(57)【要約】【課題】駆動案内機構を小型化することができ、駆動手段による複雑な静止制御が不要で、装置の製造コストを低く抑えた平面移動ステージ装置を提供する。【解決手段】支持面２ａ上を、支持面２ａに対して平行な方向の力を受けることによって移動可能な平面移動ステージ３と、平面移動ステージ３の底面を、支持面２ａから浮上させた状態で支持する第１静圧軸受４と、平面移動ステージ３に、非接触で、支持面２ａに対して平行な方向の力を付与する第２静圧軸受６を備えた第１フレーム５等とを備える平面移動ステージ装置１。第１フレーム５は、平面移動ステージ３の、支持面２ａに対して垂直な軸線回りの位置決めを行う調芯手段２０等を備えることが好ましい。第１静圧軸受４は、浮上状態にある平面移動ステージ３を支持面２ａに向かって吸引する吸引手段を備えることが好ましい。【選択図】図１
2010110860.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上を、該平面に対して平行な方向の力を受けることによって移動可能な平面移動ステージと、
該平面移動ステージの底面を、前記平面から浮上させた状態で支持する浮上支持手段と、
前記平面移動ステージに、非接触で、前記平面に対して平行な方向の力を付与するステージ駆動手段とを備えることを特徴とする平面移動ステージ装置。
【請求項２】
前記平面移動ステージは、直方体状に形成され、前記ステージ駆動手段は、該平面移動ステージを囲繞するようにフレーム状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の平面移動ステージ装置。
【請求項３】
前記ステージ駆動手段は、前記平面移動ステージの、前記平面に対して垂直な軸線回りの位置決めを行う調芯手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の平面移動ステージ装置。
【請求項４】
前記浮上支持手段は、前記平面移動ステージの底面に固定されて前記平面に対して空気を吹き出す静圧軸受を備えることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の平面移動ステージ装置。
【請求項５】
前記静圧軸受は、浮上状態にある前記平面移動ステージを前記平面に向かって吸引する吸引手段を備えることを特徴とする請求項４に記載の平面移動ステージ装置。
【請求項６】
前記静圧軸受は、銅合金又は炭素材料を表面材料とすることを特徴とする請求項４又は５に記載の平面移動ステージ装置。
【請求項７】
前記ステージ駆動手段は、前記平面移動ステージに対して空気を吹き出す静圧軸受を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の平面移動ステージ装置。
【請求項８】
前記平面は、定盤の表面であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の平面移動ステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面移動ステージ装置に関し、特に、半導体製造装置、精密工作機械、光学機器を用いた３次元測定等に用いられる平面移動ステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上述のような物品の精密な加工、検査等に、定盤等の平面上を移動するＸＹ２軸乃至１軸からなるステージ（以下、「平面移動ステージ」という）が用いられている。この平面移動ステージは、該ステージを下方から支持しながら、ＸＹ２軸乃至１軸方向に案内する直動案内機構により支持されて移動する（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、平面移動ステージ自体を静圧軸受等で支持して浮上させ、定盤等の平面に対して非接触状態で静止させたり、ステージの高い移動平行度を実現した平面移動ステージ装置も存在する。特に、非特許文献１に記載の平面移動ステージ装置は、すべての案内機構と駆動源とを、エアスライドとリニアモータとで非接触で構成し、平面移動ステージを完全に非接触の状態でＸＹ２軸方向に案内する。
【０００４】
【特許文献１】特開平４−３０４９４６号公報
【特許文献２】特許第２９５２４５８号公報
【非特許文献１】精密工学会、超精密位置決め専門委員会定例会講演前刷集（Ｎｏ．２００７−１）、２００７年４月２０日、ｐ２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１、２に記載の平面移動ステージは、直動案内機構により支持されるため、ステージの負荷容量は、直動案内機構に依存し、載積荷重によっては鉛直方向の変位が発生する。そのため、直動案内機構に大型のものが必要となり、ステージ装置全体が大型化する傾向にある。
【０００６】
一方、平面移動ステージ自体を静圧軸受等で支持する装置では、駆動源がステージに剛結されていると、ステージの運転精度は、直動案内機構の運転精度を直接反映する。また、静圧軸受でステージの底面を支持している場合には、常にステージが浮上しているため、ステージの静止時の安定性は、駆動源の安定性に依存する。そのため、ステージが下方の支持面に対して非接触状態で安定な静止状態を保つには、ハンチングが発生しないように高度な静止制御を必要とするという問題があった。そこで、非特許文献１に記載のように、すべての案内機構と駆動源とを非接触で構成すると、静止時の安定性、位置決め精度等は格段に向上するが、装置の製造コストが高騰する。
【０００７】
また、上述のように、従来、エアスライドやリニアモータを使用した非接触型の平面移動ステージ装置が種々提案されているが、移動平行度のみ高精度（数μｍ以下のレベル）で制御することができ、位置決め精度については、高精度を必要としない（数十μｍ程度のレベル）ような用途では、適当な平面移動ステージ装置が存在しなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記従来の平面移動ステージ装置における問題点に鑑みてなされたものであって、駆動案内機構を小型化することができ、駆動手段による複雑な静止制御が不要で、装置の製造コストを低く抑えることができるとともに、移動平行度を高精度で制御することができる一方、位置決め精度については、高精度を必要としない用途に好適な平面移動ステージ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、平面移動ステージ装置であって、平面上を、該平面に対して平行な方向の力を受けることによって移動可能な平面移動ステージと、該平面移動ステージの底面を、前記平面から浮上させた状態で支持する浮上支持手段と、前記平面移動ステージに、非接触で、前記平面に対して平行な方向の力を付与するステージ駆動手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
そして、本発明によれば、浮上支持手段によって平面移動ステージの底面を、下方の平面から浮上させた状態で支持するため、ステージ駆動手段は、鉛直荷重を担わなくて済む。そのため、ステージ駆動手段の変形を考慮する必要がなく、ステージ駆動手段を小型化することができる。また、ステージは、浮上支持手段によって非接触で支持されるとともに、ステージ駆動手段とも非接触であるため、駆動手段との組み合わせによる高さの精度誤差が発生することもない。さらに、平面移動ステージの静止時に、平面移動ステージを下方の平面から浮上させず、該平面に載置された状態とすることで、該平面との摩擦により安定的に平面移動ステージを静止させることができるため、駆動手段による複雑な静止制御が不要となる。
【００１１】
また、上記平面移動ステージ装置において、平面移動ステージはステージ駆動手段と非接触であるため、平面移動ステージ装置の動作時に、転動体等による微少振動を発生するような駆動手段であってもその振動を緩和することができ、ステージの移動平行度及び位置決め精度を向上させることができる。
【００１２】
さらに、数μｍレベルの高精度の移動平行度が要求され、平面位置精度は、数十μｍレベルと高精度でなくともよい平面移動ステージ装置を構成する場合には、従来のように、すべての案内機構と駆動源とを、エアスライドとリニアモータとで非接触で構成すると、コストが高騰するが、本発明によれば、ステージ底面及び側面のみを非接触とすればよく、直動案内と駆動源とは選択の幅が広いため、低コストで平面移動ステージ装置を製造することができる。
【００１３】
上記平面移動ステージ装置において、前記平面移動ステージを直方体状に形成し、前記ステージ駆動手段を、該平面移動ステージを囲繞するようにフレーム状に形成することができる。
【００１４】
また、上記平面移動ステージ装置において、前記ステージ駆動手段を、前記平面移動ステージの、前記平面に対して垂直な軸線回りの位置決めを行う調芯手段を備えるように構成することができ、位置決め精度がより一層向上する。
【００１５】
また、上記平面移動ステージ装置において、前記浮上支持手段を、前記平面移動ステージの底面に固定されて前記平面に対して空気を吹き出す静圧軸受を備えるように構成することができ、さらに、この静圧軸受を、浮上状態にある前記平面移動ステージを前記平面に向かって吸引する吸引手段を備えるように構成することができる。これにより、平面移動ステージを浮上状態で使用する場合でも、より安定した浮上状態を得ることができる。
【００１６】
さらに、上記平面移動ステージ装置において、前記静圧軸受は、銅合金又は炭素材料を表面材料とすることができる。これにより、何らかの理由により運動中にステージが下方の平面と接触した場合にも、致命的な損傷を免れることができ、特に、平面を損傷させる危険性を大幅に低減することができる。
【００１７】
また、上記平面移動ステージ装置において、前記ステージ駆動手段は、前記平面移動ステージに対して空気を吹き出す静圧軸受を備えることができる。
【００１８】
さらに、上記平面移動ステージ装置において、前記平面を定盤の表面とすることができ、御影石の定盤を用いることで、御影石は、大型のものでも比較的容易に入手でき、平面度数μｍの物も安価で容易に入手可能であるため、使い勝手がよく、移動平行度を高精度で制御することのできる平面移動ステージ装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明によれば、装置の製造コストを低く抑えることができるとともに、移動平行度を高精度で制御することができる一方、位置決め精度については、高精度を必要としない用途に好適な平面移動ステージ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１及び図２は、本発明にかかる平面移動ステージ装置の一実施の形態を示し、この平面移動ステージ装置１は、定盤２の表面（以下「支持面」という）２ａを移動可能な平面移動ステージ（以下、「ステージ」と略称する）３と、ステージ３を支持面２ａから浮上させた状態で支持する複数の第１静圧軸受４と、ステージ３を囲繞する第１フレーム５と、第１フレーム５に固定され、ステージ３に非接触状態で支持面２ａに平行な方向の力を付与する複数の第２静圧軸受６と、第２フレーム７に固定され、第１フレーム５をＸ方向に案内駆動するＸ方向直動案内８、９及びＸ方向駆動源１３等と、第２フレーム７をＹ方向に案内駆動するＹ方向直動案内１１、１２及びＹ方向駆動源１５等で構成される。
【００２２】
定盤２は、一般的に用いられるものであって、鋳鉄、御影石等の石材からなるものを用いることができる。特に、御影石は、大型のものでも比較的容易に入手でき、平面度も良好であるため好ましい。
【００２３】
ステージ３は、直方体状に形成され、底面には４つの第１静圧軸受４が固定され、支持面２ａ上から浮上することができる。このステージ３は、第１フレーム５によって側面が囲繞され、第１フレーム５に固定された８つの第２静圧軸受６から吹き出される空気によってに支持面２ａ上をＸＹ方向に移動可能に構成される。
【００２４】
第１静圧軸受４の各々には、図示しない空気配管から空気が供給され、第１静圧軸受４から支持面２ａに向かって空気が吹き出し、ステージ３を浮上させる。この第１静圧軸受４は、浮上状態にあるステージ３を支持面２ａに向かって吸引する吸引手段を備えることが好ましい。また、第１静圧軸受４は、銅合金又は炭素材料を表面材料（焼結層）とすることが好ましい。尚、銅合金等を備えた第１静圧軸受４に代えて、同様の目的でスクイーズフィルム軸受を用いることもできる。
【００２５】
第１フレーム５は、ステージ３を囲繞可能な内部空間を備え、内側にステージ３を移動させるための第２静圧軸受６が固定される。第２静圧軸受６には、図示しない空気配管を介して空気が供給され、第２静圧軸受６からステージ３に向かって空気が吹き出す。この第２静圧軸受６は、図３に示すように、基部６ａと焼結層６ｂからなり、ナット１８、ボルト１９及びボルト先端の球座２０並びにＯリング２５を介して第１フレーム５に固定され、ステージ３を、定盤２の支持面２ａに対して垂直な軸線回りに位置決めする。
【００２６】
第２フレーム７は、Ｙ方向直動案内１１、１２、Ｙ方向駆動源１５及び駆動モータ２２を介して支持面２ａ上をＹ方向に移動可能に支持面２ａの上方に支持される。この第２フレーム７は、Ｘ方向直動案内８、９、Ｘ方向駆動源１３及び駆動モータ２１を介して第１フレーム５を案内可能に支持する。
【００２７】
Ｘ方向駆動源１３は、第１フレーム５の側面に固着され、第２フレーム７上に支持されたＸ方向駆動用ねじ１４に螺合し、駆動モータ２１が回転することでＸ方向に移動する。Ｘ方向駆動源１３の移動に伴い、第１フレーム５がＸ方向直動案内８、９に沿ってＸ方向に移動する。
【００２８】
Ｙ方向駆動源１５は、第２フレーム７の側面に固着され、支持面２ａ上に支持されたＹ方向駆動用ねじ１６に螺合し、駆動モータ２２が回転することでＹ方向に移動する。Ｙ方向駆動源１５の移動に伴い、第２フレーム７がＹ方向直動案内１１、１２に沿ってＹ方向に移動する。
【００２９】
次に、上記構成を有する平面移動ステージ装置１の動作について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明においては、ステージ３の上面に固定した板状の測定対象物台座２３の表面に載置された測定対象物２４の３次元測定を行う場合を例にとって説明する。尚、図示を省略するが、測定対象物２４の上方には、３次元測定を行うための光学測定装置が配置されているものとする。
【００３０】
平面移動ステージ装置１を図１に示すように組み立てた後、第１静圧軸受４に空気を供給しないで、すなわち第１静圧軸受４の底面が支持面２ａに当接した状態でステージ３の上面に測定対象物台座２３を固定し、測定対象物台座２３の上面に測定対象物２４を載置する。その後、第１静圧軸受４に空気を供給し、ステージ３を浮上させる。
【００３１】
次に、上方の光学測定装置に対する測定対象物２４の位置決めを行うため、第２静圧軸受６に空気を供給し、ステージ３と第１フレーム５とを非接触の状態とした後、Ｘ方向直動案内８、９に沿って第１フレーム５をＸ方向に移動させたり、Ｙ方向直動案内１１、１２に沿って第２フレーム７をＹ方向に移動させることでステージ３をＸＹ方向に移動させる。
【００３２】
より詳細に説明すると、ステージ３をＸ方向に移動させるには、駆動モータ２１を回転させることでＸ方向駆動用ねじ１４を回転させ、Ｘ方向駆動用ねじ１４と螺合するＸ方向駆動源１３の移動とともに第１フレーム５をＸ方向に移動させ、第１フレーム５の移動によって第２静圧軸受６を介してステージ３を、第１フレーム５と非接触の状態でＸ方向に移動させる。一方、ステージ３をＹ方向に移動させるには、駆動モータ２２を回転させることでＹ方向駆動用ねじ１６を回転させ、Ｙ方向駆動用ねじ１６と螺合するＹ方向駆動源１５の移動とともに第２フレーム７をＹ方向に移動させ、これに伴い第２フレーム７上の第１フレーム５もＹ方向に移動するため、第１フレーム５の移動によって第２静圧軸受６を介してステージ３を、第１フレーム５と非接触の状態でＹ方向に移動させることができる。
【００３３】
上記ステージ３のＸＹ方向への移動の際、図３に示した球座２０を介して第２静圧軸受６の調芯を行うことで、ステージ３を支持面２ａに対して垂直な軸線回りに位置決めすることができる。
【００３４】
また、図示を省略するが、第１静圧軸受４に、ステージ３を支持面２ａに向かって吸引する吸引手段を設けることで、浮上状態にあるステージ３を支持面２ａに向かって吸引し、ステージ３の安定した浮上状態を得ることができる。
【００３５】
測定対象物２４の位置決めが完了すると、第１静圧軸受４への空気の供給を停止し、第１静圧軸受４の底面が支持面２ａに当接した状態で、すなわちステージ３の浮上を停止した状態で光学測定装置によって３次元測定を行う。
【００３６】
尚、測定対象物２４が大きく、一度に光学測定装置による３次元測定を行うことができない場合には、一定の焦点距離を保ったまま測定対象物台座２３を平行移動させて測定する。具体的には、静止状態（第１静圧軸受４への空気供給を停止した状態）で一つの視野を観察、測定した後、第１静圧軸受４に空気を供給してステージ３を浮上させて隣接視野に移動し、引き続き３次元測定を行う。
【００３７】
以上のように、本実施の形態においては、第１静圧軸受４によってステージ３の底面を支持面２ａから浮上させた状態で支持するため、第１フレーム５及び第２フレーム７は、鉛直荷重を担わなくて済む。そのため、従来のようにステージ駆動手段の変形を考慮する必要がなく、ステージ駆動手段（本実施の形態においては第１フレーム５、第２フレーム７等）を小型化することができる。
【００３８】
また、ステージ３は、第１静圧軸受４によって非接触で支持されるとともに、第１フレーム５とも非接触であるため、第１フレーム５との組み合わせによる高さの精度誤差が発生することもない。さらに、ステージ３の静止時に定盤２の支持面２ａから浮上させずに支持面２ａに載置された状態とすることで、支持面２ａとの摩擦により安定した状態でステージ３を静止させることができるため、従来のように駆動手段による複雑な静止制御が不要となる。
【００３９】
また、ステージ３は、第１フレーム５と非接触であるため、平面移動ステージ装置１の動作時に第１フレーム５が微少振動を発生させてもその振動を緩和することができ、ステージ３の移動平行度及び位置決め精度を向上させることができる。
【００４０】
上記平面移動ステージ装置１によって、ステージ３について数μｍレベルの移動平行度、数十μｍレベルの平面位置精度を達成することができ、ステージ３の直動案内と駆動源として上記実施形態に示した以外のものも選択することができるため、低コストで平面移動ステージ装置を製造することができる。
【００４１】
さらに、上記平面移動ステージ装置１において、第１静圧軸受４に銅合金又は炭素材料を表面材料（焼結層）として用いたものや、スクイーズフィルム軸受を用いることで、平面移動ステージ装置１の動作中にステージ３が支持面２ａと接触した場合にも、致命的な損傷を免れることができ、定盤２の支持面２ａを損傷させる危険性が大幅に低減される。
【００４２】
尚、本実施の形態においては、ステージ３を直方体状に形成し、フレーム状に形成した第１フレーム５を介してステージ３を移動させたが、ステージ３及び第１フレーム５の形状等は、これらに限定されず、例えば、ステージを平面視円形に形成し、円形の内側空間を有するフレームによってステージを囲繞して移動させるような構成とすることも可能である。
【００４３】
また、本実施の形態においては、ステージ３を浮上させるにあたり第１静圧軸受４を用いたが、第１静圧軸受４以外にも他の空気浮上手段や、リニアモータ等、空気浮上手段以外の浮上手段を用いることもでき、この点については、ステージ３と第１フレーム５との間に設けた第２静圧軸受６についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明にかかる平面移動ステージ装置の一実施の形態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図２】図１の平面移動ステージ装置の分解斜視図である。
【図３】図１の平面移動ステージ装置の調芯装置を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  平面移動ステージ装置
２  定盤
２ａ  支持面
３  ステージ
４  第１静圧軸受
５  第１フレーム
６  第２静圧軸受
６ａ  基部
６ｂ  焼結層
７  第２フレーム
８、９  Ｘ方向直動案内
１１、１２  Ｙ方向直動案内
１３  Ｘ方向駆動源
１４  Ｘ方向駆動用ねじ
１５  Ｙ方向駆動源
１６  Ｙ方向駆動用ねじ
１８  ナット
１９  ボルト
２０  球座
２１  駆動モータ
２２  駆動モータ
２３  測定対象物台座
２４  測定対象物
２５  Ｏリング
【図１】
2010110860.tif 000003
【図２】
2010110860.tif 000004
【図３】
2010110860.tif 000005