(57)【要約】【課題】テーブルの位置決め応答性を向上し、熱膨張による静圧軸受のギャップ変動が少ない、装置のコストを削減できる静圧軸受テーブルを提供する。【解決手段】案内面を持つ案内レール１６〜１８と、案内レール１６〜１８の案内面に静圧軸受により支持されて案内レール１６〜１８に沿って移動するテーブル４と、テーブル４を案内レール１６〜１８に沿って移動させる駆動手段５（６，７）とを備えた静圧軸受テーブルにおいて、案内レールを分離してテーブルのヨーイング方向を支持するヨーイング方向案内レール１８とテーブル４の重力方向を支持する重力方向案内レール１６，１７とに分け、テーブル４の重心Ｇ位置近く（離間距離Ｌ）にヨーイング方向案内レール１８を配置し、テーブル４の両端部近くに重力方向案内レール１６，１７を配置した。【選択図】    図１
2004150493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
案内面を持つ案内レールと、前記案内レールの案内面に静圧軸受により支持されて前記案内レールに沿って移動するテーブルと、前記テーブルを前記案内レールに沿って移動させる駆動手段とを備えた静圧軸受テーブルにおいて、
前記案内レールを分離して前記テーブルのヨーイング方向を支持するヨーイング方向案内レールと前記テーブルの重力方向を支持する重力方向案内レールとに分け、前記テーブルの重心位置近くに前記ヨーイング方向案内レールを配置し、前記テーブルの両端部近くに前記重力方向案内レールを配置したことを特徴とする静圧軸受テーブル。
【請求項２】
前記ヨーイング方向案内レール断面が扁平長方形であり、該扁平長方形の長手方向の対面する２面を案内面としたことを特徴とする請求項１記載の静圧軸受テーブル。
【請求項３】
前記ヨーイング方向案内レールが平行に複数並べられたことを特徴とする請求項１又は２記載の静圧軸受テーブル。
【請求項４】
前記テーブルに重力方向の与圧をかける機構を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の静圧軸受テーブル。
【請求項５】
前記案内レールを低熱膨張鋳物で構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の静圧軸受テーブル。
【請求項６】
前記テーブルのヨーイング方向の案内を前記ヨーイング方向案内レールと静圧軸受により支持される構成に替えて、前記ヨーイング方向案内レールの案内面との距離を計測するギャップセンサと、該ギャップセンサの検出したギャップ変動に応じて前記テーブルのヨーイング方向を制御できるアクチュエータを備えた構成にしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の静圧軸受テーブル。
【請求項７】
前記ギャップセンサをテーブル進行方向に対して２個直列に配置し、前記テーブルのヨーイング回転角度を検出し、前記ヨーイング方向アクチュエータをテーブル進行方向に対して２個直列に配置し、それぞれが反対方向に力を発生させることを特徴とする請求項６記載の静圧軸受テーブル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、案内レールの案内面に静圧軸受により支持され、案内レールに沿ってリニアモータ等の駆動手段により移動する静圧軸受テーブルに関し、例えば半導体製造装置用の位置決め手段や、一般の加工機、組立機、検査機等の位置決め手段に適用可能な位置決め技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体製造装置用の露光装置、ボンダ等の精密加工装置、或いは精密な組立、検査等を行う装置においては、その駆動手段として用いられる静圧軸受テーブルに対して精密、且つ高速な位置決め機能が要求される。この種の静圧軸受テーブルには、レールの案内面に外部の空気供給源より圧力をかけて供給した空気等の流体を吐出させ、非接触でテーブルを案内する静圧軸受が多く用いられる。
静圧軸受は、空気等の流体の膜により数μｍのギャップ間を浮上しているので、摺動抵抗が少なく、案内、静圧軸受の表面の微小なうねり、表面粗さに影響されることなく、テーブル面内で平均化された浮上量を保つ平均化効果が得られるので、非常に精度の高い位置決めが可能である。
静圧軸受を用いた従来の静圧軸受テーブルとしては、例えば、特許文献１および特許文献２記載のものがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２８３４４号公報
【特許文献２】
特開２０００−９０５９９号公報
【０００４】
図７は静圧軸受を用いた従来の静圧軸受テーブルの一例を示すもので、静圧軸受テーブルの進行方向から見た正断面図である。なお、図中のＧはテーブルの重心位置、Ｘはテーブルのヨーイング方向、Ｙはテーブルの進行方向、Ｚは重力方向を示す。
図において、１はベース、２および３は案内レール、４はテーブル、５はリニアモータ、６はマグネットトラック、７はコイル、８はリニアセンサ、９はスケール、１０はセンサヘッド、１１はヨーイング方向静圧軸受支持部、１２は重力方向静圧軸受支持部、１３は静圧軸受、１４ａ、１４ｂはテーブル４のヨーイング方向を支持するヨーイング方向静圧軸受、１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよび１５ｄはテーブル４の重力方向を支持する重力方向静圧軸受である。なお、テーブル４の内部には図示しない空気供給源から各静圧軸受に空気を供給するための通路が設けられるが、図示は省略している。
テーブル４は、案内レール２、案内レール３に沿って、圧力をかけた空気等の流体を吐出させて、数μｍのギャップを介して浮上し、非接触で案内する静圧軸受１３により支持されている。
なお、ヨーイング方向静圧軸受は１４ａと１４ｂが対面するように配置されており、両者の圧力バランスを保つことにより、高精度で安定したテーブルの姿勢を維持させている。これはいわゆる軸受の与圧効果と呼ばれるものであり、重力方向静圧軸受も同様に、１５ａと１５ｂ、１５ｃと１５ｄが対面して配置されている。
テーブル４にはリニアモータ５が装備されている。リニアモータはマグネットトラック６が固定側のベース１に固定され、コイル７が可動側のテーブル４に固定されている。図示しない駆動回路より電圧がコイル７に印加されると、マグネットトラック６の内側にあるコイル７に励磁電流が流れ、電磁力によりコイル７が進行方向に推力を発生し、テーブル４が駆動される。
テーブル４の移動量はリニアセンサ８によって検出され、図示しないリニアモータの制御回路へフィードバックされ、高精度な位置決めが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の静圧軸受テーブルは、テーブルの重心位置Ｇからオフセットした位置にリニアモータの推力中心が位置する場合、推力によるモーメントが発生し、テーブルがヨーイング方向の静圧軸受を中心としてヨーイング方向に姿勢変化する振動モードを引き起こす。
前記モードの固有振動数ｆは、テーブルの重量をｍ、テーブルの重心周りの慣性モーメントをＩ、ヨーイング方向の静圧軸受の中心から重心位置Ｇまでの距離をＬ、ヨーイングガイドの回転剛性をＫとすると、
ｆ＝１／（２π）×｛（Ｋ／（Ｉ＋ｍ・Ｌ２）｝１／２
で求められる。
従来の静圧軸受テーブルでは、重力方向とヨーイング方向の案内レールが一体であり、重力方向の案内レールは、テーブルの上に載る負荷重量によるテーブルのたわみと、ローリング方向の剛性確保から、重心位置Ｇから離れた位置に設置する必要がある。その場合、ヨーイング方向の静圧軸受の中心から重心位置Ｇまでの距離をＬが非常に大きくなり前記振動モードの固有振動数ｆが低くなる。
【０００６】
また、ヨーイング方向の静圧軸受の回転剛性を大きくする場合，静圧軸受の面積を大きくする必要があり、そうすると案内レールの高さを高くするか、静圧軸受の案内方向への長さを長くする必要があり、いずれにせよテーブルの外形を大きくする必要があった。
テーブルの固有振動数ｆが低い場合、リニアモータ等の駆動源の制御ゲインを上げることができなく、位置決め時の応答性が悪化するという問題があった。
さらに、駆動源がムービングコイル型リニアモータの場合、ステージに取付けられたコイルからの発熱により、テーブルが熱膨張してテーブルのヨーイング方向静圧軸受のスパンＡが広がった。
【０００７】
テーブルの熱膨張率をα、温度上昇をΔＴとすると、ヨーイング方向静圧軸受のスパンＡの広がりΔＡは、
ΔＡ＝α・Ａ・ΔＴ
である。
従来の静圧軸受テーブルでは、重力方向の静圧軸受がヨーイング方向静圧軸受の中央部分にあるため、Ａが大きくなった。
その結果、テーブルの温度上昇ΔＴによるヨーイング方向静圧軸受スパンの広がりΔＡも大きくなった。
通常、静圧軸受の案内面とのギャップＧは数μｍと微小であり、リニアモータの発熱に起因してテーブルが温度上昇し、熱膨張により静圧軸受のスパンが広がることは、静圧軸受の剛性変化や、テーブルの姿勢変化につながり、非常に大きな問題となる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、テーブルの位置決め応答性を向上し、熱膨張による静圧軸受のギャップ変動が少ない、装置のコストを削減できる静圧軸受テーブルを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１の静圧軸受テーブルの発明は、案内面を持つ案内レールと、前記案内レールの案内面に静圧軸受により支持されて前記案内レールに沿って移動するテーブルと、前記テーブルを前記案内レールに沿って移動させる駆動手段とを備えた静圧軸受テーブルにおいて、前記案内レールを分離して前記テーブルのヨーイング方向を支持するヨーイング方向案内レールと前記テーブルの重力方向を支持する重力方向案内レールとに分け、前記テーブルの重心位置近くに前記ヨーイング方向案内レールを配置し、前記テーブルの両端部近くに前記重力方向案内レールを配置したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の静圧軸受テーブルにおいて、前記ヨーイング方向案内レール断面が扁平長方形であり、該扁平長方形の長手方向の対面する２面を案内面としたことを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の静圧軸受テーブルにおいて、前記ヨーイング方向案内レールが平行に複数並べられたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載の静圧軸受テーブルにおいて、前記テーブルに重力方向の与圧をかける機構を有することを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載の静圧軸受テーブルにおいて、前記案内レールを低熱膨張鋳物で構成したことを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載の静圧軸受テーブルにおいて、前記テーブルのヨーイング方向の案内を前記ヨーイング方向案内レールと静圧軸受により支持される構成に替えて、前記ヨーイング方向案内レールの案内面との距離を計測するギャップセンサと、該ギャップセンサの検出したギャップ変動に応じて前記テーブルのヨーイング方向を制御できるアクチュエータを備えた構成にしたことを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の静圧軸受テーブルにおいて、前記ギャップセンサをテーブル進行方向に対して２個直列に配置し、前記テーブルのヨーイング回転角度を検出し、前記ヨーイング方向アクチュエータをテーブル進行方向に対して２個直列に配置し、それぞれが反対方向に力を発生させることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実態の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態を示す静圧軸受テーブルの移動方向から見た正断面図である。なお、本発明の構成要素が従来と同じ構成要素については、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。
図１において、１６および１７は重力方向案内レール、１８はヨーイング方向案内レールである。１９はヨーイング方向静圧軸受支持部、２０ａおよび２０ｂはヨーイング方向静圧軸受、２１ａおよび２１ｂは重力方向静圧軸受である。なお、テーブル４の内部には図示しない空気供給源から各静圧軸受に空気を供給するための通路が設けられるが、図示は省略している。また、図中のＧはテーブルの重心位置、Ｘはテーブルのヨーイング方向、Ｙはテーブルの進行方向、Ｚは重力方向を示す。
案内レールをヨーイング方向と重力方向に分離し、ヨーイング方向案内レール１８をテーブルの重心近くに配置している。ヨーイング方向静圧軸受１９ａ、１９ｂは対面するように配置されており、両者の圧力バランスを保つことにより、高精度で安定したテーブルの姿勢を維持させている。これは、いわゆる軸受の与圧効果と呼ばれるものである。
重力方向静圧軸受２１ａ、２１ｂはそれぞれ、図２に示すように、２個の圧空パッド２２と、これらの圧空パッド２２の中間部に真空引きされる真空パッド２３とを装備し、与圧がかけられている。
これにより、対面する位置に静圧軸受を配置しなくても与圧がかけられる構造になっている。
このように構成された静圧軸受ステージは、テーブルの重心位置Ｇとヨーイング方向静圧軸受の中心までの距離Ｌが小さい。
テーブルの重量をｍ、テーブルの重心周りの慣性モーメントをＩ、ヨーイング方向静圧軸受の回転剛性をＫとすると、テーブルがヨーイング方向静圧軸受を中心としてヨーイング方向に姿勢変化する振動モードに関する固有振動数ｆは、
ｆ＝１／（２π）×｛（Ｋ／（Ｉ＋ｍ・Ｌ２）｝１／２
で求められる。
上記の構成の静圧軸受ステージは、Ｌが小さいので、固有振動数ｆが高くなり、従来問題となっていたリニアモータの制御ゲインを高く設定することが可能であり、位置決め時の応答性が向上する。
【００１０】
また、ヨーイング方向の案内レール１８は、断面を扁平の長方形にすることで、ヨーイング方向静圧軸受のスパンＡを小さくすることが可能である。
テーブルの熱膨張率をα、温度上昇をΔＴとすると、ヨーイング方向静圧軸受のスパンの熱膨張による広がりΔＡは、
ΔＡ＝α・Ａ・ΔＴ
である。
上記の構造であれば、従来の構成に対してＡを小さくすることが可能であり、ΔＡも小さくすることが可能である。
このようにすることにより、従来大きな問題となっていたリニアモータの発熱に起因してテーブルが温度上昇し、熱膨張により静圧軸受のスパンが広がる問題に対して非常に有効な解決方法となる。
また、従来、熱膨張を抑制するために、リニアモータの冷却装置として液冷等の装置が必要となっていたが、自然空冷が可能となり、装置の大幅なコスト削減と信頼性が向上する。
さらに、従来、案内レールは熱膨張率を合わせるために、テーブルと同一で剛性の高いセラミックスが多く用いられている。ところがセラミックスは高価で加工が難しい素材である。この案内レールを熱膨張率がその化学成分でコントロールできる金属、例えばインバーなどの低熱膨張鋳物で構成すれば、テーブルと同一の熱膨張率が可能であり、大幅なコストの削減が可能となる。
【００１１】
図３は、本発明の第二の実施の形態を示す静圧軸受テーブルの移動方向から見た正断面図である。２４および２５はヨーイング方向案内レールであり、並列に複数並置されている。
２６はヨーイング方向静圧軸受支持部であり、２７ａ〜２７ｄは、ヨーイング方向静圧軸受である。ヨーイング方向静圧軸受は、２７ａと２７ｂが、および２７ｃと２７ｄが対面して配置され、両者の圧力バランスを保つことにより、高精度で安定したテーブル４の姿勢を維持させている。これは、いわゆる軸受の与圧効果と呼ばれるものである。
このように構成された静圧軸受エアスライドステージは、ヨーイング方向静圧軸受が多数配置されており、容易にヨーイング方向の回転剛性を上げることが可能である。
それにより、テーブル４がヨーイング方向静圧軸受２７ａ〜２７ｄを中心としてヨーイング方向に姿勢変化する振動モードに関する固有振動数ｆが向上し、リニアモータの制御ゲインを高く設定することが可能であり、位置決め時の応答性が向上する。
【００１２】
図４は、本発明の第三の実施の形態を示す静圧軸受テーブルの移動方向から見た正断面図である。２８はヨーイング方向アクチュエータ、２９はヨーイング方向案内レール、３０はギャップセンサである。
ギャップセンサ３０は、ヨーイング方向案内レール２９の案内面とのギャップＣを計測し、図示しないヨーイング方向アクチュエータの制御回路にフィードバックされる。ヨーイング方向アクチュエータ２８は、ギャップＣを一定に保つように力を発生させ、外乱に対しても高精度にテーブルのヨーイング方向の姿勢を維持することができる。
【００１３】
図５および図６は、ヨーイング方向アクチュエータの具体的な構成例である。図５は、テーブル進行方向に対して、上面から見た図であり、図６はテーブルの進行方向に対しての正断面図である。
テーブルの進行方向に対して長く単極長方形のマグネット３１がＮ極、Ｓ極を対面するようにヨーク３２に固着されており、磁界３４（図６）が形成される。コイル３３は、テーブル４に支持されたヨーク３６に装着されると共に、磁界３４の空隙部に配置される。そしてコイル３３は図示しないアクチュエータ制御回路から図５に示すように反時計回りに駆動電流３５が流れると、フレミングの左手の法則により、Ｘ方向に力Ｆ１を発生させることが可能である（図６（ａ）参照）。逆に駆動電流３５を時計回りに流すと、Ｘ方向に力Ｆ２を発生させることが可能となる（図６（ｂ）参照）。
ギャップセンサ３０をテーブル進行方向に対して２個直列に配置させれば、テーブルのヨーイング回転角度が検出される。
また、ヨーイング方向アクチュエータ２８のコイル３３もテーブル進行方向に対して２個直列に配置させ、それぞれが反対方向に力を発生させれば、ヨーイング回転方向にモーメント力を発生することが可能である。
ギャップセンサ３０の回転角度検出信号を、図示しないヨーイング方向アクチュエータの制御回路にフィードバックさせれば、ヨーイングに対してモーメント力による制御も可能であり、外乱に対してさらに高精度なテーブルの姿勢維持が可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、以下の効果がある。
（１）案内レールをテーブルのヨーイング方向を支持するヨーイング方向案内レールと、テーブルの重力方向を支持する重力方向案内レールとに分離し、テーブルの重心位置近くにヨーイング方向案内レールを配置したため、テーブルの重心位置とヨーイング方向静圧軸受の中心までの距離が小さく、テーブルがヨーイング方向静圧軸受を中心としてヨーイング方向に姿勢変化する振動モードに関する固有振動数ｆが高くなり、リニアモータの制御ゲインを高く設定することが可能であり、位置決め時の応答性が向上する。
（２）ヨーイング方向の案内レールの断面を扁平の長方形にすることで、従来のリニアモータの発熱に起因して、テーブルが温度上昇し、熱膨張により起こる静圧軸受のスパンが広がる問題に対して、ヨーイング方向静圧軸受のスパンを小さくすることが可能である。その結果、従来、熱膨張を抑制する為に、リニアモータの冷却装置として液冷等の装置が必要となっていたが、自然空冷が可能となり、装置の大幅なコスト削減と信頼性が向上する。
（３）案内レールをインバー等の低熱膨張鋳物で構成したので、テーブルと同一の熱膨張率が可能であり、大幅なコストの削減が可能である
（４）ヨーイング方向案内レールを平行に複数並べて配置することにより、容易にヨーイング方向の回転剛性を上げることが可能である。それにより、テーブルがヨーイング方向静圧軸受を中心としてヨーイング方向に姿勢変化する振動モードに関する固有振動数ｆが向上し、リニアモータの制御ゲインを高く設定することが可能であり、位置決め時の応答性が向上する。
（５）テーブルのヨーイング方向の案内をヨーイング方向案内レールと静圧軸受により支持する構成に替えて、ヨーイング方向案内レールの案内面との距離を計測するギャップセンサと、そのギャップ変動に応じてテーブルのヨーイング方向を制御できるアクチュエータを装備する構成を採用することにより、ギャップを一定に保つように力を発生させ、外乱に対しても高精度にテーブルのヨーイング方向の姿勢を維持することができる。
（６）ギャップセンサをテーブル進行方向に対して２個直列に配置し、テーブルのヨーイング回転角度を検出し、ヨーイング方向アクチュエータもテーブル進行方向に対して２個直列に配置し、それぞれが反対方向に力を発生させれば、ヨーイング回転方向にモーメント力を発生することが可能である。ギャップセンサの回転角度検出信号を、図示しないヨーイング方向アクチュエータの制御回路にフィードバックさせれば、ヨーイングに対してモーメント力による制御が可能であり、外乱に対してさらに高精度なテーブルの姿勢維持が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を示す静圧軸受テーブルの移動方向から見た正断面図である。
【図２】重力方向静圧案内の配置構造を示す図である。
【図３】本発明の第二の実施の形態を示す静圧軸受テーブルの移動方向から見た正断面図である。
【図４】本発明の第三の実施の形態を示す静圧軸受テーブルの移動方向から見た正断面図である。
【図５】テーブル進行方向に対して上面から見たヨーイング方向アクチュエータの上面図である。
【図６】テーブル進行方向に対するヨーイング方向のアクチュエータ正断面である。
【図７】従来の静圧軸受テーブルの進行方向から見た正断面図である。
【符号の説明】
１  ベース
２、３  案内レール
４  テーブル
５  リニアモータ
６  マグネットトラック
７  コイル
８  リニアセンサ
９  スケール
１０  センサヘッド
１１  ヨーイング方向静圧軸受支持部
１２  重力方向静圧軸受支持部
１３  静圧軸受
１４ａ、１４ｂ  ヨーイング方向静圧静圧軸受
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ  重力方向静圧軸受
１６、１７  重力方向案内レール
１８  ヨーイング方向案内レール
１９  ヨーイング方向静圧軸受支持部
２０ａ、２０ｂ  ヨーイング方向静圧軸受
２１ａ、２１ｂ  重力方向静圧軸受
２２  圧空パッド
２３  真空パッド
２４、２５  ヨーイング方向案内レール
２６  ヨーイング方向静圧軸受支持部
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ  ヨーイング方向静圧軸受
２８  ヨーイング方向アクチュエータ
２９  ヨーイング方向案内レール
３０  ギャップセンサ
３１  マグネット
３２  ヨーク
３３  コイル
３４  磁界
３５  駆動電流
【図１】
2004150493.tif 000003
【図２】
2004150493.tif 000004
【図３】
2004150493.tif 000005
【図４】
2004150493.tif 000006
【図５】
2004150493.tif 000007
【図６】
2004150493.tif 000008
【図７】
2004150493.tif 000009