JP6040613B2 - 位置決め装置、露光装置及び工作機械 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め装置、露光装置及び工作機械に関する。

この種の位置決め装置としては、例えば、特開２００４−２２３６４７号公報に記載されたものがある。
ところで、転がり案内を採用した位置決めテーブルにおいて、ナノメートル（ｎｍ）オーダの位置決め精度を得ようとする場合には、転がり案内の非線形特性に応じた制御系を備える必要があると提唱されている（例えば、非特許文献１を参照）。このようなｎｍオーダの位置決め精度を備える位置決めテーブルでは、そのテーブルに設けられたサブｎｍ〜数ｎｍの分解能を有する位置測定器からの信号をフィードバック信号に用いたフィードバック制御が採用されている場合がある。そして、これらの組み合わせにより、ｎｍオーダの位置決めを達成したとの報告例がある（例えば、非特許文献２を参照）。

特開２００４−２２３６４７号公報

二見著、「ＡＣリニアモータと転がり案内を用いたナノメータ位置決め（第２報）」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．５７、Ｎｏ．１０（１９９１）、Ｐ．１８０８−１８１３． 二見著、「ＡＣリニアモータと転がり案内を用いたナノメータ位置決め（第１報）」、精密工学会誌、Ｖｏｌ．５７、Ｎｏ．０３（１９９１）、Ｐ．５５６−５６１． 佐藤著、「直動転がり案内における摩擦特性の実験的挙動解析」、日本機械学会論文集Ｃ編、Ｖｏｌ．７３、Ｎｏ．７３４（２００７）、Ｐ．２８１１−２８１９．

しかし、前記の非特許文献１、２、３のものは研究レベルの成果であるため、実機としての利用には至っていない。その一例であるが、検証した位置決めテーブルは、複数本（多くの場合は２本）配置された案内要素の間隔が比較的狭いナローガイド構成であり、かつ自由度が「１」である（つまり、１軸の）位置決めテーブルであることが多い。
しかしながら、実際に使用される位置決めテーブルにおいては、配置空間の制約などからナローガイド化が困難な場合も多く、また移動体のヨーイング誤差の再現性に影響されて上述の非特許文献にあるような位置決め精度を得ることが困難な場合が多い。特に、大型の位置決めテーブルにおいてその傾向が顕著となることがある。

このため、転がり案内を採用した位置決めテーブルに、さらにばね要素（例えば、板状ばね）を案内に採用し、圧電素子などを駆動源とする小型の位置決めテーブルを配置した構成が、半導体装置の露光装置などで採用されていた。
また、近年では、転がり案内方式から空気を動作流体とする静圧案内方式へと案内要素を変更し、転がり要素であるボールねじの代わりにリニアモータを駆動源とする位置決めテーブルが、ｎｍオーダの位置決めテーブルに採用される場合が多い。

一般に転がり案内においては、０．０１程度の摩擦係数が存在し、かつその摩擦係数は移動中のテーブル位置に応じて変動することがある。そして、この摩擦係数の変動は、位置決めテーブルに配置された複数個のベアリングによって非同期で生じることがある。そのため、摩擦力のアンバランスにより、位置決めテーブルはヨーイング回転など角度誤差を生じる。特に、目標値近傍における位置決め動作においては、変位−抵抗特性の非線形性（例えば、非特許文献１の図２を参照）に起因して、抵抗（摩擦抵抗）が０．５〜１．７倍程度変動することが確認されている（例えば、非特許文献１の図５を参照）。

この抵抗の不均一性（抵抗のアンバランス）に起因して生じる現象を、図７を用いて以下説明する。
図７は、従来技術に係る位置決めテーブル６００の構成を模式的に示した図である。位置決めテーブル６００は、左右が略均等である案内構成において、左方に配置されたリニアエンコーダ６での検出値によるフィードバック制御を行う位置決めテーブルである。ここでは、駆動部５を動作させ、テーブル２を図中の＋方向に移動させる場合を想定する。そこで、駆動部５を動作させると、テーブル２が移動して、左方の転がり案内４の抵抗が右方の転がり案内３の抵抗よりも一時的に大きくなる場合がある。そのため、テーブル２が反時計（ＣＣＷ）方向にヨーイング回転し、リニアエンコーダ６はテーブル２が−方向に移動したことを検出することがある。つまり、従来技術に係る位置決めテーブルでは、駆動部５の送り方向とテーブル２の検出された移動方向とが一致しない場合がある。このような場合には、駆動部５は＋方向へテーブル２をさらに移動させる指令を受けるので、必要以上に＋方向へテーブル２が移動することになる。その際、一時的に抵抗が大きかった転がり案内４は摩擦力が小さくなり（つまり、摩擦抵抗が小さくなり）、テーブル２全体はそのヨーイング剛性により時計（ＣＷ）方向に回転することがある。これにより、リニアエンコーダ６は目標値以上の位置へテーブル２が移動したことを検出することになる。この場合、テーブル２は目標値近傍で制御困難な不感帯が存在することで、例えば往復動を続けることがある。転がり案内３、４の摩擦抵抗は、転動体であるボールの弾性変形の状態にも影響を受けるが、転動体への予圧量、または封入したグリース量などによっても変動する場合がある（例えば、非特許文献３を参照）。また、この変動により、非特許文献１よりも頻繁に変動が生じる場合もある。

さらに、単なるＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御では、転がり抵抗の非線形性に起因して目標位置へ寄り付けない場合がある。具体的には、制御ゲインが高い場合は、移動方向の折返しによる停止状態からの移動で大きく移動したため、目標位置を大きく通過することを繰り返す場合がある。また、制御ゲインが低い場合は、例えば、指令が小さく移動できない場合がある。

目標位置への寄り付きには、左右の転がり案内３、４の摩擦力のアンバランスによるヨーイング誤差を伴った静止、摩擦力の変動や駆動力が加振源となった微振動により不規則なヨーイング動作が伴う場合が多く、ｎｍオーダの位置決め精度を得る障害となる場合が多い。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安価、かつ圧縮空気といった空圧などの付帯設備を必要としない転がり案内を用いて、ナローガイド化が困難なテーブル、あるいは大型のテーブルを備えるとともに、ｎｍオーダの位置決め精度を得ることができる位置決め装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る位置決め装置は、テーブルの位置を測定して、前記位置をフィードバック制御するフルクローズ制御手段を備えた位置決め装置において、前記テーブルに、その一端側と他端側とに相互に間隔をおいて設けられた、前記テーブルを一軸方向に移動可能とする転がり案内と、前記テーブルに設けられた、前記転がり案内に沿って前記テーブルを移動可能とする駆動要素と、を備え、前記一端側に設けられた前記転がり案内を、複数本の案内レールと、前記複数本の案内レールのそれぞれに跨架されたスライダーとを含んで構成し、前記他端側に設けられた前記転がり案内を、１本の案内レールと、前記１本の案内レールに跨架されたスライダーとを含んで構成し、前記テーブルの位置を測定する位置測定器が前記テーブルの他端側に設けられ、前記一端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗を、前記他端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗よりも大きくし、前記駆動要素を、前記一端側に設けられた前記転がり案内と前記他端側に設けられた前記転がり案内との間に設けることを特徴とするものである。

このような位置決め装置であれば、一端側に設けられた転がり案内の摩擦抵抗は他端側に設けられた転がり案内の摩擦抵抗値よりも大きいので、駆動要素を動作しテーブルを移動させた場合に、テーブルの移動方向とテーブルの回転による測定位置の移動方向とを一致させることができる。このため、ナローガイド化が困難なテーブル、あるいは大型のテーブルを備えるとともにフルクローズ制御手段を備えた位置決め装置における、テーブルの位置決め精度を高めることができる。

また、上記の位置決め装置において、前記一端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗を、前記他端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗の２．０倍以上にしたこととしてもよい。
このような位置決め装置であれば、より確実性を高めて、テーブルの移動方向とテーブルの回転による測定位置の移動方向とを一致させることができる。

また、上記の位置決め装置において、前記駆動要素を、前記一端側に設けられた前記転がり案内と前記他端側に設けられた前記転がり案内との中間、または前記一端側に設けられた前記転がり案内側に偏って設けたこととしてもよい。
このような位置決め装置であれば、さらに確実性を高めて、テーブルの移動方向とテーブルの回転による測定位置の移動方向とを一致させることができる。

また、上記の位置決め装置において、前記一端側に設けられた前記転がり案内の転動体と、前記他端側に設けられた前記転がり案内の転動体とは、いずれも同一径のものを用い、前者の転動体の数を後者の転動体の数よりも２倍以上にしたこととしてもよい。
このような位置決め装置であれば、転がり案内を構成する転動体の数は、一端側に設けられた転がり案内の方が他端側に設けられた転がり案内よりも２倍以上あるので、一端側に設けられた転がり案内の摩擦抵抗を他端側に設けられた転がり案内の摩擦抵抗の２倍以上にすることが容易にできる。

また、上記の位置決め装置において、前記一端側に設けられた前記転がり案内、及び前記他端側に設けられた前記転がり案内を構成する前記案内レールのそれぞれの形状と寸法を同一とし、前記スライダーのそれぞれの形状と寸法を同一としたこととしてもよい。

このような位置決め装置であれば、案内レールのそれぞれの形状と寸法は同一であり、スライダーのそれぞれの形状と寸法は同一であるので、一端側に設けられた転がり案内の摩擦抵抗を他端側に設けられた他端側に設けられた転がり案内の摩擦抵抗の少なくとも２倍にすることができる。
また、上記の位置決め装置において、前記テーブルにおける、前記一端側に設けられた前記転がり案内と前記他端側に設けられた前記転がり案内との間に開口部を形成したこととしてもよい。

このような位置決め装置であれば、駆動要素を動作させた場合に生ずるテーブルの回転の回転中心を、一端側に設けられた転がり案内側に移動させることができる。このため、テーブルの移動方向とテーブルの回転による位置検出器の移動方向とをさらに一致させることができる。
また、本発明の一態様に係る露光装置は、上述の位置決め装置を備えたことを特徴とするものである。

このような露光装置であれば、上述の位置決め装置を備えているので、従来技術に係る露光装置と比較して、高い位置決め精度を得ることができる。
また、本発明の一態様に係る工作機械は、上述の位置決め装置を備えたことを特徴とするものである。
このような工作機械であれば、上述の位置決め装置を備えているので、従来技術に係る工作機械と比較して、高い位置決め精度を得ることができる。

本発明に係る位置決め装置であれば、テーブルの位置制御をテーブルの実際の変位を計測してフィードバック制御するシステム構成であるため、テーブルの移動時にテーブルの回転誤差が生じるものの転がり案内の摩擦力変動の影響を排除して位置決めが可能となる。よって、本発明に係る位置決め装置であれば、ナローガイド化が困難なテーブル、あるいは大型のテーブルを備える従来技術の位置決め装置と比較して、高い位置決め精度を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る位置決め装置の上面図である。 本発明の第２実施形態に係る位置決め装置の上面図である。 本発明の第３実施形態に係る位置決め装置の上面図である。 本発明の第３実施形態に係る位置決め装置の正面図である。 本発明の第３実施形態に係る位置決め装置を側面図である。 本発明の第３実施形態に係る位置決め装置を側面図である。 従来技術に係る位置決め装置の上面図である。

≪第１実施形態≫
以下に、本発明の第１実施形態に係る位置決め装置１００の構造、動作及び効果について、図１を参照しつつ説明する。
<構造>
本実施形態に係る位置決め装置１００は、位置決め対象物を一軸方向に位置決め可能な位置決め装置である。この位置決め装置１００は、テーブル２と、テーブル２の一端２ａ側に設けられた転がり案内３と、テーブル２の他端２ｂ側に設けられた転がり案内４と、テーブル２に設けられた駆動部５と、テーブル２の位置を測定する位置測定器６と、位置測定器６で測定されたテーブル２の位置情報に基づいてテーブル２の位置をフィードバック制御するフルクローズ制御手段（図示せず）とを備えている。図１は、上述のテーブル２と、転がり案内３、４と、駆動部５と、位置測定器６との配置関係を模式的に示した図である。

以下、上述の各部品の詳細について説明する。
［テーブル２］
テーブル２は、位置決め対象物を搭載するためのテーブルであって、長方形の平板からなるが、他の形状であってもよい。テーブル２の下面には、後述するガイドベアリング８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、１０ａ、１０ｂ及びナット１２が取付けられている。
長方形であるテーブル２の長手方向にある２つの端部のうち、図において右側に表れる一方の端部を「一端２ａ」とし、図において左側に表れる他方の端部を「他端２ｂ」とする。また、テーブル２の長手方向と直交する方向の一方向を「＋」方向とし、その逆方向を「−」方向とする。

［転がり案内３、４］
転がり案内３、４は、テーブル２を前記「＋」方向または「−」方向の一軸方向に移動させるための転がり案内であって、この実施形態では、テーブル２の一端２ａ側と他端２ｂ側とに相互に間隔を置いて配置されている。
転がり案内３は、２つの平行且つ同一の寸法及び形状の案内レール７ａ、７ｂを備えており、１つの案内レールにつき２つのガイドベアリング（スライダー）が滑動自在に跨架されている。ここで、案内レール７ａには２つのガイドベアリング８ａ、８ｂが跨架され、案内レール７ｂには２つのガイドベアリング８ｃ、８ｄが跨架されている。

転がり案内４は、前記案内レール７ａ、７ｂと平行且つ同一の寸法及び形状の１つの案内レール９を備えており、その案内レールには２つのガイドベアリング１０ａ、１０ｂが跨架されている。
なお、各案内レール７ａ、７ｂ、９における各ガイドベアリング８ａと８ｂ、８ｃと８ｄ、１０ａと１０ｂ間の距離（スパン）は同じ距離となっている。

ここで、ガイドベアリング８ａ〜８ｄ、１０ａ、１０ｂは、転動体として、いずれも同一寸法且つ同一数の複数個のボール（図示せず）をそれぞれ備えている。このため、後述する駆動部５を用いてテーブル２を位置決めする場合には、テーブル２を案内レール７ａ、７ｂ、９に沿って一軸方向に自在に滑動させることができる。また、両転がり案内３、４は前記構造であり、且つここにおける予圧量及びグリースの粘度はそれぞれ同じとなっているから、転がり案内３の摩擦抵抗は、転がり案内４の摩擦抵抗よりも大きくなっている。具体的には、転がり案内３の摩擦抵抗は、転がり案内４の摩擦抵抗の２．０倍である。なお、転がり案内３の摩擦抵抗は、これ以上であってもよい。

本実施形態では、１つの案内レールにつき２つのガイドベアリングが跨架されているが、ガイドベアリングの数は２つに限定されるものではない。１つの案内レールに対するガイドベアリングの数は、例えば１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。なお、前記案内レール７ａ、７ｂ、９はその長手方向の一部が省略して図示されており、実際にはさらに同方向に延長されているものである。

［駆動部５］
駆動部５は、案内レール７ａ、７ｂ、９に沿ってテーブル２を滑動させるための駆動部であって、例えば、ボールねじとモータとを含んで構成されるものである。以下、駆動部５として、ボールねじとモータ（図示せず）とを用いた場合について説明する。よって、以下においては、駆動部５のことをボールねじ５とも称する。

ボールねじ５は、ねじ軸１１とナット１２とを含んで構成されており、ナット１２はねじ軸１１に移動自在に螺合している。このボールねじ５が、一端２ａ側の転がり案内３と他端２ｂ側の転がり案内４との中間に設けられている。ねじ軸１１は長手方向の一部が省略して図示されており、実際にはさらに軸方向に延長されており、その軸方向は、案内レール７ａ、７ｂ、９の延在方向と同じである。また、ナット１２は、テーブル２の下面に固定されている。
ねじ軸１１の一端には、例えば、ねじ軸１１を回転させるためのモータ（図示せず）が設けられている。このため、ねじ軸１１をモータで回転させることでナット１２とともにテーブル２をねじ軸１１方向に沿って、＋・−方向に自在に滑動させることができる。

［位置測定器６及びフィードバック制御］
テーブル２の左側である他端２ｂの中央には、テーブル２の位置を測定するための位置測定器６が設けられている。この位置測定器６は、例えばリニアエンコーダである。位置決め装置１００では、リニアエンコーダで取得したテーブル２の位置情報に基づいて、テーブル２のフィードバック制御を行っている。このフィードバック制御には、例えば公知の技術であるフルクローズ制御手段を用いることができる。フルクローズ制御手段は公知の技術であるため、その説明は省略する。

なお、本実施形態に用いる位置測定器６は、テーブル２の他端２ｂの中央に設けられているが、これに限定されるものではない。位置測定器６は、例えば、ボールねじ５よりも他端２ｂ側の転がり案内４側に設けられていればよい。また、位置測定器６は、例えば、テーブル２の他端２ｂの＋方向側に偏って設けられていてもよいし、−方向側に偏って設けられていてもよい。

<動作>
本実施形態では、一端２ａ側の転がり案内３の摩擦抵抗は、他端２ｂ側の転がり案内４の摩擦抵抗の２倍となっている。これは、転がり案内３、４の前記構造に起因している。
ここで、ボールの大きさにもよるが、５０μｍ〜１００μｍ以下の微小位置決めにおいては、転がり案内３、４のボールは、弾性体すなわち案内方向に対するばね要素としてそれぞれ作用するものとみなされる。そこで、この位置決め装置１００の場合、一端２ａ側の剛性が他端２ｂ側の剛性よりも２倍高くなっている。よって、駆動力が＋方向へ作用した場合には、テーブル２に対する一端２ａ側と他端２ｂ側のばね定数の不均衡（アンバランス）により、テーブル２は＋方向へ滑動するとともに平面視で時計方向に回転する。これは、上述のボールの弾性変形に起因する摩擦抵抗の変動幅の最大値（１．７倍）に対して、ガイドベアリング８ａ〜８ｄの数が２倍と明らかに大きいためである。そして、一端２ａ側と他端２ｂ側の転がり案内３、４の摩擦抵抗の不均衡を考慮したとしてもテーブル２は確実に平面視で時計方向に回転するからである。このため、ボールねじ５の送り量とテーブル２の移動量との間に非線形性はあるものの、送り方向と移動方向とは一致するという整合性は確保される。

<効果>
以上のように、本実施形態に係る位置決め装置１００は、テーブル２の位置制御をテーブル２の実際の変位を計測してフィードバック制御するシステム構成であるため、テーブル２の移動時にテーブル２の回転誤差が生じるものの転がり案内３、４の摩擦力変動の影響を排除して位置決めが可能となる。よって、本実施形態に係る位置決め装置１００であれば、高い位置決め精度を得ることができる。

なお、本実施形態では、一端２ａ側のガイドベアリング８ａ〜８ｄの数を他端２ｂ側のガイドベアリング１０ａ、１０ｂの数の２倍にすることで、一端２ａ側の転がり案内３の摩擦抵抗を他端２ｂ側の転がり案内４の摩擦抵抗の２倍にすることを説明したが、これに限定されるものではない。例えば、一端２ａ側と他端２ｂ側のガイドベアリングの数を同一にして、一端２ａ側のみのガイドベアリングの長さを他端２ｂ側のガイドベアリングの長さよりも長くしてもよい。こうすることでも、一端２ａ側の転がり案内３の摩擦抵抗を他端２ｂ側の転がり案内４の摩擦抵抗の２倍以上にしてもよい。

また、一端２ａ側に設けられた転がり案内３のボールの数を、他端２ｂ側に設けられた転がり案内４のボールの数よりも２倍以上にしてもよい。例えば、転がり案内３に設けられた循環溝数を増やすことでガイドベアリングに備わるボール数を増やして、転がり案内３の摩擦抵抗を転がり案内４の摩擦抵抗の２倍以上にしてもよい。
また、本実施形態では、転動体として、同じ大きさのボールを用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ボールの大きさを一端２ａ側の転がり案内３と他端２ｂ側の転がり案内４とで異ならせることで、一端２ａ側の転がり案内３の摩擦抵抗を他端２ｂ側の転がり案内４の摩擦抵抗の２倍以上にしてもよい。

また、本実施形態では、ガイドベアリング８ａ〜８ｄ、１０ａ、１０ｂにおいて、同じ予圧量を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、予圧量を変えることで、一端２ａ側の転がり案内３の摩擦抵抗を他端２ｂ側の転がり案内４の摩擦抵抗の２倍以上にしてもよい。
また、本実施形態では、ガイドベアリング８ａ〜８ｄ、１０ａ、１０ｂにおいて、同じグリース（基油粘度）を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、グリースの種類を変えることで、一端２ａ側の転がり案内３の摩擦抵抗を他端２ｂ側の転がり案内４の摩擦抵抗の２倍以上にしてもよい。

また、本実施形態に係るテーブル２に開口部は形成されていないが、例えば、テーブル２の略中央部（つまり、一端２ａ側の転がり案内３と他端２ｂ側の転がり案内４との間）に開口部を形成してもよい。この場合には、テーブル２のヨーイング方向の剛性を下げるデメリットはあるものの、テーブル２に配置した転がり案内３、４による回転中心を、剛性が高い側の転がり案内（つまり、一端２ａ側の転がり案内３）の中心に近づけることができる。これにより摩擦力のバランスのみならず、転がり案内の中心とねじ軸１１の中心の配置からも駆動方向と回転による位置検出部の移動方向を一致させることができる特徴を有している。

≪第２実施形態≫
以下に、本発明の第２実施形態に係る位置決め装置１１０の構造、動作及び効果について、図２を参照しつつ説明する。
<構造・動作>
本実施形態に係る位置決め装置１１０は、位置決め対象物を一軸方向に位置決め可能な位置決め装置であって、図１に示した上述の位置決め装置１１０の変形例である。このため、位置決め装置１１０の構造は、位置決め装置１１０の構造と同じであるが、ボールねじ５の設置位置において異なっている。そこで、このボールねじ５の設置位置についてのみ説明し、その他の構成については図１のものと同一であるので説明を省略する。なお、図２では、図１において説明した構成部分と同一の要素については、同一の符号を付している。

この位置決め装置１１０のボールねじ５は、一端２ａ側に設けられた転がり案内３と他端２ｂ側に設けられた転がり案内４との中間から、摩擦抵抗の大きい一端２ａ側の転がり案内３側に偏って設けられている。なお、ボールねじ５自身の構成は、位置決め装置１１０に設けられたボールねじ５の構成と同一である。また、位置決め装置１１０の動作については、上述の位置決め装置１１０の場合と同様であるため、その説明は省略する。

<効果>
本実施形態に係る位置決め装置１１０であれば、ボールねじ５は転がり案内３側、即ち摩擦抵抗の大きい案内要素側に偏って設けられているので、位置決め装置１００と比較して、テーブル２のヨーイング角度誤差の発生を小さくすることができる。
よって、本実施形態に係る位置決め装置１１０であれば、位置決め装置１００を用いた場合よりも高い位置決め精度を得ることができる。他の構成及び効果は図１のものと同一である。

≪第３実施形態≫
以下に、本発明の第３実施形態に係る位置決め装置５００について、図３〜６を参照しつつ説明する。
<構造>
本実施形態に係る位置決め装置５００は、位置決め対象物を２軸方向（Ｘ−Ｙ軸方向）に位置決め可能な位置決め装置であって、例えば上述の位置決め装置１１０を２基上下に組み合わせて構成した位置決め装置である。図３〜６は、２基の位置決め装置の配置関係を模式的に示した図である。

位置決め装置５００は、ベース５０１と、ベース５０１上方に設けられて、Ｘ軸方向の位置決めを可能にする第１の位置決めテーブル２００と、ベース５０１上方であって且つ第１の位置決めテーブル２００上方に設けられて、Ｘ軸と直交するＹ方向の位置決めを可能にする第２の位置決めテーブル３００と、第１の位置決めテーブル２００及び第２の位置決めテーブル３００によって、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に位置決めされるステージ４００と、を備えて構成されている。ここで、第１の位置決めテーブル２００のテーブル２０２を「Ｘ軸テーブル２０２」とし、第２の位置決めテーブル３００のテーブル３０２を「Ｙ軸テーブル３０２」とした場合に、Ｙ軸テーブル３０２はＸ軸テーブル２０２に対して上方向、すなわちＺ軸方向（Ｘ軸方向とＹ軸方向とに直交する方向）に互いに干渉することなく重なった状態で配置されている。

以下、上述の各部品の詳細について説明する。
［ベース５０１］
ベース５０１は、後述する第１の位置決めテーブル２００、第２の位置決めテーブル３００及びステージ４００を搭載する基部であって、その形は、例えば平面視した場合に概ね正方形である。このため、対向配置された２対の端部を備えている。２対の端部のうち、一対の端部は端部５０１ａと端部５０１ｂとで構成されており、別の一対の端部は端部５０１ｃと端部５０１ｄとで構成されている。

［第１の位置決めテーブル２００］
第１の位置決めテーブル２００は、Ｘ軸テーブル２０２と、Ｘ軸テーブル２０２の一端２０２ａ側でベース５０１との間に設けられた転がり案内２０３と、Ｘ軸テーブル２０２の他端２０２ｂ側でベース５０１との間に設けられた転がり案内２０４と、Ｘ軸テーブル２０２の転がり案内２０３側でベース５０１との間に設けられたボールねじ２０５と、を含んで構成される。なお、転がり案内２０３、２０４及びボールねじ２０５は、図１、２に示した位置決めテーブル１００、１１０の転がり案内３、４及びボールねじ５と実質的に同一の構造であり、機能も同一である。よって、本実施形態では、重複する部分については、その説明を省略する。

転がり案内２０３は、２つの案内レール２０７ａ、２０７ｂを備えており、この２つの案内レール２０７ａ、２０７ｂは、ベース５０１のＹ軸方向にある一方の端部５０１ａ近傍に互いに平行に設けられ、Ｘ軸方向に延在している。そして、案内レール２０７ａには、２つのガイドベアリング２０８ａ、２０８ｂが滑動自在に跨架されている。そして、案内レール２０７ｂには、２つのガイドベアリング２０８ｃ、２０８ｄが滑動自在に跨架されている。また、ガイドベアリング２０８ａとガイドベアリング２０８ｂとのスパンは、ガイドベアリング２０８ｃとガイドベアリング２０８ｄとのスパンと同じになるように、Ｘ軸テーブル２０２に固定されている。

転がり案内２０４は、１つの案内レール２０９を備えており、案内レール２０９は、ベース５０１のＹ軸方向にある他方の端部５０１ｂ近傍に設けられ、同様にＸ軸方向に延在している。そして、案内レール２０９には、１つのガイドベアリング２１０が滑動自在に跨架されている。
また、転がり案内２０３側には、ボールねじ２０５が設けられている。ねじ軸２１１の両端２１１ａ、２１１ｂ付近は、軸受２１３ａ、２１３ｂによってベース５０１に対して回転自在に支持されている。また、ねじ軸２１１の一端２１１ｂにはベース５０１に固定されたモータ２１４（以下、「Ｘ軸モータ２１４」ともいう。）が接続されている。この接続は、ねじ軸２１１の一端２１１ｂとＸ軸モータ２１４の回転軸（図示せず）とをカップリング（軸継手）２１５で連結することで実現されている。また、軸受２１３ａ、２１３ｂの間には、ナット２１２の移動領域を規定するためのストッパ２１６ａ、２１６ｂが間隔をおいてナット２１２を挟むようにして設けられている。

ガイドベアリング２０８ａ〜２０８ｄ、２１０及びナット２１２は、Ｘ軸テーブル２０２の下面に取付けられている。Ｘ軸テーブル２０２は、例えば、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形をしたテーブルである。Ｘ軸テーブル２０２の略中央部には、開口部２０２ｃが設けられている。そして、Ｘ軸テーブル２０２の上面には、開口部２０２ｃの縁２０２ｄ、２０２ｅに沿って（つまり、Ｙ軸方向に沿って）案内レール２１８、２１９がそれぞれ平行に設けられている。そして、案内レール２１８、２１９のそれぞれには、Ｙ軸方向に滑動自在なガイドベアリング２２０、２２１が跨架されている。これらの上面は後述するステージ４００の下面に固着されている。

［第２の位置決めテーブル３００］
第２の位置決めテーブル３００は、Ｙ軸テーブル３０２と、Ｙ軸テーブル３０２の一端３０２ａ側に設けられた転がり案内３０３と、Ｙ軸テーブル３０２の他端３０２ｂ側に設けられた転がり案内３０４と、Ｙ軸テーブル３０２の前記転がり案内３０３側に設けられたボールねじ３０５と、を含んで構成される。なお、転がり案内３０３、３０４及びボールねじ３０５は、前記した図１、２の位置決めテーブル１００、１１０の転がり案内３、４及びボールねじ５と実質的に同一の構造であり、機能も同一である。よって、本実施形態では、重複する部分については、その説明を省略する。

一方の転がり案内３０３は、２つの案内レール３０７ａ、３０７ｂを備えており、この２つの案内レール３０７ａ、３０７ｂは、ベース５０１のＸ軸方向にある一方の端部５０１ｃ近傍にＹ軸方向に延在して互いに平行に設けられている。そして、一方の案内レール３０７ａには、２つのガイドベアリング３０８ａ、３０８ｂが滑動自在に跨架されている。そして、他方の案内レール３０７ｂには、２つのガイドベアリング３０８ｃ、３０８ｄが滑動自在に跨架されている。また、ガイドベアリング３０８ａとガイドベアリング３０８ｂとのスパンは、ガイドベアリング３０８ｃとガイドベアリング３０８ｄとのスパンと同じになるように、Ｙ軸テーブル３０２に固定されている。

他方の転がり案内３０４は、前記案内レール３０７ａ、３０７ｂと平行な１つの案内レール３０９を備えており、案内レール３０９は、ベース５０１のＸ軸方向にある他方の端部５０１ｄ近傍に設けられている。そして、案内レール３０９には、２つのガイドベアリング３１０ａ、３０１ｂが滑動自在に跨架されている。そして、ガイドベアリング３１０ａとガイドベアリング３１０ｂとのスパンは、前記ガイドベアリング３０８ａとガイドベアリング３０８ｂとのスパンよりも短くなっている。

また、転がり案内３０３側には、ボールねじ３０５が設けられている。ねじ軸３１１の両端３１１ａ、３１１ｂ付近は、軸受３１３ａ、３１３ｂによってベース５０１に対して回転自在に支持されている。また、ねじ軸３１１の一端３１１ｂにはベース５０１に支持されたモータ３１４（以下、「Ｙ軸モータ３１４」ともいう。）が接続されている。この接続は、ねじ軸３１１の一端３１１ｂとＹ軸モータ３１４の回転軸（図示せず）とをカップリング（軸継手）３１５で連結することで実現されている。また、軸受３１３ａ、３１３ｂの間には、ナット３１２の移動領域を規定するためのストッパ３１６ａ、３１６ｂがナット３１２を挟むようにして設けられている。

ガイドベアリング３０８ａ〜３０８ｄ、３１０ａ、３１０ｂ及びナット３１２は、Ｙ軸テーブル３０２の下面に固定されている。Ｙ軸テーブル３０２は、例えば、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形をしたテーブルである。Ｙ軸テーブル３０２の略中央部には、開口部３０２ｃが設けられている。そして、Ｙ軸テーブル３０２の上面には、開口部３０２ｃの縁３０２ｄ、３０２ｅに沿って（つまり、Ｘ軸方向に沿って）案内レール３１８、３１９がそれぞれ平行に設けられている。そして、案内レール３１８には、Ｘ軸方向に滑動自在な、２つのガイドベアリング３２０ａ、３２０ｂが跨架されている。また、案内レール３１９には、Ｘ軸方向に滑動自在な、２つのガイドベアリング３２１ａ、３２１ｂが跨架されている。また、ガイドベアリング３２０ａとガイドベアリング３２０ｂとのスパンは、ガイドベアリング３２１ａとガイドベアリング３２１ｂとのスパンと同じになるように、後述するステージ４００の下面に固定されている。

［ステージ４００］
ステージ４００は、不図示のワーク及びその固定具（例えば静電チャックなど）４０１並びに位置検出器４０６を搭載するための部材であり、その形は、例えば平面視で略正方形をしている。
ステージ４００の位置決めを行う場合、Ｘ軸モータ２１４及びＹ軸モータ３１４をそれぞれ駆動させて各軸のねじ軸２１１、３１１を回転させ、ナット２１２、３１２をねじ軸２１１、３１１に沿って移動させる。このようにして、Ｘ軸方向及び／またはＹ軸方向にステージ４００を移動させることで、ステージ４００を目的とする位置に停止させる。

［位置検出器４０６］
ステージ４００上には、ステージ４００の位置情報を獲得するための位置検出器４０６が設けられている。この位置検出器４０６は、例えばレーザ測長する際に用いられる測長用鏡４０６ａ、４０６ｂとからなる。測長用鏡４０６ａは案内レール３０９側に、平面視でＹ軸と平行になるように設けられている。また、測長用鏡４０６ｂは案内レール２０７ａ、２０７ｂ側に、平面視でＸ軸と平行になるように設けられている。

ベース５０１から離れた位置であって、測長用鏡４０６ａと対向する位置（つまり、Ｘ軸方向であって転がり案内３０４側）には測長用レーザ装置４０７ａが設けられている。ここで、ステージ４００のＸ軸方向の位置情報は、測長用レーザ装置４０７ａでレーザ４０７ｂを送受して、測長用鏡４０６ａまでの距離を測ることで得られる。
同様に、ベース５０１から離れた位置であって、測長用鏡４０６ｂと対向する位置（つまり、Ｙ軸方向であって転がり案内２０３側）には測長用レーザ装置４０７ｃが設けられている。ここで、ステージ４００のＹ軸方向の位置情報は、測長用レーザ装置４０７ｃでレーザ４０７ｄを送受して、測長用鏡４０６ｂまでの距離を測ることで得られる。

なお、測長用鏡４０６ａ、４０６ｂと測長用レーザ装置４０７ａ、４０７ｃとを用いたレーザ測長の方法は公知の技術であるため、ここではその詳細な説明については省略する。
なお、本実施形態では、位置検出器４０６としてレーザ測長器を用いたが、これはテーブル２０２、３０２の回転誤差のＳｉｎ成分が実際のワークに対する位置決め誤差となるため、作用点近傍に測定の原点を有する測定系（つまり、アッベの原理に基づいた測定系）を設けることが好ましいからである。この場合には、ヨーイングによるＳｉｎ成分は無視できるレベルまで小さくなり、（１−ｃｏｓθ）成分が位置決め誤差となる。テーブルのヨーイング誤差の再現性成分は、１秒（１秒＝１／３６００ｄｅｇ）以下であるため、（１−ｃｏｓθ）成分はｎｍオーダの位置決め精度を得る場合であっても無視可能なレベルである。

<効果>
本実施形態に係る位置決め装置５００であれば、位置決め対象物を一軸方向だけでなく、２軸方向（Ｘ軸及びＹ軸）で高い位置決め精度を得ることができる。具体的には、位置決め装置５００であれば、テーブル２０２、３０２の位置制御をテーブル２０２、３０２の実際の変位を計測してフィードバック制御するシステム構成を備えているため、２軸方向において、テーブル２０２、３０２の移動時にテーブル２０２、３０２の回転誤差が生じるものの転がり案内２０３、２０４、３０３、３０４の摩擦力変動の影響を排除して位置決めが可能となる。よって、本実施形態に係る位置決め装置５００であれば、位置決め対象物を２軸方向において位置決めする場合であっても高い位置決め精度を得ることができる。

なお、本実施形態で説明したガイドベアリングは、全て同一の形状及び寸法のものであるが、これに限定されるものではない。例えば、第１実施形態の説明において記載したように、異なる形状、寸法、ボール数、ボール径、予圧、グリース性状のガイドベアリングを用いてもよい。

≪第４実施形態≫
本実施形態は、上述の第１実施形態〜第３実施形態で説明した位置決め装置を備えた露光装置である。
本実施形態に係る露光装置であれば、上述の第１実施形態〜第３実施形態の位置決め装置を備えているので、従来技術に係る露光装置と比較して、高い位置決め精度を得ることができる。

≪第５実施形態≫
本実施形態は、上述の第１実施形態〜第３実施形態で説明した位置決め装置を備えた工作機械である。
本実施形態に係る工作機械であれば、上述の第１実施形態〜第３実施形態の位置決め装置を備えているので、従来技術に係る工作機械と比較して、高い位置決め精度を得ることができる。

２ テーブル
２ａ 端部
２ｂ 端部
３ 転がり案内
４ 転がり案内
５ ボールねじ
６ 位置測定器
７ａ 案内レール
７ｂ 案内レール
８ａ ガイドベアリング
８ｂ ガイドベアリング
８ｃ ガイドベアリング
８ｄ ガイドベアリング
９ 案内レール
１０ａ ガイドベアリング
１０ｂ ガイドベアリング
１１ ねじ軸
１２ ナット

Claims (8)

1. テーブルの位置を測定して前記位置をフィードバック制御するフルクローズ制御手段を備えた位置決め装置において、
   前記テーブルに、その一端側と他端側とに相互に間隔をおいて設けられた、前記テーブルを一軸方向に移動可能とする転がり案内と、
   前記テーブルに設けられた、前記転がり案内に沿って前記テーブルを移動可能とする駆動要素と、
   を備え、
   前記一端側に設けられた前記転がり案内を、複数本の案内レールと、前記複数本の案内レールのそれぞれに跨架されたスライダーとを含んで構成し、
   前記他端側に設けられた前記転がり案内を、１本の案内レールと、前記１本の案内レールに跨架されたスライダーとを含んで構成し、
   前記テーブルの位置を測定する位置測定器が前記テーブルの他端側に設けられ、
   前記一端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗を、前記他端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗よりも大きくし、
   前記駆動要素を、前記一端側に設けられた前記転がり案内と前記他端側に設けられた前記転がり案内との間に設けることを特徴とする位置決め装置。
2. 前記一端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗を、前記他端側に設けられた前記転がり案内の摩擦抵抗の２．０倍以上にしたことを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記駆動要素を、前記一端側に設けられた前記転がり案内と前記他端側に設けられた前記転がり案内との中間、または前記一端側に設けられた前記転がり案内側に偏って設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位置決め装置。
4. 前記一端側に設けられた前記転がり案内の転動体と、前記他端側に設けられた前記転がり案内の転動体とは、いずれも同一径のものを用い、前者の転動体の数を後者の転動体の数よりも２倍以上にしたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の位置決め装置。
5. 前記一端側に設けられた前記転がり案内、及び前記他端側に設けられた前記転がり案内を構成する前記案内レールのそれぞれの形状と寸法を同一とし、前記スライダーのそれぞれの形状と寸法を同一としたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の位置決め装置。
6. 前記テーブルにおける、前記一端側に設けられた前記転がり案内と前記他端側に設けられた前記転がり案内との間に開口部を形成したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の位置決め装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の位置決め装置を備えたことを特徴とする露光装置。
8. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の位置決め装置を備えたことを特徴とする工作機械。

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