JP2007263902A - Ｘｙステージ - Google Patents

Abstract

【課題】 干渉計切り換えの繰り返しによってθ変化の検出値誤差の累積が本質的に発生しないＸＹステージを実現する。
【解決手段】 Ｘ方向又はＹ方向の少なくとも一方に配置されたれた複数個のレーザ干渉計を切り換えてプラテン上を移動するスライダのＸ，Ｙ座標の変化を検出すると共に、前記複数のレーザ干渉計の内２個の距離検出値及びレーザ干渉計間距離に基づいて前記スライダのＺ軸回転角θの変化を検出するＸＹステージにおいて、
前記スライダを所定位置で所定角度回転させる初期操作手段と、
切り換え前に使用する２個のレーザ干渉計による距離検出値及びレーザ干渉計間距離の設計値から回転角を計算する回転角演算手段と、
切り換え後に使用する２個のレーザ干渉計による距離検出値及び計算された前記回転角に基づいてこれら２個のレーザ干渉計間の距離をキャリブレーションするキャリブレーション演算手段と、
を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ方向又はＹ方向の少なくとも一方に配置されたれた複数個のレーザ干渉計を切り換えてプラテン上を移動するスライダのＸ，Ｙ座標の変化を検出すると共に、前記複数のレーザ干渉計の内２個の距離検出値及びレーザ干渉計間距離に基づいて前記スライダのＺ軸回転θ角の変化を検出するＸＹステージに関するものである。

Ｘ方向及びＹ方向に配置されたれたレーザ干渉計により、プラテン上を移動するスライダのＸ，Ｙ座標の変化を検出すると共に、Ｘ方向又はＹ方向のレーザ干渉計の内２個の距離検出値及びレーザ干渉計間距離に基づいてスライダのＺ軸回転角θの変化を検出するＸＹステージは、特許文献１に開示されている。

図４は、スライダの移動に応じて複数のレーザ干渉計を切り換える従来のＸＹステージの平面図である。１はプラテンである。２は、このプラテン１の上面にエアベアリング手段により浮上してＸ，Ｙ方向に位置制御されて移動するスライダである。

２１は、スライダ２端部のＹ軸方向に固定されたＸ軸バーミラー、２２は、スライダ２端部のＸ軸方向に固定されたＹ軸バーミラーである。３１，３２は、プラテン１の端部のＹ軸方向に固定配置されたＸ軸距離検出用のレーザ干渉計であり、以下、干渉計Ｘ１，干渉計Ｘ２と称する。

これら干渉計は、Ｘ軸バーミラー２１にレーザビームを照射してその反射ビームを受光し、スライダ２のＸ方向移動距離を検出する。スライダ２のＹ方向移動に伴なって干渉計Ｘ１から干渉計Ｘ２に切り換えられる。

４１，４２，４３は、プラテン１の端部のＸ軸方向に固定配置されたＹ軸距離検出用のレーザ干渉計であり、以下、干渉計Ｙ１，干渉計Ｙ２，干渉計Ｙ３と称する。これら干渉計は、Ｙ軸バーミラー２２にレーザビームを照射してその反射ビームを受光し、スライダ２のＹ方向移動距離を検出する。スライダ２のＸ方向移動に伴なって干渉計Ｙ１，Ｙ２の対から干渉計Ｙ２，Ｙ３の対に切り換えられる。

スライダ２のＺ軸回転角θの変化は、干渉計Ｙ１〜干渉計Ｙ３の内のいずれか２つの検値を元に算出される。スライダ２が実線で示した位置１では、Ｙ軸バーミラー２２からのビーム反射を受光できる干渉計Ｙ１及び干渉計Ｙ２の対によりθの変化量を検出する。

スライダ２が矢印Ｐで示すように、Ｘ軸方向の位置２に移動した状態では、干渉計Ｙ１はバーミラー２２からのビーム反射を受光できなくなるので、干渉計を切り換えて、干渉計Ｙ２及び干渉計Ｙ３の対によりθの変化量を検出する。

これら干渉計の各対によるθの変化量Δθは、変化量が微小の場合には、
Δθ＝（２つ干渉計検出値の差の変化量）／（２つの干渉計間の距離）
で計算される。

特開２０００−６５９７０号公報

従来のθ変化量の検出手法では、次のような問題点がある。
（１）スライダ２が位置１から位置２に移動する際、θの変化を検出するレーザ干渉計は、干渉計Ｙ１，Ｙ２の対から干渉計Ｙ２，Ｙ３の対に切り換わる。このとき、干渉計間の設置位置が設計値からずれていると、干渉計切り換えの繰り返しによってθ変化の検出値誤差が急速に増大累積していく危険がある。

（２）レーザ干渉計を高精度で位置決めしてＸＹステージに組み付けるのも設計上困難であるし、レーザ干渉計のケースに対するレーザ光位置は個体毎にばらつくので、レーザ干渉計間の距離を高精度に特定するのは困難である。

（３）このため、レーザ干渉計間距離は、ＸＹステージの個体毎にばらつく。組み付け後にレーザ干渉計間距離を測定してキャブレーションすればよいのであるが、レーザ干渉計間距離とは、２つのレーザ干渉計のレーザ光間の距離であって、レーザ光は数ｍｍの広がりがあるため、直接、高精度にレーザ干渉計間の距離を測定することが困難である。

（４）さらに、ユーザが用中にレーザ干渉計が故障して交換する場合を考えると、高価、あるいは大型の測定装置をキャリブレーション作業に用いるのは実用上、不適である。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、レーザ干渉計切り換えの繰り返しによってθ変化の検出値誤差の累積が本質的に発生しないＸＹステージを実現することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）Ｘ方向又はＹ方向の少なくとも一方に配置されたれた複数個のレーザ干渉計を切り換えてプラテン上を移動するスライダのＸ，Ｙ座標の変化を検出すると共に、前記複数のレーザ干渉計の内２個の距離検出値及びレーザ干渉計間距離に基づいて前記スライダのＺ軸回転角θの変化を検出するＸＹステージにおいて、
前記スライダを所定位置で所定角度回転させる初期操作手段と、
切り換え前に使用する２個のレーザ干渉計による距離検出値及びレーザ干渉計間距離の設計値から回転角を計算する回転角演算手段と、
切り換え後に使用する２個のレーザ干渉計による距離検出値及び計算された前記回転角に基づいてこれら２個のレーザ干渉計間の距離をキャリブレーションするキャリブレーション演算手段と、
を備えることを特徴とするＸＹステージ。

（２）前記複数のレーザ干渉計の連続した３個のうち中間のレーザ干渉計を共通として、
前記回転角演算手段は、切り換え前に使用する２個のレーザ干渉計により、前記回転角を計算し、
前記キャリブレーション演算手段は、切り換え後に使用する２個のレーザ干渉計により、レーザ干渉計間の距離をキャリブレーションすることを特徴とする（１）に記載のＸＹステージ。

（３）前記複数のレーザ干渉計が連続して４個以上の場合に、連続した３個の組み合わせをシフトしながら中間のレーザ干渉計を共通として、
前記回転角演算手段は、切り換え前に使用する２個のレーザ干渉計により、前記回転角を計算し、
前記キャリブレーション演算手段は、切り換え後に使用する２個のレーザ干渉計により、レーザ干渉計間の距離をキャリブレーションすることを特徴とする（１）に記載のＸＹステージ。

（４）順次実行されたキャリブレーションの値を保持し、前記スライダの移動位置に対応して前記θの変化を検出するために使用されるレーザ干渉計毎に選択的に使用することを特徴とする（３）に記載のＸＹステージ。

（５） 夫々が異なる位置に配置されたレーザ干渉計の対を切り換える場合に、
前記回転角演算手段は、切り換え前の対のレーザ干渉計により、前記回転角を計算し、
前記キャリブレーション演算手段は、切り換え後の対のレーザ干渉計により、レーザ干渉計間の距離をキャリブレーションすることを特徴とする（１）又は（２）に記載のＸＹステージ。

（６）前記レーザ干渉計の第１の対と、前記レーザ干渉計の第２の対は、前記スライダのＸ方向又はＹ方向を挟んで対向配置されていることを特徴とする（５）に記載のＸＹステージ。

（７）前記複数のレーザ干渉計は、前記プラテンのＸ方向又はＹ方向の少なくともいずれかに沿って固定配置され、前記スライダの周端部に配置されたバーミラーに照射したビームの反射ビームを受光して前記スライダのＸ方向又はＹ方向の移動距離を検出することを特徴とする（１）乃至（６）に記載のＸＹステージ。

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）レーザ干渉計の切り換え前と切り換え後のθ変化量検出の誤差率が同一のなるように、搭載されたレーザ干渉計の検出値のみで切り換え後のレーザ干渉計間距離をキャリブレーションすることにより、レーザ干渉計切り換えの繰り返しによってθ検出値の誤差は本質的に累積することがない。

（２）レーザ干渉計を高精度で位置決めしてＸＹステージに組み付ける必要がなく、ケースに対するレーザ光位置が個体毎にばらついていても、θ検出値の誤差は本質的に累積することがない。

（３）レーザ干渉計間距離がばらついていても、組み付け後にレーザ干渉計間距離を測定してキャブレーションする煩雑な作業は不要となる。更に、レーザ光の広がりによる距離誤差も問題にならない。

（４）ユーザが使用中にレーザ干渉計が故障して交換する場合では、高価、あるいは大型のキャリブレーション用測定装置による煩雑な作業は不要となり、メンテナンスの効率が格段に向上する。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したＸＹステージの一実施形態を示す機能ブロック図である。図４で説明した従来ステージと同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１において、１００は初期操作手段であり、スライダ２を、プラテン１上でキャリブレーションを実行する所定位置Ｆに移動させる。この位置Ｆは、切り換え前に使用するレーザ干渉計の対である干渉計Ｙ１，Ｙ２と、切り換え後に使用するレーザ干渉計の対である干渉計Ｙ２，Ｙ３が共にＹ軸バーミラー２２からのレーザ反射ビームを受光可能な位置である。

このとき、ＸＹステージの平面モータは、サーボ制御ではない、マイクロステップモードでスライダ２を移動させる。マイクロステップモードとは、一般のステッピングパルスモータと同じく、各相のモータ電流値の位相角を制御することで、位置検出信号のフィードバックなしにモータを駆動、位置決めする動作モードである。尚、マイクロステップモードで動作させるのは、作業時の安全性を高めるためであり、原理的にはサーボ運転で駆動させても本発明のキャリブレーションは実施できる。

以下、本発明によるキャリブレーションの原理を説明する。
初期操作手段１００により、干渉計Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３によりＹ軸方向の位置検出が同時におこなえる位置Ｆに、スライダ２をマイクロステップモードで移動させる。

位置Ｆへの移動後、マイクロステップモードでスライダ２をθ方向に任意の量Δθだけ回転させる。ただし、干渉計Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３で距離検出ができなくなるほど回転させてはならない。

そのときの干渉計Ｙ１，Ｙ２により検出されたθ方向の変化量をΔθ12とする。同様に、干渉計Ｙ２，Ｙ３により検出されたθ方向の変化量をΔθ23とする。また、干渉計Ｙ１，Ｙ２間の真の距離をＬ12、設計値をＬ12’とする。同様に、 干渉計Ｙ２，Ｙ３間の真の距離をＬ23、設計値をＬ23’とする。

干渉計Ｙ１のＹ方向距離検出値の変化量をΔＹ１、干渉計Ｙ２のそれをΔＹ２、干渉計Ｙ３のそれをΔＹ３とすると、
Δθ＝(ΔＹ２−ΔＹ１)／L12＝(ΔＹ３−ΔＹ２)／Ｌ23 （１）
Δθ12＝(ΔＹ２−ΔＹ１)／Ｌ12’ （２）
Δθ23＝(ΔＹ３−ΔＹ２)／Ｌ23’ （３）
である。

ここで、干渉計間距離L12とＬ12’の誤差率をε12として、
Ｌ12’＝（１＋ε12）Ｌ12 （４）
で表すものとする。従って（１）式より、
Δθ＝(ΔＹ２−ΔＹ１)・（１＋ε12）／Ｌ12’ （５）
である。

ここで、干渉計Ｙ２，Ｙ３間距離Ｌ23’のキャリブレーション値Ｌ23’cを次式で算出する。
Ｌ23’c＝(ΔＹ３−ΔＹ２)／Δθ12
＝Ｌ12’・(ΔＹ３−ΔＹ２)／(ΔＹ２−ΔＹ１) （６）

キャリブレーション後、干渉計Ｙ２，Ｙ３では、このキャリブレーション値Ｌ23’cを用いてθの変化量を算出することにし、その値をΔθ23で表すことにする。
Δθ23＝(ΔＹ３−ΔＹ２)／Ｌ23’c （７）

式（１）、（２）、（５）、（６）、（７）より、Δθ12及びΔθ23を求めると、
Δθ12＝Δθ23＝Δθ／（１＋ε12） （８）
である。つまり、θ変化の検出値の誤差率は、検出に用いる干渉計によらず一定となることがわかる。

図１において、２００は回転角演算手段であり、切り換え前に使用される干渉計Ｙ１，Ｙ２の対による距離検出値ΔＹ１，ΔＹ２及び干渉計間距離の設計値Ｌ12’を入力して（２）式を演算し、θの変化量Δθ12を計算する。

３００は、キャリブレーション演算手段であり、切り換え後に使用される干渉計Ｙ２，Ｙ３の対による距離検出値ΔＹ２，ΔＹ３及び回転角演算手段２００で計算されたθの変化量Δθ12を入力して（６）式を演算し、干渉計Ｙ２，Ｙ３間距離Ｌ23’のキャリブレーション値Ｌ23’cを計算する。

次に、キャリブレーション後の、干渉計切り換え動作時のθ変化の検出誤差について述べる。
θの検出値の変化量をΔθmで表すとした場合のθ検出誤差εwを、
εw＝Δθm−Δθ
と定義する。

式（８）より、
εw＝ε12・Δθm＝ε12／（１＋ε12）
である。ここで、
Ｒe＝ε12／（１＋ε12）
と定義する。

図１において、θの検出値誤差εw＝0の状態から、スライダ２がＸ＋方向に移動して、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）→（Ｙ２，Ｙ３）の切り換えが発生したとする。そのときθ＝３００μradであった場合、εw＝３００Ｒe[μrad]である。

その後、X−方向に動いて、干渉計（Ｙ２，Ｙ３）→（Ｙ１，Ｙ２）の切り換えが発生したとする。そのときθ＝−３００μradであったとすると、干渉計（Ｙ２，Ｙ３）動作中に増減したθ検出値誤差は、−６００Re[μrad]である。従って、切り換え時点での累計誤差は、εw＝−３００Re[μrad]である。

そして、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）動作中にθが−３００→０μradとなった場合に増減するθ検出値誤差は３００Re[μrad]であるので、累計誤差は、εw＝−３００Re＋３００Re＝０である。つまり、切り換えにおいて誤差は累積しない。

仮に、キャリブレーションをしなかった場合の誤差累積について述べる。図１において、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）間距離Ｌ12の値が、設計値３１５mmに対して＋１mmの組み付け誤差があって３１６mmだとする。また、干渉計（Ｙ２，Ｙ３）間距離Ｌ23の値が設計値１９４mmに対して−1mmの組み付け誤差があって１９３mmだとする。

θ検出値誤差εw＝0の状態から、スライダ２がＸ＋方向に動いて、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）→（Ｙ２，Ｙ３）の切り換えが発生したとする。そのときθ＝３００μradであった場合、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）での検出値は、（３００×３１６／３１５）μradであるので、
εw＝０.９５μradである。

その後、Ｘ−方向に動いて、干渉計（Ｙ２，Ｙ３）→（Ｙ１，Ｙ２）の切り換えが発生したとする。そのときθ＝−３００μradであったとすると、干渉計（Ｙ２，Ｙ３）動作中に増減したθ検出値誤差は、−６００×（１９３／１９４−1)＝３.０９μradである。従って、切り換え時点での累計誤差は、εw＝０.９５＋３.０９＝４.０４μradである。

そして、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）動作中にθが−３００→０μradとなった場合に増減するθ検出値誤差は、３００×（３１６／３１５−1)＝０.９５μradとなるので、累計誤差は、εw＝４.０４＋０.９５＝４.９９μradである。つまり、２回の切り換えにおいて約５μradの誤差が累積したことになる。

図２は、本発明を適用したＸＹステージの他の実施形態を示す平面図であり、θ変化を検出する干渉計が４個以上（Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４）の場合を示す。この場合でも、図１の実施形態と同様にしてキャリブレーションを施すことで同様の効果を得ることができる。

例えば、位置１にて、干渉計（Ｙ２，Ｙ３）間距離をキャリブレーションした後、位置２にスライダ２を移動させて、干渉計（Ｙ２，Ｙ３）間距離のキャリブレーション値を用いて干渉計（Ｙ３，Ｙ４）間距離をキャリブレーションする。順次実行されたキャリブレーションの値を保持し、前記スライダの移動位置に対応して前記θの変化を検出するために使用されるレーザ干渉計毎に選択的に使用することができる。

図３は、本発明を適用したＸＹステージの更に他の一実施形態を示す平面図であり、前面および背面に一対の干渉計を配置して、前面側領域にスライダ位置するときは前面干渉計で、背面側領域にスライダ位置するときは背面干渉計で位置検出するシステムにも適用できる。

４つの干渉計すべてで測長ができる位置にスライダ２を移動させ、そこで、θ方向に回転させて、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）間距離Ｌ12の設計値、干渉計（Ｙ１，Ｙ２）で検出されたθ変化量を元に、干渉計（Ｙ３，Ｙ４）間距離Ｌ34をキャリブレーションすることができる。

本発明を適用したＸＹステージの一実施形態を示す機能ブロック図である。 本発明を適用したＸＹステージの他の実施形態を示す平面図である。 本発明を適用したＸＹステージの更に他の実施形態を示す平面図である。 スライダの移動に応じて複数のレーザ干渉計を切り換える、従来のＸＹステージの平面図である。

符号の説明

１ プラテン
２ スライダ
２１ Ｘ軸バーミラー
２２ Ｙ軸バーミラー
３１，３２，３３ Ｙ軸レーザ干渉計
４１，４２ Ｘ軸レーザ干渉計
１００ 初期操作手段
２００ 回転角演算手段
３００ キャリブレーション演算手段

Claims (7)

1. Ｘ方向又はＹ方向の少なくとも一方に配置されたれた複数個のレーザ干渉計を切り換えてプラテン上を移動するスライダのＸ，Ｙ座標の変化を検出すると共に、前記複数のレーザ干渉計の内２個の距離検出値及びレーザ干渉計間距離に基づいて前記スライダのＺ軸回転角θの変化を検出するＸＹステージにおいて、
   前記スライダを所定位置で所定角度回転させる初期操作手段と、
   切り換え前に使用する２個のレーザ干渉計による距離検出値及びレーザ干渉計間距離の設計値から回転角を計算する回転角演算手段と、
   切り換え後に使用する２個のレーザ干渉計による距離検出値及び計算された前記回転角に基づいてこれら２個のレーザ干渉計間の距離をキャリブレーションするキャリブレーション演算手段と、
   を備えることを特徴とするＸＹステージ。
2. 前記複数のレーザ干渉計の連続した３個のうち中間のレーザ干渉計を共通として、
   前記回転角演算手段は、切り換え前に使用する２個のレーザ干渉計により、前記回転角を計算し、
   前記キャリブレーション演算手段は、切り換え後に使用する２個のレーザ干渉計により、レーザ干渉計間の距離をキャリブレーションすることを特徴とする請求項１に記載のＸＹステージ。
3. 前記複数のレーザ干渉計が連続して４個以上の場合に、連続した３個の組み合わせをシフトしながら中間のレーザ干渉計を共通として、
   前記回転角演算手段は、切り換え前に使用する２個のレーザ干渉計により、前記回転角を計算し、
   前記キャリブレーション演算手段は、切り換え後に使用する２個のレーザ干渉計により、レーザ干渉計間の距離をキャリブレーションすることを特徴とする請求項１に記載のＸＹステージ。
4. 順次実行されたキャリブレーションの値を保持し、前記スライダの移動位置に対応して前記θの変化を検出するために使用されるレーザ干渉計毎に選択的に使用することを特徴とする請求項３に記載のＸＹステージ。
5. 夫々が異なる位置に配置されたレーザ干渉計の対を切り換える場合に、
   前記回転角演算手段は、切り換え前の対のレーザ干渉計により、前記回転角を計算し、
   前記キャリブレーション演算手段は、切り換え後の対のレーザ干渉計により、レーザ干渉計間の距離をキャリブレーションすることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸＹステージ。
6. 前記レーザ干渉計の第１の対と、前記レーザ干渉計の第２の対は、前記スライダのＸ方向又はＹ方向を挟んで対向配置されていることを特徴とする請求項５に記載のＸＹステージ。
7. 前記複数のレーザ干渉計は、前記プラテンのＸ方向又はＹ方向の少なくともいずれかに沿って固定配置され、前記スライダの周端部に配置されたバーミラーに照射したビームの反射ビームを受光して前記スライダのＸ方向又はＹ方向の移動距離を検出することを特徴とする請求項１乃至６に記載のＸＹステージ。
   
   

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