JP4756446B2 - Stage equipment - Google Patents

Description

本発明は、例えば液晶ディスプレイ等の電子部品の移動手段として使用されるステージ装置に関する。   The present invention relates to a stage apparatus used as a moving means for electronic components such as a liquid crystal display.

半導体デバイスの製造装置の露光装置あるいは各種ディスプレイの製造装置においては、検査機器などの移動手段としてステージが使用されている。例えば液晶ディスプレイの製造工程においては、ガラス基板の全面に対して画像処理装置等を搭載したステージにより検査が行われるが、ステージの駆動手段としてボールネジに代わり、高精度かつ高速で処理するためにリニアモータを使用するのが一般的である。   In an exposure apparatus of a semiconductor device manufacturing apparatus or a manufacturing apparatus of various displays, a stage is used as a moving means of an inspection device or the like. For example, in the manufacturing process of a liquid crystal display, the entire surface of a glass substrate is inspected by a stage equipped with an image processing apparatus or the like. It is common to use a motor.

詳述すると、液晶ディスプレイの製造設備においては、製造された液晶ディスプレイを検査するためにその移動手段としてベースに対して所定方向に移動するステージとそのステージに対して別の方向（直交する方向）に移動するステージを備えた２軸（Ｘ−Ｙ）のステージ装置が使用されている。２軸のステージ装置としては、設置面積が小さくて済みしかも基板の大型化に対応できるようにするために、液晶ディスプレイを保持したガントリーをその長手方向の両端に固定されたリニア軸受を介して、ベース上に設置されたガイドに沿って移動させる構造が提案されている。このガントリー駆動型ステージ装置は、例えば一対のＹ軸リニアモータと、これらによりＹ軸方向に移動するＸ軸フレームに装着されたＸ軸リニアモータを備えている（特許文献１参照）。   More specifically, in a liquid crystal display manufacturing facility, a stage that moves in a predetermined direction with respect to the base as a moving means for inspecting the manufactured liquid crystal display, and another direction (a direction orthogonal to the stage). A two-axis (XY) stage apparatus having a stage that moves in a straight line is used. As a biaxial stage device, the installation area is small, and in order to be able to cope with the increase in the size of the substrate, the gantry holding the liquid crystal display is connected via linear bearings fixed at both ends in the longitudinal direction. A structure for moving along a guide installed on a base has been proposed. This gantry-driven stage device includes, for example, a pair of Y-axis linear motors and an X-axis linear motor mounted on an X-axis frame that moves in the Y-axis direction by these (see Patent Document 1).

上記リニア軸受（リニアガイド装置）としては、例えば上方に開口するＣ字形の断面形状とした案内レールの上面と摺接するライナを、直動ブロックの下面に貼り付け、案内レールの上板の開口縁と摺接する第１のガイド部材と案内レールの上板の内面と摺接する第２のガイド部材をねじで直動ブロックに固定するようにした構造が提案されている（特許文献２参照）。上記のライナと２つのガイド部材は、低摩擦面を構成する樹脂（ＰＥ，ＰＯＭ、フッ素樹脂など）で形成されている。   As the linear bearing (linear guide device), for example, a liner that slides in contact with the upper surface of the guide rail having a C-shaped cross section that opens upward is attached to the lower surface of the linear motion block, and the opening edge of the upper plate of the guide rail A structure has been proposed in which a first guide member that is in sliding contact with a second guide member that is in sliding contact with an inner surface of an upper plate of a guide rail is fixed to a linear motion block with a screw (see Patent Document 2). The liner and the two guide members are made of a resin (PE, POM, fluororesin, etc.) that constitutes a low friction surface.

また移動体の前後左右から荷重が加わるような場合には、一条で全方向からの荷重を受けるために、移動体及び軌道軸に形成された循環路に、多数のローラをその回転中心軸を交互に異ならせた状態で整列保持するクロスローラ連結体を組み込むように構成した直線運動案内装置が提案されている（特許文献３参照）。   In addition, when a load is applied from the front, rear, left and right of the moving body, in order to receive the load from all directions in a single line, a large number of rollers are attached to the circulation path formed on the moving body and the track shaft. There has been proposed a linear motion guide device configured to incorporate a cross-roller linked body that is aligned and held in a state of being alternately changed (see Patent Document 3).

大型の液晶ディスプレー（例えば第７〜８世代）を検査する場合には、そのガラス基板は１辺の長さが約２ｍ以上（第７世代：１８７０ｍｍ×２２００ｍｍ、第８世代：２２００ｍｍ×２６００ｍｍ、２６００ｍｍ×３１００ｍｍ）になるので、ガントリーの長さも２〜４ｍになる。ガントリーは、炭素鋼、ステンレス鋼、セラミックスなどの構造用材料で形成されるが、高温の環境条件では熱膨張により長手方向（Ｘ軸方向）に伸びが発生する。例えば長さが４ｍのガントリーを炭素鋼（熱膨張係数：１１．７×１０^−６／℃）又はステンレス鋼（熱膨張係数：１７．３×１０^−６／℃）で作製した場合には、２０℃の温度上昇があると、約０．９〜１．４ｍｍの伸びが発生する。特にガントリーを、軽合金、例えばアルミニウム合金（比重：２．８）で作製した場合には、他の構造用材料、例えばセラミックス（ジルコニアの比重：３．８）、炭素鋼（比重：７．８５）又はステンレス鋼（比重：７．９０）と比較して、大幅な軽量化が可能となる。しかしながらアルミニウム合金の熱膨張係数は２３．６×１０^−６／℃であり、ジルコニア（熱膨張係数：５×１０^−６／℃）、鋼（熱膨張係数：１１．７×１０^−６／℃）、ステンレス鋼（熱膨張係数：１７．３×１０^−６／℃）と比較して、かなり大きいので、高温の環境条件では熱膨張により長手方向に大きく伸びてしまう。例えば長さが４ｍのガントリーをアルミニウム合金で形成した場合には、２０℃の温度上昇があると、約１．９ｍｍも伸びることになる。 When inspecting a large liquid crystal display (for example, 7th to 8th generations), the glass substrate has a side length of about 2 m or more (7th generation: 1870 mm × 2200 mm, 8th generation: 2200 mm × 2600 mm, 2600 mm). × 3100 mm), the length of the gantry is 2 to 4 m. The gantry is made of a structural material such as carbon steel, stainless steel, or ceramics. However, the gantry is elongated in the longitudinal direction (X-axis direction) due to thermal expansion under high-temperature environmental conditions. For example, when a gantry having a length of 4 m is made of carbon steel (thermal expansion coefficient: 11.7 × 10 ⁻⁶ / ° C.) or stainless steel (thermal expansion coefficient: 17.3 × 10 ⁻⁶ / ° C.), When the temperature rises by 20 ° C., an elongation of about 0.9 to 1.4 mm occurs. In particular, when the gantry is made of a light alloy such as an aluminum alloy (specific gravity: 2.8), other structural materials such as ceramics (specific gravity of zirconia: 3.8), carbon steel (specific gravity: 7.85). ) Or stainless steel (specific gravity: 7.90). However, the thermal expansion coefficient of the aluminum alloy is 23.6 × 10 ⁻⁶ / ° C., zirconia (thermal expansion coefficient: 5 × 10 ⁻⁶ / ° C.), steel (thermal expansion coefficient: 11.7 × 10 ⁻⁶ / ° C.). ) And stainless steel (coefficient of thermal expansion: 17.3 × 10 ⁻⁶ / ° C.), it is considerably large, so that it extends greatly in the longitudinal direction due to thermal expansion under high-temperature environmental conditions. For example, when a gantry having a length of 4 m is formed of an aluminum alloy, if the temperature rises by 20 ° C., the length increases by about 1.9 mm.

特開２００１−６９７４４号公報（第２頁、図６）JP 2001-69744 A (2nd page, FIG. 6) 特開２００３−３４３５５５号公報（第３〜４頁、図１、図２）JP 2003-343555 A (3rd to 4th pages, FIGS. 1 and 2) 特開２０００−４６０５３号公報（第５〜７頁、図１、図２、図３）Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-46053 (pages 5-7, FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3)

上述したような伸びが発生すると、ガントリーはその両端でリニア軸受に拘束されているので、ガントリーの捩れが生じる。この状態でガントリーが駆動されると、一方の端部側にあるリニアモータから出力されるエンコーダ信号と他方の端部側にあるリニアモータから出力されるエンコーダ信号とのパルス差が生じるので、これらの信号に基づいて駆動回路から出力される駆動電流のバラツキとなって現れる。したがってガントリーの両端に装着されたリニアモータの推力が相互に異なるため、ガントリーの駆動を高精度で制御すことができない。   When the elongation as described above occurs, the gantry is constrained by the linear bearings at both ends thereof, so that the gantry is twisted. When the gantry is driven in this state, a pulse difference is generated between the encoder signal output from the linear motor on one end side and the encoder signal output from the linear motor on the other end side. This appears as a variation in the drive current output from the drive circuit based on this signal. Therefore, since the thrusts of the linear motors mounted on both ends of the gantry are different from each other, the driving of the gantry cannot be controlled with high accuracy.

またリニア軸受の代わりに、クロスローラ連結体を使用した場合にも、ガントリーがその両端で拘束されていることに変わりはなく、熱膨張によりガントリーが大きく伸びた場合にはその伸びを吸収することができず、上記と同様にやはりガントリーの駆動を高精度で制御することができない。   In addition, when a cross roller assembly is used instead of a linear bearing, the gantry is still restrained at both ends, and if the gantry is greatly expanded due to thermal expansion, the expansion is absorbed. In the same manner as described above, the driving of the gantry cannot be controlled with high accuracy.

従って本発明の目的は、環境条件によらずガントリーの駆動を高精度で制御することが可能なステージ装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a stage apparatus capable of controlling the driving of a gantry with high accuracy regardless of environmental conditions.

上記目的を達成するために、本発明のステージ装置は、所定間隔をおいてベース上に設置されたリニアガイドと、前記リニアガイドに移動可能に支持されるガントリーと、前記ガントリーを前記リニアガイドに沿って駆動する駆動手段と、前記ガントリーの両端部を支持する軸受ユニットとを備え、前記軸受ユニットは、前記ガントリーを前記リニアガイドに沿って案内する直動軸受と前記ガントリーを旋回可能に支持する旋回軸受を有するとともに、一方の軸受手段は前記ガントリーの長手方向の変位を許容する直動軸受を有しかつ多方の前記軸受ユニットは前記ガントリーの端部を拘束していることを特徴とするものである。   In order to achieve the above object, a stage apparatus according to the present invention includes a linear guide installed on a base at a predetermined interval, a gantry supported movably on the linear guide, and the gantry as the linear guide. Driving means for driving along the gantry, and a bearing unit for supporting both ends of the gantry, the bearing unit supporting the linear motion bearing for guiding the gantry along the linear guide and the gantry so as to be rotatable. In addition to having a slewing bearing, one bearing means has a linear motion bearing that allows displacement in the longitudinal direction of the gantry, and many of the bearing units constrain the end of the gantry. It is.

本発明においては、前記ガントリーは矩形状断面を有するとともに、前記旋回軸受は、内輪と外輪とに各々設けた対向するＶ字溝の間に複数の円筒コロを軸の向きが交差するように配列されたクロスローラ軸受とすることができる。   In the present invention, the gantry has a rectangular cross section, and the slewing bearing has a plurality of cylindrical rollers arranged so that the directions of the axes intersect between opposed V-shaped grooves respectively provided in the inner ring and the outer ring. The cross roller bearing can be made.

本発明においては、前記駆動手段は、前記ベースに固着された、前記ガントリーの移動方向に沿って正弦波状の磁界分布が現出する磁気空隙を有する固定子と、前記ガントリーに固定され、前記磁気空隙内に配置される多相コイルを含む可動子とを有する可動コイル型リニアモータであることが好ましい。   In the present invention, the driving means is fixed to the base and has a magnetic gap that appears as a sinusoidal magnetic field distribution along the moving direction of the gantry, and is fixed to the gantry. It is preferable that it is a moving coil type linear motor which has a needle | mover containing the multiphase coil arrange | positioned in a space | gap.

本発明によれば、移動方向と直交する方向に伸長するガントリーの両端部が旋回軸受を介して支持されると共に、ガントリーの一端部においては、ガントリーと旋回軸受との間に、リニア軸受が介装されているので、ガントリーの一端側は他端側を支点として回転可能に支持され、しかもガントリーの一端側はガントリーの長手方向に沿って自由に動き得る状態とされる。従ってガントリーが熱膨張により伸びても、ガントリーの一端側において、その伸びが吸収され、もってガントリーの駆動を高精度で制御することができる。   According to the present invention, both ends of the gantry extending in the direction perpendicular to the moving direction are supported via the slewing bearing, and at one end of the gantry, the linear bearing is interposed between the gantry and the slewing bearing. Therefore, one end side of the gantry is rotatably supported with the other end side as a fulcrum, and the one end side of the gantry can be freely moved along the longitudinal direction of the gantry. Therefore, even if the gantry extends due to thermal expansion, the extension is absorbed at one end side of the gantry, so that the driving of the gantry can be controlled with high accuracy.

以下本発明の詳細を添付図面により説明する。図１は本発明の実施の形態に係わるステージ装置の平面図、図２は図１をＡ方向から見た矢視図、図３は図１をＢ方向から見た矢視図、図４は図１のＣ−Ｃ線断面図、図５は一方の軸受ユニットの断面図、図６は図５をＤ方向から見た矢視図、図７は他方の軸受ユニットの断面図、図８は図７をＥ方向から見た矢視図、図９はクロスローラ軸受の半断面図、図１０は図９の一部を展開した図、図１１はＹ軸リニアモータの断面図である。   Details of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. 1 is a plan view of a stage apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an arrow view when FIG. 1 is viewed from the A direction, FIG. 3 is an arrow view when FIG. 1 is viewed from the B direction, and FIG. FIG. 5 is a sectional view of one bearing unit, FIG. 6 is a sectional view of FIG. 5 as viewed from the direction D, FIG. 7 is a sectional view of the other bearing unit, and FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of the cross roller bearing, FIG. 10 is a partially developed view of FIG. 9, and FIG. 11 is a cross-sectional view of the Y-axis linear motor.

図１〜図３に示すように、Ｘ軸リニアモータ（不図示）によりＸ軸方向に走行するガントリー２を有するステージ（以下ステージ装置という）１００は、平板状のベース１と、ベース１上に所定間隔をおいて設置された２条のリニアガイド３ａ及び同じくベース１上に所定間隔をおいて設置された２条のリニアガイド３ｂと、ガントリー２の両端部を支持する２つの軸受ユニット５ａ、５ｂとを備えている。軸受ユニット５ａ、５ｂを保持するリニアテーブル３０ａ、３０ｂは、各々リニア軸受６ａ、６ｂを介してリニアガイド３ａ、３ｂに沿って移動可能に支持されている。各リニアガイド３ａ、３ｂの両端側には、ガントリー２の走行範囲を規制するために、サイドプレート４ａ、４ｂに支持されたストッパー４１ａ、４１ｂが配設されている。ガントリー２の上面には、Ｙ軸方向に移動するリニアモータ８（図２及び図３参照）が設置されているが、理解を容易にするために図１では省略されている。   As shown in FIGS. 1 to 3, a stage (hereinafter referred to as a stage device) 100 having a gantry 2 that travels in the X-axis direction by an X-axis linear motor (not shown) includes a flat base 1 and a base 1. Two linear guides 3a installed at a predetermined interval, two linear guides 3b installed on the base 1 at a predetermined interval, and two bearing units 5a for supporting both ends of the gantry 2; 5b. The linear tables 30a and 30b holding the bearing units 5a and 5b are supported so as to be movable along the linear guides 3a and 3b via the linear bearings 6a and 6b, respectively. Stoppers 41a and 41b supported by the side plates 4a and 4b are disposed at both ends of the linear guides 3a and 3b in order to regulate the travel range of the gantry 2. A linear motor 8 (see FIGS. 2 and 3) that moves in the Y-axis direction is installed on the upper surface of the gantry 2, but is omitted in FIG. 1 for easy understanding.

ステージ装置１００の各部の構成は次の通りである。
ベース１は、高い位置決め精度を実現するために、剛性が高くかつ周囲の温度及び湿度変化に対して影響を受けにくい材料（例えばグラナイトに代表される石材）で形成されると共に、基準面となる表面は、高い面精度と平面度を有するように加工されている。 The configuration of each part of the stage apparatus 100 is as follows.
In order to realize high positioning accuracy, the base 1 is formed of a material (for example, a stone material typified by granite) that has high rigidity and is not easily affected by changes in ambient temperature and humidity, and serves as a reference surface. The surface is processed to have high surface accuracy and flatness.

ガントリー２は、ベース１のＹ軸方向の略全長にわたって伸長する中空の角柱体状部材であるのが好ましく、セラミックス、ＦＲＰまたはオーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性体で形成することができるが、軽量化を図る場合は、例えば、比重の小さい非磁性金属材料（例えばアルミニウム合金）で形成される。   The gantry 2 is preferably a hollow prismatic member that extends over substantially the entire length of the base 1 in the Y-axis direction, and can be formed of a nonmagnetic material such as ceramics, FRP, or austenitic stainless steel. For example, the non-magnetic metal material (eg, aluminum alloy) having a small specific gravity is used.

ガントリー２の両端を支持する軸受ユニット５ａ、５ｂの構成を図５〜図１０により説明する。まず、一方の軸受ユニット５ａは、図５及び図６に示すように、Ｙ軸方向に沿って配列された複数のボルト５９ａによりガントリー２（図４参照）の一端部が固定される支持板５１ａと、複数のボルト５６ａによりリニアテーブル３０ａ（図４参照）の上面に固定される回転リング５２ａと、その外周に装着されたスライド板５３ａを有する。支持板５１ａはガントリー２のＹ軸方向の変位を許容するために、２組のリニア軸受６０ａを介してスライド板５３ａに対して相対移動可能に支持されている。ここで５５ａ、５５ｂおよび５５ａと５５ｂ間の断面円形の部材はリニア軸受け６０ａを構成する部材である。(軸心Ｓ２で左右対称のため左側のみ表記)。回転リング５２ａとスライド板５３ａとの間には、軸心Ｓ２を有するクロスローラ軸受５０ａ（図９及び図１０参照）が介装されている。クロスローラ軸受５０ａの内輪５０１は、ボルト５７ａにより回転リング５２ａに締結された押え板５４ａにより、回転リング５２ａと連動して回転できるように支持されている。外輪５０２は、ボルト５８ａによりスライド板５３ａに締結された円環状押え板７０ａ（軸心Ｓ２で左右対称のため左側のみ表記）によりスライド板５３ａに結合されている。ボルト５６ａ、５７ａ及び５８ａは、各々ピッチ円Ｐ１、Ｐ２及びＰ３（いずれも軸心Ｓ２と同心）の上に所定角度間隔をおいて配置される。 The structure of the bearing units 5a and 5b that support both ends of the gantry 2 will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIGS. 5 and 6, one bearing unit 5a includes a support plate 51a to which one end of the gantry 2 (see FIG. 4) is fixed by a plurality of bolts 59a arranged along the Y-axis direction. And a rotating ring 52a fixed to the upper surface of the linear table 30a (see FIG. 4) by a plurality of bolts 56a, and a slide plate 53a mounted on the outer periphery thereof. The support plate 51a is supported so as to be movable relative to the slide plate 53a via two sets of linear bearings 60a in order to allow displacement of the gantry 2 in the Y-axis direction. Here, 55a, 55b and a member having a circular cross section between 55a and 55b are members constituting the linear bearing 60a. (Only the left side is shown because it is symmetrical with the axis S2.) A cross roller bearing 50a (see FIGS. 9 and 10) having an axis S2 is interposed between the rotary ring 52a and the slide plate 53a. The inner ring 501 of the cross roller bearing 50a is supported by a presser plate 54a fastened to the rotating ring 52a by a bolt 57a so as to be able to rotate in conjunction with the rotating ring 52a. The outer ring 502 is coupled to the slide plate 53a by an annular retainer plate 70a fastened to the slide plate 53a by a bolt 58a (only the left side is shown because of left-right symmetry with respect to the axis S2) . Bolts 56a, 57a, and 58a are respectively arranged on pitch circles P1, P2, and P3 (all concentric with axis S2) at predetermined angular intervals.

次に、他方の軸受ユニット５ｂは、図７及び図８に示すように、Ｙ軸方向に沿って配列された複数のボルト５９ｂにより、スペーサ５０を介してガントリー２（図４参照）の他端部が固定される支持板５１ｂと、複数のボルト５６ｂによりリニアテーブル３０ｂ（図４参照）の上面に固定される回転リング５２ｂと、その外周に装着されたスライド板５３ｂを有する。回転リング５２ｂとスライド板５３ｂとの間には、クロスローラ軸受５０ｂ（図９及び図１０参照）が介装されている。クロスローラ軸受５０ｂの内輪５０１は、ボルト５７ｂにより回転リング５２ｂに締結された押え板５４ｂにより回転リング５２ｂと連動して回転できるように支持されている。クロスローラ軸受５０ｂの外輪５０２は、ボルト５８ｂによりスライド板５３ｂに締結された円環状押え板７０ｂ（軸心Ｓ２で左右対称のため左側のみ表記）によりスライド板５３ｂに結合されている。ボルト５６ｂ、５７ｂ及び５８ｂは、各々ピッチ円Ｐ１、Ｐ２及びＰ３（いずれも軸心Ｓ１と同心）の上に所定角度間隔をおいて配置される。 Next, as shown in FIGS. 7 and 8, the other bearing unit 5b is connected to the other end of the gantry 2 (see FIG. 4) via a spacer 50 by a plurality of bolts 59b arranged along the Y-axis direction. A support plate 51b to which the portion is fixed, a rotating ring 52b fixed to the upper surface of the linear table 30b (see FIG. 4) by a plurality of bolts 56b, and a slide plate 53b mounted on the outer periphery thereof. A cross roller bearing 50b (see FIGS. 9 and 10) is interposed between the rotating ring 52b and the slide plate 53b. The inner ring 501 of the cross roller bearing 50b is supported so as to be able to rotate in conjunction with the rotating ring 52b by a pressing plate 54b fastened to the rotating ring 52b by a bolt 57b. The outer ring 502 of the cross roller bearing 50b is coupled to the slide plate 53b by an annular presser plate 70b (only the left side is shown because of left-right symmetry with the axis S2) fastened to the slide plate 53b by bolts 58b. Bolts 56b, 57b and 58b are respectively arranged at predetermined angular intervals on pitch circles P1, P2 and P3 (all concentric with the axis S1).

クロスローラ軸受５０（５０ａ、５０ｂ）は、例えば図９及び図１０に示すように構成することができる。すなわち、内輪５０１と外輪５０２に各々設けられたＶ型転走溝５０３、５０４の間に、複数のコロ５０５を、相隣るコロの軸の向きが交差するように配列され、これらのコロ５０５は、例えばリテーナ５０６により、互いに間隔をおいて保持されている。コロ５０５は、リテーナの代わりに、リング状の保持器により、互いに間隔をおいて保持することができる。クロスローラ軸受５０ａ、５０ｂは、このような構造を有するので、ラジアル荷重（軸受の中心軸に直角（Ｙ軸方向）に加わる荷重）及びアキシアル荷重（軸受の中心に加わる総質量）の他に大きなモーメント荷重（ラジアル荷重およびアキシアル荷重が軸受中心を通らない時、各荷重と軸受中心から荷重方向までの距離との積を合計したもの）を受けた場合でも、ガントリーを安定した状態に支持することができる。   The cross roller bearing 50 (50a, 50b) can be configured as shown in FIGS. 9 and 10, for example. That is, a plurality of rollers 505 are arranged between V-shaped rolling grooves 503 and 504 provided in the inner ring 501 and the outer ring 502 so that the directions of the axes of adjacent rollers intersect, and these rollers 505 are arranged. Are held at a distance from each other by, for example, a retainer 506. The rollers 505 can be held at intervals from each other by a ring-shaped cage instead of the retainer. Since the cross roller bearings 50a and 50b have such a structure, they are large in addition to the radial load (the load applied perpendicular to the central axis of the bearing (Y-axis direction)) and the axial load (the total mass applied to the center of the bearing). Support the gantry in a stable state even when it receives a moment load (when the radial load and axial load do not pass through the bearing center, the sum of the product of each load and the distance from the bearing center to the load direction). Can do.

ガントリー２を駆動するＸ軸リニアモータ７ａ（７ｂ）は、図４に示すように、非磁性かつ剛性の大なる材料からなる一対の支持ブロック１１ａ、１１ａ（１１ｂ、１１ｂ）の内側に固設された固定子７１ａ（７１ｂ）とリニアテーブル３０ａ（３０ｂ）の下面に固着された可動子７５ａ（７５ｂ）を有する。固定子７１ａ（７１ｂ）は、強磁性体からなる断面コ字型のヨーク７２ａ（７２ｂ）とその内面に固着された一対の永久磁石体７３ａ、７４ａ（７３ｂ、７４ｂ）を含み、各永久磁石体は、厚さ方向に磁化された複数のブロック状永久磁石が空隙を介して異極性の磁極が対面しかつ相隣る磁極の極性が異なるようにＸ軸方向に連続又は所定間隔をおいて配置された構造（例えば複数のブロック状永久磁石により構成したハルバッハ型磁気回路等）を有する。従って一対の永久磁石体７３ａ、７４ａ（７３ｂ、７４ｂ）の間に形成された磁気空隙には強い磁界強度でかつ正弦波状の磁束密度分布が形成されている。   As shown in FIG. 4, the X-axis linear motor 7a (7b) for driving the gantry 2 is fixed inside a pair of support blocks 11a, 11a (11b, 11b) made of a nonmagnetic and rigid material. And a movable element 75a (75b) secured to the lower surface of the stator 71a (71b) and the linear table 30a (30b). The stator 71a (71b) includes a yoke 72a (72b) having a U-shaped cross section made of a ferromagnetic material and a pair of permanent magnet bodies 73a and 74a (73b and 74b) fixed to the inner surface thereof. A plurality of block-shaped permanent magnets magnetized in the thickness direction are arranged continuously or at predetermined intervals in the X-axis direction so that magnetic poles of different polarities face each other through gaps and the polarities of adjacent magnetic poles differ (For example, a Halbach magnetic circuit constituted by a plurality of block-shaped permanent magnets). Accordingly, a magnetic gap formed between the pair of permanent magnet bodies 73a and 74a (73b and 74b) has a strong magnetic field strength and a sinusoidal magnetic flux density distribution.

可動子７５ａ（７５ｂ）は、リニアテーブル３０ａ（３０ｂ）の下面に固着されたコイルユニット（不図示）を有する。コイルユニットは、コイルボビンとそこに装着された複数の偏平コイルを含む多相コイル（例えば２相または３相コイル）であり、各相のコイルに駆動電流（所定方向のパルス電流）が給電された時にＸ軸方向の推力が発生するように結線されている。   The mover 75a (75b) has a coil unit (not shown) fixed to the lower surface of the linear table 30a (30b). The coil unit is a multi-phase coil (for example, a two-phase or three-phase coil) including a coil bobbin and a plurality of flat coils mounted thereon, and a drive current (pulse current in a predetermined direction) is supplied to each phase coil. Sometimes the wires are connected so that thrust in the X-axis direction is generated.

可動子７５ａ（７５ｂ）の位置決めを行うために、リニアエンコーダを使用し、位置信号などのエンコーダ信号（パルス信号）を駆動回路（不図示）に出力し、この駆動回路から所定の駆動電流を可動子７５ａ（７５ｂ）のコイルに供給することができる。リニアエンコーダとしては、固定側に設置された磁気スケールと可動子側に設置された磁気抵抗効果素子（例えばホール素子）などの磁気センサー（不図示）とを組合せた磁気式エンコーダを使用できるが、小型化が容易な光学式リニアエンコーダが好ましい。光学式リニアエンコーダの場合は、例えば、リニアスケールに設けた一定のピッチの目盛に相当する明暗の模様を反射光学式エンコーダで読み取る方式、又はスリットの有無で光の透過量が変化することを利用して、位置に対応するパルス信号を発振する透過光学式リニアエンコーダのいずれでもよい。   In order to position the mover 75a (75b), a linear encoder is used to output an encoder signal (pulse signal) such as a position signal to a drive circuit (not shown), and a predetermined drive current is movable from this drive circuit. It can supply to the coil of the child 75a (75b). As the linear encoder, a magnetic encoder combining a magnetic scale installed on the fixed side and a magnetic sensor (not shown) such as a magnetoresistive effect element (for example, a Hall element) installed on the movable element side can be used. An optical linear encoder that can be easily downsized is preferable. In the case of an optical linear encoder, for example, a method of reading a bright and dark pattern corresponding to a scale with a constant pitch provided on a linear scale with a reflective optical encoder, or the fact that the amount of transmitted light changes depending on the presence or absence of a slit is used. Any of the transmission optical linear encoders that oscillate the pulse signal corresponding to the position may be used.

またガントリー２がＸ軸方向に沿って所定位置まで移動すると、ガントリー２の上に設置されたＹ軸リニアモータ８が駆動される。図１１に示すように、Ｙ軸リニアモータ８は、ガントリーに固定されるベース８０に支持されるケ−ス８１と、その内面に固着された固定子８２と、ケース８１の外周面に設置されたリニアガイド８７ａ、８７ｂに、リニア軸受８８ａ、８８ｂを介して案内されるキャリッジ８９に固定された可動子８６を有する。固定子８２はＹ軸方向に沿って伸びる断面コ字型のヨーク８３とその内面に固着された一対の永久磁石体８４、８５を有する。可動子８６はキャリッジ８９に固定されたコイルユニット（不図示）を含む。永久磁石体８４、８５及び可動子８６のコイルユニットは、Ｘ軸リニアモータ７の永久磁石体７３，７４及びコイルユニットと同様に構成することができる。   When the gantry 2 moves to a predetermined position along the X-axis direction, the Y-axis linear motor 8 installed on the gantry 2 is driven. As shown in FIG. 11, the Y-axis linear motor 8 is installed on a case 81 supported by a base 80 fixed to the gantry, a stator 82 fixed to the inner surface thereof, and an outer peripheral surface of the case 81. The linear guides 87a and 87b have a movable element 86 fixed to a carriage 89 guided through linear bearings 88a and 88b. The stator 82 has a U-shaped yoke 83 extending along the Y-axis direction and a pair of permanent magnet bodies 84 and 85 fixed to the inner surface thereof. The mover 86 includes a coil unit (not shown) fixed to the carriage 89. The coil units of the permanent magnet bodies 84 and 85 and the mover 86 can be configured in the same manner as the permanent magnet bodies 73 and 74 and the coil unit of the X-axis linear motor 7.

次に上記のステージ装置１００の動作を説明する。Ｘ軸リニアモータ７ａ、７ｂのコイルユニットに通電して、可動子７５ａ、７５ｂにＸ軸方向の推力を発生させることにより、ガントリー２はリニアガイド３ａ、３ｂに沿って（Ｘ軸方向に）走行する。上記の多極多相型リニアモータ７ａ、７ｂによれば、起動時には多相コイルに大電流を流して大きな推力を発生させ、所定速度まで加速された時には駆動電流を低減させて一定の速度で駆動し、目標位置に近づくと再び駆動電流を高めて減速させるような速度パターンで駆動される。ガントリー２の走行中に環境温度が上昇すると、ガントリー２は熱膨張によりＹ軸方向に伸びる。   Next, the operation of the stage apparatus 100 will be described. The gantry 2 travels along the linear guides 3a and 3b (in the X-axis direction) by energizing the coil units of the X-axis linear motors 7a and 7b and generating the thrust in the X-axis direction on the movers 75a and 75b. To do. According to the above-described multipolar multiphase linear motors 7a and 7b, a large current is caused to flow through the multiphase coil at the time of startup to generate a large thrust, and when the acceleration is accelerated to a predetermined speed, the drive current is reduced at a constant speed. When driving and approaching the target position, it is driven with a speed pattern that increases the driving current again and decelerates. When the environmental temperature rises while the gantry 2 is traveling, the gantry 2 extends in the Y-axis direction due to thermal expansion.

ここで、ガントリー２の端部（図１の下側）は、直接クロスローラ軸受５０ｂ（図７参照）で支持されているが、ガントリー２の別の端部（図１の上側）は、リニア軸受６０ａを介してクロスローラ軸受５０ａ（図５参照）で支持されているので、ガントリー２は、その伸びが拘束されず、ガントリー２のＹ軸方向への変位が許容される。このため、ガントリー２の端部は、クロスローラ軸受５０ｂ（図７の５ｂ参照）の軸心Ｓ１を支点として、Ｓ１からクロスローラ軸受５０ａ（図５の５ａ参照）の軸心Ｓ２までの距離を半径とした円弧に沿って所定角度（α）だけ矢印Ｚ方向に回転することができるので、ガントリー２は、捩れることなく、Ｙ軸方向に伸びた状態を保ちながら、リニアガイド３ａ、３ｂに沿ってＸ軸方向に案内される。実用上、α＝０．１〜１０°、好ましくはα＝１〜５°程度に設定される。したがってガントリー２のＸ軸方向の駆動を高精度で制御することができる。具体的には、ガントリー２の長さ（Ｌ）が４ｍ程度までは、その平行度（ガントリー２の一方の端部と他方の端部とのずれ量）を最大２０〜３０μｍ以下に保つことが可能となり、ガントリー２が伸びた状態であっても、リニアガイド３ａ、３ｂに沿って平行に移動することができる。 Here, the end (lower side in FIG. 1) of the gantry 2 is directly supported by the cross roller bearing 50b (see FIG. 7), but the other end (upper side in FIG. 1) of the gantry 2 is linear. Since the gantry 2 is supported by the cross roller bearing 50a (see FIG. 5) via the bearing 60a, the expansion of the gantry 2 is not restricted, and displacement of the gantry 2 in the Y-axis direction is allowed. Therefore, the end of the gantry 2 has a distance from S1 to the axis S2 of the cross roller bearing 50a (see 5a in FIG. 5 ) with the axis S1 of the cross roller bearing 50b (see 5b in FIG. 7) as a fulcrum . Since it can rotate in the arrow Z direction by a predetermined angle (α) along the radiused arc, the gantry 2 does not twist and remains in the linear guides 3a and 3b while maintaining a state of extending in the Y-axis direction. Along the X-axis direction. Practically, α is set to 0.1 to 10 °, preferably about α to 1 to 5 °. Therefore, the driving of the gantry 2 in the X-axis direction can be controlled with high accuracy. Specifically, until the length (L) of the gantry 2 is about 4 m, the parallelism (the amount of deviation between one end portion and the other end portion of the gantry 2) can be maintained at a maximum of 20 to 30 μm or less. Even if the gantry 2 is extended, it can be moved in parallel along the linear guides 3a and 3b.

以下、本発明を下記の実施例により詳細に説明するが、それにより本発明が限定されるものではない。
（実施例）
図１に示すステージ装置１００において、ガントリー２を１００ｍｍ／ｓｅｃの速度で、Ｘ軸方向（図中右から左）に９００ｍｍだけ移動させた時に、一方のＸ軸リニアモータ（７ａ）で得られたエンコーダ信号のパルス数と他方のＸ軸リニアモータ（７ｂ）で得られたエンコーダ信号のパルス数との差異（ヨーイング誤差）を測定した結果を図１２に示す。またこの移動動作中において、駆動回路（不図示）からＸ軸リニアモータ７ａ、７ｂの各３相コイルに供給された駆動電流の波形を測定した結果を図１３に示す。図１２において、縦軸はパルス数（Ｐ）を示し、横軸は走行時間を示す。１Ｐは０．５μｍに相当するとともに、目標指令は０パルス（Ｐ）の線である。図１３において、縦軸は電圧（１Ｖは１Ａに相当する）を示し、ａ１が一方のＸ軸リニアモータ（７ａ）の駆動電流、ａ２が他方のＸ軸リニアモータ（７ｂ）の駆動電流である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by the following examples, but the present invention is not limited thereby.
(Example)
In the stage apparatus 100 shown in FIG. 1, when the gantry 2 was moved by 900 mm in the X-axis direction (from right to left in the figure) at a speed of 100 mm / sec, it was obtained with one X-axis linear motor (7a). FIG. 12 shows the result of measuring the difference (yawing error) between the number of pulses of the encoder signal and the number of pulses of the encoder signal obtained by the other X-axis linear motor (7b). Further, FIG. 13 shows the result of measuring the waveform of the drive current supplied from the drive circuit (not shown) to the three-phase coils of the X-axis linear motors 7a and 7b during the moving operation. In FIG. 12, the vertical axis indicates the number of pulses (P), and the horizontal axis indicates the travel time. 1P corresponds to 0.5 μm, and the target command is a 0 pulse (P) line. In FIG. 13, the vertical axis indicates voltage (1V corresponds to 1A), a1 is the drive current of one X-axis linear motor (7a), and a2 is the drive current of the other X-axis linear motor (7b). .

（比較例）
比較のために、軸受ユニット５ａ、５ｂを取り外した以外は上記ステージ装置１００と同一の構造とした比較例のステージ装置において、ガントリー２を１００ｍｍ／ｓｅｃの速度で、Ｘ軸方向に９００ｍｍだけ移動させた時に、一方のＸ軸リニアモータ（７ａ）で得られたエンコーダ信号のパルス数と他方のＸ軸リニアモータ（７ｂ）で得られたエンコーダ信号のパルス数との差異（ヨーイング誤差）を測定した結果を図１４に示す。またこの移動動作中において、駆動回路（不図示）からコイルに供給された駆動電流の波形を測定した結果を図１５に示す。図１４において、縦軸はパルス数（Ｐ）を示し、１Ｐは０．５μｍに相当するとともに、目標指令は０パルス（Ｐ）の線である。図１５において、縦軸は電圧（１Ｖは１Ａに相当する）を示し、ｂ１が一方のＸ軸リニアモータ（７ａ）の駆動電流であり、ｂ２が他方のＸ軸リニアモータ（７ｂ）の駆動電流である。 (Comparative example)
For comparison, in the comparative stage apparatus having the same structure as the stage apparatus 100 except that the bearing units 5a and 5b are removed, the gantry 2 is moved by 900 mm in the X-axis direction at a speed of 100 mm / sec. The difference (yawing error) between the number of encoder signal pulses obtained with one X-axis linear motor (7a) and the number of encoder signal pulses obtained with the other X-axis linear motor (7b) was measured. The results are shown in FIG. FIG. 15 shows the result of measuring the waveform of the drive current supplied from the drive circuit (not shown) to the coil during the moving operation. In FIG. 14, the vertical axis indicates the number of pulses (P), 1P corresponds to 0.5 μm, and the target command is a line of 0 pulse (P). In FIG. 15, the vertical axis represents voltage (1V corresponds to 1A), b1 is the drive current of one X-axis linear motor (7a), and b2 is the drive current of the other X-axis linear motor (7b). It is.

図１２に示すように、一方のリニアモータと他方のリニアモータとのエンコーダ信号のパルスの差を検討すると、ヨーイング誤差は略±２μｍに収まり、本発明のステージ装置によれば、クロスローラ軸受とリニア軸受により、ガントリーの機械的な捩れが吸収されることがわかる。これに対して、従来のステージ装置においては、図１４に示すように、一方のリニアモータと他方のリニアモータとのエンコーダ信号のパルスの差を検討すると、ヨーイング誤差は８〜１８μｍにも達し、ガントリーの位置に依存するガントリーの機械的な捩れが、エンコーダパルスの差として現れることがわかる。   As shown in FIG. 12, when the difference in encoder signal pulse between one linear motor and the other linear motor is examined, the yawing error is about ± 2 μm. According to the stage device of the present invention, the cross roller bearing and It can be seen that the mechanical bearing of the gantry is absorbed by the linear bearing. On the other hand, in the conventional stage apparatus, as shown in FIG. 14, when the difference in the pulse of the encoder signal between one linear motor and the other linear motor is examined, the yawing error reaches 8-18 μm, It can be seen that the mechanical twist of the gantry depending on the position of the gantry appears as a difference in encoder pulses.

図１のステージ装置１００によれば、図１３に示すように、駆動回路から左右のＸ軸リニアモータ７ａ，７ｂの各３相コイルに供給される駆動電流が同等であり（駆動電流が同相で変化する）、ガントリー２を駆動するための推力を一対のリニアモータ７ａ，７ｂで均等に負担しており、ガントリー２の機械的な捩れが吸収できることがわかる。これに対して、従来のステージ装置によれば、図１５に示すように、一対のＸ軸リニアモータに供給される駆動電流が大きくばらつき（電流の位相が逆になる）、ガントリーを駆動するための推力を両方のＸ軸リニアモータで負担しており、ガントリーを案内するレールの曲がりなどに起因する機械的な捩れが、駆動電流の大きなばらつきとして現れることがわかる。   According to the stage apparatus 100 of FIG. 1, as shown in FIG. 13, the drive currents supplied from the drive circuit to the three-phase coils of the left and right X-axis linear motors 7a and 7b are equivalent (the drive currents are in phase). It can be seen that the thrust for driving the gantry 2 is equally borne by the pair of linear motors 7a and 7b, and the mechanical twist of the gantry 2 can be absorbed. On the other hand, according to the conventional stage apparatus, as shown in FIG. 15, the drive current supplied to the pair of X-axis linear motors varies greatly (the current phase is reversed), and the gantry is driven. It can be seen that the mechanical torsion caused by the bending of the rail that guides the gantry appears as a large variation in the drive current.

本発明は、上記の実施の形態に限らず、例えば次のような変形が可能である。
ガントリーの長手方向の両端部を摺動自在に支持するリニア軸受の変わりに、非接触で支持する流体圧軸受（例えば空気軸受）を使用することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and for example, the following modifications are possible.
Instead of a linear bearing that slidably supports both ends of the gantry in the longitudinal direction, a fluid pressure bearing (for example, an air bearing) that supports the gantry without contact can be used.

旋回軸受としては、クロスローラ円すいころ軸受、単列スラストアンギュラ玉軸受（内輪及び外輪の軌道溝がアーチ状に形成された４点接触玉軸受）、複列スラストアンギュラ玉軸受（上下２列の軌道を有し、上列がアキシアル荷重、ラジアル荷重及びモーメント荷重を負荷し、下列がラジアル荷重及びモーメント荷重を負荷する玉軸受）、または旋回複合スラスト円筒ころ軸受（３列の円筒ころを用いた複合軸受）などの種々の形式の軸受を使用することができる。   As slewing bearings, cross roller tapered roller bearings, single-row thrust angular contact ball bearings (four-point contact ball bearings in which inner and outer ring raceway grooves are formed in an arch shape), double-row thrust angular contact ball bearings (upper and lower two-row raceways) The upper row is loaded with axial load, radial load and moment load, and the lower row is loaded with radial load and moment load), or the slewing compound thrust cylindrical roller bearing (composite using three rows of cylindrical rollers) Various types of bearings such as bearings) can be used.

上記実施の形態では可動コイル型リニアモータの場合を記載したが特に限定されず、Ｘ軸リニアモータ及びＹ軸リニアモータとして可動磁石型の多極多相型リニアモータを使用することができる。   Although the case of the moving coil type linear motor has been described in the above embodiment, the present invention is not particularly limited, and a movable magnet type multipolar multiphase type linear motor can be used as the X axis linear motor and the Y axis linear motor.

本発明の実施の形態に係わるステージ装置の平面図である。It is a top view of the stage apparatus concerning embodiment of this invention. 図１をＡ方向からみた矢視図である。It is the arrow view which looked at FIG. 1 from the A direction. 図１をＢ方向からみた矢視図である。It is the arrow view which looked at FIG. 1 from the B direction. 図１のＣ−Ｃ線矢視断面図である。It is CC sectional view taken on the line of FIG. 一方の軸受ユニットの断面図である。It is sectional drawing of one bearing unit. 図５をＤ方向から見た矢視図である。It is the arrow line view which looked at FIG. 5 from D direction. 他方の軸受ユニットの断面図である。It is sectional drawing of the other bearing unit. 図７をＥ方向から見た矢視図である。It is the arrow view which looked at FIG. 7 from the E direction. クロスローラ軸受の半断面図であるIt is a half sectional view of a cross roller bearing. 図９の一部を展開した図である。It is the figure which expanded a part of FIG. Ｙ軸リニアモータの断面図である。It is sectional drawing of a Y-axis linear motor. 図１のステージ装置のヨーイング誤差特性を示す図である。It is a figure which shows the yawing error characteristic of the stage apparatus of FIG. 図１のステージ装置の駆動電流特性を示す図である。It is a figure which shows the drive current characteristic of the stage apparatus of FIG. 従来のステージ装置のヨーイング誤差特性を示す図である。It is a figure which shows the yawing error characteristic of the conventional stage apparatus. 従来のステージ装置の駆動電流特性を示す図である。It is a figure which shows the drive current characteristic of the conventional stage apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

１００：ステージ装置、１：ベース、２：ガントリー、３ａ、３ｂ：リニアガイド、４ａ、４ｂ：サイドプレート、４１ａ、４１ｂ：ストッパー、５ａ、５ｂ：軸受ユニット、５１ａ、５１ｂ：支持板、５２ａ、５２ｂ：回転リング、５３ａ、５３ｂ：スライド板、５４ａ、５４ｂ：押え板、６ａ、６ｂ、６０ａ：リニア軸受、５０、５０ａ、５０ｂ：クロスローラ軸受、５０１：内輪、５０２：外輪、５０３、５０４：転走溝、５０５：コロ、５０６：リテーナ、
７ａ、７ｂ：Ｘ軸リニアモータ、７１ａ、７１ｂ：固定子、７２ａ、７２ｂ：ヨーク、７３ａ、７３ｂ、７４ａ、７４ｂ：永久磁石、７５ａ、７５ｂ：可動子、
８：Ｙ軸リニアモータ、８０：ベース、８１：ケース、８２：固定子、８３：ヨーク、８４、８５：永久磁石、８６：可動子、８７：リニアガイド、８８：リニア軸受、８９：キャリッジ
７０ａ、７０ｂ：円環状押え板
５５ａ、５５ｂ：リニア軸受け６０ａ構成部材



100: stage device, 1: base, 2: gantry, 3a, 3b: linear guide, 4a, 4b: side plate, 41a, 41b: stopper, 5a, 5b: bearing unit, 51a, 51b: support plate, 52a, 52b : Rotating ring, 53a, 53b: Slide plate, 54a, 54b: Presser plate, 6a, 6b, 60a: Linear bearing, 50, 50a, 50b: Cross roller bearing, 501: Inner ring, 502: Outer ring, 503, 504: Roll Running groove, 505: roller, 506: retainer,
7a, 7b: X-axis linear motor, 71a, 71b: stator, 72a, 72b: yoke, 73a, 73b, 74a, 74b: permanent magnet, 75a, 75b: mover,
8: Y-axis linear motor, 80: base, 81: case, 82: stator, 83: yoke, 84, 85: permanent magnet, 86: mover, 87: linear guide, 88: linear bearing, 89: carriage
70a, 70b: annular retainer plate
55a, 55b: linear bearing 60a component

Claims (1)

所定間隔をおいてベース上に設置された一対のＸ軸リニアモータと、前記一対のＸ軸リニアモータに一対の軸受けユニットを介して支持されＸ軸方向に走行する中空矩形断面を有するガントリーと、前記ガントリー上に設置されたＹ軸リニアモータとを有するステージ装置であって、前記一対の軸受けユニットは、前記ガントリーの両端部に配置され、一方の軸受けユニットは前記ガントリーを旋回可能に支持する旋回軸受けを有するとともに前記ガントリーの長手方向の変位を拘束し、他方の軸受けユニットは前記ガントリーを旋回可能に支持する旋回軸受けを有するとともに前記ガントリーの長手方向の変位を許容する直動軸受けを有することを特徴とするステージ装置。
A pair of X axis linear motor installed on the base at a predetermined distance, a gantry having a hollow rectangular cross-section you travel in the X-axis direction is supported by a pair of bearing units on the pair of X axis linear motors A stage apparatus having a Y-axis linear motor installed on the gantry, wherein the pair of bearing units are disposed at both ends of the gantry , and one bearing unit supports the gantry so as to be rotatable. together with swivel bearing to restrain the longitudinal displacement of said gantry and the other bearing unit to have a linear bearing to allow longitudinal displacement of the gantry and having a pivot bearing for supporting pivotally said gantry A stage apparatus characterized by that.