(57)【要約】【課題】それに要するリソースの点で有利な駆動装置を提供する。【解決手段】ねじ部材と、前記ねじ部材に係合する係合部材とを有し、前記ねじ部材と前記係合部材との間の相対的な移動により物体を移動する駆動装置であって、スケールと検出器とを含み、前記スケールを前記検出器で読み取ることにより前記物体の位置を計測するためのエンコーダを有し、前記スケールは、前記ねじ部材に配置されていることを特徴とする駆動装置を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ部材と、前記ねじ部材に係合する係合部材とを有し、前記ねじ部材と前記係合部材との間の相対的な移動により物体を移動する駆動装置であって、
スケールと検出器とを含み、前記スケールを前記検出器で読み取ることにより前記物体の位置を計測するためのエンコーダを有し、
前記スケールは、前記ねじ部材に配置されていることを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記スケールは、前記ねじ部材に螺旋状に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
【請求項３】
前記ねじ部材は、前記係合部材が接触する溝部分と、前記溝部分に沿った非溝部分とを含み、
前記スケールは、前記非溝部分に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の駆動装置。
【請求項４】
前記検出器は、前記係合部材に支持されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項５】
前記物体のための台を有し、前記係合部材は、前記台に設けられ、前記検出器は、前記台に支持されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項６】
前記検出器は、前記ねじ部材の軸を含む平面に対して前記ねじ部材のねじり角をなす方向に沿って配置された複数の検出素子を含み、該複数の検出素子を介して、前記スケールに含まれる複数のマークを検出することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項７】
前記ねじ部材と前記係合部材との間の相対的な回動による前記ねじ部材と前記係合部材との間の相対的な直動により前記物体を移動することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項８】
前記エンコーダは、アブソリュートエンコーダを含むことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の駆動装置。
【請求項９】
物体を処理する産業機械であって、
前記物体を移動する請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の駆動装置を有することを特徴とする産業機械。
【請求項１０】
可動のステージと、
前記ステージを移動する請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の駆動装置と、
を有することを特徴とするステージ装置。
【請求項１１】
対象物を処理する産業機械であって、
前記対象物をステージで保持して移動する請求項１０に記載のステージ装置を有することを特徴とする産業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動装置、ステージ装置、及び産業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボールねじなどを用いたねじ送り機構を有する駆動装置として、一般的に、図６に示すように、駆動源である駆動モータ１０１１の端部にロータリーエンコーダ１０１２を配置して速度制御や位置制御を行う駆動装置１０００が知られている。駆動装置１０００は、ボールねじ１００１と、ボールねじ１００１に係合するナット１００２と、ボールねじ１００１と駆動モータ１０１１とを接続するカップリング１０１３と、キャリッジ１００７とを有する。ここでは、ナット１００２は、キャリッジ１００７に設けられて（固定されて）いる。
【０００３】
また、リニアエンコーダを用いて位置決めを行う駆動装置として、一般的に、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すような駆動装置２０００が知られている。図７（ａ）は、駆動装置２０００の正面図であり、図７（ｂ）は、駆動装置２０００のＭ−Ｍ断面図である。駆動装置２０００は、ボールねじ２００１と、ボールねじ２００１に係合するナット２００２と、ボールねじ２００１と駆動源である駆動モータ２０１１とを接続するカップリング２０１３と、ナット２００２に支持されたキャリッジ２００７とを有する。また、駆動装置２０００は、キャリッジ２００７の直線軌道を保証する直動ガイドレール２０１５と、スケール２０１７と、スケール２０１７（のパターン）を読み取るヘッド２００６とを有する。ヘッド２００６及びスケール２０１７は、位置計測用のリニアエンコーダを構成している。
【０００４】
図６、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、ボールねじを用いたねじ送り機構を有する駆動装置では、位置計測装置としてロータリーエンコーダやリニアエンコーダが多く用いられている。このようなエンコーダの精度を向上させるためには、例えば、ロータリーエンコーダやリニアエンコーダのスケールのパターンの分割数を多くすればよい（スケールの分解能を上げればよい）。但し、スケールのパターンの分割数を多くするには物理的な限度がある。更に、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、リニアエンコーダのスケールを配置する場合には、スケールを配置するためのスペースの確保や、キャリッジの位置決め精度を保証するのにアッベ誤差を低減するための取り付け（配置）の制約が必要となる。また、ボールねじの減速比を大きくするためには、ボールねじのピッチを短くすることで対応できるが、ボールねじのピッチの最小化も物理的な限界がある。
【０００５】
特許文献１には、省スペース化を実現するために、ボールねじに係合するナット内のボールの出入り（移動及び転動）を一対の近接センサで検出する技術が開示されている。しかしながら、特許文献１は、ナット内のボールをスケールとみなすものであるが、かかるボールの直径により計測分解能が制約されるため、上述のエンコーダに比して、高分解能が困難である。また、特許文献２には、シリンダのストロークセンサの例として、ピストンロッドに磁気スケールを螺旋状に設け、シリンダに、ピストンロッドの周囲を囲むように複数のセンサ（検出素子）を等間隔で同一円周上に設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平０３−０２１０４２号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５５７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２は、ピストンロッドに磁気スケールを螺旋状に設け、シリンダにセンサを設けているが、ピストンロッドの移動位置を計測するためには、ピストンロッドの周囲を囲むように設けられた複数のセンサが必要となる。従って、装置に要するリソース（部品点数もしくは部品コスト、スペース、又は演算負荷等）の増加を招いてしまう。
【０００８】
本発明は、それに要するリソースの点で有利な駆動装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての駆動装置は、ねじ部材と、前記ねじ部材に係合する係合部材とを有し、前記ねじ部材と前記係合部材との間の相対的な移動により物体を移動する駆動装置であって、スケールと検出器とを含み、前記スケールを前記検出器で読み取ることにより前記物体の位置を計測するためのエンコーダを有し、前記スケールは、前記ねじ部材に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、例えば、それに要するリソースの点で有利な駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一側面としての駆動装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す駆動装置のボールねじ、ナット及びエンコーダの詳細な構成を説明するための図である。
【図３】ボールねじの軸にレーザーマーカでスケールを描画する方法を説明するための図である。
【図４】エンコーダのスケールの構成の一例を示す図である。
【図５】本発明の一側面としてのステージ装置の構成を示す概略図である。
【図６】一般的な駆動装置の構成の一例を示す概略図である。
【図７】一般的な駆動装置の構成の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一側面としての駆動装置１の構成を示す概略図であって、図１（ａ）は、駆動装置１の正面図であり、図１（ｂ）は、駆動装置１のＬ−Ｌ断面図である。駆動装置１は、精密ボールねじ直動伝達機構を用いて、駆動対象である物体を駆動する。駆動装置１は、ボールねじ１１と、ボールねじ１１に係合するナット１２と、駆動モータ１３と、カップリング１４と、キャリッジ（台）１５と、直動ガイドレール１６と、エンコーダ１７と、制御部２０とを有する。
【００１５】
駆動モータ１３は、駆動源であって、本実施形態では、一般的なＤＣモータを用いている。駆動モータ１３の種類は、駆動装置１の用途に応じて選択することが可能であり、駆動モータ１３をＤＣモータに限定するものではない。
【００１６】
カップリング１４は、ボールねじ１１と駆動モータ１３とを接続する。キャリッジ１５は、ナット１２に固定（締結）され、駆動対象である物体を保持する。直動ガイドレール１６は、キャリッジ１５の直線軌道を保証するレール部材である。
【００１７】
エンコーダ１７は、スケール１８と、ヘッド（検出器）１９とを含み、スケール１８（のパターン）をヘッド１９で読み取ることでナット１２の位置を計測して計測信号を出力する。ヘッド１９は、スケール１８に所定の距離及び所定の角度で対向するように、ナット１２、或いは、ナット１２に固定されたキャリッジ１５に配置されている。ここで、所定の角度とは、実質的に、ボールねじ１１のねじ部のねじり角に等しい角度である。ヘッド１９は、本実施形態では、ボールねじ１１の軸を含む平面に対してボールねじ１１のねじり角をなす方向に沿って配置された複数の検出素子を含み、かかる複数の検出素子を介して、スケール１８に含まれる複数のマークを検出する。
【００１８】
制御部２０は、ＣＰＵやメモリなどを含み、駆動装置１の全体（動作）を制御する。例えば、制御部２０は、エンコーダ１７からの計測信号に基づいて、駆動モータ１３をフィードバック制御する。
【００１９】
図２を参照して、ボールねじ１１、ナット１２及びエンコーダ１７の詳細な構成について説明する。エンコーダ１７は、本実施形態では、アブソリュートエンコーダである。ボールねじ１１は、直動伝達機構におけるねじ部材である。ボールねじ１１は、駆動する伝達力、駆動ストローク及び駆動ストロークに応じて、そのピッチとねじ径が選択される。なお、ボールねじ１１は、台形ねじやスプライン（ボールスプライン）などの各種のねじ送り部材（送り部材）に置換することが可能である。ナット１２は、ボールねじ１１の軸（ねじ部の側面）１１ａに係合して物体を駆動可能な係合部材である。
【００２０】
ボールねじ１１の軸１１ａには、エンコーダ１７のスケール１８が形成（配置）されている。本実施形態では、エンコーダ１７のスケール１８は、ボールねじ１１の軸１１ａに螺旋状（連続的）に形成されているが、軸１１ａの一部分に形成されていてもよい。また、スケール１８は、ボールねじ１１の軸１１ａにおいて、ナット１２が接触する溝部分１１ｂではなく、溝部分１１ｂを除く部分、即ち、ナット１２が接触しない部分（溝部分１１ｂに沿った非溝部分）１１ｃに形成されている。これにより、ボールねじ１１の軸１１ａとナット１２とが接触することによって、スケール１８が摩耗することを防止することが可能となる。但し、ボールねじ１１の軸１１ａの溝部分１１ｂにスケール１８を形成することを禁ずるものではない。
【００２１】
ボールねじ１１の軸１１ａにエンコーダ１７のスケール１８を形成する方法としては、例えば、レーザーマーカでスケール１８を描画する方法やインクジェットプリンターを用いて不消インクでスケール１８を描画する方法などがある。エンコーダ１７のスケール１８は、本実施形態では、アブソリュートエンコーダ用の巡回符号式の３値階調スケールである。このようなスケール１８は、レーザーマーカにより階調マトリックスを使用し、ヘッド１９が読み取り（検出）可能な２値以上のグレースケールパターンを描画することで実現できる。
【００２２】
ここで、図３を参照して、ボールねじ１１の軸１１ａにレーザーマーカでスケール１８を描画する方法について具体的に説明する。まず、支持部によって、ボールねじ１１を軸端で支持する。ボールねじ１１が長尺である場合には、中間支持部を設けてボールねじ１１の軸撓みを低減すればよい。ボールねじ１１を支持する支持部は、ボールねじ１１をθ回転可能に、且つ、回転角度を制御可能に支持することが望ましい。図３では、ボールねじ１１の軸端に、継ぎ手を介して、サーボモータが接続されている。
【００２３】
レーザー描画を行うレーザーマーカヘッドは、並進三軸移動ステージなどを含むレーザーマーカヘッド支持台に、Ｘ、Ｙ及びＺ軸方向に可動に支持（固定）されている。レーザーマーカヘッドは、ボールねじ１１の軸１１ａ（スケール１８を描画する部分１１ｃ）に対応する位置に配置される。レーザーマーカヘッドの並進駆動と、ボールねじ１１の回転駆動とを連動させながら、ボールねじ１１の軸１１ａに対して、レーザーマーカヘッドからレーザー光を照射することで、順次、エンコーダ１７のスケール１８を描画する。
【００２４】
図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）を参照して、エンコーダ１７のスケール１８（のパターン）の構成について具体的に説明する。図４（ａ）に示すように、スケール１８は、３値階調の１つのトラックからなる１トラックアブソリュートスケールのパターンを有する。３値階調は、反射部と非反射部との格子を等間隔に配列し、更に、反射部の反射率を選択的に低下させることで実現する。このように、反射率の大小によって絶対位置情報を付与することができる。
【００２５】
反射部の選択的に反射率を低下させた中間値部は、以下の方法で形成することができる。反射部のパターン幅を数十μｍ、レーザー描画による線幅を数μｍとすると、中間値部とするためには、反射部に対して、図４（ｂ）に示すように複数の平行線を描画したり、図４（ｃ）に示すように格子状の線を描画したりすればよい。但し、これらに限定されず、点状、多角形状、円形状などの各種の形状線図を反射部に描画して、反射部の反射率を低下させて中間値部を形成してもよい。
【００２６】
図２に戻って、スケール１８を読み取るヘッド１９は、ナット１２に配置され、具体的には、ボールねじ１１の軸上に配置されている。ボールねじ１１が回転することで、ボールねじ１１に係合しているナット１２が直進移動する。この際、スケール１８は、ボールねじ１１の回転に伴って、ヘッド１９に対して相対的に移動する。換言すれば、ボールねじ１１とナット１２との間の相対的な回動によるボールねじ１１とナット１２との間の相対的な直動により物体を移動する。従って、スケール１８をヘッド１９で読み取ることで、ナット１２の移動距離、即ち、位置を計測することができる。
【００２７】
本実施形態では、エンコーダ１７は、光学式エンコーダであるが、これに限定されるものではない。エンコーダ１７は、ボールねじ１１の軸１１ａにスケール１８を配置することができる方式であればよく、例えば、磁気式エンコーダであってもよい。また、エンコーダ１７は、本実施形態では、アブソリュートエンコーダであるが、インクリメンタルエンコーダであってもよい。この場合、スケール１８は、窪みなどの原点マーク（スタートコード）を含む。
【００２８】
本実施形態における駆動装置１の動作について説明する。まず、制御部２０に、キャリッジ１５の移動速度や移動量などが指示される。制御部２０は、キャリッジ１５の移動速度や移動量などに基づいて、駆動モータ１３に電力を供給する。この際、制御部２０は、キャリッジ１５を所定の速度で所定の位置に移動させるために、エンコーダ１７のヘッド１９で読み取ったスケール１８の階調の変化に基づいて、駆動モータ１３に供給する電力を制御する。
【００２９】
本実施形態におけるボールねじ１１は、その外径が１２ｍｍ、ピッチが８ｍｍであり、ボールねじ１１の軸１１ａの１周は、約３８ｍｍである。スケール１８のスケール長を３０ｍとすると、ボールねじ１１の全回転数は７９６回転可能となり、約６．３ｍのストロークの範囲で、キャリッジ１５の移動を制御することができる。
【００３０】
本実施形態では、駆動モータ１３を制御するために駆動モータ１３に取り付けられるロータリーエンコーダの代わりに、ボールねじ１１の軸１１ａに配置されたスケール１８をヘッド１９で読み取って回転数を検出し、駆動モータ１３を制御することができる。また、本実施形態では、エンコーダ１７がアブソリュートエンコーダであるため、原点センサやリミットセンサが不要となり、電源停止時からの復帰処理（原点検出など）も不要となる。
【００３１】
従来技術のように、ロータリーエンコーダを用いた場合には、カップリングでのバックラッシや駆動モータのねじれ誤差などが付加されるため、キャリッジの正確な位置決めができない。一方、本実施形態では、キャリッジ１５の近傍に配置されたエンコーダ１７の計測結果を利用して駆動モータ１３を制御しているため、キャリッジ１５の直接的な位置を計測することが可能である。また、ボールねじ１１の軸１１ａにスケール１８を配置することで、キャリッジ１５を位置決めするためのリニアスケールなどを配置するスペースが不要となる。更に、キャリッジ１５の移動距離に対して、スケール１８のスケール長を、１／〔ｃｏｓ［ｔａｎ−１｛ボールねじ１１のピッチ／（π×ボールねじ１１の軸径）｝］〕倍にすることができる。従って、本実施形態では、スケール１８と同じスケールピッチのリニアスケールを配置した場合に比べて、より精細なスケールピッチを得ることができるため、エンコーダ１７の計測結果に基づいて、キャリッジ１５を高精度に位置決めすることができる。更に、ボールねじ１１は、キャリッジ１５に駆動伝達を行うため、一般に、移動体の重心位置に配置されるものであり、その重心位置に最も近い位置にエンコーダ１７のヘッド１９が配置されているため、アッベ誤差を低減する（最小にする）ことができる。
【００３２】
本実施形態では、ボールねじ１１の軸１１ａにスケール１８を配置することで、駆動モータ用のエンコーダや位置決め用のリニアスケールを用いることなく、キャリッジ１５（ナット１２）の精密な速度制御や位置決め制御が可能となる。また、ボールねじ１１の軸１１ａにスケール１８を配置することで、スケールピッチが従来技術と同等であっても、キャリッジ１５からみたスケールピッチが細分化され、エンコーダ１７の分解能を向上させることができる。更に、従来技術で説明したようなリニアスケールを配置することも不要となる。従って、本実施形態の駆動装置１によれば、省スペース化と高精度化とを両立することができる。
【００３３】
図５を参照して、駆動装置１の応用例を説明する。駆動装置１は、それに含まれるエンコーダ１７がアブソリュートエンコーダであれば、原点（基準位置）検出のための動作を必須としない。従って、駆動装置１は、種々の装置、例えば、ロボット、運輸、工作、加工、計測、製造に係る機械又は装置（対象物を処理する産業機械又は加工装置）において有用である。但し、上述したように、駆動装置１に含まれるエンコーダ１７は、用途によっては、（必要に応じて原点検出機能を備える又は利用する）インクリメンタルエンコーダであってもよい。ここでは、露光装置に代表されるリソグラフィ装置が有するステージ装置（ＸＹステージ）への適用例を説明する。図５は、本発明の一側面としてのステージ装置５００の構成を示す概略図である。
【００３４】
ステージ装置５００は、物体としての基板を保持して移動可能に構成されている。ステージ装置５００は、図５に示すように、Ｙ軸方向へのステージ５０８の駆動に用いられるＹ軸モータ５０９と、Ｘ軸方向へのステージ５０８の駆動に用いられるＸ軸モータ５１２とを有する。ここで、Ｙ軸モータ５０９及びＸ軸モータ５１２は、それぞれ、上述した駆動装置１を含んで構成されている。
【００３５】
なお、リソグラフィ装置は、パターンを基板に形成する装置であって、例えば、露光装置、描画装置、インプリント装置として具現化される。露光装置は、例えば、（極端）紫外光を用いて基板（上のレジスト）に（潜像）パターンを形成する。また、描画装置は、例えば、荷電粒子線（電子線等）を用いて基板（上のレジスト）に（潜像）パターンを形成する。また、インプリント装置は、基板上のインプリント材を成型して基板上にパターンを形成する。
【００３６】
本発明の実施形態における物品の製造方法は、例えば、半導体デバイスなどのマイクロデバイスや微細構造を有する素子などの物品を製造するのに好適である。かかる製造方法は、上述したステージ装置５００を有するリソグラフィ装置を用いて、感光剤が塗布された基板に（潜像）パターンを形成する工程（基板に描画を行う工程）と、かかる工程でパターンが形成された基板を現像する工程とを含みうる。更に、上記形成工程に続いて、かかる製造方法は、他の周知の工程（酸化、成膜、蒸着、ドーピング、平坦化、エッチング、レジスト剥離、ダイシング、ボンディング、パッケージングなど）を含みうる。本実施形態における物品の製造方法は、従来に比べて、物品の性能、品質、生産性及び生産コストの少なくとも１つにおいて有利である。
【００３７】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１：駆動装置    １１：ボールねじ    １２：ナット    １７：エンコーダ    １８：スケール    １９：ヘッド
【図１】
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【図２】
2016150398.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2016150398.tif 000007
【図６】
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【図７】
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