JP2011220970A - アライメントステージ及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動効率及び動作速度を確保できるとともにコンパクトに構成でき、しかも、製造コストを低減することのできるアライメントステージ及び処理装置を提供する。
【解決手段】本発明のアライメントステージ１０は、第１の回転駆動手段と、第２の回転駆動手段と、第１の回転軸線１１ｘを中心に回転可能に軸支されるとともに第１の回転駆動手段により回転駆動される第１の回転体１１と、第１の回転体に対して第１の回転軸線と平行な第２の回転軸線１２ｘを中心に回転可能に軸支されるとともに第２の回転駆動手段により回転駆動される第２の回転体１２と、第２の回転体と一体に構成され、或いは、第２の回転体に固定若しくは連結された移動ステージ１３と、を具備し、第２の回転駆動手段は、第１の回転軸線を中心に回転する第２の回転駆動軸４と、第２の回転駆動軸と第２の回転体との間に接続された第２の回転伝達機構９と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はアライメントステージ及び処理装置に係り、特に、２軸の回転駆動手段を用いてステージの位置決めを行うアライメントステージの駆動構造に関する。

一般に、ＸＹテーブルやＸＹθテーブルなどのアライメントステージにおいては、リニアガイドを用いてＸ方向及びＹ方向にステージを案内して二次元的な位置決めの自由度を確保し、さらにはステージを所定の中心点の周りに回動可能に構成することによって二次元的な姿勢の自由度を確保し、その上で、Ｘ方向及びＹ方向、さらにはθ方向の駆動機構を設けている。

この種のアライメントステージとして、例えば、以下の特許文献１には、Ｘ軸の駆動手段とＹ軸の駆動手段とが直列に接続されてなる一般的な直列駆動方式の改良構造として、ステージ（テーブル）に対してＸ方向、Ｙ方向及びθ方向の駆動手段を並列に設けた二次元テーブルが開示されている。また、以下の特許文献２には、支持体内において可撓性の支持ばね部を介して移動可能に構成された移動テーブルを設け、この移動テーブルに対する一つの直進方向の直進駆動手段を支持体内に設けるとともに、上記支持体全体を回転させる回転駆動手段を設けた二次元テーブルが開示されている。

また、以下の特許文献３には、図４に示すように、基台１に対して回転駆動されるレール支持体３２上にレール３３を設け、このレール３３上をスライド可能な軸３４に対して移動テーブル２を回転駆動可能とすることで、２軸の回転駆動手段と１軸の直進駆動手段を直列に接続してなるアライメントステージが開示されている。さらに、図５に示すように、３つの回転軸を直列に設けたアライメントステージも開示されている。

特開平５−２３７７８７号公報 特開平７−１１３８８３号公報 特開平９−２４３７６６号公報

しかしながら、従来のＸＹテーブルや上記特許文献１に記載された並列駆動方式のＸＹθテーブルでは直進駆動手段を必要とするため、電動モータなどの回転駆動手段を用いる場合、回転運動を直進運動に変換する必要があることから、駆動効率や動作速度が低下するとともに位置決め精度の向上も難しく、製造コストも増大するという問題点がある。

一方、上記特許文献２に記載されたテーブルでは高価な駆動手段を用いなければならないとともに特殊なテーブル構造を形成する必要があるため製造コストが増大するという問題点がある。また、この構成では、直進方向に充分な駆動ストロークを確保することも難しいので、用途が限られるという問題点もある。

さらに、Ｘ軸の駆動手段とＹ軸の駆動手段とを直列に設けた一般的なアライメントステージや回転軸を直列に設けた上記特許文献３に記載のステージでは、寸法的に厚く構成されるなどコンパクト化が難しいとともに、Ｘ軸とＹ軸を独立に駆動できないので、一方の軸の位置決め精度が他方の軸の位置決め精度に影響を与えるなど位置決め精度上の問題点もあり、しかも、一方の軸の直進駆動手段が他方の軸の直進駆動手段の重量を負担しなければならないので、駆動効率や動作速度が低下するという問題点もある。

そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、駆動効率及び動作速度を確保できるとともにコンパクトに構成でき、しかも、製造コストを低減することのできる新規なアライメントステージ及びこれを用いた処理装置を提供することにある。

斯かる実情に鑑み、本発明のアライメントステージは、第１の回転駆動手段と、第２の回転駆動手段と、第１の回転軸線を中心に回転可能に軸支されるとともに前記第１の回転駆動手段により回転駆動される第１の回転体と、該第１の回転体に対して前記第１の回転軸線と平行な第２の回転軸線を中心に回転可能に軸支されるとともに前記第２の回転駆動手段により回転駆動される第２の回転体と、該第２の回転体と一体に構成され、或いは、前記第２の回転体に固定若しくは連結された移動ステージと、を具備し、前記第２の回転駆動手段は、前記第１の回転軸線を中心に回転する第２の回転駆動軸と、該第２の回転駆動軸と前記第２の回転体との間に接続された第２の回転伝達機構と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、相互に平行な第１の回転軸線と第２の回転軸線を中心とする２軸の回転駆動軸を有することにより、移動ステージの平面方向の位置決め全体若しくはその主要部分を回転駆動のみで達成することができるから、駆動効率の向上、駆動系の簡易化及び製造コストの低減を図ることが可能になる。また、直列に接続された第１の回転体と第２の回転体が、それぞれ第１の回転駆動手段と第２の回転駆動手段とによって並列に駆動される構成であるため、コンパクト化、位置決め精度の向上、駆動効率の向上、及び、動作速度の向上を図ることができる。さらに、第２の回転駆動手段に含まれる第２の回転駆動軸が第１の回転軸線を中心として回転するように構成され、この第２の回転駆動軸が第２の回転伝達機構を介して第２の回転体に接続されているので、複雑な機構を用いなくても２つの回転軸を並列に駆動することが可能になる。

本発明において、前記第１の回転駆動手段及び前記第２の回転駆動手段を制御する制御手段をさらに具備し、前記制御手段は、前記移動ステージ上の位置座標値を設定する座標設定部と、該座標設定部により設定された前記位置座標値を前記第１の回転軸線の周りの第１の角度と前記第２の回転軸線の周りの第２の角度に変換する座標変換部と、該座標変換部により変換された前記第１の角度及び前記第２の角度に基づいて前記第１の回転駆動手段及び前記第２の回転駆動手段を制御する角度制御部と、を有することが好ましい。これによれば、座標設定部により設定された移動テーブル上の位置座標値が座標変換部により第１の回転軸線の周りの第１の角度と第２の回転軸線の周りの第２の角度に変換され、第１の角度及び第２の角度に基づいて角度制御部が第１の回転駆動手段と第２の回転駆動手段を制御するため、移動テーブルの座標値に応じて２つの回転軸を制御することができる。

この場合にはさらに、前記座標設定部には前記位置座標値に基づいて前記移動ステージ上の位置座標系の目標軌道を生成する目標軌道生成部が設けられ、前記座標変換部には前記位置座標系の目標軌道から前記第１の角度及び前記第２の角度（関節座標系の座標値）を求める軌道座標変換部が設けられることが好ましい。この場合には移動ステージ上において所望の軌道が得られるので、移動ステージ上の軌道形状がアライメントステージを用いた各種の処理等に影響を及ぼす場合に当該影響を好適化することができる。また、前記座標変換部には前記位置座標値を前記第１の角度及び前記第２の角度に関する関節座標系の角度座標値に変換し、該角度座標値に基づいて前記関節座標系の目標軌道を生成する軌道生成変換部が設けられる場合もある。また、軌道座標変換部の出力と軌道生成変換部の出力を選択して角度制御部へ出力するように構成されることが好ましい。この場合には駆動系に対して所望の軌道が得られるので、駆動効率の向上、動作速度や動作精度の向上を図る上でより有利となる。

本発明において、前記第１の回転駆動手段は、前記第１の回転軸線を中心に回転する第１の回転駆動軸を有し、該第１の回転駆動軸と前記第２の回転駆動軸が同軸に軸支されることが好ましい。これによれば、２つの回転軸の並列駆動系をコンパクトに実現することができる。

本発明において、前記第１の回転駆動手段は前記第１の回転駆動軸に接続されたロータ部を備えた第１の電動機部を含み、前記第２の回転駆動手段は前記第２の回転駆動軸に接続されたロータ部を備えた第２の電動機部を含み、前記第１の電動機部と前記第２の電動機部を同軸に構成した複合モータが構成されることが好ましい。これによれば、回転駆動手段をさらにコンパクトに構成できる。

次に、本発明の処理装置は、上記のいずれかに記載のアライメントステージと、前記移動ステージのステージ面に対向する作用部を備えた作業部材と、該作業部材を前記第１の回転軸線及び前記第２の回転軸線に沿って移動させる移動手段とを具備することを特徴とする。これによれば、アライメントステージ上の作業部材に対して移動ステージを平面的に移動させることで移動ステージ若しくはその上に載置された各種部材に対し作用部の構成に応じた種々の処理を施すことができる。

この発明において、前記作用部は、処理時において前記第１の回転軸線と直交する平面上の前記第１の回転軸線からずれた位置に配置されることが好ましい。これによれば、移動ステージ上の半径方向の異なる位置に作用部を対応させることが可能になる。

また、前記作用部は、処理時において前記第１の回転軸線と直交する平面上の前記第１の回転軸線に対して前記第１の回転軸線と前記第２の回転軸線の間隔以上離れた位置に配置されることが好ましい。これによれば、移動ステージ上の半径方向の広い範囲（前記第１の回転軸線と前記第２の回転軸線の間隔の２倍に相当する半径方向の範囲を有する円上若しくは帯状の領域）において作用部を対応させることが可能になる。

さらに、前記作用部は、処理時において前記第１の回転軸線と直交する平面上の前記第１の回転軸線に対して前記第１の回転軸線と前記第２の回転軸線の間隔だけ離れた位置に配置されることが特に好ましい。これによれば、移動ステージ上の中心から前記第１の回転軸線と前記第２の回転軸線の間隔の２倍の半径をもつ円形内の全ての領域において作用部を対応させることが可能になるとともに、装置のコンパクト性を確保することができる。

本発明によれば、アライメントステージにおいて、駆動効率及び動作速度を確保できるとともにコンパクトに構成することができ、しかも、製造コストを低減することができるという優れた効果を奏し得る。

第１実施形態のアライメントステージの構造部分の縦断面図。 第１実施形態のアライメントステージの構造部分の平面図。 第２実施形態のアライメントステージの構造部分の縦断面図。 第３実施形態のアライメントステージの構造部分の縦断面図。 第１実施形態乃至第３実施形態の構造部分を示す概略構成図。 第４実施形態の実施形態の構造部分を示す概略構造図。 アライメントステージの制御部分の構成を示す概略ブロック図。 アライメントステージの制御パラメータを示す概略説明図。 制御パラメータの関係を示す平面説明図。 軌道座標変換部における処理内容を模式的に示す説明図。 目標軌道の一例として台形速度軌道を示す位置軌道のグラフ(ａ)、速度軌道のグラフ（ｂ）及び加速度軌道のグラフ（ｃ）。 制御部における計算処理の手順を模式的に示す説明図。 処理装置の構造を模式的に示す概略正面図。 処理装置の構造を模式的に示す概略平面図。 作業部材の作用部の固定位置に応じた移動ステージの位置決め可能範囲を示すグラフ。

［第１実施形態］
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は第１実施形態のアライメントステージの構造部分の概略縦断面図、図２は同平面図である。本実施形態のアライメントステージ１０は、支持台１に設けられた開口部内に配置され支持台１に固定された筒状の軸支部材２と、この軸支部材２の内部を上下方向に貫通して回転自在に軸支された第１回転駆動軸３とを有する。軸支部材２は第１回転駆動軸３をラジアル方向及びスラスト方向の双方に保持している。第１回転駆動軸３の上部は支持台１の上方に配置された第１回転体１１に固定されている。この第１回転体１１は第１回転駆動軸３を介して軸受部材２によって第１回転軸線１１ｘ（垂直線）を中心に回転可能に軸支されている。

上記第１回転体１１には上記第１回転軸線１１ｘからずれた位置に第２回転軸体１２が搭載され、この第２回転軸体１２は第１回転軸線１１ｘと平行な第２回転軸線１２ｘを中心に第１回転体１１に対して回転可能に軸支されている。第１回転体１１は第２回転軸体１２をラジアル方向及びスラスト方向の双方に保持している。第２回転軸体１２は第１回転体１１に対して支持台１とは反対側に突出し、当該反対側に配置される円盤状の移動ステージ１３に接続固定されている。なお、第２回転軸体１２と移動ステージ１３を一体の部材で構成してもよく、或いは、第２回転軸体１２と移動ステージ１３との間に他の部材を介在させても構わない。この点は、以下に示す他の実施形態でも同様である。

上記第１回転駆動軸３には第２回転駆動軸４が上記第１回転軸線１１ｘを中心に回転可能に軸支されている。第２回転駆動軸４は第１回転駆動軸３を貫通し、その下部はサーボモータ６の出力軸６ａにカップリング７を介して接続されている。サーボモータ６は図示例では電動機本体と減速機が接続された構成となっていてエンコーダ等の回転位置検出器６ｂを備えている。また、第２回転駆動軸４の上部は第１回転体１１を貫通しその上方へ突出している。当該上部は第２回転伝達機構９を介して上記第２回転軸体１２に接続されている。この第２回転伝達機構９は、具体的には、第２回転駆動軸４の上部に取り付けられたプーリ９ａと、第２回転軸体１２に取り付けられたプーリ９ｂと、プーリ９ａと９ｂの間に架設された駆動ベルト９ｃとにより構成されている。なお、図２に示すように、第２回転伝達機構９には、駆動ベルト９ｃを外側から案内するガイドローラ９ｄ、９ｅが含まれる。

支持台１の下面にはサーボモータ１６が固定され、このサーボモータ１６の出力軸１６ａは回転伝達機構１７を介して第１回転駆動軸３の下部に接続されている。サーボモータ１６は図示例では電動機本体と減速機が接続された構成となっていてエンコーダ等の回転位置検出器１６ｂを備えている。回転伝達機構１７は出力軸１６ａに取り付けられたプーリ１７ａと、上記第１回転駆動軸３の下部に取り付けられたプーリ１７ｂと、プーリ１７ａと１７ｂの間に架設された駆動ベルト１７ｃとから構成される。

支持台１上には取付部材を介してエンコーダ等の回転位置検出器１８、１９が固定されている。回転位置検出器１８は上記第１回転体１１の回転角度位置を検出し、回転位置検出器１９は上記第２回転軸体１２の回転角度位置を検出するようになっている。なお、これらの回転位置検出器１８、１９は、その角度検出値を後述する制御系に用いることによりクローズドループ制御を可能にする。また、上述のサーボモータ１６、６の回転位置検出器１６ｂ、６ｂを同制御系に用いることによりセミクローズドループ制御を行うこともできる。制御系にどちらの回転位置検出器の検出信号を用いるかは任意であり、双方の検出信号を用いることも妨げられない。

以上のように構成された本実施形態のアライメントステージ１０においては、サーボモータ１６により回転伝達機構１７及び第１回転駆動軸３を介して第１回転体１１が第１回転軸線１１ｘを中心に回転駆動される。また、サーボモータ６により第２回転駆動軸４及び第２回転伝達機構９を介して第２回転軸体１２が第２回転軸線１２ｘを中心に回転駆動される。ここで、第１回転体１１が回転すると第２回転軸線１２ｘが第１回転軸線１１ｘを中心に回転するので、第２回転軸体１２は第１回転軸線１１ｘを中心に公転することになる。したがって、移動ステージ１３は、第１回転軸線１１ｘ周りの回転と第２回転軸線周りの回転に応じて位置及び姿勢が変更される。

本実施形態のアライメントステージ１０は２つの駆動軸を有し、移動ステージ１３は２つの回転軸によって位置決めされる。したがって、従来のＸＹテーブルのような直交座標系の座標軸に沿った直動機構を必要としないので、上記サーボモータのような回転駆動源の回転駆動力をそのまま移動ステージ１３に与えることができるから、駆動効率を高めることができるとともに、駆動系を簡易に構成することができ、しかも製造コストも低減できる。一方、上記のような直動機構は、動作抵抗（摩擦）を低減したり位置決め精度を高めようとしたりすると高価になり、動作性能とコストの両立が難しい。

本実施形態では、上記の２つの回転軸は２つの駆動軸によって並列に駆動される。すなわち、固定された支持台１に対する第２回転軸体１２の回転角度は、第１回転体１１の回転角度とは無関係に、サーボモータ６、第２回転駆動軸４及び第２回転伝達機構９よりなる第２の回転駆動手段によって決定される。すなわち、サーボモータ１６、回転伝達機構１７及び第１回転駆動軸３よりなる第１の回転駆動手段による第１回転体１１の回転駆動と、上記の第２の回転駆動手段による第２回転軸体１２の回転駆動とが並列に行われることになる。したがって、特に第１の回転駆動手段が第２の回転駆動手段の重量を負担する必要がなくなるので慣性モーメントが低減され、動作速度の向上や位置決め精度の向上を図ることが可能になる。また、第１回転体１１に第２の回転駆動手段を搭載する必要がなくなるので、全体をコンパクトに構成でき、特に、回転軸線方向の厚みを低減し、支持台１から移動ステージ１３までの距離を短縮することが可能になる。

また、本実施形態では、第２回転軸体１２を回転駆動する第２の回転駆動手段の第２回転駆動軸４が第１回転軸線１１ｘを中心に伸び、この第２回転駆動軸４と第２回転軸体１２とが第２回転伝達機構９によって接続されるので、第２回転駆動軸４と第２回転軸線１２ｘとの距離が第１回転体１１の回転角度位置とは無関係に一定となるため、第２回転伝達機構９を簡易に構成することができる。したがって、動作抵抗の低減、コンパクト化、製造コストの低減などに効果的である。

この場合には特に、図５に示すように、第２回転駆動軸４は第１回転体１１を軸線方向に貫通し、第１回転体１１の移動ステージ１３の側において第２回転伝達機構９を介して第２回転軸体１２に接続されるので、第１回転体１１、第１回転駆動軸３及び第２回転駆動軸４の第１回転軸線１１ｘを中心とする軸支構造を一体化できるから、軸線方向の寸法と軸線方向と直交する面上の占有面積の双方を低減できるため、機構をさらにコンパクト化することができる。

［第２実施形態］
次に、図３を参照して本発明に係る第２実施形態のアライメントステージについて説明する。図３は第２実施形態のアライメントステージの構造部分の縦断面図である。このアライメントステージ１０′は、支持台１、第１回転駆動軸３、第１回転体１１、第２回転軸体１２、移動ステージ１３、サーボモータ６、サーボモータ１６、及び、回転伝達機構１７については細部の形態を除いて実質的に上記第１実施形態と同様である。

一方、この第２実施形態において、第２回転伝達機構９′は、第２回転駆動軸３の上部に取り付けられた歯車９ａ′と、第２回転軸体１２の上部に取り付けられた歯車９ｂ′とが噛合する構成となっている点で上記第１実施形態とは異なる。このように、第２回転伝達機構は、プーリとベルトによって構成してもよく、歯車列によって構成してもよい。また、チェーン伝動機構によって構成されていても構わない。なお、これらの点は回転伝達機構１７についても同様である。

また、この第２実施形態においては、軸支部材２′は支持台１を貫通し、第１回転駆動軸３を第１回転軸線１１ｘを中心に回転可能に軸支している点では第１実施形態の軸支部材２と同様であるが、第１回転体１１を軸線方向に気体浮上式の気体軸受構造によって支持している点で異なる。軸支部材２′は、第１回転駆動軸３を回転可能に軸支する軸受部分とは別に、第１回転体１１を下から支持する支持面２ａ′を備え、この支持面２ａ′に複数の微細な気体噴出穴２ｂ′を有している。気体噴出穴２ｂ′からは気体通路２ｃ′を通して圧縮空気などの気体が供給され、支持面２ａ′と対向する第１回転体１１の被支持面１１ａを浮上させ、摩擦抵抗を軽減させている。

第２回転軸体１２は下部に拡径したフランジ部１２ａを有し、このフランジ部１２ａは第１回転体１１の内部で嵌合している。そして、第２回転軸体１２は第１回転体１１を貫通してフランジ部１２ａは第１回転体１１から下方に露出し、フランジ部１２ａの底面１２ｂは上記被支持面１１ａとほぼ同じ高さに配置され、上記支持面１１ａと対向しているので、本実施形態では、第２回転軸体１２もまた上記の気体浮上式の気体軸受構造によって支持される。

本実施形態では、図３に示すように、軸支部材２′による気体浮上式の気体軸受構造によって第１回転体１１及び第２回転軸体１２を下方より支持しているので、移動テーブル１３の移動に伴って生ずる動作抵抗を軽減することができるため、動作速度の向上及び位置決め精度の向上を図ることができる。

［第３実施形態］
次に、図４を参照して本発明に係る第４実施形態のアライメントステージについて説明する。図４は第３実施形態のアライメントステージの構造部分の縦断面図である。本実施形態のアライメントステージ１０″は、基本的に第１実施形態と同様の構造をベースに構成され、支持台１、第１回転駆動軸３、第２回転駆動軸４、第２回転伝達機構９、第１回転体１１、第２回転軸体１２及び移動ステージ１３については第１実施形態と同様である。ただし、上記各構成要素については、上記第２実施形態と同様に構成することも可能である。

本実施形態では、第１実施形態のサーボモータ６、サーボモータ１６及び回転伝達機構１７の代わりに、複合サーボモータ２０を用いている。この複合サーボモータ２０では、筒状の第１出力軸２１ｏの内側に第２出力軸２２ｏが同軸状に配置されている。第１出力軸２１ｏは筒状の第１ロータ２１ｒに接続され、この第１ロータ２１ｒの外側を第１ステータ２１ｓが取り巻いている。また、第２出力軸２２ｏは第２ロータ２２ｒに接続され、この第２ロータ２２ｒの外側を第２ステータ２２ｓが取り巻いている。そして、複合サーボモータ２０の内部では、第２ロータ２２ｒ、第２ステータ２２ｓ、第１ロータ２１ｒ、第１ステータ２１ｓが内側から外側へ順次に同軸状に配置されている。なお、エンコーダ等よりなる回転位置検出器２１ｄは第１ロータ２１ｒの回転角度を検出し、同様の回転位置検出器２２ｄは第２ロータ２２ｒの回転角度を検出するようになっている。

本実施形態では、上記複合サーボモータ２０を用いることにより、支持台１の下方の駆動系を大幅にコンパクト化することができる。特に、上記の第１回転駆動軸３及び第２回転駆動軸４の同軸状の駆動力伝達構造を複合サーボモータ２０の出力軸構造（上記第１出力軸２１ｏ及び上記第２出力軸２２ｏ）と整合した構造とすることにより、整備性も高めることができる。

［第４実施形態］
次に、図５及び図６を参照して本発明に係る第４実施形態について説明する。図５は第１乃至第３実施形態の概略構成を模式的に示す概略構成図、図６は第４実施形態の概略構成を模式的に示す概略構成図である。この第４実施形態のアライメントステージでは、図示も含めて全体構成についてのみ説明し、細部については上記第１乃至第３実施形態の各部の構造や他の構造を適宜に用いることができるものとする。

図５に示すように、先の第１乃至第３実施形態では、第２回転駆動軸４が第１回転駆動軸３を第１回転軸線１１ｘに沿って貫通し、第２回転駆動軸４の上部が移動ステージ１３の側において第２回転伝達機構９を介して第２回転軸体１２に接続されている。一方、本実施形態では、図６に示すように、第２回転駆動軸４が第１回転軸線１１ｘを中心に回転するように構成される点では先の各実施形態と同様である。しかし、第２回転駆動軸４は第１回転体１１を軸線方向に貫通せず、また、第１回転体１１に対して移動ステージ１３とは反対側において第２回転伝達機構９′を介して第２回転軸体１２に接続されている。また、第１の回転駆動手段（サーボモータ１６′及びその駆動伝達経路）は、第２回転軸体５及び第２回転伝達機構９′と干渉しない外周部において第１回転体１１に対して接続されている。なお、図示例では、第２回転駆動軸４の上部は第１回転体１１に対して回転自在に軸支されている。ただし、図６に示す例において第２回転駆動軸４が第１回転体１１を軸線方向に貫通する構成とすることは何ら妨げられない。

本実施形態では、第２回転軸体１２が第１回転体１１を軸線方向に貫通し、第１回転体１１を基準とした場合に移動ステージ１３とは反対側に第２回転駆動軸４と第２回転軸体１２を接続する第２回転伝達機構９′が配置されている。したがって、２軸の並列駆動系である点は先の各実施形態と何ら変わりがないが、移動ステージ１３の側の構造を簡易に構成できる。

［制御系の構成］
次に、上記各実施形態で説明した構造部分を備えたアライメントステージの制御系について説明する。図７は、各実施形態に用いることのできるアライメントステージの制御系の構成を示す概略構成ブロック図である。この制御系を構成する制御部１００は上記の制御手段を構成するものである。制御部１００は、必要に応じて外部機器からの入力を受け、或いは、図示しない手動入力に基づいて、さらには内部に記録されたデータに応じて、移動ステージ１３の位置に対応する座標値を設定する座標設定部１１０と、この座標設定部１１０により設定された座標値を関節角度である第１角度θ_１及び第２角度θ_２に変換する座標変換部１２０と、この座標変換部１２０により変換された上記第１角度θ_１及び第２角度θ_２に基づいて前述の構造部分の各回転駆動手段を制御する角度制御部１３０とを備えている。ここで、第１角度θ_１は上記の第１回転体１１の回転角度に相当し、第２角度θ_２は上記の第２回転軸体１２の回転角度に相当する。

座標設定部１１０は移動ステージ１３の目標位置を設定する機能を有し、好ましくは、移動ステージ１３の複数の目標位置を移動の順序に従って設定する。上記目標位置は例えばＸＹ座標系（二次元直交座標系）やＲθ座標系（二次元極座標系）などの位置座標系の座標値で表される。この場合、上記アライメントステージの構造部分に、例えば、第１回転体１１の半径方向（Ｒ軸方向）やＸ軸方向等の直動駆動構造などの追加の構造部分を追加してもよい。このとき、追加の構造部分は、上記２つの回転軸の間（第１の回転体１１と第２の回転軸体１２の間）ではなく、２つの回転軸の固定側（支持台１側）若しくは可動側（移動ステージ１３側）に形成する。なお、移動ステージ１３の目標位置や後述する目標軌道を示す上記座標値を以下においては単に「位置座標系」と呼ぶことがある。

また、上記座標値が、ＸＹＺ座標系（三次元直交座標系）、Ｒθφ座標系（三次元極座標系）、円筒座標系などの三次元座標系で設定されるように構成してもよい。この場合には、Ｚ軸方向やφ軸方向などの移動ステージ１３のステージ面と直交する方向の移動動作を無視するか、或いは、アライメントステージの構造部分にＺ軸方向の直動駆動機構、φ軸方向の回転駆動構造などの追加の駆動構造を設ける必要がある。当該駆動構造は、構造を複雑化させないためには、上記２つの回転軸の間（第１の回転体１１と第２の回転軸体１２の間）ではなく、２つの回転軸の固定側（支持台１側）若しくは可動側（移動ステージ１３側）に形成することが好ましい。

なお、座標設定部１１０は、図示例の場合、複数の目標位置の座標値を既定の順序でステップごとに設定するシーケンス設定部１１１と、このシーケンス設定部１１１の目標位置に応じて移動ステージ１３の目標軌道（現在位置から目標位置までの軌道）を生成する目標軌道生成部１１２とを有している。この目標軌道生成部１１２は、上記目標位置の座標値に対応する目標軌道を生成する。この目標軌道は、例えば、目標位置が直交座標（ｘ，ｙ）で表されるとすると、現在位置（ｘ_０，ｙ_０）と目標位置（ｘ_１，ｙ_１）の間の位置の時間変化{ｘ（ｔ）、ｙ（ｔ）}に相当する。本実施形態では、シーケンス設定部１１１から目標位置が出力されるとともに、目標軌道生成部１１２から目標軌道が出力される。この目標軌道は、例えば移動ステージ１３上の位置座標系（第２位置座標系）における目標軌道であり、現在位置と目標位置の間において第２位置座標系の所定の軌道形状を形成する。この軌道形状は例えば直線や円弧である。この軌道形状は直線補完や円弧補完などの計算処理によって設定される。

なお、上記の座標設定部１１０は、パーソナルコンピュータその他のＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）、既存のＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ、いわゆるシーケンサ）、論理回路（ロジックＩＣ）等によって構成できる。ただし、以下の座標変換部１２０をそれらの出力構成（ディジタル出力、アナログ出力、パルス出力など）に合わせて形成する必要がある。

上記座標変換部１２０は、上記座標設定部１１０が出力する移動ステージ１３上の位置座標ｘ、ｙ（位置座標系の位置座標値）を第１角度θ_１及び第２角度θ_２（関節座標系の角度座標値）に変換する。本実施形態では、座標変換部１２０の導出値は、第１角度の時間変化θ_１（ｔ）及び第２角度の時間変化θ_２（ｔ）である。座標変換部１２０には、上記シーケンス制御部１１１から与えられる位置座標系の目標位置に基づいて関節角座標系の目標軌道を直接導出する軌道生成変換部１２１と、上述のように上記目標軌道生成部１２２から与えられる位置座標系の目標軌道に基づいて関節角座標系の目標軌道を導出する軌道座標変換部１２２とを有している。そして、軌道座標変換部１２２は、上記の目標軌道生成部１１２から出力される上記位置座標系の目標軌道（上の座標値）を２つの回転駆動軸に関する関節角座標系の目標軌道（上の座標値）に変換する。このようにすると、移動ステージ１３上の位置座標系において目標軌道を設計できるので、移動ステージ１３の移動態様を所望のものとすることができるため、各種処理が移動ステージ１３上の軌道によって影響を受ける場合、当該影響を好適化できる。

一方、軌道生成変換部１２１は位置座標系の位置座標値ｘ，ｙ（現在位置及び目標位置）を関節座標系の角度座標値θ_１、θ_２（現在角度及び目標角度）に変換し、角度座標値に基づいて関節座標系の目標軌道（上の座標値）を求める。この場合の目標軌道は、関節座標系（θ_１，θ_２）において上記の位置座標系と同様に直線補完や円弧補完などの処理を行うことによって形成される。このようにすると、軌道が関節座標系において設計できるので、駆動系の駆動態様に適合した軌道を形成することで、駆動効率の向上、動作速度や動作精度の向上を図ることができる。なお、座標変換部１２０についての目標軌道の生成や変換処理の方法については後に詳述する。また、本実施形態において、座標変換部１２０は、軌道生成変換部１２１の出力と、軌道座標変換部１２２の出力とを選択的に角度制御部１３０に出力することができるように構成される。ただし、軌道生成変換部１２１と軌道座標変換部１２２のいずれか一方のみを座標変換部１２０に設けるようにしてもよい。

角度制御部１３０は、上記関節角座標系の目標軌道に従った第１角度θ_１及び第２角度θ_２に関する追従制御を行うためのサーボモータに対する制御系である。角度制御部１３０には、関節角座標系の目標軌道と、第１角度θ_１及び第２角度θ_２の角度検出値（上記回転位置検出器１６ｂ及び６ｂの出力に基づく値、或いは、回転位置検出器１８及び１９の出力に基づく値）である第１回転位置検出信号１６ｓ及び第２回転位置検出信号６ｓとに基づいて角加速度指令を出力する関節角サーボ部１３１と、この角加速度指令を第１の回転駆動手段及び第２の回転駆動手段のトルク指令に変換する指令変換部１３２とを有する。指令変換部１３２から出力されるトルク指令は、第１角度θ_１に対するトルク値と第２角度θ_２に対するトルク値を含み、第１角度θ_１に対するトルク値は上記サーボモータ１６のサーボアンプ１６ＡＭに入力され、第２角度θ_２に対するトルク値は上記サーボモータ６のサーボアンプ６ＡＭに入力される。

次に、図８に示すアライメントステージの制御パラメータを参照して、上記制御部１００における処理内容について説明する。アライメントステージ１０に関する位置座標系として、支持台１などの固定部分の基準位置座標系Ｏ_０−Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０と、第１回転体１１の第１位置座標系Ｏ_１−Ｘ_１Ｙ_１Ｚ_１と、第２回転軸体１２（上記実施形態では移動ステージ１３）の第２位置座標系Ｏ_２−Ｘ_２Ｙ_２Ｚ_２とを設定する。ここで、Ｏ_０は上記第１回転軸線１１ｘ上の基準点（例えば、支持台１の表面と交差する点）、Ｏ_１は第１回転軸線１１ｘと第１回転体１１の基準面（例えば上面）とが交差する点、Ｏ_２は第２回転軸線１２ｘと移動ステージ１３のステージ面とが交差する点であり、Ｏ_０、Ｏ_１及びＯ_２はいずれも上記各座標系の原点である。また、第２位置座標系Ｏ_２−Ｘ_２Ｙ_２Ｚ_２の原点Ｏ_２は、第１位置座標系Ｏ_１−Ｘ_１Ｙ_１Ｚ_１のＸ_１軸上に位置するように設定し、原点Ｏ_２をＺ軸マイナス方向（垂直下方）へ投影したＸ_１軸上の点をＰ_１とする。

このとき、制御部１００は、図８に示す移動ステージ１３上の点^２Ｐ（ｘ_２，ｙ_２）が基準位置座標系の設定された座標点（ｘ_０，ｙ_０）に一致するようにアライメントステージ１０の関節角座標系の第１角度θ_１と第２角度θ_２（図９参照）を制御するものとなる。なお、本明細書においては、第１角度θ_１で示される第１回転体１１を回転駆動する第１の回転駆動手段を第１軸といい、第２角度θ_２で示される第２回転軸体１２を回転駆動する第２の回転駆動手段を第２軸といい、これらの第１軸と第２軸を合わせて２軸という。

ここで、本実施形態の直列に接続された第１軸と第２軸の運動学パラメータとしては、関節型ロボットと同様に捩れ角α_ｋ、リンク長ｌ_ｋ、オフセットｄ_ｋ、相対角度変位（関節角度変位）θ_ｋ′がある。ここで、実施形態において第１軸と第２軸のいずれについても捩れ角α_ｋは０であり、第１軸のリンク長ｌ_ｋは０、第２軸のリンク長ｌ_ｋはＯ_１とＰ_１の距離である。第１軸のオフセットｄ_ｋは原点Ｏ_０と原点Ｏ_１の距離であり、第２軸のオフセットｄ_ｋは点Ｐ_１と原点Ｏ_２の距離である。さらに、第１軸の相対角度変位（関節角度、すなわち基準位置座標系Ｏ_０−Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０に対する第１位置座標系Ｏ_１−Ｘ_１Ｙ_１Ｚ_１のＺ_０＝Ｚ_１軸周りの角度変位）θ_ｋ′をθ_１′とし、第２軸の相対角度変位（関節角度、すなわち第１位置座標系Ｏ₁−Ｘ₁Ｙ₁Ｚ₁に対する第２位置座標系Ｏ_２−Ｘ_２Ｙ_２Ｚ_２のＺ_２軸周りの角度変位）θ_ｋ′をθ_２′とする。

一方、本実施形態において以下の説明に用いる動力学パラメータとしては、第１軸と第２軸を有する水平２関節のスカラー型ロボットと同様に、対称性から多くのパラメータが０になるため、最終的には以下のパラメータが残る。すなわち、各軸の重心を通るＺ軸に平行な軸回りの慣性モーメントＪ_１ＺＺ、Ｊ_２ＺＺ、各軸の重心位置のＸ座標Ｓ_１Ｘ、Ｓ_２Ｘ、各軸の質量ｍ_１、ｍ_２、各軸とベース（固定部分）との間の粘性摩擦係数Ｆ_Ｖ１、Ｆ_Ｖ２、各軸とベース（固定部分）との間のクーロン摩擦Ｆ_Ｃ１、Ｆ_Ｃ２、第１軸と第２軸の間の粘性摩擦係数Ｆ_Ｖ１２、第１軸と第２軸の間のクーロン摩擦Ｆ_Ｃ１２である。これらの動力学パラメータのうち、基底パラメータは、Ｊ_１＝Ｊ_１ＺＺ＋ｍ_１Ｓ_１Ｘ ^２＋ｍ_２ｌ_２ ^２、Ｊ_２＝Ｊ_２ＺＺ＋ｍ_２Ｓ_２Ｘ ^２、φ＝ｍ_２ｌ_２Ｓ_２Ｘの３つのパラメータと、上記の６つの摩擦系のパラメータＦ_Ｖ１、Ｆ_Ｖ２、Ｆ_Ｃ１、Ｆ_Ｃ２、Ｆ_Ｖ１２、Ｆ_Ｃ１２である。

次に、位置座標系と関節角座標系の関係について説明する。図９は、実施形態のアライメントステージ１０の平面的な位置関係を示す説明図である。運動学解析を行うのに必要な運動学パラメータは、上記リンク長ｌ_２と、基準位置座標系Ｏ_０−Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０に対する上記第１角度θ_１及び第２角度θ_２である。なお、θ_１＝θ_１′、θ_２＝θ_１′＋θ_２′である。

上記点Ｐの基準位置座標系での座標値を^０Ｐ（ｘ_０，ｙ_０）、第２位置座標系での座標値を^２Ｐ（ｘ_２，ｙ_２）とすると、点Ｐの基準位置座標系での座標値は次の数１のようになる。また、数１の式を（ｘ_２，ｙ_２）について解くと以下の数２が得られる。

一方、本実施形態の変換処理においては、上記数２の式とは逆に、関節角座標系Ｐ（θ_１、θ_２）を与える式を求める必要がある。ただし、上記数１に示す式には三角関数が含まれるためにθ_１及びθ_２を与える見通しのよい解法がないので、図９に示す幾何学的な関係から求めることとする。この関係から相対的角度θ_１′、θ_２′については以下の数３及び数４の式が成立する。

上記の数３及び数４の式をθ_１＝θ_１′、θ_２＝θ_１′＋θ_２′に代入することによって、θ_１及びθ_２を点Ｐの基準位置座標系の座標値^０Ｐ（ｘ_０，ｙ_０）及び第２位置座標系の座標値^２Ｐ（ｘ_２，ｙ_２）を用いて求めることができる。

上記のように点Ｐの位置に対応する座標値を位置座標系から関節角座標系へ変換する場合（すなわち位置座標からθ_１及びθ_２を求める場合）は上記数３及び数４の式に基づいて変換処理を行うことができるが、実施形態においては目標軌道を求めるためにθ_１及びθ_２の角速度や角加速度についても変換処理を行う必要がある。

まず、角速度については、上記数１の式の両辺を微分すると以下の数５の式が得られ、これを角速度について解くと以下の数６の式が得られる。

さらに、角加速度については、上記数６の式の両辺を再度微分し、角加速度について解くと以下の数７の式が得られる。

上記の各式によって第１角度θ_１及び第２角度θ_２、それらの角速度、及び、それらの角加速度をそれぞれ求めることができるが、このとき、上記数３及び数４の式には逆三角関数が含まれ、この逆三角関数は多価関数であるため、上記処理内容を制御器に実装する場合には多少の配慮が必要となる。例えば、ＰＯＳＩＸ準拠のＣ言語の処理系で実装する場合には、逆正接関数を計算する組み込み関数atan(x)の値域が[−π／２，π／２]と狭いので、代わりに値域が[−π，π]のatan2(y,x)を使う。また、同様の理由により逆余弦関数は使わず、余弦関数の値から正弦関数の値を求め、以下の数８によって、上記のatan2(y,x)を使うことで角度を求める。

さらに、三角関数は周期２πの周期関数であることから、得られたθ_１及びθ_２の値が現在の位置検出値に近い値とされ、時間に関して不連続な値を取らないようにするために、図７に示す軌道座標変換部１２２にも第１回転位置検出信号１６ｓ及び第２回転位置検出信号６ｓ、或いは、回転位置検出器１８、１９の検出信号を導入し、これらの信号に対応する検出値に最も近い値となるように、上記の計算結果に補正を施す必要がある。この補正は、以下の数９に基づいて、例えばＣ言語の組み込み関数である切り捨て関数floor(x)を用いて行うことができる。

実施形態の目標軌道の変換処理に関しては、位置座標系の位置、速度及び加速度を、関節角座標系の角度、角速度及び角加速度にそれぞれ変換する必要があるが、各変換時における参照値と算出値の相互の関係は図１０に模式的に示してある。この図１０に示す変換処理は上記軌道座標変換部１２２によって行われる。すなわち、位置座標系の位置座標値ｘ_２、ｙ_２に基づいて変換処理を行うと関節角座標系の角度座標値（第１の角度θ_１及び第２の角度θ_２）が得られる。このとき、上記変換処理に加え、角度検出値に基づく多価関数補正を行う。また、位置座標系の座標値及び速度値と、上記の角度値に基づいて変換処理を行って関節角座標系の角速度値を求める。さらに、位置座標系の座標値、速度値及び加速度値と、上記の角度値及び角速度値に基づいて変換処理を行って角加速度値を求める。

次に、第１軸と第２軸に加える必要のあるトルク値を求めるために動力学モデルについて説明する。実施形態は上述のように並列駆動系であるため、基準位置座標系からの角度をとると運動方程式が簡略化され、上記の基底パラメータを使うと次の数１０のようになる。すなわち、一般的には数１０に示す運動方程式を用いることができる。ここで、τ_１は第１軸の操作に必要なトルク、τ_２は第２軸の動作に必要なトルクである。また、第２回転軸体１２及び移動ステージ１３並びに存在する場合には移動ステージ１３上に配置される物の合計の重心が第２回転軸線１２ｘ上にあるときにはＳ_２Ｘ＝０であるため、上記基底パラメータのうちφが０となる。その結果、運動方程式はさらに簡略化されて数１１のようになる。この場合、移動ステージ１３に何も載せないか、或いは、移動ステージ１３上に物を移動ステージ１３の重心を変えないように載置する場合には、数１１の式を用いることができる。なお、数１０においてｓｇｎ（ｘ）は引数ｘが正の値であれば＋１、負の値であれば−１、引数ｘが０であれば０の値を示すｓｇｎ関数（符号関数）である。

目標軌道を生成する際には移動距離、モータの性能によって定まる最大速度や最大出力トルク、構造強度で定まる最大加速度を指定し、これらの制約のもとで台形速度軌道を用いると移動時間を最短にすることができる。まず、移動時間をＴとすると、目標軌道は以下の数１２に示す境界条件を満たす必要がある。また、最大速度及び最大加速度に関する制約条件は数１３に示すようになる。

上記の数１２及び数１３の制約条件を満たす解のうち移動時間Ｔを最小にするものは、以下の数１４及び数１５に示される。

ただし、上記数１４及び数１５において、以下の数１６に示す関係が成り立つものとする。

図１１は、ｘ_０＝０[ｍ]、ｘ_Ｔ＝０．０５[ｍ]、ｖ_ｍａｘ＝０．５[ｍ／ｓ]、ａ_ｍａｘ＝１０[ｍ／ｓ^２]としたときの台形軌道の例、すなわち、位置軌道(ａ)、速度軌道（ｂ）及び加速度軌道（ｃ）を示す。この例の条件は数１５に対応するものであり、加速時間Ｔａ＝０．０５[ｓ]、移動時間Ｔ＝０．１５[ｓ]で、加速区間と減速区間の間に定速区間が存在する。

以上の軌道設計はボールねじとリニアガイドを用いるアクチュエータの場合に適合するが、本実施形態の関節角制御を行う場合には、目標軌道生成部１２２で位置座標系において上記の軌道設計を行い、位置座標系の目標軌道（上の座標値）を関節座標系の目標軌道（上の座標値）に変換する。一方、軌道生成変換部１２１では、位置座標系の位置座標値（現在位置及び目標位置）を関節座標系の角度座標値（現在角度及び目標角度）に変換し、この角度座標値に基づいて関節座標系上で軌道設計を行うことで関節座標系の目標軌道を形成する。この場合には、上記の位置の軌道ｘ（ｔ）を角度の軌道θ（ｔ）と読み替えて適用する。

動力学モデルが上記数１１で表される場合には、各軸の加速度に相当する操作量ｕ_１、ｕ_２から各軸の駆動に要するトルク値を次の数１７の式で算出することができる。ここで、以下の数１８に示す関係があるので、この数１７の式により操作量ｕ_１、ｕ_２から各軸の角加速度を直に制御できることがわかる。

このように、本実施形態では、第１軸と第２軸の角加速度を中間的な操作量として考え、それから動力学モデルに基づいて各軸のトルクを計算する制御法（計算トルク法）を用いる。ここで、制御対象の軸の角度θ（ｔ）を関節角制御系での目標軌道θ_ｄ（ｔ）に定常位置偏差なく追従させるには、例えば、軸ごとに次の数１９で表されるＰＩＤサーボ系を構成する。ここで、Ｋ_Ｐ、Ｋ_Ｉ、Ｋ_Ｄは制御のフィードバックゲインである。

なお、数１７に示す式と、数１９に示す式の計算には角速度が必要になるが、図示例のようにモータや回転体の回転角しか検出できない場合には、次の数２０に示す差分公式で角速度の近似値を求めて代用する（差分近似処理）。ここで、θ_ｏｌｄはΔｔ時間前の前回の検出値、θは今回の検出値である。

以上説明した計算の流れは図１２に示してある。すなわち、時刻ｔを与えることで、当該時刻ｔにおける目標軌道の座標値ｘ_ｄ、その速度値及び加速度値を求め、図１０に示す上記変換処理によって角度検出値をも参照して角度値θ_ｄ、その角速度値及び角加速度値を求め、関節角サーボ部１３１によって操作量ｕを求め、指令変換部１３２によってトルク指令値τを求める。このとき、角度検出値が参照される。また、必要に応じて角度検出値に基づく上記の差分近似処理を行い、この処理によって得られた角速度によって上記の関節トルクを求め、ＰＩＤサーボ系を構成することができる。

なお、上記説明では、作業座標系である第２位置座標系Ｏ_２−Ｘ_２Ｙ_２Ｚ_２において設定された目標軌道に沿って移動ステージ１３を移動させるために、その座標値、その速度値及び加速度値を上記処理により角度値、その角速度値及び角加速度値に変換して、これらの変換した値に対応して駆動系を制御している。このとき、上記の数９に示される多価関数補正では、制御周期（例えば、１〜１０ｍｓ（制御周波数が１ｋＨｚ〜１００Ｈｚ））ごとに角度検出値に最も近い値を選択している。このことは、第２位置座標系上の目標軌道に沿って移動ステージ１３を移動させる場合に、常に２軸それぞれの回転の向きを角度変化量が小さくなる向きに選定していることを意味する。ただし、この回転の向きが常に同じ向きになるように構成してもよい。

また、目標軌道を制御することを必要としない場合など、制御周期ごとに回転の向きを設定する必要のない場合には、１ステップにおける現在位置と目標位置との間において、現在位置から目標位置に向かう間の２軸それぞれの回転量が最も小さくなるように、２軸それぞれの回転の向きを選定した上で制御を行うということも考えられる。ただし、この場合においても、複数のステップ間で常に２軸それぞれの回転の向きが同じになるようにすることも可能である。

実際の制御器の実装には、運動学パラメータ及び動力学パラメータの同定が必要である。このうち、運動学パラメータは長さや角度であるので、設計時には図面などから正確な値を見積もることができる。一方、動力学パラメータの同定は見積もりが難しい。動力学パラメータのうち慣性系パラメータは３次元ＣＡＤの質量特性解析機能で概算することができるが、摩擦系パラメータは装置を組み立てて初めて値が決まるものであり、軸受の与圧に左右されるため、事前の見積もりは非常に困難である。

このため、動力学パラメータについては装置に試験運動を行わせ、そのときの入力と応答の履歴を使って値を推定するパラメータ同定を行う。運動方程式（上記の数１０又は数１１に示される式）は、基底パラメータについて線形であるため、パラメータの推定値が線形の最小自乗法を用いれば容易に計算できる。パラメータの適切な推定値を得るためには、試験運動の選定が必要となる。今回は試験運動として２つの関節に周期の異なるＭ系列信号を入力して行った。その際、Ｍ系列の周期、振幅、更新周期、応答の記録周期を選定したが、この選定にはＣＡＤの質量特性レポートなどの事前情報を活用した。例えば、Ｍ系列の試験信号としては、第１軸（θ_１）に、０．６〜０．８［Ｖ］の振幅を備え、周期が１２７［Ｈｚ］の信号を入力し、第２軸（θ_２）に、０．３〜０．５［Ｖ］の振幅を備え、周期が５０又は８０［Ｈｚ］の信号を入力し、記録周期を５又は８［ｍｓ］、記録数を１２７０とした。そして、６種類の試験信号についてそれぞれ１０回ずつ応答を記録し、動力学パラメータの最小自乗法による推定値を求めた。

装置の移動ステージ１３の位置決め精度や直線軌道の直線性を向上させるには、動力学パラメータと同様に運動学パラメータの精度を上げる必要がある。実施形態を構成する装置のリンク機構の基本的な構造寸法は図面からわかるが、その工作精度及び組立精度には限界があり、また、関節角の原点出しのずれも存在する。したがって、これらのずれを推定して修正するために運動学パラメータの補正（キャリブレーション）が必要になる。

補正すべきパラメータとしては、関節角の原点のずれ（δθ_１、δθ_２）、基準位置座標系の定点のずれ（δｘ_０、δｙ_０）、移動ステージ１３の位置座標系の原点のずれ（δｘ_２、δｙ_２）、第１軸（θ_１）と第２軸（θ_２）の軸間距離（リンク長）のずれ（δｌ_２）がある。キャリブレーションを行うには、移動ステージ１３上の複数の点で位置決めを行い、高精度でその位置の計測と関節角の計測を行う必要がある。関節角については例えば上記回転位置検出器（モータのエンコーダ）により計測を行う。一方、移動ステージ１３上の位置計測については、移動ステージ１３上に複数の基準点を予め設置し、基準位置座標系の定点を上記基準点に位置合わせ（アライメント）する。

最後に、図１３及び図１４を参照して、上記アライメントステージ１０を用いた処理装置３０について説明する。処理装置３０は、上述の基台１、第１回転体１１、第２回転軸体１２及び移動ステージ１３を含み、さらに、移動ステージ１３のステージ面と対向する作用部３５ａを備えた作業部材３５を有している。作業部材３５は、移動ステージ１３のステージ面の所定位置に対して作用部３５ａが位置決めされることで、上記所定位置に対し特定の作用を果たすものであり、図示例では、ペン又はディスペンサで構成され、その作用部３５ａを上記所定位置に接触させ、或いは、近接配置させることで、ステージ面にインクや接着剤などを塗布することができるように構成される。

ただし、上記作業部材３５としては、上記作用部３５ａをステージ面に接触させて若しくは非接触でステージ面に対して何らかの作用を果たすものであれば、マニプレータ、レーザ照射装置、インクジェットノズルなど、種々の部材で構成することができる。例えば、作用部３５ａがペンやディスペンサであれば処理装置３０は描画装置や接着剤塗布装置として、作用部３５ａがマニプレータであれば処理装置３０を各種部品の移載装置等として、作用部３５ａがレーザ照射装置であれば処理装置３０はレーザ加工機やレーザ計測機等として、作用部３５ａがインクジェットノズルなどの吐出部であれば処理装置３０はインクジェットプリンタ等の吐出装置として、それぞれ構成することができる。

上記作業部材３５は、図１３に示す移動手段３６により、上記軸線１１ｘ、１２ｘ、或いは、上記Ｚ_０軸、Ｚ_１軸、Ｚ_２軸に沿った方向（以下、単に「Ｚ軸方向」という。）に移動可能に構成される。移動手段３６は、図１３では簡略化して描いてあるが、例えば、リニアモータやボールねじ等の駆動機構と、Ｚ軸方向に案内するリニアガイドやガイドロッドなどの案内構造とによって構成される。

図示例の場合、作業部材３５は、支持台１に対して基準位置座標系Ｏ_０−Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０のＸ_０−Ｙ_０平面上において固定位置に配置される。そして、上記アライメントステージ１０の制御系によって、図１４に示すように、移動ステージ１３のステージ面上に設定された目標軌道上の点Ｐに上記作業部材３５の作用部３５ａが位置決めされる。このとき、作業部材３５の作用部３５ａの上記固定位置を基準位置座標系において^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）とすると、上記制御系は、移動ステージ１３上の位置座標系の点^２Ｐ（ｘ_２、ｙ_２）を上記固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）に一致させるように制御することになる。

ただし、移動ステージ１３上の位置決め範囲を広く確保するには、上記固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）を軸線１１ｘが通過する位置（基準位置座標系Ｏ_０−Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０の原点Ｏ_０）と一致しない位置に設定する必要がある。これは、上記固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）が基準位置座標系Ｏ_０−Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０の原点Ｏ_０と一致した場合には、作用部３５ａを位置決め可能な範囲は、移動ステージ１３上の軸線１２ｘが通過する位置（第２位置座標系Ｏ_２−Ｘ_２Ｙ_２Ｚ_２の原点Ｏ_２）を中心とする半径ｌ_２（リンク長）の円弧上だけになるためである。上記の作用部３５ａの位置決め可能な範囲を広げるには、基準位置座標系Ｏ_０−Ｘ_０Ｙ_０Ｚ_０の原点Ｏ_０から半径ｌ_２（リンク長）だけ離間した位置、或いは、その近傍に配置することが好ましい。

上述のように、上記数３及び数４からθ_１＝θ_１′及びθ_２＝θ_１′＋θ_２′が求められる。このとき、上記固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）に位置決めできる移動ステージ１３上の位置範囲は、基準位置座標系の座標値（ｘ_０，ｙ_０）によって示される位置に対して移動ステージ１３上の第２位置座標系の座標値（ｘ_２，ｙ_２）によって示される点を一致させることができる範囲、すなわち、数３及び数４が可解となる範囲である。ここで、逆正接関数は定義域が実数全体であるのに対し、逆余弦関数の定義域は［−１，１］であって有界である。したがって、数３及び数４が可解となるのは、逆余弦関数の独立変数が上記有界の定義域に属するとき、すなわち、座標値（ｘ_０，ｙ_０）と（ｘ_２，ｙ_２）が以下の数２１に示される連立不等式を満たすときである。

上記数２１に示される連立不等式は数２２のように変形できる。この４つの式においては、基準位置座標系のＸ座標値ｘ_０とＹ座標値ｙ_０は独立に現れず、２乗和の形で現れる。これは、逆運動学の可解性が基準位置座標系における座標値に関しては位置（ｘ_０，ｙ_０）と原点Ｏ_０（０，０）との距離のみに依存することを意味する。このことは、第２位置座標系における座標値ｘ_２、ｙ_２に関しても同様である。そこで、以下の数２３に示すように基準位置座標系における半径位置ｒ_０及び第２位置座標系における半径位置ｒ_２を定義すると、数２４が得られる。

ここで、上記数２４の連立２次不等式から重複や自明な条件を考慮すると、次の数２５に示す３つの連立１次不等式になる。ここで、ｌ_２は上述のリンク長である。

上記の数２５に示される３つの式を満たす範囲を図１５に示した。このグラフでは、基準位置座標系状の半径ｒ_０の位置に移動ステージ１３上の第２位置座標系の半径ｒ_２の位置を合わせることができる範囲をハッチングで示してある。

上記の結果に基づいて本実施形態について検討してみると、上記可解性を有する範囲は、上記の固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）と原点Ｏ_０との距離ｒ_０と、移動ステージ１３上の点と原点Ｏ_２との距離ｒ_２とによって決定される。そして、作用部３５ａの基準位置座標系の平面上の固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）が同じ基準位置座標系の原点Ｏ_０と一致する場合には、すなわち、ｒ_０＝０の場合には、作用部３５ａは移動テーブル１３上の原Ｏ_２を中心とする半径ｌ_２の円周上にのみ位置決めでき、それ以外の位置には位置決めできないことがわかる。

また、作用部３５ａの基準位置座標系の平面上の固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）の半径位置ｒ_０をリンク長ｌ_２以下の範囲で大きくしていくと可解領域が広がるために移動ステージ１３上の位置決め可能範囲が広がり、この位置決め可能範囲は、半径位置ｒ_２がｌ_２−ｒ_０≦ｒ_２≦ｌ_２＋ｒ_０となる帯状の領域になる。

このとき、作用部３５ａの基準位置座標系の平面上の固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）が同じ基準位置座標系の原点Ｏ_０とリンク長ｌ_２だけ離間した位置にある場合には、すなわち、ｒ_０＝ｌ_２の場合には、作用部３５ａは移動テーブル１３上の原Ｏ_２を中心とする半径２ｌ_２の円内のいずれの場所にも位置決めできることがわかる。また、作用部３５ａの基準位置座標系の平面上の固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）が同じ基準位置座標系の原点Ｏ_０からリンク長ｌ_２以上の（と同じかそれより大きな）距離離間した位置にある場合には、すなわち、ｒ_０≧ｌ_２の場合には、作用部３５ａは移動テーブル１３上の原点Ｏ_２を中心とする半径位置が２ｌ_２の幅を有する範囲で位置決めできることがわかる。したがって、移動ステージ１３上の位置決め可能範囲を広げるためには、作用部３５ａの基準位置座標系の平面上の固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）の半径位置ｒ_０がリンク長ｌ_２以上であることが好ましい。ただし、半径位置ｒ_０が大きくなると位置決め可能範囲の面積自体は増大するものの移動ステージ１３の中央部分に円形の位置決め不可能な領域が形成されるから、装置のコンパクト性が損なわれるので、装置をなるべくコンパクトに構成する上では、半径位置ｒ_０＝ｌ_２であることが最も好ましいことがわかる。

なお、図示例では作業部材３５は移動手段３６によってＺ軸方向にのみ移動可能に構成しているが、これに加えてさらに、図示点線で示すように、Ｚ軸と直交する方向、例えば、軸線１１ｘを中心とする半径方向であるＲ軸方向、或いは、上記Ｘ軸（Ｘ_０軸、Ｘ_１軸、又は、Ｘ_２軸）方向、或いは、Ｙ軸（Ｙ_０軸、Ｙ_１軸、又は、Ｙ_２軸）方向に直動機構等の他の駆動手段により移動可能に構成してもよい。この場合には、上記固定位置^０Ｓ（ｘ_ｃ、ｙ_ｃ）が可変になり制御可能となるので、移動テーブル１３上のより広い範囲において作用部３５ａを位置決めすることができる。

また、図示例では作業部材３５の作用部３５ａはその軸線周りに等方的な作用特性を有している。したがって、アライメントステージ１０に対する作用部３５ａの軸線周りの回転方向の姿勢については、特に処理に影響を与えないようになっている。ただし、作業部材３５を軸線周りに回転する回転駆動手段をさらに付加することで、作業部材３５の回転姿勢を制御することが可能になるので、作用部３５ａが等方性を有していなくても、移動ステージ１３と作業部材３５の相対的な姿勢制御を行うことが可能になる。

以上述べたように、上記実施形態のアライメントステージ１０によれば、移動ステージ１３の平面方向（第２位置座標系のｘ_２−ｙ_２平面上）の位置決めを回転駆動のみで達成することができるため、電動モータ等の回転駆動力をそのまま変換せずに駆動することができるから、駆動効率の向上、駆動系の簡易化及び製造コストの低減を図ることが可能になる。

また、実施形態のアライメントステージ１０では、２軸の角度制御により移動ステージ１３を移動させるので、移動ステージ１３上の所定位置の移動範囲を確保しつつ、当該移動ステージ１３全体の動作範囲を２軸の直動機構を有する移動ステージに比べて小さく設定することができる。例えば、通常のＸＹステージでは、移動ステージ上の全ての点を基準位置座標系の或る固定位置に合わせるためには、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ移動ステージの幅の２倍の移動範囲を確保する必要があるため、移動ステージの面積の４倍程度の動作範囲が必要となる。これに対して、本実施形態では、移動ステージ１３上の全ての点を基準位置座標系の或る固定位置に合わせるために、軸線１１ｘを中心とし、移動ステージ１３の外縁を半径とした円形の動作範囲で足りることになる。例えば、移動ステージ１３が半径２の円形であり、リンク長ｌ_２が１の場合には、移動ステージ１３の面積の２．２５倍の動作面積で足りることになる。したがって、アライメントステージのコンパクト化を図ることができる。

さらに、２軸の関節角の駆動を並列に行う構成としていることにより、コンパクト化、位置決め精度の向上、駆動効率の向上、及び、動作速度の向上を図ることができる。特に、第２回転軸体１２を駆動する第２回転駆動軸４が第１軸線１１ｘを中心として回転するように構成され、この第２回転駆動軸４が回転伝達機構９を介して第２回転軸体１２に接続されているので、複雑な機構を用いなくても２つの回転軸を並列に駆動することが可能になり、構造の簡易化やコンパクト化をさらに向上させることができる。

この場合に、図５に示すように、第２回転駆動軸４が第１回転体１１を貫通し、第１回転体１１よりも移動ステージ１３の側で回転伝達機構９により第２回転軸体１２と接続することで、並列駆動型の２軸のアライメントステージ１０を簡易に構成できる。

また、図６に示すように、第２回転軸体１２が第１回転体１１を貫通し、移動ステージ１３とは反対側で回転伝達機構９により第２回転駆動軸４と接続することにより、並列駆動型の２軸のアライメントステージを構成することもできる。

さらに、図１３及び図１４を参照して説明した上記の処理装置によれば、作業部材３５の作用部３５ａの作用に応じた処理を、移動ステージ１３のステージ面若しくは当該ステージ面上に載置した各種部材（図示せず）に対して移動ステージ１３の移動態様に応じた位置に施すことができる。

尚、本発明のアライメントステージ及びこれを用いた処理装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、図示例では２軸の角度値θ_１、θ_２によって位置決めされる第１回転体１１及び第２回転軸体１２の連結構造のみを設けているが、これらの２軸の前後に他の駆動軸を設けて動作の自由度を高めるように構成してもよい。具体的には、第２回転軸体１２と移動ステージ１３の間に直動機構を設けてもよく、支持台１と第１回転体１１との間に直動機構を設けてもよい。

１０…アライメントステージ、１…支持台、２…軸支体、３…第１回転駆動軸、４…第２回転駆動軸、６、１６…サーボモータ、６ａ、１６ａ…出力軸、６ｂ、１６ｂ…回転位置検出器、７…カップリング、９、９′…第２回転伝達機構、１７…回転伝達機構、１１…第１回転体、１１ｘ…第１回転軸線、１２…第２回転軸体、１２ｘ…第２回転軸線、１３…移動ステージ、２０…複合モータ、３０…処理装置、３５…作業部材、３５ａ…作用部、３６…移動手段

Claims (10)

1. 第１の回転駆動手段と、第２の回転駆動手段と、第１の回転軸線を中心に回転可能に軸支されるとともに前記第１の回転駆動手段により回転駆動される第１の回転体と、該第１の回転体に対して前記第１の回転軸線と平行な第２の回転軸線を中心に回転可能に軸支されるとともに前記第２の回転駆動手段により回転駆動される第２の回転体と、該第２の回転体と一体に構成され、或いは、前記第２の回転体に固定若しくは連結された移動ステージと、を具備し、前記第２の回転駆動手段は、前記第１の回転軸線を中心に回転する第２の回転駆動軸と、該第２の回転駆動軸と前記第２の回転体との間に接続された第２の回転伝達機構と、を有することを特徴とするアライメントステージ。
2. 前記第１の回転駆動手段及び前記第２の回転駆動手段を制御する制御手段をさらに具備し、前記制御手段は、前記移動ステージ上の位置座標値を設定する座標設定部と、該座標設定部により設定された前記位置座標値を前記第１の回転軸線の周りの第１の角度と前記第２の回転軸線の周りの第２の角度に変換する座標変換部と、該座標変換部により変換された前記第１の角度及び前記第２の角度に基づいて前記第１の回転駆動手段及び前記第２の回転駆動手段を制御する角度制御部と、を有することを特徴とする請求項１に記載のアライメントステージ。
3. 前記座標設定部には前記位置座標値に基づいて前記移動ステージ上の位置座標系の目標軌道を生成する目標軌道生成部が設けられ、前記座標変換部には前記位置座標系の目標軌道から前記第１の角度及び前記第２の角度を求める軌道座標変換部が設けられることを特徴とする請求項２に記載のアライメントステージ。
4. 前記座標変換部には前記位置座標値を前記第１の角度及び前記第２の角度に関する関節座標系の角度座標値に変換し、該角度座標値に基づいて前記関節座標系の目標軌道を生成する軌道生成変換部が設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載のアライメントステージ。
5. 前記第１の回転駆動手段は、前記第１の回転軸線を中心に回転する第１の回転駆動軸を有し、該第１の回転駆動軸と前記第２の回転駆動軸が同軸に軸支されることを特徴とする請求項１に記載のアライメントステージ。
6. 前記第１の回転駆動手段は前記第１の回転駆動軸に接続されたロータ部を備えた第１の電動機部を含み、前記第２の回転駆動手段は前記第２の回転駆動軸に接続されたロータ部を備えた第２の電動機部を含み、前記第１の電動機部と前記第２の電動機部を同軸状に有する複合モータが構成されることを特徴とする請求項５に記載のアライメントステージ。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアライメントステージと、前記移動ステージのステージ面に対向する作用部を備えた作業部材と、該作業部材を前記第１の回転軸線及び前記第２の回転軸線に沿って移動させる移動手段とを具備することを特徴とする処理装置。
8. 前記作用部は、処理時において前記第１の回転軸線と直交する平面上の前記第１の回転軸線からずれた位置に配置されることを特徴とする請求項７に記載の処理装置。
9. 前記作用部は、処理時において前記第１の回転軸線と直交する平面上の前記第１の回転軸線に対して前記第１の回転軸線と前記第２の回転軸線の間隔以上離れた位置に配置されることを特徴とする請求項７に記載の処理装置。
10. 前記作用部は、処理時において前記第１の回転軸線と直交する平面上の前記第１の回転軸線に対して前記第１の回転軸線と前記第２の回転軸線の間隔だけ離れた位置に配置されることを特徴とする請求項７に記載の処理装置。

Images