JP5628048B2 - 位置決定用測定装置のxyテーブル - Google Patents
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Description
また、米国特許第6949733号は、ツールが橋形構造により平面加工部品の上方で移動される装置を記載している。ツール位置を決定するために、本質的に1つの測定方向における位置測定を可能にする複数のいわゆる1Dプラスエンコーダの装置が使用されるが、この測定方向に直交する方向の僅かな移動もまた測定可能である。しかしながら、作業平面の上方で横アームが移動されるこの提案された装置においてはアッベ条件が保持されないので、傾斜したときにガイド誤差により高精度の位置測定が可能ではない。
1Dプラスエンコーダの詳細及び有利な形態が、ドイツ特許公開第102005023984号に開示されている。
このような本発明により、ツールによって、加工部品又は一般には物体の点が正確に測定可能であり、また適切な駆動装置を介して設定可能である。なお、物体のこの特殊な点は、ツール中心点又はTCPと称せられる。
本発明のその他の利点及び詳細は、図面を参照して好ましい実施形態を説明することにより、明らかとなるであろう。
ZNP,Y1=ZNP,Y2=ZNP,X=ZTCP (式1)
両方の走査ヘッドAKY1及びAKY2は、スケールMないしは基準部分Bに対する相対的な物体OのY方向変位のみでなく、Z軸周りの回転RzO−Bもまた測定する。回転角が小さい場合、回転RzO−Bに対して以下の近似式が成立する。
RzO−B=(ξY2−ξY1)/(XNP,Y2−XNP,Y1) (式2)
XO−B=ξX+RzO−B・(YNP,X−YTCP)
YO−B=ξY1−RzO−B・(XNP,Y1−XTCP)
(式3)
この計算は、走査ヘッドの位置に対する相対的なTCPの任意の各位置に対して適用される。しかしながら、間隔の増加と共に位置(XO−B、YO−B)の決定精度は低下する。したがって、この間隔は、できるだけ小さく選択されるべきである。
RzO−B=−(ξX2−ξX1)/(YNP,X2−YNP,X1) (式4)
TCPの位置における物体Oの位置は、同様に、他の走査ヘッド例えばAKY1のみによって決定可能である。
XO−B=ξX1+RzO−B・(YNP,X1−YTCP)
YO−B=ξY1−RzO−B・(XNP,Y1−XTCP)
(式5)
XO−B=ξX1+RzO−B・(YNP,X1−YTCP)
YO−B=η・[ξY1−RzO−B・(XNP,Y1−XTCP)]
+(1−η)・[ξY2−RzO−B・(XNP,Y2−XTCP)]
(式6)
η=(YTCP−YNP,Y2)/(YNP,Y1−YNP,Y2) (式7)
ΔT={[ξY1−RzO−B・(XNP,Y1−XTCP)]
−[ξY2−RzO−B・(XNP,Y2−XTCP)]}
/{ΔCTEO−B・(YNP,Y1−YNP,Y2)} (式8)
パラメータΔCTEO−Bは、物体Oの熱膨張係数CTEOと基準部分Bの熱膨張係数CTEBとの差を表わす。温度変化ΔT及び関係する構成部分の熱膨張係数を用いて、次に、X方向における熱的変位が計算可能であり、この場合、構成部分の固定点が考慮されなければならないことは当然である。既知の温度変化ΔTを用いてこの計算を実行することは当業者にとって簡単であるので、ここでは詳細な説明を省略する。スケールの縦方向における熱的補正は、以下に記載の実施形態においてもまた詳細には説明されないが、これが使用可能であることは当然である。
図6に第1の実施例が示されている。中間部分Fは固定基準部分Bに対して移動可能に支持されている。さらに、中間部分Fに対して相対的に、物体O(ここでは測定テーブル)が、測定されるべき、ないしは処理されるべき部品W例えばウェーハと共に、X方向に移動可能に支持されている。組み合わせ移動により、物体Oは、固定基準部分Bに対して相対的にX及びY方向に移動可能である。したがって、このような構造は線形テーブルのシーケンシャル配置と呼ばれる。なお、図6にはガイド要素は示されていない。
ZNP,X1=ZNP,Y1=ZNP,X2=ZNP,Y2=ZNP,X3
=ZNP,Y3=ZNP,X4=ZNP,Y4=ZTCP (式9)
RzF−B=(ξY2−ξY1)/(XNP,Y2−XNP,Y1)
XF−B=ηF−B・[ξX1−RzF−B・(YTCP−YNP,X1)]
+(1−ηF−B)・[ξX2−RzF−B・(YTCP−YNP,X2)]
YF−B=ξY1+RzF−B・(XTCP−XNP,Y1)
ηF−B=(XNP,X2−XTCP)/(XNP,X2−XNP,X1)
(式10)
RzO−F=−(ξX4−ξX3)/(YNP,X4−YNP,X3)
XO−F=ξX3+RzO−F・(YNP,X3−YTCP)
YO−F=ηO−F・[ξY3−RzO−F・(XNP,Y3−XTCP)]
+(1−ηO−F)・[ξY4−RzO−F・(XNP,Y4−XTCP)]
ηO−F=(YNP,Y4−YTCP)/(YNP,Y4−YNP,Y3)
(式11)
重み係数ηF−B及びηO−Fのいずれか又は両方を値1にセットすることもまた可能である。この場合、走査ヘッドAKX2ないしはAKY4はもはや必要ではなく、このときには、上記の熱的補正の可能性は省略される。
XO−B=XO−F+XF−B
YO−B=YO−F+YF−B
RzO−B=RzO−F+RzF−B
(式12)
両方の可動部分F及びOのX位置のみならずY位置もまた決定することにより、例えば直線性偏位のようなガイド誤差もまた測定され、かつ図示されていない制御装置及び対応する駆動装置によって補正される。
図8及び図9は第2の実施例を示しており、該実施例においては、中間部分F上に、スケールの代わりに走査ヘッドAKX3、AKY3、AKX4及びAKY4が固定されている。スケールM3及びM4はここでは物体Oと固定結合されている。その他の構造は第1の実施形態と同じであるのでここでは説明を省略する。
XNP,Y3=XNP,Y4=XTCP
これにより計算式が簡単になる。
図10は第3の実施例を示しており、該第3の実施例においては、スケールM1及びM2は可動中間部分F上に存在し且つ付属の走査ヘッドAKX1、AKY1、AKX2及びAKY2は基準部分Bと固定結合されている。第2の実施形態と同じように、スケールM3及びM4は物体O上に装着され且つ付属の走査ヘッドAKX3、AKY3、AKX4及びAKY4は中間部分Fに固定されている。
走査ヘッドAKX1、AKX2、AKY3及びAKY4は、この実施形態においては、それらの有効測定点が常にそれらの測定方向に沿ってTCPに向けられているように配置される。したがって、関連する位置の値に対して、角度Rzによる補正は必要ではなく、よって、位置信号の評価が簡単になる。
図11は第4に実施例を示しており、該第4の実施例においては、測定されるべき部品Wはもはや固定TCPに対して相対的に移動されない。むしろ、測定されるべき部品Wは固定基準部分B上に存在し、ツール又はTCPは物体Oと共に移動される。基本的な計算は上記と同じように行われるが、TCPの位置(XTCP、YTCP)はもはや一定ではなく、テーブル位置と共に変化する。この実施例においては、第4のスケールは必要ない。その代わりに、スケールM3は3つの走査ヘッドAKX3、AKY3及びAKY4によって走査される。横方向トラックTT上で走査する両方の走査ヘッドAKY3及びAKY4は、中間部分Fに対して相対的な物体OのY位置を測定するのみならず、付随する回転RzO−Fをもまた測定する。上記の実施例と同様に、走査ヘッド及びTCPのZ方向における全ての有効測定点は同じ高さにある。
ZNP,X1=ZNP,Y1=ZNP,X2=ZNP,Y2=ZNP,X3=ZNP,Y3=ZNP,Y4=ZTCP
したがって、中間部分Fは、少なくとも一部が処理されるべき部品Wに隣接して配置されていなければならない。このような場合にのみ、アッベ条件を保持することが可能である。測定装置及び駆動装置がY方向に対して測定体の上方で移動されるブリッジ形機構の装置は、この条件を満たしていない。
第5の実施例は、第2の実施例と同様に、全ての走査ヘッドAKX1、AKY1、...、AKX4b、AKY4bを支持する中間部分Fを有している。スケールM1及びM2は同様に固定基準部分Bに固定され、一方、スケールM3及びM4は物体Oに装着されている。スケールM3の走査は、ここでは、4つの走査ヘッドAKX3a、AKY3a、AKX3b、AKY3bによって冗長に行われる。この場合、走査ヘッドの対AKX3a及びAKX3b又はAKY3a及びAKY3bはそれぞれ、スケールM3の同じトラックを走査する。1つの対の両方の走査ヘッドは、中間部分Fの中心に対して対称にオフセットされている。したがって、中間部分Fに対して相対的な物体Oの中央のX位置内においては、一対の両方の走査ヘッドがスケールM3を走査可能であり、外側の位置においては、スケールM3はそれぞれここでは一対の走査ヘッドの1つのみにより走査が実行可能であるにすぎない。これにより、スケールM3の制限された長さにおいて、X方向の測定領域は、ほぼ走査ヘッドの両方の対AKX3a及びAKX3b又はAKY3a及びAKY3bの間隔だけ、スケールM3の長さより大きい値まで拡大されている。
図示された全ての実施例は、1DプラスエンコーダM1、M2、M3、M4及びそれらのスケールが、構造的に、第1及び第2の方向であるX方向及びY方向に広がる平面であって、ツール中心点を含む平面へのそれらの投影が、XYテーブルの全走行内領域で部品の外側に存在するように配置されている点において共通である。このように配置することにより、良好なアッベ条件の持続が可能となる。その理由は、このようにすることにより、1Dプラスエンコーダの全てのスケール又は有効測定位置をZ方向においてもツール中心点と一致させることが可能であるからである。1つのエンコーダが横ビームに配置されているブリッジ形構造は、該構造を作業領域内したがって部品W上に投影し、エンコーダは常に、部品Wの上方したがってツール中心点TCPの上方に位置するので、この条件を満たすことはできない。
本発明の範囲内において、実施形態の種々の要素が異なる形に組み合わされてもよいことは当然である。
本発明による物体Oの位置決定のきわめて高い再現性のみならず、きわめて高い精度をも達成可能にするために、位置決定は校正されなければならないが、文献から種々の校正方法が既知である。
線形ガイドに対する典型的なガイド誤差は、約1〜10マイクロ・ラジアンである。Z方向における10mmのアッベ間隔は、このとき、10〜100nmの測定誤差を導く。100nmを許容測定誤差とみなした場合、アッベ間隔は最大10mmであってもよい。
B 基準部分
DZ、ΔZM アッベ間隔
EB−B′,n、EF−F′,n、EF−F′,n、EO−O′,n 減結合要素
F 中間部分
LO′−F′,n、LF′−B′,n、LO′−B′,n ガイド要素
LMn リニアモータ
M スケール
M1、M2、M3、M4 1Dプラスエンコーダ(1Dプラススケール)
O 物体
TCP ツール中心点(物***置)
TL ツール
TL 縦方向トラック(縦方向目盛)
TT 横方向トラック(横方向目盛)
Tα、Tβ V形状目盛
W 部品
Claims (15)
- 位置決定用測定装置を備えたXYテーブル装置であって、
固定基準部分(B)と、該基準部分(B)に対して相対的に第1の方向(Y)に移動可能に保持されている中間部分(F)と、
該中間部分(F)に対して相対的に第2の方向(X)に移動可能に保持されている物体(O)と、
第1の方向(Y)に対して、基準部分(B)と中間部分(F)との間の全ての平面内自由度(X、Y、Rz)を測定するための少なくとも1つの1Dプラスエンコーダ(M1、M2)と、
第2の方向(X)に対して、物体(O)と中間部分(F)との間の全ての平面内自由度(X、Y、Rz)を測定するための少なくとも1つの1Dプラスエンコーダ(M3、M4)と
を含み、処理されるべき部品(W)が物体(O)又は基準部分(B)の上に配置され、部品(W)又は物体(O)におけるツール中心点(TCP)の位置が測定可能である、位置測定用測定装置を備えたXYテーブル装置において、
1Dプラスエンコーダ(M1、M2、M3、M4)は、構造的に、第1及び第2の方向(Y、X)に広がる平面であって、ツール中心点(TCP)を含む平面内へのそれらの投影が、XYテーブルの全走行領域内で部品(W)の外側に存在するように配置されている
ことを特徴とする位置決定用測定装置を備えたXYテーブル装置。 - 請求項1記載のXYテーブル装置において、1Dプラスエンコーダ(M1、M2、M3、M4)は、第1及び第2の方向(Y、X)に直交する第3の方向(Z)に関するそれらの有効測定位置がほぼ同じ高さに存在するように配置されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項2記載のXYテーブル装置において、1Dプラスエンコーダ(M1、M2、M3、M4)は、第3の方向(Z)に関するそれらの有効測定位置及びツール中心点(TCP)がほぼ同じ高さに存在するように配置されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項2又は3記載のXYテーブル装置において、1Dプラスエンコーダ(M1、M2、M3、M4)は、第3の方向(Z)に関するそれらの有効測定位置がツール中心点(TCP)から10mmを超えて離れていないことを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項1〜4いずれかに記載のXYテーブル装置において、第1及び第2の方向(Y、X)の少なくともいずれかに対して、部品(W)の対面する2つの側にそれぞれ、2つの走査ヘッド(AKX1、AKY1、AKX2、AKY2、AKX3、AKY3、AKX4、AKY4)によって走査される1つの1Dプラスエンコーダ(M1、M2、M3、M4)が存在し、1Dプラスエンコーダ(M1、M2、M3、M4)はそれぞれ、基準部分(B)、中間部分(F)及び物体(O)のいずれかに固定されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項1〜5いずれかに記載のXYテーブル装置において、第1及び第2の方向(Y、X)の少なくともいずれかに対して、3つの走査ヘッド(AKX3、AKY3、AKY4)によって走査される1Dプラスエンコーダ(M3)が設けられ、該1Dプラスエンコーダ(M3)は、基準部分(B)、中間部分(F)及び物体(O)のいずれかに固定されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項1〜6いずれかに記載のXYテーブル装置において、基準部分及び中間部分及び物体の少なくともいずれかが、1Dプラスエンコーダ(M1、M2、M3、M4、AK)の構成要素を支持する測定フレーム要素(B、F、O)と、力を発生する要素を支持する力フレーム要素(B′、F′、O′)とから構成されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項7記載のXYテーブル装置において、力フレーム要素(B′、F′、O′)が、それぞれの測定フレーム要素(B、F、O)から減結合要素(EB−B′,n、EF−F′,n、EO−O′,n)によって分離されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項8記載のXYテーブル装置において、減結合要素(EB−B′,n、EF−F′,n、EO−O′,n)は、それぞれの力フレーム要素(B′、F′、O′)及び測定フレーム要素(B、F、O)間の動的結合を形成することを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項1〜9いずれかに記載のXYテーブル装置において、1Dプラススケール(M3)が物体(O)の中央位置において冗長に相互に間隔配置された2つの走査ヘッド対(AKX3a/AKY3a、AKX3b/AKY3b)によって走査され、かつ、外側位置において該走査ヘッド対のそれぞれ1つのみによって走査され、これにより、1Dプラススケール(M3)の長さより大きい範囲まで測定可能としたことを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項10記載のXYテーブル装置において、両方の走査ヘッド対(AKX3a/AKY3a、AKX3b/AKY3b)の間隔がツール(TL)の寸法より大きく設定され、これにより、物体(O)の各位置において、走査ヘッド(AKX3a/AKY3a、AKX3b/AKY3b)とツール(TL)との衝突が防止されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項1〜11いずれかに記載のXYテーブル装置において、1Dプラススケール(M)が、測定方向(X)に直交及び平行する方向にそれぞれ伸長する目盛構造(TL、TT)を有することを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項1〜12いずれかに記載のXYテーブル装置において、1Dプラススケール(M)が、第1の測定方向(X)に対して異なる角度(α、β)に傾けられている目盛構造(Tα、Tβ)を有することを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項12又は13記載のXYテーブル装置において、目盛構造が相互に交差格子の形に配置されていることを特徴とするXYテーブル装置。
- 請求項1〜14いずれかに記載のXYテーブル装置において、熱膨張を補正するために、向かい合う走査ヘッド(AKY1、AKY2)によって冗長に位置が測定されることを特徴とするXYテーブル装置。
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