(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内にＸ軸方向に移動する２つの受圧体と、これら受圧体の間をＹ軸方向に移動する可動体とを備えるとともに、上記受圧体とシリンダとで形成される２つの加圧室及び上記可動体とシリンダ及び受圧体とで形成される２つの加圧室にそれぞれ流体を噴出するノズルを具備する圧力調整部を配設してなり、上記可動体とシリンダ、可動体と受圧体、及び受圧体とシリンダとの間隙に、上記ノズルで圧縮流体を供給して可動体及び受圧体をシリンダ内でそれぞれ静圧支持するとともに、これらの圧縮流体を上記４つの加圧室に導き、各加圧室内の圧力を前記圧力調整部でもって調整することで上記可動体をＸＹ軸方向に移動自在としたことを特徴とする二軸位置決め装置。
【請求項２】
上記圧力調整部が、上記ノズルと、該ノズルの噴出口の開口度を可変にするための圧力調整体とから成ることを特徴とする請求項１記載の二軸位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動体をＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ移動させて位置決めする二軸位置決め装置に関するものであり、具体的には半導体製造工程で使用されるボンディング装置や電子部品の実装工程等で使用される位置決め装置などに好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、位置決め装置の多軸化、例えば、ＸＹ軸方向の２軸の位置決めには、図５に示すような二軸位置決め装置２００が使用されている。
【０００３】
この二軸位置決め装置２００は、基盤２０１と、該基盤２０１上に配置されるＸステージ２０２と、該Ｘステージ２０２を上記基盤２０１に対してＸ軸方向に移動させるための第１のガイド部材２０３と、上記Ｘステージ２０２上に配置されるＹステージ２０４と、該Ｙステージ２０４をＹ軸方向に移動させるための第２のガイド部材２０５とからなり、Ｘステージ２０２をボールネジ２０６を介してモータ２０７によりＸ軸方向に移動、位置決めするとともに、Ｘステージ２０３上のＹステージ２０４をボールネジ２０８を介してモータ２０９によりＹ軸方向に移動、位置決めすることによりＹステージ２０４を所定位置に位置決めするようにしたものがあった（特開平５−２３８９０号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図５に示す二軸位置決め装置２００は、Ｘステージ２０２が第１のガイド部材２０３と、Ｙステージ２０４が第２のガイド部材２０５とそれぞれすべり摺動であることから、各ステージ２０２，２０４の移動時に振動を生じ易く、滑らかに移動させることができないといった課題があった。
【０００５】
しかも、各ステージ２０２，２０４を駆動させるためにボールネジ２０６，２０８を使用していることから、ボールネジ２０６，２０８を構成するナット（不図示）とネジ軸２０６ａ，２０８ａの接点が点接触または線接触であるために振動や剛性低下を生じるとともに、ボール径のバラツキによるスラスト剛性の変動を抑えることが難しいことから、位置決め精度に悪影響を与えるといった課題があった。
【０００６】
その上、図５に示す二軸位置決め装置２００は、Ｘステージ２０２の上にＹステージ２０４が配置された構造であることから、装置２００全体を小型化することができず、さらに、Ｘステージ２０２にはＹステージ２０４、第２のガイド部材２０５、ボールネジ２０８、モータ２０９の重量が加わることから、Ｘステージ２０２の応答性が悪く、高速位置決めには限界があった。
【０００７】
【課題を解決するために手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、シリンダ内にＸ軸方向に移動する２つの受圧体と、これら受圧体の間をＹ軸方向に移動する可動体とを備えるとともに、上記受圧体とシリンダとで形成される２つの加圧室及び上記可動体とシリンダ及び受圧体とで形成される２つの加圧室にそれぞれ流体を噴出するノズルを具備する圧力調整部を配設してなり、上記可動体とシリンダ、可動体と受圧体、及び受圧体とシリンダとの間隙に、上記ノズルで圧縮流体を供給して可動体及び受圧体をシリンダ内でそれぞれ静圧支持するとともに、これらの圧縮流体を上記４つの加圧室に導き、各加圧室内の圧力を前記圧力調整部でもって制御することにより上記可動体をＸＹ軸方向に移動させるようにして二軸位置決め装置を構成したものである。
【０００８】
また、本願発明は上記圧力調整部を、上記ノズルと、該ノズルの噴出口の開口度を可変にするための圧力調整体とから構成したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
図１（ａ）は本発明に係る二軸位置決め装置１００の一例を示す斜視図で、（ｂ）は（ａ）の横断面図であり、シリンダ１０１内にはＸ軸方向に移動する２つの受圧体１０２，１０３と、これらの受圧体１０２，１０３間をＹ軸方向に移動する可動体１０４とを備え、上記受圧体１０２とシリンダ１０１とで第１の加圧室１１０を形成するとともに、上記受圧体１０３とシリンダ１０１とで第２の加圧室１１１を形成し、さらに前記可動体１０４とシリンダ１０１及び受圧体１０２，１０３とで第３及び第４の加圧室１１２，１１３をそれぞれ形成してある。
【００１０】
また、シリンダ１０１の上面中央部には開口部１０１ａを設けて可動体１０４の上面を露出させ、この可動体１０４の上面をテーブル１０４ｃとするとともに、可動体１０４の移動に伴うＸ軸方向の位置とＹ軸方向の位置をＸＹ位置センサ１０５により同時に検出するようにしてある。
【００１１】
なお、上記ＸＹ位置センサ１０５としては、図３に示すような薄板状のＸＹスケール１０５ａと検出ヘッド１０５ｂとからなる光学反射式のものを用いることができ、例えば、上記ＸＹスケール１０５ａを可動体１０４の下面に取着するとともに、これと対向するシリンダ１０１に検出ヘッド１０５ｂを設けてＸＹ位置センサ１０５を構成すれば良い。
【００１２】
さらに、各加圧室１１０〜１１３にはノズル１０６〜１０９を介して圧力調整部１１４〜１１７を配設するとともに、上記ノズル１０６〜１０９には圧力センサ１１８〜１２１をそれぞれ設けてある。
【００１３】
また、図２（ａ）（ｂ）に二軸位置決め装置１００のシリンダ１０１内に備える受圧体１０２（１０３）と可動体１０４の斜視図を示すように、図２（ａ）に示す受圧体１０２，１０３には、受圧面１０２ｄ，１０２ｅ（１０３ｄ，１０３ｅ）を除く外周面に切欠溝１０２ａ（１０３ａ）と、これに連通するＴ字状の絞り溝１０２ｂ（１０３ｂ）を複数個形成してあり、受圧体１０２（１０３）とシリンダ１０１との隙間に静圧流体層を形成して静圧軸受を構成するとともに、第１の加圧室１１０と第３，４の加圧室１１２，１１３間、及び第２の加圧室１１１と第３，４の加圧室１１２，１１３間をシールするようにしてある。また、図２（ｂ）に示す可動体１０４には、受圧部１０４ｄ，１０４ｅの外周近傍にＴ字状の絞り溝１０４ｂを複数個形成してあり、可動体１０４とシリンダ１０１及び可動体１０４と受圧体１０２，１０３との隙間にそれぞれ静圧流体層を形成して静圧軸受を構成するとともに、第３の加圧室１１２と第４の加圧室１１３間をシールするようにしてある。
【００１４】
一方、この二軸位置決め装置１００に備える圧力調整部１１４〜１１７は、各加圧室１１０〜１１３と連通する前記ノズル１０６〜１０９と、このノズル１０６〜１０９の噴出側に配置した圧力調整体としての圧力調整板１１４ａ〜１１７ａと、該圧力調整板１１４ａ〜１１７ａを駆動させてノズル１０６〜１０９との距離ｄ１  〜ｄ４  を可変にするための圧電アクチュエータ１１４ｂ〜１１７ｂとを備え、上記ノズル１０６〜１０９の周囲に圧縮流体を供給する圧力供給孔１１４ｃ〜１１７ｃと、これらの供給された圧縮流体を逃がすための排出孔１１４ｄ〜１１７ｄを備えている。
【００１５】
その為、この圧力調整部１１４〜１１７では、加圧室１１０〜１１３内の流体がノズル１０６〜１０９から噴出し、圧力供給孔１１４ｃ〜１１７ｃからの流体と合わさって圧力調整板１１４ａ〜１１７ａにより抵抗を受けながら排出孔１１４ｄ〜１１７ｄより排出されることになる。そして、圧電アクチュエータ１１４ｂ〜１１７ｂを伸ばしてノズル１０６〜１０９と圧力調整板１１４ａ〜１１７ａとの距離ｄ１  〜ｄ４  を小さくすると、ノズル１０６〜１０９の開口度が小さくなるために流体噴出に対する抵抗が大きくなり、加圧室１１０〜１１３内の圧力を高くすることができ、逆に、圧電アクチュエータ１１４ｂ〜１１７ｂを縮めて上記距離ｄ１  〜ｄ４  を大きくすると、ノズル１０６〜１０９の開口度が大きくなるために流体噴出に対する抵抗が小さくなり、加圧室１１０〜１１３内の圧力を低くすることができるというように、圧電アクチュエータ１１４ｂ〜１１７ｂへの通電を制御して伸縮駆動させることにより、加圧室１１０〜１１３内の圧力を制御することができる。
【００１６】
次に、図１に示す二軸位置決め装置１００の作動原理を説明する。
この二軸位置決め装置１００を作動させるためには、まず、第３，４の加圧室１１２，１１３に供給する圧縮流体の供給圧が第１，２の加圧室１１０，１１１に供給する圧縮流体の供給圧より大きくなるように、各圧力調整部１１４〜１１７の圧力供給孔１１４ｃ〜１１７ｃに圧縮流体を供給すると、圧力調整部１１６，１１７のノズル１０６〜１０９から噴出された圧縮流体は第３，第４の加圧室１１２，１１３内の圧力を高めるとともに、シリンダ１０１に形成した開口部１０１ａに向かって流れることから、可動体１０４とシリンダ１０１との隙間及び可動体１０４と受圧体１０２，１０３との隙間にそれぞれ圧縮流体が供給され、これらの隙間に静圧流体層を形成して静圧軸受を構成するとともに、各受圧体１０２，１０３とシリンダ１０１との隙間にも供給され、静圧軸受を構成する。
【００１７】
その為、受圧体１０２，１０３をシリンダ１０１内において非接触の状態で静圧支持することができるとともに、可動体１０４をシリンダ１０１と受圧体１０２，１０３とで囲まれた空間内に非接触の状態で静圧支持することができる。
【００１８】
なお、第３，第４の加圧室１１２，１１３に供給された圧縮流体はシリンダ１０１の開口部１０１ａから絶えず放出されることになるが、可動体１０４とシリンダ１０１との隙間が狭いことから圧縮流体の急激な放出を防ぐことができる。
【００１９】
また、各圧力調整部１１４〜１１７のノズル１０６〜１０９より噴出された圧縮流体は、各加圧室１１０〜１１３の圧力を高めるように作用するが、圧力調整部１１４，１１５により第１の加圧室１１０と第２の加圧室１１１とが一定圧となるように調整するとともに、圧力調整部１１６，１１７により第３の加圧室１１２と第４の加圧室１１３とが一定圧となるようにそれぞれ調整することで、可動体１０４をシリンダ１０１内の所定位置に位置決めすることができる。
【００２０】
次に、可動体１０４を移動させる場合、圧力調整部１１４，１１５の圧電アクチュエータ１１４ｂ，１１５ｂへの通電を制御して第１の加圧室１１０と第２の加圧室１１１に圧力差をつければ、この圧力差に応じて受圧体１０２，１０３とこれらの間に静圧支持された可動体１０４をＸ軸方向の所定位置まで移動させることができ、さらに、圧力調整部１１６，１１７の圧電アクチュエータ１１６ｂ，１１７ｂへの通電を制御して第３の加圧室１１２と第４の加圧室１１３に圧力差をつければ、この圧力差に応じて受圧体１０２，１０３間に静圧支持された可動体１０４をＹ軸方向の所定位置まで移動させることができるというように、各加圧室１１０〜１１４内の圧力を圧力調整部１１４〜１１７にて制御することにより、可動体１０４をＸＹ軸方向に移動させ、位置決めすることができる。
【００２１】
なお、可動体１０４の移動や位置決めは図４に示すように、ＸＹ位置センサ１０５からの位置データと、各圧力調整部１１４〜１１７のノズル１０６〜１０９に設けた圧力センサ１１８〜１２１から得た圧力データを制御部１３０のデジタルシグナルプロセッサ（以下、ＤＳＰと略称する）に入力して、ＸＹ位置センサ１０５からの位置データを比例要素（Ｐ）、積分要素（Ｉ）、微分要素（Ｄ）の各パラメータとし、各圧力センサ１１８〜１２１からの圧力信号を加速要素（Ｇ）のパラメータとして増幅器１３１，１３２を介してフィードバック制御すれば良い。また、作動原理の説明では、可動体１０４をＸ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ別々に移動させて説明したが、各各加圧室１１０〜１１４内の圧力を圧力調整部１１４〜１１７により制御することで可動体１０４を所定位置まで直線的に移動させることができる。
【００２２】
このように、本発明に係る二軸位置決め装置１００は、シリンダ１０１内に受圧体１０２，１０３を配置するとともに、これらの受圧体１０２，１０３の間に可動体１０４を配置し、受圧体１０２，１０３及び可動体１０４をそれぞれシリンダ１０１内で静圧支持するようにしたことから、受圧体１０２，１０３及び可動体１０４の移動に伴う摺動抵抗が皆無であることからスムーズに移動させることができる。しかも、受圧体１０２，１０３及び可動体１０４の駆動手段として従来の二軸位置決め装置のようにボールネジを介してのモータによる駆動ではなく、各加圧室１１０〜１１３に噴出させる圧縮流体を駆動手段としてあることから、可動体１０４の応答性を高めることができる。特に、図１に示す二軸位置決め装置１００は、圧力調整部１１４〜１１７をノズル１０６〜１０９と圧力調整体としての圧力調整板１１４ａ〜１１７ａ及び圧電アクチュエータ１１４ｂ〜１１７ｂとにより構成してあることから、ノズル１０６〜１０９の径を大きくして排出量を多くしたり、圧力供給孔１１４ｃ〜１１７ｃに供給する圧縮流体の供給圧を高めることにより可動体１０４の動作速度をさらに速くすることができるため、可動体１０４の高速位置決めを可能とすることができる。
【００２３】
さらに、本発明の二軸位置決め装置１００は、受圧体１０２，１０３と可動体１０４をシリンダ１０１内に配置した構造としてあることから、従来の二軸位置決め装置に比べて小型化することができる。
【００２４】
なお、圧力調整部１１４〜１１７は図１に示したものだけに限らず、従来より知られているダイヤフラム式の圧力調整弁を用いることもできる。
【００２５】
また、上記二軸位置決め装置１００を構成するシリンダ１０１、受圧体１０２，１０３、可動体１０４、あるいは圧力調整部１１４〜１１７の圧力調整板１１４ａ〜１１７ａの材質は、軽量で比較的高精度に加工可能なステンレスやアルマイト処理したアルミニウムを用いれば良く、さらに好ましくは軽量で高精度に加工でき、しかも高剛性で熱変形が少ない、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素等を主成分とするセラミックスで形成すれば良い。
【００２６】
【実施例】
図１に示す二軸位置決め装置１００を製作し、その性能について測定を行った。
【００２７】
各部材の寸法は以下の通りである。
【００２８】
0003591800.tif 000002
そして、この二軸位置決め装置１００の圧力調整部１１６，１１７より作動圧力として２．０ｋｇ／ｃｍ２  の圧縮流体を第３，４の加圧室１１２，１１３に供給するとともに、圧力調整部１１４，１１５より作動圧力として１．０ｋｇ／ｃｍ２  の圧縮流体を第１，２の加圧室１１０，１１１に各々供給して可動体１０４及び受圧体１０２，１０３をシリンダ１０１内でそれぞれ静圧支持させ、可動体１０４を位置決めしたあと、各加圧室１１０〜１１３内の圧力を調整して可動体１０４を移動させることにより、真直度、真直度再現性、位置決め再現性、最大動作速度、最大加速度をそれぞれ測定した。
【００２９】
また、比較のために図５に示す従来の二軸位置決め装置２００についても同様に測定を行った。
【００３０】
本発明の二軸位置決め装置１００の結果は表１に、従来の二軸位置決め装置２００の結果は表２にそれぞれ示す通りである。
【００３１】
【表１】
0003591800.tif 000003
【００３２】
【表２】
0003591800.tif 000004
【００３３】
この結果、本発明の二軸位置決め装置１００は、従来の二軸位置決め装置２００に比べて優れた真直度を有しており、真直度再現性及び位置決め再現性にも優れていた。
【００３４】
また、従来の二軸位置決め装置２００では、Ｘステージ２０２にＹステージ２０４、第２のガイド部材２０５、ボールネジ２０８、モータ２０９の重量が加わっていることからＸステージ２０２の最大速度が０．２５ｍ／ｓｅｃ、最大加速度が０．３Ｇと、Ｙステージ２０４に比べて非常に遅く、応答性が悪いものであった。
【００３５】
これに対し、本発明の二軸位置決め装置１００は、可動体１０４のＸ軸方向及びＹ軸方向の動作速度をほぼ同等程度とすることができるとともに、両軸方向の最大速度が１ｍ／ｓｅｃ以上、最大加速度が１３Ｇ以上と速く、可動体１０４を高速度に移動させることができる。
【００３６】
このように、本発明の二軸位置決め装置１００は、従来の二軸位置決め装置２００に比べて優れた精度を有するとともに、高速位置決めが可能であることが判る。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、シリンダ内にＸ軸方向に移動する２つの受圧体と、これら受圧体の間をＹ軸方向に移動する可動体とを備えるとともに、上記受圧体とシリンダとで形成される２つの加圧室及び上記可動体とシリンダ及び受圧体とで形成される２つの加圧室にそれぞれ圧力調整部を配設してなり、上記可動体とシリンダ、可動体と受圧体、及び受圧体とシリンダとの間隙に圧縮流体を供給して可動体及び受圧体をそれぞれ静圧支持するとともに、これらの圧縮流体を上記４つの加圧室に導き、各加圧室内の圧力を前記圧力調整部でもって調整することで上記可動体をＸＹ軸方向に移動させるようにして二軸位置決め装置を構成したことから、可動体の動作速度を高めることができるとともに、スムーズに移動させることができるため、高速位置決めを可能とすることができる。しかも、スラスト方向およびラジアル方向の剛性が高く、動作抵抗や動作反力が極めて小さいことから振動等を生じることがない。その上、摺動部分や屈曲部分がないことから経時劣化がないため、長期間にわたって優れた位置決め再現性（繰り返し性）を得ることができる。
【００３８】
また、従来の二軸位置決め装置のようにテーブルを別々に形成する必要がないために装置全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る二軸位置決め装置の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は横断面図である。
【図２】（ａ）は図１の二軸位置決め装置に備える受圧体を示す斜視図、（ｂ）は図１の二軸位置決め装置に備える可動体を示す斜視図である。
【図３】ＸＹ位置センサーを示す構成図である。
【図４】本発明に係る二軸位置決め装置の動作原理を説明するための図である。
【図５】従来の二軸位置決め装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１００・・・二軸位置決め装置、１０１・・・シリンダ、１０１ａ・・・開口部
１０２，１０３・・・受圧体、１０２ａ，１０３ａ・・・切欠溝、
１０２ｂ，１０３ｂ・・・絞り溝、
１０２ｄ，１０２ｅ，１０３ｄ，１０３ｅ・・・受圧面、
１０４・・・可動体、１０４ｂ・・・絞り溝、１０４ｃ・・・テーブル、
１０４ｄ，１０４ｅ・・・受圧面、１０５・・・ＸＹ位置センサ、
１０６〜１０９・・・ノズル、１１０〜１１３・・・加圧室、
１１４〜１１７・・・圧力調整部、１１４ａ〜１１７ａ・・・圧力調整体、
１１４ｂ〜１１７ｂ・・・圧電アクチュエータ、
１１４ｃ〜１１７ｃ・・・圧力供給孔
１１４ｄ〜１１７ｄ・・・排出孔、１１８〜１２１・・・圧力センサ
【図１】
0003591800.tif 000005
【図２】
0003591800.tif 000006
【図３】
0003591800.tif 000007
【図４】
0003591800.tif 000008
【図５】
0003591800.tif 000009