JP4248582B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明はステージ装置に係り、特に架台上に移動可能に支持された移動体を、その両側に配置されたオープン型コア付リニアモータの推力により並進移動させるよう構成されたステージ装置に関する。

例えば、ガントリ部（移動体）を移動させるステージ装置において、オープン型コア付リニアモータの推力によりガントリ部を駆動するものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このようにオープン型コア付リニアモータを用いた構成としたステージ装置の場合、オープン型コア付リニアモータによって発生される磁気吸引力がガントリ部に働くため、磁気吸引力に対抗するためにガントリ部をガイドするガイド部の剛性を高める必要がある。

特許文献１に記載されるステージ装置は、移動体の両側に２本ずつ、計４本のリニアガイドを配置することで、ガイド部の剛性を高めている。
特開２００４−１２９３９４号公報

しかしながら、上記特許文献１のようにガイド部の剛性を強化することによりガントリ部のヨーイング剛性が過大になると、ガントリ部のヨーイング誤差がゼロになるようにリニアモータをサーボ制御し、ガントリ部のヨーイング制御する際に通常のトルクに加えてガントリ部のヨーイング剛性に対抗する分のトルクを余分に発生させる必要があるため、リニアモータに負担がかかるという問題がある。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、ヨーイング制御時のリニアモータへの負荷を軽く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、架台上に移動可能に支持された移動体と、
前記架台の両側に支持され、前記移動体に推力を付与する一対のオープン型コア付リニアモータを備えたステージ装置において、
前記架台の両側に支持され、且つ前記移動体の両端の夫々に１本ずつ配置され、前記移動体に取付けられたスライダが摺動するようにガイドする一対のリニアガイドを有し、
前記架台の両側に配置される固定子の上面に前記移動体の両端に結合される可動子が対向する前記一対のオープン型コア付きリニアモータを前記一対のリニアガイドの外側に配置し、
前記一対のオープン型コア付リニアモータの定格推力によって発生するトルクの１０％〜２０％のトルクが、前記移動体のヨーイング回転誤差をゼロに修正するために必要なトルクより大きくなるように、前記移動体のヨーイング剛性が調整されることにより、上記課題を解決するものである。

本発明によれば、ヨーイング制御時のリニアモータへの負荷を軽くすることができる。

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はステージ装置の正面図である。図３はステージ装置の平面図である。

図１乃至図３に示されるように、ステージ装置１０は、ガントリ移動型ステージ装置であり、架台２０と、架台２０上に支持された吸着テーブル３０（一点鎖線で示す）と、吸着テーブル３０の両側に配された一対のＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂと、一対のＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂにより駆動される一対のスライダ５０ａ，５０ｂと、一対のスライダ５０ａ，５０ｂ間に横架されたガントリ部（移動体）６０とを有する構成とされている。

架台２０は、鉄骨を格子状に接合した強固な構成であり、その上面には、基板（加工対象物）を吸着する吸着テーブル３０が載置固定されている。さらに、架台２０上の両側には、吸着テーブル３０と平行に延在する向きに一対のＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂが取り付けられている。

Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂは、所謂オープン型コア付きリニアモータであり、架台２０に固定された固定ベース４２ａ，４２ｂ上に設けられ移動方向（Ｙ方向）に延在する固定子４４ａ，４４ｂと、固定子４４ａ，４４ｂ上を移動する可動子４６ａ，４６ｂとを有する。固定子４４ａ，４４ｂは、複数のマグネット（永久磁石）を一列に配置した構成であり、可動子４６ａ，４６ｂはマグネットに対する推力を発生させるコイルを有する構成になっている。また、Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂは、オープン型コア付きリニアモータであるので、固定子４４ａ，４４ｂの上面と可動子４６ａ，４６ｂの下面とが互いに水平方向の平面同士で対向している。

ガントリ部６０は、両端が一対のＹ方向リニアガイド機構７０ａ，７０ｂにより移動方向（Ｙ方向）をガイドされている。Ｙ方向リニアガイド機構７０ａ，７０ｂは、Ｙ方向に延在するリニアガイド７２ａ，７２ｂと、リニアガイド７２ａ，７２ｂに沿って低摩擦で移動するガイドスライダ７４ａ，７４ｂとから構成されている。

また、固定ベース４２ａ，４２ｂ上の夫々には、スライダ５０ａ，５０ｂの移動方向を案内するリニアガイド７２ａ，７２ｂが１本ずつ取り付けられている。ガントリ部６０は、中空構造となっているため、大幅に軽量化されており、１本のリニアガイド７２ａ，７２ｂでも安定的にガイドすることが可能である。

また、ガイドスライダ７４ａ，７４ｂは、リニアガイド７２ａ，７２ｂの左右側面及び上面にガイドされるようにコ字状に形成されており、垂下方向の荷重及びヨーイング方向の負荷を受けながらＹ方向に摺動する。前述した可動子４６ａ，４６ｂ及びガイドスライダ７４ａ，７４ｂは、夫々が左右両側に配置されたスライダ５０ａ，５０ｂのレグ５２ａ，５２ｂ下面に取付けられており、レグ５２ａ，５２ｂを介してガントリ部６０に結合されている。

また、Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂは、Ｙ方向リニアガイド機構７０ａ，７０ｂの外側に平行に配置されている。そのため、固定子４４ａ，４４ｂと可動子４６ａ，４６ｂとの間で磁気吸引力が発生した場合は、リニアガイド７２ａ，７２ｂをてこの支点としてガントリ部６０のＸ方向の中間部分を上方に持ち上げようとする力に変換することが可能になる。これにより、ガントリ部６０は、自重によりＸ方向の中間部分が下方に撓むことが抑制される。

さらに、固定ベース４２ａ，４２ｂの内側には、可動子４６の移動位置または移動距離を測定するＹ方向リニアスケール（図示せず）が設けられている。

ガントリ部６０は、鉄よりも軽量な金属（例えば、アルミニウム材）により形成されており、押し出し加工により中空構造に形成されている。そのため、ガントリ部６０は、大幅に軽量化されており、基板の大型化に伴ってＸ方向の幅寸法が延長されても重量の増加が抑えられている。

図４はステージ装置１０のシステム制御系の構成を示すブロックである。図４に示されるように、ステージ装置１０の制御装置１２０は、前述したＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの他に、固定ベース４２ａ，４２ｂに設けられたＹ方向リニアスケール１３０ａ，１３０ｂと、各種制御プログラムが格納された記憶装置１５０と接続されている。従って、制御装置１２０は、予め記憶装置１５０にインストールされた制御プログラムを読み込むことにより、ガントリ部６０が予めプログラムされた目標位置へ移動するようにＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂを独立してサーボ制御する。

図５はステージ装置１０の主要構成を模擬的に示す平面図である。図５に示されるように、ガントリ部６０のスライダ５０ａ，５０ｂは、Ｙ方向リニアガイド機構７０ａ，７０ｂのリニアガイド７２ａ，７２ｂにガイドされてＹ方向に移動する。本実施例においては、ガントリ部６０の両端の移動が一対のリニアガイド７２ａ，７２ｂにガイドされるため、ガイド部剛性が過大に強化されることを回避する構成になっており、つまり、ガントリ部６０のヨーイング剛性を強化し過ぎないように調整されている。そのため、ヨーイング誤差がゼロとなるようにＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂのサーボ制御を行なう際は、Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂに負担がかからないようにガイド部剛性を強化することができる。

ここで、リニアガイド７２ａ，７２ｂの組付け誤差からＹ方向への真直度にばらつき（誤差）がある場合は、リニアガイド７２ａ，７２ｂに沿って移動するガイドスライダ７４ａ，７４ｂの一方に負荷が作用して並進精度がばらつくことにより、ガントリ部６０の両端を支持するスライダ５０ａ，５０ｂのうち何れか一方の移動に遅れが生じる。これにより、ガントリ部６０は、Ｚ軸回りのθｚ方向に回動するヨーイング動作が発生し、Ｙ方向への移動速度が安定しなくなるので、ガントリ部６０のヨーイングによる回動角度（ヨーイング誤差）をΔθとすると、ステージ装置１０の制御装置１２０は、可動子４６ａ，４６ｂを駆動してΔθをゼロに抑えるようにＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂを制御する。

このようにＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの定格推力Ｆにより上記Δθをゼロに修正する場合、ステージ装置１０の制御システムを安定した状態で機能させるためには、以下のような条件を満たすように設定する。

Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの定格推力Ｆによって発生する定格トルクの１０％〜２０％のトルクをＴｍ、ガントリ部６０のヨーイング誤差Δθを修正するために必要なトルクをＴθと表すと、ステージ装置１０の制御システムを安定させるための条件は、次式（１）ようになる。
Ｔｍ>Ｔθ・・・（１）
すなわち、ステージ装置１０においては、ガントリ部６０の位置偏差Δθがゼロになるまでのリニアガイド７２ａ，７２ｂにおける負荷（バネ力）Ｎが、位置偏差ΔθをゼロにするＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの定格推力Ｆより小（Ｎ<Ｆ）に設定される。

さらに、図５に示す構成においては、上記式（１）は、以下のような式（２）で表せる。
Ｌ１・Ｆ>Ｋθ・Δθ・・・（２）
ここで、上式（２）のＫθはガントリ部６０のヨーイング方向の剛性、Ｌ１はリニアガイド７２ａ，７２ｂを摺動する両側のガイドスライダ７４ａと７４ｂとのＸ方向間隔を表す。

上式（２）は、ヨーイング剛性Ｋθが各ガイドスライダ７４ａ，７４ｂの横方向の剛性Ｋとの関係から次式（３）のような近似式となる。
Ｌ１・Ｆ>Ｋ・Ｌ２^２・Δθ・・・（３）
上式（３）のＬ２は、リニアガイド７２ａ（７２ｂ）を摺動するガイドスライダ７４ａ，７４ａ（７４ｂ，７４ｂ）のＹ方向間隔を表す。

ガイドスライダ７４ａ，７４ｂは、２つ以上あっても良く、数の増減で剛性を調整しても良い。このように、上式（１）を達成するために剛性Ｋ、距離Ｌ２を調整しても良い。

よって、上記のように構成されたガントリ移動型のステージ装置１０において、ガントリ部６０の両側を駆動するＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの夫々を独立に制御する両サイドサーボシステムを用いてガントリ部６０のヨーイングによる回動角度（ヨーイング誤差）Δθをゼロに修正する場合、上式（３）の関係が成り立つようにガントリ部６０のヨーイング剛性、リニアガイド７２ａ，７２ｂの配置と、その剛性、Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの定格推力、及びリニアガイド７２ａ，７２ｂのガイド剛性を設定する。

すなわち、ステージ装置１０では、Ｔｍ>Ｔθとなるように、ガントリ部６０のヨーイング剛性（Ｋθ）が調整されている。さらに、ガントリ部６０の位置偏差Δθがゼロになるまでのリニアガイド７２ａ，７２ｂにおける負荷（バネ力）ＮがＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの定格推力Ｆより小（Ｎ<Ｆ）に設定される。そのため、Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの推力を制御することによりリニアガイド７２ａ，７２ｂの真直度の誤差（ばらつき）によるヨーイングの位置偏差Δθをゼロに修正する際は、リニアガイド７２ａ，７２ｂの剛性によるＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの負担が軽減されてヨーイング誤差をゼロに抑えるように制御することが可能になる。

このように、ステージ装置１０では、ガントリ部６０のヨーイングによる位置偏差Δθをゼロに修正するためのサーボ制御を行なう際は、ヨーイング剛性による負担がＹ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂにかからないため、Ｙ方向リニアモータ４０ａ，４０ｂの夫々を独立にサーボ制御することでガントリ部６０の並進移動を高精度に制御することができる。

また、オープン型コア付きリニアモータからなるリニアモータ４０ａ，４０ｂは、一対のリニアガイド７２ａ，７２ｂの外側に配置されることにより（請求項２に対応する）、固定子４４ａ，４４ｂと可動子４６ａ，４６ｂとの間で磁気吸引力が発生した場合は、リニアガイド７２ａ，７２ｂを支点としてガントリ部６０のＸ方向の中間部分を上方に持ち上げようとする力に変換することが可能になる。

ここで、磁気吸引力によりリニアガイド７２ａ，７２ｂを支点としてガントリ部６０のＸ方向の中央を持ち上げる力が発生する。この場合、リニアガイドが片側に複数あると（前述の特許文献１を参照）、ガントリ部６０の荷重を支える複数のリニアガイドの負荷バランスがくずれ、複数のリニアガイドの夫々に均等に荷重が作用しない可能性がある。従って、本発明のリニアガイド７２ａ，７２ｂは、ガントリ部６０の両端の夫々に対して１本ずつ配置されることにより（請求項３に対応する）、リニアモータ４０ａ，４０ｂの磁気吸引力がリニアガイド７２ａ，７２ｂをてこの支点としてガントリ部６０のＸ方向の中間部分を上方に持ち上げようと作用したとき、ガントリ部６０の荷重が各リニアガイドにアンバランスにかかることを防ぐことができる。

上記実施例では、ガントリ移動型のステージ装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、吸着テーブルを支持するステージの両側をＹ方向に駆動させてステージを移動させるように構成されたステージ装置にも本発明を適用できるのは勿論である。

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。 ステージ装置の正面図である。 ステージ装置の平面図である。 ステージ装置１０のシステム制御系の構成を示すブロックである。 ステージ装置１０の主要構成を模擬的に示す平面図である。

符号の説明

１０ ステージ装置
２０ 架台
３０ 吸着テーブル
４０ａ，４０ｂ Ｙ方向リニアモータ
４４ａ，４４ｂ 固定子
４６ａ，４６ｂ 可動子
５０ａ，５０ｂ スライダ
６０ ガントリ部
７０ａ，７０ｂ Ｙ方向リニアガイド機構
７２ａ，７２ｂ リニアガイド
７４ａ，７４ｂ ガイドスライダ
８０ 移動ブラケット
１００ Ｘ方向リニアモータ
１１０ Ｘ方向リニアガイド
１２０ 制御装置

Claims (1)

1. 架台上に移動可能に支持された移動体と、
   前記架台の両側に支持され、前記移動体に推力を付与する一対のオープン型コア付リニアモータを備えたステージ装置において、
   前記架台の両側に支持され、且つ前記移動体の両端の夫々に１本ずつ配置され、前記移動体に取付けられたスライダが摺動するようにガイドする一対のリニアガイドを有し、
   前記架台の両側に配置される固定子の上面に前記移動体の両端に結合される可動子が対向する前記一対のオープン型コア付きリニアモータを前記一対のリニアガイドの外側に配置し、
   前記一対のオープン型コア付リニアモータの定格推力によって発生するトルクの１０％〜２０％のトルクが、前記移動体のヨーイング回転誤差をゼロに修正するために必要なトルクより大きくなるように、前記移動体のヨーイング剛性が調整されていることを特徴とするステージ装置。

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