磁束センサおよび磁束センサを備えた平面ステージ
【課題】サーフェスモータステージ装置等を使った平面ステージにおいて、移動体の移動距離を測定するために、軽量安価でかつ構造が簡単な磁束センサを備えた平面ステージを提供すること。
【解決手段】磁性体からなる凸極が等間隔で形成されたプラテン８と、プラテン８上に浮上して移動する移動体２と、移動体２を制御する制御部９とを備えた平面ステージ１において、移動体２に、磁性体からなり、プラテン８の凸極のピッチの整数倍のピッチを有し、かつ前記凸極の幅と同じ幅を有する複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段とを備え、前記櫛歯状部の凸部をプラテン８に対向するように配置した磁束センサ７を設け、制御部９は、前記磁束測定手段で測定された出力に基づいて、移動体２の移動距離を算出することを特徴とする平面ステージである。
【解決手段】磁性体からなる凸極が等間隔で形成されたプラテン８と、プラテン８上に浮上して移動する移動体２と、移動体２を制御する制御部９とを備えた平面ステージ１において、移動体２に、磁性体からなり、プラテン８の凸極のピッチの整数倍のピッチを有し、かつ前記凸極の幅と同じ幅を有する複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段とを備え、前記櫛歯状部の凸部をプラテン８に対向するように配置した磁束センサ７を設け、制御部９は、前記磁束測定手段で測定された出力に基づいて、移動体２の移動距離を算出することを特徴とする平面ステージである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁束センサおよび磁束センサを備えた平面ステージに係わり、特に、プラテン上に非接触で移動する移動体の移動距離を非接触で測定する磁束センサを備えた平面ステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１および特許文献２に示すように、碁盤目状に強磁性体の凸極が設けられている平面状のプラテン上に、移動体をエアーにより浮上させ、移動体に磁力を印加して、移動体とプラテンの凸極との間の磁力を変化させることにより移動体を移動するように構成した平面ステージが知られている。
上記平面ステージにおいて、移動体の一方の面は、ワークを載置するためのワークステージとなるため、精度良く平面加工されている。他方の面には、直交する座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する磁極と、エアーを吹き出すエアーパッドが設けられている。
移動体の磁極とエアーパッドはプラテンの凸極に向き合うように配置され、移動体はエアーの作用により浮上する。この状態で移動体の磁極に移動磁界を発生させ、磁極とプラテンの凸極との間の磁界を変化させることにより、移動体がプラテン上を移動する。
なお、このような構成を有する装置は、サーフェスモータステージ装置やソーヤモータステージ装置などと称されることもある。
【０００３】
このような平面ステージは、従来のボールネジを用いた構成のステージ装置などとは異なり、Ｘステージ、Ｙステージおよびθステージと複数のステージを重ね合わせることなく、プラテンの平面よりなる１つのステージ上において移動体をＸＹ方向の移動およびＸＹ平面に垂直な軸の周りを回転させることができる。
そのため、近年、複数の露光領域に分割されたワークを分割された領域順に移動して露光する逐次（ステップ・アンド・リピート）露光装置のワークステージに適用することが検討されている。ワークステージとして平面ステージを用いた露光装置においては、ワークステージの構成が単純なものとなることから、装置の小型軽量化を図ることができると期待されている。
【０００４】
上記平面ステージの動作原理を、図６および図７を用いて簡単に説明する。図６は、平面ステージを構成する複数の凸極を有するプラテン１０と磁極を有する移動子２０を示す断面図、図７は、移動子２０の磁極に巻かれたコイルに流す電流のタイミングチャートである。なお、図７の±はコイルに流す電流方向を示しており、また、図７の電流のパターンは一例であり、正弦波で表わされるような滑らかに電流を変えるものでもよい。
図６に示すように、プラテン１０は、平面板状であり、また、強磁性体の凸極１１，１２，…が碁盤目状に設けられている。凸極と凸極の間は非磁性体１０ａで埋められている。移動子２０の磁路中には、永久磁石２１が取り付けられており、これにより移動子２０に設けられた４つの磁極２２ａ〜２２ｄには、ＮまたはＳの磁極が発生する。
磁極２２ａ〜２２ｄには、コイル２３ａ，２３ｂが巻かれており、電流が流されると各磁極２２ａ〜２２ｄは電磁石となる。永久磁石２１の作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が同じであれば、磁力は強め合う。永久磁石２１の作る磁界と電磁石が作る磁界が反対であれば、磁力は打ち消される。
【０００５】
磁極２２ａと磁極２２ｂとではコイル２３ａが反対方向に巻かれている。そのため、磁極２２ａにおいて永久磁石２１の作る磁界と同じ方向の磁界が発生し、磁力が強め合う場合、磁極２２ｂには、永久磁石２１の作る磁界と反対方向の磁界が発生し、磁力は打ち消される。磁極２２ｃと磁極２２ｄも同様である。 移動子２０の磁極２２ａ〜２２ｄは、プラテン１０の凸極１１，１２，…に対向して置かれる。移動子２０はエアーを吹き出すエアーパッドの作用により、プラテン１０から浮き上がっているが、図６においてはエアーパッドは省略されている。
移動子２０の上面がワークを載置する面となる。移動子２０に直接ワークを載置する場合もあるが、移動子２０の上面に平面のワークステージを置き、その上にワークを載置する場合もある。
【０００６】
磁極２２ａ〜２２ｄに巻かれた各コイル２３ａ，２３ｂに図示しない駆動回路から、以下の順序で電流を流すことにより移動磁界が発生し、図６において、移動子２０が左右方向に移動する。以下に、移動子２０が図面右方向に移動する動作原理について説明する。
【０００７】
（１）ＳＴＥＰ１：移動子２０の磁極２２ａ，２２ｂ側のコイル２３ａに、図７に示すように、磁極２２ａの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｃ，２２ｄのコイル２３ｂには電流を流さない。磁極２２ａは磁力が強められるので、プラテン１０の凸極１１と強く引き合い、磁極２２ａと凸極１１とが対向する位置になる。磁極２２ｂは磁力が打ち消され、凸極１２と凸極１３の間の非磁性体上に位置する。磁極２２ｃと磁極２２ｄは、それぞれ斜め方向の凸極１４、１６と引き合う。
【０００８】
（２）ＳＴＥＰ２：図７に示すように磁極２２ａ，２２ｂのコイル２３ａの電流を止め、磁極２２ｃ，２２ｄ側のコイル２３ｂに、磁極２２ｄの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｄは凸極１６と強く引き合い、磁極２２ｃは磁力を打ち消され、凸極１４と引き合わなくなる。そのため、磁極２２ｄが凸極１６と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。磁極２２ａと磁極２２ｂは、それぞれ斜め方向の凸極１１、１３と引き合う。
【０００９】
（３）ＳＴＥＰ３：図７に示すように磁極２２ｃ，２２ｄのコイル２３ｂの電流を止め、磁極２２ａ，２２ｂ側のコイル２３ａに、今度は磁極２２ｂの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｂは凸極１３と強く引き合い、磁極２２ａは磁力を打ち消され、凸極１１と引き合わなくなる。磁極２２ｂが凸極１３と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。
【００１０】
（４）ＳＴＥＰ４：図７に示すように磁極２２ａ，２２ｂのコイル２３ａの電流を止め、磁極２２ｃ，２２ｄ側のコイル２３ｂに、磁極２２ｃの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｃは凸極１５と強く引き合い、磁極２２ｄは磁力を打ち消され、凸極１６と引き合わなくなる。磁極２２ｃが凸極１５と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。
なお、ＳＴＥＰ４の位置に移動後、図７のＳＴＥＰ４に示すようにコイル２３ｂに電流を流し続けることで、移動子２０をＳＴＥＰ４の位置に保持させることができる。
【００１１】
図８に示すように、プラテン１０に形成された凸極の間隔をａとすると、各磁極２２ａ〜２２ｄに形成された凸極の間隔はａ、磁極２２ａと磁極２２ｂおよび磁極２２ｃと磁極２２ｄの間隔は２ａ、磁極２２ｂと磁極２２ｃの間隔は２．５ａである。このように構成することにより、図６に示したように、磁極２２ａと磁極２２ｂがプラテン２０の凸極と対向しているとき、磁極２２ｃと磁極２２ｄの一部（この例では１／２）がプラテン１０の凸極と対向している。
【００１２】
図９は、直交するＸＹ方向に移動できるように４個の移動子２０ａ〜２０ｄをワークステージなどの移動体３０に設けた場合の構成を示す図であり、図９（ａ）は、プラテン１０上を移動する移動体３０をプラテン１０と対向する面側から見た図、図９（ｂ）は、移動体３０をプラテン１０の平面と平行な方向、すなわち、図９（ａ）のＰ−Ｐ方向から見た図である。なお、これらの図においては、移動子２０を凸極の連続体として示しているが、実際には図６や図８に示した構成を有している。また、図９（ｂ）では、プラテン１０に設けられた凸極は省略されている。
図９（ａ）に示すように、移動体３０の四隅にはエアーを吹き出すエアーパッド４０が設けられている。このエアーパッド４０から吹き出すエアーがプラテン１０の表面に当たり、移動体３０がプラテン１０に対して浮上する。
【００１３】
図９（ａ）に示すように、移動子２０ａ〜２０ｄは、移動体３０の中心から直交するＸＹ方向の４ケ所に設けられている。移動子２０ａ，２０ｂは、移動体３０をＸ方向（図９（ａ）の左右方向）に移動させるための移動子であり、Ｙ軸上の２ケ所（同図上下）に設けられる。移動子２０ｃ，２０ｄは、移動体３０をＹ方向（図９（ａ）の上下方向）に移動させるための移動子でありＸ軸上の２ケ所（同図左右）に設けられる。
各移動子２０ａ〜２０ｄは、Ｘ方向移動用の移動子２０ａ，２０ｂの磁極には図中左右方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子２０ａ，２０ｂにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体３０はＸ方向に移動する。また、Ｙ方向移動用の移動子２０ｃ，２０ｄの磁極には図中上下方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子２０ｃ，２０ｄにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体３０はＹ方向に移動する。
【００１４】
このような移動体３０を有するステージを、逐次露光装置のワークステージとして使用する場合には、ＸＹ方向の移動のみでは不十分で、ステージをステージ面に垂直な軸の回りに回転させる（このような回転を以下θ回転という）ことが必要である。
移動体３０をθ回転させるためには、例えば、移動体３０の移動子２０ｃと移動子２０ｄの磁界の移動方向を逆方向にする。そうすると、移動体３０の移動子２０ｃ側と移動子２０ｄ側とでは、移動方向が反対になるので、移動体３０はθ回転する。移動子２０ａと移動子２０ｂの磁界の移動方向を逆方向しても、同様に移動体３０をθ回転させることができる。
【００１５】
上記に示した平面ステージは、例えば、露光装置のワークステージとして利用される。その場合、例えば、移動体の上に真空吸着機構を設け、ウエハやプリント基板等のワークを載置して保持し、移動体を逐次移動させることにより、ワーク上の露光位置を変えて露光する処理が行われる。
このように、平面ステージが、露光装置のワークステージとして用いられる場合、ワークを載置した移動体を正確に精度よく移動させなければならない。そのために、移動体の移動距離をセンサーで測定して、移動体の移動距離をフイードバック制御しなければならない。
【００１６】
移動体の移動距離を測定する手段にはいろいろな方法があるが、サーフェスモータステージ装置（ソーヤモータステージ装置）は、移動体がプラテンに対してエアー浮上しており非接触で、摺動部がないため低発塵ということが特徴を有しているので、移動距離を測定するセンサも非接触式のものが使われる。従来、このようなセンサとして測長用レーザが用いられてきた。
【００１７】
図１０および図１１に、移動体の移動距離を測定するセンサとして測長用レーザを用いた場合のワークステージ（平面ステージ）の構成を示す。図１０（ａ）はワークステージの斜視図、図１０（ｂ）はワークステージの側面図、図１１は図１０（ａ），（ｂ）に示すスワークステージを上から見た平面図である。なお、図１１においてはワークは省略されており、また、図１０（ａ），（ｂ）および図１１においてはプラテンが省略されている。
これらの図に示すように、移動体３０の下面には移動子２０が取り付けられている。移動体３０の上部には、ウエハやプリント基板等のワーク７０を吸着保持する真空吸着溝５１が形成されたワーク保持ステージ５０が取り付けられている。また、ワーク保持ステージ５０の表面には、平面ミラー６１が平面方向（ＸＹ両方向）に設けられている。さらに、平面ステージ（ワークステージ）外の基準位置にレーザ測長器６２が固定して設けられ、レーザ測長器６２から、ワーク保持ステージ５０の平面ミラー６１に向かって測長レーザを出射し、平面ミラー６１からの反射光をレーザ測長器６２に入射して距離を測定する。
レーザ測長器６２は、レーザ測長器６２から出射するレーザ光と、対象物から反射して戻って来て再入射するレーザ光の位相のずれにより、対象物までの距離を測定するものであり、一般に市販されている。レーザ光源としては主としてＨｅ−Ｎｅレーザが用いられる。
【００１８】
ワークステージは、移動体３０の移動後、レーザ測長器６２によりＸ方向とＹ方向の移動距離が測定され、測定された移動距離情報がフィードバックされることにより、移動距離の誤差を修正する制御が行われる。
なお、特許文献３には、上記に示すような構成の平面ステージをワークステージとして備えた露光装置が示されている。同文献には、上記のような、ワークステージにミラーが取り付けられ、ワークステージとは独立した位置からレーザ光をミラーに対して出射し、測長する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２３６８９号公報
【特許文献２】特開２００６−１４９０５１号公報
【特許文献３】特開平７−２２６３５４号公報
【特許文献４】特開２００６−１９４６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上記に示すような測長用レーザ６２を用いる方法には、次のような問題がある。ワーク保持ステージ５０上に設けられる平面ミラー６１の長さは、移動体３０のストローク（移動する距離）分だけ長くする必要がある。一方、例えば、露光処理を行うワークは、大型のプリント基板や液晶パネルの場合、ウエハに比べて大きく、これをステップ＆リピートで露光する場合、ワーク保持ステージ５０は大きくなり、移動体３０の移動距離も長くなる。したがって、大型のワークをステップ＆リピートで露光する装置のワーク保持ステージ５０に平面ミラー６１を設けるとなると、平面ミラー６１はその分長くなって重くなり、そのためワークステージ全体も重くなる。ワークステージの重さが重くなると、ワークステージはステップ＆リピートのための素早い移動や、素早い位置決めが困難になる。また大型の移動機構や移動制御装置が必要になる。
【００２０】
なお、特許文献４ には、移動体側に軽量の測長用レーザを設けることが示されているが、測長用レーザを反射するための、移動ステージのストロークに対応した長さのミラーが必要となり、ミラーの表面は高精度の平面性も要求されるので、ミラーの製造コストがかかる。また、測長用レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザの場合も、特許文献４に記載の半導体レーザの場合も、やや高価であり、装置のコストアップにつながる。
非接触式のセンサとして、静電センサはレーザ測長器に比べて小型軽量であるので、静電センサを用いることも考えられるが、測長センサとして用いるためには、高周波電源や高周波電流測定器が必要となり、構造が複雑になる問題がある。
【００２１】
本発明の目的は、移動体の移動距離を測定するために、軽量安価でかつ構造が簡単な磁束センサを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、サーフェスモータステージ装置（ソーヤモータステージ装置）を使った平面ステージにおいて、移動体の移動距離を測定するために、軽量安価でかつ構造が簡単な磁束センサを備えた平面ステージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、磁性体からなる複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段と、を備えたことを特徴とする磁束センサである。
第２の手段は、磁性体からなる凸極が等間隔で形成されたプラテンと、該プラテン上に浮上して移動する移動体と、該移動体を制御する制御部とを備えた平面ステージにおいて、前記移動体に、磁性体からなり、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍のピッチを有し、かつ前記凸極の幅と同じ幅を有する複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段とを備え、前記櫛歯状部の凸部を前記プラテンに対向するように配置した磁束センサを設け、前記制御部は、前記磁束測定手段で測定された出力に基づいて、前記移動体の移動距離を算出することを特徴とする平面ステージである。
第３の手段は、第２の手段において、前記磁束センサが、前記移動体が移動する方向に２個配列され、該２個の磁束センサの櫛歯状部間が、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍でない距離隔てられていることを特徴とする平面ステージである。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に記載の発明によれば、移動体の移動距離を測定するために、軽量安価でかつ構造が簡単な磁束センサを実現することができる。
請求項２に記載の発明によれば、磁束センサにより移動距離の測定は、平面ステージの移動体を移動させるために形成されているプラテンの凸極を利用して行うので、移動体の距離測定用のセンサに対応して、新たな部品をステージやステージに搭載する装置を設ける必要がなく、距離測定用のために、磁束センサ以外の構成が増えることを防ぎ、かつ平面ステージの軽量化、低コスト化を図ることができる。
請求項３に記載の発明によれば、磁束センサにより移動距離の測定を精度良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施形態を図１ないし図５を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る平面ステージの概略構成を示す図であり、図１（ａ）は平面ステージの側面図、図１（ｂ）は平面ステージの平面図である。
これらの図において、１は平面ステージ、２はプラテン８上を移動する移動体、３は移動体３の下面にプラテン８に対向するように設けられる移動子、４はプラテン８に対して移動体２をエアー浮上するために設けられるエアー吹出部、５はワーク１０を保持するワーク保持ステージ、６はワーク保持ステージ５の上面に設けられワーク１０を吸着保持するために設けられた真空吸着溝、７は移動体２のＸ方向およびＹ方向の両側面にそれぞれ取り付けられた移動体２の移動距離を測定するための磁束センサ、８はプラテン、９は磁束センサ７で測定された出力に基づいて、移動体２の移動距離を算出し、移動体２の移動距離をフィードバック制御する制御部、１０はワークである。
【００２５】
これらの図に示すように、平面ステージ１は大凡移動体２とプラテン８とから構成され、移動体２の移動方向であるＸ方向とＹ方向とに、移動体２のそれぞれの方向の移動距離を測定するための磁束センサ７が取り付けられている。また、制御部９は、移動体２を所定の距離移動する移動指令信号を移動体２に出力し、移動体２を移動させる。また、制御部９は移動体２に取り付けられた磁束センサ７からの出力信号を入力し、移動体２の移動距離を算出し、移動体２の移動をフィードバック制御する。
【００２６】
図２は、移動体２に取り付けられる磁束センサ７とプラテン８の構成を拡大して示した図であり、図２（ａ）はその側面図、図２（ｂ）はその斜視図である。なお、図２（ｂ）に示されるプラテン８は１軸移動の場合のプラテンの構成を示しており、２軸移動の場合のプラテンは格子状溝で構成される。
同図において、７１，７２はそれぞれ磁束センサ７を構成する第１の磁束センサおよび第２の磁束センサ、１１は材質が、例えば、鉄などの磁性体からなる櫛歯状部、１２は、永久磁石または電磁石で構成され、櫛歯状部１１に磁束を発生させる磁束発生部、１３は、ホール素子などで構成され、櫛歯状部１１の磁束を測定する磁束測定部、１４は櫛歯状部１１の端部に形成される凸部、１５はプラテン８上面に形成される凸極、１６は凸極１５間に形成される非磁性体からなる樹脂部である。
【００２７】
これらの図に示すように、第１および第２の磁束センサ７１，７２は、それぞれ主として櫛歯状部１１、磁束発生部１２、および磁束測定部１３の３つの部分から構成される。櫛歯状部１１は、プラテン８の凸極１５のピッチｄと同じピッチであり、かつ凸極１５の幅と同じ幅で設けられた複数の凸部１４を有する。凸部１４は、プラテン８の凸極１５と対向して設けられる。なお、櫛歯状部１１の凸部１４のピッチは、プラテン８の凸極１５のピッチｄの整数倍（２倍、３倍…）でもよい。磁束測定部１３で用いられるホール素子は、磁力を電圧に変換して出力するセンサであり、磁力が大きくなる（磁気抵抗が小さくなる）と出力電圧は大きくなり、磁力が小さくなる（磁気抵抗が大きくなる）と出力電圧は小さくなる。このようなホール素子は櫛歯状部１１の磁路中に埋め込まれる。
【００２８】
磁束センサ７は第１および第２の磁束センサ７１，７２の２個を１組として、移動体２に、移動体２が移動する１方向に対して取り付けられる。即ち、移動体２がＸ方向とＹ方向に直交移動するなら、Ｘ方向とＹ方向とにそれぞれ取り付けられる。なお、ここで、磁束センサの個数の考え方は、櫛歯状部と磁束発生部と磁束測定部とが一式になったものを１個として考える。具体的には、磁束測定部、例えばホール素子の数が、磁束センサの個数に対応する。第１および第２の磁束センサ７１，７２の櫛歯状部１１の間隔Ｄは、プラテン８の凸極１５のピッチｄに対してずらした距離であり、プラテン８の凸極１５のピッチの整数倍でない間隔を空けて設けられる。例えば、図２（ａ）に示すように、Ｄ＝０．７５×ｄである。
なお、磁束センサ７は、移動体２を移動させるために、移動体２の下面に取り付けられている移動子の磁気に影響されないように、移動子から離れた位置である移動体２の外側に設けられる。移動体２がプラテン８上を移動すると、磁束センサ７もプラテン８上を移動する。
【００２９】
次に、移動体２の移動距離の測定原理について説明する。
図３（ａ）、（ｂ）は、移動体２の移動に伴って磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４と、プラテン８の凸極１５の位置関係の変化を示す図である。
なお、同図においては、１軸方向の移動のみを示しており、移動体２が２軸方向に移動する場合は、磁束センサ７はこれと直交する方向（紙面手前奥方向）にも設けられる。
これらの図に示すように、磁束センサ７は移動体２に取り付けられ、移動体２の移動に伴いプラテン８上を移動する。磁束センサ７の櫛歯状部１１には磁束発生部１２が設けられ磁束を発生している。なお、磁束センサ７の櫛歯状部１１は簡略化して２個の凸部１４が設けられており、そのピッチはプラテン８の凸極１５のピッチの２倍である。
【００３０】
図３（ａ）は、櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の凸極１５と対向している状態を示している。このとき、磁束を発生している櫛歯状部１１の凸部１４は、プラテン８の凸極１５と引き合い、両者の間で強い磁力が発生する。即ち、櫛歯状部１１およびプラテン８を含む磁路中の磁気抵抗は低くなり、櫛歯状部１１に設けられた磁束測定部１３で測定される磁束は大きくなり出力電圧は大きくなる。
図３（ｂ）は、移動体２が図面右方向に移動し、櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の樹脂部１６と対向している状態を示している。このとき、櫛歯状部１１の凸部１４は磁性体でない樹脂部１６とは引き合わないので、両者間の磁力は弱くなる。即ち、櫛歯状部１１およびプラテン８を含む磁路中の磁気抵抗は大きくなり、櫛歯状部１１に設けた磁束測定部１３で測定される磁束は小さくなり出力電圧は小さくなる。
【００３１】
即ち、磁束センサ７の磁束測定部１３からの出力電圧は、図３（ａ）の櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の凸極１５と完全に対向しているとき最大となり、図３（ｂ）の櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の樹脂部１６と完全に対向しているとき最小となる。また、櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の凸極１５と樹脂部１６の中間（図３（ａ）と図３（ｂ）の中間）にあるとき、磁束測定部１３から出力される出力電圧は図３（ａ）のときの出力と図３（ｂ）のときの出力の中間となる。
従って、磁束センサ７の磁束測定部１３からの出力電圧を記録し、仮に、電圧が最大なる位置から最小になる位置までの移動体２が移動したとすれば、その移動距離は、プラテン８の凸極１５のピッチの半分の距離ということになる。また、同様に、電圧が最大の位置から最小の位置を通り越して再び最大になる位置まで移動体が移動したとすれば、移動体２は、プラテン８の凸極１５のピッチ分移動したということになる。
【００３２】
次に、移動する磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４と、プラテン８の凸極１５との位置関係の変化を図４を用いて具体的に説明する。なお、ここでは、プラテン８は、２軸移動の場合を示しており、凸極１５は格子状に形成されている。
図４（ａ）は、Ｘ方向の磁束を測定する磁束センサ７をＸ方向から見た側面図であり、図４（ｂ）は前記磁束センサ７をＹ方向から見た側面図である
図４（ａ）に示すように、プラテン８の凸極１５のピッチｄ１は５ｍｍであり、凸極１５と樹脂部１６の幅ｗ１は２．５ｍｍである。一方、櫛歯状部１１の凸部１４のピッチｄ２は、プラテン８の凸極１５のピッチを合わせた５ｍｍであり、また、櫛歯状部１１の凸部１４の幅ｗｘは、磁束センサ７が移動距離を測定する方向（Ｘ方向）に対して、プラテン８の凸極１５の幅ｗ１と同じ２．５ｍｍである。このように、櫛歯状部１１の凸部１４のピッチｄ２と幅ｗｘを、プラテン８の凸極１５のピッチｄ１と幅ｗ１に合わせることが必須である。
一方、図４（ｂ）に示すように、櫛歯状部１１の凸部１４の幅について、移動距離を測定する方向（Ｘ方向）に対して直交方向（Ｙ方向）に対しては、プラテン８の凸極１５の幅と樹脂部１６の幅を足した５ｍｍ（１ピッチ分）である。その理由は、移動体２がその磁束センサ７が移動距離を測定しない方向に移動するとき、磁束センサ７からの出力に変化が生じないようにするためである。
【００３３】
次に、磁束センサ７に磁束測定部１３から出力される出力電圧の最大値と最小値を通過しないような微小な移動の際の移動距離測定について説明する。
図５は、図２において、移動体２の移動に伴う磁束センサ７の移動に伴って、第１の磁束センサ７１に設けられた磁束測定部１３および第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３から出力される出力電圧を示す図である。
ここで、予め磁束測定部１３からの出力電圧が、例えば、最大値である＋０．５Ｖ時は０ｍｍ、０Ｖ時は１．２５ｍｍ、最小値である−０．５Ｖ時は２．５ｍｍというように、磁束測定部１３からの出力電圧に対する位置データを、平面ステージ１の制御部９に記憶させておくことによって、磁束測定部１３からの出力電圧に基づいて、移動体２の位置を求めることができる。
【００３４】
しかし、図５から分かるように、磁束センサ７が１個であると、例えば、磁束測定部１３からの出力電圧が０Ｖの時の位置データは１．２５ｍｍと３．７５ｍｍとが存在するため、磁束測定部１３からの出力電圧に対して移動体２の位置が１個所に決まらない。
そのため、図２に示すように、磁束センサ７を、移動体２の一軸方向に第１および第２の磁束センサ７１，７２を設ける。この２個の磁束センサ７１，７２の櫛歯状部１１間の間隔Ｄを、プラテン８の凸極１５のピッチｄに対してずらして、プラテン８の凸極１５のピッチの整数倍ではない距離隔てて設ける。
磁束センサ７をこのように構成することにより、２個の磁束センサ７１，７２の磁束測定部１３から出力される出力電圧に位相差が生じる。２個の磁束センサ７１，７２の磁束測定部１３の出力電圧に位相差が生ずれば、２つの出力電圧を比較することにより、位置が１個所に決まる。
【００３５】
例えば、第１の磁束センサ７１の磁束測定部１３からの出力電圧が０Ｖであり、その値の時の位置データが１．２５ｍｍと３．７５ｍｍの２つがあっても、第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３からの出力電圧は、位置データが１．２５ｍｍであれば、＋０．５Ｖ、３．７５ｍｍであれば−０．５Ｖと異なる。従って、第１および第２の磁束センサ７１，７２のそれぞれの磁束測定部１３からの出力電圧に対する位置データを、予め平面ステージ１の制御部９に記憶させておけば、位置を１個所に決定することができる。
その結果、第１の磁束センサ７１の磁束測定部１３からの出力電圧が０Ｖの時、第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３からの出力電圧がプラスなら、位置は１．２５ｍｍであり、第１の磁束センサ７１の磁束測定部１３の出力電圧が０Ｖの時、第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３からの出力電圧がマイナスなら、位置は３．７５ｍｍとなる。
【００３６】
平面ステージ１の制御部９は、移動体２を所定の距離移動させる移動指令信号を出力し、移動体２を移動する。移動体２が移動すると、制御部９は、磁束センサ７からの出力信号に基づいて、上記のようにして移動体２の移動距離を求める。求められた移動距離に基づき、移動体２の移動をフィードバック制御する。
なお、上記では、Ｘ方向の移動について説明したが、Ｙ方向の移動についても、Ｙ方向の移動距離を測定する磁束センサ７により、同様にして移動距離を求めることができる。その際、上記したように、Ｘ方向の移動距離を測定する磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４の幅は、Ｙ方向については、プラテン８の凸極１５と樹脂部１６の幅を足したものである。そのため、移動体２がＹ方向に移動する時は、Ｘ方向の移動距離を測定する磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４は、常にプラテン８の凸極１５と向かい合っており磁束に変化を生じず、磁束センサ７からの出力は変化しない。
このように構成することにより、例えば、移動体２がＹ方向に移動している時、Ｘ方向の移動距離を測定する磁束センサ７からの出力が変化すると、制御部９がＸ方向にも移動していると誤検出することがあるので、これを防ぐことができる。
【００３７】
上記のごとく、本実施形態の発明によれば、磁束センサにより移動距離の測定は、平面ステージの移動体（移動子）を移動させるために形成されているプラテンの凸極を利用して行っている。即ち、プラテンを移動体（移動子）の移動と移動距離の測定に共用したことに特徴がある。従って、移動体の距離測定用のセンサに対応して、新たな部品をステージやステージに搭載する装置を設ける必要がない。先にも述べたように、従来の側長レーザを用いる場合はレーザを反射する反射ミラーが必要になる。しかし、本発明によれば、側長レーザによる方式で必要とされるミラーに対応する部品を新たに設ける必要がない。従って、距離測定用のために、磁束センサ以外の構成が増えることを防ぎ、かつ平面ステージの軽量化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る平面ステージの概略構成を示す図である。
【図２】移動体２に取り付けられる磁束センサ７とプラテン８の構成を拡大して示した図である。
【図３】移動体２の移動に伴って磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４と、プラテン８の凸極１５の位置関係の変化を示す図である。
【図４】Ｘ方向の磁束を測定する磁束センサ７をＸ方向およびＹ方向から見た図である
【図５】図２において、移動体２の移動に伴う磁束センサ７の移動に伴って、第１の磁束センサ７１に設けられた磁束測定部１３および第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３から出力される出力電圧を示す図である。
【図６】平面ステージを構成する複数の凸極を有するプラテン１０と磁極を有する移動子２０を示す断面図である。
【図７】移動子２０の磁極に巻かれたコイルに流す電流のタイミングチャートである。
【図８】移動子２０の磁極の構成を示す図である。
【図９】直交するＸＹ方向に移動できるように４個の移動子２０ａ〜２０ｄをワークステージなどの移動体３０に設けた場合の構成を示す図である。
【図１０】移動体の移動距離を測定するセンサとして測長用レーザを用いた場合のワークステージ（平面ステージ）の構成を示す斜視図および側面図である。
【図１１】移動体の移動距離を測定するセンサとして測長用レーザを用いた場合のワークステージ（平面ステージ）の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 平面ステージ
２ 移動体
３ 移動子
４ エアー吹出部
５ ワーク保持ステージ
６ 真空吸着溝
７ 磁束センサ
７１ 第１の磁束センサ
７２ 第２の磁束センサ
８ プラテン
９ 制御部
１０ ワーク
１１ 櫛歯状部
１２ 磁束発生部
１３ 磁束測定部
１４ 櫛歯状部１１の端部に形成される凸部
１５ プラテン８上面に形成される凸極
１６ 凸極１５間に形成される樹脂部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁束センサおよび磁束センサを備えた平面ステージに係わり、特に、プラテン上に非接触で移動する移動体の移動距離を非接触で測定する磁束センサを備えた平面ステージに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１および特許文献２に示すように、碁盤目状に強磁性体の凸極が設けられている平面状のプラテン上に、移動体をエアーにより浮上させ、移動体に磁力を印加して、移動体とプラテンの凸極との間の磁力を変化させることにより移動体を移動するように構成した平面ステージが知られている。
上記平面ステージにおいて、移動体の一方の面は、ワークを載置するためのワークステージとなるため、精度良く平面加工されている。他方の面には、直交する座標軸の各軸方向に移動磁界を発生する磁極と、エアーを吹き出すエアーパッドが設けられている。
移動体の磁極とエアーパッドはプラテンの凸極に向き合うように配置され、移動体はエアーの作用により浮上する。この状態で移動体の磁極に移動磁界を発生させ、磁極とプラテンの凸極との間の磁界を変化させることにより、移動体がプラテン上を移動する。
なお、このような構成を有する装置は、サーフェスモータステージ装置やソーヤモータステージ装置などと称されることもある。
【０００３】
このような平面ステージは、従来のボールネジを用いた構成のステージ装置などとは異なり、Ｘステージ、Ｙステージおよびθステージと複数のステージを重ね合わせることなく、プラテンの平面よりなる１つのステージ上において移動体をＸＹ方向の移動およびＸＹ平面に垂直な軸の周りを回転させることができる。
そのため、近年、複数の露光領域に分割されたワークを分割された領域順に移動して露光する逐次（ステップ・アンド・リピート）露光装置のワークステージに適用することが検討されている。ワークステージとして平面ステージを用いた露光装置においては、ワークステージの構成が単純なものとなることから、装置の小型軽量化を図ることができると期待されている。
【０００４】
上記平面ステージの動作原理を、図６および図７を用いて簡単に説明する。図６は、平面ステージを構成する複数の凸極を有するプラテン１０と磁極を有する移動子２０を示す断面図、図７は、移動子２０の磁極に巻かれたコイルに流す電流のタイミングチャートである。なお、図７の±はコイルに流す電流方向を示しており、また、図７の電流のパターンは一例であり、正弦波で表わされるような滑らかに電流を変えるものでもよい。
図６に示すように、プラテン１０は、平面板状であり、また、強磁性体の凸極１１，１２，…が碁盤目状に設けられている。凸極と凸極の間は非磁性体１０ａで埋められている。移動子２０の磁路中には、永久磁石２１が取り付けられており、これにより移動子２０に設けられた４つの磁極２２ａ〜２２ｄには、ＮまたはＳの磁極が発生する。
磁極２２ａ〜２２ｄには、コイル２３ａ，２３ｂが巻かれており、電流が流されると各磁極２２ａ〜２２ｄは電磁石となる。永久磁石２１の作る磁界と電磁石が作る磁界の方向が同じであれば、磁力は強め合う。永久磁石２１の作る磁界と電磁石が作る磁界が反対であれば、磁力は打ち消される。
【０００５】
磁極２２ａと磁極２２ｂとではコイル２３ａが反対方向に巻かれている。そのため、磁極２２ａにおいて永久磁石２１の作る磁界と同じ方向の磁界が発生し、磁力が強め合う場合、磁極２２ｂには、永久磁石２１の作る磁界と反対方向の磁界が発生し、磁力は打ち消される。磁極２２ｃと磁極２２ｄも同様である。 移動子２０の磁極２２ａ〜２２ｄは、プラテン１０の凸極１１，１２，…に対向して置かれる。移動子２０はエアーを吹き出すエアーパッドの作用により、プラテン１０から浮き上がっているが、図６においてはエアーパッドは省略されている。
移動子２０の上面がワークを載置する面となる。移動子２０に直接ワークを載置する場合もあるが、移動子２０の上面に平面のワークステージを置き、その上にワークを載置する場合もある。
【０００６】
磁極２２ａ〜２２ｄに巻かれた各コイル２３ａ，２３ｂに図示しない駆動回路から、以下の順序で電流を流すことにより移動磁界が発生し、図６において、移動子２０が左右方向に移動する。以下に、移動子２０が図面右方向に移動する動作原理について説明する。
【０００７】
（１）ＳＴＥＰ１：移動子２０の磁極２２ａ，２２ｂ側のコイル２３ａに、図７に示すように、磁極２２ａの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｃ，２２ｄのコイル２３ｂには電流を流さない。磁極２２ａは磁力が強められるので、プラテン１０の凸極１１と強く引き合い、磁極２２ａと凸極１１とが対向する位置になる。磁極２２ｂは磁力が打ち消され、凸極１２と凸極１３の間の非磁性体上に位置する。磁極２２ｃと磁極２２ｄは、それぞれ斜め方向の凸極１４、１６と引き合う。
【０００８】
（２）ＳＴＥＰ２：図７に示すように磁極２２ａ，２２ｂのコイル２３ａの電流を止め、磁極２２ｃ，２２ｄ側のコイル２３ｂに、磁極２２ｄの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｄは凸極１６と強く引き合い、磁極２２ｃは磁力を打ち消され、凸極１４と引き合わなくなる。そのため、磁極２２ｄが凸極１６と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。磁極２２ａと磁極２２ｂは、それぞれ斜め方向の凸極１１、１３と引き合う。
【０００９】
（３）ＳＴＥＰ３：図７に示すように磁極２２ｃ，２２ｄのコイル２３ｂの電流を止め、磁極２２ａ，２２ｂ側のコイル２３ａに、今度は磁極２２ｂの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｂは凸極１３と強く引き合い、磁極２２ａは磁力を打ち消され、凸極１１と引き合わなくなる。磁極２２ｂが凸極１３と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。
【００１０】
（４）ＳＴＥＰ４：図７に示すように磁極２２ａ，２２ｂのコイル２３ａの電流を止め、磁極２２ｃ，２２ｄ側のコイル２３ｂに、磁極２２ｃの磁力を強めるように電流を流す。磁極２２ｃは凸極１５と強く引き合い、磁極２２ｄは磁力を打ち消され、凸極１６と引き合わなくなる。磁極２２ｃが凸極１５と対向するように、移動子２０は同図右方向に移動する。
なお、ＳＴＥＰ４の位置に移動後、図７のＳＴＥＰ４に示すようにコイル２３ｂに電流を流し続けることで、移動子２０をＳＴＥＰ４の位置に保持させることができる。
【００１１】
図８に示すように、プラテン１０に形成された凸極の間隔をａとすると、各磁極２２ａ〜２２ｄに形成された凸極の間隔はａ、磁極２２ａと磁極２２ｂおよび磁極２２ｃと磁極２２ｄの間隔は２ａ、磁極２２ｂと磁極２２ｃの間隔は２．５ａである。このように構成することにより、図６に示したように、磁極２２ａと磁極２２ｂがプラテン２０の凸極と対向しているとき、磁極２２ｃと磁極２２ｄの一部（この例では１／２）がプラテン１０の凸極と対向している。
【００１２】
図９は、直交するＸＹ方向に移動できるように４個の移動子２０ａ〜２０ｄをワークステージなどの移動体３０に設けた場合の構成を示す図であり、図９（ａ）は、プラテン１０上を移動する移動体３０をプラテン１０と対向する面側から見た図、図９（ｂ）は、移動体３０をプラテン１０の平面と平行な方向、すなわち、図９（ａ）のＰ−Ｐ方向から見た図である。なお、これらの図においては、移動子２０を凸極の連続体として示しているが、実際には図６や図８に示した構成を有している。また、図９（ｂ）では、プラテン１０に設けられた凸極は省略されている。
図９（ａ）に示すように、移動体３０の四隅にはエアーを吹き出すエアーパッド４０が設けられている。このエアーパッド４０から吹き出すエアーがプラテン１０の表面に当たり、移動体３０がプラテン１０に対して浮上する。
【００１３】
図９（ａ）に示すように、移動子２０ａ〜２０ｄは、移動体３０の中心から直交するＸＹ方向の４ケ所に設けられている。移動子２０ａ，２０ｂは、移動体３０をＸ方向（図９（ａ）の左右方向）に移動させるための移動子であり、Ｙ軸上の２ケ所（同図上下）に設けられる。移動子２０ｃ，２０ｄは、移動体３０をＹ方向（図９（ａ）の上下方向）に移動させるための移動子でありＸ軸上の２ケ所（同図左右）に設けられる。
各移動子２０ａ〜２０ｄは、Ｘ方向移動用の移動子２０ａ，２０ｂの磁極には図中左右方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子２０ａ，２０ｂにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体３０はＸ方向に移動する。また、Ｙ方向移動用の移動子２０ｃ，２０ｄの磁極には図中上下方向に移動させるための磁界が発生し、両移動子２０ｃ，２０ｄにおける磁界の移動方向が同じであれば、移動体３０はＹ方向に移動する。
【００１４】
このような移動体３０を有するステージを、逐次露光装置のワークステージとして使用する場合には、ＸＹ方向の移動のみでは不十分で、ステージをステージ面に垂直な軸の回りに回転させる（このような回転を以下θ回転という）ことが必要である。
移動体３０をθ回転させるためには、例えば、移動体３０の移動子２０ｃと移動子２０ｄの磁界の移動方向を逆方向にする。そうすると、移動体３０の移動子２０ｃ側と移動子２０ｄ側とでは、移動方向が反対になるので、移動体３０はθ回転する。移動子２０ａと移動子２０ｂの磁界の移動方向を逆方向しても、同様に移動体３０をθ回転させることができる。
【００１５】
上記に示した平面ステージは、例えば、露光装置のワークステージとして利用される。その場合、例えば、移動体の上に真空吸着機構を設け、ウエハやプリント基板等のワークを載置して保持し、移動体を逐次移動させることにより、ワーク上の露光位置を変えて露光する処理が行われる。
このように、平面ステージが、露光装置のワークステージとして用いられる場合、ワークを載置した移動体を正確に精度よく移動させなければならない。そのために、移動体の移動距離をセンサーで測定して、移動体の移動距離をフイードバック制御しなければならない。
【００１６】
移動体の移動距離を測定する手段にはいろいろな方法があるが、サーフェスモータステージ装置（ソーヤモータステージ装置）は、移動体がプラテンに対してエアー浮上しており非接触で、摺動部がないため低発塵ということが特徴を有しているので、移動距離を測定するセンサも非接触式のものが使われる。従来、このようなセンサとして測長用レーザが用いられてきた。
【００１７】
図１０および図１１に、移動体の移動距離を測定するセンサとして測長用レーザを用いた場合のワークステージ（平面ステージ）の構成を示す。図１０（ａ）はワークステージの斜視図、図１０（ｂ）はワークステージの側面図、図１１は図１０（ａ），（ｂ）に示すスワークステージを上から見た平面図である。なお、図１１においてはワークは省略されており、また、図１０（ａ），（ｂ）および図１１においてはプラテンが省略されている。
これらの図に示すように、移動体３０の下面には移動子２０が取り付けられている。移動体３０の上部には、ウエハやプリント基板等のワーク７０を吸着保持する真空吸着溝５１が形成されたワーク保持ステージ５０が取り付けられている。また、ワーク保持ステージ５０の表面には、平面ミラー６１が平面方向（ＸＹ両方向）に設けられている。さらに、平面ステージ（ワークステージ）外の基準位置にレーザ測長器６２が固定して設けられ、レーザ測長器６２から、ワーク保持ステージ５０の平面ミラー６１に向かって測長レーザを出射し、平面ミラー６１からの反射光をレーザ測長器６２に入射して距離を測定する。
レーザ測長器６２は、レーザ測長器６２から出射するレーザ光と、対象物から反射して戻って来て再入射するレーザ光の位相のずれにより、対象物までの距離を測定するものであり、一般に市販されている。レーザ光源としては主としてＨｅ−Ｎｅレーザが用いられる。
【００１８】
ワークステージは、移動体３０の移動後、レーザ測長器６２によりＸ方向とＹ方向の移動距離が測定され、測定された移動距離情報がフィードバックされることにより、移動距離の誤差を修正する制御が行われる。
なお、特許文献３には、上記に示すような構成の平面ステージをワークステージとして備えた露光装置が示されている。同文献には、上記のような、ワークステージにミラーが取り付けられ、ワークステージとは独立した位置からレーザ光をミラーに対して出射し、測長する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平９−２３６８９号公報
【特許文献２】特開２００６−１４９０５１号公報
【特許文献３】特開平７−２２６３５４号公報
【特許文献４】特開２００６−１９４６７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、上記に示すような測長用レーザ６２を用いる方法には、次のような問題がある。ワーク保持ステージ５０上に設けられる平面ミラー６１の長さは、移動体３０のストローク（移動する距離）分だけ長くする必要がある。一方、例えば、露光処理を行うワークは、大型のプリント基板や液晶パネルの場合、ウエハに比べて大きく、これをステップ＆リピートで露光する場合、ワーク保持ステージ５０は大きくなり、移動体３０の移動距離も長くなる。したがって、大型のワークをステップ＆リピートで露光する装置のワーク保持ステージ５０に平面ミラー６１を設けるとなると、平面ミラー６１はその分長くなって重くなり、そのためワークステージ全体も重くなる。ワークステージの重さが重くなると、ワークステージはステップ＆リピートのための素早い移動や、素早い位置決めが困難になる。また大型の移動機構や移動制御装置が必要になる。
【００２０】
なお、特許文献４ には、移動体側に軽量の測長用レーザを設けることが示されているが、測長用レーザを反射するための、移動ステージのストロークに対応した長さのミラーが必要となり、ミラーの表面は高精度の平面性も要求されるので、ミラーの製造コストがかかる。また、測長用レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザの場合も、特許文献４に記載の半導体レーザの場合も、やや高価であり、装置のコストアップにつながる。
非接触式のセンサとして、静電センサはレーザ測長器に比べて小型軽量であるので、静電センサを用いることも考えられるが、測長センサとして用いるためには、高周波電源や高周波電流測定器が必要となり、構造が複雑になる問題がある。
【００２１】
本発明の目的は、移動体の移動距離を測定するために、軽量安価でかつ構造が簡単な磁束センサを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、サーフェスモータステージ装置（ソーヤモータステージ装置）を使った平面ステージにおいて、移動体の移動距離を測定するために、軽量安価でかつ構造が簡単な磁束センサを備えた平面ステージを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本願発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、磁性体からなる複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段と、を備えたことを特徴とする磁束センサである。
第２の手段は、磁性体からなる凸極が等間隔で形成されたプラテンと、該プラテン上に浮上して移動する移動体と、該移動体を制御する制御部とを備えた平面ステージにおいて、前記移動体に、磁性体からなり、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍のピッチを有し、かつ前記凸極の幅と同じ幅を有する複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段とを備え、前記櫛歯状部の凸部を前記プラテンに対向するように配置した磁束センサを設け、前記制御部は、前記磁束測定手段で測定された出力に基づいて、前記移動体の移動距離を算出することを特徴とする平面ステージである。
第３の手段は、第２の手段において、前記磁束センサが、前記移動体が移動する方向に２個配列され、該２個の磁束センサの櫛歯状部間が、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍でない距離隔てられていることを特徴とする平面ステージである。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に記載の発明によれば、移動体の移動距離を測定するために、軽量安価でかつ構造が簡単な磁束センサを実現することができる。
請求項２に記載の発明によれば、磁束センサにより移動距離の測定は、平面ステージの移動体を移動させるために形成されているプラテンの凸極を利用して行うので、移動体の距離測定用のセンサに対応して、新たな部品をステージやステージに搭載する装置を設ける必要がなく、距離測定用のために、磁束センサ以外の構成が増えることを防ぎ、かつ平面ステージの軽量化、低コスト化を図ることができる。
請求項３に記載の発明によれば、磁束センサにより移動距離の測定を精度良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の一実施形態を図１ないし図５を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係る平面ステージの概略構成を示す図であり、図１（ａ）は平面ステージの側面図、図１（ｂ）は平面ステージの平面図である。
これらの図において、１は平面ステージ、２はプラテン８上を移動する移動体、３は移動体３の下面にプラテン８に対向するように設けられる移動子、４はプラテン８に対して移動体２をエアー浮上するために設けられるエアー吹出部、５はワーク１０を保持するワーク保持ステージ、６はワーク保持ステージ５の上面に設けられワーク１０を吸着保持するために設けられた真空吸着溝、７は移動体２のＸ方向およびＹ方向の両側面にそれぞれ取り付けられた移動体２の移動距離を測定するための磁束センサ、８はプラテン、９は磁束センサ７で測定された出力に基づいて、移動体２の移動距離を算出し、移動体２の移動距離をフィードバック制御する制御部、１０はワークである。
【００２５】
これらの図に示すように、平面ステージ１は大凡移動体２とプラテン８とから構成され、移動体２の移動方向であるＸ方向とＹ方向とに、移動体２のそれぞれの方向の移動距離を測定するための磁束センサ７が取り付けられている。また、制御部９は、移動体２を所定の距離移動する移動指令信号を移動体２に出力し、移動体２を移動させる。また、制御部９は移動体２に取り付けられた磁束センサ７からの出力信号を入力し、移動体２の移動距離を算出し、移動体２の移動をフィードバック制御する。
【００２６】
図２は、移動体２に取り付けられる磁束センサ７とプラテン８の構成を拡大して示した図であり、図２（ａ）はその側面図、図２（ｂ）はその斜視図である。なお、図２（ｂ）に示されるプラテン８は１軸移動の場合のプラテンの構成を示しており、２軸移動の場合のプラテンは格子状溝で構成される。
同図において、７１，７２はそれぞれ磁束センサ７を構成する第１の磁束センサおよび第２の磁束センサ、１１は材質が、例えば、鉄などの磁性体からなる櫛歯状部、１２は、永久磁石または電磁石で構成され、櫛歯状部１１に磁束を発生させる磁束発生部、１３は、ホール素子などで構成され、櫛歯状部１１の磁束を測定する磁束測定部、１４は櫛歯状部１１の端部に形成される凸部、１５はプラテン８上面に形成される凸極、１６は凸極１５間に形成される非磁性体からなる樹脂部である。
【００２７】
これらの図に示すように、第１および第２の磁束センサ７１，７２は、それぞれ主として櫛歯状部１１、磁束発生部１２、および磁束測定部１３の３つの部分から構成される。櫛歯状部１１は、プラテン８の凸極１５のピッチｄと同じピッチであり、かつ凸極１５の幅と同じ幅で設けられた複数の凸部１４を有する。凸部１４は、プラテン８の凸極１５と対向して設けられる。なお、櫛歯状部１１の凸部１４のピッチは、プラテン８の凸極１５のピッチｄの整数倍（２倍、３倍…）でもよい。磁束測定部１３で用いられるホール素子は、磁力を電圧に変換して出力するセンサであり、磁力が大きくなる（磁気抵抗が小さくなる）と出力電圧は大きくなり、磁力が小さくなる（磁気抵抗が大きくなる）と出力電圧は小さくなる。このようなホール素子は櫛歯状部１１の磁路中に埋め込まれる。
【００２８】
磁束センサ７は第１および第２の磁束センサ７１，７２の２個を１組として、移動体２に、移動体２が移動する１方向に対して取り付けられる。即ち、移動体２がＸ方向とＹ方向に直交移動するなら、Ｘ方向とＹ方向とにそれぞれ取り付けられる。なお、ここで、磁束センサの個数の考え方は、櫛歯状部と磁束発生部と磁束測定部とが一式になったものを１個として考える。具体的には、磁束測定部、例えばホール素子の数が、磁束センサの個数に対応する。第１および第２の磁束センサ７１，７２の櫛歯状部１１の間隔Ｄは、プラテン８の凸極１５のピッチｄに対してずらした距離であり、プラテン８の凸極１５のピッチの整数倍でない間隔を空けて設けられる。例えば、図２（ａ）に示すように、Ｄ＝０．７５×ｄである。
なお、磁束センサ７は、移動体２を移動させるために、移動体２の下面に取り付けられている移動子の磁気に影響されないように、移動子から離れた位置である移動体２の外側に設けられる。移動体２がプラテン８上を移動すると、磁束センサ７もプラテン８上を移動する。
【００２９】
次に、移動体２の移動距離の測定原理について説明する。
図３（ａ）、（ｂ）は、移動体２の移動に伴って磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４と、プラテン８の凸極１５の位置関係の変化を示す図である。
なお、同図においては、１軸方向の移動のみを示しており、移動体２が２軸方向に移動する場合は、磁束センサ７はこれと直交する方向（紙面手前奥方向）にも設けられる。
これらの図に示すように、磁束センサ７は移動体２に取り付けられ、移動体２の移動に伴いプラテン８上を移動する。磁束センサ７の櫛歯状部１１には磁束発生部１２が設けられ磁束を発生している。なお、磁束センサ７の櫛歯状部１１は簡略化して２個の凸部１４が設けられており、そのピッチはプラテン８の凸極１５のピッチの２倍である。
【００３０】
図３（ａ）は、櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の凸極１５と対向している状態を示している。このとき、磁束を発生している櫛歯状部１１の凸部１４は、プラテン８の凸極１５と引き合い、両者の間で強い磁力が発生する。即ち、櫛歯状部１１およびプラテン８を含む磁路中の磁気抵抗は低くなり、櫛歯状部１１に設けられた磁束測定部１３で測定される磁束は大きくなり出力電圧は大きくなる。
図３（ｂ）は、移動体２が図面右方向に移動し、櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の樹脂部１６と対向している状態を示している。このとき、櫛歯状部１１の凸部１４は磁性体でない樹脂部１６とは引き合わないので、両者間の磁力は弱くなる。即ち、櫛歯状部１１およびプラテン８を含む磁路中の磁気抵抗は大きくなり、櫛歯状部１１に設けた磁束測定部１３で測定される磁束は小さくなり出力電圧は小さくなる。
【００３１】
即ち、磁束センサ７の磁束測定部１３からの出力電圧は、図３（ａ）の櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の凸極１５と完全に対向しているとき最大となり、図３（ｂ）の櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の樹脂部１６と完全に対向しているとき最小となる。また、櫛歯状部１１の凸部１４がプラテン８の凸極１５と樹脂部１６の中間（図３（ａ）と図３（ｂ）の中間）にあるとき、磁束測定部１３から出力される出力電圧は図３（ａ）のときの出力と図３（ｂ）のときの出力の中間となる。
従って、磁束センサ７の磁束測定部１３からの出力電圧を記録し、仮に、電圧が最大なる位置から最小になる位置までの移動体２が移動したとすれば、その移動距離は、プラテン８の凸極１５のピッチの半分の距離ということになる。また、同様に、電圧が最大の位置から最小の位置を通り越して再び最大になる位置まで移動体が移動したとすれば、移動体２は、プラテン８の凸極１５のピッチ分移動したということになる。
【００３２】
次に、移動する磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４と、プラテン８の凸極１５との位置関係の変化を図４を用いて具体的に説明する。なお、ここでは、プラテン８は、２軸移動の場合を示しており、凸極１５は格子状に形成されている。
図４（ａ）は、Ｘ方向の磁束を測定する磁束センサ７をＸ方向から見た側面図であり、図４（ｂ）は前記磁束センサ７をＹ方向から見た側面図である
図４（ａ）に示すように、プラテン８の凸極１５のピッチｄ１は５ｍｍであり、凸極１５と樹脂部１６の幅ｗ１は２．５ｍｍである。一方、櫛歯状部１１の凸部１４のピッチｄ２は、プラテン８の凸極１５のピッチを合わせた５ｍｍであり、また、櫛歯状部１１の凸部１４の幅ｗｘは、磁束センサ７が移動距離を測定する方向（Ｘ方向）に対して、プラテン８の凸極１５の幅ｗ１と同じ２．５ｍｍである。このように、櫛歯状部１１の凸部１４のピッチｄ２と幅ｗｘを、プラテン８の凸極１５のピッチｄ１と幅ｗ１に合わせることが必須である。
一方、図４（ｂ）に示すように、櫛歯状部１１の凸部１４の幅について、移動距離を測定する方向（Ｘ方向）に対して直交方向（Ｙ方向）に対しては、プラテン８の凸極１５の幅と樹脂部１６の幅を足した５ｍｍ（１ピッチ分）である。その理由は、移動体２がその磁束センサ７が移動距離を測定しない方向に移動するとき、磁束センサ７からの出力に変化が生じないようにするためである。
【００３３】
次に、磁束センサ７に磁束測定部１３から出力される出力電圧の最大値と最小値を通過しないような微小な移動の際の移動距離測定について説明する。
図５は、図２において、移動体２の移動に伴う磁束センサ７の移動に伴って、第１の磁束センサ７１に設けられた磁束測定部１３および第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３から出力される出力電圧を示す図である。
ここで、予め磁束測定部１３からの出力電圧が、例えば、最大値である＋０．５Ｖ時は０ｍｍ、０Ｖ時は１．２５ｍｍ、最小値である−０．５Ｖ時は２．５ｍｍというように、磁束測定部１３からの出力電圧に対する位置データを、平面ステージ１の制御部９に記憶させておくことによって、磁束測定部１３からの出力電圧に基づいて、移動体２の位置を求めることができる。
【００３４】
しかし、図５から分かるように、磁束センサ７が１個であると、例えば、磁束測定部１３からの出力電圧が０Ｖの時の位置データは１．２５ｍｍと３．７５ｍｍとが存在するため、磁束測定部１３からの出力電圧に対して移動体２の位置が１個所に決まらない。
そのため、図２に示すように、磁束センサ７を、移動体２の一軸方向に第１および第２の磁束センサ７１，７２を設ける。この２個の磁束センサ７１，７２の櫛歯状部１１間の間隔Ｄを、プラテン８の凸極１５のピッチｄに対してずらして、プラテン８の凸極１５のピッチの整数倍ではない距離隔てて設ける。
磁束センサ７をこのように構成することにより、２個の磁束センサ７１，７２の磁束測定部１３から出力される出力電圧に位相差が生じる。２個の磁束センサ７１，７２の磁束測定部１３の出力電圧に位相差が生ずれば、２つの出力電圧を比較することにより、位置が１個所に決まる。
【００３５】
例えば、第１の磁束センサ７１の磁束測定部１３からの出力電圧が０Ｖであり、その値の時の位置データが１．２５ｍｍと３．７５ｍｍの２つがあっても、第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３からの出力電圧は、位置データが１．２５ｍｍであれば、＋０．５Ｖ、３．７５ｍｍであれば−０．５Ｖと異なる。従って、第１および第２の磁束センサ７１，７２のそれぞれの磁束測定部１３からの出力電圧に対する位置データを、予め平面ステージ１の制御部９に記憶させておけば、位置を１個所に決定することができる。
その結果、第１の磁束センサ７１の磁束測定部１３からの出力電圧が０Ｖの時、第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３からの出力電圧がプラスなら、位置は１．２５ｍｍであり、第１の磁束センサ７１の磁束測定部１３の出力電圧が０Ｖの時、第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３からの出力電圧がマイナスなら、位置は３．７５ｍｍとなる。
【００３６】
平面ステージ１の制御部９は、移動体２を所定の距離移動させる移動指令信号を出力し、移動体２を移動する。移動体２が移動すると、制御部９は、磁束センサ７からの出力信号に基づいて、上記のようにして移動体２の移動距離を求める。求められた移動距離に基づき、移動体２の移動をフィードバック制御する。
なお、上記では、Ｘ方向の移動について説明したが、Ｙ方向の移動についても、Ｙ方向の移動距離を測定する磁束センサ７により、同様にして移動距離を求めることができる。その際、上記したように、Ｘ方向の移動距離を測定する磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４の幅は、Ｙ方向については、プラテン８の凸極１５と樹脂部１６の幅を足したものである。そのため、移動体２がＹ方向に移動する時は、Ｘ方向の移動距離を測定する磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４は、常にプラテン８の凸極１５と向かい合っており磁束に変化を生じず、磁束センサ７からの出力は変化しない。
このように構成することにより、例えば、移動体２がＹ方向に移動している時、Ｘ方向の移動距離を測定する磁束センサ７からの出力が変化すると、制御部９がＸ方向にも移動していると誤検出することがあるので、これを防ぐことができる。
【００３７】
上記のごとく、本実施形態の発明によれば、磁束センサにより移動距離の測定は、平面ステージの移動体（移動子）を移動させるために形成されているプラテンの凸極を利用して行っている。即ち、プラテンを移動体（移動子）の移動と移動距離の測定に共用したことに特徴がある。従って、移動体の距離測定用のセンサに対応して、新たな部品をステージやステージに搭載する装置を設ける必要がない。先にも述べたように、従来の側長レーザを用いる場合はレーザを反射する反射ミラーが必要になる。しかし、本発明によれば、側長レーザによる方式で必要とされるミラーに対応する部品を新たに設ける必要がない。従って、距離測定用のために、磁束センサ以外の構成が増えることを防ぎ、かつ平面ステージの軽量化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る平面ステージの概略構成を示す図である。
【図２】移動体２に取り付けられる磁束センサ７とプラテン８の構成を拡大して示した図である。
【図３】移動体２の移動に伴って磁束センサ７の櫛歯状部１１の凸部１４と、プラテン８の凸極１５の位置関係の変化を示す図である。
【図４】Ｘ方向の磁束を測定する磁束センサ７をＸ方向およびＹ方向から見た図である
【図５】図２において、移動体２の移動に伴う磁束センサ７の移動に伴って、第１の磁束センサ７１に設けられた磁束測定部１３および第２の磁束センサ７２の磁束測定部１３から出力される出力電圧を示す図である。
【図６】平面ステージを構成する複数の凸極を有するプラテン１０と磁極を有する移動子２０を示す断面図である。
【図７】移動子２０の磁極に巻かれたコイルに流す電流のタイミングチャートである。
【図８】移動子２０の磁極の構成を示す図である。
【図９】直交するＸＹ方向に移動できるように４個の移動子２０ａ〜２０ｄをワークステージなどの移動体３０に設けた場合の構成を示す図である。
【図１０】移動体の移動距離を測定するセンサとして測長用レーザを用いた場合のワークステージ（平面ステージ）の構成を示す斜視図および側面図である。
【図１１】移動体の移動距離を測定するセンサとして測長用レーザを用いた場合のワークステージ（平面ステージ）の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 平面ステージ
２ 移動体
３ 移動子
４ エアー吹出部
５ ワーク保持ステージ
６ 真空吸着溝
７ 磁束センサ
７１ 第１の磁束センサ
７２ 第２の磁束センサ
８ プラテン
９ 制御部
１０ ワーク
１１ 櫛歯状部
１２ 磁束発生部
１３ 磁束測定部
１４ 櫛歯状部１１の端部に形成される凸部
１５ プラテン８上面に形成される凸極
１６ 凸極１５間に形成される樹脂部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体からなる複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、
前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、
前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段と、
を備えたことを特徴とする磁束センサ。
【請求項２】
磁性体からなる凸極が等間隔で形成されたプラテンと、該プラテン上に浮上して移動する移動体と、該移動体を制御する制御部とを備えた平面ステージにおいて、
前記移動体に、
磁性体からなり、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍のピッチを有し、かつ前記凸極の幅と同じ幅を有する複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段とを備え、前記櫛歯状部の凸部を前記プラテンに対向するように配置した磁束センサを設け、
前記制御部は、前記磁束測定手段で測定された出力に基づいて、前記移動体の移動距離を算出することを特徴とする平面ステージ。
【請求項３】
前記磁束センサは、前記移動体が移動する方向に２個配列され、該２個の磁束センサの櫛歯状部間が、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍でない距離隔てられていることを特徴とする請求項２に記載の平面ステージ。
【請求項１】
磁性体からなる複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、
前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、
前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段と、
を備えたことを特徴とする磁束センサ。
【請求項２】
磁性体からなる凸極が等間隔で形成されたプラテンと、該プラテン上に浮上して移動する移動体と、該移動体を制御する制御部とを備えた平面ステージにおいて、
前記移動体に、
磁性体からなり、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍のピッチを有し、かつ前記凸極の幅と同じ幅を有する複数の凸部を有する櫛歯状部が形成された磁性体本体と、前記櫛歯状部に磁束を発生させる磁束発生手段と、前記櫛歯状部の磁束の変化を測定し、その結果を出力する磁束測定手段とを備え、前記櫛歯状部の凸部を前記プラテンに対向するように配置した磁束センサを設け、
前記制御部は、前記磁束測定手段で測定された出力に基づいて、前記移動体の移動距離を算出することを特徴とする平面ステージ。
【請求項３】
前記磁束センサは、前記移動体が移動する方向に２個配列され、該２個の磁束センサの櫛歯状部間が、前記プラテンの凸極のピッチの整数倍でない距離隔てられていることを特徴とする請求項２に記載の平面ステージ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−１４５１４０（Ｐ２００８−１４５１４０Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３２９８１５（Ｐ２００６−３２９８１５）
【出願日】平成１８年１２月６日（２００６．１２．６）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月６日（２００６．１２．６）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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