JPH03178746A - Two-dimensional moveable stage device - Google Patents

Two-dimensional moveable stage device

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JPH03178746A
JPH03178746A JP31701289A JP31701289A JPH03178746A JP H03178746 A JPH03178746 A JP H03178746A JP 31701289 A JP31701289 A JP 31701289A JP 31701289 A JP31701289 A JP 31701289A JP H03178746 A JPH03178746 A JP H03178746A
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JP
Japan
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stator
teeth
stage
dimensional
pseudo
Prior art date
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Application number
JP31701289A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshiyuki Tomita
良幸 冨田
Fumiaki Sato
文昭 佐藤
Kazuhiro Ito
一博 伊藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q5/00Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/22Feeding members carrying tools or work
    • B23Q5/34Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission
    • B23Q5/50Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission feeding step-by-step

Abstract

PURPOSE:To position an object two-dimensionally at a high speed and with an extremely high accuracy by using a linear pulse motor in a coarse adjustment mechanism to obtain large driving forces, and in a fine adjustment mechanism an actuator capable of fine displacement. CONSTITUTION:The coarse adjustment mechanism 2 of a stage 19 operates in accordance with the principle of a linear pulse motor and transmits a predetermined amount of electricity to the respective exciting coils of a Y-direction mover structure 16 and X-direction mover structures 17, 18 to generate magnetic flux, and thereby the teeth 15 of an imitation stator 11 and the predetermined ones of a mover attract each other and the stage 19 is moved on the surface of the imitation stator 11 at the pitch of the teeth 15 by changes in the current flow through the exciting coils. Next, the imitation stator 11 is moved by a small distance within the pitch of the teeth 15 by the actuators 12 to 14 of a fine adjustment mechanism 1 and the stage 19 is moved in such a manner as following the stator 11 so that the stage 19 is stably positioned. The stage is thus positioned at a high speed and with a high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はステージ装置に関し、特にリニアパルスモータ
を使用し、二次元面内で物体を高積度に移動させる二次
元可動ステージ装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a stage device, and more particularly to a two-dimensional movable stage device that uses a linear pulse motor to move an object at a high volume within a two-dimensional plane.

二従来の技術〕 従来、対象物を2次元的に駆動する装置としては、平面
内の1方向であるX軸方向について駆動を行うサーボモ
ータとボールネジを備えたXステージの上にY軸方向の
駆動を行うサーボモータとボールネジを備えたYステー
ジを重ねたXYXステージが知られている。
2. Conventional technology] Conventionally, as a device for driving an object two-dimensionally, a device that drives an object in the Y-axis direction is placed on an An XYX stage is known in which a Y stage is stacked with a servo motor for driving and a ball screw.

ボールネジはカタやバックラッシュを完全に排除するこ
とはできない。また、サーボモータで発生した駆動力を
対象物に伝えるには、途中に駆動力伝達機構や案内機構
を介さねばならず、発生した駆動力を100%対象物に
伝えることはできない。これは別の観点から見ると、何
等かの機構部材等に歪み、弾性変形等を生じさせている
ことになる。
Ball screws cannot completely eliminate backlash and backlash. Furthermore, in order to transmit the driving force generated by the servo motor to the object, a driving force transmission mechanism or a guide mechanism must be used on the way, and 100% of the generated driving force cannot be transmitted to the object. Viewed from another perspective, this results in distortion, elastic deformation, etc. occurring in some mechanical member or the like.

このような機構によっては、0.01μm程度以下の高
い位置決め精度を実現することは困難である。
Depending on such a mechanism, it is difficult to achieve high positioning accuracy of about 0.01 μm or less.

[発明か解決しようとする課題] 以上説明したように、サーボモータとボールネジによる
ステージ装置によっては、たとえば001JJ、m以下
の超精密XYステージを実現することは難しかった。
[Problems to be Solved by the Invention] As explained above, it is difficult to realize an ultra-precision XY stage of, for example, 001 JJ, m or less depending on the stage device using a servo motor and a ball screw.

本発明の目的は、超精密精度を実現するのに適したステ
ージ装置を提供することである6本発明の他の目的は、
構造か簡単で遊びがセく、位置精度に優れたステージ装
置を提供することて゛ある。
The purpose of the present invention is to provide a stage device suitable for realizing ultra-precise accuracy.6 Another purpose of the present invention is to provide a stage device suitable for realizing ultra-precise accuracy.
It is possible to provide a stage device with a simple structure, less play, and excellent positional accuracy.

5課題を解決するための手段] 本発明のステージ装置の基本構成は、駆動力が大きく速
い動きを与える粗動系と粗動系よるも微小な動きを与え
る微動系の2系からなる。微動系は、2次元面上に所定
ピッチ間隔で配置された高透磁率材料の複数の歯を有す
る凝固電子と、凝固電子を2次元方向に微小移動するこ
とのできるアクチュエータ手段とを有する。一方、粗動
系は、凝固電子の歯と対向して凝固電子の歯のピッチと
異なるピッチで形成された高透磁率材料の複数の歯と、
励磁コイルとを−有し、該wJ磁ココイル通電を制御す
ることにより、該複数の歯のうち選択したものを磁極と
して凝固電子に対して前記2次元方向に移動可能な移動
子と、移動子に固定されたステージとから構成される。
Means for Solving 5 Problems] The basic configuration of the stage device of the present invention consists of two systems: a coarse movement system that provides a large driving force and a fast movement, and a fine movement system that provides a finer movement than the coarse movement system. The micro-movement system includes coagulation electrons having a plurality of teeth made of a high magnetic permeability material arranged at predetermined pitch intervals on a two-dimensional surface, and actuator means that can micro-move the coagulation electrons in a two-dimensional direction. On the other hand, the coarse motion system includes a plurality of teeth made of a high magnetic permeability material and formed with a pitch different from the pitch of the teeth of the solidified electrons, facing the teeth of the solidified electrons.
an excitation coil, and is movable in the two-dimensional direction with respect to the coagulated electrons by controlling energization of the wJ magnetic coil, with selected teeth of the plurality of teeth serving as magnetic poles; It consists of a stage fixed to the

ステージ自体の荷重は、たとえばエアベアリング等によ
る他の支持手段によりベースに支える。
The load of the stage itself is supported on the base by other support means such as air bearings.

[作用] 粗動系はリニアパルスモータの原理で動作する。[Effect] The coarse movement system operates on the principle of a linear pulse motor.

すなわち、移動子の励磁コイルに所定の通電をすると、
移動子から所定の磁束か発生し、磁気的吸引力で凝固電
子の歯と移動子の所定の歯が相互に引き合い、最も安定
な位置に向かって動く、さらに励磁コイルの電流を変化
させることにより、移動子が歯のピッチで定まる所定単
位で凝固電子の表面上を移動する。
In other words, when the excitation coil of the mover is energized to a predetermined value,
A predetermined magnetic flux is generated from the mover, and the teeth of the coagulating electrons and the predetermined teeth of the mover attract each other due to the magnetic attraction force, and move toward the most stable position.Furthermore, by changing the current of the excitation coil, , the mover moves over the surface of the solidified electrons in a predetermined unit determined by the pitch of the teeth.

一方、微動系のアクチュエータは、凝固電子をその表面
と平行な方向に粗動系のピッチ内の微小距離移動させる
ためのらのである。凝固電子の1紋小移動に伴って、磁
気的吸引力によって移動子の歯は固定子の歯に追従して
微小移動し、安定位置で静止する。
On the other hand, the actuator of the fine movement system is used to move the solidified electrons a minute distance within the pitch of the coarse movement system in a direction parallel to the surface of the actuator. As the solidified electrons move one stroke, the teeth of the mover follow the teeth of the stator and move slightly due to the magnetic attraction force, and come to rest at a stable position.

こうして、粗動系により大きな距離を高速に所望位置付
近までステージを移動し、さらに微動系により所望位置
に高精度に位置決め制御することができる。
In this way, the coarse movement system can move the stage over a large distance at high speed to near the desired position, and the fine movement system can control the positioning to the desired position with high precision.

[実施例] 第1図に本発明の1実施例による2次元可動ステージ装
置の外観図を示す、微動系1は、高透磁率の凝固電子1
1と、凝固電子11の周囲3辺にそれぞれ固定された微
動アクチュエータ12.13.14とを含んで構成され
る。固定子11の表面上にはマトリクス状に多数の粗動
系のための歯15が突出されて形成される。歯と歯の間
隔は所定のピッチで正確に揃えである。この実施例では
、歯15は互いに直交する図示矢印のX−Y方向にそれ
ぞれ等ピンチで配置されている。凝固定子1lのY方向
に延びるINの測面部には、各々Y方向に所定の微小を
連続伸縮することのできるアクチュエータ13と1.4
の各1端が接合部材1314°を介して固着されている
。Y方向アクチエエータ13.14の他端は、図示しな
い共通ペースに固定されている。凝固電子11のX方向
に延びる曲面の1つには、X方向に所定の微小量連続変
位することのできるアクチュエータ12が接合部材12
゛を介して固着されている。X方向アクチュエータ12
のesは、同じく図示しない共通ベースに1司定されて
いる。Y方向アクチュエータ13.14はX方向に対し
て弾性変形が可能なヒンジ部を有しており、X方向アク
チュエータ12はY方向に弾性変形か可能なヒンジ部を
有する。
[Embodiment] FIG. 1 shows an external view of a two-dimensional movable stage device according to an embodiment of the present invention.
1, and fine movement actuators 12, 13, and 14 fixed on three sides around the coagulation electron 11, respectively. On the surface of the stator 11, a large number of protruding teeth 15 for a coarse movement system are formed in a matrix. The spacing between the teeth is precisely aligned at a predetermined pitch. In this embodiment, the teeth 15 are arranged with equal pinches in the X-Y directions of the illustrated arrows, which are perpendicular to each other. On the surface measuring section of IN extending in the Y direction of the condensing stator 1l, there are actuators 13 and 1.4, each of which can continuously expand and contract a predetermined minute amount in the Y direction.
One end of each is fixed via a joining member 1314°. The other ends of the Y-direction actuators 13, 14 are fixed to a common pace (not shown). An actuator 12 that can continuously displace a predetermined minute amount in the X direction is attached to one of the curved surfaces of the coagulation electron 11 extending in the X direction.
It is fixed via . X direction actuator 12
es is also determined by a common base (not shown). The Y-direction actuators 13 and 14 have hinge parts that can be elastically deformed in the X direction, and the X-direction actuator 12 has a hinge part that can be elastically deformed in the Y direction.

従って、互いに他方の変形を許容する。アクチュエータ
13.14が同時に同じ距離だけ伸縮変位することによ
り、凝固電子11はY方向に駆動され、同時にX方向ア
クチュエータ12はY方向に弾性変形し、よって凝固電
子11がY方向に移動する。
Therefore, each allows the other to deform. By simultaneously expanding and contracting the actuators 13 and 14 by the same distance, the coagulation electrons 11 are driven in the Y direction, and at the same time the X-direction actuator 12 is elastically deformed in the Y direction, so that the coagulation electrons 11 move in the Y direction.

一方、X方向アクチュエータ12が伸縮変位することに
より、凝固電子11はX方向に力を受ける。Y方向アク
チュエータ13.14が作動していなければ、力は凝固
電子11の一方の測面のみに受けるので、X、Y軸と直
交するZ軸まわりに回転モーメントか発生し、アクチュ
エータ13.14がX軸方向に弾性変形する。凝固電子
11はX方向アクチュエータ12のベースとの接続点1
を支点としてZ軸まわりに微小回転する。この微小回転
を相殺するように2つのY方向アクチュエータを駆動す
れば、X方向の並進を実現できる。
On the other hand, as the X-direction actuator 12 expands and contracts, the coagulation electrons 11 receive a force in the X-direction. If the Y-direction actuator 13.14 is not operating, the force is applied only to one surface of the coagulation electron 11, so a rotational moment is generated around the Z-axis perpendicular to the X and Y axes, and the actuator 13.14 Elastically deforms in the X-axis direction. The solidification electron 11 is connected to the base of the X-direction actuator 12 at the connection point 1
It rotates slightly around the Z-axis using the fulcrum as the fulcrum. By driving the two Y-direction actuators so as to cancel out this minute rotation, translation in the X-direction can be achieved.

また、3つのアクチュエータの内2つ以上を同時に駆動
してX−Y平面内で凝固電子11を回転させることがで
きる。従って、この実施例の凝固電子11はX方向、Y
方向の微小移動と、X−Y平面内でZ軸回りの回転移動
とを同時に、あるいは選択的に行うことができる。
Moreover, two or more of the three actuators can be driven simultaneously to rotate the coagulation electrons 11 within the XY plane. Therefore, the coagulation electrons 11 in this embodiment are in the X direction and in the Y direction.
The minute movement in the direction and the rotational movement around the Z axis within the XY plane can be performed simultaneously or selectively.

第2図に、各アクチュエータの構造例をX方向アクチュ
エータ12を例にとって示す、アクチュエータ12は円
柱状の積層型圧電素子20を含む。
FIG. 2 shows an example of the structure of each actuator, taking the X-direction actuator 12 as an example. The actuator 12 includes a cylindrical laminated piezoelectric element 20.

両面に重圧印加用の電極を備えたセラミック等の圧電板
が積層され、各電極はまとめてリード線によって引出さ
れている。このリード線に電圧を四方0するとX方向に
伸縮して機械的変位を起こす。
Piezoelectric plates made of ceramic or the like are laminated with electrodes for applying heavy pressure on both sides, and the electrodes are collectively led out by lead wires. When zero voltage is applied to this lead wire in all directions, it expands and contracts in the X direction, causing mechanical displacement.

変位量を安定なものとするため、積層構造の圧ヒ素子は
金属ケースに納められ、所定の予圧を印加されている。
In order to stabilize the amount of displacement, the pressure element having a laminated structure is housed in a metal case, and a predetermined preload is applied thereto.

印加電圧を調整すれば変位量が制御できる。The amount of displacement can be controlled by adjusting the applied voltage.

この圧電アクチュエータ12は、圧電素子20の両端部
に球面ヒンジ21.22を備えている。
This piezoelectric actuator 12 includes spherical hinges 21 and 22 at both ends of the piezoelectric element 20.

球面ヒンジ2I、22は、最も小径となる部分に向かっ
て両側から径を絞り、半円状ないしは弧状の断面形状と
した形状を有し、X軸方向には高い剛性を有するか、そ
れと直交するY、Z軸方向には剛性か低くされており、
弾性変形可能である。
The spherical hinges 2I, 22 have a semicircular or arcuate cross-sectional shape, with the diameter narrowed from both sides toward the smallest diameter portion, and have high rigidity in the X-axis direction or are perpendicular thereto. Rigidity is lowered in the Y and Z axis directions,
It is elastically deformable.

一般に、圧電体の圧電効果による変位量は非常に微小量
を制御可能であり、1000分の数μm単位で変位を制
御することもできる。積層型として全体としての変位量
を大きなものにすることもできる。従って、適当層数の
圧電体を組み合わせ、重圧を調整することにより、10
0分の1μmオーダの微小移動を安定に制御することか
可能である。また、圧1体は変位方向に十分高い剛性を
持つことができるので、十分な駆動力を発揮することが
できる。
Generally, the amount of displacement due to the piezoelectric effect of a piezoelectric body can be controlled in a very small amount, and the displacement can also be controlled in units of several thousandths of micrometers. It is also possible to increase the amount of displacement as a whole by using a laminated type. Therefore, by combining an appropriate number of piezoelectric layers and adjusting the pressure, it is possible to
It is possible to stably control minute movements on the order of 1/0 μm. Further, since the pressure body can have sufficiently high rigidity in the direction of displacement, it can exert sufficient driving force.

池のY方向アクチュエータ13.14についても同様な
構成である。なお、第2図の実施例では球面ヒンジを使
用しているので、アクチュエータ12.13.14はZ
方向に弾性変形可能である。
The pond Y-direction actuators 13 and 14 have a similar configuration. Note that since the embodiment shown in FIG. 2 uses a spherical hinge, the actuators 12, 13, and 14 are
It can be elastically deformed in the direction.

たとえば、凝固電子11の裏面に3つ以上のZ方向アク
チュエータを設けて、x、y−z方向と空間内回転方向
の6軸可動テーブルを構成することもできる。X方向、
Y方向、X−Y面内回転の3自由度のステージを構成す
る場合は、変位方向以外の池の1軸方向のみの弾性変形
が可能なヒンジでもよい。
For example, three or more Z-direction actuators can be provided on the back surface of the coagulation electron 11 to configure a six-axis movable table in the x, yz directions and the rotation direction in space. X direction,
When configuring a stage with three degrees of freedom in the Y direction and rotation in the X-Y plane, a hinge capable of elastic deformation in only one axial direction of the pond other than the displacement direction may be used.

次に、粗動系2について説明する。粗動系2は、微動系
1に比べて、その移動量か大きくかつ移動速度か速くな
るように設定されている。その構造は、凝固電子の歯1
5と擬固定子上を滑動するように構成されるスライダ内
のY方向移動子構造体16とX方向移動子構造体17.
18と、スライダ上に担持されたステージ1つとから構
成されるリニアステップモータである。移動子構造体1
6.17.18と凝固電子11とは所定のギャップ、た
とえば数10μm/111′o程度、を保って対向させ
である。移動子構造体とステージは、たとえば、図中右
側に設けられる図示しない共通ベースにエアベアリング
装置等の支持装置(図示せず)によってX−Y方向に移
動自在に案内支持される。
Next, the coarse movement system 2 will be explained. The coarse movement system 2 is set to have a larger amount of movement and a faster movement speed than the fine movement system 1. Its structure consists of solidified electron teeth 1
5, a Y-direction mover structure 16 and an X-direction mover structure 17 in a slider configured to slide on a pseudo-stator.
18 and one stage carried on a slider. Mover structure 1
6.17.18 and the coagulating electrons 11 are opposed to each other with a predetermined gap, for example, approximately several tens of micrometers/111'o. The mover structure and the stage are guided and supported by a support device (not shown) such as an air bearing device so as to be movable in the X-Y directions, for example, on a common base (not shown) provided on the right side of the drawing.

第3図(A)、(B)を参照して、この粗動系2のリニ
アパルスモータの動作原理を説明する。
The operating principle of the linear pulse motor of the coarse movement system 2 will be explained with reference to FIGS. 3(A) and 3(B).

第3図(A)は、第1図における凝固電子11とY方向
移動子構造体16とのY軸に沿った部分断面構造を示す
、移動子構造体16は、永久磁石31と、そのN極とS
極とに接続固定したコの字形磁芯(コア)32.33と
、コア3233にそれぞれ巻かれた第1相と第2相の励
磁コイル34.35とを有する。各li!i極間のピッ
チは、凝固電子11の歯15のピッチとは図示のように
異なる。
FIG. 3(A) shows a partial cross-sectional structure along the Y axis of the solidified electrons 11 and the Y-direction mover structure 16 in FIG. pole and S
It has a U-shaped magnetic core (core) 32, 33 fixedly connected to the pole, and first-phase and second-phase excitation coils 34, 35 wound around the core 3233, respectively. Each li! The pitch between the i-poles is different from the pitch of the teeth 15 of the solidified electrons 11 as shown.

今、第3図(A>のように、左のコイル34と右のコイ
ル34に図示の矢印のように、同一方向の電流を流すと
、永久磁石31の両端に永久磁石31と同じ向きのt磁
石か形成される。これらの磁石は合成され、磁極aとd
の間で永久磁石31による磁束とコイル34.35のw
J磁による磁束とか合成された磁束か発生し、磁極a、
dに最も近い凝固電子11の歯15aと15fとの間で
磁路を形成するように互いに引き合う力か発生する。
Now, as shown in FIG. 3 (A>), if current is passed in the same direction through the left coil 34 and right coil 34 as shown by the arrows, both ends of the permanent magnet 31 will be in the same direction as the permanent magnet 31. t magnets are formed.These magnets are combined and have magnetic poles a and d.
Between the magnetic flux caused by the permanent magnet 31 and the w of the coil 34.35
Magnetic flux due to J magnetism or combined magnetic flux is generated, and magnetic pole a,
A force is generated that attracts each other to form a magnetic path between the teeth 15a and 15f of the coagulated electrons 11 closest to d.

移動子構造体16の磁極のピッチと、凝固電子11の歯
のピッチとは整列していないので、轟も安定な磁路を形
成するように吸引力が発生するので、吸引力はZ方向と
共に、Y方向の成分も生じる。
Since the pitch of the magnetic poles of the mover structure 16 and the pitch of the teeth of the coagulating electrons 11 are not aligned, an attractive force is generated to form a stable magnetic path. , a component in the Y direction also occurs.

従って、移動子構造体16はY方向に駆動される。Therefore, the mover structure 16 is driven in the Y direction.

この場合、磁極b−cでは永久磁石31による磁束とコ
イルの励磁による磁束の方向か等しく逆向きとなるよう
にされるので、磁束は打ち消しあって零となり、凝固電
子の歯15との間で吸引力let発生しない。
In this case, in the magnetic poles b-c, the directions of the magnetic flux due to the permanent magnet 31 and the magnetic flux due to the excitation of the coil are made to be equally opposite, so the magnetic flux cancels each other out and becomes zero, and the magnetic flux is generated between the coagulated electron teeth 15. No suction force is generated.

次に、第3図(B)に示すように、右曲のコイル35の
電流方向を固定したままで、左側のコイル34の励磁電
流の方向を反転すると、今度は移動子m1fiid間で
永久磁石31と励磁電流による合成磁束が発生し、凝固
電子11の歯15cと15fとの間に図示のような磁路
か形成される。
Next, as shown in FIG. 3(B), when the direction of the excitation current in the left coil 34 is reversed while the current direction in the right-hand coil 35 is fixed, the permanent magnet 31 and the excitation current, a composite magnetic flux is generated, and a magnetic path as shown in the figure is formed between the teeth 15c and 15f of the coagulating electrons 11.

この時、@iia、cでは励磁電流による磁束と永久磁
石3Iによる磁束とが逆向きで等しい大きさであるので
打ち消し合う。
At this time, at @iia, c, the magnetic flux due to the excitation current and the magnetic flux due to the permanent magnet 3I are opposite in direction and have the same magnitude, so they cancel each other out.

移動子離lidを参照すると、第3図(A)の状態では
凝固電子の歯15aの影響で歯15fの左側にあったの
か、第3図(B)の状態では、凝固電子の歯15cの影
響で歯15fの右側に駆動されている。従って、第3図
(A)と(B)間で、移動子構造体16はY方向C図の
右方向)に駆動力が与えられ移動する。
Referring to the mover separation lid, in the state of FIG. 3(A), it was on the left side of the tooth 15f due to the influence of the coagulating electron tooth 15a, and in the state of FIG. 3(B), it was on the left side of the coagulating electron tooth 15c. Due to this influence, it is driven to the right side of the tooth 15f. Therefore, between FIG. 3(A) and FIG. 3(B), the moving element structure 16 is given a driving force and moves in the Y direction (rightward in FIG. 3C).

次に、左側のコイル34の電流方向を固定したままで、
右側の励磁コイル35の通電方向を逆転すると磁極す、
c間で合成磁束が発生し固定子11の歯15cと15e
との間に磁路が変化し移動子構造体16かさらにY方向
の移動する。さ占にまた、右側のコイル35の電流方向
を固定したままで、左側の励磁コイル34の通電方向を
逆転すうると磁極a、C間で合成磁束が発生し固定子1
1の歯15bと15eとの間に磁路が移動して、移動子
16がY方向に移動する。
Next, while keeping the current direction of the left coil 34 fixed,
When the current direction of the excitation coil 35 on the right side is reversed, the magnetic pole becomes
A composite magnetic flux is generated between teeth 15c and 15e of stator 11.
The magnetic path changes between the two, and the mover structure 16 further moves in the Y direction. Additionally, if the current direction of the left side excitation coil 34 is reversed while the current direction of the right side coil 35 is fixed, a composite magnetic flux is generated between the magnetic poles a and C, and the stator 1
A magnetic path moves between the first teeth 15b and 15e, and the mover 16 moves in the Y direction.

以上の励磁電流の切り替えの様子を第4図の波形図に示
す、第4図に示すように2相の励磁コイル34.35の
電流方向を交互に切り替え、励磁電流の組合わせパルス
与えると1サイクルの動作となる。I[I電子11の歯
15のピッチをPとすると、1サイクルの励磁制御でI
Pだけ移動子構造体16はY方向に直線運動する。
The above switching of the excitation current is shown in the waveform diagram of Fig. 4. As shown in Fig. 4, when the current direction of the two-phase excitation coils 34 and 35 is alternately switched and a combined pulse of the excitation current is applied, 1 It becomes a cycle operation. I [If the pitch of the teeth 15 of the I electron 11 is P, I
The mover structure 16 moves linearly by P in the Y direction.

上記と全く逆の励磁方向の組み合わせとすれば、移動方
向は逆向きに直線移動する。従って励磁パルスあたり(
1/4)Pの精度でステージを移動制御できることにな
る。当然にギャップ長Pを小さくとれば、パルスあたり
の移動距離を小さくできる。また移動子構造体のtII
数を増加し、駆動電流の相数を増加しても移動距離を小
さくすることかて゛きる。また、励磁主流の大きさを調
整することによりこの磁気的吸引力は大きなものか得ら
れるので、大きな推進駆動力を得ることが可能である。
If the combination of excitation directions is completely opposite to the above, the movement direction will be linear movement in the opposite direction. Therefore, per excitation pulse (
The movement of the stage can be controlled with an accuracy of 1/4)P. Naturally, if the gap length P is made small, the moving distance per pulse can be made small. Also, tII of the mover structure
Even if the number of driving currents is increased and the number of phases of the drive current is increased, the moving distance can be reduced. Further, by adjusting the size of the excitation main flow, a large magnetic attraction force can be obtained, so that a large propulsive driving force can be obtained.

なお、X方向の移動子構造体18.1つも同様な構造と
動作を行う。
Note that the moving element structure 18.1 in the X direction also has a similar structure and operation.

次に、第1図に示すX、Y移動子構造体の配置によりス
テージ19かどう移動するかを第5図(A)〜(C)を
参照して説明する。
Next, how the stage 19 is moved by the arrangement of the X and Y mover structures shown in FIG. 1 will be explained with reference to FIGS. 5(A) to 5(C).

第5図(、〜)は、ステージ1つをY方向に駆動する場
合を示す、Y方向移動子構造(*16をステジ19の重
心位置にその磁極かY方向に配列するように配置して、
その励磁コイルの電流を前述したような方法で通電制御
すると、ステージ19は図示矢印のようにY方向に並進
移動する。
Figure 5 (,~) shows a Y-direction mover structure (*16 is arranged at the center of gravity of the stage 19 so that its magnetic poles are arranged in the Y-direction), showing the case where one stage is driven in the Y-direction. ,
When the current to the exciting coil is controlled in the manner described above, the stage 19 is translated in the Y direction as indicated by the arrow in the figure.

第5図(B)のように、X方向移動子構造体17.18
にそれぞれ同一電流値、同一方向の励磁制御の駆動量流
を同期して与えれば、両X方向移動子構造体17.18
の駆動力は同じ向きで等しくなるので、図示矢印のよう
に、X方向にステージ19か並進移動される。この際、
両移動子m造体17.18の駆動力の合成力が図におい
て、ステージ19の重心を通るように設定される。合成
力が重心を外れると回転モーメントが発生する。
As shown in FIG. 5(B), the X-direction mover structure 17.18
If the same current value and drive amount flow of excitation control in the same direction are applied to both X-direction mover structures 17 and 18 synchronously,
Since the driving forces are equal in the same direction, the stage 19 is translated in the X direction as shown by the arrow in the figure. On this occasion,
In the figure, the combined force of the driving forces of both movable structures 17 and 18 is set to pass through the center of gravity of the stage 19. When the resultant force deviates from the center of gravity, a rotational moment is generated.

第5図(C)は、両X方向移動子構遺体17゜18の駆
動方向を互いに逆向きに制御した場合を示す。これは、
各々のX方向移動子構造体1718の励磁コイルの電流
の通電方向を全く逆関係に制御することにより行われる
。これによって、ステージ19はZ軸回りに回転を行う
FIG. 5(C) shows a case where the driving directions of both X-direction moving child structures 17 and 18 are controlled to be opposite to each other. this is,
This is done by controlling the direction of current flowing through the excitation coils of each X-direction mover structure 1718 in a completely opposite relationship. As a result, the stage 19 rotates around the Z axis.

以上説明した微動系1と粗動系2を制御してステージ1
つを所望の位置に精密に移動制御する方法を説明する。
By controlling the fine movement system 1 and coarse movement system 2 explained above, the stage 1
A method for precisely controlling the movement of one to a desired position will be explained.

最初に、粗動系2によってステージ19を目標位置近傍
に高速に移動する。これは図示しない位置検出装置から
の信号を粗動系2の励@電流制御にフィードバックする
ことにより行われる。そして、粗動により目標位置近傍
に達する直前、あるいは直後に粗動系2の制御を停止し
、微動系lによる膜固定子11の駆動を開始する。
First, the coarse movement system 2 moves the stage 19 near the target position at high speed. This is done by feeding back a signal from a position detection device (not shown) to the excitation@current control of the coarse movement system 2. Then, just before or after the rough movement reaches the vicinity of the target position, control of the coarse movement system 2 is stopped, and driving of the membrane stator 11 by the fine movement system 1 is started.

図示しない位置検出装置により目標位置とステージ1つ
の現位置との差を検出し、その差分に応した盪に対応す
るアクチュエータ12.13.14の変位量を図示しな
い演算装置により決定し、さらに各アクチュエータの変
位量に対応する印加電圧を決定して所定のアクチュエー
タに与える。アクチュエータか微動変位すると凝固電子
11の歯15か微動移動する4wi固定子11の#11
5が微動移動すると、それを結合している移動子構造体
16.17.18の磁極が安定磁路を形成するように磁
気吸引力による駆動力を受け、膜固定子11の移動に伴
って微小移動する。従って、粗動系2により(1’4)
P精度の2次元移動制御を行い、加えて微動系1により
100分の1μmオーダの2次元移動制御を行ってステ
ージ19を目標位置に精密に位置決めすることかできる
A position detection device (not shown) detects the difference between the target position and the current position of one stage, and a calculation device (not shown) determines the amount of displacement of the actuators 12, 13, 14 corresponding to the difference. An applied voltage corresponding to the amount of displacement of the actuator is determined and applied to a predetermined actuator. #11 of the 4wi stator 11 where the teeth 15 of the coagulation electron 11 move slightly when the actuator moves slightly.
When the membrane stator 5 moves slightly, the magnetic poles of the mover structures 16, 17, and 18 that connect it receive a driving force due to the magnetic attraction force so as to form a stable magnetic path, and as the membrane stator 11 moves, the magnetic poles of the mover structures 16, 17, and Move slightly. Therefore, by coarse movement system 2 (1'4)
The stage 19 can be precisely positioned at the target position by performing two-dimensional movement control with P precision and, in addition, by performing two-dimensional movement control on the order of 1/100 μm using the fine movement system 1.

なお、スライダの移動子構造体は、第1図に示したよう
な配置に限らず、ステージの大きさや移動する物体の負
inあるいは移動範囲、移動方向等を考慮して、種々の
数と組み合わせ配置を選択することか可能である。また
、微動系のアクチュエータについても、第11121の
ような配置に限るらのではなく、X方向とY方向にそれ
ぞれ2本つつ設けてもよい、膜固定子が四角型以外の変
則的な形状であれば、所望の移動形態に応じた適切な配
置を選択してもよい。
Note that the slider structure is not limited to the arrangement shown in Figure 1, but can be arranged in various numbers and combinations, taking into account the size of the stage, the negative intensities of the moving object, the moving range, the moving direction, etc. It is possible to choose the placement. In addition, the fine movement actuator is not limited to the arrangement as in No. 11121, but may be provided with two in each of the X and Y directions, or if the membrane stator has an irregular shape other than a rectangular shape. If so, an appropriate arrangement may be selected depending on the desired mode of movement.

次に、第6図に、2次元可動ステージ装置を半導体製造
装置のアライナに応用した例の断面構造を示す、第6図
で第1図と同じ参照番号のものは同様の構成部材を示す
、61は十分高い剛性を有するベースであり、微動系1
と粗動系2とを所定位置で可動可能なように支持してい
る。微動系1の膜固定子構造体11は、X方向アクチュ
エータ12、Y方向アクチュエータ13.14(図示せ
ず)によってベース61にマウントされる。一方、粗動
系2は、ステージ1つの膜固定子11との対向面状にX
、Y方向の移動子構造体17.18.16がそれぞれ配
設される。その面と反対側の面には、ウェーハ62か載
置される。ベース61には開孔部63が設けられ、光源
からの光が矢印の方向から図示しないマスク等を介して
ウェーハ62に照射される。ステージ19は、吸tx、
アベアリング装置64によって光a測のベース61に摩
擦かほとんどなしに支持される6吸着エアベアリング装
置64は、たとえば磁力によってステージI9をベース
61に吸引させ、たとえば空気の圧力によってのベース
61との間に一定の間隔を形成する力を発生する。エア
ベアリング装置の吸引力と粗動系2の磁気的吸引力とは
移動子構造体と擬固定子11との間隔がほぼ所定の距離
を保つように平衡調整される。従って、ステージ19は
、粗動系2と微動系1の制御によってベース6I上をほ
とんど摩擦なくスムーズに移動するように制御される9
本装置は、Y方向が重力方向でもよいし、あるいはZ方
向が重力方向で使用してもよい。
Next, FIG. 6 shows a cross-sectional structure of an example in which a two-dimensional movable stage device is applied to an aligner of semiconductor manufacturing equipment. In FIG. 6, the same reference numbers as in FIG. 1 indicate similar components. 61 is a base with sufficiently high rigidity, and the fine movement system 1
and coarse movement system 2 are movably supported at predetermined positions. The membrane stator structure 11 of the fine movement system 1 is mounted on the base 61 by an X-direction actuator 12, a Y-direction actuator 13, 14 (not shown). On the other hand, the coarse movement system 2 has an X
, Y-direction mover structures 17, 18, and 16 are provided, respectively. A wafer 62 is placed on the opposite surface. An opening 63 is provided in the base 61, and light from a light source is irradiated onto the wafer 62 from the direction of the arrow through a mask (not shown) or the like. Stage 19 is suction tx,
The 6-adsorption air bearing device 64, which is supported by the a-bearing device 64 on the base 61 of the optical a-meter with almost no friction, attracts the stage I9 to the base 61 by, for example, magnetic force, and allows the stage I9 to be attracted to the base 61 by, for example, air pressure. Generates a force that creates a constant distance between the two. The attractive force of the air bearing device and the magnetic attractive force of the coarse movement system 2 are balanced and adjusted so that the distance between the moving element structure and the pseudo stator 11 is maintained approximately at a predetermined distance. Therefore, the stage 19 is controlled by the coarse movement system 2 and the fine movement system 1 to move smoothly on the base 6I with almost no friction.
This device may be used with the Y direction being the gravitational direction, or the Z direction being the gravitational direction.

なお、Y方向を重力方向として使用する場合は、ステー
ジ装置19はベース61に対して摩擦力をほとんど有し
ていないため、ステージ1つを開孔s63と整列させて
おく際には、常にY方向の重力と逆方向に粗動系lの移
動部の重量に相当するバイアス駆動力をY方向移動子1
6によって与えておくとよい。
Note that when using the Y direction as the gravity direction, the stage device 19 has almost no frictional force against the base 61, so when aligning one stage with the opening s63, always A bias driving force corresponding to the weight of the moving part of the coarse movement system l is applied to the Y-direction mover 1 in the opposite direction to the gravity of the Y-direction.
It is better to give it by 6.

以上説明したような2次元可動ステージ装置は、半導体
装置のアライナに限らず、超S密機械装置、加工装置、
ロボット、X −Y 7’ロツク等の物体の精密な2次
元移動制御を必要とする様々な装置に適用できる。
The two-dimensional movable stage device described above is not limited to aligners for semiconductor devices, but also ultra-S dense mechanical devices, processing devices,
It can be applied to various devices that require precise two-dimensional movement control of objects such as robots and X-Y 7' locks.

以上実施例に沿って説明したが、本発明はこれらに制限
されるものではない6たとえば、種々の変更、改良、組
み合わせ等か可能なことは当業者に自明であろう。
Although the present invention has been described above with reference to the embodiments, it will be obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to these examples, and that, for example, various modifications, improvements, combinations, etc. can be made.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、粗動系にリニア
パルスモータを使用して、正確でバックラッシュやガタ
の内大きな駆動力を得、さらに、微動系に微小変位が可
能なアクチュエータを使用してパルスモータ自体の微小
移動を得る。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, a linear pulse motor is used in the coarse movement system to obtain a large driving force that is accurate and eliminates backlash and backlash, and furthermore, a fine movement system can be used to generate small displacements. Obtain minute movements of the pulse motor itself using an actuator that can.

これらの粗動系と微動系の組み合わせによって、高速で
、かつ超精密な物体の2次元ないしそれ以上の移動ステ
ージ装置か提供できる6 粗動系も微動系もその構造と作動原理かシンプルである
ので、装置の全体もコンパクトでシングルに構成できる
By combining these coarse movement systems and fine movement systems, it is possible to provide a high-speed, ultra-precise two-dimensional or more moving stage device for objects.6 Both the coarse movement system and the fine movement system have simple structures and operating principles. Therefore, the entire device can be compact and configured into a single piece.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の実施例による2次元モータ式X−Y
可動ステージ装置の要部外観図、第2図は、第1図の装
置で使用される圧電アクチュエータの側面図、 第3図(A)、(B)は、本発明の実施例によるリニア
パルスモータの動作原理を説明するための図、 第4図は、第3図のリニアパルスモータの駆動波形図、 第5図(A)、(B)、(C)は、本発明の実施例にお
けるステージ装置の移動方法を説明するための図、 第6図は、本発明の実施例によるステージ装置を半導体
製造装置のアライナに適用した例を示す図である。 図において、 l     微動系 2     粗動系 1.1      擬固定子 12      X方向アクチュエータ13.14  
 Y方向アクチュエータ15     固定子の歯 16      Y方向移動子W4造体17.18  
 X方向移動子構造体 19     ステージ 21.22   球面ヒンジ 31     永久磁石 32.33  磁芯(コア) 34.35  励磁コイル 61     ベース 62     ウェーハ 63     開孔部 64     エアベアリング装置
FIG. 1 shows a two-dimensional motor type X-Y according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view of a piezoelectric actuator used in the device of FIG. 1, and FIGS. 3(A) and (B) are a linear pulse motor according to an embodiment of the present invention. Figure 4 is a drive waveform diagram of the linear pulse motor in Figure 3. Figures 5 (A), (B), and (C) are stages in the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which a stage device according to an embodiment of the present invention is applied to an aligner of a semiconductor manufacturing device. In the figure, l Fine movement system 2 Coarse movement system 1.1 Pseudo stator 12 X-direction actuator 13.14
Y-direction actuator 15 Stator teeth 16 Y-direction mover W4 structure 17.18
X-direction mover structure 19 Stage 21.22 Spherical hinge 31 Permanent magnet 32.33 Core 34.35 Excitation coil 61 Base 62 Wafer 63 Opening 64 Air bearing device

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)、二次元面を有し、該面上に所定ピッチ間隔で配
置された高透磁率材料の複数の歯を有する擬固定子と、 前記擬固定子から所定間隔を保って配置され、前記擬固
定子の歯のピッチと異なるピッチで前記擬固定子の歯と
対向するように配置された高透磁率材料の複数の歯と、
励磁コイルとを有し、該励磁コイルの通電を制御するこ
とにより、該複数の歯のうち選択したものを磁極として
前記擬固定子に対して前記二次元方向に移動可能な移動
子と、 該移動子に固定されたステージと、 前記擬固定子をベースに接続し、前記擬固定子をベース
に対し前記二次元方向に微小移動することのできるアク
チュエータ手段と を含む二次元可動ステージ装置。
(1) a pseudo stator having a two-dimensional surface and having a plurality of teeth made of a high magnetic permeability material arranged at a predetermined pitch on the surface; and arranged at a predetermined distance from the pseudo stator; a plurality of teeth made of a high magnetic permeability material arranged to face the teeth of the pseudo stator at a pitch different from the pitch of the teeth of the pseudo stator;
an excitation coil, and is movable in the two-dimensional direction with respect to the pseudo stator by controlling energization of the excitation coil to use selected teeth among the plurality of teeth as magnetic poles; A two-dimensional movable stage device comprising: a stage fixed to a movable element; and actuator means that connects the pseudo-stator to a base and can minutely move the pseudo-stator in the two-dimensional direction with respect to the base.
(2)、前記アクチュエータ手段は、前記擬固定子の面
上で互いに直交するX方向とY方向に変位方向を持つ圧
電素子を有する第1と第2のアクチュエータを含み、 各アクチュエータは、前記変位方向と直交する方向に弾
性変位可能な構造を有する請求項1記載の二次元可動ス
テージ装置。
(2), the actuator means includes first and second actuators having piezoelectric elements having displacement directions in the X direction and the Y direction, which are orthogonal to each other on the surface of the pseudo stator; The two-dimensional movable stage device according to claim 1, having a structure capable of elastic displacement in a direction perpendicular to the above direction.
(3)、前記各アクチュエータは、長手方向に圧電変位
可能な圧電素子と該圧電素子の長手方向両端に設けられ
、長手方向に高い剛性を有し、長手方向に直交する方向
に弾性変位可能なヒンジを有する請求項2記載の二次元
可動ステージ装置。
(3) Each of the actuators includes a piezoelectric element that can be piezoelectrically displaced in the longitudinal direction, and is provided at both ends of the piezoelectric element in the longitudinal direction, has high rigidity in the longitudinal direction, and can be elastically displaced in a direction perpendicular to the longitudinal direction. The two-dimensional movable stage device according to claim 2, further comprising a hinge.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH10234174A (en) * 1997-02-19 1998-09-02 Toshiba Corp Actuator for x-y motions and semiconductor-connecting device
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