JP4987662B2 - ステージ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ベース上を移動体がＸＹ方向へ移動するステージ装置に関する。

従来、ステージ装置として、定盤（ベース）と、定盤のＹ軸方向に延在する一の側面に固定された固定ガイドと、固定ガイドの外側面に取り付けられた固定子、定盤の前記一の側面とは反対側の側面に取り付けられた固定子、及び各々の固定子の上部に対向しＹ軸方向に沿って移動する一対の可動子から構成されるリニアモータ（Ｙ軸駆動部）と、一対の可動子同士に連結されてＹ軸方向へ移動するＹステージ（Ｙ軸移動体）と、Ｙステージの下部に固定されると共にベース両側より内側に配置された静圧空気軸受取付板と、Ｙステージに沿ってＸ軸方向へ移動するＸステージ（Ｘ軸移動体）と、を備えたステージ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平３−２４５９３２号公報

しかしながら、上記ステージ装置にあっては、定盤、固定ガイド、固定子を並設するＸ軸方向に対して装置が占める面積（フットプリント）が大きく、装置の輸送や設置の際にスペース的な問題を生じる場合があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、フットプリントを低減でき、装置のコンパクト化を図ることができるステージ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るステージ装置は、上面とＹ軸方向に沿って延在する側面とが滑走面とされたベースと、磁石を内部に有してＹ軸方向に沿って延在する一対のＹ軸シャフトとＹ軸シャフトを取り囲むコイルによって各々構成される一対のＹ軸可動子とを有するＹ軸駆動部と、ベース上面で一対のＹ軸可動子に連結される本体部とＹ軸可動子に連結されると共にベース側面に対向する側部とを有し、ベース上面及びベース側面に沿ってＹ軸方向へ移動するＹ軸移動体と、本体部に沿って、Ｙ軸方向と直交する水平方向であるＸ軸方向へ移動するＸ軸移動体と、を備え、側部は、Ｙ軸可動子の下方に配置されることを特徴とする。

このようなステージ装置によれば、Ｙ軸移動体を移動させるＹ軸駆動部として、磁石を内部に有するＹ軸シャフト及び当該Ｙ軸シャフトを取り囲むコイルからなるＹ軸可動子を用いているため、リニアモータなどに比して駆動部を小さくすることができ、従って、ベース側面に対向するＹ軸移動体の側部を一方のＹ軸可動子の下方に配置することができ、Ｙ軸駆動部と横並びになった場合に側部が占めるＸ軸方向のフットプリントを省略することができる。これによって、フットプリントを低減でき、装置のコンパクト化を図ることができる。

また、ベース側面とＹ軸移動体の側部との間には、互いに引き付け合う引力を発生させる引力発生手段を備えることが好ましい。このような構成によれば、引力発生手段に対応する反発力発生手段（気体軸受など）をＹ軸移動体の一方の側部に設け、これによりバランスをとるようにすれば、両側に反発力発生手段を設けてバランスをとる場合に比べて装置のコンパクト化を図ることができる。

引力発生手段は、例えば、ベース側面に設けられて、Ｙ軸方向に沿って延在する磁石又は磁性体のいずれか一方と、Ｙ軸移動体の側部に設けられた磁石又は磁性体の他方と、から構成されることが好ましい。

また、Ｙ軸移動体の側部は、ベース側面に対して気体を噴出する気体軸受を、側部の外部で支持することが好ましい。このような構成によれば、気体軸受が側部の外部で支持される構造とされているため、側部の内部に気体軸受が埋設されているような構造に比べて製造及びメンテナンスが容易である。

Ｙ軸移動体の側部は、気体軸受を回動可能に支持する支持部を有することが好ましい。このような構成によれば、ベースや移動体の精度が低く、支持部がベース側面に対して傾いていた場合であっても、気体軸受が回動しながら、ベース側面と気体軸受との間の反発力と吸引力とが釣り合い、ベース側面と気体軸受との隙間の間隔が適切に維持されながら移動体が移動することができる。以上によって、ベースや移動体の加工精度や組立精度を出すことを不要とし、容易に加工や組立をすることができる。

また、支持部は、球面形状部を介して気体軸受を支持することが好ましい。これによって、気体軸受が移動体の側部を構成する支持部に球面形状部を介して支持されているため、球面形状部との接触部を中心として三次元方向に自由に回動することができる。

また、気体軸受は、球面形状部の周りに設けられた伸縮可能な弾性力付与部から弾性力を付与されることによって、支持部に支持されることが好ましい。これによって、最適な力で気体軸受を球面形状部に接触させて支持することができると共に、気体軸受が球面形状部との接触部を中心として三次元方向に回動する場合に、これを許容するように弾性力付与部が伸縮し、気体軸受の動きを妨げることなく支持部に対して確実に支持することができる。

本発明に係るステージ装置によれば、フットプリントを低減でき、装置のコンパクト化を図ることができる。

以下、本発明によるステージ装置の好適な実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るステージ装置を示す斜視図であり、図２は、図１に示すステージ装置の平面図であり、図３は、図１に示すステージ装置の側面図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。

図１に示すように、ステージ装置１は、ベース２と、一対のＹ軸シャフトモータ３Ａ，３ＢからなるＹ軸駆動部３と、Ｙ軸駆動部３によってＹ軸方向へ移動するＹ軸移動体４と、Ｙ軸移動体４に設けられた一対のＸ軸シャフトモータ６Ａ，６ＢからなるＸ軸駆動部６と、Ｘ軸駆動部６によってＸ軸方向へ移動するＸ軸移動体７とを備えている。なお、図において、Ｘ軸シャフトモータ６Ａ，６Ｂが延在する方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向と直交する水平方向をＹ軸方向とする。

ベース２は、矩形板状の石材からなり、その上面には、平面加工が施されることによって、エアベアリングが滑走するための上面側滑走面（上面）２ｂが形成される。また、Ｙ軸方向に沿って延在する側面のうち、一方の側面にも、上面と同様に平面加工が施されることによって、エアベアリングが滑走するための側面側滑走面（側面）２ｄが形成される。この側面側滑走面２ｄにはＹ軸方向へ沿って延在する溝部２ｅが形成される。この溝部２ｅ内にはＹ軸方向に沿って延在する磁性体（引力発生手段）３３が配設される（図５参照）。

Ｙ軸駆動部３を構成するＹ軸シャフトモータ３Ａ，３Ｂは、磁石を内部に有してＹ軸方向に沿って延在する一対のＹ軸シャフト８Ａ，８Ｂと、Ｙ軸シャフト８Ａ，８Ｂの軸線方向に延在する一部を取り囲むように設けられたＹ軸可動子９Ａ，９Ｂとを備える。

図１及び図２に示すように、Ｙ軸シャフト８Ａ，８Ｂは、ベース２上方のＸ軸方向の両側で複数の磁石をＹ軸方向に沿って各々配設することによって形成される。これらの磁石は、Ｎ極同士及びＳ極同士で接合され、これらを並設したものである。側面側滑走面２ｄ側のＹ軸シャフト８Ａは、側面側滑走面２ｄの長手方向の両側に各々固定された一対の保持部材１１Ａによって両端が保持され、上方から見てベース２の外側に配置される。他方のＹ軸シャフト８Ｂも同様に、ベース２に立設された一対の保持部材１１Ｂに両端が保持されている。

Ｙ軸可動子９Ａ，９Ｂは、Ｙ軸シャフト８Ａ，８Ｂを取り囲むコイルをハウジングに収容することによって各々構成される。このＹ軸可動子９Ａ，９Ｂは、コイルに電流を流し、磁石からなるＹ軸シャフト８Ａ，８Ｂとの間で電磁力を発生させ、電磁相互作用によってＹ軸方向に各々移動する。

図１〜図３に示すように、Ｙ軸移動体４は、ベース２の上面側滑走面２ｂに対向する本体部４ａ及び側面側滑走面２ｄに対向する側部４ｂを有する。本体部４ａと側部４ｂとは別部品から構成されており、製造及びメンテナンスが容易とされている。Ｙ軸移動体４の本体部４ａは、Ｘ軸駆動部６と、Ｙ軸可動子９Ａ，９Ｂ同士に連結されてＸ軸移動体７をガイドするためのガイドビーム１２と、Ｙ軸移動体４を上下方向に支持するためのＹ軸リフトエアベアリング１４とを備える。

Ｘ軸駆動部６を構成するＸ軸シャフトモータ６Ａ，６Ｂは、磁石を内部に有してＸ軸方向に沿って延在する一対のＸ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂと、Ｘ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂの軸線方向に延在する一部を取り囲むように設けられたＸ軸可動子１９Ａ，１９Ｂとを備える。

Ｘ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂは、Ｘ軸方向に沿って複数の磁石を配設することによって形成され、支持部材１３Ａ，１３Ｂを介してＹ軸可動子９Ａ，９Ｂ同士に連結されている。これらの磁石は、Ｎ極同士及びＳ極同士で接合され、これらを並設したものである。

Ｘ軸可動子１９Ａ，１９Ｂは、Ｘ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂを取り囲むコイルをハウジングに収容することによって各々構成される。このＸ軸可動子１９Ａ，１９Ｂは、コイルに電流を流し、磁石からなるＸ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂとの間で電磁力を発生させ、電磁相互作用によってＸ軸方向に各々移動する。

ガイドビーム１２は、図１〜図４に示すように上向きに開口した断面コ字状をなし、Ｘ軸方向に沿って延在する外側の両側面に平面加工が施されることによって、エアベアリングが滑走するための滑走面１２ａ，１２ｂが形成される。また、ガイドビーム１２は、上方から見てＸ軸シャフト１８ＡとＸ軸シャフト１８Ｂとの間に配置されると共に、矩形環状のＸ軸移動体７のその内側に収容されるように位置し、その長手方向の両端が支持部材１３Ａ，１３Ｂを介してＹ軸可動子９Ａ，９Ｂに各々連結されている。

Ｙ軸リフトエアベアリング１４は、Ｙ軸移動体４の本体部４ａの側部４ｂ側の端部にＹ軸方向に離間して２個、他方の端部の中央に１個設けられており、上面側滑走面２ｂに対して空気などの気体を噴出することによって発生する反発力とＹ軸移動体４の自重による下向きの力とを釣り合わせることによって、上面側滑走面２ｂとの間に数μｍ程度の隙間を設けながらＹ軸移動体４を非接触状態で支持する。なお、気体軸受は、気体を噴出するのみならず、吸引機能を有していてもよい。

図１及び図４に示すように、Ｘ軸移動体７は、ガイドビーム１２を取り囲む矩形環状の移動部材２６と、移動部材２６の上面に設けられてウエハなどを載置するステージ２４とを備える。図４に示すように、移動部材２６は、ガイドビーム１２の滑走面１２ａ，１２ｂに対向する側部２６ｃ，２６ｄを有し、側部２６ｃの外側の面がＸ軸可動子１９Ａに連結され、側部２６ｄの外側の面がＸ軸可動子１９Ｂに連結され、Ｘ軸可動子１９Ａ，１９Ｂと共に移動する。このように、Ｘ軸移動体７とＸ軸駆動部６との位置関係はＸ軸移動体７の両外側にＸ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂ及びＸ軸可動子１９Ａ，１９Ｂが各々配置される関係とされている。また、Ｘ軸移動体７の重心Ｇの高さは、Ｘ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂ及びＸ軸可動子１９Ａ，１９Ｂの軸心の高さと一致する。

Ｘ軸移動体７は、移動部材２６の側部２６ｃ，２６ｄの内側に、滑走面１２ａ，１２ｂに対して気体を噴出するＸ軸ヨーエアベアリング２７ａ，２７ｂを各々２個ずつ備える（図３参照）。また、Ｘ軸移動体７は、移動部材２６の下面２６ｅ側に、ベース２の上面側滑走面２ｂに対して気体を噴出するＸ軸リフトエアベアリング２８を３個備える（図２参照）。２個は側部２６ｄにＸ軸方向に離間して設けられ、１個は側部２６ｃのＸ軸方向の中央に設けられている。Ｘ軸ヨーエアベアリング２７ａ，２７ｂは、ガイドビーム１２の滑走面１２ａ，１２ｂからの反発力を互いに釣り合わせることによって、滑走面１２ａ，１２ｂとの間に各々数μｍ程度の隙間を設けながらＸ軸移動体７を非接触状態で支持する。また、Ｘ軸リフトエアベアリング２８は、ベース２の上面側滑走面２ｂからの反発力とＸ軸移動体７の自重による下向きの力とを釣り合わせることによって、ベース２の上面側滑走面２ｂとの間で各々数μｍ程度の隙間を設けながらＸ軸移動体７を非接触状態で支持する。

ここで、図５は、図１中のＹ軸移動体の側部をＹ軸方向から見た拡大図である。図１及び図５に示すように、Ｙ軸移動体４の側部４ｂは、Ｙ軸可動子９Ａの下面に設けられてベース２の側面側滑走面２ｄに対向する支持部１６を備える。また、側部４ｂは、図５に示すように、側面側滑走面２ｄに対向する噴出面１７ａから側面側滑走面２ｄへ向かって気体を噴出するＹ軸方向に並設された２個の平板状のＹ軸ヨーエアベアリング（気体軸受，図１参照）１７を、側部４ｂの外部で支持する。このＹ軸ヨーエアベアリング１７は、支持部１６で回動可能に支持される。なお、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７には図示されない気体供給管が接続されており、外部の供給装置から気体が供給される。

支持部１６のＹ軸ヨーエアベアリング１７側の端面１６ａには、先端に球面形状を有しＹ軸ヨーエアベアリング１７の裏面と接触する球面形状部２９が設けられる。また、端面１６ａの反対側の端面１６ｂには、球面形状部２９の周りに複数の凹部１６ｃが設けられ、この凹部１６ｃは支持部１６に設けられた貫通孔により端面１６ａ側に開放される。そして、この貫通孔を通り凹部１６ｃ内に進入するようにして、Ｙ軸ヨーベアリング１７の裏面に突設されたピン３１が配置されている。また、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７の裏面の中央部には、噴出面１７ａ側へ向かって狭くなる傾斜が設けられた凹部１７ｂが設けられ、この凹部１７ｂに球面形状部２９が進入した状態とされている。そして、支持部１６の凹部１６ｃの底面とピン３１の鍔状端部３１ａとの間に伸縮可能なバネ（弾性力付与部）３２が圧縮された状態で配置され、これにより、バネ３２は、側面側滑走面２ｄとは反対方向へ弾性力を付与する。これによって、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７には、球面形状部２９へ押付けられる力が付与され、所望の圧力で凹部１７ｂ及び球面形状部２９を介して支持部１６に支持される。

また、噴出面１７ａの中央部には、側面側滑走面２ｄに形成された溝部２ｅ内へ向かって突出する磁石（引力発生手段）１７ｃが設けられる。磁石１７ｃは、側面側滑走面２ｄの溝部２ｅの底面でＹ軸方向に沿って延在する磁性体３３との間で吸引力を発生する。なお、磁石１７ｃの突出量を調節することにより、磁石１７ｃと磁性体３３との間の隙間を調節し、これによって、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７の反発力と磁石１７ｃの吸引力をバランスさせ、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７と側面側滑走面２ｄとの間の隙間を調節する。

以上のように構成されたステージ装置１においては、Ｙ軸駆動部３及びＸ軸駆動部６の駆動に伴うＹ軸移動体４及びＸ軸移動体７の移動により、Ｘ軸移動体７のステージ２４を二軸方向へ自由に移動させることができる。

そして、本実施形態のステージ装置１によれば、Ｙ軸移動体４を移動させるＹ軸駆動部３として、磁石を内部に有するＹ軸シャフト３Ａ，３Ｂ及び当該Ｙ軸シャフト３Ａ，３Ｂを取り囲むコイルからなるＹ軸可動子９Ａ，９Ｂを用いているため、リニアモータなどに比して駆動部を小さくすることができ、従って、側面側滑走面２ｄに対向するＹ軸移動体４の側部４ｂを一方のＹ軸可動子９Ａの下方に配置することができ、Ｙ軸駆動部３Ａと横並びになった場合に側部４ｂが占めるＸ軸方向のフットプリントを省略することができる。これによって、フットプリントを低減でき、装置のコンパクト化を図ることができる。

また、磁石１７ｃ及び磁性体３３による引力発生手段に対応するＹ軸ヨーエアベアリング１７をＹ軸移動体４の一方の側部に設け、これによりバランスをとるようにすれば、両側にＹ軸ヨーエアベアリング１７を設けてバランスをとる場合に比べて装置のコンパクト化を図ることができる。

また、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７が側部４ｂの外部で支持される構造とされているため、側部４ｂの内部にＹ軸ヨーエアベアリングが埋設されているような構造に比べて製造及びメンテナンスが容易である。特に、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７が支持部１６に埋設されていた場合は支持部１６内に気体供給管を通さなくてはならず、製造及びメンテナンスが困難であるが、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７に外から気体供給管を通すことができるため、製造及びメンテナンスが容易である。

また、ベース２やＹ軸移動体４の精度が低く、支持部１６がベース２の側面側滑走面２ｄに対して傾いていた場合であっても、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７が回動しながら、側面側滑走面２ｄとＹ軸ヨーエアベアリング１７との間の反発力と吸引力とが釣り合い、側面側滑走面２ｄとＹ軸ヨーエアベアリング１７との隙間の間隔が適切に維持されながらＹ軸移動体４が移動することができる。以上によって、ベース２やＹ軸移動体４の加工精度や組立精度を出すことを不要とし、容易に加工や組立をすることができる。

また、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７が、Ｙ軸移動体４の側部４ｂを構成する支持部１６に球面形状部２９を介して支持されているため、球面形状部２９との接触部を中心として三次元方向に自由に回動することができる。

また、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７は、球面形状部２９の周りに設けられた伸縮可能なバネ３２から弾性力を付与されることによって、支持部１６に支持されるため、最適な力でＹ軸ヨーエアベアリング１７を球面形状部２９に接触させて支持することができると共に、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７が球面形状部２９との接触部を中心として三次元方向に回動する場合に、これを許容するようにバネ３２が伸縮し、Ｙ軸ヨーエアベアリング１７の動きを妨げることなく支持部１６に対して確実に支持することができる。

また、本実施形態においては以下の効果を奏する。すなわち、Ｘ軸移動体７の両外側に、Ｘ軸移動体７のＸ軸駆動部６を構成する一対のＸ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂ及びＸ軸可動子１９Ａ，１９Ｂが各々配置されているため、Ｘ軸移動体がＸ軸可動子上に載置される従来技術に比してＸ軸移動体７の位置を鉛直方向に下方に下げることができ、Ｘ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂ及びＸ軸可動子１９Ａ，１９Ｂを有するＸ軸駆動部６の高さ位置にＸ軸移動体７の重心位置を近づけることができる。これによって、Ｘ軸駆動部６でＸ軸移動体７を安定して支持することができ、ピッチングを発生させることなくＸ軸移動体７を移動させることができる。

また、一対のＸ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂ及びＸ軸可動子１９Ａ，１９ＢがＸ軸移動体７の移動部材２６の側部２６ｃ，２６ｄの外側に各々配置されているため、Ｘ軸移動体７の内側に配置した場合に比べて、Ｘ軸移動体７の小型化及び軽量化を図ることができる。

また、Ｘ軸移動体７の重心Ｇの高さがＸ軸シャフト１８Ａ，１８Ｂ及びＸ軸可動子１９Ａ，１９Ｂの軸心の高さと一致するため、Ｘ軸駆動部６でＸ軸移動体７を一層安定して支持することができ、一層ピッチングを発生させることなくＸ軸移動体７を移動させることができる。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、磁石１７ｃをＸ軸ヨーエアベアリング１７の噴出面１７ａ側に設け、磁性体３３をベース２の側面側滑走面２ｄ側に設けているが、磁石と磁性体との配置が逆であってもよい。

本発明の実施形態に係るステージ装置を示す斜視図である。 図１に示すステージ装置の平面図である。 図１に示すステージ装置の側面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 図１中のＹ軸移動体の側部をＹ軸方向から見た拡大図である。

符号の説明

１…ステージ装置、２…ベース、２ｂ…上面側滑走面（上面）、２ｄ…側面側滑走面（側面）、３…Ｙ軸駆動部、４…Ｙ軸移動体、４ａ…本体部、４ｂ…側部、７…Ｘ軸移動体、８Ａ，８Ｂ…Ｙ軸シャフト、９Ａ，９Ｂ…Ｙ軸可動子、１６…支持部、１７…Ｙ軸ヨーエアベアリング（気体軸受）、１７ｃ…磁石（引力発生手段）、３２…バネ（弾性力付与部）、３３…磁性体（引力発生手段）、３９…球面形状部。

Claims (7)

1. 上面とＹ軸方向に沿って延在する側面とが滑走面とされたベースと、
   磁石を内部に有してＹ軸方向に沿って延在する一対のＹ軸シャフトと前記Ｙ軸シャフトを取り囲むコイルによって各々構成される一対のＹ軸可動子とを有するＹ軸駆動部と、
   前記ベース上面で前記一対のＹ軸可動子に連結される本体部と前記Ｙ軸可動子に連結されると共に前記ベース側面に対向する側部とを有し、前記ベース上面及び前記ベース側面に沿ってＹ軸方向へ移動するＹ軸移動体と、
   前記本体部に沿って、Ｙ軸方向と直交する水平方向であるＸ軸方向へ移動するＸ軸移動体と、を備え、
   前記側部は、前記Ｙ軸可動子の下方に配置され、
   前記側部と前記本体部とは連結されて一体的に移動し、
   前記ベース側面と、前記側部との間には、前記Ｙ軸移動体をガイドするガイド部が形成されていることを特徴とするステージ装置。
2. 前記ガイド部は、
   前記ベース側面と前記Ｙ軸移動体の前記側部との間に、互いに引き付け合う引力を発生させる引力発生手段を備えることを特徴とする請求項１記載のステージ装置。
3. 前記引力発生手段は、
   前記ベース側面に設けられて、Ｙ軸方向に沿って延在する磁石又は磁性体のいずれか一方と、
   前記Ｙ軸移動体の前記側部に設けられた前記磁石又は前記磁性体の他方と、から構成されることを特徴とする請求項２記載のステージ装置。
4. 前記ガイド部は、前記ベース側面に対して気体を噴出する気体軸受を有し、
   前記Ｙ軸移動体の前記側部は、前記気体軸受を、前記側部の外部で支持することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のステージ装置。
5. 前記Ｙ軸移動体の前記側部は、前記気体軸受を回動可能に支持する支持部を有することを特徴とする請求項４記載のステージ装置。
6. 前記支持部は、球面形状部を介して前記気体軸受を支持することを特徴とする請求項５記載のステージ装置。
7. 前記気体軸受は、前記球面形状部の周りに設けられた伸縮可能な弾性力付与部から弾性力を付与されることによって、前記支持部に支持されることを特徴とする請求項６記載のステージ装置。

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