JP4130838B2 - ステージ装置 - Google Patents

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Description

本発明はステージ装置に係り、特にワークの大型化に伴うスライダの間隔及び移動距離の増大に対応するように構成されたステージ装置に関する。
例えば、ステージ装置においては、ステージの移動をガイドするステージガイド機構は、上記定盤上に固定された石材からなる一対のガイドレールを有すると共に、ガイドレールに沿って移動するステージのスライダには、ガイドレールのガイド面に対して数μ〜十数μの隙間を介して対向する静圧軸受けパッドが設けられており、静圧軸受けパッドからガイド面に吹き付けられる空気圧によってスライダが浮上した状態で移動するように構成されている。
このような、ステージ装置では、ワークとして供給される基板の大型化に伴って装置全体が大型化しており、その分ステージの移動距離も延長されつつある。
既存の機械加工技術では、例えば、全長が従前通り１ｍ程度のガイドレールであれば、数μの加工精度で加工することが可能である。しかしながら、ステージの移動距離が延長されるのに伴って、ガイドレールの全長が２ｍ以上に長くなると、精密に計測することが難しくなり、ガイドレールを全長に亘り真直度を計測する際の計測誤差も大きくなるので、要求される精度をクリアするように真直度を有するガイドレールの製造が難しくなっており、さらに熱膨張による寸法変化がガイドレールの歪みや捩れに影響している。
一対のガイドレールには、ステージの移動位置を検出するためのリニアスケールが設けられており、ステージ側に取り付けられたセンサ（例えば、フォトインタラプタ）がリニアスケールに沿って移動しなら検出信号（パルス信号）を出力する。そして、リニアスケールのセンサからの信号をカウントすることで移動した距離を演算して位置を求めている。
また、ステージの直進精度及びリニアスケールによる位置検出精度を保つには、ガイドレールの全長が長くなるほど一対のガイドレールの平行度をより高精度に管理する必要がある。
このような、一対のガイドレールの真直度や平行度のばらつきによる影響を小さくするため、例えば、一対のガイドレールに沿って移動する一対のスライダと、一対のスライダ間を連結するビームとの間を板バネを介在させて連結することにより、ガイドレールにかかる負担を低減する構造のものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２１４２８０号公報
しかしながら、上記特許文献１により開示されたステージ装置では、ガイドレールにかかる負担を低減することができるものの限界があり、例えば、ステージの移動距離が２ｍ〜３ｍに延長される構成ものでは、上記板バネの弾性変形量だけではステージの静的及び動的安定性を確保することが難しい。
さらに、ステージ装置の大型化により定盤の上面精度を確保できないときや、ガイドレールが定盤上ではなく別フレーム上に支持される構成になってしまうときには、一対のガイドレールの平行度を得ることが難しい。
そのため、一対のガイドレールの平高度が高精度に管理できないと、ステージの移動位置を検出する一対のリニアスケールの検出精度が低下してステージの移動制御の精度低下を招くおそれがある。
そこで、本発明は上記事情に鑑み、上記課題を解決したステージ装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。
本発明は、床面に固定された架台に支持されて平行に配された一対のガイド部と、該一対のガイド部の延在方向に移動するステージと、前記ステージを駆動する一対のリニアモータと、前記一対のガイド部のうち何れか一方の側面に対する前記ステージの移動位置を測定する第１のリニアスケールと、該第１のリニアスケールが配された前記ガイド部の側面と平行な反対側の側面に対する前記ステージの移動位置を測定する第２のリニアスケールと、前記第１のリニアスケールの測定値及び前記第２のリニアスケールの測定値に基づいて前記一対のリニアモータの制御値を演算する演算手段と、を備えており、上記課題を解決するものである。
前記ステージは、前記一対のガイド部にガイドされる一対のスライダと、該一対のスライダ間に横架された横架部材とを有することが望ましい。
前記第１、第２のリニアスケールが配された一方のガイド部を移動する一方のスライダは、前記ガイド部の両側面に対向する第１、第２のヨーパッドと当該ガイド部の上面に対向するリフトパッドを有し、前記他方のガイド部を移動する他方のスライダは、前記他方のガイド部の上面に対向するリフトパッドを有することが望ましい。
前記第１、第２のヨーパッドは、夫々前記第１、第２のリニアスケールの近傍に配されたことが望ましい。
前記一対のガイド部のうち前記第１、第２のリニアスケールが配されたガイド部を前記他方のガイド部よりも幅広とすることが望ましい。
前記演算手段は、前記第１のリニアスケールの測定値と前記第２のリニアスケールの測定値との差に基づいて前記一対のスライダのヨー方向のずれ角を演算し、前記ヨー方向のずれ角がゼロとなるように前記一対のリニアモータの制御値を演算することが望ましい。
本発明によれば、一対のガイド部のうち一方のガイド部の一側に第１のリニアスケールを設け、同じガイド部の他側に第２のリニアスケールを設けたため、一対のガイド部の平高度の精度が低下した場合でも一対のリニアスケールの検出精度が影響されることなく、ステージの移動位置を正確に検出することが可能になる。
また、本発明によれば、一方のスライダは、ガイド部の両側面に対向する第１、第２のヨーパッドと当該ガイド部の上面に対向するリフトパッドを有し、他方のガイド部を移動する他方のスライダは、他方のガイド部の上面に対向するリフトパッドを有するため、一対のガイド部の平行度の精度が低下した場合でも一対のスライダが平行度のばらつきの影響を受けずに移動することが可能になる。
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は本発明によるステージ装置の一実施例を示す斜視図である。図２は図１に示すステージ装置の正面図である。図３は図１に示すステージ装置の側面図である。図４は図１に示すステージ装置の平面図である。
図１乃至図４に示されるように、ステージ装置１０は、ガントリ部を移動させるガントリ移動型ステージであり、コンクリート製の床面に固定された架台１２と、架台１２上に支持された一対のガイド部１４Ａ，１４Ｂと、一対のガイド部１４Ａ，１４Ｂ間に横架されて両端を架台１２上に支持された複数の梁１６と、一対のガイド部１４Ａ，１４Ｂ間の上方に横架されたＹステージ１８と、Ｙステージ１８の両端部をＹ方向に駆動する一対のリニアモータ２０Ａ,２０Ｂとを有する。また、左側のガイド部１４Ａの上部左右側面には、Ｙステージ１８の位置を検出する一対のリニアスケール２２Ａ，２２Ｂが設けられている。
また、梁１６には、平板状のワーク（被加工物）が載置される吸着板（図示せず）が載置される。一対のガイド部１４Ａ，１４Ｂは、石材を加工したもの、あるいは鉄等の金属材を加工したものである。そのため、ワークの面積が大型化されてＹステージ１８の移動距離が延長された場合でも、ガイド部１４Ａ，１４Ｂの全長を延長することにより対応することが可能であり、例えば、従来のようにワーク面積よりも大きい面積を有する石定盤を移動距離に応じて製作する場合よりも容易であり、且つ安価に製作することができる。
一対のリニアモータ２０Ａ,２０Ｂは、Ｙステージ１８の移動位置を検出する一対のリニアスケール２２Ａ，２２Ｂからの位置検出信号に基づいて並進駆動させるように制御される。
図２に示されるように、Ｙステージ１８は、ガイド部１４Ａ，１４Ｂの上方をＸ方向に横架された横架部（ビーム）３０と、横架部３０の両端に結合されガイド部１４Ａ，１４Ｂに沿って移動する一対のスライダ３２Ａ，３２Ｂとを有する。
ガイド部１４Ａ，１４Ｂのうち左側のガイド部１４Ａは、スライダ３２Ａの移動をガイドしており、また、右側のガイド部１４Ｂは、スライダ３２Ｂの移動をガイドする。スライダ３２Ａ，３２Ｂは、ガイド部１４の左右側面及び上面に対向するように逆Ｕ字状に形成されており、ガイド部１４Ａ，１４Ｂの左右側面に対向するヨーパッド（Ｙ方向静圧空気軸受）３４，３５と、Ｚ方向で対向するリフトパッド（Ｚ方向静圧空気軸受）３６とを有する。従って、スライダ３２Ａ，３２Ｂは、Ｘ方向及びＺ方向を規制されながらＹ方向にガイドされる。
また、スライダ３２Ａの移動をガイドするガイド部１４の上部左右側面には、片側のスライダ３２Ａの位置を検出する一対のリニアスケール２２Ａ，２２Ｂが設けられている。第１のリニアスケール２２Ａは、ガイド部１４Ａの左側面に対するスライダ３２Ａの移動位置を測定する。また、第２のリニアスケール２２Ｂは、第１のリニアスケール２２Ａが配されたガイド部１４Ａの左側面と平行な反対側の右側面に対するスライダ３２Ａの移動位置を測定する。
第１、第２のヨーパッド３４，３５は、夫々第１、第２のリニアスケール２２Ａ，２２Ｂの近傍に配されており、第１、第２のリニアスケール２２Ａ，２２Ｂの検出精度のばらつきを抑制している。
一対のリニアスケール２２Ａ，２２Ｂは、例えば、光電方式ものが用いられており、発光素子と受光素子とを有するセンサと、一定のピッチのスリットを有するスケールと有する。本実施例では、センサがスライダ３２Ａの左右内壁に設けられ、スケールがガイド部１４の左右側面に取り付けられている。
また、横架部３０には、ワーク載置台に吸着されたワーク（基板）に対して所定の加工を施す加工用治具（図示せず）などが装着される。そして、横架部３０及びスライダ３２Ａ，３２Ｂは、リフトパッド３６からの空気圧によりガイド部１４Ａ，１４Ｂに対して浮上して非接触で移動する。そのため、Ｙステージ１８は、殆ど摩擦のない状態でＹ方向に移動することができる。
リニアモータ２０Ａ,２０Ｂは、コ字状に形成された固定子（永久磁石を有する）４０と、固定子４０に側方から挿入された可動子（コイルを有する）４２とから構成されており、微小な隙間を介して非接触状態で可動子４２をＹ方向に移動させるようにコイル印加電圧を制御される。可動子４２は、スライダ３２Ａ，３２Ｂの側面に結合されており、コイルに電圧が印加されることにより固定子４０との間で発生した推力をスライダ３２Ａ，３２Ｂに伝達し、スライダ３２Ａ，３２ＢをＹ方向に駆動する。
さらに、リニアモータ２０Ａ,２０Ｂの固定子４０は、リニアモータ支持部４６により支持されている。従って、リニアモータ２０Ａ,２０Ｂの駆動力によりＹステージ１８をＹ方向に移動させる際に発生する反力は、リニアモータ支持部４６を介してコンクリート床面に伝達される。
これにより、リニアモータ２０Ａ,２０Ｂが受ける反力は、コンクリート床面で減衰される。よって、架台１２に伝播されるリニアモータ２０Ａ,２０Ｂの反力は、極めて小さくなっている。
図５はリニアスケール２２Ａ，２２Ｂによる位置検出を説明するための平面図である。図５に示されるように、リニアスケール２２Ａ，２２Ｂは、Ｙステージ１８の移動に伴うセンサとスケールとの相対変位により位置を検出する。また、リニアスケール２２Ａ，２２Ｂは、夫々Ｘ方向の中間点Ｏから距離ＬＡ，ＬＢの位置に設けられ、ガイド部１４ＡのＸ方向の幅寸法の離間距離ＬＣ（＝ＬＡ−ＬＢ）でスライダ３２Ａ，３２Ｂの各移動位置を検出する。従って、リニアスケール２２Ａ，２２Ｂによって検出された位置の差からＹステージ１８のヨー角を演算することが可能になり、スライダ３２Ａ，３２Ｂの並進動作のＹ方向のずれを求めることができる。尚、リニアスケール２２Ａ，２２Ｂは、上記光電方式以外の方式（例えば、レーザ方式、磁気方式等）のものでも良い。
例えば、外側に配されたリニアスケール２２Ａの検出位置ｙＡは、ｙＡ＝ＬＡ・ｓｉｎθで求まり、内側に配されたリニアスケール２２Ｂの検出位置ｙＢは、ｙＢ＝ＬＢ・ｓｉｎθで求まる。そして、スライダ３２Ａ，３２ＢのＹ方向の実際のずれ量Δｙは、Δｙ＝ｙＡ＋（ＬＡ／ＬＢ）ｙＢとなる。
従って、ステージ装置１０の制御部は、Ｙステージ１８のリニアモータ２０Ａ,２０Ｂの駆動力による傾きをΔθがゼロとなるようにリニアモータ２０Ａ,２０Ｂへ出力される制御値を演算してスライダ３２Ａ，３２ＢのＹ方向のずれΔｙがゼロとなるように制御する。
このように、ステージ装置１０では、石定盤を用いない構成としても片側のガイド部１４Ａの左右側面に設けられたリニアスケール２２Ａ，２２ＢのＹ方向位置の検出精度が低下せず、例えガイド部１４Ａ，１４Ｂの平行度の低下や反りがあっても一方のガイド部１４Ａの左右側面の平行度がかなりの高精度であるので、リニアスケール２２Ａ，２２Ｂによる位置検出精度が維持される。
ここで、変形例について説明する。図６は変形例１を示す正面図である。図６に示されるように、ガイド部１４Ａ，１４Ｂのうち左側のガイド部１４Ａは、右ガイド部１４ＢよりもＸ方向の幅寸法ＬＣが上記実施例よりも大きく幅広になっている。そのため、リニアスケール２２Ａの検出位置ｙＡとリニアスケール２２Ｂの検出位置ｙＢとの差が拡大して検出するように構成されている。
そのため、Ｘ方向の中間点Ｏからの距離ＬＡ，ＬＢとの差が拡大されるため、Ｙステージ１８のヨー角θを検出しやすくなる。
図７は変形例２を示す正面図である。図７に示されるように、横架部３０の右端に設けられた貫通孔３０ａには、スライダ３２Ｂより起立した連結軸５０が挿通されている。そのため、横架部３０の右端とスライダ３２Ｂとの間は、ヨー方向への旋回動作が可能となるように垂直な連結軸５０を介して連結されている。
さらに、右側のスライダ３２Ｂには、ヨーパッド３４，３５が設けられておらず、Ｚ方向で対向するリフトパッド３６のみが設けられている。そのため、スライダ３２Ｂは、ガイド部１４ＢのＺ方向の浮上位置のみが規制された状態でＹ方向にガイドされる。
例えば、ガイド部１４Ａ，１４Ｂの平行度のずれや、ガイド部１４Ａ，１４Ｂの一方がＸ方向の反りを有する場合に、あるいは一対のスライダ３２Ａ，３２Ｂの並進動作にずれが生じた場合に、スライダ３２Ｂが連結軸５０を中心としてＺ軸周りに回動して移動方向をＹ方向に修正することができる。
上記実施例では、液晶基板などからなるワークを加工するステージ装置を例に挙げて説明したが、ステージ装置の用途としては、これに限らず、他のワークを加工また検査を行なう場合にも適用できるのは勿論である。
また、上記実施例のステージ装置は、加工用治具が装着されたＹステージを移動させる構成を用いて説明したが、これに限らず、例えば、ワーク載置台が搭載されたステージを移動させる構成のものにも本発明を適用できるのは、言うまでもない。
本発明によるステージ装置の一実施例を示す斜視図である。 図１に示すステージ装置の正面図である。 図１に示すステージ装置の側面図である。 図１に示すステージ装置の平面図である。 リニアスケール２２Ａ，２２Ｂによる位置検出を説明するための平面図である。 変形例１を示す正面図である。 変形例２を示す正面図である。
符号の説明
１０ ステージ装置
１２ 架台
１４Ａ，１４Ｂ ガイド部
１８ Ｙステージ
２０Ａ，２０Ｂ リニアモータ
２２Ａ，２２Ｂ リニアスケール
３２Ａ，３２Ｂ スライダ
３４，３５ ヨーパッド
３６ リフトパッド
４６ リニアモータ支持部

Claims (6)

  1. 床面に固定された架台に支持されて平行に配された一対のガイド部と、
    該一対のガイド部の延在方向に移動するステージと、
    前記ステージを駆動する一対のリニアモータと、
    前記一対のガイド部のうち何れか一方の側面に対する前記ステージの移動位置を測定する第１のリニアスケールと、
    該第１のリニアスケールが配された前記ガイド部の側面と平行な反対側の側面に対する前記ステージの移動位置を測定する第２のリニアスケールと、
    前記第１のリニアスケールの測定値及び前記第２のリニアスケールの測定値に基づいて前記一対のリニアモータの制御値を演算する演算手段と、
    を備えたことを特徴とするステージ装置。
  2. 前記ステージは、前記一対のガイド部にガイドされる一対のスライダと、
    該一対のスライダ間に横架された横架部材と、
    を有することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
  3. 前記第１、第２のリニアスケールが配された一方のガイド部を移動する一方のスライダは、前記ガイド部の両側面に対向する第１、第２のヨーパッドと当該ガイド部の上面に対向するリフトパッドを有し、
    前記他方のガイド部を移動する他方のスライダは、前記他方のガイド部の上面に対向するリフトパッドを有することを特徴とする請求項２に記載のステージ装置。
  4. 前記第１、第２のヨーパッドは、夫々前記第１、第２のリニアスケールの近傍に配されたことを特徴とする請求項３に記載のステージ装置。
  5. 前記一対のガイド部のうち前記第１、第２のリニアスケールが配されたガイド部を前記他方のガイド部よりも幅広としたことを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
  6. 前記演算手段は、前記第１のリニアスケールの測定値と前記第２のリニアスケールの測定値との差に基づいて前記一対のスライダのヨー方向のずれ角を演算し、前記ヨー方向のずれ角がゼロとなるように前記一対のリニアモータの制御値を演算することを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
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