(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する第１および第２ガイド面を有するガイド支持体と、
前記第１および第２ガイド面に対向する第１および第２面を備え、前記第１および第２面にそれぞれエアベアリングが具備されたテーブルと、
前記テーブルをｘ軸方向に直線駆動させる駆動機と、
前記ガイド支持体とテーブルとの間に磁気予圧を印加し、前記テーブルに発生する５自由度運動誤差を補正できるようにガイド支持体とテーブルとの間の磁力を可変させる複数の磁気アクチュエータとを含み、
前記磁気アクチュエータは、
前記第１面にｘ軸方向に離隔して設けられた第１および第２アクチュエータと、
前記第２面にｘ軸方向に離隔して設けられた第３および第４アクチュエータと、
前記第２面に前記第３および第４アクチュエータからｚ軸方向に離隔して設けられた第５アクチュエータとを含むことを特徴とする能動補正型ステージ。
【請求項２】
前記テーブルは、
前記第１面を有する第１プレートと、
前記第１プレートの側面に垂直に結合され、前記第２面を有する第２プレートとを含み、
前記エアベアリングは、前記第１および第２面の複数の箇所に位置することを特徴とする請求項１に記載の能動補正型ステージ。
【請求項３】
前記５自由度運動誤差は、
ｙ軸運動誤差、ｚ軸運動誤差、ローリング運動誤差、ピッチ運動誤差、およびヨー運動誤差を含むことを特徴とする請求項１に記載の能動補正型ステージ。
【請求項４】
前記第１ないし第５アクチュエータは、
前記ガイド支持体に対向して配置された永久磁石と、
前記永久磁石を支持する内部コアと、
前記内部コアの外郭に巻線されるコイルと、
前記コイルの外郭に設けられるリング形態の外部コアとを含むことを特徴とする請求項１に記載の能動補正型ステージ。
【請求項５】
前記テーブルの移動距離をセンシングするリニアエンコーダと、
前記リニアエンコーダのセンシング値に基づいて前記テーブルの位置に対応する制御電流値を算出し、前記第１ないし第５アクチュエータに対応電流を印加する制御ユニットとをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の能動補正型ステージ。
【請求項６】
前記制御ユニットは、
予め算出されたテーブルの移動位置に応じた運動誤差値に基づいて前記制御電流値を算出することを特徴とする請求項５に記載の能動補正型ステージ。
【請求項７】
前記制御ユニットは、
前記制御電流値に関連する制御信号を発生させる制御器と、
前記制御信号に応じて前記第１ないし第５対応電流を印加する電力増幅器とを含むことを特徴とする請求項６に記載の能動補正型ステージ。
【請求項８】
前記テーブルに設けられ、前記テーブルの振動信号を検出する加速度計をさらに含み、
前記制御ユニットは、振動信号に基づいて前記テーブルの５自由度振動誤差を減衰するためのダンピング制御電流値を算出することを特徴とする請求項６に記載の能動補正型ステージ。
【請求項９】
前記振動信号は、５自由度の振動モードにそれぞれ対応する固有振動数帯域信号を通過させる第１ないし第５バンドパスフィルタを通過し、
前記制御ユニットは、フィルタリングされた信号に基づき、フィードバック制御方式を通じて前記磁気アクチュエータを制御することを特徴とする請求項８に記載の能動補正型ステージ。
【請求項１０】
請求項１に記載の能動補正型ステージの運動誤差補正方法において、
予め測定された前記テーブルの移動位置に応じた５自由度方向運動誤差値に基づいて補正情報を算出するステップと、
前記テーブルが直線移動するにつれ、前記リニアエンコーダから印加されるセンシング値と前記補正情報に基づいて前記テーブルの位置に対応する制御電流値を算出するステップと、
前記テーブルとガイド支持体との間に制御力が印加されるように前記制御電流値に相当する電流を前記第１ないし第５アクチュエータに印加するステップとを含むことを特徴とする能動補正型ステージの運動誤差補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工装置を移送させるための移送ステージに関するものであって、より詳細には、加工装置の移送時に発生し得る運動誤差を補正できるように構成された能動補正型ステージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、機械加工用移送ステージは、加工装置が直線移動しながら加工物を加工できるように加工装置を移送させる装置をいう。
移送ステージは、ガイド支持体と、ガイド支持体上で直線駆動されるテーブルとを含む構造を有する。テーブル上には加工装置が設けられ、テーブルの直線移動によって加工装置が移送され、機械加工を行う。
ガイド支持体とテーブルとの間にはエアベアリングが設けられ、エアベアリングは、ガイド支持体とテーブルとの間に空気膜を形成し、テーブルがガイド支持体に対して浮上した状態で移動するようにする。
ガイド支持体の面加工誤差はテーブルの移送時に運動誤差を招いてしまい、これは、機械加工時、加工物の加工誤差に直接的な原因となる。このような問題を解決するために、テーブルとガイド支持体との間に磁力を発生させ、運動誤差を補正する技術が提案されている。
ただし、テーブルの運動誤差は５自由度の多様な形態で発生することがあるが、このように多様な形態の運動誤差を補正できる技術についてはより多くの研究が必要なのが実情である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、加工装置の移送時に発生し得る５自由度運動誤差を補正することができる構造の能動補正型ステージおよびその運動誤差補正方法を提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の課題を実現するために、本発明は、互いに直交する第１および第２ガイド面を有するガイド支持体と、前記第１および第２ガイド面に対向する第１および第２面を備え、前記第１および第２面にそれぞれエアベアリングが具備されたテーブルと、前記テーブルをｘ軸方向に直線駆動させる駆動機と、前記ガイド支持体とテーブルとの間に磁気予圧を印加し、前記テーブルに発生する５自由度運動誤差を補正できるようにガイド支持体とテーブルとの間の磁力を可変させる複数の磁気アクチュエータとを含み、前記磁気アクチュエータは、前記第１面にｘ軸方向に離隔して設けられた第１および第２アクチュエータと、前記第２面にｘ軸方向に離隔して設けられた第３および第４アクチュエータと、前記第２面に前記第３および第４アクチュエータからｚ軸方向に離隔して設けられた第５アクチュエータとを含むことを特徴とする能動補正型ステージを開示する。
【０００５】
前記５自由度運動誤差は、ｙ軸運動誤差、ｚ軸運動誤差、ローリング運動誤差、ピッチ運動誤差、およびヨー運動誤差を含む。
【０００６】
前記第１ないし第５アクチュエータは、前記ガイド支持体に対向して配置された永久磁石と、前記永久磁石を支持する内部コアと、前記内部コアの外郭に巻線されるコイルと、前記コイルの外郭に設けられるリング形態の外部コアとを含む構造を有することができる。
【０００７】
前記能動補正型ステージは、前記テーブルの移動距離をセンシングするリニアエンコーダと、前記リニアエンコーダのセンシング値に基づいて前記テーブルの位置に対応する制御電流値を算出し、前記第１ないし第５アクチュエータに対応電流を印加する制御ユニットとをさらに含むことができる。
【０００８】
前記制御ユニットは、予め算出されたテーブルの移動位置に応じた運動誤差値に基づいて前記制御電流値を算出するように構成可能である。
【０００９】
前記制御ユニットは、前記制御電流値に関連する制御信号を発生させる制御器と、前記制御信号に応じて前記第１ないし第５対応電流を印加する電力増幅器とを含む構造を有することができる。
【００１０】
前記テーブルには、前記テーブルの振動信号を検出する加速度計が追加的に設けられ、前記制御ユニットは、振動信号に基づいて前記テーブルの５自由度振動誤差を減衰するためのダンピング制御電流値を算出するように構成可能である。ここで、前記振動信号は、５自由度の振動モードにそれぞれ対応する固有振動数帯域信号を通過させる第１ないし第５バンドパスフィルタを通過し、前記制御ユニットは、フィルタリングされた信号に基づき、フィードバック制御方式を通じて前記磁気アクチュエータを制御するように構成可能である。
【００１１】
一方、本発明は、予め測定された前記テーブルの移動位置に応じた５自由度方向運動誤差値に基づいて補正情報を算出するステップと、前記テーブルが直線移動するにつれ、前記リニアエンコーダから印加されるセンシング値と前記補正情報に基づいて前記テーブルの位置に対応する制御電流値を算出するステップと、前記テーブルとガイド支持体との間に制御力が印加されるように前記制御電流値に相当する電流を前記第１ないし第５アクチュエータに印加するステップとを含むことを特徴とする能動補正型ステージの運動誤差補正方法を開示する。
【発明の効果】
【００１２】
このような構成の本発明によれば、５自由度運動誤差を補正することができる能動補正型ステージの構造を提供する。
【００１３】
また、加速度計を用いた振動減衰制御を追加的に備えることにより、能動補正型ステージの移送精度をより向上させることができる。
【００１４】
さらに、５自由度運動誤差補正が可能な移送ステージを簡単な構造として実現し、加工に必要なコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる能動補正型ステージの斜視図である。
【図２】図１に示された能動補正型ステージの正面図である。
【図３】図１および図２に示されたテーブルを背面から眺めた斜視図である。
【図４】図３に示された第１アクチュエータの斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ方向に沿った第１アクチュエータの断面図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる能動補正型ステージの運動誤差補正方法を示すブロックダイアグラムである。
【図７】図６に示された制御ユニットの制御アルゴリズムを示す図である。
【図８】テーブルの移動距離に応じた運動誤差を示すグラフである。
【図９】テーブルの振動数に応じた振動誤差の大きさを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に関する能動補正型ステージおよびその運動誤差補正方法について、図面を参照してより詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態にかかる能動補正型ステージの斜視図であり、図２は、図１に示された能動補正型ステージの正面図である。そして、図３は、図１および図２に示されたテーブルを背面から眺めた斜視図である。
【００１８】
本発明にかかる能動補正型ステージは、ガイド支持体１１０と、テーブル１２０と、駆動機１８０と、磁気アクチュエータ１３０〜１７０とを含む。
【００１９】
ガイド支持体１１０は、設置面に固定設定される構造であって、互いに直交する第１および第２ガイド面Ｇ１、Ｇ２を備える。本実施形態の場合、第１ガイド面Ｇ１が水平面、第２ガイド面Ｇ２が垂直面の場合を例示しているが、その逆の場合も可能である。
【００２０】
テーブル１２０は、加工装置を支持した状態でガイド支持体１１０上を直線移動する構造であって、第１および第２ガイド面Ｇ１、Ｇ２に対向する第１および第２面Ｓ１、Ｓ２を備える。つまり、第１および第２面Ｓ１、Ｓ２も、互いに直交する構造を有する。本実施形態によれば、テーブル１２０は、第１プレート１２１と、第１プレート１２１の側面に垂直に結合された第２プレート１２２とを含む構造を有する。ここで、第１および第２プレート１２１、１２２は、それぞれ第１および第２面Ｓ１、Ｓ２を有する。
【００２１】
テーブル１２０の第１および第２面Ｓ１、Ｓ２にはエアベアリング１２５が備えられ、エアベアリング１２５は、ガイド支持体１１０とテーブル１２０との間に空気膜を形成し、テーブル１２０がガイド支持体１１０に対して一定間隔離隔した状態で移動するようにする。エアベアリング１２５は、公知の構造を有し、それに関する詳細な説明は省略し、エアベアリング１２５は、第１および第２面Ｓ１、Ｓ２の複数の箇所に位置し、第１および第２面の全面に均一な圧力が作用するようにする。
【００２２】
駆動機１８０は、テーブル１２０をｘ軸方向に直線駆動させる機能を果たす。本実施形態は、駆動機１８０としてリニアモータが使用されたことを例示している。駆動機１８０は、ガイド支持体１１０に設けられ、第１プレート１２１に固定された連結ブラケット１８５に連結される。
【００２３】
磁気アクチュエータ１３０〜１７０は、テーブル１２０に複数設けられ、ガイド支持体１１０とテーブル１２０との間に磁気予圧を印加する機能を果たす。エアベアリング１２５の剛性（Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）は、ガイド支持体１１０とテーブル１２０との間の間隙Ｇに反比例し、磁気予圧の印加によって前記間隙Ｇを一定以下に維持させ、エアベアリング１２５の剛性を増大させることができる。
【００２４】
磁気アクチュエータ１３０〜１７０は、前記のように磁気予圧を発生させる一方、ガイド支持体１１０とテーブル１２０との間の磁力を可変させ、テーブル１２０の５自由度運動誤差が補正されるようにする。
【００２５】
ここで、５自由度運動誤差は、テーブル１２０の移送方向（ｘ軸方向）に垂直な２つの方向（ｙ軸およびｚ軸方向）、ｘ軸を中心に回転する方向（θｘ方向）、ｙ軸を中心に回転する方向（θｙ方向）、およびｚ軸を中心に回転する方向（θｚ方向）に沿って発生することがあり、これら５つの方向に沿った運動誤差をそれぞれ、ｙ軸運動誤差、ｚ軸運動誤差、ローリング（ｒｏｌｌｉｎｇ）運動誤差、ピッチ（ｐｉｔｃｈ）運動誤差、およびヨー（ｙａｗ）運動誤差と称することができる。
【００２６】
このような５自由度運動誤差を補正するために、磁気アクチュエータは、５個のアクチュエータを含む構造を有する。
【００２７】
第１および第２アクチュエータ１３０、１４０は、テーブル１２０の第１面Ｓ１にｘ軸方向に沿って互いに離隔して設けられる。そして、第３および第４アクチュエータ１５０、１６０は、テーブル１２０の第２面Ｓ２にｘ軸方向に沿って互いに離隔して設けられる。第５アクチュエータ１７０は、第３および第４アクチュエータ１５０、１６０からｚ軸方向に離隔した位置に設けられる。第５アクチュエータ１７０の場合、第３および第４アクチュエータ１５０、１６０の間の中間位置からｚ軸方向に延びた位置に位置させることが好ましい。
【００２８】
このような構造により、第１ないし第５アクチュエータ１３０〜１７０は、５自由度の制御力を印加することができる。例えば、第１および第２アクチュエータ１３０、１４０で同じ磁力が発生すると、ｚ軸方向の制御力が発生し、第１および第２アクチュエータ１３０、１４０で互いに異なる磁力が発生すると、ピッチ方向の制御力が発生するのである。残りの方向制御方式もこれと同様に行われる。
【００２９】
図４は、図３に示された第１アクチュエータの斜視図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ方向に沿った第１アクチュエータの断面図である。以下の説明では、第１アクチュエータ１３０の構造を例として説明するが、第２ないし第５アクチュエータ１４０〜１７０も、第１アクチュエータ１３０と同様の構成を有する。
【００３０】
第１アクチュエータ１３０は、永久磁石１３１と、内部コア１３２と、コイル１３３と、外部コア１３４とを含む構造を有する。
【００３１】
永久磁石１３１は、ガイド支持体１１０に対向して配置され、磁気予圧を発生させる機能を果たす。内部コア１３２は、鉄などの磁性物質で形成され、永久磁石１３１を支持する構造を有する。内部コア１３２は、シリンダ（円柱）の形態を有し、内部コア１３２の外周面にはコイル１３３が巻線される。外部コア１３４は、コイル１３３の外郭に設けられ、リング形態の磁性物質で形成される。
【００３２】
コイル１３３に電流が印加されるにつれ、図５に示すように、閉ループ形態の磁場Ｂが形成され、印加される電流の大きさ、方向を調整することにより、磁力の大きさを調整することができる。
【００３３】
図６は、本発明の一実施形態にかかる能動補正型ステージの運動誤差補正方法を示すブロックダイアグラムであり、図７は、制御ユニットの制御アルゴリズムを示す図である。
【００３４】
図６を参照すれば、ガイド支持体１１０とテーブル１２０との間には、テーブル１２０の移動距離をセンシングするリニアエンコーダ１９１が設けられる。そして、リニアエンコーダ１９１には、第１ないし第５アクチュエータ１３０〜１７０の動作を制御する制御ユニット２００が連結される。制御ユニット２００は、制御電流値に関連する制御信号を発生させる制御器２１０と、制御信号に応じて第１ないし第５アクチュエータ１３０〜１７０に対応電流を印加する電力増幅器２２０とを含む。
【００３５】
テーブル１２０の移動位置に応じた運動誤差値は、実験の繰り返しにより予め求めることができる。運動誤差値の測定は、レーザ干渉計（ｌａｓｅｒ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）、ギャップセンサなどを用いて測定することができる。
【００３６】
図８は、テーブルの移動距離に応じた運動誤差を示すグラフである。運動誤差値の測定結果、図８のようなグラフ（補正前）を得ることができる。図８において、横軸はテーブル１２０の移動距離、縦軸は運動誤差値を示す。このようなグラフは、５自由度運動それぞれに対して得ることができる。参考として、図８は、補正後運動誤差が除去された結果を共に示している。
【００３７】
このような運動誤差値に基づいて制御電流値に関する補正情報を算出することができ、これは、次のような式で表すことができる。
ｉｍ（ｘ）＝Ｋｍ×εｍ（ｘ）
【００３８】
ここで、ｉｍ（ｘ）はテーブル１２０の移動位置に応じた制御電流値、εｍ（ｘ）はテーブル１２０の移動位置に応じた運動誤差、Ｋｍは制御ゲインを示す。制御ユニット２００の誤差計算器１９４は、測定結果に基づいた誤差計算を行ってεｍ（ｘ）を算出する。ここで、ｉｍ（ｘ）、Ｋｍ、εｍ（ｘ）はマトリクスで構成され、このような補正情報は制御ユニット２００に具備されたメモリなどの格納空間に格納される。
【００３９】
機械加工のために駆動機１８０を駆動させてテーブル１２０を移動させると、リニアエンコーダ１９１は、テーブル１２０の移動距離を制御ユニット２００に印加する。制御ユニット２００は、リニアエンコーダ１９１のセンシング値と以上のような補正情報に基づいてテーブル１２０の位置に対応する制御電流値を算出する。制御ユニット２００は、算出された制御電流値に相当する電流を第１ないし第５アクチュエータ１３０〜１７０に印加し、テーブル１２０とガイド支持体１１０との間に制御力が印加されるようにする。ここで、制御ユニット２００は、フィードフォワード制御方式を通じて磁気アクチュエータ１３０〜１７０を制御することになる。
【００４０】
一方、テーブル１２０の移動時にテーブル１２０に振動が発生することがあり、このような振動も５自由度の形態で発生し得る。本発明の能動補正型ステージは、このような５自由度振動によって発生する振動誤差を減衰するための構成を追加的に備えることができる。
【００４１】
振動誤差の減衰制御のために、テーブル１２０に加速度計１９２、１９３が追加的に設けられる。加速度計１９２、１９３は、テーブル１２０の振動信号を検出するためのものであって、加速度計１９２、１９３は、第１面Ｓ１の反対面と第２面Ｓ２の反対面に設けられる。
【００４２】
制御ユニット２００は、加速度計１９２、１９３から振動信号が印加され、これに基づいてテーブル１２０の振動誤差を減衰するためのダンピング制御電流値を算出する。
【００４３】
テーブル１２０にダンピングを与えるためには、速度に比例する制御を行わなければならないため、加速度計１９２、１９３から出る加速度信号を積分器１９６で積分して速度信号を得る。
【００４４】
図９は、テーブルの振動数に応じた振動誤差の大きさを示すグラフである。図９のようなグラフは衝撃試験を通じて得ることができ、横軸と縦軸は振動数と振動誤差をそれぞれ示す。これによれば、５自由度運動それぞれの特定の固有振動数帯域を有する。図９は、ローリングモードで固有振動数がｆ１、ピッチモードで固有振動数がｆ２であることを例示しており、補正前後の結果を共に示している。
【００４５】
このような事項を利用して、加速度計１９２、１９３で検出された加速度信号は、積分後、第１ないし第５バンドパスフィルタ１９５を通過するように構成される。ここで、第１ないし第５バンドパスフィルタ１９５は、５自由度振動モードにそれぞれ対応する固有振動数帯域信号を通過させるように構成される。
【００４６】
テーブル１２０の振動減衰制御のための補正情報は、次のような数式で表すことができる。
ｉｄ＝Ｋｄ×εｄ
【００４７】
ここで、ｉｄはテーブル１２０の制御電流値、εｄは加速度計１９２、１９３で検出された加速度信号εを積分して計算された速度振動信号をバンドパスフィルタ１９５でフィルタリングした値、Ｋｄは制御ゲインを示す。このように、速度振動信号にバンドパスと制御ゲインＫｄを乗じて制御電流値を得ることになる。ここで、ｉｄ、Ｋｄ、εｄはマトリクスで構成され、制御ユニット２００は、バンドパスフィルタ１９５でフィルタリングされた信号に基づき、フィードバック制御方式を通じて磁気アクチュエータ１３０〜１７０を制御する。
【００４８】
要するに、制御ユニット２００は、リニアエンコーダ１９１で検出されたテーブル１２０の位置情報ｘに基づき、フィードフォワード制御方式を通じて制御信号を発生させ、加速度計１９２、１９３で検出された振動信号εに基づき、フィードバック制御方式を通じて制御信号を発生させ、これら制御信号が合算されて磁気アクチュエータ１３０〜１７０に印加されることになる。
【００４９】
これによれば、運動誤差だけでなく、振動誤差まですべて考慮して誤差を補償するため、能動補正型ステージの移送精度をより向上させることができる。ただし、本発明は、運動誤差および振動誤差をすべて考慮した構成に限定されるものではなく、運動誤差だけを考慮した構成で実現されることも可能である。
【００５０】
以上、本発明にかかる能動補正型ステージおよびその運動誤差補正方法を、添付した図面を参照して説明したが、本発明は、本明細書に開示された実施形態と図面によって限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で当業者によって多様な変形が可能である。
【図１】
0005473040.tif 000002
【図２】
0005473040.tif 000003
【図３】
0005473040.tif 000004
【図４】
0005473040.tif 000005
【図５】
0005473040.tif 000006
【図６】
0005473040.tif 000007
【図７】
0005473040.tif 000008
【図８】
0005473040.tif 000009
【図９】
0005473040.tif 000010