JP4323087B2

JP4323087B2 - XY stage device

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Publication number: JP4323087B2
Application number: JP2000391043A
Authority: JP
Inventors: 雅彦堀内; 靖小梁川; 良幸冨田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2002189090A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ−Ｙステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来のＸ−Ｙステージ装置の一例を示している。
【０００３】
図において、ベース１の上面には、互いに平行に２本のガイドレール２が固定されている。ここで、直交する２軸方向をＸ軸方向とＹ軸方向とした場合、ガイドレール２はＹ軸方向に平行に配されており、各ガイドレール２には、Ｙスライダ３の両端の可動部３Ａが、ガイドレール２に沿ってＹ軸方向にスライド自在に嵌合されている。また、Ｙスライダ３には、Ｘ軸方向にスライド自在にＸスライダ４が嵌合されている。
【０００４】
各ガイドレール２は矩形断面をなしており、その４つの周側面がＹ軸方向に平行な案内面となっている。そして、各案内面にＹスライダ３の角筒状の可動部３Ａの４つの内側面が対向しており、その対向面間にエアベアリング（静圧空気軸受）が配されている。同様に、Ｙスライダ３の案内部３Ｂは矩形断面をなしており、その４つの周側面がＸ軸方向に平行な案内面となっている。そして、各案内面に角筒状のＸスライダ４の４つの内側面が対向しており、その対向面間にエアベアリングが配されている。
【０００５】
このように、Ｙスライダ３がガイドレール２に対してＹ軸方向に可動であり、Ｘスライダ４がＹスライダ３に対してＸ軸方向に可動であることにより、Ｘスライダ４がＸ−Ｙ平面内の任意の位置に移動可能となっている。
【０００６】
図１１は、特開２０００−１５５１８６号公報（特願平１０−３３２２１３号）に記載されている別の従来のＸ−Ｙステージ装置の例を示している。
【０００７】
このＸ−Ｙステージ装置の固定部分は、上面をエアベアリング案内面１１Ａとしたベース１１と、該ベース１１の上面に互いに平行に固定された２本のガイドレール１２である。
【０００８】
ここで、互いに直交する３軸方向をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向とし、Ｘ軸及びＹ軸を含む平面（Ｚ軸と直交する平面）をＸ−Ｙ平面とした場合、ベース１１の上面の静圧空気軸受案内面１１Ａが、Ｘ−Ｙ平面上に配されていおり、また、各ガイドレール１２の対向側面に、Ｙ軸方向と平行な（Ｘ軸と直交する）第１案内面１２Ａが設けられている。
【０００９】
これら対向する一対の第１案内面１２Ａに沿って両端にＴ字状部を持つＹスライダ１３が移動する。
【００１０】
ガイド用のエアベアリング１５は、第１案内面１２Ａに向けてエアを吹き出すことにより、Ｙスライダ１３をガイドレール１２に対して非接触な状態でＹ軸方向にガイドするベアリング機能を果たす。
【００１１】
また、リフト用のエアベアリング１６は、、エアベアリング案内面１１Ａに向けてエアを吹き出すことにより、Ｙスライダ１３をベース１１に対して非接触な状態でＸ軸方向及びＹ軸方向にガイドするベアリング機能を果たす。
【００１２】
Ｘスライダ１７は、Ｙスライダ１３を跨ぐような略逆Ｕ字断面形状をなしており、その対向する内側面には、ガイド用のエアベアリング１９がそれぞれ２個ずつ配置されている。Ｙスライダ１３の両側面（横面）には、Ｘ軸方向と平行な（Ｙ軸方向と直交する）第２案内面１３Ａがそれぞれ形成されており、ガイド用のエアベアリング１９が、この第２案内面１３Ａに向けてエアを吹き出すことにより、Ｘスライダ１７をＹスライダ１３に対してＸ軸方向に非接触な状態でガイドするベアリング機能を果たす。
【００１３】
上記の構成により、Ｙスライダ１３は、ガイド用のエアベアリング１５によって、ガイドレール１１に対するＸ軸方向の拘束を非接触に受ける。また、Ｙスライダ１３は、リフト用のエアベアリング１６による浮上力とＹスライダ１３の自重とによって、ベース１１に対するＺ軸方向の拘束を非接触に受ける。従って、この２方向の拘束により、Ｙスライダ１３は、Ｙ軸方向にのみ運動（直線案内）可能となる。
【００１４】
同様に、Ｘスライダ１７は、ガイド用のエアベアリング１９によって、Ｙスライダ１３に対するＹ軸方向の拘束を非接触に受ける。また、Ｘスライダ１７は、リフト用のエアベアリング２０による浮上力とＸスライダの自重とによって、ベース１１に対するＺ軸方向の拘束を非接触に受ける。従って、この２方向の拘束によって、Ｘスライダ１７は、Ｙスライダ１３に対してＸ軸方向にのみ運動（直線案内）可能となる。
【００１５】
このようにＹスライダ１３がガイドレール１２に対しＹ軸方向に可動であり、Ｘスライダ１７がＹスライダ１３に対しＸ軸方向に可動であることにより、Ｘスライダ１７がＸ−Ｙ平面内の任意の位置に移動可能となっている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のＸ−Ｙステージ装置では、Ｙ軸方向のガイドレール２、１２を２本、即ち両サイドに設けており、各ガイドレール２、１２に形成した案内面によってＹスライダ３、１３のＹ軸方向の直線運動を案内するようにしている。つまり、両サイド支持方式を採用している。
【００１７】
例えば、図１０のＸ−Ｙステージ装置の場合、矩形断面の２本のガイドレール２のＸ軸方向と直交する各両側面に案内面を形成して、これら案内面によってＸ軸方向の位置を拘束しながら、Ｙスライダ３のＹ軸方向の直線運動を案内するようにしている。従って、Ｙスライダ３のＸ軸方向の位置を拘束するのに４つの案内面が関与している。
【００１８】
また、図１１のＸ−Ｙステージ装置の場合、２本のガイドレール１２の対向側面に第１案内面１２Ａを形成して、これら対向する第１案内面１２ＡによってＸ軸方向の位置を拘束しながら、Ｙスライダ１３のＹ軸方向の直線運動を案内するようにしている。従って、Ｙスライダ３のＸ軸方向の位置を拘束するのに両サイドの２つの案内面が関与している。
【００１９】
しかし、両サイドのガイドレール２、１２を使用して、それらに高い面精度と平坦度が要求されるエアベアリング用の案内面を設けると、加工コストが高くなる。また、両サイドのガイドレール２、１２の組み付けに際しても、両サイドのガイドレール２、１２の平行度に高い精度が要求されるため、組み付けコストも高くなる。従って、図１２に示すように、Ｙスライダ３、１３のＺ軸回りの回転θｚを抑えるためには、駆動系の位置決め精度を含めて全体に高い製造精度が必要となり、製造コストのアップを招くという問題がある。また、ガイドレール２、１２が両サイドに配置された場合は、案内部分の数及びベアリングの数が増える関係から、どうしても可動部質量が重くなって、応答性が低下したり移動の円滑性が低下したりするという問題が発生しやすい。この問題を解決するために駆動力を高めると、オーバーシュートの問題（減速、停止、位置決めの問題）が発生するおそれが新たに生じる。
【００２０】
本発明は、上記事情を考慮し、製造精度をそう高く設定しなくても、性能（応答性、位置決め精度）の向上を図ることができ、しかも、案内面の減少、ベアリング数の減少など、構造の単純化によるコストダウンが図れるＸ−Ｙステージ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、互いに直交する２軸方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、Ｘ軸とＹ軸を含む平面をＸ−Ｙ平面とした場合、Ｙ軸方向に平行な第１案内面を有したガイドレールと、Ｘ軸方向に平行な第２案内面を有し、一端が前記ガイドレールの第１案内面に沿って移動自在に支持され、且つ、他端が自由端としてＸ軸方向に延在されたＹスライダと、前記Ｙスライダの第２案内面に沿って移動自在に支持されたＸスライダと、前記Ｙスライダの一端側をＹ軸方向に駆動する第１Ｙ軸駆動手段と、前記Ｙスライダの他端側をＹ軸方向に駆動する第２Ｙ軸駆動手段と、を備え、前記Ｘ−Ｙ平面に平行な第３案内面を確保して、該第３案内面とＹスライダとの間に、Ｙスライダを前記第３案内面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングを設けると共に、第１案内面とＹスライダの間に、第１案内面からＹスライダを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを設け、前記リフトベアリングをＹ軸方向に間隔をおいて２個配置すると共に、それら２個のリフトベアリングの間に、前記ガイドベアリングを配置したことにより、上記課題を解決したものである。
【００２２】
この発明では、ガイドレールを敢えて片側サイドだけに絞り、そのガイドレールに言わば片持式にＹスライダを支持させ、Ｘ軸方向の位置決めを片端側（一端側）のみとして、他端側は基本的にガイドフリーにしている。
【００２３】
従って、ガイドレールが片側に絞られたことによる構造の単純化が実現できる。また、ガイドレールが片側のみにしか存在しないため、相互の平行度を確保しながらの組み付けが不要となるし、ベアリングの数も減らせて、結果的に加工コストや組付コストを含めた製造コスト全体の低減が図れる。さらに、ガイドレールを片側だけのガイド方式にしたので、可動部質量も軽くなり、同じ駆動動力ならそれだけ応答性が高まる。
【００２４】
なお、Ｙスライダの他端側が自由端なので、Ｚ軸回りの回転θｚを積極的に与えることも可能である。例えば、Ｙスライダのガイド端をＸ軸方向に対して線状に拘束するのではなく、点状（ピン支持状）に拘束するようにすれば、ＹスライダがＺ軸回りに回転しやすい条件ができる。そこで、θｚを任意の値に制御することにより、Ｘ−Ｙガイド系を回転させることができるようになり、例えば、Ｘ−Ｙ座標に対してワークがずれて置かれた場合に、ワークを置き直すことなく、Ｘ−Ｙ座標側をワークに合わせて補正することができるようになる。
【００２７】
なお、特に乙軸回りの回転（以下、この明細書ではこの回転を「θｚ」という）を、Ｙスライダの一端側（ガイド端側）と他端側（自由端側）を独立して位置決めしながら駆動できるようにするとよい。
【００３３】
又、この発明では、Ｙスライダのガイドのために非接触式（浮上式）のベアリングを設けているので、Ｙスライダの動きを軽くすることができ、応答性を高めることができる。
【００３５】
更に、この発明では、リフトベアリングのＹ軸方向の間隔をガイドベアリングの間隔よりも大きく設定できるようにしている。ただし、ガイドベアリングが２個の場合は間隔≠０であるが、ガイドベアリングが１個の場合は間隔＝０である。リフトベアリングのＹ軸方向の間隔は大きい方が、モーメントの関係から、Ｘ軸回りのＹスライダの回転θｘを抑制できる。従って、この発明のように、リフトベアリングをガイドベアリングの外側に配置した場合は、リフトベアリングの間隔をガイドベアリングに左右されずに大きく設定できるので、Ｘ軸回りのＹスライダの回転θｘを抑制する点では好ましくなる。
【００３６】
また、ガイドベアリングは２個を間隔をおいて配置した場合にはＺ軸方向の回転θｚを抑制できるが、本発明の場合は、ガイドベアリングによるθｚの抑制は積極的に期待していない。ガイドベアリングによるθｚの抑制はラフであってよく、場合によっては、Ｘ軸方向の位置決め機能だけを果たせばよい。従って、設計によっては、１個のガイドベアリングでＹスライダを支持してもよく（前述した点状あるいはピン支持状の拘束に相当）、むしろＹスライダのＸ軸方向の位置決めに関しては、２つのガイドベアリングの間隔は小さくした方が好ましい。従って、この発明のように、ガイドベアリングをリフトベアリングの内側に配置した場合は、ガイドベアリングの間隔を無条件に小さく設定できることになるので、ＹスライダのＸ軸方向の位置決め精度の向上させるという点で好ましくなる。
【００３７】
なお、本発明では、前記ガイドベアリングが、前記第１案内面とＹスライダとのギャップにガスを吹き込んでＹスライダに浮上力を与えるガスベアリングによって構成されており、該ガスベアリングと組み合わせて、前記第１案内面とＹスライダとの間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる磁力発生手段を設ける構成としてもよい。
【００３８】
この構成では、ガスベアリングによる浮上力に対抗させて磁気吸引力を積極的に加えている。つまり、ガスベアリングによる案内系にマグネットプリロード方式を採用している。従って、磁気的なプリロードが積極的に与えられる分だけ、ガスベアリングによる案内剛性が高まる上、Ｙスライダの浮上隙間（浮上量）を精度良く一定に保つことができて、ＹスライダのＸ軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【００３９】
また、従来例では、浮上力とプリロードとをバランスさせるため、２本のガイドレールの案内面に対してＹスライダを突っ張る方式（図１１の装置では浮上力とその反力をバランスさせる方式）を採用していたが、そのような方式にする必要がなくなる。即ち、従来の方式では、少なくとも２つの案内面によってＹスライダをＸ軸方向に拘束していたが、本発明では、マグネットプリロード方式の採用により、１つの案内面だけでＹスライダをＸ軸方向に精度良く位置決めすることができるようになる。従って、案内面の数を最小にすることができて、その分の加工コストを削減できる。また、案内面が１つで済むから、ベアリングの数も半減できる上、当然、Ｙスライダの質量を軽くでき、応答性を高めることができる。この効果は、本発明のように１軸案内型の場合、特に有利な効果となる。
【００４０】
また、本発明は、Ｘ−Ｙ平面に平行な第４案内面を確保して、該第４案内面とＸスライダとの間に、Ｘスライダを前記第４ガイド面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングを設け、第２案内面とＸスライダの間に、第２案内面からＸスライダを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを設けるように構成してもよい。
【００４１】
この構成では、Ｘスライダのガイドのために非接触式（浮上式）のベアリングを設けているので、Ｘスライダの動きを軽くすることができ、応答性を高めることができる。
【００４２】
又、本発明は、前記ガイドベアリングが、前記第２案内面とＸスライダとのギャップにガスを吹き込んでＸスライダに浮上力を与えるガスベアリングによって構成されており、該ガスベアリングと組み合わせて、前記第２案内面とＸスライダとの間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる磁力発生手段を設けるように構成してもよい。
【００４３】
この構成では、Ｘスライダのガイド系において、ガスベアリングによる浮上力に対抗させて磁気吸引力を積極的に加えている。つまり、ガスベアリングによる案内系にマグネットプリロード方式を採用している。従って、磁気的なプリロードが与えられる分だけ、ガスベアリングによる案内剛性が高まる上、ＸスライダのＹスライダに対する浮上隙間（浮上量）を精度良く一定に保つことができて、ＸスライダのＹ軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【００４４】
また、従来例では、浮上力とプリロードとをバランスさせるため、Ｙスライダの両横面に設けた２つの案内面を逆Ｕ字状断面のＸスライダで挟み込む方式（図１１の装置では浮上力とその反力をバランスさせる方式）を採用していたが、そのような方式にする必要がなくなる。即ち、従来の方式では、２つの案内面によってＸスライダをＹ軸方向に拘束していたが、本発明では、マグネットプリロード方式の採用により、１つの案内面だけでＸスライダをＹ軸方向に精度良く位置決めすることができる。従って、Ｙスライダに設ける案内面の数を最小にすることができ、その分の加工コストを削減できる。また、案内面が１つで済むから、ベアリングの数も半減できる上、当然、Ｘスライダの動きを軽くでき、応答性を高めることができる。
【００４５】
又、本発明では、前記第１Ｙ軸駆動手段及び第２Ｙ軸駆動手段が、それぞれ非接触でＹスライダに駆動力を伝達するリニアモータで構成されていてもよい。
【００４６】
この構成では、リニアモータでＹスライダを非接触的に駆動するようにしているので、Ｙスライダの自由端側の動きを許容できる点で最適であり、応答性も高めることができる。しかも、非接触なので転動疲労もないし、位置決め精度も高くできる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００４８】
図１は本発明の実施形態に係るＸ−Ｙステージ装置の平面図、図２は図１のII矢視図、図３は図１のIII矢視図である。また、図４は図１のIV部分の拡大概略斜視図である。
【００４９】
図１〜図３に示すように、このＸ−Ｙステージ装置は、ベース１０１と、該ベース１０１上に川の字状に並べられた磁性体製の３枚の長方形状のスライドベース１０２、１０３、１０４と、端部に位置するスライドベース１０２上に固定された１本の磁性体製のガイドレール１１０と、このガイドレール１１０に一端が拘束され他端が自由端として延在する平面視Ｔ字形の磁性体製のＹスライダ１２０と、Ｙスライダ１２０に組み付けられたＸスライダ１３０とを備えている。
【００５０】
互いに直交する３軸方向をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向とし、Ｘ軸とＹ軸を含む平面をＸ−Ｙ平面とした場合、スライドベース１０２、１０３、１０４は、Ｘ−Ｙ平面上に配されており、スライドベース１０２、１０３、１０４の上面が、Ｚ軸方向と直交する基準案内面（第３案内面及び第４案内面）１０５となっている。そして、各スライドベース１０２、１０３、１０４は、各々長手方向をＹ軸方向に沿わせてこの順にＸ軸方向に並んでいる。
【００５１】
ガイドレール１１０は、これらスライドベース１０２、１０３、１０４のうちの片方の端部に位置するスライドベース１０２上に、Ｙ軸方向に沿って固定されている。このガイドレール１１０の内側の側面（ベース１０１の中心側を向いた側面）には、図４に示すように、Ｙ軸方向に平行な（Ｘ軸方向に直交する）第１案内面１１０Ａが形成されている。
【００５２】
Ｔ字形のＹスライダ１２０は、ガイドレール１１０に沿ってＹ軸方向に延在するヘッド部１２１と、ヘッド部１２１の長さ方向の中間よりＸ軸方向に延在する直線案内部１２２とからなる。直線案内部１２２は、中央のスライドベース１０３を横断するようにＸ軸方向に延在しており、その片側の側面には、Ｘ軸方向と平行な（Ｙ軸方向と直交する）第２案内面１２０Ａが形成されている。
【００５３】
Ｙスライダ１２０の一端側に位置するヘッド部１２１には、図４に拡大して示すように、底面にリフトエアベアリング１２３とリフトプリロードマグネット１２４とが配され、ガイドレール１１０の第１案内面１１０Ａに対向する側面に、ガイドエアベアリング１２５とガイドプリロードマグネット１２６とが配されている。また、図１に示すように、Ｙスライダ１２０の他端側に位置する直線案内部１２２の端部底面には、リフトエアベアリング１２７とリフトプリロードマグネット１２８とが配されている。
【００５４】
３つのリフトエアベアリング（リフト用のガスベアリング）１２３、１２３、１２７は、Ｙスライダ１２０をＸ−Ｙ平面内にて移動可能に支持するためのもので、スライドベース１０２、１０４の基準案内面１０５に対してエア（他のガスでもよい）を吹き出すことにより、Ｙスライダ１２０に浮上力を与える。各リフトエアベアリング１２３、１２３、１２７の近傍に配置されたリフトプリロードマグネット（磁力発生手段）１２４、１２４、１２８は永久磁石よりなり、基準案内面１０５とＹスライダ１２０との間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる。
【００５５】
従って、エアベアリング作用による浮上力と磁気吸引力とによって、Ｙスライダ１２０は、基準案内面１０５上に所定高さで非接触で支持される。即ち、リフトプリロードマグネット１２４、１２８による磁気吸引力は、Ｙスライダ１２０と基準案内面１０５の距離が増大するに従い減少し、リフトエアベアリング１２３、１２７のエア吹き出しによる浮上力は距離の増大と共に減少する。しかも、磁気吸引力と浮上力は逆向きの力であるから、両者のバランスがとれた高さ（浮上隙間＝ギャップ）でＹスライダ１２０が移動可能に支持される。
【００５６】
なお、マグネットプリロード方式については、特許公報２８６５３６９号の「磁気吸引ガス浮上型パッド」等において適用されている公知の技術であるので、ここでの詳しい説明は略する。
【００５７】
ガイドエアベアリング（ガイド用のガスベアリング）１２５及びガイドプリロードマグネット（磁力発生手段）１２６は、Ｙスライダ１２０の一端側のヘッド部１２１をガイドレール１１０の第１案内面１１０Ａに沿ってＹ軸方向に移動自在に支持しながらＸ軸方向に拘束力を発揮するためのものであり、ガイドエアベアリング１２５は、ガイドレール１１０の第１案内面１１０Ａに対してエアを吹き出すことにより、Ｙスライダ１２０のヘッド部１２１に浮上力を与え、永久磁石よりなるガイドプリロードマグネット１２６は、ガイドレール１１０の第１案内面１１０ＡとＹスライダ１２０のヘッド部１２１との間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させ、前記と同じ原理で、浮上力と磁気吸引力のバランスにより、ガイドレール１１０の第１案内面１１０ＡからＹスライダ１２０を一定量だけ（水平方向に）浮上させて非接触状態でガイドする。
【００５８】
前記リフトエアベアリング１２３、リフトプリロードマグネット１２４、ガイドエアベアリング１２５、ガイドプリロードマグネット１２６は、それぞれが対で設けられており、Ｙスライダ１２０のヘッド部１２１の長さ方向の中心線（直線案内部１２２の幅方向の中心線でもある）に対して対称に配置されている。
【００５９】
この場合、リフトエアベアリング１２３が一番外側に配置され、その内側にリフトプリロードマグネット１２４及びガイドプリロードマグネット１２６が配置され、そのさらに内側にガイドエアベアリング１２５が配置されている。
【００６０】
つまり、図６にリフトエアベアリング１２３とガイドエアベアリング１２５の位置関係を示すように、対をなすリフトエアベアリング１２３、１２３間の距離Ｌができるだけ大きくなるように設定され、対をなすガイドエアベアリング１２５、１２５間の距離Ｍは小さくてよいという観点で設定されている。これは、リフトエアベアリング１２３、１２３間の距離Ｌを大きくすると、Ｙスライダ１２０のＸ軸回りの回転θｘを抑制する（θｘ方向の剛性を高める）ことができるからである。また、ガイドエアベアリング１２５、１２５間の距離Ｍを小さくすると、それだけＹスライダ１２０のＺ軸回りの回転θｚの抑制はラフになるが、構成上特に問題は生じないからである。このラフでよい理由については後述する。
【００６１】
なお、エアを吹き出して浮上力を発生するリフトエアベアリング１２３、１２７とガイドエアベアリング１２５は、図４に示すように、球面継手１２９を介してＹスライダ１２０に接続されている。
【００６２】
このような構成により、Ｙスライダ１２０は、スライドベース１０２〜１０４上に浮上した状態で、Ｙ軸方向にのみ移動自在とされている。そして、図１に示すように、Ｙスライダ１２０の一端側と他端側にそれぞれ独立して、Ｙスライダ１２０の一端側をＹ軸方向に駆動する第１Ｙ軸リニアモータ（第１Ｙ軸駆動手段）１４１と、他端側をＹ軸方向に駆動する第２Ｙ軸リニアモータ（第２Ｙ軸駆動手段）１４２とが設けられている。なお、リニアモータ１４１、１４２は、ベース１０１側と非接触でＹスライダ１２０に対し駆動力を伝達することができるものである。
【００６３】
また、Ｙスライダ１２０の一端側と他端側にはそれぞれ、Ｙスライダ１２０の一端側のＹ軸方向の位置を検出する第１Ｙ軸リニアエンコーダ（第１位置検出手段）１４３と、Ｙスライダ１２０の他端側のＹ軸方向の位置を検出する第２Ｙ軸リニアエンコーダ（第２位置検出手段）１４４とが設けられており、図示しない制御手段が、これらリニアエンコーダ１４３、１４４の検出信号に基づいて、第１Ｙ軸リニアモータ１４１及び第２Ｙ軸リニアモータ１４２を制御するようになっている。
【００６４】
一方、Ｘスライダ１３０は、側壁１３１と上壁１３２とを有する断面逆Ｌ字形に形成されており、Ｙスライダ１２０の直線案内部１２２の上に被さるように載っている。Ｘスライダ１３０の側壁１３１は、Ｙスライダ１２０の第２案内面１２０Ａに対向する位置にあり、この側壁１３１の内面には、第２案内面１２０Ａに対向させて、２つのガイドエアベアリング１３３と、それらの間に１つのガイドプリロードマグネット１３４とが配されている。
【００６５】
Ｘスライダ１３０には３つのリフトエアベアリング１３５が配置されている。３つのリフトエアベアリング１３５は、Ｙスライダ１２０と干渉しない位置で、Ｘスライダ１３０をバランス良く支持できる位置に配されている。なお、ガイドエアベアリング１３３とリフトエアベアリング１３５は、球面継手１３６、１３７を介してＸスライダ１３０に接続されている。この３つのリフトエアベアリング（リフト用のガスベアリング）１３５は、Ｘスライダ１３０をＸ−Ｙ平面内にて移動可能に支持するためのもので、スライドベース１０３の基準案内面１０５に対してエアを吹き出すことにより、Ｘスライダ１３０に浮上力を与える。そして、エアベアリング作用による浮上力とＸスライダ１３０の自重とのバランスによって、Ｘスライダ１３０を、基準案内面１０５上に所定高さで非接触状態で支持する。
【００６６】
ガイドエアベアリング（ガイド用のガスベアリング）１３３及びガイドプリロードマグネット（磁力発生手段）１３４は、Ｘスライダ１３０をＹスライダ１２０の第２案内面１２０Ａに沿ってＸ軸方向に移動自在に支持しながらＹ軸方向に拘束力を発揮するためのものである。ガイドエアベアリング１３３は、Ｙスライダ１２０の第２案内面１２０Ａに対してエアを吹き出すことにより、Ｘスライダ１３０に第２案内面１２０Ａに対する浮上力を与え、永久磁石よりなるガイドプリロードマグネット１３４は、Ｙスライダ１２０の第２案内面１２０ＡとＸスライダ１３０の側壁１３１との間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させ、浮上力と磁気吸引力のバランスにより、Ｙスライダ１２０の第２案内面１２０ＡからＸスライダ１３０を一定量だけ（水平方向に）浮上させて非接触状態でガイドする。
【００６７】
このような構成により、Ｘスライダ１３０は、スライドベース１０３上に浮上した状態で、Ｙスライダ１２０に案内されてＸ軸方向にのみ移動自在とされている。そして、図３に示すように、Ｙスライダ１２０の直線案内部１２２の上面の凹所１２２Ａに収容したＸ軸リニアモータ１５１によって、Ｘスライダ１３０がＸ軸方向に駆動されるようになっている。また、Ｘスライダ１３０には、Ｘスライダ１３０のＸ軸方向の位置を検出するＸ軸リニアエンコーダ１５２が設けられており、図示しない制御手段が、このＸ軸リニアエンコーダ１５２の検出信号に基づいて、Ｘ軸リニアモータ１５１を制御するようになっている。
【００６８】
次に制御系について説明する。
【００６９】
Ｙスライダ１２０のＹ軸方向の位置制御、並びに、Ｘスライダ１３０のＸ軸方向の位置制御は、Ｙ軸リニアモータ１４１、１４２やＸ軸リニアモータ１５１の推力を、Ｙ軸リニアエンコーダ１４３、１４４やＸ軸リニアエンコーダ１５２の検出信号に基づいてフィードバック制御することで行うことができる。
【００７０】
Ｘスライダ１３０の位置制御については従来と特に変わりないが、Ｙスライダ１２０の位置制御については特徴があるので以下に説明する。
【００７１】
先にも述べたように、Ｙスライダ１２０は、片端部（一端側）のみをガイドレール１１０によってガイドするという構造上の特徴ゆえに、Ｚ軸回りの回転θｚによるヨーイング誤差を生じやすい。
【００７２】
そのため、この実施形態のＸ−Ｙステージ装置では、位置決め精度及び水平方向案内精度を確保する制御方式として、Ｙスライダ１２０の一端側と他端側に２組の計測・駆動系を設けて、Ｙ−θ制御方式を採用している。ここで、θはθｚのことである。
【００７３】
その詳細を図５を用いて説明する。
【００７４】
第１Ｙ軸リニアエンコーダ１４３の測定値をＹ１FB、第２Ｙ軸リニアエンコーダ１４４の測定値をＹ２FBとすると、Ｙ軸方向のフィードバック値ＹFBは、
ＹFB ＝（Ｙ１FB＋Ｙ２FB）／２
となる。また、θ軸のフィードバック値θFBは、測定値の差に対してリニアエンコーダ１４３、１４４の測定点間の長さが十分に長いと見なせるので、
θFB ＝（Ｙ１FB−Ｙ２FB）
となる。
【００７５】
そこで、フィードバック値ＹFB、θFBとＹ軸・θ軸への目標値Ｙref、θrefとの偏差演算を行い、Ｙ軸・θ軸への力指令値ＦY、Ｆθを算出する。この力指令値から、各リニアモータ１４１、１４２への力指令値ＦY1、ＦY2の演算式は次式のようになる。
【００７６】
ＦY1 ＝ＦY ＋Ｆθ
ＦY2 ＝ＦY −Ｆθ
【００７７】
従って、上式の演算結果を各モータアンプ１４７、１４８に出力することにより、Ｙスライダ１２０のＹ−θ方向の制御を行う。
【００７８】
次に作用を説明する。
【００７９】
このＸ−Ｙステージ装置において、固定部分は、ベース１０１、スライドベース１０２〜１０４、ガイドレール１１０である。また、Ｙ軸方向に直線案内される部分は、Ｙスライダ１２０、リフトエアベアリング１２３、ガイドエアベアリング１２５、リフトプリロードマグネット１２４、ガイドプリロードマグネット１２６である。また、Ｙ軸方向に直線案内されながらＸ軸方向にも直線案内される部分は、Ｘスライダ１３０、ガイドエアベアリング１３３、ガイドプリロードマグネット１３４、リフトエアベアリング１３５である。
【００８０】
従って、このステージ装置においては、第１Ｙ軸リニアモータ１４１及び第２Ｙ軸リニアモータ１４２を駆動すると、Ｙスライダ１２０が、ガイドレール１１０によってＸ軸方向に拘束されながらＹ軸方向に駆動される。その際、リフトエアベアリング１２３、１２７及びリフトプリロードマグネット１２４、１２８の作用により、Ｙスライダ１２０は、スライドベース１０２〜１０４の基準案内面１０５に対して一定の浮上隙間を確保しながら非接触状態で案内される。また、ガイドエアベアリング１２５及びガイドプリロードマグネット１２６の作用により、Ｙスライダ１２０は、ガイドレール１１０の第１案内面１１０Ａに対して一定の浮上隙間（ギャップ）を確保しながら非接触状態で案内される。
【００８１】
また、Ｘ軸リニアモータ１５１を駆動すると、Ｘスライダ１３０がＹスライダ１２０によってＹ軸方向に拘束されながらＸ軸方向に駆動される。その際、リフトエアベアリング１３５の作用により、Ｘスライダ１３０は、スライドベース１０２〜１０４の基準案内面１０５に対して一定の浮上隙間を確保しながら非接触状態で案内される。また、ガイドエアベアリング１３３及びガイドプリロードマグネット１３４の作用により、Ｘスライダ１３０は、Ｙスライダ１２０の第２案内面１２０Ａに対して一定の浮上隙間（ギャップ）を確保しながら非接触状態で案内される。
【００８２】
そして、Ｙスライダ１２０のＹ軸方向の駆動制御と、Ｘスライダ１３０のＹスライダ１２０に対するＸ軸方向の駆動制御とにより、Ｘスライダ１３０がＸ−Ｙ平面内の任意の位置に駆動制御される。
【００８３】
このＸ−Ｙステージ装置では、ガイドレール１１０を敢えて片側サイドに１本だけに限定して設けており、そのガイドレール１１０に片持式にＹスライダ１２０を支持させている。そして、Ｙスライダ１２０のＸ軸方向の位置決めを、片端側（一端側）のみとして、他端側は基本的にガイドフリーにしている。
【００８４】
従って、この支持構造の特徴から、Ｙスライダ１２０がＸ−Ｙ平面に直交する軸（Ｚ軸）回りに回転して、Ｙ軸方向の精度が低下する可能性が出てくる。そこで、このステージ装置では、Ｙスライダ１２０の一端側と他端側とを独立して位置制御できるように計測・駆動系を２組設けている。従って、自由にＹスライダ１２０のＺ軸回りの回転θｚを制御できるようになる。先に回転θｚについてはラフでよいと言及したのはこの理由による。本実施形態では、第１、第２Ｙ軸リニアエンコーダ１４３、１４４の位置検出信号に基づいて第１、第２Ｙ軸リニアモータ１４１、１４２をフィードバック制御しているため、片持式のガイドでありながら、Ｙ軸方向の位置精度を、従来よりも高めることができる。
【００８５】
この場合、特にリニアモータ１４１、１４２でＹスライダ１２０を非接触的に駆動するようにしているので、Ｙスライダ１２０の自由端側の動きを許容でき、応答性も高めることができる。しかも、非接触なので転動疲労がなく、位置決め精度も高くできる。
【００８６】
また、このＸ−Ｙステージ装置の場合、ガイドレール１１０が片側サイドのみに絞られているので、構造が単純化される上、加工精度をあまり高くしないでも、必要十分なＹ軸方向の位置決め精度を出せるようになる。また、ガイドレール片側にしかないために、従来のように相互の平行度を確保しながらの両サイドのガイドレールを組み付けるといった組み付けの面倒が不要となる。また、案内面の数を最小にでき、ベアリングの数も減らせるので、結果的に、加工コストや組付コストを含めた製造コスト全体の低減が図れる。また、ガイドレール１１０が片側のみになったので、可動部質量が軽くなり、応答性が高まる。
【００８７】
また、Ｙスライダ１２０のガイドエアベアリング１２５による案内系にマグネットプリロード方式を採用しているので、案内剛性を高めることができる上、Ｙスライダ１２０のガイドレール１１０からの浮上隙間（浮上量）を精度良く一定に保つことができ、Ｙスライダ１２０のＸ軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【００８８】
同様に、Ｘスライダ１３０のガイドエアベアリング１３３による案内系にもマグネットプリロード方式を採用しているので、同案内系の剛性を高めることができる上、Ｘスライダ１３０のＹスライド１２０からの浮上隙間（浮上量）を精度良く一定に保つことができ、Ｘスライダ１３０のＹ軸方向の位置決め精度を高めることができる。
【００８９】
また、図１１の従来例のように、浮上力とプリロードとをバランスさせるために、Ｙスライダの両横面に設けた２つの案内面を逆Ｕ字状断面のＸスライダで挟み込む方式を採用するのではなく、１つの案内面１２０Ａだけで、Ｘスライダ１３０をＹ軸方向に精度良く位置決めすることができるようになるので、Ｘスライダ１３０についてもガイドする案内面の数を最小にし、エアベアリングの数も半減することができる。従って、Ｘスライダ１３０の質量を軽くすることができて、応答性を高めることができる。
【００９０】
また、このＸ−Ｙステージ装置では、Ｙスライダ１２０のヘッド部１２１に設けたリフトエアベアリング１２３のベアリング間隔Ｌ（図６参照）を、ガイドエアベアリング１２５のベアリング間隔Ｍよりも大きく設定しているので、Ｘ軸回りのＹスライダ１２０の回転θｘを抑制する点では好ましくなる。つまり、リフトエアベアリング１２３のベアリング間隔を大きくしたことにより、ステージのピッチング運動θｘによる運動誤差を低減することができる。また、これによりスライドベース１０２〜１０４の加工誤差を平均化することができ、垂直方向の真直度の低下を防止できる。
【００９１】
また、このステージ装置では、Ｙスライダ１２０のＺ軸回りの回転θｚを、独立に設けた２組の計測・駆動系（第１Ｙ軸リニアモータ１４１、第２Ｙ軸リニアモータ１４２、第１Ｙ軸リニアエンコーダ１４３、第２Ｙ軸リニアエンコーダ１４４）で制御する方式を採用しているので、ガイドエアベアリング１２５によるθｚの抑制は積極的には期待していず、むしろ、ガイドエアベアリング１２５によるθｚの抑制はラフであってよいとしている。従って、その点で、２個のガイドエアベアリング１２５の間隔Ｍができるだけ小さくなっていることは、逆に有効な要素となっている。
【００９２】
この場合のガイドエアベアリング１２５の最大の役割は、Ｚ軸回りのＹスライダ１２０の回転θｚを抑制することではなく、Ｙスライダ１２０をＸ軸方向に拘束することである。従って、設計によっては図７に示すように、Ｙスライダ２２０のヘッド部を線状ではなく点状に形成して、１組のガイドエアベアリング２２５とガイドプリロードマグネット２２６とで、Ｙスライダ２２０の一端側をガイドレール２１０に拘束してもよい。そうした場合、Ｙスライダ２２０の回転θｚでの自由度がより大きくなり、これを利用してθｚを積極的に制御して、Ｘ−Ｙ座標系の補正を行うことも可能になる。
【００９３】
また、図７のようにＹスライダ２２０の一端側を１組のガイドエアベアリング２２５とガイドプリロードマグネット２２６とで支持するようにした場合、リフトエアベアリングの配置場所の確保が難しくなるので、図８に示すように、Ｙスライダ３２０の途中に張り出し部３２１を設けて、その部分にリフトエアベアリング３２３を設けたり、図９に示すように、Ｙスライダ４２０の他端側に張り出し部４２１を設けて、その部分にリフトエアベアリング４２３を設けたりしてもよい。なお、図において、３１０、４１０はガイドレール、３２５、４２５はリフトエアベアリング、３２６、４２６はリフトプリロードマグネットを示す。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ガイドレールを敢えて片側サイドだけに絞り、そのガイドレールに片持式にＹスライダを支持させて、Ｘ軸方向の位置決めを片端側（一端側）のみとして、他端側は基本的にガイドフリーにしており、必要ならＹスライダの一端側と他端側を独立して位置決めしながら駆動できるようにしているので、片持式のガイドでありながら、Ｙ軸方向の位置精度を高めることもできる。従って、ガイドレールが片側のみに絞られたことによる構造の単純化はもちろんのこと、加工精度をあまり高く設定しないでも、必要十分な位置決め精度を確保することができる。また、ガイドレールが片側であるため、従来例のような両サイド相互の平行度を確保しながらのガイドレールの組み付けが不要となるし、ベアリング等の部品点数も減らせるので、結果的に、加工コストや組付コストを含めた製造コスト全体の低減及びメンテナンス性の向上が図れる。また、ガイドレールが片側のみになってガイド部分の数が減るので、可動部質量が軽くなり、応答性が高まるというメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のＸ−Ｙステージ装置の平面図
【図２】図１のII矢視図
【図３】図１のIII矢視図
【図４】図１のIV矢視部分の概略拡大斜視図
【図５】Ｘ−Ｙステージ装置におけるＹスライダの駆動制御系のブロック図
【図６】前記実施形態のＸ−Ｙステージ装置におけるベアリングの位置関係を概略的に示す平面図
【図７】本発明の他の実施形態のＸ−Ｙステージ装置の概略平面図
【図８】図７のＸ−Ｙステージ装置の変形例を示す平面図
【図９】図７のＸ−Ｙステージ装置のさらに別の変形例を示す平面図
【図１０】従来のＸ−Ｙステージ装置の一例を示す斜視図
【図１１】別の従来のＸ−Ｙステージ装置の例を示す斜視図
【図１２】従来のＸ−Ｙステージ装置の問題点の説明に用いる平面図
【符号の説明】
１０１…ベース
１０２〜１０４…スライドベース
１０５…基準案内面（第３案内面、第４案内面）
１１０…ガイドレール
１１０Ａ…第１案内面
１２０…Ｙスライダ
１２０Ａ…第２案内面
１２１…ヘッド部（一端側）
１２３…リフトエアベアリング（リフト用のガスベアリング）
１２４…リフトプリロードマグネット（磁力発生手段）
１２５…ガイドエアベアリング（ガイド用のガスベアリング）
１２６…ガイドプリロードマグネット（磁力発生手段）
１２７…リフトエアベアリング（リフト用のガスベアリング）
１２８…リフトプリロードマグネット（磁力発生手段）
１２９…球面継手
１３０…Ｘスライダ
１３３…ガイドエアベアリング
１３４…ガイドプリロードマグネット
１３５…リフトエアベアリング
１３６，１３７…球面継手
１４１…第１Ｙ軸リニアモータ（第１Ｙ軸駆動手段）
１４２…第２Ｙ軸リニアモータ（第２Ｙ軸駆動手段）
１４３…第１Ｙ軸リニアエンコーダ（第１Ｙ軸位置検出手段）
１４４…第２Ｙ軸リニアエンコーダ（第２Ｙ軸位置検出手段）
１５１…Ｘ軸リニアモータ
１５２…Ｘ軸リニアエンコーダ
２１０…ガイドレール
２２０…Ｙスライダ
２２５…ガイドエアベアリング（ガイド用のガスベアリング）
２２６…ガイドプリロードマグネット（磁力発生手段）
３１０…ガイドレール
３２０…Ｙスライダ
３２３…リフトエアベアリング（リフト用のガスベアリング）
３２５…ガイドエアベアリング（ガイド用のガスベアリング）
３２６…ガイドプリロードマグネット（磁力発生手段）
４１０…ガイドレール
４２０…Ｙスライダ
４２３…リフトエアベアリング（リフト用のガスベアリング）
４２５…ガイドエアベアリング（ガイド用のガスベアリング）
４２６…ガイドプリロードマグネット（磁力発生手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an XY stage apparatus.
[0002]
[Prior art]
FIG. 10 shows an example of a conventional XY stage apparatus.
[0003]
In the figure, two guide rails 2 are fixed to the upper surface of the base 1 in parallel with each other. Here, when the two orthogonal directions are the X-axis direction and the Y-axis direction, the guide rails 2 are arranged in parallel to the Y-axis direction, and each guide rail 2 has a movable portion at both ends of the Y slider 3. 3A is fitted along the guide rail 2 so as to be slidable in the Y-axis direction. An X slider 4 is fitted to the Y slider 3 so as to be slidable in the X axis direction.
[0004]
Each guide rail 2 has a rectangular cross section, and its four peripheral side surfaces are guide surfaces parallel to the Y-axis direction. Then, the four inner surfaces of the movable portion 3A having a rectangular tube shape of the Y slider 3 face each guide surface, and an air bearing (static pressure air bearing) is disposed between the facing surfaces. Similarly, the guide portion 3B of the Y slider 3 has a rectangular cross section, and its four peripheral side surfaces are guide surfaces parallel to the X-axis direction. The four inner surfaces of the rectangular cylindrical X slider 4 are opposed to each guide surface, and an air bearing is disposed between the opposed surfaces.
[0005]
Thus, the Y slider 3 is movable in the Y axis direction with respect to the guide rail 2, and the X slider 4 is movable in the X axis direction with respect to the Y slider 3, so that the X slider 4 is in the XY plane. It can be moved to any position.
[0006]
FIG. 11 shows an example of another conventional XY stage apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-155186 (Japanese Patent Application No. 10-332213).
[0007]
The fixed part of the XY stage apparatus is a base 11 having an upper surface as an air bearing guide surface 11A, and two guide rails 12 fixed in parallel to each other on the upper surface of the base 11.
[0008]
Here, when the three axis directions orthogonal to each other are the X axis, Y axis, and Z axis directions, and the plane including the X axis and the Y axis (the plane orthogonal to the Z axis) is the XY plane, the upper surface of the base 11 The hydrostatic air bearing guide surface 11A is arranged on the XY plane, and the first guide surface 12A parallel to the Y-axis direction (perpendicular to the X-axis) is provided on the opposite side surface of each guide rail 12. Is provided.
[0009]
A Y slider 13 having T-shaped portions at both ends moves along the pair of first guide surfaces 12A facing each other.
[0010]
The guide air bearing 15 performs a bearing function of guiding the Y slider 13 in the Y-axis direction in a non-contact state with respect to the guide rail 12 by blowing air toward the first guide surface 12A.
[0011]
The lift air bearing 16 is a bearing that guides the Y slider 13 in the X axis direction and the Y axis direction in a non-contact state with respect to the base 11 by blowing air toward the air bearing guide surface 11A. Fulfills the function.
[0012]
The X slider 17 has a substantially inverted U-shaped cross section that straddles the Y slider 13, and two air bearings 19 for guide are arranged on the opposing inner side surfaces. Second guide surfaces 13A parallel to the X-axis direction (perpendicular to the Y-axis direction) are respectively formed on both side surfaces (lateral surfaces) of the Y slider 13, and an air bearing 19 for guiding is provided in the second direction. By blowing air toward the guide surface 13A, a bearing function for guiding the X slider 17 to the Y slider 13 in a non-contact state in the X-axis direction is achieved.
[0013]
With the above configuration, the Y slider 13 receives the constraint in the X-axis direction with respect to the guide rail 11 in a non-contact manner by the guide air bearing 15. Further, the Y slider 13 receives the restraint in the Z-axis direction with respect to the base 11 in a non-contact manner by the flying force of the lift air bearing 16 and the weight of the Y slider 13. Accordingly, the Y slider 13 can move (straight guide) only in the Y-axis direction due to the restriction in these two directions.
[0014]
Similarly, the X slider 17 receives the Y-axis direction constraint on the Y slider 13 in a non-contact manner by a guide air bearing 19. In addition, the X slider 17 receives the restraint in the Z-axis direction with respect to the base 11 in a non-contact manner due to the flying force of the lift air bearing 20 and the weight of the X slider. Accordingly, the X slider 17 can move (linearly guide) only in the X-axis direction with respect to the Y slider 13 by the restriction in these two directions.
[0015]
Thus, the Y slider 13 is movable in the Y-axis direction with respect to the guide rail 12, and the X slider 17 is movable in the X-axis direction with respect to the Y slider 13, so that the X slider 17 can be arbitrarily placed in the XY plane. It is possible to move to the position.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional XY stage apparatus described above, the guide rails 2 and 12 in the Y-axis direction are provided on two sides, that is, on both sides, and the Y slider 3 13 linear motions in the Y-axis direction are guided. That is, the both side support system is adopted.
[0017]
For example, in the case of the XY stage apparatus of FIG. 10, a guide surface is formed on each side surface orthogonal to the X-axis direction of the two guide rails 2 having a rectangular cross section, and the position in the X-axis direction is determined by these guide surfaces. The linear motion of the Y slider 3 in the Y-axis direction is guided while restraining. Accordingly, four guide surfaces are involved in restraining the position of the Y slider 3 in the X-axis direction.
[0018]
Further, in the case of the XY stage apparatus of FIG. 11, the first guide surface 12A is formed on the opposing side surfaces of the two guide rails 12, and the position in the X-axis direction is constrained by the opposing first guide surfaces 12A. However, the linear motion of the Y slider 13 in the Y-axis direction is guided. Therefore, two guide surfaces on both sides are involved in restraining the position of the Y slider 3 in the X-axis direction.
[0019]
However, if the guide rails 2 and 12 on both sides are used and provided with air bearing guide surfaces that require high surface accuracy and flatness, the processing cost increases. Also, when assembling the guide rails 2 and 12 on both sides, high accuracy is required for the parallelism of the guide rails 2 and 12 on both sides, so that the assembling cost increases. Therefore, as shown in FIG. 12, in order to suppress the rotation θz about the Z axis of the Y sliders 3 and 13, high manufacturing accuracy is required as a whole including the positioning accuracy of the drive system, resulting in an increase in manufacturing cost. There is a problem. In addition, when the guide rails 2 and 12 are arranged on both sides, the mass of the movable part is inevitably increased due to the increase in the number of guide portions and the number of bearings, resulting in reduced responsiveness and smooth movement. The problem that it falls is easy to occur. If the driving force is increased in order to solve this problem, there is a possibility that an overshoot problem (deceleration, stop, positioning problem) may occur.
[0020]
In consideration of the above circumstances, the present invention can improve performance (responsiveness, positioning accuracy) without setting the manufacturing accuracy so high, and the number of guide surfaces, the number of bearings, etc. An object of the present invention is to provide an XY stage apparatus capable of reducing the cost by simplifying the structure.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  The present inventionA guide rail having a first guide surface parallel to the Y-axis direction, where the two axis directions orthogonal to each other are the X-axis direction and the Y-axis direction, and the plane including the X-axis and the Y-axis is the XY plane,, XA Y slider having a second guide surface parallel to the axial direction, one end supported to be movable along the first guide surface of the guide rail, and the other end extending in the X axis direction as a free end When,in frontAn X slider supported movably along the second guide surface of the Y slider, first Y-axis driving means for driving one end of the Y slider in the Y-axis direction, and the other end of the Y slider as Y Second Y-axis drive means for driving in the axial directionSecuring a third guide surface parallel to the XY plane, and guiding the Y slider from the third guide surface by a certain amount of floating between the third guide surface and the Y slider A non-contact type guide bearing is provided between the first guide surface and the Y slider so that the Y slider floats from the first guide surface by a certain amount and guides the lift bearing. Two guide bearings are arranged between the two lift bearings, with two spaced apart in the direction.Thus, the above-described problems are solved.
[0022]
In this invention, the guide rail is squeezed only to one side, the Y slider is supported in a cantilever manner on the guide rail, and the positioning in the X-axis direction is set to only one end (one end side), while the other end is basically Guide free.
[0023]
Therefore, simplification of the structure can be realized by the guide rail being narrowed to one side. In addition, since the guide rail exists only on one side, it is not necessary to assemble while ensuring mutual parallelism, and the number of bearings can be reduced, resulting in manufacturing costs including processing costs and assembly costs. Overall reduction can be achieved. Furthermore, since the guide rail has a guide system only on one side, the mass of the movable part is reduced, and the same drive power increases the response.
[0024]
Since the other end side of the Y slider is a free end, the rotation θz around the Z axis can be positively given. For example, if the guide end of the Y slider is not constrained linearly with respect to the X axis direction but is constrained in a dot shape (pin support shape), there is a condition that the Y slider can easily rotate around the Z axis. it can. Therefore, by controlling θz to an arbitrary value, the XY guide system can be rotated. For example, when the work is placed with respect to the XY coordinates, the work is placed. Without correction, the XY coordinate side can be corrected according to the workpiece.
[0027]
  In addition,In particular, the rotation around the axis (hereinafter referred to as “θz” in this specification) is driven while positioning one end side (guide end side) and the other end side (free end side) of the Y slider independently. It can be soGood.
[0033]
  or,In the present invention, since the non-contact type (floating type) bearing is provided for the guide of the Y slider, the movement of the Y slider can be lightened and the responsiveness can be improved.
[0035]
  Furthermore,In the present invention, the interval in the Y-axis direction of the lift bearing can be set larger than the interval of the guide bearing. However, when there are two guide bearings, the interval ≠ 0, but when there is one guide bearing, the interval = 0. When the distance between the lift bearings in the Y-axis direction is larger, the rotation θx of the Y slider around the X-axis can be suppressed from the moment relationship. Accordingly, when the lift bearing is arranged outside the guide bearing as in the present invention, the interval between the lift bearings can be set large regardless of the guide bearing, and therefore the rotation θx of the Y slider around the X axis is suppressed. This is preferable in terms of points.
[0036]
Further, when two guide bearings are arranged at an interval, the rotation θz in the Z-axis direction can be suppressed, but in the case of the present invention, suppression of θz by the guide bearing is not positively expected. The suppression of θz by the guide bearing may be rough, and in some cases, only the positioning function in the X-axis direction needs to be performed. Therefore, depending on the design, the Y slider may be supported by a single guide bearing (corresponding to the above-described point-shaped or pin-supported constraint). Rather, two guides are used for positioning the Y slider in the X-axis direction. It is preferable to reduce the interval between the bearings. Therefore, when the guide bearing is arranged inside the lift bearing as in the present invention, the interval between the guide bearings can be set unconditionally small, so that the positioning accuracy of the Y slider in the X-axis direction is improved. Is preferable.
[0037]
  In the present invention,The guide bearing is constituted by a gas bearing that blows gas into a gap between the first guide surface and the Y slider to give a floating force to the Y slider, and in combination with the gas bearing, the first guide surface and Y Magnetic force generating means for generating a magnetic attractive force as a preload against the levitation force between the slider and the sliderTheEstablishmentIt is good also as a structure to be.
[0038]
  thisConstitutionThen, the magnetic attractive force is positively applied against the levitation force by the gas bearing. In other words, the magnet preload system is adopted for the guide system using gas bearings. Therefore, the guide rigidity by the gas bearing increases as much as the magnetic preload is positively applied, and the flying gap (the flying height) of the Y slider can be kept constant with high precision, and the Y slider can be moved in the X-axis direction. The positioning accuracy can be improved.
[0039]
Further, in the conventional example, in order to balance the flying force and the preload, a method in which the Y slider is stretched against the guide surfaces of the two guide rails (a method in which the flying force and the reaction force are balanced in the apparatus of FIG. 11). Although it was adopted, it is no longer necessary to use such a method. That is, in the conventional method, the Y slider is restrained in the X axis direction by at least two guide surfaces. However, in the present invention, the Y slider is moved in the X axis direction by using only one guide surface by adopting the magnet preload method. Positioning can be performed with high accuracy. Therefore, the number of guide surfaces can be minimized and the machining cost can be reduced accordingly. Further, since only one guide surface is required, the number of bearings can be halved, and naturally, the mass of the Y slider can be reduced and the responsiveness can be improved. This effect is particularly advantageous in the case of the single axis guide type as in the present invention.
[0040]
  The present invention also provides:A non-contact type guide that secures a fourth guide surface parallel to the XY plane and guides the X slider from the fourth guide surface by a certain amount of floating between the fourth guide surface and the X slider. Install lift bearingsNo.2 A non-contact type guide bearing is provided between the guide surface and the X-slider to guide the X-slider by a certain amount from the second guide surface.May be configured to.
[0041]
  thisConstitutionThen, since the non-contact type (floating type) bearing is provided for the guide of the X slider, the movement of the X slider can be lightened and the responsiveness can be improved.
[0042]
  The present invention also providesThe guide bearing is constituted by a gas bearing that blows gas into a gap between the second guide surface and the X slider to give a floating force to the X slider, and in combination with the gas bearing, the second guide surface and the X slider Magnetic force generating means for generating a magnetic attractive force as a preload against the levitation force between the slider and the sliderTheEstablishmentYou may comprise.
[0043]
  thisConstitutionThen, in the guide system of the X slider, a magnetic attractive force is positively applied against the levitation force by the gas bearing. In other words, the magnet preload system is adopted for the guide system using gas bearings. Therefore, the guide rigidity by the gas bearing increases as much as the magnetic preload is applied, and the flying gap (the flying height) of the X slider with respect to the Y slider can be kept constant with high precision. The positioning accuracy can be improved.
[0044]
In the conventional example, in order to balance the flying force and the preload, the two guide surfaces provided on both lateral surfaces of the Y slider are sandwiched between the X sliders having an inverted U-shaped cross section (the flying force The method of balancing the reaction force) has been adopted, but it is not necessary to adopt such a method. That is, in the conventional method, the X slider is restrained in the Y-axis direction by two guide surfaces. However, in the present invention, the X slider can be accurately adjusted in the Y-axis direction by using only one guide surface by adopting the magnet preload method. It can be positioned well. Therefore, the number of guide surfaces provided on the Y slider can be minimized, and the machining cost can be reduced accordingly. Further, since only one guide surface is required, the number of bearings can be halved, and naturally, the movement of the X slider can be lightened and the response can be improved.
[0045]
  In the present invention,The first Y-axis driving means and the second Y-axis driving means are each constituted by a linear motor that transmits a driving force to the Y slider in a non-contact manner.May.
[0046]
  thisConstitutionThen, since the Y slider is driven in a non-contact manner by a linear motor, it is optimal in that the movement of the free end side of the Y slider can be allowed, and the responsiveness can be improved. Moreover, since there is no contact, there is no rolling fatigue and positioning accuracy can be increased.
[0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0048]
FIG. 1 is a plan view of an XY stage apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view taken along arrow II in FIG. 1, and FIG. 3 is a view taken along arrow III in FIG. FIG. 4 is an enlarged schematic perspective view of a portion IV in FIG.
[0049]
As shown in FIGS. 1 to 3, the XY stage apparatus includes a base 101 and three rectangular slide bases 102 and 103 made of a magnetic material arranged in a river shape on the base 101. 104, one magnetic guide rail 110 fixed on the slide base 102 located at the end, and a plan view T in which one end is constrained to the guide rail 110 and the other end extends as a free end. A Y-shaped slider 120 made of a magnetic material and an X-slider 130 assembled to the Y-slider 120 are provided.
[0050]
When the three axis directions orthogonal to each other are the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and the plane including the X-axis and the Y-axis is the XY plane, the slide bases 102, 103, and 104 are on the XY plane. The upper surfaces of the slide bases 102, 103, 104 are reference guide surfaces (third guide surface and fourth guide surface) 105 that are orthogonal to the Z-axis direction. The slide bases 102, 103, and 104 are arranged in the X-axis direction in this order with the longitudinal direction along the Y-axis direction.
[0051]
The guide rail 110 is fixed along the Y-axis direction on the slide base 102 located at one end of the slide bases 102, 103, and 104. As shown in FIG. 4, a first guide surface 110A parallel to the Y-axis direction (perpendicular to the X-axis direction) is formed on the inner side surface of the guide rail 110 (the side surface facing the center side of the base 101). Has been.
[0052]
The T-shaped Y slider 120 includes a head portion 121 extending in the Y-axis direction along the guide rail 110 and a linear guide portion 122 extending in the X-axis direction from the middle in the length direction of the head portion 121. . The linear guide portion 122 extends in the X-axis direction so as to cross the central slide base 103, and a second guide parallel to the X-axis direction (perpendicular to the Y-axis direction) is provided on one side surface thereof. A surface 120A is formed.
[0053]
As shown in an enlarged view in FIG. 4, a lift air bearing 123 and a lift preload magnet 124 are arranged on the bottom surface of the head portion 121 located on one end side of the Y slider 120, and the first guide surface 110 </ b> A of the guide rail 110. A guide air bearing 125 and a guide preload magnet 126 are arranged on the side surface facing the front side. Further, as shown in FIG. 1, a lift air bearing 127 and a lift preload magnet 128 are disposed on the bottom surface of the end portion of the linear guide portion 122 located on the other end side of the Y slider 120.
[0054]
Three lift air bearings (lift gas bearings) 123, 123, 127 are for supporting the Y slider 120 so as to be movable in the XY plane, and the reference guide surfaces 105 of the slide bases 102, 104. By blowing air (other gas may be used) to the Y slider 120, a flying force is applied to the Y slider 120. Lift preload magnets (magnetic force generating means) 124, 124, 128 arranged in the vicinity of the lift air bearings 123, 123, 127 are made of permanent magnets, and the levitation force is generated between the reference guide surface 105 and the Y slider 120. A magnetic attractive force is generated as a preload to counteract.
[0055]
Therefore, the Y slider 120 is supported on the reference guide surface 105 at a predetermined height in a non-contact manner by the levitation force and the magnetic attraction force due to the air bearing action. That is, the magnetic attractive force by the lift preload magnets 124 and 128 decreases as the distance between the Y slider 120 and the reference guide surface 105 increases, and the levitation force due to the air blowing from the lift air bearings 123 and 127 decreases as the distance increases. . In addition, since the magnetic attraction force and the levitation force are opposite forces, the Y slider 120 is supported movably at a height (levitation gap = gap) in which both are balanced.
[0056]
The magnet preload system is a well-known technique applied in “Magnetic Suction Gas Floating Pad” of Japanese Patent Publication No. 2865369, and detailed description thereof is omitted here.
[0057]
A guide air bearing (guide gas bearing) 125 and a guide preload magnet (magnetic force generating means) 126 move the head portion 121 on one end side of the Y slider 120 along the first guide surface 110A of the guide rail 110 in the Y-axis direction. The guide air bearing 125 blows air to the first guide surface 110A of the guide rail 110 to support the head in the Y slider 120. The guide preload magnet 126 made of a permanent magnet is given a floating force to the portion 121, and a magnetic attractive force as a preload that opposes the floating force between the first guide surface 110A of the guide rail 110 and the head portion 121 of the Y slider 120. By the same principle as above, the balance of levitation force and magnetic attraction force From the first guide surface 110A of the guide rail 110 and Y slider 120 by a certain amount (in the horizontal direction) is floated to guide a non-contact state.
[0058]
The lift air bearing 123, the lift preload magnet 124, the guide air bearing 125, and the guide preload magnet 126 are each provided in pairs, and the center line in the length direction of the head portion 121 of the Y slider 120 (the linear guide portion 122). (Which is also the center line in the width direction).
[0059]
In this case, the lift air bearing 123 is disposed on the outermost side, the lift preload magnet 124 and the guide preload magnet 126 are disposed on the inner side, and the guide air bearing 125 is disposed further on the inner side.
[0060]
That is, as shown in FIG. 6, the positional relationship between the lift air bearing 123 and the guide air bearing 125 is set so that the distance L between the paired lift air bearings 123, 123 is as large as possible. The distance M between 125 and 125 is set from the viewpoint that it may be small. This is because if the distance L between the lift air bearings 123 and 123 is increased, the rotation θx around the X axis of the Y slider 120 can be suppressed (the rigidity in the θx direction is increased). Further, if the distance M between the guide air bearings 125 and 125 is reduced, the suppression of the rotation θz around the Z axis of the Y slider 120 becomes rough, but there is no particular problem in configuration. The reason for this roughness will be described later.
[0061]
Note that the lift air bearings 123 and 127 and the guide air bearing 125 that generate air by blowing air are connected to the Y slider 120 via a spherical joint 129, as shown in FIG.
[0062]
With such a configuration, the Y slider 120 is movable only in the Y-axis direction while floating on the slide bases 102 to 104. As shown in FIG. 1, a first Y-axis linear motor (first Y-axis drive unit) that drives one end side of the Y slider 120 in the Y-axis direction independently of the one end side and the other end side of the Y slider 120. 141, and a second Y-axis linear motor (second Y-axis drive means) 142 that drives the other end side in the Y-axis direction. The linear motors 141 and 142 can transmit driving force to the Y slider 120 in a non-contact manner with the base 101 side.
[0063]
Further, on one end side and the other end side of the Y slider 120, a first Y axis linear encoder (first position detecting means) 143 for detecting a position in the Y axis direction on one end side of the Y slider 120, and the Y slider 120, respectively. A second Y-axis linear encoder (second position detecting means) 144 that detects the position of the other end side in the Y-axis direction is provided, and a control means (not shown) is based on the detection signals of these linear encoders 143 and 144. The first Y-axis linear motor 141 and the second Y-axis linear motor 142 are controlled.
[0064]
On the other hand, the X slider 130 is formed in an inverted L-shaped cross section having a side wall 131 and an upper wall 132, and is placed on the linear guide part 122 of the Y slider 120. The side wall 131 of the X slider 130 is located at a position facing the second guide surface 120A of the Y slider 120, and the inner surface of the side wall 131 has two guide air bearings 133 facing the second guide surface 120A, One guide preload magnet 134 is arranged between them.
[0065]
Three lift air bearings 135 are arranged on the X slider 130. The three lift air bearings 135 are arranged at positions that can support the X slider 130 in a well-balanced manner at positions that do not interfere with the Y slider 120. The guide air bearing 133 and the lift air bearing 135 are connected to the X slider 130 via spherical joints 136 and 137. These three lift air bearings (lift gas bearings) 135 are for supporting the X slider 130 so as to be movable in the XY plane. Air is supplied to the reference guide surface 105 of the slide base 103. By blowing out, a levitation force is applied to the X slider 130. Then, the X slider 130 is supported on the reference guide surface 105 at a predetermined height in a non-contact state by a balance between the flying force due to the air bearing action and the own weight of the X slider 130.
[0066]
A guide air bearing (guide gas bearing) 133 and a guide preload magnet (magnetic force generating means) 134 support the X slider 130 movably in the X-axis direction along the second guide surface 120A of the Y slider 120. This is for exerting a restraining force in the axial direction. The guide air bearing 133 blows air to the second guide surface 120A of the Y slider 120, thereby giving the X slider 130 a floating force with respect to the second guide surface 120A. The guide preload magnet 134 made of a permanent magnet A magnetic attraction force is generated as a preload against the levitation force between the second guide surface 120A of the slider 120 and the side wall 131 of the X slider 130. Due to the balance between the levitation force and the magnetic attraction force, The X slider 130 is lifted from the guide surface 120A by a certain amount (in the horizontal direction) and guided in a non-contact state.
[0067]
With such a configuration, the X slider 130 is guided by the Y slider 120 while being floated on the slide base 103 and is movable only in the X-axis direction. As shown in FIG. 3, the X slider 130 is driven in the X axis direction by an X axis linear motor 151 housed in a recess 122 </ b> A on the upper surface of the linear guide portion 122 of the Y slider 120. Further, the X slider 130 is provided with an X axis linear encoder 152 that detects the position of the X slider 130 in the X axis direction, and a control means (not shown) is based on the detection signal of the X axis linear encoder 152. The X-axis linear motor 151 is controlled.
[0068]
Next, the control system will be described.
[0069]
The position control of the Y slider 120 in the Y axis direction and the position control of the X slider 130 in the X axis direction are based on the thrust of the Y axis linear motors 141 and 142 and the X axis linear motor 151, the Y axis linear encoders 143 and 144, This can be performed by feedback control based on the detection signal of the X-axis linear encoder 152.
[0070]
The position control of the X slider 130 is not particularly different from the conventional one, but the position control of the Y slider 120 has characteristics and will be described below.
[0071]
As described above, the Y slider 120 is likely to cause a yawing error due to the rotation θz around the Z axis because of the structural feature that only one end (one end side) is guided by the guide rail 110.
[0072]
Therefore, in the XY stage apparatus of this embodiment, two sets of measurement / drive systems are provided on one end side and the other end side of the Y slider 120 as a control method for ensuring positioning accuracy and horizontal direction guide accuracy. -Θ control method is adopted. Here, θ is θz.
[0073]
Details thereof will be described with reference to FIG.
[0074]
If the measured value of the first Y-axis linear encoder 143 is Y1FB and the measured value of the second Y-axis linear encoder 144 is Y2FB, the feedback value YFB in the Y-axis direction is
YFB = (Y1FB + Y2FB) / 2
It becomes. Further, the feedback value θFB of the θ axis can be considered that the length between the measurement points of the linear encoders 143 and 144 is sufficiently long with respect to the difference between the measurement values.
θFB = (Y1FB-Y2FB)
It becomes.
[0075]
Therefore, a deviation calculation is performed between the feedback values YFB and θFB and the target values Yref and θref for the Y-axis and θ-axis to calculate force command values FY and Fθ for the Y-axis and θ-axis. From these force command values, the calculation formulas of the force command values FY1, FY2 to the linear motors 141, 142 are as follows.
[0076]
FY1 = FY + Fθ
FY2 = FY-Fθ
[0077]
Therefore, the Y slider 120 is controlled in the Y-θ direction by outputting the calculation result of the above equation to the motor amplifiers 147 and 148.
[0078]
Next, the operation will be described.
[0079]
In this XY stage apparatus, the fixed parts are a base 101, slide bases 102 to 104, and guide rails 110. Further, the portions that are linearly guided in the Y-axis direction are the Y slider 120, the lift air bearing 123, the guide air bearing 125, the lift preload magnet 124, and the guide preload magnet 126. Further, while being linearly guided in the Y-axis direction, the portions linearly guided in the X-axis direction are the X slider 130, the guide air bearing 133, the guide preload magnet 134, and the lift air bearing 135.
[0080]
Therefore, in this stage apparatus, when the first Y-axis linear motor 141 and the second Y-axis linear motor 142 are driven, the Y slider 120 is driven in the Y-axis direction while being restrained in the X-axis direction by the guide rail 110. At that time, due to the action of the lift air bearings 123 and 127 and the lift preload magnets 124 and 128, the Y slider 120 is in a non-contact state while ensuring a certain floating clearance with respect to the reference guide surface 105 of the slide bases 102 to 104. Guided. Further, due to the action of the guide air bearing 125 and the guide preload magnet 126, the Y slider 120 is guided in a non-contact state while ensuring a certain floating gap (gap) with respect to the first guide surface 110 </ b> A of the guide rail 110. .
[0081]
When the X-axis linear motor 151 is driven, the X slider 130 is driven in the X-axis direction while being constrained by the Y slider 120 in the Y-axis direction. At that time, the X slider 130 is guided in a non-contact state with respect to the reference guide surface 105 of the slide bases 102 to 104 while ensuring a certain floating gap by the action of the lift air bearing 135. In addition, due to the action of the guide air bearing 133 and the guide preload magnet 134, the X slider 130 is guided in a non-contact state while ensuring a certain floating gap (gap) with respect to the second guide surface 120A of the Y slider 120. .
[0082]
The X slider 130 is driven and controlled to an arbitrary position in the XY plane by drive control of the Y slider 120 in the Y axis direction and drive control of the X slider 130 in the X axis direction with respect to the Y slider 120.
[0083]
In this XY stage apparatus, only one guide rail 110 is intentionally provided on one side, and the Y slider 120 is supported on the guide rail 110 in a cantilever manner. The positioning of the Y slider 120 in the X-axis direction is limited to one end side (one end side) and the other end side is basically guide-free.
[0084]
Therefore, the characteristic of this support structure may cause the Y slider 120 to rotate about an axis (Z axis) orthogonal to the XY plane, and the accuracy in the Y axis direction may be reduced. Therefore, in this stage apparatus, two sets of measurement / drive systems are provided so that the position of one end side and the other end side of the Y slider 120 can be independently controlled. Accordingly, the rotation θz around the Z axis of the Y slider 120 can be freely controlled. It is for this reason that the rotation θz is mentioned earlier as rough. In this embodiment, since the first and second Y-axis linear motors 141 and 142 are feedback-controlled based on the position detection signals of the first and second Y-axis linear encoders 143 and 144, they are cantilever guides. The positional accuracy in the Y-axis direction can be improved as compared with the conventional case.
[0085]
In this case, the Y slider 120 is driven in a non-contact manner in particular by the linear motors 141 and 142, so that the movement of the Y slider 120 on the free end side can be allowed and the responsiveness can be improved. Moreover, since there is no contact, there is no rolling fatigue and positioning accuracy can be increased.
[0086]
Further, in the case of this XY stage apparatus, the guide rail 110 is narrowed to only one side, so that the structure is simplified, and the necessary and sufficient positioning accuracy in the Y-axis direction can be achieved without increasing the processing accuracy. Can come out. In addition, since there is only one side of the guide rail, there is no need for the trouble of assembling, such as assembling the guide rails on both sides while ensuring mutual parallelism as in the prior art. In addition, the number of guide surfaces can be minimized and the number of bearings can be reduced. As a result, the entire manufacturing cost including the processing cost and the assembling cost can be reduced. Further, since the guide rail 110 is only on one side, the mass of the movable part is reduced and the responsiveness is improved.
[0087]
In addition, since the magnet preload system is adopted for the guide system by the guide air bearing 125 of the Y slider 120, the guide rigidity can be increased, and the flying gap (the flying height) of the Y slider 120 from the guide rail 110 can be accurately measured. It can be kept well and the positioning accuracy of the Y slider 120 in the X-axis direction can be increased.
[0088]
Similarly, since the magnet preload system is also adopted for the guide system using the guide air bearing 133 of the X slider 130, the rigidity of the guide system can be increased, and the floating clearance (from the Y slide 120 of the X slider 130) The flying height) can be kept constant with high accuracy, and the positioning accuracy of the X slider 130 in the Y-axis direction can be increased.
[0089]
Further, as in the conventional example of FIG. 11, in order to balance the flying force and the preload, a method is adopted in which two guide surfaces provided on both lateral surfaces of the Y slider are sandwiched between X sliders having an inverted U-shaped cross section. Instead, the X slider 130 can be accurately positioned in the Y-axis direction with only one guide surface 120A. Therefore, the number of guide surfaces for guiding the X slider 130 is minimized, and the air bearing The number can also be halved. Therefore, the mass of the X slider 130 can be reduced and the responsiveness can be improved.
[0090]
Further, in this XY stage apparatus, the bearing interval L (see FIG. 6) of the lift air bearing 123 provided on the head portion 121 of the Y slider 120 is set larger than the bearing interval M of the guide air bearing 125. Therefore, it is preferable in terms of suppressing the rotation θx of the Y slider 120 around the X axis. That is, by increasing the bearing interval of the lift air bearing 123, the motion error due to the pitching motion θx of the stage can be reduced. In addition, this makes it possible to average the processing errors of the slide bases 102 to 104, and to prevent a reduction in straightness in the vertical direction.
[0091]
In this stage apparatus, the rotation θz around the Z-axis of the Y slider 120 includes two independent measurement / drive systems (first Y-axis linear motor 141, second Y-axis linear motor 142, and first Y-axis linear encoder). 143, the second Y-axis linear encoder 144) is employed, so we do not actively expect the suppression of θz by the guide air bearing 125, but rather the suppression of θz by the guide air bearing 125 is rough. It is possible to be. Therefore, the fact that the distance M between the two guide air bearings 125 is as small as possible is an effective factor.
[0092]
The largest role of the guide air bearing 125 in this case is not to suppress the rotation θz of the Y slider 120 around the Z axis but to restrain the Y slider 120 in the X axis direction. Therefore, depending on the design, as shown in FIG. 7, the head portion of the Y slider 220 is formed in a dot shape instead of a linear shape, and one set of the guide air bearing 225 and the guide preload magnet 226 forms one end of the Y slider 220. The side may be constrained to the guide rail 210. In such a case, the degree of freedom in the rotation θz of the Y slider 220 becomes larger, and it is possible to positively control θz using this to correct the XY coordinate system.
[0093]
Further, when the one end side of the Y slider 220 is supported by a pair of guide air bearings 225 and guide preload magnets 226 as shown in FIG. 7, it is difficult to secure the location of the lift air bearings. As shown in FIG. 9, an overhanging portion 321 is provided in the middle of the Y slider 320, and a lift air bearing 323 is provided in that portion, or an overhanging portion 421 is provided on the other end side of the Y slider 420 as shown in FIG. The lift air bearing 423 may be provided at that portion. In the figure, 310 and 410 are guide rails, 325 and 425 are lift air bearings, and 326 and 426 are lift preload magnets.
[0094]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the guide rail is squeezed only on one side, the Y slider is supported in a cantilever manner on the guide rail, and positioning in the X-axis direction is performed only on one end side (one end side). As the other end side is basically guide-free and, if necessary, it can be driven while positioning the one end side and the other end side of the Y slider independently, The positional accuracy in the Y-axis direction can also be increased. Therefore, not only simplification of the structure by narrowing the guide rail to only one side but also necessary and sufficient positioning accuracy can be ensured without setting the processing accuracy so high. Also, since the guide rail is on one side, it is not necessary to assemble the guide rail while ensuring parallelism between both sides as in the conventional example, and the number of parts such as bearings can be reduced, resulting in It is possible to reduce the entire manufacturing cost including the processing cost and the assembling cost and to improve the maintainability. Further, since the guide rail is only on one side and the number of guide parts is reduced, there is also an advantage that the mass of the movable part is reduced and the responsiveness is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an XY stage apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view taken along arrow II in FIG.
FIG. 3 is a view taken along arrow III in FIG.
4 is a schematic enlarged perspective view of the IV arrow portion of FIG. 1. FIG.
FIG. 5 is a block diagram of a drive control system for a Y slider in an XY stage apparatus.
6 is a plan view schematically showing the positional relationship of bearings in the XY stage apparatus of the embodiment. FIG.
FIG. 7 is a schematic plan view of an XY stage apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing a modification of the XY stage apparatus of FIG.
FIG. 9 is a plan view showing still another modification of the XY stage apparatus of FIG.
FIG. 10 is a perspective view showing an example of a conventional XY stage apparatus.
FIG. 11 is a perspective view showing an example of another conventional XY stage apparatus.
FIG. 12 is a plan view used for explaining problems of a conventional XY stage apparatus.
[Explanation of symbols]
101 ... Base
102 to 104 ... slide base
105 ... Reference guide surface (third guide surface, fourth guide surface)
110 ... Guide rail
110A ... first guide surface
120 ... Y slider
120A ... Second guide surface
121 ... Head part (one end side)
123 ... lift air bearing (gas bearing for lift)
124 ... Lift preload magnet (magnetic force generating means)
125 ... Guide air bearing (gas bearing for guide)
126 ... Guide preload magnet (magnetic force generating means)
127 ... Lift air bearing (gas bearing for lift)
128 ... Lift preload magnet (magnetic force generating means)
129 ... Spherical joint
130 ... X slider
133 ... Guide air bearing
134 ... Guide preload magnet
135 ... lift air bearing
136, 137 ... Spherical joint
141 ... 1st Y-axis linear motor (1st Y-axis drive means)
142 ... 2nd Y-axis linear motor (2nd Y-axis drive means)
143 ... 1st Y-axis linear encoder (1st Y-axis position detection means)
144 ... 2nd Y-axis linear encoder (2nd Y-axis position detection means)
151 ... X-axis linear motor
152 ... X-axis linear encoder
210 ... Guide rail
220 ... Y slider
225 ... Guide air bearing (gas bearing for guide)
226 ... Guide preload magnet (magnetic force generating means)
310 ... Guide rail
320 ... Y slider
323 ... Lift air bearing (lift gas bearing)
325 ... Guide air bearing (gas bearing for guide)
326 ... Guide preload magnet (magnetic force generating means)
410 ... guide rail
420 ... Y slider
423 ... lift air bearing (gas bearing for lift)
425 ... Guide air bearing (gas bearing for guide)
426 ... Guide preload magnet (magnetic force generating means)

Claims

互いに直交する２軸方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、Ｘ軸とＹ軸を含む平面をＸ−Ｙ平面とした場合、
Ｙ軸方向に平行な第１案内面を有したガイドレールと、
Ｘ軸方向に平行な第２案内面を有し、一端が前記ガイドレールの第１案内面に沿って移動自在に支持され、且つ、他端が自由端としてＸ軸方向に延在されたＹスライダと、
前記Ｙスライダの第２案内面に沿って移動自在に支持されたＸスライダと、
前記Ｙスライダの一端側をＹ軸方向に駆動する第１Ｙ軸駆動手段と、
前記Ｙスライダの他端側をＹ軸方向に駆動する第２Ｙ軸駆動手段と、
を備え、
前記Ｘ−Ｙ平面に平行な第３案内面を確保して、該第３案内面とＹスライダとの間に、Ｙスライダを前記第３案内面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングを設けると共に、第１案内面とＹスライダの間に、第１案内面からＹスライダを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを設け、
前記リフトベアリングをＹ軸方向に間隔をおいて２個配置すると共に、それら２個のリフトベアリングの間に、前記ガイドベアリングを配置したことを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。When the two axis directions orthogonal to each other are the X axis direction and the Y axis direction, and the plane including the X axis and the Y axis is an XY plane,
A guide rail having a first guide surface parallel to the Y-axis direction;
Y having a second guide surface parallel to the X- axis direction, one end supported to be movable along the first guide surface of the guide rail, and the other end extending in the X-axis direction as a free end A slider,
And X slider is movably supported along the second guide surface of the front Symbol Y slider,
First Y-axis drive means for driving one end of the Y slider in the Y-axis direction;
Second Y-axis drive means for driving the other end of the Y slider in the Y-axis direction;
Equipped with a,
A non-contact type that secures a third guide surface parallel to the XY plane, and guides the Y slider from the third guide surface by a certain amount of floating between the third guide surface and the Y slider. And a non-contact type guide bearing for floating and guiding the Y slider by a certain amount from the first guide surface between the first guide surface and the Y slider,
An XY stage apparatus characterized in that two lift bearings are arranged at an interval in the Y-axis direction, and the guide bearing is arranged between the two lift bearings .

請求項１において、更に、
前記Ｙスライダの一端側のＹ軸方向の位置を検出する第１位置検出手段と、
前記Ｙスライダの他端側のＹ軸方向の位置を検出する第２位置検出手段と、
前記第１及び第２位置検出手段の検出信号に基づいて前記第１及び第２Ｙ軸駆動手段を制御する制御手段と、
を備えてなることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。In claim 1, further comprising:
First position detecting means for detecting a position in the Y-axis direction on one end side of the Y slider;
Second position detecting means for detecting a position in the Y-axis direction on the other end side of the Y slider;
Control means for controlling the first and second Y-axis drive means based on detection signals of the first and second position detection means;
An XY stage apparatus comprising:

請求項１又は２において、
前記ガイドベアリングが、前記第１案内面とＹスライダとのギャップにガスを吹き込んでＹスライダに浮上力を与えるガスベアリングによって構成されており、該ガスベアリングと組み合わせて、前記第１案内面とＹスライダとの間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる磁力発生手段が設けられていることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。In claim 1 or 2 ,
Before outs Id bearings, said is constituted by a gas bearing to provide a levitation force by blowing a gas into Y slider in the gap between the first guide surface and the Y slider, in combination with the gas bearing, said first guide surface An XY stage apparatus characterized in that a magnetic force generating means for generating a magnetic attractive force as a preload against the levitation force is provided between the Y slider and the Y slider.

請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記Ｘ−Ｙ平面に平行な第４案内面を確保して、該第４案内面とＸスライダとの間に、Ｘスライダを前記第４ガイド面から一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のリフトベアリングを設け、第２案内面とＸスライダの間に、第２案内面からＸスライダを一定量だけ浮上させてガイドする非接触式のガイドベアリングを設けたことを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。In any one of Claims 1-3 ,
To secure a fourth guide surface parallel to the front Symbol the X-Y plane, between the fourth guide face and the X slider, the non-contact the X slider is floated by a predetermined amount from said fourth guide surface for guiding An X-type lift bearing is provided, and a non-contact type guide bearing is provided between the second guide surface and the X slider to guide the X slider by floating a certain amount from the second guide surface. Y stage device.

請求項４において、
前記ガイドベアリングが、前記第２案内面とＸスライダとのギャップにガスを吹き込んでＸスライダに浮上力を与えるガスベアリングによって構成されており、該ガスベアリングと組み合わせて、前記第２案内面とＸスライダとの間に前記浮上力に対抗するプリロードとして磁気吸引力を発生させる磁力発生手段が設けられていることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。In claim 4 ,
Before SL guide bearings, said is constituted by a gas bearing to provide a lifting force to the X slider by blowing a gas into the gap between the second guide surface and the X slider, in combination with the gas bearing, and the second guiding surface An XY stage apparatus characterized in that a magnetic force generating means for generating a magnetic attractive force as a preload against the levitation force is provided between the X slider and the X slider.

請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記第１Ｙ軸駆動手段及び第２Ｙ軸駆動手段が、それぞれ非接触でＹスライダに駆動力を伝達するリニアモータで構成されていることを特徴とするＸ−Ｙステージ装置。In any one of Claims 1-5 ,
An XY stage apparatus characterized in that the first Y-axis driving means and the second Y-axis driving means are each constituted by a linear motor that transmits a driving force to the Y slider in a non-contact manner.