む面上で、縦横（Ｘ，Ｙ）に、また旋回調節することができる。
例えば、対向する駆動機構４，４であるリニアアクチュエータ１６，１６における作動ロッド１６ａ，１６ａを互いに逆方向、等量作動させる（一方を伸長すると共に他方を収縮させる）と、これら対向する駆動機構４，４を配設したステージ２端面に直交する方向に装着したガイドレール１３上の移動子１４に対し、図中、Ｘ方向への推力を与え、ステージ２をＸ方向へ移動させることができる。

一方、前記対向する駆動機構４，４を配設したステージ２端面に直交する方向に装着した駆動機構４であるリニアアクチュエータ１６における作動ロッド１６ａのみを作動させると、ステージ２は、図中、Ｙ方向へ移動させることができる。

また、対向する駆動機構４，４であるリニアアクチュエータ１６，１６における作動ロッド１６ａ，１６ａを互いに逆方向、等量作動させると共に、前記対向する駆動機構４，４を配設したステージ２端面に直交する方向に装着した駆動機構４であるリニアアクチュエータ１６における作動ロッド１６ａを作動させると、ステージ２を対角線方向に移動させることができる。

さらに、対向する駆動機構４，４であるリニアアクチュエータ１６，１６における作動ロッド１６ａ，１６ａを、等量作動させる（同方向に伸縮させる）と共に、前記対向する駆動機構４，４を配設したステージ２端面に直交する方向に装着した駆動機構４であるリニアアクチュエータ１６における作動ロッド１６ａを作動させる（同方向に伸縮させる）と、ステージ２を微小角旋回させることができる。

ところで、このような縦横移動旋回装置１１の縦横移動旋回動作は、基台Ｂ上にステージ２を支える複数の第１の支持ユニット１２が、平面上で相対的に自由運動することによって、実現できるのである。
すなわち、前記ステージ２は、外側部材１８における外基部材１８ａに取り付けられ、このときの下向きの荷重は、前記外基部材１８ａ、第１保持部材１９に保持した第１転動部材２０を介して、内側部材１７における基部材１７ａ上面にかかっている。このとき、前記内側部材１７における基部材１７ａと一体の基部縁部材１７ｂと、前記外側部材１８における外基部材１８ａとには、微小な隙間がある。
また、前記内側部材１７における基部縁部材１７ｂには、下面側から外枠部材１８ｂを介して、対向するように配置した外側部材１８における外基部材１８ａ両側部側の外下部縁部材１８ｃと、第２保持部材２１，２１に保持した第２転動部材２２を介して接している。

ここで、前記内側部材１７における基部材１７ａ上面には、ステージ２側から、外側部材１８における外基部材１８ａを介して荷重がかかっているが、縦横移動旋回装置１１の縦横移動旋回動作中には、ステージ２側から、外側部材１８における外基部材１８ａに偏荷重となってかかることがある。
偏荷重がかかると、外側部材１８における外基部材１８ａの両端部側には、一方が下向きの力がかかり、他方が上向きの力がかかる状態となる。
しかし、外側部材１８と内側部材１７とは、外基部材１８ａの他、前述したように外下部縁部材１８ｃとで、第２保持部材２１，２１に保持した第２転動部材２２を介して接しているので、外側部材１８は揺動することなく、外側部材１８と内側部材１７との、相対的な自由運動が妨げられることはない。従って、縦横移動旋回装置１１は、安定した縦横移動旋回動作を行うことができる。
その際、前記内側部材１７における基部材１７ａと前記外側部材１８における外下部縁部材１８ｃ間の間隔ｄ1や、内側部材１７における基部縁部材１７ｂと前記外側部材１８における外枠部材１８ｂとの間隔ｄ2により、規定される移動ストロークの範囲で、外側部材１８と内側部材１７とは、平面上で相対的に自由運動することができる。

このように、第１支持ユニット１２は、外側部材１８と内側部材１７とが、内側部材１７における基部材１７ａと、基部材１７ａ両側縁において一体の基部縁部材１７ｂとで、それぞれ第１保持部材１９に保持した第１転動部材２０、第２保持部材２１，２１に保持した第２転動部材２２を介して、相対的に移動可能な状態で接する構成としたので、図８に示す従来の支持ユニット３に比較して高さを抑え、構成を単純化することができるので、この第１支持ユニット１２によって基台Ｂ上にステージ２を支える構成の縦横移動旋回装置１１の、一層の位置決め精度、安定性等の向上、並びにコンパクト化が達成できる。

また本発明にかかる縦横移動旋回装置１１は、以下のように実施することもできる。すなわち図３に示す縦横移動旋回装置１１では、中央箇所に窓部Ｗを有する枠状のステージ２を、基台Ｂ上に、ステージ２枠部側において交互に配した、平面上で相対的に自由運動可能な第２、第３の支持ユニット２３、２４により支持し、複数の駆動機構（図示省略）により、前記ステージ２を縦横移動可能に、且つ旋回可能に調節する構成としている。

前記第２支持ユニット２３は、上方から下方への荷重を支持する機能のユニットであり、前記枠状のステージ２の四隅に配置されている。
すなわち第２支持ユニット２３は、基台Ｂ側に固設した下部材２５と、下部材２５の中心を鉛直方向に貫く軸線Ｚを中心として突設した取付部材２６と、前記ステージ２下面側に固設した上部材２７とを有して前記下部材２５と上部材２７とは、上部材２７と下部材２５との間に、保持部材２８により保持した多数の転動部材２９を介在させて、水平方向に自由運動可能な構成としている。
この場合の第２支持ユニット２３の移動ストロークは、前記取付部材２６と多数の転動部材２９を保持した保持部材２８との隙間Ｇによって規定される（隙間Ｇの略２倍）。

一方、前記第３支持ユニット２４は、下方から上方への荷重を支持する機能のユニットである。すなわち第３支持ユニット２４は、枠状のステージ２の基台Ｂ側に配置した下部材２５と、この下部材２５の中心部所に設けた通孔３０を介して、前記基台Ｂ側に螺着した取付部材２６と一体の上部材２７とを有し、前記下部材２５は、前記ステージ２下面側にスペース部材３１を介して螺着して、このスペース部材３１によって形成される間隙に前記上部材２７を配置してなり、この上部材２７下面と前記下部材２５上面間に、保持部材２８により保持した多数の転動部材２９を介在させて、水平方向に自由運動可能な構成としている。
この場合、前記第３支持ユニット２４においては、前記下部材２５の中心部所に設けた通孔３０と上部材２７における取付部材２６との間に生ずる間隔ｄにより、移動ストロークが規定される。なお、前記上部材２７と下部材２５側のスペース部材３１との間にも同寸法の間隔ｄが形成されている。

以上のように、第２、第３の支持ユニット２３、２４においても、基台Ｂ側とステージ２側に、下部材２５と上部材２７とを一つの保持部材２８により保持した多数の転動部材２９を介在させて、水平方向に自由運動可能な構成としているので、高さ寸法を抑えることができ、これによって、縦横移動旋回装置１１の、一層の位置決め精度、安定性等の向上、並びにコンパクト化が図られる。
なお、前記第２、第３の支持ユニット２３、２４は、それぞれ移動ストロークが異なる。この場合、第２支持ユニット２３の移動ストロークを、第３支持ユニット２４のそれに比較して大きくするように、前記第２支持ユニット２３において、取付部材２６と多数の転動部材２９を保持した保持部材２８との隙間Ｇを設定すれば、前記縦横移動旋回装置１１に、自在な縦横移動旋回動作をもたらすことができる。

なお、前記第２支持ユニット２３は、上方から下方への荷重を支持する機能のユニットであり、一方、前記第３支持ユニット２４は、下方から上方への荷重を支持する機能のユニットであるので、これら第２、第３支持ユニット２３、２４を交互に配置することで、動作中に、ステージ２から第２、第３支持ユニット２３、２４に偏荷重がかかっても、ステージを安定して支えることができ、縦横移動旋回装置１１の、一層の位置決め精度、安定性等の向上に寄与することができる。

以上、本発明にかかる縦横移動旋回装置１１について、実施例１、実施例２を挙げて説明したが、この他、図示は省略するが、実施例１で示したステージ２を、第２、第３支持ユニット２３、２４の組み合わせて支持する構成も可能である。

このような縦横移動旋回装置１１によれば、第２、第３支持ユニット２３、２４を交互に配置することで、ステージ２に偏荷重を好適に支えることができ、縦横移動旋回装置１１の、一層の位置決め精度、安定性等の向上に寄与することができる。

さらに、前記実施例２で示した枠状のステージ２を、実施例１で用いた第１支持ユニット１２によって支持することも可能である（図示省略）。

このような構成によれば、上下双方向からの荷重を支持する第１支持ユニット１２により、ステージ２を自由運動可能に支持するようにしたので、偏荷重に対して安定してステージ２を支えると共に、ステージ２の相対的な自由運動が妨げられることなく、自在な縦横移動旋回動作をもたらすことができる。

本発明にかかる縦横移動旋回装置の一つの実施の形態を示す、概略平面図である。図１に示す縦横移動旋回装置に用いた第１支持ユニットの断面説明図である。本発明にかかる縦横移動旋回装置の別の実施の形態を示す、概略平面図である。図３に示す縦横移動旋回装置に用いた第２支持ユニットの断面説明図である。図３に示す縦横移動旋回装置に用いた第３支持ユニットの断面説明図である従来の縦横移動旋回機構の一例を示す、概略平面図である。図６に示す縦横移動旋回機構のＡ−Ａ線に沿って切断してみた要部断面説明図である。図６に示す縦横移動旋回機構に用いた支持ユニットの、拡大断面説明図である。図８に示す支持ユニットのＢ−Ｂ線に沿って切断してみた、断面説明図である。

符号の説明

１ベース
２ステージ
３支持ユニット
４駆動機構
５内側支持板
６ａ，６ｂ外側支持板
７保持部材
８ボール
９遊び孔
１０取付部材
１１縦横移動旋回装置
１２第１支持ユニット
１３ガイドレール
１４移動子
１５回転ジョイント
１６リニアアクチュエータ
１６ａ作動ロッド
１７内側部材
１７ａ基部材
１７ｂ基部縁部材
１８外側部材
１８ａ外基部材
１８ｂ外枠部材
１８ｃ外下部縁部材
１９第１保持部材
２０第１転動部材
２１第２保持部材
２２第２転動部材
２３第２支持ユニット
２４第３支持ユニット
２５下部材
２６取付部材
２７上部材
２８保持部材
２９転動部材
３０通孔
３１スペース部材

Claims

基台上にステージを、平面上で相対的に自由運動可能な複数の第１の支持ユニットで支持する構成として、複数の駆動機構により、前記ステージを縦横移動可能に、且つ旋回可能に調節する構成とし、前記第１支持ユニットは、下方に向かう荷重を支持する内側部材と、上方に向かう荷重を支持する外側部材とを備え、前記内側部材は、前記基台上に固設した、上面平坦な基部材と、基部材上面縁部近傍に、前記基部材の中心を直交方向に貫く中心軸に対し等距離に段差配置した、前記基部材に比較して前記中心軸方向の寸法が小さい基部縁部材とを有し、前記外側部材は、前記内側部材に上方から包囲する際、前記内側部材における基部縁部材を下面側から対向する外下部縁部材を延設し、前記内側部材における基部材上面中心周囲に、第１の保持部材に保持した第１転動部材を介在すると共に、前記内側部材における基部縁部材と前記外側部材における外下部縁部材間に第２の保持部材に保持した第２転動部材を介在させて、内側部材に外側部材を支持する構成としたことを特徴とする縦横移動旋回装置。
基台上にステージを、交互に配した、平面上で相対的に自由運動可能な第２、第３の支持ユニットとにより支持する構成として、複数の駆動機構により、前記ステージを縦横移動可能に、且つ旋回可能に構成し、前記第２支持ユニットは、基台側に固設した下部材と、下部材の中心を鉛直方向に貫く軸線を中心として突設した取付部材と、前記ステージ下面側に固設した上部材とを有して前記下部材と上部材とは、上部材と下部材との間に、保持部材により保持した多数の転動体を介在させて、水平方向に自由運動可能な構成とし、前記第３支持ユニットは、基台側に配置した下部材と、この下部材の中心部所に設けた通孔を介して、前記基台側に固設した取付部材に固定した上部材とを有し、前記下部材は、前記ステージ下面側にスペース部材を介して軸止めして、このスペース部材によって形成される間隙に前記上部材を配置してなり、この上部材下面と前記下部材上面間に、保持部材により保持した多数の転動体を介在させて、水平方向に自由運動可能な構成としたことを特徴とする縦横移動旋回装置。
前記駆動機構は、前記基台側に取り付け、駆動方向が前記平面と平行に駆動する作動ロッドを備えたリニアアクチュエータと、前記ステージ側に取り付け、前記作動ロッドの駆動方向と直交する方向に配設した案内部材とこの案内部材に移動可能に配置した移動子と、この移動子と前記作動ロッドとを、前記平面と直交する軸周りに回動可能に連結する構成としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の縦横移動旋回装置。