JP2017051089A - 駆動装置、位置決め装置、リソグラフィー装置、および、物品製造方法 - Google Patents

駆動装置、位置決め装置、リソグラフィー装置、および、物品製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】モータをより高い精度で駆動するために有利な技術を提供することを目的とする。
【解決手段】コイルおよび磁石を有するモータを駆動する駆動装置は、前記コイルに電流を供給する電流ドライバと、前記電流ドライバに供給するべき電流指令値を生成する制御部と、を備える。前記制御部は、指令値または前記指令値を演算して得られる演算値に基づいて第1電流指令値を生成する第1コミュテーション演算部と、前記指令値に基づいて第2電流指令値を生成する第2コミュテーション演算部と、前記第2電流指令値に基づいて補正値を決定する補正値決定部と、前記第1電流指令値と前記補正値とに基づいて前記電流指令値を生成する補正部と、を含み、前記電流ドライバの伝達関数をF(s)とした場合に、前記補正値決定部の伝達関数が(F(s)−1−1)である。
【選択図】図2

Description

本発明は、駆動装置、位置決め装置、リソグラフィー装置、および、物品製造方法に関する。
特許文献1は、リニアモータ型駆動ステージに関するものであり、同文献には、リニアモータのコイルに流れる電流が指令値通りにならず、電流ドライバの特性により誤差電流が生じることが記載されている。特許文献1には、誤差電流を補正する手法として、指令電流の微分値にゲインを乗じた補正項を用いることが記載されている。特許文献2は、サーボ制御装置に関するものであり、同文献には、モータの抵抗値およびモータのインダクタンス値に基づいて電流フィードバックの遅れ分を補正分として演算することが記載されている。
特開2010−286927号公報 特許第3339195号公報
特許文献1、2に記載された技術では、電流ループの遅れによる誤差を補正するために補正項ないし補正分が計算されるが、その補正項ないし補正分に対しても誤差が発生し、これにより駆動誤差が発生しうる。
本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、モータをより高い精度で駆動するために有利な技術を提供することを目的とする。
本発明の1つの側面は、コイルおよび磁石を有するモータを駆動する駆動装置に係り、前記駆動装置は、前記コイルに電流を供給する電流ドライバと、前記電流ドライバに供給するべき電流指令値を生成する制御部と、を備える。前記制御部は、指令値または前記指令値を演算して得られる演算値に基づいて第1電流指令値を生成する第1コミュテーション演算部と、前記指令値に基づいて第2電流指令値を生成する第2コミュテーション演算部と、前記第2電流指令値に基づいて補正値を決定する補正値決定部と、前記第1電流指令値と前記補正値とに基づいて前記電流指令値を生成する補正部と、を含む。前記電流ドライバの伝達関数をF(s)とした場合に、前記補正値決定部の伝達関数は、(F(s)−1−1)である。
本発明によれば、モータをより高い精度で駆動するために有利な技術が提供される。
本発明の第1実施形態の駆動装置の構成を示す模式図。 本発明の第1実施形態の駆動装置の構成を示すブロック図。 モータの駆動パターンを示す図。 本発明の第2実施形態の駆動装置の構成を示す模式図。 本発明の第2実施形態の駆動装置の構成を示すブロック図。 F(s)の具体的な例を示す図。 本発明の第3実施形態の位置決め装置の構成を示す図。 補正値決定部の具体的な例を示す図。 シミュレーションで使用したステージの駆動パターンを示す図。 シミュレーションの結果を示す図。 シミュレーションの結果を示す図。 シミュレーションの結果を示す図。 本発明の第4実施形態のリソグラフィー装置の構成を示す図。 本発明の第4実施形態のリソグラフィー装置に関して実施されうる処理のフローチャート。 比較例を説明する図。 比較例を説明する図。
以下、本発明をその実施形態を通して例示的に説明する。以下の式において、記号「・」は、順序の入れ替えが可能な掛け算を表し、記号「*」は、順序の入れ替えができない掛け算を表す。
まず、図15、図16を参照しながら比較例の駆動装置300を説明する。比較例の駆動装置300は、モータ1を駆動するように構成される。モータ1は、例えば、同期モータとして構成される。モータ1は、複数(例えば3つ)のコイル4と、磁石(例えば永久磁石)5とを有する。以下では、モータ1が3つのコイル4を有する例、即ち、モータ1が3相モータである例を説明するが、コイル4の個数は特定のものに制限されない。磁石5は、モータ1の回転子に設けられ、複数のコイル4は、モータ1の固定子に設けられうる。磁石5の磁極の向きに応じて、複数のコイル4に電流を流すことにより、回転子を回転させる力Fを発生させる。モータ1は、磁石5の磁極を検知する磁極センサ6を有する。
駆動装置300は、制御部2’を備えている。制御部2’は、コミュテーション演算部8と、位相計算部7とを有する。制御部2’は、DSP(デジタルシグナルプロセッサ)等のデジタル演算器により構成されうる。制御部2’は、指令値生成部27からのフィードフォワード指令値Iffに基づいて3相の電流指令値を生成し、それらを電流ドライバ3へ供給する役割を持つ。フィードフォワード指令値Iffは、モータ1によって駆動される駆動対象をフィードフォワード制御するための指令値である。電流ドライバ3は、この例では、3相の電流ドライバであり、制御部2’から供給された3相の電流指令値に従ってモータ1の3つのコイル4に電流を供給する。電流ドライバ3は、電流制御器を含み、各コイル4に流れる電流を電流指令値に追従させるように動作する。
指令値生成部27は、制御部2’の上位の制御部であり、モータ1の駆動パターンを保持または生成する。指令値生成部27は、駆動パターンに応じたフィードフォワード指令値Iffを生成し、それを制御部2’に対して供給する。図3は、駆動パターンの一例を示している。図3に例示された駆動パターンは、最大角加速度α、最大角速度ωで、角度0からθまでモータ1の回転子を駆動するものである。指令値生成部27は、最大角加速度α、最大角速度ωの制約条件の下で、目標角度θまで回転子を駆動させるための駆動パターンを生成する。また、フィードフォワード指令値Iffは、角加速度とモータ1が発生する力Fとモータ1に供給される電流との3つが比例関係であることから、角加速度パターンにゲインを乗じることで計算されうる。
3相のモータ1では、U相、V相、W相の3相のコイル4に対して、互いに120°の位相差を有する正弦波状の電流を供給することによって力Fを発生させる。電気角θは、互いに120°の位相差を有する正弦波状の電流を計算するために使用される。電気角θは、コイル4と磁石5の位置関係により決まるため、位相計算部7は、磁極センサ6から出力される信号に基づいて電気角θを計算する。第1コミュテーション演算部8は、位相計算部7によって得られた電気角θに基づいて、(1)式に従ってU相、V相、W相のそれぞれの電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wを演算する。
Figure 2017051089
・・・(1)
コミュテーション演算部8によって計算された電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wは、D/Aコンバータ(不図示)によりアナログ値化され、電流ドライバ3へ供給される。電流ドライバ3は、電流制御器を含み、電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wを受け取り、モータ1のU相、V相、W相のコイル4に対してそれぞれ電流I_u、I_v、I_wを供給する。電流ドライバ3の電流制御器とU相のコイル4の電気的な特性とにより、電流指令値Iff_uを入力としU相のコイル4に流れる電流I_uを出力とする伝達関数(U相に関する電流ドライバ3の伝達関数)F(s)が定まる。同様に、電流ドライバ3の電流制御器とV相のコイル4の電気的な特性とにより、電流指令値Iff_vを入力としV相のコイル4に流れる電流I_vを出力とする伝達関数(V相に関する電流ドライバ3の伝達関数)F(s)が定まる。同様に、電流ドライバ3の電流制御器とW相のコイル4の電気的な特性とにより、電流指令値Iff_wを入力としW相のコイル4に流れる電流I_wを出力とする伝達関数(W相に関する電流ドライバ3の伝達関数)F(s)が定まる。この例では、U相、V相、W相の伝達関数F(s)が互いに等しいが、これらは相互間で相違していてもよい。なお、sは、ラプラス演算子を意味する。
U相、V相、W相のコイル4をそれぞれ流れる電流I_u、I_v、I_wは、(2)式のように表すことができる。
Figure 2017051089
・・・(2)
モータ1のU相、V相、W相のコイル4にそれぞれ電流I_u、I_v、I_wが流れると、モータ1が力Fを発生する。モータ1のU相、V相、W相のコイル4に電流が流れることによってそれぞれ発生する力F_u、F_v、F_wは、比例定数Kを用いて(3)式のように表現される。
Figure 2017051089
・・・(3)
モータ1が発生する力Fは、U相、V相、W相のコイル4に電流が流れることによってそれぞれ発生する力の和であるため、(4)式のように表現される。
Figure 2017051089
・・・(4)
(4)式においてF(s)=1であれば、右辺の中括弧{ }内は、
Figure 2017051089
・・・(5)
であるため、
Figure 2017051089
・・・(6)
となる。しかしながら、F(s)≠1である場合は、U相、V相、W相のコイル4を流れる電流I_u、I_v、I_wの相互間に位相差δが発生することになり、(4)式の右辺の中括弧{ }内は、(7)式のようになる。
Figure 2017051089
・・・ (7)
したがって、モータ1が発生する力Fに誤差が発生する。位相差δは、伝達関数F(s)の周波数特性によって生じる遅れであるため、伝達関数F(s)への入力となる電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wの周波数に応じて変動する。電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wは、(1)式に示すように、指令値Iffおよび電気角θに応じて変化する。この指令値Iffおよび電気角θは、駆動パターンやモータの速度により変化するため、これらの変化により位相差δは一定値にはならない。
以下、本発明のいくつかの実施形態を説明する。本発明の実施形態は、伝達関数F(s)、即ち電流の入出力特性における遅れによって生じる非線形性の誤差を抑えるために有利な技術を提供する。まず、図1、図2を参照しながら本発明の第1実施形態を説明する。なお、上記の比較例と共通する事項は、比較例に従うものとする。第1実施形態の駆動装置150は、比較例の駆動装置300の制御部2’を制御部2で置き換えた構成を有する。制御部2は、制御部2’に対して、補正値演算部9および補正部10を付加した構成を有する。補正値演算部9は、第2コミュテーション演算部15および複数(この例では3つ)の補正値決定部16を含む。第1実施形態の駆動装置150の制御部2は、比較例の駆動装置300の制御部2’と同様に、第1コミュテーション演算部8および位相計算部7を有する。第1コミュテーション演算部8および位相計算部7は、比較例の駆動装置300の制御部2’におけるコミュテーション演算部8および位相計算部7と同様の構成を有する。
第2コミュテーション演算部15は、位相計算部7によって得られた電気角θを用いて、以下の(8)式に従ってU相、V相、W相のそれぞれの電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wを第2電流指令値として演算する。前述のように、第1コミュテーション演算部8は、位相計算部7によって得られた電気角θを用いて、(1)式のようにU相、V相、W相のそれぞれの電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wを第1電流指令値として演算する。第1実施形態では、第1コミュテーション演算部8および第2コミュテーション演算部15に対する入力がともにフィードフォワード指令値Iffであり、第1電流指令値と第2電流指令値とが同一である。
Figure 2017051089
・・・(8)
(1)式および(8)式は、同一の演算式でありうる。つまり、第1コミュテーション演算部8および第2コミュテーション演算部15は、同一の演算式に従ってコミュテーション演算を行いうる。第2コミュテーション演算部15によって生成された指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wは、3つの補正値決定部16にそれぞれ供給される。3つの補正値決定部16は、それぞれ伝達関数F(s)−1−1を有し、(9)式に従ってU相、V相、W相の補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wを演算する。
Figure 2017051089
・・・(9)
補正部10は、第1コミュテーション演算部8により生成された指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wと補正値決定部16により生成された補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wとに基づいて、電流ドライバ3に供給するべき電流指令値を生成する。補正部10は、例えば、第1コミュテーション演算部8によって生成された指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wと3つの補正値決定部16によって生成された補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wとをそれぞれ加算する3つの加算器を含みうる。該3つの加算器は、加算により、U相、V相、W相の電流指令値Iff_u+Icv_u、Iff_v+Icv_v、Iff_w+Icv_wを生成する。U相、V相、W相のコイル4をそれぞれ流れる電流I_u、I_v、I_wは、(10)式で示される。
Figure 2017051089
・・・(10)
(10)式に(8)、(9)式を代入すると、(11)式のようになる。
Figure 2017051089
・・・(11)
F(s)*F(s)−1=1であることから、(11)式は、(12)式のように簡略化される。
Figure 2017051089
・・・(12)
比較例では、U相、V相、W相のコイル4をそれぞれ流れる電流I_u、I_v、I_wは、(2)式で示されるように伝達関数F(s)の影響を受ける。一方、第1実施形態では、伝達関数(F(s)−1−1)を有する補正値決定部16と、補正値決定部16によって決定される補正値と第1電流指令値とに基づいて電流指令値を生成する補正部10とを設けることによってF(s)がキャンセルされる。F(s)がキャンセルされたことにより、指令値Iffに従った電流をモータ1のコイル4に流すことができるため、モータ1から発生させたい目標の力と実際にモータ1が発生する力Fに含まれる誤差を0にし、または低減することができる。
以下、図4、図5を参照しながら本発明の第2実施形態を説明する。第2実施形態の駆動装置100は、モータ1によって駆動される駆動対象(例えば、モータ1の回転子または該回転子によって駆動される要素)の制御量がフィードバックされる。具体的には、駆動装置100は、モータ1の回転子の回転角を検出する検出部11、モータ1によって駆動される駆動対象の制御偏差を演算する偏差演算部12、フィードバック制御部13および加算部40が第1実施形態の駆動装置150に付加された構成を有する。検出部11は、例えば、エンコーダでありうる。
第1位相計算部7は、第1実施形態と同様に、磁極センサ6から出力される信号に基づいて電気角θを計算する。第2実施形態では、第1位相計算部7は、更に、検出部11によって検出された駆動対象の回転角の検出結果である検出回転角RPOSに基づいて(13)式に従って角度オフセットθoを求める。角度オフセットθoは、モータ1の電気角θとモータ1の駆動対象の検出回転角(RPOS)との差である。
Figure 2017051089
・・・(13)
角度オフセットθoは、位相計算部7から補正値演算部9に供給される。偏差演算部12は、指令値生成部27から供給された位置指令値(目標回転角)RPOSrefと、検出部11によって検出されたモータ1の検出回転角RPOSとの差を計算し、その差をフィードバック制御部13へ供給する。フィードバック制御部13は、位置指令値(目標回転角)RPOSrefとモータ1の回転子の検出回転角RPOSとの差を小さくするようにモータ1を駆動させるためのフィードバック指令値Ifbを計算する。加算部40は、(14)式に示されているように、フィードバック指令値Ifbとフィードフォワード指令値Iffとを加算する演算を行い、その演算によって得られた演算値を指令値Irefとして第1コミュテーション演算部8に供給する。以上のように、第2実施形態では、フィードフォワード指令値Iffを演算して得られる演算値が第1コミュテーション演算部8に供給される。フィードフォワード指令値Iffは、補正値演算部9の他、補正値演算部9の第2コミュテーション演算部15にも供給される。
Figure 2017051089
・・・(14)
第1コミュテーション演算部8は、位相計算部7により計算される電気角θに従ってモータ1のU相、V相、W相のコイル4の電流指令値Iref_u、Iref_v、Iref_wを演算する。補正値演算部9は、フィードフォワード指令Iffおよび位置指令値(目標回転角)RPOSrefに基づいて、伝達関数F(s)に起因して発生する力Fに含まれる誤差を0にし、または低減するように補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wを演算する。補正部10は、第1コミュテーション演算部8により生成された指令値Iref_u、Iref_v、Iref_wと補正値決定部16により生成された補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wとに基づいて、電流ドライバ3に供給するべき電流指令値を生成する。補正部10は、例えば、第1コミュテーション演算部8によって生成された指令値Iref_u、Iref_v、Iref_wと3つの補正値決定部16によって生成された補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wとをそれぞれ加算する加算器を含みうる。該加算器は、加算により、U相、V相、W相の電流指令値Iref_u+Icv_u、Iref_v+Icv_v、Iref_w+Icv_wを生成する。
以下、図5を参照しながら本実施形態における効果について説明する。第1コミュテーション演算部8は、位相計算部7から供給された電気角θに基づいて、(15)式に従ってU相、V相、W相のそれぞれの電流指令値Iref_u、Iref_v、Iref_wを以下の式のように演算する。
Figure 2017051089
・・・(15)
補正値演算部9は、第2位相計算部14と、第2コミュテーション演算部15と、3つの補正値決定部16とを含む。補正値演算部9は、位置指令値(目標回転角)RPOSrefと角度オフセットθoとに基づいて、(16)式に従って補正電気角θrefを演算する。
Figure 2017051089
・・・(16)
第2コミュテーション演算部8は、第2位相計算部7によって得られた補正電気角θrefに基づいて、(17)式に従ってU相、V相、W相のそれぞれの電流指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wを演算する。
Figure 2017051089
・・・(17)
第2コミュテーション演算部15によって生成された指令値Iff_u、Iff_v、Iff_wは、補正値決定部16に供給される。補正値決定部16は、伝達関数F(s)−1−1を有し、(18)式に従ってU相、V相、W相の補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wを演算する。
Figure 2017051089
・・・(18)
補正部10は、第1コミュテーション演算部8によって生成された指令値Iref_u、Iref_v、Iref_wと3つの補正値決定部16によって生成された補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wとを加算する。これにより、補正部10は、補正されたU相、V相、W相の指令値Iff_u+Icv_u、Iff_v+Icv_v、Iff_w+Icv_wを生成する。U相、V相、W相のコイル4をそれぞれ流れる電流I_u、I_v、I_wは、(19)式で示される。
Figure 2017051089
・・・(19)
(19)式に(14)、(15)、(17)、(18)式を代入すると、(20)式のようになる。
Figure 2017051089
・・・(20)
第2実施形態では、回転角PROSがフィードバック制御されるので、θ=θrefとなるように制御される。したがって、(20)式を(21)式で近似することができる。
Figure 2017051089
・・・(21)
第2実施形態の駆動装置100は、図4に示されるように、フィードフォワード指令値Iffに従うフィードフォワード制御と、フィードバック指令値Ifbに従うフィードバック制御とを含む2自由度制御系と呼ばれる制御系を構成している。フィードフォワード指令値Iffは、指令値生成部27が有する目標パターンに従うようにモータ1の回転子を動作させるための電流をモータ1に供給する役割を果たす。フィードバック指令値Ifbは、モータ1の回転制御を阻害するような外乱に対し、それを相殺するような力をモータ1に発生させる役割を果たす。仮に外乱が全く発生していないとすると、Ifb=0と考えられるため、近似的に(22)式が成り立つ。
Figure 2017051089
・・・(22)
(22)式で示されるように、伝達関数(F(s)−1−1)を有する補正値決定部16を設けたことによってF(s)がキャンセルされる。つまり、モータ1によって駆動される駆動対象(例えば、モータ1の回転子または該回転子によって駆動される要素)をフィードバック制御する第2実施形態においても、電流指令値Iffに従った電流をモータ1のコイル4に流すことができる。これにより、モータ1が発生する力Fに含まれる誤差を0にし、または低減することができる。
(21)式から(22)式への近似において、外乱が存在しないと仮定することでIfb=0としたが、実際にはモータ1の回転制御を阻害するような摩擦や振動が存在しうる。また、エンコーダ等で構成されうる検出部11に対する電気的なノイズも存在しうる。ただし、一般的に、モータの回転制御においては、Iff>>Ifbが成り立ち、フィードバック指令値Ifbによる推力誤差(モータ1が発生する力の誤差)は十分に小さい。IffとIfbとの関係性については、後にシミュレーションを通して考察する。
第1コミュテーション演算部8にはフィードフォワード指令値とフィードバック指令値との両方が入力されるが、第2コミュテーション演算部15にはフィードフォワード指令値のみが入力され、フィードバック指令値が入力されないことが好ましい。伝達関数F(s)の系は入力された値のノイズ成分を増幅させにくい安定な系であることに対して、伝達関数F(s)-1の系は微分器を含むことにより高周波のノイズ成分を増幅させやすい不安定な形だからである。フィードフォワード指令値に比べて高周波のノイズ成分を含みやすいフィードバック指令値が第2コミュテーション演算部15に対して入力されないことにより、第2コミュテーション演算部15からノイズ成分が多い補正値が出力されることを抑制することができる。
次に、電流ドライバ3に入力される電流指令値を入力としコイル4に流れる電流を出力とする伝達関数(入出力特性)F(s)の導出方法および具体的な補正値の決定方法について例示的に説明する。図6は、伝達関数F(s)の具体例をブロック図で表したものである。伝達関数F(s)は、例えば、減算部31と、電流フィードバック制御部32、モータ1の電気回路特性33とを含む電流フィードバック制御系として具現されうる。電流フィードバック制御部32の伝達関数をK(s)、モータ1の電気回路特性33を示す伝達関数をG(s)とする。なお、ここで挙げる伝達関数F(s)の具体例は一例に過ぎず、伝達関数F(s)は他の種々の構成によって具現されうる。
モータ1の電気回路特性33は、コイル4の抵抗値をR、コイル4のインダクタンスをLと定義すると、RとLとの直列回路と等価であると考えることができる。この場合、モータ1の電気回路特性33を示す伝達関数G(s)は、(23)式のように近似されうる。
Figure 2017051089
・・・(23)
電流フィードバック制御部32の伝達関数K(s)は、例えば、(24)式で示されるように、PI制御の伝達関数でありうる。
Figure 2017051089
・・・(24)
以上より、図6に例示されるような電流フィードバック制御系を構成する伝達関数F(s)は、一例として、(25)式のように表現されうる。
Figure 2017051089
・・・(25)
(18)式に、(25)式を代入すると、(26)式が得られる。
Figure 2017051089
・・・(26)
ラプラス演算子sは、微分演算を表すので、(26)式は(27)式と等価である。
Figure 2017051089
・・・(27)
(27)式に従って補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wを計算することができる。(27)式における微分演算は、Iff_u、Iff_v、Iff_wのそれぞれの数値列を補正値決定部16が微分する方法によって実施されうる。あるいは、(27)式における微分演算は、Iff_u、Iff_v、Iff_wの式を微分した計算式に従う計算を補正値決定部16が行う方法によって実施されうる。
モータ1の抵抗値RおよびインダクタンスLの値は、設計値または実測値が使用されうる。電流フィードバック制御部32のK(s)は、モータ1の抵抗値RおよびインダクタンスLの値の設計値または実測値に基づいて決定されうる。あるいは、電流ドライバ3への電流指令値Iref_uからコイル4に流れる電流I_uまでの周波数応答を測定する計測器を設け、該計測器による計測に基づいて伝達関数F(s)を決定してもよい。具体的には、FFTアナライザのような周波数応答を測定可能な測定機により図6の入力部から出力部までの信号の伝達率を測定し、その周波数応答に基づいて数値解析ソフトを用いて周波数伝達関数F(s)の式を同定することが考えられる。数値解析ソフトの例としてはMATLABを挙げらることができ、MATLABを利用する場合は、invfreqsのコマンドを使用することでF(s)のような式の係数を求めることができる。このように、周波数応答により伝達関数を決定するほうが、モータ1の抵抗値RおよびインダクタンスLの実測値も含むこととなり好ましい。更に、モータ1のコイル4の抵抗値Rは温度に応じて変化することから、モータ1のコイル4の温度をセンサ30によって計測し、(F(s)−1−1)を計算する式におけるRの値をセンサ30によって計測される温度に従って変更してもよい。
第1実施形態および第2実施形態では、簡単化のために、複数の相について同一の伝達関数F(s)が用いられているが、複数の相が互いに異なる伝達関数F(s)を有してもよい。
次に、本発明をステージ装置などの位置決め装置に適用した第3実施形態を説明する。図7には、本発明の第3実施形態としての位置決め装置50が示されている。位置決め装置50は、例えば、モータ1と、制御部2と、電流ドライバ3と、検出部11と、ボールねじ18と、ステージ19とを備えうる。ステージ19またはステージ19によって保持された物品は、位置決めの対象物である。ボールねじ18は、回転運度を直線運動に変換する運動変換器であり、ねじ軸181と、ナット182とを含む。ステージ19は、ボールねじ18のナット182に接続され、モータ1がボールねじ18のねじ軸181を回転させることによりステージ19がねじ軸181の軸方向に駆動される。検出部11は、エンコーダや、レーザー干渉計のような変位を検出するものであって、ステージ19の位置の検出結果である検出位置POSを検出する。ステージ19の検出位置POSは、制御部2に送られ、ステージ19が指令位置値(目標位置)POSrefに追従するように駆動される。
制御部2は、第2実施形態と同様に、位相計算部7、補正値演算部9、補正部10、偏差演算部12、フィードバック制御部13および加算部40が第1実施形態の駆動装置150に付加された構成を有する。第3実施形態では、検出部11は、ボールねじ18のねじ軸181の軸方向におけるステージ19の位置POSを検出する。位相計算部7は、モータ1の電気角θを計算するほか、電気角θと検出部11によって検出されたステージ19の位置から換算されるモータ1の回転子の回転角(2π・POS/T)との差異である角度オフセットθoを計算する。位相計算部7は、磁極センサ6から出力される信号に基づいて電気角θを計算する。また、位相計算部7は、(28)式に従って角度オフセットθoを計算する。Tは、電気角θが0〜2πradまで変化するようにモータ1が回転をしたときにナット182が移動する距離である。
Figure 2017051089
・・・(28)
第3実施形態の補正値演算部9は、第2実施形態の補正値演算部9と同様の構成を有し、位相計算部7から供給される角度オフセットθoに基づいて、補正のために使う電気角である補正電気角θrefを(29)式に従って計算する。
Figure 2017051089
・・・(29)
第2コミュテーション演算部15および補正値決定部16は、第2実施形態と同様である。補正値決定部16は、U相、V相、W相の補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wを第2実施形態と同様に計算しうる。ただし、以下では、他の構成例を提示するために、電流フィードバック制御部32の伝達関数K(s)が(30)式で示されるような伝達関数を有する例を説明する。
Figure 2017051089
・・・(30)
モータ1の電気回路特性33を示す伝達関数G(s)は、(23)式に従いうる。第3実施形態において、図6に例示されるような電流フィードバック制御系を構成する伝達関数F(s)は、(31)式のように表現される。
Figure 2017051089
・・・(31)
(31)式に(23)、(30)式を代入すると、(32)式が得られる。
Figure 2017051089
・・・(32)
、a、a、a、aは、a、a、b、c、L、Rに基づいて計算される係数である。(32)式より、補正値決定部16のF(s)−1−1を計算すると、(33)式のようになる。
Figure 2017051089
・・・(33)
、k、k、kは、a、a、a、a、aから計算される係数である。(33)式より、第3実施形態における補正値決定部16は、図8のようなブロック図として表現される。図8における補正値決定部16は、一次遅れフィルタk/(s+a)と、2階微分器kと、1階微分器ksと、ゲインkと、加算器を備える。入力されたIff_uが、一次遅れフィルタk/(s+a)と、2階微分器kと、1階微分器ksと、ゲインkをそれぞれ通過し、それらの出力が加算部によって加算されることにより、補正値Icv_uが計算される。図8では、U相の補正値Icv_uのみが示されているが、V相、W相の補正値Icv_v、Icv_wについても同様に計算することができる。このような補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wを指令値Iref_u、Iref_v、Iref_wに加算することによって、モータ1が発生する力の誤差を抑えることができる。したがって、ステージ19の指令値追従特性を向上させることができる。ここでは、一例としてK(s)が2次の伝達関数である場合を示したが、K(s)の次数が増えたとしても、同様に式を展開していくことで補正値決定部16の伝達関数を得ることができる。ただし、K(s)の次数が増えた場合には、補正値決定部16に構成される微分器の次数も増えるので、微分器の次数回の微分が可能になるような形にフィードフォワード指令Iffが生成されるべきである。
以下、第1、第3実施形態の効果をシミュレーションによって検証する。図9には、シミュレーションで使用したステージ19の駆動パターンが示されている。ここでは、ステージ19を、位置0〜位置1000(a.u.)まで、最大速度1000(a.u.)で移動させる駆動を考える。時刻0〜t1の区間でステージ19を加速させ、t1〜t2の区間でステージ19を等速で移動させ、t2〜t3の区間でステージ19を減速させる。
図10は、第3実施形態の位置決め装置50の制御部2から偏差演算部12およびフィードバック制御部13を取り除いた構成によってステージ19を駆動した際のシミュレーション結果を示している。図10(a)は、補正値演算部9および補正部10による補正がある場合のステージ19の位置と、補正値演算部9および補正部10による補正がない場合のステージ19の位置とを示している。どちらの場合も、位置指令値(目標位置)POSrefに従ってステージ19が移動している。図10(b)は、位置指令値(目標位置)POSrefとステージ19の実際の位置との差(即ちステージ19の位置偏差)が示されている。図10(b)において、破線が補正値演算部9および補正部10による補正がない場合のステージ19の位置偏差であり、実線が補正値演算部9および補正部10による補正がある場合のステージ19の位置偏差である。図10(c)は、ステージ19を駆動するためのフィードフォワード指令値Iffを示している。図10(d)は、補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wを示している。フィードフォワード指令値Iffの最大値を図10(c)に示すように10とした場合、補正値Icv_u、Icv_v、Icv_wの値は図10(d)に示すように最大振幅が0.4弱程度である。
図11は、第3実施形態の位置決め装置50によってステージ19を駆動した際のシミュレーション結果を示している。ここで、位置フィードバック制御の効果がわかりやすいように周期的な外乱を加えてシミュレーションを行った。図11において、破線が補正値演算部9および補正部10による補正がない場合のステージ19の位置偏差、実線が補正値演算部9および補正部10による補正がある場合のステージ19の位置偏差を示している。補正値演算部9および補正部10による補正を行うことによって、等速区間のみならず、加減速区間(特にジャークが大きい区間)においても、位置偏差が抑えられていることがわかる。
図12(a)には、第3実施形態の位置決め装置50によってステージ19を駆動した際のフィードフォワード指令値Iffおよびフィードバック指令値Ifbのシミュレーション結果を示している。ここで、図12(a)は、補正値演算部9および補正部10による補正がある場合のフィードフォワード指令値Iffおよびフィードバック指令値Ifbのシミュレーション結果が示されている。フィードフォワード指令値Iffは、ステージ19の加速動作や減速動作を行うために、フィードバック指令値Ifbと比較して大きい値を持つ。フィードバック指令値Ifbは、外乱によって位置偏差が発生した際に、その偏差を小さくしようとするために生じるので、フィードフォワード指令値Iffと比較して小さい値を持つのが一般的である。図12(b)は、図12(a)を縦軸に関して拡大した図である。フィードバック指令値Ifbは、フィードフォワード指令値Iffに対して十分小さいことがわかる。そのため、フィードバック指令値Ifbによる推力誤差(モータ1が発生する力の誤差)は無視可能である。
第1ないし第3実施形態では、モータ1が回転モータであったが、モータ1はリニアモータであってもよい。モータ1がリニアモータである場合、回転子は可動子に読み替えられる。また、回転子の回転角は、可動子の位置に読み替えられる。
次に、本発明をリソグラフィー装置の位置決め装置に適用した第4実施形態を説明する。図13には、本発明の第4実施形態としてのリソグラフィー装置200が示されている。ここでは、リソグラフィー装置200の具体例を提供するために、リソグラフィー装置200が露光装置として具現された例を説明するが、リソグラフィー装置200は、例えば、インプリント装置または荷電粒子線描画装置として構成されてもよい。
露光装置として構成されたリソグラフィー装置200は、原版(マスク)22のパターンを感光材が表面に設けられた基板24に投影することによって該感光材に該パターンを転写する。リソグラフィー装置200は、照明光学系20、原版ステージ25、モータ1a、投影光学系23、基板ステージ26およびモータ1bを備えうる。モータ1aは、原版ステージ25を駆動するように構成され、モータ1bは、基板ステージ26を駆動するように構成される。モータ1a、1bは、モータ1に対応する。モータ1a、1bは、リニアモータでありうる。
照明光学系20から射出された露光光21は、原版ステージ25によって保持された原版22を照明する。照明光学系20によって照明された原版22のパターンは、基板ステージ26によって保持された基板24に対して、投影光学系23によって投影される。原版ステージ25、基板ステージ26の位置は、それぞれ干渉計等の検出部11a、11bによって検出され、検出された位置の情報は、制御部2に供給される。制御部2は、検出部11a、11bから供給された情報に基づいて電流ドライバ3a、3bを介してモータ1a、1bを制御し、原版ステージ25、基板ステージ26の位置を指令値生成部27から供給されるフィードバック指令値Iffに追従させる。電流ドライバ3a、3bは、電流ドライバ3に対応する。フィードバック指令値Iffは、原版ステージ25の位置を制御するためのフィードバック指令値と、基板ステージ26の位置を制御するためのフィードバック指令値とを含む。
指令値生成部27は、制御部2を制御する上位の制御部である。指令値生成部27は、目標位置(位置指令値)POSrefを制御部2に供給する。目標位置(位置指令値)POSrefは、原版ステージ25の位置を制御するための目標位置(位置指令値)と、基板ステージ26の位置を制御するための目標位置(位置指令値)とを含む。
図14には、リソグラフィー装置200に関して実施されうる処理のフローチャートが示されている。ステップS201では、伝達関数F(s)を決定するための計測を行う。ここで、モータのコイルの電気回路特性を特定するために、前述のように、コイル1の温度を計測するセンサを設けてもよい。ステップS202では、ステップS201において得た結果に基づいて、F(s)−1−1を決定する。具体的には、例えば、(33)式におけるk、k、k、kのような係数を決定する。S201において、コイルの1の温度を計測する場合には、コイル1の温度によりコイル1の抵抗値Rが変動するため、その変動量に応じてk、k、k、kのような係数を計算することができる。ステップS203では、指令値生成部27が制御部2を介して原版ステージ25および基板ステージ26を駆動しながら露光動作を行う。この際に、補正値演算部9および補正部10によって指令値を補正することにより、モータ1a、1bが発生する力の誤差を抑えることができる。これにより、例えば、パターンの重ね合わせ精度を向上させることができる。
以上の説明において、補正値決定部16の伝達関数は、必ずしも伝達関数F(s)−1−1の場合でなくてもよい。例えば、補正値決定部16の伝達関数は、第1電流指令値を電流ドライバ3に入力した場合よりも、電流ドライバ3に対する入力と電流ドライバ3からの出力との位相差が周波数に依らずに低減される補正値を決定する伝達関数が設定されていてもよい。即ち、第1電流指令値を電流ドライバ3に入力した場合よりも、補正部10によって生成した電流指令値を電流ドライバ3に入力した場合の方が、モータ1から発生する力Fがモータ1から発生させたい目標の力に近くなるような伝達関数が設定されていてもよい。例えば、伝達関数F(s)の逆関数F(s)−1に対して所定の差を有する伝達関数が該当する。
以下、上記のリソグラフィー装置を用いて物品(例えば、半導体デバイス、表示デバイス、MEMSデバイス)を製造する物品製造方法を説明する。物品製造方法は、リソグラフィー装置を用いて基板上にパターンを形成するパターン形成工程と、該パターンが形成された基板を処理(例えば、エッチング、イオン注入)する処理工程とを含む。リソグラフィー装置が露光装置または荷電粒子線描画装置である場合には、パターン形成工程は、基板に感光材を塗布する工程、該感光材に露光装置または荷電粒子線描画装置によって潜像を形成する工程、該潜像を現像する工程を含みうる。リソグラフィー装置がインプリント装置である場合には、パターン形成工程は、基板の上にインプリント材を供給する工程と、該インプリント材に型(モールド、テンプレートとも呼ばれる)を接触させ、その状態で該インプリント材を硬化させる工程とを含みうる。
1:モータ、2:制御部、2’:制御部、4:コイル、5:永久磁石、6:磁極センサ、7:位相計算部、8:第1コミュテーション演算部、9:補正値演算部、10:補正部、12:偏差演算部、13:フィードバック制御部、14:第2位相計算部、15:第2コミュテーション演算部、16:補正値決定部、27:指令値生成部、31:減算部、32:電流フィードバック制御部、33:モータの電気回路特性

Claims (16)

  1. コイルおよび磁石を有するモータを駆動する駆動装置であって、
    前記コイルに電流を供給する電流ドライバと、前記電流ドライバに供給するべき電流指令値を生成する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    指令値または前記指令値を演算して得られる演算値に基づいて第1電流指令値を生成する第1コミュテーション演算部と、
    前記指令値に基づいて第2電流指令値を生成する第2コミュテーション演算部と、
    前記第2電流指令値に基づいて補正値を決定する補正値決定部と、
    前記第1電流指令値と前記補正値とに基づいて前記電流指令値を生成する補正部と、を含み、
    前記電流ドライバの伝達関数をF(s)とした場合に、前記補正値決定部の伝達関数が(F(s)−1−1)である
    ことを特徴とする駆動装置。
  2. 前記指令値は、前記モータによって駆動される駆動対象をフィードフォワード制御するためのフィードフォワード指令値であって、
    前記演算値は、前記モータによって駆動される駆動対象の制御偏差に基づいて決定されるフィードバック指令値と前記フィードフォワード指令値との和である
    ことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記制御部は、
    前記モータの電気角と前記駆動対象の回転角の検出結果である検出回転角との差である角度オフセットを求める第1位相計算部と、
    前記駆動対象の目標回転角と前記角度オフセットとに基づいて補正電気角を求める第2位相計算部と、を含み、
    前記第2コミュテーション演算部は、前記フィードフォワード指令値と、前記補正電気角とに基づいて前記第2電流指令値を生成する、
    ことを特徴とする請求項2に記載の駆動装置。
  4. 前記制御部は、
    前記モータの電気角と前記駆動対象の位置の検出結果である検出位置から換算される回転角との差である角度オフセットを求める第1位相計算部と、
    前記駆動対象の目標位置と前記角度オフセットとに基づいて補正電気角を求める第2位相計算部と、を含み、
    前記第2コミュテーション演算部は、前記フィードフォワード指令値と、前記補正電気角とに基づいて前記第2電流指令値を生成する、
    ことを特徴とする請求項2に記載の駆動装置。
  5. 前記第1コミュテーション演算部および前記第2コミュテーション演算部は、同一の演算式に従ってコミュテーション演算を行う、
    ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の駆動装置。
  6. 前記コイルの温度を計測するセンサを更に備え、
    (F(s)−1−1)が前記センサによって計測された温度に基づいて変更される、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の駆動装置。
  7. コイルおよび磁石を有するモータを駆動する駆動装置であって、
    前記コイルに電流を供給する電流ドライバと、前記電流ドライバに供給するべき電流指令値を生成する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    指令値または前記指令値を演算して得られる演算値に基づいて第1電流指令値を生成する第1コミュテーション演算部と、
    前記指令値に基づいて第2電流指令値を生成する第2コミュテーション演算部と、
    前記第2電流指令値に基づいて補正値を決定する補正値決定部と、
    前記第1電流指令値と前記補正値とに基づいて前記電流指令値を生成する補正部と、を含み、
    前記補正値決定部は、前記補正値として、前記電流ドライバに前記第1電流指令値を入力する場合よりも前記第1電流指令値と前記補正値とに基づいて生成した電流指令値を前記電流ドライバに入力した場合の方が、前記電流ドライバに対する入力と前記電流ドライバからの出力との位相差が周波数に依らずに低減される補正値を決定することを特徴とする駆動装置。
  8. 前記電流ドライバの伝達関数をF(s)とした場合に、前記補正値決定部の伝達関数がF(s)−1を含むことを特徴とする請求項7に記載の駆動装置。
  9. 前記補正値決定部の伝達関数は、前記F(s)−1に対して所定の差を有する伝達関数であることを特徴とする請求項7又は8に記載の駆動装置。
  10. 前記指令値は、前記モータによって駆動される駆動対象をフィードフォワード制御するためのフィードフォワード指令値であって、
    前記演算値は、前記モータによって駆動される駆動対象の制御偏差に基づいて決定されるフィードバック指令値と前記フィードフォワード指令値との和である
    ことを特徴とする請求項7乃至9のうちいずれか1項に記載の駆動装置。
  11. 前記制御部は、
    前記モータの電気角と前記駆動対象の回転角の検出結果である検出回転角との差である角度オフセットを求める第1位相計算部と、
    前記駆動対象の目標回転角と前記角度オフセットとに基づいて補正電気角を求める第2位相計算部と、を含み、
    前記第2コミュテーション演算部は、前記フィードフォワード指令値と、前記補正電気角とに基づいて前記第2電流指令値を生成する、
    ことを特徴とする請求項10に記載の駆動装置。
  12. 前記制御部は、
    前記モータの電気角と前記駆動対象の位置の検出結果である検出位置から換算される回転角との差である角度オフセットを求める第1位相計算部と、
    前記駆動対象の目標位置と前記角度オフセットとに基づいて補正電気角を求める第2位相計算部と、を含み、
    前記第2コミュテーション演算部は、前記フィードフォワード指令値と、前記補正電気角とに基づいて前記第2電流指令値を生成する、
    ことを特徴とする請求項10に記載の駆動装置。
  13. 前記第1コミュテーション演算部および前記第2コミュテーション演算部は、同一の演算式に従ってコミュテーション演算を行う、
    ことを特徴とする請求項7乃至12のいずれか1項に記載の駆動装置。
  14. 物品を位置決めする位置決め装置であって、
    前記物品を保持するステージと、
    前記ステージを駆動するように構成された請求項1乃至13のいずれか1項に記載の駆動装置と、
    を備えることを特徴とする位置決め装置。
  15. 基板上にパターンを形成するためのリソグラフィー装置であって、
    請求項14に記載の位置決め装置により位置決めされる基板上にパターンを形成することを特徴とするリソグラフィー装置。
  16. 請求項15に記載のリソグラフィー装置によって基板にパターンを形成する工程と、
    前記工程の後に前記基板を処理する工程と、
    を含むことを特徴とする物品製造方法。
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