(57)【要約】【課題】  スライダ部の加速時、減速時、定速移動時の振動発生時にピッチング及びローリングを抑制する機能を具備したＸＹステージを実現する。【解決手段】  スライダ部を２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、スライダ部のピッチング角速度を検出するための信号を出力する第１のＺ軸センサと、スライダ部のローリング角速度を検出するための信号を出力する第２のＺ軸センサとを有することを特徴とするＸＹステージである。【選択図】                    図１
2005025695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スライダ部を２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
前記スライダ部のピッチング角速度を検出するための信号を出力する第１のＺ軸センサと、
前記スライダ部のローリング角速度を検出するための信号を出力する第２のＺ軸センサと、
を有することを特徴とするＸＹステージ。
【請求項２】
前記第１のＺ軸センサは、前記スライダ部のＸ軸方向の両端部に取り付けられた加速度計で構成され、前記第２のＺ軸センサは、前記スライダ部のＹ軸方向の両端部に取り付けられた加速度計で構成されることを特徴とする請求項１記載のＸＹステージ。
【請求項３】
前記第１のＺ軸センサの測定値を積分演算して前記スライダ部のピッチング角速度を検出すると共に、前記第２のＺ軸センサの測定値を積分演算して前記スライダ部のローリング角速度を検出することを特徴とする請求項１又は２記載のＸＹステージ。
【請求項４】
前記第１のＺ軸センサに近接して第１のＺ軸コイルを設けると共に、前記第２のＺ軸センサに近接して第２のＺ軸コイルを設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸＹステージ。
【請求項５】
前記第１のＺ軸センサにより測定したピッチング角速度測定値に基づいて前記第１のＺ軸コイルを励磁するピッチング制御手段と、前記第２のＺ軸センサにより測定したローリング角速度測定値基づいて前記第２のＺ軸コイルを励磁するローリング制御手段とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージ。
【請求項６】
前記第１のＺ軸センサの測定値及び前記第２のＺ軸センサにより測定した前記スライダ部のＺ方向速度に基づいて前記第１のＺ軸コイル及び前記第２のＺ軸コイルを励磁し、前記スライダ部のＺ方向速度を制御する速度制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＸＹステージ。
【請求項７】
前記第１のＺ軸センサにより測定したピッチング角速度測定値に基づいて前記第１のＺ軸コイルを励磁するピッチング制御手段と、
前記第２のＺ軸センサにより測定したローリング角速度測定値基づいて前記第２のＺ軸コイルを励磁するローリング制御手段と、
前記第１のＺ軸センサ及び前記第２のＺ軸センサの測定値基づいて前記第１のＺ軸コイル及び前記第２のＺ軸コイルを励磁し前記スライダ部のＺ方向速度を制御する速度制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージ。
【請求項８】
前記スライダ部は格子プラテン上を移動し、前記第１及び第２のＺ軸コイルにおける前記格子プラテンと対向するコアの長さは、前記格子プラテンの格子ピッチの整数倍に選定されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のＸＹステージ。
【請求項９】
前記第１及び第２のＺ軸センサは、サーボ加速度計であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＸＹステージ。
【請求項１０】
前記第１及び第２のＺ軸センサは、コイルに発生する起電力を測定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＸＹステージ。
【請求項１１】
前記第１及び第２のＺ軸センサは、圧電素子に発生する起電力を測定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＸＹステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プローバ、ハンドラ、ステッパ等に用いられ、対象物の２次元位置決めをするＸＹステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
格子プラテンと、その上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドして位置制御されるスライダ部を有するＸＹステージの構造及びスライダ部のヨーイングの抑制については、特許文献１及び２に詳細に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−６５９７０号公報
【特許文献２】特開２００１−１２５６４８号公報
【０００４】
図４は特許文献１に開示されている従来構造のＸＹステージの基本構造を示す斜視図である。１０は水平に固定配置された格子プラテンであり、Ｘ方向及びＹ方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。図では簡略のため一部の歯だけを示している。格子プラテンは磁性体の平坦面に格子状に溝を切ることによって形成される。
【０００５】
２０は、格子プラテン上面をＸ方向及びＹ方向にスライドして位置決め制御されるスライダ部であり、この上部にワーク及び位置決めの対象となるターゲット（図示せず）が搭載される。浮揚手段２１は、格子プラテン１０に対向する裏面にノズルが設けられていて圧縮空気を噴射させることでライダ２０を格子プラテン１０上に浮揚させる。
【０００６】
３１及び３２はスライダ部２０の上部にＸ方向に所定距離を持って固定配置された第１のＸ軸センサ及び第２のＸ軸センサである。３３は同様にスライダ部２０の上部に固定配置されたＹ軸センサである。
【０００７】
１１は、格子プラテン１０のＸ軸の一端部にＸ軸に直交して固定配置された所定高さを有するＸ軸ミラーであり、第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２と対向する。１２は、格子プラテン１０のＹ軸の一端部にＹ軸に直交して固定配置された所定高さを有するＹ軸ミラーであり、Ｙ軸センサ３３と対向する。
【０００８】
第１のＸ軸センサ３１、第２のＸ軸センサ３２及びＹ軸センサ３３は光学的な距離測定装置であり、レーザビームをＸ軸ミラー１１及びＹ軸ミラー１２に照射し反射光を受光し干渉を利用して移動距離を測定することでスライダ部２０のＸ方向及びＹ方向の位置を測定する。ＰＸ１及びＰＸ２は第１のＸ軸センサ３１及び第２のＸ軸センサ３２によるＸ軸方向距離測定値、ＰＹはＹ軸センサ３３によるＹ方向距離測定値である。
【０００９】
４１は第１のＸ軸制御部であり、測定値ＰＸ１と位置指令信号ＳＸ１の偏差に基づいてスライダ部２０に形成された第１のＸ軸モータに電流の操作信号ＭＸ１を発信する。４２は第２のＸ軸制御部であり、測定値ＰＸ２と位置指令信号ＳＸ２の偏差に基づいてスライダ部２０に形成された第２のＸ軸モータに電流の操作信号ＭＸ２を発信する。４３はＹ軸制御部であり、測定値ＰＹと位置指令信号ＳＹの偏差に基づいてスライダ部２０に形成されたＹ軸モータに電流の操作信号ＭＹを発信する。
【００１０】
第１のＸ軸モータ, 第２のＸ軸モータ, Ｙ軸モータの構造、位置制御サーボ系の構成、ヨーイング抑制の手法等については、特許文献１及び２に詳細に開示されているので説明を省略する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図５は、格子プラテン１０上を浮揚して移動するスライダ部２０のピッチング及びローリングのイメージ図である。点線の矢印で示すＸ方向のゆれＰがピッチングであり、直交する一点鎖線の矢印で示すＹ方向のゆれがローリングである。
【００１２】
スライダ部に搭載されるターゲットが極めて高い位置決め精度を要求する場合には、浮揚して移動するスライダ部のピッチング及びローリングを抑制する必要がある。特許文献１及び２記載の技術では、スライダ部のＺ軸方向の回転であるヨーイングは抑制可能であるが、ピッチング及びローリングについては対応できない。
【００１３】
本発明の目的は、スライダ部の加速時、減速時、定速移動時の振動発生時にピッチング及びローリングを抑制する機能を具備したＸＹステージを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
スライダ部を２次元方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
前記スライダ部のピッチング角速度を検出するための信号を出力する第１のＺ軸センサと、
前記スライダ部のローリング角速度を検出するための信号を出力する第２のＺ軸センサと、
を有することを特徴とするＸＹステージである。
【００１５】
請求項２記載の発明は、
前記第１のＺ軸センサは、前記スライダ部のＸ軸方向の両端部に取り付けられた加速度計で構成され、前記第２のＺ軸センサは、前記スライダ部のＹ軸方向の両端部に取り付けられた加速度計で構成されることを特徴とする請求項１記載のＸＹステージである。
【００１６】
請求項３記載の発明は、
前記第１のＺ軸センサの測定値を積分演算して前記スライダ部のピッチング角速度を検出すると共に、前記第２のＺ軸センサの測定値を積分演算して前記スライダ部のローリング角速度を検出することを特徴とする請求項１又は２記載のＸＹステージである。
【００１７】
請求項４記載の発明は、
前記第１のＺ軸センサに近接して第１のＺ軸コイルを設けると共に、前記第２のＺ軸センサに近接して第２のＺ軸コイルを設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＸＹステージである。
【００１８】
請求項５記載の発明は、
前記第１のＺ軸センサにより測定したピッチング角速度測定値に基づいて前記第１のＺ軸コイルを励磁するピッチング制御手段と、前記第２のＺ軸センサにより測定したローリング角速度測定値基づいて前記第２のＺ軸コイルを励磁するローリング制御手段とを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージである。
【００１９】
請求項６記載の発明は、
前記第１のＺ軸センサの測定値及び前記第２のＺ軸センサにより測定した前記スライダ部のＺ方向速度に基づいて前記第１のＺ軸コイル及び前記第２のＺ軸コイルを励磁し、前記スライダ部のＺ方向速度を制御する速度制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＸＹステージである。
【００２０】
請求項７記載の発明は、
前記第１のＺ軸センサにより測定したピッチング角速度測定値に基づいて前記第１のＺ軸コイルを励磁するピッチング制御手段と、
前記第２のＺ軸センサにより測定したローリング角速度測定値基づいて前記第２のＺ軸コイルを励磁するローリング制御手段と、
前記第１のＺ軸センサ及び前記第２のＺ軸センサの測定値基づいて前記第１のＺ軸コイル及び前記第２のＺ軸コイルを励磁し前記スライダ部のＺ方向速度を制御する速度制御手段と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＸＹステージである。
【００２１】
請求項８記載の発明は、
前記スライダ部は格子プラテン上を移動し、前記第１及び第２のＺ軸コイルにおける前記格子プラテンと対向するコアの長さは、前記格子プラテンの格子ピッチの整数倍に選定されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のＸＹステージである。
【００２２】
請求項９記載の発明は、
前記第１及び第２のＺ軸センサは、サーボ加速度計であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＸＹステージである。
【００２３】
請求項１０記載の発明は、
前記第１及び第２のＺ軸センサは、コイルに発生する起電力を測定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＸＹステージである。
【００２４】
請求項１１記載の発明は、
前記第１及び第２のＺ軸センサは、圧電素子に発生する起電力を測定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のＸＹステージである。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）スライダ部の加速時、減速時、定速移動時におけるピッチング及びローリングを抑制する機能を具備したＸＹステージを実現できる。
（２）ピッチング角速度及びローリング角速度の制御に加えてスライダ部のＺ方向速度を制御することにより、ピッチング及びローリング抑制精度を更に向上させたＸＹステージを実現できる。
（３）ピッチング制御手段、ローリング制御手段、速度制御手段を独立させることにより、相互干渉のないピッチング, ローリング抑制が可能である。
（４）Ｚ軸コイルにおける格子プラテンと対向するコアの長さを、格子ピッチの整数倍に選定することにより、精度の高いサーボ制御を実現することができる。
（５）Ｚ軸センサとして、サーボ加速度計等市販されている小型安価で高精度の加速度計を容易に採用することができ、装置のコストダウンに貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。
以下本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用したＸＹステージの一例を示す平面図及び側面図であり、図４の従来例で説明した要素と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００２７】
図１（Ａ）は、格子プラテン１０とスライダ部２０の平面図、（Ｂ）はＸ軸方向の側面図（Ｙ軸方向センサは図示せず）である。スライダ部２０は、圧縮空気の噴射により格子プラテン１０の上面に微小空隙を持って浮揚している。浮揚手段は、この空隙を一定に制御する機能を持たないためにスライダ部２０の移動に伴い図５で説明したピッチング及びローリングが発生する。
【００２８】
Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２は、スライダ部２０のＸ軸方向の両端部に取り付けられた加速度計であり、第１のＺ軸センサを形成する。これら加速度計の測定値を積分演算してピッチング角速度を測定する。この場合、スライダ部２０はＸ軸方向に移動している。
【００２９】
同様に、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４は、スライダ部２０のＹ軸方向の両端部に取り付けられた加速度計であり、第２のＺ軸センサを形成する。これら加速度計の測定値を積分演算してローリング角速度を測定する。この場合、スライダ部２０はＸ軸方向に移動している。
【００３０】
スライダ部２０がＹ軸方向に移動しているときは、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４でピッチング角を検出し、Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２でローリング角を検出する。
【００３１】
図１（Ｂ）に示すように、Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２は、センサ位置におけるスライダ部２０の格子プラテン方向（Ｚ方向）の加速度ａ１及びａ２を測定する。図示されていないが、同様にＺ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４は、センサ位置におけるスライダ部２０の格子プラテン１０方向（Ｚ方向）の加速度ａ３及びａ４を測定する。
【００３２】
Ｚ１センサ１０１とＺ２センサ１０２間の距離及びＺ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４間の距離は、ここでは同一距離Ｌであるが異なっていてもよい。Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２の加速度測定値ａ１及びａ２とスライダ部のＸ方向距離Ｌ及び積分演算器によりピッチング角速度を検出する。同様に、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４の測定値ａ３及びａ４とスライダ部のＹ方向距離Ｌ及び積分演算器によりスライダ部のＹ方向のローリング角速度を検出する。
【００３３】
ピッチング角速度ｐｚ及びローリング角速度ｒｚは、次式で近似計算される。
ｐｚ＝（ａ１−ａ２）／Ｌ・（１／Ｓ）                        （１）
ｒｚ＝（ａ３−ａ４）／Ｌ・（１／Ｓ）                        （２）
Ｓ：ラプラス演算子
【００３４】
更に、４個の加速度計の測定値及び積分演算器によりスライダ部２０Ｚ方向速度ｈｚが次式で計算される。
ｈｚ＝（ａ１＋ａ２＋ａ３＋ａ４）／４・１／Ｓ            （３）
【００３５】
Ｚ１コイル１０５及びＺ２コイル１０６は、Ｚ１センサ１０１及びＺ２センサ１０２に近接して設けられ、第１のＺ軸コイルを形成する。同様に、Ｚ３コイル１０７及びＺ４コイル１０８は、Ｚ３センサ１０３及びＺ４センサ１０４に近接して設けられ、第２のＺ軸コイルを形成する。これらコイルに励磁電流を流すことにより図１（Ｂ）に示すように、スライダ部２０と格子プラテン１０間に吸引力が発生し空隙の距離を個別に制御することができる。
【００３６】
図２は、ピッチング制御手段、ローリング制御手段、Ｚ方向速度制御手段の構成例を示す機能ブロック図である。１０９乃至１１２は電流増幅器であり、夫々Ｚ１コイル１０５乃至Ｚ４コイル１０８にサーボ制御のための励磁電流ｉ１乃至ｉ４を供給する。
【００３７】
Ｚ１センサ１０１の測定値ａ１とＺ２センサ１０２の測定値ａ２は、減算器１１３で差が計算され、１／Ｌ演算部１１４及び積分演算器１３２により前記（１）式のピッチング角速度ｐｚが算出される。Ｚ３センサ１０３の測定値ａ３とＺ４センサ１０４の測定値ａ４は、減算器１１５で差が計算され、１／Ｌ演算部１１６及び積分演算器１３３により前記（２）式のローリング角速度ｒｚが算出される。Ｚ１センサ乃至Ｚ４センサの側定値ａ１乃至ａ４は、加算器１１７で加算され、１／４演算部１１８及び積分演算器１３４により前記（３）式のＺ方向速度ｈｚが算出される。
【００３８】
減算器１１９は、ピッチング角速度の測定値ｐｚとピッチング角速度指令部１２０の設定値ｐｓ（０）の差を誤差増幅器１２１に与える。減算器１２２は、ローリング角速度の測定値ｒｚとローリング角速度指令部１２３の設定値ｒｓ（０
）の差を誤差増幅器１２４に与える。減算器１２５は、Ｚ方向速度の測定値ｈｚと速度指令部１２６の設定値ｈｓの差を誤差増幅器１２７に与える。
【００３９】
ピッチング角速度を制御する誤差増幅器１２１の出力ｖｐは、加算器１２８及び減算器１２９を介して電流増幅器１０９及び１１０に与えられ、Ｚ１コイル１０５及び１０６の励磁電流ｉ１及びｉ２を可逆的に操作し、ピッチング角速度ｐｚがゼロとなるように制御する。
【００４０】
同様に、ローリング角速度を制御する誤差増幅器１２４の出力ｖｒは、加算器１３０及び減算器１３１を介して電流増幅器１１１及び１１２に与えられ、Ｚ３コイル１０７及び１０８の励磁電流ｉ３及びｉ４を可逆的に操作し、ローリング角速度ｒｚがゼロとなるように制御する。
【００４１】
スライダ部のＺ方向速度を制御する誤差増幅器１２７の出力ｖｈは、加算器１２８, １３０及び減算器１２９, １３１を介して電流増幅器１０９乃至１１２に与えられ、Ｚ１コイル乃至Ｚ４コイルの励磁電流ｉ乃至ｉ４を操作し、スライダ部２０と格子プラテン１０間のＺ方向速度ｈｚがゼロとなるように制御する。
【００４２】
このように、ピッチング制御手段及びローリング制御手段に加えて、スライダ部のＺ軸方向の速度を一定にする速度制御手段を設けることで、スライダ部の加速時、減速時、定速移動時におけるピッチング及びローリングの抑制精度を向上させることができる。
【００４３】
更に本発明では、ピッチング制御手段、ローリング制御手段、Ｚ方向速度制御手段が独立したサーボ系を構成しており、各制御系が互いに他の制御系の物理量に影響を与える相互干渉を回避することができる。
【００４４】
図３は、Ｚ１コイル乃至Ｚ４コイルを構成するコアの長さと格子プラテン１０の格子ピッチの関係を示す概念図であり、Ｚ１コイルで代表して説明する。１０５はＺ１コイルの巻線、１０５ａはコアであり、（Ａ）は正面図（Ｂ）は側面図である。格子プラテン１０におけるハッチング部は非磁性体を示す。
【００４５】
図３（Ａ）において、正面側のコア幅Ｗは格子ピッチＰの整数倍、即ちＷ＝ｎＰに設計されている。図３（Ｂ）において、側面側のコア幅Ｄ１, Ｄ２は格子ピッチＰの整数倍、即ちＤ１＝Ｄ２＝ｍＰ（ｍは整数）に設計されている。更にコアの突極間距離Ｇは、突極内の磁束分布のバラツキによる横方向への力（コギング）やピッチングが発生する場合は、これらを打ち消し合うように設定されている。
【００４６】
このようなコアと格子ピッチの設定により、コアと格子同士の対向面積は常に一定となり、スライダ部２０が格子プラテン１０上のどの位置にあっても各コイルにより発生する吸引力を均一にすることができ、サーボの制御精度を向上させることができる。
【００４７】
第１及び第２のＺ軸センサは加速度計であるが、具体的にはジャイロ手段を有するサーボ加速度計が小型安価で高精度のものが市販されているので、容易に採用可能である。その他、磁界中のコイルの移動による起電力を検出する原理の加速度計、圧電素子への押圧による起電力を検出する加速度計も市販品入手可能であり、容易に採用するがことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明を適用したＸＹステージの平面図及び側面図である。
【図２】本発明のサーボ手段を示す機能ブロック図である。
【図３】Ｚ軸コイルにおける格子プラテンと対向するコアの長さと格子ピッチの関係を説明する正面図及び側面図である。
【図４】従来ＸＹステージの構造を説明する斜視図である。
【図５】スライダ部に発生するピッチング及びローリングのイメージを説明する斜視図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  格子プラテン
２０  スライダ部
１０１  Ｚ１センサ
１０２  Ｚ２センサ
１０３  Ｚ３センサ
１０４  Ｚ４センサ
１０５  Ｚ１コイル
１０６  Ｚ２コイル
１０７  Ｚ３コイル
１０８  Ｚ４コイル
【図１】
2005025695.tif 000003
【図２】
2005025695.tif 000004
【図３】
2005025695.tif 000005
【図４】
2005025695.tif 000006
【図５】
2005025695.tif 000007