JP2001022448A - ステージ位置制御方法及びステージ位置制御装置 - Google Patents
ステージ位置制御方法及びステージ位置制御装置Info
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- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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- Machine Tool Units (AREA)
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- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 位置決めステージ機構に適し、その位置決め
精度、定速性の向上を図ることのできるステージ位置制
御方法を提供すること。 【解決手段】 Ｙステージ６３をＹ軸方向に、独立に制
御可能なＹ１リニアモータ７１、Ｙ２リニアモータ７２
により並進駆動可能とし、Ｙステージの移動量をＹ１リ
ニアエンコーダ７６、Ｙ２リニアエンコーダ７７により
検出してＹ制御系２０、θ制御系３０にフィードバック
する。Ｙ制御系は、Ｙ１リニアエンコーダ、Ｙ２リニア
エンコーダによって計測される各位置検出値の平均値を
ステージ並進方向の位置フィードバック値として受ける
ことにより並進推力指令値を出力し、θ制御系は、前記
各位置検出値の差をステージヨーイング方向の位置フィ
ードバック値として受けてヨーイング方向推力指令値を
出力する。非干渉化ブロック４０は、並進推力指令値と
ヨーイング方向推力指令値よりＹ１リニアモータ推力指
令値、Ｙ２リニアモータ推力指令値を出力する。以上に
より、Ｙステージの運動を並進方向運動とヨーイング方
向運動とに分離して独立に制御補償する。
精度、定速性の向上を図ることのできるステージ位置制
御方法を提供すること。 【解決手段】 Ｙステージ６３をＹ軸方向に、独立に制
御可能なＹ１リニアモータ７１、Ｙ２リニアモータ７２
により並進駆動可能とし、Ｙステージの移動量をＹ１リ
ニアエンコーダ７６、Ｙ２リニアエンコーダ７７により
検出してＹ制御系２０、θ制御系３０にフィードバック
する。Ｙ制御系は、Ｙ１リニアエンコーダ、Ｙ２リニア
エンコーダによって計測される各位置検出値の平均値を
ステージ並進方向の位置フィードバック値として受ける
ことにより並進推力指令値を出力し、θ制御系は、前記
各位置検出値の差をステージヨーイング方向の位置フィ
ードバック値として受けてヨーイング方向推力指令値を
出力する。非干渉化ブロック４０は、並進推力指令値と
ヨーイング方向推力指令値よりＹ１リニアモータ推力指
令値、Ｙ２リニアモータ推力指令値を出力する。以上に
より、Ｙステージの運動を並進方向運動とヨーイング方
向運動とに分離して独立に制御補償する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ステージ位置制御
方法及びステージ位置制御装置に関し、特にステージを
Ｘ方向及びＹ方向に駆動するステージ機構に適したステ
ージ位置制御方法及びステージ位置制御装置に関する。
方法及びステージ位置制御装置に関し、特にステージを
Ｘ方向及びＹ方向に駆動するステージ機構に適したステ
ージ位置制御方法及びステージ位置制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種のステージ機構の一例を、本出願
人により提案（特願平１０−３３２２１３号）されてい
るＸ−Ｙステージ装置について図３を参照して説明す
る。
人により提案（特願平１０−３３２２１３号）されてい
るＸ−Ｙステージ装置について図３を参照して説明す
る。
【０００３】図３において、このＸ−Ｙステージ装置の
固定部分は上面を静圧軸受け案内面としたベース６０と
ベース６０上に固定された一対のガイドレール６１及び
６２である。ガイドレール６１、６２はそれぞれ、互い
に対向し合う案内面６１ａ、６２ａを持つ。図３中、案
内面６１ａ、６２ａに沿ってＹ軸方向に直線案内される
部分は、ガイドレール６１と６２との間に配置されて両
端にＴ字状部を持つＹステージ６３と、Ｘ−Ｙ平面に垂
直なＺ軸まわりの回転１自由度を持つ４個の継ぎ手６４
（２個のみ図示）を介してＹステージ６３のＴ字状部の
側面に接続された４個の静圧空気軸受けパッド６５（１
個のみ図示）と、Ｙステージ６３の下面に接続された３
個の静圧空気軸受けパッド６６−１〜６６−３である。
なお、静圧空気軸受けパッド６６−３は、Ｙステージ６
３の中心軸に対応する箇所に設けられ、静圧空気軸受け
パッド６６−１、６６−２はＹステージ６３の中心軸に
関してほぼ対称な位置に設けられる。すなわち、静圧空
気軸受けパッド６６−１〜６６−３は、それぞれの中心
が二等辺三角形を形成するように配置される。Ｙステー
ジ６３は、その延在方向に平行な２つの側面がＸステー
ジ６７を案内するための基準面として形成されている。
固定部分は上面を静圧軸受け案内面としたベース６０と
ベース６０上に固定された一対のガイドレール６１及び
６２である。ガイドレール６１、６２はそれぞれ、互い
に対向し合う案内面６１ａ、６２ａを持つ。図３中、案
内面６１ａ、６２ａに沿ってＹ軸方向に直線案内される
部分は、ガイドレール６１と６２との間に配置されて両
端にＴ字状部を持つＹステージ６３と、Ｘ−Ｙ平面に垂
直なＺ軸まわりの回転１自由度を持つ４個の継ぎ手６４
（２個のみ図示）を介してＹステージ６３のＴ字状部の
側面に接続された４個の静圧空気軸受けパッド６５（１
個のみ図示）と、Ｙステージ６３の下面に接続された３
個の静圧空気軸受けパッド６６−１〜６６−３である。
なお、静圧空気軸受けパッド６６−３は、Ｙステージ６
３の中心軸に対応する箇所に設けられ、静圧空気軸受け
パッド６６−１、６６−２はＹステージ６３の中心軸に
関してほぼ対称な位置に設けられる。すなわち、静圧空
気軸受けパッド６６−１〜６６−３は、それぞれの中心
が二等辺三角形を形成するように配置される。Ｙステー
ジ６３は、その延在方向に平行な２つの側面がＸステー
ジ６７を案内するための基準面として形成されている。
【０００４】図３中、Ｙ軸方向に直線案内されながらＸ
軸方向にも直線案内される部分は、Ｙステージ６３をま
たぐように組み合わされたコ字形状のＸステージ６７
と、Ｙステージ６３の側面に対向するようにＸステージ
６７のコ字形状の内面に接続された４個の静圧空気軸受
けパッド６９−１〜６９−４と、Ｘステージ６７の下面
に接続された３個の静圧空気軸受けパッド７０−１〜７
０−３である。
軸方向にも直線案内される部分は、Ｙステージ６３をま
たぐように組み合わされたコ字形状のＸステージ６７
と、Ｙステージ６３の側面に対向するようにＸステージ
６７のコ字形状の内面に接続された４個の静圧空気軸受
けパッド６９−１〜６９−４と、Ｘステージ６７の下面
に接続された３個の静圧空気軸受けパッド７０−１〜７
０−３である。
【０００５】Ｙステージ６３は静圧空気軸受けパッド６
５によって、ベース６０に対するＸ軸方向の拘束を非接
触に受ける。Ｙステージ６３はまた、静圧空気軸受けパ
ッド６６−１〜６６−３とＹステージ６３の自重によっ
て、ベース６０に対するＺ軸方向の拘束を非接触に受け
る。この２方向の拘束によりＹステージ６３はＹ軸方向
に運動（直線案内）可能となる。
５によって、ベース６０に対するＸ軸方向の拘束を非接
触に受ける。Ｙステージ６３はまた、静圧空気軸受けパ
ッド６６−１〜６６−３とＹステージ６３の自重によっ
て、ベース６０に対するＺ軸方向の拘束を非接触に受け
る。この２方向の拘束によりＹステージ６３はＹ軸方向
に運動（直線案内）可能となる。
【０００６】同様に、Ｘステージ６７は静圧空気軸受け
パッド６９−１〜６９−４によって、Ｙステージ６３に
対するＹ軸方向の拘束を非接触に受ける。Ｘステージ６
７はまた、静圧空気軸受けパッド７０−１〜７０−３と
Ｘステージ６７の自重によって、ベース６０に対するＺ
軸方向の拘束を非接触に受ける。これらの構成により、
Ｘステージ６７は、ベース６０に対してＸ軸方向とＹ軸
方向に直線案内される。
パッド６９−１〜６９−４によって、Ｙステージ６３に
対するＹ軸方向の拘束を非接触に受ける。Ｘステージ６
７はまた、静圧空気軸受けパッド７０−１〜７０−３と
Ｘステージ６７の自重によって、ベース６０に対するＺ
軸方向の拘束を非接触に受ける。これらの構成により、
Ｘステージ６７は、ベース６０に対してＸ軸方向とＹ軸
方向に直線案内される。
【０００７】ここでは、Ｙステージ６３の駆動系とし
て、ガイドレール６１、６２上にそれぞれ構成された一
対のＹ１リニアモータ７１、Ｙ２リニアモータ７２を使
用し、Ｘステージ６７の駆動系としてＹステージ６３上
に構成されたＸリニアモータ７３をそれぞれ使用してい
る。
て、ガイドレール６１、６２上にそれぞれ構成された一
対のＹ１リニアモータ７１、Ｙ２リニアモータ７２を使
用し、Ｘステージ６７の駆動系としてＹステージ６３上
に構成されたＸリニアモータ７３をそれぞれ使用してい
る。
【０００８】この種のリニアモータは周知であるので、
Ｙ２リニアモータ７２について簡単に説明すると、ギャ
ップをおいて配列した多数の上側永久磁石７２−１と多
数の下側永久磁石７２−２との間にＹステージ６３から
延ばしたコイル（図示せず）を配置して成る。
Ｙ２リニアモータ７２について簡単に説明すると、ギャ
ップをおいて配列した多数の上側永久磁石７２−１と多
数の下側永久磁石７２−２との間にＹステージ６３から
延ばしたコイル（図示せず）を配置して成る。
【０００９】Ｙステージ６３の２つのＴ字状部には、ガ
イドレール６１、６２に設けられたＹ１リニアスケール
７４、Ｙ２リニアスケール７５と共にＹ１リニアモータ
７１、Ｙ２リニアモータ７２による移動量を検出するた
めのＹ１リニアエンコーダ７６、Ｙ２リニアエンコーダ
７７が設けられる。Ｘステージ６７には、Ｙステージ６
３に設けられたＸリニアスケール７８と共にＸリニアモ
ータ７３による移動量を検出するためのＸリニアエンコ
ーダ７９が設けられる。
イドレール６１、６２に設けられたＹ１リニアスケール
７４、Ｙ２リニアスケール７５と共にＹ１リニアモータ
７１、Ｙ２リニアモータ７２による移動量を検出するた
めのＹ１リニアエンコーダ７６、Ｙ２リニアエンコーダ
７７が設けられる。Ｘステージ６７には、Ｙステージ６
３に設けられたＸリニアスケール７８と共にＸリニアモ
ータ７３による移動量を検出するためのＸリニアエンコ
ーダ７９が設けられる。
【００１０】このようなステージ装置において、Ｙステ
ージ６３は、２つの独立した駆動系により並進駆動され
る駆動軸として考えることができる。そして、このよう
な駆動軸はガントリ軸とも呼ばれる。いずれにしても、
このようなステージ構成では２つのガイドレール６１、
６２間の距離に対し、Ｙステージ６３用の静圧空気軸受
け間の距離は短い。このような場合、Ｙステージ６３の
移動時にＹステージ６３はＺ軸方向まわりの回転運動
（ヨーイング運動）を引き起こしやすい。
ージ６３は、２つの独立した駆動系により並進駆動され
る駆動軸として考えることができる。そして、このよう
な駆動軸はガントリ軸とも呼ばれる。いずれにしても、
このようなステージ構成では２つのガイドレール６１、
６２間の距離に対し、Ｙステージ６３用の静圧空気軸受
け間の距離は短い。このような場合、Ｙステージ６３の
移動時にＹステージ６３はＺ軸方向まわりの回転運動
（ヨーイング運動）を引き起こしやすい。
【００１１】これを避けるには、２つのガイドレール６
１、６２間の距離に対しＹステージ６３用の静圧空気軸
受け間の距離を長くすることが必要である。しかし、そ
のようにすると、ステージ装置のフットプリントが大き
くなる上に、ステージ装置の重量が増して高速な移動が
困難になるなどの欠点がある。
１、６２間の距離に対しＹステージ６３用の静圧空気軸
受け間の距離を長くすることが必要である。しかし、そ
のようにすると、ステージ装置のフットプリントが大き
くなる上に、ステージ装置の重量が増して高速な移動が
困難になるなどの欠点がある。
【００１２】このためＹステージ６３を移動する際は、
２個のモータ（Ｙ１リニアモータ７１及びＹ２リニアモ
ータ７２）でＹステージ６３の両端を駆動する。このと
き駆動軸の制御方法としては、一般に次の３つの方式が
考えられる。
２個のモータ（Ｙ１リニアモータ７１及びＹ２リニアモ
ータ７２）でＹステージ６３の両端を駆動する。このと
き駆動軸の制御方法としては、一般に次の３つの方式が
考えられる。
【００１３】第１の方式を図４に示す。図３と同じ部分
については同一番号を付している。この第１の方式で
は、Ｙ１リニアモータ７１とＹ２リニアモータ７２に対
して共通のＹ（並進方向）制御系により、同一の推力指
令を与える方式である。Ｙ制御系はＹ軸位置指令値を指
令入力Ｙref とし、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位
置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの位置検出値
の平均値をフィードバック入力Ｙfbk とするフィードバ
ック制御系によるＰＩＤ補償を基本構成とする。このた
めに、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位置検出値とＹ
２リニアエンコーダ７７からの位置検出値とを加算する
ための加算器８１と、加算された値の１／２、すなわち
平均値を算出する演算器８２と、Ｙ軸位置指令値と平均
値との差を取る減算器８３と、ＰＩＤ補償器８４とを含
む。ここでは更に、追従性を向上させるためのフィード
フォワード（以下、ＦＦと呼ぶ）補償器８５を付加し、
ＦＦ補償器８５の出力とＰＩＤ補償器８４の出力とを加
算器８６で加算するようにしている。加算器８６の出力
は、推力指令値としてＹ１リニアモータ７１用のサーボ
アンプ８７と、Ｙ２リニアモータ７２用のサーボアンプ
８８に与えられる。
については同一番号を付している。この第１の方式で
は、Ｙ１リニアモータ７１とＹ２リニアモータ７２に対
して共通のＹ（並進方向）制御系により、同一の推力指
令を与える方式である。Ｙ制御系はＹ軸位置指令値を指
令入力Ｙref とし、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位
置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの位置検出値
の平均値をフィードバック入力Ｙfbk とするフィードバ
ック制御系によるＰＩＤ補償を基本構成とする。このた
めに、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位置検出値とＹ
２リニアエンコーダ７７からの位置検出値とを加算する
ための加算器８１と、加算された値の１／２、すなわち
平均値を算出する演算器８２と、Ｙ軸位置指令値と平均
値との差を取る減算器８３と、ＰＩＤ補償器８４とを含
む。ここでは更に、追従性を向上させるためのフィード
フォワード（以下、ＦＦと呼ぶ）補償器８５を付加し、
ＦＦ補償器８５の出力とＰＩＤ補償器８４の出力とを加
算器８６で加算するようにしている。加算器８６の出力
は、推力指令値としてＹ１リニアモータ７１用のサーボ
アンプ８７と、Ｙ２リニアモータ７２用のサーボアンプ
８８に与えられる。
【００１４】上記の第１の方式では、ステージのヨーイ
ング運動に伴う誤差は検出されないため、その誤差を抑
制する制御が行われない。ヨーイング運動に対する機械
的剛性によって、その誤差の大きさが決まる。前述した
ように、ガイドレール６１、６２間の距離に対してＹス
テージ６３の静圧空気軸受け間の距離が短い構成ではヨ
ーイング剛性が低いため大きなヨーイング誤差を生じ
る。また、Ｘステージ６７の位置によってＹ方向可動部
（Ｙステージ６３及びＸステージ６７）の重心位置が移
動するため、ヨーイング誤差の大きさはＸステージ６７
の位置によって変動する。
ング運動に伴う誤差は検出されないため、その誤差を抑
制する制御が行われない。ヨーイング運動に対する機械
的剛性によって、その誤差の大きさが決まる。前述した
ように、ガイドレール６１、６２間の距離に対してＹス
テージ６３の静圧空気軸受け間の距離が短い構成ではヨ
ーイング剛性が低いため大きなヨーイング誤差を生じ
る。また、Ｘステージ６７の位置によってＹ方向可動部
（Ｙステージ６３及びＸステージ６７）の重心位置が移
動するため、ヨーイング誤差の大きさはＸステージ６７
の位置によって変動する。
【００１５】第２の方式について図５を参照して説明す
る。図４と同じ部分については同一番号を付している。
これはＹ１リニアモータ７１のための制御系をＹ１制御
系とし、Ｙ２リニアモータ７２のための制御系をＹ２制
御系として個別に制御する方式である。
る。図４と同じ部分については同一番号を付している。
これはＹ１リニアモータ７１のための制御系をＹ１制御
系とし、Ｙ２リニアモータ７２のための制御系をＹ２制
御系として個別に制御する方式である。
【００１６】まず、Ｙ１制御系は、Ｙ軸位置指令値を指
令入力Ｙref1とし、Ｙ１リニアエンコーダ７１からの検
出値をフィードバック入力Ｙfbk1とするフィードバック
制御系によるＰＩＤ補償を基本構成とする。ここでも、
追従性を向上させるためにＦＦ補償器８５が付加されて
いる。動作は、フィードバック入力が異なることを除い
て図４で説明した通りである。
令入力Ｙref1とし、Ｙ１リニアエンコーダ７１からの検
出値をフィードバック入力Ｙfbk1とするフィードバック
制御系によるＰＩＤ補償を基本構成とする。ここでも、
追従性を向上させるためにＦＦ補償器８５が付加されて
いる。動作は、フィードバック入力が異なることを除い
て図４で説明した通りである。
【００１７】一方、Ｙ２制御系は、Ｙ１リニアエンコー
ダ７６からの位置検出値を指令入力Ｙref2とし、Ｙ２リ
ニアエンコーダ７７からの位置検出値をフィードバック
入力Ｙfbk2とするフィードバック制御系によるＰＩＤ補
償で構成している。このために、Ｙ２制御系は、Ｙ１リ
ニアエンコーダ７６からの位置検出値Ｙref2とＹ２リニ
アエンコーダ７７からの位置検出値Ｙfbk2とを加算する
加算器９１と、ＰＩＤ補償器９２とを有する。
ダ７６からの位置検出値を指令入力Ｙref2とし、Ｙ２リ
ニアエンコーダ７７からの位置検出値をフィードバック
入力Ｙfbk2とするフィードバック制御系によるＰＩＤ補
償で構成している。このために、Ｙ２制御系は、Ｙ１リ
ニアエンコーダ７６からの位置検出値Ｙref2とＹ２リニ
アエンコーダ７７からの位置検出値Ｙfbk2とを加算する
加算器９１と、ＰＩＤ補償器９２とを有する。
【００１８】この第２の方式では、Ｙ２リニアモータ７
２はＹ１リニアモータ７１をマスターとしたスレーブ動
作を行うため、マスタースレーブ制御方式とも呼ばれ
る。この第２の方式でも、Ｙステージ６３のヨーイング
運動に伴う誤差は検出されないため、その誤差を抑制す
る制御が行われない。Ｙ方向移動時はＹ１リニアモータ
７１が常に先行する状態となり、移動時はヨーイング誤
差を生じた状態となり、移動方向を逆転するとヨーイン
グ誤差の方向も反転する。このときのヨーイング誤差の
大きさを決定するのは機械的剛性である。また、Ｘステ
ージ６３の位置によってＹ方向可動部（Ｙステージ６３
及びＸステージ６７）の重心位置が移動するため、ヨー
イング誤差の大きさはＸステージ６７の位置によって変
動する。
２はＹ１リニアモータ７１をマスターとしたスレーブ動
作を行うため、マスタースレーブ制御方式とも呼ばれ
る。この第２の方式でも、Ｙステージ６３のヨーイング
運動に伴う誤差は検出されないため、その誤差を抑制す
る制御が行われない。Ｙ方向移動時はＹ１リニアモータ
７１が常に先行する状態となり、移動時はヨーイング誤
差を生じた状態となり、移動方向を逆転するとヨーイン
グ誤差の方向も反転する。このときのヨーイング誤差の
大きさを決定するのは機械的剛性である。また、Ｘステ
ージ６３の位置によってＹ方向可動部（Ｙステージ６３
及びＸステージ６７）の重心位置が移動するため、ヨー
イング誤差の大きさはＸステージ６７の位置によって変
動する。
【００１９】第３の方式を図６を参照して説明する。図
５と同じ部分には同一番号を付している。この第３の方
式も、Ｙ１リニアモータ７１のための制御系をＹ１制御
系とし、Ｙ２リニアモータ７２のための制御系をＹ２制
御系として個別に制御する方式である。Ｙ１制御系は図
５に示したものと同じであり、Ｙ２制御系もＹ１制御系
と同じ構成としている。
５と同じ部分には同一番号を付している。この第３の方
式も、Ｙ１リニアモータ７１のための制御系をＹ１制御
系とし、Ｙ２リニアモータ７２のための制御系をＹ２制
御系として個別に制御する方式である。Ｙ１制御系は図
５に示したものと同じであり、Ｙ２制御系もＹ１制御系
と同じ構成としている。
【００２０】まず、Ｙ１制御系は、Ｙ軸位置指令値を指
令入力Ｙref1とし、Ｙ１リニアエンコーダ７１からの位
置検出値をフィードバック入力Ｙfbk1とするフィードバ
ック制御系によるＰＩＤ補償を基本構成としている。一
方、Ｙ２制御系は、Ｙ軸位置指令値を指令入力Ｙref2と
し、Ｙ２リニアエンコーダ７２からの位置検出値をフィ
ードバック入力とするフィードバック制御系によるＰＩ
Ｄ補償を基本構成としている。このために、Ｙ２制御系
は、Ｙ軸位置指令値Ｙref2とＹ２リニアエンコーダ７７
からの位置検出値Ｙfbk2との差を演算するための減算器
９５と、ＰＩＤ補償器９６とを含む。ここでも、追従性
を向上させるためにＦＦ補償器９７を付加し、ＦＦ補償
器９７の出力とＰＩＤ補償器９６の出力とを加算器９８
で加算するようにしている。加算器９８の出力は、推力
指令値としてＹ２リニアモータ７２用のサーボアンプ８
８に与えられる。
令入力Ｙref1とし、Ｙ１リニアエンコーダ７１からの位
置検出値をフィードバック入力Ｙfbk1とするフィードバ
ック制御系によるＰＩＤ補償を基本構成としている。一
方、Ｙ２制御系は、Ｙ軸位置指令値を指令入力Ｙref2と
し、Ｙ２リニアエンコーダ７２からの位置検出値をフィ
ードバック入力とするフィードバック制御系によるＰＩ
Ｄ補償を基本構成としている。このために、Ｙ２制御系
は、Ｙ軸位置指令値Ｙref2とＹ２リニアエンコーダ７７
からの位置検出値Ｙfbk2との差を演算するための減算器
９５と、ＰＩＤ補償器９６とを含む。ここでも、追従性
を向上させるためにＦＦ補償器９７を付加し、ＦＦ補償
器９７の出力とＰＩＤ補償器９６の出力とを加算器９８
で加算するようにしている。加算器９８の出力は、推力
指令値としてＹ２リニアモータ７２用のサーボアンプ８
８に与えられる。
【００２１】この第３の方式では、Ｙ１リニアモータ７
１とＹ２リニアモータ７２を独立のモータとして考え、
制御を行う。このため、Ｙステージ６３のヨーイング運
動に伴う誤差も各モータの並進方向の誤差として検出さ
れ、制御される。しかし、実際にはＹ１リニアモータ７
１とＹ２リニアモータ７２は機械的に結合しているた
め、両方の制御系は機械剛性によって干渉する。このた
め、独立に制御を行うことは原理的に問題があり、これ
は、位置決め精度及び応答性を向上させるために制御ゲ
インを上げた場合に顕著に表れる。機械剛性で結合され
た片方のリニアモータの挙動が他方のリニアモータへの
外乱として作用するため、制御系の安定性を劣化させる
という問題である。
１とＹ２リニアモータ７２を独立のモータとして考え、
制御を行う。このため、Ｙステージ６３のヨーイング運
動に伴う誤差も各モータの並進方向の誤差として検出さ
れ、制御される。しかし、実際にはＹ１リニアモータ７
１とＹ２リニアモータ７２は機械的に結合しているた
め、両方の制御系は機械剛性によって干渉する。このた
め、独立に制御を行うことは原理的に問題があり、これ
は、位置決め精度及び応答性を向上させるために制御ゲ
インを上げた場合に顕著に表れる。機械剛性で結合され
た片方のリニアモータの挙動が他方のリニアモータへの
外乱として作用するため、制御系の安定性を劣化させる
という問題である。
【００２２】Ｘステージ６７の位置が中央にある場合
は、Ｙ１制御系とＹ２制御系の応答性が完全に一致して
いれば原理的には、モータ推力による干渉はない。しか
し、ステージに対し、何らかの外乱力が加わった場合、
その力で生じるヨーイング運動はリニアモータ間の干渉
を発生させる。また、Ｘステージ６７の位置によって可
動部の重心位置が移動するため、この干渉成分は変動し
ヨーイング誤差も変動する。
は、Ｙ１制御系とＹ２制御系の応答性が完全に一致して
いれば原理的には、モータ推力による干渉はない。しか
し、ステージに対し、何らかの外乱力が加わった場合、
その力で生じるヨーイング運動はリニアモータ間の干渉
を発生させる。また、Ｘステージ６７の位置によって可
動部の重心位置が移動するため、この干渉成分は変動し
ヨーイング誤差も変動する。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】更に、上記の３つの方
式の共通の問題点として、各ステージへの給電ケーブル
・空気配管等のテンション、リニアモータの推力リップ
ルといった外乱による位置決め精度・定速性への影響が
ある。
式の共通の問題点として、各ステージへの給電ケーブル
・空気配管等のテンション、リニアモータの推力リップ
ルといった外乱による位置決め精度・定速性への影響が
ある。
【００２４】このような外乱要素に対してはフィードバ
ック制御系の制御ゲインを高くすることによって、誤差
を低減しなければならない。しかし、ステージ機構の機
械共振周波数あるいは制御のためのコントローラの演算
時間などによって決定される制御系の安定性の限界から
設定できる制御ゲインには上限があり、実際にはこのよ
うな外乱要素によって位置決め誤差あるいは速度変動を
生じる。
ック制御系の制御ゲインを高くすることによって、誤差
を低減しなければならない。しかし、ステージ機構の機
械共振周波数あるいは制御のためのコントローラの演算
時間などによって決定される制御系の安定性の限界から
設定できる制御ゲインには上限があり、実際にはこのよ
うな外乱要素によって位置決め誤差あるいは速度変動を
生じる。
【００２５】そこで、本発明の課題は、工作機械、半導
体製造装置、計測装置等の各種産業機器の構成要素であ
る位置決めステージ機構に適し、その位置決め精度、定
速性の向上を図ることのできるステージ位置制御方法を
提供することにある。
体製造装置、計測装置等の各種産業機器の構成要素であ
る位置決めステージ機構に適し、その位置決め精度、定
速性の向上を図ることのできるステージ位置制御方法を
提供することにある。
【００２６】本発明の他の課題は、上記のステージ位置
制御方法に適したステージ位置制御装置を提供すること
にある。
制御方法に適したステージ位置制御装置を提供すること
にある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ステー
ジを搭載して一軸方向に駆動される駆動軸を独立に制御
可能な第１、第２の駆動系により並進駆動可能とし、前
記第１、第２の駆動系による移動量をそれぞれ第１、第
２の位置検出器により検出して第１、第２のフィードバ
ック制御系によりそれぞれ前記第１、第２の駆動系を制
御するステージ位置制御方法において、前記第１のフィ
ードバック制御系は、前記第１、第２の位置検出器によ
って計測される各位置検出値の平均値をステージ並進方
向の位置フィードバック値として受けることにより前記
第１、第２の駆動系に並進推力指令値を出力し、前記第
２のフィードバック制御系は、前記各位置検出値の差を
ステージヨーイング方向の位置フィードバック値として
受けて前記第１、第２の駆動系にヨーイング方向推力指
令値を出力することにより、ステージの運動を並進方向
運動とヨーイング方向運動とに分離して独立に制御補償
することを特徴とするステージ位置制御方法が提供され
る。
ジを搭載して一軸方向に駆動される駆動軸を独立に制御
可能な第１、第２の駆動系により並進駆動可能とし、前
記第１、第２の駆動系による移動量をそれぞれ第１、第
２の位置検出器により検出して第１、第２のフィードバ
ック制御系によりそれぞれ前記第１、第２の駆動系を制
御するステージ位置制御方法において、前記第１のフィ
ードバック制御系は、前記第１、第２の位置検出器によ
って計測される各位置検出値の平均値をステージ並進方
向の位置フィードバック値として受けることにより前記
第１、第２の駆動系に並進推力指令値を出力し、前記第
２のフィードバック制御系は、前記各位置検出値の差を
ステージヨーイング方向の位置フィードバック値として
受けて前記第１、第２の駆動系にヨーイング方向推力指
令値を出力することにより、ステージの運動を並進方向
運動とヨーイング方向運動とに分離して独立に制御補償
することを特徴とするステージ位置制御方法が提供され
る。
【００２８】本ステージ位置制御方法においては、前記
並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値とを加
算して前記第１の駆動系に出力すると共に、前記並進推
力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値との差を算出
して前記第２の駆動系に出力することにより推力の非干
渉化を実現することができる。
並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値とを加
算して前記第１の駆動系に出力すると共に、前記並進推
力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値との差を算出
して前記第２の駆動系に出力することにより推力の非干
渉化を実現することができる。
【００２９】本発明によればまた、ステージを搭載して
一軸方向に駆動される駆動軸を独立に制御可能な第１、
第２の駆動系により並進駆動可能とし、前記第１、第２
の駆動系による移動量をそれぞれ第１、第２の位置検出
器により検出して第１、第２のフィードバック制御系に
よりそれぞれ前記第１、第２の駆動系を制御するステー
ジ位置制御装置において、前記第１、第２の位置検出器
によって計測される各位置検出値の平均値を算出してス
テージ並進方向の位置フィードバック値として前記第１
のフィードバック制御系に出力すると共に、前記各位置
検出値の差を算出してステージヨーイング方向の位置フ
ィードバック値として前記第２のフィードバック制御系
に出力する座標変換ブロックを備え、前記第１のフィー
ドバック制御系は、ステージ並進方向の位置指令値と前
記ステージ並進方向の位置フィードバック値との差を算
出する第１の減算器と、該第１の減算器で算出された差
を入力として推力目標値を出力する第１のＰＩＤ補償器
と、前記推力目標値から算出される並進推力指令値と前
記ステージ並進方向の位置フィードバック値とに基づい
てステージ推定外乱力を演算する外乱オブザーバと、演
算された前記ステージ推定外乱力を前記推力目標値から
差し引くことにより新たな並進推力指令値を算出して前
記第１、第２の駆動系に出力する第２の減算器とを含
み、前記第２のフィードバック制御系は、ステージヨー
イング方向の指令値と前記ステージヨーイング方向の位
置フィードバック値との差を算出する第３の減算器と、
該第３の減算器で算出された差を入力としてヨーイング
方向推力指令値を前記第１、第２の駆動系に出力する第
２のＰＩＤ補償器とを含むことを特徴とするステージ位
置制御装置が提供される。
一軸方向に駆動される駆動軸を独立に制御可能な第１、
第２の駆動系により並進駆動可能とし、前記第１、第２
の駆動系による移動量をそれぞれ第１、第２の位置検出
器により検出して第１、第２のフィードバック制御系に
よりそれぞれ前記第１、第２の駆動系を制御するステー
ジ位置制御装置において、前記第１、第２の位置検出器
によって計測される各位置検出値の平均値を算出してス
テージ並進方向の位置フィードバック値として前記第１
のフィードバック制御系に出力すると共に、前記各位置
検出値の差を算出してステージヨーイング方向の位置フ
ィードバック値として前記第２のフィードバック制御系
に出力する座標変換ブロックを備え、前記第１のフィー
ドバック制御系は、ステージ並進方向の位置指令値と前
記ステージ並進方向の位置フィードバック値との差を算
出する第１の減算器と、該第１の減算器で算出された差
を入力として推力目標値を出力する第１のＰＩＤ補償器
と、前記推力目標値から算出される並進推力指令値と前
記ステージ並進方向の位置フィードバック値とに基づい
てステージ推定外乱力を演算する外乱オブザーバと、演
算された前記ステージ推定外乱力を前記推力目標値から
差し引くことにより新たな並進推力指令値を算出して前
記第１、第２の駆動系に出力する第２の減算器とを含
み、前記第２のフィードバック制御系は、ステージヨー
イング方向の指令値と前記ステージヨーイング方向の位
置フィードバック値との差を算出する第３の減算器と、
該第３の減算器で算出された差を入力としてヨーイング
方向推力指令値を前記第１、第２の駆動系に出力する第
２のＰＩＤ補償器とを含むことを特徴とするステージ位
置制御装置が提供される。
【００３０】本ステージ位置制御装置においては、前記
並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値とを加
算して前記第１の駆動系に出力する第１の加算器と、前
記並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値との
差を算出して前記第２の駆動系に出力する第４の減算器
とから成る推力非干渉化ブロックを更に備えることによ
り、推力の非干渉化を実現することができる。
並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値とを加
算して前記第１の駆動系に出力する第１の加算器と、前
記並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力指令値との
差を算出して前記第２の駆動系に出力する第４の減算器
とから成る推力非干渉化ブロックを更に備えることによ
り、推力の非干渉化を実現することができる。
【００３１】前記外乱オブザーバは、前記並進推力指令
値をローパスフィルタにてフィルタリングした推力指令
推定値と、ステージの逆モデル及びローパスフィルタに
て前記ステージ並進方向の位置フィードバック値より推
定した入力推力推定値との差分により前記ステージ推定
外乱力を演算することを特徴とする。
値をローパスフィルタにてフィルタリングした推力指令
推定値と、ステージの逆モデル及びローパスフィルタに
て前記ステージ並進方向の位置フィードバック値より推
定した入力推力推定値との差分により前記ステージ推定
外乱力を演算することを特徴とする。
【００３２】なお、前記ステージ並進方向の位置指令値
を入力とするフィードフォワード補償器と、該フィード
フォワード補償器の出力と前記第１のＰＩＤ補償器の出
力とを加算して前記推力目標値として出力する第２の加
算器とを更に備えることが望ましい。
を入力とするフィードフォワード補償器と、該フィード
フォワード補償器の出力と前記第１のＰＩＤ補償器の出
力とを加算して前記推力目標値として出力する第２の加
算器とを更に備えることが望ましい。
【００３３】前記第１、第２の駆動系はそれぞれリニア
モータで構成され、前記第１、第２の位置検出器はそれ
ぞれリニアエンコーダであることが好ましい。
モータで構成され、前記第１、第２の位置検出器はそれ
ぞれリニアエンコーダであることが好ましい。
【００３４】
【作用】本発明では、独立に制御可能な第１、第２の駆
動系と第１、第２の位置検出器とが、ある一定距離をお
いて配置され構成される駆動軸（ガントリ軸）におい
て、ステージのヨーイングによる誤差の発生を抑制し、
ステージに働く外乱力を補償することで、ステージの位
置決め精度を向上させることができる。
動系と第１、第２の位置検出器とが、ある一定距離をお
いて配置され構成される駆動軸（ガントリ軸）におい
て、ステージのヨーイングによる誤差の発生を抑制し、
ステージに働く外乱力を補償することで、ステージの位
置決め精度を向上させることができる。
【００３５】また、ステージの運動を一軸方向への並進
運動とヨーイング運動に分離して制御補償することで、
ステージの並進運動精度だけでなく、ヨーイング運動精
度の向上を図っている。更に、並進運動については機構
に働く外乱トルクを推定し補償することで、ステージの
速度変動及び位置変動を抑制している。
運動とヨーイング運動に分離して制御補償することで、
ステージの並進運動精度だけでなく、ヨーイング運動精
度の向上を図っている。更に、並進運動については機構
に働く外乱トルクを推定し補償することで、ステージの
速度変動及び位置変動を抑制している。
【００３６】
【発明の実施の形態】図１、図２を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。本発明による制御装置の
構成を図１に示す。図１において、ステージ機構の構成
は、図３で説明したものと同じとする。本発明による制
御装置の制御系は、座標変換ブロック１０、Ｙ１リニア
モータ７１をフィードバック制御するためのＹ（ステー
ジ並進方向）制御系２０、Ｙ２リニアモータ７２をフィ
ードバック制御するためのθ（ステージヨーイング方
向）制御系３０、推力非干渉化ブロック４０より構成さ
れる。
実施の形態について説明する。本発明による制御装置の
構成を図１に示す。図１において、ステージ機構の構成
は、図３で説明したものと同じとする。本発明による制
御装置の制御系は、座標変換ブロック１０、Ｙ１リニア
モータ７１をフィードバック制御するためのＹ（ステー
ジ並進方向）制御系２０、Ｙ２リニアモータ７２をフィ
ードバック制御するためのθ（ステージヨーイング方
向）制御系３０、推力非干渉化ブロック４０より構成さ
れる。
【００３７】座標変換ブロック１０は、Ｙ１リニアエン
コーダ７６からの位置検出値とＹ２リニアエンコーダ７
７からの位置検出値とを加算する加算器１０−１と、そ
の加算結果の１／２、すなわち平均値を演算する演算器
１０−２とを含み、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位
置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの位置検出値
の平均値によりＹ方向並進位置を算出し、Ｙ制御系への
フィードバック入力Ｙfbk とする。座標変換ブロック１
０はまた、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位置検出値
とＹ２リニアエンコーダ７７からの位置検出値の差を演
算する減算器１０−３を有し、Ｙ１リニアエンコーダ７
６からの位置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの
位置検出値の差によりヨーイング方向位置を算出し、θ
制御系３０へのフィードバック入力θfbk とする。
コーダ７６からの位置検出値とＹ２リニアエンコーダ７
７からの位置検出値とを加算する加算器１０−１と、そ
の加算結果の１／２、すなわち平均値を演算する演算器
１０−２とを含み、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位
置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの位置検出値
の平均値によりＹ方向並進位置を算出し、Ｙ制御系への
フィードバック入力Ｙfbk とする。座標変換ブロック１
０はまた、Ｙ１リニアエンコーダ７６からの位置検出値
とＹ２リニアエンコーダ７７からの位置検出値の差を演
算する減算器１０−３を有し、Ｙ１リニアエンコーダ７
６からの位置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの
位置検出値の差によりヨーイング方向位置を算出し、θ
制御系３０へのフィードバック入力θfbk とする。
【００３８】Ｙ制御系２０は、Ｙ軸位置指令値を指令入
力Ｙref とし、これとフィードバック入力Ｙfbk との差
を演算する減算器（第１の減算器）２０−１と、その加
算結果を入力とするＰＩＤ補償器（第１のＰＩＤ補償
器）２０−２と、指令入力Ｙre f を入力とするＦＦ補償
器２０−３と、ＰＩＤ補償器２０−２の出力とＦＦ補償
器２０−３の出力とを加算して推力目標値Ｆrefyを算出
する加算器２０−４と、加算器２０−５及び外乱オブザ
ーバ２０−６とを有する。すなわち、Ｙ制御系２０は、
Ｙ軸位置指令値を指令入力Ｙref とし、座標変換ブロッ
ク１０からのフィードバック入力Ｙfbk をフィードバッ
ク入力とするフィードバック制御系を構成するＰＩＤ補
償器２０−２と外乱オブザーバ２０−６とを基本構成と
する。ＦＦ補償器２０−３は、前述したように、追従性
を向上させるためのものであり、削除される場合もあ
る。Ｙ制御系２０は、ＰＩＤ補償器２０−２と外乱オブ
ザーバ２０−６及びＦＦ補償器２０−３によりＹ方向並
進推力指令値Ｆcomyを算出する。
力Ｙref とし、これとフィードバック入力Ｙfbk との差
を演算する減算器（第１の減算器）２０−１と、その加
算結果を入力とするＰＩＤ補償器（第１のＰＩＤ補償
器）２０−２と、指令入力Ｙre f を入力とするＦＦ補償
器２０−３と、ＰＩＤ補償器２０−２の出力とＦＦ補償
器２０−３の出力とを加算して推力目標値Ｆrefyを算出
する加算器２０−４と、加算器２０−５及び外乱オブザ
ーバ２０−６とを有する。すなわち、Ｙ制御系２０は、
Ｙ軸位置指令値を指令入力Ｙref とし、座標変換ブロッ
ク１０からのフィードバック入力Ｙfbk をフィードバッ
ク入力とするフィードバック制御系を構成するＰＩＤ補
償器２０−２と外乱オブザーバ２０−６とを基本構成と
する。ＦＦ補償器２０−３は、前述したように、追従性
を向上させるためのものであり、削除される場合もあ
る。Ｙ制御系２０は、ＰＩＤ補償器２０−２と外乱オブ
ザーバ２０−６及びＦＦ補償器２０−３によりＹ方向並
進推力指令値Ｆcomyを算出する。
【００３９】θ制御系３０は、θ軸位置指令値を指令入
力θref としてこれと座標変換ブロック１０からのフィ
ードバック入力θfbk との差を演算する減算器（第３の
減算器）３０−１と、ＰＩＤ補償器（第２のＰＩＤ補償
器）３０−２とを有する。すなわち、θ制御系３０は、
θ軸位置指令値を指令入力θref とし、座標変換ブロッ
ク１０からのフィードバック入力θfbk をフィードバッ
ク入力とするフィードバック制御系をＰＩＤ補償器３０
−２で構成する。θ制御系３０は、ＰＩＤ補償器３０−
２によりθ方向推力指令値Ｆcom θを算出する。
力θref としてこれと座標変換ブロック１０からのフィ
ードバック入力θfbk との差を演算する減算器（第３の
減算器）３０−１と、ＰＩＤ補償器（第２のＰＩＤ補償
器）３０−２とを有する。すなわち、θ制御系３０は、
θ軸位置指令値を指令入力θref とし、座標変換ブロッ
ク１０からのフィードバック入力θfbk をフィードバッ
ク入力とするフィードバック制御系をＰＩＤ補償器３０
−２で構成する。θ制御系３０は、ＰＩＤ補償器３０−
２によりθ方向推力指令値Ｆcom θを算出する。
【００４０】推力非干渉化ブロック４０は、加算器（第
１の加算器）４０−１によりＹ方向並進推力指令値Ｆ
comyとθ方向推力指令値Ｆcom θとの和を演算してＹ１
リニアモータ７１ヘの推力指令値Ｆcom1を算出する。推
力非干渉化ブロック４０はまた、減算器（第４の減算
器）４０−２によりＹ方向並進推力指令値Ｆcomyとθ方
向推力指令値Ｆcom θとの差を演算してＹ２リニアモー
タへの推力指令値Ｆcom2を算出する。推力指令値
Ｆcom1、Ｆcom2はそれぞれ、サーボアンプ５１、５２を
通してＹ１リニアモータ７１、Ｙ２リニアモータ７２へ
与えられる。
１の加算器）４０−１によりＹ方向並進推力指令値Ｆ
comyとθ方向推力指令値Ｆcom θとの和を演算してＹ１
リニアモータ７１ヘの推力指令値Ｆcom1を算出する。推
力非干渉化ブロック４０はまた、減算器（第４の減算
器）４０−２によりＹ方向並進推力指令値Ｆcomyとθ方
向推力指令値Ｆcom θとの差を演算してＹ２リニアモー
タへの推力指令値Ｆcom2を算出する。推力指令値
Ｆcom1、Ｆcom2はそれぞれ、サーボアンプ５１、５２を
通してＹ１リニアモータ７１、Ｙ２リニアモータ７２へ
与えられる。
【００４１】外乱オブザーバ２０−６は、Ｙ方向並進推
力指令値Ｆcomyを入力とするローパスフィルタ２０−６
１と、フィードバック入力Ｙfbk を入力とする入力推力
推定フィルタ２０−６２と、入力推力推定フィルタ２０
−６２の出力とローパスフィルタ２０−６１の出力から
推定外乱力ｅＦdyを演算する減算器２０−６３とで構成
される。
力指令値Ｆcomyを入力とするローパスフィルタ２０−６
１と、フィードバック入力Ｙfbk を入力とする入力推力
推定フィルタ２０−６２と、入力推力推定フィルタ２０
−６２の出力とローパスフィルタ２０−６１の出力から
推定外乱力ｅＦdyを演算する減算器２０−６３とで構成
される。
【００４２】Ｙ制御系２０における減算器（第２の減算
器）２０−５は、推力目標値Ｆrefyから推定外乱力ｅＦ
dyを減算してＹ方向並進推力指令値Ｆcomyを出力する。
器）２０−５は、推力目標値Ｆrefyから推定外乱力ｅＦ
dyを減算してＹ方向並進推力指令値Ｆcomyを出力する。
【００４３】次に、本制御装置の作用について説明す
る。座標変換ブロック１０は、Ｙ１リニアエンコーダ７
６からの位置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの
位置検出値をＹステージ６３のＹ方向並進位置Ｙfbk と
ヨーイング方向位置θfbk に座標変換する。また、推力
非干渉化ブロック４０は、Ｙ方向並進推力指令値Ｆcomy
とθ方向推力指令値Ｆcom θを、Ｙ１リニアモータ７１
への推力指令値Ｆcom1とＹ２リニアモータ７２への推力
指令値Ｆcom2に変換する。このため、座標変換ブロック
１０と推力非干渉化ブロック４０との間ではＹ方向並進
運動とヨーイング方向運動は分離されており、２つの自
由度の運動に対する制御補償が独立な制御系として設計
・調整可能になる。
る。座標変換ブロック１０は、Ｙ１リニアエンコーダ７
６からの位置検出値とＹ２リニアエンコーダ７７からの
位置検出値をＹステージ６３のＹ方向並進位置Ｙfbk と
ヨーイング方向位置θfbk に座標変換する。また、推力
非干渉化ブロック４０は、Ｙ方向並進推力指令値Ｆcomy
とθ方向推力指令値Ｆcom θを、Ｙ１リニアモータ７１
への推力指令値Ｆcom1とＹ２リニアモータ７２への推力
指令値Ｆcom2に変換する。このため、座標変換ブロック
１０と推力非干渉化ブロック４０との間ではＹ方向並進
運動とヨーイング方向運動は分離されており、２つの自
由度の運動に対する制御補償が独立な制御系として設計
・調整可能になる。
【００４４】２つの自由度に対して独立な制御系を構成
するため、Ｙ方向並進運動に対しては外乱オブザーバ２
０−６により外乱力補償が行える。
するため、Ｙ方向並進運動に対しては外乱オブザーバ２
０−６により外乱力補償が行える。
【００４５】外乱オブザーバ２０−６の原理を図２を参
照して説明する。まず、Ｙステージ６３のＹ方向並進運
動はリニアモータで発生するＹ方向並進推力Ｆcomyと、
Ｙ方向外乱力Ｆdyによって駆動される慣性体（Ｍ）の運
動である。これは伝達関数表現により、 Ｍ・ｓ2 ・Ｙfbk ＝Ｆcomy＋Ｆdy と表される。これより外乱力は、 Ｆdy＝Ｍ・ｓ2 ・Ｙfbk −Ｆcomy で計算できる。ただし、実際のＹ方向並進推力指令値Ｆ
comyとフィードバック入力Ｙfbk はノイズ成分を含むた
め、上式を直接用いると制御系の安定性が劣化する。こ
のため、ローパスフィルタ２０−６１によって外乱を抑
制する帯域を制限し、推定外乱力ｅＦdyを計算する。ロ
ーパスフィルタ２０−６１はＹ方向並進推力指令値Ｆ
comyを外乱抑制したい周波数帯域でフィルタリングす
る。入力推力推定フィルタ２０−６２は、Ｙステージ６
３の公称伝達関数Ｍnom ・ｓ2 に基づいてフィードバッ
ク入力Ｙfbk より入力推力を推定する。この入力推力推
定フィルタ２０−６２もローパスフィルタ２０−６１と
同様のフィルタ特性を持たせ、外乱抑制したい周波数帯
の入力推力のみを算出する。ローパスフィルタ２０−６
１でフィルタリングされた推力指令と、入力推力推定フ
ィルタ２０−６２からの推定入力推力との差を減算器２
０−６３で演算することにより推定外乱力ｅＦdyを算出
する。ローパスフィルタ２０−６１の特性をＧ（ｓ）と
すると、上記の演算は以下の式で表される。
照して説明する。まず、Ｙステージ６３のＹ方向並進運
動はリニアモータで発生するＹ方向並進推力Ｆcomyと、
Ｙ方向外乱力Ｆdyによって駆動される慣性体（Ｍ）の運
動である。これは伝達関数表現により、 Ｍ・ｓ2 ・Ｙfbk ＝Ｆcomy＋Ｆdy と表される。これより外乱力は、 Ｆdy＝Ｍ・ｓ2 ・Ｙfbk −Ｆcomy で計算できる。ただし、実際のＹ方向並進推力指令値Ｆ
comyとフィードバック入力Ｙfbk はノイズ成分を含むた
め、上式を直接用いると制御系の安定性が劣化する。こ
のため、ローパスフィルタ２０−６１によって外乱を抑
制する帯域を制限し、推定外乱力ｅＦdyを計算する。ロ
ーパスフィルタ２０−６１はＹ方向並進推力指令値Ｆ
comyを外乱抑制したい周波数帯域でフィルタリングす
る。入力推力推定フィルタ２０−６２は、Ｙステージ６
３の公称伝達関数Ｍnom ・ｓ2 に基づいてフィードバッ
ク入力Ｙfbk より入力推力を推定する。この入力推力推
定フィルタ２０−６２もローパスフィルタ２０−６１と
同様のフィルタ特性を持たせ、外乱抑制したい周波数帯
の入力推力のみを算出する。ローパスフィルタ２０−６
１でフィルタリングされた推力指令と、入力推力推定フ
ィルタ２０−６２からの推定入力推力との差を減算器２
０−６３で演算することにより推定外乱力ｅＦdyを算出
する。ローパスフィルタ２０−６１の特性をＧ（ｓ）と
すると、上記の演算は以下の式で表される。
【００４６】ｅＦdy＝Ｇ（ｓ）・Ｍ・ｓ2 ・Ｙfbk −Ｇ
（ｓ）・Ｆcomy ただし、 Ｇ（ｓ）＝ω2 ／（ｓ2 ＋２ζ・ω・ｓ＋ω2 ） である。
（ｓ）・Ｆcomy ただし、 Ｇ（ｓ）＝ω2 ／（ｓ2 ＋２ζ・ω・ｓ＋ω2 ） である。
【００４７】上式に基づき演算された推定外乱力ｅＦdy
を用い、外乱力を打ち消すように推力目標値Ｆrefyにフ
ィードバックし、Ｙ方向並進推力指令値Ｆcmdyを算出す
る。
を用い、外乱力を打ち消すように推力目標値Ｆrefyにフ
ィードバックし、Ｙ方向並進推力指令値Ｆcmdyを算出す
る。
【００４８】以上、本発明の好ましい実施の形態を説明
したが、本発明が適用されるステージ機構の駆動系はリ
ニアモータに限定されず、あらゆるアクチュエータを用
いても可能である。また、ステージ機構の案内系は静圧
空気軸受けに限定されず、リニアベアリング等の機械接
触式の案内系を用いても良い。
したが、本発明が適用されるステージ機構の駆動系はリ
ニアモータに限定されず、あらゆるアクチュエータを用
いても可能である。また、ステージ機構の案内系は静圧
空気軸受けに限定されず、リニアベアリング等の機械接
触式の案内系を用いても良い。
【００４９】
【発明の効果】本発明によれば、２つの自由度に対して
独立な制御系を構成するため、Ｙ方向並進運動に対して
は外乱オブザーバにより外乱力補償が行え、ステージの
給電ケーブル・空気配管等のテンション、モータの推力
リップルといった外乱による位置決め精度・定速性への
影響を低減できる。
独立な制御系を構成するため、Ｙ方向並進運動に対して
は外乱オブザーバにより外乱力補償が行え、ステージの
給電ケーブル・空気配管等のテンション、モータの推力
リップルといった外乱による位置決め精度・定速性への
影響を低減できる。
【００５０】また、ヨーイング方向運動に対しても、機
械構造による干渉等を考慮した制御補償が可能となり、
Ｙ方向移動時のヨーイング誤差を低減できる。
械構造による干渉等を考慮した制御補償が可能となり、
Ｙ方向移動時のヨーイング誤差を低減できる。
【００５１】更に、Ｘステージ位置に応じてθ方向制御
ゲインを可変とすることにより、ヨーイング誤差の変動
を低減できる。また、θ軸位置指令値を与えることによ
り積極的にヨーイング方向位置を移動させることも可能
となる。
ゲインを可変とすることにより、ヨーイング誤差の変動
を低減できる。また、θ軸位置指令値を与えることによ
り積極的にヨーイング方向位置を移動させることも可能
となる。
【図１】本発明によるステージ位置制御装置の構成を示
した図である。
した図である。
【図２】図１における外乱オブザーバの原理を説明する
ための図である。
ための図である。
【図３】本発明が適用されるステージ機構の一例を示し
た図である。
た図である。
【図４】図３のステージ機構に適用される従来の位置制
御装置の第１の例の構成を示した図である。
御装置の第１の例の構成を示した図である。
【図５】図３のステージ機構に適用される従来の位置制
御装置の第２の例の構成を示した図である。
御装置の第２の例の構成を示した図である。
【図６】図３のステージ機構に適用される従来の位置制
御装置の第３の例の構成を示した図である。
御装置の第３の例の構成を示した図である。
６０ ベース ６１、６２ ガイドレール ６３ Ｙステージ ６４ 継ぎ手 ６５、６６−１〜６６−３ 静圧空気軸受けパッド６
９−１〜６９−４ ７０−１〜７０−３ 静圧空気軸受けパッド ６７ Ｘステージ ７１ Ｙ１リニアモータ ７２ Ｙ２リニアモータ ７３ Ｘリニアモータ ７４ Ｙ１リニアスケール ７５ Ｙ２リニアスケール ７６ Ｙ１リニアエンコーダ ７７ Ｙ２リニアエンコーダ ７８ Ｘリニアスケール ７９ Ｘリニアエンコーダ
９−１〜６９−４ ７０−１〜７０−３ 静圧空気軸受けパッド ６７ Ｘステージ ７１ Ｙ１リニアモータ ７２ Ｙ２リニアモータ ７３ Ｘリニアモータ ７４ Ｙ１リニアスケール ７５ Ｙ２リニアスケール ７６ Ｙ１リニアエンコーダ ７７ Ｙ２リニアエンコーダ ７８ Ｘリニアスケール ７９ Ｘリニアエンコーダ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０５Ｂ 11/36 ５０７ Ｇ０５Ｂ 11/36 ５０７Ｈ 13/02 13/02 Ｃ Ｇ１２Ｂ 5/00 Ｇ１２Ｂ 5/00 Ｔ Ｂ２３Ｑ 1/14 Ｂ 1/30 (72)発明者 森 英彦 神奈川県平塚市夕陽ヶ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社平塚事業所内 Ｆターム(参考） 2F078 CA08 CB05 CB13 CC11 3C048 BB12 CC17 DD06 5H004 GB15 HA07 HB07 JA22 JB08 JB18 JB20 JB22 KA71 KB13 KB32 LA15 LA18 MA12 5H303 AA01 AA20 BB01 BB07 BB11 BB14 BB17 CC04 DD04 FF03 KK01 KK02 KK03 KK04 KK11 KK28 MM05 9A001 KK32 KK37 KK54
Claims (7)
- 【請求項１】 ステージを搭載して一軸方向に駆動され
る駆動軸を独立に制御可能な第１、第２の駆動系により
並進駆動可能とし、前記第１、第２の駆動系による移動
量をそれぞれ第１、第２の位置検出器により検出して第
１、第２のフィードバック制御系によりそれぞれ前記第
１、第２の駆動系を制御するステージ位置制御方法にお
いて、 前記第１のフィードバック制御系は、前記第１、第２の
位置検出器によって計測される各位置検出値の平均値を
ステージ並進方向の位置フィードバック値として受ける
ことにより前記第１、第２の駆動系に並進推力指令値を
出力し、 前記第２のフィードバック制御系は、前記各位置検出値
の差をステージヨーイング方向の位置フィードバック値
として受けて前記第１、第２の駆動系にヨーイング方向
推力指令値を出力することにより、ステージの運動を並
進方向運動とヨーイング方向運動とに分離して独立に制
御補償することを特徴とするステージ位置制御方法。 - 【請求項２】 請求項１記載のステージ位置制御方法に
おいて、前記並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力
指令値とを加算して前記第１の駆動系に出力すると共
に、前記並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力指令
値との差を算出して前記第２の駆動系に出力することに
より推力の非干渉化を実現することを特徴とするステー
ジ位置制御方法。 - 【請求項３】 ステージを搭載して一軸方向に駆動され
る駆動軸を独立に制御可能な第１、第２の駆動系により
並進駆動可能とし、前記第１、第２の駆動系による移動
量をそれぞれ第１、第２の位置検出器により検出して第
１、第２のフィードバック制御系によりそれぞれ前記第
１、第２の駆動系を制御するステージ位置制御装置にお
いて、 前記第１、第２の位置検出器によって計測される各位置
検出値の平均値を算出してステージ並進方向の位置フィ
ードバック値として前記第１のフィードバック制御系に
出力すると共に、前記各位置検出値の差を算出してステ
ージヨーイング方向の位置フィードバック値として前記
第２のフィードバック制御系に出力する座標変換ブロッ
クを備え、 前記第１のフィードバック制御系は、ステージ並進方向
の位置指令値と前記ステージ並進方向の位置フィードバ
ック値との差を算出する第１の減算器と、該第１の減算
器で算出された差を入力として推力目標値を出力する第
１のＰＩＤ補償器と、前記推力目標値から算出される並
進推力指令値と前記ステージ並進方向の位置フィードバ
ック値とに基づいてステージ推定外乱力を演算する外乱
オブザーバと、演算された前記ステージ推定外乱力を前
記推力目標値から差し引くことにより新たな並進推力指
令値を算出して前記第１、第２の駆動系に出力する第２
の減算器とを含み、 前記第２のフィードバック制御系は、ステージヨーイン
グ方向の指令値と前記ステージヨーイング方向の位置フ
ィードバック値との差を算出する第３の減算器と、該第
３の減算器で算出された差を入力としてヨーイング方向
推力指令値を前記第１、第２の駆動系に出力する第２の
ＰＩＤ補償器とを含むことを特徴とするステージ位置制
御装置。 - 【請求項４】 請求項３記載のステージ位置制御装置に
おいて、前記並進推力指令値と前記ヨーイング方向推力
指令値とを加算して前記第１の駆動系に出力する第１の
加算器と、前記並進推力指令値と前記ヨーイング方向推
力指令値との差を算出して前記第２の駆動系に出力する
第４の減算器とから成る推力非干渉化ブロックを更に備
えることにより、推力の非干渉化を実現することを特徴
とするステージ位置制御装置。 - 【請求項５】 請求項３記載のステージ位置制御装置に
おいて、前記外乱オブザーバは、前記並進推力指令値を
ローパスフィルタにてフィルタリングした推力指令推定
値と、ステージの逆モデル及びローパスフィルタにて前
記ステージ並進方向の位置フィードバック値より推定し
た入力推力推定値との差分により前記ステージ推定外乱
力を演算することを特徴とするステージ位置制御装置。 - 【請求項６】 請求項３記載のステージ位置制御装置に
おいて、前記ステージ並進方向の位置指令値を入力とす
るフィードフォワード補償器と、該フィードフォワード
補償器の出力と前記第１のＰＩＤ補償器の出力とを加算
して前記推力目標値として出力する第２の加算器とを更
に備えたことを特徴とするステージ位置制御装置。 - 【請求項７】 請求項３記載のステージ位置制御装置に
おいて、前記第１、第２の駆動系はそれぞれリニアモー
タであり、前記第１、第２の位置検出器はそれぞれリニ
アエンコーダであることを特徴とするステージ位置制御
装置。
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|---|---|---|---|
| JP18933699A JP3312297B2 (ja) | 1999-07-02 | 1999-07-02 | ステージ位置制御装置 |
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|---|---|---|---|
| JP18933699A JP3312297B2 (ja) | 1999-07-02 | 1999-07-02 | ステージ位置制御装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP18933699A Expired - Fee Related JP3312297B2 (ja) | 1999-07-02 | 1999-07-02 | ステージ位置制御装置 |
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- 2000-06-30 US US09/608,068 patent/US6584367B1/en not_active Expired - Fee Related
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