(57)【要約】【課題】  プラテンの軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してステージを所望位置に高精度で位置決めでき、かつ、迅速に整定できるリニアパルスモータの制御方法を提供する。【解決手段】  プラテン４のＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を介してステージ３を駆動する際、フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２のオープンループ制御によりステージ３は所望位置まで迅速に駆動され、フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２のクローズドループ制御によりステージ３は所望位置に高精度に整定される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラテンの軌道面に沿って少なくともＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してＸＹ平面上の所望位置にステージを駆動可能なリニアパルスモータの制御方法であって、
前記フォーサのオープンループ制御によりステージを所望位置まで駆動し、前記フォーサのクローズドループ制御によりステージを所望位置に整定させることを特徴とするリニアパルスモータの制御方法。
【請求項２】
前記フォーサのオープンループ制御からクローズドループ制御への切り替えは、フォーサに対する速度指令値が０となったタイミングで行うことを特徴とする請求項１に記載のリニアパルスモータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置にステージを駆動可能なリニアパルスモータの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体や液晶などの半導体デバイスの製造工程（露光工程）あるいは検査工程においては、半導体デバイスをステージに載置してＸＹ軸方向に駆動するＸＹステージ装置が位置決め用または搬送用として使用されている。この種のＸＹステージ装置として、半導体デバイスを載置するステージをプラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置に駆動するリニアパルスモータを備えたものが従来一般に知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このリニアパルスモータは、いわゆる平面型のＰＭ型リニアステッピングモータであり、表面に磁性体が格子状に配列された平板状の固定子であるプラテンと、このプラテンの表面の軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動されるブロック状の可動子である一群のフォーサとを備えている。そして、このリニアパルスモータは、プラテン上にエアベアリングを介して滑動可能に載置され、かつ、一群のフォーサを介して駆動可能に支持されたステージをプラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置に駆動するように制御される。
【０００４】
ここで、プラテンの軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向にフォーサを所望の距離だけ駆動するリニアパルスモータの制御方法としては、オープンループ制御が一般的であり、例えば特許文献１には、フォーサの駆動距離をｘ、プラテンの軌道面に格子状に配列された磁性体のピッチ間隔をτ、その繰り返しの一周期を２πとしたとき、フォーサの励磁電流の位相を２π・ｘ／τだけ進めれば、フォーサを距離ｘだけ駆動できることが記載されている。
【特許文献１】特開平８−９６７４号公報（段落番号０００２〜段落番号０００９、図６、図９〜図１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載されたリニアパルスモータの制御方法のように、所望の目標位置を安定点としてフォーサを電流バランスの制御により位置決めする制御方法では、フォーサの位置決め精度はせいぜい１０μｍ程度であり、ステージを所望位置にｎｍオーダの高精度で位置決めすることができないという問題がある。
【０００６】
また、フォーサは自然減衰により目標位置に整定される特性を有するため、ステージを迅速に整定できないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、プラテンの軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してステージを所望位置に高精度に位置決めでき、かつ、迅速に整定できるリニアパルスモータの制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るリニアパルスモータの制御方法は、プラテンの軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してＸＹ平面上の所望位置にステージを駆動可能なリニアパルスモータの制御方法であって、フォーサのオープンループ制御によりステージを所望位置まで駆動し、フォーサのクローズドループ制御によりステージを所望位置に整定させることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るリニアパルスモータの制御方法では、プラテンのＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサを介してステージを駆動する際、フォーサのオープンループ制御によりステージは所望位置まで迅速に駆動され、フォーサのクローズドループ制御によりステージは所望位置に高精度に整定される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るリニアパルスモータの制御方法によれば、プラテンのＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサを介してステージを駆動する際、フォーサのオープンループ制御によりステージを所望位置まで迅速に駆動することができ、フォーサのクローズドループ制御によりステージを所望位置に高精度に位置決めし、かつ、迅速に整定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明に係るリニアパルスモータの制御方法の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法が適用されるＸＹステージ装置の制御系のブロック構成図である。
【００１２】
図１に示すＸＹステージ装置１は、半導体や液晶などの半導体デバイスの製造工程（露光工程）や検査工程において位置決め用などに使用される装置である。このＸＹステージ装置１は、いわゆる平面型のＰＭ型リニアステッピングモータの一種であるリニアパルスモータ２によりＸＹ平面上の所望位置に駆動されるステージ３を備えている。
【００１３】
リニアパルスモータ２は、図１に示すように、平板状の固定子であるプラテン４と、ブロック状の可動子である一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２とを備えて構成されている。プラテン４は、表面に多数の磁性体の歯がＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って格子状に配列された軌道面を有し、この軌道面は、多数の歯と歯の間に非磁性体のエポキシ樹脂などが充填されることで平滑面として構成されている。
【００１４】
一方、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２は、プラテン４の軌道面に沿ってＸ軸方向またはＹ軸方向に駆動されるものであり、Ｘ軸方向に駆動される一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２は、ステージ３のＸ軸に沿う２辺の下面に固定され、Ｙ軸方向に駆動される一対のフォーサ５Ｙ１，５Ｙ２は、ステージ３のＹ軸に沿う２辺の下面に固定されている。
【００１５】
フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２は、いずれも同様に構成されているため、これらを代表してフォーサ５Ｘ１について説明する。このフォーサ５Ｘ１は、図２に示すように、上面が平坦なフォーサ本体５Ａの下面にＡ相駆動部５ＢとＢ相駆動部５Ｃとが一列に配列されて組み込まれた構造を有する。
【００１６】
Ａ相駆動部５Ｂは、永久磁石の両極に接触して隣接配置された一対の鉄心５Ｄ，５Ｄ間にＡ相コイル５Ｅが巻装された構造を有する。同様に、Ｂ相駆動部５Ｃは、永久磁石の両極に接触して隣接配置された一対の鉄心５Ｆ，５Ｆ間にＢ相コイル５Ｇが巻装された構造を有する。
【００１７】
Ａ相駆動部５Ｂの鉄心５Ｄ，５Ｄには、Ａ相コイル５Ｅの通電による磁界の発生によってプラテン４側の多数の磁性体の歯に合わせて整列する少数の磁性体の歯がＸ軸方向に配列されている。同様に、Ｂ相駆動部５Ｃの鉄心５Ｆ，５Ｆには、Ｂ相コイル５Ｇの通電による磁界の発生によってプラテン４側の多数の磁性体の歯に合わせて整列する少数の磁性体の歯がＸ軸方向に配列されている。
【００１８】
なお、図１に示したステージ３は、図示しないエア噴出孔からプラテン４の軌道面に向けて噴出されるエアのエアベアリング効果によってプラテン４の軌道面上をＸ軸方向およびＹ軸方向に滑動可能に構成されている。
【００１９】
ここで、ＸＹステージ装置１には、フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２の駆動を制御するためのコントローラ６およびＤＣアンプ７が制御系として付設されている。また、ステージ３の少なくともＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を検出するためのＸ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９が付設されている。
【００２０】
Ｘ軸レーザ干渉計８は、ステージ３のＹ軸に沿う一辺上にＸ軸と直交して立設されたＸ軸ミラー１０との間の距離を計測することでステージ３のＸ軸方向の位置を検出する。一方、Ｙ軸レーザ干渉計９は、ステージ３のＸ軸に沿う一辺上にＹ軸と直交して立設されたＹ軸ミラー１１との間の距離を計測することでステージ３のＹ軸方向の位置を検出する。
【００２１】
コントローラ６は、例えばパーソナルコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアを利用して構成されており、入出力インターフェースＩ／Ｏ、Ａ／Ｄコンバータ、プログラムおよびデータを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、入力データ等を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを実行するＣＰＵ（CentralProcessing Unit）等をハードウェアとして備えている。
【００２２】
このコントローラ６には、Ｘ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９から計測データがパルス信号として入力されるパルスカウンタ６Ａと、このパルスカウンタ６Ａからその計数信号がそれぞれ入力されるＰＩＤ制御部６Ｂおよび転流制御部６Ｃと、転流制御部６Ｃから励磁電流の指令信号が入力されるＤ／Ａ変換部６Ｄとが設けられている。
【００２３】
ＰＩＤ制御部６Ｂは、Ｘ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９の計測データに基づくステージ３のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置が所望の目標位置に円滑に収束するように、比例（Proportinal）制御、積分（Integral）制御、微分（Differential）制御の組み合わせによって一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２の駆動をフィードバック制御する。
【００２４】
また、転流制御部６Ｃは、ステージ３を現在位置から所望位置まで駆動するように、図２に示したフォーサ５Ｘ１（５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２）のＡ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに流す励磁電流を順次切り替えてフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をプラテン４のＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動するための指令信号をＤ／Ａ変換部６Ｄに出力する。
【００２５】
Ｄ／Ａ変換部６Ｄは、転流制御部６Ｃのデジタル信号をアナログ信号としてＤＣアンプ７に出力し、このＤＣアンプ７を介してフォーサ５Ｘ１（５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２）のＡ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに流す励磁電流を順次切り替えることで、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をプラテン４のＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動する。
【００２６】
ここで、本実施形態におけるリニアパルスモータの制御方法、すなわちプラテン４の軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を駆動することでステージ３をＸＹ平面上の所望位置に駆動して位置決めするリニアパルスモータの制御方法としては、図３および図４に示すように、オープンループ制御とクローズドループ制御とが併用されている。
【００２７】
図３は本実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法を伝達関数により表示したブロック線図であり、位置指令からＫｐΦ→切替手段Ｃ→Ｇｎ１（ｓ）→Ｐ（ｓ）へと進むフィードフォワードパスと、Ｐ（ｓ）から位置指令へ戻ってＰｃ（ｓ）→ＧＦ０Φ（ｓ）→切替手段Ｃへと進むフィードバックパスと、Ｐ（ｓ）からＫｐΦ−１を介して切替手段Ｃへ戻る他のフィードバックパスとを備えている。
【００２８】
ここで、フィードフォワードパスを構成するＫｐΦは位置→位相変換係数、Ｇｎ１（ｓ）は図１に示した転流制御部６Ｃの転流関数（位相→電流）、Ｐ（ｓ）は制御対象であるステージ３の動力学およびリニアパルスモータ２のモータ特性をそれぞれ表している。また、フィードバックパスを構成するＰｃ（ｓ）は図１に示したＰＩＤ制御部６Ｂ、ＧＦ０Φ（ｓ）は力→位相変換をそれぞれ表している。さらに、他のフィードバックパスを構成するＫｐΦ−１は位置→位相変換係数の逆数を表している。
【００２９】
一方、図４は本実施形態のリニアパルスモータの制御方法によって駆動が制御されるステージ３の位置指令値および速度指令値の時間変化を示しており、ステージ３をＸＹ平面上の所望位置まで移動させる間はオープンループ制御を実行し、ステージ３が所望位置に到達すると、オープンループ制御からクローズドループ制御に切り替える。このオープンループ制御からクローズドループ制御への切り替えは、図４に示すように、ステージ３の速度指令値が０となったタイミングで切替手段Ｃを介して実行する。
【００３０】
ここで、ステージ３をＸＹ平面上の所望位置まで移動させるオープンループ制御においては、図４に示すように予め軌道生成されたステージ３の位置指令値および速度指令値に応じてステージ３を駆動するように、コントローラ６の転流制御部６Ｃからの指令信号に応じて一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２が駆動される。
【００３１】
例えばステージ３をＸ軸方向に駆動する一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２の現在の励磁位相をθｓ、現在位置をｘｓ、動作開始後から時々刻々変化する励磁位相をθｃ、その瞬時目標位置をｘｃｏｍ、プラテン４の軌道面に格子状に配列された磁性体のピッチ間隔をτ、その繰り返しの一周期を２πとしたとき、一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２は、Ａ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに順次切り替えて流される励磁電流の位相θｃが転流制御部６Ｃからの指令信号に応じて２π・ｘ／τだけ進められることにより、すなわち、励磁位相θｃが次の数１の数式を満足するように制御されることでｘ＝ｘｃｏｍ−ｘｓの距離ｘだけＸ軸方向に向けて駆動される。
【数１】
2007068328.tif 000003
【００３２】
なお、ステージ３をＹ軸方向に駆動する一対のフォーサ５Ｙ１，５Ｙ２も、一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２と同様に、Ａ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに流される励磁電流位相が制御されることでＹ軸方向に向けて所望距離だけ駆動される。
【００３３】
一方、ＸＹ平面上の所望位置まで移動したステージ３を位置決めして停止させるクローズドループ制御においては、ステージ３がＸＹ平面上の所望位置に迅速かつ円滑に停止するように、Ｘ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９の計測データが入力されたＰＩＤ制御部６Ｂにより、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２がＸＹ平面上の所望位置で停止するようにフィードバック制御される。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態のリニアパルスモータの制御方法によれば、プラテン４のＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を介してステージ３を駆動する際、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をオープンループ制御により数式１の励磁位相θｃを満足するように駆動するため、ステージ３を所望位置まで迅速に駆動することができる。
【００３５】
そして、プラテン４のＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を介してステージ３を停止させて位置決めする際には、クローズドループ制御によるＰＩＤ制御部６Ｂのフィードバック制御によって一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をＸ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９の計測データに基づきＸＹ平面上の所望位置に正確に停止させるため、ステージ３を所望位置に高精度に位置決めし、かつ、迅速に整定することができる。すなわち、ＰＩＤ制御による高い応答性により、ステージ３の整定時間の短縮、停止時の安定性の向上などの性能を高精度に達成することができる。
【００３６】
本発明に係るリニアパルスモータの制御方法は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図３に示したブロック線図は、図５に示すブロック線図に変更することができる。このブロック線図に示す制御系では、軌道生成された瞬時目標位置をｘｒｅｆ、加速度ゲインをｋａＦ、速度ゲインをｋｖＦ、微分を示すラプラス変換子をｓとしたとき、ステージ３の瞬時目標位置ｘｃｏｍが次の数２の数式を満足するようフィードフォワード制御される。
【数２】
2007068328.tif 000004
【００３７】
すなわち、図５のブロック線図に示した制御系では、軌道生成されたステージ３の瞬時目標位置ｘｒｅｆと瞬時目標速度ｋｖＦｓと瞬時目標加速度ｋａＦｓ２との合算値によりステージ３をフィードフォワード制御して駆動する。なお、図５のブロック線図に示したＫ（ｓ）は、図３のブロック線図に示したＰｃ（ｓ）に相当し、例えば図１に示したＰＩＤ制御部６Ｂで構成される。
【００３８】
図５のブロック線図に示した制御系によれば、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を軌道生成された瞬時目標位置ｘｒｅｆに対し遅れを発生することなく、しかも振動を発生することなく円滑に駆動することができ、その結果、ステージ３を所望位置まで高速度で円滑に駆動することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法が適用されるＸＹステージ装置の制御系のブロック構成図である。
【図２】図１に示したリニアパルスモータの構造を示す部分断面図である。
【図３】一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法を伝達関数により表示したブロック線図である。
【図４】一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法によって駆動が制御されるステージの位置指令値および速度指令値の時間変化を示すグラフである。
【図５】他の実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法を伝達関数により表示したブロック線図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    ＸＹステージ装置
２    リニアパルスモータ
３    ステージ
４    プラテン
５    フォーサ
６    コントローラ
７    ＤＣアンプ
８    Ｘ軸レーザ干渉計
９    Ｙ軸レーザ干渉計
１０    Ｘ軸ミラー
１１    Ｙ軸ミラー
【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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