JPH0686594A - リニアモータ構造を有するモータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高速かつ高精度の位置決めを行なうのに適し
たリニアモータ構造を有するモータ装置に関し、たとえ
ば小型で超精密な精度を有し、かつ高速動作可能なステ
ージ装置を実現するのに適した駆動制御機構を備えたモ
ータ装置を提供することである。 【構成】 磁力線を発生させるための磁石部（６）と前
記磁力線と鎖交するコイル部（９）とを含むリニアモー
タ構造を有するモータ装置であって、位置制御誤差信号
（ｒ−ｘ）より、偏差を補正するために、各自由度間の
干渉を補正した推力目標値（ｆ_r ）を求め、これに基づ
いて、少なくともコイルのインピーダンス、コイルで発
生する推力の実効成分を考慮して、コイルに流す電流値
の目標値（ｉ_r ）を演算する手段（２０）と、前記電流
値の目標値（ｉ_r ）に基づいて前記コイル（９）に電流
（ｉ）を供給する手段（２５）と、前記コイルに流れた
電流をモニタし、前記電流供給手段（２５）にフィード
バックする手段（３０）とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リニアモータ構造を有
するモータ装置に関し、特に高速かつ高精度の位置決め
を行なうのに適したリニアモータ構造を有するモータ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置等の超精密機械分野で
は、対象物を比較的広い平面内で駆動し、位置決めを行
う装置に対して位置決め精度向上の要求がある。

【０００３】従来、対象物を２次元的に駆動する装置と
しては、まず、平面内の一方向であるｘ軸方向について
駆動を行うサーボモータとボールネジ等を備えたｘステ
ージを形成し、その上にｙ軸方向の駆動を行うサーボモ
ータとボールネジ等を備えたｙステージを重ねたｘｙス
テージ等が知られている。

【０００４】このような構成のｘｙステージによれば、
動力伝達機構や案内機構が必要であり、駆動源の動力が
１００％対象物に伝わらずに、ステージを構成している
機械部材に不要な歪みや弾性変形を生じさせている。ま
た、２段に組み合わせるため全体が大型化し、その結果
高速な運動を行う際、振動の影響が出やすく精度が劣化
しやすい。

【０００５】そのため、０．０１μｍ程度以下という高
い位置決め精度を実現するのは困難である。弾性変形量
を低減したり、振動の影響を低減するために、一般的に
機械構造体の大型化によって高剛性化を図ることが多
い。

【０００６】このような構成の場合、高精度の位置決め
を実現するステージ装置は大型となり、重量も増加して
しまう。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来の技術によるｘｙステージ等においては、たとえば
０．０１μｍの位置決め精度を持つ超精密ステージ装置
を実現することは難しかった。

【０００８】本出願人は、先にステージに直接複数組の
リニアモータ構造を備えた超精密平面モータ装置を提案
した（特願平３−１７２３２６号公報）。この平面モー
タ装置においては、ステージに直接複数組のリニアモー
タ構造が取り付けられ、ｘｙθ方向の移動を行なえるた
め、極めて高い位置決め精度を実現することが可能であ
る。

【０００９】このような平面モータ装置において、ステ
ージを高精度に位置決めするためには、ステージを駆動
する電流値を予め定め、リニアモータ構造を構成するコ
イルにその電流値を有する電流を流すことが望まれる。

【００１０】しかしながら、コイルにはインピーダンス
があり、インピーダンスによる時間的一時遅れが存在す
る。また、単一のステージが複数方向に運動可能である
ため、１つの方向の駆動が他の方向に影響を及ぼし、駆
動を意図しないコイルに逆起電力が発生する。このよう
な逆起電力により、意図した電流が流れないことにな
る。

【００１１】このように、単一の電流値が複数方向の自
由度に影響を与え、かつ所望の電流値を達成しようとし
てもその実現を妨げる要素があるために、ステージの位
置をモニタし、フィードバックしても、ステージを高精
度に位置決めするのに、比較的長い時間を必要とする。

【００１２】本発明の目的は、たとえば小型で超精密な
精度を有し、かつ高速動作可能なステージ装置を実現す
るのに適したモータ装置を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のリニアモータ構
造を有するモータ装置は、磁力線を発生させるための磁
石部と前記磁力線と鎖交するコイル部とを含むリニアモ
ータ構造を有するモータ装置であって、推力の目標値
（ｆ_r ）に基づいて、少なくともコイルのインピーダン
ス、コイルで発生する推力の実効成分を考慮して、コイ
ルに流す電流値の目標値（ｉ_r ）を演算する手段と、前
記電流値の目標値（ｉ_r ）に基づいて前記コイルに電流
（ｉ）を供給する手段と、前記コイルに流れた電流をモ
ニタし、前記電流供給手段にフィードバックする手段と
を含む。

【００１４】

【作用】推力の目標値に基づいて、少なくともコイルの
インピーダンス、コイルで発生する推力の実効成分を考
慮して、コイルに流す電流値の目標値を演算することに
より、電気的一時遅れ、推力のロス、複数推力の干渉等
の成分を予め取り込むことができる。

【００１５】また、実際にコイルに流れた電流をモニタ
し、電流目標値に基づいて電流を供給する電流供給手段
にフィードバックすることにより、所望の電流値を迅速
に達成することができる。

【００１６】たとえば、１つのステージに複数組のリニ
アモータ構造を設け、リニアモータ構造のコイルに所定
電流を供給することによってステージを位置決めする
際、各コイル間の干渉を予め取り込んで電流目標値を定
め、電流値をフィードバックすることにより、電極目標
値を迅速に達成することにより、高速でかつ高精度に動
作するステージ装置を実現することができる。

【００１７】

【実施例】図１に、本発明の実施例によるモータ装置の
基本構成を示す。永久磁石６ａ、６ｂとコイル９ａ、９
ｂは、一組のリニアモータ構造を構成する。なお、永久
磁石６ａ、６ｂはヨーク５によって機械的、磁気的に結
合されている。コイル９ａ、９ｂも互いに結合されてい
る。ヨーク５によって結合された永久磁石６ａ、６ｂま
たは結合されたコイル９ａ、９ｂの一方が他方に対して
相対的に運動する。

【００１８】このリニアモータ構造を駆動するため、目
標とする推力ｆ_r が設定されたとする。演算回路２０
は、実効推力演算回路２０ａと一時遅れ補償演算回路２
０ｂを含む。実効推力演算回路２０ａは、コイルに発生
する推力に対するロス、コイルと磁石との結合状態等を
取り込み、所望の推力を発生させるためには、実際にコ
イルにどのような電圧または電流を印加しなければなら
ないかを演算する。

【００１９】さらに、コイルにはコイルインピーダンス
による一時遅れが発生するので、このようにして求めた
電流値を実際に実現するために必要な目標電流値が一時
遅れ補償演算回路２０ｂで演算される。

【００２０】すなわち、リニアモータ構造に基づく実効
推力の変化やコイルインピーダンスによる一時遅れ等を
取り込んだ演算を行なうことにより、速やかに所望の推
力を発生させるために必要な目標電流値ｉ_r が設定され
る。

【００２１】電流供給回路２５は、このようにして設定
された目標電流値ｉ_r に基づいて、可変電流源２５ａを
制御し、電流ｉを供給する。この電流ｉは、コイル９
ａ、９ｂを流れ、その電流値が電流モニタ３０ａによっ
てモニタされる。

【００２２】モニタされた電流値は、フィードバックル
ープ３０ｂを介して電流供給回路２５にフィードバック
される。電流供給回路２５は、設定した電流値と実際に
流れた電流値の偏差に基づき、さらに可変電流源２５ａ
を制御し、速やかに所望の電流値を達成する。

【００２３】このような構成により、実効駆動力が種々
の要素に影響される場合にも、所望の推力を迅速に発生
させることができる。また、コイルインピーダンス等の
原因による電流の立ち上がり遅れを補償した電流を流
し、目標電流値を速やかに達成することができる。

【００２４】以下、本発明をより具体的な実施例に沿っ
て説明する。平面モータ装置の場合を例にとり、まず平
面モータ装置の機械的構造を説明し、次に電気的制御系
について説明する。

【００２５】図２に、本発明の実施例による平面モータ
装置の概略図を示す。図２（Ａ）は、コイルと永久磁石
との位置関係を示す平面図である。図２（Ｂ）は、永久
磁石とコイルとの位置関係を示す概略側面図である。

【００２６】図２（Ａ）に示すように、平面モータの可
動平面内にｘ軸方向、ｙ軸方向およびｘ軸、ｙ軸に垂直
な軸の回りの回転方向θ方向を設定する。平面モータ装
置は、基本的単位としてｘ方向のリニアモータ構造部１
３、ｙ方向のリニアモータ構造部１４、１５を有する。
ｘ方向リニアモータ構造部１３においては、４個の同等
なｘ用コイル９ａ１、９ａ２、９ａ３、９ａ４がｙ軸方
向に並んで配置され、ｘ軸方向に所定距離離され、別の
４個の同等なｘ用コイル９ｂ１、９ｂ２、９ｂ３、９ｂ
４がｙ軸方向に並んで配置されている。

【００２７】さらに、対応する２つのｘ用コイル９ａ
１、９ｂ１を貫通して共通の高透磁率のコア１２が配置
されている。同様に、対応するｘ用コイル９ａ２と９ｂ
２、９ａ３と９ｂ３、９ａ４と９ｂ４をそれぞれ貫通し
てコア１２が配置されている。

【００２８】図示の配置においては、図中下側に配置さ
れた３つのｘ用コイル９ａ１、９ａ２、９ａ３に対向す
るようにｙ方向に長い１つのｘ用磁石６ａが配置され、
他の３つのｘ用コイル９ｂ１、９ｂ２、９ｂ３と対向し
て他のｙ方向に長いｘ用コイル６ｂが配置されている。

【００２９】ｙ方向リニアモータ構造部１４、１５にお
いても同様の構成がとられている。すなわち、ｙ方向リ
ニアモータ構造部１４においては、ｙ用コイル１０ｂ
１、１０ｂ２、１０ｂ３、１０ｂ４がｘ軸方向に並んで
配置され、その図中下方には、ｘ方向の位置を対応させ
て他のｙ用コイル１０ａ１、１０ａ２、１０ａ３、１０
ａ４が、同様ｘ軸方向に並んで配置されている。

【００３０】また、上下に対応して配置されたｙ用コイ
ル１０ｂ１と１０ａ１、１０ｂ２と１０ａ２、１０ｂ３
と１０ａ３、１０ｂ４と１０ａ４にはそれぞれコア１２
が貫通して配置されている。

【００３１】また、ｘ軸方向に長いｙ用永久磁石７ｂ
は、図中の配置においてｘ方向に長いｙ用コイル１０ｂ
１、１０ｂ２、１０ｂ３の上に配置され、他のｘ方向に
長いｙ用磁石７ａは、ｙ用磁石１０ａ１、１０ａ２、１
０ａ３の上に対向して配置されている。

【００３２】他のｙ方向リニアモータ構造部１５は、ｙ
方向リニアモータ構造部１４と同等の構成を有する。す
なわち、１１ａ１〜１１ａ４、１１ｂ１〜１１ｂ４はｙ
用コイルを示し、８ａ、８ｂはｙ用磁石を示し、１２は
コアを示す。

【００３３】図２（Ｂ）は、ｘ用コイル９ａ１、９ｂ１
およびその上に配置されたｘ用磁石６ａ、６ｂの相対関
係を示す概略側面図である。ベース１の上にｘ用コイル
９ａ１、９ｂ１が固定され、その軸上にコア１２が貫通
されている。これらのｘ用コイル９ａ１、９ｂ１と対向
するように、ｘ用磁石６ａ、６ｂがギャップ１７を介し
て配置されている。これらのｘ用磁石６ａ、６ｂは、ヨ
ーク５に固定され、このヨーク５はステージ部材３の下
面に固定されている。少なくともヨーク５は、高透磁率
の材料で形成されている。

【００３４】一対のｘ用磁石６ａ、６ｂは、ヨーク５に
対して極性を反転して配置されている。図示の構成にお
いては、一方のｘ用磁石６ａは下方にＮ極、上方にＳ極
を有し、他方のｘ用磁石６ｂは上方にＮ極、下方にＳ極
を有する。

【００３５】したがって、図中破線の矢印で示すように
磁路１６が形成され、磁束が分布する。このような磁束
の存在下において、コイル９ａ１に図に示すような方向
の電流を与え、コイル９ｂ１に図に示すような反対方向
の電流を与えると、主にコイルの上部分を流れる電流が
磁束と相互作用する。

【００３６】これら２つのコイルにおいては磁束の向き
が逆であるため、逆方向に電流を流す両コイルに同一方
向のｘ方向の力が生じる。この力によってステージ部材
３はｘ方向に駆動される。

【００３７】同様の原理により、ｙ方向リニアモータ構
造部１４、１５においては、ｙ方向の力が発生する。た
とえば、ｙ方向リニアモータ構造部１４、１５に生じる
力によって、ステージ部材３がｙ方向に変位する。

【００３８】この時、ｘ用磁石６ａ、６ｂと対向するコ
イルは変わっても、いくつかのコイルはｘ用磁石６ａ、
６ｂと対向する。したがって、ｘ方向の力を発生するこ
とができる。

【００３９】図２に示すような構造の平面モータ装置の
駆動モードを図３に示す。図３（Ａ）はｘ並進モードを
示し、図３（Ｂ）はｙ並進モードを示し、図３（Ｃ）は
θ回転モードを示す。

【００４０】図３（Ａ）においては、ｘ方向リニアモー
タ構造部１３のコイルに電流を流す。このため、ｘ方向
リニアモータ構造部１３のコイルにｘ方向の力が発生
し、ステージ部材をｘ方向に駆動する。

【００４１】図３（Ｂ）は、ｙ並進モードを示す。ｙ方
向リニアモータ構造部１４、１５のコイルに同一方向の
力が発生するように電流を流す。すると、ｙ方向リニア
モータ構造部１４、１５のコイルに同一のｙ方向の駆動
力が発生する。したがって、ステージ部材はｙ方向に並
進運動する。

【００４２】図３（Ｃ）はｘｙ平面内におけるθ回転モ
ードを示す。ｙ方向リニアモータ構造部１４、１５に逆
方向のｙ方向の力が発生するように電流を供給する。た
とえば、図示のようにｙ方向リニアモータ構造部１４に
おいては−ｙ方向、ｙ方向リニアモータ構造部１５にお
いては＋ｙ方向に力が発生するように、それぞれのコイ
ルに電流を供給する。これら逆方向で平行な力が発生す
ると、リニアモータ構造部１４、１５の永久磁石を支持
するステージ部材はｘｙ平面内で＋θ方向に回転する。

【００４３】以上の説明においては、各コイルはベース
に固定され、各永久磁石はステージ部材に固定され、ス
テージはｘｙ平面内で自由に運動できると仮定した。コ
イルに働く力と永久磁石に働く力は大きさが等しく、向
きが逆である。

【００４４】このような構造は、たとえば、ステージを
コロ等でｘｙ平面内に支持することによって実現するこ
ともできるが、以下に述べるようにエアベアリング等の
摩擦の少ないベアリング機構を用いることがより好まし
い。

【００４５】ステージの可動部の機械構造部の自重もし
くは、磁石等による吸引力と逆向きにエアベアリングの
浮上力が作用するようにエアベアリングを組み合わせた
構造によれば、ステージをベース上所定高さに保持し、
ｘｙ平面内の運動自在に支持することができる。

【００４６】図４は、平面モータ装置を備えたｘｙステ
ージ装置を示す斜視図である。ベース１は、その上に平
坦な案内面２を有し、案内面２上にｘ用コイル９、第１
ｙ用コイル１０、第２ｙ用コイル１１を固定する。

【００４７】なお、ｘ用コイル９は、ｘ軸方向に５個の
コイルが同軸に配置され、同様の５個のコイルの組が５
組ｙ方向に並列に配置されている。また、ｙ用コイル１
０、１１は、ｙ軸方向に５個のコイルが同軸配置され、
これら５個のコイルの組がｘ方向に４組配置されてい
る。なお、同軸に配列されたコイルの中心部には鉄等の
高透磁率のコアが挿入されている。

【００４８】ベース１の案内面２上には、エアパッド４
で支持されたメインステージ３が配置される。エアパッ
ド４は、たとえば下面にエア吹き出し口を有するもので
あり、エアの吹き出しによってベース１の案内面２上に
浮上する。ＳＯＲアライナ等に用いるため縦型のステー
ジにする場合は、エアパッドに永久磁石を併用すること
により、垂直面上で平面運動が可能となる。

【００４９】メインステージ３の下面には、鉄等の高透
磁率材料で形成されたヨーク５が固定されている。この
ヨーク５の下面には、さらにｘ用磁石６、ｙ用磁石７お
よび８が固定されている。各磁石は、対応するコイルの
複数個にわたる長さを有する。

【００５０】図５は、図４における磁石とコイルとの関
係をより詳細に示す。図５（Ａ）は、磁石とコイルの組
み合わせの一相のみを取り出した図である。ヨーク５の
下面に逆平行の関係にある永久磁石Ｍ１とＭ２が固着さ
れている。これら永久磁石Ｍ１とＭ２の間隔は、対応す
るコイルＣ１とＣ２の間隔に等しく設定されている。

【００５１】図示のように、永久磁石Ｍ１とＭ２がコイ
ルＣ１とＣ２の上に配置されると、永久磁石Ｍ１からコ
イルＣ１内のコア１２に達し、コア１２を通って永久磁
石Ｍ２に進み、ヨーク５を介して永久磁石Ｍ１に戻る磁
路が形成される。コイルＣ１、Ｃ２の上側巻線は、この
磁路と交差している。

【００５２】したがって、コイルＣ１とＣ２に電流を流
すと、電流の強さに応じた力がコイルの軸方向に発生す
る。ただし、コイルＣ１とＣ２において、磁束は逆方向
に進むので、コイルＣ１とＣ２に同一方向の力を発生さ
せると、これらの力は互いに逆方向に作用し、相殺す
る。コイルＣ１とＣ２に逆方向の電流を流せば、同一方
向の力が発生する。

【００５３】コイルに電流を流すことにより、ヨーク５
が矢印方向に移動する。しかしながら、磁石Ｍ１とＭ２
がコイルとコイルの境界上に移動されると、隣接するコ
イルから逆方向の力が発生するので、ヨーク５に作用す
る力は減少する。このような力の発生を図６（Ａ）に示
す。

【００５４】すなわち、磁石とコイルの間に１つの磁路
を形成し、一相の駆動を行うと、発生する力は、図６
（Ａ）に示すようにリップル状になる。図４のステージ
装置においては、各リニアモータ構造部は４個の永久磁
石を有している。これらの永久磁石は、図５（Ｂ）に示
すように２個ずつが組とされ、２組が位相をずらして配
置されている。

【００５５】すなわち、図示のように磁石Ｍ１とＭ２が
コイルとコイルの境界上にあり、力を発生できない時、
他の磁石Ｍ３とＭ４はコイルＣ４とＣ５の上に配置さ
れ、十分な力を発生することができる。

【００５６】ヨーク５が移動して、磁石Ｍ３とＭ４がコ
イルとコイルの境界上に配置されるときには、今度は磁
石Ｍ１とＭ２がコイルの中央部上に配置され、十分な力
を発生する。このような２相駆動により発生する力のパ
ターンを、図６（Ｂ）に示す。

【００５７】すなわち、図６（Ｂ）の上２段に示す位相
をずらせた２相の駆動力を合成することにより、図６
（Ｂ）最下段に示すようなほぼ一定の推力を得ることが
できる。

【００５８】各磁石は、対応するコイルの横方向に長い
形状を有する。図５（Ｃ）は、このような磁石の横方向
とコイルとの関係を示す。コイルＣ１、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ
８は、横方向に並んで配置されている。

【００５９】これに対して磁石Ｍ１は、３つ分のコイル
の幅を有する。したがって、ヨーク５がコイルの横方向
に移動したときも、十分な長さにおいて磁石とコイルと
が対向し、必要な力を発生させることができる。

【００６０】すなわち、平面内である程度広範囲にステ
ージを駆動するためには、コイル１つに対して磁石１つ
を対向させる構成は好ましくなく、図示のように複数個
のコイルを軸方向に結合し、かつ軸と直交する方向に複
数組のコイルを配置することが好ましい。

【００６１】このように、多数のコイルを配置し、その
上に多数、たとえば４個の磁石を２相駆動を行うように
配置することにより、磁石の発生する磁束を十分コイル
に鎖交させ、ステージの駆動に必要な力を十分広範囲に
発生させることが可能となる。

【００６２】なお、磁石と対向するコイルに流れる電流
を制御することにより、図３に示したような種々の駆動
モードを実現できることは当業者に自明であろう。ステ
ージをエアパッドにより浮上させ、コイルと磁石の組み
合わせにより、駆動することにより、ほぼ摩擦のない状
態でステージに直接力を作用させることができる。この
ため、構造部材に歪みや弾性変形を生じることを防止す
ることが可能となる。また、装置全体を小型化にでき
る。このようにして、高精度の位置決めが可能なステー
ジ装置が提供される。

【００６３】このような高精度の位置決め可能ステージ
装置を、高速度に動作させるための制御系について以下
に説明する。図７は、以上説明したステージ装置の動力
学的モデルを示す。図４に示すステージ装置とほぼ同等
の構造を有する場合を示す。

【００６４】メインステージ３は、３つのエアパッド４
によって支持され、その位置計測のためのｘ方向測長用
ミラーＭｘおよびｙ方向測長用ミラーＭｙを備える。ま
た、メインステージ３は、その下面に一組のｘ方向永久
磁石と二組のｙ方向永久磁石とを備える。このメインス
テージの重心をＧで示す。

【００６５】メインステージ３の外部には、重心Ｇから
ｙ方向距離Ｄｘ離れた位置でｘ方向の測長を行なうレー
ザ測長計と、重心Ｇからｘ方向距離Ｄｙ１、Ｄｙ２離れ
た位置でｙ方向の測長を行なう２つのレーザ測長計が設
けられている。これらのレーザ測長計により、座標Ｘ、
Ｙ１、Ｙ２が測定される。

【００６６】メインステージ３を支持するベース上に
は、一組のｘ方向コイル（インダクタンス）Ｌｘと、二
組のｙ方向コイル（インダクタンス）Ｌｙ１、Ｌｙ２が
設けられている。これらのコイルにはそれぞれ抵抗成分
が伴うが、その抵抗値をＲｘ、Ｒｙ１、Ｒｙ２と表す。
また、これらのコイルによってメインステージ３に働く
力をＦｘ、Ｆｙ１、Ｆｙ２と表し、これらの力の作用点
の重心Ｇからの距離をｌｘ、ｌｙ、ｌｙと表す。

【００６７】ｘ方向駆動コイルＬｘの両端に電圧ｕｘを
印加し、Ｙ方向駆動コイルＬｙ１、Ｌｙ２の両端に駆動
電圧ｕｙ１、ｕｙ２を印加してメインステージ３の駆動
を行なう。

【００６８】磁束密度Ｂの中に電流ｉを長さｌ流すと、
電流に対して力Ｆが Ｆ＝Ｂ・ｌ・ｉ …（１） のように発生する。この単純なモデルの場合、電流−推
力ゲインＫｆは次式により表せる。

【００６９】 Ｋｆ＝Ｆ／ｉ …（２） この場合、Ｋｆ＝Ｂ・ｌである。磁束密度Ｂは、パーミ
アンス法等により求めることができる。

【００７０】ところで、実際のステージ用平面モータに
おいては、重心と推力の作用点が異なることにより、１
次のモーメントが発生する。また、ステージの移動に伴
い、磁束と鎖交するコイルの有効長は変化する。したが
って、実際にはＫｆはステージ位置の関数となる。

【００７１】ただし、ステージが微小範囲で動く場合
は、ゲインＫｆの変動は極めて小さいものとすることも
できる。インダクタンスＬ、抵抗Ｒを有するコイルに電
圧ｕを印加すると、この時コイルに流れる電流には（Ｌ
Ｓ＋Ｒ）^-1で示されるような一時遅れが表れる。この遅
れは、入力信号が高周波の時（たとえば信号の立ち上が
り時等）、電流−推力ゲインの低下、あるいは位相遅れ
を生じさせる。このため、ステージの高周波領域での追
従性を低下させる。したがって、目標値への整定時間や
応答速度に悪影響を及ぼす。

【００７２】電流ｉが流れると、電流−推力ゲインＫｆ
に従って力Ｆが発生する。力Ｆが作用すると、ステージ
の質量Ｍに反比例した加速度が発生する。重力加速度等
他の力も作用する時は、これら他の力も取り込まれる。
この加速度を積分することによってステージの速度ｖが
定まる。また、速度ｖを積分することによってステージ
の位置ｘが定まる。

【００７３】このような移動ステージ系に通常のＰＩＤ
制御を行なう場合の制御系を図８に示す。ステージ系５
０は、加算器（減算器）３６で電圧ｕを受け、インダク
タンスＬ、抵抗Ｒを有するコイル系３８に電流を流すこ
とによって一時遅れが発生する。

【００７４】コイル系に流れる電流によって、電流−推
力ゲインＫｆを有する駆動系４０より推力が発生する。
この推力は、慣性系４２によって速度ｖとなり、積分系
４４によって位置ｘとなる。

【００７５】ステージ系５０の位置ｘは、レーザ測長計
によってモニタされ、フィードバック系４８を介して加
算器３２にフィードバックされる。加算器（減算器）３
２では、設定した位置ｒ、実際のステージの位置ｘから
その偏差を演算し、ＰＩＤ調節系３４を介して電圧ｕを
発生させる。

【００７６】このような制御により、ステージ系５０の
位置を正確に自動制御することができる。しかしなが
ら、インピーダンスを有するコイル系３８には、当初設
定した電流は流れず、電流値が設定値に達するのには時
間がかかる。

【００７７】また、図７のモデルから明らかなように、
たとえば、ｘ方向コイルＬｘに電流を流し、ｘ方向の力
Ｆｘを発生させた場合、この力の作用する位置が重心Ｇ
と距離ｌｘ離れているために、メインステージ３はｘ方
向の運動のみでなく、ｙ方向の運動やθ方向の回転を伴
ってしまう。ｙ方向コイルＬｙに電流を流した時にも同
様の事態が発生する。

【００７８】すなわち、図７に示すようなステージ系に
おいては、各方向の駆動力が互いに干渉する。このよう
に、一方向の駆動を行なった時、他の方向に駆動力が発
生することにより、対応するコイルに逆起電力が発生し
てしまう。このフィードバックループを、図８中のフィ
ードバック系４６で示す。

【００７９】この逆起電力の比例定数をＫｅで表す。逆
起電力は、指令電圧と逆の極性であり、コイルに流れる
電流を減少させる方向に働く。これが、推力に従ってス
テージの他の自由度の運動に影響を与える。

【００８０】図９は、本発明の実施例によるステージの
制御系を示す。図８に示す参考技術による制御系と異な
る点は、ＰＩＤ調節系３４と加算器３６の間の部分およ
び、コイル系３８の出力電流のフィードバック系およ
び、位置のフィードバック系における座標変換用演算回
路２８である。

【００８１】位置の目標値ｒが設定されると、加算器３
２を介してＰＩＤ調節系３４に印加され、目標電圧が設
定される。この目標電圧は、単純な理想的モデルの場合
のものであり、実際のステージ系を考慮して互いに干渉
を生じない駆動力成分に分解する演算等の逆演算（Ｋ
ｆ）^-1およびコイルの一時遅れの逆演算（Ｋａｍｐ）^-1
等を行なう演算回路２０を介してステージ系に則した数
値に修正される。

【００８２】この設定値は、加算器２１を介して比例回
路２２および積分回路２３を含むＰＩ制御を介して加算
器２４、３６を介してコイル系３８に印加される。コイ
ル系３８の出力電流ｉは、フィードバック系３０ｂ、係
数回路２６を介して加算器２１にフィードバックされ
る。

【００８３】このようにして、ステージの重心から離れ
た位置に作用する力の干渉を採り入れ、かつコイル系に
よる電流の立ち上がり遅れ等を補正した制御を行なうこ
とにより、ステージ系は高速にかつ高精度に制御され
る。

【００８４】なお、電流−推力ゲインマトリクスＫｆが
一定値として扱える場合、演算回路２０における干渉防
止演算は、次式に示すような演算を行なえばよい。

【００８５】

【数１】

【００８６】このような演算により、重心Ｇのｘ方向、
ｙ方向、θ方向の運動をコイルＬｘ、Ｌｙ１、Ｌｙ２の
用語で表すことができる。このようにして、各軸の運動
を非干渉化することができる。

【００８７】なお、ステージ系５０にはｘ方向の１つの
コイルおよびｙ方向の２つのコイルから駆動力が与えら
れる。ステージ全体の運動は、これら３つの力の合成に
よって定まる。

【００８８】図１０に、ステージ系の駆動機構を示す。
ｘコイル用電圧ｕｘと２つのｙコイル用電圧ｕｙ１、ｕ
ｙ２により、ステージに駆動力が与えられ、ステージは
ｘ方向、ｙ方向、θ方向に運動する。

【００８９】より詳細に説明すると、設定電圧ｕによっ
てコイル５１に電流が流れ、磁界内の相互作用５２によ
って駆動力が発生する。この駆動力が、慣性系５３を速
度ｖで運動させ、積分系５４によって位置の変化ｘ、
ｙ、θとなって表れる。なお、各軸方向相互間の干渉に
よって、逆起電力５５が生じている。

【００９０】なお、平面モータの場合について説明した
が、同様の制御系が１軸、３軸等、他のモータ装置にも
適用できることは当業者に明らかであろう。以上実施例
に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限さ
れるものではない。たとえば、種々の変更、改良、組み
合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【００９１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
リニアモータ構造を有するモータ装置において、高速か
つ高精度の制御を行なうことができる。平面モータ装置
等において、複数方向の駆動力が互いに干渉を生じる場
合にも、予め干渉を防止した制御を行なうことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施例による平面モータ装置を示す。
図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は側面図である。

【図３】駆動モードを説明するための図である。図３
（Ａ）はｘ並進モードを示し、図３（Ｂ）はｙ並進モー
ドを示し、図３（Ｃ）はθ回転モードを示す。

【図４】本発明の実施例によるステージ装置を示す斜視
図である。

【図５】図４に示すステージ装置の推力発生の原理を説
明するための概略側面図である。図５（Ａ）は一相駆動
を示し、図５（Ｂ）は２相駆動を示し、図５（Ｃ）はコ
イルの横方向に対する磁石の配置を示す。

【図６】図５と対応して発生する力を説明するためのグ
ラフである。

【図７】ステージの動力学的モデルを示す概念図であ
る。

【図８】参考技術による制御系を示すブロック図であ
る。

【図９】本発明の実施例による制御系を示すブロック図
である。

【図１０】駆動力間の干渉を有するステージ系の動力学
的モデルを示すブロックである。

【符号の説明】

１ ベース ２ 案内面 ３ ステージ部材（メインステージ） ４ エアパッド ５ ヨーク ６ ｘ用磁石 ７、８ ｙ用磁石 ９ ｘ用コイル １０、１１ ｙ用コイル １２ コア ２０ 演算回路 ２５ 電流供給回路 ３０ 電流値フィードバック回路

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年９月２１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】そのため、０．０１μｍ程度以下という高
い位置決め精度を実現するのは困難である。弾性変形量
を低減したり、振動の影響を低減するために、一般的に
機械構造体の大型化によって高剛性化を図ることが多
い。また、このようなステージ装置では、装置の構成
上、一般にステージ可動部の重心点を直接駆動できない
ため、ヨーイング、ピッチング等望ましくない回転運動
が発生し、運動の真直度を低下させる原因となってい
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】本出願人は、先にステージに直接複数組の
リニアモータ構造を備えた超精密平面モータ装置を提案
した（特願平３−１７２３２６号公報）。この平面モー
タ装置においては、ステージに直接複数組のリニアモー
タ構造が取り付けられ、ｘｙθ方向の移動をダイレクト
ドライブ方式により行なえるため、極めて高い位置決め
精度を実現することが可能である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】このような平面モータ装置において、ステ
ージを高精度に位置決めするためには、各推力発生部と
ステージ重心点とのずれを考慮した推力指令の生成と、
それに基づき所望の電流を各コイルに流すことが望まれ
る。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】本発明の目的は、たとえば小型で超精密な
精度を有し、かつ高速動作可能なステージ装置を実現す
るのに適した駆動制御機構を備えたモータ装置を提供す
ることである。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明のリニアモータ構
造を有するモータ装置は、磁力線を発生させるための磁
石部と前記磁力線と鎖交するコイル部とを含むリニアモ
ータ構造を有するモータ装置であって、位置制御誤差信
号（ｒ−ｘ）より、偏差を補正するために、各自由度間
の干渉を補正した推力目標値（ｆ_r ）を求め、これに基
づいて、少なくともコイルのインピーダンス、コイルで
発生する推力の実効成分を考慮して、コイルに流す電流
値の目標値（ｉ_r ）を演算する手段と、前記電流値の目
標値（ｉ _r ）に基づいて前記コイルに電流（ｉ）を供給
する手段と、前記コイルに流れた電流をモニタし、前記
電流供給手段にフィードバックする手段とを含む。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００８３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００８３】このようにして、ステージの重心から離れ
た位置に作用する力の干渉を補償し、かつコイル系によ
る電流の立ち上がり遅れ等を補正した制御を行なうこと
により、ステージ系は高速にかつ高精度に制御される。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁力線を発生させるための磁石部（６）
   と前記磁力線と鎖交するコイル部（９）とを含むリニア
   モータ構造を有するモータ装置であって、 推力の目標値（ｆ_r ）に基づいて、少なくともコイルの
   インピーダンス、コイルで発生する推力の実効成分を考
   慮して、コイルに流す電流値の目標値（ｉ_r ）を演算す
   る手段（２０）と、 前記電流値の目標値（ｉ_r ）に基づいて前記コイル
   （９）に電流（ｉ）を供給する手段（２５）と、 前記コイルに流れた電流をモニタし、前記電流供給手段
   （２５）にフィードバックする手段（３０）とを含むリ
   ニアモータ構造を有するモータ装置。
2. 【請求項２】 前記リニアモータ構造は平面内の一方向
   に一組、他の方向に二組備えられ、前記推力の目標値は
   前記平面内のベクトル量であり、前記電流値の目標値は
   各コイルの電流値に対して与えられる請求項１記載のモ
   ータ装置。