JP2001005528A - ステージ装置および位置検出装置 - Google Patents

ステージ装置および位置検出装置

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JP2001005528A
JP2001005528A JP11178303A JP17830399A JP2001005528A JP 2001005528 A JP2001005528 A JP 2001005528A JP 11178303 A JP11178303 A JP 11178303A JP 17830399 A JP17830399 A JP 17830399A JP 2001005528 A JP2001005528 A JP 2001005528A
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JP
Japan
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scale
movable
detecting
movable part
stage
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JP11178303A
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English (en)
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Kenji Hisamoto
憲司 久本
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Canon Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スケールを用いたステージの位置決め方式に
おいて、位置決めの精度を向上させる。 【解決手段】 固定部分に対して一軸方向に相対的に移
動する可動部分の移動軸方向の位置を検出する位置検出
装置において、スケールおよびスケールの目盛り読み取
り器により可動部分の位置を検出するスケール検出部
と、可動部分の姿勢を検出する姿勢センサとを具備し、
姿勢センサの検出値に基づいてスケール検出部の検出値
を補正することにより、スケールの目盛り読み取り位置
から離れた可動部分上の作業部位の位置を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はステージ装置並びに
該ステージ装置で位置決めを行なうための位置検出装置
およびその方法に関する。
【0002】
【従来の技術】工作機械や各種検査装置のステージ装置
にはステッピングモータとボールネジを組み合わせた位
置決め機構を用いたものが多く使われている(オープン
ループ)。しかし、より高精度の位置決め精度を必要と
する場合、ステージ装置の可動部分の直線方向変位量を
検出するために光学式や磁気式のスケールが多く用いら
れ、スケールの読み値をフィードバックさせて位置決め
を行なう方式(クローズドループ)が取られている。ク
ローズドループ位置決め系を採用したステージ装置と、
そのブロック図の一例を図5および図6に示す。同図に
示すステージ装置では、固定部分105にスケール10
1を、可動部分104に検出部102の検出ヘッドを取
り付け、目標値に対してコントローラの指示によりモー
タを回転させ、ボールネジの位置決め機構103を介し
て可動部104を走査し、検出部102の位置情報をフ
ィードバックして目標地点に到達させる。ステージ装置
の構造によっては検出ヘッド本体を固定部分105に固
定し、スケール101を可動部分104に設置すること
もある。ここで、安定した位置信号を得るためには案内
機構を含むステージ装置の剛性や精度を高める必要があ
る。しかし、高分解能スケールで検出する場合、可動部
分104の姿勢変化による読み取り誤差(アッベの誤
差)の影響が無視できなくなる。
【0003】図7によりアッベの誤差を説明する。高精
度を必要とする作業点Pにおいて、スケール101上で
x_scl進めたところP’において、スケール101
に対する可動部分104の縦揺れ(ピッチング)θyお
よび偏揺れ(ヨーイング)θzが生じた場合、スケール
101の検出点に対する作業点Pのy方向距離をhとお
き、z方向距離をlとおくと、作業点Pのx方向変位X
は近似的に、
【0004】
【数1】 と表され、hθy+lθzの累積誤差を生じることにな
る。このような現象を防ぐためには、ステージ装置の案
内機構に直進性のよい、剛性の高いものを採用する方法
がある。しかしこのためには案内機構の加工精度を上
げ、剛性の高い材料を使用するため、ステージ装置の製
作コストが高くなる。また、ステージ本体104の質量
も増加し、高速で位置決めを行なうためには不利であ
る。案内機構が転がり案内機構の場合、与圧を高める方
法が考えられるが、この場合も同様に転がり抵抗が大き
くなり、駆動時の推力が余分に必要となり、高速で動作
させる場合不利となる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一つの解決方法とし
て、あらかじめ変位によるステージ本体104の姿勢変
化を測定して補正する方法が考えられる。しかし、この
方法は再現性のある、大まかな姿勢変化を補正すること
はできるが、微小区間に起こる変化をすばやく補正する
ことは困難である。
【0006】また、別の解決方法として、図8に示すよ
うに、スケール101および検出部102を2個所に設
置し、両方の検出値x1およびx2の平均を求める方法
も考えられる。しかし、この方法ではスケール101を
2本使用するのでコストがかかり、取り付け位置の制約
が大きくなってしまう。同様に作業点近くにスケールの
検出点を設定できればよいが、この場合も設計上の制約
が大きくなり実用的でない。
【0007】本発明は、上記従来技術の課題を解決し、
ステージ本体の姿勢変化の影響が無く、高精度に位置決
めが可能なステージ装置並びにその位置検出装置および
位置検出方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明によれば姿勢センサを配置して、可動部分と
固定部分との姿勢変化を相対的に検出して、アッベの誤
差を補正し、スケール情報にフィードバックするもので
ある。
【0009】すなわち、本発明は、固定部分に対して一
軸方向に相対的に移動する可動部分の移動軸方向の位置
を検出する位置検出装置において、可動部分または固定
部分の、一方に取り付けられたスケールおよび他方に取
り付けられスケールの目盛りを読み取るための読み取り
器により、可動部分の固定部分に対する移動軸方向の相
対位置を検出するスケール検出部と、固定部分に対する
可動部分の相対的な姿勢を検出するための姿勢センサと
を具備し、姿勢センサの検出値に基づいてスケール検出
部の検出値を補正することにより、スケールの目盛り読
み取り位置から離れた可動部分上の作業部位の位置を算
出することを特徴とする。
【0010】また、本発明は、固定部分と、固定部分に
対して一軸方向に相対的に移動する可動部分と、可動部
分または固定部分の、一方に取り付けられたスケールお
よび他方に取り付けられスケールの目盛りを読み取るた
めの読み取り器により、可動部分の固定部分に対する移
動軸方向の相対位置を検出するスケール検出部と、可動
部分を所望の位置まで移動して停止させる位置決め機構
とを有するステージ装置において、固定部分に対する可
動部分の相対的な姿勢を検出するための姿勢センサを具
備し、姿勢センサの検出値に基づいてスケール検出部の
検出値を補正することにより、スケールの目盛り読み取
り位置から離れた可動部分上の作業部位の位置を算出す
ることを特徴とする。
【0011】通常、姿勢センサは、可動部分の移動軸に
対する縦揺れおよび横揺れにより生じる傾きを検出する
ものである。この検出した傾きを上述の(1)式に当て
はめてアッベの誤差を算出してスケール情報を補正する
ことができる。
【0012】また、可動部分の移動軸方向の案内機構に
静圧案内を採用し、可動部分が固定部分に対して非接触
に支持されるように構成することによって、移動時の摺
動抵抗をなくし、相対的姿勢精度を向上させることがで
きる。さらに、位置決め機構にリニアモータを採用する
ことにより、可動部分を非接触で安定に走査し、可動部
分を所望の位置まで移動して停止させることができる。
【0013】本発明における姿勢センサとして、可動部
分に設置した平面鏡に固定部から当てたレーザの反射角
を検出するオートコリメータ、またはジャイロスコープ
を用いることができる。また、本発明の位置決め方法
は、上記本発明のステージ装置を用いた可動部分の位置
決め方法である。
【0014】図1は本発明のステージ装置の構成を説明
するための模式図であり、図2は本発明の位置決め装置
の機能を説明するためのブロック図である。
【0015】同図に示すように、目標値xに対してスケ
ール101を検出部102により読み取ったスケール情
報に加え、可動部分104の姿勢変化をミラー106お
よびオートコリメータ等の姿勢センサ107で検出し、
作業点でのアッベ誤差を演算して位置フィードバックの
情報に加える。オートコリメータ107は光電式を使え
ばステージ可動部104の姿勢変化θを即、電気信号と
して演算処理し、リアルタイムで補正できる。また、姿
勢センサ107としてジャイロスコープを使うことも可
能である。これによって、ステージ本体104の姿勢変
化にかかわらず、高精度の位置決めを行なうことが可能
である。
【0016】
【実施例】<実施例1>本発明が適用されたステージ装
置の一実施例を図3に示す。本例の案内機構には転がり
案内を採用し、スケール101の素材には石英を用いて
ある。本実施例のステージ装置では、スケール101を
検出部102により読み取りスケール値を検出すると共
に、固定部105から照射されたレーザを平行ミラー3
02で反射し、センサ301で可動部分104のヨーイ
ングおよびピッチング方向の姿勢変化を検出する。スケ
ール値の検出点から作業点までの距離を姿勢変化にかけ
合わせた値をスケール値より差引きしてフィードバック
する。
【0017】本実施例のステージ装置では、案内機構に
転がり案内機構を採用しているため、可動部分104の
摺動抵抗をできるだけ小さくしている。また、スケール
101の素材に石英を用いているので、充分な剛性があ
り、温度変化に対しても安定した出力信号が得られる。
さらに、位置決め機構103にはボールネジを用いてい
るが、スケール101と姿勢センサ301の位置情報に
よりバックラッシュの影響を受けることなく高精度の位
置決めができる。
【0018】<実施例2>本発明のステージ装置の他の
実施例を図4に示す。本実施例では、案内機構に静圧面
402を採用しており、可動部分104の駆動にはリニ
アモータ401を採用し、可動部分104を非接触で走
査している。
【0019】本実施例では、案内機構の静圧面402を
高精度に仕上げることにより、可動部分104の姿勢変
化を出来るだけ小さくしている。また、リニアモータ4
01による駆動のため、可動部104に対し非接触駆動
が可能であり、ボールネジのようなねじりモーメントの
影響が起きない。
【0020】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ス
ケールで位置情報を読み取り、可動部分を所望の位置に
停止させる一軸構造のスケールにおいて、固定部分に対
する可動部分の相対的な姿勢を検出するためのセンサを
配置することにより、このセンサ情報をフィードバック
してスケール読み値を補正でき、より正確に位置決めが
できる。
【0021】また可動部分が固定部分に対して非接触に
支持される静圧案内およびリニアモータを用いることに
より、姿勢変化をより小さく、ねじりモーメントの影響
が起きなくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係るステージ装置の構成例を示す模
式図である。
【図2】 本発明に係るステージ装置における、位置決
め機能を示すブロック図である。
【図3】 実施例1に係るステージ装置の構成を示す斜
視図である。
【図4】 実施例2に係るステージ装置の構成を示す斜
視図である。
【図5】 従来のステージ装置の構成を示す斜視図であ
る。
【図6】 従来のステージ装置における位置決め機能を
示すブロック図である。
【図7】 アッベの誤差を説明する模式図である。
【図8】 従来のステージ装置でスケールを2箇所に設
置した例を示す模式図である。
【符号の説明】
101:スケール、102:スケール検出部、103:
位置決め機構、104:可動部分、105:固定部分、
106,302:ミラー、107,301:姿勢セン
サ、401:リニアモータ、402:静圧案内面。

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固定部分に対して一軸方向に相対的に移
    動する可動部分の移動軸方向の位置を検出する位置検出
    装置において、前記可動部分または前記固定部分の、一
    方に取り付けられたスケールおよび他方に取り付けられ
    前記スケールの目盛りを読み取るための読み取り器によ
    り、前記可動部分の前記固定部分に対する移動軸方向の
    相対位置を検出するスケール検出部と、前記固定部分に
    対する前記可動部分の相対的な姿勢を検出するための姿
    勢センサとを具備し、前記姿勢センサの検出値に基づい
    て前記スケール検出部の検出値を補正することにより、
    前記スケールの目盛り読み取り位置から離れた前記可動
    部分上の作業部位の位置を算出することを特徴とする位
    置検出装置。
  2. 【請求項2】 固定部分と、前記固定部分に対して一軸
    方向に相対的に移動する可動部分と、前記可動部分また
    は前記固定部分の、一方に取り付けられたスケールおよ
    び他方に取り付けられ前記スケールの目盛りを読み取る
    ための読み取り器により、前記可動部分の前記固定部分
    に対する移動軸方向の相対位置を検出するスケール検出
    部と、前記可動部分を所望の位置まで移動して停止させ
    る位置決め機構とを有するステージ装置において、前記
    固定部分に対する前記可動部分の相対的な姿勢を検出す
    るための姿勢センサを具備し、前記姿勢センサの検出値
    に基づいて前記スケール検出部の検出値を補正すること
    により、前記スケールの目盛り読み取り位置から離れた
    前記可動部分上の作業部位の位置を算出することを特徴
    とするステージ装置。
  3. 【請求項3】 前記姿勢センサは、前記可動部分の前記
    移動軸に対する縦揺れおよび横揺れにより生じる傾きを
    検出するものである請求項2に記載のステージ装置。
  4. 【請求項4】 前記可動部分の移動軸方向の案内機構に
    静圧案内を採用し、前記可動部分が前記固定部分に対し
    て非接触に支持されることを特徴とする請求項2または
    3に記載のステージ装置。
  5. 【請求項5】 前記位置決め機構が、前記可動部分を非
    接触で走査するリニアモータと前記リニアモータの駆動
    を制御する手段とで構成されることを特徴とする請求項
    2〜4のいずれか1項に記載のステージ装置。
  6. 【請求項6】 前記姿勢センサが、前記可動部分に設置
    した平面鏡に固定部から当てたレーザの反射角を検出す
    るオートコリメータであることを特徴とする請求項2〜
    5のいずれか1項に記載のステージの位置決め方法。
  7. 【請求項7】 前記姿勢センサが、前記可動部分に設置
    したジャイロスコープであることを特徴とする請求項2
    〜5のいずれか1項に記載のステージ装置。
  8. 【請求項8】 固定部分または前記固定部分に対して一
    軸方向に相対的に移動する可動部分の、一方に取り付け
    られたスケールおよび他方に取り付けられ前記スケール
    の目盛りを読み取るための読み取り器により、前記可動
    部分の前記固定部分に対する移動軸方向の相対位置を検
    出するスケール検出工程と、前記可動部分を所望の位置
    まで移動して停止させる位置決め工程とを有するステー
    ジ装置の位置決め方法において、前記固定部分に対する
    前記可動部分の相対的な姿勢を検出し、この姿勢の検出
    値に基づいて前記スケール検出工程の検出値を補正する
    ことにより、前記スケールの目盛り読み取り位置から離
    れた前記可動部分上の作業部位の位置を算出することを
    特徴とする位置決め方法。
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