JP2005128783A - ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続運転を行った場合でもガイドレールに対するビームの直交度を設定された所定範囲内に維持できる機能を備えたステージ装置を提供する。
【解決手段】定盤上１に、２つの移動体４，５をそれぞれ一軸方向にスライド可能とするリニアモータによる２つの駆動源が備えられ、２つの移動体４，５の少なくとも一方は一軸方向に延びるガイド部材で案内され、これら２つの移動体４，５の間にガイド部材に直交するように架け渡されて２つの移動体４，５と共に移動可能にされたビーム６を備え、更に２つの移動体４，５のそれぞれの位置を検出するための２つの位置センサと、２つの移動体のそれぞれの原点位置を規定するための２つの原点センサと、２つの駆動源を制御して２つの移動体の位置制御を行うための制御装置とを備え、本制御装置は、２つの駆動源を個別に制御してビーム体６を定盤に垂直なヨー回転軸に関して回転させるヨー軸回転制御機能を有している。
【選択図】 図６

Description

本発明はステージ装置に関し、特に、定盤上において２つの移動体をそれぞれ一軸方向にスライド可能とするリニアモータによる２つの駆動源が備えられ、２つの移動体の少なくとも一方は一軸方向に延びるガイド部材で案内され、これら２つの移動体の間にガイド部材に直交するように架け渡されて２つの移動体と共に移動可能にされたビームを備えたステージ装置に関する。

この種のステージ装置の一例を図６を参照して説明する。図６において、定盤１上には２本のガイドレール２及び３が所定の間隔をおいて互いに平行に配設されており、ガイドレール２及び３にはそれぞれ移動体４及び５が配置されている。ここで、ガイドレール２及び移動体４に着目すると、図６（ｂ）に示すように、移動体４には静圧軸受パッド１２が備えられ、ガイドレール２と移動体４との間に介在している。移動体４にはまた、静圧軸受パッド１３が備えられ、定盤１と移動体４との間に介在している。これにより、移動体４は図６（ａ）に示すＹ軸方向、すなわち、ガイドレール２に沿って移動可能である。

同様に、移動体５にも静圧軸受パッド１２及び１３が備えられ、移動体５はガイドレール３に沿って移動可能となっている。

ビーム６は、その一端が移動体４とリジット（例えば、ネジを用いて）に固定され、他端は移動体５と板バネ構造８によって連結されている。これにより、ビーム６は移動体４、５と共にＹ軸方向に移動可能である。

ビーム６には移動体（可動部）１４が配置され、移動体１４はビーム６をガイドとして、図６（ａ）のＸ軸方向に移動可能である。定盤１と移動体１４との間には静圧軸受パッド１４ａ〜１４ｃが配置されている。つまり、移動体１４には静圧軸受パッド１４ａ〜１４ｃが取り付けられており、移動体１４は静圧軸受パッド１４ａ〜１４ｃによって定盤１に対してＺ軸方向にガイドされて、Ｘ軸方向に移動可能である。

ビーム６の中央部において、その下面には静圧軸受パッド１５が取り付けられ、定盤１とビーム６との間に介在している。そして、静圧軸受パッド１５によって、ビーム６が支えられている。つまり、静圧軸受パッド１５は、移動体１４の移動を妨げることなく、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の全ストロークに亘ってビーム６と共に移動しつつビーム６の自重を支えており、ビーム６と移動体５の締結部等に無理な負荷をかけないようにビーム６を支持している（例えば、特許文献１参照）。

ところで、移動体４、５、１４の駆動源としては、通常、リニアモータが用いられている。例えば、ガイドレール２とビーム６との間、ガイドレール３とビーム６との間にそれぞれ移動体４、５を可動部として含むリニアモータが構成され、ビーム６と移動体１４との間に移動体１４が可動部となるようにリニアモータが構成される。

リニアモータとして可動コイル型のものを用いる場合、例えば、ガイドレール２とビーム６との間に構成されるリニアモータについて説明すると以下のようになる。ガイドレール２に沿って定間隔で複数の永久磁石が配列される。これら複数の永久磁石にギャップをおいて異磁極が対向し合うように複数の永久磁石が配列される。そして、上記ギャップには移動体４に連結された可動コイルが移動体４と共に移動可能に配置される。

このようなステージ装置では、上記の構成の他に、移動体４、５、１４の位置制御のために、各リニアモータにはリニアスケールとリニアセンサとの組み合わせによる位置センサが備えられる。そして、移動体４、５用のリニアモータに対しては同期制御が行われる（例えば、特許文献２参照）。

このようなステージ装置では、移動体１４上に、被加工部材等を載せるためのテーブルが搭載され、被加工部材を高精度で位置決めするような駆動制御が実行される。

ところで、このようなステージ装置においては、ビーム６をガイドレール２、３に直交させる必要がある。これまでのステージ装置においては、ビーム６が、ある基準位置、例えばガイド２、３の一方の端部寄りに設定されている原点位置にある時の機械精度にならった直交度を基準とし、以後、移動体４、５に位置ずれが生じた場合には、移動体４、５を個別に位置制御することで、上記の機械精度にならった直交度を維持するようにしている。

しかしながら、この種のステージ装置は、連続運転を行うとリニアモータからの発熱作用により各部材、特にビーム６とその周辺の部材が変形し、ガイドレール２、３に対するビーム６の直交度が上記所定の範囲から外れてしまうことがある。つまり、これまでのステージ装置では、連続運転によりステージ装置における各部材に温度上昇が発生し、これによって直交度が変化すると、ガイドレール２、３に対するビーム６の直交度を設定された所定範囲内に維持できないという問題があった。
特開２０００−３５６６９３号公報 特開２０００−１５５１８６号公報

そこで、本発明の課題は、連続運転を行った場合でもガイドレールに対するビームの直交度を設定された所定範囲内に維持できる機能を備えたステージ装置を提供することにある。

本発明は、２つの移動体をそれぞれＸ方向にスライド可能とする２つの駆動源が備えられ、２つの移動体の少なくとも一方は前記Ｘ方向に延びるガイド部材で案内され、これら２つの移動体の間に前記ガイド部材に直交するように架け渡されて２つの移動体と共に移動可能にされたビームを備えたステージ装置において、前記２つの移動体のそれぞれの位置を検出するための２つの位置センサと、前記２つの移動体のそれぞれの原点位置を規定するための２つの原点センサと、前記２つの位置センサ、２つの原点センサからの検出信号を受け、前記２つの駆動源を制御して前記２つの移動体の位置制御を行うための制御装置とを備え、前記制御装置は、前記２つの駆動源を個別に制御して前記ビーム体を前記Ｘ方向と鉛直なヨー回転軸に関して回転させるヨー軸回転制御機能をも有していることにより、該ステージ装置の起動時に前記ビーム体の直交度が変化した場合においても前記ビーム体は前記ガイド部材に対して所定範囲内の直交度を維持するようにされていることを特徴とする。

本発明によるステージ装置においては、前記ヨー軸回転制御機能は前記制御装置に内蔵されたヨー軸回転制御プログラムにより実行され、該ヨー軸回転制御プログラムに初期値データを与えるために、該ステージ装置が停止した状態であらかじめ前記ビーム体の直交度を測定して、得られた直交度に基づいて前記ビーム体を前記所定範囲内の直交度にするために必要な修正値Δｙ１を目標値として前記記憶装置に記憶させ、前記ヨー軸回転制御プログラムは、該ステージ装置の起動時に前記ビーム体の直交度が変化した状態で前記２つの移動体を前記２つの原点センサで検出される位置まで駆動し、その時に前記２つの位置センサで得られた２つの座標データの差Δｙ３を算出するステップと、前記修正値Δｙ１と前記差Δｙ３とを用いて（Δｙ１−Δｙ３）分だけ前記ビーム体を前記ヨー回転軸に関して回転させるステップとを実行する。

本発明によるステージ装置においてはまた、前記ヨー軸回転制御プログラムに初期値データを与えるために更に、該ステージ装置がありのままの状態に置かれている状態で前記移動体を前記２つの原点センサで検出される位置まで駆動し、その時に前記２つの位置センサで得られた２つの座標データの差Δｙ０を算出して前記制御装置内の記憶装置に記憶させ、前記修正値Δｙ１は前記差Δｙ０に基づいて決定される。

本発明によるステージ装置においては、連続運転に起因した、例えば温度上昇によるビーム等の変形が生じたとしても、ガイド部材に対するビームの直交度を常に所定の範囲内に維持することができるので、被加工部材を高精度で位置決めすることができる。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。本発明の要旨は、ステージ装置を連続運転した後、再度、起動した時でも、ガイドレールに対するビームの直交度を設定された所定範囲内に維持できるようにした点にある。従って、本発明は、定盤上において２つの移動体をそれぞれ一軸方向（Ｘ方向）にスライド可能とするリニアモータによる２つの駆動源が備えられ、２つの移動体の少なくとも一方は一軸方向に延びるガイド部材で案内され、これら２つの移動体の間にガイド部材に直交するように架け渡されて２つの移動体と共に移動可能にされたビームを備えたステージ装置に適用可能である。勿論、２つの移動体がそれぞれ一軸方向に延びる２つのガイド部材で案内される構成のステージ装置にも適用可能である。つまり、本発明は、特許文献１に開示された図６で説明したようなステージ装置は勿論、特許文献２に開示されステージ装置にも適用され得る。なお、本発明において直交度に関して問題となるビームの変形というのは、定盤の上面に対して平行な変形量である。

このため、以下の実施の形態では、以下の点を前提条件として説明を行う。

本実施の形態は図６で説明したようなステージ装置に適用される。勿論、各移動体の駆動源としてはリニアモータが使用され、これらのリニアモータは、前述したようなリニアスケールとリニアセンサとの組み合わせによる位置センサからの位置検出値をフィードバック値として用い、位置指令値との間の偏差に基づいて位置制御を行う制御装置により個別に制御可能にされている。特に、図６に示された移動体４、５を個別に位置制御可能であるということは、制御装置はビーム６のヨー軸回転制御が可能であることを意味する。ヨー軸回転制御というのは、ビーム６をその中心軸（Ｘ軸あるいは定盤１の上面に鉛直なＺ軸方向の中心軸）に関して微小角度だけ回転可能とするための制御である。以下ではこの中心軸をヨー中心軸、これを中心とする回転をヨー軸回転と呼ぶ。２つのリニアスケール間の距離は、全長にわたって一定であるものとする。

以下では、一方のリニアモータをＹ１リニアモータ、そこに設けられているリニアスケールをＹ１スケール、他方のリニアモータをＹ２リニアモータ、そこに設けられているリニアスケールをＹ２スケールと呼ぶ。

また、図６に示されたガイドレール２、３の一端側寄りにはそれぞれ、移動体４、５の原点位置を設定、検出するための原点センサ（図６にＯＳ１、ＯＳ２で示す）が設けられる。原点センサＯＳ１、ＯＳ２は、移動体４、５の一部がそこに到達したことを検出するものであり、後述されるように光学式、磁気式等のセンサが用いられる。後で明らかになるように、磁気式センサは、光学式センサに比べてより高い検出精度が得られる。なお、光学式センサの場合、原点センサＯＳ１、ＯＳ２における光路を遮断するための遮断部材が移動体４、５のそれぞれに設けられる。図６に遮断部材をＳＳ１、ＳＳ２で示す。磁気式センサの場合も被検出部材を磁気的に検出することを除けば、配置関係は同じと考えて良い。つまり、ＳＳ１、ＳＳ２として被検出部材が設置される。

前述した本発明の要旨である直交度を維持するための制御動作について図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本発明が適用されたステージ装置を出荷する前に行われる、直交度を合わせるための作業を説明するための図である。つまり、ステージ装置の出荷前に、初期状態のデータを収得するための作業が実行される。勿論、この作業はステージ装置に備えられた制御装置を介して実行される。

図１において、Ｙ１リニアモータ側の移動体の位置がＹ１スケールで検出され、Ｙ２リニアモータ側の移動体の位置がＹ２スケールで検出される。この場合、ビーム６はそのヨー中心軸の位置がＹ軸並進座標で表され、その値はＹ１スケールによる座標データｙ１とＹ２スケールによる座標データｙ２との平均値（ｙ１＋ｙ２）／２である。

（１）直交度が合っている状態、すなわち直角原器を用いてガイドレール２、３に対してビーム６を機械的に直交させることで組立て精度が確保されている状態でのデータ収得
１−ａ．準備
ステージ装置が素のまま（ビーム６を機械的に直交させる前の状態）の精度でＹ１リニアモータ、Ｙ２リニアモータを起動させ、ビーム６が原点センサＯＳ１、ＯＳ２で検出される位置に到達した時のＹ１スケール、Ｙ２スケールの原点の座標データｙ１０、ｙ２０を収得する。そして、これらの座標データｙ１０、ｙ２０の差Δｙ０（＝ｙ１０−ｙ２０）が計算され、パラメータΔｙ０として制御装置内の記憶装置に保存される。このパラメータΔｙ０は、大部分が原点センサＯＳ１、ＯＳ２の設置誤差、つまり原点センサＯＳ１、ＯＳ２を結ぶ線分が必ずしもガイドレール２、３に直交していないことによる誤差成分を含む。従って、この準備作業では、原点位置の幾何学的位置データが収得されることを意味する。

１−ｂ．パラメータΔｙ０の修正
直角原器を用いて直交度を測定する。求めた直交度に応じてΔｙ０に対して加減すべき値を求め、パラメータΔｙ０の値を修正する。そして、修正した値を修正パラメータΔｙ１として決定する。この修正パラメータΔｙ１は、以降で説明される（３）項において直交度を合わせ込む際の基準値（目標値）となる。この時、直交度は直角原器と計測精度の誤差を考慮して、［（直角原器と計測精度の誤差）±０．２度］の精度に入るようにされている。ここで、直交度の精度評価は、Ｙ１スケールとＹ２スケール間の距離が一定であるので、角度で行うものとする。上記パラメータΔｙ１は、以後、初期値データとして使用される。

以降の作業はステージ装置の設置現場で実際の使用状態で行われ、以下に説明するヨー軸回転制御動作は制御装置により実行される。このために、制御装置には、ヨー軸回転制御動作用のプログラムがあらかじめ格納されている。

（２）メカリセット時のデータ収得
ステージ装置の連続運転後、メカリセット（起動）を行う際、図２に示すように、発熱等に起因して直交度が変化した状態で仮に制御を立ち上げる。前述同様、Ｙ１リニアモータ、Ｙ２リニアモータを起動させ、ビーム６が原点センサＯＳ１、ＯＳ２で検出される位置に到達した時のＹ１スケール、Ｙ２スケールの原点の座標データｙ１３、ｙ２３を収得する。そして、これらの座標データｙ１３、ｙ２３の差Δｙ３（＝ｙ１３−ｙ２３）が計算される。

（３）ヨー軸回転制御による直交度の合わせ込み
ヨー軸回転制御により直交度を合わせ込むために必要な値は、上記（１）項の１−ｂで決定された修正パラメータΔｙ１が合わせるべき基準値（目標値）である。

つまり、図３を参照して、差（Δｙ１−Δｙ３）は、直交度が合っている状態からの回転方向（ヨー軸回転方向）のずれであるので、差（Δｙ１−Δｙ３）の値分だけヨー軸を中心にビーム６を回転させる。勿論、回転方向は直交度のずれを修正する方向である。なお、本形態では、ヨー軸回転制御における回転角度の許容限界値を１１秒としている。これは、ビーム６を１１秒だけ回転させる時、必要な推力がリニアモータの定格推力の１０％となることを想定した値である。

（４）確認作業
再度、上記（２）の工程を実行し、メカリセット（起動）後の原点の差Δｙ４を求め、基準値（目標値）からのずれ（Δｙ１−Δｙ４）の値が許容値（±０．５秒）以下であることを確認する。つまり、（Δｙ１−Δｙ４）≦０±０．５秒であることを確認する。これが確認されれば、所定範囲内の直交度に合わせ込まれたことを意味する。なお、Δｙ４＝ｙ１４−ｙ２４であり、ｙ１４、ｙ２４はそれぞれ、ビーム６が原点センサＯＳ１、ＯＳ２で検出される位置に到達した時のＹ１スケール、Ｙ２スケールの原点の座標データである。

万一、（Δｙ１−Δｙ４）の値が許容値（±０．５秒）を上回る場合には、上記（３）、（４）の工程を繰り返す。

本形態では特に、ステージ装置の電源をオフにするとビーム６が自動的に所定位置（例えば、ガイドレールの中央部）に戻るようにされており、上記メカリセット時には、この既知の所定位置から原点センサＯＳ１、ＯＳ２で検出される位置まで戻る原点サーチ動作が開始される。そして、原点センサＯＳ１、ＯＳ２で検出される位置から所定距離手前の位置まではビーム６を高速で移動させ、以後、原点センサＯＳ１、ＯＳ２で検出される位置に到達するまで微速で移動させるようにしている。これにより、原点センサＯＳ１、ＯＳ２への到達精度を高め、Ｙ１スケール、Ｙ２スケールから得られる座標データの精度を高めるようにしている。

次に、原点センサＯＳ１、ＯＳ２に光学式センサ、及びこれより高精度の磁気式センサを用いた場合の直交度の精度について比較説明を行う。

原点センサが２つ設置される場合、ヨー原点の精度、つまりビーム６の直交度の精度は、原点センサの測定精度及び２つの原点センサを結ぶ線分がガイド部材に直交していないことによる相対位置のばらつきにより決定される。

光学式センサを使用した場合、図４に示すように、その繰り返し位置再現性を±１μｍとし、光学式センサ動作後のリニアスケールによる読取り時間遅れに起因するビーム６の変位量を±１μｍとすると、ヨー原点精度は合計±３μｍのばらつきを持つこととなる。±３μｍのばらつきは、ビーム６の延在長を１０８０ｍｍとすると、角度に変換した場合ｔａｎ^-1（３μｍ／１０８０ｍｍ）となり、約±０．５７秒となる。これは、上記した所定範囲内の直交度±０．５秒をわずかに上回るものの、ほぼ満足し得る値である。

一方、磁気式センサを用いた場合、図５に示すように、その繰り返し位置再現性を±０．１μｍとし、磁気式センサ動作後のリニアスケールによる読取り時間遅れに起因するビーム６の変位量を±１μｍとすると、ヨー原点精度は合計±１．２μｍのばらつきを持つこととなる。±１．２μｍのばらつきは、ビーム６の延在長を１０８０ｍｍとすると、角度に変換した場合ｔａｎ^-1（１．２μｍ／１０８０ｍｍ）となり、約±０．２３秒となる。これは、上記した所定範囲内の直交度±０．５秒を大きく下回っている。

次に、定盤１上の温度が変化した場合にヨー原点の精度に与える影響について説明する。光学式センサについて言えば、温度が２５℃から５５℃に変化した場合、つまり３０℃の温度上昇により検出位置が２０μｍ変化するものが提供されている。この場合、０．６７μｍ／１℃である。しかしながら、２つの光学式センサの温度変化が同じである場合、上記の変化は無視できる。仮に、２つの光学式センサの温度変化に１℃の差があった場合には、ｔａｎ^-1（０．６７μｍ／１０８０ｍｍ）となり、約±０．１２秒となる。一方、磁気式センサについて言えば、温度ドリフトに対して０．１μｍ／１℃のものが提供されている。仮に、このような磁気式センサを用いた場合には、ｔａｎ^-1（０．１μｍ／１０８０ｍｍ）となり、約±０．０２秒となる。

なお、図６では、原点センサＯＳ１、ＯＳ２と遮断部材あるいは被検出部材とを、ガイド部材２、３の内側面よりやや離れた位置に設置するようにしているが、これらの配置位置は、できるだけ外側寄りであることが望ましい。これは、遮断部材あるいは被検出部材の設置箇所からビーム６の先端までの長さの大きい方が角度に対する分解能、言い換えればビーム６の変形量に関する分解能が高くなるからである。

以上、本発明の実施の形態を、２つの移動体がそれぞれ一軸方向に延びる２つのガイド部材で案内される構成のステージ装置に適用して説明したが、本発明はこのようなステージ装置に限定されない。例えば、定盤上において２つの移動体をそれぞれ一軸方向にスライド可能とするリニアモータによる２つの駆動源が備えられ、２つの移動体の一方のみが一軸方向に延びるガイド部材で案内され、これら２つの移動体の間にガイド部材に直交するように架け渡されて２つの移動体と共に移動可能にされたビームを備えたステージ装置にも適用可能である。

本発明によるステージ装置は、被加工部材を搭載したテーブルを少なくともＸ軸、Ｙ軸方向、場合によっては更にＺ軸方向にも駆動可能としたステージ装置全般に適用可能である。

本発明において実行される、直交度を合わせるための作業を説明するための図である。 本発明においてステージ装置の連続運転後、メカリセットを行う際に実行される作業を説明するための図である。 本発明において図２の作業に続いて実行される作業を説明するための図である。 本発明において使用される原点センサに光学式センサを用いた場合の直交度の精度について説明するための図である。 本発明において使用される原点センサに磁気式センサを用いた場合の直交度の精度について説明するための図である。 本発明が適用され得るステージ装置の一例を説明するための図である。

符号の説明

１ 定盤
２、３ ガイドレール
４、５、１４ 移動体
６ ビーム
１２、１３、１４ａ〜１４ｃ、１５ 静圧軸受
ＯＳ１、ＯＳ２ 原点センサ
ＳＳ１、ＳＳ２ 遮断部材あるいは被検出部材

Claims (3)

1. ２つの移動体をそれぞれＸ方向にスライド可能とする２つの駆動源が備えられ、２つの移動体の少なくとも一方は前記Ｘ方向に延びるガイド部材で案内され、これら２つの移動体の間に前記ガイド部材に直交するように架け渡されて２つの移動体と共に移動可能にされたビームを備えたステージ装置において、
   前記２つの移動体のそれぞれの位置を検出するための２つの位置センサと、
   前記２つの移動体のそれぞれの原点位置を規定するための２つの原点センサと、
   前記２つの位置センサ、２つの原点センサからの検出信号を受け、前記２つの駆動源を制御して前記２つの移動体の位置制御を行うための制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記２つの駆動源を個別に制御して前記ビーム体を前記Ｘ方向と鉛直なヨー回転軸に関して回転させるヨー軸回転制御機能をも有していることにより、該ステージ装置の起動時に前記ビーム体の直交度が変化した場合においても前記ビーム体は前記ガイド部材に対して所定範囲内の直交度を維持するようにされていることを特徴とするステージ装置。
2. 請求項１に記載のステージ装置において、前記ヨー軸回転制御機能は前記制御装置に内蔵されたヨー軸回転制御プログラムにより実行され、
   該ヨー軸回転制御プログラムに初期値データを与えるために、該ステージ装置が停止した状態であらかじめ前記ビーム体の直交度を測定して、得られた直交度に基づいて前記ビーム体を前記所定範囲内の直交度にするために必要な修正値Δｙ１を目標値として前記記憶装置に記憶させ、
   前記ヨー軸回転制御プログラムは、
   該ステージ装置の起動時に前記ビーム体の直交度が変化した状態で前記２つの移動体を前記２つの原点センサで検出される位置まで駆動し、その時に前記２つの位置センサで得られた２つの座標データの差Δｙ３を算出するステップと、
   前記修正値Δｙ１と前記差Δｙ３とを用いて（Δｙ１−Δｙ３）分だけ前記ビーム体を前記ヨー回転軸に関して回転させるステップとを実行することを特徴とするステージ装置。
3. 請求項２に記載のステージ装置において、
   前記ヨー軸回転制御プログラムに初期値データを与えるために更に、該ステージ装置がありのままの状態に置かれている状態で前記移動体を前記２つの原点センサで検出される位置まで駆動し、その時に前記２つの位置センサで得られた２つの座標データの差Δｙ０を算出して前記制御装置内の記憶装置に記憶させ、前記修正値Δｙ１は前記差Δｙ０に基づいて決定されることを特徴とするステージ装置。
   
   

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