JPH01170383A - 超電導電磁石を用いた駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 被駆動制御体、例えば半導体製造用の微動ステージを高
速で高精度に直線移動停止、又は回転移動停止させる超
電導電磁石を用いた駆動制御装置に関し、 小型軽量で構造が簡単であり、且つ被駆動制御体を高速
高精度に位置決め制御することを可能とすることを目的
とし、 被駆動制御体に固定されると共に少なくとも第一の方向
に延設した電気良導体群と、前記被駆動制御体を取り囲
んで超電導材料から成り、前記電気良導体群に直交する
第二の方向に磁束を発生させる電磁石と、前記磁束と前
記電気良導体群を流れる電流との相互作用によって前記
被駆動制御体を前記第一の方向と前記第二の方向とに互
いに直交する第三の方向に所定量移動させるべく前記電
流を制御する電流制御手段とを具備するように構成する
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は被駆動制御体、例えば半導体製造用の微動ステ
ージを高速で高精度に直線移動停止、又は回転移動停止
させる超電導電磁石を用いた駆動制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体の製造用に該半導体装置決め制御移動させ
るＸ−ＹステージやＸ−Ｙ−θステージは主としてメカ
ニカル機構によって各軸方向に駆動される構成を採って
いる。Ｘ・Ｙの各軸方向の駆動機構はモータによる駆動
力をボールねじ・ボールナツト伝達機構及びリニアガイ
ドによる案内機構等から構成され、Ｘ軸駆動機構の上に
Ｙ軸駆動機構が載置されている。θ軸方向の回転駆動も
回転型クロスローラベアリングにより案内され、前述の
Ｙ軸駆動機構の上に載置されている。また各軸方向の位
置検出にはロータリーエンコーダが使用されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

然しなから上記のステージ駆動機構では、Ｙ軸やθ軸が
Ｅ軸の負荷となり、各軸の特性が揃わない。また、ボー
ルねじ軸を使用しているため高い剛性が得られず、強い
サーボがかけられないため高速位置決めに限界がある。

一方、各軸の駆動源としてリニアモータを使用し、案内
機構としてエアーベアリングを使用したステージ駆動機
構も存在する。この構成のステージ駆動機構は以下の欠
点を有している。まずリニアモータは市販品が少なく、
最適なりニアモータの選定が難しい。また、コイルに発
生する力が直接ステージを駆動するため大きな推力を得
るには大きな磁束密度が必要となるが、リニアモータ内
部の部材同志が引き合う吸引力は磁束密度の２乗に比例
するためそれを支える部材も大きくしなければならず大
型化が回避できない。

依って本発は斯る問題点の解決を図るべく、小型軽量で
構造が簡単であり、且つ被駆動制御体（ステージ）を高
速高精度に位置決め制御することの可能な駆動制御装置
の提供を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図である。所定軸線方向に移
動可能な被駆動制御体１０には、−の方向Ｘに延設され
た電気良導体群１２が埋め込み固定されて、該電気良導
体群１２にはその延設方向に電流を流すことのできる電
流制御手段１８が接続されている。一方、被駆動制御体
１００周りには、前記電気良導体群１２と直交するＺ方
向に磁束１４を発生させる超電導材料から成る電磁石１
６を配設している。

〔作　用〕

電流制御手段１８の通電制御によって電気良導体群１２
のＸ方向に流れる電流と、超電導電磁石１６の発生させ
る２方向の強い磁束との相互作用によって、Ｘ及びＺ方
向と互いに直交するＹ方向に被駆動制御体ｌＯを直接に
駆動位置決め制御する。被駆動制御体１０には１つの電
気良導体群１２のみならず、他の電気良導体群１２′を
有していてもよく、その場合には種々の動きを与えるこ
とができる。

〔実施例〕

（ａ）第１実施例の説明 第２図は本発明に係る超電導電磁石を用いた駆動制御装
置の１つの実施例を一部破断の斜視図で示している。ベ
ース２０上には環状部材３４が突設されており、該部材
３４上には超電導材料から成る電磁石３２が載置されて
いる。この環状部材３４の中には、まず方向Ｙに互いに
平行な１対の板ばね２２が配設され、その上には方向Ｙ
と直交するＸ方向と平行に他の１対の板ばね２４が配設
されている。この板ばね２４の上にはステージ２６が載
置固定されている。このステージ２６には電気良導体２
８がＸ方向に多数本埋め込まれており、これら電気良導
体２８の各端部は同じ電気良導体によって互いに接続さ
れ、電気良導体群３０を形成している。この両端部間に
電圧を印加してＸ方向に電流を流すことができる。一方
、前述の超電導電磁石３２は、大電流を流すことができ
、従って強い磁束が発生する。この磁束は第１図に示す
様に電気良導体群３０を垂直に鎖交する。

従ってこの磁束と電気良導体群３０を流れる電流との相
互作用力によって、ステージ２６をＹ方向に微小に移動
させる。この場合板ばね２４の作用によってＹ方向に微
小移動する。

以上と同様に電気良導体群３０をＹ方向に延設すれば、
ステージをＸ方向に微小移動させることができる。実際
には、電気良導体群３０を上下２段に設け、一方をＸ方
向に、他方をＹ方向に延設しておけば、ステージ２６は
Ｘ方向とＹ方向に移動可能となる。このステージ２６の
駆動力はステージ２６と一体の電気良導体群３０に発生
するため、ステージ２６に対して剛性の低い駆動力の伝
達機構（ボールねじ等）が不要となる。従って強いサー
ボがかけられて高速移動制御が可能となる。

こうした制御用にステージ２６の実際の位置を検出する
ために、２つの直交した鏡面３４ａと３４ｂを有したＬ
字ミラー３６をステージ２６上に固定しである。

以下第３図を参照しながらステージ２６の駆動制御を説
明する。レーザ発振器４２から発振されたレーザビーム
が干渉計３８ａ又は３８ｂを経由してＬ字部材３６の鏡
面３４ａ又は３４ｂ（第２図）を反射し、再び干渉計３
８ａ又は３８ｂを通ってレシーバ４０に入射される。こ
のレシーバ４０からの測定信号とレーザ発振器４２から
の基準信号とをパルスコンバータ４４に入力して、両者
を比較する。

Ｙの比較結果に応じてアップパルス、又はダウンパルス
を発生させ、現在位置カウンタ４６でカウントされるこ
とによりステージの位置をディジクル信号として表わさ
れる。一方制御用コンピュータ５０から指令位置信号が
発せられて、指令位置カウンタ４８を経由して引算回路
５２に入力される。

この引算回路５２内で現在位置と指令位置との差をとり
、Ｄ／Ａ変換器５４によりアナログ信号に交換される。

Ｙの後補償回路５６を通って電力増幅器５８により所要
電力をステージ２６の電気良導体２８に供給し、ステー
ジ２６を調節制御駆動する。この一連のフィードバック
制御によってステージ２６を高速位置決め制御する。

（ｂ）第２実施例の説明 第４図は本発明に係る超電導電磁石を用いた駆動制御装
置の他の実施例を一部破断の斜視図で示している。第２
図の場合と同様にベース２０上には環状部材３４が突設
されており、該部材３４上には超電導材料から成る電磁
石３２が載置されている。この環状部材３４の中にはピ
アノ線材質の適切な太さの４本の棒部材６０がベース２
０上に立設配置されており、これらのピアノ線棒部材６
０上にはステージ２６が取り付けられている。

従ってステージ２６は外力を受ければ方向Ｘ、Ｙ又はθ
の各方向に微動可能である。ステージ２６の回転中心軸
線θのまわりに９０度間隔で、第２図の電気良導体群３
０と同様な電気良導体群３０ａ、　　’３０ｂ、３０Ｃ
及び３０ｄをステージ２６に埋め込んでいる。

超電導電磁石３２に大電流を流して、上記各電気良導体
群３０ａ　、３０ｂ　、　３０ｃ及び３０ｄを垂直に貫
く強力な磁束を発生させると共にこれら電気良導体群３
０ａ　、３０ｂ　、　３０ｃ又は３０ｄにも通電する。

例えば電気良導体群３（ｌａと３０ｃとに共にＸ゛方向
通電すればステージ２６はＹ一方向に駆動移動される。

この場合電気良導体群３０ａと３０Ｃとに互いに逆方向
ｘ”、ｘ−の通電を行えばステージ２６はθ゛方向回転
駆動される。残りの電気良導体群３０ｂと３０ｄについ
ても同様である。

本実施例ではステージ２６の移動量測定様にＸ方向に配
設した光フアイバー式微小変位計６２ａと、Ｙ方向に配
設した光フアイバー式微小変位計６２ｂ及び６２ｃとが
装備されてい。これらを使用してステージ２６を駆動制
御する過程を第５図を参照しながら説明する。

ステージ２６のＸ方向の位置は変位計６２１により検知
した変位をコントローラ６４を通してアナログ電圧とし
て出力する。またＹ方向の位置は変位計６２ｂと６２ｃ
を使用し、各々をコントーラ６４を通してアナログ電圧
として出力するのでこれらをＡ／Ｄ変換器６６を通して
ディジタル信号に変換し、両信号を回路６８Ｙにおいて
加算して２で除する。一方ステージ２６０回転方向θの
角度位置は、変位計６２ｂと６２ｃとの各検知変位をコ
ントローラ６４とＡ／Ｄ変換器６６を通して引算回路６
８θにより差をとることにより検出できる。

一方、制御用コンビ二−タ５０から各方向Ｘ。

Ｙ、θの指令位置信号を発信し、検出されたステージ２
６の各方向Ｘ、Ｙ、θの各現在位置信号との差を引算回
路７０Ｘ、７０Ｙ、７０θにおいて算出する。この場合
、方向Ｘの検出値もＡ／Ｄ変換器６６を介してディジタ
ル信号に変換されている。

以上の各指令位置信号と現在位置信号との差をＤ／Ａ変
換器７２により再びアナログ信号に変換して補償回路７
４を通す。Ｘ方向の差とθ方向の差とは加算回路７６ｂ
により重ね合わせ、引算回路７６ｄによってθ方向の差
を減算している。またＹ方向の差とθ方向の差も同様に
加算回路７６ｃにより重ね合わせ、引算回路７６ａによ
ってθ方向の差を減算している。各出力信号を増幅回路
７８によって電力増幅した後に、加算回路７６　ｂ　、
　７６Ｃ，引算回路７６ａ、７６ｄの各出力電力を夫々
電気良導体群３０ｂ、３０Ｃ９３０ａ、３０ｄに通電入
力する。

上記の如く通電入力すると、電気良導体群３０ｂと３０
ｄによりステージ２−６をＸ方向に駆動制御させられる
と共に、加算回路７６ｂと引算回路７６ｄとには互いに
反対方向符号のθ方向の差が入力されているため偶力、
即ちθ方向の回転力が発生する。

残りの電気良導体群３０ａと３０ＣとはＹ方向に駆動制
御されると共にθ方向にも駆動制御される。なお、超電
導磁石は材料としてＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘを用い、ステー
ジ全体を液体窒素中に浸して９０°Ｋに冷却することに
より実現できる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかな様に本発明によれば、ボールね
じ軸の様な剛性の低い機構がなく、被駆動制御体くステ
ージ）を強力な電磁力によって直接的に駆動するため、
小型軽量で構造が簡単であり、且つ高速高精度に位置決
め制御することの可能な超電導電磁石を用いた駆動制御
装置の提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は本発明の第１実施例の部分破断斜視図、第３図
は第１実施例のステージ制御装置、第４図は本発明の第
２実施例の部分破断斜視図、第５図は第２実施例のステ
ージ制御装置である。 ＩＯ・・・被駆動制御体、　　１２・・・電気良導体群
、１４・・・磁束、　　　　　　１６・・・超電導電磁
石、２２．２４・・・板ばね、　　　　２６・・・ステ
ージ、２８・・・電気良導体、　　３０・・・電気良導
体群、３２・・・超電導電磁石、　３８ａ・３８ｂ・・
・干渉計、６２ａ　、６２ｂ　、　６２ｃ・・・光フア
イバー式微小変位計。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．被駆動制御体（１０，２６）に固定されると共に少
   なくとも第一の方向に延設した電気良導体群（１２，３
   ０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）と、前記被駆動
   制御体（１０，２６）を取り囲んで超電導材料から成り
   、前記電気良導体群（１２，３０，３０ａ，３０ｂ，３
   ０ｃ，３０ｄ）に直交する第二の方向に磁束（１４）を
   発生させる電磁石（１６，３２）と、前記磁束（１４）
   と前記電気良導体群（１２，３０，３０ａ，３０ｂ，３
   ０ｃ，３０ｄ）を流れる電流との相互作用によって前記
   被駆動制御体（１０，２６）を前記第一の方向と前記第
   二の方向とに互いに直交する第三の方向に所定量移動さ
   せるべく前記電流を制御する電流制御手段（１８）とを
   具備することを特徴とする超電導電磁石を用いた駆動制
   御装置。
2. ２．前記第一の方向の電気良導体群（３０）と離間絶縁
   させて前記第二の方向に延設した他の電気良導体群を前
   記被駆動制御体（２６）に固定し、前記電流制御手段（
   １８）が前記第一又は第二の方向の電気良導体群に流す
   各電流を独立に制御して成る特許請求の範囲第１項記載
   の超電導電磁石を用いた駆動制御装置。
3. ３．前記被駆動制御体（２６）の回転中心軸線（θ）の
   まわりに互いに９０度ずつ離隔させて前記第一の方向と
   前記第二の方向とに交互に互いに分離された４つの電気
   良導体群（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）を該被駆
   動制御体（２６）に固定配設し、前記電流制御手段（１
   ８）がこれら４つの電気良導体群に流す各電流を独立に
   制御して成る特許請求の範囲第１項記載の超電導電磁石
   を用いた駆動制御装置。