(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース，複数の直線案内装置，ステージ，Ｘ軸駆動リニアモータ，Ｙ軸駆動リニアモータを設けたリニアモータ付ＸＹテーブルにおいて、該リニアモータは電機子と相対的に移動可能な可動子からなるリニアモータであって、該リニアモータは更に前記電機子の一方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、前記電機子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを前記Ｘ軸駆動リニアモータ及び前記Ｙ軸駆動リニアモータとして用いることを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項２】
請求項１において、前記ベースに前記直線案内装置のレールを東西南北の４箇所に配置し、前記レールに案内され自由自在に移動するスライダと前記電機子の相対進行方向とは直角になるように一体化させ、前記可動子は十字形になるようにして前記ステージと連結し、一方の東西方向に配置された該電機子はＸ軸駆動リニアモータ、他方の南北方向に配置された該可動子はＹ軸駆動リニアモータとして駆動されることを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項３】
請求項１において、前記ベースに前記直線案内装置のレールを東西南北の４箇所に配置し、前記可動子は十字形になるように空隙を保ちながら重ねて配置しそれらの両端には前記レールに案内され自由自在に移動するスライダと可動子の相対進行方向とは直角になるように連結され、前記複数の電機子は前記直線案内装置らの内側に集めて前記ステージと一体化して形成され、一方の東西方向に配置された該電機子はＸ軸駆動リニアモータ、他方の南北方向に配置された該電機子はＹ軸駆動リニアモータとして駆動されることを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項４】
請求項１において、前記ベースに前記直線案内装置のレールをＸＹ軸が直交するように配置し、前記レールに案内され自由自在に移動するスライダと電機子の相対進行方向とは直角なるように一体化させ、前記可動子はＬ字形になるように前記ステージと連結し、一方の東西方向に配置された電機子はＸ軸駆動リニアモータ、他方の南北方向に配置された電機子はＹ軸駆動リニアモータとして駆動されることを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記ＸＹテーブルに対してＺ軸方向に駆動するＺ軸駆動リニアモータを備え、前記ＸＹテーブル及びＺ軸駆動リニアモータのそれぞれに傾きθ駆動の機能を持たせたことを特徴とするＸＹＺテーブル。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかにおいて、各々の直線案内装置を独立して前記ベースに配置するか、又は一方軸直線案内装置の上に他方軸直線案内装置を上乗せて前記リニアモータを用いることを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記リニアモータと前記電機子と前記可動子の相対的な変位と磁極を検出するセンサとその信号をフィードバックする制御部とパワードライブ部からなるクローズループ制御システムを構成することを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記リニアモータと制御部とパワードライブ部からなるオープンループ制御システムを構成することを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記リニアモータと、パワードライブ部と、前記リニアモータの誘起電圧を検出し、該電圧検出値に基づいて、前記電機子と可動子の相対的な磁極位置を推定する手段を含む制御部からなる制御システムを構成することを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項１０】
請求項１〜４のいずれかにおいて、前記リニアモータと、パワードライブ部と、前記リニアモータに流れる電流を検出し、該電流検出値に基づいて、前記電機子と可動子の相対的な磁極位置を推定する手段を含む制御部からなる制御システムを構成することを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０のいずれかにおいて、前記同軸駆動リニアモータの前記電機子を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う前記電機子の磁極歯とのピッチを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とすることを特徴とするリニアモータ。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１のいずれかにおいて、前記ＸＹテーブルと前記ベースの双方の中央部には貫通孔が設けられることを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項１３】
請求項１乃至請求項１２のいずれかにおいて、前記ベースと前記ステージの間には圧縮空気浮上、又は磁気浮上機能を持たせたことを特徴とするＸＹテーブル。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３のいずれか記載のＸＹテーブル又はＸＹＺテーブルを有する半導体製造用ステッパ，工作機械又は露光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＸＹテーブル及びＸＹＺテーブル等に関し、特に、半導体製造用ステッパ，工作機械、その他の露光装置におけるマスクの位置合わせ等に使用されるＸＹテーブル及びＸＹＺテーブル等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＸＹテーブル及びＸＹＺテーブルにおいて、前記リニアモータを用いる場合、回転機を切り開いて直線駆動する構造のリニアモータが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＸＹテーブル及びＸＹＺテーブルにおいて、従来の技術に記載のリニアモータは、電機子と可動子間には漏れ磁束も多く、さらに、電機子と可動子の間に磁気吸引力が一方方向に働くため、可動子の支持機構に大きな負担がかかり、構造に歪みが生じる等の課題がある。
【０００４】
本発明の一の目的は、電機子と可動子間を通る磁束の漏れを少なくして、電機子と可動子間に生ずる磁気吸引力を小さくしたＸＹテーブル及びＸＹＺテーブルを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、ベース，複数の直線案内装置，ステージ，Ｘ軸駆動リニアモータ，Ｙ軸駆動リニアモータを設けたリニアモータ付ＸＹテーブルにおいて、該リニアモータは電機子と相対的に移動可能な可動子からなるリニアモータであって、該リニアモータは更に前記電機子の一方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、前記電機子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを前記Ｘ軸駆動リニアモータ及び前記Ｙ軸駆動リニアモータとして用いることを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【０００７】
図１は、本発明の一実施形態であるＸＹテーブル及びＸＹＺテーブルの基本構成図である。
【０００８】
図１において、１０１はベースであり、１０２は直線案内装置のレール、103はステージ、３ＸはＸ軸駆動リニアモータの電機子、３ＹはＹ軸駆動リニアモータの電機子、３ＺはＺ軸駆動リニアモータの電機子、６Ｘ，６Ｙ，６Ｚは各々軸の可動子を示し、１０８はアーム、等で構成されたリニアモータ付ＸＹＺテーブルである。３Ｘは、Ｘ１とＸ２の部分を有する。３ＹはＹ１とＹ２の部分を有する。３ＺはＺ１，Ｚ２の部分を有する。
【０００９】
また、ベース１０１とステージ１０３との間は空気浮上、又は磁気浮上で滑らかな移動を可能にする。ベース１０１上のＸ軸，Ｙ軸移動可能な部分をＸＹテーブルとみなすことができる。
【００１０】
図２は本発明の実施形態のＸＹＺテーブルに用いる軸駆動用のリニアモータの一例の概略を示す。
【００１１】
図２において、該リニアモータは電機子３と相対的に移動可能な可動子６からなるリニアモータであって、該リニアモータは更に前記電機子の一方の磁極１に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列を持つ。
【００１２】
また、前記可動子の他方の磁極２に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータである。
【００１３】
ここで、電機子の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯２１ｂを第一の対向部と定義し、下部磁極歯１２ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よって、（２ｎ−１）番目の鉄心は第一の対向部、（２ｎ）番目の鉄心は第二の対向部になるように電機子を構成する（但し、ｎ＝１，２，３，……）。
【００１４】
また、電機子３には一つの巻線４が収納される。前記可動子６は前記第一の対向部に挟持され、かつ、前記可動子が前記第二の対向部に挟持され、前記電機子とは相対移動することを特徴とするリニアモータである。ここに、前記電機子３は鉄心，永久磁石，巻線４などからなり、前記可動子６は永久磁石，磁性体，巻線の単種類、又は複数種類材料の組み合わせにより構成しても良い。
【００１５】
図３に、本実施形態のリニアモータの磁束が流れる概念と積層鋼板による組み立てられた概略図を示す。図２のような構成にすれば、図３（ａ）に示すように本実施形態のリニアモータ各対向部の上部磁極歯１１ａ又は２２ａと下部磁極歯２１ｂ又は１２ｂの間のギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子を形成し、ギャップを通して可動子が相対移動する構造になる。
【００１６】
また、本実施形態のリニアモータでは、可動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯に働く吸引力の大きさはほぼ同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００１７】
図３（ｂ）において、電機子３は積層鋼板からなり、前記第一の対向部と第二の対向部が交互に複数個配置された構造である。また、前記電機子の巻線が配置される鉄心部（図２の鉄心５に相当。）と前記可動子が挟持される対向部を有する磁極部(上部磁極歯１１ａ又は２２ａ，下部磁極歯１２ｂ又は２１ｂに相当。)を積層鋼板により分割製作して組み立てることが可能である。
【００１８】
図４は、図３（ｂ）で示した積層鋼板で構成された電機子をモールドしたイメージを示す。
【００１９】
電機子３には直線案内装置のスライダー１１０と一体化して、スライド溝111には直線案内装置のレール１０２が挟まれて案内支持されることになる。
【００２０】
図５，図６は本実施形態のリニアモータを用いた制御ブロック図を示す。
【００２１】
図５（ａ）は前記電機子と前記可動子からなるリニアモータ （Motor）と前記電機子と前記可動子の相対的な変位と磁極を検出するセンサ（図示せず）とその信号 (Signals)をフィードバックする制御部(Controller)とパワードライブ部
(DriverとPower Source)からなるクローズループ制御システムを構成するブロック図を示す。
【００２２】
図５（ｂ）は前記電機子と前記可動子からなるリニアモータ （Motor）と制御部(Controller)とパワードライブ部(DriverとPower Source)からなるオープンループ制御システムを構成する他のブロック図例を示す。
【００２３】
図６（ａ）は、前記電機子と前記可動子からなるリニアモータ（Motor ）と、電圧センサと、制御部(Controller)と、パワードライブ部 (DriverとPower
Source) からなる磁極センサレス制御システムを構成する他のブロック図例を示す。本実施例においては、電圧センサを用いてリニアモータが発生する誘起電圧（Eo）を制御部内に読み込んでいる。制御器内では、誘起電圧の大きさから磁極位置を推定し、リニアモータを駆動する信号をパワードライブ部へ出力する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部に取り付けることなく、安定に（脱調することなく）リニアモータを駆動できるようになる。
【００２４】
図６（ｂ）は、前記電機子と前記可動子からなるリニアモータ （Motor）と、電流センサと、制御部(Controller)と、パワードライブ部(DriverとPower Source) からなる磁極センサレス制御システムを構成する他のブロック図例を示す。本実施例においては、電流センサを用いてリニアモータに流れる電流（Ｉ）を制御部内に読み込んでいる。制御器内では、リニアモータに印加している電圧と検出電流値から、リニアモータの誘起電圧を演算し、磁極位置を推定演算する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部に取り付けることなく、安定に（脱調することなく）リニアモータを駆動できるようになる。
【００２５】
図７は図１に示したベース１０１上のＸＹテーブル部の詳細図である。前記ベース１０１に前記直線案内装置のレール１０２を東西南北の４箇所に配置し、前記レールに案内され自由自在に移動するスライダ１１０と前記電機子の相対進行方向とは直角になるように一体化させ、前記可動子は十字形になるようにして前記ステージと連結し、一方の東西方向に配置された該電機子はＸ軸駆動リニアモータ、他方の南北方向に配置された該可動子はＹ軸駆動リニアモータとして駆動されることを特徴とするリニアモータ付ＸＹテーブルである。
【００２６】
本実施形態に用いるリニアモータは、電機子３Ｘ１（３ＸのうちＸ１の部分）と３Ｘ２（３ＸのうちＸ２の部分）が一組になってＸ軸駆動リニアモータの電機子を構成するが、Ｙ軸，Ｚ軸も同じ原理である。
【００２７】
図７において、一般的には、電機子３Ｘ１の磁極歯と電機子３Ｘ２の磁極歯間のピッチが（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝になるように電機子３Ｘ１と電機子３Ｘ２を直列に並べる。ここで、Ｐは極ピッチ（極ピッチＰは電機子磁極ピッチＰｓ又は可動子極ピッチＰｍどちらかを選ぶ）、Ｍはモータの相数を表わす。可動子６には隣り合う磁極が異極になるように永久磁石を複数個配置する。
【００２８】
図７において、電機子３Ｘ１の磁極歯と電機子３Ｘ２の磁極歯間のピッチが
｛（ｋ・Ｐ；ｋ＝０，１，２，…）｝になるように電機子３Ｘ１と電機子３Ｘ２を直列に並べて、可動子６Ｘ１（６ＸのうちＸ１の部分）と可動子６Ｘ２（６ＸのうちＸ２の部分）との磁極中心が（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）になるように永久磁石を複数個配置しても良い。
【００２９】
言い替えると、可動子６Ｘ１と可動子６Ｘ２は、（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）ピッチだけずらせて一体化する。相対的に、可動子６Ｘ１と可動子６Ｘ２は揃えて電機子３Ｘ１と電機子３Ｘ２の中心間を（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）ピッチだけずらせても良い。
【００３０】
電機子３Ｘ１と電機子３Ｘ２の巻線４を交互に移動磁界が発生するように励磁すると、上部磁極面と下部磁極面の間ギャップ８には極ピッチ毎に反対方向に磁束が流れ、移動に必須なＰ／２によって推力が発生し、可動子６が相対移動し、該可動子に連結されたステージ１０３が自由自在に移動する。
【００３１】
図７において、可動子６には強磁性体と非磁性体を組み合わせても良いし、永久磁石を兼用しても良い。また、可動子６には永久磁石の変わりに移動磁界が発生する巻線を巻いて、電機子３に界磁電流を流せば、相対的に自由自在に移動するリニアモータになる。
【００３２】
ここで、図７では、電機子を２個直列に並べることについて説明したが、電機子を複数個直列に並べて構成することもできる。同じく、電機子を２個並列に並べ、２個の可動子を一体化したり、電機子を複数個並列に並べ、複数個の可動子を一体化してもよい。
【００３３】
なお、本発明の実施形態として、２相リニアモータについて説明したが、３相，４相，５相等の多相リニアモータとして利用することができる。
【００３４】
図８，図９，図１０は、本発明における他の実施例のＸＹテーブルを示す。
【００３５】
図８は、図７に示す電機子３Ｘ１と３Ｘ２を片側の一個所に集めて構成した他の実施例である。前記ベース１０１に前記直線案内装置のレール１０２をＸＹ軸が直交するように配置し、前記レール１０２に案内され自由自在に移動するスライダーと電機子の相対進行方向とは直角なるように一体化させ、前記可動子６Ｘと６ＹはＬ字形になるように前記ステージ１０３と連結し、一方の東西方向に配置された電機子３ＸはＸ軸駆動リニアモータ、他方の南北方向に配置された電機子３ＹはＹ軸駆動リニアモータとして駆動されることを特徴とするリニアモータ付ＸＹテーブルである。このように、リニアモータをまとめることもできるため、配置の自由度が向上する。また、リニアモータの数を減らすこともできる。
【００３６】
図９は、前記ベースに前記直線案内装置のレール１０２を東西南北の４箇所に配置し、前記可動子６Ｘと６Ｙは十字形になるように空隙を保ちながら重ねて配置しそれらの両端には前記レール１０２に案内され自由自在に移動するスライダー１１０と可動子の相対進行方向とは直角になるように連結され、前記複数の電機子は前記直線案内装置らの内側に集めて前記ステージ１０３と一体化して形成され、一方の東西方向に配置された該電機子３ＸはＸ軸駆動リニアモータ、他方の南北方向に配置された該電機子３ＹはＹ軸駆動リニアモータとして駆動されることを特徴としたＸＹテーブルである。リニアモータをステージ部分にまとめることにより、配線構造をより簡略化できる。
【００３７】
図１０は、ＸＹテーブル，工具(Tool)を具備したＺ軸直線案内装置のそれぞれに傾きθ駆動の機能を持たせたことを特徴とするリニアモータ付ＸＹＺテーブルである。これにより、工具の加工の自由度が高くなる。工具の代わりに、印刷装置，顕微鏡等の観察装置を付加することも可能である。
【００３８】
更に、前記ＸＹテーブルと前記ベースの双方の中央部には貫通孔が設けられることで、長い物をステージに載せることが可能である。これにより、取扱う対象物の範囲を広げることができる。
【００３９】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、リニアモータは有効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束を少なくすることができるので効率が向上する。また、本実施形態のリニアモータでは、可動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできるので耐久性が向上する。更に、部品点数が少なく、ＸＹテーブルの薄型化も可能である。また、以上によればこれらのＸＹＺデーブル又は、ＸＹデーブルを有する半導体製造用ステッパ，工作機械，露光装置等を提供できる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、効率がよく、耐久性の高いＸＹ又はＸＹＺテーブルが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるリニアモータ付ＸＹＺテーブルの基本構成図。
【図２】本発明に用いるリニアモータの概略図。
【図３】図２のリニアモータの磁束流れの概念図と分割コア組み立て図。
【図４】図２のリニアモータのモールド化した概略とスライダーの一体図。
【図５】本実施形態のリニアモータを用いた制御ブロック図。
【図６】本実施形態のリニアモータを用いた他の制御ブロック図。
【図７】本実施形態のリニアモータ付ＸＹテーブル。
【図８】本発明の他の実施形態によるリニアモータ付ＸＹテーブル。
【図９】本発明の他の実施形態によるリニアモータ付ＸＹテーブル。
【図１０】本発明の他の実施形態によるリニアモータ付ＸＹＺテーブル。
【符号の説明】
１…磁極、１１ａ…磁極１の上部磁極歯、１２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２…磁極、２１ｂ…磁極２の下部磁極歯、２２ａ…磁極２の上部磁極歯、３…電機子、４…巻線（電機子側）、５…鉄心、６…可動子、１０１…ベース、１０２…レール、１０３…ステージ。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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