JP2010063271A - 平面モータ装置およびこの平面モータ装置を用いた位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ電流指令値と実際電流との偏差が大きくても、加減速時など正常なドライバ動作時には電流偏差信号過大と認識しない、安定したインタロック機能を備えた平面モータおよびこの平面モータを用いた位置決め装置を実現する。
【解決手段】移動面に形成された固定子と、前記移動面に沿って移動する可動子とを備えた平面モータ装置において、前記可動子のモータ部１０，１１，１２と、電流指令値Ｉmu^*，Ｉmv^*，Ｉmw^*が入力され、これらの電流指令値に応じたモータ電流Ｉmu，Ｉmv，Ｉmwをモータ部に供給するドライバ部２０，２１，２２と、電流指令値とモータ部に流れるモータ電流との電流偏差信号ΔＩmu，ΔＩmv，ΔＩmwが所定の閾値を超えたときにモータ部の駆動を制限する検出部３０，３１，３２とを備え、検出部は、モータ部の加速度に応じ前記閾値を変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は平面モータ装置およびこの平面モータ装置を用いた位置決め装置に関し、詳しくは、移動面が形成された固定子と、前記移動面に沿って移動する可動子とを備えた平面モータ装置およびこの平面モータ装置を用いた位置決め装置における駆動制御の改良に関するものである。

図６は、従来の平面モータ装置の一例を示す構成図である。
固定子であるプラテン１００上に、エアベアリングを介して可動子であるスライダ１０１が搭載されている。スライダ１０１には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれの方向に推力を発生させる複数のモータ部が搭載されているが図示しない。なお、各モータ部は３相のステッピングモータで構成されている。各モータ部には、制御部１０２からケーブル１０３を通して駆動に必要なモータ電流が供給され、スライダ１０１はプラテン１００上でＸ，Ｙおよびθ軸方向に位置制御される。

図７は、制御部１０２の制御ブロック図であり、図７の（ａ）はモータ部のＵ相、（ｂ）はＶ相、（ｃ）はＷ相に対応している。

図７の（ａ）において、Ｕ相モータ１０は、モータ電流Ｉmuの供給を受けて、スライダ１０１を移動させるための推力を発生する。インバータ２０ａはこのモータ部１０を駆動するインバータ電圧Ｖuを出力し、モータフィルタ２０ｂはこのインバータ電圧Ｖuに応じたモータ電流Ｉmuをモータ部１０に供給する。

電流制御部２０ｃは、電流指令値Ｉmu^*と、モータ部１０に実際に流れるモータ電流Ｉmuのフィードバック信号との電流偏差信号ΔＩmuに基づいて、インバータ電圧Ｖuの目標値である電圧指令値Ｖu^*を出力する。モータ電流Ｉmuのフィードバック信号は、モータフィルタ２０ｂの出力をＡ／Ｄ変換器２０ｆでデジタル化し、ゲイン調整部２０ｈでゲイン調整をかけて生成される。

電圧制御部２０ｄは、電圧指令値Ｖu^*と、実際にインバータ２１から出力されるインバータ電圧Ｖuのフィードバック信号との偏差に基づいて、インバータ２０ａを制御する。インバータ電圧Ｖuのフィードバック信号は、インバータ２０ａの出力をＡ／Ｄ変換器２０ｅでデジタル化し、ゲイン調整部２０ｇでゲイン調整をかけて生成される。

なお、電流指令値Ｉmu^*はスライダ１０１に与える加速度に応じて変化する値である。そのため、この電流指令値Ｉmu^*に基づいて生成される電圧指令値Ｖu^*も、スライダ１０１の加速度に応じた値となる。

ところで、モータ電流Ｉmuと電流指令値Ｉmu^*との偏差が大きい場合には、平面モータ装置が損傷してしまう場合がある。そこで従来より、電流偏差信号ΔＩmuの大きさを監視する検出部３００を設けている。検出部３００は、電流偏差信号過大を検出した場合にモータ部のドライバ動作を停止させる異常信号Ｓuを出力し、平面モータ装置の安全装置としての機能を果たしている。

検出部３００は、ゲイン調整部３００ａとコンパレータ３００ｂから構成されている。ゲイン調整部３００ａは、電流偏差信号ΔＩmuに所定のゲインを乗じて比較信号Ｖcuを生成し、コンパレータ３００ｂに出力する。コンパレータ３００ｂは、この比較信号Ｖcuを所定の閾値Ｖthと比較し、閾値Ｖthを超えた場合には電流偏差信号が過大になっていると認識し、異常信号Ｓuを出力する。

なお、実際には電流指令値Ｉmu^*およびモータ電流Ｉmuは交流信号が用いられるため、コンパレータ３００ｂは、閾値Ｖthを、正側の閾値＋Ｖthと負側の閾値−Ｖthに分けて比較信号Ｖcuと比較する。すなわち、コンパレータ３００ｂは、比較信号Ｖcuが＋Ｖthを上回った場合、あるいは比較信号Ｖcuが−Ｖthを下回った場合に、異常信号Ｓuを出力する。以下、閾値±Ｖthを代表して、単に閾値Ｖthと表記する。

図７の（ａ）において、電流制御部２０ｃ、電圧制御部２０ｄ、Ａ／Ｄ変換器２０ｅ，２０ｆ、ゲイン調整部２０ｇ，２０ｈ、検出部３００は、プログラムがダウンロードされたマイコンやＦＰＧＡなどの演算装置で構成され、デジタル的に計算処理される。
また、電流制御部２０ｃ、電圧制御部２０ｄ、インバータ２０ａ、モータフィルタ２０ｂ、Ａ／Ｄ変換器２０ｅ，２０ｆ、ゲイン調整部２０ｇ，２０ｈ、検出部３００で、モータ１０のドライバ部２０を構成している。

図７の（ｂ），（ｃ）に示すＶ相、Ｗ相についても、図７の（ａ）に示すＵ相と同様に構成されている。

図７の（ｂ）において、電流制御部２１ｃは、電流指令値Ｉmv^*と実際にモータ１１に流れるモータ電流Ｉmvのフィードバック信号との電流偏差信号ΔＩmvに基づいて、インバータ２１ａの電圧指令値Ｖv^*を出力する。電圧制御部２１ｄは、電圧指令値Ｖv^*と、実際にインバータ２１ａから出力されるインバータ電圧Ｖvのフィードバック信号との偏差に基づいて、インバータ２１ａを制御する。検出部３１０には電流偏差信号ΔＩmvが入力され、この電流偏差信号ΔＩmvが所定の閾値を超えた場合には、異常信号Ｓvを出力する。

図７の（ｃ）において、電流制御部２２ｃは、電流指令値Ｉmw^*と実際にモータ１２に流れるモータ電流Ｉmwのフィードバック信号との電流偏差信号ΔＩmwに基づいて、インバータ２２ａの電圧指令値Ｖw^*を出力する。電圧制御部２２ｄは、電圧指令値Ｖw^*と、実際にインバータ２２ａから出力されるインバータ電圧Ｖwのフィードバック信号との偏差に基づいて、インバータ２２ａを制御する。検出部３２０には電流偏差信号ΔＩmwが入力され、この電流偏差信号ΔＩmwが所定の閾値を超えた場合には、異常信号Ｓwを出力する。

これら異常信号Ｓu，Ｓv，Ｓwのいずれかが出力されると、モータ部全体のドライバ動作が停止される。

このような平面モータを利用して、対象物を２次元方向に位置制御する位置決め装置を構成することができる。位置決め装置を液晶製造装置や半導体露光装置に利用した場合には、液晶製造装置や半導体露光装置のスループット向上のため、スライダ１０１を高推力、高加速度で駆動することが要求される。

下記特許文献１には、移動面が形成された固定子と、この移動面に沿って移動する可動子とを備えた平面モータ装置が記載されている。

特開２００３−１４３８２８号公報

本来、上記の検出器３００は、発振や地絡、短絡などによりモータ１０に異常な電流が流れたときにドライバ動作を停止させるインタロック機能を目的として設けられたものである。

しかしながら、上記のような平面モータでは、正常なドライバ動作であるにもかかわらず検出部３００で電流偏差信号過大を検出してしまい、不必要にドライバ動作が停止してしまうという問題があった。

すなわち、モータ電流Ｉmuのフィードバック信号は電流指令値Ｉmu^*に対して遅れるため、モータ電流指令値Ｉmu^*を変化させた際に電流偏差信号ΔＩmuが大きくなり、検出部３００で電流偏差信号過大と判断してしまう場合があった。

この問題は、スライダ１０１の加速度が変化する瞬間、すなわちジャーク（加加速度）が大きくなる瞬間に多発していた。さらに、この問題は、スライダ１０１を高推力、高加速度で駆動しようとするほど顕著であった。

本発明は、このような従来装置の問題をなくし、モータ電流指令値と実際のモータ電流との間に生じた偏差が大きくても、スライダの加減速時など正常なドライバ動作時には電流偏差信号過大と認識することなく動作する安定したインタロック機能を備えた平面モータおよびこの平面モータを用いた位置決め装置を実現することを目的とする。

上記のような目的を達成するために、請求項１の発明は、
移動面が形成された固定子と、移動面に沿って移動する可動子とを備えた平面モータ装置において、
可動子を移動させるモータ部と、
電流指令値が入力され、この電流指令値に応じたモータ電流をモータ部に供給するドライバ部と、
電流指令値とモータ部に実際に流れるモータ電流との電流偏差信号が所定の閾値を超えたときにモータ部の駆動を制限する検出部とを備え、
検出部は、モータ部の加速度に応じて閾値を変化させることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の平面モータ装置において、
ドライバ部は、モータ部を駆動するインバータを備えるとともに、電流偏差信号に基づいてインバータが出力すべきインバータ電圧の電圧指令値を生成し、
検出部は、この電圧指令値に基づいて閾値を変化させることを特徴とする。

請求項３の発明は、
移動面が形成された固定子と、移動面に沿って移動する可動子とを備えた平面モータ装置において、
モータ電流が供給され、可動子を移動させるモータ部と、
モータ部を駆動するインバータと、
このインバータから出力されるインバータ電圧に基づいてモータ部にモータ電流を供給するモータフィルタと、
インバータが出力すべきインバータ電圧の電圧指令値とインバータから実際に出力されたインバータ電圧との偏差が入力され、この電圧偏差に基づいてインバータを制御する電圧制御部と、
モータ電流の電流指令値と、モータ部に実際に流れるモータ電流との偏差が入力され、この電流偏差信号に基づいて電圧指令値を生成する電流制御部と、
電流偏差信号が所定の閾値を超えたときにモータ部の駆動を制限する検出部とを備え、
検出部は、
電流偏差信号に応じた比較信号を出力するゲイン調整部と、
電圧指令値に応じて閾値を変化させる閾値生成部と、
ゲイン調整部から出力される比較信号が、閾値生成部から出力される閾値を超えたときに異常信号を出力するコンパレータと、
を備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、
対象物を２次元方向に位置決めする位置決め装置において、
請求項１〜３に記載の平面モータ装置を備え、
可動子は対象物が搭載されるスライダであり、
固定子はスライダが２次元方向に移動可能なプラテンであり、
スライダをプラテン上で移動させることにより対象物を位置決めすることを特徴とする。

本発明によれば、
前記モータ部の加速度に応じて検出部の閾値を変化させることにより、駆動電流指令値と実際の駆動電流との間に生じた偏差が大きくても、スライダの加減速時など正常なドライバ動作時には電流偏差信号過大と認識することなく動作する安定したインタロック機能を備えた平面モータを実現できる。
また、このような平面モータの可動子に対象物を搭載して位置制御することにより、安定したインタロック機能を備えた位置決め装置を実現できる。

図１は、本発明の平面モータ装置の一実施例を示す構成図である。
固定子であるプラテン１００上に、エアベアリングを介して可動子であるスライダ１０１が搭載されている。スライダ１０１には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のそれぞれの方向に推力を発生させる複数のモータ部が搭載されているが図示しない。各モータ部は３相のステッピングモータで構成されている。各モータ部には、制御部２００からケーブル１０３を通して駆動に必要なモータ電流が供給され、スライダ１０１はプラテン１００上でＸ，Ｙおよびθ軸方向に位置制御される。

図２は制御部２００の制御ブロック図であり、図２の（ａ）はモータ部のＵ相、（ｂ）はＶ相、（ｃ）はＷ相に対応している。従来例と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。

検出部３０は、電流指令値Ｉmu^*と実際のモータ電流Ｉmuとの電流偏差信号ΔＩmuが過大となったときに異常信号Ｓuを出力する。検出部３１は、電流指令値Ｉmv^*と実際のモータ電流Ｉmvとの電流偏差信号ΔＩmvが過大となったときに異常信号Ｓvを出力する。検出部３２は、電流指令値Ｉmw^*と実際のモータ電流Ｉmwとの電流偏差信号ΔＩmwが過大となったときに異常信号Ｓwを出力する。

検出部３０，３１，３２には、それぞれ電流偏差信号ΔＩmu，ΔＩmv，ΔＩmwが入力される。さらに、Ｕ相の検出部３０には、電圧指令値Ｖu^*と、他相の電圧指令値Ｖv^*とＶw^*が入力される。同様に、Ｖ相の検出部３１には電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*が入力され、Ｗ相の検出部３２には電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*が入力される。

図３は各相の検出部３０〜３２の具体例を示す構成図である。
図３の（ａ）において、Ｕ相の検出部３０は、ゲイン調整部３０ａと、このゲイン調整部３０ａからの出力を閾値Ｖthと比較するコンパレータ３０ｂと、閾値Ｖthを生成する閾値生成部３０ｃから構成されている。なお、ゲイン調整部３０ａとコンパレータ３０ｂは、従来例の図７におけるゲイン調整部３００ａおよびコンパレータ３００ｂに相当する。

閾値生成部３０ｃは、電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*に基づいて閾値Ｖthを生成する。閾値Ｖthは、電流偏差信号過大を検出する閾値として、コンパレータ３０ｂに出力される。閾値Ｖthの生成要領については後述する。

ゲイン調整部３０ａは、電流偏差信号ΔＩmuに所定のゲインを乗じた比較信号Ｖcuを生成し、コンパレータ３０ｂに出力する。コンパレータ３０ｂは、この比較信号Ｖcuと閾値Ｖthとを比較する。コンパレータ３０ｂは、比較信号Ｖcuが閾値Ｖthを超えた場合に電流偏差信号ΔＩmuが過大であると認識し、異常信号Ｓuを出力する。

図３の（ｂ）、（ｃ）に示す検出部３１，３２も、検出部３０と同様に構成されている。検出部３１には電流偏差信号ΔＩmvが入力され、ゲイン調整部３１ａにより比較信号Ｖcvが生成される。コンパレータ３１ｂは、比較信号Ｖcvと閾値Ｖthを比較し、比較信号Ｖcvが閾値Ｖthを超えた場合に異常信号Ｓvを出力する。
検出部３２には電流偏差信号ΔＩmwが入力され、ゲイン調整部３２ａにより比較信号Ｖcwが生成される。コンパレータ３２ｂは、比較信号Ｖcwと閾値Ｖthを比較し、比較信号Ｖcwが閾値Ｖthを超えた場合に異常信号Ｓwを出力する。

図４は閾値生成部３０ｃの具体例を示す構成図である。閾値生成部３０ｃは、加算器３０ｃ１，３０ｃ２，３０ｃ５と、ゲイン調整部３０ｃ３と、フィルタ３０ｃ４と、反転回路３０ｃ６から構成されている。

閾値生成部３０ｃに入力された電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*は、まず絶対値が求められる。電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*の絶対値｜Ｖu^*｜，｜Ｖv^*｜，｜Ｖw^*｜は、加算器３０ｃ１，３０ｃ２によりすべて加算され、ゲイン調整部３０ｃ３に出力される。以下、｜Ｖu^*｜＋｜Ｖv^*｜＋｜Ｖw^*｜を電圧指令値Ｖo^*と表現する。電圧指令値Ｖo^*は交流成分が含まれている。電圧指令値Ｖo^*は、ゲイン調整部３０ｃ３によりゲイン調整が行われ、さらにフィルタ３０ｃ４により直流量に整流される。

フィルタ３０ｃ４の出力は、加算器３０ｃ５に出力される。閾値生成部３０ｃには、あらかじめ閾値Ｖthの初期値Ｖthiを保持させておく。加算器３０ｃ５は、フィルタ３０ｃ４の出力とこの初期値Ｖthiを加算する。加算器３０ｃ５の出力は、電圧指令値Ｖo^*に比例して変化する値となる。加算器３０ｃ５の出力は、正側の閾値＋Ｖthとして、コンパレータ３０ｂに出力される。また、加算器３０ｃ５の出力を反転回路３０ｃ６に入力し、極性を反転させる。反転回路３０ｃ６の出力は、負側の閾値−Ｖthとして、コンパレータ３０ｂに出力される。なお、閾値生成部３１ｃ，３２ｃも、閾値生成部３０ｃと同様の構成である。

このように構成された閾値生成部３０ｃ，３１ｃ，３２ｃでは、電圧指令値Ｖo^*に応じて閾値Ｖthが自動設定される。電圧指令値Ｖo^*は加速度に比例するため、閾値Ｖthはスライダ１０１に与えられる加速度に応じて自動設定される。

図５は、閾値Ｖthと電圧指令値Ｖo^*（加速度）の関係を示す特性例図である。
スライダ１０１の加減速時など、スライダ１０１に大きな加速度を発生させる場合には、モータ１０に多くのモータ電流を供給する必要がある。そのため、電流指令値Ｉmu^*，Ｉmv^*，Ｉmw^*は大きな値となり、これに比例して電圧指令値Ｖo^*も大きな値となる。これにより、閾値Ｖthは大きな値に設定される。

一方、スライダ１０１を等速移動させる場合など、スライダ１０１に大きな加速度を発生させる必要がない場合には、電流指令値Ｉmu^*，Ｉmv^*，Ｉmw^*は小さな値となっている。そのため、電圧指令値Ｖo^*も小さな値となり、閾値Ｖthは初期値Ｖthiに近い小さな値に設定される。

閾値Ｖthを加速度に応じて変化させることにより、モータ部やドライバ部に異常が発生した時以外に電流偏差信号過大が発生しなくなり、これまでのように不必要にドライバ動作が停止してしまうことを防止できる。

本実施例は以上のように構成され、
モータ部の加速度に応じて検出部３０，３１，３２の閾値Ｖthを変化させることにより、電流偏差信号ΔＩmu，ΔＩmv，ΔＩmwが大きくても、スライダ１０１の加減速時など正常なドライバ動作時には電流偏差信号過大と認識しない、安定したインタロック機能を備えた平面モータ装置を実現できる。
また、このような平面モータ装置の可動子に対象物を搭載して位置制御することにより、安定したインタロック機能を備えた位置決め装置を実現できる。

なお、本発明は２次元方向に可動子が移動可能な平面モータ装置に限らず、リニアモータや回転型モータにも適用可能である。

また、本実施例では、たとえばドライバ部２０についていえば、電流制御部２０ｃ、電圧制御部２０ｄ、Ａ／Ｄ変換器２０ｅ，２０ｆ、ゲイン調整部２０ｇ，２０ｈ、検出部３０をデジタル的に構成されているものとしたが、アナログ回路で構成してもよい。

本発明の一実施例を示す平面モータ装置の構成図である。 制御部２００の制御ブロック図である。 検出部３０〜３２の具体例を示す構成図である。 閾値生成部３０ｃの具体例を示す構成図である。 閾値Ｖthと電圧指令値Ｖo^*（加速度）の関係を示す特性例図である。 従来の平面モータ装置の一例を示す構成図である。 制御部１０２の制御ブロック図である。

符号の説明

１００ プラテン
１０１ スライダ
１０３ ケーブル
２００ 制御部
１０ モータ
２０ ドライバ部
２０ａ インバータ
２０ｂ モータフィルタ
２０ｃ 電流制御部
２０ｄ 電圧制御部
３０ 検出部
３０ａ ゲイン調整部
３０ｂ コンパレータ
３０ｃ 閾値生成部
３０ｃ１，３０ｃ２，３０ｃ５ 加算器
３０ｃ３ ゲイン調整部
３０ｃ４ フィルタ
３０ｃ６ 反転回路
Ｉmu^*，Ｉmv^*，Ｉmw^* 電流指令値
Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^* 電圧指令値
Ｖth 閾値

Claims (4)

1. 移動面が形成された固定子と、前記移動面に沿って移動する可動子とを備えた平面モータ装置において、
   前記可動子を移動させるモータ部と、
   電流指令値が入力され、この電流指令値に応じたモータ電流を前記モータ部に供給するドライバ部と、
   前記電流指令値と前記モータ部に実際に流れるモータ電流との電流偏差信号が所定の閾値を超えたときに前記モータ部の駆動を制限する検出部とを備え、
   前記検出部は、前記モータ部の加速度に応じて前記閾値を変化させることを特徴とする平面モータ装置。
2. 前記ドライバ部は、前記モータ部を駆動するインバータを備えるとともに、前記電流偏差信号に基づいて前記インバータが出力すべきインバータ電圧の電圧指令値を生成し、
   前記検出部は、この電圧指令値に基づいて前記閾値を変化させることを特徴とする請求項１に記載の平面モータ装置。
3. 移動面が形成された固定子と、前記移動面に沿って移動する可動子とを備えた平面モータ装置において、
   モータ電流が供給され、前記可動子を移動させるモータ部と、
   前記モータ部を駆動するインバータと、
   このインバータから出力されるインバータ電圧に基づいて前記モータ部に前記モータ電流を供給するモータフィルタと、
   前記インバータが出力すべきインバータ電圧の電圧指令値と前記インバータから実際に出力されたインバータ電圧との偏差が入力され、この電圧偏差に基づいて前記インバータを制御する電圧制御部と、
   前記モータ電流の電流指令値と、前記モータ部に実際に流れるモータ電流との偏差が入力され、この電流偏差信号に基づいて前記電圧指令値を生成する電流制御部と、
   前記電流偏差信号が所定の閾値を超えたときに前記モータ部の駆動を制限する検出部とを備え、
   前記検出部は、
   前記電流偏差信号に応じた比較信号を出力するゲイン調整部と、
   前記電圧指令値に応じて前記閾値を変化させる閾値生成部と、
   前記ゲイン調整部から出力される比較信号が、前記閾値生成部から出力される閾値を超えたときに異常信号を出力するコンパレータと、
   を備えたことを特徴とする平面モータ装置。
4. 対象物を２次元方向に位置決めする位置決め装置において、
   請求項１〜３に記載の平面モータ装置を備え、
   前記可動子は対象物が搭載されるスライダであり、
   前記固定子は前記スライダが２次元方向に移動可能なプラテンであり、
   前記スライダを前記プラテン上で移動させることにより前記対象物を位置決めすることを特徴とする位置決め装置。

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