(57)【要約】【課題】  容易に配線および配管等のケーブル類による外乱を低減し、もしくは排除することで高精度な位置決め、走り精度を実現することができる直動ステージ装置を提供する。【解決手段】  架台１１に配置されたワーク搭載用ステージ１２と、ワーク搭載用ステージ１２を移動自在に案内支持するリニアガイド１３と、ワーク搭載用ステージ１２をリニアガイド１３上に沿って往復動させるリニアモータ１４と、架台１１とワーク搭載用ステージ１２へとの間に接続される電源線あるいは冷媒管などの配線配管からなるケーブル類１５と、を備えた直動ステージにおいて、ケーブル類１５はワーク搭載用ステージ１２の移動に伴って連れ回る際に、ワーク搭載用ステーシ１２の移動位置に応じてケーブル類の屈曲に対する復元力（外乱）を低減もしくは排除するよう、外乱に対して同じ大きさで、逆向きの力を発生させる板ばね２０を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
架台に平行に対向配置されたワーク搭載用ステージと、
ワーク搭載用ステージを移動自在に案内支持するリニアガイドと、
前記ワーク搭載用ステージを前記架台に対して前記リニアガイド上の長手方向に沿って往復動させる駆動部と、
前記架台と前記ワーク搭載用ステージへとの間に接続される電源線あるいは冷媒管などの配線配管からなるケーブルと、
を備えた直動ステージにおいて、
前記ケーブルは、前記ワーク搭載用ステージの移動に伴って連れ回る際に、前記ワーク搭載用ステーシの移動位置に応じて該ケーブルの屈曲に対する復元力として作用する外乱を低減もしくは排除するよう、前記外乱に対して同じ大きさで、逆向きの力を発生させる外乱低減手段を備えたことを特徴とする直動ステージ装置。
【請求項２】
前記外乱低減手段を備えたケーブルを、前記ワーク搭載用ステージの移動方向となる前後位置に２箇所を設けると共に、前記２箇所のケーブルのうち、一方を配線ケーブル、他方を配管ケーブルとして構成したことを特徴とする請求項１記載の直動ステージ装置。
【請求項３】
前記外乱低減手段は、少なくとも1つを板ばねで構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の直動ステージ装置。
【請求項４】
前記板ばねは、前記ケーブルの屈曲する姿勢に応じて異なる力を発生するように、前記ワーク搭載用ステージの移動方向に沿って形状を変化させたものであることを特徴とする請求項１〜３までの何れか１項に記載の直動ステージ装置。
【請求項５】
前記駆動部はリニアモータで構成したことを特徴とする請求項１に記載の直動ステージ装置。
【請求項６】
前記リニアガイドは空気軸受で構成したことを特徴とする請求項１に記載の直動ステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、精密工作機械、精密測定器、電気部品実装装置あるいは半導体製造装置等などの各種産業機械に使用されると共に、その直動手段の駆動用に好適なリニアモータを搭載した直動ステージ装置に関するものであり、特に高精度位置決めを必要とする直動ステージ装置における配線および配管等のケーブル類の設置における悪影響を排除、または低減する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、直動ステージ装置において、駆動に必要な動力／センサ等の電気配線、冷媒供給に必要な配管といったケーブル類をステージに接続するときには、ケーブル類を格納するケーブルベアを使用したり、ケーブル類を支持する板を用意して該板に沿うようにケーブル類を配置したりしていた。
しかしながら、精密工作機械、精密測定器あるいは半導体製造装置等などのようにナノメートルオーダの高精度な位置決め精度、高精度な走り精度が要求される各種産業機械に使用される直動ステージ装置においては、一端が架台に固定され、多端がステージに接続されたケーブル類がステージの移動に伴って連れ回る際に、ステージの移動位置に応じてケーブル類の屈曲に対する復元力が外乱として作用し、直動ステージ装置の性能を悪化させる要因となっている。
これに対して、ワーク搭載用ステージと連動して動作する副ステージを設置し、前記副ステージをワーク搭載用ステージの推力軸に一致するように結合し、外乱による影響を、ワーク搭載用ステージを動作させるリニアモータなどの推力を用いて補償するようにした直動ステージ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図６は従来の直動ステージ装置の全体斜視図である。
図６において、１１は架台、１２はワーク搭載用ステージ、１３はリニアガイド、１４はリニアモータ、１５は配線および配管等のケーブル類、１６は副ステージ、１７は副ガイド、１８はステージ結合部である。
直動ステージ装置は、基本的には架台１１に平行に対向配置されたワーク搭載用ステージ１２と、ワーク搭載用ステージ１２を移動自在に案内支持するリニアガイド１３と、前記ワーク搭載用ステージ１２を前記架台１１に対して前記リニアガイド１３上の直線方向（Ｘ軸方向）に沿って往復動させるリニアモータ１４と、ワーク搭載用ステージ１２と所定の直線方向に運動して移動する副ステージ１６と、副ステージ１６に連結されたケーブル類１５と、ワーク搭載用ステージ１２と副ステージ１６とを該所定の直線方向と直交する方向に相対移動可能に連結してなるステージ連結部１８と、副ステージ１６を移動自在に案内支持する副ガイド１７ととより構成されている。なお、ワーク搭載用ステージ１２は常にケーブル類１５からの力を受けており、テーブルの静止時、動作時に関わらずケーブル類１５にはケーブルの屈曲に対する復元力が発生している。また、リニアモータ１４は可動子側または固定子側の何れか一方に永久磁石を有した界磁（不図示）を設け、他方に電機子巻線を有した電機子（不図示）を設け、さらに、ワーク搭載用ステージ１２と架台１１には両者の相対位置を検出するための検出手段（不図示）を設けるようになっている。
【０００３】
次に動作について説明する。
リニアモータ１４に図示しないドライバを介して動作指令を送ると、ワーク搭載用ステージ１２が推力により、架台１１に対してリニアガイド１３上の直線方向（図示のＸ軸方向）に移動する際、ワーク搭載用ステージ１２の加速に伴って副ステージ１６が動作するために、副ステージ１６を動作させるための力が必要となる。ここで、ケーブル類１５を固定した副ステージ１６はワーク搭載用ステージ１２にステージ連結部１８を介してのみ連結されており、かつステージ連結部１８はリニアモータ１４の推力軸と同一直線上に設置されているので、ケーブル類１５および副ステージ１７に関する力はすべてリニアモータ１４にて補償されワーク搭載用ステージ１２はＺ軸まわりの外乱を受けることがない。
このように、従来の直動ステージ装置は、配線および配管等のケーブル類を連結するための副ステージをワーク搭載用ステージとは別に配置することにより、ケーブル類に起因する外乱の影響をワーク搭載用ステージを駆動するリニアモータ等の推力によって補償するのである。
【特許文献１】特開２０００−５６０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の直動ステージ装置は、配線および配管等のケーブル類に起因する外乱の影響を低減するために別途配線および配管等のケーブル類を支持する副ステージなどの手段を設けなければならず、高コストになるという問題があった。
また、ワーク搭載用ステージの駆動に用いるリニアモータは、推力によって前記外乱の影響を補償するという方式であることから、外乱を低減するということにはならず、ワーク搭載用ステージに余計な振動を発生させる要因となる問題もあった。
さらには前記ケーブル類による外乱が大きな場合には、より大きな推力を発生させるリニアモータ等の推力源を用意する必要があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、容易に配線および配管等のケーブル類による外乱そのものを低減し、もしくは排除することによって高精度な位置決め、走り精度を実現することができる直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】
【０００５】
上記問題を解決するため、請求項１の発明は、架台に平行に対向配置されたワーク搭載用ステージと、ワーク搭載用ステージを移動自在に案内支持するリニアガイドと、前記ワーク搭載用ステージを前記架台に対して前記リニアガイド上の長手方向に沿って往復動させる駆動部と、前記架台と前記ワーク搭載用ステージへとの間に接続される電源線あるいは冷媒管などの配線配管からなるケーブルと、を備えた直動ステージにおいて、前記ケーブルは、前記ワーク搭載用ステージの移動に伴って連れ回る際に、前記ワーク搭載用ステーシの移動位置に応じてケーブルの屈曲に対する復元力として作用する外乱を低減もしくは排除するよう、前記外乱に対して同じ大きさで、逆向きの力を発生させる外乱低減手段を備えたものである。
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の直動ステージ装置において、前記外乱低減手段を備えたケーブルを、前記ワーク搭載用ステージの移動方向となる前後位置に２箇所を設けると共に、前記２箇所のケーブルのうち、一方を配線ケーブル、他方を配管ケーブルとして構成したものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の直動ステージ装置において、前記外乱低減手段は、板ばねで構成したものである。
また、請求項４の発明は、請求項１〜３までの何れか１項に記載の直動ステージ装置において、前記板ばねは、前記ケーブルの屈曲する姿勢に応じて異なる力を発生するように、前記ワーク搭載用ステージの移動方向に沿って形状を変化させたものである。
また、請求項５の発明は、請求項１に記載の直動ステージ装置において、前記駆動部をリニアモータで構成したものである。
また、請求項６の発明は、請求項１に記載の直動ステージ装置において、前記リニアガイドを空気軸受で構成したものである。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１に記載の発明によると、配線および配管等のケーブル類に起因するワーク搭載用ステージへの外乱は該ケーブル類に設置されると共に外乱に対して同じ大きさで、逆向きの力を発生させる外乱低減手段により排除もしくは低減することができ、高精度位置決めを実現することができる。
請求項２に記載の発明によると、前記請求項１に記載の発明の効果に加えて、電源系統と信号系統を分離することができるため、信号系統へのノイズを低減することこともできる。さらに加えて、配線および配管等のケーブル類の数が多い場合には、従来、多段に積み重ねて配置するなどしていたが、本発明ではこれを二系統にわけるために多段に積み重ねる配線および配管等のケーブル類が減少し、配線および配管等のケーブル類同士によるこすれが少なくなり発塵を減少させることもできる。
請求項３に記載の発明によると、前記請求項１および請求項２に記載の発明の効果に加えて、板ばねという保存されたエネルギを使用する外乱低減手段を使用するために、何らかのエネルギの供給を必要とするアクチュエータを使用する場合に比べて省エネルギ効果が期待できる。
請求項４に記載の発明によると、ワーク搭載用ステージの移動方向に沿って外乱低減手段の形状を変化させることで、ケーブルの屈曲する姿勢に応じて異なる力を効率良く発生させることができる。
請求項５に記載の発明によると、ワーク搭載用ステージの駆動部をリニアモータで構成することにより、フリクションが無く、ワーク搭載用ステージをスムーズに加速あるいは減速させたりすることができるので、余計な振動を発生することがなく、外乱に対する外乱低減手段の負担を軽くすることができる。
請求項６の発明は、リニアガイドを空気軸受で構成することにより、フリクションが無く、ワーク搭載用ステージをスムーズに加速あるいは減速させたりすることができるので、余計な振動を発生することがなく、外乱に対する外乱低減手段の負担を軽くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、本発明の構成要素が従来技術と同じものについては同一符号を付してその説明を省略し、異なる点のみ説明する。
【実施例１】
【０００８】
図１は、本発明の第１実施例の構成を示す図である。
【０００９】
図において、２０は外乱低減手段であって、ここでは板ばねを用いた例を示したものとなっている。
【００１０】
本発明が従来技術と異なる点は以下のとおりである。
すなわち、直動ステージ装置においては、ケーブル類１５は、ワーク搭載用ステージ１２の移動に伴って連れ回る際に、ワーク搭載用ステーシ１２の移動位置に応じてケーブル類の屈曲に対する復元力として作用する外乱を低減もしくは排除するよう、外乱に対して同じ大きさで、逆向きの力を発生させる外乱低減手段である板ばね２０を備えている点である。なお、ワーク搭載用ステージ１２の駆動部は、リニアモータ１４で構成すると共に、リニアガイド１３を空気軸受で構成することにより、フリクションを無くし、ワーク搭載用ステージをスムーズに加速あるいは減速させたりすることで、余計な振動を発生しないよう、外乱低減手段の負担を軽くするようにしてある。
【００１１】
次に、外乱低減手段およびその動作について具体的に説明する。
図２は外乱低減手段の特性を示した模式図である。なお、横軸はステージ位置を示し、縦軸は力を示すと共に、横軸の原点Ｏを通り、縦軸に一致する線はステージのストローク方向の中心位置を兼ねている。
図２において、点線はケーブル類１５がワーク搭載用ステージ１２に及ぼす、ワーク搭載用ステージ１２の移動位置に応じて変化する外乱を表している。これに対して、実線は外乱低減手段の発生力であって、ケーブル類１５がワーク搭載用ステージ１２に及ぼす、ワーク搭載用ステージ１２の移動位置に応じて変化する外乱を低減する役割を担うものである。すなわち、外乱に対する外乱低減手段の発生力は同一の大きさで、力の発生方向を逆向きとしたものである。
図３は外乱低減手段となる板ばねの具体的な形状を示す平面図である。
図２の実線で示した外乱低減手段の特性の一部が、例えば図３に示すような板ばね２０の形状によって実現される。すなわち、この板ばね２０はステージの移動位置に沿ってケーブル類１５の屈曲する姿勢、位置に応じて異なる力を発生するように、図３に示すごとく、ワーク搭載用ステージ１２の移動方向に沿って形状を変化させたものとなっている。具体的には図２において、力の軸の正領域(上側半分)だけの特性をもつようなものである。そのため、図２においては、力の軸の負領域の特性を示すための外乱低減手段は板ばねではなく、何らかの屈曲可能なアクチュエータ（例えば、空気圧アクチュエータなど）を用いると良い。
図１に示される直動ステージ装置において、リニアモータに図示しないドライバを介して動作指令を送ると、ワーク搭載用ステージはガイド１３に沿って移動する。このとき配線および配管等のケーブル類１５は屈曲位置を変化させながら動作する。ワーク搭載用ステージ１２が図２に示すように横軸のステージ位置が負領域にあると、配線および配管等のケーブル類が外乱として正方向の力を発生させるが、外乱低減手段２０である板ばねの屈曲に対する復元力などによって外乱に抗する力が発生する。この力の大きさは予め計測された配線および配管等のケーブル類の外乱の大きさと同じになるように設計された図３の形状に基づく板ばねが発生する力であり、この結果、ワーク搭載用ステージ１２に対してはほとんど力を加えないことになる。
また、配線および配管等のケーブル類１５に沿って設けられた外乱低減手段２０に板ばねを用いずにすべてを空気圧アクチュエータのようなもので構成しても同様の効果が得られることは当然のことである。
【００１２】
したがって、本発明の第１実施例は上記構成に示すように、直動ステージ装置に対しての事前に計測可能な外乱についてそれを打ち消すような力を発生させる外乱低減手段を設けることで、ワーク搭載用ステージへの外乱を低減、あるいは相殺させることができる。その結果、直動ステージ装置の位置決め精度の向上、停止時振動の低減を実現することができる。
また、ワーク搭載用ステージへの外乱を発生させる配線および配管等のケーブル類に沿って力を発生させる外乱低減手段を設置していることで外乱とそれに抗する２つの力の軸が一致する。
また、ワーク搭載用ステージに対するヨーイング成分の力が低減することとなり、姿勢精度の向上も実現することができる。
【実施例２】
【００１３】
図４は第２実施例を示す直動ステージ装置の斜視図である。
第２実施例が第１実施例と異なる点は、板ばね２０を備えたケーブル類１５を、ワーク搭載用ステージ１２の移動方向となる前後位置に２箇所を設けると共に、２箇所のケーブル類１５のうち、一方を配線ケーブル、他方を配管ケーブルとして構成して対象に配置した点である。
この第２実施例の場合も、配線および配管等のケーブル類１５がワーク搭載用ステージ１２に及ぼすワーク搭載用ステージ１２の位置に応じて変化する外乱は第１実施例の場合と同様で図２における点線のような特性である。ここで第２実施例においては外乱低減手段２０に板ばねを用いる場合は、図５のような配置とすることで図２の実線のような特性を実現することができる。
図５は、図４の外乱低厳手段を説明するための図であって、（ａ）はケーブル類１５に接続された状態を示す側面図、（ｂ）は外乱低厳手段の平面図を示したものである。
また、図４においては外乱低減手段２０を配線および配管等のケーブル類１５の外側に配置しており、図５では内側に配置しているが得られる効果は全く同じである。図５における左側に配置された板ばねは、図２のステージ位置が負領域における実線の特性を示し、図５における右側に配置された板ばねは、図２のステージ位置が正領域における実線の特性を示すものとなっている。
次に、動作を簡単に説明する。
図５において、右方向を正方向とした場合に、ワーク搭載用ステージ１２が負方向に移動した場合には、図２に示すように配線および配管等のケーブル類による外乱がワーク搭載用ステージに対して正方向に作用するが、このとき左側のケーブル類１５に配置された外乱低減手段である板ばね２０が作用し負方向への力を発生させ、外乱を低減、もしくは相殺する。同様に正方向にワーク搭載用ステージが移動した場合、配線および配管等のケーブル類による外乱がワーク搭載用ステージに対して負方向に作用するが、このとき右側のケーブル類１５に配置された外乱低減手段である板ばね２０が作用し正方向への力を発生させ外乱を低減させる。
これによってワーク搭載用ステージ１２がどの位置にあっても配線および配管等のケーブル類１５による外乱は外乱低減手段２０によって低減、もしくは相殺される。
また、第２実施例は、板ばねのほか別途アクチュエータを使用することなく、板ばねのみで外乱低減手段２０を構成し、配線および配管等のケーブル類１５によるワーク搭載用ステージ１２への外乱を低減することができる。
【００１４】
したがって、本発明の第２実施例は上記構成に示すように、二系統に分けた配線および配管等のケーブル類１５それぞれに第１実施例同様の外乱低減手段２０を設置することによって、第１実施例同様にケーブル類１５によるワーク搭載用ステージ１２への外乱を低減もしくは相殺することができるうえ、電源系統と信号系統の配線を分離することもできるため信号系統へのノイズを低減することもできる。
さらに加えて、従来は配線および配管等のケーブル類１５の数が多い場合には多段に積み重ねて配置するなどしていたが、これを二系統にわけるために多段に積み重ねる配線および配管等のケーブル類が減少し、配線および配管等のケーブル類同士によるこすれが少なくなり発塵を減少させることもできる。また、この場合には外乱低減手段２０を板ばねのみで構成することができるため、構成が容易で低コストを実現することができる。
【００１５】
また、通常直動ステージにおける配線および配管等はケーブルベア等に収納・保護される場合が多いが、これらのケーブルベア等に前記外乱低減手段を設置することによっても同様の効果が得られることは当然のことである。この場合には外乱低減手段の設計自由度が高くなり設置が容易になることが期待できる。さらに、ここではワーク搭載用ステージの駆動源としてリニアモータを用いて説明したが、本発明における駆動源を限定するものではなく、いかなる駆動源であっても同様の効果が得られることはもちろんのことである。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、精密位置決めを必要とする直動ステージ装置、およびそのような直動ステージ装置を必要とする各種半導体製造装置等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例を示す直動ステージ装置の斜視図
【図２】外乱低減手段の特性を示した模式図
【図３】外乱低減手段となる板ばねの具体的な形状を示す平面図
【図４】本発明の第２実施例を示す直動ステージ装置の斜視図
【図５】図４の外乱低厳手段を説明するための図であって、（ａ）はケーブル類１５に接続された状態を示す側面図、（ｂ）は外乱低厳手段の平面図
【図６】従来の直動ステージ装置の斜視図
【符号の説明】
【００１８】
１１  架台
１２  ワーク搭載用ステージ
１３  リニアガイド
１４  リニアモータ
１５  ケーブル類（配線および配管等のケーブル）
１６  副ステージ
１７  副ガイド
１８  ステージ結合部
２０  外乱低減手段(板ばね）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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