JP3720607B2 - 超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置に関するものであり、例えば、直線案内装置として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体リソグラフィ用の走査型露光装置のように、レチクルやウエハを載置するステージなどの可動体を高精度に微小移動させる案内装置の駆動源として超音波モータを用いたものが提案されている。
【０００３】
図８は超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図で、ベース基盤１１上に一対のクロスローラガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材１２によって可動体であるステージ１３が直線的に案内されるようになっている。
【０００４】
また、一対のガイド部材１２の間でステージ１３の下面には、上記ガイド部材１２に対して平行に被駆動部材１４とリニアスケール１６がそれぞれ固定してあり、上記リニアスケール１６と対向する位置には測定ヘッド１７を設置して位置検出手段１８を構成するとともに、上記被駆動部材１４には、その長手方向に対して垂直に超音波モータ１５を当接させてあり、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１８からの位置信号と、予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基に制御部１９にてＰＩＤ演算処理を行い、駆動用ドライバー２０に指令信号を出力し、駆動用ドライバー２０より指令電圧を出力して超音波モータ１５を駆動させることで、ステージ１３をガイド部材１２に沿って移動、位置決めするようになっていた。
【０００５】
このように、超音波モータ１５は電磁モータのような他の駆動源に比べて精密な位置決めができるとともに、案内装置をコンパクトに設計することが可能であり、保守性に優れるなどの利点があった。
【０００６】
しかしながら、超音波モータ１５は被駆動部材１４との摩擦により駆動力を発生する、いわゆる摩擦駆動方式であるため、摩擦力（静摩擦力）に起因する不感帯を有している。このため電磁モータなどに比べ制御が複雑となるといった課題があった。
【０００７】
即ち、不感帯が存在すると、特に起動時に静止摩擦力を脱するために多くのエネルギーが必要となり、制御部１９からの出力に対して線形応答せず、希望通りの制御を行うことが困難であった。また、この傾向はステージ１３の負荷やステージ１３に要求される加速度や速度が大きくなればなるほど顕著となり、位置偏差の増大に伴って安定した制御ができなくなったり、位置決め制定に要する時間が長くなる、などの課題があった。
【０００８】
このような超音波モータ１５の持つ不感帯を考慮に入れたものとして、特開平８−１９６０９０号公報に記載のものがある。
【０００９】
図９にそのブロック線図を示すように、制御部１９は、予め設定されたステージ１３の移動プロファイルが格納されている目標値発生部３１と、ＰＩＤ演算処理を行うフィードバック制御部３２と、オフセット信号制御部３３とからなり、超音波モータ１５の持つ不感帯を補償するオフセット信号を、位置検出手段１８からの位置信号２１５に基づいてオフセット信号制御部３３にて算出し、フィードバック制御３２からの指令信号２１２に重畳するようにしたもので、不感帯分を相殺することで超音波モータ１５の線形応答領域のみを用いてフィードバック制御を実行するため、制御量を安定させることができるといった利点があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ステージ１３を定速移動から再加速させたり、減速させたりする場合、停止状態での静止摩擦力に起因する非線形応答とは異なる挙動を示すため、ステージ１３の移動状況に応じてオフセット信号２１３を変化させる必要があるが、オフセット信号２１３はフィードバック制御部３２からの指令信号２１２と独立しているため、ステージ１３の移動中にむやみに変化させると、制御系が不安定となる恐れがあった。
【００１１】
そして、特開平８−１９６０９０号公報に開示されている制御部１９では、オフセット信号２１３を可変としているものの、変化させる値はステージ１３の実際の移動量から推定されたものであることから、予め設定されているステージ１３の移動プロファイルとの位置偏差が大きいと制御が不安定となるといった課題があった。
【００１２】
その為、可動体の移動プロファイルを基に露光処理を同期させる走査型露光装置のような案内装置では、描画精度や処理速度を低下させるといった課題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、可動体の駆動源をなす超音波モータと、上記可動体の変位を検出する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号と、予め設定された可動体の移動プロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音波モータへ指令信号を出力する制御部とからなり、上記制御部からの指令信号に、上記超音波モータの不感帯幅を越えるオフセット信号を重畳するとともに、前記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時には、その時の加速度及び加速前後における速度差に基づいて直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳することによって可動体を超音波モータにて駆動させる案内装置を構成したものである。
【００１４】
また、本発明は、上記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時の加速度をα（ｍｍ／ｓｅｃ2 ）、加速前後の速度差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、上記オフセット信号をその再加速開始時又は減速開始時より０．００２×｜α｜秒手前から２０×｜ΔＶ｜／｜α｜の変化率で直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳するようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１は超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。なお、従来と同一部分については同一符号で示す。この案内装置は、ベース基盤１１上に一対のクロスローラガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材１２によって可動体であるステージ１３を直線的に案内するようになっている。また、一対のガイド部材１２の間でステージ１３の下面には、上記ガイド部材１２に対して平行に被駆動部材１４とリニアスケール１６をそれぞれ固定してあり、上記リニアスケール１６と対向する位置には測定ヘッド１７を設置して位置検出手段１８を構成するとともに、上記被駆動部材１４には、その長手方向に対して垂直に超音波モータ１５を当接させてあり、この超音波モータ１５を駆動させることでステージ１３をガイド部材１２に沿って移動、位置決めするようになっている。
【００１７】
また、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１８からの位置信号は、制御部１に送られ、この制御部１にて予め設定されたステージ１３の移動プロファイルに基づく位置信号と比較して位置偏差を求め、この位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理した出力値を指令信号として駆動用ドライバー２０へ出力し、この駆動用ドライバー２０からの指令電圧に基づいて超音波モータ１５を駆動するようになっている。
【００１８】
図２に本発明の案内装置のブロック線図を示すように、制御部１は、フィードバック制御部２２、目標値発生部２１、及びオフセット信号指令部２３とからなり、ステージ１３への要求位置は、予め設定されたステージ１３の移動プロファイルが格納されている目標値発生部２１より時間の関数として与えられ、フィードバック制御部２２へ送るとともに、ステージ１３の現在位置は、位置検出手段１８にて検出され、フィードバック制御部２２へ送るようになっている。そしてこのフィードバック制御部２２では、目標値発生部２１からの要求位置信号１１１と位置検出手段１８からの実際の位置信号１１５の２つの信号から位置偏差を計算し、所定のパラメータを用いたＰＩＤ演算処理を実行することで、ステージ１３の移動位置を決定する指令信号１１２を出力するようになっている。
【００１９】
また、ステージ１３に要求される移動プロファイルに基づき、オフセット信号指令部２３では、超音波モータ１５の不感帯を補償するため、不感帯幅を越えるオフセット信号１１３を、速度変化、加速度、および時間のパラメータに係る関数として決定し、その結果をデータテーブル２４に格納してあり、オフセット信号指令部２３では時間経過に対応したデータテーブル２４の値をオフセット信号１１３として取り出し、フィードバック制御部２２からの指令信号１１２に重畳するようになっている。
【００２０】
ここで、予めデータテーブル２４に格納すべきオフセット信号１１３の値は、要求される移動プロファイルに対応させた変化を実現できるよう、ステージ１３の移動開始からの経過時間を基準に、ステージ１３へ要求される速度変化と加速度の関数として表現する。これらは移動プロファイルから決定される既知のパラメータであるので、移動制御を実行するに先だって計算しておくことが可能であり、高速処理のためのデジタル信号プロセッサ等を追加することなく、簡単に実現できる。
【００２１】
上記オフセット信号１１３を決定するにあたっては、予め使用する超音波モータ１５の不感帯幅を測定し、それに相当する出力を初期値とし、初期値を基準とした変化を上記パラメータの関数として求める。
【００２２】
即ち、初期値はステージ１３の移動開始時に適用されるオフセット信号１１３の値であり、指令信号とステージ１３の応答（静止摩擦を脱出するためのエネルギー）の相関関係を予備的に測定しておくことでより理想的な制御を行うことが可能となる。なお、初期値は案内装置の状態により経時的に変化することが予想されるので、定期的に測定を実施し、更新する必要がある。
【００２３】
具体的には、静止状態からステージ１３をスムーズに移動させるのに必要な不感帯幅を越える値をオフセット信号１１３の初期値とし、ステージ１３が移動プロファイルに基づいて再加速や減速する際には、その時の加速度をα（ｍｍ／ｓｅｃ２）、加速前後の速度差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、移動プロファイルにおける再加速又は減速の開始時刻の０．００２×｜α｜秒手前より２０×｜ΔＶ｜／｜α｜の変化率で直線的に増加あるいは減少させたオフセット信号１１３に指令信号１１２を重畳すれば良い。
【００２４】
そして、指令信号１１２にオフセット信号１１３を重畳した最終の指令信号１１４が駆動用ドライバー２０へ送られ、指令電圧として超音波モータ１５へ出力するようになっている。
【００２５】
このように、本発明によれば、予め設定されているステージ１３の移動プロファイルに基づいてオフセット信号１１３を可変としてあるため、ステージ１３が定速状態から再加速したり、減速するような複雑な動きをする場合であっても、ステージ１３の実際の移動量から推定してオフセット信号２１３を可変とする従来のものに較べて制御系の安定性が高く、要求された移動プロファイルをより忠実に実行させることができる。
【００２６】
かくして、本発明の案内装置を例えば、可動体の移動プロファイルを基に露光処理を同期させる走査型露光装置のような案内装置に適用すれば、描画精度や処理速度を向上させることができる。
【００２７】
【実施例】
ここで、本発明の案内装置と従来の案内装置をそれぞれ用意し、可動体をなすステージ１３をある移動プロファイルに基づいて移動させた時の移動特性を調べる実験を行った。
【００２８】
本実験において、案内装置を構成するステージ１３は、３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍの板状体をしたもので、純度９９．５％のアルミナセラミックスにより形成した。また、被駆動部材１４は、３０ｍｍ×３０ｍｍ×３００ｍｍの柱状体をしたもので、ステージ１３と同材質のアルミナセラミックスにより形成した。なお、ステージ１３及び被駆動部材１４の総荷重を測定したところ、１０ｋｇであった。
【００２９】
また、ステージ１３を案内する一対のガイド部材１２として、長さが３００ｍｍのクロスロ−ラガイドを用いるとともに、ステージ１３の駆動源をなす超音波モータ１５として、イスラエル・ナノモーション社製の超音波モータ（形式ＳＰ−８）を用いた。
【００３０】
さらに、位置検出手段１８を構成するリニアスケール１４として、最小分解能０．２μｍ、応答周波数１ＭＨｚのものを用いた。
【００３１】
また、制御部１のオフセット信号指令部２３のデータテーブル２４へインプットするオフセット信号１１３の初期値は、以下のようにして求めた。
【００３２】
(1) 静止状態にある超音波モータ１５に開ループで指令電圧を所定の増加率で徐々に加え、位置検出手段１８からの位置信号を読み取る。
【００３３】
(2) ステージ１３の移動量が所定のしきい値を越えた時点での指令電圧値を不感帯幅に相当するオフセット信号１１３として記録する。
【００３４】
(3) (1) 及び(2) を静止位置、始動方向を変えて数点測定し、それらの平均値をオフセット信号１１３の初期値としてデータテーブル２４に記録する。
【００３５】
次に、ステージ１３の移動プロファイルとして、図３に示す移動プロファイルを関数として目標値発生部２１に記録する。
【００３６】
そして、本発明の案内装置においては、図３に示す移動プロファイルに基づくオフセット信号１１３を、図４に示す関数としてオフセット信号指令部２３のデータデーブル２４に記録する。
【００３７】
即ち、図４において、ステージ１３の始動時の加速及び加速完了後の定速移動時のオフセット信号値１１３は、上記初期値に等しいため、予め２．０Ｖのオフセット信号１１３を指令信号１１２に重畳させるようにする。そして、ステージ１３が再加速を行う時には、この再加速時の加速度αが５００（ｍｍ／ｓｅｃ２）、加速開始前と加速終了後の速度差ΔＶが５０（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、図３における移動プロファイルの再加速開始時である１．１秒より０．００２×｜α｜＝０．１秒手前の１．０秒から２０×｜ΔＶ｜／｜α｜＝２の変化率で増加するようにオフセット信号１１３を直線的に増加させたあと、再度定速状態では、オフセット信号１１３の初期値に増加分をプラスした値を指令信号１１２に重畳する。そして、ステージ１３が減速を行う時には、この減速時の加速度αが−５００（ｍｍ／ｓｅｃ２）、減速開始前と減速終了後の速度差ΔＶが−１００（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、図３における移動プロファイルの減速開始時である２．２秒より０．００２×｜α｜＝０．１秒手前の２．１秒から２０×｜ΔＶ｜／｜α｜＝４の変化率で減少するようにオフセット信号１１３を直線的に減少させるようにした。なお、上記オフセット信号１１３の変更は、変速行程が終了（定速状態、あるいは停止）するまで続けるものとした。また、オフセット信号１１３は、ステージ１３の移動中にリアルタイムで計算させるようにしても良いが、本実験では、予めサーボインターバル間隔で信号値を計算しておき、プロセッサが参照するデータテーブル２４中に格納する方式を採用した。
【００３８】
フィードバック制御部２２およびデータテーブル２４からのオフセット信号１１３の参照は同一のプロセッサで、サーボインターバルを０．５ｍｓｅｃとして実行した。フィードバック制御部２２はＰＩＤ演算処理を用い、位置検出手段１８から検出したステージ１３の実際の位置信号１１５と、予め目標値発生部２１に格納している位置信号１１１との位置偏差を求め、数１に基づいてＰＩＤ演算処理を施して指令信号１１２を算出するようにした。
【００３９】
【数１】
【００４０】
ここで、Ｖout は指令信号１１２の値、Ｅはステージ１３の実際の位置と要求位置との位置偏差、Ｉはステージ１３の移動開始からの位置偏差の積分和、Ｄは前回のサーボインターバル時間内における位置偏差と現在の位置偏差との差を表し、Ｋｐ，ＩＫｉ，ＤＫｄは各項のゲインを表すパラメータで、予め駆動系の周波数応答特性から割り出した系固有の値である。従って、超音波モータ１５への最終指令信号１１４は数２のようになる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
ここで、Ｖofs はオフセット信号１１３で、サーボインターバル時間に対応する値として、予めデータテーブル２４（ここではプロセッサの用いるデータメモリ）上に格納されている値、Ｖは駆動用ドライバー２０へ出力する最終指令信号１１４の値である。
【００４３】
一方、比較例として、ステージ１３、超音波モータ１５、位置検出手段１８、およびフィードバック制御部２２の構成は本発明と基本的に同じとし、比較例１としては、オフセット信号を上記不感帯の測定により得られた初期値を固定値として連続的に指令信号１１２に重畳し、比較例２としては、オフセット信号２１３の初期値を比較例１と同じとし、その後のオフセット信号２１３を数３より算出される制御量（ステージの移動量）に基づく帰還をかけた値を指令信号１１２に重畳するようにした。
【００４４】
【数３】
【００４５】
そして、これらの案内装置の駆動特性を調べる実験を行った。なお、安定した駆動特性は位置偏差の変化量を見ることで確認することができるため、この位置偏差の変化の度合いをモニターすることで確認するようにした。
【００４６】
本発明の案内装置における時間と位置偏差との関係は図５に、比較例１の案内装置における時間と位置偏差との関係は図６に、比較例２の案内装置における時間と位置偏差との関係は図７にそれぞれ示す通りである。
【００４７】
これらの結果より明らかなように、本発明の案内装置では、ステージ１３の移移動中において位置偏差の変化が殆どなく、ステージ１３が再加速したり、減速するような複雑な移動プロファイルにおいても忠実に駆動させることができることが判る。
【００４８】
これに対し、比較例１では、ステージ１３の再加速に対して迅速に対応できず、位置偏差の収束が大幅に遅れて、比較例２では、比較例１に較べると位置偏差の収束は早いものの、再加速開始時や減速開始時において、瞬間的に位置偏差の乱れが生じ、リカバリータイムを考慮する必要があることが判る。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、可動体の駆動源をなす超音波モータと、上記可動体の変位を検出する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号と、予め設定された可動体の移動プロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音波モータへの指令信号を出力する制御部とからなり、上記制御部からの指令信号に、上記超音波モータの不感帯幅を越えるオフセット信号を重畳するとともに、前記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時には、その時の加速度及び速度差に基づいて直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳することによって可動体を超音波モータにて駆動させるようにして案内装置を構成したので、可動体に複雑な移動プロファイルが要求される場合でも、その移動プロファイルに応じて忠実に可動体を移動、位置決めすることができ、最適な制御を行うことができるので、特に可動体の移動プロファイルからの偏差を厳密に管理する必要がある走査型露光装置のような案内装置として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。
【図２】本発明の案内装置を示すブロック線図である。
【図３】実験において、ステージの移動プロファイルである速度と時間との関係を示すグラフである。
【図４】実験において、本発明の案内装置においてオフセット信号指令部のデータテーブルに格納するオフセット信号値と時間との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の案内装置における時間と位置偏差との関係を示すグラフである。
【図６】比較例１の案内装置における時間と位置偏差との関係を示すグラフである。
【図７】比較例２の案内装置における時間と位置偏差との関係を示すグラフである。
【図８】超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。
【図９】従来の案内装置を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１，１９・・・制御部
１１・・・ベース基盤
１２・・・ガイド部材
１３・・・ステージ
１４・・・被駆動部材
１５・・・超音波モータ
１６・・・リニアスケール
１７・・・測定ヘッド
１８・・・位置検出手段
２０・・・駆動用ドライバー
２１・・・目標値発生部
２２・・・フィードバック制御部
２３・・・オフセット信号指令部
２４・・・データテーブル
１１２・・・指令信号
１１３・・・オフセット信号
１１４・・・最終指令信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置に関するものであり、例えば、直線案内装置として好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体リソグラフィ用の走査型露光装置のように、レチクルやウエハを載置するステージなどの可動体を高精度に微小移動させる案内装置の駆動源として超音波モータを用いたものが提案されている。
【０００３】
図８は超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図で、ベース基盤１１上に一対のクロスローラガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材１２によって可動体であるステージ１３が直線的に案内されるようになっている。
【０００４】
また、一対のガイド部材１２の間でステージ１３の下面には、上記ガイド部材１２に対して平行に被駆動部材１４とリニアスケール１６がそれぞれ固定してあり、上記リニアスケール１６と対向する位置には測定ヘッド１７を設置して位置検出手段１８を構成するとともに、上記被駆動部材１４には、その長手方向に対して垂直に超音波モータ１５を当接させてあり、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１８からの位置信号と、予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基に制御部１９にてＰＩＤ演算処理を行い、駆動用ドライバー２０に指令信号を出力し、駆動用ドライバー２０より指令電圧を出力して超音波モータ１５を駆動させることで、ステージ１３をガイド部材１２に沿って移動、位置決めするようになっていた。
【０００５】
このように、超音波モータ１５は電磁モータのような他の駆動源に比べて精密な位置決めができるとともに、案内装置をコンパクトに設計することが可能であり、保守性に優れるなどの利点があった。
【０００６】
しかしながら、超音波モータ１５は被駆動部材１４との摩擦により駆動力を発生する、いわゆる摩擦駆動方式であるため、摩擦力（静摩擦力）に起因する不感帯を有している。このため電磁モータなどに比べ制御が複雑となるといった課題があった。
【０００７】
即ち、不感帯が存在すると、特に起動時に静止摩擦力を脱するために多くのエネルギーが必要となり、制御部１９からの出力に対して線形応答せず、希望通りの制御を行うことが困難であった。また、この傾向はステージ１３の負荷やステージ１３に要求される加速度や速度が大きくなればなるほど顕著となり、位置偏差の増大に伴って安定した制御ができなくなったり、位置決め制定に要する時間が長くなる、などの課題があった。
【０００８】
このような超音波モータ１５の持つ不感帯を考慮に入れたものとして、特開平８−１９６０９０号公報に記載のものがある。
【０００９】
図９にそのブロック線図を示すように、制御部１９は、予め設定されたステージ１３の移動プロファイルが格納されている目標値発生部３１と、ＰＩＤ演算処理を行うフィードバック制御部３２と、オフセット信号制御部３３とからなり、超音波モータ１５の持つ不感帯を補償するオフセット信号を、位置検出手段１８からの位置信号２１５に基づいてオフセット信号制御部３３にて算出し、フィードバック制御３２からの指令信号２１２に重畳するようにしたもので、不感帯分を相殺することで超音波モータ１５の線形応答領域のみを用いてフィードバック制御を実行するため、制御量を安定させることができるといった利点があった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ステージ１３を定速移動から再加速させたり、減速させたりする場合、停止状態での静止摩擦力に起因する非線形応答とは異なる挙動を示すため、ステージ１３の移動状況に応じてオフセット信号２１３を変化させる必要があるが、オフセット信号２１３はフィードバック制御部３２からの指令信号２１２と独立しているため、ステージ１３の移動中にむやみに変化させると、制御系が不安定となる恐れがあった。
【００１１】
そして、特開平８−１９６０９０号公報に開示されている制御部１９では、オフセット信号２１３を可変としているものの、変化させる値はステージ１３の実際の移動量から推定されたものであることから、予め設定されているステージ１３の移動プロファイルとの位置偏差が大きいと制御が不安定となるといった課題があった。
【００１２】
その為、可動体の移動プロファイルを基に露光処理を同期させる走査型露光装置のような案内装置では、描画精度や処理速度を低下させるといった課題があった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、可動体の駆動源をなす超音波モータと、上記可動体の変位を検出する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号と、予め設定された可動体の移動プロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音波モータへ指令信号を出力する制御部とからなり、上記制御部からの指令信号に、上記超音波モータの不感帯幅を越えるオフセット信号を重畳するとともに、前記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時には、その時の加速度及び加速前後における速度差に基づいて直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳することによって可動体を超音波モータにて駆動させる案内装置を構成したものである。
【００１４】
また、本発明は、上記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時の加速度をα（ｍｍ／ｓｅｃ2 ）、加速前後の速度差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、上記オフセット信号をその再加速開始時又は減速開始時より０．００２×｜α｜秒手前から２０×｜ΔＶ｜／｜α｜の変化率で直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳するようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１は超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。なお、従来と同一部分については同一符号で示す。この案内装置は、ベース基盤１１上に一対のクロスローラガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、この一対のガイド部材１２によって可動体であるステージ１３を直線的に案内するようになっている。また、一対のガイド部材１２の間でステージ１３の下面には、上記ガイド部材１２に対して平行に被駆動部材１４とリニアスケール１６をそれぞれ固定してあり、上記リニアスケール１６と対向する位置には測定ヘッド１７を設置して位置検出手段１８を構成するとともに、上記被駆動部材１４には、その長手方向に対して垂直に超音波モータ１５を当接させてあり、この超音波モータ１５を駆動させることでステージ１３をガイド部材１２に沿って移動、位置決めするようになっている。
【００１７】
また、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１８からの位置信号は、制御部１に送られ、この制御部１にて予め設定されたステージ１３の移動プロファイルに基づく位置信号と比較して位置偏差を求め、この位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理した出力値を指令信号として駆動用ドライバー２０へ出力し、この駆動用ドライバー２０からの指令電圧に基づいて超音波モータ１５を駆動するようになっている。
【００１８】
図２に本発明の案内装置のブロック線図を示すように、制御部１は、フィードバック制御部２２、目標値発生部２１、及びオフセット信号指令部２３とからなり、ステージ１３への要求位置は、予め設定されたステージ１３の移動プロファイルが格納されている目標値発生部２１より時間の関数として与えられ、フィードバック制御部２２へ送るとともに、ステージ１３の現在位置は、位置検出手段１８にて検出され、フィードバック制御部２２へ送るようになっている。そしてこのフィードバック制御部２２では、目標値発生部２１からの要求位置信号１１１と位置検出手段１８からの実際の位置信号１１５の２つの信号から位置偏差を計算し、所定のパラメータを用いたＰＩＤ演算処理を実行することで、ステージ１３の移動位置を決定する指令信号１１２を出力するようになっている。
【００１９】
また、ステージ１３に要求される移動プロファイルに基づき、オフセット信号指令部２３では、超音波モータ１５の不感帯を補償するため、不感帯幅を越えるオフセット信号１１３を、速度変化、加速度、および時間のパラメータに係る関数として決定し、その結果をデータテーブル２４に格納してあり、オフセット信号指令部２３では時間経過に対応したデータテーブル２４の値をオフセット信号１１３として取り出し、フィードバック制御部２２からの指令信号１１２に重畳するようになっている。
【００２０】
ここで、予めデータテーブル２４に格納すべきオフセット信号１１３の値は、要求される移動プロファイルに対応させた変化を実現できるよう、ステージ１３の移動開始からの経過時間を基準に、ステージ１３へ要求される速度変化と加速度の関数として表現する。これらは移動プロファイルから決定される既知のパラメータであるので、移動制御を実行するに先だって計算しておくことが可能であり、高速処理のためのデジタル信号プロセッサ等を追加することなく、簡単に実現できる。
【００２１】
上記オフセット信号１１３を決定するにあたっては、予め使用する超音波モータ１５の不感帯幅を測定し、それに相当する出力を初期値とし、初期値を基準とした変化を上記パラメータの関数として求める。
【００２２】
即ち、初期値はステージ１３の移動開始時に適用されるオフセット信号１１３の値であり、指令信号とステージ１３の応答（静止摩擦を脱出するためのエネルギー）の相関関係を予備的に測定しておくことでより理想的な制御を行うことが可能となる。なお、初期値は案内装置の状態により経時的に変化することが予想されるので、定期的に測定を実施し、更新する必要がある。
【００２３】
具体的には、静止状態からステージ１３をスムーズに移動させるのに必要な不感帯幅を越える値をオフセット信号１１３の初期値とし、ステージ１３が移動プロファイルに基づいて再加速や減速する際には、その時の加速度をα（ｍｍ／ｓｅｃ２）、加速前後の速度差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、移動プロファイルにおける再加速又は減速の開始時刻の０．００２×｜α｜秒手前より２０×｜ΔＶ｜／｜α｜の変化率で直線的に増加あるいは減少させたオフセット信号１１３に指令信号１１２を重畳すれば良い。
【００２４】
そして、指令信号１１２にオフセット信号１１３を重畳した最終の指令信号１１４が駆動用ドライバー２０へ送られ、指令電圧として超音波モータ１５へ出力するようになっている。
【００２５】
このように、本発明によれば、予め設定されているステージ１３の移動プロファイルに基づいてオフセット信号１１３を可変としてあるため、ステージ１３が定速状態から再加速したり、減速するような複雑な動きをする場合であっても、ステージ１３の実際の移動量から推定してオフセット信号２１３を可変とする従来のものに較べて制御系の安定性が高く、要求された移動プロファイルをより忠実に実行させることができる。
【００２６】
かくして、本発明の案内装置を例えば、可動体の移動プロファイルを基に露光処理を同期させる走査型露光装置のような案内装置に適用すれば、描画精度や処理速度を向上させることができる。
【００２７】
【実施例】
ここで、本発明の案内装置と従来の案内装置をそれぞれ用意し、可動体をなすステージ１３をある移動プロファイルに基づいて移動させた時の移動特性を調べる実験を行った。
【００２８】
本実験において、案内装置を構成するステージ１３は、３００ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍの板状体をしたもので、純度９９．５％のアルミナセラミックスにより形成した。また、被駆動部材１４は、３０ｍｍ×３０ｍｍ×３００ｍｍの柱状体をしたもので、ステージ１３と同材質のアルミナセラミックスにより形成した。なお、ステージ１３及び被駆動部材１４の総荷重を測定したところ、１０ｋｇであった。
【００２９】
また、ステージ１３を案内する一対のガイド部材１２として、長さが３００ｍｍのクロスロ−ラガイドを用いるとともに、ステージ１３の駆動源をなす超音波モータ１５として、イスラエル・ナノモーション社製の超音波モータ（形式ＳＰ−８）を用いた。
【００３０】
さらに、位置検出手段１８を構成するリニアスケール１４として、最小分解能０．２μｍ、応答周波数１ＭＨｚのものを用いた。
【００３１】
また、制御部１のオフセット信号指令部２３のデータテーブル２４へインプットするオフセット信号１１３の初期値は、以下のようにして求めた。
【００３２】
(1) 静止状態にある超音波モータ１５に開ループで指令電圧を所定の増加率で徐々に加え、位置検出手段１８からの位置信号を読み取る。
【００３３】
(2) ステージ１３の移動量が所定のしきい値を越えた時点での指令電圧値を不感帯幅に相当するオフセット信号１１３として記録する。
【００３４】
(3) (1) 及び(2) を静止位置、始動方向を変えて数点測定し、それらの平均値をオフセット信号１１３の初期値としてデータテーブル２４に記録する。
【００３５】
次に、ステージ１３の移動プロファイルとして、図３に示す移動プロファイルを関数として目標値発生部２１に記録する。
【００３６】
そして、本発明の案内装置においては、図３に示す移動プロファイルに基づくオフセット信号１１３を、図４に示す関数としてオフセット信号指令部２３のデータデーブル２４に記録する。
【００３７】
即ち、図４において、ステージ１３の始動時の加速及び加速完了後の定速移動時のオフセット信号値１１３は、上記初期値に等しいため、予め２．０Ｖのオフセット信号１１３を指令信号１１２に重畳させるようにする。そして、ステージ１３が再加速を行う時には、この再加速時の加速度αが５００（ｍｍ／ｓｅｃ２）、加速開始前と加速終了後の速度差ΔＶが５０（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、図３における移動プロファイルの再加速開始時である１．１秒より０．００２×｜α｜＝０．１秒手前の１．０秒から２０×｜ΔＶ｜／｜α｜＝２の変化率で増加するようにオフセット信号１１３を直線的に増加させたあと、再度定速状態では、オフセット信号１１３の初期値に増加分をプラスした値を指令信号１１２に重畳する。そして、ステージ１３が減速を行う時には、この減速時の加速度αが−５００（ｍｍ／ｓｅｃ２）、減速開始前と減速終了後の速度差ΔＶが−１００（ｍｍ／ｓｅｃ）であるため、図３における移動プロファイルの減速開始時である２．２秒より０．００２×｜α｜＝０．１秒手前の２．１秒から２０×｜ΔＶ｜／｜α｜＝４の変化率で減少するようにオフセット信号１１３を直線的に減少させるようにした。なお、上記オフセット信号１１３の変更は、変速行程が終了（定速状態、あるいは停止）するまで続けるものとした。また、オフセット信号１１３は、ステージ１３の移動中にリアルタイムで計算させるようにしても良いが、本実験では、予めサーボインターバル間隔で信号値を計算しておき、プロセッサが参照するデータテーブル２４中に格納する方式を採用した。
【００３８】
フィードバック制御部２２およびデータテーブル２４からのオフセット信号１１３の参照は同一のプロセッサで、サーボインターバルを０．５ｍｓｅｃとして実行した。フィードバック制御部２２はＰＩＤ演算処理を用い、位置検出手段１８から検出したステージ１３の実際の位置信号１１５と、予め目標値発生部２１に格納している位置信号１１１との位置偏差を求め、数１に基づいてＰＩＤ演算処理を施して指令信号１１２を算出するようにした。
【００３９】
【数１】
ここで、Ｖout は指令信号１１２の値、Ｅはステージ１３の実際の位置と要求位置との位置偏差、Ｉはステージ１３の移動開始からの位置偏差の積分和、Ｄは前回のサーボインターバル時間内における位置偏差と現在の位置偏差との差を表し、Ｋｐ，ＩＫｉ，ＤＫｄは各項のゲインを表すパラメータで、予め駆動系の周波数応答特性から割り出した系固有の値である。従って、超音波モータ１５への最終指令信号１１４は数２のようになる。
【００４１】
【数２】
ここで、Ｖofs はオフセット信号１１３で、サーボインターバル時間に対応する値として、予めデータテーブル２４（ここではプロセッサの用いるデータメモリ）上に格納されている値、Ｖは駆動用ドライバー２０へ出力する最終指令信号１１４の値である。
【００４３】
一方、比較例として、ステージ１３、超音波モータ１５、位置検出手段１８、およびフィードバック制御部２２の構成は本発明と基本的に同じとし、比較例１としては、オフセット信号を上記不感帯の測定により得られた初期値を固定値として連続的に指令信号１１２に重畳し、比較例２としては、オフセット信号２１３の初期値を比較例１と同じとし、その後のオフセット信号２１３を数３より算出される制御量（ステージの移動量）に基づく帰還をかけた値を指令信号１１２に重畳するようにした。
【００４４】
【数３】
そして、これらの案内装置の駆動特性を調べる実験を行った。なお、安定した駆動特性は位置偏差の変化量を見ることで確認することができるため、この位置偏差の変化の度合いをモニターすることで確認するようにした。
【００４６】
本発明の案内装置における時間と位置偏差との関係は図５に、比較例１の案内装置における時間と位置偏差との関係は図６に、比較例２の案内装置における時間と位置偏差との関係は図７にそれぞれ示す通りである。
【００４７】
これらの結果より明らかなように、本発明の案内装置では、ステージ１３の移移動中において位置偏差の変化が殆どなく、ステージ１３が再加速したり、減速するような複雑な移動プロファイルにおいても忠実に駆動させることができることが判る。
【００４８】
これに対し、比較例１では、ステージ１３の再加速に対して迅速に対応できず、位置偏差の収束が大幅に遅れて、比較例２では、比較例１に較べると位置偏差の収束は早いものの、再加速開始時や減速開始時において、瞬間的に位置偏差の乱れが生じ、リカバリータイムを考慮する必要があることが判る。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、可動体の駆動源をなす超音波モータと、上記可動体の変位を検出する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号と、予め設定された可動体の移動プロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音波モータへの指令信号を出力する制御部とからなり、上記制御部からの指令信号に、上記超音波モータの不感帯幅を越えるオフセット信号を重畳するとともに、前記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時には、その時の加速度及び速度差に基づいて直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳することによって可動体を超音波モータにて駆動させるようにして案内装置を構成したので、可動体に複雑な移動プロファイルが要求される場合でも、その移動プロファイルに応じて忠実に可動体を移動、位置決めすることができ、最適な制御を行うことができるので、特に可動体の移動プロファイルからの偏差を厳密に管理する必要がある走査型露光装置のような案内装置として好適に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超音波モータを可動体の駆動源とする本発明の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。
【図２】本発明の案内装置を示すブロック線図である。
【図３】実験において、ステージの移動プロファイルである速度と時間との関係を示すグラフである。
【図４】実験において、本発明の案内装置においてオフセット信号指令部のデータテーブルに格納するオフセット信号値と時間との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の案内装置における時間と位置偏差との関係を示すグラフである。
【図６】比較例１の案内装置における時間と位置偏差との関係を示すグラフである。
【図７】比較例２の案内装置における時間と位置偏差との関係を示すグラフである。
【図８】超音波モータを可動体の駆動源とする従来の案内装置の一例を示す一部を破断した斜視図である。
【図９】従来の案内装置を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１，１９・・・制御部
１１・・・ベース基盤
１２・・・ガイド部材
１３・・・ステージ
１４・・・被駆動部材
１５・・・超音波モータ
１６・・・リニアスケール
１７・・・測定ヘッド
１８・・・位置検出手段
２０・・・駆動用ドライバー
２１・・・目標値発生部
２２・・・フィードバック制御部
２３・・・オフセット信号指令部
２４・・・データテーブル
１１２・・・指令信号
１１３・・・オフセット信号
１１４・・・最終指令信号
Claims (2)
- 可動体の駆動源をなす超音波モータと、上記可動体の変位を検出する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置信号と、予め設定された可動体の移動プロファイルに基づく位置信号との位置偏差に応じて変化するパラメータを基にＰＩＤ演算処理を行い、上記超音波モータへ指令信号を出力する制御部とからなり、上記制御部からの指令信号に、上記超音波モータの不感帯幅を越えるオフセット信号を重畳するとともに、前記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時には、加速度及び加速前後における速度差に基づいて直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳するようにしたことを特徴とする超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置。
- 前記可動体の移動プロファイルにおける再加速時又は減速時の加速度をα（ｍｍ／ｓｅｃ2 ）、加速前後における速度差をΔＶ（ｍｍ／ｓｅｃ）とした時、上記オフセット信号をその再加速開始時又は減速開始時より０．００２×｜α｜秒手前から２０×｜ΔＶ｜／｜α｜の変化率で直線的に増加又は減少させたオフセット信号を重畳するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の超音波モータを可動体の駆動源とする案内装置。
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