JP2005326955A - ＸＹθ位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 θテーブルの急峻な角度指令にともないトルク指令が増大しても、その反作用トルクによって生じるＸＹスライダの回転動作を抑え、Ｘ、Ｙ、θの３方向の高速な位置決めを実現するＸＹθ位置決め装置を提供する。
【解決手段】θテーブル３とＸＹスライダ２により構成されるＸＹθ位置決め装置において、その制御系をＸ座標、Ｙ座標、更にＸ方向の２つの位置信号から算出して生成した回転γ座標の３座標に対する非干渉化したフィードバック制御系で構成すると共に、ＸＹスライダ上に回転動作を行うキャンセラモータ８０を新たに設けて、θテーブルのトルク指令をＴθｒｅｆとした場合、キャンセラモータのトルク指令を−Ｔθｒｅｆとして、θテーブルの反作用トルクをキャンセラモータのトルクで相殺するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造の中で多用される検査装置やボンディングマシン、半導体部品のマウンタなどに搭載される直動２軸スライダ(ＸＹスライダ)＋回転テーブル(θテーブル)のＸＹθ位置決め装置に関する。

半導体製造の中で多用される検査装置やボンディングマシン、半導体部品のマウンタなどに搭載されるＸＹθ位置決め装置として特許文献１、ＸＹθの位置決めを行うのに別途θテーブルが必要となるＸＹ位置決め装置として特許文献２がある。特許文献１では、基台上にＸＹ直角座標に配置された４個のコの字状の支持枠が対向して置かれ、各支持枠の空間部に矩形状の可動テーブルを磁気浮上式により保持して、その可動テーブル上に回転テーブルを載置した形状なので、ＸＹθの位置決め動作をすべて実現できるが、その構成上、可動テーブルは４個の支持枠で規制された範囲内しか移動できないので、ＸＹの移動距離を長くすることができないものである。
また、特許文献２では、スライダ部はＸＹ２軸のリニアモータによる移動動作を、圧縮空気による浮上方式により実現するもので、ＸＹ位置決め装置の回転運動を抑制することが可能なものであり、直動方向と回転方向の座標軸でフィードバック制御系を構成する手法が採られている。このような非干渉化した座標軸でフィードバック制御系を構成する手法の詳細報告として非特許文献１がある。また、ＸＹ位置決め装置が構成可能なモータ構造として特許文献３がある。図１４は特許文献３のリニアモータの正面図である。可動子１１０は電機子１１ａと電機子１１ｂ（紙面奥に向かってスライダ１０５ｂ、ガードレール１０５ａの進行方向に、電機子１１ａの向う側に連結されている）からなる２組の電機子群で構成されると共に、２組を単位とする各電機子群同士を、可動子１１０の進行方向に向かって互いに間隙を設けて直列に配置したもので、これらの電機子群同士を電気角１８０°ずらせて、電機子１１ａと電機子１１ｂの発生コギングを相殺するように、コギングの低減を図っている。また、電機子１１ａのティース先端に設けられ固定子１２１のプラテンの格子鉄心歯に対向する永久磁石１５は、隣接するもの同士がＮＳＮＳの順に４個配置され、磁石１個の間隔は可動子１１０とギャップを介して対向した固定子１０３の鉄心歯ピッチの１／２となっている。電機子１１ｂの永久磁石１５はＳＮＳＮの順に４個配置され、各々の電機子群に設けた永久磁石１５は、その磁極方向が互いに逆向きに配置されている。
以下、これら従来技術を総合して、別途θテーブルを付加した特許文献２のＸＹ位置決め装置に、特許文献３によるモータ構造を構成した例を説明する。

図６は以上のような従来技術によるＸＹθ位置決め装置の斜視図である。図において、１がスライダ、２がＸＹスライダ、３がθテーブル、１００がプラテンである。スライダ１はＸＹスライダ２とθテーブル３から構成されている。θテーブル３はＸＹスライダ２上に設置されている。スライダ１はプラテン１００と微小なギャップを介して非接触浮上している。

図２は従来技術及び本発明によるＸＹスライダ２の底面図、図３は図２におけるＡ−Ａ部の側面から見た断面図である。これら図において、１０がＸ１モータ、２０がＸ２モータ、３０がＹ１モータ、４０がＹ２モータ、１１が電機子ユニット、１２が電機子コア、１３が電機子コアに形成されたティース、１４が電機子巻線、１５が永久磁石、５０が筐体、６０が浮上手段、６１がオリフィス、６２が絞り溝、１０１が格子状鉄心歯である。

ＸＹスライダ２は田形に配置されたＸ１モータ１０、Ｘ２モータ２０、Ｙ１モータ３０、Ｙ２モータ４０と、それらモータが設置された筐体５０、ＸＹスライダ２をプラテン１００から微小のギャップを介して浮上させるための浮上手段６０から構成されている。浮上手段６０は筐体５０の内部に設けられた空気配管（図示しない）、その空気配管の末端にあたるギャップ面に設けられたオリフィス６１、ギャップ面での空気の主流路となる絞り溝６２から構成されている。浮上手段６０は空気配管に圧縮空気を送り込むことでギャップ面を非接触に浮上させることができるオリフィス絞りの静圧空気軸受である。Ｘ１モータ１０とＸ２モータ２０がＸ方向の駆動源、Ｙ１モータ３０とＹ２モータ４０がＹ方向の駆動源となっている。各モータは同じ構造となっており、例えば、Ｘ１モータ１０は２つの電機子ユニット１１から構成されている。１個の電機子ユニット１１は３相のティース１３を形成するＥ形状の電機子コア１２に電機子巻線１４が３相巻装され、ティース１３のギャップ対向面に多極の磁極を形成するように永久磁石１５が貼り付けられている。永久磁石１５の極ピッチは格子状鉄心歯１０１のピッチの半分となっている。３相のティース１３は電気角で１２０度の位相差で配置されている。さらに、２つの電機子ユニット１１は電気角１８０度の位相差で配置され、１個の電機子ユニット１１で発生するコギング力をもう１個の電機子ユニット１１で発生するコギング力で相殺するようになっている。
プラテン１００は、その上面にＸＹ格子状の突起である格子状鉄心歯１０１が形成されている。プラテン１００は、ＸＹスライダ２の各モータの永久磁石１５の磁束、電機子巻線１４に電流が流れることで生じる磁束を通す役割があり、透磁率の高い磁性体が使用されている。
また、ＸＹスライダ２には図示しない（後述する）Ｘ１モータ１０とＸ２モータの位置検出手段であるＸ１センサ１６とＸ２センサ２６、Ｙ１モータ３０の位置検出手段であるＹセンサ３６が設けられている。これらＸ１センサ１６、Ｘ２センサ２６、Ｙセンサ３６には例えばレーザ測長機、ＸＹ格子のガラススケールで構成されたＸＹ同時測長可能な光学式エンコーダが用いられる。

図１２は従来のＸＹスライダの側断面図である。図において、７０がθモータ、７１が回転テーブルである。
θテーブル３は回転テーブル７１と回転テーブル７１の回転源となるθモータ７０から構成されている。θモータ７０の位置検出手段として、後述のθセンサ７６が設けられている。θセンサ７６には例えば高分解能化された回転型光学式エンコーダが用いられる。
このような構成において、Ｘ１センサ１６、Ｘ２センサ２６、Ｙセンサ３６の位置信号に応じてＸ１モータ１０、Ｘ２モータ２０、Ｙ１モータ３０、Ｙ２モータ４０に所定の電流を流すことで、各モータに推力が発生し、ＸＹスライダ２をＸＹの２軸で推進させることができる。θテーブル３も同様に、θセンサ７６の角度信号に応じてθモータ７０に電流を流すことで、θの位置決め動作が可能となっている。

一方、図１３は従来技術による制御系の構成である。図において、４がＸＹ制御装置、５がθ制御装置である。４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４ＦがＸＹ制御装置に設けられたＸ制御装置、Ｙ制御装置、γ制御装置、座標変換回路、座標逆変換回路、乗算器Ａである。
この図１３に改めて各センサを図示している。θ制御装置５は、回転角度指令θｒｅｆに対し、θセンサ７６の回転角度信号θを用いてフィードバック制御を行い、θモータ７０を回転させるためのトルク指令Ｔθｒｅｆを生成する。
ＸＹ制御装置４は、Ｘ制御装置４Ａ、Ｙ制御装置４Ｂ、γ制御装置４Ｃ、座標変換回路４Ｄ、座標逆変換回路４Ｅ、乗算器Ａ４Ｆから構成されている。
Ｙ制御装置４Ｂは、Ｙ方向位置指令Ｙｒｅｆに対し、Ｙセンサ３６のＹ方向位置信号ｙを用いてフィードバック制御を行い、Ｙ１モータ３０とＹ２モータ４０をＹ方向に推力を発生させるための推力指令ＦＹｒｅｆを生成する。推力指令ＦＹｒｅｆは１／２を掛ける乗算器Ａ４Ｆを介して、Ｙ１モータ３０とＹ２モータ４０に各々ＦＹｒｅｆの１／２の推力指令を与える。
座標変換回路４Ｄは、Ｘ１センサ１６とＸ２センサ２６のＸ方向位置信号ｘ１とｘ２の値を用いて、ＸＹスライダ２のＸ方向位置を
ｘ＝(Ｌ１・ｘ１＋Ｌ２・ｘ２)／Ｌ
ここで、
Ｌ１：Ｘ１センサの測定点からθテーブル３の回転中心までのＹ方向距離
Ｌ２：Ｘ２センサの測定点からθテーブル３の回転中心までのＹ方向距離
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２
ＸＹスライダ２の回転γ方向角度を
γ＝ｓｉｎ-1((ｘ１−ｘ２)／Ｌ)
としてＸ方向とγ方向に座標変換する。なお、回転角度γは実質的に小さな値で制御されるので
γ≒(ｘ１−ｘ２)／Ｌ
と置くことができる。
Ｘ制御装置４Ａは、Ｘ方向位置指令Ｘｒｅｆに対し、座標変換回路４Ｄで生成されたＸ方向位置信号ｘを用いてフィードバック制御を行い、推力指令ＦＸｒｅｆを生成する。
γ制御装置４Ｃは、γ方向の角度指令０[ｒａｄ]に対し、座標変換回路４Ｄで生成された角度信号γを用いてフィードバック制御を行い、トルク指令Ｔγｒｅｆを生成する。ここで、角度指令を０[ｒａｄ]としたのは、ＸＹスライダ２の回転運動を無くすためである。
座標逆変換回路４Ｅは、Ｘ制御装置４Ａで生成された推力指令ＦＸｒｅｆとγ制御装置４Ｃで生成されたトルク指令Ｔγｒｅｆから、ｘ１とｘ２への座標逆変換を行い、Ｘ１モータ１０とＸ２モータ２０に与える推力指令ＦＸ１ｒｅｆとＦＸ２ｒｅｆを生成する。
このような制御系の構成において、まず、θテーブル３の回転θ方向動作についてはθ制御装置５で制御され、ＸＹスライダ２のＹ方向動作についてはＹ制御装置４Ｂで制御される。ＸＹスライダ２のＸ方向動作についてはＸ制御装置４Ａとγ制御装置４Ｃによって制御されるが、その安定な制御手法については非特許文献１に示される非干渉化制御を適用することで実現できる。よって、スライダ１はＸ、Ｙ、θの位置決め動作を実現することができる。
特開２００１−６９７４６号公報 特開２００１−１２５６４８号公報 特開２００２−１０１６３６号公報（図１） 中島レイ、郭双暉、本田英己、小黒龍一、宮河秀和、辻輝生：「ツインリニアドライブ機構を有するリニアスライダの位置決め制御」電気学会産業応用部門誌 １２３巻３号、２００３年、ｐ．２７８〜２８５

ところが従来のＸＹθ位置決め装置には、次に示すような問題が起きた。θテーブルは角度指令θｒｅｆをもとにトルク指令Ｔθｒｅｆが生成され回転動作を行う。このとき、θテーブルの実トルクの反作用がθテーブルに連結されたＸＹスライダに生じる。ＸＹスライダは、浮上手段によってギャップ方向には高剛性で支持されているが、ＸＹ方向にはまったく支持案内が存在しない。従って、θテーブルの反作用トルクによりＸＹスライダは、回転方向にθとは逆向きに回転しようとする。この逆向きの回転角度は位置ｘ１とｘ２から角度γとして得られ、このγを０[ｒａｄ]にするための推力指令ＦＸ１ｒｅｆ、ＦＸ２ｒｅｆが生成される。しかし、高速な位置決めが要求されるＸＹθ位置決め装置には、急峻な角度指令θｒｅｆが入力される場合が多い。
この場合、トルク指令Ｔθｒｅｆの反作用トルクの振幅が増大し、周波数が高速化する。反作用トルクの振幅が増大し、高周波数化すると、ＸＹ制御装置はフィードバック制御だけで角度γの偏差を抑えることが困難となる。逆に、角度γの偏差を抑えるためにＸ制御装置とγ制御装置の速度ループゲインを大きくすると発振してしまう。
さらには、この反作用トルクをＸ１モータとＸ２モータだけで抑えようとすると、Ｘ１モータとＸ２モータの推力指令が増大する。特にθの回転動作とＸ方向加速動作が重なるとＸ１モータとＸ２モータには電機子巻線の許容電流値を超える電流が流れる。その結果、Ｘ１モータとＸ２モータが焼損する問題が生じた。

本発明は、このような問題点を鑑みてなされたものであり、θテーブルに急峻な角度指令が生じても、ＸＹスライダの回転動作を起こさず、更に、回転動作を抑えるためにＸＹスライダのモータに与えるトルクを４つのモータで均等分配したり、モータの推力指令の大きさに応じて分配する簡単なフィードフォワード制御を付加することでスライダの焼損も無くした安定なＸＹθ位置決め装置を提供することを目的としている。

上記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、Ｘ軸を駆動するための第１モータと第２モータ、Ｘ軸と直交するＹ軸を駆動するための第３モータと第４モータ、前記第１モータと前記第２モータの位置検出手段である第１センサと第２センサ、および前記第３モータと前記第４モータの位置検出手段である第３センサと第４センサもしくは前記第３モータの位置検出手段である第３センサのみを備えて直動２軸の動作を行うＸＹスライダと、前記ＸＹスライダに設けられて回転動作を行うθテーブルと、前記ＸＹスライダと微小ギャップを介して配置されたプラテンと、前記プラテン上を非接触に浮上するために前記ＸＹスライダに設けられた浮上手段と、前記第１センサと前記第２センサによって出力されるＸ方向位置をｘ１とｘ２および前記第３センサと前記第４センサによって出力されるＹ方向位置をｙ１とｙ２として前記第１センサの測定点から前記第２センサの測定点までのＹ方向距離をＬ、前記第１センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ１および前記第２センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ２、前記第３センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ１および前記第４センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ２とした場合（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２、Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２）前記ＸＹスライダの座標軸を
Ｘ方向：ｘ＝（Ｌ１・ｘ１＋Ｌ２・ｘ２）／Ｌ
Ｙ方向：第３センサと第４センサの場合、
ｙ＝（Ｗ１・ｙ１＋Ｗ２・ｙ２）／Ｗ
もしくは、第３センサのみの場合、ｙ＝ｙ１
回転γ方向：γ＝（ｘ１−ｘ２）／Ｌ
として座標変換回路により求め、それぞれＸ方向、Ｙ方向およびγ方向の座標軸に対するフィードバック制御系により構成した各Ｘ制御装置、Ｙ制御装置およびγ制御装置を有するＸＹ制御装置と、前記θテーブルのθモータおよびθセンサを制御するθ制御装置と、で構成されるＸＹθ位置決め装置であって、
前記ＸＹスライダに回転動作を行うキャンセラモータを設け、前記θテーブルのトルク指令をＴθｒｅｆとした場合、前記キャンセラモータを−Ｔθｒｅｆのトルク指令で回転制御するキャンセラ制御装置を備えたことを特徴としている。
また、請求項２に記載の発明は、前記キャンセラモータは、前記θテーブルと該テーブルを回転させるθモータの間に間挿される、極偏平型でロータのイナーシャＪｃがθテーブルの全イナーシャＪθよりも大きい（Ｊｃ＞Ｊθ）回転モータが選定されることを特徴としている。
また、請求項３に記載の発明は、Ｘ軸を駆動するための第１モータと第２モータ、Ｘ軸と直交するＹ軸を駆動するための第３モータと第４モータ、前記第１モータと前記第２モータの位置検出手段である第１センサと第２センサ、および前記第３モータと前記第４モータの位置検出手段である第３センサと第４センサもしくは前記第３モータの位置検出手段である第３センサのみを備えて直動２軸の動作を行うＸＹスライダと、前記ＸＹスライダに設けられて回転動作を行うθテーブルと、前記ＸＹスライダと微小ギャップを介して配置されたプラテンと、前記プラテン上を非接触に浮上するために前記ＸＹスライダに設けられた浮上手段と、前記第１センサと前記第２センサによって出力されるＸ方向位置をｘ１とｘ２および前記第３センサと前記第４センサによって出力されるＹ方向位置をｙ１とｙ２として前記第１センサの測定点から前記第２センサの測定点までのＹ方向距離をＬ、前記第１センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ１および前記第２センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ２、前記第３センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ１および前記第４センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ２とした場合（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２、Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２）前記ＸＹスライダの座標軸を
Ｘ方向：ｘ＝（Ｌ１・ｘ１＋Ｌ２・ｘ２）／Ｌ
Ｙ方向：第３センサと第４センサの場合、
ｙ＝（Ｗ１・ｙ１＋Ｗ２・ｙ２）／Ｗ
もしくは、第３センサのみの場合、ｙ＝ｙ１
回転γ方向：γ＝（ｘ１−ｘ２）／Ｌ
として座標変換回路によって求め、それぞれＸ方向、Ｙ方向およびγ方向の座標軸に対するフィードバックバック制御系により構成した各Ｘ制御装置、Ｙ制御装置およびγ制御装置を有するＸＹ制御装置と、前記θテーブルのθモータおよびθセンサを制御するθ制御装置と、で構成されたＸＹ位置決め装置であって、
前記θテーブルのトルク指令をＴθｒｅｆとした場合、前記γ制御装置で生成されたトルク指令にＴθｒｅｆを足し合わせる加算手段を設けたことを特徴としている。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３記載のＸＹθ位置決め装置において
、前記Ｙ制御装置からの推力指令ＦＹｒｅｆを１／２づつに分割する乗算器に代る前記推力指令と前記θテーブルの反作用トルクの相殺演算を行う座標逆変換器と、前記γ制御装置のトルク指令に足し合わされるＴθｒｅｆの配分を、前記第１モータと前記第２モータの総和が１／２、前記第３モータと第４モータの総和が１／２となるように配分する乗算器Ｂを設けたことを特徴としている。
また、請求項５に記載の発明は、請求項４記載のＸＹθ位置決め装置において、前記Ｘ制御装置と前記Ｙ制御装置で生成された推力指令をＦＸｒｅｆとＦＹｒｅｆとした場合、前記γ制御装置のトルク指令に足し合わされるＴθｒｅｆの配分を、前記第１モータと前記第２モータの総和が
ＦＹｒｅｆ／(ＦＸｒｅｆ＋ＦＹｒｅｆ)
となるように配分する乗算器Ｃと、前記第３モータと前記第４モータの総和が
ＦＸｒｅｆ／(ＦＸｒｅｆ＋ＦＹｒｅｆ)
となるように配分する乗算器Ｄと、を設けたことを特徴としている。

請求項１記載の発明によれば、キャンセラモータ（以下、Ｃモータと略記）が新に設けられ、θテーブルの反作用トルク（−Ｔθｒｅｆ）を相殺するように、Ｃモータが−Ｔθｒｅｆのトルク指令で駆動されるようになっている。従来、ＸＹスライダのγ方向の回転動作に対しＸＹスライダのフィードバック制御系のみで制御していたものに対し、Ｃモータにより反作用トルクを相殺することで、ＸＹスライダの高速かつ安定した位置決めを実現することができる。
更に、請求項２記載の発明によれば、キャンセラモータは極偏平型でロータのイナーシャを大きく取ってあるので、振動が発生せず、安全なキャンセル動作を行うことができる。
更に、請求項３記載の発明によれば、θテーブルの反作用トルク（−Ｔθｒｅｆ）を相殺するように、ＸＹ制御装置内のγ方向のトルク指令Ｔγｒｅｆにθテーブルのトルク指令Ｔθｒｅｆを足し合わせている。従来、ＸＹスライダのγ方向の回転動作に対しフィードフォワード制御系が追加されることでより高速かつ安定な制御系を表現することができる。つまり、θテーブルに急峻な角度指令θｒｅｆが入力された場合でも、ＸＹスライダの角度偏差γを小さく、且つ、高速に整定することができる。
更に、請求項４記載の発明によれば、請求項３の発明がθテーブルの反作用トルクを相殺するトルク指令を第１モータと第２モータの２つのモータに与えていたのに対し、第３モータと第４モータにもトルク指令を分散している。
よって、請求項３記載の発明よりも、第１モータと第２モータに偏る電流値を低減することができる。さらには、Ｘ方向の急峻な動作を伴い、その推力指令ＦＸｒｅｆが大きくなったとしても、その許容電流値を超えることが無く、第１モータと第２モータを制御でき、モータの焼損も無くすことができる。
更に、請求項５記載の発明によれば、θテーブルの反作用トルクを相殺するトルク指令を４つのモータの推力に応じて分散しているので、請求項３、４の発明よりも、４つのモータの間で電流値の偏りを、より平均化して無くすことができる。つまりＸ方向やＹ方向の急峻な動作を伴いその推力指令ＦＸｒｅｆ、ＦＹｒｅｆが大きくなったとしても、各軸の許容電流値を越えることが無く４つのモータを制御でき、更に効率的な制御でモータの焼損も殆ど無くすことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例であるＸＹθ位置決め装置の斜視図である。
図２は図１に示すＸＹスライダ２の底面図である。
図３は図２のＡ−Ａ部の側面から見た断面図である。
なお、図２と図３は本発明図と従来技術で共用であって、従来技術で示した図２〜３とまったく同じである。
図４は第１の実施例である図２Ｂ−Ｂ部側面から見た断面図である。
図５は第１の実施例であるＸＹθ位置決め装置の制御系の構成を示したものである。
以下、従来図と同一のものについては同一の符号を付して重複説明を省略し、異なる構成についてのみ説明する。さお、これら図において、８０はＣモータ、８１はＣモータのステータ、８２はＣモータのロータ、８６はＣセンサ、６はＣ制御装置である。

図４において従来技術（図１２）と異なる点は、Ｃモータ８０を新たにＸＹスライダ２上に設置している点である。Ｃモータ８０はステータ８１とロータ８２、図示しないＣセンサ８６から構成されている。Ｃモータ８０は図示しているように極扁平でロータ８２が中空となったものであり、外径が大きいことからもロータ８２のイナーシャが十分大きなものとなっている。また、Ｃモータ８０は、Ｃセンサ８６の角度信号とトルク指令に応じた電流を流すことで回転動作が可能となっている。

図５において従来技術（図１３）と異なる点は、Ｃモータ８０の制御系が追加され、さらに、θテーブル３のトルク指令Ｔθｒｅｆが減算器によりＣモータ８０のトルク指令に差し引かれている点である。Ｃ制御装置６はＣモータ８０をトルク制御する制御装置である。トルク指令は−Ｔθｒｅｆであり、Ｃ制御装置６は実トルクとトルク指令の差分のトルク指令を生成している。ここで、Ｃモータ８０のロータ８２のイナーシャをＪｃ、θテーブル３の全イナーシャをＪθとした場合
Ｊｃ＞Ｊθ
となるＣモータ８０が選定されている。このような結果、θテーブル３にトルク指令Ｔθｒｅｆどおりのトルクが生じた場合、θテーブル３の回転角速度は
ｄθ／ｄｔ＝Ｔθｒｅｆ／Ｊθ
Ｃモータ８０のロータ８２の回転角速度は
ｄθｃ／ｄｔ＝−Ｔθｒｅｆ／Ｊｃ
となる。上記イナーシャの関係から、θテーブル３とＣモータ８０の回転角速度の関係は
｜ｄθｃ／ｄｔ｜ ＜ ｜ｄθ／ｄｔ｜
となる。つまり、Ｃモータ８０の回転速度はθテーブル３よりも速くならず、Ｃモータがオーバー回転速度にならないようになっている。θテーブル３のトルク指令の大きさによらず、Ｃモータ８０は正常な回転動作を行うことができる。

以上のように構成されたＸＹθ位置決め装置は、従来技術で問題となっていたθテーブルの急峻な反作用トルクに対して生じるＸＹスライダの角度偏差γの増大、回転γ方向の整定性悪化、発振の問題に対して、Ｃモータを新たに設け、反作用トルクを相殺するトルク指令をＣモータに与えることで、θテーブルの反作用トルクをＸＹスライダに伝えないようにして解決している。さらに、Ｃモータで相殺できなかったわずかな反作用トルクに対しても、Ｘ方向と回転γ方向の非干渉化制御で上記問題を解消するようになっている。

次に、本発明の第２実施例について説明する。
図６は本発明の第２の実施例であるＸＹθ位置決め装置の斜視図である。
なお、図６は本発明図と従来例図と共用であり、従来図で示した図６と同じである。また、図７はＸＹスライダ２の底面図であり、図８は図７のＡ−Ａ断面図であって、実施例１及び従来技術で示した図２、３と殆ど同じであるが、異なる点は図７には図２のＢ−Ｂ線の図示が無く、図８についてはθテーブル３が付加されている点である。
図９は第２の実施例のＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。
以下、実施例１及び従来技術と同一構成については同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる構成についてのみ説明する。

図９において従来技術（図１３）と異なる点は、θ制御装置５の出力であるトルク指令ＴθｒｅｆをＸ制御装置４Ａから出力されるトルク指令に、加算器９０により足し合わせＴγｒｅｆとしている点である。ＸＹ制御装置内はγ方向として回転θ方向と同じ座標系に変換されているので、θテーブル３の反作用トルクを相殺するトルク指令Ｔθｒｅｆを、フィードフォワード制御として追加している。
以上のように構成されたＸＹθ位置決め装置は、従来技術で問題となっていたθテーブルの急峻な反作用トルクに対して生じるＸＹスライダの角度偏差γの増大、回転γ方向の整定性悪化、発振の問題に対して、反作用トルクを相殺するトルク指令を追加したフィードフォワード制御系によるごく簡便化された手法によって解決している。

次に、本発明の第３実施例について説明する。
図１０は本発明の第３の実施例であるＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。図１０において、４Ｇは１／２を掛ける乗算器Ｂである。
第３の実施例が第１の実施例と異なる点は、Ｙの制御系にも座標変換回路４Ｅを設け、Ｙ制御装置４Ｂから出力される推力指令ＦＹｒｅｆとθテーブル３の反作用トルクを相殺するためのトルク指令を入力として、Ｙ１モータ３０とＹ２モータ４０の推力指令ＦＹ１ｒｅｆとＦＹ２ｒｅｆを生成している点である。このとき、Ｘの座標逆変換回路４ＥとＹの座標逆変換回路４Ｅに入力される反作用トルクを相殺するためのトルク指令は、乗算器Ｂ４Ｇによって、テーブル３のトルク指令Ｔθｒｅｆの１／２ずつに分配されている。
以上のように構成されたＸＹθ位置決め装置は、θテーブルの反作用トルクを相殺するトルク指令を４つのモータに分散させることができるので、第２の実施例よりも、Ｘ１モータとＸ２モータに偏る電流値を低減することができる。つまり、Ｘ方向の急峻な動作を伴いその推力指令ＦＸｒｅｆが大きくなったとしても、その許容電流値を越えることが無くＸ１モータとＸ２モータを制御でき、さらにはモータの焼損も無くすことができる。

次に、本発明の第４の実施例について説明する。
図１１は本発明の第４の実施例であるＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。図１１において、４Ｈと４Ｉは乗算器Ｃと乗算器Ｄである。
第４の実施例が第３の実施例と異なる点は、θテーブル３の反作用トルクを相殺するトルク指令を、各軸の推力指令であるＦＸｒｅｆとＦＹｒｅｆの大きさに応じて配分している。具体的には
乗算器Ｃ ： ＦＹｒｅｆ／(ＦＸｒｅｆ＋ＦＹｒｅｆ)
乗算器Ｄ ： ＦＸｒｅｆ／(ＦＸｒｅｆ＋ＦＹｒｅｆ)
としている。例えば、ＦＹｒｅｆ＞ＦＸｒｅｆの場合には乗算器Ｃ＞乗算器Ｄとなり、Ｘの制御系へのトルク指令配分が大きくなる。
以上のように構成されたＸＹθ位置決め装置は、θテーブルの反作用トルクを相殺するトルク指令を４つのモータの推力に応じて分散させることができるので、第２の実施例よりも、４つのモータの間で電流値の偏りを無くすことができる。つまり、Ｘ方向やＹ方向の急峻な動作を伴いその推力指令ＦＸｒｅｆ、ＦＹｒｅｆが大きくなったとしても、各軸の許容電流値を越えることが無く４つのモータを制御でき、さらにはモータの焼損もほとんど無くすことができる。
なお、ここまでは、第１〜４の実施例で、ＸＹスライダのモータを特許文献３で示される構造で示したが、ティースのギャップ対向部に永久磁石を配置する構造であったり、ティースのギャップ対向部に鉄心歯を設けたいわゆるＨＢ形やＶＲ形であっても本発明と同様の効果が得られることは言うまでも無い。
また、Ｙ方向の座標を第３センサからの出力ｙ１を用いたが、Ｙ２モータの位置を検出する第４センサも付加して、Ｙ方向の座標を
ｙ＝（Ｗ１・ｙ１＋Ｗ２・ｙ２）／Ｗ
として制御してもよい。

本発明は、半導体製造の中で多用される検査装置やボンディングマシン、半導体部品のマウンタなどに搭載される直動２軸スライダ(ＸＹスライダ)＋回転テーブル(θテーブル)のＸＹθ位置決め装置において、特に高い位置決め精度とその高速な整定性を要求されるものに適用することで、装置自身の高精度化と高タクト化を実現することができる。

本発明の第１実施例のＸＹθ位置決め装置の斜視図である。 図１に示すＸＹスライダの底面図である。 図２に示すＸＹスライダのＡ−Ａ部側断面図である。 図２に示すＸＹスライダのＢ−Ｂ部側断面図である。 図１に示すＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。 本発明の第２実施例および従来技術を示すＸＹ位置決め装置の斜視図である。 図６に示すＸＹスライダの底面図である。 図７に示すＸＹスライダのＡ−Ａ部側断面図である。 図６に示すＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。 本発明の第３実施例のＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。 本発明の第４実施例のＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。 従来のＸＹθ位置決め装置の側断面図である。 従来のＸＹθ位置決め装置の制御系の構成図である。 従来のリニアモータの正面図である。

符号の説明

１ スライダ
２ ＸＹスライダ
３ θテーブル
４ ＸＹ制御装置
４Ａ Ｘ制御装置
４Ｂ Ｙ制御装置
４Ｃ γ制御装置
４Ｄ 座標変換回路
４Ｅ 座標逆変換回路
４Ｆ 乗算器Ａ
４Ｇ 乗算器Ｂ
４Ｈ 乗算器Ｃ
４Ｉ 乗算器Ｄ
５ θ制御装置
６ Ｃ制御装置
１０ Ｘ１モータ
１１ 電機子ユニット
１２ 電機子コア
１３ ティース
１４ 電機子巻線
１５ 永久磁石
１６ Ｘ１センサ
２０ Ｘ２モータ
２６ Ｘ２センサ
３０ Ｙ１モータ
３６ Ｙセンサ
４０ Ｙ２モータ
５０ 筐体
６０ 浮上手段
６１ オリフィス
６２ 絞り溝
７０ θモータ
７６ θセンサ
８０ Ｃモータ
８１ Ｃセンサ
９０ 加算器

Claims (5)

1. Ｘ軸を駆動するための第１モータと第２モータ、Ｘ軸と直交するＹ軸を駆動するための第３モータと第４モータ、前記第１モータと前記第２モータの位置検出手段である第１センサと第２センサ、および前記第３モータと前記第４モータの位置検出手段である第３センサと第４センサもしくは前記第３モータの位置検出手段である第３センサのみを備えて直動２軸の動作を行うＸＹスライダと、前記ＸＹスライダに設けられて回転動作を行うθテーブルと、前記ＸＹスライダと微小ギャップを介して配置されたプラテンと、前記プラテン上を非接触に浮上するために前記ＸＹスライダに設けられた浮上手段と、前記第１センサと前記第２センサによって出力されるＸ方向位置をｘ１とｘ２および前記第３センサと前記第４センサによって出力されるＹ方向位置をｙ１とｙ２として前記第１センサの測定点から前記第２センサの測定点までのＹ方向距離をＬ、前記第１センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ１および前記第２センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ２、前記第３センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ１および前記第４センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ２とした場合（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２、Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２）前記ＸＹスライダの座標軸を
   Ｘ方向：ｘ＝（Ｌ１・ｘ１＋Ｌ２・ｘ２）／Ｌ
   Ｙ方向：第３センサと第４センサの場合、
   ｙ＝（Ｗ１・ｙ１＋Ｗ２・ｙ２）／Ｗ
   もしくは、第３センサのみの場合、ｙ＝ｙ１
   回転γ方向：γ＝（ｘ１−ｘ２）／Ｌ
   として座標変換回路により求め、それぞれＸ方向、Ｙ方向およびγ方向の座標軸に対するフィードバック制御系により構成した各Ｘ制御装置、Ｙ制御装置およびγ制御装置を有するＸＹ制御装置と、前記θテーブルのθモータおよびθセンサを制御するθ制御装置と、で構成されたＸＹθ位置決め装置であって、
   前記ＸＹスライダに回転動作を行うキャンセラモータを設け、
   前記θテーブルのトルク指令をＴθｒｅｆとした場合、前記キャンセラモータを−Ｔθｒｅｆのトルク指令で回転制御するキャンセラ制御装置を備えたことを特徴とするＸＹθ位置決め装置。
2. 前記キャンセラモータは、前記θテーブルと該θテーブルを回転させるθモータの間に間挿される、極偏平型でロータのイナーシャＪｃがθテーブルの全イナーシャＪθよりも大きい（Ｊｃ＞Ｊθ）回転モータが選定されることを特徴とする請求項１記載のＸＹθ位置決め装置。
3. Ｘ軸を駆動するための第１モータと第２モータ、Ｘ軸と直交するＹ軸を駆動するための第３モータと第４モータ、前記第１モータと前記第２モータの位置検出手段である第１センサと第２センサ、および前記第３モータと前記第４モータの位置検出手段である第３センサと第４センサもしくは前記第３モータの位置検出手段である第３センサのみを備えて直動２軸の動作を行うＸＹスライダと、前記ＸＹスライダに設けられて回転動作を行うθテーブルと、前記ＸＹスライダと微小ギャップを介して配置されたプラテンと、前記プラテン上を非接触に浮上するために前記ＸＹスライダに設けられた浮上手段と、前記第１センサと前記第２センサによって出力されるＸ方向位置をｘ１とｘ２および前記第３センサと前記第４センサによって出力されるＹ方向位置をｙ１とｙ２として前記第１センサの測定点から前記第２センサの測定点までのＹ方向距離をＬ、前記第１センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ１および前記第２センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＹ方向距離をＬ２、前記第３センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ１および前記第４センサの測定点から前記θテーブルの回転中心までのＸ方向距離をＷ２とした場合（Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２、Ｗ＝Ｗ１＋Ｗ２）前記ＸＹスライダの座標軸を
   Ｘ方向：ｘ＝（Ｌ１・ｘ１＋Ｌ２・ｘ２）／Ｌ
   Ｙ方向：第３センサと第４センサの場合、
   ｙ＝（Ｗ１・ｙ１＋Ｗ２・ｙ２）／Ｗ
   もしくは、第３センサのみの場合、ｙ＝ｙ１
   回転γ方向：γ＝（ｘ１−ｘ２）／Ｌ
   として座標変換回路により求め、それぞれＸ方向、Ｙ方向およびγ方向の座標軸に対するフィードバック制御系により構成した各Ｘ制御装置、Ｙ制御装置およびγ制御装置を有するＸＹ制御装置と、前記θテーブルのθモータおよびθセンサを制御するθ制御装置と、で構成されたＸＹ位置決め装置であって、
   前記θテーブルのトルク指令をＴθｒｅｆとした場合、前記γ制御装置で生成されたトルク指令にＴθｒｅｆを足し合わせる加算手段を設けたことを特徴とするＸＹθ位置決め装置。
4. 請求項３記載のＸＹθ位置決め装置において、
   前記Ｙ制御装置からの推力指令ＦＹｒｅｆを１／２づつに分割する乗算器に代る前記推力指令と前記θテーブルの反作用トルクの相殺演算を行う座標逆変換器と、前記γ制御装置のトルク指令に足し合わされるＴθｒｅｆの配分を、前記第１モータと前記第２モータの総和が１／２、前記第３モータと第４モータの総和が１／２となるように配分する乗算器Ｂを設けたことを特徴とするＸＹθ位置決め装置。
5. 請求項４記載のＸＹθ位置決め装置において、
   前記Ｘ制御装置と前記Ｙ制御装置で生成された推力指令をＦＸｒｅｆとＦＹｒｅｆとした場合、前記γ制御装置のトルク指令に足し合わされるＴθｒｅｆの配分を、前記第１モータと前記第２モータの総和が
   ＦＹｒｅｆ／(ＦＸｒｅｆ＋ＦＹｒｅｆ)
   となるように配分する乗算器Ｃと、前記第３モータと前記第４モータの総和が
   ＦＸｒｅｆ／(ＦＸｒｅｆ＋ＦＹｒｅｆ)
   となるように配分する乗算器Ｄと、を設けたことを特徴とするＸＹθ位置決め装置。

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