JP5596369B2 - 位置決め装置および位置決め方法 - Google Patents

Description

本発明は、精密な移動精度を要する半導体製造・検査装置や光学装置に使用される位置決めシステムで位置検出に超高精度なリニアスケールセンサ（リニアエンコーダ）を使用し、アクチュエータとして高分解能な制御が可能な超音波モータを用いた精密な位置決め装置および位置決め方法に関する。

近年、サブミクロン単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野および光学分野の検査装置において、微小位置決めが可能な超音波モータを備えた位置決めステージとリニアスケールセンサとから構成される位置決め装置が数多く使用されている。

このような位置決め装置は、対象物を移動させる目的位置に基づいて算出されたプロファイルに従って制御量を出力し、その制御量に応じて超音波モータを駆動する。図４は、プロファイルを示す一般的なグラフである。制御量に応じて入力される超音波モータは摩擦駆動であるために、静止摩擦力に起因する不感帯を有しており、ある一定以上の振幅の電圧を加えないと動作しない。

図５は、制御量に対する速度を示す一般的なグラフである。図５に示すように、制御量を増加させたときには、制御量ａまで対象物を動作できない（不感帯）が、ａ以上の制御量では動作可能である（可動領域）。また、動作している状態から制御量を減少させたときには、制御量ｂより小さい制御量では対象物を動作できない。なお、停止状態から動作状態に変わる点での制御量ａに比べて動作状態から停止状態へ変わる点での制御量ｂは通常小さくなる。

このように、制御サイクルごとに駆動信号を増加または減少させるような制御を行うと、動作開始までにタイムラグが生じてしまう。そこで超音波モータの不感帯に対処した制御技術が開示されている（たとえば特許文献１）。

特許文献１記載の案内装置は、位置検出手段からの位置信号と、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、超音波モータへの指令信号を出力している。そして、制御部の指令信号に、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し、ステージの移動プロファイルにおける再加速時または減速時には、その時の加速度および速度差に基づいてオフセット信号を直線的に増加または減少するように変化させている。

特許３７２０６０７号

しかしながら、特許文献１記載の案内装置は、不感帯を越えるオフセット信号を重畳する加速減速時に複雑な演算を行う必要があり、演算による制御は実績のある数値ではないため、必ずしも安定的な制御ができない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、タイムラグを回避し、効率よく安定的な位置決め制御を可能にする位置決め装置および位置決め方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の位置決め装置は、制御量に基づく超音波モータの駆動により対象物の位置決めを行う位置決め装置であって、動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の一連のサイクルのうち少なくとも１つのサイクルにおける制御量を記憶する制御量記憶部と、前記記憶された制御量に基づきオフセットを設定するオフセット設定部と、前記動作する対象物の目的位置に基づき１サイクル毎に算出位置を指示する指示部と、前記動作する対象物の現在位置を検出する位置検出部と、前記検出された現在位置および前記指示された算出位置に基づき制御量を算出する算出部と、前記算出された制御量に前記設定されたオフセットを重畳して超音波モータを駆動し、対象物を動作する駆動部とを備えることを特徴としている。

このように、複雑な演算を行うことなく、実績のある、記憶された制御量を参照してオフセット信号を制御量に重畳して超音波モータを駆動するため、タイムラグを回避し、効率よく安定的な制御を可能にする。また、演算負担を軽減できる。

（２）また、本発明の位置決め装置は、前記制御量記憶部が、前記動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量を記憶し、前記オフセット設定部は、前記動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量を用いてオフセットを設定することを特徴としている。

動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量は、不感帯と可動領域との閾値に近いため、これを用いることで効率よく安定的な制御で超音波モータを駆動することができる。

（３）また、本発明の位置決め装置は、前記オフセット設定部が、前記記憶された制御量のうちの代表値を用いてオフセットを設定することを特徴としている。このように代表値を用いることで、異常値を排除し、安定的で効率的な制御で超音波モータを駆動することができる。

（４）また、本発明の位置決め装置は、前記オフセット設定部が、前記記憶された制御量に基づき算出された候補値と１以下の数値との積をオフセットに設定することを特徴としている。これにより、可動領域に近い不感帯から制御を始めることができ、効率よく超音波モータを駆動できる。

（５）また、本発明の位置決め方法は、制御量に基づく超音波モータの駆動により対象物の位置決めを行う位置決め方法であって、動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の一連のサイクルのうち少なくとも１つのサイクルにおける制御量を記憶するステップと、前記記憶された制御量に基づきオフセットを設定するステップと、前記動作する対象物の目的位置に基づき１サイクル毎に算出位置を指示するステップと、前記動作する対象物の現在位置を検出するステップと、前記検出された現在位置および前記指示された算出位置に基づき制御量を算出するステップと、前記算出された制御量に前記設定されたオフセットを重畳して超音波モータを駆動し、対象物を動作するステップと、を含むことを特徴としている。

このように、複雑な演算を行うことなく、実績のある、記憶された制御量を参照してオフセット信号を制御量に重畳して超音波モータを駆動するため、タイムラグを回避し、効率よく安定的な制御を可能にする。また、演算負担を軽減できる。

本発明によれば、タイムラグを回避し、効率よく安定的な制御で超音波モータを駆動でき、さらには演算負担を軽減できる。

本発明に係る位置決め装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係る位置決め装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の制御量出力の動作を示すフローチャートである。 プロファイルを示す一般的なグラフである。 制御量に対する速度を示す一般的なグラフである。

本発明者らは、位置決め装置を開発するにあたり、オフセット信号を重畳する加速減速時に複雑な演算を行うより記憶されたオフセット量を用いて制御を行った方が、効率が高い点に着目し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明では、超音波モータの停止状態から動作状態に、あるいは動作状態から停止状態に変わる１〜数サイクル前の制御量を記憶しておく。そして、次に動作させる際に、それぞれ動作状態変化に合わせて記憶していた１〜数サイクル前の制御量をそのまま、あるいは簡単な演算を実行した後にオフセット信号として加える。その結果、簡単な制御で超音波モータが動作しないタイムラグを低減する。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（位置決め装置の構成）
図１は、位置決め装置１００の構成を示すブロック図である。位置決め装置１００は、制御量に基づく超音波モータの駆動により対象物の位置決めを行う。位置決め装置１００は、制御量記憶部（ｍｅｍｏｒｙ）１１０、指示部（ｐｒｏｆｉｌｅ）１２０、位置検出部（Ｓｃａｌｅ）１３０、算出部１４０、オフセット設定部（ｏｆｆｓｅｔ）１１５および駆動部（ＵＳＭ）１６０を備えている。

制御量記憶部１１０は、動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の一連のサイクルのうち少なくとも１つのサイクルにおける制御量を記憶する。超音波モータの駆動により動作する対象物には、たとえばステージが挙げられる。

「動作する対象物が始動する直後の一連のサイクル」とは、超音波モータの駆動が不感帯を超えて対象物を動作させ始めた直後の数サイクルを指す。また、「動作する対象物が停止する直前の一連のサイクル」とは、超音波モータの駆動が不感帯に入り、対象物が動作しなくなる直前の数サイクルを指す。このように、数サイクルを記憶することで、複数の制御量のうちの代表値を用いることが可能である。

制御量記憶部１１０は、少なくとも動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量を記憶するのが好ましい。そのような制御量は、不感帯と可動領域との閾値に最も近いことが期待されるため、これを用いることで効率よく安定的な制御を実現できる。

オフセット設定部１１５は、記憶された制御量に基づきオフセットを設定する。このように位置決め装置１００は、オフセット信号を制御量に重畳して超音波モータを駆動する際に複雑な演算を行うことなく、実績のある、記憶された制御量を参照する。その結果、確実に安定的な制御を可能にし、演算負担も軽減できる。オフセット設定の際には、記憶された制御量のうち始動時のものと停止時のものとを区別し、それぞれ始動時および停止時のオフセットの設定に用いてもよいし、いずれか一方のみを利用してもよい。

オフセット設定部１１５は、記憶された制御量のうちの代表値をオフセットの設定に用いるのが好ましい。たとえば、動作する対象物が停止する直前の一連のサイクルの制御量のうち、平均値、中央値等を代表値としてオフセットの設定に用いる。このように代表値を用いることで、異常値を排除し、安定的で効率的な制御で超音波モータを駆動することができる。

また、オフセット設定部１１５は、少なくとも動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量をオフセットの設定に用いることが好ましい。動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量は、不感帯と可動領域との閾値に近いため、これを用いることで効率よく安定的な制御で超音波モータを駆動することができる。

オフセット設定部１１５は、記憶された制御量に基づき算出された候補値と１以下の数値との積をオフセットに設定する。候補値とは、たとえば上記の代表値、または動作する対象物が始動する直後もしくは停止する直前の１サイクルにおける制御量である。このような簡易な演算により、可動領域に近い不感帯から制御を始めることができ、効率よく超音波モータを駆動できる。

指示部１２０は、動作する対象物の目的位置に基づき１サイクル毎に算出位置を指示する。指示部１２０は、ユーザから入力された対象物の目標位置から、プロファイルを作成し、そのプロファイルに基づいて１サイクル毎の算出位置を算出部１４０に与える。

なお、生成したプロファイルに追従して動作するモードで制御してもよいし、プロファイルの位置を保持するモードで制御してもよい。たとえば追従モード時はオフセット量として動作状態に変わるときの制御量ａを使い、保持モード時には停止状態に変わるときの制御量ｂを使うことができる。

位置検出部１３０は、動作する対象物の現在位置を検出する。そして、次のサイクルの制御量の算出のため、検出された現在位置を算出部１４０にフィードバックする。

算出部１４０は、検出された現在位置および指示された算出位置に基づき制御量を算出する。図１に示すように、算出部１４０は、微分演算部（Ｓ）１４１、速度出力部（Ｋｖ）１４２、位置出力部（Ｋｐ）１４３、微分演算部（Ｓ）１４４、速度出力部（Ｋｖ）１４５およびＰＩＤ演算部（Ｇ）１４６を備えている。

微分演算部１４１は、指示部１２０が出力した算出位置を微分し、微分により得られた算出速度を速度出力部１４２がＰＩＤ演算部１４６に出力する。また、位置出力部１４３は、指示部１２０から得られた算出位置をＰＩＤ演算部１４６に出力する。

一方、微分演算部１４４は、位置検出部１３０から得られた実位置を微分し、微分により得られた実速度を速度出力部１４５がＰＩＤ演算部１４６に出力する。ＰＩＤ演算部１４６は、入力された指示速度、指示位置および実速度をもとにＰＩＤ演算を行い、制御量として出力する。このようにして、算出部１４０は、制御量を算出し出力する。

駆動部１６０は、設定されたオフセットを算出された制御量に重畳して超音波モータを駆動し、対象物を動作する。このとき、始動時には閾値に近い不感帯側の速度で超音波モータを駆動するため、すぐに速度が可動領域に達し、効率よく対象物を動作できる。また、停止時にも適当なオフセットが重畳されているため、効率のよい動作が可能になる。

（位置決め装置の動作）
次に、上記のように構成される位置決め装置１００の動作の一例を説明する。図２は、位置決め装置の動作を示すフローチャートである。電源投入時の初期においてオフセット量はゼロとする。

まず、位置決め装置１００は、ホストＰＣから、ユーザにより入力された目的位置の指示を受け（ステップＳ１）、プロファイルを作成する。そして、記憶された制御量に基づいてオフセットを設定する（ステップＳ２）。オフセット量としては、たとえばステージが停止状態から動作状態に変わる点の制御量ａと動作状態から停止状態に変わる点の制御量ｂを使用する。

次に、制御量を出力する一連の動作を行う（ステップＳ３）。制御量出力の動作については後述する。そして、制御量が出力され超音波モータが駆動されたときに、対象物が動作したか否かを判定する（ステップＳ４）。判定により、対象物が動作していないときには、ステップＳ３に戻る。

一方、対象物が動作した場合には、動作時のサイクルおよびその直後の数サイクルの制御量の記憶を開始する（ステップＳ５）。位置決め装置１００では通常、使用前に初期化（原点設定、左右リミット確認およびストロークチェック）を行う。したがって、上記のようにその際の停止状態から動作状態に変わる点および動作状態から停止状態に変わる点を基準に暫定的な初期オフセット量としてメモリに記憶する。

そして、さらに制御量を出力する一連の動作を行う（ステップＳ６）。その際にはそれぞれの制御量を一時的に記憶し、数サイクル分の記憶を更新しながらステージを駆動するのが好ましい。そして、制御量が出力され、超音波モータが駆動されたときに、対象物が動作しているか否かを判定する（ステップＳ７）。判定により、対象物が動作しているときには、ステップＳ６に戻り、制御量の出力による超音波モータの駆動を継続する。

一方、対象物が動作していない場合には、停止時のサイクルおよびその直前の数サイクルの制御量をオフセット量算出用の候補として記憶し（ステップＳ８）、終了する。このように実績のある、記憶された制御量を参照してオフセット信号を制御量に重畳して超音波モータを駆動するため、確実に安定的な制御を可能にし、演算負担も軽減できる。

（制御量出力の動作）
次に、制御量出力の動作を説明する。図３は、制御量出力の動作を示すフローチャートである。まず、目的位置の指示に基づいて作成されたプロファイルから、サイクル毎の指示位置を算出して指示する（ステップＴ１）。そして、対象物（ステージ）の現在の実位置を読み込む（ステップＴ２）。

次に、指示位置および指示位置から算出された指示速度と、実位置および実位置から算出された実速度に基づいてＰＩＤ演算を行い、制御量を算出する（ステップＴ３）。なお、算出された制御量は、直近の数サイクル分が一時的に記憶されていることが好ましい。そして、算出された制御量にオフセットを重畳した出力により超音波モータを駆動して（ステップＴ４）制御量の出力を終了する。

以上のように、本発明では、超音波モータの停止状態から動作状態に、あるいは動作状態から停止状態に変わる１〜数サイクル前の制御量を記憶しておき、その結果を元にオフセット信号を生成して超音波モータに加える。これにより、位置決めステージの駆動位置によらず、最適なオフセット信号となり、不感帯無く位置決め対象物を駆動することが可能となる。

１００ 位置決め装置
１１０ 制御量記憶部
１１５ オフセット設定部
１２０ 指示部
１３０ 位置検出部
１４０ 算出部
１４１ 微分演算部
１４２ 速度出力部
１４３ 位置出力部
１４４ 微分演算部
１４５ 速度出力部
１４６ ＰＩＤ演算部
１６０ 駆動部

Claims (5)

1. 位置検出をフィードバックして超音波モータを駆動するサイクルの繰り返しにより対象物の位置決めを行なう位置決め装置であって、
   位置決めしようとする対象物の目的位置に基づき１サイクル毎に算出位置を指示する指示部と、
   １サイクル毎に前記対象物の現在位置を検出する位置検出部と、
   前記検出された現在位置および前記指示された算出位置に基づき、１サイクル毎に制御量を算出する算出部と、
   １サイクル毎に前記算出された制御量にあらかじめ設定されたオフセットを重畳して超音波モータを駆動し、前記対象物を移動する駆動部と、
   既に行なわれた位置決め制御において、移動する対象物が始動する直後、または停止する直前の一連のサイクルのうち少なくとも１つのサイクルにおける制御量を記憶する制御量記憶部と、
   前記記憶された制御量に基づき、次に行なわれる位置決め制御のためのオフセットを設定するオフセット設定部と、を備えることを特徴とする位置決め装置。
2. 前記制御量記憶部は、前記動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量を記憶し、
   前記オフセット設定部は、前記動作する対象物が始動する直後、または停止する直前の１サイクルにおける制御量を用いてオフセットを設定することを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
3. 前記オフセット設定部は、前記記憶された制御量のうちの代表値を用いてオフセットを設定することを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
4. 前記オフセット設定部は、前記記憶された制御量に基づき算出された候補値と１以下の数値との積をオフセットに設定することを特徴とする請求項１から請求項３記載の位置決め装置。
5. 位置検出をフィードバックして超音波モータを駆動するサイクルの繰り返しにより対象物の位置決めを行なう位置決め方法であって、
   位置決めしようとする対象物の目的位置に基づき１サイクル毎に算出位置を指示するステップと、
   １サイクル毎に前記動作する対象物の現在位置を検出するステップと、
   前記検出された現在位置および前記指示された算出位置に基づき、１サイクル毎に制御量を算出するステップと、
   １サイクル毎に前記算出された制御量にあらかじめ設定されたオフセットを重畳して超音波モータを駆動し、前記対象物を移動するステップと、
   既に行なわれた位置決め制御において、移動する対象物が始動する直後、または停止する直前の一連のサイクルのうち少なくとも１つのサイクルにおける制御量を記憶するステップと、
   前記記憶された制御量に基づき、次に行なわれる位置決め制御のためのオフセットを設定するステップと、を含むことを特徴とする位置決め方法。

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