JP2002032129A - 制御用センサと補正用センサを用いた移動ステージ機構と制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い応答周波数とする事が可能、かつステー
ジの位置制御の剛性を高め、高精度な移動ステージ機構
とその制御方法および制御装置を提供する。 【解決手段】 第一の位置検出器１０ａ，１４ａ、１０
ｂ，１４ｂと、第二の位置検出器１２，１４ｂ，１４ｃ
とを備え、第一の位置検出器１０ａ，１４ａ、１０ｂ，
１４ｂで検出した位置をフィードバックする第一の制御
ループを設け、第二の位置検出器１２，１４ｂ，１４ｃ
で検出した位置をフィードバックする第二の制御ループ
を設ける事により、高精度なステージであり、高い応答
周波数とする事が可能な第一の制御ループで高い剛性の
ステージとし、第二の制御ループで精度が必要とされる
被加工物または加工工具の搭載面の位置をフィードバッ
ク制御する事が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工装置等の移動
テーブル機構とその制御方法および制御装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図５にＸＹステージの従来例を示す。従
来、精密な位置決め用の移動ステージ機構の位置決め制
御に於いて、制御用の位置および姿勢の計測機構は、レ
ーザ測長器を用いた機構が多く使われる様になってい
る。従来、移動ステージの位置および姿勢を計測する方
法は、計測および制御したい移動ステージ上の点、例え
ば加工装置に於いては加工点に一番近い移動ステージ上
の点を計測可能とするように、移動ステージ上に固定さ
れた同一のミラー面（参照点）を１軸または２軸以上の
レーザにより移動機構の位置を移動ステージ外の同一の
基準点からの相対位置として計測し、移動ステージの位
置および姿勢データとして位置決め制御に使用する制御
を行っている。

【０００３】図５において、Ｘステージ７１はＺ方向を
ＸＹガイド７４で支持され、Ｙステージ７２のＸステー
ジ用ガイド７３に沿ってＸに移動可能である。Ｙステー
ジ７２は、Ｙステージ用ガイド７５ａ，７５ｂに沿って
移動可能であり、Ｘステージ７１もＹステージ７２と共
にＹ方向にも移動可能であるので、Ｘステージ７１はＸ
Ｙステージ用ガイド７４上のＸ−Ｙ平面上を移動可能で
ある。Ｘステージ７１は、Ｘリニアモータ可動部７６
ａ，７６ｂおよび固定部７７ａ、７７ｂによりＸ軸方向
に、また、Ｙステージ７２は、Ｙリニアモータ可動部７
８ａ，７８ｂおよび固定部７９ａ，７９ｂによりＹ軸方
向にそれぞれ推力を与える駆動手段（駆動機構）を持
つ。図５において、被加工物は、Ｘステージ７１上に搭
載されるので、加工点はＸステージ７１の上面より上と
なる。そこで、加工点に一番近い移動ステージ上の点を
計測する為に、Ｘステージ７１上に設置されたＸバーミ
ラー８２と固定部であるＸ干渉計台８８に固定したＸ干
渉計８４ｃ，８４ｄとの間にレーザ光軸８５ｃ，８５ｄ
を通すことで、ＸステージのＸ軸方向の位置とＺ軸回り
に回転するヨーイングを計測する。またＹ軸方法の動き
は、Ｘステージ上に設置したＹバーミラー８３と固定部
であるＹ干渉計台８９に固定されたＹ干渉計８６間にレ
ーザ光軸８７を通しその間の距離を測定することでＹ軸
方向の移動を測定する。従来はこのように加工点に近い
点のステージの位置を測定し、位置制御を行っていた。

【０００４】図６は、図５で示したようなＹステージの
制御ブロック図である。図６において、制御対象である
移動ステージ（移動テーブル）９３の位置を制御するに
は位置検出手段９４で検出した位置をフィードバック信
号として制御演算手段９１にフィードバックして制御を
行っていた。制御演算手段９１は位置検出手段９４より
フィードバックされた位置信号と位置・姿勢指令９６と
を比較し、駆動手段９２を用いて移動テーブル９３に対
してステージへの推力９５を与えることで位置制御を行
う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
ではＸＹステージのように平面を可動範囲とするような
移動ステージの構成上、移動ステージ上の測定したい位
置が測定点となるようにすると、位置測定点がステージ
の重心とは離れた位置に配置する場合が多い。このよう
な従来例の場合、ＸステージのようにＸ軸方向の位置お
よびヨーイング以外の、例えばピッチング方向の動きは
ステージのＸ軸方向の動きと分離しての検出が出来ない
ので、ステージのピッチング方向の共振ピークはＸ軸方
向の位置制御の妨げとなり制御の応答性と向上させるこ
とが困難となる。

【０００６】このような制御対象に対して現代制御理論
では、ステージの動特性のモデル化等によりピッチング
方向の共振ピークを越える周波数応答を実現する理論や
方法が提案されているが、測定誤差やモデル化の誤差に
より高い周波数応答で高精度な位置決めの制御で共振ピ
ークを越えることは現実には困難であり、このままでは
共振ピークより低い周波数応答の制御を行う制御装置し
か構築が出来なかった。更に、Ｙステージ上にＸステー
ジのガイドが配置されるので、Ｘステージの制御にＹス
テージのガイド部分の剛性等の影響を受け、前述のピッ
チングの共振の場合と同様に、一軸のステージを制御す
る場合と比較し、Ｙステージの影響が乗る分Ｘステージ
の位置制御の応答周波数は低くなる。

【０００７】ステージの制御における応答周波数の低下
は、ステージの位置制御の剛性を低下させる。その結
果、外乱の影響により、ステージの精度が悪化し、加工
精度が悪化する。

【０００８】本発明は、上記の問題点に鑑みてなされた
ものであり、高い応答周波数とすることが可能、かつス
テージの位置制御の剛性を高め、高精度な移動ステージ
機構とその制御方法および制御装置を提供することを課
題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の移動ステージ機構は、移動可能なステージ
可動部と、前記ステージ可動部を可動方向に駆動させる
駆動機構と、前記ステージ可動部の重心部および重心部
近傍の範囲における点を参照点とし、前記駆動機構によ
る該ステージ可動部の駆動方向の移動量を検出するよう
配置された第一の位置検出器と、前記ステージ可動部の
移動量を検出するよう配置された第二の位置検出器であ
る補正用位置検出器とを備え、前記第一および第二の位
置検出器により検出される前記ステージ可動部と一体で
移動する該ステージ可動部上の複数の異なる点の位置を
基に、前記駆動機構により該ステージ可動部の位置制御
を行う機構を有することを特徴とする。

【００１０】また、上記課題を解決するために、本発明
の移動ステージ機構は、移動可能なステージ可動部と、
前記ステージ可動部の可動方向以外の動きを拘束するエ
アベアリングと、一軸方向に推進力を発生させる機構の
推進力が前記ステージ可動部の可動方向と同一方向とな
るように配置された該ステージ可動部を駆動する機構で
あって、前記ステージ可動部の重心を通る線分上であ
り、該重心から等距離の２点を押すように配置され、前
記ステージ可動部の重心を前記可動方向に押す力と該２
点へ与える推力のバランスを変更することにより、前記
エアベアリングによる拘束の軸受け隙間の範囲内で前記
ステージ可動部の重心部分における前記可動方向と交差
する軸を回転軸とする回転方向の姿勢を変更できる駆動
機構と、前記駆動機構の押す２点が結ぶ線上の点であ
り、前記ステージ可動部の重心から等距離の２点を参照
点とし、前記ステージ可動部の可動方向の動きと該参照
点の位置変化を測定することにより、前記駆動機構によ
る該ステージ可動部の前記可動方向および前記回転方向
の移動量を検出するように配置された第一の位置検出器
と、前記ステージ可動部の移動量と姿勢を検出するよう
に配置された第二の位置検出器である補正用位置検出器
とを備え、前記第一および第二の位置検出器により検出
される前記ステージ可動部と一体で移動する該ステージ
可動部上の複数の異なる点の位置を基に、前記駆動機構
により該ステージ可動部の位置制御を行う機構を有する
ことを特徴とする。

【００１１】また、本発明に係る移動ステージ機構に於
いて、前記第一の位置検出器は、前記ステージ可動部を
制御するために位置を検出する制御用位置検出器である
ことが好ましい。また、本発明に係る移動ステージ機構
に於いて、前記参照点は、前記ステージ可動部における
少なくとも被加工物および加工工具のいずれかを搭載す
る面であることが好ましい。

【００１２】また、本発明に係る移動ステージ機構に於
いて、前記第一および第二の位置検出器は、前記ステー
ジ可動部と一体で移動する該ステージ可動部上の点およ
び／または面を参照点とし、該ステージ可動部外の位置
を基準点として該参照点と該基準点との間の相対位置を
検出するものであることが出来る。

【００１３】また、本発明に係る移動ステージ機構に於
いて、直交２軸のＸＹステージにおけるＹステージに搭
載されたＸステージがＸＹ平面を駆動する該ＸＹステー
ジの前記移動ステージ機構であって、前記第一の位置検
出器が前記Ｙステージ上の点を基準点として前記Ｘステ
ージの位置を検出する制御用位置検出器と、前記第二の
位置検出器が前記ＸＹステージ外の点を基準点として前
記Ｘステージの位置を検出する補正用位置検出器とを有
することが出来る。

【００１４】そして、本発明に係る移動ステージ機構に
於いて、前記第一の位置検出器と第二の位置検出器とが
共にレーザ測長器を用いることが好ましい。

【００１５】さらに、本発明に係る移動ステージ機構に
於いて、前記第一の位置検出器が静電容量型位置センサ
を用い、前記第二の位置検出器がレーザ測長器を用いる
ことが好ましい。

【００１６】本発明に係る移動ステージ機構の制御方法
に於いて、前記移動ステージ機構の制御方法であって、
前記ステージ可動部の第一の指令値である位置および姿
勢の値を目標値とし、前記第一の位置検出器で検出され
た前記ステージ可動部の駆動方向の位置および姿勢の検
出値をフィードバック信号として前記駆動機構を用いて
前記ステージ可動部の位置および姿勢を制御する第一の
制御ループと、前記ステージ可動部の第二の指令値であ
る位置および姿勢の値とを目標値とし、前記第二の位置
検出器で検出された前記ステージ可動部の駆動方向の位
置および姿勢の検出値をフィードバック信号として前記
第一の制御ループに対する第一の指令値を算出し、前記
ステージ可動部の位置および姿勢を制御する第二の制御
ループとを有することが出来る。

【００１７】また、本発明に係る移動ステージ機構の制
御方法に於いて、前記第二の制御ループは、前記第一の
制御ループの応答周波数と比較して低い応答周波数であ
ることが好ましい。

【００１８】本発明に係る移動ステージ機構の制御装置
に於いて、前記移動ステージ機構の制御装置であって、
前記ステージ可動部の第一の指令値である位置および姿
勢の値を目標値とし、前記第一の位置検出器で検出され
た前記ステージ可動部の駆動方向の位置および姿勢の検
出値をフィードバック信号として前記駆動機構を用いて
前記ステージ可動部の位置および姿勢を制御する第一の
制御ループと、前記ステージ可動部の第二の指令値であ
る位置および姿勢の値とを目標値とし、前記第二の位置
検出器で検出された前記ステージ可動部の駆動方向の位
置および姿勢の検出値をフィードバック信号として前記
第一の制御ループに対する第一の指令値を算出し、前記
ステージ可動部の位置および姿勢を制御する第二の制御
ループとを有することが出来る。

【００１９】また、本発明に係る移動ステージ機構の制
御装置に於いて、前記第二の制御ループは、前記第一の
制御ループの応答周波数と比較して低い応答周波数であ
ることが好ましい。

【００２０】本発明に係る加工装置は、前記移動ステー
ジ機構を備えることができる。また、本発明に係る加工
装置は、前記移動ステージ機構の制御方法を用いて加工
を行うことが出来る。

【００２１】さらに、本発明に係る加工装置は、前記移
動ステージ機構の制御装置を備えて加工を行うことが出
来る。

【００２２】

【作用】上記構成等により、駆動機構によって駆動可能
な駆動方向のみの移動量のみを検出するように移動ステ
ージの重心部分の位置を検出し、この検出値をフィード
バックして制御することにより、移動ステージの駆動源
により直接制御可能な軸が、例えばステージの可動方向
位置とヨーイング方向の傾きの場合には、この可動方向
位置とヨーイング方向の傾きのみを検出し制御するの
で、この制御ループには制御性能を悪化させるピッチン
グやローリングによる影響が乗らず、周波数応答の高い
制御が可能となる。しかし、従来例ではこの制御ループ
のみで制御を行った場合には、例えばピッチング方向の
ステージガイドの形状が微少に曲がっている場合にはス
テージのＸ軸方向の移動に伴いピッチング方向にステー
ジが傾いていく。本発明に於いても、第一の位置検出器
の検出点はステージ上に搭載される被加工物の加工点と
はＺ軸方向に離れているので、Ｘ軸方向の移動に伴いス
テージのピッチング方向の傾きに比例してＸ軸方向にも
位置誤差を生じる。しかし、本発明に於いては第二の検
出手段により加工点の高さ（Ｚ軸方向）で移動ステージ
の位置を測定するのでこの値をフィードバック値とする
第二の制御ループは制御演算を行い、Ｘ軸ステージの位
置と姿勢を第一の制御ループの指令値としてフィードバ
ックすることが可能であり、Ｘステージのピッチング方
向の傾きによる加工点に位置ズレを最小限とすることが
可能である。

【００２３】更に、ＸステージがＹステージに拘束され
るような構成のＸＹステージに於いて第一の位置検出器
をＹ軸基準でＸステージ上の位置を検出するように配置
し、第一の制御ループでＹ軸の影響を排し、制御の周波
数応答の高い制御とし、第二の位置検出器の計測基準を
Ｙステージ外の位置として第二の制御ループを構築する
ことで、Ｘステージを高い周波数応答に対する剛性と第
二の制御ループによる加工点における高い精度のステー
ジの位置および姿勢の制御を可能とすることが出来る。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を用いて
詳細に説明する。 ［実施例１］図１は、本発明の一実施例に係る移動ステ
ージ機構を示す斜視図である。

【００２５】Ｘステージ１は、ステージ移動機構のステ
ージ可動部であり、ＸＹガイド４に対し、Ｘ軸方向２０
とＹ軸方向２１で表現されるＸ−Ｙ平面上を移動可能で
ある。Ｘステージ１は、エアベアリング（不図示）によ
って上下方向（Ｚ軸方向２２）に支持（拘束）されてお
り、Ｘステージ１が、Ｘ−Ｙ平面上を移動する際、摩擦
が生じ無いように移動可能である。更に、Ｘステージ１
は、Ｙステージ２のＸステージ用ガイド３に対しエアベ
アリング（不図示）により支持されており、Ｙステージ
２に対してＸ軸方向２０の駆動方向に移動可能である。
エアベアリングは、可動部と固定部のガイド面との間
（数マイクロメータ）の空気層によって支持されてお
り、ベアリング内で構造物である可動部と固定部が接触
しない数マイクロメータの隙間の間隔を変更する範囲で
あれば非常に強いバネを介して支持しているのと等し
く、接触しない隙間の範囲であればＸ軸方向２０以外に
微少（ガイド部で数マイクロメータ以内）での動きは可
能である。

【００２６】Ｘステージ１の駆動機構は、Ｘリニアモー
タ可動磁石部６ａおよび６ｂと、Ｘリニアモータ固定コ
イル部７ａおよび７ｂから構成されるリニアモータであ
る。Ｘリニアモータ可動磁石部６ａおよび６ｂは、Ｘス
テージ１の重心を通る線分上で重心から等距離の場所で
Ｘステージ１に推力を与えられるよう固定し（２点に推
力を与えるよう配置され）、Ｘリニアモータ固定コイル
部７ａおよび７ｂは、Ｙステージ２に固定される。Ｘリ
ニアモータ可動磁石部６ａとＸリニアモータ固定コイル
部７ａの組み合せと、Ｘリニアモータ可動磁石部６ｂと
Ｘリニアモータ固定コイル部７ｂの組み合せにより、そ
れぞれがＸステージ１にＸ軸方向２０の駆動力を与える
ことが可能であり、２本のリニアモータの合力がＸステ
ージ１の重心に作用するような配置となる。また、その
推力配分を変えることにより（ステージ可動部の重心を
可動方向に押す力と配置された２点へ与える推力のバラ
ンスを変更することで）、Ｘステージ１の重心を中心に
Ｚ軸方向２２回りの回転方向の力を加えることも出来、
Ｙステージ２からＸステージ１を支持するエアベアリン
グの隙間を変化させ、微少な範囲（マイクロラジアン）
程度、Ｘステージ１をＺ軸方向２２回りに回転すること
が出来る（重心部分に於いてＸＹ平面と交差する軸を回
転軸とする回転方向の姿勢を変更可能な駆動機構により
回転出来る）ように配置している。

【００２７】制御用位置検出器である第一の位置検出器
は、Ｘステージ反射ミラー１０ａおよび１０ｂとＸ干渉
計１４ａおよび１４ｂから構成され、Ｘステージ反射ミ
ラー１０ａおよび１０ｂとＸ干渉計１４ａおよび１４ｂ
との間に測長用のレーザ光であるＸレーザ光軸１５ａお
よび１５ｂを通し、反射ミラー１０ａおよび１０ｂとＸ
干渉計１４ａおよび１４ｂ間の距離の変移量を測定する
ことでＸステージ１の位置を測定するレーザ測長器であ
る。Ｘレーザ光軸１５ａは、Ｘ軸方向２０と平行であ
り、Ｘ干渉計１４ａが取り付けられたＹステージ２を基
準にＸステージ反射ミラー１０ａまでの距離の変化を測
定する。Ｘレーザ光軸１５ｂもＸ軸方向２０と平行であ
り、Ｘ干渉計１４ｂを取り付けたＹステージ２を基準
に、Ｘステージ反射ミラー１０ｂまでの距離の変化を測
定する。Ｘステージ反射ミラー１０ａおよび１０ｂは、
Ｘレーザ光軸１５ａおよび１５ｂを反射する点（参照点
である２点）を結ぶ線分を仮定すると、Ｘステージ可動
部の重心を通る線分であり、この線分がＸステージ可動
部の重心で２等分される関係となるよう配置する（２等
分される関係となる重心部および重心を通る線または面
であって該２等分される関係を有する点（重心部近傍の
点）を参照点とする）。このように配置することで、第
一の位置検出器であるＸステージ反射ミラー１０ａおよ
びＸ干渉計１４ａ間と、Ｘステージ反射ミラー１０ｂお
よびＸ干渉計１４ｂ間のそれぞれの位置の変化を検出す
ることにより、Ｙステージ２を基準としてＸステージ１
の重心部分のＸ軸方向２０の移動量とＸステージ１のＺ
軸方向２２回りの回転を測定出来るように配置してい
る。

【００２８】補正用位置検出器である第二の位置検出器
は、Ｘバーミラー１２とＸ干渉計１４ｃおよび１４ｄか
ら構成する。Ｘバーミラー１２とＸ干渉計１４ｃの間に
Ｘ軸方向２０に平行Ｘレーザ光軸１５ｃを通し、Ｘバー
ミラー１２とＸ干渉計１４ｄの間にＸ軸方向２０に平行
Ｘレーザ光軸１５ｄを通すことで、Ｘステージ１の位置
を検出するレーザ測長器である。Ｘ干渉計１４ｃおよび
１４ｄは、Ｘ干渉計台１８に固定する。Ｘ干渉計台１８
は、ＸＹステージ用ガイド４外に配置され、ＸＹステー
ジ外の位置を基準にＸステージ１のＸ軸方向２０の位置
を測定する。なお、Ｘ干渉計台１８とＸＹステージ用ガ
イド４との間において、不図示の除振装置によって振動
が伝達されないようになっていても良いし、Ｘ干渉計台
１８とＸＹステージ用ガイド４が一体的に設けられても
良い。Ｘレーザ光軸１５ｃおよび１５ｄがＸバーミラー
１２に当たるＺ軸方向２２の高さは等しく、またＸステ
ージ１上の被加工物搭載面（Ｘステージ１の上面）のＺ
軸方向２２の高さの位置を測定するように配置している
（搭載面を参照点とする）。

【００２９】以上のような構成とすることにより、第一
の位置検出器であるＸステージ反射ミラー１０ａおよび
１０ｂとＸ干渉計１４ａおよび１４ｂにより検出される
Ｙステージ２を基準としたＸステージ１のＸ軸方向２０
の位置およびＺ軸方向２２回りの回転は、Ｘステージ１
の重心部分の動きを見ているので重心を中心とするＸス
テージ１のＹ軸方向２１回りの回転を検出せず、駆動機
構であるリニアモータで直接駆動可能な方向のみの動き
を感度よく検出することを可能にする。

【００３０】また、第二の位置検出器は、Ｘバーミラー
１２がＸレーザ光軸１５ｃおよび１５ｄを反射する面を
ステージ外に設置したＸ干渉計１４ｃと１４ｄを基準に
Ｘステージ１の位置およびＺ軸方向２２回りの回転が検
出可能とし、位置および姿勢を検出信号として制御を行
うことで、Ｘステージ１上の被加工物を搭載する面の位
置および姿勢を制御可能である。

【００３１】なお、図１に於いて、５ａ，５ｂはＹステ
ージ用ガイド、８ａ，８ｂはＹリニアモータ可動部、９
ａ，９ｂはＹリニアモータ固定部、１１はＹステージミ
ラー、１３はＹバーミラー、１６ａ，１６ｂ，１６ｃは
Ｙレーザ測長器干渉計、１７ａ，１７ｂ，１７ｃはＹレ
ーザ測長器レーザ光軸、１９ａ，１９ｂ，１９ｃはＹ干
渉計台をそれぞれ示す。Ｙ干渉計台１９ａ〜ｃは、ＸＹ
ステージ用ガイド４外に配置され、ＸＹステージ外の位
置を基準にＸステージ１のＹ軸方向２１の位置を測定す
る。なお、Ｙ干渉計台１９ａ〜ｃとＸＹステージ用ガイ
ド４との間において、不図示の除振装置によって振動が
伝達されないようになっていても良いし、Ｙ干渉計台１
９ａ〜ｃとＸＹステージ用ガイド４が一体的に設けられ
ていても良い。

【００３２】図２は、本発明の一実施例のステージ構成
に於いてＸステージの位置および姿勢を制御する制御系
のブロック図である。

【００３３】図２に於いて、第一の制御ループ２３は、
第一の制御ループ２３ヘの指令２４（第一の指令値）に
従い、第一の位置検出手段（第一の位置検出器）２９に
より検出された重心部分の位置・姿勢３０を制御する制
御ループである。第一の制御ループ２３ヘの指令２４を
与えられた第一の制御演算手段２５は、第一の位置検出
手段２９により検出された重心部分の位置・姿勢３０の
検出値と比較演算し、駆動手段（駆動機構）２６を駆動
してステージを駆動（制御）する。移動ステージ（テー
ブル）の駆動点−重心伝達特性２８は駆動手段２６によ
り駆動される場合のステージの重心部分の位置および姿
勢の特性であり、この動きは第一の位置検出手段２９で
検出され、第一の制御演算手段２５にフィードバックさ
れる。

【００３４】第二の制御ループ３１は、ステージの位置
および姿勢の目標値（第二の指令値）３２に従い、第二
の位置検出手段（第二の位置検出器）３４で検出された
加工点の位置および姿勢３５を制御するものである。ス
テージ位置および姿勢の目標値３２を与えられた第二の
制御演算手段は、第二の位置検出手段３４で検出された
加工点（ステージ可動部の駆動方向）の位置および姿勢
３５の検出値と比較演算し、第一の制御ループ２３ヘの
指令２４を算出する。第一の制御ループ２３は、前述の
ようにこの指令２４に従い、駆動手段２６によりステー
ジの重心部分の位置および姿勢を制御するが、同時にス
テージへの推力２７により移動ステージ（テーブル）の
駆動点−加工点伝達特性３３で示される伝達特性によっ
て、ステージの第二の位置検出手段３４で検出される位
置をも変化させ、第二の位置検出手段３４で検出された
加工点における位置および姿勢３５として検出される。
検出された位置はフィードバックされ、ステージ上の加
工点（ステージ可動部）の位置および姿勢を制御する。
第二の制御ループ３１は第一の制御ループ２３と比較
し、応答周波数は制御の安定性を確保するために若干低
めとなる。しかし、第一の制御ループ２３は高い剛性を
確保しているので、第二の制御ループ３１は加工に伴う
ステージの目標位置の変化に追従することに必要な応答
周波数が確保すれば良い。

【００３５】図３は、本実施例に係るＸＹステージを使
用した加工装置の概略図である。Ｚステージ３８は、門
型フレーム３７ａ，３７ｂ，３７ｃに沿ってＺ軸方向２
３に移動する。Ｘステージ１上には被加工物４１が搭載
され、Ｚステージ３８にはＹ軸方向２１回りに高速で回
転するＢスピンドル３９が搭載され、Ｂスピンドル３９
には加工工具４０が取り付けられ、Ｂスピンドル３９に
より回転する。Ｚステージ３８と共に加工工具４０はＺ
軸方向２２に、またＸステージ１およびＹステージ２と
共に被加工物４１はＸ軸２０およびＹ軸２１方向に移動
し、この両者が接触する加工点で被加工物４１を加工す
る。Ｘステージ１、Ｙステージ２およびＺステージ３８
の位置は定盤３６を基準に計測され、被加工物４１と加
工工具４０の相対位置を制御することで加工点を変更
し、被加工物４１を加工する。

【００３６】以上のような構成の移動ステージとするこ
とで、加工時に被加工物４１をＸステージ１上の被加工
物搭載面に搭載した場合に、Ｚステージ３８上に搭載し
た加工工具４０との相対位置を制御し、加工工具４０を
被加工物４１上の加工点に精度よく接触させる制御が可
能となる。また、図２で示したような第一の制御ループ
２３を図１のＸステージ１の構成で制御した場合には、
この第一の制御ループ２３にはＸステージ１が駆動機構
により駆動される方向であるＸ軸方向２０とＺ軸方向２
２回りの方向以外のＸステージ１の動き（例えば、Ｘス
テージ１のピッチング方向の回転）やＹステージ用ガイ
ド４（図１）の剛性不足によるＹステージ用ガイド４部
分の共振による影響を第一の制御ループ２３が受けな
い。よって、加工機が必要とされる高い周波数応答を有
するステージ制御装置とすることが出来る。また、第二
の制御ループ３１（図２）では、精度よく定盤基準でＸ
ステージ１のＸ軸方向２０の位置およびＺ軸方向２２回
りの回転を制御可能とすることが出来るので、図３で示
したような加工装置に於いて、加工工具４０と被加工物
４１の相対位置を定盤基準で計測制御することが可能と
なり、精密な加工を行うことが出来る。

【００３７】［実施例２］図４は、本発明の一実施例に
係る移動ステージ機構を示す斜視図である。Ｘステージ
１（構成を見やすくするためにＸステージ１は透明の物
として図示している）は、エアベアリングによりＺ軸方
向２２が支持される。エアベアリングはエアパッド４３
ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄの４ヶ所からＸステージ１
の下方向（Ｚ軸方向２２のマイナス方向）に圧力をかけ
た空気を噴出し、ＸＹステージ用ガイド４とエアパッド
４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄとの間の空気層を圧縮
する力でエアパッド４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３ｄと
ＸＹステージ用ガイド４が直接接触せず、自由にＸ軸方
向２０とＹ軸方向２１に移動可能である。

【００３８】駆動機構であるＰＺＴ４２ａ，４２ｂ，４
２ｃ，４２ｄはエアベアリングのエアパッド４３ａ，４
３ｂ，４３ｃ，４３ｄとＸステージ１との間を連絡して
おり、ＰＺＴ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄをＺ軸方
向２２に伸縮することで、Ｘステージ１をＺ軸方向２２
に移動する。ＰＺＴ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは
Ｚ軸方向２２には同じ高さで、またＸ軸方向２０の位置
はＰＺＴ４２ａとＰＺＴ４２ｂとの組み合せと、ＰＺＴ
４２ｄとＰＺＴ４２ｃとのそれぞれの組み合わせで等し
くなるようにそれぞれ配置し、Ｙ軸方向２１の位置はＰ
ＺＴ４２ａとＰＺＴ４２ｄの組み合わせと、ＰＺＴ４２
ｂとＰＺＴ４２ｃとのそれぞれの組み合せが等しくなる
ようにＰＺＴ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄをＸ−Ｙ
平面上でＸステージ１の重心から等距離に配置する。こ
のような配置とすることで、Ｘステージ１の重心をＰＺ
Ｔ４２ａとＰＺＴ４２ｂの伸縮量の平均と、ＰＺＴ４２
ｃとＰＺＴ４２ｄの伸縮量の平均との差を変化させるこ
とで、Ｘステージ１をピッチング（Ｙ軸方向２１回りの
回転）方向に駆動し、ＰＺＴ４２ａとＰＺＴ４２ｄの伸
縮量の平均と、ＰＺＴ４２ｂとＰＺＴ４２ｃの伸縮量の
平均との差を変化させることで、Ｘステージ１をローリ
ング（Ｘ軸方向２０回りの回転）方向に駆動する。

【００３９】第一の位置検出器であるＡＤＥ（静電容量
型位置検出器（センサ））４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４
４ｄは、Ｘステージ１のＸＹステージ用ガイド４との距
離を検出する。ＡＤＥ４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ
はＺ軸方向２２に同じ高さであり、Ｘ軸方向２０の位置
がＡＤＥ４４ａとＡＤＥ４４ｂ、ＡＤＥ４４ｃとＡＤＥ
４４ｄのそれぞれの組み合わせで等しくなるようにそれ
ぞれ配置する。Ｙ軸方向２１の位置はＡＤＥ４４ａとＡ
ＤＥ４４ｄ、ＡＤＥ４４ｂとＡＤＥ４４ｃのそれぞれの
組み合せで等しくなるようにし、ＡＤＥ４４ａ，４４
ｂ，４４ｃ，４４ｄをＸ−Ｙ平面上でＸステージ１の重
心から等距離に配置する。このような配置とすること
で、Ｘステージ１の重心の位置を４個のＡＤＥ４４ａ，
４４ｂ，４４ｃ，４４ｄの検出する値の平均により、ま
たＡＤＥ４４ａとＡＤＥ４４ｂの平均とＡＤＥ４４ｃと
ＡＤＥ４４ｄの平均との出力の差により、Ｘステージ１
の重心位置のピッチング（Ｙ軸方向２１回りの回転）と
して検出する。また、ＡＤＥ４４ａとＡＤＥ４４ｄの平
均とＡＤＥ４４ｂとＡＤＥ４４ｃの平均との出力の差に
より、Ｘステージ１のローリング（Ｘ軸方向２０回りの
回転）として検出する。

【００４０】第二の位置検出器であるレーザ測長器は、
Ｘバーミラー１２とＸピッチング用干渉計４５から構成
され、Ｘバーミラー１２とＸピッチング用干渉計４５の
間を通すＸ軸方向２０に平行でＺ軸方向２２の高さが異
なるＸピッチング用レーザ光軸４６ａと４６ｂとの長さ
の変化から、Ｘステージ１のピッチング（Ｙ軸方向２１
回りの回転）を検出する。また、Ｙバーミラー１３とＹ
ピッチング用干渉計４７との間を通すＹ軸方向２１に平
行でＺ軸方向２２の高さが異なるＹピッチング用レーザ
光軸４８ａと４８ｂとの長さの変化から、Ｘステージ１
のローリング（Ｘ軸方向２０回りの回転）を検出する。

【００４１】このように配置したステージ機構とし、ピ
ッチングとローリングをそれぞれ独立して制御する際に
は、第一の位置検出器では駆動方向以外のＸステージ１
の動きが検出されないので、高い周波数応答でピッチン
グとローリングを制御可能となる。

【００４２】また、第一の検出手段（第一の位置検出器
等）ではＸＹステージ用ガイド４を基準に計測（Ｙステ
ージ上の点を基準点としてＸステージ１の位置を検出）
するので、ＸＹステージ用ガイド４の製作精度を原因と
するステージのピッチングおよびローリングの誤差を生
じるが、第二の検出手段（補正用位置検出器を含む第二
の位置検出器等）によりＸ軸方向２０の被加工物搭載面
の位置で定盤を基準にピッチングおよびローリングを検
出（ＸＹステージ外の点を基準点としてＸステージの位
置を検出）して制御するので、被加工物の搭載面がピッ
チング、ローリング方向に傾かないように、傾きゼロを
目標値として制御することが出来る。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い精度を持つレーザ測長器やＡＤＥを用いた計測手段
で、重心部分を駆動方向に駆動可能な駆動機構と重心部
分を参照点とする駆動方向のみの動きを検出する第一の
位置検出器を持つことで、ステージの他の方向の動きや
共振の影響を受けない位置の検出を行うことが可能とな
り、高い応答性を確保した制御装置および／または制御
方法とすることが出来る。更に、第二の位置検出器にも
高い精度を持つレーザ測長器を用い、より精度が必要と
される被加工物または加工工具の搭載面の位置を測定し
制御することで、ステージを精度よく移動することが可
能であり、ステージを高精度に高い剛性を持つことが可
能な移動ステージ機構とすることが出来る。

【００４４】また、第一の位置検出器で検出した位置を
フィードバックする第一の制御ループを設け、第二の位
置検出器で検出した位置をフィードバックする第二の制
御ループを設けることにより、高い応答周波数とするこ
とが可能な第一の制御ループで高い剛性のステージと
し、第二の制御ループで精度が必要とされる被加工物ま
たは加工工具の搭載面の位置をフィードバック制御する
ことが可能な制御装置および／または制御方法とするこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る移動ステージ機構を
示す斜視図である。

【図２】 本発明の一実施例に係るステージ構成におい
てＸステージの位置および姿勢を制御する制御系のブロ
ック図である。

【図３】 本発明の一実施例に係るＸＹステージを使用
した加工装置の概略図である。

【図４】 実施例２に係る移動ステージ機構を示す斜視
図である。

【図５】 従来例に係る移動ステージ機構を示す斜視図
である。

【図６】 従来例に係るステージ構成においてＸステー
ジの位置および姿勢を制御する制御系のブロック図であ
る。

【符号の説明】

１，７１：Ｘステージ、２，７２：Ｙステージ、３，７
３：Ｘステージ用ガイド、４，７４：ＸＹステージ用ガ
イド、５ａ，５ｂ，７５ａ，７５ｂ：Ｙステージ用ガイ
ド、６ａ，６ｂ，７６ａ，７６ｂ：Ｘリニアモータ可動
部（磁石）、７ａ，７ｂ，７７ａ，７７ｂ：Ｘリニアモ
ータ固定部（コイル）、８ａ，８ｂ，７８ａ，７８ｂ：
Ｙリニアモータ可動部（磁石）、９ａ，９ｂ，７９ａ，
７９ｂ：Ｙリニアモータ固定部（コイル）、１０ａ，１
０ｂ：Ｘステージミラー、１１：Ｙステージミラー、１
２，８２：Ｘバーミラー、１３，８３：Ｙバーミラー、
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，８４ｃ，８４ｄ：Ｘ
レーザ測長器干渉計、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５
ｄ，８５ｃ，８５ｄ：Ｘレーザ測長器レーザ光軸、１６
ａ，１６ｂ，１６ｃ，８６：Ｙレーザ測長器干渉計、１
７ａ，１７ｂ，１７ｃ，８７：Ｙレーザ測長器レーザ光
軸、１８，８８：Ｘ干渉計台、１９ａ，１９ｂ，１９
ｃ，８９：Ｙ干渉計台、２０：Ｘ軸方向、２１：Ｙ軸方
向、２２：Ｚ軸方向、２３：第一の制御ループ、２４：
第一の制御ループヘの指令、２５：第一の制御演算手
段、２６，９２：駆動手段（駆動機構）、２７：ステー
ジヘの推力、２８：移動テーブルのメカ特性１、２９：
第一の位置検出手段（第一の位置検出器）、３０：第一
の位置検出手段で検出された重心位置の位置・姿勢、３
１：第二の制御ループ、３２，９６：ステージの位置お
よび姿勢の目標値、３３：移動テーブルのメカ特性２、
３４：第二の位置検出手段（第二の位置検出器）、３
５，９７：第二の位置検出手段で検出された加工点の位
置・姿勢、３６：定盤、３７ａ，３７ｂ，３７ｃ：門型
フレーム、３８：Ｚステージ、３９：スピンドル、４
０：加工工具、４１：被加工物、４２ａ，４２ｂ，４２
ｃ，４２ｄ：ＰＺＴ、４３ａ，４３ｂ，４３ｃ，４３
ｄ：エアパッド、４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ：Ａ
ＤＥ（静電容量型変移測定器）、４５：Ｘピッチング測
長用レーザ測長器干渉計、４６ａ，４６ｂ：Ｘピッチン
グ測長用レーザ測長器レーザ光軸、４７：Ｙピッチング
測長用レーザ測長器干渉計、４８ａ，４８ｂ：Ｙピッチ
ング測長用レーザ測長器レーザ光軸、９８：制御ルー
プ、９１：制御演算手段、９３：移動テーブルメカ特
性、９４：位置検出手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F078 CA08 CB02 CB05 CB09 CB12 CB16 CC07 CC11 3C029 AA31 AA40 EE02 5H303 AA01 BB02 BB09 BB12 BB17 CC01 CC04 DD04 DD10 FF04 FF09 FF20 GG13 GG20 HH01 KK02 QQ06

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動可能なステージ可動部と、 前記ステージ可動部を可動方向に駆動させる駆動機構
   と、 前記ステージ可動部の重心部および重心部近傍の範囲に
   おける点を参照点とし、前記駆動機構による該ステージ
   可動部の駆動方向の移動量を検出するよう配置された第
   一の位置検出器と、 前記ステージ可動部の移動量を検出するよう配置された
   第二の位置検出器である補正用位置検出器とを備え、 前記第一および第二の位置検出器により検出される前記
   ステージ可動部と一体で移動する該ステージ可動部上の
   複数の異なる点の位置を基に、前記駆動機構により該ス
   テージ可動部の位置制御を行う機構を有することを特徴
   とする移動ステージ機構。
2. 【請求項２】 移動可能なステージ可動部と、 前記ステージ可動部の可動方向以外の動きを拘束するエ
   アベアリングと、 一軸方向に推進力を発生させる機構の推進力が前記ステ
   ージ可動部の可動方向と同一方向となるように配置され
   た該ステージ可動部を駆動する機構であって、前記ステ
   ージ可動部の重心を通る線分上であり、該重心から等距
   離の２点を押すように配置され、前記ステージ可動部の
   重心を前記可動方向に押す力と該２点へ与える推力のバ
   ランスを変更することにより、前記エアベアリングによ
   る拘束の軸受け隙間の範囲内で前記ステージ可動部の重
   心部分における前記可動方向と交差する軸を回転軸とす
   る回転方向の姿勢を変更できる駆動機構と、 前記駆動機構の押す２点が結ぶ線上の点であり、前記ス
   テージ可動部の重心から等距離の２点を参照点とし、前
   記ステージ可動部の可動方向の動きと該参照点の位置変
   化を測定することにより、前記駆動機構による該ステー
   ジ可動部の前記可動方向および前記回転方向の移動量を
   検出するように配置された第一の位置検出器と、 前記ステージ可動部の移動量と姿勢を検出するように配
   置された第二の位置検出器である補正用位置検出器とを
   備え、 前記第一および第二の位置検出器により検出される前記
   ステージ可動部と一体で移動する該ステージ可動部上の
   複数の異なる点の位置を基に、前記駆動機構により該ス
   テージ可動部の位置制御を行う機構を有することを特徴
   とする移動ステージ機構。
3. 【請求項３】 前記第一の位置検出器は、前記ステージ
   可動部を制御するために位置を検出する制御用位置検出
   器であることを特徴とする請求項１または２に記載の移
   動ステージ機構。
4. 【請求項４】 前記参照点は、前記ステージ可動部にお
   ける少なくとも被加工物および加工工具のいずれかを搭
   載する面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   かに記載の移動ステージ機構。
5. 【請求項５】 前記第一および第二の位置検出器は、前
   記ステージ可動部と一体で移動する該ステージ可動部上
   の点および／または面を参照点とし、該ステージ可動部
   外の位置を基準点として該参照点と該基準点との間の相
   対位置を検出するものであることを特徴とする請求項１
   〜４のいずれかに記載の移動ステージ機構。
6. 【請求項６】 直交２軸のＸＹステージにおけるＹステ
   ージに搭載されたＸステージがＸＹ平面を駆動する該Ｘ
   Ｙステージの前記移動ステージ機構であって、前記第一
   の位置検出器が前記Ｙステージ上の点を基準点として前
   記Ｘステージの位置を検出する制御用位置検出器と、前
   記第二の位置検出器が前記ＸＹステージ外の点を基準点
   として前記Ｘステージの位置を検出する補正用位置検出
   器とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか
   に記載の移動ステージ機構。
7. 【請求項７】 前記第一の位置検出器と第二の位置検出
   器とが共にレーザ測長器を用いることを特徴とする請求
   項１〜６のいずれかに記載の移動ステージ機構。
8. 【請求項８】 前記第一の位置検出器が静電容量型位置
   センサを用い、前記第二の位置検出器がレーザ測長器を
   用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載
   の移動ステージ機構。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれかに記載の移動ス
   テージ機構であって、前記ステージ可動部の第一の指令
   値である位置および姿勢の値を目標値とし、前記第一の
   位置検出器で検出された前記ステージ可動部の駆動方向
   の位置および姿勢の検出値をフィードバック信号として
   前記駆動機構を用いて前記ステージ可動部の位置および
   姿勢を制御する第一の制御ループと、 前記ステージ可動部の第二の指令値である位置および姿
   勢の値とを目標値とし、前記第二の位置検出器で検出さ
   れた前記ステージ可動部の駆動方向の位置および姿勢の
   検出値をフィードバック信号として前記第一の制御ルー
   プに対する第一の指令値を算出し、前記ステージ可動部
   の位置および姿勢を制御する第二の制御ループとを有す
   ることを特徴とする移動ステージ機構の制御方法。
10. 【請求項１０】 前記第二の制御ループは、前記第一の
    制御ループの応答周波数と比較して低い応答周波数であ
    ることを特徴とする請求項９に記載の移動ステージ機構
    の制御方法。
11. 【請求項１１】 請求項１〜８のいずれかに記載の移動
    ステージ機構であって、前記ステージ可動部の第一の指
    令値である位置および姿勢の値を目標値とし、前記第一
    の位置検出器で検出された前記ステージ可動部の駆動方
    向の位置および姿勢の検出値をフィードバック信号とし
    て前記駆動機構を用いて前記ステージ可動部の位置およ
    び姿勢を制御する第一の制御ループと、 前記ステージ可動部の第二の指令値である位置および姿
    勢の値とを目標値とし、前記第二の位置検出器で検出さ
    れた前記ステージ可動部の駆動方向の位置および姿勢の
    検出値をフィードバック信号として前記第一の制御ルー
    プに対する第一の指令値を算出し、前記ステージ可動部
    の位置および姿勢を制御する第二の制御ループとを有す
    ることを特徴とする移動ステージ機構の制御装置。
12. 【請求項１２】 前記第二の制御ループは、前記第一の
    制御ループの応答周波数と比較して低い応答周波数であ
    ることを特徴とする請求項１１に記載の移動ステージ機
    構の制御装置。
13. 【請求項１３】 請求項１〜８のいずれかに記載の移動
    ステージ機構を備えることを特徴とする加工装置。
14. 【請求項１４】 請求項９または１０に記載の移動ステ
    ージ機構の制御方法を用いて加工を行うことを特徴とす
    る加工装置。
15. 【請求項１５】 請求項１１または１２に記載の移動ス
    テージ機構の制御装置を備えて加工を行うことを特徴と
    する加工装置。