JP2016095746A - 転がり機構を用いた位置決め制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動体の整定時間を短くすることができ、移動体を精密に位置決めすることができる位置決め制御方法を提供する。
【解決手段】
転がり機構を用いた位置決め装置の制御方法において、移動体１が目標位置から微小距離だけ行き過ぎた位置に到達するように位置指令を生成する工程（Ｓ１）と、移動体１が行き過ぎた位置に到達した後、移動体が目標位置に戻るように位置指令を生成する工程（Ｓ３）と、を備える。転動体９を応力及び弾性変形から解放することで、転動体９の摩擦特性が非線刑である領域を使用しないことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、転がり機構を用いた位置決め制御方法及び装置に関する。

転がり機構を用いた位置決め装置として、リニアガイドと、リニアモータと、を備えるリニアステージが知られている。転がり機構としてのリニアガイドは、軌道レールと、軌道レールに沿って移動可能な移動ブロックと、軌道レールと移動ブロックとの間に転がり運動可能に介在する多数の転動体と、を備える。移動ブロックの上面にはテーブルが取り付けられており、テーブルの直線運動はリニアガイドによって案内される。駆動源としてのリニアモータは、コイルを有する電機子と、電機子のコイルに対向する磁石と、を備える。テーブルはリニアモータにより軸方向に駆動される。テーブルの位置はスケール及び検出器により検出される。リニアモータを制御する制御器は、位置指令器が生成する位置指令にテーブルの位置が追従するようにモータを制御する。

リニアステージには、テーブルを目標位置までロングストロークを移動させること（すなわちロングストローク動作）と、テーブルをナノメートル単位の分解能で位置決めすること（すなわちナノステップ動作）が要求される場合がある。例えば半導体製造装置、超精密加工装置、ＤＮＡ合成装置、ＤＮＡ解析装置等に用いられるリニアステージには、テーブルにロングストローク動作をさせた後、テーブルにナノステップ動作をさせることが要求される。

特許文献１には、ロングストローク動作とナノステップ動作を行うために、大移動量を有するが位置決め精度の低い粗動機構と、小移動量であるが位置決め精度の高い微動機構と、を組み合わせたリニアステージが開示されている。しかし、粗動機構と微動機構とを用いた２軸構成のリニアステージであるので、機構及び制御が複雑になるという課題がある。そこで、単一のリニア駆動機構を用いてロングストローク動作とナノステップ動作を行うことが望まれる。

特開平７−１６８６２５号公報

しかし、転がり機構を用いた単一のリニア駆動機構には、テーブルを目標位置までロングストローク動作させた後の整定時間（すなわちテーブルを目標位置にナノメートル単位の高精度で安定させる時間）が長くなるという課題がある。また、位置決めの判断（In position）の幅に入ったときには、位置決めの判断（In position）の幅がそのまま位置偏差として残ったまま次の動作を始めるので、位置偏差分のオフセットがナノステップ動作時の位置指令に加算される。このため、ナノメートル単位の高精度でテーブルを位置決めすることが困難になるという課題がある。

そこで本発明は、移動体の整定時間を短くすることができ、移動体を精密に位置決めすることができる位置決め制御方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、転がり機構を用いた位置決め装置の制御方法において、移動体が目標位置から微小距離だけ行き過ぎた位置に到達するように位置指令を生成する工程と、前記移動体が前記行き過ぎた位置に到達した後、前記移動体が前記目標位置に戻るように位置指令を生成する工程と、を備える位置決め制御方法である。

本発明の他の態様は、転がり機構を用いた位置決め装置の制御装置において、移動体の位置指令を生成する位置指令器を備え、前記位置指令器は、移動体が目標位置から微小距離だけ行き過ぎた位置に到達するように位置指令を生成し、前記移動体が前記行き過ぎた位置に到達した後、前記移動体が前記目標位置に戻るように位置指令を生成する位置決め制御装置である。

なお、本発明において、転がり機構は、転動体の転がり運動を利用した機構であり、例えばリニアガイド、ボールスプライン、ボールねじ等を挙げることができる。

本発明によれば、移動体を目標位置から微小距離だけ行き過ぎた位置に到達させた後、移動体を目標位置に戻すことで、移動体の整定時間を短くすることができ、移動体を精密に位置決めすることができる。詳しくは後述するが、移動体の整定時間が長くなる原因は、転がり機構の転動体の非線形な摩擦特性にあると推測される。ロングストローク動作で転動体が停止するとき、転動体の進行方向の前方側の応力が増加し、転動体が弾性変形することが、転動体の非線形な摩擦特性を引き起こす。図８Ａ（ｃ）に示すように、転動体（ボール９）を微小距離だけ反転させ、転動体（ボール９）を応力及び弾性変形から解放することで、転動体（ボール９）の摩擦特性が非線形である領域を使用しないことができ、したがって移動体の整定時間を短くすることができる。また、図７Ａに示すように、移動体の目標位置からの偏差も小さくすることができるので、移動体を精密に位置決めすることができる。

本発明の一実施形態の位置決め制御装置が組み込まれたリニアステージの全体構成図である。 上記リニアステージのリニアガイドの斜視図である。 上記リニアガイドの循環路の断面図である。 本実施形態の制御器の構成図である。 本発明の一実施形態の位置決め制御方法のフローチャートである。 本実施形態の位置指令器が生成するロングストローク動作、反転動作、及びナノステップ動作の位置指令を示すグラフである（図６の上段は、コンピュータに入力される速度指令を示すグラフである）。 本実施形態のテーブルの応答波形を示すグラフである。 従来例のテーブルの応答波形を示すグラフである。 本実施形態のボールの挙動を示す模式図である（図８Ａ（ａ）はロングストローク中のボールを示し、図８Ａ（ｂ）は１μｍだけ行き過ぎた位置にボールを停止させた状態を示し、図８Ａ（ｃ）はボールを１μｍだけ戻して目標位置に停止させた状態を示す）。 従来例のボールの挙動を示す模式図である（図８Ｂ（ａ）はロングストローク中のボールを示し、図８Ｂ（ｂ）は目標位置にボールを停止させた状態を示す）。 テーブルの反転動作の微小距離を変化させたときのテーブルの応答波形を示すグラフである（図９（ａ）は反転動作が無いときを示し、図９（ｂ）はテーブルを０．１μｍだけ反転動作させたときを示し、図９（ｃ）はテーブルを１．０μｍだけ反転動作させたときを示し、図９（ｄ）はテーブルを１０μｍだけ反転動作させたときを示す）。

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態の位置決め制御装置を詳細に説明する。図１は、本実施形態の位置決め制御装置が組み込まれたリニアステージの全体構成を示す。リニアステージのテーブル１は、転がり機構としての左右一対のリニアガイド２によってＸ軸方向（図２参照）に移動可能に案内される。テーブル１は、リニアモータ４によってＸ軸方向に駆動される。リニアモータ４は、コイルを有する電機子４ａと、電機子４ａのコイルに対向する磁石４ｂと、を備える。

位置決め制御装置は、位置指令を生成する位置指令器としてのコンピュータ５と、位置指令にテーブル１の位置が追従するようにリニアモータ４を制御する制御器６と、テーブル１の少なくとも位置を検出するセンサ７と、を備える。センサ７は、スケールと、検出器と、から構成される。センサ７が検出した情報は、コンピュータ５及び制御器６に送られる。

図２は、リニアガイド２の斜視図を示す。リニアガイド２は、軌道部材としての軌道レール２ａと、軌道レール２ａに沿って移動する移動部材としての移動ブロック２ｂと、を備える。リニアステージのベース８（図１参照）には、平行に例えば２本の軌道レール２ａが設置される。軌道レール２ａには、移動ブロック２ｂが軌道レール２ａの長手方向（Ｘ軸方向）に移動可能に組み付けられる。テーブル１は移動ブロック２ｂに固定される。

図３は、リニアガイド２の循環路に沿った断面図を示す。軌道レール２ａと移動ブロック２ｂとの間には、転がり運動可能に転動体としてのボール９が介在する。ボール９は、軌道レール２ａのボール転走溝２ａ１と移動ブロック２ｂの負荷ボール転走溝２ｂ１との間で圧縮されながら転がり運動する。負荷ボール転走溝２ｂ１の一端と他端は戻し路１１に接続される。戻し路１１は、負荷ボール転走溝２ｂ１と平行な直線通路１１ａと、負荷ボール転走溝２ｂ１と直線通路１１ａとを接続する一対のＵ字状の方向転換路１１ｂと、から構成される。ボール転走溝２ａ１と負荷ボール転走溝２ｂ１との間の負荷転走路及び戻し路１１が循環路を構成する。負荷ボール転走溝２ｂ１の一端まで転がったボール９は、戻し路１１を経由して負荷ボール転走溝２ｂ１の他端に戻される。循環路は、リニアガイド２の各移動ブロック２ｂに複数形成される。

図４は、制御器６の構成を示す。コンピュータ５からの位置指令Ｘrefは、位置制御部２１及びフィードフォワード演算部２２に送られる。位置制御部２１は、位置指令Ｘrefと実際の位置Ｘとの差分である位置偏差を算出し、位置偏差に位置ループゲインＫｐを乗算して速度指令Ｖrefを作成する。フィードフォワード演算部２２は、位置指令Ｘrefを微分して速度成分を算出し、速度成分にフィードフォワード係数のF（Xerr）を乗算してフィードフォワード量を作成する。位置制御系の遅れが原因で、位置指令Ｘrefに対して実際の位置Ｘが追従できずに位置ずれが発生することがある。フィードフォワード演算部２２は、この位置ずれの発生を防ぐ役割を持つ。なお、位置ずれはストローク動作のみに発生するので、ストローク動作のみにフィードフォワード演算部２２を使用する。

速度制御部２３は、速度指令Ｖrefにフィードフォワード量を加算し、加算した値から位置Ｘを微分した実際の速度Ｖを減算し、速度偏差を算出する。そして、速度制御部２３は、速度偏差、速度ループゲインＫｖ、速度積分ゲインＫｉから推力指令を作成し、トルク定数の逆数１／Ｋfから電流指令Ｉrefを作成する。電流指令Ｉrefは電流ループ２４に送られる。電流ループ２４は、電流指令Ｉrefに基づいてリニアモータ４に駆動電流Ｉを供給する。

図５は、コンピュータ５が実行する位置決め制御方法のフローチャートを示す。コンピュータ５は、ロングストローク動作の位置指令を生成すると共に、ナノステップ動作の位置指令を生成する。コンピュータ５は、不図示のＣＰＵと記憶部とを備える。記憶部には、コンピュータ５で実行されるプログラムが記憶される。プログラムは、例えば、ハードディスク、コンパクトディスク、マグネットオプティカルディスク、メモリカード等の記憶媒体に格納され、そこからコンピュータ５にインストールされる。

まず、コンピュータ５は、１００μｍ以上、例えば１ｍｍ、１０ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍ等のロングストロークの位置指令を生成する（Ｓ１）。この位置指令は、テーブル１が目標位置から０．１μｍ以上１０μｍ以下、この実施形態では１μｍの微小距離だけ行き過ぎた位置に到達するように生成される。コンピュータ５には例えば台形波の速度指令が入力されており、コンピュータ５はこの速度指令から位置指令を生成する。速度指令を積分すると、テーブル１のストロークが得られる。

コンピュータ５が生成するロングストローク動作の位置指令は、制御器６に送られる（図１参照）。制御器６は、位置指令にテーブル１の位置が追従するようにリニアモータ４を制御する。

次に、コンピュータ５は、センサ７からの情報に基づいて、テーブル１が行き過ぎた位置に位置決めされたか否かを判断する（Ｓ２）。すなわち、行き過ぎた位置からのテーブル１の偏差が位置決め範囲にあるか否かを判断する。コンピュータ５には、あらかじめ位置決めの判断（In position）をするためのパラメータ、例えば幅２．０ｎｍ、１０サイクル（制御器６のサーボサイクル）が入力されている。コンピュータ５は、テーブル１の偏差が１０サイクル連続で２．０ｎｍ以下のとき、行き過ぎた位置にテーブル１が位置決めされたと判断する。

次に、コンピュータ５は、テーブル１が目標位置に戻るように反転動作の位置指令を生成する（Ｓ３）。テーブル１は目標位置から１μｍだけ行き過ぎているから、反転動作の位置指令はテーブル１を１μｍだけ戻す位置指令である。コンピュータ５には、例えば三角波の速度指令が入力されている。コンピュータ５はこの速度指令から位置指令を生成する。速度指令を積分すると、１μｍになる。

コンピュータ５が生成する反転動作の位置指令は、制御器６に送られる（図１参照）。制御器６は、位置指令にテーブル１の位置が追従するようにリニアモータ４を制御する。

次に、コンピュータ５は、センサ７からの情報に基づいて、テーブル１が目標位置に位置決めされたか否かを判断する（Ｓ４）。すなわち、コンピュータ５は、目標位置からのテーブル１の偏差が位置決め範囲にあるか否かを判断する。コンピュータ５には、あらかじめ位置決めの判断（In position）をするためのパラメータ、例えば幅０．５ｎｍ、１０サイクル（制御器６のサーボサイクル）が入力されている。コンピュータ５は、テーブル１の偏差が１０サイクル連続で０．５ｎｍ以下のとき、目標位置にテーブル１が位置決めされたと判断する。目標位置における位置決め範囲は行き過ぎた位置における位置決め範囲よりも狭く設定される。テーブル１を目標位置に位置決め後、ナノステップ動作を行うからである。

次に、コンピュータ５は、テーブル１の位置を安定させるために、一定の位置指令を生成した状態を例えば０．２秒間保つ（Ｓ５）。この時間はコンピュータ５の待ち時間である。テーブル１の位置が安定しているときは、コンピュータ５の待ち時間を無くすこともできる。

次に、コンピュータ５は、ナノステップ動作の位置指令を生成する（Ｓ６）。ナノステップ動作では、テーブル１を１００ｎｍ以下のナノステップで移動させて位置決めする。この実施形態では、ナノステップ動作の一例として、２０ｍｓｅｃの間隔で１ｎｍずつ位置が変化する階段状の位置指令を示すが、もちろん位置指令はこれに限定されるものではない。

コンピュータ５が生成するナノステップ動作の位置指令は、制御器６に送られる（図１参照）。制御器６は、位置指令にテーブル１が追従するようにリニアモータ４を制御する。なお、テーブル１をナノステップ動作させるときの制御器６のアルゴリズム及びゲインは、テーブル１をロングストローク動作させるときの制御器６のアルゴリズム及びゲインと同一である。

図６の下段は、コンピュータ５が生成するロングストローク動作、反転動作、及びナノステップ動作の位置指令を示す。図６の上段は、コンピュータ５に入力される速度指令を示す。コンピュータ５にはロングストローク動作の台形波の速度指令が入力される。コンピュータ５は台形波の速度指令からロングストローク動作の位置指令を生成する。ロングストローク動作の最後の位置指令は、目標位置の１．０ｍｍから１μｍ行き過ぎた１．００１ｍｍである。また、コンピュータ５には反転動作の三角波の速度指令が入力される。コンピュータ５は三角波の速度指令から反転動作の位置指令を生成する。反転動作の最後の位置指令は、行き過ぎた位置から１μｍ戻った１．０ｍｍである。図６中の位置決め判断時間（１）は、行き過ぎた位置にテーブル１が位置決めされたか否かを判断する時間である。位置決め判断時間（２）は、目標位置にテーブル１が位置決めされたか否かを判断する時間である。テーブル１が目標位置に位置決めされた後、コンピュータ５はナノステップ動作の位置指令を生成する。

図７Ａは、反転動作が終了した直後のテーブル１の応答波形を示す。図７Ａの一点鎖線はコンピュータ５が生成する位置指令を示し、実線はセンサ７が検出したテーブル１の位置を示す。反転動作が終了するのと同時にテーブル１の応答も位置指令通りになることがわかった。その後、ナノステップ動作に移っても、テーブル１の応答がほぼ位置指令通りになるので、ナノメートル単位の高分解能でテーブル１を位置決めできた。

図７Ｂは、反転動作の位置指令を生成しない従来例のテーブル１の応答波形を示す。従来例では、テーブル１が１００００００ｎｍ（１ｍｍ）の目標位置に到達するようにロングストロークの位置指令を生成すると、テーブル１の追従が目標位置直前に緩慢になり、テーブル１の整定時間が長くなった。また、位置決めの判断（In position）の幅に入ったときには、位置決めの判断（In position）の幅がそのまま位置偏差として残ったまま次の動作を始めるので、位置偏差分のオフセットがナノステップ動作の位置指令に加算され、ナノステップ動作の位置決めに誤差が生じた。

図８Ａは、反転動作の位置指令を生成した本実施形態のリニアガイド２のボール９の挙動を示す。図８Ａ（ａ）はロングストローク中のボール９を示し、図８Ａ（ｂ）は１μｍだけ行き過ぎた位置にボール９を停止させた状態を示し、図８Ａ（ｃ）はボール９を１μｍだけ戻して目標位置に停止させた状態を示す。

図８Ｂは、反転動作の位置指令を生成しない従来例のリニアガイド２のボール９の挙動を示す。図８Ｂ（ａ）はロングストローク中のボール９を示し、図８Ｂ（ｂ）は目標位置にボール９を停止させた状態を示す。従来例において、テーブル１の整定時間が長くなる原因は、ボール９の非線形な摩擦特性にあると推測される。ロングストローク動作中のボール９と軌道レール２ａとの接触面積は小さいが、停止時にはボール９の進行方向に応力がかかり、ボール９が弾性変形して軌道レール２ａとの接触面積が大きくなる。ボール９と軌道レール２ａとの接触面積の増加は、ボール９の非線形な摩擦特性を引き起こす。ボール９のオーバーシュートを目標位置まで戻すとき、ボール９の非線形な摩擦特性の影響により、目標位置に近づくにつれ、ゲインの不足によって追従動作が緩慢になり、整定時間が長くなる。

これに対して、本実施形態の図８Ａ（ｂ）に示すように、ボール９を目標位置から１μｍだけ行き過ぎた位置で停止させ、図８Ａ（ｃ）に示すように、ボール９を１μｍだけ反転させることで、ボール９が図８Ａ（ｂ）に示す進行方向の前方側１０の応力から解放される。目標位置におけるボール９を応力及び弾性変形から解放することで、ボール９の摩擦特性が非線形になる領域を使用しないことができ、したがってテーブル１の整定時間を短くできる。

図９は、テーブル１の反転動作の微小距離を変化させたときのテーブル１の応答波形を示す。図９（ａ）は反転動作が無いときを示し、図９（ｂ）はテーブル１を０．１μｍだけ反転動作させたときを示し、図９（ｃ）はテーブル１を１．０μｍだけ反転動作させたときを示し、図９（ｄ）はテーブル１を１０μｍだけ反転動作させたときを示す。

図９（ｂ）に示すようにテーブル１を０．１μｍだけ反転動作させたときは、図９（ａ）に示すように反転動作が無いときに比べて、目標位置に到達後のテーブル１の整定時間を短くすることができた。ただし、テーブル１の応答に位置指令からのオフセットが僅かに存在した。図９（ｃ）に示すようにテーブル１を１．０μｍだけ反転動作させたときは、テーブル１の整定時間が短くできただけでなく、位置指令からのオフセットも殆ど無くすことができた。図９（ｄ）に示すようにテーブル１を１０μｍだけ反転させたときは、反転側にオーバーシュートが発生し、ボール９の弾性変形の現象が現れ始めた。

本実施形態の位置決め制御装置によれば、以下の効果を奏する。テーブル１を目標位置から微小距離だけ行き過ぎた位置に到達させた後、テーブル１を目標位置に戻すことで、テーブル１の整定時間を短くすることができ、テーブル１を精密に位置決めすることができる。

テーブル１が行き過ぎた位置に位置決めされたか否かを判断することで、その後の位置指令に加算される位置偏差分のオフセットを小さくすることができる。

テーブル１が目標位置に位置決めされたか否かを判断し、目標位置における位置決めの範囲を行き過ぎた位置における位置決めの範囲よりも狭くすることで、その後のナノステップ動作の位置指令に加算される位置偏差分のオフセットを小さくすることができる。

微小距離を０．１μｍ以上１０μｍ以下に設定することで、ボール９を応力及び弾性変形から解放することができる。

テーブル１を１００μｍ以上のロングストロークを目標位置まで移動させるのに本実施形態の位置決め制御方法を用い、その後、テーブル１を１００ｎｍ以下のナノステップで移動させることで、ロングストローク動作と高精度のナノステップ動作を行うことができる。

テーブル１をロングストローク動作させるときの制御器６のゲインを、テーブル１をナノステップ動作させるときの制御器６のゲインと同一にすることで、制御器６の制御を容易にすることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に具現化されるのに限られることはなく、本発明の要旨を変更しない範囲で様々な実施形態に変更可能である。

例えば、上記実施形態では、Ｘ軸リニアステージに本実施形態の位置決め制御装置を使用した例を説明したが、本実施形態の位置決め制御装置はＸ−Ｙの２軸リニアステージに使用することもできる。

上記実施形態では、位置指令を実行するためのプログラムをコンピュータの記憶部に記憶させた例を説明したが、位置指令を実行するためのプログラムを制御器の記憶部に記憶させることもできる。位置指令器は制御器に組み込むこともできる。

上記実施形態では、転がり機構としてリニアガイドを用いているが、リニアガイド以外にボールスプライン、ボールねじを用いることもできる。

１…テーブル（移動体），２…リニアガイド（転がり機構），４…リニアモータ（モータ），５…コンピュータ（位置指令器），６…制御器，７…センサ，９…ボール（転動体）

Claims (8)

1. 転がり機構を用いた位置決め装置の制御方法において、
   移動体が目標位置から微小距離だけ行き過ぎた位置に到達するように位置指令を生成する工程と、
   前記移動体が前記行き過ぎた位置に到達した後、前記移動体が前記目標位置に戻るように位置指令を生成する工程と、
   を備える位置決め制御方法。
2. 前記位置決め制御方法はさらに、
   前記移動体が前記行き過ぎた位置に位置決めされたか否かを判断する工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の位置決め制御方法。
3. 前記位置決め制御方法はさらに、
   前記移動体が前記目標位置に位置決めされたか否かを判断する工程を備え、
   前記目標位置における位置決めの範囲は、前記行き過ぎた位置における位置決めの範囲よりも狭いことを特徴とする請求項２に記載の位置決め制御方法。
4. 前記微小距離は０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の位置決め制御方法。
5. 前記移動体を１００μｍ以上のロングストロークを前記目標位置まで移動させるのに請求項１ないし４のいずれかに記載の位置決め制御方法を用い、
   その後、前記移動体を１００ｎｍ以下のナノステップで移動させるように位置指令を生成することを特徴とするロングストローク動作とナノステップ動作を連続して実行する方法。
6. 前記移動体の位置が前記位置指令に追従するようにモータを制御する制御器のゲインは、前記移動体をロングストローク動作させるときと前記移動体をナノステップ動作させるときとで、同一であることを特徴とする請求項５に記載のロングストローク動作とナノステップ動作を連続して実行する方法。
7. 転がり機構を用いた位置決め装置の制御装置において、
   移動体の位置指令を生成する位置指令器を備え、
   前記位置指令器は、移動体が目標位置から微小距離だけ行き過ぎた位置に到達するように位置指令を生成し、前記移動体が前記行き過ぎた位置に到達した後、前記移動体が前記目標位置に戻るように位置指令を生成する位置決め制御装置。
8. 請求項１ないし４のいずれかに記載の位置決め制御方法、又は請求項５若しくは６に記載のロングストローク動作とナノステップ動作を連続して実行する方法を実行するためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
   

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