JP2007068341A - リニアパルスモータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラテンの軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してステージを所望位置まで高速度で円滑に駆動できるリニアパルスモータの制御方法を提供する。
【解決手段】 プラテン４のＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を介してステージ３を駆動する際、ステージ３の瞬時目標位置と速度フィードフォワード出力値と加速度フィードフォワード出力値との合算値によりフォーサをフィードフォワード制御するため、フォーサは、その瞬時目標位置に対し遅れを発生することなく、しかも振動を発生することなく円滑に駆動される。その結果、ステージは、所望位置まで高速度で円滑に駆動される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置にステージを駆動可能なリニアパルスモータの制御方法に関するものである。

半導体や液晶などの半導体デバイスの製造工程（露光工程）あるいは検査工程においては、半導体デバイスをステージに載置してＸＹ軸方向に駆動するＸＹステージ装置が位置決め用または搬送用として使用されている。この種のＸＹステージ装置として、半導体デバイスを載置するステージをプラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置に駆動するリニアパルスモータを備えたものが従来一般に知られている（例えば特許文献１参照）。

このリニアパルスモータは、いわゆる平面型のＰＭ型リニアステッピングモータであり、表面に磁性体が格子状に配列された平板状の固定子であるプラテンと、このプラテンの表面の軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動されるブロック状の可動子である一群のフォーサとを備えている。そして、このリニアパルスモータは、プラテン上にエアベアリングを介して滑動可能に載置され、かつ、一群のフォーサを介して駆動可能に支持されたステージをプラテンの軌道面に沿ってＸＹ平面上の所望位置に駆動するように制御される。

ここで、プラテンの軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向にフォーサを所望の距離だけ駆動するリニアパルスモータの制御方法としては、オープンループ制御が一般的であり、例えば特許文献１には、フォーサの駆動距離をｘ、プラテンの軌道面に格子状に配列された磁性体のピッチ間隔をτ、その繰り返しの一周期を２πとしたとき、フォーサの励磁電流の位相を２π・ｘ／τだけ進めれば、フォーサを距離ｘだけ駆動できることが記載されている。

また、特許文献１には、フォーサの励磁電流の位相進み角をθ、フォーサの推力をＦとし、ＣおよびＩを所定の定数としたとき、Ｆ＝Ｃ・Ｉ・ｓｉｎ（θ）で表される関係があり、θがπ／４を超えるとＦの値の線形性が悪化し、θがπ／２を超えるとＦの値が減少し、θがπを超えるとＦの値が反転するため、フォーサの励磁電流の位相進み角θは、π／４を超えない範囲で徐々に進めるべきことが記載されている。
特開平８−９６７４号公報（段落番号０００２〜段落番号０００９、図６、図９〜図１１）

ところで、特許文献１に記載されたリニアパルスモータの制御方法においては、フォーサの励磁電流の位相進み角θに応じてフォーサの推力Ｆが発生する関係があるため、移動中のフォーサの位置ｘは、その瞬時目標位置ｘ_ｃｏｍに対して遅れが発生し、その結果、ステージの目標位置への到達および整定が遅れるという問題がある。

また、フォーサの推力Ｆがフォーサの位置ｘに依存する関係は、機械的なバネが結合しているのと等価の関係であるため、フォーサの加速時および減速時にステージが振動するという問題もある。

さらに、フォーサを高速駆動するためにフォーサの励磁電流の位相進み角θを大きくし過ぎると、フォーサが脱調してステージが目標位置に到達できなくなることがある。

そこで、本発明は、プラテンの軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してステージを所望位置まで高速度で円滑に駆動することができるリニアパルスモータの制御方法を提供することを課題とする。

本発明に係るリニアパルスモータの制御方法は、プラテンの軌道面に沿って少なくともＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してＸＹ平面上の所望位置にステージを駆動可能なリニアパルスモータの制御方法であって、ステージの瞬時目標位置と、瞬時目標位置の１階微分値に所定のゲインを乗じた速度フィードフォワード出力値と、瞬時目標位置の２階微分値に所定のゲインを乗じた加速度フィードフォワード出力値とを求め、これらの合算値によりフォーサをフィードフォワード制御してステージを所望位置まで駆動することを特徴とする。

本発明に係るリニアパルスモータの制御方法では、プラテンのＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサを介してステージを駆動する際、ステージの瞬時目標位置と速度フィードフォワード出力値と加速度フィードフォワード出力値との合算値によりフォーサをフィードフォワード制御するため、フォーサは、その瞬時目標位置に対し遅れを発生することなく、しかも振動を発生することなく円滑に駆動される。その結果、ステージは、所望位置まで高速度で円滑に駆動される。

本発明のリニアパルスモータの制御方法において、瞬時目標位置の１階微分値に乗じる速度ゲインは、ステージの等速区間における瞬時目標位置と現在位置との偏差が小さくなるように予め調整し、瞬時目標位置の２階微分値に乗じる加速度ゲインは、ステージの加減速区間における瞬時目標位置と現在位置との偏差が小さくなるように予め調整するのが好ましい。

本発明に係るリニアパルスモータの制御方法によれば、プラテンのＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサを介してステージを駆動する際、フォーサは、その瞬時目標位置に対し遅れを発生することなく、しかも振動を発生することなく円滑に駆動されるため、ステージを所望位置まで高速度で円滑に駆動することができる。

以下、図面を参照して本発明に係るリニアパルスモータの制御方法の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法が適用されるＸＹステージ装置の制御系のブロック構成図である。

図１に示すＸＹステージ装置１は、半導体や液晶などの半導体デバイスの製造工程（露光工程）や検査工程において位置決め用などに使用される装置である。このＸＹステージ装置１は、いわゆる平面型のＰＭ型リニアステッピングモータの一種であるリニアパルスモータ２によりＸＹ平面上の所望位置に駆動されるステージ３を備えている。

リニアパルスモータ２は、図１に示すように、平板状の固定子であるプラテン４と、ブロック状の可動子である一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２とを備えて構成されている。プラテン４は、表面に多数の磁性体の歯がＸ軸方向およびＹ軸方向に沿って格子状に配列された軌道面を有し、この軌道面は、多数の歯と歯の間に非磁性体のエポキシ樹脂などが充填されることで平滑面として構成されている。

一方、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２は、プラテン４の軌道面に沿ってＸ軸方向またはＹ軸方向に駆動されるものであり、Ｘ軸方向に駆動される一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２は、ステージ３のＸ軸に沿う２辺の下面に固定され、Ｙ軸方向に駆動される一対のフォーサ５Ｙ１，５Ｙ２は、ステージ３のＹ軸に沿う２辺の下面に固定されている。

フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２は、いずれも同様に構成されているため、これらを代表してフォーサ５Ｘ１について説明する。このフォーサ５Ｘ１は、図２に示すように、上面が平坦なフォーサ本体５Ａの下面にＡ相駆動部５ＢとＢ相駆動部５Ｃとが一列に配列されて組み込まれた構造を有する。

Ａ相駆動部５Ｂは、永久磁石の両極に接触して隣接配置された一対の鉄心５Ｄ，５Ｄ間にＡ相コイル５Ｅが巻装された構造を有する。同様に、Ｂ相駆動部５Ｃは、永久磁石の両極に接触して隣接配置された一対の鉄心５Ｆ，５Ｆ間にＢ相コイル５Ｇが巻装された構造を有する。

Ａ相駆動部５Ｂの鉄心５Ｄ，５Ｄには、Ａ相コイル５Ｅの通電による磁界の発生によってプラテン４側の多数の磁性体の歯に合わせて整列する少数の磁性体の歯がＸ軸方向に配列されている。同様に、Ｂ相駆動部５Ｃの鉄心５Ｆ，５Ｆには、Ｂ相コイル５Ｇの通電による磁界の発生によってプラテン４側の多数の磁性体の歯に合わせて整列する少数の磁性体の歯がＸ軸方向に配列されている。

なお、図１に示したステージ３は、図示しないエア噴出孔からプラテン４の軌道面に向けて噴出されるエアのエアベアリング効果によってプラテン４の軌道面上をＸ軸方向およびＹ軸方向に滑動可能に構成されている。

ここで、ＸＹステージ装置１には、フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２の駆動を制御するためのコントローラ６およびＤＣアンプ７が制御系として付設されている。また、ステージ３の少なくともＸ軸方向およびＹ軸方向の位置を検出するためのＸ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９が付設されている。

Ｘ軸レーザ干渉計８は、ステージ３のＹ軸に沿う一辺上にＸ軸と直交して立設されたＸ軸ミラー１０との間の距離を計測することでステージ３のＸ軸方向の位置を検出する。一方、Ｙ軸レーザ干渉計９は、ステージ３のＸ軸に沿う一辺上にＹ軸と直交して立設されたＹ軸ミラー１１との間の距離を計測することでステージ３のＹ軸方向の位置を検出する。

コントローラ６は、例えばパーソナルコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアを利用して構成されており、入出力インターフェースＩ／Ｏ、Ａ／Ｄコンバータ、プログラムおよびデータを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、入力データ等を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを実行するＣＰＵ（CentralProcessing Unit）等をハードウェアとして備えている。

このコントローラ６には、Ｘ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９から計測データがパルス信号として入力されるパルスカウンタ６Ａと、このパルスカウンタ６Ａからその計数信号がそれぞれ入力されるＰＩＤ制御部６Ｂおよび転流制御部６Ｃと、転流制御部６Ｃから励磁電流の指令信号が入力されるＤ／Ａ変換部６Ｄとが設けられている。

ＰＩＤ制御部６Ｂは、Ｘ軸レーザ干渉計８およびＹ軸レーザ干渉計９の計測データに基づくステージ３のＸ軸方向およびＹ軸方向の位置が所望の目標位置に円滑に収束するように、比例（Proportinal）制御、積分（Integral）制御、微分（Differential）制御の組み合わせによって一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２の駆動をフィードバック制御する。

また、転流制御部６Ｃは、ステージ３を現在位置から所望位置まで駆動するように、図２に示したフォーサ５Ｘ１（５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２）のＡ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに流す励磁電流を順次切り替えてフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をプラテン４のＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動するための指令信号をＤ／Ａ変換部６Ｄに出力する。

Ｄ／Ａ変換部６Ｄは、転流制御部６Ｃのデジタル信号をアナログ信号としてＤＣアンプ７に出力し、このＤＣアンプ７を介してフォーサ５Ｘ１（５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２）のＡ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに流す励磁電流を順次切り替えることで、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をプラテン４のＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動する。

ここで、本実施形態におけるリニアパルスモータの制御方法、すなわちプラテン４の軌道面に沿ってＸ軸方向およびＹ軸方向に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を駆動することでステージ３をＸＹ平面上の所望位置に駆動するリニアパルスモータの制御方法は、例えば図３に伝達関数のブロック線図で示すような制御系によって実行される。

図３に示す制御系は、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２のうち、ステージ３をＸ軸方向に駆動する一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２に対応した制御系でる。この制御系は、例えば図１に示したＰＩＤ制御部６Ｂで構成されるＫ（ｓ）をフィードバックパスに備えており、フィードフォワードパスにはステージ３の速度フィードフォワード出力値を示すｋ_ｖＦｓと、加速度フィードフォワード出力値を示すｋ_ａＦｓ^２とが設けられている。なお、ステージ３をＹ軸方向に駆動する一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２対応した制御系も図３に示す制御系と同様に構成されているため、その説明は省略する。

図３に示す制御系では、予め図４に示すように軌道生成された目標位置、目標速度、目標加速度でステージ３を駆動するように、以下の数式１を制御則として一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２の駆動を制御する。

ここで、数式１において、θ_ｓは例えばステージ３をＸ軸方向に駆動する一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２の現在の励磁位相、ｘ_ｓはステージ３の現在位置、θ_ｃはフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２の動作開始後から時々刻々変化する励磁位相、ｘ_ｃｏｍはその瞬時目標位置、τはプラテン４の軌道面に格子状に配列された磁性体のピッチ間隔、２πはその繰り返しの一周期をそれぞれ示している。

この数式（１）の制御則により、一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２は、Ａ相コイル５ＥおよびＢ相コイル５Ｇに順次切り替えて流される励磁電流の位相θ_ｃが転流制御部６Ｃからの指令信号に応じて２π（ｘ_ｃｏｍ−ｘ_ｓ）／τだけ進められることにより、ｘ＝ｘ_ｃｏｍ−ｘ_ｓの距離ｘだけＸ軸方向に向けて駆動される。

また、図３に示す制御系では、ステージ３を所望位置まで高速度で円滑に駆動するように、以下の数式２を制御則として一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２をフィードフォワード制御する。

ここで、数式２において、ｘ_ｒｅｆは軌道生成されたステージ３の瞬時目標位置、ｋ_ｖＦは速度ゲイン、ｋ_ａＦは加速度ゲイン、ｓは微分を示すラプラス変換子を示している。

速度ゲインｋ_ｖＦは、例えば図４に示す等速区間において駆動されるステージ３の現時位置ｘをＸ軸レーザ干渉計８により計測しつつその現時位置ｘと瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆとの偏差が小さくなるように予め調整する。また、加速度ゲインｋ_ａＦは、図４に示す加速区間または減速区間において駆動されるステージ３の現時位置ｘをＸ軸レーザ干渉計８により計測しつつその現在位置ｘと瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆとの偏差が小さくなるように予め調整する。

速度ゲインｋ_ｖＦおよび加速度ゲインｋ_ａＦの調整は、フィードバックパスのＫ（ｓ）をＫ（ｓ）＝０の無効状態として行い、Ｋ（ｓ）は、速度ゲインｋ_ｖＦおよび加速度ゲインｋ_ａＦの調整完了後に行う。

前述した数式２の制御則により、一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２は、ステージ３の軌道生成された瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆと、瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆの１階微分値に所定の速度ゲインｋ_ｖＦを乗じた速度フィードフォワード出力値ｋ_ｖＦｓと、瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆの２階微分値に所定の加速度ゲインｋ_ａＦを乗じた。同時に、ステージ３の瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆと現在位置ｘとの偏差がＰＩＤ制御部６Ｂによって迅速にゼロに収束するよにフィードバック制御される。

そして、一対のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２は、瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆと速度フィードフォワード出力値ｋ_ｖＦｓと加速度フィードフォワード出力値ｋ_ａＦｓ^２との合算値によりフィードフォワード制御される結果、軌道生成されたステージ３の瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆに対して遅れを発生することなく高速度で駆動される。

ここで、図５に示すブロック線図は、図３に示した伝達関数の一部を詳述するブロック線図であり、Ｄは減衰係数を表している。また、ＣＩはフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２の推力Ｆ＝Ｃ・Ｉ・ｓｉｎ（θ）を線形化したものである。

図５のブロック線図に示す制御系において、ステージ３の現時位置ｘと時々刻々に変化する瞬時目標位置ｘ_ｃｏｍとの関係は、以下の数式３で表される。

数式３に示した分母多項式Ｍｓ^２＋Ｄｓ＋２πＣＩ／τは、フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を介してステージ３を加減速駆動する際の振動の原因となるものである。ここで、フォーサ５Ｘ１，５Ｘ２を以下の数式４に示す制御則によってフィードフォワード制御したとき、軌道生成されたステージ３の瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆと現時位置ｘとの偏差は以下の数式５で表される。

数式５において、ステージ３が一定速度ｖ_０で移動中の定常偏差は、最終値の定理により、以下の数式６のようになる。従って、前述したように、図４に示す等速区間で現時位置ｘと瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆとの偏差が小さくするように速度ゲインｋ_ｖＦを調整した場合、速度ゲインｋ_ｖＦは以下の数式７のように調整される。

このような調整が完了した状態ではステージ３が一定加速度ａ_０で加減速中に発生する偏差は、以下の数式８のようになる。そして、このような条件で偏差を小さくするように加速度ゲインｋ_ａＦを調整した場合、加速度ゲインｋ_ａＦは以下の数式９のように調整される。

その結果、数式４の制御則ｘ_ｃｏｍ＝（ｋ_ａＦｓ^２＋ｋ_ｖＦｓ＋１）ｘ_ｒｅｆは、以下の数式１０に示すように調整されることとなる。この数式１０の制御則は、ステージ３の振動の原因となる数式３の分母多項式Ｍｓ^２＋Ｄｓ＋２πＣＩ／τを分子に有するため、その分母多項式Ｍｓ^２＋Ｄｓ＋２πＣＩ／τを相殺してステージ３を加減速駆動する際の振動を防止することができる。

以上説明したように、本実施形態のリニアパルスモータの制御方法では、プラテン４のＸＹ平面上の所望位置に一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２を介してステージ３を駆動する際、軌道生成されたステージ３の瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆと速度フィードフォワード出力値ｋ_ｖＦｓと加速度フィードフォワード出力値ｋ_ａＦｓ^２との合算値により一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２をフィードフォワード制御するため、一群のフォーサ５Ｘ１，５Ｘ２，５Ｙ１，５Ｙ２は、ステージ３の瞬時目標位置ｘ_ｒｅｆに対して遅れを生じることなく高速駆動されてステージ３を所望位置まで高速度で駆動する。そして、ステージ３の振動を防止しつつステージ３を所望位置に速やかに整定して位置決めする。

すなわち、本実施形態のリニアパルスモータの制御方法によれば、プラテン４のＸＹ平面上の所望位置までステージ３を高速度で駆動することができる。また、ステージ３の振動を防止しつつステージ３を所望位置に速やかに整定して位置決めすることができる。

本発明に係るリニアパルスモータの制御方法は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図３に示した制御系は、フィードバックパスを備えない構成とすることができる。この場合、数式２で示した制御則は、数式４で示した制御則に変更される。

本発明の一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法が適用されるＸＹステージ装置の制御系のブロック構成図である。 図１に示したリニアパルスモータの構造を示す部分断面図である。 一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法を伝達関数により表示したブロック線図である。 一実施形態に係るリニアパルスモータの制御方法によって駆動が制御されるステージの軌道生成された目標位置、目標速度、目標加速度の時間変化を示すグラフである。 図３に示した伝達関数の一部を詳述するブロック線図である。

符号の説明

１ ＸＹステージ装置
２ リニアパルスモータ
３ ステージ
４ プラテン
５ フォーサ
６ コントローラ
７ ＤＣアンプ
８ Ｘ軸レーザ干渉計
９ Ｙ軸レーザ干渉計
１０ Ｘ軸ミラー
１１ Ｙ軸ミラー

Claims (2)

1. プラテンの軌道面に沿って少なくともＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される一群のフォーサを介してＸＹ平面上の所望位置にステージを駆動可能なリニアパルスモータの制御方法であって、
   軌道生成された前記ステージの瞬時目標位置と、瞬時目標位置の１階微分値に所定の速度ゲインを乗じた速度フィードフォワード出力値と、瞬時目標位置の２階微分値に所定の加速度ゲインを乗じた加速度フィードフォワード出力値とを求め、これらの合算値により前記フォーサをフィードフォワード制御して前記ステージを所望位置まで駆動することを特徴とするリニアパルスモータの制御方法。
2. 前記速度ゲインは、前記ステージの等速区間における瞬時目標位置と現在位置との偏差が小さくなるように予め調整し、前記加速度ゲインは、前記ステージの加減速区間における瞬時目標位置と現在位置との偏差が小さくなるように予め調整することを特徴とする請求項１に記載のリニアパルスモータの制御方法。
   
   

Images