JP2007188251A

JP2007188251A - ステージ装置

Info

Publication number: JP2007188251A
Application number: JP2006005158A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kaneko; 誠金子; Satotomo Hasegawa; 諭伴長谷川; Nobuyoshi Hasumi; 信義羽角
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】本発明はステ−ジ駆動時の反力及び反力モーメントをキャンセルすることを課題とする。
【解決手段】ステージ装置１０は、Ｘステージ３０と、石定盤４０と、反力による振動をキャンセルするキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂと、架台７０とを有する。制御部８０は、反力処理演算部９０と接続されており、反力処理演算部９０にコントローラ８２からのステージ駆動指令ｂを供給するように分岐された信号経路８６を有する。反力処理演算部９０は、ステージ駆動指令ｂが入力されるキャンセル推力演算部９２と、キャンセル推力演算部９２からの反力駆動指令ｅに応じた駆動信号ｆを生成するドライバ９４ａ〜９４ｄとを有する。キャンセル推力演算部９２は、Ｘリニアモータ２６がＸステージ３０を駆動する際に発生する反力の大きさに応じた推力を発生させるようにキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂへの駆動指令ｅを演算する。
【選択図】図４

Description

本発明はステージ装置に係り、特にステージを移動させる際の反力によるモーメントが生じてステージを支持するベースが傾くことを防止するよう構成したステージ装置に関する。

ステージ装置においては、ステージの水平移動を高精度に行なうことが要求されており、ステージの両端に設けられたスライダをリニアモータの推力により所定の速度で移動させるようにリニアモータの推力を制御している。さらに、リニアモータは、大きな重量を有する石定盤（ベース）に支持されており、石定盤上に対して空気ベアリングを構成する静圧パッドによりステージを低摩擦で駆動することができるように構成されている。

一方、石定盤を支持する架台には、床から伝播する振動を吸収する除振ユニットが設けられており、石定盤に外部からの振動が伝わらないようにしている。このように構成されたステージ装置では、リニアモータの推力によってステージを移動させる際、その反力を石定盤によって受けることになる。石定盤は、剛性が高く、質量も十分大きいので、リニアモータからの反力によって変形を生じないが、石定盤を支持する除振ユニットは、ばね部材とダンパ機能を有する弾性変形可能な構成であるので、石定盤を介して伝播された反力によってステージの移動方向と逆方向に微小な弾性変形を生じてしまう。その結果、架台に支持された石定盤に微小な変位が印加されることになる。

このような、ステージを移動させる際の反力による影響を抑制するため、リニアモータがステージを移動させる際に反力と逆方向の力を発生させるアクチュエータを設けて反力をキャンセルするように構成されたステージ装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３０２６３９号公報

しかしながら、上記特許文献１では、リニアモータの反力をキャンセルするアクチュエータが石定盤の側方に配置されるため、ステージ上のワークテーブルにワークを搬送する搬送機構の動作が制限されてしまうという問題があった。

また、上記問題を解消するためにアクチュエータをステージが移動する水平面と異なる高さ位置に配置した場合には、反力によるステージの重心回りのモーメントが発生するため、石定盤にモーメントによる振動や微小な傾きが生じてしまう。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、課題を解決したステージ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

請求項１記載の発明は、ステージと、該ステージを移動させるアクチュエータと、該アクチュエータを支持するベースと、該ベースを支持する架台と、前記ベースと前記架台との間で振動を吸収する除振ユニットと、前記アクチュエータを制御する制御部とを有するステージ装置において、前記アクチュエータが前記ステージを駆動する際の生じる水平方向の反力と前記ステージの重心回りに作用する反力モーメントをキャンセルするキャンセル用アクチュエータを備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記キャンセル用アクチュエータが、前記ステージを移動させる水平方向に対して所定角度傾斜させて取り付けられ、傾斜角度に応じた配分で前記反力及び前記反力モーメントをキャンセルすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記キャンセル用アクチュエータが、固定子に対して可動子を前記ステージの移動方向に移動させるリニアモータからなり、前記固定子が前記架台に支持され、前記可動子が前記ベースの下面に結合されたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記制御部が、前記アクチュエータへのステージ駆動指令に同期して前記キャンセル用アクチュエータへの駆動指令を生成する反力処理制御手段を有することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記制御部が、前記アクチュエータへステージ駆動指令を生成するステージ推力演算手段と、該ステージ推力演算手段からのステージ駆動指令を前記反力処理制御手段に供給する信号経路とを有し、前記反力処理制御手段は、前記ステージ駆動指令の供給と共に前記キャンセル用アクチュエータに前記ステージ駆動指令に対応したキャンセル用推力を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータがステージを駆動する際の生じる水平方向の反力とステージの重心回りに作用する反力モーメントをキャンセルするキャンセル用アクチュエータを備えたため、ワークを搬送する搬送機構の動作が制限されず、且つステージの重心回りのモーメントを抑制してベースが傾くことを防止することができる。

また、本発明によれば、キャンセル用アクチュエータが、ステージを移動させる水平方向に対して所定角度傾斜させて取り付けられ、傾斜角度に応じた配分で水平方向の反力及び反力モーメントをキャンセルするため、１台のアクチュエータで水平方向の反力と反力モーメントを同時にキャンセルすることができ、キャンセル用アクチュエータ数を減らして構成の簡素化を図れると共に、キャンセル用アクチュエータの制御も簡易に行なえる。

また、本発明によれば、アクチュエータへのステージ駆動指令に同期して前記キャンセル用アクチュエータへの駆動指令を生成するため、反力のキャンセル制御を反力の発生と同じタイミングで行なえるので、キャンセル用アクチュエータのタイミングずれによる外乱を防止することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明によるステージ装置の一実施例を示す平面図である。図２はステージ装置の正面図である。図３はステージ装置の側面図である。図１乃至図３に示されるように、ステージ装置１０は、Ｙステージ２０と、Ｘステージ３０と、石定盤４０と、除振ユニット５０と、反力による振動をキャンセルするキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂと、架台７０とを有する。

Ｙステージ２０は、Ｘ方向に延在する横架部２２と、横架部２２の両端に結合されたスライダ２４とを有する。また、横架部２２には、Ｘステージ３０をＸ方向に移動させるＸリニアモータ２６と、Ｘリニアスケール２８が設けられている。Ｘリニアモータ２６は、横架部２２に固定されＸ方向に延在形成された固定子（ヨーク）２６ａと、Ｘステージ３０の下面に結合された可動子（コイル）２６ｂとから構成されている。

また、Ｘステージ３０は、底部に石定盤４０の上面を滑動するエアパッド３２が取り付けられており、横架部２２に沿ってＸ方向に低摩擦で移動する。

さらに、石定盤４０は、上面にスライダ２４をＹ方向にガイドするＹガイド４２と、スライダ２４をＹ方向に駆動するＹリニアモータ４４と、スライダ２４の位置を計測するリニアスケール４６とを有する。Ｙリニアモータ４４は、石定盤４０に固定されＹ方向に延在形成された固定子（ヨーク）４４ａと、スライダ２４の側面に結合された可動子（コイル）４４ｂとから構成されている。また、スライダ２４には、Ｙガイド４２の両側面に対向して空気層を形成するエアパッド４８が取り付けられており、Ｙガイド４２に沿ってＹ方向に低摩擦で移動する。

石定盤４０と架台７０との間に形成された空間には、除振ユニット５０とキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂとが配されている。従って、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂを石定盤４０の下方に設けたため、ワークを搬送する搬送機構（図示せず）の動作が制限されず、且つステージの重心回りのモーメントを抑制してベースが傾くことを防止することができる。

除振ユニット５０は、空気ばねやゴム等の弾性体により形成されており、架台７０を介して入力された床面からの振動が石定盤４０に伝播しないように振動を吸収するものである。この除振ユニット５０は、石定盤４０の四隅の角部付近に配置されており、上下方向の振動成分を吸収するように構成されている。ここで、Ｘリニアモータ２６の推力によりＸステージ３０を移動させる際の反力は、横架部２２、スライダ２４、Ｙガイド４２を介して石定盤４０に伝播される。その際、石定盤４０には、水平方向の反力とＸステージ３０の重心を中心とするモーメントとが作用する。この反力のモーメントが石定盤４０に印加された場合、モーメントの方向によって片側の除振ユニット５０が圧縮荷重を受け、他側の除振ユニット５０が引っ張り荷重を受けることになる。除振ユニット５０では、振動を吸収するように上下方向に弾性変形するため、石定盤４０の側面が上下方向に振動し、除振ユニット５０のダンパ機能によって振動が減衰される。

キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂは、固定子６０ａと可動子６０ｂとを組み合わせたリニアモータからなり、固定子６０ａ、可動子６０ｂは水平方向に対して所定角度θ傾斜させた傾斜面を有する傾斜台６２ａ，６２ｂを介して架台７０の上面、石定盤４０の下面に取り付けられている。また、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂは、Ｘ方向の反力をキャンセルするように固定子６０ａに対して可動子６０ｂがＸ方向に移動する向きに取り付けられている。さらに、左側に配されたキャンセル用アクチュエータ６０Ａと右側に配された反力処理用アクチュエータ６０Ｂとは、傾斜方向が互いに１８０°異なるように傾斜角度θが設定されている。

キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂは、石定盤４０の下側に４台配置されており、それらの水平方向分力の合計値がＸステージ３０を移動させる際のＸ方向の反力と釣り合い、垂直方向分力によるモーメントの合計値がＸステージ３０を移動させる際のＸステージ３０の重心を中心とするモーメントによる反力と釣り合うように推力を傾斜角度θ方向に発生する。

図４はステージ装置の制御部の構成を示すブロック図である。図４に示されるように、制御部８０は、Ｘリニアモータ２６を制御するコントローラ８２と、コントローラ８２からのステージ駆動指令ｂに基づいてＸリニアモータ２６の可動子（コイル）２６ｂに印加される駆動信号ｃを生成するドライバ８４とを有する。コントローラ８２は、ステージ駆動コマンドａが入力されると、ステージ駆動指令ｂを出力してＸステージ３０を駆動し、Ｘリニアスケール２８からのＸステージ３０の位置検出信号ｄとステージ駆動コマンドａとの差に応じたステージ駆動指令ｂを出力する。

制御部８０は、反力処理演算部９０と接続されており、反力処理演算部９０にコントローラ８２からのステージ駆動指令ｂを供給するように分岐された信号経路８６を有する。反力処理演算部９０は、ステージ駆動指令ｂが入力されるキャンセル推力演算部９２と、キャンセル推力演算部９２からの反力駆動指令ｅに応じた駆動信号ｆを生成するドライバ９４ａ〜９４ｄとを有する。

キャンセル推力演算部９２は、後述する演算式を用いてＸリニアモータ２６がＸステージ３０を駆動する際に発生する反力の大きさに応じた推力を発生させるようにキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂへの駆動指令ｅを演算する。従って、キャンセル推力演算部９２は、Ｘリニアモータ２６へのステージ駆動指令ｂに同期してキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂへの駆動指令ｅを生成するため、反力のキャンセル制御を反力の発生と同じタイミングで行なえるので、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂのタイミングずれによる外乱を防止することができる。

ここで、ステージ装置１０を模式的に示す図５を参照して反力処理演算式について説明する。図５において、Ｘステージ３０はＸリニアモータ２６の駆動力（推力）Fsで駆動される際、重心G1を中心としてモーメントMsを発生させる。このときの反力−Fsが石定盤４０に伝播すると、石定盤４０は重心G2を中心としたモーメントMbを発生させる。これらのモーメントMs，Mb及び反力−Fsは、Ｘステージ３０の整定性能に影響する。本実施例では、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの推力を石定盤４０に印加させることでモーメントMs，Mb及び反力−Fsを同時にキャンセルすることが可能になる。その原理を以下で説明する。

ステージ駆動推力をFs、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂより発生させる推力をFrとした場合、図５に示すような推力Fsに対する反力−Fs、モーメントMbが石定盤４０に作用する。

キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの推力Frは、図５に示すとおり、水平方向（Ｘ方向）の分力Frxと垂直方向の分力Frzに分解でき、その関係式は次式(1)(2)のようになる。
Frx＝Fr・ｃｏｓθ ・・・（1）
Frz＝Fr・ｓｉｎθ ・・・（2）
次式(3)が成り立つとき、水平方向（Ｘ方向）の推力は、４台のキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂによってキャンセルされる。
−Fs＋４・Frx＝０・・・（3）
よって、水平方向（Ｘ方向）の分力Frxは、以下のように求まる。
Frx＝Fs／４・・・（4）
次に、Ｘステージ３０を駆動したとき、Ｘステージ３０の重心G1、石定盤４０の重心G2の夫々かかる反力モーメントMs,Mbは、以下のように求まる。以下では、反時計回りの方向を負とする。また、Ｘリニアモータ２６の推力作用点から重心G1までの距離をH1、Ｘリニアモータ２６の推力作用点から重心G2までの距離をH2として表す。
Ms＝−Fs・H1 ・・・(5)
Mb＝−Fs・H2＋２Mr ・・・(6)
ここで、石定盤４０の重心G2からキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂまでの距離をLとすると、反力処理モーメントMrは、次式（7）のように表せる。
Mr＝Frz・L ・・・(7)
このとき、次式（8）が成り立つ場合に反力モーメントMs,Mbはキャンセルされる。
Ms＋Mb＝０・・・(8)
以上の式をまとめると、次式（9）のようになる。
Frz＝(H1＋H2)・Fs／２Ｌ・・・(9)
上記（1）（2）（4）（9）式より、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの取り付け角度θ、及びキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの推力Frは、以下の式で求まる。
θ＝ｔａｎ^-1（(H1＋H2)／L）・・・(10)
Fr＝Fs／（２・ｃｏｓθ）・・・(11)
このように、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの推力Frは、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの傾斜角θとＸリニアモータ２６の推力Fsによって求まるため、傾斜角θを任意の固定値に設定することで、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの推力Frに応じた反力モーメントMs,Mb及びＸリニアモータ２６の推力の反力−Fsを同時にキャンセルすることが可能になる。従って、１台のアクチュエータで水平方向の反力−Fsと反力モーメントMs,Mbを同時にキャンセルすることができ、キャンセル用アクチュエータ数を減らして構成の簡素化を図れると共に、キャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂの制御も簡易に行なえる。

図６は変形例を模式的に示す平面図である。図６に示されるように、X方向の反力をキャンセルするキャンセル用アクチュエータ６０Ａ，６０Ｂを石定盤４０の下方に設けると共に、Ｙ方向の反力をキャンセルするキャンセル用アクチュエータ６２Ａ，６２Ｂを石定盤４０の下方に設ける。

この変形例では、石定盤４０の平面状をステージ１００が2次元的に移動するサーフェイス型ステージ装置１１０にも適用することが可能である。Ｘ方向の反力−Fsと反力モーメントMs,Mbとステージ１００を駆動する際のＹ方向の反力と反力モーメントをキャンセルすることが可能になり、ステージ１００をＸ方向及びＹ方向に同時に移動させる場合の反力処理が行なえる。

尚、上記実施例では、除振ユニット５０で石定盤４０を支持する構成を一例として挙げたが、これに限らず、石定盤４０が直接架台７０に支持される構成のステージ装置にも適用できるのは勿論である。

本発明によるステージ装置の一実施例を示す平面図である。ステージ装置の正面図である。ステージ装置の側面図である。ステージ装置の制御部の構成を示すブロック図である。演算式を説明するための図である。変形例を模式的に示す平面図である。

符号の説明

１０ステージ装置
２０Ｙステージ
２４スライダ
２６Ｘリニアモータ
２８Ｘリニアスケール
３０Ｘステージ
４０石定盤
４２Ｙガイド
４４Ｙリニアモータ
４６リニアスケール
５０除振ユニット
６０Ａ，６０Ｂキャンセル用アクチュエータ
７０架台
８０制御部
８２コントローラ
８４ドライバ
９０反力処理演算部
９２キャンセル推力演算部
９４ａ〜９４ｄドライバ
１１０サーフェイス型ステージ装置

Claims

ステージと、該ステージを移動させるアクチュエータと、該アクチュエータを支持するベースと、該ベースを支持する架台と、前記ベースと前記架台との間で振動を吸収する除振ユニットと、前記アクチュエータを制御する制御部とを有するステージ装置において、
前記アクチュエータが前記ステージを駆動する際の生じる水平方向の反力と前記ステージの重心回りに作用する反力モーメントをキャンセルするキャンセル用アクチュエータを備えたことを特徴とするステージ装置。
前記キャンセル用アクチュエータは、前記ステージを移動させる水平方向に対して所定角度傾斜させて取り付けられ、傾斜角度に応じた配分で前記反力及び前記反力モーメントをキャンセルすることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。
前記キャンセル用アクチュエータは、固定子に対して可動子を前記ステージの移動方向に移動させるリニアモータからなり、前記固定子が前記架台に支持され、前記可動子が前記ベースの下面に結合されたことを特徴とする請求項１または２の何れかに記載のステージ装置。
前記制御部は、
前記アクチュエータへのステージ駆動指令に同期して前記キャンセル用アクチュエータへの駆動指令を生成する反力処理制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のステージ装置。
前記制御部は、
前記アクチュエータへステージ駆動指令を生成するステージ推力演算手段と、
該ステージ推力演算手段からのステージ駆動指令を前記反力処理制御手段に供給する信号経路とを有し、
前記反力処理制御手段は、前記ステージ駆動指令の供給と共に前記キャンセル用アクチュエータに前記ステージ駆動指令に対応したキャンセル用推力を発生させることを特徴とする請求項１に記載のステージ装置。