JP3543701B2 - ２次元位置決め装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローバ、ハンドラ、ステッパ等に用いられ、対象物の２次元位置を位置決めする２次元位置決め装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２次元位置決め装置として、本出願人による特願平１０−２３８１４９の出願明細書に記載された装置があった。図７はこの装置の概略図である。
図７で、格子プラテン１０は、磁性体で構成されていて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。図では簡略化のため一部の歯だけを示している。
スライダ部１１には位置決めの対象物が載せられる。
浮揚手段１２は、スライダ部１１を格子プラテン１０上に浮揚させる。スライダ部１１の格子プラテン１０と対向する面にはノズルが設けられていて、このノズルから浮揚手段１２が圧縮空気を噴出させることによって、浮上力を得ている。
【０００３】
Ｙ軸モータ１３は、スライダ部１１に搭載され、Ｙ軸方向に一定ピッチで歯１３２が形成されている。Ｙ軸モータ１３は、歯１３２と格子プラテン１０の歯１０１との間に磁気吸引力を生じさせてスライダ部をＹ軸方向に移動させる。
Ｘ軸モータ１４，１５は、スライダ部１１の中心に対して対称な位置にそれぞれ搭載されている。Ｘ軸モータ１４，１５は、Ｘ軸方向に一定ピッチで歯１４１，１５１が形成されている。Ｘ軸モータ１４，１５は、歯１４１，１５１と歯１０１との間に磁気吸引力を生じさせてスライダ部をＸ軸方向に移動させる。
【０００４】
連結部材１１１，１１２はＹ軸モータ１３とＸ軸モータ１４，１５を連結する。
Ｘ軸ミラー１６は、格子プラテン１０の側面に装着され、Ｙ軸方向に鏡面が形成されている。Ｙ軸ミラー１７は、格子プラテン１０の側面に装着され、Ｘ軸方向に鏡面が形成されている。
【０００５】
Ｙ軸センサ１８は、Ｙ軸モータ１３に搭載されていて、Ｙ軸ミラー１７に光を照射し、その反射光を受け、光の干渉を利用してスライダ部１１のＹ軸方向の位置を検出するレーザ干渉計である。
Ｘ軸センサ１９及び２０は、Ｘ軸モータ１４及び１５にそれぞれ搭載されていて、Ｘ軸ミラー１６に光を照射し、その反射光を受け、光の干渉を利用してスライダ部１１のＹ軸方向の位置を検出するレーザ干渉計である。
【０００６】
Ｙ軸制御部２１は、Ｙ軸指令位置とＹ軸センサ１８の検出位置の偏差をもとにスライダ部１１の位置をフィードバック制御する。
Ｘ軸制御部２２及び２３は、Ｘ軸指令位置とＸ軸センサ１９，２０の検出位置の偏差をもとにスライダ部１１の位置をそれぞれフィードバック制御する。
【０００７】
スライダ部１０は、Ｘ軸とＹ軸に直交する軸のまわりに回転ずれを生じることがある。これをヨーイングとする。回転ずれの角度をθとする。
【０００８】
図７の従来装置では、Ｘ軸制御部２２と２３に同一の位置指令値を与えることによって、Ｘ軸方向位置とθ方向を制御している。スライダ部のヨーイングが除去されている状態をθ＝０とする。
Ｙ軸センサ１８とＸ軸センサ１９及び２０からミラーへ照射した光が正しくセンサに戻ってくるためには、θ≒０に維持しなければいけない。θが大きく振れると、Ｙ軸センサ１８とＸ軸センサ１９及び２０からの照射光はセンサに戻らず、スライダ部の位置が不明になる。これにより、スライダ部の位置及び速度のフィードバック制御が不能になる。図７の従来装置では、位置センサが、レーザ干渉計を用いた光学的なセンサであるため、スライダ部のわずかな回転ずれでも制御不能に陥る。
【０００９】
図７の従来装置では、次の理由からθを０に近づけることが難しかった。
（理由１）θ方向とＸ軸方向の制御特性を独立に設定できない。
θ≒０に制御するためには、θのサーボ剛性を高くすればよい。しかし、図７の従来装置では、Ｘ軸制御部２２と２３の制御方式や制御帯域を決めるとθ方向のサーボ剛性は一義的に決まってしまう。
【００１０】
（理由２）Ｘ軸方向への最大加速時にはθ方向への制御は不能になる。
図７のスライダ部の出力トルクＴは次式のとおりになる。
Ｔ＝Ｆｘ２・Ｌｘ２−Ｆｘ１・Ｌｘ１
Ｆｘ１：Ｘ軸モータ１４の推力、Ｆｘ２：Ｘ軸モータ１５の推力
Ｌｘ１：スライダ部の重心からＸ軸モータ１４の中心までのＹ軸方向距離
Ｌｘ２：Ｘ軸モータ１５の中心からスライダ部の重心までのＹ軸方向距離
【００１１】
スライダ部の搭載負荷が大きく、かつ、Ｘ軸方向の加減速指令値が大きい場合は、Ｘ軸モータ１４と１５の推力Ｆｘ１とＦｘ２は最大値になることがある。Ｆｘ１及びＦｘ２の最大値をそれぞれＦｘ１ｍａｘ及びＦｘ２ｍａｘとする。
このとき、スライダ部の出力トルクＴは次式のとおりになる。
Ｔ＝Ｆｘ２ｍａｘ・Ｌｘ２−Ｆｘ１ｍａｘ・Ｌｘ１
このとき、製造上のばらつきでＦｘ１ｍａｘ・Ｌｘ１≠Ｆｘ２ｍａｘ・Ｌｘ２であると、θは増大する。Ｆｘ１ｍａｘ・Ｌｘ１＝Ｆｘ２ｍａｘ・Ｌｘ２になっていても、外乱トルクＴｄが加わればθは増大してサーボ制御不能に陥る。
【００１２】
このように図７の従来装置では、Ｘ軸方向への制御だけに推力が費やされてθ方向へ制御するために推力を費やすことは考慮されていない。このため、２つのＸ軸モータの最大推力にアンバランスが生じたり、外乱トルクが入ったとき等にはθが増大し、サーボ制御不能に陥ることがあった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、Ｘ軸方向への制御とθ方向へ制御を独立して行うことにより、スライダ部の回転ずれにより制御不能に陥ることを防止できる２次元位置決め装置を実現することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のとおりの構成になった２次元位置決め装置である。
【００１５】
（１）対象物を２次元方向に位置決めする２次元位置決め装置において、
前記対象物が載せられ、格子プラテン上に浮揚させられたスライダ部と、
このスライダ部をＸ軸方向にそれぞれ移動させる第１及び第２のＸ軸モータと、
前記スライダ部をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＸ軸方向位置を検出する第１及び第２のＸ軸センサと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、
（前記第１のＸ軸センサの検出位置）＋（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置検出信号を生成し、（前記第１のＸ軸センサの検出位置）−（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のヨーイング角θの検出信号を生成する変換回路と、
前記スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号をもとにスライダ部のＸ軸方向位置のフィードバック制御をθ方向制御とは独立に行うＸ軸位置制御部と、
前記スライダ部のヨーイング角θの検出信号をもとにスライダ部のθ方向位置のフィードバック制御をＸ軸方向制御とは独立に行うθ位置制御部と、
前記Ｙ軸センサの位置検出信号をもとにスライダ部のＹ軸方向位置をフィードバック制御するＹ軸位置制御部と、
を具備したことを特徴とする２次元位置決め装置。
（２）対象物を２次元方向に位置決めする２次元位置決め装置において、
前記対象物が載せられ、格子プラテン上に浮揚させられたスライダ部と、
このスライダ部をＸ軸方向にそれぞれ移動させる第１及び第２のＸ軸モータと、
前記スライダ部をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＸ軸方向位置を検出する第１及び第２のＸ軸センサと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、
（前記第１のＸ軸センサの検出位置）＋（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置検出信号を生成し、（前記第１のＸ軸センサの検出位置）−（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のヨーイング角θの検出信号を生成する変換回路と、
前記スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号をもとにスライダ部のＸ軸方向移動のフィードバック制御をθ方向制御とは独立に行うＸ軸位置速度制御部と、
前記スライダ部のヨーイング角θの検出信号をもとにスライダ部のθ方向移動のフィードバック制御をＸ軸方向制御とは独立に行うθ位置速度制御部と、
前記Ｙ軸センサの位置検出信号をもとにスライダ部のＹ軸方向位置をフィードバック制御するＹ軸位置制御部と、
前記Ｘ軸位置速度制御部が出力する制御信号をＸ軸方向の推力指令値とし、前記θ位置速度制御部が出力する制御信号をθ方向の推力指令値とし、これらの推力指令値を（Ｘ軸方向の推力指令値）＋（θ方向の推力指令値）及び（Ｘ軸方向の推力指令値）−（θ方向の推力指令値）に変換することによって前記第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値を生成する指令値変換回路と、
を具備したことを特徴とする２次元位置決め装置。
（３）前記第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値をもとに前記第１及び第２のＸ軸モータの転流制御とコイルに流れる電流の制御を行う転流・電流制御回路を具備したことを特徴とする請求項２記載の２次元位置決め装置。
【００１６】
（４）前記第１及び第２のＸ軸モータは、スライダ部の中心に対して対称な位置にそれぞれ搭載され、
前記第１及び第２のＸ軸センサは、前記第１及び第２のＸ軸モータにそれぞれ搭載されていることを特徴とする（１）または（２）記載の２次元位置決め装置。
【００１７】
（５）Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値をＩｍａｘ−｜Ｉｒθ｜（Ｉｍａｘは最大推力指令値、Ｉｒθはθ方向の推力指令値）に制限し、θ方向の推力指令値Ｉｒθの大きさに応じて推力指令値Ｉｒ０のリミット値を制限するリミッタを設けたことを特徴とする（２）記載の２次元位置決め装置。
【００１８】
（６）前記プラテンはＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成され、前記第１及び第２のＸ軸モータは、前記格子プラテンの歯と対向する位置にＸ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成されたコアをそれぞれ有し、第１のＸ軸モータのコアと第２のＸ軸モータのコアはスライダ部の中心に関して点対称に配置されていることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の２次元位置決め装置。
【００１９】
（７）前記Ｙ軸センサと第１及び第２のＸ軸センサはコーナーキューブを有し、Ｙ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＹ軸方向の中心位置に配置され、第１及び第２のＸ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＸ軸方向の中心軸に関して対称な位置に配置されていることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の２次元位置決め装置。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図１で前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
図１はサーボ制御系の構成図である。格子プラテン、スライダ部、浮揚手段、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータ、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ、Ｘ軸ミラー及びＹ軸ミラーは図７の従来装置と同様な構成になっている。
【００２１】
図１で、Ｘ軸センサ１９は、スライダ部の移動方向を判別し、判別した方向に応じてアップパルスまたはダウンパルスを発生する。発生パルス数はスライダ部の移動量に応じた数になる。アップダウンカウンタ３０はアップパルスまたはダウンパルスに応じてアップカウントまたはダウンカウントを行う。アップダウンカウンタ３０のカウントがスライダ部の検出位置になる。
Ｘ軸センサ１９の具体的構成については後述する。
【００２２】
補正手段３１は、ミラーの曲がりに依存するスライダ部の位置とスライダ部のヨーイングを除去するための補正量を対応させた補正テーブル３２を保持している。補正手段３１は、与えられた指令位置をもとに補正テーブル３２から補正量を読み出し、読み出した補正量でアップダウンカウンタ３０の検出位置を補正する。補正テーブル３２のデータはキャリブレーションによって得たデータである。
補正手段３１は、図７のＸ軸ミラー１６とＹ軸ミラー１７の機械的誤差による曲がりを補正するために設けられている。Ｘ軸ミラー１６とＹ軸ミラー１７の曲がりが位置検出に影響しない程度の曲がりであれば、補正手段３１は設けなくてもよい。
【００２３】
Ｘ軸センサ２０についてもＸ軸センサ１９と同様にアップダウンカウンタ３３、補正手段３４、補正テーブル３５が設けられている。
変換回路３６は、補正手段３１及び３４から得たＸ軸方向の検出位置Ｘ１及びＸ２の信号を受け、これらの信号をスライダ部中心のＸ軸方向の位置ｘ及びスライダ部のヨーイング角θの信号に変換する。変換式は次のとおりである。
ｘ＝（Ｘ１＋Ｘ２）／２，θ＝（ｘ２−ｘ１）／２Ｌｄ
Ｌｄ：スライダ部の中心からＸ軸センサ１９，２０の光軸までの距離（Ｌｄを図７に示す）
【００２４】
Ｘ軸位置制御部３７は、Ｘ軸位置指令値Ｘｉと検出位置ｘの偏差をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置をフィードバック制御するための制御信号を出力する。
Ｘ軸速度演算回路３８は、検出位置ｘの変化速度からスライダ部のＸ軸方向の移動速度を検出する。Ｘ軸変換回路３８は、例えばＦ／Ｖ変換器である。
Ｘ軸速度制御部３９は、Ｘ軸位置制御部３７の制御信号とＸ軸速度演算回路３８の検出速度の偏差をもとにスライダ部のＸ軸方向の移動速度をフィードバック制御するための制御信号を出力する。この制御信号はスライダ部をＸ軸方向に移動させる推力指令値Ｉｒ０になる。
【００２５】
θの制御についても同様にθ位置制御部４０、θ速度演算回路４１、θ速度制御部４２が設けられている。θ速度制御部４２の制御信号がスライダ部をθ方向に回転させる推力指令値Ｉｒθになる。
リミッタ４３は、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値をＩｍａｘ−｜Ｉｒθ｜（Ｉｍａｘは最大推力指令値）に制限し、制限後の推力指令値Ｉｒｘを出力する。これによって、θ方向の推力指令値Ｉｒθの大きさに応じてＸ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値を制限している。
【００２６】
指令値変換回路４４は、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒｘ、θ方向の推力指令値Ｉｒθを次式によりＸ軸モータ１４及び１５の推力指令値Ｉｒ１及びＩｒ２に変換する。
Ｉｒ１＝Ｉｒｘ−Ｉｒθ、Ｉｒ２＝Ｉｒｘ＋Ｉｒθ
推力指令値Ｉｒ１及びＩｒ２はリミッタ４３の作用により−Ｉｍａｘ〜Ｉｍａｘの範囲におさまる。
【００２７】
電流センサ４５は、Ｘ軸モータ１４のコイルに流れる電流を検出する。
転流・電流制御回路４６は、Ｘ軸モータ１４の転流制御とコイルに流れる電流の制御を行う。
転流角演算回路４７は、アップダウンカウンタ３０のカウントとｓｉｎ値が対応して格納されたｓｉｎテーブルを持っている。Ｘ軸モータ１４が３相モータである場合は、アップダウンカウンタ３０のカウントが与えられると、転流角演算回路４７はｓｉｎテーブルからｓｉｎφとｓｉｎ（φ＋１２０°）の値を読み出す。φはアップダウンカウンタ３０のカウントに応じて変わる角度である。
【００２８】
マルチプライング・デジタル・アナログ変換器（ＭＤＡとする）４８，４９は、推力指令値Ｉｒ１をアナログ入力信号、ｓｉｎテーブルから読み出したｓｉｎφとｓｉｎ（φ＋１２０°）の値をゲイン設定信号としてＩｒ１ｓｉｎφとＩｒ１ｓｉｎ（φ＋１２０°）なる電流指令値を出力する。ここで、２つの指令値の位相が１２０°ずれているのは、モータが３相モータであるためである。相数が異なる場合は位相ずれは他の値になる。
【００２９】
Ｘ軸電流制御回路５０は、電流指令値Ｉｒ１ｓｉｎφ，Ｉｒ１ｓｉｎ（φ＋１２０°）と電流センサ４５の電流検出値の偏差をもとにＸ軸モータ１４のコイルに流れる電流を制御する。
【００３０】
Ｘ軸モータ１５についても同様に電流センサ５１と転流・電流制御回路５２が設けられている。
Ｙ軸方向のサーボ制御系についても、Ｘ軸方向及びθ方向のサーボ制御系と同様に、アップダウンカウンタ５３、補正手段５４、補正テーブル５５、Ｙ軸位置制御部５６、Ｙ軸速度演算回路５７、Ｙ軸速度制御部５８、転流・電流制御回路５９が設けられている。Ｙ軸方向のサーボ制御系では、変換回路３６で行ったような制御量の変換を行わないで制御を実行している。
【００３１】
図２は図１の制御系を簡略化して示した図である。
図２で、変換回路３６は、Ｘ軸センサ１９，２０及びＹ軸センサ１８の検出値Ｘ１、Ｘ２、及びＹをスライダ部中心のＸ軸方向の位置ｘ、スライダ部のヨーイング角θ及びＹ軸方向の位置Ｙに変換する。
Ｘ軸位置速度制御部６０は、位置ｘの信号を帰還信号としてスライダ部のＸ軸方向の位置と速度をフィードバック制御する。Ｘ軸位置速度制御部６０の制御信号は、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒｘとして出力される。
θ位置速度制御部６１は、ヨーイング角θの信号を帰還信号としてスライダ部のθ方向の位置と速度をフィードバック制御する。θ位置速度制御部６１の制御信号はθ方向の推力指令値Ｉｒθとして出力される。
【００３２】
ここで、推力指令値Ｉｒｘ，ＩｒθをＩｒｘ−ＩｒθとＩｒｘ＋Ｉｒθに変換することにより、Ｘ軸モータ１４と１５の推力指令値に変換する。
このようにしてＸ軸方向の制御とθ方向の制御はそれぞれ独立に行われる。
Ｙ軸位置速度制御部６２は、位置Ｙの信号を帰還信号としてスライダ部のＹ軸方向の位置と速度をフィードバック制御する。Ｙ軸位置速度制御部６２の制御信号はＹ軸方向の推力指令値Ｉｒｙとして出力される。
【００３３】
図３はＸ軸モータとＹ軸モータにあるコアの配列例を示した図である。
図３に示すように、Ｘ軸モータ１４及び１５のコア７０及び７１には、Ｘ軸方向に沿って一定ピッチで歯７２及び７３が形成されている。コア７０と７１はスライダ部１１の中心Ｏに関して点対称に配置されている。Ｙ軸モータ１３のコア７４及び７５には、Ｙ軸方向に沿って一定ピッチで歯７６及び７７が形成されている。
これらの歯は格子プラテン１０の歯と対向する位置に配置されている。
【００３４】
コア７０，７１が推力Ｆｘを発生すると、スライダ部１１はｆ方向に移動する。コア７０が推力−Ｆｘを発生し、コア７１が推力Ｆｘを発生すると、スライダ部１１はθ１方向に回転する。コア７３，７４が推力Ｆｙを発生すると、スライダ部１１はｇ方向に移動する。
【００３５】
図４はＸ軸モータとＹ軸モータにあるコアの構成例を示した図である。
図４で、モータコア８１と８２が永久磁石８３を挟み込んで配列されている。永久磁石８３はモータコアの配列方向に沿って着磁されている。モータコア８１には、突極８４Ａ，８４Ｂ，８４Ｃの配列順に従ってＡ相コイル８５Ａ，Ｂ相コイル８５Ｂ，Ｃ相コイル８５Ｃが巻かれている。これらのコイルは２つのモータコア８１と８２の突極にまたがって巻かれている。各突極の先端にはピッチＰで歯が形成されている。突極８４Ａ，８４Ｂ，８４Ｃの歯はそれぞれＰ／３ずつ位相がずれている。Ａ相コイル８４Ａ、Ｂ相コイル８４Ｂ、Ｃ相コイル８４Ｃには位相が１２０°ずつずれた正弦波電流が流される。
【００３６】
モータコア８２もモータコア８１と同様な構成になっている。モータコア８２はモータコア８１に対して突極の歯の位相をＰ／２だけずらして配置されている。
Ａ相コイル８４Ａ、Ｂ相コイル８４Ｂ、Ｃ相コイル８４Ｃに３相の正弦波電流を流すことによって、モータコア８１と８２はａ−ａ´方向に移動する。
図４に示すコアが図３の１つのコアに相当する。
【００３７】
図５は図１のセンサの構成例を示した図である。図１のＹ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０は同様な構成になっている。Ｘ軸センサ１９を例に説明する。
図５で、レーザ光源１９１はレーザ光を出射する。レーザ光源１９１の出射光の光路には、ミラー１９２，１９３、ハーフミラー１９４、偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳとする）１９５、λ／４板１９６、コーナーキューブ１９７が配置されている。
【００３８】
レーザ光源１９１から出た光には、ハーフミラー１９４、ミラー１９３、ミラー１９２、ハーフミラー１９４の経路で進み、図のｂ方向に進む光がある。この光を▲１▼の光とする。
また、レーザ光源１９１から出た光には、ハーフミラー１９４、ＰＢＳ１９５、λ／４板１９６、Ｘ軸ミラー１６、λ／４板１９６、ＰＢＳ１９５、コーナーキューブ１９７、λ／４板１９６、Ｘ軸ミラー１６、λ／４板１９６、ＰＢＳ１９５、ハーフミラー１９４の経路で進み、図のｂ方向に進む光がある。この光を▲２▼の光とする。
【００３９】
ミラー１９３はレーザ光源１９１の光軸と４５°の角度をなして配置されている。これに対して、ミラー１９４はレーザ光源１９１の光軸と４５°＋θａの角度をなして配置されている。ミラー１９４の配置角度がθａだけずれていることにより、▲１▼の光の波面が▲２▼の光の波面に対してθａだけずれる。
これによって、▲１▼の光と▲２▼の光が干渉して干渉縞Ｓを作る。フォトダイオードアレイ（ＰＤＡとする）１９８は干渉縞Ｓを検出する。ＰＤＡ１９８は４個のフォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄからなる。４個のフォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄは干渉縞Ｓの１ピッチ内に配置されている。各フォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄはｐ／４（ｐは干渉縞のピッチ）ずつずらして配置されている。
干渉縞のピッチｐ＝λ／θａ（λはレーザ光の波長）となる。
【００４０】
減算器１９９は、（フォトダイオード１９８Ａの検出信号）−（フォトダイオード１９８Ｃの検出信号）なる演算を行う。
減算器２００は、（フォトダイオード１９８Ｂの検出信号）−（フォトダイオード１９８Ｄの検出信号）なる演算を行う。
【００４１】
スライダ部が移動すると、これに伴ってＸ軸センサ１９が移動し、干渉縞が図５のｄ−ｄ´方向に動く。干渉縞が動くと各フォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄに当る干渉縞の明暗部分が動き、フォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄの検出値が変化する。これをもとにスライダ部１１の位置を検出する。
【００４２】
干渉縞がｄ方向に移動したときは、フォトダイオードの出力ＶA〜ＶDは次のとおりになる。
ＶA＝Ｋ［１＋ｍｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ＶB＝Ｋ［１＋ｍｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ＶC＝Ｋ［１−ｍｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ＶD＝Ｋ［１−ｍｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ｘｅ：検出対象の距離、Ｋ，ｍ：係数、Ｋn：ノイズ成分
【００４３】
減算器１９９と２００の減算信号は次のとおりになる。
ＶA−ＶC＝２ｍＫｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝
ＶB−ＶD＝２ｍＫｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝
減算の結果、外乱光により発生した直流のノイズ成分Ｋnがキャンセルされる。
信号ＶA−ＶCとＶB−ＶDが前述したＡ相パルスとＢ相パルスに変換される。
干渉縞がｄ´方向に動いたときは、信号ＶA−ＶCとＶB−ＶDの位相関係は逆転する。
【００４４】
コンパレータ２０１，２０２は減算器１９９と２００の減算信号からＡ相パルスとＢ相パルスを生成する。
方向判別回路２０３は、Ａ相パルスとＢ相パルスの位相関係からスライダ部の移動方向を判別し、判別結果に応じてアップパルスまたはダウンパルスを発生する。
【００４５】
アップダウンカウンタ３０はアップパルスまたはダウンパルスに応じてアップカウントまたはダウンカウントを行う。アップダウンカウンタ３０のカウントがスライダ部の検出位置になる。初期状態ではＸ軸モータ１４の各相コイルに既知電流を流したときにモータのロータとステータの歯の位相がどれだけずれるかが予め分っている。この時のアップダウンカウンタ３０の値を基準値、例えば０に設定する。スライダ部の移動に伴ってアップダウンカウンタ３０は基準値からアップカウントまたはダウンカウントを行って位置を検出する。このようにしてインクリメンタル方式に位置検出をする。
【００４６】
図６は図１のセンサの他の構成例を示した図である。
図６で、レーザ光源９０はＹ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０に共通な光源である。Ｙ軸干渉ユニット９１、Ｘ軸干渉ユニット９２，９３はそれぞれＹ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０を構成するユニットである。Ｙ軸干渉ユニット９１及びＸ軸干渉ユニット９２，９３はＹ軸方向及びＸ軸方向にレーザ光を照射し、Ｙ軸ミラー１７及びＸ軸ミラー１６で反射された光を受けて光学的に位置を検出する。
【００４７】
Ｙ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０はコーナーキューブ９４，９５，９６をそれぞれ有する。Ｙ軸センサ１８のコーナーキューブ９４はスライダ部１１のＹ軸方向の中心位置に配置されている。Ｘ軸センサ１９，２０のコーナーキューブ９５，９６はスライダ部１１のＸ軸方向の中心軸に関して対称な位置に配置されている。
このようにコーナーキューブを配置することによって、スライダ部に熱膨張が生じたときに、各コーナーキューブの位置ずれ量がほぼ等しくなる。これによって、熱膨張によりセンサが受ける影響を低減できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００４９】
請求項１の発明によれば、２つのＸ軸センサの検出信号について和と差をとり、スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号及びスライダ部のヨーイング角θの検出信号に変換している。変換した信号をもとにスライダ部のＸ軸方向移動及びθ方向移動についてそれぞれ独立にフィードバック制御している。このため、θ方向制御の制御方式やサーボゲインをＸ軸方向のそれとは独立に設定できる。これによって、θ方向のサーボ剛性が向上され、スライダ部の回転ずれにより制御不能に陥ることを防止できる。また、ヨーイング方向の位置決め精度を格段に向上できる。
【００５０】
請求項２乃至４の発明によれば、Ｘ軸方向の推力指令値とθ方向の推力指令値を受け、これらの推力指令値の和と差により第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値を生成している。これによって、Ｘ軸方向移動の制御とθ方向移動の制御が互いに非干渉になる条件を満たしながら２つのＸ軸モータに推力指令値を与えることができる。
【００５１】
請求項５の発明によれば、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値をＩｍａｘ−｜Ｉｒθ｜（Ｉｍａｘは最大推力指令値）に制限しているため、θ方向の推力指令値Ｉｒθの大きさに応じてＸ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値を制限している。これによって、θ方向の制御をＸ軸方向の制御に優先して行うことができ、重負荷時や高加減速時においてもθ方向の制御はＸ軸方向の制御の影響を受けず、その制御特性を維持できる。
【００５２】
請求項６の発明によれば、２つのＸ軸モータの歯はスライダ部の中心に関して点対称に配置されているため、スライダ部に熱膨張が生じたときに、２つのＸ軸モータの歯の位置ずれ量がほぼ等しくなる。これによって、温度変化によりモータが受ける影響を低減できる。
【００５３】
請求項７の発明によれば、Ｙ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＹ軸方向の中心位置に配置され、第１及び第２のＸ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＸ軸方向の中心軸に関して対称な位置に配置されている。このため、スライダ部に熱膨張が生じたときに、各コーナーキューブの位置ずれ量がほぼ等しくなる。これによって、熱膨張によりセンサが受ける影響を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１の制御系の概略構成図である。
【図３】本発明の要部構成図である。
【図４】本発明の要部構成図である。
【図５】本発明の要部構成図である。
【図６】本発明の要部構成図である。
【図７】従来における２次元位置決め装置の構成例を示した図である。
【符号の説明】
１０ 格子プラテン
１１ スライダ部
１２ 浮揚手段
１３ Ｙ軸モータ
１４，１５ Ｘ軸モータ
１８ Ｙ軸センサ
１９，２０ Ｘ軸センサ
３６ 変換回路
３７ Ｘ軸位置制御部
３９ Ｘ軸速度制御部
４０ θ位置制御部
４２ θ速度制御部
４３ リミッタ
４４ 指令値変換回路
５６ Ｙ軸位置制御部
５８ Ｙ軸速度制御部
９４〜９６ コーナーキューブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、プローバ、ハンドラ、ステッパ等に用いられ、対象物の２次元位置を位置決めする２次元位置決め装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２次元位置決め装置として、本出願人による特願平１０−２３８１４９の出願明細書に記載された装置があった。図７はこの装置の概略図である。
図７で、格子プラテン１０は、磁性体で構成されていて、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成されている。図では簡略化のため一部の歯だけを示している。
スライダ部１１には位置決めの対象物が載せられる。
浮揚手段１２は、スライダ部１１を格子プラテン１０上に浮揚させる。スライダ部１１の格子プラテン１０と対向する面にはノズルが設けられていて、このノズルから浮揚手段１２が圧縮空気を噴出させることによって、浮上力を得ている。
【０００３】
Ｙ軸モータ１３は、スライダ部１１に搭載され、Ｙ軸方向に一定ピッチで歯１３２が形成されている。Ｙ軸モータ１３は、歯１３２と格子プラテン１０の歯１０１との間に磁気吸引力を生じさせてスライダ部をＹ軸方向に移動させる。
Ｘ軸モータ１４，１５は、スライダ部１１の中心に対して対称な位置にそれぞれ搭載されている。Ｘ軸モータ１４，１５は、Ｘ軸方向に一定ピッチで歯１４１，１５１が形成されている。Ｘ軸モータ１４，１５は、歯１４１，１５１と歯１０１との間に磁気吸引力を生じさせてスライダ部をＸ軸方向に移動させる。
【０００４】
連結部材１１１，１１２はＹ軸モータ１３とＸ軸モータ１４，１５を連結する。
Ｘ軸ミラー１６は、格子プラテン１０の側面に装着され、Ｙ軸方向に鏡面が形成されている。Ｙ軸ミラー１７は、格子プラテン１０の側面に装着され、Ｘ軸方向に鏡面が形成されている。
【０００５】
Ｙ軸センサ１８は、Ｙ軸モータ１３に搭載されていて、Ｙ軸ミラー１７に光を照射し、その反射光を受け、光の干渉を利用してスライダ部１１のＹ軸方向の位置を検出するレーザ干渉計である。
Ｘ軸センサ１９及び２０は、Ｘ軸モータ１４及び１５にそれぞれ搭載されていて、Ｘ軸ミラー１６に光を照射し、その反射光を受け、光の干渉を利用してスライダ部１１のＹ軸方向の位置を検出するレーザ干渉計である。
【０００６】
Ｙ軸制御部２１は、Ｙ軸指令位置とＹ軸センサ１８の検出位置の偏差をもとにスライダ部１１の位置をフィードバック制御する。
Ｘ軸制御部２２及び２３は、Ｘ軸指令位置とＸ軸センサ１９，２０の検出位置の偏差をもとにスライダ部１１の位置をそれぞれフィードバック制御する。
【０００７】
スライダ部１０は、Ｘ軸とＹ軸に直交する軸のまわりに回転ずれを生じることがある。これをヨーイングとする。回転ずれの角度をθとする。
【０００８】
図７の従来装置では、Ｘ軸制御部２２と２３に同一の位置指令値を与えることによって、Ｘ軸方向位置とθ方向を制御している。スライダ部のヨーイングが除去されている状態をθ＝０とする。
Ｙ軸センサ１８とＸ軸センサ１９及び２０からミラーへ照射した光が正しくセンサに戻ってくるためには、θ≒０に維持しなければいけない。θが大きく振れると、Ｙ軸センサ１８とＸ軸センサ１９及び２０からの照射光はセンサに戻らず、スライダ部の位置が不明になる。これにより、スライダ部の位置及び速度のフィードバック制御が不能になる。図７の従来装置では、位置センサが、レーザ干渉計を用いた光学的なセンサであるため、スライダ部のわずかな回転ずれでも制御不能に陥る。
【０００９】
図７の従来装置では、次の理由からθを０に近づけることが難しかった。
（理由１）θ方向とＸ軸方向の制御特性を独立に設定できない。
θ≒０に制御するためには、θのサーボ剛性を高くすればよい。しかし、図７の従来装置では、Ｘ軸制御部２２と２３の制御方式や制御帯域を決めるとθ方向のサーボ剛性は一義的に決まってしまう。
【００１０】
（理由２）Ｘ軸方向への最大加速時にはθ方向への制御は不能になる。
図７のスライダ部の出力トルクＴは次式のとおりになる。
Ｔ＝Ｆｘ２・Ｌｘ２−Ｆｘ１・Ｌｘ１
Ｆｘ１：Ｘ軸モータ１４の推力、Ｆｘ２：Ｘ軸モータ１５の推力
Ｌｘ１：スライダ部の重心からＸ軸モータ１４の中心までのＹ軸方向距離
Ｌｘ２：Ｘ軸モータ１５の中心からスライダ部の重心までのＹ軸方向距離
【００１１】
スライダ部の搭載負荷が大きく、かつ、Ｘ軸方向の加減速指令値が大きい場合は、Ｘ軸モータ１４と１５の推力Ｆｘ１とＦｘ２は最大値になることがある。Ｆｘ１及びＦｘ２の最大値をそれぞれＦｘ１ｍａｘ及びＦｘ２ｍａｘとする。
このとき、スライダ部の出力トルクＴは次式のとおりになる。
Ｔ＝Ｆｘ２ｍａｘ・Ｌｘ２−Ｆｘ１ｍａｘ・Ｌｘ１
このとき、製造上のばらつきでＦｘ１ｍａｘ・Ｌｘ１≠Ｆｘ２ｍａｘ・Ｌｘ２であると、θは増大する。Ｆｘ１ｍａｘ・Ｌｘ１＝Ｆｘ２ｍａｘ・Ｌｘ２になっていても、外乱トルクＴｄが加わればθは増大してサーボ制御不能に陥る。
【００１２】
このように図７の従来装置では、Ｘ軸方向への制御だけに推力が費やされてθ方向へ制御するために推力を費やすことは考慮されていない。このため、２つのＸ軸モータの最大推力にアンバランスが生じたり、外乱トルクが入ったとき等にはθが増大し、サーボ制御不能に陥ることがあった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、Ｘ軸方向への制御とθ方向へ制御を独立して行うことにより、スライダ部の回転ずれにより制御不能に陥ることを防止できる２次元位置決め装置を実現することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のとおりの構成になった２次元位置決め装置である。
【００１５】
（１）対象物を２次元方向に位置決めする２次元位置決め装置において、
前記対象物が載せられ、格子プラテン上に浮揚させられたスライダ部と、
このスライダ部をＸ軸方向にそれぞれ移動させる第１及び第２のＸ軸モータと、
前記スライダ部をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＸ軸方向位置を検出する第１及び第２のＸ軸センサと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、
（前記第１のＸ軸センサの検出位置）＋（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置検出信号を生成し、（前記第１のＸ軸センサの検出位置）−（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のヨーイング角θの検出信号を生成する変換回路と、
前記スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号をもとにスライダ部のＸ軸方向位置のフィードバック制御をθ方向制御とは独立に行うＸ軸位置制御部と、
前記スライダ部のヨーイング角θの検出信号をもとにスライダ部のθ方向位置のフィードバック制御をＸ軸方向制御とは独立に行うθ位置制御部と、
前記Ｙ軸センサの位置検出信号をもとにスライダ部のＹ軸方向位置をフィードバック制御するＹ軸位置制御部と、
を具備したことを特徴とする２次元位置決め装置。
（２）対象物を２次元方向に位置決めする２次元位置決め装置において、
前記対象物が載せられ、格子プラテン上に浮揚させられたスライダ部と、
このスライダ部をＸ軸方向にそれぞれ移動させる第１及び第２のＸ軸モータと、
前記スライダ部をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＸ軸方向位置を検出する第１及び第２のＸ軸センサと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、
（前記第１のＸ軸センサの検出位置）＋（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置検出信号を生成し、（前記第１のＸ軸センサの検出位置）−（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のヨーイング角θの検出信号を生成する変換回路と、
前記スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号をもとにスライダ部のＸ軸方向移動のフィードバック制御をθ方向制御とは独立に行うＸ軸位置速度制御部と、
前記スライダ部のヨーイング角θの検出信号をもとにスライダ部のθ方向移動のフィードバック制御をＸ軸方向制御とは独立に行うθ位置速度制御部と、
前記Ｙ軸センサの位置検出信号をもとにスライダ部のＹ軸方向位置をフィードバック制御するＹ軸位置制御部と、
前記Ｘ軸位置速度制御部が出力する制御信号をＸ軸方向の推力指令値とし、前記θ位置速度制御部が出力する制御信号をθ方向の推力指令値とし、これらの推力指令値を（Ｘ軸方向の推力指令値）＋（θ方向の推力指令値）及び（Ｘ軸方向の推力指令値）−（θ方向の推力指令値）に変換することによって前記第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値を生成する指令値変換回路と、
を具備したことを特徴とする２次元位置決め装置。
（３）前記第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値をもとに前記第１及び第２のＸ軸モータの転流制御とコイルに流れる電流の制御を行う転流・電流制御回路を具備したことを特徴とする請求項２記載の２次元位置決め装置。
【００１６】
（４）前記第１及び第２のＸ軸モータは、スライダ部の中心に対して対称な位置にそれぞれ搭載され、
前記第１及び第２のＸ軸センサは、前記第１及び第２のＸ軸モータにそれぞれ搭載されていることを特徴とする（１）または（２）記載の２次元位置決め装置。
【００１７】
（５）Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値をＩｍａｘ−｜Ｉｒθ｜（Ｉｍａｘは最大推力指令値、Ｉｒθはθ方向の推力指令値）に制限し、θ方向の推力指令値Ｉｒθの大きさに応じて推力指令値Ｉｒ０のリミット値を制限するリミッタを設けたことを特徴とする（２）記載の２次元位置決め装置。
【００１８】
（６）前記プラテンはＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成され、前記第１及び第２のＸ軸モータは、前記格子プラテンの歯と対向する位置にＸ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成されたコアをそれぞれ有し、第１のＸ軸モータのコアと第２のＸ軸モータのコアはスライダ部の中心に関して点対称に配置されていることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の２次元位置決め装置。
【００１９】
（７）前記Ｙ軸センサと第１及び第２のＸ軸センサはコーナーキューブを有し、Ｙ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＹ軸方向の中心位置に配置され、第１及び第２のＸ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＸ軸方向の中心軸に関して対称な位置に配置されていることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載の２次元位置決め装置。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図１で前出の図と同一のものは同一符号を付ける。
図１はサーボ制御系の構成図である。格子プラテン、スライダ部、浮揚手段、Ｘ軸モータ、Ｙ軸モータ、Ｘ軸センサ、Ｙ軸センサ、Ｘ軸ミラー及びＹ軸ミラーは図７の従来装置と同様な構成になっている。
【００２１】
図１で、Ｘ軸センサ１９は、スライダ部の移動方向を判別し、判別した方向に応じてアップパルスまたはダウンパルスを発生する。発生パルス数はスライダ部の移動量に応じた数になる。アップダウンカウンタ３０はアップパルスまたはダウンパルスに応じてアップカウントまたはダウンカウントを行う。アップダウンカウンタ３０のカウントがスライダ部の検出位置になる。
Ｘ軸センサ１９の具体的構成については後述する。
【００２２】
補正手段３１は、ミラーの曲がりに依存するスライダ部の位置とスライダ部のヨーイングを除去するための補正量を対応させた補正テーブル３２を保持している。補正手段３１は、与えられた指令位置をもとに補正テーブル３２から補正量を読み出し、読み出した補正量でアップダウンカウンタ３０の検出位置を補正する。補正テーブル３２のデータはキャリブレーションによって得たデータである。
補正手段３１は、図７のＸ軸ミラー１６とＹ軸ミラー１７の機械的誤差による曲がりを補正するために設けられている。Ｘ軸ミラー１６とＹ軸ミラー１７の曲がりが位置検出に影響しない程度の曲がりであれば、補正手段３１は設けなくてもよい。
【００２３】
Ｘ軸センサ２０についてもＸ軸センサ１９と同様にアップダウンカウンタ３３、補正手段３４、補正テーブル３５が設けられている。
変換回路３６は、補正手段３１及び３４から得たＸ軸方向の検出位置Ｘ１及びＸ２の信号を受け、これらの信号をスライダ部中心のＸ軸方向の位置ｘ及びスライダ部のヨーイング角θの信号に変換する。変換式は次のとおりである。
ｘ＝（Ｘ１＋Ｘ２）／２，θ＝（ｘ２−ｘ１）／２Ｌｄ
Ｌｄ：スライダ部の中心からＸ軸センサ１９，２０の光軸までの距離（Ｌｄを図７に示す）
【００２４】
Ｘ軸位置制御部３７は、Ｘ軸位置指令値Ｘｉと検出位置ｘの偏差をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置をフィードバック制御するための制御信号を出力する。
Ｘ軸速度演算回路３８は、検出位置ｘの変化速度からスライダ部のＸ軸方向の移動速度を検出する。Ｘ軸変換回路３８は、例えばＦ／Ｖ変換器である。
Ｘ軸速度制御部３９は、Ｘ軸位置制御部３７の制御信号とＸ軸速度演算回路３８の検出速度の偏差をもとにスライダ部のＸ軸方向の移動速度をフィードバック制御するための制御信号を出力する。この制御信号はスライダ部をＸ軸方向に移動させる推力指令値Ｉｒ０になる。
【００２５】
θの制御についても同様にθ位置制御部４０、θ速度演算回路４１、θ速度制御部４２が設けられている。θ速度制御部４２の制御信号がスライダ部をθ方向に回転させる推力指令値Ｉｒθになる。
リミッタ４３は、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値をＩｍａｘ−｜Ｉｒθ｜（Ｉｍａｘは最大推力指令値）に制限し、制限後の推力指令値Ｉｒｘを出力する。これによって、θ方向の推力指令値Ｉｒθの大きさに応じてＸ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値を制限している。
【００２６】
指令値変換回路４４は、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒｘ、θ方向の推力指令値Ｉｒθを次式によりＸ軸モータ１４及び１５の推力指令値Ｉｒ１及びＩｒ２に変換する。
Ｉｒ１＝Ｉｒｘ−Ｉｒθ、Ｉｒ２＝Ｉｒｘ＋Ｉｒθ
推力指令値Ｉｒ１及びＩｒ２はリミッタ４３の作用により−Ｉｍａｘ〜Ｉｍａｘの範囲におさまる。
【００２７】
電流センサ４５は、Ｘ軸モータ１４のコイルに流れる電流を検出する。
転流・電流制御回路４６は、Ｘ軸モータ１４の転流制御とコイルに流れる電流の制御を行う。
転流角演算回路４７は、アップダウンカウンタ３０のカウントとｓｉｎ値が対応して格納されたｓｉｎテーブルを持っている。Ｘ軸モータ１４が３相モータである場合は、アップダウンカウンタ３０のカウントが与えられると、転流角演算回路４７はｓｉｎテーブルからｓｉｎφとｓｉｎ（φ＋１２０°）の値を読み出す。φはアップダウンカウンタ３０のカウントに応じて変わる角度である。
【００２８】
マルチプライング・デジタル・アナログ変換器（ＭＤＡとする）４８，４９は、推力指令値Ｉｒ１をアナログ入力信号、ｓｉｎテーブルから読み出したｓｉｎφとｓｉｎ（φ＋１２０°）の値をゲイン設定信号としてＩｒ１ｓｉｎφとＩｒ１ｓｉｎ（φ＋１２０°）なる電流指令値を出力する。ここで、２つの指令値の位相が１２０°ずれているのは、モータが３相モータであるためである。相数が異なる場合は位相ずれは他の値になる。
【００２９】
Ｘ軸電流制御回路５０は、電流指令値Ｉｒ１ｓｉｎφ，Ｉｒ１ｓｉｎ（φ＋１２０°）と電流センサ４５の電流検出値の偏差をもとにＸ軸モータ１４のコイルに流れる電流を制御する。
【００３０】
Ｘ軸モータ１５についても同様に電流センサ５１と転流・電流制御回路５２が設けられている。
Ｙ軸方向のサーボ制御系についても、Ｘ軸方向及びθ方向のサーボ制御系と同様に、アップダウンカウンタ５３、補正手段５４、補正テーブル５５、Ｙ軸位置制御部５６、Ｙ軸速度演算回路５７、Ｙ軸速度制御部５８、転流・電流制御回路５９が設けられている。Ｙ軸方向のサーボ制御系では、変換回路３６で行ったような制御量の変換を行わないで制御を実行している。
【００３１】
図２は図１の制御系を簡略化して示した図である。
図２で、変換回路３６は、Ｘ軸センサ１９，２０及びＹ軸センサ１８の検出値Ｘ１、Ｘ２、及びＹをスライダ部中心のＸ軸方向の位置ｘ、スライダ部のヨーイング角θ及びＹ軸方向の位置Ｙに変換する。
Ｘ軸位置速度制御部６０は、位置ｘの信号を帰還信号としてスライダ部のＸ軸方向の位置と速度をフィードバック制御する。Ｘ軸位置速度制御部６０の制御信号は、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒｘとして出力される。
θ位置速度制御部６１は、ヨーイング角θの信号を帰還信号としてスライダ部のθ方向の位置と速度をフィードバック制御する。θ位置速度制御部６１の制御信号はθ方向の推力指令値Ｉｒθとして出力される。
【００３２】
ここで、推力指令値Ｉｒｘ，ＩｒθをＩｒｘ−ＩｒθとＩｒｘ＋Ｉｒθに変換することにより、Ｘ軸モータ１４と１５の推力指令値に変換する。
このようにしてＸ軸方向の制御とθ方向の制御はそれぞれ独立に行われる。
Ｙ軸位置速度制御部６２は、位置Ｙの信号を帰還信号としてスライダ部のＹ軸方向の位置と速度をフィードバック制御する。Ｙ軸位置速度制御部６２の制御信号はＹ軸方向の推力指令値Ｉｒｙとして出力される。
【００３３】
図３はＸ軸モータとＹ軸モータにあるコアの配列例を示した図である。
図３に示すように、Ｘ軸モータ１４及び１５のコア７０及び７１には、Ｘ軸方向に沿って一定ピッチで歯７２及び７３が形成されている。コア７０と７１はスライダ部１１の中心Ｏに関して点対称に配置されている。Ｙ軸モータ１３のコア７４及び７５には、Ｙ軸方向に沿って一定ピッチで歯７６及び７７が形成されている。
これらの歯は格子プラテン１０の歯と対向する位置に配置されている。
【００３４】
コア７０，７１が推力Ｆｘを発生すると、スライダ部１１はｆ方向に移動する。コア７０が推力−Ｆｘを発生し、コア７１が推力Ｆｘを発生すると、スライダ部１１はθ１方向に回転する。コア７３，７４が推力Ｆｙを発生すると、スライダ部１１はｇ方向に移動する。
【００３５】
図４はＸ軸モータとＹ軸モータにあるコアの構成例を示した図である。
図４で、モータコア８１と８２が永久磁石８３を挟み込んで配列されている。永久磁石８３はモータコアの配列方向に沿って着磁されている。モータコア８１には、突極８４Ａ，８４Ｂ，８４Ｃの配列順に従ってＡ相コイル８５Ａ，Ｂ相コイル８５Ｂ，Ｃ相コイル８５Ｃが巻かれている。これらのコイルは２つのモータコア８１と８２の突極にまたがって巻かれている。各突極の先端にはピッチＰで歯が形成されている。突極８４Ａ，８４Ｂ，８４Ｃの歯はそれぞれＰ／３ずつ位相がずれている。Ａ相コイル８４Ａ、Ｂ相コイル８４Ｂ、Ｃ相コイル８４Ｃには位相が１２０°ずつずれた正弦波電流が流される。
【００３６】
モータコア８２もモータコア８１と同様な構成になっている。モータコア８２はモータコア８１に対して突極の歯の位相をＰ／２だけずらして配置されている。
Ａ相コイル８４Ａ、Ｂ相コイル８４Ｂ、Ｃ相コイル８４Ｃに３相の正弦波電流を流すことによって、モータコア８１と８２はａ−ａ´方向に移動する。
図４に示すコアが図３の１つのコアに相当する。
【００３７】
図５は図１のセンサの構成例を示した図である。図１のＹ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０は同様な構成になっている。Ｘ軸センサ１９を例に説明する。
図５で、レーザ光源１９１はレーザ光を出射する。レーザ光源１９１の出射光の光路には、ミラー１９２，１９３、ハーフミラー１９４、偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳとする）１９５、λ／４板１９６、コーナーキューブ１９７が配置されている。
【００３８】
レーザ光源１９１から出た光には、ハーフミラー１９４、ミラー１９３、ミラー１９２、ハーフミラー１９４の経路で進み、図のｂ方向に進む光がある。この光を▲１▼の光とする。
また、レーザ光源１９１から出た光には、ハーフミラー１９４、ＰＢＳ１９５、λ／４板１９６、Ｘ軸ミラー１６、λ／４板１９６、ＰＢＳ１９５、コーナーキューブ１９７、λ／４板１９６、Ｘ軸ミラー１６、λ／４板１９６、ＰＢＳ１９５、ハーフミラー１９４の経路で進み、図のｂ方向に進む光がある。この光を▲２▼の光とする。
【００３９】
ミラー１９３はレーザ光源１９１の光軸と４５°の角度をなして配置されている。これに対して、ミラー１９４はレーザ光源１９１の光軸と４５°＋θａの角度をなして配置されている。ミラー１９４の配置角度がθａだけずれていることにより、▲１▼の光の波面が▲２▼の光の波面に対してθａだけずれる。
これによって、▲１▼の光と▲２▼の光が干渉して干渉縞Ｓを作る。フォトダイオードアレイ（ＰＤＡとする）１９８は干渉縞Ｓを検出する。ＰＤＡ１９８は４個のフォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄからなる。４個のフォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄは干渉縞Ｓの１ピッチ内に配置されている。各フォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄはｐ／４（ｐは干渉縞のピッチ）ずつずらして配置されている。
干渉縞のピッチｐ＝λ／θａ（λはレーザ光の波長）となる。
【００４０】
減算器１９９は、（フォトダイオード１９８Ａの検出信号）−（フォトダイオード１９８Ｃの検出信号）なる演算を行う。
減算器２００は、（フォトダイオード１９８Ｂの検出信号）−（フォトダイオード１９８Ｄの検出信号）なる演算を行う。
【００４１】
スライダ部が移動すると、これに伴ってＸ軸センサ１９が移動し、干渉縞が図５のｄ−ｄ´方向に動く。干渉縞が動くと各フォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄに当る干渉縞の明暗部分が動き、フォトダイオード１９８Ａ〜１９８Ｄの検出値が変化する。これをもとにスライダ部１１の位置を検出する。
【００４２】
干渉縞がｄ方向に移動したときは、フォトダイオードの出力ＶA〜ＶDは次のとおりになる。
ＶA＝Ｋ［１＋ｍｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ＶB＝Ｋ［１＋ｍｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ＶC＝Ｋ［１−ｍｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ＶD＝Ｋ［１−ｍｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝］＋Ｋn
ｘｅ：検出対象の距離、Ｋ，ｍ：係数、Ｋn：ノイズ成分
【００４３】
減算器１９９と２００の減算信号は次のとおりになる。
ＶA−ＶC＝２ｍＫｓｉｎ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝
ＶB−ＶD＝２ｍＫｃｏｓ｛ｘｅ・２π／（λ／４）｝
減算の結果、外乱光により発生した直流のノイズ成分Ｋnがキャンセルされる。
信号ＶA−ＶCとＶB−ＶDが前述したＡ相パルスとＢ相パルスに変換される。
干渉縞がｄ´方向に動いたときは、信号ＶA−ＶCとＶB−ＶDの位相関係は逆転する。
【００４４】
コンパレータ２０１，２０２は減算器１９９と２００の減算信号からＡ相パルスとＢ相パルスを生成する。
方向判別回路２０３は、Ａ相パルスとＢ相パルスの位相関係からスライダ部の移動方向を判別し、判別結果に応じてアップパルスまたはダウンパルスを発生する。
【００４５】
アップダウンカウンタ３０はアップパルスまたはダウンパルスに応じてアップカウントまたはダウンカウントを行う。アップダウンカウンタ３０のカウントがスライダ部の検出位置になる。初期状態ではＸ軸モータ１４の各相コイルに既知電流を流したときにモータのロータとステータの歯の位相がどれだけずれるかが予め分っている。この時のアップダウンカウンタ３０の値を基準値、例えば０に設定する。スライダ部の移動に伴ってアップダウンカウンタ３０は基準値からアップカウントまたはダウンカウントを行って位置を検出する。このようにしてインクリメンタル方式に位置検出をする。
【００４６】
図６は図１のセンサの他の構成例を示した図である。
図６で、レーザ光源９０はＹ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０に共通な光源である。Ｙ軸干渉ユニット９１、Ｘ軸干渉ユニット９２，９３はそれぞれＹ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０を構成するユニットである。Ｙ軸干渉ユニット９１及びＸ軸干渉ユニット９２，９３はＹ軸方向及びＸ軸方向にレーザ光を照射し、Ｙ軸ミラー１７及びＸ軸ミラー１６で反射された光を受けて光学的に位置を検出する。
【００４７】
Ｙ軸センサ１８、Ｘ軸センサ１９，２０はコーナーキューブ９４，９５，９６をそれぞれ有する。Ｙ軸センサ１８のコーナーキューブ９４はスライダ部１１のＹ軸方向の中心位置に配置されている。Ｘ軸センサ１９，２０のコーナーキューブ９５，９６はスライダ部１１のＸ軸方向の中心軸に関して対称な位置に配置されている。
このようにコーナーキューブを配置することによって、スライダ部に熱膨張が生じたときに、各コーナーキューブの位置ずれ量がほぼ等しくなる。これによって、熱膨張によりセンサが受ける影響を低減できる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００４９】
請求項１の発明によれば、２つのＸ軸センサの検出信号について和と差をとり、スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号及びスライダ部のヨーイング角θの検出信号に変換している。変換した信号をもとにスライダ部のＸ軸方向移動及びθ方向移動についてそれぞれ独立にフィードバック制御している。このため、θ方向制御の制御方式やサーボゲインをＸ軸方向のそれとは独立に設定できる。これによって、θ方向のサーボ剛性が向上され、スライダ部の回転ずれにより制御不能に陥ることを防止できる。また、ヨーイング方向の位置決め精度を格段に向上できる。
【００５０】
請求項２乃至４の発明によれば、Ｘ軸方向の推力指令値とθ方向の推力指令値を受け、これらの推力指令値の和と差により第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値を生成している。これによって、Ｘ軸方向移動の制御とθ方向移動の制御が互いに非干渉になる条件を満たしながら２つのＸ軸モータに推力指令値を与えることができる。
【００５１】
請求項５の発明によれば、Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値をＩｍａｘ−｜Ｉｒθ｜（Ｉｍａｘは最大推力指令値）に制限しているため、θ方向の推力指令値Ｉｒθの大きさに応じてＸ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値を制限している。これによって、θ方向の制御をＸ軸方向の制御に優先して行うことができ、重負荷時や高加減速時においてもθ方向の制御はＸ軸方向の制御の影響を受けず、その制御特性を維持できる。
【００５２】
請求項６の発明によれば、２つのＸ軸モータの歯はスライダ部の中心に関して点対称に配置されているため、スライダ部に熱膨張が生じたときに、２つのＸ軸モータの歯の位置ずれ量がほぼ等しくなる。これによって、温度変化によりモータが受ける影響を低減できる。
【００５３】
請求項７の発明によれば、Ｙ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＹ軸方向の中心位置に配置され、第１及び第２のＸ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＸ軸方向の中心軸に関して対称な位置に配置されている。このため、スライダ部に熱膨張が生じたときに、各コーナーキューブの位置ずれ量がほぼ等しくなる。これによって、熱膨張によりセンサが受ける影響を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】図１の制御系の概略構成図である。
【図３】本発明の要部構成図である。
【図４】本発明の要部構成図である。
【図５】本発明の要部構成図である。
【図６】本発明の要部構成図である。
【図７】従来における２次元位置決め装置の構成例を示した図である。
【符号の説明】
１０ 格子プラテン
１１ スライダ部
１２ 浮揚手段
１３ Ｙ軸モータ
１４，１５ Ｘ軸モータ
１８ Ｙ軸センサ
１９，２０ Ｘ軸センサ
３６ 変換回路
３７ Ｘ軸位置制御部
３９ Ｘ軸速度制御部
４０ θ位置制御部
４２ θ速度制御部
４３ リミッタ
４４ 指令値変換回路
５６ Ｙ軸位置制御部
５８ Ｙ軸速度制御部
９４〜９６ コーナーキューブ
Claims (7)
- 対象物を２次元方向に位置決めする２次元位置決め装置において、
前記対象物が載せられ、格子プラテン上に浮揚させられたスライダ部と、
このスライダ部をＸ軸方向にそれぞれ移動させる第１及び第２のＸ軸モータと、
前記スライダ部をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＸ軸方向位置を検出する第１及び第２のＸ軸センサと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、
（前記第１のＸ軸センサの検出位置）＋（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置検出信号を生成し、（前記第１のＸ軸センサの検出位置）−（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のヨーイング角θの検出信号を生成する変換回路と、
前記スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号をもとにスライダ部のＸ軸方向位置のフィードバック制御をθ方向制御とは独立に行うＸ軸位置制御部と、
前記スライダ部のヨーイング角θの検出信号をもとにスライダ部のθ方向位置のフィードバック制御をＸ軸方向制御とは独立に行うθ位置制御部と、
前記Ｙ軸センサの位置検出信号をもとにスライダ部のＹ軸方向位置をフィードバック制御するＹ軸位置制御部と、
を具備したことを特徴とする２次元位置決め装置。 - 対象物を２次元方向に位置決めする２次元位置決め装置において、
前記対象物が載せられ、格子プラテン上に浮揚させられたスライダ部と、
このスライダ部をＸ軸方向にそれぞれ移動させる第１及び第２のＸ軸モータと、
前記スライダ部をＹ軸方向に移動させるＹ軸モータと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＸ軸方向位置を検出する第１及び第２のＸ軸センサと、
レーザ干渉計を用いて光学的にスライダ部のＹ軸方向位置を検出するＹ軸センサと、
（前記第１のＸ軸センサの検出位置）＋（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のＸ軸方向の位置検出信号を生成し、（前記第１のＸ軸センサの検出位置）−（前記第２のＸ軸センサの検出位置）をもとにスライダ部のヨーイング角θの検出信号を生成する変換回路と、
前記スライダ部のＸ軸方向の位置検出信号をもとにスライダ部のＸ軸方向移動のフィードバック制御をθ方向制御とは独立に行うＸ軸位置速度制御部と、
前記スライダ部のヨーイング角θの検出信号をもとにスライダ部のθ方向移動のフィードバック制御をＸ軸方向制御とは独立に行うθ位置速度制御部と、
前記Ｙ軸センサの位置検出信号をもとにスライダ部のＹ軸方向位置をフィードバック制御するＹ軸位置制御部と、
前記Ｘ軸位置速度制御部が出力する制御信号をＸ軸方向の推力指令値とし、前記θ位置速度制御部が出力する制御信号をθ方向の推力指令値とし、これらの推力指令値を（Ｘ軸方向の推力指令値）＋（θ方向の推力指令値）及び（Ｘ軸方向の推力指令値）−（θ方向の推力指令値）に変換することによって前記第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値を生成する指令値変換回路と、
を具備したことを特徴とする２次元位置決め装置。 - 前記第１及び第２のＸ軸モータの推力指令値をもとに前記第１及び第２のＸ軸モータの転流制御とコイルに流れる電流の制御を行う転流・電流制御回路を具備したことを特徴とする請求項２記載の２次元位置決め装置。
- 前記第１及び第２のＸ軸モータは、スライダ部の中心に対して対称な位置にそれぞれ搭 載され、
前記第１及び第２のＸ軸センサは、前記第１及び第２のＸ軸モータにそれぞれ搭載されていることを特徴とする請求項１または２記載の２次元位置決め装置。 - Ｘ軸方向の推力指令値Ｉｒ０のリミット値をＩｍａｘ−｜Ｉｒθ｜（Ｉｍａｘは最大推力指令値、Ｉｒθはθ方向の推力指令値）に制限し、θ方向の推力指令値Ｉｒθの大きさに応じて推力指令値Ｉｒ０のリミット値を制限するリミッタを設けたことを特徴とする請求項２記載の２次元位置決め装置。
- 前記プラテンはＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成され、前記第１及び第２のＸ軸モータは、前記格子プラテンの歯と対向する位置にＸ軸方向に沿って一定ピッチで歯が形成されたコアをそれぞれ有し、第１のＸ軸モータのコアと第２のＸ軸モータのコアはスライダ部の中心に関して点対称に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の２次元位置決め装置。
- 前記Ｙ軸センサと第１及び第２のＸ軸センサはコーナーキューブを有し、Ｙ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＹ軸方向の中心位置に配置され、第１及び第２のＸ軸センサのコーナーキューブはスライダ部のＸ軸方向の中心軸に関して対称な位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の２次元位置決め装置。
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