JPH07295649A - ステージ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 よりコンパクトで低消費電力な構成により、
応答性を向上させる。 【構成】 重力方向に移動可能に設けられた移動ステー
ジ１０１、前記移動ステージをフィードバック制御によ
り重力方向に位置決めする位置決め制御部１１８、およ
び前記移動ステージにかかる重力を補償する重力補償制
御部１１９を備え、前記重力補償制御部は、前記移動ス
テージに対し重力方向の推力を付与する流体シリンダ１
１３と、位置決め制御部における信号に基づき圧力指令
信号を出力する圧力指令信号出力手段１０９，１１０，
１１１と、前記圧力指令信号に基づき前記流体シリンダ
内の圧力を制御する圧力制御手段１１２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は精密な精度を必要とする
切削機、研削機、研磨機等の精密加工機の重力方向に移
動する移動ステージの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の重力方向に移動する移動ステージ
の制御装置の構成を図５に示す。この装置は、重力方向
１１７に可動な移動ステージ１０１を移動して位置決め
制御を行う位置制御部１１８と、ステージ１０１の自重
を補償する圧力制御部５０５とを備え、これらが独立し
た制御を行うものである。

【０００３】位置制御部１１８は、移動ステージ１０１
を駆動するボールネジ３０３及びモータ３０１と、移動
ステージ１０１の位置を検出する測長器１０４と、移動
ステージ１０１の位置を指令する位置指令装置１０６
と、測長器１０４で検出した移動ステージ１０１の位置
と位置指令装置１０６からの位置指令とを比較演算し、
モータ用サーボアンプ１０８を介してモータ３０１に対
する推力指令を出力する位置制御回路５０２とを有す
る。

【０００４】圧力制御部５０５は、移動ステージ１０１
の重量をバランスさせる推力を発生する流体を用いたシ
リンダ１１３と、シリンダ１１３内の圧力を検出する圧
力センサ５０１と、移動ステージ１０１の重量に対し、
シリンダ１１３による推力がバランスする値を指令する
圧力指令装置５０４と、圧力指令値と圧力センサ５０１
の出力を比較し、圧力制御弁サーボアンプ１１１を介し
て圧力補正値を出力する圧力制御回路５０３と、圧力補
正値に基づきシリンダ１１３内の圧力を操作する圧力制
御弁１１２とを有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この従来例では、圧力
センサ５０１を用いた圧力制御を行なっており、シリン
ダ１１３内の圧力を正確に測定できるようにセンサ５０
１を配する必要がある。しかしながら、装置をコンパク
トにしようとする場合には圧力センサ５０１の取付が困
難であるという問題がある。

【０００６】また、重力補償を行う圧力制御部５０５と
ステージ位置を制御する位置制御部１１８とが独立した
制御を行うため次に述べるような問題もある。すなわ
ち、上述従来例のような装置構成においてはシリンダ推
力がステージ重量とバランスするシリンダ１１３内の流
体圧力値を予め圧力指令装置５０４に記憶させておく。
このため、ステージ駆動を行う以前に、バランスさせる
ステージ重量を予め何らかの手段で測定しなければなら
ない。しかし、この方法ではステージ１０１上の被加工
物１１６の交換により被加工物重量が変化した場合には
その都度ステージ重量を測定し直す必要がある。また、
ステージ１０１の重量を予め測定し記憶していても、加
工中はステージ１０１上の被加工物１１６の加工（切
削、研削等）による被加工物質量の減少に対応できな
い。

【０００７】さらに、圧力制御部５０５は位置制御部１
１８から独立した構成であり、圧力制御はステージ移動
によりシリンダ容量が変化した場合に内部の流体１１４
の圧縮・膨張により流体１１４の圧力が変化するのを抑
える制御を行うが、圧力制御部５０５はステージ１０１
が実際に移動することでシリンダ１１３内の流体１１４
が圧縮・膨張するのを検出して制御する。このため、ス
テージ移動開始時には圧力制御部５０５の応答が遅れ
る。また、流体を利用する圧力制御部５０５は応答時間
が遅いのでステージ１０１の移動中も圧力の追従遅れが
生じ、シリンダ推力の誤差が位置制御部１１８のモータ
３０１の負荷となる欠点がある。例えば、ステージ１０
１が位置制御により上方に移動した場合、シリンダ容量
は拡大されるが圧力制御部５０５の応答速度が遅いので
シリンダ１１３内の圧力は低下し、シリンダ推力が低下
する。この推力低下分を位置制御部のモータ３０１が移
動中は受け持つことになる。特にステージ１０１の駆動
開始時にはステージ１０１が実際に移動を開始してから
圧力制御部が応答を開始するのでシリンダ１１３内の圧
力誤差が大きくなる。

【０００８】また、加工機の加工精度の向上に伴いステ
ージ１０１の位置決めの更なる高精度化のためにはステ
ージ移動時の摩擦による影響をなくすことができる非接
触のリニアモータへの駆動源の変更が有効な手段であ
る。しかし、リニアモータは構成が簡単、かつコンパク
トにでき、高精度化への対応ができる反面、減速機構を
持つ回転型のモータと比較すると同じ推力を出す場合に
は電力消費が大きく、発熱量が大きい。精密加工機に於
いては駆動源の発熱によるステージの変形は無視できな
いので、上述従来例の装置でリニアモータを利用するに
は移動時にモータが発熱するのを防ぐ機構例えばモータ
の冷却機構が必要である。

【０００９】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点に鑑み、ステージ制御装置において、よりコンパク
トで低消費電力な構成により、応答性を向上させること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明のステーシ制御装置は、重力方向に移動可能に設
けられた移動ステージ、前記移動ステージをフィードバ
ック制御により重力方向に位置決めする位置決め制御
部、および前記移動ステージにかかる重力を補償する重
力補償制御部を備え、前記位置決め制御部は、前記移動
ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記移動ス
テージを位置決めすべき目標位置の信号を出力する位置
指令手段と、前記位置検出手段により検出された前記移
動ステージの現在位置と、前記位置指令手段からの目標
位置とに基づき駆動信号を出力する駆動信号出力手段
と、前記駆動信号に基づき前記移動ステージを重力方向
に駆動する駆動手段とを有し、前記重力補償制御部は、
前記移動ステージに対し重力方向の推力を付与する流体
シリンダと、前記駆動信号もしくはこれに応じて駆動手
段内で発生する信号に基づき圧力指令信号を出力する圧
力指令信号出力手段と、前記圧力指令信号に基づき前記
流体シリンダ内の圧力を制御する圧力制御手段とを有す
ることを特徴とする。

【００１１】駆動手段としては、例えば、リニアモータ
を使用することができる。また、圧力指令信号出力手段
は前記現在位置と目標位置とを比較演算して前記駆動信
号を生成する演算手段を有し、その演算に少なくとも一
次以上の積分を含むのが好ましい。

【００１２】

【作用】この構成において、重力補償制御部は駆動手段
への駆動信号をフィードバック信号として制御を行なう
ため、位置検出手段以外のセンサが必要なく、従来例に
おいて必要であった流体シリンダ内の圧力を検出する手
段が不要となる。したがって、装置がよりコンパクトに
なる。

【００１３】また、位置決め制御により移動ステージを
重力に逆らい可動範囲のある一点に保持する場合、重力
補償制御部がない場合には位置決め制御部は駆動手段に
対してステージ重量分の推力を生じるように駆動信号が
出力され続ける結果、駆動手段が常に発熱し続けるが、
重力補償制御部は、駆動信号もしくはこれに応じて駆動
手段内で発生する信号、例えばリニアモータへの推力指
令やリニアモータに流れる電流値、をフィードバック信
号として流体シリンダ内の圧力を制御し、流体シリンダ
がステージ重量分の負荷を受け持つ推力を発生するた
め、駆動手段の発熱が抑えられる。また、駆動信号等が
常に重力補償制御部にフィードバックされるため、従来
例のようにステージ重量を予め設定する必要がなく、被
加工物交換等によるステージの重量変化への対応も行な
われ、さらに被加工物の重量が加工によって減少しても
リアルタイムの追従による重力補償が行なわれる。

【００１４】一般に、シリンダのように流体を利用した
システムは、モータのように電磁力を利用するシステム
と比較し応答速度が遅い。すなわち、上述のように、従
来のステージ制御装置では、可動範囲において大ストロ
ーク（例えばステージの位置決め精度のナノメートル単
位に対して数センチ〜数十センチ）の移動時には位置決
め制御部はモータを使用してステージの移動を行うが、
圧力制御部はステージが実際に移動を開始しシリンダ内
の流体の圧縮・膨張が検出されるまで応答しないため、
初期の応答が遅れる。更に、流体を利用した圧力制御部
の応答速度が遅いので、ステージ移動中はシリンダ内の
圧力が目標値に追従しきれず常にモータはこのシリンダ
の推力誤差分を補償する余分な推力を発生する。また、
シリンダ容量の変化に圧力制御部が追従してもシリンダ
が発生する推力はステージと自重にバランスするための
ものであり、ステージの加減速時に必要な推力はモータ
が供給する必要がある。

【００１５】これに対し、本発明では重力補償制御部に
対してリニアモータ等の駆動手段への駆動信号等をフィ
ードバックしており、ステージの実際の移動前すなわち
駆動手段における推力の発生時に重力補償制御部へこの
フィードバック信号が入力されるため、従来例と比較し
初期の応答が早い。また、ステージの加減速時には、駆
動手段の推力に追従してシリンダの推力が加減されるた
め、駆動手段は余分な推力を出力する必要がないだけで
なく、シリンダによって加減速時の推力が補助され、駆
動手段の発熱量は最小限に抑えられる。例えば、等加速
度で移動ステージの移動を開始する場合、重力の影響の
無い条件のステージに対する理想的なモータの推力曲線
は図４の曲線Ａで示すようなステップ状の特性を示す。
しかし、従来例のようなステージ制御装置では図４の曲
線Ｂで示すように圧力制御部の応答の遅れによって加速
開始にはモータの推力は理想値よりも増大し、圧力制御
部が追従するまで理想値よりモータの推力は大きい。し
かしながら本発明のステージ制御装置を用いた場合に
は、移動開始時においても初期の応答が早いので、図４
の曲線Ｃで示すのように、モータ推力が理想値を越える
時間は短く、更にシリンダ推力がモータ推力を補助する
ように制御されるので、モータ推力は序々に下がり、モ
ータの発熱は最小限ですむ。

【００１６】また、圧力指令信号出力手段の演算手段に
おける演算が少なくとも一次以上の積分を含む場合に
は、重力補償のための制御演算に積分を使用し、重力補
償制御部のゲインをＤＣ成分〜低周波域（例えば十数Ｈ
ｚ程度）で強調し、位置決め制御部が応答する高周波領
域（例えば数十〜数百Ｈｚ）は応答しないようにするこ
とにより、大ストローク移動時の加減速時の場合には重
力補償制御部が応答して駆動手段の推力を補助し、可動
範囲の一点で位置を保持する場合には、駆動信号のＤＣ
成分にオフセットなく追従して駆動手段における発熱を
防止する。そして、高周波領域の微小な位置決め領域で
の外乱に対しては、重力補償制御部は応答せず、この帯
域ではシリンダ内の流体の圧縮・膨張による弾性力（バ
ネ）で保持された状態であり、微小な位置決め領域では
弾性力は十分小さいため（例えば数ｇ）位置決め御部は
高精度な位置決めを行なう。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例に係るステージ
制御装置の構成を示すブロック図である。この装置にお
いて、移動ステージ１０１は可動方向１１７以外の方向
への動きが拘束されており、可動方向に摩擦の発生しな
いエアベアリングを利用したステージガイド１１５で支
持されている。この装置は、ステージ１０１の位置決め
制御を行う位置決め制御部１１８とステージ１０１にか
かる重力を補償するための重力補償制御部１１９を備え
る。

【００１８】位置決め制御部１１８は、移動ステージ１
０１を駆動する駆動手段であるリニアモータを有し、こ
れは非接触なものであり、可動子である磁石部１０３と
コイル部１０２から構成されており、磁石部１０３は移
動ステージ１０１に固定され、コイル部１０２に電流を
与えることによりステージ１０１に可動方向１１７の推
力を与える。位置決め制御部１１８はまた、位置検出手
段を有し、これは反射鏡１０５とレーザ測長器１０４か
ら構成され、反射鏡１０５は移動ステージ１０１に固定
され、レーザ測長器１０４は反射鏡１０５からの反射に
よって移動ステージ１０１の可動方向１１７の位置を測
定する。位置決め制御部１１８はさらに位置指令手段１
０６、第１演算装置１０７およびサーボアンプ１０８を
有し、位置決め制御時には、位置指令手段１０６は算出
された目標位置を第１演算装置１０７へ指令する。第１
演算装置１０７はレーザ測長器１０４で測定された移動
ステージ１０１の現在位置をフィードバック信号とし、
与えられた目標位置と比較した制御の演算例えばＰＩＤ
の制御演算を行い、位置決め制御のための推力指令値を
出力する。リニアモータ用のサーボアンプ１０８は電圧
−電流変換を行うものであり、第１演算手段１０７から
出力される推力指令を電流に変換し、リニアモータのコ
イル部１０２へ供給することにより位置決めの制御を行
う。

【００１９】重力補償制御部１１９は位置決め制御時に
モータ用サーボアンプ１０８がリニアモータのコイル部
１０２に与えた電流の推力指令値を検出する電流検出手
段１０９を有する。電流検出手段１０９は、例えばコイ
ル部１０２に直列に接続した測定抵抗を有し、測定抵抗
の端子電圧を測定することにより推力指令を検出する。
重力補償制御部１１９はまた、第２の演算手段１１０を
有し、これは検出された推力をフィードバック信号とし
て第２の駆動手段である非接触タイプのシリンダ１１３
の推力を演算する。このとき第２演算手段１１０の演算
に少なくとも１個以上の積分演算をいれることでリニア
モータのコイル部１０２に流れる電流をオフセット無く
ゼロにする制御が行われる。重力補償制御部１１９はさ
らに圧力制御用サーボアンプ１１１、圧力制御弁１１
２、およびシリンダ１１３を有し、サーボアンプ１１１
は与えられた推力指令値を電流値に変換し、圧力制御手
段である圧力制御弁１１２に供給する。圧力制御弁１１
２は与えられた推力指令値である電流値に基づいてシリ
ンダ１１３内の流体であるエア１１４の圧力を変更し、
シリンダ１１３の推力を調整する。シリンダ１１３は、
その一端が移動ステージ１０１に固定され、推力を移動
ステージ１０１に対し移動方向１１７の方向に与える。

【００２０】ここで、移動ステージ１０１上に被加工物
１１６を載せた状態で移動ステージ１０１がその可動範
囲内の一点で位置決め制御されている状態から被加工物
１１６を移動ステージ１０１上から取り除いた状態へ移
行する場合について説明する。被加工物１１６が移動ス
テージ１０１上にあって重力補償制御部１１９がバラン
スしている状態では、重力補償制御部１１９はリニアモ
ータのコイル部１０２に与えられる推力指令である指令
電流を電流検出手段１０９で検出し、これがゼロになる
ようにシリンダ１１３の推力を制御しているため、ステ
ージ重量分はシリンダの推力によってバランスされる。
このとき移動ステージ１０１はシリンダ１１３内のエア
１１４の圧縮・膨張によって生じる弱い弾性力によって
支持されている状態である。位置決め制御部１１８は外
乱等によって振動しようとする移動ステージ１０１を高
精度例えば数ナノメートルの単位で位置決めするが、こ
のとき移動ステージ１０１は可動方向１１７には弱い弾
性力で支持されている状態であるから、リニアモータが
発生する推力は外乱に対抗する推力だけで良い。また、
この場合にもリニアモータのコイル部１０２への推力指
令は重力補償制御部１１９にフィードバックされるが、
第２の演算手段１１０において１個以上の積分を挿入し
ており、高周波成分については応答しないように制御し
ているので、位置決め制御部１１８は重力補償制御部１
１９の応答速度に関係無く移動ステージ１０１を高精度
に位置決め可能である。ここで被加工物１１６をステー
ジ１０１上から取り除くとステージの総重量が減少する
のでバランスしていたシリンダ１１３の推力がステージ
１０１を可動方向の上方に持ち上げようとする。しか
し、位置決め制御を行っている位置決め制御部１１８は
この動きを反射鏡１０５およびレーザ測長器１０４の位
置検出手段で検知し、上方への動きを抑えるような推力
を第１駆動手段であるリニアモータのコイル部１０２へ
与え、ステージが目標位置からずれるのを防ぐ。しか
し、リニアモータのコイル部１０２への推力指令は電流
検出手段１０９で検出され、第２演算手段において新た
なシリンダ１１３の推力指令が算出され制御が行われる
ので、リニアモータのコイル部１０２に流れる電流は重
力補償制御部１１９が追従するまでの短時間でゼロにな
り、シリンダ１１３推力と移動ステージ１０１重量とが
バランスされる。

【００２１】次に移動ステージ１０１がステージの可動
範囲内の一点で位置決め制御されている状態から他の一
点に移動する場合について説明する。移動ステージ１０
１が位置指令手段１０６の指令する目標値において位置
決め制御部１１８は位置を制御し、重力補償制御部１１
９はリニアモータの推力指令に追従しシリンダ推力とス
テージ重量がバランスしている。ここで移動ステージ１
０１を台形駆動するように位置指令手段１０６が目標位
置を生成し移動ステージ１０１の移動を開始する。台形
駆動は加減速が等加速度であるため、加速開始時にリニ
アモータのコイル部１０２に与えられる推力指令はステ
ップ指令となる。重力補償制御部１１９はこの推力指令
を電流検出手段１０９で検出し、制御を開始するので圧
力をフィードバックする従来例と比較し応答が早い。ま
た、第２演算手段１１０に少なくとも１個以上の積分を
挿入しているのでシリンダ推力はリニアモータの推力を
補助するように追従するため、加速時間が長い場合には
加速中に図４の曲線Ｃで示すようにリニアモータの推力
は低下しゼロになるが、加速度は変わらない。

【００２２】図２は本発明の第２の実施例を示す。第１
の実施例とは重力補償制御部１１９のモータ推力の指令
値の検出手段が異なる。すなわち、位置決め制御部１１
８の第１演算手段１０７が出力したモータ推力の指令値
を分岐し、直接重力補償制御部１１９の第２演算手段１
１０に入力するようにしており、作用、効果は第１の実
施例と同じである。

【００２３】図３は本発明の第３の実施例を示す。第２
の実施例との違いは第１の駆動手段をモータ３０１、ネ
ジ部３０２およびナット部３０３で構成したことであ
る。本実施例の作用、効果は第１の実施例と同じであ
る。ただし、ネジ部３０２、ナット部３０３およびモー
タ３０１の摩擦が大きい場合、重力補償制御部１１９の
精度が悪化するので、摩擦を低減化する必要がある。例
えば、ナット部３０３とネジ部３０２の接触部をエアベ
アリング化して静圧ネジとする。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、重力補償制御部は従来
例の圧力制御部と異なり駆動信号もしくはこれに応じて
駆動手段内で発生する信号をフィードバック信号として
使用するようにしたため、次の効果を奏する。 圧力センサを設ける必要をなくして装置をよりコン
パクトにすることができる。 常に重力方向のステージ重量をシリンダ推力で受け
持つよう推力の補正を行なうことができる。このため、
ステージ重量が被加工物の変更、加工による減少により
変化した場合にも、これに追従して重力補償を行ない、
駆動手段への負荷の増大を防止することができ、また予
めステージの重量を測定する手間を省くことができる。 従来例ではシリンダ内の流体の圧力をフィードバッ
クさせてその圧力を制御するようにしていたため、ステ
ージの移動中は移動によりシリンダ内の流体の圧縮・膨
張が生じており、圧力制御部が位置決め制御部の駆動手
段の負荷となったが、本発明においては、シリンダ内の
圧力は駆動手段の推力に追従するので、ステージ移動中
にはシリンダ推力は駆動手段の負荷にはならず、逆に推
力を補助し駆動手段の負荷を減少させることができる。 さらに圧力指令信号出力手段の演算手段における演
算に１次以上の積分を装入することにより、駆動手段の
推力に対して重力補償制御部はオフセット無く追従する
ことができ、また、応答が遅い重力補償部が高周波領域
の応答をし、これが位置決め制御部のノイズとなること
を防ぐ。 さらに、従来例と異なり上記、のようにモータ
の負荷が減少できるため駆動手段にリニアモータを利用
することが容易となり、より高精度な移動ステージの位
置決め制御を行なうことができるようになる。 また、駆動手段としてボールネジや回転モータを使
用した場合、モータや減速機構に摩擦があるため位置決
め制御部における駆動信号に対し摩擦分の推力指令が付
加され重力補償制御部のノイズとなるが、リニアモータ
を使用することにより、非接触で推力を与えることがで
きるため、更に重力補償制御部の精度を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係るステージ制御装
置の構成を示すブロック図である。

【図２】 本発明の第２の実施例に係るステージ制御装
置の構成を示すブロック図である。

【図３】 本発明の第３の実施例に係るステージ制御装
置の構成を示すブロック図である。

【図４】 等加速度でステージを加速する場合のモータ
推力の比較図である。

【図５】 従来例に係るステージ制御装置の構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１０１：移動ステージ、１０２：リニアモータのコイ
ル、１０３：リニアモータの磁石、１０４：レーザ測長
器、１０５：反射鏡、１０６：位置指令装置、１０７：
第１の演算装置、１０８：モータ用サーボアンプ、１０
９：電流検出装置、１１０：第２の演算装置、１１１：
圧力制御用サーボアンプ、１１２：圧力制御弁、１１
３：エアシリンダ、１１４：エア、１１５：ステージガ
イド、１１６：被加工物、１１７：ステージ移動方向、
１１８：位置決め制御部、１１９：圧力補償制御部、３
０１：回転型モータ、３０２：ネジ部、３０３：ナット
部、５０１：圧力センサ、５０２：位置決め制御回路、
５０３：圧力制御回路、５０４：圧力指令手段、５０
５：圧力制御部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重力方向に移動可能に設けられた移動ス
   テージ、前記移動ステージをフィードバック制御により
   重力方向に位置決めする位置決め制御部、および前記移
   動ステージにかかる重力を補償する重力補償制御部を備
   え、 前記位置決め制御部は、前記移動ステージの位置を検出
   する位置検出手段と、前記移動ステージを位置決めすべ
   き目標位置の信号を出力する位置指令手段と、前記位置
   検出手段により検出された前記移動ステージの現在位置
   と、前記位置指令手段からの目標位置とに基づき駆動信
   号を出力する駆動信号出力手段と、前記駆動信号に基づ
   き前記移動ステージを重力方向に駆動する駆動手段とを
   有し、 前記重力補償制御部は、前記移動ステージに対し重力方
   向の推力を付与する流体シリンダと、前記駆動信号もし
   くはこれに応じて駆動手段内で発生する信号に基づき圧
   力指令信号を出力する圧力指令信号出力手段と、前記圧
   力指令信号に基づき前記流体シリンダ内の圧力を制御す
   る圧力制御手段とを有することを特徴とするステージ制
   御装置。
2. 【請求項２】 駆動手段はリニアモータであることを特
   徴とする請求項１記載のステージ制御装置。
3. 【請求項３】 圧力指令信号出力手段は前記現在位置と
   目標位置とを比較演算して前記駆動信号を生成する演算
   手段を有し、その演算に少なくとも一次以上の積分を含
   むことを特徴とする請求項１および２記載のステージ制
   御装置。