JP2000197378A - 超音波モ―タを可動体の駆動源とする案内装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波モータによって定速移動している可動体
に対して再加速させたり、減速させるような移動プロフ
ァイルを与えても忠実に移動、位置決めできるようにす
る。 【解決手段】ステージ１３の駆動源をなす超音波モータ
１５と、ステージ１３の変位を検出する位置検出手段１
８と、この位置検出手段１８からの位置信号と、予め設
定されたステージ１３の移動プロファイルに基づく位置
信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰ
ＩＤ演算処理を行い、上記超音波モータ１５への指令信
号を出力する制御部１とからなり、上記制御部１の指令
信号１１２に、上記超音波モータ１５の不感帯幅を越え
るオフセット信号１１３を重畳するとともに、ステージ
１３の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時に
は、その時の加速度及び速度差に基づいて上記オフセッ
ト信号１１３を直線的に増加又は減少するように変化さ
せることによって超音波モータ１５をステージ１３の駆
動源とする案内装置を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波モータを可
動体の駆動源とする案内装置に関するものであり、例え
ば、直線案内装置として好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体リソグラフィ用の走査型露
光装置のように、レチクルやウエハを載置するステージ
などの可動体を高精度に微小移動させる案内装置の駆動
源として超音波モータを用いたものが提案されている。

【０００３】図８は超音波モータを可動体の駆動源とす
る従来の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図
で、ベース基盤１１上に一対のクロスローラガイドの如
き一対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材
１２によって可動体であるステージ１３が直線的に案内
されるようになっている。

【０００４】また、一対のガイド部材１２の間でステー
ジ１３の下面には、上記ガイド部材１２に対して平行に
被駆動部材１４とリニアスケール１６がそれぞれ固定し
てあり、上記リニアスケール１６と対向する位置には測
定ヘッド１７を設置して位置検出手段１８を構成すると
ともに、上記被駆動部材１４には、その長手方向に対し
て垂直に超音波モータ１５を当接させてあり、ステージ
１３の移動に伴う位置検出手段１８からの位置信号と、
予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基
づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータ
を基に制御部１９にてＰＩＤ演算処理を行い、駆動用ド
ライバー２０に指令信号を出力し、駆動用ドライバー２
０より指令電圧を出力して超音波モータ１５を駆動させ
ることで、ステージ１３をガイド部材１２に沿って移
動、位置決めするようになっていた。

【０００５】このように、超音波モータ１５は電磁モー
タのような他の駆動源に比べて精密な位置決めができる
とともに、案内装置をコンパクトに設計することが可能
であり、保守性に優れるなどの利点があった。

【０００６】しかしながら、超音波モータ１５は被駆動
部材１４との摩擦により駆動力を発生する、いわゆる摩
擦駆動方式であるため、摩擦力（静摩擦力）に起因する
不感帯を有している。このため電磁モータなどに比べ制
御が複雑となるといった課題があった。

【０００７】即ち、不感帯が存在すると、特に起動時に
静止摩擦力を脱するために多くのエネルギーが必要とな
り、制御部１９からの出力に対して線形応答せず、希望
通りの制御を行うことが困難であった。また、この傾向
はステージ１３の負荷やステージ１３に要求される加速
度や速度が大きくなればなるほど顕著となり、位置偏差
の増大に伴って安定した制御ができなくなったり、位置
決め制定に要する時間が長くなる、などの課題があっ
た。

【０００８】このような超音波モータ１５の持つ不感帯
を考慮に入れたものとして、特開平８−１９６０９０号
公報に記載のものがある。

【０００９】図９にそのブロック線図を示すように、制
御部１９は、予め設定されたステージ１３の移動プロフ
ァイルが格納されている目標値発生部３１と、ＰＩＤ演
算処理を行うフィードバック制御部３２と、オフセット
信号制御部３３とからなり、超音波モータ１５の持つ不
感帯を補償するオフセット信号を、位置検出手段１８か
らの位置信号２１５に基づいてオフセット信号制御部３
３にて算出し、フィードバック制御３２からの指令信号
２１２に重畳するようにしたもので、不感帯分を相殺す
ることで超音波モータ１５の線形応答領域のみを用いて
フィードバック制御を実行するため、制御量を安定させ
ることができるといった利点があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ステージ１
３を定速移動から再加速させたり、減速させたりする場
合、停止状態での静止摩擦力に起因する非線形応答とは
異なる挙動を示すため、ステージ１３の移動状況に応じ
てオフセット信号２１３を変化させる必要があるが、オ
フセット信号２１３はフィードバック制御部３２からの
指令信号２１２と独立しているため、ステージ１３の移
動中にむやみに変化させると、制御系が不安定となる恐
れがあった。

【００１１】そして、特開平８−１９６０９０号公報に
開示されている制御部１９では、オフセット信号２１３
を可変としているものの、変化させる値はステージ１３
の実際の移動量から推定されたものであることから、予
め設定されているステージ１３の移動プロファイルとの
位置偏差が大きいと制御が不安定となるといった課題が
あった。

【００１２】その為、可動体の移動プロファイルを基に
露光処理を同期させる走査型露光装置のような案内装置
では、描画精度や処理速度を低下させるといった課題が
あった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、可動体の駆動源をなす超音波モータと、上記
可動体の変位を検出する位置検出手段と、該位置検出手
段からの位置信号と、予め設定された可動体の移動プロ
ファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化す
るパラメータを基にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音波
モータへ指令信号を出力する制御部とからなり、上記制
御部からの指令信号に、上記超音波モータの不感帯幅を
越えるオフセット信号を重畳するとともに、前記可動体
の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時には、
その時の加速度及び加速前後における速度差に基づいて
直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳する
ことによって可動体を超音波モータにて駆動させる案内
装置を構成したものである。

【００１４】また、本発明は、上記可動体の移動プロフ
ァイルにおける再加速時又は減速時の加速度をα（ｍｍ
／ｓｅｃ² ）、加速前後の速度差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅ
ｃ）とした時、上記オフセット信号をその再加速開始時
又は減速開始時より０．００２×｜α｜秒手前から２０
×｜ΔＶ｜／｜α｜の変化率で直線的に増加又は減少さ
せたオフセット信号を重畳するようにしたものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１６】図１は超音波モータを可動体の駆動源とす
る本発明の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図
である。なお、従来と同一部分については同一符号で示
す。この案内装置は、ベース基盤１１上に一対のクロス
ローラガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、この
一対のガイド部材１２によって可動体であるステージ１
３を直線的に案内するようになっている。また、一対の
ガイド部材１２の間でステージ１３の下面には、上記ガ
イド部材１２に対して平行に被駆動部材１４とリニアス
ケール１６をそれぞれ固定してあり、上記リニアスケー
ル１６と対向する位置には測定ヘッド１７を設置して位
置検出手段１８を構成するとともに、上記被駆動部材１
４には、その長手方向に対して垂直に超音波モータ１５
を当接させてあり、この超音波モータ１５を駆動させる
ことでステージ１３をガイド部材１２に沿って移動、位
置決めするようになっている。

【００１７】また、ステージ１３の移動に伴う位置検出
手段１８からの位置信号は、制御部１に送られ、この制
御部１にて予め設定されたステージ１３の移動プロファ
イルに基づく位置信号と比較して位置偏差を求め、この
位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算
処理した出力値を指令信号として駆動用ドライバー２０
へ出力し、この駆動用ドライバー２０からの指令電圧に
基づいて超音波モータ１５を駆動するようになってい
る。

【００１８】図２に本発明の案内装置のブロック線図を
示すように、制御部１は、フィードバック制御部２２、
目標値発生部２１、及びオフセット信号指令部２３とか
らなり、ステージ１３への要求位置は、予め設定された
ステージ１３の移動プロファイルが格納されている目標
値発生部２１より時間の関数として与えられ、フィード
バック制御部２２へ送るとともに、ステージ１３の現在
位置は、位置検出手段１８にて検出され、フィードバッ
ク制御部２２へ送るようになっている。そしてこのフィ
ードバック制御部２２では、目標値発生部２１からの要
求位置信号１１１と位置検出手段１８からの実際の位置
信号１１５の２つの信号から位置偏差を計算し、所定の
パラメータを用いたＰＩＤ演算処理を実行することで、
ステージ１３の移動位置を決定する指令信号１１２を出
力するようになっている。

【００１９】また、ステージ１３に要求される移動プロ
ファイルに基づき、オフセット信号指令部２３では、超
音波モータ１５の不感帯を補償するため、不感帯幅を越
えるオフセット信号１１３を、速度変化、加速度、およ
び時間のパラメータに係る関数として決定し、その結果
をデータテーブル２４に格納してあり、オフセット信号
指令部２３では時間経過に対応したデータテーブル２４
の値をオフセット信号１１３として取り出し、フィード
バック制御部２２からの指令信号１１２に重畳するよう
になっている。

【００２０】ここで、予めデータテーブル２４に格納す
べきオフセット信号１１３の値は、要求される移動プロ
ファイルに対応させた変化を実現できるよう、ステージ
１３の移動開始からの経過時間を基準に、ステージ１３
へ要求される速度変化と加速度の関数として表現する。
これらは移動プロファイルから決定される既知のパラメ
ータであるので、移動制御を実行するに先だって計算し
ておくことが可能であり、高速処理のためのデジタル信
号プロセッサ等を追加することなく、簡単に実現でき
る。

【００２１】上記オフセット信号１１３を決定するにあ
たっては、予め使用する超音波モータ１５の不感帯幅を
測定し、それに相当する出力を初期値とし、初期値を基
準とした変化を上記パラメータの関数として求める。

【００２２】即ち、初期値はステージ１３の移動開始時
に適用されるオフセット信号１１３の値であり、指令信
号とステージ１３の応答（静止摩擦を脱出するためのエ
ネルギー）の相関関係を予備的に測定しておくことでよ
り理想的な制御を行うことが可能となる。なお、初期値
は案内装置の状態により経時的に変化することが予想さ
れるので、定期的に測定を実施し、更新する必要があ
る。

【００２３】具体的には、静止状態からステージ１３を
スムーズに移動させるのに必要な不感帯幅を越える値を
オフセット信号１１３の初期値とし、ステージ１３が移
動プロファイルに基づいて再加速や減速する際には、そ
の時の加速度をα（ｍｍ／ｓｅｃ² ）、加速前後の速度
差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、移動プロファイル
における再加速又は減速の開始時刻の０．０００２×｜
α｜秒手前より２０×｜ΔＶ｜／｜α｜の変化率で直線
的に増加あるいは減少させたオフセット信号１１３を指
令信号１１２を重畳すれば良い。

【００２４】そして、指令信号１１２にオフセット信号
１１３を重畳した最終の指令信号１１４が駆動用ドライ
バー２０へ送られ、指令電圧として超音波モータ１５へ
出力するようになっている。

【００２５】このように、本発明によれば、予め設定さ
れているステージ１３の移動プロファイルに基づいてオ
フセット信号１１３を可変としてあるため、ステージ１
３が定速状態から再加速したり、減速するような複雑な
動きをする場合であっても、ステージ１３の実際の移動
量から推定してオフセット信号２１３を可変とする従来
のものに較べて制御系の安定性が高く、要求された移動
プロファイルをより忠実に実行させることができる。

【００２６】かくして、本発明の案内装置を例えば、可
動体の移動プロファイルを基に露光処理を同期させる走
査型露光装置のような案内装置に適用すれば、描画精度
や処理速度を向上させることができる。

【００２７】

【実施例】ここで、本発明の案内装置と従来の案内装置
をそれぞれ用意し、可動体をなすステージ１３をある移
動プロファイルに基づいて移動させた時の移動特性を調
べる実験を行った。

【００２８】本実験において、案内装置を構成するステ
ージ１３は、３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍの板状
体をしたもので、純度９９．５％のアルミナセラミック
スにより形成した。また、被駆動部材１４は、３０ｍｍ
×３０ｍｍ×３００ｍｍの柱状体をしたもので、ステー
ジ１３と同材質のアルミナセラミックスにより形成し
た。なお、ステージ１３及び被駆動部材１４の総荷重を
測定したところ、１０ｋｇであった。

【００２９】また、ステージ１３を案内する一対のガイ
ド部材１２として、長さが３００ｍｍのクロスロ−ラガ
イドを用いるとともに、ステージ１３の駆動源をなす超
音波モータ１５として、イスラエル・ナノモーション社
製の超音波モータ（形式ＳＰ−８）を用いた。

【００３０】さらに、位置検出手段１８を構成するリニ
アスケール１４として、最小分解能０．２μｍ、応答周
波数１ＭＨｚのものを用いた。

【００３１】また、制御部１のオフセット信号指令部２
３のデータテーブル２４へインプットするオフセット信
号１１３の初期値は、以下のようにして求めた。

【００３２】(1) 静止状態にある超音波モータ１５に開
ループで指令電圧を所定の増加率で徐々に加え、位置検
出手段１８からの位置信号を読み取る。

【００３３】(2) ステージ１３の移動量が所定のしきい
値を越えた時点での指令電圧値を不感帯幅に相当するオ
フセット信号１１３として記録する。

【００３４】(3) (1) 及び(2) を静止位置、始動方向を
変えて数点測定し、それらの平均値をオフセット信号１
１３の初期値としてデータテーブル２４に記録する。

【００３５】次に、ステージ１３の移動プロファイルと
して、図３に示す移動プロファイルを関数として目標値
発生部２１に記録する。

【００３６】そして、本発明の案内装置においては、図
３に示す移動プロファイルに基づくオフセット信号１１
３を、図４に示す関数としてオフセット信号指令部２３
のデータデーブル２４に記録する。

【００３７】即ち、図４において、ステージ１３の始動
時の加速及び加速完了後の定速移動時のオフセット信号
値１１３は、上記初期値に等しいため、予め２．０Ｖの
オフセット信号１１３を指令信号１１２に重畳させるよ
うにする。そして、ステージ１３が再加速を行う時に
は、この再加速時の加速度αが５００（ｍｍ／ｓｅ
ｃ²）、加速開始前と加速終了後の速度差ΔＶが５０
（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、図３における移動プロフ
ァイルの再加速開始時である１．１秒より０．０００２
×｜α｜＝０．１秒手前の１．０秒から２０×｜ΔＶ｜
／｜α｜＝２の変化率で増加するようにオフセット信号
１１３を直線的に増加させたあと、再度定速状態では、
オフセット信号１１３の初期値に増加分をプラスした値
を指令信号１１２に重畳する。そして、ステージ１３が
減速を行う時には、この減速時の加速度αが−５００
（ｍｍ／ｓｅｃ² ）、減速開始前と減速終了後の速度差
ΔＶが−１００（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、図３にお
ける移動プロファイルの減速開始時である２．２秒より
０．０００２×｜α｜＝０．１秒手前の２．１秒から２
０×｜ΔＶ｜／｜α｜＝４の変化率で減少するようにオ
フセット信号１１３を直線的に減少させるようにした。
なお、上記オフセット信号１１３の変更は、変速行程が
終了（定速状態、あるいは停止）するまで続けるものと
した。また、オフセット信号１１３は、ステージ１３の
移動中にリアルタイムで計算させるようにしても良い
が、本実験では、予めサーボインターバル間隔で信号値
を計算しておき、プロセッサが参照するデータテーブル
２４中に格納する方式を採用した。

【００３８】フィードバック制御部２２およびデータテ
ーブル２４からのオフセット信号１１３の参照は同一の
プロセッサで、サーボインターバルを０．５ｍｓｅｃと
して実行した。フィードバック制御部２２はＰＩＤ演算
処理を用い、位置検出手段１８から検出したステージ１
３の実際の位置信号１１５と、予め目標値発生部２１に
格納している位置信号１１１との位置偏差を求め、数１
に基づいてＰＩＤ演算処理を施して指令信号１１２を算
出するようにした。

【００３９】

【数１】

【００４０】ここで、Ｖout は指令信号１１２の値、Ｅ
はステージ１３の実際の位置と要求位置との位置偏差、
Ｉはステージ１３の移動開始からの位置偏差の積分和、
Ｄは前回のサーボインターバル時間内における位置偏差
と現在の位置偏差との差を表し、Ｋｐ，ＩＫｉ，ＤＫｄ
は各項のゲインを表すパラメータで、予め駆動系の周波
数応答特性から割り出した系固有の値である。従って、
超音波モータ１５への最終指令信号１１４は数２のよう
になる。

【００４１】

【数２】

【００４２】ここで、Ｖofs はオフセット信号１１３
で、サーボインターバル時間に対応する値として、予め
データテーブル２４（ここではプロセッサの用いるデー
タメモリ）上に格納されている値、Ｖは駆動用ドライバ
ー２０へ出力する最終指令信号１１４の値である。

【００４３】一方、比較例として、ステージ１３、超音
波モータ１５、位置検出手段１８、およびフィードバッ
ク制御部２２の構成は本発明と基本的に同じとし、比較
例１としては、オフセット信号を上記不感帯の測定によ
り得られた初期値を固定値として連続的に指令信号１１
２に重畳し、比較例２としては、オフセット信号２１３
の初期値を比較例１と同じとし、その後のオフセット信
号２１３を数３より算出される制御量（ステージの移動
量）に基づく帰還をかけた値を指令信号１１２に重畳す
るようにした。

【００４４】

【数３】

【００４５】そして、これらの案内装置の駆動特性を調
べる実験を行った。なお、安定した駆動特性は位置偏差
の変化量を見ることで確認することができるため、この
位置偏差の変化の度合いをモニターすることで確認する
ようにした。

【００４６】本発明の案内装置における時間と位置偏差
との関係は図５に、比較例１の案内装置における時間と
位置偏差との関係は図６に、比較例２の案内装置におけ
る時間と位置偏差との関係は図７にそれぞれ示す通りで
ある。

【００４７】これらの結果より明らかなように、本発明
の案内装置では、ステージ１３の移移動中において位置
偏差の変化が殆どなく、ステージ１３が再加速したり、
減速するような複雑な移動プロファイルにおいても忠実
に駆動させることができることが判る。

【００４８】これに対し、比較例１では、ステージ１３
の再加速に対して迅速に対応できず、位置偏差の収束が
大幅に遅れて、比較例２では、比較例１に較べると位置
偏差の収束は早いものの、再加速開始時や減速開始時に
おいて、瞬間的に位置偏差の乱れが生じ、リカバリータ
イムを考慮する必要があることが判る。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、可動体
の駆動源をなす超音波モータと、上記可動体の変位を検
出する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号
と、予め設定された可動体の移動プロファイルに基づく
位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基
にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音波モータへの指令信
号を出力する制御部とからなり、上記制御部からの指令
信号に、上記超音波モータの不感帯幅を越えるオフセッ
ト信号を重畳するとともに、前記可動体の移動プロファ
イルにおける再加速時又は減速時には、その時の加速度
及び速度差に基づいて直線的に増加又は減少させたオフ
セット信号を重畳することによって可動体を超音波モー
タにて駆動させるようにして案内装置を構成したので、
可動体に複雑な移動プロファイルが要求される場合で
も、その移動プロファイルに応じて忠実に可動体を移
動、位置決めすることができ、最適な制御を行うことが
できるので、特に可動体の移動プロファイルからの偏差
を厳密に管理する必要がある走査型露光装置のような案
内装置として好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の
案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。

【図２】本発明の案内装置を示すブロック線図である。

【図３】実験において、ステージの移動プロファイルで
ある速度と時間との関係を示すグラフである。

【図４】実験において、本発明の案内装置においてオフ
セット信号指令部のデータテーブルに格納するオフセッ
ト信号値と時間との関係を示すグラフである。

【図５】本発明の案内装置における時間と位置偏差との
関係を示すグラフである。

【図６】比較例１の案内装置における時間と位置偏差と
の関係を示すグラフである。

【図７】比較例２の案内装置における時間と位置偏差と
の関係を示すグラフである。

【図８】超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案
内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。

【図９】従来の案内装置を示すブロック線図である。

【符号の説明】

１，１９・・・制御部 １１・・・ベース基盤 １２・・・ガイド部材 １３・・・ステージ １４・・・被駆動部材 １５・・・超音波モータ １６・・・リニアスケール １７・・・測定ヘッド １８・・・位置検出手段 ２０・・・駆動用ドライバー ２１・・・目標値発生部 ２２・・・フィードバック制御部 ２３・・・オフセット信号指令部 ２４・・・データテーブル １１２・・・指令信号 １１３・・・オフセット信号 １１４・・・最終指令信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可動体の駆動源をなす超音波モータと、上
   記可動体の変位を検出する位置検出手段と、該位置検出
   手段からの位置信号と、予め設定された可動体の移動プ
   ロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化
   するパラメータを基にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音
   波モータへ指令信号を出力する制御部とからなり、上記
   制御部からの指令信号に、上記超音波モータの不感帯幅
   を越えるオフセット信号を重畳するとともに、前記可動
   体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時に
   は、加速度及び加速前後における速度差に基づいて直線
   的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳するよう
   にしたことを特徴とする超音波モータを可動体の駆動源
   とする案内装置。
2. 【請求項２】前記可動体の移動プロファイルにおける再
   加速時又は減速時の加速度をα（ｍｍ／ｓｅｃ² ）、加
   速前後における速度差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした
   時、上記オフセット信号をその再加速開始時又は減速開
   始時より０．００２×｜α｜秒手前から２０×｜ΔＶ｜
   ／｜α｜の変化率で直線的に増加又は減少させたオフセ
   ット信号を重畳するようにしたことを特徴とする請求項
   １に記載の超音波モータを可動体の駆動源とする案内装
   置。