(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するＺ軸駆動機構を備えたステージ装置において、
前記Ｚ軸駆動機構は、上下方向に延びるＺ軸と、該Ｚ軸に沿って上下方向に延びるＺ軸ガイド用の固定部と、前記Ｚ軸の下部側に形成された圧力室と、前記Ｚ軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、
前記固定部には、前記Ｚ軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、
前記圧力室には、前記Ｚ軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、
前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Ｚ軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、
前記筒状体の底部を通して前記圧力気体として圧縮エアが前記圧力室に導入され、前記圧力室と前記静圧軸受の間の前記固定部にはエア逃がし用の穴が形成されていることを特徴とするステージ装置。
【請求項２】
ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するＺ軸駆動機構を備えたステージ装置において、
前記Ｚ軸駆動機構は、上下方向に延びるＺ軸と、該Ｚ軸に沿って上下方向に延びるＺ軸ガイド用の固定部と、前記Ｚ軸の下部側に形成された圧力室と、前記Ｚ軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、
前記固定部には、前記Ｚ軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、
前記圧力室には、前記Ｚ軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、
前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Ｚ軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、
前記リニアモータとして前記Ｚ軸を中心に前記ベース体上に対称配置された一対のリニアモータを備え、前記筒状体の側で上下方向の駆動を行うことを特徴とするステージ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のステージ装置において、前記テーブルは前記Ｚ軸の上端に取り付けられ、前記Ｚ軸を中心にして対称位置となる前記テーブルの２箇所にそれぞれリンクプレートが垂下するように設けられると共に、該一対のリンクプレートが前記一対のリニアモータ可動子の側部に固定されて、該一対のリンクプレートと前記ベース体との間に前記一対のリニアモータが構成されていることを特徴とするステージ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のステージ装置において、前記圧力室に至る前記圧縮エア用の配管には、リリーフバルブ及びアキュムレータが設けられていることを特徴とするステージ装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のステージ装置において、該ステージ装置は更に、前記テーブルを前記Ｚ軸に直角なＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動するためのＸ−Ｙステージ機構を備えており、
前記Ｚ軸駆動機構は、前記Ｘ−Ｙステージ機構の可動部分に搭載されることを特徴とするステージ装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のステージ装置において、該ステージ装置は更に、前記テーブルを前記Ｚ軸に直角なＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動するためのＸ−Ｙステージ機構を備えており、
前記Ｚ軸駆動機構の前記Ｚ軸上に、前記Ｘ−Ｙステージ機構が搭載されることを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はステージ装置に関し、特にワークを載置するためのテーブルをＺ軸方向（上下方向）に駆動する機構を備えたステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、ワークを載置するためのテーブルを、水平なＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動することのできるＸ−Ｙステージ機構を提案した（特願平１１−１６７１３５号）。
【０００３】
図４を参照して、上記のＸ−Ｙステージ機構について簡単に説明する。図４において、ベース１０１上には２本のレール１０２及び１０３が所定の間隔をおいて配設されており、レール１０２及び１０３にはそれぞれ移動体１０４及び１０５が配置されている。ここで、レール１０２及び移動体１０４に着目すると、図４（ｂ）に示すように、移動体１０４には静圧空気軸受１１２が備えられ、レール１０２と移動体１０４との間に介在するようにされている。また、図４（ｂ）に示すように、移動体１０４には静圧空気軸受１１３が備えられ、移動体１０４とベース１０１との間に介在するようにされている。これにより、移動体１０４は図４（ａ）に示すＹ軸方向、つまり、レール１０２に沿って移動可能である。
【０００４】
同様に、移動体１０５にも静圧空気軸受１１２及び１１３が備えられており、移動体１０５はレール１０３に沿って移動可能となっている。
【０００５】
ビーム１０６は移動体１０４とリジッド（例えば、ネジを用いて）に固定されているが、ビーム１０６は移動体１０５に対しては板バネ構造１０８を介して連結されている。
【０００６】
ビーム１０６には移動体１１４が配置されており、移動体１１４はビーム１０６をガイドとして、図４（ａ）のＸ軸方向に移動可能である。図４（ｂ）に示すように、ベース１０１と移動体１１４との間には静圧空気軸受１１４ａ〜１１４ｃが配置されている。つまり、移動体１１４には静圧空気軸受１１４ａ〜１１４ｃが取り付けられており、移動体１１４は静圧空気軸受１１４ａ〜１１４ｃによってベース１１０に対してＺ軸方向に支持されて、Ｘ軸方向に移動可能である。
【０００７】
図４（ａ）に示されているように、移動体１１４はビーム１０６を跨ぐようにしてビーム１０６上に配置されている。移動体１１４にはベース１０１に対して垂直に延びる一対のフランジ部１４１が形成されている。フランジ部１４１はビーム１０６の外側に位置し、フランジ部１４１には静圧空気軸受１１４ａ〜１１４ｃが取り付けられている。図４（ａ）に示す例では、図中下側に位置するフランジ部１４１に静圧空気軸受１１４ａ及び１１４ｂが取り付けられ、図中上側に位置するフランジ部１４１に静圧空気軸受１１４ｃが取り付けられている。
【０００８】
ビーム１０６の中央部において、その下面には静圧空気軸受１１５が取り付けられ、この静圧空気軸受１１５はベース１０１に当接している。そして、静圧空気軸受１１５によって、ビーム１０６が支えられる。つまり、静圧空気軸受１１５は、移動体１１４の移動を妨げることなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の全ストロークに亘ってビーム１０６の自重を受け持っており、ビーム１０６と移動体１０５の締結部等に無理な負荷を掛けないようにビーム１０６を保持している。
【０００９】
なお、移動体１０４、１０５、１１４はいずれもリニアモータにより駆動されるものであるが、ここではリニアモータについては説明を省略する。また、ワークを載置するためのテーブルは、通常、移動体１１４に搭載される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ステージ装置においては、テーブルを上記のようなＸ軸方向、Ｙ軸方向のみならず、Ｘ軸、Ｙ軸に直角なＺ軸方向にも駆動可能とすることが要求される場合がある。このような要求に対し、Ｚ軸方向の駆動は、駆動方向が重力方向と同一のため、重力をキャンセルする機構を設け、その上でアクチュエータにより駆動するのが一般的である。
【００１１】
重力をカウンタバランスする方法としては、次の方法がある。
【００１２】
▲１▼バネを用いて重力を負荷させる。
▲２▼エアシリンダと圧縮エアを用いて重力を負荷させる。
▲３▼油圧機構（カウンタバランス弁等）を用いて重力を負荷させる。
【００１３】
ここで、上記▲１▼〜▲３▼のいずれの方法も物理的に可動部と固定部とが接している構造である。
【００１４】
図５を参照して、上記▲２▼の方法によるＺ軸駆動機構について説明する。Ｚ軸駆動機構は、上下方向に延びるピストン体２０１と、ピストン体２０１のピストンヘッドを収容しているエアシリンダ２０２とを有する。ピストンヘッドとエアシリンダ２０２との間には圧力室２０３が形成される。ピストン体２０１の上端にはテーブル２０４が固定されている。圧力室２０３には、エア配管２０５を通して、ピストン体２０１、テーブル２０４を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧縮エアが導入される。エアシリンダ２０２はベース体２００に固定され、エアを逃がすための穴２０２ａが複数個設けられている。ピストンヘッドの周囲には、Ｏ−リング２０６が設けられている。
【００１５】
このようなＺ軸駆動機構は、ベース体２００が図４で説明した移動体１１４に固定されることになる。
【００１６】
四角形のテーブル２０４において互いに反対の２箇所には、リンクプレート２０７が垂下するように設けられている。リンクプレート２０７とベース体２００との間に、テーブル２０４を上下方向、すなわちＺ軸方向に駆動するためのリニアモータ２１０が構成されている。
【００１７】
リニアモータ２１０は、図６に平面図で示すように、リンクプレート２０７にコイル２１１を設け、このコイル２１１を収容可能な断面コ字形状のヨーク２１２をベース体２００に固定し、ヨーク２１２の互いに対向し合う内壁に永久磁石体２１３を固着して成る。永久磁石体２１３は、Ｚ軸方向に磁極軸を持つ複数の永久磁石をＺ軸方向に並設して成る。
【００１８】
図７を参照して、このＺ軸駆動機構は、リニアモータ２１０を構成するための２つのリンクプレート２０７の他に、リニアガイド２２０を構成するための２つのリンクプレート（図示せず）を有する。すなわち、四角形のテーブル２０４の対向する２辺側にリニアモータ２１０が構成され、これらに直角な残りの２辺側にリニアガイド２２０が構成されている。リニアガイド２２０は、例えば、リニアレールと、精密研削加工された複数列の転動面を有してそれぞれの転動面を多数のボールが転動するリニアブロックとから成るものがあり、周知であるので詳しい説明は省略する。
【００１９】
リニアガイド２２０を設けるのは、２つのリニアモータ２１０だけでは、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に関する誤差を小さくできないからである。これは、ピストンヘッドはエアシリンダ２０２の内壁に接してスライドするものであり、円滑なスライドを可能とするためには、それぞれの間には数十μｍ程度の間隙が必要である。その結果、真直度が悪くなり、上記の間隙による誤差をできるだけ小さくする必要があるからである。
【００２０】
また、ピストンヘッドとエアシリンダ２０２との間には摩耗が生じるのは避けられず、摩耗による故障が生じ易い。
【００２１】
そこで、本発明の課題は、Ｚ軸方向に関する重力のカウンタバランス機能を非接触構造で実現できるようにして、真直度の向上及び追随性、速度安定性等の制御性能の向上を実現できるステージ装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するＺ軸駆動機構を備えたステージ装置において、前記Ｚ軸駆動機構は、上下方向に延びるＺ軸と、該Ｚ軸に沿って上下方向に延びるＺ軸ガイド用の固定部と、前記Ｚ軸の下部側に形成された圧力室と、前記Ｚ軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、前記固定部には、前記Ｚ軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、前記圧力室には、前記Ｚ軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Ｚ軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、前記筒状体の底部を通して前記圧力気体として圧縮エアが前記圧力室に導入され、前記圧力室と前記静圧軸受の間の前記固定部にはエア逃がし用の穴が形成されていることを特徴とするステージ装置が提供される。
【００２３】
本発明の別の態様によれば、ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するＺ軸駆動機構を備えたステージ装置において、前記Ｚ軸駆動機構は、上下方向に延びるＺ軸と、該Ｚ軸に沿って上下方向に延びるＺ軸ガイド用の固定部と、前記Ｚ軸の下部側に形成された圧力室と、前記Ｚ軸を上下方向に駆動するためのリニアモータとを含み、前記固定部には、前記Ｚ軸の前記固定部に沿った上下方向の移動をガイドするための静圧軸受を設け、前記圧力室には、前記Ｚ軸を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる圧力気体を導入するようにし、前記固定部はベース体上に固定された有底の筒状体であって、前記Ｚ軸は前記筒状体内に上側から挿入されていることにより、前記筒状体の下部に前記圧力室が形成され、前記リニアモータとして前記Ｚ軸を中心に前記ベース体上に対称配置された一対のリニアモータを備え、前記筒状体の側で上下方向の駆動を行うことを特徴とするステージ装置が提供される。
【００２５】
本ステージ装置においては更に、前記圧力室に至る前記圧縮エア用の配管には、リリーフバルブ及びアキュムレータが設けられていることを特徴とする。
【００２６】
上記別の態様によるステージ装置においては、前記テーブルが前記Ｚ軸の上端に取り付けられ、前記Ｚ軸を中心にして対称位置となる前記テーブルの２箇所にそれぞれリンクプレートが垂下するように設けられると共に、該一対のリンクプレートが前記一対のリニアモータ可動子の側部に固定されて、該一対のリンクプレートと前記ベース体との間に前記一対のリニアモータが構成されることが望ましい。
【００２７】
本ステージ装置が更に、前記テーブルを前記Ｚ軸に直角なＸ軸方向及びＹ軸方向に駆動するためのＸ−Ｙステージ機構を備えている場合、前記Ｚ軸駆動機構は、前記Ｘ−Ｙステージ機構の可動部分に搭載されるか、あるいは前記Ｚ軸駆動機構の前記Ｚ軸上に、前記Ｘ−Ｙステージ機構が搭載される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本発明によるステージ装置は、ワークを載置するためのテーブルを上下方向に駆動するＺ軸駆動機構に特徴を有する。つまり、本形態によるＺ軸駆動機構は、図５で説明したＺ軸駆動機構と同様、図４で説明したようなＸ−Ｙステージ機構と組み合わせてステージ装置として使用するのに適している。
【００２９】
図１において、Ｚ軸駆動機構は、上下方向に延びるＺ軸１１と、Ｚ軸１１に沿って上下方向に延びるＺ軸ガイド用の固定部１２とを有する。固定部１２はベース体１０上に固定された有底の筒状体である。この筒状体は、ここでは断面四角形の中空部を有する。Ｚ軸１１は、その断面形状が固定部１２の筒状体内部の断面形状に対応する四角形となるように作られ、筒状体内に上側から挿入されていることにより、Ｚ軸１１の下端側、すなわち筒状体の下部に圧力室１３が形成される。
【００３０】
固定部１２の筒状体の底壁１２−１を通してエア配管１４から圧縮エアが圧力室１３に導入される。圧力室１３は、Ｚ軸１１、テーブル１５を含む可動部分の重力を相殺するための圧力を作用させる機能を持つ。固定部１２の筒状体にはエア逃がし用の穴１２ａが複数個形成されている。
【００３１】
本形態では、圧縮エア用のエア配管１４には、図２を参照して、エアポンプ１４−１から圧縮エアが送られる。特に、エア配管１４の途中には手動弁１４−２、リリーフバルブ１４−３及びアキュムレータ１４−４が設けられている。
【００３２】
テーブル１５はＺ軸１１の上端に取り付けられており、テーブル１５において互いに反対の２箇所にリンクプレート１６が垂下するように設けられている。リンクプレート１６とベース体１０との間には、Ｚ軸１１とテーブル１５とを含む可動部分を上下方向に駆動するためのリニアモータ２０が構成されている。リニアモータ２０の構造は、図６で説明した従来のものとまったく同じで良いので、詳しい説明は省略する。
【００３３】
本形態では更に、固定部１２の筒状体の内壁側には、固定部１２に沿ったＺ軸１１の上下方向（Ｚ軸方向）の移動をガイドするための静圧軸受２５が複数個設けられている。このため、図示していないが、固定部１２には静圧軸受用の空気配管が接続される。本形態においては、Ｚ軸１１は、静圧軸受２５により固定部１２の筒状体の内壁に接触することが無いので、Ｚ軸１１と固定部１２の筒状体の内壁との間の間隙は５〜８μｍ程度まで小さくできる。しかも、Ｚ軸１１の上下方向のスライド範囲では常に静圧軸受２５で水平方向に関して支持されているので、真直度は図５の構造に比べてはるかに向上する。したがって、本形態では従来のようなリニアガイドは不要であり、図３に示すように、テーブル１５の両側においてリンクプレート１６を介してリニアモータ２０で駆動されるようになっていれば良い。
【００３４】
このＺ軸駆動機構の動作は以下の通りである。Ｚ軸１１の下端部が固定部１２の筒状体内の底部に接触している状態で、静圧軸受２５により空気圧３９．２〜４９ｋＰａ（４〜５Ｋｇ／ｃｍ2 ））の圧力を加える。圧力室１３に圧縮エアを導入して、Ｚ軸１１が持ち上がる寸前の状態にする。この状態でリニアモータ２０による駆動を行うことにより、Ｚ軸１１やテーブル１５、その他の可動部分の重力をキャンセルして可動部分の駆動を行うことができる。なお、Ｚ軸１１が上昇することによる圧力低下分はアキュムレータ１４−４により速やかに補充され、圧力室１３は常に一定の圧力が維持される。
【００３５】
このＺ軸駆動機構も、ベース体１０が図４で説明した移動体１１４に固定されることになるが、テーブル１５に代えて図４で説明したベース１０１を搭載するようにして、Ｘ−Ｙステージ機構をもＺ軸方向に駆動するようにしても良い。
【００３６】
また、上記の形態では、静圧軸受２５を固定部１２側に設けるようにしているが、Ｚ軸１１側に設けるようにしても良い。この場合、静圧軸受用の空気配管をフレキシブル配管にしてＺ軸１１の移動に追従可能にする必要がある。更に、Ｚ軸１１の断面形状は、静圧軸受との関係で四角形、特に正方形が好ましいが、円形あるいは多角形状であっても良い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｚ軸方向に関する重力のカウンタバランス機能を非接触構造で実現できるようにしたことにより、真直度の向上及び追随性、速度安定性等の制御性能の向上を実現できる。また、Ｘ軸とこれをガイドする固定部との間の構造が非接触構造となるので、摩耗する部分が無く、摩耗による故障を無くすことできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＺ軸駆動機構の実施の形態を示した断面図である。
【図２】図１の圧力室に圧縮エアを供給するエア配管の構成を示した図である。
【図３】図１に示されたテーブルとリニアモータの関係を説明するための平面図である。
【図４】本出願人により提案されているＸ−Ｙステージ機構を示した図であり、図（ａ）は平面図、図（ｂ）は側面図である。
【図５】従来のＺ軸駆動機構の一例を示した断面図である。
【図６】図５に示されたリニアモータの概略構成を説明するための平面図である。
【図７】図５に示されたテーブルとリニアモータ及びリニアガイドの関係を説明するための平面図である。
【符号の説明】
１０、２００    ベース体
１１    Ｚ軸
１２    固定部
１３、２０３    圧力室
１４、２０５    エア配管
１５、２０４    テーブル
１６、２０７    リンクプレート
２０、２１０    リニアモータ
【図１】
0004335425.tif 000002
【図２】
0004335425.tif 000003
【図３】
0004335425.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004335425.tif 000006
【図６】
0004335425.tif 000007
【図７】
0004335425.tif 000008