(57)【要約】【課題】装置の高さが大きくなるのを抑制するとともに、装置全体の小型化を図ることが可能なθＺ駆動装置を提供する。【解決手段】このθＺステージユニット１１０（θＺ駆動装置）は、ベース部１０と、ベース部１０に対して上下方向であるＺ方向およびＺ方向を回転中心線とするθ方向に駆動されるステージ２０と、ベース部１０に対してステージ２０を少なくともＺ方向に駆動する第１モータ３０と、少なくともステージ２０の重量を補償する重量補償部４０とを備え、第１モータ３０および重量補償部４０は、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、
前記ベース部に対して上下方向であるＺ方向およびＺ方向を回転中心線とするθ方向に駆動されるステージと、
前記ベース部に対して前記ステージを少なくともＺ方向に駆動する第１モータと、
少なくとも前記ステージの重量を補償する重量補償機構とを備え、
前記第１モータおよび前記重量補償機構は、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている、θＺ駆動装置。
【請求項２】
前記第１モータは、前記重量補償機構よりも前記ステージの回転中心線に対して半径方向の外側に配置されている、請求項１に記載のθＺ駆動装置。
【請求項３】
前記ステージの中央部の下部に配置され、前記ステージをＺ方向およびθ方向に移動可能に支持する軸受部をさらに備え、
前記第１モータおよび前記重量補償機構は、前記軸受部の外側に配置されているとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が前記軸受部の上下方向の配置高さ範囲と重なるように配置されている、請求項１または２に記載のθＺ駆動装置。
【請求項４】
前記軸受部は、
前記ベース部に設けられた円筒形状のガイド部と、
前記ステージの下部に前記ステージとともに移動するように設けられ、前記ガイド部に軸支されながら前記ステージとともにＺ方向およびθ方向に移動する可動部と、
前記可動部の下部側に配置され、前記可動部のＺ方向およびθ方向の位置を検知する２次元エンコーダとを含み、
前記２次元エンコーダは、前記可動部の下部に設けられ、円形状の外周面を有する被検知部と、前記ベース部に設けられ、前記被検知部を検知するＺ方向検知部およびθ方向検知部とを含む、請求項３に記載のθＺ駆動装置。
【請求項５】
前記２次元エンコーダの被検知部は、前記円形状の外周面にＺ方向に延びるとともに円周方向に沿って略等角度間隔で設けられた複数のθ方向検知用スリットと、前記円形状の外周面に前記θ方向検知用スリットと直交するように円周方向に延びるとともにＺ方向に略等間隔で設けられたＺ方向検知用スリットとを含む、請求項４に記載のθＺ駆動装置。
【請求項６】
前記軸受部は、エア軸受部であり、
前記エア軸受部は、
前記ベース部に設けられた円筒形状のエアガイド部と、
前記ステージの下部に設けられ、前記円筒形状のエアガイド部の内側に空隙を介して水平方向に対向した状態で前記エアガイド部により非接触で軸支されながら、前記ステージとともに移動するエア可動部と、
前記エアガイド部の内部に前記空隙に達するように設けられたオリフィスと、
前記オリフィスと接続され、前記オリフィスを介して前記空隙にエアを供給するためのエア経路とを含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載のθＺ駆動装置。
【請求項７】
前記重量補償機構は、
前記ベース部に回転可能に取り付けられた回転ベースと、
前記回転ベースと前記ステージとの間に配置され、前記ステージを上方に付勢する付勢部材とを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のθＺ駆動装置。
【請求項８】
前記付勢部材は、略矩形状の断面を有する圧縮コイルバネを含む、請求項７に記載のθＺ駆動装置。
【請求項９】
前記第１モータは、前記ステージをＺ方向に駆動するように構成され、
前記ベース部に対して前記ステージをθ方向に駆動する第２モータをさらに備え、
前記第１モータの固定子および可動子は、水平方向に対向するように配置されており、
前記第２モータの固定子および可動子は、水平方向に対向するように配置されており、
前記第１モータの固定子および可動子と、前記第２モータの固定子および可動子と、前記重量補償機構とは、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のθＺ駆動装置。
【請求項１０】
前記第１モータは、前記ベース部に対して前記ステージをＺ方向およびθ方向に駆動するように一体化された１つの共用モータであり、
前記共用モータの固定子および可動子は、水平方向に対向するように配置されており、
前記共用モータの固定子および可動子と、前記重量補償機構とは、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のθＺ駆動装置。
【請求項１１】
θＺ駆動部と、
前記θＺ駆動部を水平面内のＸ方向に駆動するＸ方向駆動部と、
前記θＺ駆動部を前記Ｘ方向と直交する水平面内のＹ方向に駆動するＹ方向駆動部とを備え、
前記θＺ駆動部は、
ベース部と、
前記ベース部に対して上下方向であるＺ方向およびＺ方向を回転中心線とするθ方向に駆動されるステージと、
前記ベース部に対して前記ステージを少なくともＺ方向に駆動する第１モータと、
少なくとも前記ステージの重量を補償する重量補償機構とを含み、
前記第１モータおよび前記重量補償機構は、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている、ステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、θＺ駆動装置およびステージ装置に関し、特に、上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）に駆動されるステージを備えたθＺ駆動装置およびステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）に駆動されるステージを備えたθＺ駆動装置およびステージ装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、Ｚ軸部材を有するステージと、Ｚ軸部材の上下方向の移動を規制するＺ軸支持ベースと、Ｚ軸支持ベースを回動可能に支持するθＺ支持ベースとを含むθＺ駆動部を備えたステージ装置が開示されている。この特許文献１によるステージ装置のθＺ駆動部では、角柱形状を有するＺ軸部材がステージ下面から下方向に突出するとともに、突出したＺ軸支持部材がＺ軸支持ベースに設けられた角型筒状のガイド部に上下方向（Ｚ方向）に移動可能に嵌合するように構成されている。また、Ｚ軸支持ベースは、ガイド部の側面から水平方向に延びる円板状の鍔部を有し、この鍔部の外周の下端部をθＺ支持ベースが回動可能に支持している。このように、特許文献１によるステージ装置のθＺ駆動部は、ステージと、Ｚ軸支持ベースと、θＺ支持ベースとが、上下方向に３段重ねに重なるように構成されている。また、θＺ支持ベースには、ステージを挟んで対向するように一対のＺ軸アクチュエータ（ボイスコイルモータ）が設けられており、このＺ軸アクチュエータによってステージを昇降させるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２７６５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１によるステージ装置のθＺ駆動部では、ステージと、Ｚ軸支持ベースと、θＺ支持ベースとが上下方向に重なるように配置されているため、θＺ駆動部の高さが大きくなり、その結果、ステージ装置の高さが大きくなってしまうという問題点がある。また、ステージを上昇させる場合に、Ｚ軸アクチュエータによりステージおよびステージ上に載置される基板などの全重量を支える必要があるため、Ｚ軸アクチュエータを高出力にする必要がある。このため、Ｚ軸アクチュエータが大型化するので、その分、θＺ駆動部およびステージ装置全体も大型化してしまうという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、装置の高さが大きくなるのを抑制するとともに、装置全体の小型化を図ることが可能なθＺ駆動装置およびステージ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段および発明の効果】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面によるθＺ駆動装置は、ベース部と、ベース部に対して上下方向であるＺ方向およびＺ方向を回転中心線とするθ方向に駆動されるステージと、ベース部に対してステージを少なくともＺ方向に駆動する第１モータと、少なくともステージの重量を補償する重量補償機構とを備え、第１モータおよび重量補償機構は、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。
【０００８】
この第１の局面によるθＺ駆動装置では、上記のように、少なくともステージの重量を補償する重量補償機構を設けるとともに、ベース部に対してステージを少なくとも上下方向であるＺ方向に駆動する第１モータを設けることによって、重量補償機構によりステージおよびステージ上に載置される基板固定用のチャックなどの重量を補償した状態で、第１モータによりステージを上下方向に昇降させることができる。これにより、ステージの昇降を行う際に第１モータが支持する重量を軽減することができるので、第１モータを高出力にする必要がなく、第１モータとして小型のモータを用いることができる。これにより、θＺ駆動装置全体の小型化を図ることができる。さらに、この第１の局面によるθＺ駆動装置では、第１モータおよび重量補償機構を水平方向に間隔を隔てて配置するとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置することによって、重量補償機構を設けたとしても、第１モータおよび重量補償機構を上下方向（Ｚ方向）の配置高さ範囲が重なるように配置することができるので、その分、θＺ駆動装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。これらの結果、θＺ駆動装置の高さが大きくなるのを抑制することができるとともに、θＺ駆動装置全体の小型化を図ることができる。
【０００９】
上記第１の局面によるθＺ駆動装置において、好ましくは、第１モータは、重量補償機構よりもステージの回転中心線に対して半径方向の外側に配置されている。このように構成すれば、第１モータを重量補償機構よりもステージの回転中心線に対して半径方向の内側に配置する場合と比べて第１モータの水平方向の設置面積を大きくすることができるので、その分、第１モータの出力を大きくすることができる。これにより、第１モータの高さを大きくすることなく、ステージの昇降を行うのに必要な出力を得ることができるので、これによっても、θＺ駆動装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【００１０】
上記第１の局面によるθＺ駆動装置において、好ましくは、ステージの中央部の下部に配置され、ステージをＺ方向およびθ方向に移動可能に支持する軸受部をさらに備え、第１モータおよび重量補償機構は、軸受部の外側に配置されているとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が軸受部の上下方向の配置高さ範囲と重なるように配置されている。このように構成すれば、第１モータおよび重量補償機構に加えて、軸受部も第１モータおよび重量補償機構と上下方向（Ｚ方向）の配置高さ範囲が重なるように配置することができるので、θＺ駆動装置の高さが大きくなるのをさらに抑制することができる。
【００１１】
この場合において、好ましくは、軸受部は、ベース部に設けられた円筒形状のガイド部と、ステージの下部にステージとともに移動するように設けられ、ガイド部に軸支されながらステージとともにＺ方向およびθ方向に移動する可動部と、可動部の下部側に配置され、可動部のＺ方向およびθ方向の位置を検知する２次元エンコーダとを含み、２次元エンコーダは、可動部の下部に設けられ、円形状の外周面を有する被検知部と、ベース部に設けられ、被検知部を検知するＺ方向検知部およびθ方向検知部とを含む。このように構成すれば、円筒形状のガイド部に軸支される可動部の下部側に２次元エンコーダを配置することによって、軸受部（ガイド部）の内部に収容するように２次元エンコーダを設けることができるので、エンコーダをステージの外部に設ける場合と比較して、θＺ駆動装置全体を小型化することができる。また、２次元エンコーダがＺ方向検知部およびθ方向検知部を含むことにより、Ｚ方向検知用のエンコーダとθ方向検知用のエンコーダとをそれぞれ別個に設ける必要がないので、その分、θＺ駆動装置全体の小型化を図ることができる。
【００１２】
上記軸受部が２次元エンコーダを含む構成において、好ましくは、２次元エンコーダの被検知部は、円形状の外周面にＺ方向に延びるとともに円周方向に沿って略等角度間隔で設けられた複数のθ方向検知用スリットと、円形状の外周面にθ方向検知用スリットと直交するように円周方向に延びるとともにＺ方向に略等間隔で設けられたＺ方向検知用スリットとを含む。このように構成すれば、２次元エンコーダのＺ方向検知部が被検知部のＺ方向検知用スリットを検知するとともに、θ方向検知部が、被検知部のθ方向検知用スリットを検知することができるので、共通の被検知部を用いて可動部のＺ方向およびθ方向の位置を検知することができる。
【００１３】
上記軸受部をさらに備える構成において、好ましくは、軸受部は、エア軸受部であり、エア軸受部は、ベース部に設けられた円筒形状のエアガイド部と、ステージの下部に設けられ、円筒形状のエアガイド部の内側に空隙を介して水平方向に対向した状態でエアガイド部により非接触で軸支されながら、ステージとともに移動するエア可動部と、エアガイド部の内部に空隙に達するように設けられたオリフィスと、オリフィスと接続され、オリフィスを介して空隙にエアを供給するためのエア経路とを含む。このように構成すれば、エア軸受部によって、摩擦抵抗が無い非接触の状態でステージを回転可能に支持することができる。
【００１４】
上記第１の局面によるθＺ駆動装置において、好ましくは、重量補償機構は、ベース部に回転可能に取り付けられた回転ベースと、回転ベースとステージとの間に配置され、ステージを上方に付勢する付勢部材とを含む。このように構成すれば、ステージが回転方向（θ方向）に駆動される場合にも、回転ベースによって付勢部材をステージの回転に伴って回転させることができる。これにより、付勢部材がステージを上方に付勢してステージの重量を補償した状態のままでステージを回転方向（θ方向）に駆動することができる。
【００１５】
この場合において、好ましくは、付勢部材は、略矩形状の断面を有する圧縮コイルバネを含む。このように構成すれば、圧縮コイルバネが略矩形状の断面を有することにより、一般的な円形断面のコイルバネと比較して大きな断面二次モーメントを有するので、ステージの回転時に圧縮コイルバネに対して加わる横方向（圧縮方向と直交する方向）の力によって圧縮コイルバネが横方向に変形するのを抑制することができる。これにより、ステージの回転駆動時においても、ステージの重量を安定して支えることができる。
【００１６】
上記第１の局面によるθＺ駆動装置において、好ましくは、第１モータは、ステージをＺ方向に駆動するように構成され、ベース部に対してステージをθ方向に駆動する第２モータをさらに備え、第１モータの固定子および可動子は、水平方向に対向するように配置されており、第２モータの固定子および可動子は、水平方向に対向するように配置されており、第１モータの固定子および可動子と、第２モータの固定子および可動子と、重量補償機構とは、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。このように構成すれば、第１モータの固定子および可動子を水平方向に対向するように配置して第１モータの上下方向（Ｚ方向）の大きさ（高さ）を抑制することができるとともに、第２モータの固定子および可動子とを水平方向に対向するように配置して第２モータの上下方向（Ｚ方向）の大きさ（高さ）を抑制することができ、かつ、第１モータと、第２モータと、重量補償機構とを上下方向（Ｚ方向）の配置高さ範囲が重なるように配置することができるので、θＺ駆動装置の高さが大きくなるのをさらに抑制することができる。
【００１７】
上記第１の局面によるθＺ駆動装置において、好ましくは、第１モータは、ベース部に対してステージをＺ方向およびθ方向に駆動するように一体化された１つの共用モータであり、共用モータの固定子および可動子は、水平方向に対向するように配置されており、共用モータの固定子および可動子と、重量補償機構とは、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。このように構成すれば、１つの共用モータによりステージをＺ方向およびθ方向に駆動することができるので、複数のモータを用いる場合と比較して、θＺ駆動装置全体をより小型化することができる。さらに、共用モータの固定子および可動子と、重量補償機構とを上下方向（Ｚ方向）の配置高さ範囲が重なるように配置することができるので、θＺ駆動装置の高さが大きくなるのを抑制することもできる。
【００１８】
この発明の第２の局面によるステージ装置は、θＺ駆動部と、θＺ駆動部を水平面内のＸ方向に駆動するＸ方向駆動部と、θＺ駆動部をＸ方向と直交する水平面内のＹ方向に駆動するＹ方向駆動部とを備え、θＺ駆動部は、ベース部と、ベース部に対して上下方向であるＺ方向およびＺ方向を回転中心線とするθ方向に駆動されるステージと、ベース部に対してステージを少なくともＺ方向に駆動する第１モータと、少なくともステージの重量を補償する重量補償機構とを含み、第１モータおよび重量補償機構は、水平方向に間隔を隔てて配置されるとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。
【００１９】
この第２の局面によるステージ装置では、上記のように、少なくともステージの重量を補償する重量補償機構をθＺ駆動部に設けるとともに、ベース部に対してステージを少なくとも上下方向であるＺ方向に駆動する第１モータをθＺ駆動部に設けることによって、重量補償機構によりステージおよびステージ上に載置される基板などの重量を補償した状態で、第１モータによりステージを上下方向に昇降させることができる。これにより、ステージの昇降を行う際に第１モータが支持する重量を軽減することができるので、第１モータを高出力にする必要がなく、第１モータとして小型のモータを用いることができる。これにより、θＺ駆動部の小型化を図ることができるので、θＺ駆動部を含むステージ装置全体の小型化を図ることができる。さらに、この第２の局面によるステージ装置では、θＺ駆動部の第１モータおよび重量補償機構を水平方向に間隔を隔てて配置するとともに、上下方向の配置高さ範囲の少なくとも一部が互いに重なるように配置することによって、重量補償機構を設けたとしても、第１モータおよび重量補償機構を上下方向（Ｚ方向）の配置高さ範囲が重なるように配置することができるので、その分、θＺ駆動部の高さが大きくなるのを抑制することができ、その結果、θＺ駆動部を含むステージ装置全体の高さが大きくなるのを抑制することができる。これらの結果、θＺ駆動部を含むステージ装置の高さが大きくなるのを抑制することができるとともに、θＺ駆動部を含むステージ装置全体の小型化を図ることができる。
【００２０】
また、この第２の局面によるステージ装置では、θＺ駆動部を水平面内のＸ方向に駆動するＸ方向駆動部と、θＺ駆動部をＸ方向と直交する水平面内のＹ方向に駆動するＹ方向駆動部とを設けることによって、θ方向およびＺ方向に加えて、水平面内のＸ方向およびＹ方向にステージを移動させることができるので、装置高さが大きくなるのが抑制され、かつ、装置が小型化された４軸駆動のステージ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態によるθＺステージユニットを含むＸＹθＺステージの全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した第１実施形態によるＸＹθＺステージのθＺステージユニットの構造を模式的に示した縦断面図である。
【図３】図１に示した第１実施形態によるＸＹθＺステージのθＺステージユニットの構造を模式的に示した横断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態によるＸＹθＺステージのθＺステージユニットの構造を模式的に示した縦断面図である。
【図５】図４に示した第２実施形態によるＸＹθＺステージのθＺステージユニットに用いる共用モータの構造を説明するための斜視図である。
【図６】図４に示した第２実施形態によるＸＹθＺステージのθＺステージユニットに用いる共用モータの固定子および可動子を模式的に示した縦断面図である。
【図７】図４に示した第２実施形態によるＸＹθＺステージのθＺステージユニットに用いる共用モータの固定子および可動子を模式的に示した横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
（第１実施形態）
まず、図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態によるθＺステージユニット１１０を含むＸＹθＺステージ１００の構造について説明する。なお、この第１実施形態では、半導体ウエハの検査用ステージなどに用いられるθＺステージユニット１１０を含む４軸のＸＹθＺステージ１００に本発明を適用した例について説明する。なお、θＺステージユニット１１０は、本発明の「θＺ駆動装置」および「θＺ駆動部」の一例であり、ＸＹθＺステージ１００は、本発明の「ステージ装置」の一例である。
【００２４】
図１に示すように、第１実施形態によるＸＹθＺステージ１００は、θＺステージユニット１１０とＸＹステージユニット１２０とを備えている。θＺステージユニット１１０は、ステージ２０を鉛直上下方向（Ｚ方向）および鉛直の中心軸回りの回転方向（θ方向）に駆動することにより、ステージ２０上に載置された半導体ウエハなどの位置決め（Ｚ方向およびθ方向の位置決め）を行うためのユニットである。また、θＺステージユニット１１０は、可動部１２３を水平面内で直交するＸ方向およびＹ方向に移動可能なＸＹステージユニット１２０と組み合わせて使用することにより、第１実施形態による４軸の位置決めを行うＸＹθＺステージ１００を構成することが可能である。
【００２５】
ＸＹステージユニット１２０は、それぞれリニアモータなどからなるＸ駆動部１２１と、Ｙ駆動部１２２とを含んでいる。Ｘ駆動部１２１は、θＺステージユニット１１０が設けられた可動部１２３をＸ方向に直線状に移動させるように構成されている。また、Ｙ駆動部１２２は、Ｘ駆動部１２１に固定された可動部をＹ方向に直線状に移動させることにより、θＺステージユニット１１０およびＸ駆動部１２１とをＹ方向に移動させるように構成されている。これにより、ＸＹステージユニット１２０は、θＺステージユニット１１０をＸ方向およびＹ方向に移動させてＸＹ方向の所定位置に配置（位置決め）することが可能なように構成されている。なお、第１実施形態においては、ＸＹステージユニット１２０には公知の構成を採用可能である。したがって、ＸＹステージユニット１２０の詳細な説明は省略する。
【００２６】
以下、θＺステージユニット１１０の構造について詳細に説明する。図１に示すように、θＺステージユニット１１０は、直径Ｄ１および高さ範囲Ｈ１の円板形状を有している。また、図２に示すように、θＺステージユニット１１０は、ベース部１０と、半導体ウエハなどが上面に載置されるステージ２０と、ステージ２０を上下方向（Ｚ方向）に駆動する第１モータ３０と、重量補償部４０と、ステージ２０を中心軸回りの回転方向（θ方向）に駆動する第２モータ５０と、ステージ２０の上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）の移動をガイドする軸受部６０とを備えている。また、軸受部６０は、ステージ２０の上下方向の位置および回転方向の位置（回転角度位置）を検出するための２次元エンコーダ７０を含んでいる。なお、重量補償部４０および軸受部６０は、それぞれ、本発明の「重量補償機構」および「エア軸受部」の一例である。
【００２７】
ベース部１０は、ＸＹステージユニット１２０（図１参照）の可動部１２３（図１参照）上に固定的に設けられるとともに、θＺステージユニット１１０の各部が配置される基部としての機能を有する。ベース部１０は、平面的に見てステージ２０と略同じ円形状を有する。また、図２に示すように、ベース部１０は、ステージ２０に対して上下方向（Ｚ方向）に対向するように下側に配置されることにより、θＺステージユニット１１０の下面側を構成している。
【００２８】
ステージ２０は、直径Ｄ１の円板形状（図１参照）を有するとともに、θＺステージユニット１１０の上面側を構成している。ステージ２０は、軸受部６０によって上下方向（Ｚ方向）と中心軸（Ｏ）回りの回転方向（θ方向）とに移動可能で、かつ、ＸＹ方向（図１参照）には移動不可能なように規制（ガイド）されている。そして、ステージ２０は、第１モータ３０によりベース部１０に対して上下方向（Ｚ方向）に駆動されるとともに、第２モータ５０により回転方向（θ方向）に駆動されるように構成されている。
【００２９】
第１実施形態では、上記のようにθＺステージユニット１１０の上面および下面を、それぞれステージ２０およびベース部１０により構成するとともに、このステージ２０の上面とベース部１０の下面との間の上下方向（Ｚ方向）の高さ範囲Ｈ１の範囲内に、第１モータ３０、重量補償部４０、第２モータ５０および２次元エンコーダ７０を含む軸受部６０の全てが配置されている。より具体的には、第１モータ３０は、配置高さ範囲Ｈ２で配置されている。重量補償部４０は配置高さ範囲Ｈ３で配置されるとともに、配置高さ範囲Ｈ３の全体が第１モータ３０の配置高さ範囲Ｈ２と重なるように配置されている。また、第２モータ５０は、配置高さ範囲Ｈ４で配置されるとともに、配置高さ範囲Ｈ４の全体が第１モータ３０の配置高さ範囲Ｈ２と重なるように配置されている。また、軸受部６０および２次元エンコーダ７０は、配置高さ範囲Ｈ５で配置されるとともに、配置高さ範囲Ｈ５の一部が第１モータ３０の配置高さ範囲Ｈ２と重なるように配置されている。このように、第１実施形態では、これらの各部の配置高さ範囲Ｈ２〜Ｈ５は、高さ範囲Ｈ１の範囲内であるとともに、互いに一部または全部が重なるように構成されている。
【００３０】
また、これらの第１モータ３０、重量補償部４０、第２モータ５０および２次元エンコーダ７０を含む軸受部６０の最大高さ位置を比較すると、第１モータ３０の最大高さ位置Ｈｍが最も高く、重量補償部４０、第２モータ５０および２次元エンコーダ７０を含む軸受部６０の最大高さ位置は、第１モータ３０の最大高さ位置Ｈｍよりも低くなるように設けられている。
【００３１】
第１モータ３０は、図２に示すように、円板形状を有するθＺステージユニット１１０の最外周部に配置されるとともに、円周方向（Ｃ方向、図３参照）に延びるようにθＺステージユニット１１０の全周にわたって環状（円周状）に形成されている。したがって、第１モータ３０は、重量補償部４０よりもステージ２０のＺ方向に延びる回転中心線（＝ステージ２０の中心線）Ｏに対して半径方向の外側に配置されている。第１モータ３０は、図２に示すように、ベース部１０に固定的に設けられた固定子３１と、ステージ２０に固定的に設けられた可動子３２とを含んでいる。また、第１モータ３０の固定子３１および可動子３２は、半径方向（水平方向）に対向するように配置されている。
【００３２】
固定子３１は、図３に示すように、導線（図示せず）が円周方向（Ｃ方向）に延びるようにθＺステージユニット１１０の全周にわたって筒状に巻かれたコイル３１ａにより構成されている。図２に示すように、固定子３１は、可動子３２の後述するマグネット３２ａの配置された高さ位置まで、ベース部１０から上方（矢印Ｚ１方向）に突出するように設けられている。
【００３３】
可動子３２は、図２に示すように、マグネット３２ａと、ヨーク３２ｂおよび３２ｃとから構成され、略逆Ｕ字状の断面形状を有している。この逆Ｕ字形状の凹状部分に固定子３１が配置されることにより、可動子３２と固定子３１とが、半径方向に対向している。マグネット３２ａは、上側（矢印Ｚ１方向側）がＮ極、下側（矢印Ｚ２方向側）がＳ極となるように着磁されている。これらのマグネット３２ａ、ヨーク３２ｂおよび３２ｃによって、図２に示す矢印Ａ方向の磁力線のループが形成されるように構成されている。これにより、可動子３２は、固定子３１のコイル３１ａの向き（円周方向）に対して交差（鎖交）する半径方向に磁束を発生させるように構成されている。そして、コイル３１ａに電流が流れると、電流の向きおよび磁界の向きの関係からフレミングの左手の法則にしたがって上下方向（Ｚ方向）の力が発生することにより、可動子３２（ステージ２０）を昇降させるように構成されている。このような構成により、第１モータ３０は、固定子３１の円周方向（Ｃ方向）のコイル３１ａに電流を流して可動子３２に上方向（矢印Ｚ１方向）または下方向（矢印Ｚ２方向）の推力を発生させることにより、ステージ２０を上下方向に移動させることが可能である。
【００３４】
図２に示すように、重量補償部４０は、第１モータ３０に対して所定の間隔を隔てて内側（回転中心線Ｏ側）に配置されている。また、重量補償部４０は、第１モータ３０の駆動力が作用しない自然状態においてステージ２０を所定の高さ位置（図２に示す高さ範囲Ｈ１となる位置）で、上下方向（Ｚ方向）に移動可能な状態で支持するように構成されている。すなわち、重量補償部４０は、ステージ２０を支持することによって、ステージ２０を上下方向に駆動する際に第１モータ３０が支える重量（ステージ２０、ステージ２０に付属する可動子３２などの各部、および、ステージ２０上に載置される半導体ウエハ（図示せず）などの重量）を補償する機能を有する。また、重量補償部４０は、回転ベース４１と、複数の圧縮コイルバネ４２とを含んでいる。なお、圧縮コイルバネ４２は、本発明の「付勢部材」の一例である。
【００３５】
回転ベース４１は、図３に示すように、環状の板状形状を有し、第１モータ３０の内側に同心（回転中心線Ｏ）で配置されている。回転ベース４１は、図２に示すように、ベース部１０から上方に突出した筒状の支持部１１にベアリング４３を介して回転中心線Ｏ周りに回転可能に支持されている。
【００３６】
圧縮コイルバネ４２は、回転ベース４１とステージ２０との間に配置され、ステージ２０を上方（矢印Ｚ１方向）に付勢するように構成されている。具体的には、図２に示すように、圧縮コイルバネ４２の両端が、それぞれ回転ベース４１の上面とステージ２０の下面とに固定的に取り付けられている。また、図３に示すように、圧縮コイルバネ４２は、回転ベース４１の所定位置に所定の等角度間隔αで複数設けられている。第１実施形態では、それぞれの圧縮コイルバネ４２の角度間隔αは約６０度であり、圧縮コイルバネ４２は、回転ベース４１上に回転ベース４１の円周方向に沿って合計６個設けられている。６つの圧縮コイルバネ４２は、図２に示すように、ステージ２０を高さ範囲Ｈ１となる位置で支持することができ、かつ、第１モータ３０の定格推力で必要量の伸縮が可能なバネ定数を有する。このような構成により、重量補償部４０は、ステージ２０を上下方向（Ｚ方向）に移動可能に支持しながら、ステージ２０が回転方向（θ方向）に駆動される場合には、回転ベース４１と各圧縮コイルバネ４２とがステージ２０の回転に伴って回転するように構成されている。
【００３７】
また、図２に示すように、圧縮コイルバネ４２は、素線の断面形状が矩形状となるように形成されている。具体的には、圧縮コイルバネ４２（素線）は、水平方向（横方向）の幅ａ、上下方向（縦方向）の幅ｂ（ａ＞ｂ）の横方向に扁平な長方形状の断面を有している。圧縮コイルバネ４２は、素線が矩形状（長方形状）の断面を有することにより、一般的な円形断面の圧縮コイルバネと比較して大きな断面二次モーメントを有し、素線にねじり変形が生じにくい。このため、ステージ２０の回転時に水平方向（横方向）に加わる慣性力による圧縮コイルバネ４２の変形量が微小となるので、重量補償部４０（圧縮コイルバネ４２）は、ステージ２０の回転駆動時にもステージ２０の重量を安定して支持することが可能なように構成されている。
【００３８】
第２モータ５０は、図３に示すように、平面的に見て、重量補償部４０とよりも内側の位置に間隔を隔てて配置されるとともに、円周方向（Ｃ方向）に延びるように環状（周状）に形成されている。第２モータ５０は、図２に示すように、ベース部１０（軸受部６０の外周面）に固定的に設けられた固定子５１と、ステージ２０の支持部２１に固定的に設けられた可動子５２とを含んでいる。また、第２モータ５０の固定子５１および可動子５２は、半径方向（水平方向）に対向するように配置されている。
【００３９】
固定子５１は、ベース部１０（軸受部６０の外周面）に内周面側が固定的に取り付けられた円筒形状のコア５１ａと、コア５１ａの外周面に固定的に設けられ、円周方向（Ｃ方向）に等間隔で並ぶように配列された複数のコイル５３とにより構成されている。複数のコイル５３は、それぞれ導線が略長方形状に巻かれた薄型の扁平形状を有する。図３に示すように、各コイル５３は、それぞれ複数のθ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂおよびθ−Ｖ相コイル５３ｃを含み、これらのコイルが円周方向（Ｃ方向）にθ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂ、θ−Ｖ相コイル５３ｃの順で配列されている。
【００４０】
可動子５２は、図２に示すように、矩形状の断面形状を有する複数のマグネット５２ａと、円筒形状のヨーク５２ｂ（図３では図示を省略）とから構成されている。ヨーク５２ｂは、ステージ２０から下方向（矢印Ｚ２方向）に突出する略円筒形状の支持部２１の内周面側の下部に嵌め込まれる（埋め込まれる）ようにして、ステージ２０（支持部２１）に対して固定的に取り付けられている。また、マグネット５２ａは、円筒形状のヨーク５２ｂの内周面に円周方向（Ｃ方向）に等間隔で並ぶように配列され、マグネット５２ａがヨーク５２ｂに固定的に取り付けられている。円周方向に並ぶ複数のマグネット５２ａは、図３に示すように、それぞれ固定子５１の複数のコイル５３（θ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂおよびθ−Ｖ相コイル５３ｃ）に対応する位置に等間隔で、コイル５３と半径方向に対向するように配列されている。また、これらのマグネット５２ａは、半径方向にＮ極またはＳ極が配置されるように設けられているとともに、マグネット５２ａの磁極は、Ｎ極とＳ極とが交互になるように配置されている。これにより、マグネット５２ａのＮ極から放出され、コイル５３（θ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂおよびθ−Ｖ相コイル５３ｃ）を貫通して隣接するマグネット５２ａのＳ極に入り、ヨーク５２ｂを介して戻るという磁力線のループが形成される。
【００４１】
このような構成により、固定子５１のθ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂおよびθ−Ｖ相コイル５３ｃにそれぞれ位相の異なる３相（Ｕ−Ｗ−Ｖ相）電流を流すことにより、固定子５１の各コイル５３（θ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂおよびθ−Ｖ相コイル５３ｃ）と、可動子５２のマグネット５２ａとの間で吸引力を発生させ、可動子５２を円周方向（Ｃ方向）に移動させることが可能である。したがって、第２モータ５０は、固定子５１の各コイル５３（θ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂおよびθ−Ｖ相コイル５３ｃ）に流す３相電流の位相を、可動子５２のマグネット５２ａの位置に応じて制御することにより、ステージ２０を中心軸回りの回転方向（θ方向）に移動（回転）させることが可能なように構成されている。これにより、第１実施形態では、第２モータ５０は、無制限の可動範囲（回転角度範囲）で任意の回転角度位置にステージ２０を配置することが可能なように構成されている。
【００４２】
図２に示すように、軸受部６０は、エア軸受部であり、θＺステージユニット１１０の中央部に配置されている。すなわち、第１実施形態では、第１モータ３０および重量補償部４０が、ステージ２０の回転中心線Ｏに対して軸受部６０よりも半径方向の外側に配置されている。軸受部６０は、ステージ２０の上下方向（Ｚ方向）および中心軸回りの回転方向（θ方向）の２軸の移動をガイドする機能を有する。軸受部６０は、ベース部１０の中央部において上方（矢印Ｚ１方向）に円筒状に突出するように設けられたガイド部６１と、ステージ２０の中央部から下方（矢印Ｚ２方向）に突出するように設けられた円形状の外周面を有する可動部６２と、ガイド部６１の内周面に設けられた複数のオリフィス（エア流出口）６３と、オリフィス６３を介して空隙にエアを供給するためのエア経路６４とを含んでいる。なお、ガイド部６１および可動部６２は、それぞれ、本発明のエアガイド部」および「エア可動部」の一例である。
【００４３】
ガイド部６１は、ベース部１０と一体的に形成されているとともに可動部６２の外径よりも僅かに大きい内径を有し、内部に可動部６２が僅かな空隙（数μｍ程度）を空けて配置されるように構成されている。また、平面的に見て、ガイド部６１および内部に配置される可動部６２の中心位置がステージ２０の中心位置（回転中心線Ｏ）と一致するように構成されている。ガイド部６１は、オリフィス６３を介して供給される高圧空気によってガイド部６１と可動部６２との空隙を高圧状態に保つことにより、可動部６２を非接触の状態で上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）に移動可能に軸支するように構成されている。
【００４４】
オリフィス６３は、円筒形状のガイド部６１の内周面に、円周方向に沿って等間隔で複数形成されている。また、これらの複数のオリフィス６３は、ガイド部６１と可動部６２との空隙に達する高さ位置に設けられるとともに、それぞれエア経路６４と連通（接続）している。また、エア経路６４は、軸受部６０およびベース部１０の内部に設けられるとともに、装置外に設けられた図示しないコンプレッサと接続されている。これにより、複数のオリフィス６３は、エア経路６４から供給される高圧の圧縮空気をガイド部６１と可動部６２との空隙に供給するように構成されている。
【００４５】
また、２次元エンコーダ７０は、図２に示すように、ガイド部６１の内側で、かつ、可動部６２の下部側（矢印Ｚ２方向側）の位置に配置されている。２次元エンコーダ７０は、可動部６２の下部（下面）から下方に突出するように設けられ、円形状の外周面を有する被検知部（スケール）７１と、ベース部１０上に設けられたＺ検知部７２およびθ検知部７３とを有している。なお、Ｚ検知部７２およびθ検知部７３は、それぞれ、本発明の「Ｚ方向検知部」および「θ方向検知部」の一例である。
【００４６】
被検知部７１は、可動部６２の下面に固定的に設けられている。したがって、被検知部７１は、ステージ２０が上下方向または回転方向に駆動されると、ステージ２０の移動に伴ってステージ２０と一体的に移動するように構成されている。また、被検知部７１の円形状の外周面には、上下方向に延びるとともに円周方向に沿って等角度間隔で設けられた複数のθスリット７１ａと、θスリット７１ａと直交するように円周方向に延びるとともに上下方向に等間隔で設けられた複数のＺスリット７１ｂとが設けられている。なお、θスリット７１ａおよびＺスリット７１ｂは、それぞれ、本発明の「θ方向検知用スリット」および「Ｚ方向検知用スリット」の一例である。
【００４７】
Ｚ検知部７２およびθ検知部７３は、それぞれ光学的検出部を有しており、ベース部１０上において被検知部７１を挟んで互いに対向するように配置されている。そして、Ｚ検知部７２は、被検知部７１の円周方向に延びるＺスリット７１ｂを検知することにより、ステージ２０（被検知部７１）の上下方向（Ｚ方向）の変位（高さ位置）を検出するように構成されている。また、θ検知部７３は、被検知部７１の上下方向に延びるθスリット７１ａを検知することにより、ステージ２０（被検知部７１）の回転方向（θ方向）の変位（回転角度位置）を検出するように構成されている。このような構成により、ステージ２０の上下方向および回転方向の変位を検出することによって、ステージ２０を、可動範囲内で任意の高さ位置および回転角度位置に配置することが可能なように構成されている。
【００４８】
次に、図２および図３を参照して、本発明の第１実施形態によるＸＹθＺステージ１００のθＺステージユニット１１０の動作を説明する。
【００４９】
まず、図２に示すように、ステージ２０を上方向に駆動する場合には、第１モータ３０の固定子３１のコイル３１ａに電流が供給され、可動子３２に上方向（矢印Ｚ１方向）の推力が発生する。この際、重量補償部４０の圧縮コイルバネ４２の復元力よりも大きい駆動力（推力）が発生することにより、ステージ２０が上方向（矢印Ｚ１方向）に移動を開始する。
【００５０】
ステージ２０の上方向への移動に伴い、第２モータ５０の可動子５２、軸受部６０の可動部６２および被検出部７１も上方向に移動する。このとき、ガイド部６１と可動部６２との空隙を高圧状態に保つことにより、軸受部６０の可動部６２がガイド部６１に対して非接触の状態で上方にのみ移動するように規制される。これにより、ステージ２０が軸受部６０にガイドされながら鉛直上方（矢印Ｚ１方向）に移動する。また、被検出部７１の移動に伴って、被検知部７１のＺスリット７１ｂがＺ検知部７２により検出されることにより、検出された高さ位置情報に基づいて所望の高さ位置への位置決めが行われる。なお、ステージ２０を下方向に駆動する場合も同様である。
【００５１】
また、図３に示すように、ステージ２０を回転方向に駆動する場合には、第２モータ５０の固定子５１の各コイル５３（θ−Ｕ相コイル５３ａ、θ−Ｗ相コイル５３ｂおよびθ−Ｖ相コイル５３ｃ）に適切な位相の３相電流が供給されることにより、可動子５２とコイル５３との間に円周方向（Ｃ方向）の吸引力（推力）が発生する。この可動子５２に発生する円周方向（Ｃ方向）の推力によって、ステージ２０が回転方向（θ方向）に移動を開始する。
【００５２】
この際、図２に示すように、ステージ２０の回転方向への移動に伴い、重量補償部４０の回転ベース４１（圧縮コイルバネ４２）、第１モータ３０の可動子３２、軸受部６０の可動部６２および被検出部７１も回転中心線Ｏ周りに回転移動する。このとき、可動部６２が、ガイド部６１に対して非接触の状態で回転中心線Ｏからずれることなくθ方向に回転するように規制される。これにより、ステージ２０が軸受部６０にガイドされながら回転方向（θ方向）に移動する。また、被検出部７１の回転移動に伴って、被検知部７１のθスリット７１ａがθ検知部７３により検出されることにより、検出された回転位置情報に基づいて所望の回転角度位置への位置決めが行われる。
【００５３】
また、θＺステージユニット１１０は、ＸＹθＺステージ１００のＸＹステージユニット１２０により、Ｘ方向およびＹ方向に移動されてＸＹ方向の所定位置に配置される。
【００５４】
第１実施形態では、上記のように、ステージ２０の重量を補償する重量補償部４０を設けるとともに、ベース部１０に対してステージ２０を上下方向であるＺ方向に駆動する第１モータ３０を設けることによって、重量補償部４０によりステージ２０およびステージ２０上に載置される基板固定用のチャックなどの重量を補償した状態で、第１モータ３０によりステージ２０を上下方向（Ｚ方向）に昇降させることができる。これにより、ステージ２０の昇降を行う際に第１モータ３０が支持する重量を軽減することができるので、第１モータ３０を高出力にする必要がなく、第１モータ３０として小型のモータを用いることができる。これにより、θＺステージユニット１１０全体の小型化を図ることができる。さらに、第１実施形態によるθＺステージユニット１１０では、第１モータ３０および重量補償部４０を水平方向（半径方向）に間隔を隔てて配置するとともに、第１モータ３０の配置高さ範囲Ｈ２および重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ３が互いに重なるように配置することによって、重量補償部４０を設けたとしても、第１モータ３０の配置高さ範囲Ｈ２と重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ３とが重なるように配置することができるので、その分、θＺステージユニット１１０の高さ（高さ範囲Ｈ１）が大きくなるのを抑制することができる。これらの結果、θＺステージユニット１１０の高さ（高さ範囲Ｈ１）が大きくなるのを抑制することができるとともに、θＺステージユニット１１０全体の小型化を図ることができる。
【００５５】
また、第１実施形態では、上記のように、第１モータ３０を、重量補償部４０よりもステージ２０の回転中心線Ｏに対して半径方向の外側に配置することによって、第１モータ３０を重量補償部４０よりもステージ２０の回転中心線Ｏに対して半径方向の内側に配置する場合と比べて第１モータ３０の水平方向の設置面積（環状の第１モータ３０の全周の長さ）を大きくすることができるので、その分、第１モータ３０の出力を大きくすることができる。これにより、第１モータ３０の最大高さＨｍを大きくすることなく、ステージ２０の昇降を行うのに必要な出力を得ることができるので、これによっても、θＺステージユニット１１０の高さ（高さ範囲Ｈ１）が大きくなるのを抑制することができる。
【００５６】
また、第１実施形態では、上記のように、第１モータ３０および重量補償部４０を、軸受部６０よりも半径方向の外側に配置するとともに、第１モータ３０および重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ２およびＨ３が軸受部６０の配置高さ範囲Ｈ５と重なるように配置することによって、第１モータ３０（配置高さ範囲Ｈ２）および重量補償部４０（配置高さ範囲Ｈ３）に加えて、軸受部６０の配置高さ範囲Ｈ５も互いに重なるように配置することができるので、θＺステージユニット１１０の高さ（高さ範囲Ｈ１）が大きくなるのをさらに抑制することができる。
【００５７】
また、第１実施形態では、上記のように、円筒形状のガイド部６１に軸支されながらステージ２０とともにＺ方向およびθ方向に移動する可動部６２と、可動部６２の下部側に配置される２次元エンコーダ７０とを設けるとともに、２次元エンコーダ７０を、可動部６２の下部に設けられる被検知部７１と、ベース部１０に設けられ、被検知部７１を検知するＺ検知部７２およびθ検知部７３とにより構成している。このように構成することにより、円筒形状のガイド部６１に軸支される可動部６２の下部側に２次元エンコーダ７０を配置することによって、軸受部６０（ガイド部６１）の内部に収容するように２次元エンコーダ７０を設けることができるので、エンコーダをステージの外部に設ける場合と比較して、θＺステージユニット１１０を小型化することができる。また、２次元エンコーダ７０がＺ検知部７２およびθ検知部７３を含むことにより、Ｚ方向検知用のエンコーダとθ方向検知用のエンコーダとをそれぞれ別個に設ける必要がないので、その分、θＺステージユニット１１０全体の小型化を図ることができる。
【００５８】
また、第１実施形態では、上記のように、２次元エンコーダ７０の被検知部７１の円形状の外周面に、複数の回転方向検知用のθスリット７１ａと、θスリット７１ａと直交する上下方向検知用のＺスリット７１ｂとを設けることによって、２次元エンコーダ７０のＺ検知部７２が被検知部７１のＺスリット７１ｂを検知するとともに、θ検知部７３が、被検知部７１のθスリット７１ａを検知することができるので、共通の被検知部７１を用いて可動部６２のＺ方向およびθ方向の位置を検知することができる。
【００５９】
また、第１実施形態では、上記のように、軸受部６０を、ガイド部６１と、ガイド部６１の内側に空隙を介して水平方向に対向した状態でガイド部６１により非接触で軸支されながら、ステージ２０とともに移動する可動部６２と、オリフィス６３と、オリフィス６３を介して空隙にエアを供給するためのエア経路６４とを含むエア軸受部とすることによって、摩擦抵抗が無い非接触の状態でステージ２０を回転可能に支持することができる。
【００６０】
また、第１実施形態では、上記のように、ベース部１０に回転可能に取り付けられた回転ベース４１と、回転ベース４１とステージ２０との間に配置され、ステージ２０を上方（矢印Ｚ１方向）に付勢する圧縮コイルバネ４２とを設けることによって、ステージ２０が回転方向（θ方向）に駆動される場合にも、回転ベース４１によって圧縮コイルバネ４２をステージ２０の回転に伴って回転させることができる。これにより、圧縮コイルバネ４２がステージ２０を上方に付勢してステージ２０の重量を補償した状態のままでステージ２０を回転方向（θ方向）に駆動することができる。
【００６１】
また、第１実施形態では、上記のように、本発明の付勢部材として、矩形状の断面を有する圧縮コイルバネ４２を設けることによって、圧縮コイルバネ４２が矩形状の断面を有することにより、一般的な円形断面のコイルバネと比較して大きな断面二次モーメントを有するので、ステージ２０の回転時に圧縮コイルバネ４２に対して加わる横方向（圧縮方向と直交する円周方向（Ｃ方向））の力によって圧縮コイルバネ４２が横方向に変形するのを抑制することができる。これにより、ステージ２０の回転駆動時においても、ステージ２０の重量を安定して支えることができる。
【００６２】
また、第１実施形態では、上記のように、第１モータ３０の固定子３１および可動子３２を水平方向に対向するように配置するとともに、第２モータ５０の固定子５１および可動子５２を水平方向に対向するように配置し、かつ、第１モータ３０（固定子３１および可動子３２）と、第２モータ５０（固定子５１および可動子５２）と、重量補償部４０とを、水平方向に間隔を隔てて配置するとともに、第１モータ３０の配置高さ範囲Ｈ２と第２モータ５０の配置高さ範囲Ｈ４と重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ３とが互いに重なるように配置することによって、第１モータ３０の固定子３１および可動子３２を水平方向に対向するように配置して第１モータ３０の上下方向（Ｚ方向）の大きさ（高さ）を抑制することができるとともに、第２モータ５０の固定子５１および可動子５２を水平方向に対向するように配置して第２モータ５０の上下方向（Ｚ方向）の大きさ（高さ）を抑制することができ、かつ、第１モータ３０と、第２モータ５０と、重量補償部４０とを上下方向（Ｚ方向）の配置高さ範囲Ｈ２と、Ｈ４と、Ｈ３とが重なるように配置することができるので、θＺステージユニット１１０の高さ（高さ範囲Ｈ１）が大きくなるのをさらに抑制することができる。
【００６３】
また、第１実施形態では、上記構成を有するθＺステージユニット１１０と、θＺステージユニット１１０をＸ方向に駆動するＸ駆動部１２１およびＹ方向に駆動するＹ駆動部１２２を含むＸＹステージユニット１２０とを設けることによって、θ方向およびＺ方向に加えて、Ｘ方向およびＹ方向にステージ２０を移動させることができるので、装置高さが大きくなるのが抑制され、かつ、装置が小型化された４軸駆動のＸＹθＺステージ１００を提供することができる。
【００６４】
（第２実施形態）
次に、図４〜図６を参照して、本発明の第２実施形態によるＸＹθＺステージ１００ａのθＺステージユニット１１０ａの構造について説明する。この第２実施形態では、ステージ２０を上下方向（Ｚ方向）に駆動する第１モータ３０およびステージ２０を回転方向（θ方向）に駆動する第２モータ５０を設けた上記第１実施形態と異なり、ステージ２２０を上下方向および回転方向に駆動するように一体化された１つの共用モータ２３０を設けた例について説明する。なお、共用モータ２３０は、本発明の「第１モータ」の一例である。
【００６５】
第２実施形態では、図４に示すように、θＺステージユニット１１０ａは、直径Ｄ１１および高さ範囲Ｈ１１の円板形状を有している。また、θＺステージユニット１１０ａは、ベース部２１０と、ステージ２２０と、ベース部２１０に対してステージ２２０を上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）に駆動する１つの共用モータ２３０と、重量補償部４０と、ステージ２２０の上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）の移動をガイドする軸受部６０とを備えている。また、軸受部６０は、ステージ２２０の上下方向の位置および回転方向の位置（回転角度位置）を検出するための２次元エンコーダ７０を含んでいる。なお、重量補償部４０、軸受部６０および２次元エンコーダ７０の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００６６】
ステージ２２０は、略直径Ｄ１１の円板形状を有するとともに、θＺステージユニット１１０ａの上面側に配置されている。ステージ２２０は、軸受部６０によって上下方向（Ｚ方向）と中心軸回りの回転方向（θ方向）とに移動可能で、かつ、ＸＹ方向（図１参照）には移動不可能なように規制（ガイド）されている。そして、ステージ２２０は、共用モータ２３０によりベース部２１０に対して上下方向（Ｚ方向）に駆動されるとともに、共用モータ２３０により回転方向（θ方向）にも駆動されるように構成されている。
【００６７】
第２実施形態では、図４に示すように、ステージ２２０とベース部２１０との間の上下方向（Ｚ方向）の高さ範囲Ｈ１１の範囲内に、共用モータ２３０、重量補償部４０および２次元エンコーダ７０を含む軸受部６０が配置されている。より具体的には、共用モータ２３０は、配置高さ範囲Ｈ１２で配置されている。重量補償部４０は、配置高さ範囲Ｈ３で配置され、配置高さ範囲Ｈ３の一部が共用モータ２３０の配置高さ範囲Ｈ１２と重なるように配置されている。また、軸受部６０および２次元エンコーダ７０は、配置高さ範囲Ｈ５の範囲で配置され、配置高さ範囲Ｈ５の一部が共用モータ２３０の配置高さ範囲Ｈ１２と重なるように配置されている。このように、第２実施形態では、これらの配置高さ範囲Ｈ１２、Ｈ３およびＨ５は、高さ範囲Ｈ１１の範囲内であるとともに、互いに一部が重なるように構成されている。
【００６８】
第２実施形態では、共用モータ２３０は、θＺステージユニット１１０ａの最外周部に配置されるとともに、円周方向（Ｃ方向、図７参照）に延びるようにθＺステージユニット１１０ａの全周にわたって環状（円周状）に形成されている。また、共用モータ２３０は、重量補償部４０よりもステージ２２０の回転中心線Ｏに対して半径方向の外側に所定の間隔を隔てて配置されている。なお、共用モータ２３０および重量補償部４０は、軸受部６０よりも外側に配置されている。共用モータ２３０は、図４および図５に示すように、ベース部２１０の支持部２１１に固定的に設けられた固定子２３１と、ステージ２２０の支持部２２１に固定的に設けられた可動子２３２とを含んでいる。また、図４に示すように、共用モータ２３０の固定子２３１および可動子２３２は、半径方向（水平方向）に所定の間隔を隔てて対向するように配置されている。
【００６９】
また、固定子２３１は、コア２４０と、θコイル部２４１と、Ｚコイル部２４２とを含んでいる。コア２４０は、電磁鋼板を積層して構成された円筒形状を有するとともに、コア２４０の外周面がベース部２１０から上方（矢印Ｚ１方向）に突出する円筒形状の支持部２１１の内周面に固定的に取り付けられている。なお、図５では、コア２４０を省略して表示している。
【００７０】
θコイル部２４１は、コア２４０の内周面に固定的に設けられるとともに、円周方向（Ｃ方向、図７参照）に等間隔で並ぶように複数配列されたコイルにより構成されている。図５に示すように、個々のコイルは、それぞれ導線が略長方形状に巻かれた薄型の扁平形状を有する。θコイル部２４１は、それぞれ複数のθ−Ｕ相コイル２４１ａ、θ−Ｗ相コイル２４１ｂおよびθ−Ｖ相コイル２４１ｃを含み、これらのコイルが円周方向（Ｃ方向）にθ−Ｕ相コイル２４１ａ、θ−Ｗ相コイル２４１ｂ、θ−Ｖ相コイル２４１ｃの順で配列されている。
【００７１】
Ｚコイル部２４２は、θコイル部２４１の内周面に固定的に設けられるとともに、導線（図示せず）が円周方向に延びるように環状に形成された複数のコイルにより構成されている。具体的には、図６に示すように、Ｚコイル部２４２は、Ｕ＋相コイル２４２ａ、Ｗ−相コイル２４２ｂ、Ｖ＋相コイル２４２ｃ、Ｕ−相コイル２４２ｄ、Ｗ＋相コイル２４２ｅ、Ｖ−相コイル２４２ｆ、Ｕ＋相コイル２４２ｇ、Ｗ−相コイル２４２ｈ、Ｖ＋相コイル２４２ｉという順で下方から配列された複数の環状のコイルにより構成されている。なお、各コイルの「＋」および「−」に関して、たとえばＵ＋相コイル２４２ａとＵ−相コイル２４２ｄとは、駆動時に流れる電流の大きさは同じである一方、電流の流れる方向が逆であることを示している。このような構成により、Ｚコイル部２４２は、全体として円筒形状となるように形成されている。なお、コア２４０とθコイル部２４１との間、および、θコイル部２４１とＺコイル部２４２との間には、図示しない絶縁紙が挟み込まれている。
【００７２】
図４に示すように、可動子２３２は、円筒形状を有するヨーク２３２ａと、複数の上部マグネット２３２ｂおよび複数の下部マグネット２３２ｃとから構成されている。ヨーク２３２ａは、ステージ２２０から下方（矢印Ｚ２方向）に突出する円筒形状の支持部２２１の外周面に、内周面が固定的に取り付けられている。また、上部マグネット２３２ｂおよび下部マグネット２３２ｃは、固定子２３１（θコイル部２４１およびＺコイル部２４２）と半径方向に対向するように所定の高さ位置に配置されている。
【００７３】
図５に示すように、複数の上部マグネット２３２ｂは、それぞれヨーク２３２ａの外周面の上側部分に固定的に設けられるとともに、それぞれ円周方向に所定の間隔（ピッチ）ｐで列状に配置されている。上部マグネット２３２ｂは、固定子２３１と対向する外側面がＳ極となるように半径方向に着磁されている。また、複数の下部マグネット２３２ｃは、それぞれヨーク２３２ａの外周面の下側部分に固定的に設けられるとともに、それぞれ円周方向に所定の間隔（ピッチ）ｐで列状に配置されている。下部マグネット２３２ｃは、上部マグネット２３２ｂとは逆に、固定子２３１と対向する外側面がＮ極となるように半径方向に着磁されている。また、上部マグネット２３２ｂの列（円周方向の列）と下部マグネット２３２ｃの列（円周方向の列）とは、半ピッチ（ｐ／２）だけずれた位置に配列されており、平面的に見ると上部マグネット２３２ｂと下部マグネット２３２ｃとが交互に表れるように配置されている。
【００７４】
次に、図６および図７を参照して、共用モータ２３０の駆動原理を説明する。
【００７５】
図６に示すように、下部マグネット２３２ｃのＮ極（半径方向の外側表面）から半径方向の外側に放出された磁力線は、固定子２３１のθコイル部２４１およびＺコイル部２４２を貫通して、上部マグネット２３２ｂのＳ極（半径方向の外側表面）に入り、上部マグネット２３２ｂのＮ極およびヨーク２３２ａを介して下部マグネット２３２ｃのＳ極に戻る。このため、図７に示すように、下部マグネット２３２ｃと、下部マグネット２３２ｃの両側の上部マグネット２３２ｂとを結ぶ矢印Ｂ１方向および矢印Ｂ２方向のループが形成される。このように、磁力線のループが、Ｚコイル部２４２の各コイル（Ｕ＋相コイル２４２ａ〜Ｖ＋相コイル２４２ｉ）およびθコイル部２４１（θ−Ｕ相コイル２４１ａ、θ−Ｗ相コイル２４１ｂ、θ−Ｖ相コイル２４１ｃ）とそれぞれ交差（鎖交）する。
【００７６】
したがって、図６に示すように、Ｚコイル部２４２の各コイル（Ｕ＋相コイル２４２ａ〜Ｖ＋相コイル２４２ｉ）に適切な位相の３相電流（Ｕ−Ｗ−Ｖ相）を流すことにより、電流の向きおよび磁界の向きの関係から上方（矢印Ｚ１方向）または下方（矢印Ｚ２方向）の推力を発生させることができるので、可動子２３２を上下方向（Ｚ方向）に移動させることが可能である。したがって、共用モータ２３０は、Ｚコイル部２４２の各コイル（Ｕ＋相コイル２４２ａ〜Ｖ＋相コイル２４２ｉ）に流す３相電流の位相を、可動子２３２の位置に応じて制御することにより、ステージ２２０を上下方向に移動させることが可能である。
【００７７】
同様に、図７に示すように、θコイル部２４１の各コイル（θ−Ｕ相コイル２４１ａ、θ−Ｗ相コイル２４１ｂ、θ−Ｖ相コイル２４１ｃ）に適切な位相の３相電流（Ｕ−Ｗ−Ｖ相）を流すことにより、各コイル（θ−Ｕ相コイル２４１ａ、θ−Ｗ相コイル２４１ｂ、θ−Ｖ相コイル２４１ｃ）と、上部マグネット２３２ｂおよび下部マグネット２３２ｃとの間で吸引力を発生させることができるので、可動子２３２を円周方向（Ｃ方向）に移動させることが可能である。したがって、共用モータ２３０は、θコイル部２４１の各コイル（θ−Ｕ相コイル２４１ａ、θ−Ｗ相コイル２４１ｂ、θ−Ｖ相コイル２４１ｃ）に流す３相電流の位相を、可動子２３２の位置に応じて制御することにより、ステージ２２０を回転方向（θ方向）に移動させることが可能である。
【００７８】
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００７９】
第２実施形態では、上記のように、ベース部２１０に対してステージ２２０を上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）に駆動するように一体化された１つの共用モータ２３０を設け、共用モータ２３０の固定子２３１および可動子２３２を、水平方向（半径方向）に対向するように配置し、共用モータ２３０の固定子２３１および可動子２３２と、重量補償部４０とを、水平方向に間隔を隔てて配置するとともに、共用モータ２３０の配置高さ範囲Ｈ１２と重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ３とが互いに重なるように配置することによって、１つの共用モータ２３０によりステージ２２０をＺ方向およびθ方向に駆動することができるので、複数のモータを用いる場合と比較して、θＺステージユニット１１０ａ全体をより小型化することができる。さらに、共用モータ２３０の固定子２３１および可動子２３２の配置高さ範囲Ｈ１２と、重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ３とが重なるように配置することができるので、θＺステージユニット１１０ａの高さ（高さ範囲Ｈ１１）が大きくなるのを抑制することもできる。
【００８０】
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００８１】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８２】
たとえば、上記第１および第２実施形態では、本発明のステージ装置およびθＺ駆動装置をそれぞれ半導体ウエハ検査用のＸＹθＺステージおよびそれに用いるθＺステージユニットに適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明のθＺ駆動装置は、ステージを上下方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）に駆動する装置であれば、半導体ウエハ検査用ステージ以外の装置のθＺステージユニットにも適用可能である。また、本発明のθＺ駆動装置を単独で用いてもよい。また、本発明のステージ装置を半導体ウエハ検査用のＸＹθＺステージ以外のＸＹθＺステージに適用してもよい。
【００８３】
また、上記第１実施形態では、重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ３の全体が第１モータ３０の配置高さ範囲Ｈ２と重なるように配置した例を示し、上記第２実施形態では、重量補償部４０の配置高さ範囲Ｈ３の一部（略全体）が共用モータ２３０の配置高さ範囲Ｈ１２と重なるように配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１モータ３０（共用モータ２３０）の配置高さ範囲と重量補償部４０の配置高さ範囲とが、僅かに重なるように配置してもよい。このように構成した場合にも、重量補償部４０を設けたとしても、配置高さ範囲が重なる分だけθＺ駆動装置の高さが大きくなるのを抑制することができるという本発明の効果を得ることができる。なお、第２モータ５０および軸受部６０も同様であり、各部の配置高さ範囲が僅かに重なるのみであってもよい。
【００８４】
また、上記第１および第２実施形態では、第１モータ３０（共用モータ２３０）を、重量補償部４０よりもステージ２０（２２０）の回転中心線Ｏに対して半径方向の外側に配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１モータ３０（共用モータ２３０）と重量補償部４０との配置高さ範囲が重なっていれば、第１モータ３０（共用モータ２３０）を、重量補償部４０よりも半径方向の内側に配置してもよい。また、第１モータ３０（共用モータ２３０）と重量補償部４０との配置高さ範囲が重なっていれば、第１モータ３０（共用モータ２３０）と重量補償部４０とを、半径方向に隣り合うように配置する必要もない。したがって、たとえば、第１モータ３０と重量補償部４０との間の位置に、第２モータを配置してもよい。
【００８５】
また、上記第１および第２実施形態では、第１モータ３０（共用モータ２３０）および重量補償部４０を軸受部６０よりも半径方向の外側に配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１モータ３０（共用モータ２３０）および重量補償部４０を軸受部６０よりも内側に配置してもよい。また、たとえば、重量補償部４０を軸受部６０よりも内側の２次元エンコーダ７０の位置（θＺステージユニット１１０の中央部）に配置してもよい。
【００８６】
また、上記第１および第２実施形態では、ステージ２０（２２０）の上下方向の位置および回転方向の位置（回転角度位置）を検出するための２次元エンコーダ７０を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、２次元エンコーダに代えて、上下方向の位置を検出するためのエンコーダと、回転方向の位置を検出するためのエンコーダとをそれぞれ別個に設けてもよい。
【００８７】
また、上記第１および第２実施形態では、軸受部６０の内部に収容されるように２次元エンコーダ７０を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、２次元エンコーダ７０を軸受部６０の外部に設けてもよい。
【００８８】
また、上記第１および第２実施形態では、本発明の重量補償機構の一例としての重量補償部４０を、圧縮コイルバネ４２（付勢部材）および回転ベース４１により構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、重量補償機構として付勢部材および回転ベース以外の構成を有する機構を用いてもよい。また、付勢部材として、圧縮コイルバネ以外の板バネや空気バネなどを用いてもよい。
【００８９】
また、上記第１および第２実施形態では、本発明の付勢部材の一例として、横方向の幅が縦方向の幅よりも大きい横長の長方形の矩形状の断面を有する圧縮コイルバネ４２を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、正方形の矩形状の断面を有する圧縮コイルバネや、矩形状以外の円形状の断面を有する圧縮コイルバネを本発明の付勢部材として用いてもよいし、矩形状および円形状以外の異形断面バネを本発明の付勢部材として用いてもよい。
【００９０】
また、上記第１および第２実施形態では、圧縮コイルバネ４２を回転ベース４１上に６０度の等角度間隔で６個設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、圧縮コイルバネを９０度の等角度間隔で４個設けてもよいし、１２０度の等角度間隔で３個設けてもよい。また、これら以外の数の圧縮コイルバネを設けてもよい。但し、圧縮コイルバネを回転ベースの全周にわたって等角度間隔で設けた方が、より安定してステージを支持することができる。その他、回転ベースと略同じ直径の圧縮コイルバネを１つ設けて、回転ベースの全周にわたってステージを支持するように構成してもよい。
【００９１】
また、上記第１および第２実施形態では、軸受部６０をエア軸受部により構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明の軸受部をエア軸受部以外の他の軸受部により構成してもよい。
【００９２】
また、上記第１実施形態の第１モータ３０および第２モータ５０と、上記第２実施形態の共用モータ２３０とを、いずれも可動子側にマグネットを設けるとともに、固定子側にコイルを設ける構成とした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、可動子側にコイルを設けるとともに、固定子側にマグネットを設けてもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１０、２１０  ベース部
２０、２２０  ステージ
３０  第１モータ
３１  固定子
３２  可動子
４０  重量補償部（重量補償機構）
４１  回転ベース
４２  圧縮コイルバネ（付勢部材）
５０  第２モータ
５１  固定子
５２  可動子
６０  軸受部（エア軸受部）
６１  ガイド部（エアガイド部）
６２  可動部（エア可動部）
６３  オリフィス
６４  エア経路
７０  ２次元エンコーダ
７１  被検知部
７１ａ  θスリット（θ方向検知用スリット）
７１ｂ  Ｚスリット（Ｚ方向検知用スリット）
７２  Ｚ検知部（Ｚ方向検知部）
７３  θ検知部（θ方向検知部）
１００、１００ａ  ＸＹθＺステージ（ステージ装置）
１１０、１１０ａ  θＺステージユニット（θＺ駆動部、θＺ駆動装置）
１２０  ＸＹステージユニット
１２１  Ｘ駆動部（Ｘ方向駆動部）
１２２  Ｙ駆動部（Ｙ方向駆動部）
２３０  共用モータ（第１モータ）
２３１  固定子
２３２  可動子
Ｈ２〜Ｈ５、Ｈ１２  配置高さ範囲
【図１】
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【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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【図７】
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