JPH0917848A - 磁気浮上型ステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可動ステージの高速駆動および高精度な位置
決めを可能とするとともに、クリーン度を低下させず、
真空中でも使用可能な磁気浮上型ステージを提供する。 【構成】 固定ステージ１と固定ステージ１に沿って駆
動される移動ステージ４とを有する磁気浮上型ステージ
において、移動ステージ４および固定ステージ１のいず
れか一に設けた磁石群５により作り出された磁束中で他
に設けた電線２４に電流を流し、電線２４に生ずるロー
レンツ力を利用して移動ステージ４にＺ方向の力を付与
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体露光装置や、光
電子分光装置、Ｘ線顕微鏡、電子顕微鏡に代表される試
料解析装置などに用いる位置決めステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体露光装置で露光する際には、ウエ
ハをＸ、Ｙ、Ｚ、α（ピッチング）、β（ローリン
グ）、θ（ヨーイング）の６自由度で精密に位置決めす
る必要がある。また、光電子分光装置、Ｘ線顕微鏡、電
子顕微鏡は解析試料を同様に６自由度で位置決めする必
要がある。従来、この分野では、１軸駆動、２軸駆動ま
たは３軸駆動のステージを必要に応じて組合せて段重ね
にし、６軸のステージとして使用している。このステー
ジはボールねじ、遊星ねじ、リニアねじ、てこなどのリ
ンク機構と、歯車などの駆動・減速機構と、クロスロー
ラガイド、Ｖ−フラット溝滑りガイドなどの摩擦軸受け
を適宜組合せて所望の位置決め精度を達成するようにし
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ステージはステージ全体の体積が大きくなり軽量化が困
難である。したがって移動ステージの慣性力が大きくな
り駆動の高速化が妨げられるとともに位置決め精度を高
めることも難しい。また、固定ステージと移動ステージ
の間に機械的接触面を有するため、移動機構からの発塵
によりステージの置かれた雰囲気のクリーン度を低下さ
せる。また、接触面に潤滑剤を使用するため、高真空中
の使用時には真空度を低下させるという問題点がある。

【０００４】ステージの非接触駆動を実現させるために
エアーベアリングにより移動ステージを浮上させリニア
モータにより駆動することもできるが、エアーベアリン
グのエアーが塵を舞上げるのでクリーン度を低下させ、
例えば半導体工程での歩留りを悪化させる。さらに、エ
アーを利用するため真空中での使用は原理的に不可能で
ある。

【０００５】本発明の目的は、移動ステージを軽量化し
て移動ステージの高速駆動および高精度な位置決めを可
能とするとともに、クリーン度を低下させず、真空中で
も使用可能な磁気浮上型ステージを提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、各軸回りの回
転角をα、β、θで表すとき、固定ステージ１と、固定
ステージ１に沿ってＸＹ平面内の任意の位置に駆動され
る移動ステージ４とを有する磁気浮上型ステージに適用
される。そして、移動ステージ４および固定ステージ１
のいずれか一方のステージに設けた磁石群５により形成
された磁束中で他方のステージに設けた電線に電流を流
すことにより移動ステージ４にＺ方向の力を付与するよ
うにすることにより上述の目的が達成される。請求項２
に記載の発明は、請求項１に記載の磁気浮上型ステージ
において、電線をＺ方向と直交する方向の軸を中心に巻
き回されたコイル２４の一部としたものである。請求項
３に記載の発明は、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚと
し、各軸回りの回転角をα、β、θで表すとき、固定ス
テージ１と、固定ステージ１に沿ってＸＹ平面内の任意
の位置に駆動される移動ステージ４とを有する磁気浮上
型ステージにおいて、移動ステージ４および固定ステー
ジ１のいずれか一方のステージに設けた磁石群５と、他
のステージに設けられＸ方向またはＹ方向の軸を中心に
巻き回された第１のコイル１２４と、第１のコイル１２
４と同一の巻芯に巻付けられ第１のコイル１２４の軸方
向およびＺ方向の双方に直交する方向の軸に巻き回され
た第２のコイル１２５とを備え、第１のコイル１２４お
よび第２のコイル１２５に電流を流すことにより移動ス
テージ４にＺ方向の力を付与するようにすることにより
上述の目的が達成される。請求項４に記載の発明は、請
求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気浮上型ステージ
において、磁石群５は他方のステージに対してＮ極を向
けて取付けられた第１の磁石５ｄと他方のステージに対
してＳ極を向けて取付けられた第２の磁石５ｅとの組合
せからなり、第１の磁石５ｄと第２の磁石５ｅとの間で
Ｚ方向と直交する方向に磁束８を形成するようにしたも
のである。請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の磁気浮上型ステージにおいて、一方
のステージまたは他方のステージに取付けられ移動ステ
ージ４のＺ方向の移動量およびα方向、β方向の回転量
に応じた計測値を出力する計測手段６と、計測手段６か
らの計測値を受けて電流を制御する制御手段３０とをさ
らに備えるものである。請求項６に記載の発明は、請求
項１〜５のいずれか１項に記載の磁気浮上型ステージに
おいて、一方のステージを移動ステージ４とし、他方の
ステージを固定ステージ１としたものである。請求項７
に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の
磁気浮上型ステージにおいて、磁石群５と他方に設けた
電磁石群２との間の吸引力または反発力により移動ステ
ージ４にＺ方向の力を付与するようにしたものである。

【０００７】

【作用】請求項１に記載の発明では、磁石群５により作
り出された磁束中で電線に電流を流すと、ローレンツ力
により移動ステージ４にＺ方向の力が付与される。請求
項２に記載の発明では、電線をＺ方向と直交する方向の
軸を中心に巻き回されたコイル２４に電流を流すと、ロ
ーレンツ力により移動ステージ４にＺ方向の力が付与さ
れる。請求項３に記載の発明では、Ｘ方向またはＹ方向
の軸を中心に巻き回された第１のコイル１２４に電流を
流すと、ローレンツ力により移動ステージ４にＺ方向の
力が付与される。また、第１のコイル１２４と同一の巻
芯に巻付けられ第１のコイル１２４の軸方向およびＺ方
向の双方に直交する方向の軸に巻き回された第２のコイ
ル１２５に電流を流すと、ローレンツ力により移動ステ
ージ４にＺ方向の力が付与される。請求項４に記載の発
明では、Ｎ極を向けて取付けられた第１の磁石５ｅと他
にＳ極を向けて取付けられた第２の磁石５ｄとの間でＺ
方向と直交する方向に磁束８が作り出される。請求項５
に記載の発明では、計測手段３、６、７は移動ステージ
４のＺ方向の移動量およびα方向、β方向の回転量に応
じた計測値を出力し、計測手段３、６、７からの計測値
を受けた制御手段３０が電流Ｉ５を制御する。請求項７
に記載の発明では、磁石群５と他方に設けた電磁石群２
との間の吸引力または反発力により移動ステージ４にＺ
方向の力が付与される。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【０００９】

【実施例】

−第１の実施例− 図１〜図７は本実施例による磁気浮上型ステージの第１
の実施例を示す。なお、図１に示すように本実施例では
直交座標系の３軸をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚで表し、各軸回
りの回転角をα、β、θで表す。また、αをピッチン
グ、βをローリング、θをヨーイングと呼ぶ。図１に示
すように、矩形の固定ステージ１には複数の電磁石２が
配列されている。図２に示すように、この電磁石２は直
方体形状のコア２１と、コア２１の上部に重ねられた高
透磁率の部材２２と、Ｚ方向の軸を中心にしてコア２１
に巻付けられたコイル２３と、コイル２３の軸と直交す
る軸を中心にしてコア２１に巻付けられたコイル２４と
からなる。図１において各電磁石２を示す正方形の領域
中に引かれた平行線は、各電磁石２のコイル２４の向き
を模式的に表したものである。このように、電磁石２は
コイル２４の軸がＸ方向に向いたものとＹ方向に向いた
ものとが交互にマトリックス状に配置されている。図３
に示すように、隣り合った電磁石２の間にはコイル２４
の上面よりも上部に突出してホール素子３が取付けられ
ている。

【００１０】図１および図３に示すように、固定ステー
ジ１の上方にはわずかな間隙を介して固定ステージ１よ
りも小さい矩形の移動ステージ４が浮上している。図１
および図４に示すように、移動ステージ４の下面には永
久磁石５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５
ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌが設けられている。このう
ち永久磁石５ｂ、５ｃ、５ｅ、５ｆ、５ｇ、５ｉ、５ｋ
は図１においてＮ極を下向きに、永久磁石５ａ、５ｄ、
５ｈ、５ｊ、５ｌはＳ極を下向きにしてそれぞれ取付け
られている。また、移動ステージ４の下面には移動ステ
ージ４と固定ステージ１との間隙を計測する３つのギャ
ップセンサ６が取付けられている。３つのギャップセン
サにより移動ステージ４のＺ方向の移動量およびピッチ
ングα方向、ローリングβ方向を計測する。

【００１１】図１に示すように、固定ステージ１の周囲
には３台のレーザ干渉計７が設けられている。レーザ干
渉計７から発射されたレーザ光７ａは移動ステージ４の
側面４Ａおよび４Ｂの反射ミラーで反射されて再びレー
ザ干渉計７に戻る。３台のレーザ干渉計７により移動ス
テージ４のＸ方向、Ｙ方向の移動量およびθ方向の回転
量を計測する。

【００１２】次に、以上のように構成された第１の実施
例の磁気浮上型ステージの駆動原理を図３および図５を
用いて説明する。なお、図３は図４のＩＩＩ−ＩＩＩ線
に沿って見た図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿って見た図
である。図３において電磁石２ｊはコア２１ｊと部材２
２ｊとコイル２３ｊとコイル２４ｊとから、電磁石２ｋ
はコア２１ｋと部材２２ｋとコイル２３ｋとコイル２４
ｋとから、それぞれ構成されている。また、永久磁石５
ｊは電磁石２ｊと、永久磁石５ｋは電磁石２ｋと、それ
ぞれ対向している。

【００１３】図３において、電磁石２ｊのコイル２３ｊ
には下方向から見て時計回り方向の電流Ｉ１が流れてい
る。したがって、電磁石２ｊ（コア２１ｊ）は上側がＮ
極となるので、対向する永久磁石５ｊ（下側がＳ極）と
の間で吸引力を生ずる。電磁石２ｋのコイル２３ｋには
下方向から見て反時計回り方向の電流Ｉ２が流れてお
り、電磁石２ｋおよびこれと対向する永久磁石５ｋ（下
側がＮ極）の間にも同様に吸引力が生ずる。

【００１４】図５において、永久磁石５ｄは電磁石２ｄ
と、永久磁石５ｅは電磁石２ｅとそれぞれ対向してい
る。また、電磁石２ｄと電磁石２ｅとの間には電磁石２
ｄｅが挟まれて設けられている。電磁石２ｄはコア２１
ｄと部材２２ｄとコイル２３ｄとコイル２４ｄとから、
電磁石２ｄｅはコア２１ｄｅと部材２２ｄｅとコイル２
３ｄｅとコイル２４ｄｅとから、電磁石２ｅはコア２１
ｅと部材２２ｅとコイル２３ｅとコイル２４ｅとから、
それぞれ構成されている。

【００１５】電磁石２ｄのコイル２３ｄには下方向から
見て反時計回り方向の電流Ｉ３が流れており、電磁石２
ｄ（コア２１ｄ）は上側がＳ極となるので、対向する永
久磁石５ｄ（下側がＳ極）との間で反発力を生ずる。電
磁石２ｅのコイル２３ｅには下方向から見て時計回り方
向の電流Ｉ４が流れており、電磁石２ｅおよびこれと対
向する永久磁石５ｅ（下側がＮ極）の間にも同様に反発
力が生ずる。

【００１６】図５において、８は永久磁石５ｄおよび永
久磁石５ｅによる磁束を示す。９は上述のように電流Ｉ
３および電流Ｉ４を流した電磁石２ｄおよび電磁石２ｅ
によって発生する磁束を示す。コイル２４ｄｅには図５
の右側から見て時計回り方向に電流Ｉ５が流れており、
コイル２４ｄｅの上部にはローレンツ力により移動ステ
ージ４に接近しようとする方向（上方向）への力が働
く。コイル２４ｄｅは固定ステージ１に固定されている
ので、移動ステージ４にはこのローレンツ力と同じ大き
さで下向きの力（吸引力）Ｆｄｅが加えられることにな
る。コイル２４ｄｅの電流を逆向きにすることでＦｄｅ
の方向を反転し反発力を発生させることもできる。

【００１７】以上述べたように、互いに対向する電磁石
２ｄ、２ｅと永久磁石５ｄ、５ｅとの間には反発力が、
電磁石２ｊ、２ｋと永久磁石５ｊ、５ｋとの間には吸引
力が生ずる。また、電磁石２ｄｅのコイル２４ｄｅに流
す電流Ｉ５により移動ステージ４と固定ステージ１の間
には吸引力またはローレンツ力が生ずる。したがって、
これらの吸引力や反発力を通電する電流によって制御す
れば移動ステージ４のＺ方向の位置、α方向、β方向の
傾きを制御することができる。

【００１８】次にＸ方向、Ｙ方向の移動量およびθ方向
の回転量の制御について説明する。上述のように、電磁
石２ｊのコイル２３ｊには電流Ｉ１が流れ、電磁石２ｊ
と永久磁石５ｊとの間には吸引力が生じている（図
３）。この状態で、さらにコイル２４ｊには右方向から
見て時計回り方向の電流Ｉ６が流れている。したがっ
て、コイル２４ｊのうち部材２２ｊよりも上側にある部
分では紙面の手前側から奥側に向って電流Ｉ６が流れて
おり、この部分では永久磁石５ｊから右方向の力（ロー
レンツ力）を受ける。すなわち、移動ステージ４（永久
磁石５ｊ）はこの力と逆向き（左向き）で同じ大きさの
力Ｆｊ１を固定ステージ１（電磁石２ｊ）から受けるこ
とになる。移動ステージ４が受ける力Ｆｊ１の向きと大
きさはコイル２４ｊに流す電流Ｉ６の向きと大きさによ
り制御することができる。また、コイル２３ｊに流す電
流Ｉ１を増減させることにより、電磁石２ｊと永久磁石
５ｊとの間の吸引力を変化させて（磁束密度を変化させ
て）Ｆｊ１を制御することもできる。

【００１９】一方、上述のように電磁石２ｋのコイル２
３ｋには電流Ｉ２が流れ電磁石２ｋと永久磁石５ｋとの
間には吸引力が生じている。この状態で、さらにコイル
２４ｋに反時計回り方向の電流Ｉ７を流すと、上述と同
様の原理により移動ステージ４には紙面の奥に向かう方
向の力Ｆｋ１が加わる。移動ステージ４が受ける力Ｆｋ
１はコイル２４ｋに流す電流Ｉ７およびコイル２３ｋに
流す電流Ｉ２により同様に制御することができる。以上
のように発生するちからＦｊ１とＦｋ１によりＸ方向、
Ｙ方向の移動量およびθ方向の回転量が制御される。

【００２０】図４において、永久磁石５ａは電磁石２ａ
（図示せず）と、永久磁石５ｂは電磁石２ｂ（図示せ
ず）と、永久磁石５ｃは電磁石２ｃ（図示せず）と、永
久磁石５ｄは電磁石２ｄと、永久磁石５ｅは電磁石２ｅ
と、永久磁石５ｆは電磁石２ｆ（図示せず）と、永久磁
石５ｇは電磁石２ｇ（図示せず）と、永久磁石５ｈは電
磁石２ｈ（図示せず）と、永久磁石５ｉは電磁石２ｉ
（図示せず）と、永久磁石５ｊは電磁石２ｊと、永久磁
石５ｋは電磁石２ｋと、永久磁石５ｌは電磁石２ｌと、
それぞれ対向している。また、電磁石２ａと電磁石２ｂ
との間には電磁石２ａｂ（図示せず）が、電磁石２ａと
電磁石２ｃとの間には電磁石２ａｃ（図示せず）が、電
磁石２ｄと電磁石２ｆとの間には電磁石２ｄｆ（図示せ
ず）が、電磁石２ｄと電磁石２ｅとの間には電磁石２ｄ
ｅが、電磁石２ｇと電磁石２ｈとの間には電磁石２ｇｈ
（図示せず）が、電磁石２ｈと電磁石２ｉとの間には電
磁石２ｈｉ（図示せず）が、それぞれ設けられている。

【００２１】図６は移動ステージ４に加えられる力を示
している。永久磁石５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５
ｆ、５ｇ、５ｈ、５ｉはそれぞれＺ方向の力（反発力）
Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄ、Ｆｅ、Ｆｆ、Ｆｇ、Ｆｈ、Ｆ
ｉを受ける。これらの反発力はそれぞれの永久磁石が対
向する電磁石２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２
ｇ、２ｈ、２ｉのコイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３
ｄ、２３ｅ、２３ｆ、２３ｇ、２３ｈ、２３ｉに流す電
流により制御される。また、永久磁石５ｊ、５ｋ、５ｌ
はＺ方向の力（吸引力）Ｆｊ２、Ｆｋ２、Ｆｌ２を受け
る。これらの吸引力は電磁石２ｊ、２ｋ、２ｌのコイル
２３ｊ、２３ｋ、２３ｌに流す電流により制御される。
さらに、図４で説明したように電磁石２ｄｅのコイル２
４ｄｅの電流により永久磁石５ｄ、５ｅを介してステー
ジ４はＺ方向の力Ｆｄｅ（吸引力または反発力）を受け
る。電磁石２ａｃのコイル２４ａｃの上部は永久磁石５
ａおよび永久磁石５ｃにより作られる磁束と直交してい
るので、コイル２４ａｃの電流によりステージ４はＺ方
向の力Ｆａｃ（吸引力または反発力）を受ける。電磁石
２ｈｉのコイル２４ｈｉの電流により同様にステージ４
はＺ方向の力Ｆｈｉ（吸引力または反発力）を受ける。
このように、移動ステージ４はＺ方向の力Ｆａ、Ｆｂ、
Ｆｃ、Ｆｄ、Ｆｅ、Ｆｆ、Ｆｇ、Ｆｈ、Ｆｉ、Ｆｄｅ、
Ｆａｃ、Ｆｈｉを受け、Ｚ方向の移動量およびα方向、
β方向の回転量が制御される。なお、図６では力Ｆｄ
ｅ、Ｆａｃ、Ｆｈｉが吸引力の場合を示しているが、電
流の方向を逆にすれば反発力としても働く。

【００２２】図６に示す状態では電磁石２ａｂのコイル
２４ａｂ、電磁石２ｄｆのコイル２４ｄｆおよび電磁石
２ｇｈのコイル２４ｇｈは、それぞれの電磁石を両側か
ら挟み込む永久磁石により作られる磁束と平行な方向に
巻線が巻付けられているのでローレンツ力を発生しな
い。しかし、移動ステージ４が固定ステージ１の電磁石
一個分の距離だけＸ方向またはＹ方向に移動すると、こ
れらのコイル２４ａｂ、２４ｄｆ、２４ｇｈの巻線がこ
れらを挟み込む永久磁石が作り出す磁束と直交すること
になる。したがって、これらのコイルの電流により移動
ステージ４にＺ方向の力（吸着力）を付与することがで
きる。なお、この場合には、図６において吸引力に寄与
した電磁石２ａｃ、２ｄｅ、２ｈｉのコイル２４ａｃ、
２４ｄｅ、２４ｈｉは磁束と平行になるので吸引力を発
生させることはできない。

【００２３】図６に示すように、永久磁石５ｊはＹ方向
の力Ｆｊ１を、永久磁石５ｋはＸ方向の力Ｆｋ１を、永
久磁石５ｌはＸ方向の力Ｆｌ１を、それぞれ受ける。こ
れらの力は電磁石２ｊのコイル２３ｊ、２４ｊ、電磁石
２ｋのコイル２３ｋ、２４ｋおよび電磁石２ｌのコイル
２３ｌ、２４ｌに流す電流により制御される。なお、移
動ステージ４がＸ方向またはＹ方向に移動し永久磁石５
ｊ、５ｋ、５ｌに対向する電磁石が変るとコイル２４の
向きが変るため、力Ｆｊ２、Ｆｋ２、Ｆｌ２の方向も変
化することになる。

【００２４】図７に示すように、制御装置３０はホール
素子３、ギャップセンサ６、レーザ干渉計７からの情報
を受けて、電磁石２の各コイルに電流を供給する電流供
給装置４０を制御する。ここで、ホール素子３は移動ス
テージ４の永久磁石５の磁場を検出して永久磁石５の位
置や磁極を計測し、この情報を受けた制御装置３０が電
流を流すコイルおよびその電流の方向を決定する。移動
ステージ４が電磁石２のピッチを越えて移動した場合で
も、常に永久磁石が対向している電磁石に適切な電流が
供給され、移動ステージ４は適切に制御される。また、
ギャップセンサ６は移動ステージ４と固定ステージ１の
間のギャップを計測し、この情報を受けた制御装置Ｃが
電流の強さを制御する。これにより移動ステージ４のＺ
方向の移動量およびα方向、β方向の回転量が制御され
る。さらに、レーザ干渉計７は移動ステージ４のＸ方
向、Ｙ方向の移動量およびθ方向の回転量を計測し、こ
の情報を受けた制御装置３０が電磁石のコイルに流す電
流の方向および強さを制御する。これにより移動ステー
ジ４のＸ方向、Ｙ方向の移動量およびθ方向の回転量が
制御される。制御装置３０で行われる制御の方式として
は、ＰＤ制御（比例微分制御）、ＰＩ制御（比例積分制
御）、ＰＩＤ制御（比例積分微分制御）、ファジー制
御、ロバスト制御などが適用できる。

【００２５】以上ではギャップセンサ６を３個用いるこ
とによりＺ方向の移動量およびα方向、β方向の回転量
を計測するようにしたが、精度を高めるために４個以上
のギャップセンサを用いてもよい。ギャップセンサ６の
種類として、静電容量センサ、渦電流センサ、レーザ干
渉計などがあり、これらを単独でまたは２種以上を組合
せて使用してもよい。第１の実施例ではギャップセンサ
６を移動ステージ４に取付けたが固定ステージ１に取付
けてもよい。固定ステージ１と移動ステージ４のギャッ
プをより精密に測定するために、固定ステージ１の上面
または移動ステージ４の下面（ギャップセンサと対向す
る面）に平面性が良好で透磁性の高い板を設けてもよ
い。

【００２６】第１の実施例ではレーザ干渉計７を用いて
移動ステージ４のＸ方向、Ｙ方向の移動量およびθ方向
の回転量を計測しているが、レーザ干渉計に代えて、静
電容量センサ、渦電流センサなどを用いることもでき
る。また、第１の実施例では３個のレーザ干渉計を用い
ているが、算出精度を高めるため４個以上のセンサを使
用してもよい。

【００２７】第１の実施例においては、固定ステージ１
に取付けられたホール素子３により永久磁石５の磁場を
検出し、電流を供給する電磁石の選択および電流の方向
を決定しているが、ホール素子３を用いる代りにレーザ
干渉計７を用いてもよい。レーザ干渉計７からの情報に
よって、移動ステージ４のＸ方向、Ｙ方向の移動量およ
びθ方向の回転量が算出できるので、これらの移動量と
回転量から電磁石の選択および電流の方向を決定するこ
とができる。

【００２８】移動ステージ４の永久磁石５の配置は第１
の実施例のものに限定されない。また、第１の実施例で
は互いに隣接する電磁石２のコイル２２の向きが直交す
るように配置されているが、このような配置に限定され
るものではなく、電磁石２の配置に合わせて移動ステー
ジ４の永久磁石５の配置を適宜選択すればよい。また、
コイル２２および２３の巻数、巻線の密度などは任意に
選択できる。さらに、永久磁石５または電磁石２から発
生する漏れ磁束を捕獲、シールドするための電磁石を別
途設けてもよい。あるいはまた、固定ステージに永久磁
石を移動ステージに電磁石を設けたり、両ステージに電
磁石を設けてもよいが、本実施例のように移動ステージ
に永久磁石を設けると移動ステージへの配線が不要にな
り、また移動ステージが軽量化される利点がある。

【００２９】第１の実施例において、永久磁石５ｊ、５
ｋ、５ｌを用いたが、これらの代りに磁性材を用いても
よい。この場合、コイル２３ｊ、２３ｋ、２３ｌの電流
により磁性材を磁化させ（吸引力を生じさせ）た状態
で、コイル２２ｊ、２２ｋ、２２ｌに電流を流すことに
より、第１の実施例と同様に移動ステージのＸ方向、Ｙ
方向の移動量およびθ方向の回転量を制御することがで
きる。

【００３０】以上の説明では永久磁石と電磁石が正対し
た場合についてのみ説明しているが、正対しない状態に
おいてはそれぞれの永久磁石に近接する単数または複数
の電磁石に電流を供給するようにすればよい。また、永
久磁石の磁束が届く範囲に設けられた他の電磁石を利用
して移動ステージに力を加えるようにしてもよい。

【００３１】第１の実施例においては、固定ステージ上
に浮上する移動ステージが駆動される場合について説明
したが、固定ステージ移動ステージとの間の吸引力によ
って移動ステージが固定ステージの下で浮上するように
してもよい。

【００３２】−第２の実施例− 以下、本発明による磁気浮上型ステージの第２の実施例
について第１の実施例との相違点を中心にして説明す
る。第１の実施例と同一の部分には同一の符号を付して
その説明を省略する。図８に示すように、矩形の固定ス
テージ１０１には複数の電磁石１０２がＸ方向およびＹ
方向に配列されている。図９に示すように、この電磁石
１０２は直方体形状のコア１２１と、コア１２１の上部
に重ねられた高透磁率の部材１２２と、コア１２１にＺ
方向の軸を中心に巻付けられたコイル１２３と、コア１
２１にＹ方向の軸を中心に巻付けられたコイル１２４
と、コア１２１にＸ方向の軸を中心に巻付けられたコイ
ル１２５とからなる。図１１に示すように、隣り合った
電磁石１０２の間にはホール素子３が取付けられてい
る。

【００３３】図８および図１０に示すように、移動ステ
ージ１０４の下面には永久磁石１０５ａ、１０５ｂ、１
０５ｃ、１０５ｄ、１０５ｅ、１０５ｆ、１０５ｇ、１
０５ｈ、１０５ｉが設けられている。このうち永久磁石
１０５ａ、１０５ｄ、１０５ｅ、１０５ｇ、１０５ｉは
Ｎ極を下向きに、永久磁石１０５ｂ、１０５ｃ、１０５
ｆ、１０５ｈはＳ極を下向きにしてそれぞれ取付けられ
ている。

【００３４】次に、以上のように構成された第２の実施
例の磁気浮上型ステージの駆動原理を図１１および図１
２を用いて説明する。図１１において、電磁石１０２ｈ
のコイル１２３ｈには下方向から見て時計回り方向の電
流Ｉ１が流れている。したがって、電磁石１０２ｈ（コ
ア１２１ｈ）は上側がＮ極となるので、対向する永久磁
石１０５ｈ（下側がＳ極）との間で吸引力を生ずる。電
磁石１０２ｇのコイル１２３ｇには下方向から見て反時
計回り方向の電流Ｉ２が流れており、電磁石１０２ｇお
よびこれと対向する永久磁石１０５ｇ（下側がＮ極）の
間にも同様に吸引力が生ずる。

【００３５】図１２において、永久磁石１０５ｆは電磁
石１０２ｆと、永久磁石１０５ｅは電磁石１０２ｅとそ
れぞれ対向している。また、電磁石１０２ｆと電磁石１
０２ｅとの間には電磁石１０２ｅｆが挟まれている。電
磁石１０２ｆのコイル１２３ｆには下方向から見て反時
計回り方向の電流Ｉ３が流れている。したがって、電磁
石１０２ｆ（コア１２１ｆ）は上側がＳ極となるので、
対向する永久磁石１０５ｆ（下側がＳ極）との間で反発
力を生ずる。電磁石１０２ｅのコイル１２３ｅには下方
向から見て時計回り方向の電流Ｉ４が流れており、電磁
石１０２ｅおよびこれと対向する永久磁石１０５ｅ（下
側がＮ極）の間にも同様に反発力が生ずる。１０８は永
久磁石１０５ｆおよび永久磁石１０５ｅによる磁束を示
す。１０９は上述のように電流Ｉ３および電流Ｉ４を流
した電磁石１０２ｆおよび電磁石１０２ｅにより発生す
る磁束を示す。コイル１２５ｅｆには図１２の右側から
見て時計回り方向に電流Ｉ５が流れており、コイル１２
５ｅｆの上側の部分にはローレンツ力により移動ステー
ジ１０４に接近しようとする方向（上方向）の力が働
く。コイル１２５ｅｆは固定ステージ１に固定されてい
るので、移動ステージ１０４にはこのローレンツ力と同
じ大きさで下向きの力（吸引力）Ｆｅｆが加わることに
なる。コイル１２５ｅｆの電流を逆向きにすることで力
Ｆｅｆの方向を反転し反発力を発生させることもでき
る。

【００３６】以上述べたように、互いに対向する電磁石
１０２ｆと永久磁石１０５ｆとの間および電磁石１０２
ｅと永久磁石１０５ｅとの間には反発力が、電磁石１０
２ｈと永久磁石１０５ｈ、電磁石１０２ｇと永久磁石１
０５ｇとの間には吸引力が生ずる。また、電磁石１０２
ｅｆのコイル１２５ｅｆに流す電流Ｉ５により移動ステ
ージ１０４と固定ステージ１０１との間には吸引力が生
ずる。したがって、これらの吸引力や反発力を通電する
電流によって制御すれば移動ステージ１０４のＺ方向の
位置、α方向、β方向の傾きを制御することができる。

【００３７】次にＸ方向、Ｙ方向の移動量およびθ方向
の回転量の制御について説明する。電磁石１０２ｈのコ
イル１２３ｈには電流Ｉ１が流れ電磁石１０２ｈと永久
磁石１０５ｈとの間には吸引力が生じている（図１
１）。この状態で、さらにコイル１２５ｈには右方向か
ら見て時計回り方向の電流Ｉ６が流れている。したがっ
て、第１の実施例において説明したように、移動ステー
ジ１０４は左方向の力Ｆｈ１を受ける。

【００３８】一方、上述のように電磁石１０２ｇのコイ
ル１２３ｇには電流Ｉ２が流れ電磁石１０２ｇと永久磁
石１０５ｇとの間には吸引力が生じている。この状態
で、さらにコイル１２４ｇに反時計回り方向の電流Ｉ７
を流すと、上述と同様の原理により移動ステージ４は紙
面の奥に向かう方向の力Ｆｇ１を受ける。以上のような
力Ｆｈ１およびＦｇ１によりＸ方向、Ｙ方向の移動量お
よびθ方向の回転量が制御される。

【００３９】図１３は移動ステージ１０４に加えられる
力を示している。永久磁石１０５ａは電磁石１０２ａ
と、永久磁石１０５ｂは電磁石１０２ｂと、永久磁石１
０５ｃは電磁石１０２ｃと、永久磁石１０５ｄは電磁石
１０２ｄと、永久磁石１０５ｅは電磁石１０２ｅと、永
久磁石１０５ｆは電磁石１０２ｆと、永久磁石１０５ｇ
は電磁石１０２ｇと、永久磁石１０５ｈは電磁石１０２
ｈと、永久磁石１０５ｉは電磁石１０２ｉと、それぞれ
対向している。また、電磁石１０２ａと電磁石１０２ｂ
との間には電磁石１０２ａｂが、電磁石１０２ｃと電磁
石１０２ｄとの間には電磁石２ｃｄが、電磁石１０２ｅ
と電磁石１０２ｆとの間には電磁石１０２ｅｆが、それ
ぞれ設けられている。

【００４０】永久磁石１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃ、
１０５ｄ、１０５ｅ、１０５ｆはそれぞれＺ方向の力
（反発力）Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃ、Ｆｄ、Ｆｅ、Ｆｆを受け
る。また、永久磁石１０５ｇ、１０５ｈ、１０５ｉはそ
れぞれＺ方向の力（吸引力）Ｆｇ２、Ｆｈ２、Ｆｉ２
を、それぞれ受ける。さらに、電磁石１０２ａｂのコイ
ル１２５ａｂの電流によりＺ方向の力Ｆａｂ（吸引力ま
たは反発力）を、電磁石１０２ｃｄのコイル１２４ｃｄ
の電流によりＺ方向の力Ｆｃｄ（吸引力または反発力）
を、電磁石１０２ｅｆのコイル１２５ｅｆの電流により
Ｚ方向の力Ｆｅｆ（吸引力または反発力）を、それぞれ
受ける。

【００４１】図１３に示すように、永久磁石１０５ｇは
Ｙ方向の力Ｆｇ１を、永久磁石１０５ｈはＸ方向の力Ｆ
ｈ１を、永久磁石１０５ｉはＹ方向の力Ｆｉ１を、それ
ぞれ受ける。

【００４２】第２の実施例においては、電磁石２はＸ方
向、Ｙ方向およびＺ方向の各軸を中心にそれぞれ巻き回
された３つのコイルを備えている。このため磁石同士の
吸引力、反発力およびローレンツ力を移動ステージの位
置に関係なく有効に利用することができ、移動ステージ
の永久磁石の個数を減らすことができる。したがって、
移動ステージが軽量となり駆動の高速化が図れる。

【００４３】本明細書の特許請求の範囲において、「磁
石」とは移動ステージの駆動時に磁化されることが可能
な磁性材を含む概念であり、永久磁石に限定されない。

【００４４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明では、移動ステー
ジおよび固定ステージのいずれか一方のステージに磁石
群を設け、磁石群により生じた磁束中で他方のステージ
に設けた電線に電流を流したときのローレンツ力を利用
して移動ステージにＺ方向の力を付与するようにしてい
る。したがって、移動ステージと固定ステージの機械的
な接触を避けることができるので、塵を発生させず精密
に移動ステージの位置決めをすることができる。また、
エアーを用いないで移動ステージが駆動できるので真空
中でも使用することができる。請求項５に記載の発明で
は、移動ステージの姿勢を計測する計測手段と、計測手
段の計測値を受けてワイヤーに供給する電流を制御する
制御手段とを備えるので、移動ステージが円滑に制御さ
れる。請求項６に記載の発明では、移動ステージに磁石
群を設け固定ステージに電磁石を設けるようにしたの
で、移動ステージへの配線の引き回しが不要になる。ま
た、電磁石の冷却が容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による磁気浮上型ステージの第１の実施
例を示す斜視図。

【図２】第１の実施例の電磁石を示す斜視図。

【図３】第１の実施例の動作原理を示す図。

【図４】第１の実施例の移動ステージの底面図。

【図５】第１の実施例の動作原理を示す図。

【図６】図４の移動ステージが受ける力を示す移動ステ
ージの底面図。

【図７】第１の実施例の移動ステージの制御ブロック
図。

【図８】本発明による磁気浮上型ステージの第２の実施
例を示す斜視図。

【図９】第２の実施例の電磁石を示す斜視図。

【図１０】第１の実施例の移動ステージの底面図。

【図１１】第１の実施例の動作原理を示す図。

【図１２】第１の実施例の動作原理を示す図。

【図１３】図４の移動ステージが受ける力を示す移動ス
テージの底面図。

【符号の説明】

１ 固定ステージ ３ ホール素子 ４ 移動ステージ ５ 磁石群 ５ｅ 第１の磁石 ５ｄ 第２の磁石 ６ ギャップセンサ ７ レーザ干渉計 ８ 磁束 ２４ コイル ３０ 制御装置 １２４ 第１のコイル １２５ 第２のコイル Ｉ５ 電流

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、各
   軸回りの回転角をα、β、θで表すとき、固定ステージ
   と、前記固定ステージに沿ってＸＹ平面内の任意の位置
   に駆動される移動ステージとを有する磁気浮上型ステー
   ジにおいて、 前記移動ステージおよび前記固定ステージのいずれか一
   方のステージに設けた磁石群により形成された磁束中で
   他方のステージに設けた電線に電流を流すことにより前
   記移動ステージにＺ方向の力を付与することを特徴とす
   る磁気浮上型ステージ。
2. 【請求項２】 前記電線はＺ方向と直交する方向の軸を
   中心に巻き回されたコイルの一部であることを特徴とす
   る請求項１に記載の磁気浮上型ステージ。
3. 【請求項３】 直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、各
   軸回りの回転角をα、β、θで表すとき、固定ステージ
   と、前記固定ステージに沿ってＸＹ平面内の任意の位置
   に駆動される移動ステージとを有する磁気浮上型ステー
   ジにおいて、 前記移動ステージおよび前記固定ステージのいずれか一
   方のステージに設けた磁石群と、前記他のステージに設
   けられＸ方向またはＹ方向と直交する方向の軸を中心に
   巻き回された第１のコイルと、前記第１のコイルと同一
   の巻芯に巻付けられ前記第１のコイルの軸方向およびＺ
   方向の双方に直交する方向の軸に巻き回された第２のコ
   イルとを備え、 前記第１のコイルおよび前記第２のコイルに電流を流す
   ことにより前記移動ステージにＺ方向の力を付与するこ
   とを特徴とする磁気浮上型ステージ。
4. 【請求項４】 前記磁石群は前記他方のステージに対し
   てＮ極を向けて取付けられた第１の磁石と前記他方のス
   テージに対してＳ極を向けて取付けられた第２の磁石と
   の組合せからなり、前記第１の磁石と前記第２の磁石と
   の間でＺ方向と直交する方向に前記磁束が形成されるこ
   とを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁
   気浮上型ステージ。
5. 【請求項５】 前記一方のステージまたは前記他方のス
   テージに取付けられ前記移動ステージのＺ方向の移動量
   およびα方向、β方向の回転量に応じた計測値を出力す
   る計測手段と、 前記計測手段からの前記計測値を受けて前記電流を制御
   する制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項
   １〜４のいずれか１項に記載の磁気浮上型ステージ。
6. 【請求項６】 前記一方のステージは前記移動ステージ
   であり、前記他方のステージは前記固定ステージである
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の
   磁気浮上型ステージ。
7. 【請求項７】 前記磁石群と前記他方に設けた電磁石群
   との間の吸引力または反発力により前記移動ステージに
   Ｚ方向の力を付与することを特徴とする請求項１〜６の
   いずれか１項に記載の磁気浮上型ステージ。