(57)【要約】      （修正有）【課題】固定側の部材と可動側の部材について、これらの部材を相対的に位置決めした後、その相対位置を固定保持すると共に、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制すること。【解決手段】固定側の固定部１と、前記固定部に対して相対的な運動が可能な１つ又は複数の可動側の可動部２と、前記固定部と可動部との間に介在し、磁界の強さに応じて、バネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方が変化する特性を有する流動体６と、前記流動体に対して磁界をかける磁界発生手段３，４と、前記磁界の強度を制御する磁界制御手段とから構成し、前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を位置決めした後、前記流動体に対して磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御することにより、  前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持すると共に、微小振動を減衰又は抑制する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定側の部材と可動側の部材の相対的な移動を規制し、且つ位置決め後の相対位置を固定すると共に、振動を減衰させる位置決め装置であって、
固定側の固定部と、
前記固定部に対して相対的な運動が可能な１つ又は複数の可動側の可動部と、
前記固定部と可動部との間に介在し、磁界の強さに応じて、バネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方が変化する特性を有する流動体と、
前記流動体に対して磁界をかける磁界発生手段とからなり、
前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を位置決めした後、前記流動体に対して磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御することにより、
前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持すると共に、前記位置決め装置の剛性を変えて、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
上記ナノメータオーダの微小振動は、周波数領域が１０００Ｈｚ以下、特に２００Ｈｚ以下の領域であり、振幅が±２００ｎｍ以下、特に±２０ｎｍ以下の振動であることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項３】
上記流動体に対して磁界をかけるとき、磁力線の方向が、上記位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して略鉛直方向であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置。
【請求項４】
上記流動体として、磁気粘性流体又はＭＲ流体を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項５】
上記流動体として、磁性粉体を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項６】
上記流動体として、磁性流体を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項７】
上記磁界発生手段として、電磁石を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項８】
上記磁界発生手段として、永久磁石を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項９】
上記磁界発生手段として、永久磁石と電磁石を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項１０】
上記磁界発生手段には、磁界の強度を変化させる制御手段が付加されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項１１】
上記固定部あるいは可動部のいずれか一方又は両方が、磁性体からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項１２】
上記固定部及び可動部の両方が非磁性体からなり、前記固定部及び可動部の両方に磁性体を設けることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項１３】
固定側の部材と可動側の部材の相対的な移動を規制し、且つ位置決め後の相対位置を固定すると共に、振動を減衰させる位置決め方法であって、
相対的な運動をすることが可能な固定側の固定部と可動側の可動部との間に、磁界の強さに応じて、バネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方が変化する特性を有する流動体を介在させ、
前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を位置決めした後、
前記流動体に対して磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御することにより、
前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持すると共に、位置決め装置の剛性を変えて、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することを特徴とする位置決め方法。
【請求項１４】
上記ナノメータオーダの微小振動は、周波数領域が１０００Ｈｚ以下、特に２００Ｈｚ以下の領域であり、振幅が±２００ｎｍ以下、特に±２０ｎｍ以下の振動であることを特徴とする請求項１３に記載の位置決め方法。
【請求項１５】
上記流動体に対して磁界をかけるとき、上記位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して略鉛直方向に磁界をかけることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子や半導体の製造、測定、検査などの装置に関するもので、これらの装置の位置決め機構が位置決めした後、その状態を高精度に保持すると共に、不規則的に発生する微小な振動を減衰する機構を併せ持つ位置決め装置に関する。例えば、精密な光学素子を高精度に測定する測定装置のステージ位置決め装置として活用し得るものである。
そして、本発明は、精密な光学素子、例えば、コピー機やプリンタ内部で使用される書込み光学系、読み取り光学系、具体的には、等倍結像素子、光学プリズム、ｆθレンズ、ｆθミラー、プロジェクターに用いるマイクロレンズアレイなど、光通信機器などに用いられる微小光学素子、又は精密位置決めが必要な半導体などの位置検出、検査、測定などの各装置に応用することができる。
【背景技術】
【０００２】
〔技術的背景〕
近年、光学素子や半導体などの高度な生産技術を要する部品の需要が高まっている。従来の光学素子は、例えば、凸レンズ、凹レンズ、ミラー、プリズムといった比較的単純な形状をしたものが多かった。しかしながら、現在は光学素子の形状も多岐に渡り、複雑な形状を有するものや、小さな形状のものも多い。
図１及び図２に示すものは、ステージで位置決めして保持する対象の例である。例えば、図１に示す光学素子(１０１)は、２つのレンズ面(１０２),(１０３)と１つのプリズム面(１０４)を有する複雑なものである。また、図２に示す光学素子(２０１)は、図１の光学素子(１０１)を小型化して、アレイ状に配列して構成したものである。この光学素子はレンズ面(１０３)から入射した光を、プリズム面(１０４)で折り返し、レンズ面(１０２)から出射させるもので、等倍結像素子とも呼ばれる。例えば、この光学素子では、開発や生産時において、各レンズ面の面精度、プリズム面の精度、アレイ状の配列精度などについて高精度に測定する必要がある。
このような製品を製造する装置には、精密な加工、成型、検査、測定などの生産技術が必要であり、なかでも特に精密な位置決め技術が要求される。この位置決め技術は、素早く正確に任意の位置に移動させて停止する技術と、任意の位置で一旦停止した後、その位置を任意の時間まで高精度に保持し続ける技術の２つの技術を有するものである。
このような装置のうち、光ディスク露光装置、半導体露光装置、及び精密測定機などでは、ナノ又はサブナノメータオーダの高精度の位置決めが要求される装置もある。
【０００３】
〔従来の技術、その問題点〕
従来の位置決め装置は、位置決め後にその位置を固定する際に、位置決め機構の接触衝撃により生じる位置ずれの発生が問題になっていた。また、位置決め機構による位置決め後においても、実際には振動などの外乱の影響により、精密な位置の保持は困難であるため、位置決め後においてその位置関係を長時間保ち続けることは困難である。
特開平１０−１０５２４１号公報に開示されたステージ装置は、半導体露光装置のステージに関するものであり、ステージ位置決め後の振動などでステージが微小変位することを防止しステージを所定位置に保持するために、このステージに取り付けられている板バネを真空吸着することによって、該ステージを保持し位置決めの精度を確保するものである。前記真空吸着はＯＮ−ＯＦＦ制御であり、前記板バネの吸着時に接触時の衝撃あるいは板バネが引っ張られることにより、停止位置がずれる可能性がある。そのため、求められる静止精度によっては、このような機構では位置決め精度が不十分な場合があり、特に、昨今のナノメータオーダやサブナノメータオーダの位置決めにおいては、このような機械的な機構による位置決めでは位置ずれの影響が大きい。
【０００４】
また、サーボモータを使用した回転ステージを有する位置決め装置もあるが、このような位置決め装置では、エンコーダカウントに起因する、いわゆるサーボ振動が発生し易く、これをメカ的又は電気的な方法で減少させる試みが長年にわたって続けられており、制御方法やフィルタリング手法の発展により低振動のステージが開発されている。
実際の装置構成では、除振台を用いることが多く、床からの振動は除振台で減衰するが、微小な振動は減衰しきれず伝達してしまう。他の設備から除振台上の設備に向けて、電気配線やエア配線、真空配管などがあるが、微小振動はこれらを伝達してくる場合もある。さらに、空気の対流による圧力変動、温度分布むら、音響振動、駆動ドライバノイズ、除振台上にレイアウトされているモータなどの加振源から発生する微小な振動など、不規則的なナノメータオーダの微小振動を完全に除去することは困難である。
このような不規則的な微小振動は、例えば、直動ステージや回転ステージを光学測定機に用いた場合、特にレーザ干渉計を用いた測定装置などに用いた場合では、測定精度と相関関係が深い干渉縞が不規則に動くなど、干渉縞解析に影響を与えるので、測定精度を確保することが困難となる。
また、前記直動ステージや回転ステージには接触式のブレーキを内蔵したものがあるが、位置決め時に固形のブレーキが物理的に接触するので接触による位置ずれが発生し易く、また、床振動や、同じテーブル上の他のアクチエータ、構造体、又は制御系から発生する微小振動を減衰しきれない等の問題があった。
【０００５】
そして、機能性流体を用いた位置決め装置は、特開２００３−４５７１５号公報に記載されている。この位置決め装置は、ステージ移動軸に対して鉛直方向の位置ずれを起こすことなく、所定の位置で２つの部材を固定し得るように、可動台と固定台との間にＭＲ流体を介在させて、磁力により前記可動台と固定台との相対位置を固定するものである。しかしながら、この位置決め装置は、磁界強度を制御するものではないので、積載荷重が変動したり磁界強度が強くなったりすれば、鉛直方向の位置ずれが発生するものである。また、前記磁界強度は、前記可動台の微小振動を減衰する最適な範囲に制御されるものではない。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１０５２４１号公報
【特許文献２】特開２００３−４５７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点を解決すべく、固定側の固定部と可動側の可動部との間に、磁界の強さに応じてバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方が変化する特性を有する流動体を介在させ、この流動体にかける磁界の強さを制御することにより、固定側の部材と可動側の部材について、これらの部材を相対的に位置決めした後、その相対位置を固定保持すると共に、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
〔解決手段１〕（請求項１に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段１は、固定側の部材と可動側の部材の相対的な移動を規制し、且つ位置決め後の相対位置を固定すると共に、振動を減衰させる位置決め装置を前提として、
固定側の固定部と、前記固定部に対して相対的な運動が可能な１つ又は複数の可動側の可動部と、前記固定部と可動部との間に介在し、磁界の強さに応じて、バネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方が変化する特性を有する流動体と、前記流動体に対して磁界をかける磁界発生手段とから構成して、
前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を位置決めした後、前記流動体に対して磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御することにより、
前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持すると共に、前記位置決め装置の剛性を変えて、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することである。
【０００９】
〔作 用〕
固定側の部材に対して可動側の部材を移動させ、任意の位置で位置決めした後、流動体に対して磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御する。これにより、前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持することができる。また、減衰すべき微小振動に合わせて前記磁界の強さを制御すれば、系の共振点を制御することができ、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することができる。
【００１０】
〔実施態様１〕（請求項２に対応）
実施態様１は、上記解決手段１において、ナノメータオーダの微小振動は、周波数領域が１０００Ｈｚ以下、特に２００Ｈｚ以下の領域であり、振幅が±２００ｎｍ以下、特に±２０ｎｍ以下の振動である。
【００１１】
〔実施態様２〕（請求項３に対応）
実施態様２は、上記解決手段１又は実施態様１において、流動体に対して磁界をかけるとき、磁力線の方向が、位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して略鉛直方向であることである。
〔作 用〕
位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して、略鉛直方向に磁界をかけることにより、位置決め装置の設置アライメント誤差や表面凹凸による位置ずれ発生量を最小限にすることができる。また、略平行方向に磁界をかける場合に比べて、バネ定数を大きく変化させることができる。
【００１２】
〔実施態様３〕（請求項４に対応）
実施態様３は、上記解決手段１、実施態様１又は実施態様２において、上記流動体として、磁気粘性流体又はＭＲ流体を用いることである。
〔作 用〕
流動体として、磁気粘性流体又はＭＲ流体を用いることにより、粘性減衰係数あるいはバネ定数のいずれか一方又は両方を自在に変化させることができる。また、液体の磁性体を用いれば、機構（可動側の部材）の移動時の保持力は小さく、機構の停止時の保持力は大きくすることができ、さらに機構に対して保持開始時の衝撃がほとんど無いので、保持による位置ずれがほとんど発生しない。
【００１３】
〔実施態様４〕（請求項５に対応）
実施態様４は、上記解決手段１、実施態様１又は実施態様２において、流動体として磁性粉体を用いることである。
〔作 用〕
流動体として磁性粉体を用いることにより、液体の磁性体を用いるよりも、保持および減衰特性を持つ位置決め装置を安価に構成することができる。
【００１４】
〔実施態様５〕（請求項６に対応）
実施態様５は、上記解決手段１、実施態様１又は実施態様２において、流動体として磁性流体を用いることである。
〔作 用〕
流動体として磁性流体を用いることにより、保持の再現性を向上させることができる。また、沈殿が発生しにくいので、長期的に使用することができる。
【００１５】
〔実施態様６〕（請求項７に対応）
実施態様６は、上記解決手段１、実施態様１〜５のいずれかにおいて、磁界発生手段として電磁石を用いることである。
〔作 用〕
磁界発生手段として電磁石を用いることにより、液体又は紛体の磁性体について、粘性減衰係数あるいはバネ定数のいずれか一方又は両方を変えることができる。
【００１６】
〔実施態様７〕（請求項８に対応）
実施態様７は、上記解決手段１、実施態様１〜５のいずれかにおいて、磁界発生手段として永久磁石を用いることである。
〔作 用〕
磁界発生手段として永久磁石を用いることにより、液体又は紛体の磁性体について、粘性減衰係数あるいはバネ定数のいずれか一方又は両方を変えることができる。また、安価な構成により磁性体に磁界を加えることができる。
【００１７】
〔実施態様８〕（請求項９に対応）
実施態様８は、上記解決手段１、実施態様１〜５のいずれかにおいて、磁界発生手段として永久磁石と電磁石を用いることである。
〔作 用〕
磁界発生手段として永久磁石と電磁石を用いることにより、液体又は紛体の磁性体について、粘性減衰係数あるいはバネ定数のいずれか一方又は両方を変えることができる。また、永久磁石を併用することにより、電磁石で発生すべき磁力を弱くすることが可能になり、装置の小型化や省電力化を達成することができる。
【００１８】
〔実施態様９〕（請求項１０に対応）
実施態様９は、上記解決手段１、実施態様１〜８のいずれかにおいて、磁界発生手段には磁界の強度を変化させる制御手段が付加されていることである。
〔作 用〕
磁界発生手段に磁界の強度を変化させる制御手段を付加することにより、液体又は紛体の磁性体について、粘性減衰係数あるいはバネ定数のいずれか一方又は両方を変えることができ、微小振動を減衰又は抑制するために最適な粘性減衰係数又はバネ定数とすることができる。
【００１９】
〔実施態様１０〕（請求項１１に対応）
実施態様１０は、上記解決手段１、実施態様１〜９のいずれかにおいて、固定部あるいは可動部のいずれか一方又は両方が、磁性体からなることである。
〔作 用〕
固定部あるいは可動部のいずれか一方又は両方を磁性体で構成して磁気回路を形成することにより、効率よく磁気をかけることができる。また、磁性体が片側の場合には、アライメントやギャップ変動による保持力のばらつきを小さくすることができる。
【００２０】
〔実施態様１１〕（請求項１２に対応）
実施態様１１は、上記解決手段１、実施態様１〜９のいずれかにおいて、固定部及び可動部の両方が非磁性体からなり、前記固定部及び可動部の両方に磁性体を設けることである。
〔作 用〕
固定部及び可動部の両方を非磁性体で構成して、前記固定部及び可動部の両方に磁性体を設けることにより、位置決めする時に、対向する磁極が吸引することで、正確な位置関係を再現することができる。また、保持力や減衰力が、固定側の部材と可動側の部材間のギャップ変動により、影響を受けることの少ない位置決め装置を提供することができる。
【００２１】
〔解決手段２〕（請求項１３に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段２は、固定側の部材と可動側の部材の相対的な移動を規制し、且つ位置決め後の相対位置を固定すると共に、振動を減衰させる位置決め方法を前提として、
相対的な運動をすることが可能な固定側の固定部と可動側の可動部との間に、磁界の強さに応じて、バネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方が変化する特性を有する流動体を介在させ、前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を位置決めした後、前記流動体に対して磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御することにより、
前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持すると共に、位置決め装置の剛性を変えて、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することである。
【００２２】
〔作 用〕
固定側の部材に対して可動側の部材を移動させ、任意の位置で位置決めした後、流動体に対して磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御する。これにより、前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持することができる。また、減衰すべき微小振動に合わせて前記磁界の強さを制御すれば、系の共振点を制御することができ、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することができる。
【００２３】
〔実施態様１２〕（請求項１４に対応）
実施態様１２は、上記解決手段２において、ナノメータオーダの微小振動は、周波数領域が１０００Ｈｚ以下、特に２００Ｈｚ以下の領域であり、振幅が±２００ｎｍ以下、特に±２０ｎｍ以下の振動である。
【００２４】
〔実施態様１３〕（請求項１５に対応）
実施態様１３は、上記解決手段２又は実施態様１２において、流動体に対して磁界をかけるとき、位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して略鉛直方向に磁界をかけることである。
〔作 用〕
位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して、略鉛直方向に磁界をかけることにより、位置決め装置の設置アライメント誤差や表面凹凸による位置ずれ発生量を最小限にすることができる。また、略平行方向に磁界をかける場合に比べて、バネ定数を大きく変化させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の効果を主な請求項毎に整理すれば、次のとおりである。
(１) 請求項１及び請求項２に係る発明の効果
固定側の部材と可動側の部材を相対的に位置決めした後、これらの相対的な位置関係の変化を防止し、同時に系の共振点を制御することにより、ナノメータオーダの微小な振動を減衰又は抑制することができる。前記減衰又は抑制する振動は、周波数領域が１０００Ｈｚ以下、特に２００Ｈｚ以下の領域を含むものであり、同じく振幅が±２００ｎｍ以下、特に±２０ｎｍ以下の振動を含むものである。
(２) 請求項３に係る発明の効果
位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して、略鉛直方向に磁界をかけることにより、位置決め装置の設置アライメント誤差や表面凹凸による位置ずれ発生量を最小限にし、また略平行方向に磁界をかける場合に比べてバネ定数を大きく変化させることができる。
【００２６】
(３) 請求項４に係る発明の効果
流動体として磁気粘性流体又はＭＲ流体を用いることにより、可動側の部材を移動する時の保持力は小さく、停止時の保持力を大きくすることができる。また、可動側の部材に対して保持開始時の衝撃はほとんど無いので、保持による位置ずれがほとんど発生しない。
(４) 請求項５に係る発明の効果
流動体として磁性粉体を用いることにより、液体の磁性体を用いるものよりも安価に構成することができる。
【００２７】
(５) 請求項６に係る発明の効果
流動体として磁性流体を用いることにより、保持の再現性を向上させることができる。また、沈殿が発生しにくいので、長期的に使用することができる。
(６) 請求項７に係る発明の効果
磁界発生手段として電磁石を用いることにより、液体又は粉体の磁性体に磁界を加えると共に、磁界の強度を簡単に制御することができ、粘性減衰係数あるいはバネ定数のいずれか一方又は両方を制御することができる。
【００２８】
(７) 請求項８に係る発明の効果
磁界発生手段として永久磁石を用いることにより、液体又は粉体の磁性体に対して簡単で安価な構成で磁界を加えることができると共に、粘性減衰係数あるいはバネ定数のいずれか一方又は両方を制御することができる。
(８) 請求項９に係る発明の効果
磁界発生手段として永久磁石と電磁石を用いることにより、電磁石で発生すべき磁力を弱くすることができ、装置の小型化や省電力化を達成することができる。
【００２９】
(９) 請求項１１に係る発明の効果
固定部あるいは可動部のいずれか一方又は両方が磁性体からなることにより、磁性体に効率よく磁気をかけて磁気回路を構成することができる。また、磁性体が片側の場合は、アライメントやギャップ変動による保持力のばらつきを小さくすることができる。
(１０) 請求項１２に係る発明の効果
固定部と可動部の両方が非磁性体からなり、該固定部と可動部の両方に磁性体を設けることにより、位置決め時に対向する磁極が吸引することにより、正確な位置関係を再現することができる。また、保持力や減衰力が、固定側の部材と可動側の部材間のギャップ変動により、影響を受けることの少ない位置決め装置を提供することができる。 
【００３０】
(１１) 請求項１３及び請求項１４に係る発明の効果
固定側の部材と可動側の部材を相対的に位置決めした後、これらの相対的な位置関係の変化を防止し、同時に系の共振点を制御することにより、ナノメータオーダの微小な振動を減衰又は抑制することができる。前記減衰又は抑制する振動は、周波数領域が１０００Ｈｚ以下、特に２００Ｈｚ以下の領域を含むものであり、同じく振幅が±２００ｎｍ以下、特に±２０ｎｍ以下の振動を含むものである。
(１２) 請求項１５に係る発明の効果
位置決め装置の位置ずれ発生方向に対して、略鉛直方向に磁界をかけることにより、位置決め装置の設置アライメント誤差や表面凹凸による位置ずれ発生量を最小限にし、また略平行方向に磁界をかける場合に比べてバネ定数を大きく変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
固定側の部材に対して可動側の部材を任意の位置に位置決めして、これらの相対位置を固定保持すると共に、振動を減衰させることができる位置決め装置であって、固定側の固定部と可動側の可動部との間に、磁界の強さに応じて、バネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方が変化する特性の流動体を介在させ、前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を位置決めした後、前記流動体に対して磁界発生手段により磁界をかけて、そのバネ定数あるいは粘性減衰係数のいずれか一方又は両方を制御することにより、前記固定側の部材に対する前記可動側の部材の相対位置を固定保持すると共に、位置決め装置の剛性を変えて系の共振点を制御することで、ナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することである。
【実施例１】
【００３２】
本発明の実施例１について、図３を参照しながら説明する。
温湿度が一定になるようにコントロールされた環境下に、除振台（図示せず）を設置し、この除振台の上に、面精度が確保され、振動減衰性の良いグラナイト（花崗岩）で作られたベース(３０７)を設置し、さらに該ベースの中心にエアステージ(３０１)を設置する。エアステージ(３０１)はエア注入口(３０８)からエアを入れることで、ガイド部が非接触になるので、摩擦が小さくなりなめらかに移動することができる。このエアステージ(３０１)にはアクチエータとしてリニアモータ（図示せず）が内蔵されており、該エアステージとアクチエータが非接触で動作できるので、摩擦要素の影響は極力小さくできる。また、分解能および精度の高い位置決めセンサ（図示せず）、例えば、分解能０.０５ｎｍの光学式変位センサが、エアステージ(３０１)の可動部(３０２)の変位を計測し、その位置情報をエアステージの制御装置（図示せず）にフィードバックすることにより、エアステージ(３０１)の移動範囲±５ｍｍにおいて任意の位置に位置決めすることができる。
【００３３】
前記リニアモータを駆動するドライバは、リニアアンプ（図示せず）で構成されており、このドライバからのノイズは極力小さくなるようにされており、微小振動の発生は極力小さくなるように設計されている。しかしながら、従来技術において説明したような外乱要因、例えば、配線又は配管経由、大気伝搬、除振台上に設置された加振源からの外乱によって、振幅で数〜数十ｎｍの微小振動の混入を避けることは困難である。
【００３４】
このエアステージの可動部(３０２)には、アーム(３０３)が取り付けられている。このアーム(３０３)は磁性体によって構成されており、ベース(３０７)に固定されたＭＲ流体槽(３０４)の槽内に侵入している。このＭＲ流体槽(３０４)の槽内には、ＭＲ流体(３０５)が注入されており、前記アーム(３０３)はこのＭＲ流体(３０５)に浸っている。また、ＭＲ流体槽(３０４)には電磁石(３０６)が２個取り付けられており、ＭＲ流体槽(３０４)に磁界を印加できるようになっている。このＭＲ流体槽(３０４)は全体を磁性体で構成しても構わないが、ＭＲ流体に強い磁界を印加した方が効率がよいため、ＭＲ流体槽(３０４)を非磁性体で構成し、電磁石(３０６)が槽部に接触する部分のみを磁性体で構成している。このような構成であれば、電磁石(３０６)から発生した磁界は、前記槽部の磁性体を伝わって、前記槽内に注入されているＭＲ流体に伝わり、さらに磁性体のアーム(３０３)を伝わって、反対側のＭＲ流体に伝わり、さらに反対側の槽部の磁性体を経由して、反対側の電磁石(３０６)に伝わる。
【００３５】
この電磁石(３０６)には磁界の強度を変化させる制御手段（図示せず）が設けてあり、該電磁石(３０６)に通電する電圧又は電流を制御することで、該電磁石の磁界の強度を制御することができる。ＭＲ流体(３０５)は、磁界の強度によってバネ定数や粘性減衰係数が変化するので、磁界の強度を変化させることで所望のバネ定数又は粘性減衰定数を得ることができる。これによって機構（ここではエアステージであるが）の剛性が変化し、共振点を制御することでナノメータオーダの微小振動を減衰又は抑制することができる。従来、機能性流体を用いたダンパでは粘性減衰係数を変化させ、いわゆるダンパのような構成で振動を減衰させていた。しかし、この方法では比較的振幅の大きな振動、例えば数μｍ〜数ｍｍオーダの振動には効果があるが、振幅が非常に小さな、例えばナノメータレベルの微小振動を減衰させる効果には乏しかった。そこで、ＭＲ流体の粘性減衰係数の変化ではなく、バネ定数を変化させることによって、機構（エアステージ）の剛性を高くして、機構の共振点を制御することにより、微小振動を減衰させている。ここで使用している電磁石は一つの例であって、永久磁石に代えても構わない。また、永久磁石と電磁石を組み合わせれば、電磁石での発生磁界を弱くすることができ、小型にすることもできる。
【００３６】
ここで、ＭＲ流体について説明すると、ＭＲ流体は磁気粘性流体とも呼ばれ、溶媒に磁性体を分散させたものである。溶媒にはシリコンオイル、炭化水素油、水などが用いられることが多い。磁性体にはカルボニル鉄やマグネタイトなどが用いられ、分散性を向上させるために界面活性剤が添加されている。
ＭＲ流体と構造が似ているものに磁性流体があるが、磁性流体の磁性体は粒子径が数〜数十ｎｍであるに対して、ＭＲ流体の磁性体は粒子径が数〜数十μｍであって、大きさが異なっている。この構造の違いにより、磁性流体は磁界を印加しても、液体のままで減衰力はほとんど変化しないが、ＭＲ流体は磁界を印加することで、液体から固体に近い状態に変化し、減衰力が大きく変化する。ＭＲ流体としては、米国のＬＯＲＤ社のＭＲＦ−１２２−２ＥＤ、ＭＲＦ−１３２ＡＤ、ＭＲＦ−２４１ＥＳ、ＭＲＦ−３３６ＡＧなどがある。磁性流体としは、日本のフェローテック社のＡＰＧ８１０、ＡＰＧ８２０、ＲＥＮ１０２０、ＲＥＮ１６００などがある。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明の実施例２について、図４を参照しながら説明する。この実施例２については、特に、ＭＲ流体槽の固定部(１)と可動部(２)に係る構成について説明する。
図４は、ＭＲ流体槽の拡大図であり、磁石(３)が設置された固定部(１)と、磁石(４)が設置された可動部(２)との間に流路(８)が設けられており、この流路(８)には粉体又は液体が封入されている。この粉体又は液体は磁界に反応する物質であり、いわゆる磁性体としての性質を持つものである。例えば、粉体であれば砂鉄、磁性紛などであり、液体であれば磁性流体、ＭＲ流体、又は磁気粘性流体などである。特に、ＭＲ流体は、通常は液体としての挙動を示すが、磁界の強さに比例して粘性減衰係数やバネ定数が変化して、強磁界下では固体のような挙動を示す物質である。同様な特性を持つものとしては、電界に反応して粘性が変化するＥＲ流体又は電気粘性流体と呼ばれるものも存在するが、ＭＲ流体は電気粘性流体に比べて、減衰力の変化量が２０〜５０倍程度大きいという特徴を持っている。なお、図４における符号(６)はＭＲ流体を示している。
【００３８】
前記流路(８)に封入された磁性粉体もしくは磁性流体、又はＭＲ流体は、磁石(３)、磁石(４)の近傍では磁界が強くなるために、磁性粉体は凝集し、ＭＲ流体は固体状になる。そのため、強磁界部(５)の粉体は凝集し、流体であれば固体状になることで可動部(２)の不必要な移動を規制する。このとき、磁石(３),(４)は２個必要というわけではなく、磁界を伝達できればよいので、どちらか一方でも構わないし、また別に磁界を印加させる手段があれば、磁石(３),(４)は単なる磁性体に置き換えても良い。あくまでも相対運動を規制するものであるから、このとき固定部(１)と可動部(２)の位置関係は逆でも構わないし、もちろん固定部(１)と可動部(２)の両方とも可動部であっても構わない。
【００３９】
また、磁力線(７)の方向は、位置決め装置の位置ずれ方向に対して略鉛直方向、例えば、９０°、８５°又は９８°となるように設置してある。略鉛直方向に磁界をかけることにより、位置決め装置の組み付け時にアライメントの誤差があったり、ＭＲ流体槽(３０４)の傾きや、アーム(３０３)表面の凹凸形状があっても、磁界をかけたときの位置ずれ発生量を最小限に抑えることができる。また、略平行方向に磁界をかけた場合に比べて、位置ずれ方向に対するＭＲ流体のバネ定数を大きく変化させることができるので、機構（エアステージ）のバネ定数を大きく変化することができ、結果として、位置決め装置の剛性を変化させることができる。すなわち、共振周波数を制御することで、微小振動の減衰に最適な位置決め装置を得ることができる。
【００４０】
通常、除振台を用いれば、床からの振動は大きく減衰されるが、それでも配線や配管から除振台に伝達される。また、クリーンルーム内に設置した場合には、エアの噴出しや周辺騒音のために、大気中を伝達して微小な振動が装置に伝わってくる。また、高性能な除振台を用いても、除振台上の加振源、例えば、他のアクチエータから発生する振動は避けることができず、不規則的なナノメータオーダの微小振動は除去することが非常に困難である。
近年、半導体の露光装置、光ディスクの露光装置、光素子の測定装置などの分野では、位置決めおよび位置保持の高精度化が求められており、これらの微小振動は無視することができない。そこで、これらの位置決め装置を、例えばステージに取り付けることで、位置決めした後、その位置を保持・固定する。そうすれば、保持・固定した後は、微小振動を減衰することが可能となる。
【００４１】
ここで、機構（エアステージ）の周波数特性について、図５を参照しながら説明する。  図５は、エアステージを数ｎｍ〜数十ｎｍの微小振動で加振したときの周波数特性を表したものであり、横軸は対数表示された周波数を表し、縦軸はｄＢ表示されたゲインを表している。
磁界強度０の一次共振点(５０１)のグラフは、ＭＲ流体(３０５)をＭＲ流体槽(３０４)に注入した後、磁石の磁界を０にした場合の特性を表すものである。このグラフに表されているように、一次共振点のゲインは高く、一次共振点より低い周波数領域、いわゆる低周波領域でのゲインも大きくなっている。
【００４２】
次に、磁石から弱い磁界を発生させた場合の特性は、磁界強度小の一次共振点(５０２)のグラフになる。一次共振点の周波数は高くなり、それに伴って一次共振点のゲインが低下しており、更に一次共振点よりも低い周波数領域でのゲインも低下している。もし、粘性減衰係数の効果により振動のゲインが低下するのであれば、一次共振点の周波数は磁界強度０の一次共振点(５０１)の周波数に近い値で、一次共振点のゲインが低下することになるが、そのような現象は見られない。微小振動は、バネ定数が変化することで共振点が周波数の高い方にシフトし、共振周波数が高くなることで振動ゲインが低下していることが分かる。即ち、エアステージが静止している状態で磁界をかけた場合、微小振動を減衰させるには、粘性減衰係数ではなく、バネ定数の効果が大きいことが分かる。このことは、ＭＲ流体は、エアステージが移動中と静止しているときでは、振動減衰に影響を与えるメカニズムが異なることを示している。
【００４３】
また、磁石から中くらいの磁界を発生させると、磁界強度中の一次共振点(５０３)のグラフになる。先の結果と同様に、一次共振点の周波数が高くなり、ゲインも低下している。また、一次共振点よりも低い周波数領域では、ゲインが０近傍まで低下していることも分かる。
さらに、磁石から大きな磁界を発生させると、磁界強度大の一次共振点(５０４)のグラフになる。先の結果と同様に、低い周波数領域のゲインは低下しているが、逆に高い周波数領域のゲインは上がっていることが分かる。この結果により、微小振動を減衰させるには、減衰させたい微小振動の周波数領域および振幅に応じて、磁界の強度を最適な値に制御する必要があることが分かる。
【００４４】
ところで、ここで用いられている磁界を発生させる装置は、一般的な電磁石である。このような電磁石は電気を流したときに磁界が発生するので、位置決め前には磁界を発生しないようにして、流路(８)の中は強磁界部(５)は存在せず、注入された流体又は粉体も通常の状態であって剪断抵抗も少ない。このことから、固定部(１)と可動部(２)の間の保持力が小さくなるので、可動部(２)は滑らかに移動することが可能になる。任意の位置で位置決めした後は、電磁石に電気を流して磁界をかけることによって、流路(８)の中に強磁界部(５)を生成して保持力を発生させ、更に磁界の強さを変化させることができる。もちろんスイッチングができれば良いので、永久磁石を用いてメカ的にスイッチングしても良い。
しかし、必ずしもスイッチングが必要というわけでは無い。磁性流体やＭＲ流体は、せん断速度によって粘性が変わる傾向がある。そこで、可動部(２)を位置決めする際には、ある程度の速度で動かすことにより粘性抵抗を減らし、任意の位置決め位置では、速度を低下させることによって粘性抵抗を大きくし、位置決め位置では速度が０なので粘性抵抗は最大になる。このような手法を用いれば、磁界についてＯＮとＯＦＦのスイッチングをすることなく、保持力を利用することができる。この場合は、電磁石を用いる必要はなく、永久磁石を用いることにより、メカ的なスイッチング機構も必要なく位置決め装置を構成することができる。
【００４５】
上記実施例の説明の繰り返しになるが、これら実施例の基本的な動作について、図６に示す動作フローを参照しながら説明する。
(１) 固定部(１)に対して可動部(２)をアクチエータにより移動させ、任意の位置で位置決めする。
(２) 磁石(３０６,３)の磁界を磁気回路を経由してＭＲ流体槽(３０４)にかける。
(３) ＭＲ流体槽(３０４)に注入してあるＭＲ流体(３０５,６)に磁界がかかる。
(４) ＭＲ流体(３０５,６)のバネ定数、粘性減衰係数のどちらか一方、あるいは両方が変化する。
(５) ＭＲ流体(３０５,６)は、液体から固体に近い状態に変化し、機構の可動部が固定される。
(６) 固定された位置で、機構のバネ定数が大きくなって剛性が高くなり、共振点が高くなる。
(７) 減衰したい微小振動の振幅および周波数帯に合わせて、磁界の強度を制御する。
(８) 機構が固定され、剛性が高くなって共振点が高くなることで、微小振動が減衰もしくは抑制される。
(９) 磁石の磁界を解除すると、機構の固定は解除される。
【実施例３】
【００４６】
次に、本発明の実施例３について、図７を参照しながら説明する。この実施例３についても上記実施例２と同様に、ＭＲ流体槽の固定部(１１)と可動部(１２)に係る実施例である。
図４に示された上記実施例２の場合は、固定部(１)と可動部(２)が共に磁性体であり、それぞれに磁石(３),(４)が設けられて磁気回路が構成されているので、効率良く磁力を利用できるものである。
これに対して、図７に示された実施例３は、上記実施例２とほぼ同じであるが、固定部(１１)には磁石(１３)が設けられており、可動部(１２)には磁石が設けられていない。しかしながら、可動部(１２)が磁性体である場合には磁気回路が形成されるので、効率良く磁場を形成することができる。また、励磁部が他にあれば、前記固定部(１１)や可動部(１２)のどちらにも磁石が設けられてなくても、両方が磁性体であれば効率よく磁場を形成することができる。
なお、図７において、符号(１５),(１６)及び(１７)は、それぞれ強磁界部、ＭＲ流体及び磁力線を表している。
【実施例４】
【００４７】
次に、本発明の実施例４について、図８を参照しながら説明する。
固定部(１１)には磁石(１３)が設置されているが、非磁性可動部(２２)には設置されていない。また、この非磁性可動部(２２)は非磁性のため磁力線(２７)がとおりにくく、該可動部(２２)には磁気回路が構成されない。このように磁性体が片側だけであれば、固定部(１１)と非磁性可動部(２２)が磁力によって力を受けることが無いので、前記固定部(１１)と非磁性可動部(２２)の相対的な位置関係が、例えば、アライメントエラーによる傾き成分や、表面のうねりなどによる２面のギャップ距離の変動があっても、保持力の変動が小さく高精度に位置決めや位置保持をすることが可能になる。このように全ての構成部分が磁性体である必要は無く、磁性体は片側だけでも差し支えない。
なお、図８において、符号(１６)及び(２５)は、それぞれＭＲ流体及び強磁界部を表している。
【実施例５】
【００４８】
最後に、本発明の実施例５について、図９を参照しながら説明する。
図９に示すように、固定部(３１)と可動部（３２）の一部にそれぞれ磁石(３３)及び磁石(３４)が設置されている。磁石と磁石が対向して位置決めする場合には、このように構成すれば、位置決め誤差があっても、磁力によって磁石と磁石が引き合い、対向位置まで移動できるので、位置の再現性を向上することができる。
なお、図９において、符号(１６)及び(３５)は、それぞれＭＲ流体及び強磁界部を表している。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によって位置決めされ、且つ保持される対象の一例である光学素子を示す。
【図２】本発明によって位置決めされ、且つ保持される対象の別の例である光学素子を示す。
【図３】本発明の実施例１の斜視図である。
【図４】本発明の実施例２について説明する模式図である。
【図５】本発明の位置決め装置において、エアステージを微小振動で加振したときの周波数特性を示すグラフである。
【図６】本発明の位置決め装置における動作フローを示す。
【図７】本発明の実施例３について説明する模式図である。
【図８】本発明の実施例４について説明する模式図である。
【図９】本発明の実施例５について説明する模式図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１    光学素子
１０２    レンズ面
１０３    レンズ面
１０４    プリズム面
２０１    光学素子
３０１    エアステージ
３０２    可動部
３０３    アーム
３０４    ＭＲ流体槽
３０５    ＭＲ流体
３０６    電磁石
３０７    ベース
３０８    エア注入口
５０１    磁界強度０の一次共振点
５０２    磁界強度小の一次共振点
５０３    磁界強度中の一次共振点
５０４    磁界強度大の一次共振点
１    固定部（磁性体）
２    可動部（磁性体）
３    磁石
４    磁石
５    強磁界部
６    ＭＲ流体
７    磁力線
８    流路
１１    固定部
１２    可動部（磁性体）
１３    磁石
１５    強磁界部
１６    ＭＲ流体
１７    磁力線
２２    非磁性可動部
２５    強磁界部
２７    磁力線
３１    固定部
３２    可動部
３３    磁石
３４    磁石
３５    強磁界部
【図１】
2005071296.tif 000003
【図２】
2005071296.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005071296.tif 000006
【図６】
2005071296.tif 000007
【図７】
2005071296.tif 000008
【図８】
2005071296.tif 000009
【図９】
2005071296.tif 000010
【図５】
2005071296.tif 000011