JP4840727B2

JP4840727B2 - 平面位置決め装置

Info

Publication number: JP4840727B2
Application number: JP2006213144A
Authority: JP
Inventors: 豊小泉
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-08-04
Filing date: 2006-08-04
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-08-04
Also published as: JP2008039543A

Description

本発明は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に多重化された推力発生用モータコアを有するスライダを、プラテンの上面でＸ軸方向またはＹ軸方向にスライドして位置決め制御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１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が切り換えられてスライダ２の位置が検出される。

プラテン１上でのスライダ２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２１及びＸ軸バーミラー２２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。

スライダ２をプラテン１上の初期位置に移動させるための光学的なセンサーとして、Ｙ軸エリアセンサーＡｙ１，Ａｙ２及びＸ軸エリアセンサーＡｘ１，Ａｘ２が配置されている。

更に、プラテン１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の絶対位置が測定される。

極めて高精度であるが、相対位置のみ測定可能なレーザ干渉計を位置検出器として使用する平面位置決め装置では、初期化時にその絶対位置が不明であるため、初期化動作により絶対位置情報を取得する必要がある。

初期化動作は、以下の手順（１）〜（５）により実行される。
（１）スライダ１を図中−Ｘ，−Ｙ方向に移動させる。
（２）夫々の移動方向のエリアセンサーの検出信号により移動を停止する。
（３）三角法によるレーザ測長器による絶対位置測定の測定可能領域に入っていることをレーザ測長器出力で確認する。
（４）必要により、レーザ測長器による測定誤差の少なくなる領域に移動する。
（５）レーザ測長器により、スライダ２の原点絶対位置情報を取得する。

特開２０００−６５９７０号公報特開２００５−９９５２号公報特開２００１−１２５６５８号公報

スライダを原点復帰させるための従来の初期化手法では、次のような問題点がある。
（１）スライダの原点絶対位置を測定するレーザ測長器をＸ軸方向及びＹ軸方向に配置する必要があり、装置のコストアップ要因となっている。

（２）レーザ測長器を配置するスペースが必要となるため、装置が大型化する。

（３）レーザ測長器を交換する時に、取り付け位置を調整する必要があり、メンテナンス性悪化の要因となっている。

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、レーザ測長器等の絶対位置測定手段を外部に配置することなく、スライダの原点絶対位置情報を取得することができる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軸方向に多重化された推力発生用モータコアを有するスライダを、プラテンの上面でＸ軸方向またはＹ軸方向にスライドして位置決め制御する平面位置決め装置において、
前記スライダの原点復帰時に、原点復帰動作モードに切り換えて、前記多重化された推力発生用モータコアのコア巻線を、前記プラテンに形成された歯と前記モータコアに形成された歯との相対位置を検出するレゾルバ型位置検出手段のセンサーとして使用することを特徴とする平面位置決め装置。

（２）前記レゾルバ型位置検出手段は、センサーとして使用する前記コア巻線に正弦波励磁電圧を印加した時に前記コア巻線に流れる電流検出値に基づいて前記相対位置を検出することを特徴とする（１）に記載の平面位置決め装置。

（３）前記レゾルバ型位置検出手段と、前記スライダの前記プラテン上での原点粗位置を検出するエリアセンサーとを組み合わせて前記スライダの原点位置を算出することを特徴とする（１）または（２）に記載の平面位置決め装置。

（４）前記レゾルバ型位置検出手段の検出値に対して、リニアリティ補正を実行する位置検出値補正手段を備えることを特徴とする（１）乃至（３）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）スライダの原点絶対位置を測定するセンサーとしてモータコアの巻線を使用するため、レーザ測長器等の絶対位置測定手段を外部に配置する必要がなく、装置のコストダウン及び省スペース化に貢献できる。

（２）エリアセンサーは、スライダの原点復帰以外にも複数スライダシステムにおける衝突防止用に使用するので、原点復帰のためのみにプラテン上に新たな構成を追加する必要がない。

（３）モータコアの巻線をセンサーとして使用するため、モータ寿命までセンサーの交換は不要となるので、高寿命でメンテナンスフリーのシステムを実現できる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したレゾルバ型位置検出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２は、本発明を適用した平面位置決め装置の平面図である。

図２に示すように、本発明が適用される平面位置決め装置では、スライダ２に搭載される推力発生用モータコア３は、Ｘ軸及びＹ軸が多重化（図示では、二重化）されている。二重化されたモータコアについては特許文献３に開示されており、一般的な構成である。

本発明が適用される平面位置決め装置と、図５に示した従来装置との相違点は、本発明が適用される平面位置決め装置では、従来装置のＸ軸レーザ測長器Ｆｘ１，Ｆｘ２及びＹ軸レーザ測長器Ｆｙ１を不要とした構成にある。

図示のモータコア３において、Ｘ軸のモータコアはＸ１−１、Ｘ２−１の組及びＸ１−２、Ｘ２−２の組に二重化され、夫々の組のコア巻線は直列接続されている。同様に、Ｙ軸のモータコアはＹ１−１、Ｙ２−１の組及びＹ１−２、Ｙ２−２の組に二重化され、夫々の組のコア巻線は直列接続されている。

図１において、コア巻線３１は、Ｘ軸のモータコアＸ１−１，Ｘ２−１及びＹ軸のモータコアＹ１−１，Ｙ２−１のコア巻線を表す。同様に、コア巻線３２は、Ｘ軸のモータコアＸ１−２，Ｘ２−２及びＹ軸のモータコアＹ１−２，Ｙ２−２のコア巻線を表す。

電流アンプ４１は、推力発生指令Ｖｐ１を入力してコア巻線３１に励磁電流Ｉｍ１を供給する。電流アンプ４２は、推力発生指令Ｖｐ２を入力し、切り換えスイッチ５を介して通常動作モード時では、コア巻線３２に励磁電流Ｉｍ２を供給する。

切り換えスイッチ５は、原点復帰動作モード時には、コア巻線３２を電流アンプ４２から切り離し、本発明の特徴部であるレゾルバ型位置検出手段１００に接続する。この切り換え接続時には、コア巻線３２はレゾルバ型位置検出手段１００のセンサーとして使用される。

レゾルバは、古典的な変位センサーとして周知のものであり、コイルに流す交流電流により生成された磁界内にある磁性体の変位で変化するコイルのインダクタンス変化を、電流変化で検出して位置変化を測定する原理である。

図３は、コア巻線３２をレゾルバ型位置検出手段１００のセンサーとして使用し場合のイメージ図である。

図３（Ａ）は、プラテン１に形成された歯とモータコア３に形成された歯との相対的な機械角は０°であり、コア巻線３２のインダクタンスは最大となる。図３（Ｂ）は、プラテン１に形成された歯とモータコア３に形成された歯との相対的な機械角は１８０°であり、コア巻線３２のインダクタンスは最小となる。

このインダクタンス変化を、コア巻線３２に一定振幅の正弦波電圧を印加した時に流れる電流Ｉｓの変化で検出すれば、プラテン１に形成された歯とモータコア３に形成された歯との１ピッチ内の相対的な位置変位を検出することができる。

図１において、レゾルバ型位置検出手段１００の相対位置情報Ｐｓと、従来装置と同様なエリアセンサー２００による粗位置情報Ｐｒが原点位置演算手段３００に渡され、原点絶対位置情報Ｐａが算出される。

本発明が適用されるエリアセンサー２００は、プラテンの歯の１ピッチに対して十分に小さい検出精度を持たせる。実施形態のように光学的なエリアセンサーを使用する場合は、光のスポット径を小さく設計することで実現できる。

次に、初期化動作時における原点絶対位置情報Ｐａの算出までの手順を説明する。
（１）エリアセンサー２００による検出位置を予め測定し、粗位置情報Ｐｒを測定しておく。

（２）通常動作のモードでスライダ２を、Ｘ軸エリアセンサーＡｘ１，Ａｘ２のビーム及びＹ軸のエリアセンサーＡｙ１，Ａｙ２のビームを横切る位置まで移動する。

（３）切り換えスイッチ５を原点復帰動作モードに切り換える。この時、必要により電流アンプ４２の動作を停止させてから切り換えを行ない、コア巻線の急激な電流変化を回避する。

（４）レゾルバ型位置検出手段１００により、歯の１ピッチ内での相対位置情報Ｐｓを検出し、エリアセンサー２００で検出される粗位置情報Ｐｒと共に原点位置演算手段３００に渡す。

（５）レゾルバ型位置検出手段は、検出対象の変位に対するインダクタンス変化に非直線性を有するので、求める位置検出精度に応じて、リニアリティを補正する位置検出値補正手段４００を設ける。

図４は、本発明を適用したレゾルバ型位置検出手段を有する平面位置決め装置の他の実施形態を示す機能ブロック図である。

この実施形態の特徴は、通常動作モード時の位置フィードバック制御系の電流アンプ及びコア巻線の電流検出器を、レゾルバ型位置検出手段の構成の一部に共通使用し、レゾルバ型位置検出手段の構成を簡素化した点にある。

この実施形態では、切り換えスイッチ５は、電流アンプ４の入力側に設けられている。この切り換えスイッチ５が通常動作モード時では、コア巻線３の電流Ｉｍが電流検出器６により電圧値で検出される。

この電圧値Ｖｆと電流指令Ｖｐとの偏差が誤差増幅器で増幅され、その出力Ｖｍが切り換えスイッチ５を介して電流アンプ４の入力に与えられ、位置のフィードバック制御系が構成されている。

切り換えスイッチ５が原点復帰動作モード時では、電流アンプ４の入力には発振器５００からの一定振幅で数ＫＨｚの正弦波電圧Ｖｓが印加される。この電圧を入力する電流アンプ４からコア巻線３に出力される電流Ｉｓが、電流検出器６により電圧値Ｖｉで検出され、レゾルバ型位置検出手段１００に入力されて相対位置情報Ｐｓが算出される。

発振器５００の正弦波電圧Ｖｓは、レゾルバ型位置検出手段１００に導かれて電流検出器６からの電圧値Ｖｉとの比が計算され、正弦波電圧Ｖｓの変動による相対位置検出値Ｐｓの変動が補正される。

この実施形態で両モードで共通に使用される電流アンプ４は、数ＫＨｚの正弦波電圧Ｖｓに比例した電流Ｉｓをコア巻線に流す必要があり、通常使用されるインバータ型の電流アンプではなく、アナログ式アンプまたはＬＣフィルタで出力電流をアナログ化するＤ級アンプが採用される。

以上説明した実施形態では、モータコアが二重化された平面位置決め装置に本発明を適用した場合を説明したが、二重化以上に多重化したモータコアを有する平面位置決め装置であってもよい。

本発明を適用したレゾルバ型位置検出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。本発明を適用した平面位置決め装置の平面図である。コア巻線をレゾルバ型位置検出手段のセンサーとして使用し場合のイメージ図である。本発明を適用したレゾルバ型位置検出手段を有する平面位置決め装置の他の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。

符号の説明

１プラテン
２スライダ
２１Ｙ軸バーミラー
２２Ｘ軸バーミラー
Ly1,Ly2,Ly3,Ly4 Ｙ軸レーザ干渉計
Lx1,Lx2 Ｘ軸レーザ干渉計
Ay1,Ay2 Ｙ軸エリアセンサー
Ax1,Ax2 Ｘ軸エリアセンサー
３モータコア
３１，３２コア巻線
４１，４２電流アンプ
５切り換えスイッチ
１００レゾルバ型位置検出手段
２００エリアセンサー
３００原点位置演算手段
４００位置検出値補正手段

Claims

Ｘ軸方向及びＹ軸方向に多重化された推力発生用モータコアを有するスライダを、プラテンの上面でＸ軸方向またはＹ軸方向にスライドして位置決め制御する平面位置決め装置において、
前記スライダの原点復帰時に、原点復帰動作モードに切り換えて、前記多重化された推力発生用モータコアのコア巻線を、前記プラテンに形成された歯と前記モータコアに形成された歯との相対位置を検出するレゾルバ型位置検出手段のセンサーとして使用することを特徴とする平面位置決め装置。
前記レゾルバ型位置検出手段は、センサーとして使用する前記コア巻線に正弦波励磁電圧を印加した時に前記コア巻線に流れる電流検出値に基づいて前記相対位置を検出す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。
前記レゾルバ型位置検出手段と、前記スライダの前記プラテン上での原点粗位置を検出するエリアセンサーとを組み合わせて前記スライダの原点絶対位置を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の平面位置決め装置。
前記レゾルバ型位置検出手段の検出値に対して、リニアリティ補正を実行する位置検出値補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の平面位置決め装置。