JP5234390B2

JP5234390B2 - リニアステージ

Info

Publication number: JP5234390B2
Application number: JP2007202033A
Authority: JP
Inventors: 栄治郎平柳
Original assignee: Neomax Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP2009038917A

Description

本発明は、半導体や表示ディスプレー、あるいは太陽電池パネルの製造・検査・リペア工程などで精密位置決め手段として使用されるリニアステージに関する。

表示ディスプレー（例えば液晶ディスプレー）は、アレイ工程、セル工程、モジュール工程を経て液晶パネルを製作した後、検査装置でガラス基板やカラーフィルターの各種パターン寸法（線幅など）を多点計測し、リペア装置で欠陥を修復して完成される。この液晶パネルの検査工程では、基板を所定位置に移動し、顕微鏡で測定パターンを拡大撮像することが行われている。通常の位置決め手段であるリニアステージは、矩形状断面を有するベースの一つの面（例えば上面）に、被搬送部材を搭載したテーブル（キャリッジ）を案内するリニアガイドとテーブルを駆動するリニアモータを設置した構造を有する（特許文献１参照）。

上述した検査装置に適用されるリニアステージでは、歩留まり向上のため及びキャリッジをコンパクトなものとするために、キャリッジの幅（移動方向の長さ）を狭くして、一つのステージに多数の検査手段を設けることが検討されている。しかしながら、キャリッジの幅を狭くすると、キャリッジの移動方向の角度精度が低下し（ピッチング［移動方向の上下動］が増大する）、高精度の検査ができ難いという問題がある。

そこで、光学ユニットを搭載したＬ字型の移動ベースをベースの２つの面に設けたリニアガイドで支持する構造が考えられる（特許文献２参照）。

特開２００１−２４５４６４号公報（第３頁、図７、図８）特開２００６−４９３８４号公報（第５〜６頁、図１、図２）

しかしながら特許文献２に記載された構造であると、ベースの一つの面（上面）には一対のリニアガイドが設置されているが、ベースの他の面（側面）に、一つのリニアガイドが設置されており、しかもこのリニアガイドは、他のリニアガイドと同じ方向に設置されているので、リニアガイド設置面の加工精度の影響を受けてしまい、角度精度の低下を補償できないという問題がある。

従って本発明の目的は、角度精度の向上したコンパクトなキャリッジを備えたリニアステージを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のリニアステージは、長手方向に伸長しかつ互いに隣接する第１案内面と第２案内面を有する直方体状の固定ベースと、前記第１案内面に設置される一対の第１リニアガイドと、前記第２案内面に設置される一対の第２リニアガイドと、前記第１リニアガイドに案内される第１キャリッジ部材と前記第２リニアガイドに案内される第２キャリッジ部材とが連結されたキャリッジと、前記キャリッジを駆動するリニアモータとを有することを特徴とするものである。

本発明において、前記第１リニアガイドは、前記第１案内面に固定された一対の第１ガイドレールと、前記第１キャリッジ部材に固定された一対の第１スライダからなるとともに、前記第２リニアガイドは、前記第２案内面に固定された一対の第２ガイドレールと、前記第２キャリッジ部材に固定された一対の第２スライダからなることが好ましい。

本発明において、前記リニアモータは、前記第１案内面及び第２案内面の一方又は両方に設置されるとともに、前記リニアガイドの間に位置しかつ一方のリニアガイドに向かって開口するように前記案内面に固設されるＵ字型ヨークとそこに固着された複数の永久磁石からなる固定子と前記スライダに連結された可動子を有することが好ましい。

本発明において、前記固定子は長手方向に沿って正弦波状の磁束密度分布が現出する磁気空隙を有し、かつ前記可動子は前記磁気空隙内に配置される多相コイルを有することが好ましい。

本発明によれば、直方体状の固定ベースの長手方向に沿って駆動されるキャリッジは、第１リニアガイドに沿って移動する際に、その移動方向に対して垂直な面内で第１リニアガイドと直交する方向に設置された第２リニアガイドによって拘束されているので、キャリッジのピッチングを低減することができる。したがってキャリッジの被搬送部材が搭載される面を高精度に維持することができる。

また、高い推力が要求される場合は、キャリッジを２つのリニアモータで駆動することができる。

さらに、可動コイル形リニアモータを使用することにより、コンパクトなリニアステージとすることができる。

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるリニアステージの斜視図、図２は図１をＡ方向から見た矢視図、図３は図１をＢ方向から見た矢視図、図４は図１をＣ方向から見た矢視図である。

本発明のリニアステージ１は、直方体状に形成された固定ベース２と、固定ベース２の第１案内面（上面）２１に設けられた一対の第１リニアガイド３ａ、３ｂと、第１案内面２１に隣接する面（右側面）の両端部に形成された第２案内面２２ａ、２２ｂに設けられた一対の第２リニアガイド４ａ、４ｂと、これらのリニアガイドの伸長方向に沿って移動するＬ字状断面を有する（幅Ｌｃ）複数のキャリッジ５（５_１〜５_４）と、キャリッジ５を駆動する第１リニアモータ６及び第２リニアモータ７を備えている（図１、３、４参照）。このリニアステージ１はキャリッジがＸ軸方向に移動する一軸ステージであり、各部の詳細は次の通りである（図２参照）。

［固定ベース］
固定ベース２は、硬ぜい材料で形成することが好ましく、特にグラナイトのような石材で形成することがより好ましい。このグラナイトは、硬く（鋳鉄の２倍以上の硬さをもつ）、組織が細かく、粘りが少ない材料であり、かえりや盛り上がりがない状態で加工できるので、第１案内面２１及び第２案内面２２ａ、２２ｂの平面度を高くすることができる。またグラナイトは、温度変化の影響を受けにくいという利点もある。

［リニアガイド］
第１リニアガイド３ａ及び３ｂは各々、第１案内面（幅ｗの部分）２１に固設された一対のガイドレール３１ａ及び３１ｂと、各ガイドレールに摺動自在に装着されるスライダ３２ａ及び３２ｂを有する。また第２リニアガイド４ａ及び４ｂは各々、第１案内面２１と直交する面（高さｈの部分）の両端側に形成された第２案内面２２ａ及び２２ｂに固設された一対のガイドレール４１ａ及び４１ｂと、各ガイドレールに摺動自在に装着されるスライダ４２ａ及び４２ｂを有する。これらのリニアガイドにより、キャリッジ５はＸ軸方向（図１参照）に直線移動することができる。

［キャリッジ］
Ｌ字状の断面形状を有するキャリッジ５は、所定間隔をおいてスライダ３２ａ、３２ｂが固設された平板状の第１キャリッジ部材５１と、所定間隔をおいてスライダ４２ａ、４２ｂが固設された平板状の第２キャリッジ部材５２とを有する。第１キャリッジ部材５１の一端側と第２キャリッジ部材５２の一端側がネジなどの締結部材（不図示）で結合されて一体化された部材が形成される。

［第１リニアモータ］
第１キャリッジ部材５１と第１案内面２１との間に設置された第１リニアモータ６は、第１案内面２１にその略全長にわたって固設された固定子６１と、その内部に形成された磁気空隙（不図示）内をＸ軸方向に沿って移動する複数個（本例では４個）の可動子６４を備えており、各可動子は各第１キャリッジ部材５１に連結されている。

固定子６１は、鉄鋼材料（例えばＳＳ材）等の強磁性材料からなるＵ字状に形成されたヨーク６２の内面に、厚さ方向に磁化された（但し、磁気空隙側の磁極のみ示す。）複数の永久磁石６３ａ、６３ｂが、磁気空隙を挟んで対向する異極性の磁極が向き合い、かつＮ極とＳ極がＸ軸方向に沿って交互に並ぶように配設されている。これにより、磁気空隙における磁束密度分布（Ｘ軸方向）を略正弦波状にすることができる。ヨーク６２はその開口側が一方のリニアガイド３ｂに向くように設置されているが、これとは逆向き（その開口側が他方のリニアガイド３ａに向くように）に設置されてもよい。また、固定子６１は単一の部材とすることは可能であるが、固定ベースの長さに応じて複数の固定子６１をＸ軸方向に接続することもできる。このように、ヨーク６２の開口が一方のリニアガイドに向くように設置することにより、コンパクトな（高さの低い）ステージを実現することができる。

可動子６４は、第１キャリッジ部材５１に結合されたコイルホルダ６５とそこに固定された多相コイルユニット（不図示）を備えている。多相コイルユニットは、複数の偏平コイル（不図示）をＸ軸方向に沿って配列するとともに、各偏平コイル（例えば３相コイル）は、各相のコイルに通電された時にＸ軸方向の推力が発生するように結線されている。

［第２リニアモータ］
第２キャリッジ部材５２と第２案内面２２ａ、２２ｂの間の凹部（段差部）２２ｃとの間に設置された第２リニアモータ７は、凹部２２ｃに設置された固定子７１と、その内部に形成された磁気空隙（不図示）内をＸ軸方向に沿って移動する複数個の可動子７４を備えており、各可動子は各第２キャリッジ部材５２に連結されている。固定子７１と各可動子７４は、以下に述べるように第１リニアモータ６と同様の構造を有する。

固定子７１は、鉄鋼材料（例えばＳＳ材）等の強磁性材料からなるＵ字状に形成されたヨーク７２の内面に、厚さ方向に磁化された（但し、磁気空隙側の磁極のみ示す。）複数の永久磁石７３ａ、７３ｂが、磁気空隙を挟んで対向する異極性の磁極が向き合い、かつＮ極とＳ極がＸ軸方向に沿って交互に並ぶように配設されている。これにより、磁気空隙における磁束密度分布（Ｘ軸方向）を略正弦波状にすることができる。ヨーク７２はその開口側が一方のリニアガイド４ａに向くように設置されているが、これとは逆向き（その開口側が他方のリニアガイド４ｂに向くように）に設置されてもよい。また、固定子７１は単一の部材とすることは可能であるが、固定ベースの長さに応じて複数の固定子７１をＸ軸方向に接続することもできる。このように、ヨーク７２の開口が一方のリニアガイドに向くように設置することにより、コンパクトな（幅の狭い）ステージを実現することができる。

可動子７４は、第２キャリッジ部材５２に結合されたコイルホルダ７５とそこに固定された多相コイルユニット（不図示）を備えている。多相コイルユニットは、複数の偏平コイル（不図示）をＸ軸方向に沿って配列するとともに、各偏平コイル（例えば３相コイル）は、各相のコイルに通電された時にＸ軸方向の推力が発生するように結線されている。

本発明において、前記永久磁石は、公知の永久磁石、例えば希土類磁石で形成することができるが、特にＲ（Ｒは、Ｎｄ等の希土類元素から選択された一種又は二種以上の元素である。）、Ｔ（ＴはＦｅ又はＦｅ及びＣｏである。）及びＢを必須成分とするＲ−Ｔ−Ｂ系焼結磁石が好適である。

本実施の形態では、第１キャリッジ部材５１と第２キャリッジ部材５２の両方にそれぞれリニアモータを連結しているが、高い推力が必要とされない場合は、一方のリニアモータを省略することができる。

［キャリッジの駆動］
上記の各キャリッジをＸ軸方向に移動させる場合は、そのキャリッジが連結された可動子に３相交流電流を流すことにより、フレミングの左手の法則に基づいて、可動子にＸ軸方向に沿った推力を与えることができる。すなわち上記のリニアモータによれば、各可動子に設けた図示しない磁界検出素子（例えばホール素子）により、固定子を構成する永久磁石の磁極位置を検出し、各コイルに流れる電流の向きを変えることにより、キャリッジをＸ軸方向に往復移動させることができる。なお、図示を省略するが、各キャリッジの移動範囲だけ固定子側（例えば固定ベース）にリニアスケールを設けるとともに、可動子側（例えばキャリッジ）にセンサ（例えばエンコーダ）を設けて、固定子と可動子との相対位置を検出し、その位置情報を制御回路にフィードバックすることにより、所定の位置決め動作を行うことができる。

［角度精度の向上］
上記のリニアステージにより、キャリッジの角度精度（第１キャリッジ部材５１の表面５１０と案内面２１とのなす角度の精度）が向上する理由を図２により説明する。各キャリッジ５において、第１キャリッジ部材５１はその幅方向（矢印Ｙ方向）の両端部がガイドレール３１ａ、３１ｂで支持され、キャリッジ５を含む可動部がガイドレール３１ａ、３１ｂで支持される。さらに第２キャリッジ部材５１はその高さ方向（矢印Ｚ方向）の両端部が、案内面２１と直交する案内面２２ａ、２２ｂに設けられたガイドレール４１ａ、４１ｂに拘束されている。この状態で、キャリッジ５がＸ軸方向に移動すると、キャリッジ５のＺ軸方向の変動は第２リニアガイド４ａ及び４ｂで抑制される（実質的にＺ軸方向には動けない）ので、第１キャリッジ部材５１は、ピッチングを伴わずにＸ軸方向に沿って移動することが可能となる。すなわち、第１キャリッジ部材５１の表面５１０は第１案内面２１と平行に移動するので、キャリッジの角度精度を向上することができる。

本発明の実施の形態に係わるリニアステージの斜視図である。図１をＡ方向から見た矢視図である。図１をＢ方向から見た矢視図である。図１をＣ方向から見た矢視図である。

１：リニアステージ、
２：固定ベース、２１：第１案内面、２２ａ、２２ｂ：第２案内面、２２ｃ：凹部
３ａ、３ｂ：リニアガイド、３１ａ、３１ｂ：ガイドレール、３２ａ、３２ｂ：スライダ、４ａ、４ｂ：リニアガイド、４１ａ、４１ｂ：ガイドレール、４２ａ、４２ｂ：スライダ、
５：キャリッジ、５１：第１キャリッジ部材、５２：第２キャリッジ部材、
６：リニアモータ、６１：固定子、６２：ヨーク、６３：永久磁石、６４：可動子、６５：コイルホルダ、
７：リニアモータ、７１：固定子、７２：ヨーク、７３：永久磁石、７４：可動子、７５：コイルホルダ、

Claims

長手方向に伸長しかつ互いに直交して隣接し上面を形成する第１案内面と側面を形成する第２案内面を有する直方体状の固定ベースと、前記第１案内面に設置される一対の第１ガイドレールとその各ガイドレールに摺動自在に装着される一対の第１スライダを有する一対の第１リニアガイドと、前記第２案内面に設置される一対の第２ガイドレールとその各ガイドレールに摺動自在に装着される一対の第２スライダを有する一対の第２リニアガイドと、前記第１リニアガイドに案内される第１キャリッジ部材と前記第２リニアガイドに案内される第２キャリッジ部材とが連結されて断面形状がL字状となるキャリッジと、前記固定ベースの第１案内面に固設される固定子と前記第１キャリッジ部材に連結する可動子を有する第１リニアモータ及び/又は前記固定ベースの第２案内面に固設される固定子と前記第２キャリッジ部材に連結する可動子を有する第２リニアモータとを有し、前記一対の第２リニアガイドによって前記キャリッジの移動方向に対して垂直方向の移動を拘束することを特徴とするリニアステージ。
前記第１リニアモータ及び第２リニアモータの固定子は、前記第１案内面及び第２案内面に設置される前記一対の第１リニアガイド及び一対の第２リニアガイドのそれぞれの間に位置しかつそれぞれ一方のリニアガイドに向かって開口するＵ字型ヨークと、Ｕ字型ヨークの内面に固着された複数の永久磁石を有することを特徴とする請求項１に記載のリニアステージ。