JP4335425B2 - ステージ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に関し、特にワークを載置するためのテーブルをZ軸方向(上下方向)に駆動する機構を備えたステージ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
本出願人は、ワークを載置するためのテーブルを、水平なX軸方向及びY軸方向に駆動することのできるX−Yステージ機構を提案した(特願平11−167135号)。
【0003】
図4を参照して、上記のX−Yステージ機構について簡単に説明する。図4において、ベース101上には2本のレール102及び103が所定の間隔をおいて配設されており、レール102及び103にはそれぞれ移動体104及び105が配置されている。ここで、レール102及び移動体104に着目すると、図4(b)に示すように、移動体104には静圧空気軸受112が備えられ、レール102と移動体104との間に介在するようにされている。また、図4(b)に示すように、移動体104には静圧空気軸受113が備えられ、移動体104とベース101との間に介在するようにされている。これにより、移動体104は図4(a)に示すY軸方向、つまり、レール102に沿って移動可能である。
【0004】
同様に、移動体105にも静圧空気軸受112及び113が備えられており、移動体105はレール103に沿って移動可能となっている。
【0005】
ビーム106は移動体104とリジッド(例えば、ネジを用いて)に固定されているが、ビーム106は移動体105に対しては板バネ構造108を介して連結されている。
【0006】
ビーム106には移動体114が配置されており、移動体114はビーム106をガイドとして、図4(a)のX軸方向に移動可能である。図4(b)に示すように、ベース101と移動体114との間には静圧空気軸受114a〜114cが配置されている。つまり、移動体114には静圧空気軸受114a〜114cが取り付けられており、移動体114は静圧空気軸受114a〜114cによってベース110に対してZ軸方向に支持されて、X軸方向に移動可能である。
【0007】
図4(a)に示されているように、移動体114はビーム106を跨ぐようにしてビーム106上に配置されている。移動体114にはベース101に対して垂直に延びる一対のフランジ部141が形成されている。フランジ部141はビーム106の外側に位置し、フランジ部141には静圧空気軸受114a〜114cが取り付けられている。図4(a)に示す例では、図中下側に位置するフランジ部141に静圧空気軸受114a及び114bが取り付けられ、図中上側に位置するフランジ部141に静圧空気軸受114cが取り付けられている。
【0008】
ビーム106の中央部において、その下面には静圧空気軸受115が取り付けられ、この静圧空気軸受115はベース101に当接している。そして、静圧空気軸受115によって、ビーム106が支えられる。つまり、静圧空気軸受115は、移動体114の移動を妨げることなく、X軸方向及びY軸方向の全ストロークに亘ってビーム106の自重を受け持っており、ビーム106と移動体105の締結部等に無理な負荷を掛けないようにビーム106を保持している。
【0009】
なお、移動体104、105、114はいずれもリニアモータにより駆動されるものであるが、ここではリニアモータについては説明を省略する。また、ワークを載置するためのテーブルは、通常、移動体114に搭載される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ステージ装置においては、テーブルを上記のようなX軸方向、Y軸方向のみならず、X軸、Y軸に直角なZ軸方向にも駆動可能とすることが要求される場合がある。このような要求に対し、Z軸方向の駆動は、駆動方向が重力方向と同一のため、重力をキャンセルする機構を設け、その上でアクチュエータにより駆動するのが一般的である。
【0011】
重力をカウンタバランスする方法としては、次の方法がある。
【0012】
▲1▼バネを用いて重力を負荷させる。
▲2▼エアシリンダと圧縮エアを用いて重力を負荷させる。
▲3▼油圧機構(カウンタバランス弁等)を用いて重力を負荷させる。
【0013】
ここで、上記▲1▼〜▲3▼のいずれの方法も物理的に可動部と固定部とが接している構造である。
【0014】
図5を参照して、上記▲2▼の方法によるZ軸駆動機構について説明する。Z軸駆動機構は、上下方向に延びるピストン体201と、ピストン体201のピストンヘッドを収容しているエアシリンダ202とを有する。ピストンヘッドとエアシリンダ202との間には圧力室203が形成される。ピストン体201の上端にはテーブル204が固定されている。圧力室203には、エア配管205を通して、ピストン体201、テーブル204を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧縮エアが導入される。エアシリンダ202はベース体200に固定され、エアを逃がすための穴202aが複数個設けられている。ピストンヘッドの周囲には、O−リング206が設けられている。
【0015】
このようなZ軸駆動機構は、ベース体200が図4で説明した移動体114に固定されることになる。
【0016】
四角形のテーブル204において互いに反対の2箇所には、リンクプレート207が垂下するように設けられている。リンクプレート207とベース体200との間に、テーブル204を上下方向、すなわちZ軸方向に駆動するためのリニアモータ210が構成されている。
【0017】
リニアモータ210は、図6に平面図で示すように、リンクプレート207にコイル211を設け、このコイル211を収容可能な断面コ字形状のヨーク212をベース体200に固定し、ヨーク212の互いに対向し合う内壁に永久磁石体213を固着して成る。永久磁石体213は、Z軸方向に磁極軸を持つ複数の永久磁石をZ軸方向に並設して成る。
【0018】
図7を参照して、このZ軸駆動機構は、リニアモータ210を構成するための2つのリンクプレート207の他に、リニアガイド220を構成するための2つのリンクプレート(図示せず)を有する。すなわち、四角形のテーブル204の対向する2辺側にリニアモータ210が構成され、これらに直角な残りの2辺側にリニアガイド220が構成されている。リニアガイド220は、例えば、リニアレールと、精密研削加工された複数列の転動面を有してそれぞれの転動面を多数のボールが転動するリニアブロックとから成るものがあり、周知であるので詳しい説明は省略する。
【0019】
リニアガイド220を設けるのは、2つのリニアモータ210だけでは、X軸方向あるいはY軸方向に関する誤差を小さくできないからである。これは、ピストンヘッドはエアシリンダ202の内壁に接してスライドするものであり、円滑なスライドを可能とするためには、それぞれの間には数十μm程度の間隙が必要である。その結果、真直度が悪くなり、上記の間隙による誤差をできるだけ小さくする必要があるからである。
【0020】
また、ピストンヘッドとエアシリンダ202との間には摩耗が生じるのは避けられず、摩耗による故障が生じ易い。
【0021】
そこで、本発明の課題は、Z軸方向に関する重力のカウンタバランス機能を非接触構造で実現できるようにして、真直度の向上及び追随性、速度安定性等の制御性能の向上を実現できるステージ装置を提供することにある。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するZ軸駆動機構を備えたステージ装置において、前記Z軸駆動機構は、上下方向に延びるZ軸と、該Z軸に沿って上下方向に延びるZ軸ガイド用の固定部と、前記Z軸の下部側に形成された圧力室と、前記Z軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、前記固定部には、前記Z軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、前記圧力室には、前記Z軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Z軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、前記筒状体の底部を通して前記圧力気体として圧縮エアが前記圧力室に導入され、前記圧力室と前記静圧軸受の間の前記固定部にはエア逃がし用の穴が形成されていることを特徴とするステージ装置が提供される。
【0023】
本発明の別の態様によれば、ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するZ軸駆動機構を備えたステージ装置において、前記Z軸駆動機構は、上下方向に延びるZ軸と、該Z軸に沿って上下方向に延びるZ軸ガイド用の固定部と、前記Z軸の下部側に形成された圧力室と、前記Z軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、前記固定部には、前記Z軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、前記圧力室には、前記Z軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Z軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、前記リニアモータとして前記Z軸を中心に前記ベース体上に対称配置された一対のリニアモータを備え、前記筒状体の側で上下方向の駆動を行うことを特徴とするステージ装置が提供される。
【0025】
本ステージ装置においては更に、前記圧力室に至る前記圧縮エア用の配管には、リリーフバルブ及びアキュムレータが設けられていることを特徴とする。
【0026】
上記別の態様によるステージ装置においては、前記テーブルが前記Z軸の上端に取り付けられ、前記Z軸を中心にして対称位置となる前記テーブルの2箇所にそれぞれリンクプレートが垂下するように設けられると共に、該一対のリンクプレートが前記一対のリニアモータ可動子の側部に固定されて、該一対のリンクプレートと前記ベース体との間に前記一対のリニアモータが構成されることが望ましい。
【0027】
本ステージ装置が更に、前記テーブルを前記Z軸に直角なX軸方向及びY軸方向に駆動するためのX−Yステージ機構を備えている場合、前記Z軸駆動機構は、前記X−Yステージ機構の可動部分に搭載されるか、あるいは前記Z軸駆動機構の前記Z軸上に、前記X−Yステージ機構が搭載される。
【0028】
【発明の実施の形態】
図1を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本発明によるステージ装置は、ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するZ軸駆動機構に特徴を有する。つまり、本形態によるZ軸駆動機構は、図5で説明したZ軸駆動機構と同様、図4で説明したようなX−Yステージ機構と組み合わせてステージ装置として使用するのに適している。
【0029】
図1において、Z軸駆動機構は、上下方向に延びるZ軸11と、Z軸11に沿って上下方向に延びるZ軸ガイド用の固定部12とを有する。固定部12はベース体10上に固定された有底の筒状体である。この筒状体は、ここでは断面四角形の中空部を有する。Z軸11は、その断面形状が固定部12の筒状体内部の断面形状に対応する四角形となるように作られ、筒状体内に上側から挿入されていることにより、Z軸11の下端側、すなわち筒状体の下部に圧力室13が形成される。
【0030】
固定部12の筒状体の底壁12−1を通してエア配管14から圧縮エアが圧力室13に導入される。圧力室13は、Z軸11、テーブル15を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる機能を持つ。固定部12の筒状体にはエア逃がし用の穴12aが複数個形成されている。
【0031】
本形態では、圧縮エア用のエア配管14には、図2を参照して、エアポンプ14−1から圧縮エアが送られる。特に、エア配管14の途中には手動弁14−2、リリーフバルブ14−3及びアキュムレータ14−4が設けられている。
【0032】
テーブル15はZ軸11の上端に取り付けられており、テーブル15において互いに反対の2箇所にリンクプレート16が垂下するように設けられている。リンクプレート16とベース体10との間には、Z軸11とテーブル15とを含む可動部分を上下方向に駆動するためのリニアモータ20が構成されている。リニアモータ20の構造は、図6で説明した従来のものとまったく同じで良いので、詳しい説明は省略する。
【0033】
本形態では更に、固定部12の筒状体の内壁側には、固定部12に沿ったZ軸11の上下方向(Z軸方向)の移動をガイドするための静圧軸受25が複数個設けられている。このため、図示していないが、固定部12には静圧軸受用の空気配管が接続される。本形態においては、Z軸11は、静圧軸受25により固定部12の筒状体の内壁に接触することが無いので、Z軸11と固定部12の筒状体の内壁との間の間隙は5〜8μm程度まで小さくできる。しかも、Z軸11の上下方向のスライド範囲では常に静圧軸受25で水平方向に関して支持されているので、真直度は図5の構造に比べてはるかに向上する。したがって、本形態では従来のようなリニアガイドは不要であり、図3に示すように、テーブル15の両側においてリンクプレート16を介してリニアモータ20で駆動されるようになっていれば良い。
【0034】
このZ軸駆動機構の動作は以下の通りである。Z軸11の下端部が固定部12の筒状体内の底部に接触している状態で、静圧軸受25により空気圧39.2〜49kPa(4〜5Kg/cm2 ))の圧力を加える。圧力室13に圧縮エアを導入して、Z軸11が持ち上がる寸前の状態にする。この状態でリニアモータ20による駆動を行うことにより、Z軸11やテーブル15、その他の可動部分の重力をキャンセルして可動部分の駆動を行うことができる。なお、Z軸11が上昇することによる圧力低下分はアキュムレータ14−4により速やかに補充され、圧力室13は常に一定の圧力が維持される。
【0035】
このZ軸駆動機構も、ベース体10が図4で説明した移動体114に固定されることになるが、テーブル15に代えて図4で説明したベース101を搭載するようにして、X−Yステージ機構をもZ軸方向に駆動するようにしても良い。
【0036】
また、上記の形態では、静圧軸受25を固定部12側に設けるようにしているが、Z軸11側に設けるようにしても良い。この場合、静圧軸受用の空気配管をフレキシブル配管にしてZ軸11の移動に追従可能にする必要がある。更に、Z軸11の断面形状は、静圧軸受との関係で四角形、特に正方形が好ましいが、円形あるいは多角形状であっても良い。
【0037】
【発明の効果】
本発明によれば、Z軸方向に関する重力のカウンタバランス機能を非接触構造で実現できるようにしたことにより、真直度の向上及び追随性、速度安定性等の制御性能の向上を実現できる。また、X軸とこれをガイドする固定部との間の構造が非接触構造となるので、摩耗する部分が無く、摩耗による故障を無くすことできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるZ軸駆動機構の実施の形態を示した断面図である。
【図2】図1の圧力室に圧縮エアを供給するエア配管の構成を示した図である。
【図3】図1に示されたテーブルとリニアモータの関係を説明するための平面図である。
【図4】本出願人により提案されているX−Yステージ機構を示した図であり、図(a)は平面図、図(b)は側面図である。
【図5】従来のZ軸駆動機構の一例を示した断面図である。
【図6】図5に示されたリニアモータの概略構成を説明するための平面図である。
【図7】図5に示されたテーブルとリニアモータ及びリニアガイドの関係を説明するための平面図である。
【符号の説明】
10、200 ベース体
11 Z軸
12 固定部
13、203 圧力室
14、205 エア配管
15、204 テーブル
16、207 リンクプレート
20、210 リニアモータ
Claims (6)
- ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するZ軸駆動機構を備えたステージ装置において、
前記Z軸駆動機構は、上下方向に延びるZ軸と、該Z軸に沿って上下方向に延びるZ軸ガイド用の固定部と、前記Z軸の下部側に形成された圧力室と、前記Z軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、
前記固定部には、前記Z軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、
前記圧力室には、前記Z軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、
前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Z軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、
前記筒状体の底部を通して前記圧力気体として圧縮エアが前記圧力室に導入され、前記圧力室と前記静圧軸受の間の前記固定部にはエア逃がし用の穴が形成されていることを特徴とするステージ装置。 - ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するZ軸駆動機構を備えたステージ装置において、
前記Z軸駆動機構は、上下方向に延びるZ軸と、該Z軸に沿って上下方向に延びるZ軸ガイド用の固定部と、前記Z軸の下部側に形成された圧力室と、前記Z軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、
前記固定部には、前記Z軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、
前記圧力室には、前記Z軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、
前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Z軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、
前記リニアモータとして前記Z軸を中心に前記ベース体上に対称配置された一対のリニアモータを備え、前記筒状体の側で上下方向の駆動を行うことを特徴とするステージ装置。 - 請求項2に記載のステージ装置において、前記テーブルは前記Z軸の上端に取り付けられ、前記Z軸を中心にして対称位置となる前記テーブルの2箇所にそれぞれリンクプレートが垂下するように設けられると共に、該一対のリンクプレートが前記一対のリニアモータ可動子の側部に固定されて、該一対のリンクプレートと前記ベース体との間に前記一対のリニアモータが構成されていることを特徴とするステージ装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のステージ装置において、前記圧力室に至る前記圧縮エア用の配管には、リリーフバルブ及びアキュムレータが設けられていることを特徴とするステージ装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のステージ装置において、該ステージ装置は更に、前記テーブルを前記Z軸に直角なX軸方向及びY軸方向に駆動するためのX−Yステージ機構を備えており、
前記Z軸駆動機構は、前記X−Yステージ機構の可動部分に搭載されることを特徴とするステージ装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のステージ装置において、該ステージ装置は更に、前記テーブルを前記Z軸に直角なX軸方向及びY軸方向に駆動するためのX−Yステージ機構を備えており、
前記Z軸駆動機構の前記Z軸上に、前記X−Yステージ機構が搭載されることを特徴とするステージ装置。
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