JP3013997B2 - Two-dimensional motor type stage device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はステージ装置に関し、特に２次元面内で対象
物を移動させる２次元モータ式ステージ装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a stage device, and more particularly to a two-dimensional motor type stage device for moving an object in a two-dimensional plane.

［従来の技術］ 従来、対象物を２次元的に駆動する装置としては、平
面内の１方向であるＸ軸方向について駆動を行うサーボ
モータとボールネジを備えたＸステージの上にＹ軸方向
の駆動を行うサーボモータとボールネジを備えたＹステ
ージを重ねたXYステージ等が知られている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a device for two-dimensionally driving an object, a servomotor for driving in one X-axis direction within a plane and an X-stage provided with a ball screw in a Y-axis direction An XY stage and the like in which a servomotor for driving and a Y stage having a ball screw are stacked are known.

ボールネジはガタやバックラッシを完全に排除するこ
とはできない。また、サーボモータで発生した駆動力を
対象物に伝えるには、途中に動力伝達機構や案内機構を
介さねばならず、発生した駆動力を100％対象物に伝え
ることはできない。これは別の観点から見ると、何等か
の機構部材等に歪み、弾性変形等を生じさせていること
になる。Ball screws cannot completely eliminate backlash or backlash. Further, in order to transmit the driving force generated by the servomotor to the object, the driving force must be transmitted through a power transmission mechanism or a guide mechanism on the way, and the generated driving force cannot be transmitted 100% to the object. From another point of view, this means that some mechanical member or the like is distorted and elastically deformed.

このような機構によっては、0.01μｍ程度以下の位置
決め精度を実現することは困難である。With such a mechanism, it is difficult to achieve a positioning accuracy of about 0.01 μm or less.

［発明が解決しようとする課題 以上説明したような、サーボモータとボールネジによ
るステージ装置によっては、たとえば0.01μｍ以下の超
精密XYステージを実現することは難しかった。[Problems to be Solved by the Invention] It has been difficult to realize an ultra-precision XY stage of, for example, 0.01 μm or less by the stage device using the servo motor and the ball screw as described above.

本発明の目的は、超精密精度を実現するのに適したス
テージ装置を提供することである。An object of the present invention is to provide a stage device suitable for achieving ultra-precision accuracy.

本発明の他の目的は、構造が簡単で遊びがなく、位置
精度に優れたステージ装置を提供することである。It is another object of the present invention to provide a stage device having a simple structure, no play, and excellent position accuracy.

［課題を解決するための手段］ 本発明の一観点によれば、高磁性率の材料で構成さ
れ、２次元平面を画定するヨークと、ヨーク上に２次元
マトリックス状に配置され、交互に反転する磁性をヨー
クの面法線方向に沿って有する複数の永久磁石と、ヨー
ク上に近接配置される非磁性体のステージと、ステージ
に固定され、ステージ面と平行に巻回されている複数の
コイルを含むステージ駆動手段と、前記永久磁石から発
せられる磁力線が前記ヨークの面法線方向を向いている
領域に前記コイルが配置されるよう前記ヨークを駆動す
るためのヨーク駆動手段とを有する２次元モータ式ステ
ージ装置が提供される。[Means for Solving the Problems] According to one aspect of the present invention, a yoke which is made of a material having a high magnetic susceptibility and defines a two-dimensional plane, and which is arranged in a two-dimensional matrix on the yoke and is alternately inverted A plurality of permanent magnets having magnetic properties along the direction of the surface normal of the yoke, a non-magnetic stage arranged close to the yoke, and a plurality of fixed to the stage and wound in parallel with the stage surface. A stage drive unit including a coil, and a yoke drive unit for driving the yoke so that the coil is arranged in a region where the magnetic lines of force emitted from the permanent magnet are oriented in the surface normal direction of the yoke. A three-dimensional motorized stage device is provided.

［作用］ ヨーク上に多数の永久磁石を配置し、ヨーク近接配置
されるステージ面にステージ面と平行に巻回されたコイ
ルを配すると、コイルに電流が流れた時、コイルに働く
ローレンツ力はコイルおよび磁力線にほぼ垂直な方向に
働く。従って、ステージに吸引力または反発力が働くこ
とは少なく、コイルに働く力の大部分はステージ面に平
行な力になる。また、この力はコイルに直接働くので、
コイルが取り付けられたステージの位置を制御するのに
適している。[Operation] When a large number of permanent magnets are arranged on a yoke, and a coil wound in parallel with the stage surface is arranged on a stage surface arranged near the yoke, the Lorentz force acting on the coil when a current flows through the coil is obtained. It works in a direction almost perpendicular to the coil and the magnetic field lines. Therefore, a suction force or a repulsive force rarely acts on the stage, and most of the force acting on the coil is a force parallel to the stage surface. Also, since this force works directly on the coil,
It is suitable for controlling the position of a stage on which a coil is mounted.

ヨーク駆動手段は、ヨークを２次元平面内で駆動する
ことができる。ヨークを所定の位置に移動させれば、コ
イルに働く力を大きくすることができ、ステージの位置
を容易かつ高精度で制御することができる。The yoke driving means can drive the yoke in a two-dimensional plane. By moving the yoke to a predetermined position, the force acting on the coil can be increased, and the position of the stage can be controlled easily and with high accuracy.

［実施例］ 第１図（Ａ）、（Ｂ）に本発明の１実施例によるXYス
テージ装置を示す。高透磁率の材料で形成されたヨーク
11の上に格子状に多数の永久磁石12が固定されている。
図においては、ヨーク11の面上で、磁石はヨークの面方
線方向にＮ極あるいはＳ極を有するように配置されてい
る。１つのＮ極の上下（Ｙ方向）左右（Ｘ方向）をＳ極
が取り囲むように、これらの磁極はＸ方向についても、
Ｙ方向についても交互に極性が反転するように配置され
ている。Embodiment FIGS. 1A and 1B show an XY stage device according to an embodiment of the present invention. Yoke made of high permeability material
A large number of permanent magnets 12 are fixed on the grid 11 in a grid pattern.
In the drawing, on the surface of the yoke 11, the magnet is arranged so as to have an N pole or an S pole in the direction of the surface of the yoke. These magnetic poles are also arranged in the X direction so that the S pole surrounds the upper and lower sides (Y direction) and left and right (X direction) of one N pole.
In the Y direction, the polarities are alternately reversed.

たとえば、永久磁石12ijをマトリクス状に配置した
時、その行の数ｉと列の数ｊの和が偶数の時Ｓ極が表面
にでるように、奇数の時Ｎ極が表面に出るように配置す
る。For example, when the permanent magnets 12ij are arranged in a matrix, when the sum of the number i of the rows and the number j of the columns is an even number, the S pole is on the surface, and when the sum is odd, the N pole is on the surface. I do.

第１図（Ｂ）に示すように、ヨーク11は支持体10から
浮いた位置に配置されており、第１図（Ａ）に示すよう
に、駆動手段16a、16b、17によってＸ方向およびＹ方向
に駆動される。図では、Ｙ方向に２つの駆動手段16a、1
6bが配置され、Ｘ方向に１つの駆動手段17が配置されて
いる。As shown in FIG. 1 (B), the yoke 11 is arranged at a position floating from the support body 10, and as shown in FIG. 1 (A), is driven by driving means 16a, 16b, 17 in the X and Y directions. Driven in the direction. In the figure, two driving means 16a, 1
6b is arranged, and one drive means 17 is arranged in the X direction.

このヨーク11上の永久磁石群12ijと対向するようにコ
イル14a、14b、14c、14d、14e、14fが配置されている。
これらのコイル14a〜14fはステージ13に固定されてお
り、ステージ13を駆動する。図では明示していないが、
ヨーク11は、エアーベアリング、滑り軸受け等の手段に
よって、ベース10に対してＺ、θＸ、θＹ方向の拘束を
受け、案内される。ステージ13もエアーベアリング、滑
り軸受け等の手段によって、Ｚ、θＸ、θＹ方向の拘束
を受け案内される。図においては、ステージに固定され
るコイルとして、２組のコイル14a、14b、14e、14fがＹ
方向の駆動に用いられ、１組のコイル14c、14dがＸ方向
の駆動に用いられている。これらのコイルの個数は任意
に選択できる。また、ステージ11の材料としては、セラ
ミック、アルミニウム等の非磁性体を用いる。The coils 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f are arranged to face the permanent magnet group 12ij on the yoke 11.
These coils 14a to 14f are fixed to the stage 13, and drive the stage 13. Although not explicitly shown in the figure,
The yoke 11 is guided by being constrained in the Z, θX, and θY directions with respect to the base 10 by means such as an air bearing and a slide bearing. The stage 13 is also guided by being constrained in the Z, θX, and θY directions by means such as an air bearing and a slide bearing. In the figure, two sets of coils 14a, 14b, 14e, and 14f are used as coils fixed to the stage.
And a pair of coils 14c and 14d are used for driving in the X direction. The number of these coils can be arbitrarily selected. In addition, as a material of the stage 11, a nonmagnetic material such as ceramic or aluminum is used.

第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）のI B−I B線に沿う断面
図であり、コイル14a、14bが示されている。FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line IB-IB of FIG. 1A, and shows coils 14a and 14b.

コイル14a、14bはヨーク11の永久磁石12ijと十分近接
できる高さに支持される。ステージ13は非磁性体なので
磁力線の分布にはほとんど影響しない。The coils 14a and 14b are supported at a height that allows them to be sufficiently close to the permanent magnets 12ij of the yoke 11. Since the stage 13 is a non-magnetic material, it hardly affects the distribution of the lines of magnetic force.

ステージに働く力を第２図（Ａ）〜（Ｄ）を参照して
説明する。The force acting on the stage will be described with reference to FIGS. 2 (A) to 2 (D).

ヨーク11の表面には、複数の永久磁石12がその極性を
交互に反転させながら整列している。ヨーク11は高透磁
率なので、ヨーク11内では磁力線は永久磁石のＮ極から
隣接する永久磁石のＳ極に向って分布する。永久磁石の
上側では、空気および非磁性体しか存在しないので、磁
力線は閉じ込められず、開いた状態にある。磁石の中央
付近から発する磁力線は、ある範囲に亘って磁力線21c
のようにヨークの法線方向に沿って進む。永久磁石12の
端部に近づくに従ってそこから発する磁力線は磁力線21
eのように湾曲して隣接する永久磁石の反対極性の磁極
に向う。ここで、注目すべきことは、磁石12の表面に十
分近い位置においては、磁力線の大部分がヨーク11の方
線方向に近い方向を向いていることである。この多くの
磁力線が未だヨークの法線方向に近い方向にある領域に
コイル14a、14bの巻線が配置される。各コイルは、第１
図（Ａ）に示すようにＸ軸、Ｙ軸に沿った矩形形状であ
るとする。短い辺の長さは１つの永久磁石の対応辺の長
さより短く、長辺の長さは隣接する永久磁石にまたがる
長さであるとする。On the surface of the yoke 11, a plurality of permanent magnets 12 are arranged while alternately reversing their polarities. Since the yoke 11 has a high magnetic permeability, the lines of magnetic force are distributed in the yoke 11 from the N pole of the permanent magnet to the S pole of the adjacent permanent magnet. Above the permanent magnet, since only air and a non-magnetic material are present, the magnetic field lines are not confined but open. The lines of magnetic force emanating from the vicinity of the center of the magnet are
And proceed along the normal direction of the yoke. As the end of the permanent magnet 12 approaches, the magnetic lines of force emanating therefrom are the magnetic lines 21
It curves like e and goes to the magnetic pole of the opposite polarity of the adjacent permanent magnet. Here, it should be noted that at a position sufficiently close to the surface of the magnet 12, most of the lines of magnetic force are directed in a direction close to the direction of the normal of the yoke 11. The windings of the coils 14a and 14b are arranged in a region where the many lines of magnetic force are still in a direction close to the normal direction of the yoke. Each coil is the first
It is assumed that it has a rectangular shape along the X axis and the Y axis as shown in FIG. It is assumed that the length of the short side is shorter than the length of the corresponding side of one permanent magnet, and the length of the long side is a length extending over the adjacent permanent magnet.

このような配置で、コイル14aに電流Ｉを流した時、
短辺に生じるローレンツ力は ｆ≒BI_l の大きさを持ち、電流の流れる方向および磁力線の方向
に共に垂直な方向に向きを有すると近似できる。すなわ
ち、図示の場合、磁力線がヨーク１の法線方向に向いて
いるならば、力はヨーク11の表面と平行な方向に沿う。
このように、コイルのステージ13とほぼ平行な力を発生
させることができ、ステージ13を有効にXY平面内に駆動
することができる。図示の場合、コイル14aのピッチ
と、隣接する永久磁石間のピッチが適合しているので、
隣接する磁石上に配置された１つのコイルの２つの辺に
働く力は同じ向きとなる。また、隣接するコイル14bも
永久磁石のピッチと同期しており、同じ向きにほぼ同等
の力を発揮する。In such an arrangement, when a current I is applied to the coil 14a,
Lorentz force generated in the short side has a size of f ≒ BI _l, it can be approximated as having orientation both a direction perpendicular to the direction of the direction and the magnetic field lines of current flow. That is, in the case shown in the drawing, if the magnetic force lines are directed in the normal direction of the yoke 1, the force is directed in a direction parallel to the surface of the yoke 11.
Thus, a force substantially parallel to the coil stage 13 can be generated, and the stage 13 can be effectively driven in the XY plane. In the case shown, the pitch of the coil 14a and the pitch between adjacent permanent magnets match,
The forces acting on the two sides of one coil placed on adjacent magnets are in the same direction. The adjacent coils 14b are also synchronized with the pitch of the permanent magnet, and exert substantially the same force in the same direction.

ステージ13の位置、すなわち磁石14a〜14fの位置をモ
ニタしつつ、タイミングの合った時にコイルに電流を流
すことにより、ステージ13を所望の平面内方向に駆動す
ることができる。By monitoring the position of the stage 13, that is, the positions of the magnets 14a to 14f, and supplying a current to the coil when the timing is appropriate, the stage 13 can be driven in a desired in-plane direction.

第２図（Ｂ）〜（Ｄ）は、それぞれＹ方向、Ｘ方向、
およびＺ軸回りの回転方向にステージを駆動する場合を
図示する。たとえば、第２図（Ｂ）においては、ステー
ジ13をＹ方向に駆動する場合を示す。第１図（Ａ）に示
す両端の４つのコイル14a、14b、14e、14fが使用され
る。これらのコイルに、同時に図示のような電流を印加
することにより、図中上向きの力を発生させる。この力
によりコイルは＋Ｙ方向に駆動される。2 (B) to 2 (D) show the Y direction, the X direction,
And a case in which the stage is driven in a rotation direction about the Z axis. For example, FIG. 2B shows a case where the stage 13 is driven in the Y direction. Four coils 14a, 14b, 14e, 14f at both ends shown in FIG. 1 (A) are used. By applying a current as shown to these coils at the same time, an upward force in the figure is generated. This force drives the coil in the + Y direction.

第２図（Ｃ）はステージ13をＸ方向に駆動する場合を
示す。第１図（Ａ）に示すコイル14c、14dを用いる。こ
れらのコイルに図示の向きに電流を印加することによ
り、矢印方向の駆動力を生じさせることができる。この
力の結果、ステージ13は＋Ｘ方向に駆動される。これら
の例において、発生する合成力はステージ13の重心を通
るように設計されている。FIG. 2C shows a case where the stage 13 is driven in the X direction. The coils 14c and 14d shown in FIG. 1A are used. By applying a current to these coils in the illustrated direction, a driving force in the direction of the arrow can be generated. As a result of this force, the stage 13 is driven in the + X direction. In these examples, the resultant force is designed to pass through the center of gravity of the stage 13.

第２図（Ｄ）は、Ｚ軸回りの回転方向に駆動する場合
を示す。第１図（Ａ）に示すコイル14a、14b、14e、14f
の４つのコイルを用い、14a、14bの１組のコイルには−
Ｙ方向に駆動力を発揮させる向きの電流、14e、14fの１
組のコイルには＋Ｙ方向に駆動力を発揮させる向きの電
流を印加する。この結果、ステージ13はＺ軸回りの回転
力を生じる。FIG. 2 (D) shows a case of driving in a rotation direction around the Z axis. The coils 14a, 14b, 14e, 14f shown in FIG.
Using four coils, one set of coils 14a and 14b has-
Current in the direction to exert the driving force in the Y direction, 14e, 14f
A current is applied to the set of coils in a direction to exert a driving force in the + Y direction. As a result, the stage 13 generates a rotational force around the Z axis.

ステージは非磁性材料で形成され、コイルもコアレス
であるので、コイルに電流が流れていない時にはステー
ジには磁気による力は働かない。電流が流れている時
も、従来の磁気回路の磁気抵抗が最小の位置を求める構
造とことなり、ステージとヨークとの間にはほとんど吸
引力が働かない。タイミングを図って電流を流せばステ
ージにはほとんどヨークと平行な力しか働かない。この
ためステージを保持する力も小さくてすむ。Since the stage is made of a non-magnetic material and the coil is also coreless, no magnetic force acts on the stage when no current flows through the coil. Even when current is flowing, the conventional magnetic circuit has a structure that seeks the position where the magnetic resistance is the minimum, and almost no attractive force acts between the stage and the yoke. If current is applied in a timely manner, only a force parallel to the yoke acts on the stage. Therefore, the force for holding the stage is small.

なお、コイルの位置が移動し、磁力線の向きが変化す
ると、コイルに働く力は変化する。磁石間にはほとんど
ヨークの法線方向に磁力線のない領域もある。この領域
でコイルに電流を流しても、たかだか吸引力や反発力が
得られるのみである。When the position of the coil moves and the direction of the line of magnetic force changes, the force acting on the coil changes. There is a region between the magnets where there is almost no line of magnetic force in the direction normal to the yoke. Even if a current is applied to the coil in this region, only an attractive force or a repulsive force can be obtained.

第３図（Ａ）、（Ｂ）はステージ駆動のタイミングを
説明するための断面図である。FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views for explaining the timing of driving the stage.

第３図（Ａ）において、ステージ13はヨーク11に対し
て所定の位置関係にあり、このヨーク11は支持体10上に
移動可能に支持されている。ヨーク11上の永久磁石12の
位置と、ステージ13の位置とが適合に整合されており、
ステージ13に固定されたコイル14a、14bに電流を流した
時に、ステージ面と平行な、図中右向きの方向に駆動力
が生じる配置にある。ここで、コイル14a、14bに電流を
供給してステージを駆動すると、ステージは所望の方向
に移動を始める。In FIG. 3A, the stage 13 has a predetermined positional relationship with respect to the yoke 11, and the yoke 11 is movably supported on a support 10. The position of the permanent magnet 12 on the yoke 11 and the position of the stage 13 are properly matched,
When current is supplied to the coils 14a and 14b fixed to the stage 13, a driving force is generated in a direction parallel to the stage surface and rightward in the figure. Here, when current is supplied to the coils 14a and 14b to drive the stage, the stage starts moving in a desired direction.

ところで、ステージ13の中心位置をポイントP1からポ
イントP2まで移動させることを考える。ポイントP1から
ポイントP2間での距離が永久磁石のギャップｇの整数倍
でなく、中途半端な位置にある場合は、ポイントP2付近
でコイルに有効な力を働かせることが難しくなる。そこ
で、ヨーク11の位置をピッチ以内の量微調整することに
よって、ヨーク11とステージ13との相互の位置関係を調
整する。すなわち、第３図（Ｂ）に示すように、ヨーク
11を駆動して所望の目標点P2に永久磁石12の中央点が位
置されるようにする。このようにすることによって、ス
テージ13が移動してきた時に、そのコイル14a、14bに電
流を流すことによって、制動力を発揮させ、所望の点P2
にステージ13を静止させることが可能となる。By the way, consider moving the center position of the stage 13 from the point P1 to the point P2. When the distance between the point P1 and the point P2 is not an integral multiple of the gap g of the permanent magnet and is at a halfway position, it becomes difficult to exert an effective force on the coil near the point P2. Therefore, the mutual positional relationship between the yoke 11 and the stage 13 is adjusted by finely adjusting the position of the yoke 11 within the pitch. That is, as shown in FIG.
11 is driven so that the center point of the permanent magnet 12 is located at the desired target point P2. By doing so, when the stage 13 moves, a current flows through the coils 14a and 14b to exert a braking force, and a desired point P2
The stage 13 can be stopped still.

このようなステージの駆動とその電流制御を第４図に
示す。第４図において、横軸は時間を示し、縦軸はステ
ージ位置、ヨーク位置およびコイルに印加する電流（２
次元モータの推力）を示す。FIG. 4 shows the driving of such a stage and its current control. In FIG. 4, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the stage position, the yoke position, and the current (2
3D motor thrust).

時間t1において、コイルと永久磁石との関係が良好な
状態にあり、駆動電流ｉが印加される。この駆動電流は
ある時間Δｔの間印加されるが、その後はオフにされる
と、すると、この時間Δｔの間駆動力を与えられたステ
ージ13はステージ面に平行な駆動力を与えられて並進運
動を開始する。ステージに働く摩擦力が０であれば、駆
動力が断たれた後もステージは並進運動を続けるのでそ
の位置はリニアに変化する。この様子を第４図ステージ
位置の直線部分で示している。At time t1, the relationship between the coil and the permanent magnet is in a good state, and the drive current i is applied. This driving current is applied for a certain time Δt, but when it is turned off thereafter, the stage 13 to which the driving force has been applied for this time Δt is given a driving force parallel to the stage surface to translate. Start exercise. If the frictional force acting on the stage is 0, the position changes linearly because the stage continues to translate even after the driving force is cut off. This situation is shown by a straight line portion at the stage position in FIG.

ステージを移動すべき目標位置P2おいて現在ヨーク11
が有している配置を検討する。もし、この目標位置P2に
おいて、ステージ13とヨーク11との関係が有効に駆動力
を及ぼすのに適していない配置である場合には、ヨーク
11を駆動してステージ13の駆動に適した位置に移動させ
る。この様子を第４図ヨーク位置の直線に示す。ヨーク
が目標位置まで駆動されたらば、ヨーク11を静止させ
る。その後ステージ13が目標位置に到達した時には、ヨ
ーク11は駆動に適した配置にされているので、コイルに
電流を流してステージ13に制動力を及ぼしステージ13を
静止させる。これが第４図モータ推力の負側のパルスで
示されている。Yoke 11 at target position P2 to move the stage
Consider the arrangement that has. If the relationship between the stage 13 and the yoke 11 is not suitable for effectively applying the driving force at this target position P2,
11 is moved to a position suitable for driving the stage 13. This is shown by the straight line at the yoke position in FIG. When the yoke is driven to the target position, the yoke 11 is stopped. After that, when the stage 13 reaches the target position, the yoke 11 is arranged so as to be suitable for driving, so that a current flows through the coil to apply a braking force to the stage 13 to stop the stage 13. This is shown by the negative pulse of the motor thrust in FIG.

このようなヨーク11の駆動は、第１図（Ａ）に示す駆
動手段16a、16b、17によって行われる。これらの駆動手
段は、変位を発生させる直進モータ、圧電素子等の駆動
力源と第５図（Ａ）、（Ｂ）に示すような結合手段とし
て介して行われる。Such driving of the yoke 11 is performed by driving means 16a, 16b and 17 shown in FIG. These driving means are performed as a coupling means as shown in FIGS. 5A and 5B with a driving force source such as a linear motor or a piezoelectric element for generating displacement.

すなわち、まずステージ13をヨーク11上の最適位置に
配置しておいて、所定のコイルに駆動パルス電流を流
す。この初期駆動によりステージ13はほぼ無抵抗の並進
運動を開始する。次に、目標位置でステージ13を制動す
るのに好適な位置にヨーク11を変位させる。ステージ13
が目標位置に近ずいたら制動して目標位置で停止させ
る。That is, first, the stage 13 is arranged at an optimum position on the yoke 11, and a drive pulse current is applied to a predetermined coil. By this initial drive, the stage 13 starts a translational movement with almost no resistance. Next, the yoke 11 is displaced to a position suitable for braking the stage 13 at the target position. Stage 13
When the vehicle approaches the target position, it brakes and stops at the target position.

第５図（Ａ）に示す結合手段は、剛体と見なせる円柱
部分の１箇所において、半径を徐々に減少させ、断面が
円形状に細くなる結合部分を設けた球面ヒンジを示す。
この球面ヒンジは軸方法に対する剛性が高く、軸に直交
する方向に対する剛性は低い。従って、軸方向に対する
力は対象物に伝えるが、軸に直交する方向の力に対して
はヒンジが弾性変形を起こすことによって駆動力を吸収
する結合手段である。The connecting means shown in FIG. 5 (A) is a spherical hinge provided with a connecting portion in which the radius is gradually reduced and the cross section becomes narrower at one location of a cylindrical portion which can be regarded as a rigid body.
This spherical hinge has high rigidity in the axial direction and low rigidity in the direction perpendicular to the axis. Accordingly, the coupling means transmits the force in the axial direction to the object, but absorbs the driving force by causing the hinge to undergo elastic deformation with respect to the force in the direction perpendicular to the axis.

第５図（Ｂ）は１方向の駆動力に対してのみ弾性変形
を行う結合手段を示す。図中、矩形断面の柱部材の１部
において、その水平方向の幅が徐々に減少し、極小点を
介して再び増大している。すなわち、この結合部材は、
軸方向に対する力および上下方向に対する力に対しては
強い剛性を示すが、水平方向の力に対しては剛性が低
く、容易に弾性変形を行う。すなわち、この結合部材を
用いると３次元的な空間において、図中の水平方向の変
位のみを許容することになる。なお、これらの駆動手段
16、17はヨークを駆動するために用いられるが、ヨーク
の支持は好ましくは別の手段によって行われる。FIG. 5 (B) shows a coupling means for performing elastic deformation only with respect to a driving force in one direction. In the figure, in a part of the column member having a rectangular cross section, the width in the horizontal direction gradually decreases and increases again through the minimum point. That is, this coupling member
It shows high rigidity against axial force and vertical force, but has low rigidity against horizontal force and easily deforms elastically. That is, when this coupling member is used, only displacement in the horizontal direction in the figure is allowed in a three-dimensional space. These driving means
Although 16, 17 are used to drive the yoke, the support of the yoke is preferably provided by other means.

このようなヨーク部材ないしはステージ部材を支持す
る方式はいろいろ考えられる。第６図はその１例を示
す。Various methods for supporting such a yoke member or a stage member are conceivable. FIG. 6 shows one example.

第６図において、ヨーク11は鋼球21、22を介して剛性
部材23上に配置され、スプリング24を介して剛性部材23
に引き付けられている。すなわち、ヨーク11は鋼球20、
21、22を介して剛性部材23に押し付けられている。鋼球
20,21、22が滑り係合することによって、ヨーク11は剛
性部材23に対して相対的な平面運動を行う。In FIG. 6, the yoke 11 is disposed on a rigid member 23 via steel balls 21 and 22, and the rigid member 23 is
Attracted to. That is, the yoke 11 is a steel ball 20,
It is pressed against rigid member 23 via 21 and 22. wrecking ball
The sliding engagement between 20, 21, and 22 causes the yoke 11 to perform a relative planar movement with respect to the rigid member 23.

第７図（Ａ）、（Ｂ）はスデージの支持系の例を示
す。FIGS. 7A and 7B show an example of a support system for a stage.

第７図（Ａ）においては、ステージ13はヨーク11より
も大きな面積を有する。このステージ13の周辺部３箇所
にエアーパッド26、27、28が設けられている。このエア
ーパッドによってステージ13は剛性部材23に対して一定
の間隔をおいて吸引される。In FIG. 7A, the stage 13 has a larger area than the yoke 11. Air pads 26, 27, and 28 are provided at three locations around the stage 13. With this air pad, the stage 13 is sucked at a fixed interval with respect to the rigid member 23.

第８図に示すように、エアーパッド26、27,28は周辺
部に永久磁石31を備え、鉄等の磁性体で形成された剛性
部材23に対して吸引力を発揮すると共に、中央部に空気
吹出し口32を備えて、一定圧力の空気を吹出し、剛性部
材23との間に空気層による間隙を保持する。間隔が狭ま
れば空気の押す力が強くなり、パッドは押し上げられ
る。間隔が広くなると空気の流れに対する抵抗が減り、
磁石による吸引力が勝ってパッドは引き付けられる。As shown in FIG. 8, the air pads 26, 27 and 28 are provided with permanent magnets 31 in the peripheral portion, exert an attractive force on the rigid member 23 formed of a magnetic material such as iron, and have a central portion in the central portion. An air outlet 32 is provided to blow air at a constant pressure to maintain a gap between the rigid member 23 and the air layer. When the distance is reduced, the pushing force of the air increases, and the pad is pushed up. Wider spacing reduces resistance to airflow,
The pad is attracted by the attractive force of the magnet.

すなわち、エアーパッド26、27、28はステージ13を剛
性部材23に対して吸引させ、その距離を一定に保つ。ス
テージ13はその面内運動に関してはほとんど抵抗を持た
ない。コイル14a〜14fが永久磁石12との間に力を発揮
し、ヨーク11の面に平行に駆動力を発揮すると、ステー
ジ13はその面方向に沿って駆動力に従って運動する。こ
の際、エアーパッド26、27、28はほとんど摩擦力を示さ
ないので、ステージ13が摩擦力によって歪む等というこ
とが防止されている。That is, the air pads 26, 27 and 28 cause the stage 13 to be attracted to the rigid member 23, and keep the distance constant. Stage 13 has little resistance to its in-plane motion. When the coils 14a to 14f exert a force between themselves and the permanent magnet 12 and exert a driving force parallel to the surface of the yoke 11, the stage 13 moves along the surface direction according to the driving force. At this time, since the air pads 26, 27, and 28 show almost no frictional force, the stage 13 is prevented from being distorted due to the frictional force.

特にステージ13が垂直方向に配置された場合に、エア
ーパッド26、27、28による支持は他の支持方式よりも優
れた特徴を有する。すなわち、剛性部材23としては剛鉄
製定盤のような弾性変形をほとんど起こさない剛性度の
高いものを選ぶことができる。エアーパッドはこれに対
して一定の距離を保って直接吸着するので、エアーパッ
ドの位置は正確に位置決めすることが可能となる。ステ
ージ13はこのエアーパッド26、27、28によって直接支持
されるので、ステージ全体としての変形を考慮する必要
がほとんどない。In particular, when the stage 13 is arranged in the vertical direction, the support by the air pads 26, 27, and 28 has a feature superior to other support methods. That is, as the rigid member 23, a member having high rigidity that hardly causes elastic deformation, such as a hard iron surface plate, can be selected. Since the air pad is directly sucked while keeping a certain distance to the air pad, the position of the air pad can be accurately determined. Since the stage 13 is directly supported by the air pads 26, 27, and 28, there is almost no need to consider deformation of the entire stage.

従来のエアースライダ等によれば、支持柱の周囲に摺
動するエアースライダ部材が設けられているので、エア
ースライダに対する荷重が増加すると共に、支持柱が変
形することが避け難かった。この変形はエアースライダ
が支持柱の上部にあるか下部にあるかによって異なるの
で、エアースライダ部材の位置による位置精度が異なっ
てしまった。上に説明したエアーパッド26、27、28はこ
のような位置による精度の変化を防止できる。According to the conventional air slider and the like, since the air slider member that slides around the support column is provided, it is difficult to avoid the deformation of the support column while increasing the load on the air slider. Since this deformation differs depending on whether the air slider is located above or below the support column, the positional accuracy varies depending on the position of the air slider member. The air pads 26, 27, and 28 described above can prevent a change in accuracy due to such a position.

以上実施例に沿って説明したが、本発明はこれらに制
限されるものではない。たとえば種々の変更、改良、組
合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。Although the embodiments have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

第９図はSOR用の垂直型ステージを示す。SORが光ベー
ス31内のダクトを水平方向に進み、ダクトの開口部に設
けたマスク37を通って出射する。このSOR光を受けるよ
うに、半導体ウエハ35がウエハチャック33上に載置され
る。このウエハチャック33はステージ13に固定されてい
る。ステージ13は対向する一対のベース31、32の間に平
行に配置され、一方のベース31に対して磁石を備えたエ
アパッド26、27、28によって平行に案内され、他方のベ
ース32に対してヨーク11、永久磁石12、コイル14を含む
２次元モータによって駆動されている。ステージ13を支
持するエアーパッド26、27、28が永久磁石12、ヨーク11
を支持するベース32とは別体のベース31に支持されるた
め、場所的制御が緩和され、ステージ13の寸法を小さく
することができる。FIG. 9 shows a vertical stage for SOR. The SOR travels horizontally through the duct in the optical base 31 and exits through a mask 37 provided at the opening of the duct. The semiconductor wafer 35 is placed on the wafer chuck 33 so as to receive the SOR light. The wafer chuck 33 is fixed to the stage 13. The stage 13 is arranged in parallel between a pair of opposing bases 31, 32, guided in parallel by air pads 26, 27, 28 with magnets on one base 31, and a yoke on the other base 32. It is driven by a two-dimensional motor including 11, a permanent magnet 12, and a coil 14. Air pads 26, 27, 28 supporting stage 13 are permanent magnet 12, yoke 11
Is supported by the base 31 that is separate from the base 32 that supports the stage, the locational control is relaxed, and the size of the stage 13 can be reduced.

たとえば、ヨーク内に永久磁石を埋め込んでヨーク表
面を水平としてもよい。For example, a permanent magnet may be embedded in the yoke to make the yoke surface horizontal.

ステージに備えるコイルを多層化し、その位相を1/3
ピッチづつずらして駆動することにすれば、ヨークステ
ージの動作スパンは小さくすることができる。この場
合、駆動手段が駆動する大きさを小さくすることができ
る。この場合、磁力線の法線方向の成分により、ステー
ジに生じる浮き沈みの力を全体としてバランスさせるこ
とも可能である。Multi-layer coils for the stage and reduce the phase by 1/3
If the yoke stage is driven by shifting the pitch, the operating span of the yoke stage can be reduced. In this case, the size driven by the driving unit can be reduced. In this case, it is possible to balance the ups and downs force generated on the stage as a whole by the component in the normal direction of the line of magnetic force.

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、対象物を２次
元的に駆動するための新規な構造の高精度のステージ装
置が提供される。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, a high-precision stage device having a novel structure for two-dimensionally driving an object is provided.

特に、ステージが垂直方向に配置された垂直ステージ
においてその効果が大きい。In particular, the effect is great in a vertical stage in which the stages are arranged in the vertical direction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の実施例によるステージ
装置であり、第１図（Ａ）は平面図、第１図（Ｂ）は断
面図、 第２図（Ａ）〜（Ｄ）はコイルに働く力を説明するため
の図であり、第２図（Ａ）はコイルの働く力を説明する
ための概念図、第２図（Ｂ）はＹ方向の駆動、第２図
（Ｃ）はＸ方向の駆動、第２図（Ｄ）はXY平面内での回
転を示す概略図、 第３図（Ａ）、（Ｂ）は駆動のタイミングを示す概念図
であり、第３図（Ａ）は駆動を開始する初期状態を示す
図、第３図（Ｂ）は停止前の制動の状態を示す図、 第４図は駆動のタイミングチャートであり、横軸が時間
を示し、縦軸がステージ位置、ヨーク位置、モータ推力
を示す、 第５図（Ａ）、（Ｂ）は結合手段の例を示す図であり、
第５図（Ａ）は球面ヒンジの斜視図、第５図（Ｂ）は１
方向ヒンジの斜視図、 第６図（Ａ）、（Ｂ）はヨーク支持系の１例を示す図で
あり、第６図（Ａ）は側面図、第６図（Ｂ）は平面図、 第７図（Ａ）、（Ｂ）は２次元モータ式ステージを概略
的に示す図であり、第７図（Ａ）は平面図、第７図
（Ｂ）は断面図、 第８図はエアーパッドの概略断面図、 第９図はSOR用垂直型ステージの概略側面図である。 図において 11……ヨーク 12……永久磁石 13……ステージ 14……コイル 16、17……駆動手段 P1……初期位置 P2……目標位置 ｇ……ギャップ1 (A) and 1 (B) show a stage device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (A) is a plan view, FIG. 1 (B) is a cross-sectional view, and FIGS. D) is a diagram for explaining the force acting on the coil, FIG. 2 (A) is a conceptual diagram for explaining the force acting on the coil, FIG. 2 (B) is driving in the Y direction, FIG. 2C is a schematic diagram showing rotation in the XY plane, and FIGS. 3A and 3B are conceptual diagrams showing driving timings. FIG. 3A is a diagram showing an initial state in which driving is started, FIG. 3B is a diagram showing a braking state before stopping, FIG. 4 is a timing chart of driving, and the horizontal axis represents time; The vertical axis indicates the stage position, the yoke position, and the motor thrust. FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating examples of the coupling means.
FIG. 5A is a perspective view of the spherical hinge, and FIG.
6 (A) and 6 (B) are views showing an example of a yoke support system, FIG. 6 (A) is a side view, FIG. 6 (B) is a plan view, FIG. 7A and 7B schematically show a two-dimensional motor type stage, FIG. 7A is a plan view, FIG. 7B is a sectional view, and FIG. 8 is an air pad. FIG. 9 is a schematic side view of a vertical stage for SOR. In the figure, 11 ... Yoke 12 ... Permanent magnet 13 ... Stage 14 ... Coils 16, 17 ... Drive means P1 ... Initial position P2 ... Target position g ... Gap

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−288769（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−237848（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 5/28 B23Q 1/18 H02K 41/035 Continuation of the front page (56) References JP-A-61-288769 (JP, A) JP-A-60-237848 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB name) B23Q 5 / 28 B23Q 1/18 H02K 41/035

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】高磁性率の材料で構成され、２次元平面を
画定するヨークと、 ヨーク上に２次元マトリックス状に配置され、交互に反
転する磁性をヨークの面法線方向に沿って有する複数の
永久磁石と、 ヨーク上に近接配置される非磁性体のステージと、 ステージに固定され、ステージ面と平行に巻回されてい
る複数のコイルを含むステージ駆動手段と、 前記永久磁石から発せられる磁力線が前記ヨークの面法
線方向を向いている領域に前記コイルが配置されるよう
前記ヨークを駆動するためのヨーク駆動手段と を有する２次元モータ式ステージ装置。1. A yoke which is made of a material having a high magnetic susceptibility and defines a two-dimensional plane, and is arranged on the yoke in a two-dimensional matrix and has alternately reversed magnets along a direction normal to the surface of the yoke. A plurality of permanent magnets; a non-magnetic body stage disposed in proximity to the yoke; a stage driving means including a plurality of coils fixed to the stage and wound in parallel with the stage surface; And a yoke driving means for driving the yoke such that the coil is disposed in a region where the magnetic field lines are oriented in the surface normal direction of the yoke. 【請求項２】前記ステージが空気圧を利用したエアーパ
ッドによって浮上させられている請求項１記載の２次元
モータ式ステージ装置。2. A two-dimensional motor type stage apparatus according to claim 1, wherein said stage is levitated by an air pad utilizing air pressure. 【請求項３】前記ヨークの２次元平面が垂直面であり、
前記エアーパッドが磁石を含んで磁気力によって吸引さ
れ、空気圧によって浮上させられている請求項２記載の
２次元モータ式ステージ装置。3. A two-dimensional plane of the yoke is a vertical plane,
The two-dimensional motor-type stage device according to claim 2, wherein the air pad includes a magnet, is attracted by magnetic force, and is floated by air pressure.