(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに固定された、コイルを備えた固定子と、
前記ベース上を移動可能である、前記コイルに対向する磁石を備えた可動子と、
前記コイルに電流を供給し、前記可動子に推進力を発生させる電流供給手段と、
前記可動子の、前記ベース側の端部において、前記ベース又は前記固定子と前記可動子との間に形成された間隙に粘性流体を保持する第１の減衰機構と、
前記可動子の、前記ベース側と反対側の端部において、前記可動子と前記固定子との間に形成された間隙に粘性流体を保持する第２の減衰機構と、を有し、
前記第１及び前記第２の減衰機構によって、前記可動子の両端部にそれぞれ減衰力を発生させることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記推進力の作用点に、前記第１及び前記第２の減衰機構による前記減衰力の合力の作用点が一致するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のリニアモータと、
前記リニアモータによって前記ベース上を移動するステージと、を有することを特徴とするステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学金型加工機や形状計測装置等の送り機構や、半導体露光装置等のＸＹステージあるいは精密位置決め装置に用いられるリニアモータ及びステージ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光学金型加工機や形状計測装置あるいは半導体製造用の露光装置等においては、被加工物や被測定物等を高精度でしかも迅速に位置決めすることが要求される。そこで、位置決め精度と応答性にすぐれたリニアモータを駆動部とし、空気静圧軸受をガイドとするＸＹステージ等の開発が進んでいる。
【０００３】
図６（ａ）は、一従来例によるＸＹステージ装置を示すもので、ＸＹ移動体１０３は、空気静圧軸受１０４を介してベース面１０１上をＸＹ方向に移動できる構成になっている。Ｙリニアモータ１０５は、Ｘガイド１０６をＹ方向に移動させるための推進力を発生させる。これにより、箱形空気静圧軸受１０７を介して連結されているＸＹ移動体１０３もＹ方向に移動する。Ｘ方向には、Ｘリニアモータ１０８の推進力により、直接ＸＹ移動体１０３をＸ方向に駆動している。
【０００４】
金型加工等における加工面の表面粗さを向上させるには、接触加工により発生する装置振動を抑えなければならない。このため、ステージ装置を制御しているリニアモータのサーボゲインを向上させ、外乱抑圧特性を向上させる必要がある。
【０００５】
しかしながら、サーボゲインが向上するに従って、リニアモータの推進力が剛体モードを励振するようになる。特に、剛体モードの中でもピッチングモードが制御困難であり、リニアモータのサーボ特性におけるゲイン交差周波数はピッチングの周波数以下となり、これ以上サーボゲインを上げられなくなる。このため、外乱抑圧特性も向上できなくなる。
【０００６】
そこで、図６（ｂ）に示すように、ステージの装置振動を取り除く振動減衰機構を取り付けた減衰機構付ステージが提案されている（特許文献１参照）。これは、コイル２０１とヨーク２０２からなる可動子と、磁石２０３とヨーク２０４からなる固定子とを備えたリニアモータによって駆動されるステージ上板２１０に、絶縁体の移動プレート２１１を取り付けて、容器２１２の中に挿入された減衰機構を有する。容器２１２の内側両サイドの側壁には、陽極２１３と陰極２１４を取り付け、その中に電気粘性流体２１５を入れている。移動プレート２１１は、陽極２１３及び陰極２１４のそれぞれと０．５ｍｍ以下の僅かな間隔を隔てた状態で移動する。この構成により、容器２１２と移動プレート２１１の間に減衰力を発生させ、ステージ振動を取り除くことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３１１７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら従来技術では、ステージ装置に減衰機構を別途付加しているため、装置が大型化し重量が増大する。これにより、ステージ装置の剛体モード周波数が低下しサーボゲインを下げざるを得なくなり、サーボによる外乱抑圧特性が低下する。
【０００９】
また、減衰機構による減衰力ベクトルとリニアモータの推進力ベクトルの延長線上にステージ重心が存在しないため、ステージ駆動時にピッチング等ステージ剛体モードを励振してしまう。これにより、さらにサーボゲインが低下し、外乱抑圧特性が悪化する。
【００１０】
本発明は、装置の大型化を解消するとともに外乱抑圧特性の低下を回避できる減衰機構を備えたリニアモータ及びステージ装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明のステージ装置は、ベースと、前記ベースに固定された、コイルを備えた固定子と、前記ベース上を移動可能である、前記コイルに対向する磁石を備えた可動子と、前記コイルに電流を供給し、前記可動子に推進力を発生させる電流供給手段と、前記可動子の、前記ベース側の端部において、前記ベース又は前記固定子と前記可動子との間に形成された間隙に粘性流体を保持する第１の減衰機構と、前記可動子の、前記ベース側と反対側の端部において、前記可動子と前記固定子との間に形成された間隙に粘性流体を保持する第２の減衰機構と、を有し、前記第１及び前記第２の減衰機構によって、前記可動子の両端部にそれぞれ減衰力を発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
リニアモータを構成する可動子と固定子間と、可動子とベース間等に粘性流体を挟み込むことで減衰機構を構成するものであるため、装置の大型化を解消できる。
【００１３】
また、２つの減衰機構の減衰力の合力とリニアモータの推進力の作用点を一致させて、ステージ重心に合わせることで、ピッチング等の外乱抑圧特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１によるステージ装置を示すもので、（ａ）はその平面図、（ｂ）は（ａ）のＡーＡ線から見た断面図である。
【図２】図１（ａ）に示す装置を矢印Ｂの方向から見た断面図である。
【図３】実施例１による振動低減効果を示すグラフである。
【図４】サーボゲイン向上効果を示すグラフである。
【図５】実施例２によるステージ装置を示すもので、（ａ）はリニアモータの内部を示す断面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】従来技術を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
図１及び図２は実施例１によるステージ装置に係るものである。図１（ａ）に示すように、本実施例によるステージ装置は、ベース１にガイド２が固定され、ステージ３は、エアベアリング４を介してベース上をガイド２に倣い移動可能である。ステージ３を駆動するためにリニアモータ５が２つ取り付けられている。図１（ｂ）に断面で示すように、各リニアモータ５は、ヨーク６に固定された磁石７を有する可動子と、ベース１に固定されたコイル固定部材８に保持されたコイル９を有する固定子と、を備える。電流供給手段からコイル９に供給される電流を、コイル９に対向する磁石７の磁束に交差させることで、ステージ３の移動方向にローレンツ力を発生し、ステージ３を駆動する。
【００１６】
各リニアモータ５には、可動子の上下両端部に、それぞれ減衰機構が取り付けられている。１つめは、可動子の、ベース側と反対側の端部を構成する上部ヨーク１０の下面と、固定子を構成するコイル固定部材８の上に取り付けられた保持部材１１との間に形成された数１０μｍの間隙に粘性流体を保持した減衰機構（第２の減衰機構）である。図２に示すように、保持部材１１はコイル固定部材８のなかでも、磁束が実質的に通過しない領域８ａに配置されている。
【００１７】
２つめは、リニアモータ５の可動子のベース側の端部を構成するヨーク６の下面に取り付けられた減衰用プレート１２と、ベース１と一体である保持部材１３のと間に数１０μｍの間隙を設け、粘性流体を保持した減衰機構（第１の減衰機構）である。粘性流体には１０００ＣＳ程度の動粘度を有するシリコンオイルを用いている。こうすることで、ステージ３が接触加工による加工力を受けても、振動を２つの減衰機構で吸収することができる。
【００１８】
なお、保持部材１１はコイル固定部材８と、保持部材１３はベース１と、また、減衰用プレート１２はヨーク６とそれぞれ一体化することで、さらなる省スペース化、軽量化が可能であり、軽量化により、減衰機構の追加による重量増は実質的に無くなる。
【００１９】
上記の減衰機構による効果を図３を用いて説明する。これはステージ振動を計測したもので、図３（ａ）に示すように、減衰機構が無い場合は、ステージ振動は４．５ｎｍＰ−Ｐであるが、（ｂ）に示すように、減衰機構を追加することでステージ振動は２．３ｎｍＰ−Ｐに低減されている。
【００２０】
図１（ａ）に示すように、ステージ３の重心Ｇは中心部にあり、（ｂ）に示すように、ステージ重心Ｇと同じ高さにローレンツ力による推進力Ｒａが発生するように各リニアモータ５を取り付けている。このため、２つのリニアモータ５による推進力Ｒａの合力Ｒの作用点とステージ重心Ｇを一致させることができる。
【００２１】
各リニアモータ５には２つの減衰機構が取り付けられている。上方の減衰機構で発生される減衰力をＤａ、下方の減衰機構で発生される減衰力をＤｂとし、それぞれのステージ重心Ｇからの高さをＬ１、Ｌ２とすると、減衰力Ｄａ、Ｄｂ及びＬ１、Ｌ２は以下の関係式を満たす。
Ｌ１×Ｄａ＝Ｌ２×Ｄｂ
【００２２】
これにより、図２に示すように、減衰力Ｄａと減衰力Ｄｂの合力の高さをステージ重心Ｇの高さに合わせることができる。また、２つのリニアモータ５にある４つの減衰機構で発生する４つの減衰力の合力Ｄの作用点と、ステージ重心Ｇと、各リニアモータ５の推進力Ｒａの合力Ｒの作用点とを一致させることができる。その結果、サーボゲイン向上の妨げとなるピッチングなどの剛体モードの励振を防ぐことができ、サーボゲインの向上が可能になり、ステージ３の外乱抑圧特性を向上できる。
【００２３】
図４は、上記の関係式に従って減衰機構を追加した場合のサーボ特性（開ループ特性）を示すグラフである。減衰機構なしの場合と比較して減衰機構ありの場合の方がゲインが高いことが分かる。数値としては、ゲイン交差周波数（ゲインが０ｄＢとなる周波数）が減衰機構なしの場合では１００Ｈｚであるが、減衰機構を適切に追加することで１５０Ｈｚに増大している。これにより最低動剛性は２倍程度増大する。
【００２４】
例えば、光学素子金型加工時の被加工物の振動が半分になるので、従来では表面粗さＰＶ２０ｎｍ程度であったものが、その半分の１０ｎｍに低減できる。
【００２５】
本実施例によれば、光学素子金型加工装置、形状計測装置、半導体露光装置等のＸＹステージあるいは精密位置決め装置において、減衰機構による装置の大型化及び外乱抑圧特性の低下を解消することができる。
【実施例２】
【００２６】
図５は実施例２によるステージ装置に係るものである。本実施例は、コイル固定部材８の上面と、可動子の上部ヨーク１０の間の間隙に粘性流体を挟んだ第２の減衰機構と、コイル固定部材８の下面と可動子のヨーク６の底壁内面との間の間隙に粘性流体を挟んだ第１の減衰機構を用いた点のみが実施例１と異なる。実施例１の保持部材１１、１３は省略されている。固定子のコイル固定部材８の上下の、磁束が実質的に通過しない領域８ａに粘性流体を塗布（保持）し、これらの面と、可動子の上部ヨーク１０及びヨーク６の底面間に数１０μｍの間隙を保つことで減衰機構を構成している。こうすることで、ステージが接触加工による加工力を受けても振動を２つの減衰機構で吸収することができる。
【００２７】
各リニアモータ５は、ヨーク６に取り付けられた磁石７による磁束と、コイル固定部材８に固定されたコイル９に流れる電流が交差することで推進力Ｒａを発生する。この推進力Ｒａにより、ヨーク６、上部ヨーク１０、磁石７からなる可動子は、コイル固定部材８に沿って直進する。このとき上下の減衰機構では減衰力Ｄａ、Ｄｂが発生する。減衰力Ｄａ、Ｄｂの作用点の距離Ｌ１、Ｌ２と、減衰力Ｄａ、Ｄｂの関係は実施例１と同様である。
【００２８】
実施例１に比べて、重量を増やすことなく微小振動の除振が可能であり、さらに、ベース１に保持部材１３を取り付ける必要がないため、より一層省スペースで設計自由度を高めることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
リニアモータと空気静圧軸受の組み合わせで構成されるＸＹステージや、工具スピンドルなどの送り装置に広く適用され、光学素子金型加工装置、形状計測装置、半導体露光装置等の加工計測精度を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１    ベース
２    ガイド
３    ステージ
４    エアベアリング
５    リニアモータ
６    ヨーク
７    磁石
８    コイル固定部材
９    コイル
１０    上部ヨーク
１１、１３    保持部材
１２    減衰用プレート
【図１】
0005388740.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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