JPH0830744B2 - ガイドレスｘ−ｙテーブル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、X,Y方向のガイドの無いガイドレスＸ−Ｙ
テーブルに関する。

（従来の技術） Ｘ−Ｙテーブルの構成は種々のものがあるが、いずれ
もステージベースに対してＸ方向にリニアな動作をする
Ｘステージと、Ｙ方向にリニアな動作をするＹステージ
とが設けられ、その結果として２次元に移動可能なＸ−
Ｙステージが得られるというものである。

従来構造の一例としては２次元駆動の駆動方向を２方
向に分け、Ｘ−Ｙステージ自体はその一方向にのみ駆動
可能とし、この一方向駆動系全体を他の方向に駆動する
ことにより、Ｘ−Ｙステージを間接的に２次元駆動する
ものがあった。したがっで、Ｘ−Ｙステージの回転は、
その構成上拘束された状態となっていた。

また、上記のように間接的な２次元駆動を行っていた
ので、このＸ−Ｙステージの位置検出は、従来より次の
ような方法が採用されている。すなわち、２組のリニア
エンコーダ等をもちいて、前記ＸステージとＹステージ
との位置をそれぞれ検出し、これをもってＸ−Ｙステー
ジの位置とするものである。なお、上記のような間接的
な２次元駆動は、Ｘステージ、Ｙステージ毎にリニアモ
ータ等を配置し、この各リニアモータの駆動を上記リニ
アエンコーダの出力によって制御することにより、Ｘ−
Ｙステージを位置決めしていた。そして、その結果とし
て得られる２次元に移動可能なＸ−Ｙステージが間接的
に２次元に位置決めされるというものであった。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の技術では、たとえば上記Ｘ−Ｙステー
ジ及びＹ方向駆動系の全体をＸ方向駆動系によって駆動
することで、間接的に２次元駆動するものであるので、
Ｘ−Ｙステージをガイドによって支持することが不可欠
であり、万一Ｘ方向のガイドがずれている場合には、正
確な位置決めを実行することができなかった。

このように、従来の間接駆動方式ではガイドのずれが
Ｘ−Ｙステージの位置精度に大きく影響し、高精度なＸ
−Ｙ駆動を行うのに限界があった。

また、このような間接駆動の場合には、駆動源の駆動
力が種々の部材を介してＸ−Ｙステージに伝達されるの
で、駆動源の加速動作，停止動作に対して、Ｘ−Ｙステ
ージの移動が追従せずに遅れが生じ、動特性が悪いとい
う問題があった。

また、位置精度に関しては、Ｘ−Ｙステージの位置検
出が正確に実行できれば上記間接駆動による弊害を低減
できるが、従来ではＸ−Ｙステージの位置検出を行う場
合に、２組のリニアエンコーダはＸステージとＹステー
ジとの位置をそれぞれ検出しているにすぎず、その後に
何等かのガイドを介して間接的に位置決めされるＸ−Ｙ
ステージの位置は、そのガイドのガタや不安定さなどの
悪影響によって、位置決め精度が悪化してしまってい
た。したがって、正確な位置決めを実行できず、位置精
度に自ずから限界があった。

また、Ｘ−ＹステージのＸ軸とＹ軸との直交度は、リ
ニアエンコーダでは規定できず、Ｘ軸,Y軸を規定するそ
れぞれのガイドの直交度に依存するため、その精度にも
機械的な限界があった。

従って、この直交度のずれからも位置決め精度が悪化
していた。

そこで、本発明の目的とするところは、上述した従来
の問題点を解決し、従来の間接駆動よりも位置精度を向
上でき、Ｘ−ＹステージのX,Y方向のガイドによる位置
精度の影響を全く受けない高精度の直交度と高位置決め
精度とを有するガイドレスＸ−Ｙテーブルを提供するこ
とにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明は、ステージベースに対してＺ方向の平面ガイ
ドによって支持されたＸ−Ｙステージと、 このＸ−ＹステージのX,Y方向位置及び回転量を検出
する検出部と、 ２次元駆動される上記Ｘ−Ｙステージ対して、それぞ
れ位置を変えて平面的に配置され、X,Y方向にそれぞれ
直接に駆動力を発生する第１の駆動部，第２の駆動部
と、 上記Ｘ−Ｙステージの回転駆動のために直接に駆動力
を発生する第３の駆動部とを有し、 Ｘ−ＹステージのX,Y方向のガイドを設けずにＸ−Ｙ
ステージをテーブル駆動することで、ガイドレスＸ−Ｙ
テーブルを構成している。

そして、上記のような第１〜第３の駆動部は、Ｘまた
はＹ方向の一方向にのみ力を発生し、それ以外の方向に
は拘束力を持たないリニアDCモータ，リニア誘導モータ
またはリニアパルスモータ等で構成することができる。

位置検出方式として、例えばライン＆スペースのスリ
ットパターンを有するメインスケールと、このメインス
ケールと同様の形状で、かつ、各々1/4周期ずつ位相の
異なる４つのパターン領域を有するサブスケールとを有
し、相対移動する両スケールを透過した光を検出してエ
ンコーダ情報とする透過型光学式エンコーダあるいは反
射型光学式エンコーダを採用することができ、また、レ
ーザ測長機によりＸ−Ｙステージの位置を検出するもの
等でもよい。

（作用） Ｘ−Ｙステージは、Ｚ方向のみ規制する平面ガイドに
よってのみガイドされ、X,Y方向にはガイドがなくまっ
たくフリーの状態である。

ここで、第1,第２の駆動部をそれぞれＸ方向,Y方向の
駆動部とし、第３の駆動部を、上記第２の駆動部とはＸ
方向に間隔をもって配置したＹ方向駆動部とした場合
の、X,Y方向の駆動作用を説明する。

まず、Ｙ方向に駆動する場合には第2,第３の駆動部を
同期させて駆動し、かつ、第１の駆動部に対してＸ方向
の位置が変位しないように前記検出部からサーボをかけ
て駆動する。

このようにすれば、離れた位置に設定されている第2,
第３の駆動部を同期させて駆動することで、ガイドレス
のＸ−Ｙステージは回転せずにＹ方向にのみ高精度に駆
動されることになる。なお、この際Ｘ方向の移動を防止
するため、Ｘ方向の駆動部である第１の駆動部にＸ位置
が変位しないようにサーボをかければよい。

そして、万一第2,第３の駆動部の同期駆動がずれ、Ｘ
−Ｙステージに回転が生じた場合には、即座に検出部に
よって回転量が検出されるので、第2,第３の駆動部の駆
動量の差分だけいずれか一方の駆動部を多く駆動するこ
とで、回転修正を実行することができる。

一方、Ｘ−ＹステージをＸ方向に駆動する場合には、
第１の駆動部をＸ方向に駆動すると共に、Ｙ方向の駆動
部である第2,第３の駆動部に対して、Ｙ方向に変位しな
いように前記検出部よりサーボをかける。この結果、離
れた位置に設定された第2,第３の駆動部にてＹ方向の移
動がないように制御しているので、Ｘ−ＹステージはＹ
方向にずれることなく、しかも回転することなく第１の
駆動部の駆動力にのみ基づきＹ方向に高精度に駆動する
ことができる。

ここで、Ｘ方向に２つの駆動部を設け、Ｙ方向に１つ
の駆動部を設けた場合も同様に実施できる。

なお、上記のように少なくとも３つの駆動部を配置す
ることにより、ガイドレスのＸ−Ｙステージを回転させ
ることなく駆動することができ、例えば両軸方向の駆動
用として２個以上の駆動部を設けることでもよい。

さらに、本発明ではＸ−Ｙステージを直接的に２次元
駆動することができる。したがって、従来の間接駆動方
式に比べれば、駆動系からＸ−Ｙステージに至る系の中
に何等のガイドを必要としないので、Ｘ−Ｙステージの
位置精度は直接駆動系自体の位置決め精度と同一とな
り、従来のようにガイドのずれなどの機械的な位置ずれ
が生じないので、位置決め精度を向上することができ
る。

また、直接駆動方式の採用により、駆動部の加速動
作，停止動作が何等のガイドを介せずに直接Ｘ−Ｙステ
ージに作用するので、駆動部に対するＸ−Ｙステージの
追従性が向上し、動特性を良好とすることができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について、図面を参照して具
体的に説明する。

第１図に示すように、ステージベース１上には例えば
３つの平面軸受３を介してＸ−Ｙステージ２が設けられ
ている。この平面軸受３はＸ−Ｙステージ２をステージ
ベース１上でＺ方向にのみ支持するものである。したが
って、Ｘ−Ｙステージ２はステージベース１に対してＸ
−Ｙ平面上で何等の拘束がないガイドレスのＸ−Ｙステ
ージとなっており、X,Y方向のみでなくその回転方向に
も自由に移動可能となっている。

まず、このＸ−Ｙステージ２の位置及び回転の検出を
光学式エンコーダによって行う場合の検出部300の一例
について説明する。

第１図に示すように、上記検出部300は、前X,Y両方向
用のエンコーダパターンをガラス基板上に形成したメイ
ンスケール303と、Ｘ方向及びＹ方向の位置検出を行う
位置検出器305と、Ｘ−Ｙステージ２の回転を検出する
ために、前記位置検出器305から離れた位置でＹ方向の
位置を検出する回転検出器307とで構成されている。す
なわち、上記エンコーダによってＸ方向の位置（Ｘ）及
び２箇所でのＹ方向の位置（Y1,Y2）を検出することに
より、X,Y方向のそれぞれの位置及びY1,Y2の比較による
Ｘ−Ｙステージ２の回転とが検出できるようになってい
る。

第２図は、上記エンコーダを透過型で構成した場合を
示しており、前記メインスケール303は、メインスケー
ル支持台323に支持され、Ｘ−Ｙステージ２の移動によ
ってこのＸ−Ｙステージ２に対して相対的に２次元に移
動可能となっている。

これに対し、Ｘ−Ｙステージ２上に設けられた位置検
出器305は、第２図に示すように光源329,ミラー328,コ
リメータレンズ327とから成る照明系と、エンコーダサ
ブスケール325と受光素子326とから成る受光系で構成さ
れ、両者の間にステージベース１上に固定された前記メ
インスケール303が挟まれる構成となっている。

なお、図中330は光源329からの光線を示している。

また、回転検出器307も同様な構成となっている。

メインスケール303は、例えば第３図（ｂ）示すよう
に長方形のガラス板であり、全体を例えば光を反射する
Cr膜でコーティングした後、EB描画，エッチング等の工
程により331,332,333に示した領域に、第３図（ａ）の
ような透明パターンを形成したものである。なお、メイ
ンスケール303上の離れた２箇所に形成されているパタ
ーンは、それぞれ位置検出器305,回転検出器307用のパ
ターンであり、全く同一形状のものである。

第３図（ａ）のパターン331は、１周期をＬ（例えば
Ｌ＝10μｍ）とし、光が透過する部分（以下ラインとも
称する）331aと透過しない部分（以下スペースとも称す
る）331bとの比がＸ方向から見てもＹ方向から見ても１
対１（すなわち、それぞれ同じ幅L/2の幅を持つライン
＆スペース）であるようなエンコーダパターン、すなわ
ち格子状パターンを２次元的に配列することで形成して
いる。これは、後述するように、Sin,Cosの信号を得る
ためのパターンである。一方、332,333のパターンはそ
れぞれＸ方向用、Ｙ方向用の原点信号用のパターンであ
り、前記格子状のパターンの周期Ｌと同じ長さの幅を持
つスリット（透明部分）を例えば第４図（図中の“1"は
透明部，“0"は反射部であり、例えば1bit＝10μｍとな
っている）のようにそれぞれＸ方向,Y方向に並べたもの
である。

これに対し、サブスケール325上には、第５図に示す
ようにＸ方向のSinX,CosXを得るためのパターン領域341
a,341b,341c,341dと、Ｘ方向の原点信号を得るためのパ
ターン領域342a,342bと、Ｙ方向のSinY,CosYを得るため
のパターン領域343a,343b,343c,343dと、Ｙ方向の原点
信号を得るためのパターン領域344a,344bとを有する。

前記パターン領域341a,341b,341c,341dは、第６図に
示すように、格子状パターン331と同じ周期Ｌでかつ光
を透過するスリット部と透過しないスリット部との比
（ライン＆スペース）が1:1のＹ方向に長いパターン
を、それぞれ1/4周期ずつ格子状パターン331に対して位
相をずらした４つのパターン領域である。

パターン領域342aは、前記メインスケール303の原点
パターン領域332と同一のパターン列をＸ方向に並べた
ものであり、パターン領域342bは全体が透明な領域であ
る。

前記パターン領域343a,343b,343c,343dは、前記パタ
ーン341a,341b,341c,341dと同様に、それぞれ1/4周期ず
つ格子状パターン331に対して位相をずらせた４つのパ
ータン領域を、その配列方向が前記パターン領域341a,3
41b,341c,341dと直交する方向に（Ｘ方向に長いパータ
ン）配列したものである。また、前記パータン344aは、
前記メインスケール303の原点パターン333と同一のパタ
ーン列をＹ方向に並べたものであり、パターン領域344b
は、全体が透明な領域である。

受光素子326は、メインスケール303と前記サブスケー
ル325の12領域を通過してきた光の強度をそれぞれ検出
するために、12分割された受光領域をもち、光源329か
ら出て、レンズ327,メインスケール303,サブスケール32
5を通過してきた光の強度を検出する。

このように構成された透過型光学式エンコーダは、以
下のように動作する。

すなわち、メインスケール303に対して位置検出器305
が相対的に２次元移動した場合、そのＸ方向の移動成分
は、サブスケール325上の領域341a〜341dを通過してく
る光の強度の変化として現れ、Ｙ方向の移動成分はサブ
スケール325上の領域343a〜343dを通過してくる光の強
度の変化として現れる。すなわち、例えばＸ方向の例で
言えば、第６図においてサブスケール325上の領域341a
を通過してきた光の強度は、位置Ｘに対して−sinX＋α
（αは外乱）のごとく変化し、同様に341bの領域はcosX
＋α,341cはsinX＋α,341dは−cosX＋αのように変化す
る。

これらの各信号を２つずつ組にして、 （sinX＋α）−（−sinX＋α）＝2sinX （cosX＋α）−（−cosX＋α）＝2cosX のように演算することで、sinX,cosXの２波が得られ、
この信号からＸ−Ｙステージ２のＸ方向の位置をエンコ
ードすることができる。

同様に、Ｙ方向の移動成分からはsinY,cosYの２波が
得られる。

また、回転検出器307も上記の位置検出器305と同様に
エンコード信号が得られるが、その中の例えばsinY,cos
Yの２波を用いて、この信号と前記位置検出器305から得
られるsinY,cosYの２波の信号とを比較することによ
り、Ｘ−Ｙステージ２の回転を検出することができる。

すなわち、たとえばＸ−Ｙステージ２を２次元駆動し
た時、前記位置検出器305からのＹ方向エンコード信号
の変化量と、前記回転検出器307からのＹ方向のエンコ
ード信号の変化量とが違ってきたら、Ｘ−Ｙステージ２
が回転したことになるし、また逆に前記両信号の変化が
常に等しくなるように駆動すれば、Ｘ−Ｙステージ２を
回転することなく２次元に駆動することができる。

次に原点信号であるが、これは例えばＸ方向では前記
メインスケール303のＸ方向用原点パターン332と、サブ
スケール325のＸ方向用原点パターン342a,342bとの重ね
合わせによって生ずる両スケールの透過量の変化特性を
利用したものであり、その原理は以下に示す通りであ
る。

すなわち、例えば全体的に光を反射する膜をコーティ
ングした基板上にＸ方向用原点パターンのようなパター
ンを形成した２つのスケールの位置が、パターン列の形
成方向に相対的に移動した場合、両スケールを透過して
くる光の光量は両スケールの位置関係によって第７図に
示すように変化する。すなわち、両スケールの透過光量
は、両スケールの原点パータンが重なり始めた時から少
しずつ増加してゆき、両者が重なった時に最大となり
（ピーク値を示す）、そこから再び減少していき、両者
の重なり部分がなくなった時にゼロとなるような、底辺
の幅がスリットパターン全体の幅の２倍である三角形状
を示す。

さらに、細かく見ると両スリットパターンがぴったり
重なった時の前後で据野の幅が前記ライン＆スペースの
約２周期であるような三角形状に光量のピークが現れ
る。これをあるスレッショルドレベルで２値化して、前
記スリット幅よりやや短いパルス信号（原点信号）とす
ることにより、この信号と前記sinX,cosXの両信号との
論理積によって、前記sinXの周期Ｌに対して1/8周期の
範囲内で原点を決めることができる。

本例のエンコーダパターンによる原点出しは、電源投
入時にＸ−Ｙステージ２がどのような位置にあっても原
点信号とsin,cosの両信号とのみを参照して行うことが
できる。以下にその方法の一例を示す。ただし、電源投
入時にＸ−Ｙステージ２がＸ−Ｙ軸から傾いていると原
点出しが行えないので、原点出しを行う前にＸ−Ｙステ
ージ２の傾き補正を行う必要がある。この方法について
は後述する。

ここでは、その後の原点出しについて示す。Ｘ方向の
原点出しについて説明すると、第３図（ａ）のようなメ
インスケール303に対して、第５図に示すサブスケール3
25が移動すると、サブスケール325上のＸ方向用原点パ
ターン領域342aと透明領域324bとを透過する光の光量の
信号は、それぞれ第８図における370,371のような出力
を示す。そして、信号370から信号371を引いたものが信
号372に示すものとなる。

この信号をあるスレショルドレベルで２値化し、０と
１のディジタル信号としてとらえる。

まず、電源投入時に前記原点信号が１であれば、該信
号が０になるまで、第８図における出力特性が右側に移
行するような方向にサブスケール325（すなわち、Ｘ−
Ｙステージ２）を移動し、そこから再び該信号が１にな
るまで左側に移動し、そこを仮の原点とする。この状態
では第８図におけるＡ点かＢ点か分からないので、次に
A,B間距離以上に右側に移動させて信号が０の状態から
再び１になるまで左側に移動させると、原点位置Ａに至
る。

次に、電源投入時に前記原点信号が０であれば、該信
号が１になるまで左側に動かし、そこを仮の原点とす
る。それ以降は前記と同様なシーケンスにより原点位置
Ａ点に至る。

以上のような方法により、電源投入時にステージがど
のような位置であっても、メカリミット等に当てること
なく原点信号とsinX,cosXの両信号とのみを参照して原
点出しを行うことができる。

以上の原点出しは、Ｙ方向についても同様に実施する
ことができる。ただし、Ｙ方向では、位置検出器305と
回転検出器307の両方で原点出しを行い、その後Ｘ−Ｙ
ステージ２のＸ−Ｙ軸がエンコードパターンのＸ−Ｙ軸
に正確に合うように、後述する回転制御用DCモータ等で
微少回転調整を行うことが望ましい。

この２次元エンコーダのX,Y軸の直交度は、メインス
ケール303上に形成される格子状パータン331の直交度に
依存するが、これはEB描画法等によりかなり高精度なも
のが得られるため、高い直交度を持つＸ−Ｙステージ２
を構成することができる。

なお、上記例では透過型光学式エンコーダとして構成
した場合の例を説明したが、反射型光学式エンコーダや
その他の位置検出方法を採用することもできる。

次に、第９図を参照して、反射型光学式エンコーダを
採用した場合の一例を説明する。

第９図において、位置検出器305は、光源329,コリメ
ータレンズ327,ビームスプリッタ324,サブスケール325
及び受光素子326とで構成されている。一方、メインス
ケール303は透過型の場合と同様にステージベース１上
に固定されるが、反射型の場合には検出器がメインスケ
ール303を挟み込む必要がないので、ステージベース１
上に直接取り付けることも可能である。なお、メインス
ケール303及びサブスケール325に形成されているエンコ
ーダパターンは、前記の透過型の場合と同様である。

次に、作用について説明すると、光源329から出た光
は、コリメータレンズ327によって平行光束となり、ビ
ームスプリッタ324によって一部は反射され、サブスケ
ール325上に照射される。サブスケール325上の光が透過
しない部分（反射する部分，スペース）からの反射光
と、サブスケール325上の光が透過する部分（ライン）
を透過し、メインスケール303上の光が透過しない部分
（スペース）で反射した反射光とは、ビームスプリッタ
324によりその一部が透過して受光素子326に入射する。

ここで、メインスケール303とサブスケール325とが相
対的に移動すると、受光素子326に入射する光の強度信
号は、前記の透過型の場合の例と同様な原理により、si
nX,cosXの如く変化し、エンコーダ信号が得られる。原
点信号についても同様である。また、回転検出器307も
同様に構成することができる。

このような反射型では、上記透過型にくらべてサブス
ケール325と受光素子326との距離が離れているため、si
nX,cosXの信号の歪みが多少大きくなるという欠点があ
るが、その反面、検出器がメインスケール303を挟み込
む構造ではないことから、長いストロークのものにも対
応しやすく、またメインテナンスがよいことなどが利点
となっている。

次に、Ｘ−Ｙステージ２の直接的な位置検出の変形例
について、第10図を参照して説明する。第10図は、レー
ザ測長機によってＸ−Ｙステージ２の位置検出を実行す
る一例を示すものである。

同図において、81a,81b,81cそれぞれミラーであり、
レーザ光源80から出た光はビームスプリッタ82a,82bに
よりＸ方向の位置検出用の光（１系統）と、Ｙ方向の位
置検出用の光（２系統）とに分割される。以下、Ｘ方向
の位置検出について説明するが、Ｙ方向もまったく同様
にして実行される。

ミラー81bによりＸ軸と平行な方向に屈曲された光
は、ビームスプリッタ83aによりＸ方向用参照ミラー84a
とＸ方向用反射ミラー85aの２方向に分割され、それぞ
れのミラーで反射されて再びビームスプリッタ83aに戻
り、両光の一部はＸ方向用光検出器86aに入射する。

Ｘ方向用光検出器86aに入射する２本の光は、互いに
干渉し、Ｘ−Ｙステージ２がＸ方向に移動すると、レー
ザの波長λの周期で光の明暗が生じ、これからＸ−Ｙス
テージ２のＸ方向の移動量を測定することが出来る。

同様にして、Ｙ方向の移動量も測定することが出来る
が、Ｙ方向の移動量と共に回転検出を行う必要があるの
ために、Ｘ方向にある距離だけ離れた２箇所で測定を行
っている。

このように、Ｘ−Ｙステージ２の位置検出にレーザ測
長機を使用した場合には、Ｘ方向とＹ方向との直交度
は、Ｘ−Ｙステージ２を構成しているメカニカルなガイ
ドとは無関係に、Ｘ方向用反射ミラー85aと、Ｙ方向用
反射ミラー85bとの直交度によって決まる。したがっ
て、高精度を得るために、また、直交度が90゜からある
角度θだけずれている場合、レーザ測長機で測長される
ステージの移動量が実際の移動量にcosθを乗じた値と
なってしまうことによる位置検出精度の悪化を防ぐため
に、Ｘ方向用反射ミラー85aと、Ｙ方向用反射ミラー85b
とは、高直交度を有することが必要である。

次に、このようなＸ−Ｙステージ２の駆動をリニアDC
モータにより行う一例を以下に説明する。

すなわち、第１図に示すように、Ｘ−Ｙステージ２を
直接駆動するために、本実施例ではＸ方向駆動用として
１つ（本発明の第１の駆動部に相当する）、Ｙ方向駆動
用として２つ（本発明の第2,第３の駆動部に相当す
る）、計３つのリニアDCモータを配置している。すなわ
ち、リニアDCモータ４は、Ｘ−Ｙステージ２をＸ方向に
駆動するためのものであり、リニアDCモータ５はＹ方向
の駆動用モータであり、リニアDCモータ６は、上記リニ
アDCモータ５と同様にＹ方向に駆動力を発生するもので
あるが、上記リニアDCモータ５よりもある距離だけＸ方
向に離れた位置に配置され、本実施例では回転制御用モ
ータとして供するようになっている。

なお、各モータ4,5,6の力を発生する軸線は、前記位
置検出器305と回転検出器307上のそれぞれの方向の位置
検出を行う位置になるべく近くなるように配置すること
が望ましい。

そして、上記各リニアDCモータ4,5,6はいずれも同様
の構成を有し、第11図に示すようにＸ−Ｙステージ２に
取り付けられた１組の駆動用コイル22と、ステージベー
ス１上に取り付けられたリニアモータヨーク20及び永久
磁石21とから構成されている。永久磁石21とコイル22と
の関係は、第12図のようにＮ極,S極を向かい合わせた２
組の永久磁石21と軟鉄のヨーク20とにより矢印30のよう
な磁界を作り、その磁界中に駆動用コイル22を配置した
形となっていて、駆動用コイル22に電流を流すことによ
ってコイル22が矢印31の方向に力を発生する。

そして、隣りあった２つの永久磁石21,21を密着させ
て配置することにより、第14図に示すように磁束密度Ｂ
が一定に近い部分を長くとることができ、コイル22のス
トロークをこの範囲に規定すれば発生力のムラの少ない
リニアDCモータを実現できる。

また、力の発生方向と垂直な方向（第13図における矢
印40の方向）には、第13図においてコイル22が永久磁石
21に対し相対的に41a,41bの距離だけ移動するまでは拘
束力を持たない。

このようなリニアDCモータを、その駆動方向を直交さ
せ、かつ、第１図に示すように、Ｘ−Ｙステージ２の裏
面にその位置を変えて平面的に２組設けることにより、
Ｘ−Ｙステージ２をステージベース１から直接２次元に
駆動するための前記Ｘ方向用リニアDCモータ４と、Ｙ方
向用ニリアDCモータ５が構成できる。なお、回転制御用
モータ６は、上記Ｙ方向駆動用モータ５と同一機能を有
し、これよりもＸ方向に離れた位置に配置している点の
みが相違している。

ここで、Ｘ−Ｙステージ２のX,Y方向の駆動作用を説
明する。

まず、Ｙ方向に駆動する場合にはＹ方向用リニアDCモ
ータ５と回転制御用リニアDCモータ６とを同期させて駆
動し、かつ、Ｘ方向用リニアDCモータ４に対してＸ方向
の位置が変位しないように前記位置検出部305からサー
ボをかけて駆動する。

このようにすれば、Ｘ方向で離れた位置に設定されて
いるモータ5,6を同期させて駆動することで、ガイドレ
スのＸ−Ｙステージ２は回転せずかつＸ方向に移動する
ことなく、Ｙ方向にのみ高精度に駆動されることにな
る。

そして、万一モータ5,6の同期駆動がずれ、Ｘ−Ｙス
テージ２に回転が生じた場合には、即座に回転検出部30
7によって回転量が検出されるので、モータ5,6の駆動量
の差分だけいずれか一方のモータを多く駆動すること
で、回転修正を実行することができる。

一方、Ｘ−Ｙステージ２をＸ方向に駆動する場合に
は、Ｘ方向用リニアDCモータ４をＸ方向に駆動すると共
に、Ｙ方向の駆動部であるモータ5,6に対して、Ｙ方向
に変位しないように前記位置検出部305,回転検出部307
よりサーボをかける。この結果、Ｘ方向で離れた位置に
設定されたモータ5,6にてＹ方向の移動がないように制
御しているので、Ｘ−Ｙステージ２はＹ方向にずれるこ
となく、しかも回転することなくＸ方向用のモータ４の
駆動力にのみ基づきＸ方向に高精度に駆動することがで
きる。なお、上記各モータ4,5,6の制御の詳細について
は後述する。

次に、前述した原点出しを行う前に必ず必要となるＸ
−Ｙステージ２の傾きの補正方法の一例について説明す
る。

第15図（Ａ），（Ｂ）はリニアDCモータに傾き補正用
のコイルを追加して補正を行う場合の一例を示してい
る。すなわち、永久磁石21の作る磁束の中に駆動用コイ
ル22とは別に、セトリング用コイル51及び52を第15図
（Ａ），（Ｂ）のように形成する。そして、それぞれの
コイルに53,54に示した方向に電流を流すと、コイル51,
52は磁束30により力を受けて、ストローク中心位置すな
わち第15図のようにコイルと磁石との間にＹ方向の偏り
がなくなった状態で安定し、したがって、この状態でＸ
−Ｙステージ２が安定する（ただし、Ｘ方向にはストロ
ーク内でどこに動くか分からない）。

このように構成したリニアDCモータをＹ方向用リニア
DCモータ５と回転制御用リニアDCモータ６に採用し、両
者に上記のようなセトリング動作を行うことによりＸ−
Ｙステージ２の傾きが補正できる。

次に、駆動方法の他の例として、第16図（Ａ）（Ｂ）
に、リニア誘導モータ60により行う場合の一例を示す。

ステータ61をステージベース１上に設け、導体板64と
磁性体板65とで構成されるムーバ62をＸ−Ｙステージ２
上に設ける。

ステータ61は、溝加工された軟鉄ヨーク63の溝部にコ
イル66a,67a,68a,66b,67b,68bを第16図（Ａ），（Ｂ）
のように巻いて構成される。コイル66aと66b,67aと67b,
68aと68bは、それぞれ同相の電流を流すコイルであり、
これらにそれぞれ第17図の76,77,78に示したような120
゜だけ位相をずらした交流電流を流すことにより、ステ
ータ61とムーバ62との間に直接的に移動する進行磁界が
発生する。

この進行磁界がムーバ62を構成する導体板64の中に渦
電流を誘導し、これと磁界との作用で矢印69に示す方向
に力を発生する。

なお、ムーバ62を構成する磁性体板65は、磁束の通り
道を成すものである。

このようなリニア誘導モータ60においては、ムーバ側
は電気的にも磁気的にも極性を持たないので、第16図に
おいてムーバ62は磁界を発生する軟鉄ヨーク63の平面的
な面積よりも、Ｘ−Ｙステージ２のX,Yストローク分だ
けそれぞれの方向に大きい面積を持っているだけで、矢
印69の方向にそのストローク内で均一な力を発生し、か
つ、矢印70の方向には拘束力を待たない一方向用のリニ
ア誘導モータ60を実現できる。

このようなリニア誘導モータ60を、上記リニアDCモー
タと同様に３箇所に配置することで、２次元駆動用と回
転制御用のリニア誘導モータを構成することができる。

なお、リニア誘導モータは、第16図に示したような構
成のものの他、ムーバを導体板のみとしてコイルを挾み
込むような構成のものなど、種々の構成を採用し得る。

また、リニア誘導モータを用いた場合にも、前記のよ
うに原点出しを行う前にＸ−Ｙステージ２の傾きの補正
を行う必要があるが、これには前記の例と同様に永久磁
石とセトリング用コイルを別に設けて補正する方法やそ
の他の種々の方法が適用される。

次に、上記実施例のＸ−Ｙステージの制御系の一例
を、第18図を参照して説明する。

本例は第１図に示すＸ−Ｙステージ２を制御する場合
のものであり、第18図は１軸のみの制御系を示してい
る。

まず、Ｘ軸制御用の制御系について説明する。

本制御系は、エンコーダ信号処理部411,ディジタル制
御部412,アナログ制御部413,パワーアンプ部119により
構成されている。

本例のＸ−Ｙステージ２は、その位置検出器として90
゜位相の異なった２相の正弦波出力のリニアエンコーダ
を用いている。また、リニアDCモータは、パワーアンプ
部119の出力電流をコイル120の電流とし、そのコイル電
流に比例した推力を発生するものである。

第18図において、リニアエンコーダ101の出力信号20
1,202は、エンコーダ信号処理部411に入力され、増幅器
102,103によって所要の振幅に増幅された後、８分割回
路105および位相シフト回路104に入力される。

前記８分割回路105は、正弦波信号203（又は204）の1
/8周期毎に１クロック時間のパルスを発生する。８分割
回路105は、２つの出力205及び206を持っており、例え
ば正方向進行中には205に、負方向進行中には206にパル
スが出力される。

したがって、10μｍ当たり１周期の正弦波を発生する
リニアエンコーダ101を使用した場合、８分割回路105の
出力パルス間のＸ−Ｙステージ２の進行距離は1.25μｍ
であり、進行方向はパルスが出力される信号線によって
認識できる。すなわち、205にパルスが出力された場合
には、Ｘ−Ｙステージ２は正方向に1.25μｍ進み、206
にパルスが出力された場合には、負方向に1.25μｍ進ん
だことになる。

なお、エンコーダ信号とパルスとの関係は第19図に示
す通りである。

位相シフト回路104は、２相正弦波信号203,204と、CP
U121から出力される目標位置に関する位相信号207,208
とから、目標位置に負の勾配のゼロクロス点をもつ正弦
波信号209を合成する。

目標位置を含むエンコーダ信号の1/8周期長及びその
前後の1/8周期長の範囲をアナログゾーンといい、アナ
ログ制御部413によって制御を行う。

また、アナログゾーン外の範囲をディジタルゾーンと
いい、ディジタル制御部412によって制御を行う。

ディジタル制御部412について説明すると、CPU121か
ら目標位置が指令されると、エンコーダ信号の1/8周期
長を単位とした位置の整数部が目標位置レジスタ109に
保持される。また、目標位置に負の勾配を持つ正弦波信
号209が位相シフト回路104から出力される。

以下、具体例を持って説明すると、目標位置を例えば
ｘ＝1001μｍとし、１周期10μｍのリニアエンコーダ10
1を使用すると、その1/8周期は1.25μｍであり、1001μ
ｍを1.25μｍで割った商800がCPU121の出力信号210とし
て出力され、前記目標位置レジスタ109に保持される。
また、位相シフト回路から−sin（ｘ−１）２π/10なる
信号が上記正弦波信号209として出力される。これは、
ｘ＝1001μｍの位置に負の勾配のゼロクロス点をもつ正
弦波である。この場合には、ｘ＝998.75〜1002.5μｍの
3.75μｍの範囲がアナログゾーンであり、その外の範囲
がディジタルゾーンとなる。

現在位置カウンタ107は、上記８分割回路105の出力信
号205及び206のパルスをカウントすることにより、Ｘ−
Ｙステージ２の現在位置を常に更新出力する。比較回路
108は、目標位置と現在位置との差を常に更新出力す
る。また、現在位置がアナログゾーンに入った場合、つ
まり比較回路108が−1,0,1のいずれかの場合に、制御切
り換えスイッチ122により制御をアナログ制御部413に切
り換える。

ROM111は、目標位置と現在位置との差に応じたＸ−Ｙ
ステージ２の目標速度が書き込まれる。そして、比較回
路108の出力に応じてこのROM111から目標速度を読み出
し、それをD/Aコンバータ112によりD/A変換し、電圧出
力とする。速度カウンタ106は、信号205又は206のパル
ス間のクロック数をカウントし、その逆数をとることに
よりディジタル速度を算出する。このディジタル速度信
号は、D/Aコンバータ110によりD/A変換され、電圧出力
となる。目標速度及びディジタル速度の電圧出力は、加
算器113に入力される。この加算器113の出力は、スイッ
チ122を通りパワーアンプ119により電圧−電流交換さ
れ、コイル120へのコイル電流212となり、Ｘ−Ｙステー
ジ２の駆動力を発生する。目標速度信号とディジタル速
度信号は、逆の特性を持ち、ディジタル速度が目標速度
に一致するようにコイル電流は制御される。

現在位置がアナログゾーン入ると、スイッチ122によ
り制御をアナログ制御部413に切り換える。

アナログ制御部413について説明すると、アナログ制
御は目標位置に負の勾配のゼロクロス点を持つ正弦波信
号209を利用し、そのゼロクロス点すなわち目標位置に
Ｘ−Ｙステージ２を整定させる。

波形整形回路114は、信号209を非線形増幅回路を利用
してアナログゾーン内でリニアな波形211に整形する。
これによって目標位置からの変位をリニアな電圧として
検出することができる。比例増幅器115,微分増幅器116,
積分増幅器117は、上記のようなリニアな波形に対して
公知のPID制御を施すものである。加算器118は、その出
力がスイッチ122を通りパワーアンプ119によって電圧−
電流変換され、コイル120へのコイル電流となってＸ軸
の駆動力を発生するものである。

これによって、Ｘ−Ｙステージ２を上記波形のゼロク
ロス点つまり目標位置に整定させる。

以上Ｘ軸制御用の制御系を示したが、本例のＸ−Ｙス
テージ２では、Ｘ軸の他にＹ軸方向の制御のために、Ｙ
軸用モータと回転制御用モータ及びそれぞれの位置を検
出するエンコーダがあり、これもＸ軸と同様に制御する
必要がある。

Ｙ軸制御用モータと回転制御用モータの制御系は基本
的には前記Ｘ軸制御用と同一であるが、以下に異なる点
のみを示す。

すなわち、Ｘ−Ｙステージ２が正常に動作するために
は、Ｘ−Ｙステージ２の傾き（X,Y軸のいずれか）があ
る範囲内に収まっている必要があり、そのために回転制
御を行う構成となっている。したがって、Ｘ−Ｙステー
ジ２がイニシャライズ（原点出し）のシーケンスを行っ
た後、Ｙ軸用モータと回転制御用モータとは常に同期し
て駆動するように制御されなければならない。そのた
め、両軸の現在位置を示すカウンタ（第18図に示すカウ
ンタ107に相当する）の値の差を常に検出し、それがゼ
ロになるように制御する。

第20図にＹ軸と回転制御軸を同期をとりながら駆動す
るための回転制御系の一例を示す。

同図に示すように、Ｙ軸駆動系の現在位置カウンタ50
1と、回転制御系の現在位置カウンタ502が設けられ、こ
の両カウンタ501,502のカウント値の差分を算出する減
算器505が設けられ、Ｙ軸及び回転制御軸のそれぞれの
現在位置の差からＸ−Ｙステージ２の回転を検出するよ
うになっている。また、減算器505の出力はD/Aコンバー
タ507に入力され、Ｘ−Ｙステージ２の回転量がアナロ
グ電圧に変換されるようになっていて、このアナログ電
圧は加算器510に出力される。

また、前述したＸ軸と同様に、比較回路503,ROM506,D
/Aコンバータ508,速度カウンタ504,D/Aコンバータ509が
設けられ、前述したＸ軸制御系との相違点として、加算
器510に回転量のアナログ電圧が加わっている。

なお、ROM506にはＹ軸の目標速度と同一のパターンが
書き込まれており、Ｙ軸と回転制御軸を同期をとりなが
ら駆動することが可能となっている。また、第20図のブ
ロック図は回転制御系のディジタル制御部のみであり、
Ｙ軸の制御系はＸ軸のものと同一であり、また、回転制
御系の上記ブロック図に示した以外の構成は、Ｘ軸のも
のと同一である。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によればＸ−Ｙステージ
のX,Y方向のガイドを要せずに高精度でX,Y方向への２次
元駆動を実行することができ、ガイドレスのＸ−Ｙステ
ージの位置精度は直接駆動系自体の位置決め精度と同一
となり、従来のようにガイドのずれなどの機械的な位置
ずれが生じないので、位置決め精度と直交度とを大幅に
向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるＸ−Ｙテーブルの平
面図、 第２図は、第１図に示すＸ−Ｙテーブルの検出器を透過
型光学式エンコーダで構成した一例を示す概略断面図、 第３図は、エンコーダメインスケール上のパターンの一
例を示す概略説明図、 第４図は、原点パターンを構成するスリット列の並べ方
の一例を示す概略説明図、 第５図は、メインスケールとサブスケールとの位置関係
を示す概略説明図、 第６図は、サブスケールのパターン配置の一例を示す概
略説明図、 第７図は、原点パターンのみによる原点信号の出力の一
例を示す特性図、 第８図は、エンコーダの原点信号出力を示す特性図、 第９図は、Ｘ−Ｙステージの検出器を反射型光学式エン
コーダとした場合の一例を示す概略断面図、 第10図は、Ｘ−Ｙステージの直接的な位置検出にレーザ
測長機を採用した場合の構成例を示す平面図、 第11図は、Ｘ−Ｙステージの駆動部をリニアDCモータで
構成した場合の断面図、 第12図，第13図は、リニアDCモータのコイルと磁石との
位置関係を説明するための平面図、 第14図は、第12図，第13図のように配置した場合の永久
磁石の磁束密度の分布を示す特性図、 第15図は、セトリングを行うためのセトリング用コイル
の構成を示す概略説明図、 第16図は、リニア誘導モータの構成の一例を示す概略説
明図、 第17図は、同上リニア誘導モータの各コイルへ流す電流
の関係を示す特性図、 第18図は、リニアDCモータ用いた場合のＸ−Ｙステージ
の一軸の制御系のブロック図、 第19図は、第17図の回路中のエンコーダ信号とパルスと
の関係を示す特性図、 第20図は、回転制御系のディジタル制御部の一例を示す
ブロック図である。 １……ステージベース、 ２……Ｘ−Ｙステージ、 ４……第１の駆動部、 ５……第２の駆動部、 ６……第３の駆動部、 60……リニア誘導モータ、 81〜86……レーザ測長機、 300……検出部、 303……メインスケール、 305……位置検出器、 307……回転検出器、 325……サブスケール、 326……受光素子、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ステージベースに対してＺ方向の平面ガイ
   ドによって支持されたＸ−Ｙステージと、 このＸ−ＹステージのX,Y方向位置及び回転量を検出す
   る検出部と、 ２次元駆動される上記Ｘ−Ｙステージ対して、それぞれ
   位置を変えて平面的に配置され、X,Y方向にそれぞれ直
   接に駆動力を発生する第１の駆動部，第２の駆動部と、 上記Ｘ−Ｙステージの回転駆動のために直接に駆動力を
   発生する第３の駆動部とを有し、 Ｘ−ＹステージのX,Y方向のガイドを設けずにＸ−Ｙス
   テージをテーブル駆動することを特徴とするガイドレス
   Ｘ−Ｙテーブル。