JPH0890378A - 位置決めテーブル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 相切り替え用のセンサ（界磁検出器）を一切
削除しても、テーブルのイニシャライズ動作が可能な安
価で信頼性の高い位置決め装置を提供する。 【構成】 極性が交互に異なる複数の磁界を生じさせる
磁極５と、この磁界に対向させて配置した複数のコイル
４とを有し、磁界とコイルとの位置関係に応じて通電す
るコイルを選択的に切り替えることにより、直線的に駆
動する多相型のモータ、このモータによって移動され位
置決めされるテーブル１、このテーブルの位置を検出す
る位置検出手段７，９，１１、および、このテーブルを
前記モータの駆動方向に、磁石１７で予圧された静圧軸
受６を介して案内するガイド手段２を備えた位置決めテ
ーブル装置において、各コイルに所定の微小電流を順次
通電し、各通電前後のテーブルの変位を前記位置検出手
段により順次計測し、これらの計測結果により前記多相
型モータのコイルと磁極との位置関係を得る手段１８を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体露光装置、工作機
械等に使用する位置決めテーブル装置に係り、テーブル
の位置を検出する位置検出器と、テーブルの位置に応じ
て通電すべきコイルを選択的に切り替える多相型のモー
タと、磁石予圧された静圧軸受けを備えた位置決めテー
ブル装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来の位置決めテーブル装置の概
略構成図である。この図に示すような従来の位置決めテ
ーブル装置は、４相のコイルを一直線上に並べたリニア
モータコイル１０４を備えている。リニアモータコイル
１０４はコイル支持部材１０３に支持されており、リニ
アモータコイル１０４を構成するコイルの並ぶ方向と平
行に、一対のガイド１０２が設けられている。ガイド１
０２には、テーブル天板１０１が静圧軸受け１０６を介
して取り付けられており、テーブル天板１０１はガイド
１０２によって前記コイルの並ぶ方向に自在に案内され
る。静圧軸受けを使用した位置決めテーブルでは、静圧
軸受けの隙間を所定の値（数μｍ）に保つために予圧磁
石１１７を配置し、ガイド（磁性材）を吸収し予圧を与
える。テーブル天板１０１には可動磁石１０５が取り付
けられ、可動磁石１０５は前記コイルの並ぶ方向に永久
磁石を極性を交互にして４対並べて構成されている。

【０００３】また、ガイド１０２の側方にはテーブル天
板１０１の位置を検出するリニアスケールなどの位置検
出器１０７が設けられている。特に高精度な位置決め精
度が必要な半導体露光装置などでは、位置検出器として
レーザ測長器が使用される。位置検出器１０７からはテ
ーブルの移動方向に応じてアップ、ダウン（インクリメ
ンタル）信号が出力され、これをカウンタユニット１１
１でカウントすることによってテーブルの位置情報が得
られる。しかし、テーブルの絶対位置を得るには、テー
ブルに取り付けた遮光板１０８が原点フォトスイッチ１
０９を通過するまでテーブルを駆動し（この動作をテー
ブルのイニシャライズ動作と呼ぶ）、カウンタユニット
１１１を初期化させる必要がある。

【０００４】この多相型リニアモータを備えた位置決め
テーブル装置におけるリニアモータコイル１０４への通
電パターンを図５に示す。図中において記号ＡおよびＢ
は各コイルに流れる電流の向きを示し、記号Ｂは図面正
面から見て手前向きの電流を示し、記号Ａはその逆向き
に流れる電流の向きを示している。図５のケース０〜ケ
ース９に示すように、可動磁石１０５との位置関係によ
って通電するコイル及びそのコイルに流れる電流の向き
を切り替え、同一方向に推力を発生させることで、可動
磁石１０５を所定の方向に移動させるとともにテーブル
を移動させている。

【０００５】可動磁石１０５の極性（Ｎ極、Ｓ極）は、
コイル支持部材１０３に配置された界磁検出器（ホール
素子等）１１０で検出され、相切り替えコントローラ１
１３はこの界磁検出器１１０からの信号に応じて、図５
で示すように可動磁石とコイルの位置関係に応じてスイ
ッチ１１５を、適切に切り替え制御するものである。各
スイッチ１１５ごとにはコイル相が電流アンプ１１６を
介して接続されており、相切り替えコントローラ１１３
から出力されるコイル選択信号によりスイッチ１１５が
切り替え制御されて各コイルへの通電が行われる。

【０００６】カウンタユニット１１１にはサーボコント
ローラ１１２が接続されており、サーボコントローラ１
１２はテーブルの目標位置とカウンタユニット１１１か
ら得られる現在位置との差分を、例えばＰＩＤ演算して
制御出力を得、これをＤ／Ａコンバータ１１４へ指令値
として出力し位置決め制御を行う。Ｄ／Ａコンバータ１
１４の出力は、スイッチ１１５および電流アンプ１１６
を介して各コイルへ供給され、通電が行なわれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では界磁検出器を使用して可動磁石の位置を検出し
多相型モータの相の切り替えを行っているため、次のよ
うな問題点がある。 （１）界磁検出器を組み込んだ高価なコイルユニットを
製作する必要がある。 （２）界磁検出器からの多数の配線を引き回すのは面倒
で煩わしく、断線等の恐れもあり信頼性に欠ける。 （３）界磁検出器が１個でも破損するとテーブルが正常
に動作しない。

【０００８】そこで、界磁検出器を排除し位置決め制御
用の位置検出器（リニアスケール）のみを使用して多相
型モータの相切り替えを行うことが考えられる。しかし
安易に相切り替え用のセンサ（界磁検出器）を排除して
しまうと、位置決め装置の立ち上げ直後などはコイルと
可動磁石の位置関係が不明となり、どのコイルにどちら
向きに通電したら良いのかわからなくなり、原点スイッ
チまでのイニシャライズ動作が行えないという事態に陥
る。上述のインクリメンタル型の位置検出器では、原点
スイッチをテーブルが通過するまでは、絶対位置がわか
らないためである。

【０００９】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みてなさ
れたものであって、テーブルの位置を検出する位置検出
器と、多相型のモータと、磁石予圧された静圧軸受けと
を備えた位置決めテーブル装置において、位置決め制御
用とは別の相切り替え用のセンサ（界磁検出器）を一切
削除しても、テーブルのイニシャライズ動作が可能な安
価で信頼性の高い位置決め装置を提供することを目的と
している。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明では、極性が交互に異なる複数の磁界を生じさせ
る磁極と、この磁界に対向させて配置した複数のコイル
とを有し、磁界とコイルとの位置関係に応じて通電する
コイルを選択的に切り替えることにより、直線的に駆動
する多相型のモータ、このモータによって移動され位置
決めされるテーブル、このテーブルの位置を検出する位
置検出手段、および、このテーブルを前記モータの駆動
方向に、磁石予圧された静圧軸受を介して案内するガイ
ド手段を備えた位置決めテーブル装置において、各コイ
ルに所定の微小電流を順次通電し、各通電前後のテーブ
ルの変位を前記位置検出手段により順次計測し、これら
の計測結果により前記多相型モータのコイルと磁極との
位置関係を得る手段を有することを特徴とする。

【００１１】ここで、前記位置検出手段は、通常、所定
の原点位置にテーブルが位置していることを検出する原
点検出手段、および、この検出が行なわれた位置を基準
としてテーブルの移動量を測定する移動量測定手段手段
を有する。また、前記得られた位置関係に基づいて、前
記原点検出手段が原点を検出できるようにテーブルを原
点方向に駆動し、イニシャライズ動作を行なう手段を備
える。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、各コイルに所定の微小電流
を順次通電し、各通電前後のテーブルの変位を前記位置
検出手段により順次計測し、これらの計測結果により多
相型モータのコイルと磁極との位置関係が得られるた
め、位置決め制御用とは別の相切り替え用のセンサを一
切削除しても、得られた位置関係に基づいて原点スイッ
チまでのイニシャライズ駆動が行なわれる。したがっ
て、安価で信頼性の高い位置決め装置が提供される。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の一実施例に係る位置決めテー
ブル装置の概略構成図である。この位置決めテーブル装
置は、４相のコイル４１〜４４を一直線上に並べたリニ
アモータコイル４を備えている。リニアモータコイル４
はコイル支持部材３に支持されており、リニアモータコ
イル４を構成するコイルの並ぶ方向と平行に、一対のガ
イド２が設けられている。ガイド２には、テーブル天板
１が静圧軸受け６を介して取り付けられており、テーブ
ル天板１はガイド２によって前記コイルの並ぶ方向に自
在に案内される。このように静圧軸受けを使用した位置
決めテーブルでは、静圧軸受けの隙間を所定の値（数μ
ｍ）に保つために予圧磁石１７を配置し、ガイド（磁性
材）を吸収し予圧を与える。テーブル天板１には可動磁
石５が取り付けられ、可動磁石５は前記コイルの並ぶ方
向に永久磁石を極性を交互にして４対並べて構成されて
いる。

【００１４】また、ガイド２の側方にはテーブル天板１
の位置を検出するリニアスケールなどの位置検出器７が
設けられている。特に高精度な位置決め精度が必要な半
導体露光装置などでは、位置検出器としてレーザ測長器
が使用される。位置検出器７からはテーブルの移動方向
に応じてアップ、ダウン信号が出力され、これをカウン
タユニット１１に取り込んでカウントすることによりテ
ーブルの位置情報が得られる。しかし、テーブルの絶対
位置を得るには、テーブルに取り付けた遮光板８を原点
フォトスイッチ９が検出するまでテーブルを駆動し、そ
の検出出力によりカウンタユニット１１を初期化させる
必要がある。リニアモータコイル４への通電パターンは
図５と同様である。

【００１５】図２は、この静圧軸受けを使用した位置決
めテーブル装置において、静圧軸受け６の隙間を所定の
値にするために永久磁石１７をテーブル天板１に配置
し、これによりガイド（磁性材）２を吸収し予圧を与え
ている状態を示す。多相型モータのある一つのコイルに
一定の電流を通電すると、推力が発生しテーブルととも
に予圧磁石１７を動かす。しかしガイド２面は磁気ヒス
テリシス特性のために磁化される部分がずれるために磁
極が揃おうとする吸引力が働き、その結果永久磁石１７
により予圧が付与されている部分は線形なバネとして作
用するため、テーブルは推力にほぼ比例した変位にて静
止する。ただし、磁気ヒステリシス特性が線形なバネと
して作用するのは微小な領域であるため、コイルに与え
る電流値を必要以上に大きくしないように注意をする必
要がある。

【００１６】図３は、図５のコイルと磁石の各位置関係
（ケース０〜９）において、コイル４１〜４４のそれぞ
れに一定電流を通電した際に、磁気ヒステリシス特性の
バネと釣り合って発生する変位を示す。ここでは説明の
ため、相の切り替えピッチが１０ｍｍで磁気ヒステリシ
ス特性により最大約１００ミクロン程度変位するものと
する。次に可動磁石とコイルの位置関係すなわちテーブ
ルの絶対位置を推定する手順を図３を参照しながら具体
的な数値例をもとに説明する。

【００１７】まず、図４に示すように、コイル４１〜４
４のそれぞれに微小な電流を順次通電し、通電前後の変
位を順次計測する。各コイルへの通電に際しては、テー
ブルが磁気ヒステリシス力と釣り合って完全に静止した
後、通電前に対する変位を計測する。これにより、例え
ば次のような計測値が得られる。

【００１８】 コイル４１での変位：ｐｏｓ［１］＝＋５０μｍ コイル４２での変位：ｐｏｓ［２］＝＋１１０μｍ コイル４３での変位：ｐｏｓ［３］＝−３０μｍ コイル４４での変位：ｐｏｓ［４］＝０μｍ 次に、４個の計測データの最大値および符号より図３の
どのケースに該当するかを判定する。上述の計測値の場
合、コイル４２のデータが最も大きいが、これに該当す
るケースとして、図３から、ケース１とケース５の２通
りの場合があるため（図３の◆部分）、さらにコイル４
の変位量（◇）を比較することによって、ケース１に該
当することがわかる。

【００１９】次に該当するケース番号において、座標演
算に使用するコイル、すなわちそのケースにおける変位
の勾配を利用してそのケース内での詳細な座標p_fineを
求めるのに適したコイルが一意に決まる。各ケースにお
いて適した勾配の部分は★で示してある。図３からわか
るように勾配部分ａ★、ｂ★、ｃ★、ｄ★におけるp_fi
neはそれぞれ次の（ａ）〜（ｄ）の４つの演算式で表す
ことができる。

【００２０】 p_fine＝（pitch/(2*max_p))* d[n]+pitch/2 （式ａ） p_fine＝（-pitch/(2*max_p))* d[n]+pitch/2 （式ｂ） p_fine＝（pitch/(1.5*max_p))* d[n]+pitch/3 （式ｃ） p_fine＝（-pitch/(1.5*max_p))* d[n]+(2*pitch)/3 （式ｄ） ここで相切り替えピッチｐｉｔｃｈ＝１０ｍｍ、相切り
替え時の変位ｍａｘ＿ｐ＝１００μｍ、ｄ［ｎ］は座標
演算用参照コイル（★）について計測された変位の値で
ある。

【００２１】上述のケース１の場合では、コイル４１が
座標演算コイル（★）となり、ｄ［ｎ］＝５０μｍ、演
算式は（ａ）となる。具体的に数値を代入すれば p_fine=(10/(2*0.1))*0.05+10/2=7.5(mm) となる。

【００２２】最終的な座標は、座標＝ｐｉｔｃｈ＊ケー
ス番号＋ｐ＿ｆｉｎｅにより求められる。上述のケース
１の場合では、座標＝１０＊１＋７．５＝１７．５（ｍ
ｍ）となり、テーブルの絶対座標が求められる。

【００２３】以上の制御および演算はテーブル初期位置
推定部１８により行い、テーブル初期位置推定部１８
は、微小な一定電流を流すための指令をＤ／Ａコンバー
タ１４に、また計測時に相を順次切り替えるための相選
択信号を相切り替えコントローラ１３に出力する。

【００２４】しかしここで推定されるテーブルの絶対座
標は、多相型モータの相を切り替えるのに支障をきたさ
ない程度の誤差（±数ｍｍ）を含んだおおよその値であ
り、実際にはこの後テーブルを原点スイッチまで駆動し
てカウンタユニットを初期化する必要がある。テーブル
のおおよその初期位置が推定できれば、リニアスケール
７からの信号を推定された座標に加減算していくこと
で、相の切り替え位置にてスイッチ１５を適切に切り替
えることができ、その結果原点スイッチ９までのイニシ
ャライズ動作を行うことが可能となる。

【００２５】各スイッチ１５にはコイル相が電流アンプ
１６を介して接続されており、相切り替えコントローラ
１３から出力されるコイル選択信号によりスイッチ１５
が切り替え制御されて各コイルへの通電が行われる。カ
ウンタユニット１１にはサーボコントローラ１２が接続
されており、テーブルの目標位置とカウンタユニット１
１から得られる現在位置との差分を、例えばＰＩＤ演算
し制御出力としてＤ／Ａコンバータ１４へ指令値として
出力し位置決め制御を行う。

【００２６】なお、この実施例では、予圧磁石１７とし
て永久磁石を採用しているが、これらを電磁石にて行う
ことも可能である。磁石予圧はテーブルが移動する際
に、テーブルの移動方向とは反対向きに力を発生するた
めにモータの負荷となる。そこで、初期位置を推定する
時のみ電磁石に通電し磁気ヒステリシスを発生させ、そ
の後テーブルを移動させる時には通電を停止するといっ
た使用方法も考えられる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、各
コイルに所定の微小電流を順次通電し、各通電前後のテ
ーブルの変位を前記位置検出手段により順次計測し、こ
れらの計測結果により多相型モータのコイルと磁極との
位置関係が得られるため、位置決め制御用とは別の相切
り替え用のセンサ（界磁検出器）を一切排除しても、テ
ーブルのイニシャライズ動作を行なうことが可能とな
る。したがって、安価で信頼性の高い位置決め装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る位置決めテーブル装
置の概略構成図である。

【図２】 図１の位置決めテーブル装置の動作説明図で
ある。

【図３】 図１の装置の多相型リニアモータコイルの各
相に通電した際の変位波形を示す図である。

【図４】 図１の装置における変位計測のシーケンス図
である。

【図５】 多相型リニアモータコイルの通電パターンを
示した図である。

【図６】 従来の位置決めテーブル装置の概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１：テーブル天板、２：ガイド、３：コイル支持部材、
４：リニアモータコイル、５：可動磁石、６：静圧軸受
け、７：位置検出器（リニアスケール）、８：遮光板、
９：原点フォトスイッチ、１１：カウンタユニット、１
２：サーボコントローラ、１３：相切り替えコントロー
ラ、１４：Ｄ／Ａコンバータ、１５：スイッチ、１６：
電流アンプ、１７：予圧磁石、１８：テーブル初期位置
推定部、２２：可動磁石。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極性が交互に異なる複数の磁界を生じさ
   せる磁極と、この磁界に対向させて配置した複数のコイ
   ルとを有し、磁界とコイルとの位置関係に応じて通電す
   るコイルを選択的に切り替えることにより、直線的に駆
   動する多相型のモータ、このモータによって移動され位
   置決めされるテーブル、このテーブルの位置を検出する
   位置検出手段、および、このテーブルを前記モータの駆
   動方向に、磁石予圧された静圧軸受を介して案内するガ
   イド手段を備えた位置決めテーブル装置において、 各コイルに所定の微小電流を順次通電し、各通電前後の
   テーブルの変位を前記位置検出手段により順次計測し、
   これらの計測結果により前記多相型モータのコイルと磁
   極との位置関係を得る手段を有することを特徴とする位
   置決めテーブル装置。
2. 【請求項２】 前記位置検出手段は、所定の原点位置に
   テーブルが位置していることを検出する原点検出手段、
   および、この検出が行なわれた位置を基準としてテーブ
   ルの移動量を測定する移動量測定手段手段を有すること
   を特徴とする請求項１記載の位置決めテーブル装置。
3. 【請求項３】 前記得られた位置関係に基づいて、前記
   原点検出手段が原点を検出できるようにテーブルを原点
   方向に駆動し、イニシャライズ動作を行なう手段を備え
   ることを特徴とする請求項２記載の位置決めテーブル装
   置。