JP4775711B2 - 平面位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラテン上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドするスライダの位置検出値と位置指令の誤差を増幅する誤差増幅器と、この誤差増幅器よりモータ位置に同期し推力が極大となる位相の交流電流指令を与えるサーボモータモードの電流振幅指令を入力し、前記スライダに搭載されたモータに励磁電流を供給するするドライバ手段と、前記スライダを初期位置に規制する初期化手段とを有する平面位置決め装置に関するものである。

平板状のプラテンと、その上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドして位置制御されるスライダを有する平面位置決め装置（ＸＹステージ）の構造及びスライダ位置のフィードバック制御技術については、特許文献１に詳細に開示されている。

図５は、平面位置決め装置の一般的な構成例を示す平面図である。平板状のプラテンＰの隣り合うＸ軸方向及びＹ軸方向の縁に沿って固定配置された多軸のＹ軸レーザ干渉計Ｌｙ１，Ｌｙ２，Ｌｙ３，Ｌｙ４及びＸ軸レーザ干渉計Ｌｘ１，Ｌｘ２を切り換えてスライダＳの位置が検出される。スライダＳは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に配置されたパルスモータ型可動子により、パルスモータ型固定子の埋め込まれたプラテンＰの上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドする。

プラテンＰ上でのスライダＳの位置を、プラテンのＸ軸方向及びＹ軸方向に沿って夫々固定配置された干渉計と、スライダに搭載されてこの干渉計の照射ビームを反射するＹ軸バーミラーＢｙ及びＸ軸バーミラーＢｘとを用いて検出する平面位置決め装置は、特許文献２に開示されている。

更に、プラテンＰの隣り合うＸ軸方向及びＹ軸方向の縁に沿って固定配置されたレーザ測長器Ｆｙ１及びＦｘ１，Ｆｘ２により、スライダＳを原点復帰させた初期状態における原点位置が測定される。

レーザ干渉計を位置検出器として用いる平面位置決め装置においては、原点復帰させた初期状態において、モータの歯位置とプラテンの歯位置の関係（機械角）は不明である。そこで、以下（１）〜（５）の手順で歯合わせ動作を行い、モータ歯位置とモータ励磁電流の位相（電気角）の同期をとる必要がある。

（１）モータを、パルスモータモードにて動作させ、一定の機械角（理想的には機械角＝０°）に移動する。図６は、パルスモータモード及びサーボモータモードにおけるモータの歯位置とプラテンの歯位置の関係（機械角）を示す側面図である。パルスモータモードは、指令位置に同期しモータ位置と指令位置が一致時に推力が極小となる位相で、電流振幅指令によりその振幅を可変できるモードである。

図６（Ａ）は、パルスモータモードにおける歯位置の関係を示し、機械角＝０°であり、発生する推力は極小（ゼロ）となる。図６（Ｂ）は、サーボモータモードにおける歯位置の関係を示し、機械角＝９０°であり、発生する推力は極大となる。

図７は、パルスモータモードとサーボモータモードの切り換え動作を説明する機能ブロック図である。スライダＳに搭載されたモータ１のプラテンＰ上の位置が、位置検出器２で検出される。モータ１のコイルには、ドライバ手段３よりパルスモータモードまたはサーボモータモードの励磁電流Ｉｍが供給される。
ドライバ手段３は、誤差増幅器の出力を振幅とし、モータ位置に同期し推力が極大となる位相の交流電流指令を与えるサーボモータモードの電流振幅指令により、スライダＳに搭載されたモータ可動子に励磁電流を供給する。

位置指令Ｐｉと位置検出信号Ｐｆの偏差が位置誤差増幅器４で増幅され、サーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓが出力され、乗算器５で電流指令位相角θ°の正弦波Sinθ°で変調され、切り換えスイッチ６のＳ端子（サーボモータモード）に導かれる。

パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐは、乗算器７で電流位相角がサーボモータモードの電流指令Ｖｐと位相角が９０°シフトした正弦波（Sinθ＋90）で変調され、切り換えスイッチ６の端子Ｐ（パルスモータモード）に導かれる。図の切り換えスイッチ６は、パルスモータモード（端子Ｐ）に切り換えられた状態を示している。

（２）スライダＳをプラテンＰ上に浮上させてエアベアリングを形成しているエアの供給を切り、モータをプラテン上に固定（磁気吸着）させる。

（３）固定状態で、モータの電流指令位相角を９０°切り換える。即ち、電流指令振幅指令をパルスモータモードの一定値Ｖｐからサーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓに切り換える。切り換え時にモータを固定するのは、電流切り換えの過度状態でモータが異常動作して大きく回転し、レーザ干渉計で位置検出不能になるのを防止するためである。

（４）次に、エアを供給してスライダを浮上させ、サーボモータモードの位置フィードバック制御に移行させる。

（５）図５のように、多軸のレーザ干渉計を切り換えてスライダの位置検出を行なう場合、切り換え時の位置検出誤差が累積し、機械角と電気角のズレが増大すると推力が低下し、極端な場合には推力発生方向が逆転して暴走する恐れがある。ズレを検出するため、絶対位置を測定できる三角測量式のレーザ測長器等を備え、その検出範囲に定期的にスライダを移動させ、モータ位置を確認する必要がある。

特開２０００−６５９７０号公報 特開２００５−９９５２号公報

従来の初期化の手法では、次のような問題がある。
（１）エアを切る必要があるので、初期化に時間がかかる。また、モータ制御装置がエアの切り換えを行なう仕組みが必要となる。

（２）クリーン環境で使用される場合、エアを切る必要があるため、プラテンとモータが接触し、コンタミ（環境汚染粒子）を発生させ、クリーン度悪化の要因となる。

（３）多軸のレーザ干渉計を切り換えてスライダの位置検出を行なう場合、絶対位置を検出できるレーザ測長器等を備え、定期的に測定範囲に静止させる必要があり、応用システムの稼働率低下の要因となる。また、実際に機械角と電気角にズレがあった場合、発生推力が低下し、正常な制御が行いにくくなる。

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、エアの供給を切ることなく歯合わせ動作を行なうことができ、ズレを電気的な演算により検出可能とした平面位置決め装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）Ｘ軸方向及びＹ軸方向に配置されたパルスモータ型可動子により、パルスモータ型固定子の埋め込まれたプラテン上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドするスライダの位置検出値と位置指令の誤差を増幅する誤差増幅器と、この誤差増幅器の出力を振幅とし、モータ位置に同期し推力が極大となる位相の交流電流指令を与えるサーボモータモードの電流振幅指令により、前記スライダに搭載されたモータ可動子に励磁電流を供給するドライバ手段と、前記スライダを初期位置に規制する初期化手段とを有する平面位置決め装置において、
前記初期化手段は、
指令位置に同期しモータ位置と指令位置が一致時に推力が極小となる位相で、電流振幅指令によりその振幅を可変できるパルスモータモードの交流電流指令を前記ドライバ手段の入力に重畳させる可変電圧発生手段と、
前記パルスモータモードの交流電流指令を所定値よりゼロまで低下させると共に、前記誤差増幅器のゲインをゼロより所定値まで増加させる操作を連動して実行するゲイン変更手段と、
を備えることを特徴とする平面位置決め装置。

（２）前記初期化手段は、
前記パルスモータモードの交流電流指令をゼロまで低下させた後、所定値まで増加させたときの電流振幅指令と、このときの前記サーボモータモードの電流振幅指令に基づいて前記モータの電気角と機械角のズレを検出するズレ検出手段を備えることを特徴とする（１）に記載の平面位置決め装置。

（３）ズレ検出手段は、前記パルスモータモードの交流電流指令と、前記サーボモータモードの電流振幅指令の比を演算してズレを検出することを特徴とする（２）に記載の平面位置決め装置。

（４）検出されたズレに基づいて、前記サーボモータモードの電流振幅指令の位相を補正するズレ補正手段を備えることを特徴とする（２）または（３）に記載の平面位置決め装置。

（５）前記スライダは、前記プラテンの縁に沿って固定された複数のレーザ干渉計を切り換えてその位置が検出されることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の平面位置決め装置。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）エアを切る必要がないため、また、切り換えを行なう仕組みが不要となるため、初期化動作時間を短縮することができる。

（２）エアを切る必要がないため、プラテンとモータが接触せず、クリーン度悪化の要因となるコンタミの発生を抑えられる。

（３）多軸のレーザ干渉計を切り換えてスライダの位置検出を行なう場合、静止状態であれば任意の位置でズレを検出できるため、応用システムの稼働率低下を回避することができる。また、絶対位置を検出するレーザ測長器等が不要となるため、コストダウン、装置の小型化に貢献することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した初期化手段を有する平面位置決め装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図７で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

本発明の特徴部は、太線のブロックで示した初期化手段１００及びドライバ手段３の入力側に設けた加算手段２００の構成にある。

加算手段２００は、乗算器５から与えられる電流指令位相角θ°の正弦波（Sinθ°）で変調されたサーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓと、初期化手段１００の乗算器１０１から与えられる、サーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓの電流指令位相角とは９０°シフトした正弦波（Sinθ＋90）で変調されたパルスモータモードの交流電流指令Ｖｐを加算した電流振幅指令Ｖｉをドライバ手段３に入力させる。

パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐは、可変電圧発生手段１０４から供給される。Ｖｐのレベルは、ゲイン変更手段１０５のゲイン設定値Ｇ２で変更される。ゲイン変更手段１０５は、可変電圧発生手段１０４のレベルと連動して、ゲイン設定値Ｇ１により位置誤差増幅器４のゲインを変更する。

図２は、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐのレベルと位置誤差増幅器４のゲインＧ１の変更操作パターンを示す特性図である。本発明では、初期化手段１００により、以下（１）〜（３）の手順で歯合わせ動作を行い、モータの歯位置とモータ電流の位相（電気角）の同期をとる。

（１）位置誤差増幅器４のゲインＧ１をゼロとし、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐを所定値Ｖｐ１とした時刻ｔ０より初期化をスタートさせ、パルスモータモードでモータ１を動作させ、時刻ｔ１で一定機械角に移動させる。

（２）時刻ｔ１以降、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐのレベルを徐々に低下させて時刻ｔ２でゼロにまで下げる。これと連動して、位置誤差増幅器４のゲインＧ１をゼロより徐々に増加させ、サーボモータモードによるフィードバック制御に必要なゲインまで増加させ、位置のフィードバック制御に徐々に切り換え、時刻ｔ２で初期化の操作を終了する。

（３）多軸のレーザ干渉計を切り換えてスライダの位置検出を行なう場合、モータ静止時ｔ３にパルスモータモードの交流電流指令Ｖｐを一定値まで上げる。一定値に上げた時刻ｔ４で位置フィードバック制御によるサーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓに変化があれば、機械角と電気角にズレが発生していることになる。

ズレ角Φは、電流振幅指令ＶｐとＶｓの比によりズレ検出手段１０６で演算され、検出されたズレ角Φに基づいてズレ補正手段１０７により、サーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓを変調する電流指令位相角θ°が補正される。

図３は、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐとサーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓの比によるズレの検出手法を説明する遷移図である。サーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓによる、機械角９０°の励磁電流方向を推力発生軸、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐによる、機械角０°の励磁電流方向を直交軸とする。

図３（Ａ）は、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐにより、直交軸方向の励磁電流Ｉｐをモータに流しても、角度ズレがなければ励磁電流Ｉｐのベクトルは、直交軸と一致する方向となり、推力が発生しないことを示している。

図３（Ｂ）は、励磁電流Ｉｐに角度ズレΦがある場合には、直交軸方向の電流Ｉｐにより、推力発生軸方向に、
Fs=Kf・Is・sinΦ（Kf：推力定数）の推力Ｆｓが発生することを示している。

図３（Ｃ）は、位置フィードバック制御ループが指令位置を保つために、この推力Ｆｓと逆方向で同量の推力−Ｆｓを発生させる励磁電流Ｉｓをモータに流すことを示している。 この逆方向推力−Ｆｓは、
-Fs=Kf・Ip・cosΦで表される。

よって、Is・sinΦ=-Ip・cosΦ
sinΦ/cosΦ=tanΦ=-Ip/Is
Φ=tan^-1(-Ip/Is)
としてズレ角Φを求めることができる。

Ｉｐ及びＩｓは、Ｖｐ及びＶｓと比例関係にあるから、ずれ検出手段１０６は、ＶｐとＶｓを入力し、Ｖｐ／Ｖｓを計算することでズレ角Φを算出することができる。

図４は、本発明を適用した初期化手段１００を有する平面位置決め装置の詳細な実施形態を示す機能ブロック図である。この機能ブロック図は、スライダに多重化して搭載された３相のＸモータ及びＹモータ中のＸ１モータによる第１Ｘ軸の位置フィードバック制御系を示している。

位置検出器２の位置検出信号ＰＸ１は、周期検出手段４２によりその周期が算出され、位置変換手段４３で位置フィードバック信号Ｐｆに変換される。この信号Ｐｆと位置指令Ｐｉとの偏差が位置誤差増幅器４１に入力され、位置誤差増幅器４１は、速度指令Ｖｉを出力する。

速度変換手段４４は、周期検出手段４２からの周期信号を取得して速度信号Ｖｆに変換する。速度誤差増幅器４５は、速度指令Ｖｉと速度信号Ｖｆの偏差を演算してサーボモータモードの電流振幅指令Ｖｓを出力する。

位相差検出手段５６は、位置検出信号ＰＸ１とスキャン周期ｆｏとの位相差を検出して転流制御手段５８に出力する。この転流制御手段５８の出力ｓｉｎθ°及びｓｉｎ（θ°＋１２０°）の信号と電流振幅指令Ｖｓは夫々乗算器５１及び５２で乗算され、Ｖｓ・ｓｉｎθ°ｔ及びＶｓ・ｓｉｎ（θ°＋１２０°）を出力し、本発明で導入された加算手段２０１及び２０２を経由してドライバ手段３に入力される。

ドライバ手段３において、これら乗算器５１，５２の出力とモータコイルＵ相及びＶ相の電流検出手段３２及び３３の検出信号との偏差が、電流制御手段３１に入力される。電流制御手段３１は、偏差を演算しパルス幅変調（ＰＷＭ）されたスイッチング信号Ｓ１及びＳ２を出力し、デッドタイム発生回路３４を介してインバータを形成する３相スイッチング回路３５を開閉制御し、３相の面モータで実現されるＸ１モータ１のＵ相，Ｖ相，Ｗ相コイルに励磁電流を供給する。

電流検出手段３２は、Ｕ相コイルに直列接続された電流検出抵抗Ｒｕの電圧降下を検出して電流制御手段３１にフィードバックする。同様に電流検出手段３３は、Ｖ相コイルに直列接続された電流検出抵抗Ｒｖの電圧降下を検出して電流制御手段３１にフィードバックする。Ｗ相コイルについてはフィードバックを行わない。

転流制御による３相の面モータに対するＰＷＭ電流制御の詳細に関しては、特許文献１に開示されているので、ここでは詳細説明を省略する。

デッドタイム発生回路３４は、スイッチング信号Ｓ１及びＳ２が同時にオンとならないようにスイッチング信号の切り換わりのタイミングに所定時間のデッドタイムを付加し、同時オンによる３相スイッチング回路３５の大電流焼損を防止する機能を持つ。

初期化手段１００において、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐは、２個の乗算器１０１及び１０２に入力される。位相シフト手段１０３は、サーボモータモードの電流指令位相角θ°に対して９０°シフトした正弦波（Sinθ＋90）を入力し、同位相信号と１２０°シフトした信号を生成し、乗算器１０１及び１０２に出力し、パルスモータモードの交流電流指令Ｖｐを変調する。

乗算器１０１及び１０２の変調出力は、ドライバ手段３の入力回路に挿入された加算器２０１及び２０２に出力され、乗算器５１及び５２から出力されるサーボモータモードの電流指令と重畳加算される。

補正手段１０７は、ズレ検出手段１０６で検出されたズレ角Φに基づく補正信号Ｃを位相差検出手段４６に出力してサーボモータモードの電流振幅指令Ｖｐを変調する電流指令位相角θ°を補正する。

本発明を適用した初期化手段を有する平面位置決め装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。 パルスモータモードの交流電流指令のレベルと位置誤差増幅器のゲイン変更操作パターンを示す特性図である。 パルスモータモードの交流電流指令とサーボモータモードの電流振幅指令の比によるズレ検出の手法を説明する遷移図である。 本発明を適用した初期化手段を有する平面位置決め装置の詳細な実施形態を示す機能ブロック図である。 平面位置決め装置の一般的な構成例を示す平面図である。 パルスモータモード及びサーボモータモードにおけるモータの歯位置とプラテンの歯位置の関係（機械角）を示す側面図である。 パルスモータモードとサーボモータモードの切り換え動作を説明する機能ブロック図である。

符号の説明

１ モータ
２ 位置検出器
３ ドライバ手段
４ 位置誤差増幅器
５ 乗算器
１００ 初期化手段
１０１ 乗算器
１０４ 可変電圧発生手段
１０５ ゲイン変更手段
１０６ ズレ検出手段
１０７ ズレ補正手段
２００ 加算器

Claims (5)

1. Ｘ軸方向及びＹ軸方向に配置されたパルスモータ型可動子により、パルスモータ型固定子の埋め込まれたプラテン上面をＸ軸方向及びＹ軸方向にスライドするスライダの位置検出値と位置指令の誤差を増幅する誤差増幅器と、この誤差増幅器の出力を振幅とし、モータ位置に同期し推力が極大となる位相の交流電流指令を与えるサーボモータモードの電流振幅指令により、前記スライダに搭載されたモータ可動子に励磁電流を供給するドライバ手段と、前記スライダを初期位置に規制する初期化手段とを有する平面位置決め装置において、
   前記初期化手段は、
   指令位置に同期しモータ位置と指令位置が一致時に推力が極小となる位相で、電流振幅指令によりその振幅を可変できるパルスモータモードの交流電流指令を前記ドライバ手段の入力に重畳させる可変電圧発生手段と、
   前記パルスモータモードの交流電流指令を所定値よりゼロまで低下させると共に、前記誤差増幅器のゲインをゼロより所定値まで増加させる操作を連動して実行するゲイン変更手段と、
   を備えることを特徴とする平面位置決め装置。
2. 前記初期化手段は、
   前記パルスモータモードの交流電流指令をゼロまで低下させた後、所定値まで増加させたときの電流振幅指令と、このときの前記サーボモータモードの電流振幅指令に基づいて前記モータの電気角と機械角のズレを検出するズレ検出手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の平面位置決め装置。
3. ズレ検出手段は、前記パルスモータモードの交流電流指令と、前記サーボモータモードの電流振幅指令の比を演算してズレを検出することを特徴とする請求項２に記載の平面位置決め装置。
4. 検出されたズレに基づいて、前記サーボモータモードの電流振幅指令の位相を補正するズレ補正手段を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の平面位置決め装置。
5. 前記スライダは、前記プラテンの縁に沿って固定された複数のレーザ干渉計を切り換えてその位置が検出されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の平面位置決め装置。
   

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