CN1973250A - 移动体位置控制装置以及使用了该控制装置的载物台装置 - Google Patents

Abstract

当被输入由上述Y1线性编码器(52)、Y2线性编码器(54)和X线性编码器(58)检测到的Y1、Y2、和X方向的位置信号时，载物台装置(10)进行X、Y、θ坐标变换，计算出移动体重心位置，由推力退耦块(70)根据移动体重心位置进行推力退耦，使Y1、Y2线性电动机(36、38)的推力(f₁、f₂)互不干涉。推力退耦块(70)通过第1至第3分配计算部(84、86、88)设定使作用方向互相相反的2个旋转力平衡的推力(f₁、f₂)的分配比，使Y载物台(18)不受绕重心轴的旋转力地平移驱动Y载物台(18)。

Description

移动体位置控制装置以及使用了该控制装置的载物台装置

技术领域

本发明涉及结构为在沿一个方向平移驱动移动体(载物台)的两端时抑制移动体的旋转动作的移动体位置控制装置以及使用了该控制装置的载物台装置。

背景技术

例如称为XY载物台装置的装置的结构为，沿Y方向移动的Y载物台上安装有在沿X方向移动的X载物台，设置有控制各载物台(移动体)的移动位置的移动体位置控制装置。并且，在这种装置中，有称为龙门移动型载物台装置的装置，其结构为门型第1移动体(Y载物台)以一定的速度在吸着在台子上的基板的上方移动(参照例如专利文献1)。

上述第1移动体上安装有沿与Y方向垂直的X方向移动的第2移动体，在第2移动体上安装有各种夹具。并且，XY载物台装置这样动作：使第2移动体移动到X方向的行程内的任意位置，同时使第1移动体沿Y方向移动。

这样一来，在第2移动体沿X方向移动的状态下使第1移动体沿Y方向移动，如果在这种情况下向驱动第1移动体的第1、第2线性电动机输出产生相同的推力(驱动力)的指令，则包含第1移动体和第2移动体的移动体组件的重心位置随第2移动体的移动而改变，因此，移动体组件上被作用了以与重心位置交叉的Z轴为中心的旋转力。

因此，在第2移动体不在Y方向的移动范围的中央位置上的状态下，使一对线性电动机作用于第1移动体上的2个推力产生差异，使两推力所引起的第1移动体的重心附近的2个力矩互相抵消，从而使第1移动体沿Y方向移动。

由此，使平移驱动第1移动体的推力产生的重心附近的2个力矩互相抵消，防止推力作为旋转力对第1移动体发生作用。

专利文献1：日本特开2001-238485号公报(特许第3481540号)

但是，由于上述现有技术的装置为控制一对线性电动机作用于第1移动体的2个推力、来使2个推力产生的重心附近的力矩互相抵消的方式，因此，即使是例如因某种外力干扰向第1移动体作用了旋转方向的力而使第1载物台旋转某角度、从而第1载物台沿偏摆方向倾斜的情况，也作为在第1载物台相对X方向不倾斜的状态下沿Y方向驱动的情况，来决定一对线性电动机的推力。

因此，现有技术存在当第1载物台绕Z轴旋转了规定的角度时，在没有修正相对于X轴的倾斜的倾斜状态下沿Y方向驱动第1载物台的问题。

因此，在输入了外力干扰的情况下，上述反馈控制的控制中难以在不沿偏摆方向转动的状态下高精度地平移驱动移动体。

发明内容

本发明的技术问题是，即使在输入了外力干扰的情况下，也以不沿偏摆方向转动的状态高精度地平移驱动移动体。

为了解决上述问题，本发明包括下述手段。

本发明为一种移动体位置控制装置，控制用于驱动被设置为可沿互相垂直的2个方向中的第1轴方向移动的第1移动体的两端的第1、第2驱动单元、以及用于驱动沿与上述第1轴垂直的第2轴方向移动的第2移动体的第3驱动单元，使上述第1移动体和上述第2移动体构成的移动体组件移动，其特征在于，上述移动体位置控制装置具备：重心位置计算单元，计算与上述第2移动体的移动位置相对应的移动体组件的重心位置；分配系数计算单元，计算分配系数，该分配系数用于根据上述重心位置计算单元计算出的重心位置来设定上述第1驱动单元的推力与上述第2驱动单元的推力的分配比；指令值计算单元，将该分配系数计算单元计算出的分配系数与上述第1轴方向的位置控制补偿器所计算出的第1轴推力目标值相乘，计算给上述第1、第2驱动单元的第1轴推力指令值，使得作用于上述重心的轴周围的对第1、第2驱动单元的推力所产生的旋转方向的力矩平衡；惯性力矩计算单元，计算以根据上述第2移动体的移动位置而变化的移动体组件的重心位置为轴的、旋转方向的惯性力矩；旋转方向推力计算单元，计算上述重心的轴周围的第3轴推力指令值，使该惯性力矩计算单元计算出的惯性力矩与旋转方向的位置控制补偿器的推力的增益之比为一定；驱动推力指令值计算单元，根据上述第1轴推力指令值和上述第3轴推力指令值，计算给上述第1、第2驱动单元的各推力指令值。

并且，本发明的特征在于，上述分配系数计算单元计算上述分配系数，使由作用于上述移动体组件的重心的轴周围的旋转方向上的第1驱动单元的推力所产生的旋转力与上述第2驱动单元所产生的旋转力相互相反方向作用的2个旋转方向的力的力矩平衡。

并且，本发明的特征在于，在设给上述第1、第2驱动单元的各推力指令值为f₁、f₂，沿2轴方向移动的第2移动体的位置的测量值为x，使x＝0时绕移动体的重心的力矩平衡的第1轴平移方向的推力指令的分配比为g₁₀、g₂₀，x变化引起的上述移动体组件的重心与上述第1、第2驱动单元之间的距离的变化率为α，x＝0时在重心上绕第3轴的旋转方向位置控制回路的推力增益为h₀，x变化引起的上述移动体组件的重心点上绕第3轴方向的惯性力矩的变化率为β，第1轴方向的平移方向推力指令值为f^*，绕第3轴的旋转方向的推力指令值为τ的情况下，上述驱动推力指令值计算单元根据下式分配上述推力指令值f₁、f₂：

f₁＝(-αx+g₁₀)·f^*+(βx+h₀)·τ

f₂＝(αx+g₂₀)·f^*-(βx+h₀)·τ。

并且，本发明为一种载物台装置，具有：固定底座；第1载物台，设置为可以相对该固定底座沿第1轴方向移动；第2载物台，设置为可以在该第1载物台上沿与上述第1轴方向垂直的第2轴方向移动；第1、第2驱动单元，配置为相对上述固定底座给上述第1载物台的两端附近施加推力；第3驱动单元，驱动上述第2载物台；第1、第2位置检测器，检测上述第1载物台的两端附近的移动位置；第3位置检测器，检测上述第2载物台的移动位置；控制单元，控制上述第1、第2驱动单元，使由上述第1载物台和上述第2载物台构成的移动体组件移动；其特征在于，上述控制单元具有：重心位置计算单元，计算与上述第2载物台的移动位置相对应的上述移动体组件的重心位置；分配系数计算单元，计算分配系数，该分配系数用于根据上述重心位置计算单元计算出的重心位置来设定上述第1驱动单元的推力与上述第2驱动单元的推力的分配比；指令值计算单元，将该分配系数计算单元计算出的分配系数与上述第1轴方向的位置控制补偿器所计算出的第1轴推力目标值相乘，计算给上述第1、第2驱动单元的第1轴推力指令值，使得作用于上述重心的轴周围的对第1、第2驱动单元的推力所产生的旋转方向的力矩平衡；惯性力矩计算单元，计算以根据上述第2移动体的移动位置而变化的移动体组件的重心位置为轴的、旋转方向的惯性力矩；旋转方向推力计算单元，计算上述重心的轴周围的第3轴推力指令值，使该惯性力矩计算单元计算出的惯性力矩与旋转方向的位置控制补偿器的推力的增益之比为一定；驱动推力指令值计算单元，根据上述第1轴推力指令值和上述第3轴推力指令值，计算给上述第1、第2驱动单元的各推力指令值。

发明效果

根据本发明，由于通过根据重心位置计算单元计算出的重心位置求出作用于第1移动体的重心的轴周围的旋转方向上的第1驱动单元的推力产生的旋转力以及第2驱动单元的推力产生的旋转力，计算使作用方向互相相反的2个力矩平衡地设定第1驱动单元的推力与第2驱动单元的推力的分配比的分配系数，将按与移动体组件的重心位置相对应的变化率分配了给第1、第2驱动单元的各推力指令值之后的分配值、使第1、第2驱动单元的推力产生的旋转方向的力矩平衡地分配给第1、第2驱动单元的指令值、以及旋转方向推力计算单元计算出的指令值相加，计算出给第1、第2驱动单元的各推力指令值，从而能够使第1移动体(第1载物台)不受旋转力的作用，因此能够在不沿偏摆方向倾斜的状态下平移驱动第1移动体(第1载物台)。

并且，根据本发明，由于计算将根据第2移动体(第2载物台)的移动位置而变化的移动体组件(载物台组件)的重心位置作为轴的旋转方向的惯性力矩，使惯性力矩为一定地计算绕重心的轴的推力，因此还能够通过控制系统将旋转方向的控制体系的控制回路增益保持为一定，不管第2移动体(第2载物台)的移动位置如何，旋转方向的控制体系的控制特征都不变，因此能够稳定地平移驱动第1移动体(第1载物台)。

附图说明

图1是表示本发明的移动体位置控制装置的构成要素的概念图。

图2是表示使用了本发明的移动体位置控制装置的一个实施例的载物台装置的立体图。

图3是简化表示Y载物台18和X载物台30的俯视图。

图4是用于说明控制系统的具体例的系统图。

图5是表示推力退耦(非干涉化)块70的控制方式的具体例的系统图。

图6是表示用推力退耦块70控制Y1、Y2线性电动机36、38的推力f₁、f₂、在使X载物台30移动到X方向的右端的状态下沿Y方向移动Y载物台18时的实验结果的曲线图。

图7是表示用推力退耦块70控制Y1、Y2线性电动机36、38的推力f₁、f₂、在使X载物台30移动到X方向的中间位置的状态下沿Y方向移动Y载物台18时的实验结果的曲线图。

图8是表示用推力退耦块70控制Y1、Y2线性电动机36、38的推力f₁、f₂、在使X载物台30移动到X方向的左端的状态下沿Y方向移动Y载物台18时的实验结果的曲线图。

符号说明

10    载物台

12    底座

18    Y载物台

19    Y方向驱动部

30    X载物台

31    X方向驱动部

36    Y1线性电动机

38    Y2线性电动机

42    X线性电动机

48    Y1线性标度

50    Y2线性标度

52    Y1线性编码器

54    Y2线性编码器

60    控制系统

62    坐标变换块

64         X控制体系块

66         Y控制体系块

68         θ控制体系块

70         推力退耦块

72、74、76 补偿器

84         第1分配计算部

86         第2分配计算部

88         第3分配计算部

90         加法器

92         减法器

94         切换开关

200        移动体位置控制装置

202        第1移动体(Y1载物台)

204        第2移动体(X载物台)

206        移动体组件

210        第1驱动单元

220        第2驱动单元

230        第3驱动单元

232        3轴位置检测器

234        坐标变换块

236        XYθ位置控制补偿器

240        重心位置计算单元

270        分配系数计算单元

280        指令值计算单元

290        惯性力矩计算单元

300        旋转方向推力计算单元

310        驱动推力指令值计算单元

具体实施方式

下面与附图一起说明实施本发明的优选方式。

实施例1

图1为表示本发明的移动体位置控制装置的构成要素的概念图。如图1所示，移动体位置控制装置200驱动控制第1、第2驱动单元210、220和第3驱动单元230，上述第1、第2驱动单元210、220驱动第1移动体(Y1载物台)202的两端，使第1移动体202沿Y轴方向移动；上述第3驱动单元230驱动沿与Y方向垂直的X轴方向移动的第2移动体(X载物台)204。

包含第1移动体202和第2移动体204的移动体组件206的坐标位置由3轴位置检测器232检测，由坐标变换块234变换乘XYθ控制坐标系，作为位置反馈值提供给XYθ位置控制补偿器236。

移动体位置控制装置200具有：计算推力目标值的XYθ位置控制补偿器236；计算与第2移动体204的移动位置相对应的包含第1移动体202和第2移动体204的移动体组件206的重心位置的重心位置计算单元240；计算出用于根据重心位置计算单元240计算出的重心位置设定第1驱动单元210的推力与第2驱动单元220的推力的分配比的分配系数的分配系数计算单元270。

而且，移动体位置控制装置200还具有指令值计算单元280，该指令值计算单元280将分配系数计算单元270计算出的分配系数与XYθ位置控制补偿器236计算出的第1、第2驱动单元210、220的Y轴(第1轴)推力目标值相乘，计算出输出给第1、第2驱动单元210、220的Y轴(第1轴)推力指令值(分配值)，使得作用在重心轴附近的第1、第2驱动单元210、220的推力所引起旋转方向的力矩平衡。

并且，移动体位置控制装置200还具有：惯性力矩计算单元290，计算根据第2移动体204的移动位置X而变化的移动体组件206的绕Z轴的惯性力矩；以及旋转方向推力计算单元300，被输入该惯性力矩计算单元290计算出的惯性力矩和XYθ位置控制补偿器236计算出的θ轴(第3轴)推力目标值。在该旋转方向指令值调整单元300中，计算绕Z轴(旋转方向)的θ轴(第3轴)推力指令值，使惯性力矩与旋转方向的位置控制补偿器的推力增益之比为一定。

而且，还具有驱动推力指令值计算单元310，该驱动推力指令值计算单元310根据指令值计算单元280计算出的Y轴推力指令值和旋转方向推力计算单元300计算出的θ轴推力指令值计算出输出给第1、第2驱动单元210、220的各驱动推力指令值(Y1电动机推力指令值、Y2电动机推力指令值)。

当假设输出给第1、第2驱动单元210、220的各推力指令值为f₁、f₂，沿2轴方向移动的第2移动体204的位置测量值为x，使x＝0时的围绕移动体组件206的重心的力矩平衡的第1轴平移方向的推力指令的分配比为g₁₀、g₂₀，x变化引起的移动体重心与第1、第2驱动单元210、220之间的距离的变化率为α，x＝0时在重心上绕第3轴(Z轴)的旋转方向位置控制回路(Loop)的推力增益为h₀，x变化引起的整个移动体的重心点的绕第3轴方向的惯性力矩的变化率为β，第1轴方向的平移方向推力指令值为f^*，绕第3轴的旋转方向的推力指令值为τ时，分配系数计算单元270根据下式分配推力指令值f₁、f₂。并且，导出下述2式的说明将在后面叙述，这里省略说明。

f₁＝(-αx+g₁₀)·f^*+(βx+h₀)·τ

f₂＝(αx+g₂₀)·f^*-(βx+h₀)·τ

因此，在移动体位置控制装置200中，根据重心位置计算单元240计算出的重心位置，求出作用在移动体组件206的重心的Z轴周围的旋转方向(θ方向)上的第1驱动单元210的推力产生的旋转力和第2驱动单元220的推力产生的旋转力，设定第1驱动单元210的推力与第2驱动单元220的推力的分配比，使作用方向互相相反的2个旋转力平衡，由此，能够使第1移动体(第1载物台)202上不受旋转力的作用，因此能够在不沿偏摆方向倾斜的状态下平移驱动第1移动体(第1载物台)202。

下面说明本发明的具体例。图2为表示使用了本发明的移动体位置控制装置的一个实施例的载物台装置的立体图。

如图2所示，载物台装置10具有底座12，固定在底座12上的一对导轨14、16，Y载物台(第1移动体)18，沿Y方向驱动Y载物台18的方向驱动部19，X载物台(第2移动体)30，沿X方向驱动X载物台30的X方向驱动单元31。X载物台30可移动地安装在Y载物台18上，与Y载物台18一起构成移动体组件21。

底座12的上面12a形成引导移动体组件21水平移动的静压轴承引导面。并且，导轨14、16在彼此相对的侧面形成Y方向引导面14a、16a，以分别引导Y载物台18的两端。

在导轨14与16之间横架Y载物台18。该Y载物台18具有在底座12的上面12a上沿Y方向滑动的主体18a、和设置在主体18a的两端并在导轨14、16的Y方向引导面14a、16a上沿Y方向被直线引导的滑动部18b、18c。

并且，在滑动部18b、18c为同一形状的情况下，Y载物台18的重心位置与Y方向的中间位置一致。并且，在滑动部18b、18c为不同形状的情况下，由于滑动部18b的质量与滑动部18c的质量不同，因此Y载物台18的重心位置根据滑动部18b、18c的质量差的不同，而从Y方向的中间位置偏离规定距离。

并且，Y载物台18具有在滑动部18b、18c的侧面的4个静压空气轴承垫20和设置在滑动部18b、18c下面的3个静压空气轴承垫22。静压空气轴承垫20和22₁～22₃通过4个具有绕与底座12上的X-Y平面垂直的Z轴旋转的一个自由度的联轴器(图中未表示)，保持在Y载物台18的滑动部18b、18c的侧面上。

并且，静压空气轴承垫22₃设置在Y载物台18的与X方向的中心轴相对应的地方，静压空气轴承垫22₁、22₂设置在在Y方向上相对Y载物台18的中心轴大致对称的位置上。即，静压空气轴承垫22₁～22₃被设置各自的中心形成等腰三角形。

并且，在Y载物台18上可以沿与Y方向垂直的X方向移动地安装有X载物台30。Y载物台18被形成为与其延伸方向平行的前后侧面18d、18e作为沿X方向引导X载物台30的X方向引导面。X载物台30跨越Y载物台18的上面和前后面地形成为コ字形状，具有4个与前后侧面18d、18e相对的静压空气轴承垫32₁～32₄和3个与底座12的上面12a相对的静压空气轴承垫34₁～34₃。

静压空气轴承垫20、22₁～22₃通过喷射压缩空气形成有相对底座12的上面12a和导轨14、16的微薄的空气层，在利用该空气层将摩擦阻力降低到大致为0的悬浮状态(非接触状态)下引导Y载物台18。

并且，静压空气轴承垫32₁～32₄、34₁～34₃通过喷射压缩空气形成有相对底座12的上面12a和Y载物台18的前后侧面18d、18e的微薄的空气层，在利用该空气层将摩擦阻力降低到大致为0的悬浮状态(非接触状态)下引导X载物台30。

Y方向驱动部19具有设置在导轨14上的Y1线性电动机(第1驱动单元)36和设置在导轨16上的Y2线性电动机(第2驱动单元)38。Y1、Y2线性电动机36、38具有沿Y方向延伸配置的磁铁组件(图中未表示)和与磁铁组件相对配置的线圈组件(图中未表示)。并且，各线圈组件上连接有裸缆(图中未表示)。

并且，X方向驱动单元31具有设置在Y载物台18的主体18a上的X线性电动机(第3驱动装置)42。X线性电动机42具有沿X方向延伸配置的磁铁组件(图中未表示)和与磁铁组件相对配置的线圈组件(图中未表示)构成。并且，线圈组件上连接有裸缆(图中未表示)。

而且，导轨14、16上设置有沿Y方向延伸形成的Y1线性标度48、Y2线性标度50、以及设置在Y载物台18上并且检测相对Y1线性标度48、Y2线性标度50的相对位置的Y1线性编码器(Y1位置检测器)52和Y2线性编码器(Y2位置检测器)54。因此，通过计算从Y1线性编码器52、Y2线性编码器54输出的脉冲数，来检测Y载物台18的滑动部18b、18c的移动位置。并且，根据从Y1线性编码器52输出的脉冲数与从Y2线性编码器54输出的脉冲数之差检测Y载物台18的旋转角θ。

并且，在Y载物台18的主体18a上设置有沿X方向延伸形成的X线性标度(图中未表示)、和设置在X载物台30上并且检测相对X线性标度的相对位置的X线性编码器(图中未表示)。因此，通过计算从X线性编码器(X位置检测器)输出的脉冲数，来检测X载物台30的移动位置。

在这种构成的载物台装置10中，在用Y1、Y2线性电动机36、38同时平移地驱动Y载物台18两端设置的滑动部18b、18c的情况下，如果X载物台30位于X方向的中心，则控制Y1、Y2线性电动机36、38使两者的推力大小相同。

由Y1、Y2线性电动机36、38平移驱动的Y载物台18在移动时容易引起绕Z轴方向的旋转运动(偏摆运动)。其原因可以认为是由Y1、Y2线性电动机36、38赋予的推力变动所产生的旋转方向的力、或者连接在Y载物台18两端的电缆(图中未表示)的负荷(外力干扰)的差等。

下面说明上述结构的载物台装置10中的Y载物台18的移动状态。

图3为简化表示Y载物台18和X载物台30的俯视图。如图3所示，由于在载物台装置10中X载物台30可移动地安装在Y载物台18上，因此，通过X载物台30沿X方向的移动，移动体组件21的重心位置沿X方向移动。

并且，绕通过重心点G的Z轴的旋转方向(偏摆方向)的惯性力矩(惯性)也变化。该惯性力矩可以用X坐标的函数表示，假设为J(x)。

假设Y方向控制体系的y方向平移推进指令为f^*，θ方向控制体系的偏转扭矩指令为τ^*，Y方向驱动用Y1、Y2线性电动机36、38的推力(驱动力)分别为f₁、f₂。此时用下述公式(1)的关系将f^*、τ^*分配给f₁、f₂，使推力f₁、f₂互不干涉地进行推力退耦。

[公式1]

$\left[\begin{array}{c}f1\\ f2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{g}_1& h_1\\ g_2& h_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}^{*}\\ {\mathrm{\τ}}^{*}\end{array}\right]...............\left(1\right)$

其中，从与X载物台30的移动位置相对应的重心位置到Y1、Y2线性电动机36、38的推力产生点(驱动点)之间的距离分别记为L₁(x)、L₂(x)。

于是，根据上式(1)赋予的推力f₁、f₂，作用于移动体组件21的重心的平移推力f和偏转扭矩τ由下式(2)给出。

[公式2]

$\left[\begin{array}{c}f\\ \mathrm{\τ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ L_1\left(x\right)& -L_2\left(x\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\end{array}\right]..................\left(2\right)$

其中，L₁(x)+L₂(x)＝L₀………………(3)

通过以上形成控制体系的指令推力与实际作用在移动体组件21的重心上的推力f、τ存在下式(4)的关系。

[公式3]

$\left[\begin{array}{c}f\\ \mathrm{\τ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ L_1\left(x\right)& -L_2\left(x\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{g}_1& h_1\\ g_2& h_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}^{*}\\ {\mathrm{\τ}}^{*}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{cc}{g}_1+g_2& h_1+h_2\\ L_1\left(x\right)g_1-L_2\left(x\right)g_2& L_1\left(x\right)h_1-L_2\left(x\right)h_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}^{*}\\ {\mathrm{\τ}}^{*}\end{array}\right]..................\left(4\right)$

此时，Y方向控制体系的指定推力f^*不产生对移动体组件21的重心的偏转扭矩τ、并且θ控制体系的偏转扭矩指令τ^*不产生对移动体组件21的重心的平移推力f的条件——即，使Y-θ控制体系退耦的条件为使下式(4)右边的行列式的非对角成分为0。

此，为下式(5)、(6)。

[公式4]

h₁＝-h₂………………(5)

L₁(x)g₁＝L₂(x)g₂………………(6)

并且，通过使将移动体组件21的质量除式(4)右边的行列式的(1，1)成分之后的值、以及将移动体组件21的惯性力矩除行列式的(2，2)成分之后的值为一定，来赋予将移动体组件21的控制体系的控制体系增益保持在一定的条件。

由于移动体组件21的质量与X载物台30的坐标位置无关而为一定，因此上述条件用下式(7)、(8)表示。

[公式5]

g₁+g₂≡g₀＝一定………………(7)

从上式(7)、(8)可知，只要根据下式(9)～(12)的分配系数g₁、g₂、h₁、h₂分配推力f₁、f₂，就能够使Y-θ系统退耦，将控制体系的控制体系增益保持在一定。

[公式6]

$g_1=\frac{L_2\left(x\right)}{L_0}{g}_0..................\left(9\right)$

$g_2=\frac{L_1\left(x\right)}{L_0}{g}_0..................\left(10\right)$

$h_1=\frac{J\left(x\right)}{J_0}{h}_0...................\left(11\right)$

$h_2=-\frac{J\left(x\right)}{J_0}{h}_0..................\left(12\right)$

整理上式，推力f₁、f₂的分配式用下式(13)、(14)给出。

[公式7]

$f_1=g_1\×f^{*}+h_1\×{\mathrm{\τ}}^{*}=\frac{L_2\left(x\right)}{L_0}{g}_0\×f^{*}+\frac{J\left(x\right)}{J_0}{h}_0\×{\mathrm{\τ}}^{*}......\left(13\right)$

$f_2=g_2\×f^{*}+h_2\×{\mathrm{\τ}}^{*}=\frac{L_1\left(x\right)}{L_0}{g}_0\×f^{*}-\frac{J\left(x\right)}{J_0}{h}_0\×{\mathrm{\τ}}^{*}......\left(14\right)$

下面参照图4说明驱动控制载物台装置10的控制系统的具体例。如图4所示，控制系统60具有：坐标变换块62，若被输入由上述Y1线性编码器52、Y2线性编码器54和X线性编码器58检测到的Y1、Y2、X方向的位置信号，则进行X、Y、θ坐标变换，计算各方向的坐标位置和重心位置，生成各反馈值；以及X控制体系块64，控制X载物台30的移动。而且，控制系统60还具有：Y控制体系块66，控制Y载物台18的移动；θ控制体系块68，控制移动体组件21的θ方向的倾斜；以及推力退耦块70，计算Y1、Y2线性电动机36、38的推力f₁、f₂互不干涉的重心位置，并进行推力退耦。

坐标变换块62为计算与X载物台30的移动位置相对应的移动体组件21的X方向、Y方向及θ方向的坐标位置的计算单元，将X方向反馈值X_fbk输入X控制体系64的补偿器72，将Y方向反馈值Y_fbk输入Y控制体系66的补偿器74，将θ方向反馈值θ_fbk输入θ控制体系块68的补偿器76。

X控制体系块64的补偿器72用X轴位置指令值X_ref和X方向反馈值X_fbk输出X轴推力目标值F_cmdx。

Y控制体系块66的补偿器74用Y轴位置指令值X_ref和Y方向反馈值Y_fbk输出Y轴推力目标值F_cmdy。

θ控制体系块68的补偿器76用θ轴位置指令值θ_ref和θ方向反馈值θ_fbk输出θ轴推力目标值F_cmdθ。

推力退耦块70是推力分配单元，根据移动体组件21的重心位置设定Y1线性电动机36的推力f₁与Y2线性电动机38的推力f₂的分配比，来使作用于Y载物台18的重心轴周围的Y1线性电动机36的推力f₁产生的旋转力与Y2线性电动机38的推力f₂产生的旋转力相平衡，具有第1至第3分配计算部84、86、88、加法器90、减法器92和切换开关94。

第1至第3分配计算部84、86、88是根据重心位置计算分配Y1、Y2线性电动机36、38的推力的分配系数的分配系数计算单元和将分配系数乘到各推力目标值来计算出各推力指令值的指令值计算单元。并且，加法器90和减法器92是根据分配计算部84、86、88计算出的各推力指令值来计算出给Y1、Y2线性电动机36、38的指令值的指令值计算单元。

切换开关94是用于选择性地将X轴位置指令值X_ref和X方向反馈值X_fbk中的某一个输入第1至第3分配计算部84、86、88的切换单元。并且，切换开关94的结构为，根据使X轴位置指令值X_ref和X方向反馈值X_fbk中的哪一个优先，将触点a、b中的某一个与触点c连接。并且，切换开关94既可以是手动操作，或者也可以是根据预先设定的条件(阀值)自动地切换。

例如，在第1至第3分配计算部84、86、88中，当根据不包含振动成分的X轴位置指令值X_ref设定分配系数时，如图3所示将切换开关94设置到与触点a、c连接的状态。并且，在根据X方向反馈值X_fbk设定分配系数时，将切换开关94切换到触点b、c连接的状态。

Y控制体系块66的补偿器74所生成的Y轴指令值F_cmdy输入到第1、第2分配计算部84、86中。并且，θ控制体系块68的补偿器76所生成的θ轴推力目标值F_cmdθ输入第3分配计算部88中。并且，第1分配计算部84所生成的推力指令值g₁₀和第3分配计算部88生成的θ轴推力指令值h₀在加法器90中相加，形成Y1线性电动机推力指令值F_cmd1，在Y1伺服放大器98中增幅，输入Y1线性电动机36中。

并且，第2分配计算部86所生成的推力指令值g₂₀和第3分配计算部88所生成的θ轴推力指令值h₀在减法器92中相减，形成Y1线性电动机推力指令值F_cmd2，在Y2伺服放大器100中增幅，输入Y2线性电动机38中。

而且，从X控制体系块64的补偿器72输出的X轴推力指令值F_cmdx在X伺服放大器96中增幅，输入X线性电动机42中。

这样，在载物台装置10中，通过用推力退耦块70进行推力退耦使推力f₁、f₂互不干涉，可以设定Y1线性电动机36的推力与Y2线性电动机38的推力的分配比，使得作用于重心轴周围的旋转方向上的Y1线性电动机36的推力产生的旋转力矩与Y2线性电动机38的推力产生的旋转力矩相平衡。由此，不管X载物台30的位置如何，都可以防止旋转力作用于Y载物台18，在不沿偏摆方向倾斜的状态下驱动Y载物台18。

图5为表示推力退耦块70的控制方式的具体例的系统图。如图5所示，Y载物台18和X载物台30的各轴的位置指令值记为X_ref、Y_ref、θ_ref。并且，Y载物台18和X载物台30的坐标位置为，通过上述坐标变换块62将由作为3轴位置检测器的上述Y1线性编码器52、Y2线性编码器54和X线性编码器58检测到的载物台位置变换成XYθ控制坐标系，检测出位置反馈值X_fbk、Y_fbk、θ_fbk。

X控制体系块64、Y控制体系块66和θ控制体系块68分别根据位置指令值和位置反馈值计算出各轴方向的推力目标值F_cmdx、F_cmdy、F_cmdθ。通过推力退耦块70将Y方向及θ方向的推力指令值分配给Y1线性电动机推力指令值F_cmd1和Y2线性电动机推力指令值F_cmd2。

下面说明由分配计算部84、86计算的分配系数的导出方法。在上述式(9)中，将根据X方向位置上计算出的移动体组件21的重心位置到Y2线性电动机38的驱动点A2之间的距离L₂(x)与Y1线性电动机36和Y2线性电动机38之间的距离L₀之比，乘以常数g₀，来导出分配系数g₁。

在上述式(10)中，将根据X方向位置计算出的移动体组件21的重心位置到Y1线性电动机36的驱动点A1之间的距离L₁(x)与Y1线性电动机36和Y2线性电动机38之间的距离L₀之比，乘以常数g₀，来导出分配系数g₂。

在上述式(11)中，将根据X载物台30在X方向位置计算出的移动体组件21的绕重心的偏摆方向的惯性力矩J(x)与移动体组件21的重心位于Y1线性电动机36和Y2线性电动机38之间的中心时移动体组件21的绕重心的偏摆方向的惯性力矩J₀之比，乘以常数h₀，来导出分配系数h₁。并且，分配系数h₂与上述分配系数-h₁相等。

下面叙述分配系数的计算例。在上述式(13)、(14)中的距离L₁(x)、L₂(x)和惯性力矩J(x)为线性的情况下，分别用下式(15)～(17)表示。

[公式8]

L₁(x)＝αx+L₁₀……………………(15)

L₂(x)＝-αx+L₂₀……………………(16)

J(x)＝bx+J₀……………………(17)

将这些式(15)～(17)代入上式(9)～(12)，则为以下式：

[公式9]

$g_1=\frac{-\mathrm{\αx}+L_{20}}{L_0}{g}_0=-\mathrm{\αx}+g_{10}..................\left(18\right)$

$g_2=\frac{\mathrm{\αx}+L_{10}}{L_0}{g}_0=\mathrm{\αx}+g_{20}..................\left(19\right)$

$h_1=\frac{\mathrm{bx}+J_0}{J_0}{h}_0=\mathrm{\βx}+h_0..................\left(20\right)$

$h_2=-\frac{\mathrm{bx}+J_0}{J_0}{h}_0=-(\mathrm{\βx}+h_0)..................\left(21\right)$

使用了上式(9)～(12)的系数α、β、g₁₀、g₂₀、h₀的推力退耦块70如图5所示。当将上式(18)～(21)代入上述式(13)、(14)中时，推力指令值f₁、f₂的分配用下式表示。

f₁＝(-αx+g₁₀)·f^*+(βx+h₀)·τ…………(22)

f₂＝(αx+g₂₀)·f^*-(βx+h₀)·τ…………(23)

因此，推力指令值f₁、f₂根据式(22)、(23)分配。

这样，根据载物台装置10，即使由于使X载物台30移动从而将X载物台30和Y载物台18合起来的移动体组件21的重心与Y1、Y2线性电动机36、38的驱动中心(中间位置)不一致的情况下，也可以通过进行从下述条件中导出的修正，来抑制Y载物台18的θ方向(偏摆方向)的旋转角，所述条件为：使Y方向的推力所产生的θ方向的力矩(偏摆方向的扭矩)为0的相对2个自由度(Y方向和θ方向)不产生干涉的条件、以及相对于移动体组件21的绕重心的偏摆方向惯性力矩变动的控制回路增益一定条件。因此，能够使Y载物台18不受θ方向(偏摆方向)的旋转力的作用，所以能够以不沿偏摆方向倾斜的状态平移驱动Y载物台18。

并且，在载物台装置10中，由于通过控制系统60使θ控制体系的控制回路增益保持一定，因此无论X载物台30的移动位置如何，θ控制体系的控制特性都不改变，能够稳定地平移驱动Y载物台18。

下面参照图6～图8说明用上述推力退耦块70控制Y1、Y2线性电动机36、38的推力f₁、f₂时的实验结果。

图6为在使X载物台30移动到X方向的右端(例如Y1线性电动机36一侧)的状态下使Y载物台18沿Y方向移动时的实验结果。图6中，曲线I_A表示Y载物台18随时间的推移在Y方向的移动位置，曲线II_A表示Y载物台18的θ方向(偏摆方向)的旋转角。

图7为在X载物台30移动到X方向的中间位置(Y1线性电动机36与Y2线性电动机38的中间)的状态下使Y载物台18沿Y方向移动时的实验结果。图7中，曲线I_B表示Y载物台18随时间的推移在Y方向的移动位置，曲线II_B表示Y载物台18的θ方向(偏摆方向)的旋转角。

图8为在X载物台30移动到X方向的左端(例如Y2线性电动机38一侧)的状态下使Y载物台18沿Y方向移动时的实验结果。图8中，曲线I_C表示Y载物台18随时间的推移在Y方向的移动位置，曲线II_C表示Y载物台18的θ方向(偏摆方向)的旋转角。

根据图7、图8可知，不管X载物台30的位置如何，Y载物台18的θ方向(偏摆方向)的旋转角度的变化都极其微小，其变动幅度大约在0.005～-0.005(mrad)，因此能够通过推力退耦块70抑制移动体组件21的绕重心的旋转力和X载物台30的移动位置引起的θ方向(偏摆方向)惯性力矩的变动所产生的影响的状态下，平移驱动Y载物台18。

工业实用性

并且，虽然上述实施中例举了平移驱动载物台装置的可动载物台18时的情况来作为一例，但并不局限于此，只要是结构为控制驱动移动体的两端附近的一对驱动单元的装置，当然也可以用于其他领域(例如加工机械、半导体制造装置、测量装置等构成要素即所有定位载物台机构)。

Claims (6)

1.一种移动体位置控制装置，控制用于驱动被设置为可沿互相垂直的2个方向中的第1轴方向移动的第1移动体的两端的第1、第2驱动单元、以及用于驱动沿与上述第1轴垂直的第2轴方向移动的第2移动体的第3驱动单元，使上述第1移动体和上述第2移动体构成的移动体组件移动，其特征在于，上述移动体位置控制装置具备：

重心位置计算单元，计算与上述第2移动体的移动位置相对应的上述移动体组件的重心位置；

分配系数计算单元，计算分配系数，该分配系数用于根据上述重心位置计算单元计算出的重心位置来设定上述第1驱动单元的推力与上述第2驱动单元的推力的分配比；

指令值计算单元，将该分配系数计算单元计算出的分配系数与上述第1轴方向的位置控制补偿器所计算出的第1轴推力目标值相乘，计算给上述第1、第2驱动单元的第1轴推力指令值，使得作用于上述重心的轴周围的对第1、第2驱动单元的推力所产生的旋转方向的力矩平衡；

惯性力矩计算单元，计算以根据上述第2移动体的移动位置而变化的移动体组件的重心位置为轴的、旋转方向的惯性力矩；

旋转方向推力计算单元，计算上述重心的轴周围的第3轴推力指令值，使利用该惯性力矩计算单元计算出的惯性力矩与旋转方向的位置控制补偿器的推力的增益之比为一定；

驱动推力指令值计算单元，根据上述第1轴推力指令值和上述第3轴推力指令值，计算给上述第1、第2驱动单元的各推力指令值。

2.如权利要求1所述的移动体位置控制装置，其特征在于，上述分配系数计算单元计算上述分配系数，使由作用于上述移动体组件的重心的轴周围的旋转方向上的第1驱动单元的推力所产生的旋转力与上述第2驱动单元的推力所产生的旋转力向相互相反方向作用的2个旋转方向的力的力矩平衡。

3.如权利要求1所述的移动体位置控制装置，其特征在于，在设给上述第1、第2驱动单元的各推力指令值为f₁、f₂，沿2轴方向移动的第2移动体的位置的测量值为x，使x＝0时绕移动体的重心的力矩平衡的第1轴平移方向的推力指令的分配比为g₁₀、g₂₀，x变化引起的上述移动体组件的重心与上述第1、第2驱动单元之间的距离的变化率为α，x＝0时在重心上绕第3轴的旋转方向位置控制回路的推力增益为h₀，x变化引起的上述移动体组件的重心点上绕第3轴方向的惯性力矩的变化率为β，第1轴方向的平移方向推力指令值为f^*，绕第3轴的旋转方向的推力指令值为τ的情况下，上述驱动推力指令值计算单元根据下式分配上述推力指令值f₁、f₂：

f₁＝(-αx+g₁₀)·f^*+(βx+h₀)·τ

f₂＝(αx+g₂₀)·f^*-(βx+h₀)·τ。

4.一种载物台装置，具有：固定底座；第1载物台，设置为可以相对该固定底座沿第1轴方向移动；第2载物台，设置为可以在该第1载物台上沿与上述第1轴方向垂直的第2轴方向移动；第1、第2驱动单元，配置为相对上述固定底座给上述第1载物台的两端附近施加推力；第3驱动单元，驱动上述第2载物台；第1、第2位置检测器，检测上述第1载物台的两端附近的移动位置；第3位置检测器，检测上述第2载物台的移动位置；控制单元，控制上述第1、第2驱动单元，使由上述第1载物台和上述第2载物台构成的移动体组件移动；其特征在于，

上述控制单元具有：

重心位置计算单元，计算与上述第2载物台的移动位置相对应的上述移动体组件的重心位置；

分配系数计算单元，计算分配系数，该分配系数用于根据上述重心位置计算单元计算出的重心位置来设定上述第1驱动单元的推力与上述第2驱动单元的推力的分配比；

指令值计算单元，将该分配系数计算单元计算出的分配系数与上述第1轴方向的位置控制补偿器所计算出的第1轴推力目标值相乘，计算给上述第1、第2驱动单元的第1轴推力指令值，使得作用于上述重心的轴周围的对第1、第2驱动单元的推力所产生的旋转方向的力矩平衡；

惯性力矩计算单元，计算以根据上述第2移动体的移动位置而变化的移动体组件的重心位置为轴的、旋转方向的惯性力矩；

旋转方向推力计算单元，计算上述重心的轴周围的第3轴推力指令值，使该惯性力矩计算单元计算出的惯性力矩与旋转方向的位置控制补偿器的推力的增益之比为一定；

驱动推力指令值计算单元，根据上述第1轴推力指令值和上述第3轴推力指令值，计算给上述第1、第2驱动单元的各推力指令值。

5.如权利要求4所述的载物台装置，其特征在于，上述分配系数计算单元计算上述分配系数，使由作用于上述移动体组件的重心的轴周围的旋转方向上的第1驱动单元的推力所产生的旋转力与上述第2驱动单元的推力所产生的旋转力向相互相反的方向作用的2个旋转方向的力的力矩平衡。

6.如权利要求4所述的载物台装置，其特征在于，在设给上述第1、第2驱动单元的各推力指令值为f₁、f₂，沿2轴方向移动的第2移动体的位置的测量值为x，使x＝0时绕移动体的重心的力矩平衡的第1轴平移方向的推力指令的分配比为g₁₀、g₂₀，x变化引起的上述移动体组件的重心与上述第1、第2驱动单元之间的距离的变化率为α，x＝0时在重心上绕第3轴的旋转方向位置控制回路的推力增益为h₀，x变化引起的上述移动体组件的重心点上绕第3轴方向的惯性力矩的变化率为β，第1轴方向的平移方向推力指令值为f^*，绕第3轴的旋转方向的推力指令值为τ的情况下，上述驱动推力指令值计算单元根据下式分配上述推力指令值f₁、f₂：

f₁＝(-αx+g₁₀₎·f^*+(βx+h₀)·τ

f₂＝(αx+g₂₀)·f^*-(βx+h₀)·τ。

Images