JPH08304571A - ステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安価かつ省スペースで軸間干渉を高精度で位
置検出するステージの提供をする。 【構成】 ステージ全体が固定されるベース１、ｘ方向
にステージが動作するためのガイド２、ｙ軸に垂直な参
照面３ａ，３ｂ、３ｃとｚ軸に垂直な参照面３ｄをもつ
可動部３、ｙ軸を中心に１２０°おきでｙ軸から等距離
ａで、参照面３ａ〜３ｃのｙ軸＋方向に、ガイド２の裏
面側に位置する図示しないベースに対して動かぬよう
に、ベースから図示しない支持具に保持された各参照面
のｙ方向の位置を測る測長センサ４〜６、ｚ軸を中心に
１２０°おきでｚ軸から等距離ｂで、参照面３ｄのｚ軸
＋方向にベース１に対して動かぬように、図中に示して
いないベース１から支持具に保持された参照面３ｄのｚ
方向の位置を測る測長センサ７〜９からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度で位置決め、ア
ライメント・フォーカシング等を行うステージに関し、
特にステッパや３次元形状測定機等の０．０１〜０．１
μｍ程度の位置精度を要求される機器に組み込まれるス
テージに最適のものである。

【０００２】

【従来の技術】ステージを用いて高精度にワーク（積載
物）を動かすときに問題になるのは、ステージが所望の
方向のみならず、僅かながらも横ずれや回転ずれが発生
することである。この現象を軸間干渉という。例えば、
市販の１軸直動ステージでは横ずれが１００ｍｍあたり
１０μｍ程度になるものもある。

【０００３】３次元空間内でワークの位置をサブミクロ
ンオーダ、またはそれ以下の精度で把握するためには動
作方向の測長のみならず軸間干渉の量を求め、軸間干渉
のない理想のステージの位置から位置ずれを計算して補
正、ないし、他軸を動かして位置調整する必要がある。

【０００４】ステージやステージに乗るワークの位置を
把握するために、６つの座標軸ｘ，ｙ，ｚ，α，β，θ
を図２０に示すように定義してステージの移動を説明す
る。ステージをある軸方向に動かすとき、その他の５軸
方向に軸間干渉が発生しうる。例えば、ｘ軸方向に移動
するときに軸間干渉が発生しうるのは、ｙ，ｚ，α，
β，θ軸方向である。

【０００５】最小限の個数の測長センサを用いてそれぞ
れの軸方向へのステージ可動部の変位を測定するには、
直線軸方向については軸に平行な方向の変位が測れるよ
うに配置したセンサ１つ、回転軸方向については変位が
極めて小さい場合、回転軸に垂直な面内で回転軸な同一
方向を測れるように配置した２つのセンサが必要であ
る。

【０００６】しかし、軸間干渉が発生したときに１つの
軸間干渉の影響を求めるには、他の軸間干渉の影響と区
別する必要がある。直線軸方向の軸間干渉を測長センサ
を用いて求めるときには、その軸に垂直な２軸まわりの
軸間干渉の影響を除外する必要がある。具体的には、影
響を及ぼす２つの軸間干渉を求め、測長センサの値から
差し引くことになる。

【０００７】図２１は特開昭６３−４５８１９号公報に
開示された２軸ステージの例を示す。このステージは、
Ｘガイド２ａ、Ｙガイド２ｂ、可動部３、反射ミラー７
０からなるもので、それぞれの軸は直交しており、Ｘガ
イド２ａはＸ軸に平行、Ｙガイド２ｂはＹ軸に平行であ
る。反射ミラー７０はＸ軸及びＹ軸に垂直な面をもち、
Ｘ測長光７１をＸ軸に平行に、Ｙ測長光７２及び７３を
Ｙ軸に平行に反射ミラー７０に入射することによってス
テージの位置測長が行われる。Ｘ測長光７１、Ｙ測長光
７２及び７３はレーザ測長器からの出力光で、測長用干
渉部に戻される。

【０００８】ステージのある１軸を動作させたとき、現
実には対象とする軸だけでなく、他の軸にも軸間干渉が
生じる。通常、高精度のステージでは測長系を用いずに
１軸ずつ動作させたときの軸間干渉は各軸に対して１０
０ｍｍ当たりサブミクロン程度となっている。しかし、
最近では０．０１μｍオーダーの位置精度をもつ大スト
ロークのステージが要求されてきているため、軸間干渉
の補正が必要不可欠になってきている。

【０００９】図２１の例においてθ回転の補正をするた
めに、Ｙ軸に２つの測長光を用いている。ある位置ａで
の２つの測長光によるＹ方向位置の読みをそれぞれ
Ｙ_1a，Ｙ _2aとし、別の位置ｂで読みをそれぞれＹ_1b，Ｙ
_2bとする。ただし、Ｙ_1a，Ｙ_1bは２つのＹ測長光の内の
Ｘ軸マイナス側、Ｙ_2a，Ｙ_2bはｘ軸プラス側の測長光の
読みをそれぞれ表している。２つの測長光の距離のＹ方
向の成分をＬとして、位置ａから位置ｂに移動する際に
発生する回転誤差Δθは Δθ＝｛（Ｙ_2b−Ｙ_2a）−（Ｙ_1b−Ｙ_1a）｝／Ｌ〔ｒａｄ〕 となる。この方法により、任意の２点間でＸＹ軸の動作
によるθ回転量（ヨーイング）が算出できる。この量を
もとに可動部上の点でのＸＹ位置ずれ量が求められる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のステージにおい
て、ステージで精度よく位置検出を行うには、例えば１
軸ステージについて５つの軸間干渉検出部が必要であ
る。高精度ステージでは、測長のために高精度で測長範
囲の長いレーザ測長器を用いるのが一般的である。しか
しながら、レーザ測長器を用いると高価でコストがかか
ることと、測定器のヘッド・ミラー・干渉部などの光学
系の占める空間がかなり大きくなるため、作動範囲や対
象物を載せるスペースに比べて全体的に大型なステージ
になる。このためにレーザ測長器等の測長器を用いず
に、ステージの部品精度や加工精度にのみ頼って軸間干
渉を求めることをしなかったり、一部の軸間干渉のみを
測定してコストを下げるために精度を犠牲にすることも
多かった。

【００１１】よって本発明は前記問題点に鑑みてなされ
たものであり、安価かつ省スペースで軸間干渉を高精度
で位置検出をするステージの提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は直動ステージの軸間干渉部を動作方向に平
行かつ互いに直交し、動作方向に少なくとも動作範囲よ
り大きい長さをもつ２種類の参照平面群と、動作範囲内
ですべての軸間干渉が測定できるように配置されて参照
平面との間隔を測定する５個以上の測長センサにて構成
した。

【００１３】直動ステージは図１の平面図、図２の側面
図で示す概念図のように、座標系ｘｙｚαβθは図中に
示す通りで、構成はステージ全体が固定されるベース
１、ｘ方向にステージが動作するためのガイド２、ｙ軸
に垂直な参照面３ａ，３ｂ、３ｃとｚ軸に垂直な参照面
３ｄをもつ可動部３、ｙ軸を中心に１２０°おきでｙ軸
から等距離ａで、参照面３ａ〜３ｃのｙ軸＋方向にベー
ス１に対して動かぬように、図中に示していないベース
１から支持具に保持された，各参照面のｙ方向の位置を
測る測長センサ４〜６、ｚ軸を中心に１２０°おきでｚ
軸から等距離ｂで、参照面３ｄのｚ軸＋方向にベース１
に対して動かぬように、図中に示していないベース１か
ら支持具に保持されて参照面３ｄのｚ方向の位置を測る
測長センサ７〜９からなる。

【００１４】測長センサ４〜６の出力、即ち、参照面３
ａ〜３ｃのｙ方向の位置をそれぞれｓ₁〜ｓ₃で、測長セ
ンサ７〜９の出力、即ち、参照面３ｄのｚ方向の位置を
それぞれｓ₄〜ｓ₆で表す。ｓ₁〜ｓ₆は被検面がセンサに
近づくとき小さくなるように取ることとするが、各測長
センサの測定原点は任意の位置でよい。ここで、参照面
３ｄ，３ｂ，３ｃが１つの参照平面群に、参照面３ｄが
もう１つの参照平面群に対応する。このステージはＸ軸
方向に動作可能であり、軸間干渉の補正が可能な動作範
囲は測長センサによって対応する参照面３ａ〜３ｄのす
べてのｙ方向、またはｚ方向の位置の測定が可能な範囲
であり、各測長センサの下に参照面が常にあればよい。

【００１５】回転ステージにおいては、回転軸に垂直で
動作角度範囲以上の幅をもつ１つ以上の参照平面と、回
転軸に平行で回転軸中心から等距離にあるシリンドリカ
ル（円筒側面またはその１部をなすことを指す）で動作
角度範囲以上の幅をもつ１つ以上の参照面の２種類の参
照面と、動作範囲内ですべての軸間干渉が測定できるよ
うに配置され，参照平面及びシリンドリカル参照面との
間隔を測定する５個以上の測長センサから構成される。

【００１６】回転ステージは図３の平面図で示す概念図
のような１軸回転ステージであり、図中に示すｘｙ座標
系でｚ軸を紙面に垂直になるように指定する。この回転
ステージの構成要素は、回転支持部１１、回転中心が点
ｏである回転可動部１２、参照面１３ａ，１３ｂを含む
参照ブロック１３、参照面１４ａ，１４ｂを含む参照ブ
ロック１４、参照面５ａ，５ｂを含む参照ブロック１
５、参照面６ａ，６ｂを含む参照ブロック１６、回転可
動部１２に図示されない支持具で取り付けられた測長セ
ンサ１７〜２４からなる。

【００１７】参照面１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａは
ｚ軸＋側が平面度よく仕上げられ、ｚ軸に垂直に固定さ
れている。参照面１３ｂ，１４ｂ，１５ｂ，１６ｂはそ
れぞれ回転中心ｏを通りｚ軸に平行な直線を中心軸とす
るシリンドリカル面を成すように仕上げ、取り付け調整
されている。測長センサ１７〜２０はそれぞれ参照面１
３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａのｚ軸＋側に配置される
ように回転可動部１２から支持され、各参照面との間隔
を測定し、測定点ｏからの距離はｒ_zである。測長セン
サ２１〜２４はそれぞれ参照面１３ｂ，１４ｂ，１５
ｂ，１６ｂとの間隔を測定する。

【００１８】図３のようにセンサ２１，２３がｙ軸方
向、センサ２２，２４がｘ軸方向を向いているときの回
転可動部の位置をθ＝０とする。このステージにおいて
発生する軸間干渉は、数μｍ以下、または、数秒以下と
比較的小さいものとする。

【００１９】

【作用】つぎに、この構成のステージにおいて、５つの
軸間干渉を測定するために必要な測長センサの最小個数
が５個であることを説明する。直動軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸）の軸間干渉を測定するのに必要な測長センサの最小
個数は１個である。回転軸（α軸、β軸、θ軸）の軸間
干渉を測定するのに必要な測長センサの最小個数は２個
である。これらは直動軸の軸間干渉測定の場合、測長セ
ンサの機能から明らかである。

【００２０】回転軸の軸間干渉測定の場合、例えば、ｘ
軸まわりの軸であるα軸の場合には、ｘ軸に垂直に交わ
る直線上の異なる２点を測定してその差を２点間の距離
で割ることで回転による変位が求められ、また１点の測
定ではどのようにしても回転による変位が求められない
ことで確認できる。

【００２１】これらの測長センサを組み合わせて５軸の
軸間干渉を測定するとき、センサの共通化、即ち、ある
センサを複数の軸の軸間干渉測定に用いることで個数の
削減ができる。１軸直動ステージの場合、２つの直動軸
と３つの回転軸の軸間干渉を測定するのに、１個×２＋
２個×３＝８個、と８個のセンサがあればよいことにな
る。例えばこれがｘ軸ステージだとすると、α軸、θ軸
用のセンサを合計４個をｙ軸に平行に配置し、各軸それ
ぞれ１個をｙ軸間干渉測定用センサと共通化することで
２個センサの数を減らし、β軸用のセンサ２個をｚ軸に
平行に配置し、１つをｚ軸間干渉測定用センサと共通化
することで１個のセンサの数を減らし、合計５個の測長
センサの構成とすることができ、これが最小個数の構成
となる。

【００２２】１軸回転ステージの場合、３つの直動軸と
２つの回転軸の軸間干渉を測定するのに、１個×３＋２
個×２＝７個、と７個のセンサがあればよいことにな
る。例えば、これがα軸ステージだとすると、β軸、θ
軸用のセンサの合計４個をＹ軸に平行に配置し、各軸そ
れぞれ１個をＹ軸軸間干渉測定用センサと共通化するこ
とで２個のセンサの数を減らし、合計５個の測長センサ
の構成とすることができ、これが最小個数の構成とな
る。以上の説明により、５軸の軸間干渉測定に必要な測
長センサの最小個数が５個であることが示された。

【００２３】直動ステージにおいて２種類の互いに直交
する参照面群を用いる。これらを参照面群１及び参照面
群２と呼ぶことにする。従来の技術の項で述べたよう
に、参照面群１と３個以上のセンサで、参照面群１に垂
直な方向への軸間干渉と、その方向に垂直な２軸（但
し、その内の１軸はステージの動作方向とする）まわり
の軸間干渉を求める。同様にして参照平面群２と２個の
センサで、この参照面群２に垂直方向への軸間干渉と、
参照面群２及びステージの動作方向の両方に垂直な軸ま
わりの軸間干渉を求める。以上によって求められた５つ
の軸間干渉をもとにステージ可動部の基準位置から相対
的な位置が全て求められる。さらに、動作方向の位置を
もとに３次元空間内での絶対位置が求められる。

【００２４】１つの参照面群と測長センサの例を図４及
び５を用いて示す。この図は図１及び２に示されるステ
ージにおいて、軸間干渉測定に関してｙ方向の変位を測
るためのセンサと参照面のみをもつようにしたものであ
る。この場合のｘ軸方向動作時の軸間干渉を考えると、
ｙ軸への軸間干渉、α軸及びθ軸への軸間干渉（それぞ
れｘ軸、及びｚ軸まわりの軸間干渉を表す）は３つのセ
ンサの出力ｓ₁〜ｓ₃を用いて表すことができる。即ち、 Ｙ＝−（Ｓ₁＋Ｓ₂＋Ｓ₃）／３ α＝（Ｓ₃−Ｓ₂）／３^1/2ａ 注）３^1/2は
３の平方根 θ＝｛（Ｓ₂＋Ｓ₃）／２−Ｓ₁｝／１．５ａ

【００２５】のようにｙ軸、α軸、θ軸方向の位置をそ
れぞれ定義し、この変化量を軸間干渉とすることで、こ
の場合３つのセンサで３つに軸間干渉が測定できる。こ
こで、Ｙは３つセンサ４〜６の測定点の中心位置のｙ座
標を、αはセンサ５及び６の測定点の高さのずれをその
間隔３^1/2ａでわったα座標を、θはセンサ５及び６の
測定点の中間位置とセンサ４の測定点の高さの差をその
間隔１．５ａで割ったθ座標を表している。３つのセン
サを用いたのは、２個以下のセンサ変位情報のみではｙ
軸への軸間干渉の値からα軸、θ軸への軸間干渉成分を
除去することができないからである。また、４つ以上の
センサを用いる場合はセンサ出力の誤差などの影響を少
なくすることによる精度向上を測ることができる。

【００２６】このような参照面群と対応するセンサ２組
みを動作方向に平行で、かつ直交するように配置するこ
とで動作方向にステージを動かした際の他の５軸への軸
間干渉をすべて検出することができる。例えば、図４及
び５の例ではｘ軸に平行でｙ軸に垂直に参照面を配置し
たが、もう１つの参照面群をｘ軸に平行でｚ軸に垂直に
配置し、３つ以上のセンサで測定することで、ｚ軸、α
軸、β軸への軸間干渉が計測可能である。但し、図３及
び４に示す参照面群を用いてα軸への軸間干渉が求めら
れるので回転に関しては１つの軸間干渉を求めるだけで
もよい。即ち、少なくともｚ方向への軸間干渉とβ軸へ
の軸間干渉（ｙ軸まわりの軸間干渉）を求めればよい。
なおこの例では２組の参照面群をｙ軸ｚ軸に垂直になる
ように配置したが、動作方向に平行で互いに直交してい
れば必ずしもステージの座標系にこだわる必要はない。

【００２７】２つの参照面群をもつ構成が図１及び２に
示される。図４及び５を用いて説明した参照面群３ａ，
３ｂ，３ｃを参照面群１、参照面３ｄを参照面群２とし
て、参照面群２を用いた軸間干渉の測定方法を示す。ｘ
軸方向動作時のｚ軸への軸間干渉、β軸への軸間干渉
（ｙ軸まわりの軸間干渉）は３つのセンサの出力ｓ₄〜
ｓ₆を用いて表すことができる。即ち、 Ｚ＝−（Ｓ₄＋Ｓ₅＋Ｓ₆）／３ β＝｛（Ｓ₅＋Ｓ₆）／２−Ｓ₄ ｝／１．５ｂ のようにＺ軸及びβ軸方向の位置をそれぞれ定義し、こ
れらの変化量を測定することで軸間干渉が測定できる。
以上により２組の参照面群を用いることで軸間干渉がす
べて測定出来ることが判る。

【００２８】回転ステージにおいて２種類の互いに直交
する参照面群を用いる場合、これらのうち回転軸を中心
軸とするシリンドリカル面状に配置されるものを参照面
群１、他方を参照面群２と呼ぶことにする。従来の技術
の項で説明したように、参照平面群１と２個以上のセン
サで、参照面群１の中心軸、即ち、回転軸に垂直な２方
向への軸間干渉を、参照平面群２と１個以上のセンサで
この回転軸に垂直な方向への軸間干渉を求める。さらに
必要に応じてセンサを加え、回転軸に垂直な２方向まわ
りの軸間干渉を求める。以上によって求められた５つの
軸間干渉を基にステージ可動部の基準位置からの相対的
な位置が全て求められる。さらに動作方向の位置を基に
３次元空間内での絶対位置が求められる。

【００２９】次に、図３を用いて回転ステージの作用を
説明する。センサ１７〜２０の読みをそれぞれｚ₁，
ｚ₂，ｚ₃，ｚ₄センサ２１〜２４の読みをそれぞれｒ₁，
ｒ₂，ｒ ₃，ｒ₄とする。このとき単純な場合として、回
転可動部１２の回転位置θ＝０のときの軸間干渉に関す
る座標軸の値はそれぞれ次のようになる。 ｘ＝（ｒ₂−ｒ₄）／２ ｙ＝（ｒ₃−ｒ₁）／２ ｚ＝（ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃＋ｚ₄）／４ α＝（ｚ₁−ｚ₃）／２ｒ_z β＝（ｚ₂＋ｚ₄）／２ｒ_z

【００３０】ここで、ｘはセンサ２２及び２４の測定点
の中心位置のｘ座標を、ｙはセンサ２１及び２３の中心
位置のｙ座標を、ｚは４つのセンサ１７〜２０の測定点
の中心位置のｚ座標を、αはセンサ１７及び１９の測定
点の高さの差をその間隔２ｒ _zで割ったｘ軸まわりの回
転量であるα座標を、βはセンサ１８及び２０の測定点
の高さの差をその間隔２ｒ_zで割ったｙ軸まわりの回転
量であるβ座標を表している。θ≠０のとき、即ち、回
転可動部２をθ軸方向に角度θだけ動かしたとき，回転
分を考慮して、 ｘ＝｛（ｒ₂−ｒ₄）ｃｏｓθ−（ｒ₃−ｒ₁）ｓｉｎθ｝
／２ ｙ＝｛（ｒ₂−ｒ₄）ｓｉｎθ＋（ｒ₃−ｒ₁）ｃｏｓθ｝
／２ ｚ＝（ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃＋ｚ₄）／４ α＝｛（ｚ₁−ｚ₃）／２ｒ_z｝ｃｏｓθ−｛（ｚ₂−
ｚ₄）／２ｒ_z｝ｓｉｎθ β＝｛（ｚ₁−ｚ₃）／２ｒ_z｝ｓｉｎθ＋｛（ｚ₂−
ｚ₄）／２ｒ_z｝ｃｏｓθ のようにｘ，ｙ，ｚ，α，βの位置を座標系ｘｙｚαβ
と方向が合致するようにそれぞれ定義する。

【００３１】ある基準の位置でこれらの値からの変化量
をもって軸間干渉と呼ぶ。ｘ，ｙ，ｚ，α，β軸方向の
軸間干渉をそれぞれｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβとす
る。この例では８か所の点で静電容量センサの値を測定
することで、１軸回転ステージが任意の位置にあるとき
の軸間干渉を求めることができる。いずれのタイプのス
テージの場合でも、軸間干渉は通常動作範囲に比べて極
めて小さいので測長センサとして測長範囲の小さいギャ
ップセンサを用いることが可能である。

【００３２】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。但し、以下の実施例で、測長センサ、またはギャッ
プセンサの読みは参照面との間隔が広がるときにプラス
の方向、軸間干渉補正面の測長器による読みは測長器に
近づく側をプラス方向とする。

【００３３】

【実施例１】図６及び図７は本発明の実施例１を示し、
図６は１軸直動ステージの平面図。図７は図６の側面図
である。なお、それぞれの図の座標系はその近傍にｘｙ
ｚにて指定されている。紙面に対して垂直方向は図６に
おいてはｚ軸、図７においてはｘ軸である。

【００３４】本実施例におけるステージは、ベース３
１、ガイド３２、可動部３３、参照面３４ａ，３４ｂを
有する参照ブロック３４、参照面３５ａ，３５ｂを有す
るブロック３５、静電容量センサ３６〜４３にて構成し
ている。可動部３３はガイド３２と可動部３３との間の
図示しない軸受を介してｘ軸方向に動作可能である。

【００３５】参照面３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂは
平面度よく仕上げられており、参照面３４ａ，３５ａは
ｚ軸に垂直、参照面３４ｂ，３５ｂはｙ軸に垂直であ
り、図示されている動作方向であるｘ軸に対して平行度
良く取り付けられている。静電容量センサ３６〜３９可
動部３３のｚ軸＋方向の位置に取り付けられ、参照面３
４ａ，参照面３５ａとの間隔を測定する。

【００３６】センサ３６，３７とセンサ３８，３９のｙ
方向の間隔はＬ，センサ３６と３７との間、及びセンサ
３８と３９との間のｘ方向の間隔はｌである。静電容量
センサ４０，４１は参照面３４ｂとの間隔を測定し、セ
ンサ４０、４１のｘ方向の間隔はｄである。静電容量セ
ンサ４２，４３は参照面５ｂとの間隔を測定し、センサ
４２，４３のｘ方向の間隔もｄである。このステージに
おいて、ガイド３２の上を可動部３３がｘ方向に動くと
きの軸間干渉は数μｍ以下と比較的小さいものとする。

【００３７】この構成のステージにおいて、センサ３６
〜３９の読みをそれぞれｚ₁，ｚ₂，ｚ₃，ｚ₄、センサ４
０〜４３の読みをそれぞれｙ₁，ｙ₂，ｙ₃，ｙ₄とすると
き、可動部３３をｘ軸方向に動かした際の軸間干渉に関
する座標軸の値はそれぞれ次のようになる。 ｙ＝（ｙ₃＋ｙ₄−ｙ₁−ｙ₂）／４ ｚ＝（ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃＋ｚ₄）／４ α＝（ｚ₁＋ｚ₂−ｚ₃−ｚ₄）／２Ｌ β＝（ｚ₂＋ｚ₄−ｚ₁−ｚ₃）／２ｌ θ＝（ｙ₂＋ｙ₃−ｙ₁−ｙ₄）／２ｄ

【００３８】ここでｙは４つのセンサ４０〜４３の測定
点の中心位置のｙ座標を、ｚは４つのセンサ３６〜３９
の測定点の中心位置のｚ座標を、αはセンサ３６，３７
の測定点の中心とセンサ３８，３９の測定点の中心高さ
のずれをその間隔Ｌで割ったα座標を、βはセンサ３
６，３８の測定点の中心とセンサ３７，３９の測定点の
中心高さのずれをその間隔ｌで割ったβ座標を、θはセ
ンサ４１，４２の測定点の中心位置とセンサ４０，４３
の測定点の中間点の位置の差をその間隔ｄで割ったθ座
標を表している。

【００３９】ある基準の位置でのこれらの値からの変化
量をもって軸間干渉と呼ぶ。ｙ，ｚ，α，β，θ軸方向
の軸間干渉をそれぞれｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβ，ｄθと
する。ただし、ｚ₁〜ｚ₄及びｒ₁〜ｒ₄の読みは被検面が
センサに近づくとき小さくなるものとする。このように
５箇所以上の点に配置した静電容量センサの値を測定す
ることで、１軸ステージが任意の位置にあるときの軸間
干渉を求めることができる。

【００４０】本実施例によれば、１軸直動ステージの軸
間干渉を全て求めることで可動部上の任意の点の３次元
空間内での位置が求められる。即ち、軸間干渉の補正を
しなければ場所によっては最高数μｍ程度生じる位置検
出誤差がセンサで参照面との距離を測定する際の誤差数
十ｎｍ程度内に抑えることができる。また軸間干渉の測
定に必要な測定範囲は高々数μｍ程度なので、測長セン
サにも測定範囲が小さくて比較的安価でコンパクトなギ
ャップセンサを用いることで安価で省スペースのステー
ジが得られる。さらにセンサを必要最小限の個数より多
く使用することで、センサの精度や参照面の加工精度が
やや悪い場合でも、それらが平均化され、結果として統
計的に良い精度で軸間干渉が求められる。

【００４１】

【実施例２】図８及び図９は本発明の実施例２を示し、
図８は１軸直動ステージの平面図、図９は図８の側面図
である。なお、それぞれの図の座標系はその近傍にｘｙ
ｚにて指定されている。紙面に対して垂直方向は図８に
おいてはｚ軸、図９においてはｘ軸である。

【００４２】本実施例では５個のセンサを用いて、その
内の４個を２個ずつ２種類の参照平面群に割当て、２つ
の測定点を結んだ線の、参照平面群の平行な面への射影
が動作方向に平行になるように間隔をおいて配置し、さ
らに１個をどちらか１種類の参照平面群に対して、先に
配置した２つのセンサの測定点を含む３つの測定点の参
照平面群に平行な平面への射影が１直線上にないように
配置したものである。

【００４３】ステージの構成としては、ベース３１、ガ
イド３２、可動部３３、上面の平面度が数十ｎｍ程度の
参照面３４、ｚ軸＋側面及びｙ軸＋側側面の平面度が数
十ｎｍ程度の参照面３５、静電容量センサ３６〜４０に
て構成している。可動部３３はガイド３２と可動部３３
との間の図示しない空気軸受を介してｘ軸方向に動作可
能である。

【００４４】参照面３４，３５は図示されている動作方
向であるｘ軸に対して平行度良く取り付けられている。
静電容量センサ３６〜３８は可動部３３のｚ軸＋方向の
位置に取り付けられ、参照面３４，参照面３５のｚ軸＋
側との間隔を測定する。

【００４５】センサ３６とセンサ３７，３８のｙ方向の
間隔はＬ，センサ３７と３８のｘ方向の間隔はｌであ
る。またセンサ３６のｘ位置はセンサ３７，３８のｘ位
置の中間に位置する。静電容量センサ３９，４０は参照
面３５のｙ軸＋側との間隔を測定し、センサ３９、４０
のｘ方向の間隔はｄである。このステージにおいて、ガ
イド３２の上を可動部３３がｘ方向に動くときの軸間干
渉は，長さに関するもので高々数μｍ、角度に関するも
ので高々数秒とする。

【００４６】この構成のステージは、センサ３６〜３８
の読みをそれぞれｚ₁，ｚ₂，ｚ₃、センサ３９，４０の
読みをそれぞれｙ₁，ｙ₂とするとき、可動部３３をｘ軸
方向に動かした際の軸間干渉に関する座標軸の値は、そ
れぞれ次のようになる。 ｙ＝（ｙ₁＋ｙ₂）／２ ｚ＝（２ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃）／４ α＝｛ｚ₁−（ｚ₂＋ｚ₃）／２｝／Ｌ β＝（ｚ₂−ｚ₃）／１ θ＝（ｙ₂−ｙ₁）／ｄ

【００４７】ここで、ｙは２つのセンサ３９，４０の測
定点の中心位置のｙ座標を、ｚはセンサ３７〜３８の測
定点の中間点とセンサ３６の測定点との中間位置の座標
を、αはセンサ３７，３８の測定点の中心とセンサ３６
の測定点の高さのずれをその間隔Ｌで割ったα座標を、
βはセンサ３７，３８の測定点の高さのずれをその間隔
ｌで割ったβ座標を、θは、センサ３９，４０の測定点
の位置の差をその間隔ｄで割ったθ座標を表している。

【００４８】ある基準の位置でのこれらの値からの変化
量をもって軸間干渉と呼ぶ。ｙ，ｚ，α，β，θ軸方向
の軸間干渉をそれぞれｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβ，ｄθと
する。このように５箇所で静電容量センサの値を測定す
ることで、１軸ステージが任意の位置にあるときの軸間
干渉を求めることができる。

【００４９】本実施例によれば、１軸直動ステージの軸
間干渉を全て求めることで、前記実施例１と同様に可動
部上の任意の点の３次元空間での位置が求められる。さ
らにセンサを必要最小限の個数だけ使用することで、前
記実施例１に比べて、より安価かつ省スペースなステー
ジを提供することができる。

【００５０】

【実施例３】図１０及び図１１は本発明の実施例３を示
し、図１０は１軸直動ステージの平面図、図１１は図１
０の側面図である。なお、それぞれの図の座標系はその
近傍にｘｙｚにて指定されている。紙面に対して垂直方
向は図１０においてはｚ軸、図１１においてはｘ軸であ
る。

【００５１】本実施例におけるステージは、ベース３
１、ガイド３２、可動部３３、センサ支持部４４及び４
５、静電容量センサ３６〜４０にて構成している。可動
部３３はガイド３２と可動部３３との間の図示しない軸
受を介してｘ軸方向に動作可能であり、静電容量センサ
３６〜４０はが測長する部分が常に可動部表面上にある
ような範囲で動くようになっている。

【００５２】可動部３３上でセンサ３６〜４０が測長の
ために参照する部分は平面度よく仕上げられており、か
つｚ軸に垂直になるように加工または調整がされてい
る。静電容量センサ３６〜３８は可動部３３の上面ｚ軸
＋側３か所を、静電容量センサ３９，４０は側面ｙ軸−
側２か所との間隔を測定し、センサ３６とセンサ３７，
３８のｙ方向の間隔はＬ、センサ３７と３８のｘ方向の
間隔はｌである。またセンサ３６のｘ位置はセンサ３
７，３８のｘ位置の中間に位置する。センサ３９とセン
サ４０のｘ方向の間隔はｄである。このステージにおい
て、ガイド３２の上を可動部３３がｘ方向に動くときの
軸間干渉は、長さに関するもので、高々数μｍ、角度に
関するもので高々数秒とする。

【００５３】この構成のステージは、センサ３６〜３８
の読みをそれぞれｚ₁，ｚ₂，ｚ₃、センサ３９，４０の
読みをそれぞれｙ₁，ｙ₂とするとき、可動部３３をｘ軸
方向に動かした際の軸間干渉に関する座標軸の値は、そ
れぞれ次のようになる。 ｙ＝（ｙ₁＋ｙ₂）／２ ｚ＝−（２ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃）／４ α＝｛（ｚ₂＋ｚ₃）／２−ｚ₁｝／Ｌ β＝（ｚ₃−ｚ₂）／１ θ＝（ｙ₂−ｙ₁）／ｄ

【００５４】ここで、ｙは２つのセンサ３９，４０の測
定点の中心位置のｙ座標を、ｚはセンサ３７〜３８の測
定点の中間点とセンサ３６の測定点との中間位置のｚ座
標を、αはセンサ３７，３８の測定点の中心とセンサ３
６の測定点の高さのずれをその間隔Ｌで割ったα座標
を、βはセンサ３７，３８の測定点の高さのずれをその
間隔ｌで割ったβ座標を、θは、センサ３９，４０の測
定点の位置の差をその間隔ｄで割ったθ座標を表してい
る。

【００５５】ある基準の位置でのこれらの値からの変化
量をもって軸間干渉と呼ぶ。ｙ，ｚ，α，β，θ軸方向
の軸間干渉をそれぞれｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβ，ｄθと
する。このように５箇所で静電容量センサの値を測定す
ることで、１軸ステージが任意の位置にあるときの軸間
干渉を求めることができる。

【００５６】本実施例によれば、動作範囲が可動部のｘ
軸方向の長さ程度ないしそれ以下と比較的短いときに、
参照面を可動部側に設けることで１軸直動ステージの軸
間干渉を全て求め、可動部上の任意の点の３次元空間内
での位置が求められる。可動部に参照面を組み込むこと
と、センサを可動部外に固定できることでステージをよ
りコンパクトに構成できる。

【００５７】

【実施例４】図１２及び図１３は本発明の実施例４を示
し、図１２は１軸直動ステージの平面図。図１３は図１
２の側面図である。なお、それぞれの図の座標系はその
近傍にｘｙｚにて指定されている。紙面に対して垂直方
向は図１２においてはｚ軸、図１３においてはｘ軸であ
る。

【００５８】本実施例におけるステージは、ベース３
１、ガイド３２、可動部３３、上面の平面度が数十ｎｍ
程度の参照面３４、ｚ軸＋側面及びｙ軸＋側側面の平面
度が数十ｎｍ程度の参照面３５、静電容量センサ３６〜
４０、軸間干渉補正面４１〜４５にて構成している。可
動部３３はガイド３２と可動部３３との間の図示しない
空気軸受を介してｘ軸方向に動作可能であり、静電容量
センサ３６〜３８は可動部３３に対してｚ軸＋側に配置
され、参照面３４，３５のｚ軸＋側との間隔を測定し、
センサ３６とセンサ３７，３８のｙ方向の間隔はＬ、セ
ンサ３７と３８のｘ方向の間隔はｌである。またセンサ
３６のｘ位置はセンサ３７，３８のｘ位置の中間に位置
する。静電容量センサ３９と４０は参照面３５のｙ軸＋
側との間隔を測定し、センサ３９とセンサ４０のｘ方向
の間隔はｄである。

【００５９】軸間干渉補正面４１〜４５は参照面の形状
精度不良や配置による位置ずれや傾きがあることを前提
としてそれらを実際の動作の前に測定するための補助部
品である。軸間干渉補正面４１〜４５が他の構成要素と
異なる点は、構成要素外の測定器を用いてその位置が計
測できるように被検部の平面度と測定したい方向に対す
る垂直度を出してあることである。この条件を満たせ
ば、特別に軸間干渉補正面４１〜４５を設けずに他の構
成要素の一部を利用してもよい。

【００６０】軸間干渉補正面４１，４２はシリンドリカ
ル面で、ｙ軸＋側面が平面度よく加工され、かつｙ軸に
平行度良く可動部３３のｙ軸＋側面に固定されている。
軸間干渉補正面４３〜４５もシリンドリカル面で、ｚ軸
＋側面が平面度よく加工され、かつｚ軸に平行度良く可
動部３３のｚ軸＋側面に固定されている。軸間干渉補正
面４１，４２はｙ軸＋側からｙ軸方向の位置が本実施例
のステージに含まれない測定器で精度良く測れるように
ｘ軸方向に間隔ｄ′をおいて配置する。但し、測定器を
本発明のステージに組み込んでも何らの問題はない。軸
間干渉補正面４３〜４５はｚ軸＋側からｚ軸方向の位置
が外部の測定器で測れるように補正面４３，４４と４５
をｙ方向に間隔Ｌ′、補正面４３と４４をｘ方向に間隔
ｌ′おいて配置する。このステージにおいて、ガイド３
２の上を可動部３３がｘ方向に動くときの軸間干渉は、
長さに関するもので、高々数μｍ、角度に関するもので
高々数秒とする。

【００６１】この構成のステージは、センサ３６〜３８
の読みをそれぞれｚ₁，ｚ₂，ｚ₃、センサ３９，４０の
読みをそれぞれｙ₁，ｙ₂とするとき、ステージを実際に
可動する前に参照面３４，３５の形状を測定する。これ
は、前記実施例１から３では参照面の平面度と測定した
い方向への参照面の垂直度が出ていることを前提として
いたが、本実施例ではそれらの条件を必ずしも満足して
おらず、形状を把握せずに参照面を軸間干渉に利用でき
ないためである。可動部３３をｘ軸方向に動かした際の
つぎの量を測定する。 ｙｓ＝（ｙ₁＋ｙ₂）／２ ｚｓ＝（２ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃）／４ αｓ＝｛ｚ₁−（ｚ₂＋ｚ₃）／２｝／Ｌ βｓ＝（ｚ₂−ｚ₃）／１ θｓ＝（ｙ₂−ｙ₁）／ｄ

【００６２】ここで、ｙｓは２つのセンサ３９，４０の
測定点の中心位置のｙ座標を、ｚｓはセンサ３７〜３８
の測定点の中間点とセンサ３６の測定点との中間位置の
ｚ座標を、αｓはセンサ３７，３８の測定点の中心とセ
ンサ３６の測定点の高さのずれをその間隔Ｌで割ったα
座標を、βｓはセンサ３７，３８の測定点の高さのずれ
をその間隔ｌで割ったβ座標を、θｓは、センサ３９，
４０の測定点の位置の差をその間隔ｄで割ったθ座標を
表している。

【００６３】同様にして軸間干渉補正面４１，４２のｙ
方向の位置と軸間干渉補正面４３〜４５のｚ方向の位置
を、それぞれ決まった点ないし部分を用いて測定する。
測定には３次元形状測定器や光干渉計などの高精度の測
定器を用いる。このときの軸間干渉補正面４１〜４５の
位置をそれぞれｙ₁′_, ｙ₂′_, ｚ₁′_, ｚ₂′_, ｚ₃′と
する。このときの以下の量をもとめる。 ｙ′＝（ｙ₁′＋ｙ₂′）／２ ｚ′＝（２ｚ₁′＋ｚ₂′＋ｚ₃′）／４ α′＝｛（ｚ₁′＋ｚ₂′）／２−ｚ₃′｝／Ｌ′ β′＝（ｚ₁′−ｚ₂′）／ｌ′ θ＝（ｙ₂′−ｙ₁′）／ｄ′

【００６４】ｙ〜θとｙ′〜θ′を同時に測定しながら
可動部３３をｘ軸方向に全動作範囲分動かすことで参照
面の軸間干渉に関する特性が求められる。それらを座標
ｘの関数として以下のように表す。 ｙｒ（ｘ）＝Δｙｓ（ｘ）−Δｙ′（ｘ） ｚｒ（ｘ）＝Δｚｓ（ｘ）−Δｚ′（ｘ） αｒ（ｘ）＝Δαｓ（ｘ）−Δα′（ｘ） βｒ（ｘ）＝Δβｓ（ｘ）−Δβ′（ｘ） θｒ（ｘ）＝Δθｓ（ｘ）−Δθ′（ｘ） ただし、Δがつくのはｘ軸上のある点を基準点とし、そ
の位置での値を基にしたときの値の変化量、即ち、変位
を表す。ここで得られた関数の値はステージ可動部が全
く軸間干渉を発生させずに動いたときに、参照面の形状
に起因して生じる見掛け上の各軸への軸間干渉である。

【００６５】ｙ，ｚ，α，β，θ軸方向の軸間干渉をそ
れぞれｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβ，ｄθとし、ｙｊ，ｚ
ｊ，αｊ，βｊ，θｊを以下のように定義する。 ｙｊ＝ｙｓ（ｘ）−ｙｒ（ｘ） ｚｊ＝ｚｓ（ｘ）−ｚｒ（ｘ） αｊ＝αｓ（ｘ）−αｒ（ｘ） βｊ＝βｓ（ｘ）−βｒ（ｘ） θｊ＝θｓ（ｘ）−θｒ（ｘ）

【００６６】すると、ｙｓ（ｘ）〜θｓ（ｘ）は或る基
準の位置での値に実際の軸間干渉と見掛け上の軸間干渉
ｙｒ（ｘ）〜θｒ（ｘ）を加えてものとなる。従って、
基準の位置でのｙｊ〜θｊの値からの変位をもってそれ
ぞれ軸間干渉ｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβ，ｄθを表すこと
ができる。このように予め参照面の特性を測定した上で
５か所で静電容量センサの値を測定することで１軸直動
ステージが任意の位置にあるときの軸間干渉を求めるこ
とができる。

【００６７】本実施例によれば、可動部に軸間干渉補正
用の測定面を設けて予め参照面形状軸間干渉に関わる特
性を求めた上で参照面と可動部の相対姿勢を求めること
で１軸直動ステージの軸間干渉を全て求めることがで
き、可動部のｘ方向の位置が判れば可動部上の任意の点
の３次元空間での位置が求められる。また参照面の特性
を予め測定しておくことで、参照面の取り付け精度や平
面度などの加工精度をそれほど高精度にすることなく良
い精度でステージの動きが求められる。

【００６８】

【実施例５】図１４は本発明に実施例５を示す１軸回転
ステージの平面図である。ｘｙｚ座標系は図の側近に示
す通りで、ｚ軸は紙面に対して垂直方向に指定する。こ
の１軸回転ステージは、回転支持部１１、回転中心が点
ｏの回転可動部２、参照面１３ａ，１３ｂを含む参照ブ
ロック１３、参照面１４ａ、１４ｂを含む参照ブロック
１４、参照面１５ａ、１５ｂを含む参照ブロック１５、
回転可動部１２に図示しない支持具で取り付けられた測
長センサ１７〜１９及び２１〜２３にて構成している。

【００６９】参照面１３ａ，１４ａ，１５ａはｚ軸＋側
が平面度よく仕上げられており、ｚ軸に対して垂直に固
定されている。参照面１３ｂ，１４ｂ，１５ｂはそれぞ
れ回転中心ｏを通りｚ軸に平行な直線を中心軸とするシ
リンドリカル面をなすように仕上げ、取り付け調整され
ている。

【００７０】測長センサ１７〜１９はそれぞれ参照面１
３ａ，１４ａ，１５ａのｚ軸＋側に配置されるように回
転可動部１２から支持され、各参照面との間隔を測定
し、測定点のｏからの距離はｒ_zである。測長センサ２
１〜２３は、それぞれ参照面１３ｂ，１４ｂ，１５ｂと
の間隔を測定する。そして図１４に示すようにセンサ２
１，２３がｙ軸方向、センサ２２がｘ軸方向を向いてい
るときの回転可動部の位置を、θ＝０とする。このステ
ージにおいて発生する軸間干渉は数μｍ以下、または数
秒以下と比較的小さいものとする。

【００７１】この構成の１軸回転ステージは、センサ１
７〜１９の読みをそれぞれｚ₁，ｚ₂，ｚ₃、センサ２１
〜２３の読みをそれぞれｒ₁，ｒ₂，ｒ₃とする。このと
き回転可動部１２のθ軸方向に角度θだけ動かした際の
軸間干渉に関する座標軸の値は、それぞれ次のようにな
る。 ｘ＝｛２ｒ₂・ｃｏｓθ−（ｒ₃−ｒ₁）ｓｉｎθ｝／２ ｙ＝｛２ｒ₂・ｓｉｎθ＋（ｒ₃−ｒ₁）ｃｏｓθ｝／２ ｚ＝（ｚ₁＋ｚ₃）／２ α＝｛（ｚ₁−ｚ₃）／２ｒ_z｝ｃｏｓθ−｛（２ｚ₂−ｚ
₁−ｚ₃）／２ｒ_z｝ｓｉｎθ β＝｛（ｚ₁−ｚ₃）／２ｒ_z｝ｓｉｎθ＋｛（２ｚ₂−ｚ
₁−ｚ₃）／２ｒ_z｝ｃｏｓθ

【００７２】ここで、ｘ，ｙ，ｚはそれぞれ回転中心位
置ｏのｘ座標、ｙ座標、ｚ座標を、α及びβはセンサ１
７，１９の測定点の高さをその間隔２ｒ_zで割った値と
センサ１８の測定点とセンサ１７，１９の測定点の中間
点である回転中心ｏの高さの差をその間隔ｒ_zで割った
値の２つの回転量の値から求められるｘ軸まわりの回転
量であるα座標とｙ軸まわりの回転量であるβ座標を表
している。

【００７３】ある基準の位置でのこれらの値からの変化
量をもって軸間干渉と呼ぶ。ｘ，ｙ，ｚ，α．β軸方向
の軸間干渉をそれぞれｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβと
する。この例では８か所の点で静電容量センサの値を測
定することで、１軸回転ステージが任意の位置にあると
きの軸間干渉を求めることができる。

【００７４】本実施例によれば、１軸回転ステージの軸
間干渉をすべて求めることで、可動部１２上の任意の点
の３次元空間内での位置が求められる。即ち、軸間干渉
の補正をしなければ場所によっては最高数μｍ程度生じ
り位置検出誤差がセンサで参照面との距離を測長する際
の誤差内に抑えることができる。

【００７５】また、軸間干渉の測定に必要な測定範囲は
高々数μｍ程度なので、測長センサにも測定範囲が小さ
くて比較的安価、かつコンパクトなギャップセンサを用
いることで、安価で省スペースのステージが得られる。
さらに、センサを必要最小限の個数より多く使用するこ
とで、センサの精度や参照面の加工精度がやや悪い場合
でも、それらが平均化され、結果として統計的によい精
度で軸間干渉が求められる。

【００７６】

【実施例６】図１５は本発明の実施例６を示す１軸回転
ステージの平面図である。ｘｙｚ座標系は図の側近に示
す通りで、ｚ軸は紙面に対して垂直方向に指定する。本
実施例では５個の測長センサのうち、３個の測長センサ
を回転軸に垂直な参照平面に対して、それらの３つの測
定点の回転軸に垂直な平面への射影が１直線上にないよ
うに配置し、他の２個の測長センサを回転軸に平行な２
つのシリンドリカル参照面との間隔を測長するために、
それらの２つの測定点が回転軸に垂直な面内にあり、か
つ２点を結ぶ直線が回転中心軸と交わらないように配置
している。

【００７７】この１軸回転ステージの構成は、回転支持
部１１、回転可動部１２、参照面１３ａ，１３ｂを含む
参照ブロック１３、参照面１４ａ，１４ｂを含む参照ブ
ロック１４、参照面１５ａ，１５ｂを含む参照ブロック
１５、回転可動部１２に取り付けられた測長センサ１７
〜１９及び２１，２２からなる。参照面１３ａ，１４
ａ，１５ａは平面度よく仕上げられており、１２０°間
隔でｚ軸に垂直に固定されている。

【００７８】参照面１３ｂ，１４ｂはそれぞれ、回転中
心ｏを通りｚ軸に平行な直線を軸とするシリンドリカル
面を成すように仕上げ、１２０°間隔で取り付け調整さ
れている。測長センサ１７〜１９は１２０°間隔で回転
可動部１２に取り付けられ、それぞれ参照面１３ａ，１
４ａ，１５ａとの間隔を測定し、測定点のｏからの距離
はｒである。

【００７９】測長センサ２１，２２も１２０°間隔で回
転可動部に取り付けられ、それぞれ参照面１３ｂ，１４
ｂとの間隔を測定する。図１５のように、センサ２１が
ｘ軸方向を向いているときの回転可動部に１２の位置
を、θ＝０とする。このステージにおいて発生する軸間
干渉は数μｍ以下、または数秒以下と比較的小さいもの
とする。

【００８０】この構成の１軸回転ステージにおいて、セ
ンサ１７〜１９の読みをそれぞれｚ ₁，ｚ₂，ｚ₃、セン
サ２１から２２の読みをそれぞれｒ₁，ｒ₂とする。この
とき回転可動部１２をθ軸方向に動かした際の軸間干渉
に関する座標軸の値は、それぞれ次のようになる。 ｘ＝−２／３^1/2｛ｒ₁ｃｏｓ（θ＋π／６）＋ｒ₂ｓｉ
ｎ（θ＋π／６）｝ ｙ＝２／３^1/2｛ｒ₁ｓｉｎθ−ｒ₂ｃｏｓθ｝ ｚ＝（ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃） α＝｛（ｚ₂−ｚ₃）／３^1/2ｒ｝ｃｏｓθ−｛（ｚ₂＋ｚ
₃−２ｚ₁）／３ｒ｝ｓｉｎθ β＝｛（ｚ₂−ｚ₃）／３^1/2ｒ｝ｓｉｎθ＋｛（ｚ₂＋ｚ
₃−２ｚ₁）／３ｒ｝ｃｏｓθ

【００８１】ここで、ｘは２つのセンサ２１，２２の読
みに基づく回転中心ｏのｘ座標を、ｙは２つのセンサ２
１，２２の読みに基づく回転中心ｏのｙ座標を、ｚは３
つのセンサ１７から１９の読みに基づく回転中心ｏのｚ
座標を，αはセンサ１８，１９の測定点の高さの差をそ
の間隔３^1/2ｒで割った値と、センサ１８，１９の測定
点の中間点とセンサ１７の測定点の高さの差をその間隔
１．５ｒで割った値からｘ軸まわりの回転量であるα座
標を、βはαで求めた２つの回転量からｙ軸まわりの回
転量であるβ座標を求めている。

【００８２】ある基準の位置でのこれらの値からの変化
量をもって軸間干渉と呼ぶ。ｘ，ｙ，ｚ，α．β軸方向
の軸間干渉をそれぞれｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβと
する。このように５か所以上の点で静電容量センサの値
を測定することで、１軸回転ステージが任意の位置にあ
るときの軸間干渉を求めることができる。

【００８３】本実施例によれば、１軸回転ステージの軸
間干渉をすべて求めることで、前記実施例５と同様に可
動部１２上の任意の点の３次元空間内での位置が求めら
れる。さらにセンサを必要最小限の個数だけを使用する
ことで、前記実施例５に比べてより安価、かつ省スペー
スなステージが得られる。

【００８４】

【実施例７】図１６及び図１７は本発明の実施例６を示
し、図１６は１軸回転ステージの平面図、図１７は図１
６の側面図である。ｘｙｚ座標系は図の側近に示す通り
で、図１６ではｚ軸が紙面に垂直で、図１７ではｘ軸が
紙面に垂直になるように指定する。

【００８５】本実施例は５個の測長センサのうち、４個
の測長センサを回転軸に平行なシリンドリカル参照面に
対して２個ずつのセンサの測定点が回転軸を含む平面内
に常に存在し、かつ２つの平面が常に直交するように配
置し、他の１個の測長センサを回転軸に垂直な参照平面
との間隔を測長するように配置したものである。

【００８６】この１軸回転ステージの構成は、ステージ
全体が搭載されるベース５１、ｘ軸まわりに回転可能な
回転可動部５２に固定されてｘ軸に合わせて配置される
回転軸５３、回転軸５３を回転可能に支持して下端がベ
ース５１に固定される支持５４ａ及び５４ｂ、回転軸５
３よりｙ軸−方向にある参照面５５ａをもつ参照ブロッ
ク５５と、参照面５６ａをもつ参照ブロック５６、回転
軸５３よりｚ軸＋方向にある参照面５７ａをもつ参照ブ
ロック５７と参照面５８ａをもつ参照ブロック５８、ｘ
軸に垂直な参照面５９ａをもつ回転軸５３左端に固定さ
れた参照ブロック５９、回転可動部５２に間隔ｌで配置
され、参照面５５ａと５６ａとの距離をそれぞれ測長す
るセンサ６０，６１、回転可動部５２に間隔ｌで配置さ
れ、参照面５７ａと５８ａとの距離をそれぞれ測長する
測長センサ６２，６３、ベース５１から図中に示してい
ない支持具で参照面５９ａのｘ方向の位置を測る測長セ
ンサ６４とからなる。

【００８７】参照面５５ａ，５６ａは回転軸５３からの
距離ｒ₁を、参照面５７ａ，５８ａは回転軸からの距離
ｒ₂を半径とするシリンドリカルな（円筒面の一部を形
成する）形状をもつ。測長センサ６０，６１と組み合わ
せと、測長センサ６２，６３との組み合わせはともに回
転軸まわりの角度αが常に等しくなるように配置され、
２つの組み合わせ同士の間隔は回転軸まわりに９０°と
なるようにする。

【００８８】測長センサ６０〜６３の出力、即ち、参照
面５５ａ〜５８ａの中心軸に対する位置をそれぞれｓ₁
〜ｓ₄で、測長センサ６４の出力、即ち、参照面５９ａ
のｘ方向の位置をｓ₅で表す。ｓ₁〜ｓ₅は被検面がセン
サに近づくとき大きくなるようにとることとするが、各
測長センサの測定源点は任意の位置でよい。ここで参照
面５５ａから５８ａが１つの参照面群に、参照面５９ａ
がもう１つの参照面群に対応する。

【００８９】このステージの軸間干渉の補正が可能な動
作範囲は、ステージ可動部５２の可動範囲内で、かつ測
長センサによって対応する参照面５５ａ〜５９ａの全て
の位置の測定が可能な範囲であり、各測長センサの下に
参照面が常に有ればよい。回転角αは図１６のように、
センサ６０，６１がｙ軸に平行で、センサ６２，６３が
ｚ軸に平行なとき、α＝０とする。

【００９０】この構成の１軸回転ステージは、回転動作
時のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸への軸間干渉、β軸、θ軸への軸
間干渉（それぞれｙ軸及びｚ軸まわりの軸間干渉を表
す）は５つのセンサの出力ｓ₁〜ｓ₅を用いて表すことが
できる。単純な場合として、回転角αがα＝０のとき、 Ｘ＝Ｓ₅ Ｙ＝（Ｓ₁＋Ｓ₂）／２ Ｚ＝−（Ｓ₃＋Ｓ₄）／２ β＝（Ｓ₄−Ｓ₃）／ｌ θ＝（Ｓ₂−Ｓ₁）／ｌ とＸ，Ｙ，Ｚ，β，θの位置を定義する。ここで、Ｘは
センサ６４の測定点のｘ座標を、Ｙは２つのセンサ６
０，６１の測定点の中心位置のｙ座標を、Ｚは２つのセ
ンサ６２，６３測定点の中心位置のｚ座標を、βはセン
サ６２，６３の測定点に位置の差をその間隔ｌで割った
β座標を、θはセンサ６０，６１の測定点の位置の差を
その間隔ｌで割ったθ座標を表している。

【００９１】α≠０のとき、回転分を考慮して、 Ｘ＝Ｓ₅ Ｙ＝ｃｏｓα・（Ｓ₁＋Ｓ₂）／２＋ｓｉｎα・（Ｓ₃＋
Ｓ₄）／２ Ｚ＝ｓｉｎα・（Ｓ₁＋Ｓ₂）／２−ｃｏｓα・（Ｓ₃＋
Ｓ₄）／２ β＝−ｓｉｎα・（Ｓ₂−Ｓ₁）／ｌ＋ｃｏｓα・（Ｓ₄
−Ｓ₃）／ｌ θ＝ｃｏｓα・（Ｓ₂−Ｓ₁）／ｌ＋ｓｉｎα・（Ｓ₄−
Ｓ₃）／ｌ のようにＸ，Ｙ，Ｚ，β，θの位置を座標系ｘｙｚαβ
θと方向が合致するようにそれぞれ定義し、この変化量
を軸間干渉とすることで、この場合５つのセンサで５つ
の軸間干渉が測定できる。

【００９２】本実施例によれば、前記実施例６と同様
に、必要最小限の個数のセンサからなる安価、かつ省ス
ペースなステージを用いて１軸回転ステージの軸間干渉
を全て求めることで、可動部上の任意の点の３次元空間
内での位置が求められる。

【００９３】

【実施例８】図１８は本発明の実施例８を示す１軸回転
ステージの平面図である。ｘｙｚ座標系は図の側近に示
す通りで、ｚ軸は紙面に垂直になるように指定する。

【００９４】この１軸回転ステージの構成は、回転支持
部１１、回転可動部１２、静電容量センサ７５〜７９か
ら成る。但し、センサの支持具は図示省略してある。回
転可動部１２は回転支持部の中心点ｏを中心としてｚ軸
まわりθ軸方向に動作可能であり、静電容量センサ７５
〜７９にて一部を測長するための参照面が上面及び側面
に作られている。回転可動部１２上でセンサ７５〜７９
が測長のために参照する部分の内、上面ｚ軸＋側は平面
度が良く、かつｚ軸に垂直になるように側面側はｚ軸に
平行で円筒度が良くなるように加工、または調整されて
いる。

【００９５】静電容量センサ７５〜７７は可動部１２上
の上面ｚ軸＋側３か所を、静電容量センサ７８，７９は
側面側２か所との間隔を測定し、センサ７７，７９は回
転中心ｏからみてｘ軸プラス側にあり、センサ７５〜７
７は回転中心ｏから等距離ｒのところに１２０°おき
に、センサ７８は回転中心ｏから見てｙ軸＋側に配置さ
れている。

【００９６】この構成の１軸回転ステージにおいて、セ
ンサ７５〜７７の読みをそれぞれｚ ₁，ｚ₂，ｚ₃、セン
サ７８，７９の読みをそれぞれｓ₁，ｓ₂とする。このと
き、回転可動部１２をθ軸方向に動かした際の軸間干渉
に関する座標軸の値は、それぞれ次のようになる。 ｘ＝−ｓ₂ ｙ＝−ｓ₁ ｚ＝−（ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃）／３ α＝（ｚ₂−ｚ₁）／３^1/2ｒ β＝｛ｚ₃−（ｚ₁−ｚ₂）／２｝／１．５ｒ

【００９７】ここで、ｘはセンサ５７の読みに基づく回
転中心ｏのｘ座標を、ｙはセンサ５６の読みに基づく回
転中心ｏのｙ座標を、ｚは３つのセンサ７５〜７７の読
みに基づく回転中心ｏのｚ座標を，αはセンサ７５，７
６の測定点の高さの差をその間隔３^1/2ｒで割った値で
あるα座標を、βはセンサ７５，７６の測定点の中間点
とセンサ７７の測定点の高さの差をその間隔１．５ｒで
割った値であるβ座標を求めている。

【００９８】ある基準の位置でのこれらの値からの変化
量をもって軸間干渉と呼ぶ。ｘ，ｙ，ｚ，α，β軸方向
の軸間干渉をそれぞれｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβと
する。このように５か所以上の点で静電容量センサの値
を測定することで、１軸回転ステージが任意の位置にあ
るときの軸間干渉を求めることができる。

【００９９】本実施例によれば、参照面を可動部側に設
けることで１軸回転ステージの軸間干渉を全て求め、可
動部１２上の任意の点の３次元空間内での位置が求めら
れる。さらに可動部１２に参照面を組み込むことと、セ
ンサを可動部１２外に固定できることでステージをより
コンパクトに構成できる。またセンサが可動部１２とと
もに回転しないため、軸間干渉の補正計算が容易にな
る。

【０１００】

【実施例９】図１９は本発明の実施例を示す１軸回転ス
テージの平面図である。ｘｙｚ座標系は図の側近に示す
通りで、ｚ軸は紙面に垂直になるように指定する。

【０１０１】この１軸回転ステージの構成は、回転支持
部１１、回転可動部１２、参照面１３ａ．１３ｂを含む
参照ブロック１３、参照面１４ａ，１４ｂを含む参照ブ
ロック１４、参照面１５ａ，１５ｂを含む参照ブロック
１５、回転駆動部１２に取り付けられた測長センサ１７
〜１９及び２１，２２、回転可動部１２上の軸間干渉補
正部６２〜６７から成る。参照面１３ａ，１４ａ，１５
ａは平面度良く仕上げられており、１２０°間隔でｚ軸
に垂直に固定されている。

【０１０２】参照面１３ｂ，１４ｂ，１５ｂはそれぞ
れ、回転中心ｏを通りｚ軸に平行な直線を軸とするシリ
ンドリカル面を成す用に仕上げ、１２０°間隔で取り付
け調整されている。測長センサ１７〜１９は１２０°間
隔で回転可動部１２に取り付けられ、それぞれ参照面１
３ａ，１４ａ，１５ａとの間隔を測定し、測定点のｏか
らの距離はｒである。測長センサ２１，２２も１２０°
間隔で回転可動部１２に取り付けられ、それぞれ参照面
１３ｂ，１４ｂ，１５ｂとの間隔を測定する。

【０１０３】軸間干渉補正部６２〜６７は参照面の形状
精度不良や配置による位置ずれや傾きがあることを前提
としてそれらを実際の動作の前に測定するための補助部
品である。軸間干渉補正部６２〜６７は回転可動部１２
の表面に取りついた平面度の良い面をもつ部材である
が、回転可動部１２表面の一部または前面を精度良く仕
上げすることで実現してもよい。軸間干渉補正部６２〜
６４は平面度良く仕上げられており、１２０°間隔で測
定点のｏからの距離がｒ′となるようにｚ軸に垂直に固
定されている。軸間干渉補正部６５〜６７は平面度良く
仕上げられており、１２０°間隔でｚ軸に平行に固定さ
れている。

【０１０４】図１９のように、センサ２１がｘ軸方向を
向いているときの回転可動部１２の位置をθ＝０とす
る。このステージにおいて発生する軸間干渉は、数μｍ
以下、または数秒以下と比較的小さいものとする。

【０１０５】この構成の１軸回転ステージにおいて、セ
ンサ１７〜１９の読みをそれぞれｚ ₁，ｚ₂，ｚ₃、セン
サ２１，２２の読みをそれぞれｒ₁，ｒ₂とする。また軸
間干渉補正面６２〜６７の位置をそれぞれｚ₁′，
ｚ₂′，ｚ₃′、ｒ₁′，ｒ₂′，ｒ₃′とする。

【０１０６】ステージを実際に可動する前に参照ブロッ
ク１４〜１６の形状を測定する。これは本実施例では参
照面の平面度と測定したい方向へ参照面の垂直度が必ず
しも出ておらず、軸間干渉を測定する前に参照面の形状
を把握する必要があるからでである。可動部１２をθ軸
方向に動かした際の次の量を測定する。 ｘｓ＝−２／３^1/2｛ｒ₁ｃｏｓ（θ＋π／６）＋ｒ₂ｓ
ｉｎ（θ＋π／６）｝ｙ ｓ＝２／３^1/2（ｒ₁ｓｉｎθ−ｒ₂ｃｏｓθ） ｚｓ＝（ｚ₁＋ｚ₂＋ｚ₃）／３ αｓ＝｛（ｚ₂−ｚ₃）／３^1/2ｒ｝ｃｏｓθ−｛（ｚ₂＋
ｚ₃−２ｚ₁）／３ｒ｝ｓｉｎθ βｓ＝｛（ｚ₂−ｚ₃）／３^1/2ｒ｝ｓｉｎθ＋｛（ｚ₂＋
ｚ₃−２ｚ₁）／３ｒ｝ｃｏｓθ

【０１０７】ここで、ｘｓは２つのセンサ２１，２２の
読みに基づく回転中心ｏのｘ座標を、ｙｓは２つのセン
サ２１，２２の読みに基づく回転中心ｏのｙ座標を、ｚ
ｓは３つのセンサ１７〜１９の読みに基づく回転中心ｏ
のｚ座標を，αｓはセンサ１８，１９の測定点の高さの
差をその間隔３^1/2ｒで割った値と、センサ１８，１９
の測定点の中間点とセンサ１７の測定点の高さの差をそ
の間隔１．５ｒで割った値からｘ軸まわりの回転量であ
るα座標を、βｓはαで求めた２つの回転量からｙ軸ま
わりの回転量であるβ座標を求めている。

【０１０８】同様にして、軸間干渉補正面６２〜６４の
ｚ方向の位置と軸間干渉補正面６５〜６７の半径方向の
位置をそれぞれ決まった点ないし部分を用いて測定す
る。測定には３次元形状測定器や光干渉計などの高精度
の測定器を用いる。このときの以下の量を求める。 ｘ′＝｛（ｒ₁′＋ｒ₃′−ｒ₂）／２｝ｃｏｓθ−
｛（ｒ₁′−ｒ₃′）／３^1/2｝ｓｉｎθ ｙ′＝｛（ｒ₁′＋ｒ₃′）／２｝ｓｉｎθ＋｛（ｒ₁′
−ｒ₃′）／３^1/2｝ｃｏｓθ ｚ′＝（ｚ₁′＋ｚ₂′＋ｚ₃′）／３ α′＝｛（ｚ₁′−ｚ₃′）／３^1/2ｒ′｝ｃｏｓθ−
｛（ｚ₁′＋ｚ₃′−２ｚ₂′）／３ｒ′｝ｓｉｎθ β′＝｛（ｚ₁′−ｚ₃′）／３^1/2ｒ′｝ｓｉｎθ＋
｛（ｚ₁′＋ｚ₂′−２ｚ₂′）／３ｒ′｝ｃｏｓθ

【０１０９】ｘ〜βとｘ′〜β′を同時に測定しながら
回転可動部１２をθ軸方向に１回転または、動作範囲分
だけ動かすことで参照面の軸間干渉に関する特性が求め
られる。それらを座標。ｘの関数として以下のようにし
て表す。 ｘｒ（θ）＝Δｘｓ（θ）−Δθ′（θ） ｙｒ（θ）＝Δｙｓ（θ）−Δｙ′（θ） ｚｒ（θ）＝Δｚｓ（θ）−Δｚ′（θ） αｒ（θ）＝Δαｓ（θ）−Δα′（θ） βｒ（θ）＝Δβｓ（θ）−Δβ′（θ） 但し、Δが付くのはθ軸上のある点を基準とし、その位
置での値を基準にしたときの変化量を表す。ここで得ら
れた関数の値は、ステージ可動部１２が全く軸間干渉を
発生させずに動いたときに参照面の形状に起因して生じ
る見掛け上の各軸への軸間干渉である。

【０１１０】ｘ，ｙ，ｚ，α，β軸方向の軸間干渉をそ
れぞれｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβとし、ｘｊ，ｙ
ｊ，ｚｊ，αｊ，βｊを以下のように定義する。 ｘｊ＝ｘｓ（θ）−ｘｒ（θ） ｙｊ＝ｙｓ（θ）−ｙｒ（θ） ｚｊ＝ｚｓ（θ）−ｚｒ（θ） αｊ＝αｓ（θ）−αｒ（θ） βｊ＝βｓ（θ）−βｒ（θ）

【０１１１】するとｘｓ（θ）〜βｓ（θ）は或る基準
位置での値に実際の軸間干渉と見掛け上の軸間干渉ｘｒ
（θ）〜βｒ（θ）を加えたものとなる。従って、基準
の位置でのｘｊ〜βｊの値からの変化量をもってそれぞ
れの軸間干渉ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ，ｄα，ｄβを表せる。
このように、予め参照面の特性を測定した上で５か所で
静電容量センサの値を測定することで１軸回転ステージ
が任意の位置にある時の軸間干渉を求めることができ
る。

【０１１２】本実施例によれば、可動部１２に軸間干渉
補正用の測定面６２〜６７を設けて、予め参照面形状軸
間干渉に関する特性を求めたうえで参照面と可動部１２
の相対的姿勢を求めることで１軸回転ステージの軸間干
渉を全て求めることができ、可動部１２のθ方向の位置
が判れば可動部１２上の任意の点の３次元空間内での位
置が求められる。参照面の特性を予め測定しておくこと
で、参照面の取り付け精度や平面度などの加工精度をそ
れほど高精度にすることなく良い精度でステージの動き
が求められる。

【０１１３】

【発明の効果】本発明によれば、請求項１及び５に係る
効果として、１軸直動または回転ステージの軸間干渉を
全て求めることで可動部上に任意の点の３次元空間内で
の位置が求められる。即ち、軸間干渉の補正をしなけれ
ば場所によっては最高数μｍ程度生じうる位置検出誤差
がセンサで参照面との距離を測長する際の誤差範囲内に
抑えることができる。また、軸間干渉の測定に必要な測
定範囲は高々数μｍ程度でなので、測長センサにも測定
範囲が小さく、かつ比較的安価でコンパクトなギャップ
センサを用いることで安価、かつ省スペースのステージ
が得られる。

【０１１４】請求項２及び６に係る効果としては、セン
サを有効に配置でき、その数が最小限に抑えられるので
それぞれ請求項１及び４の場合よりさらにコンパクト、
かつ安価なステージが得られる。

【０１１５】請求項３及び７に係る効果としては、動作
範囲が狭い範囲に限られたステージにおいて、参照面を
可動部上に配置することで部品点数とスペースを節減す
ることができ、さらに、センサを可動部外に固定できる
ので、可動部の側まで他のシステム構成要素を近づける
ことができる。これにより、それぞれ請求項１及び４の
場合よりさらにコンパクトなステージが得られる。

【０１１６】請求項４及び８に係る効果としては、請求
項１及び５の場合に比べ、参照面の特性を予め測定して
おくことで、参照面の取り付け精度や平面度などの加工
精度をそれほど高精度にすることなく良い精度でステー
ジの動きが求められる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の直動ステージの概念図。

【図２】図１の側面図。

【図３】本発明の回転ステージの概念図。

【図４】１つの参照面群と測長センサの例を示す図。

【図５】図４の側面図。

【図６】本発明のの実施例１を示す１軸直動ステージの
平面図。

【図７】図６の側面図。

【図８】本発明のの実施例２を示す１軸直動ステージの
平面図。

【図９】図８の側面図。

【図１０】本発明のの実施例３を示す１軸直動ステージ
の平面図。

【図１１】図１０の側面図。

【図１２】本発明のの実施例４を示す１軸直動ステージ
の平面図。

【図１３】図１２の側面図。

【図１４】本発明のの実施例５を示す１軸直動ステージ
の平面図。

【図１５】本発明のの実施例６を示す１軸直動ステージ
の平面図。

【図１６】本発明のの実施例７を示す１軸直動ステージ
の平面図。

【図１７】図１６の側面図。

【図１８】本発明のの実施例８を示す１軸直動ステージ
の平面図。

【図１９】本発明のの実施例９を示す１軸直動ステージ
の平面図。

【図２０】ｘｙｚ座標系を示す図。

【図２１】従来の２軸ステージの説明図。

【符号の説明】

１,31,51 ベース ２,32 ガイド ３,33 可動部 3a,3b,3c ｙ軸に垂直な参照面 3d ｚ軸に垂直な参照面 4,5,6,7,8,9,17,18,19,20,21,22,23,24,60,61 測長セ
ンサ 10,70,71,72,73 反射ミラー 11 回転支持具 12 回転可動部 13,14,15,16,34,35,55,56,57,58,59 参照ブロック 36,37,38,39,40,41,42,43,75,76,77,78,79 静電容量セ
ンサ 44,45 センサ支持部 52 回転可動部 53 回転軸 54 支持 62,63,64,65,66,67 軸間干渉補正部

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動作方向に平行かつ互いに直交し、動作
   方向に少なくとも動作範囲より大きい長さをもつ２種類
   の参照平面群と、動作範囲内ですべての軸間干渉が測定
   できるように配置された前記参照平面群との間隔を測定
   する５個以上の測長センサを有する直動ステージ。
2. 【請求項２】 ５個の測長センサを配置したことを特徴
   とする請求項１記載の直動ステージ。
3. 【請求項３】 可動部上に参照面群を配置したことを特
   徴とする請求項１または２記載の直動ステージ。
4. 【請求項４】 ステージの位置と姿勢を測定するための
   ５個以上の軸間干渉補正面をステージ可動部に有する請
   求項１から３のいずれかに記載の直動ステージ。
5. 【請求項５】 回転軸に垂直かつ動作角度範囲以上の幅
   をもつ１つ以上の参照平面からなる参照平面群と、回転
   軸に平行かつ回転中心から等距離にある動作角度範囲以
   上の幅をもつ１つ以上のシリンドリカル参照面からなる
   参照面群の２種類の参照面群と、動作範囲内ですべての
   軸間干渉が測定できるように配置された参照平面及びシ
   リンドリカル参照面との間隔を測定する５個以上の測長
   センサを有する回転ステージ。
6. 【請求項６】 ５個の測長センサを配置したことを特徴
   とするを請求項５記載の回転ステージ。
7. 【請求項７】 可動部上に参照面群を配置したことを特
   徴とする請求項５または６記載の回転ステージ。
8. 【請求項８】 ステージの位置と姿勢を測定するための
   ５個以上の軸間干渉補正面をステージ可動部に有する請
   求項５から７のいずれかに記載の回転ステージ。