JP2008059016A - 位置決め制御装置および位置決め制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 対象物の加工、切削、搬送等を行なう際の対象物搭載部分およびリニアスケール等の位置検出器部分の温度を検出し、温度変化に伴う対象物搭載部分および位置検出器部分の熱膨張量または熱収縮量等の補正量を算出し、補正量に基づいて移動体の移動量を補正し、対象物の加工精度、切削精度、搬送位置決め精度を向上させることができる位置決め制御装置および位置決め制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 前記位置決めステージの温度変化である検出信号を処理する温度信号処理部と、前記位置検出手段および前記位置決め対象物の熱膨張または熱収縮に伴う位置ずれを、位置補正量として算出する位置補正処理部とを備え、前記位置補正量に基づいて、前記モータを位置決め制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、サーボモータ等で機械等を駆動し、対象物の加工、切削、搬送等を行なう移動体の位置決め制御装置および位置決め制御方法に関し、特に、温度外乱の影響を排除して、容易に良好な位置決め精度を得る位置決め制御装置および位置決め制御方法に関する。

第１の従来の位置決め制御装置は、移動する位置決め対象体と該位置決め対象体の位置を検出するためのゲージとが互いに離れた位置に設けられる可動ステージと、該可動ステージが移動することによって前記位置決め対象体と位置的にほぼ一致させられる被対象物が設けられる固定ステージと、前記ゲージを読み取り、前記位置決め対象体の位置を検出する位置検出手段と、前記固定ステージ及び前記位置検出手段をそれぞれ離れた位置に固定するベース部材とを備え、前記可動ステージ及び前記ベース部材に温度変化が生じても、前記可動ステージに設けられた前記位置決め対象体と前記ゲージとの間隔の変化と、前記ベース部材に設けられた前記位置検出手段と前記固定ステージとの間隔の変化とが相殺されるように構成している。更に、温度検出手段と、前記可動ステージの位置決め制御を行う制御手段とを備え、その位置決め制御方法は、前記温度検出手段から得られた信号を基に、前記制御手段が前記可動ステージの移動距離を補正するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

また、第２の従来の位置決め制御装置は、台盤上を駆動手段によって移動する移動台と、該移動台と一体であるミラーの反射光に基づいて前記移動台の現在位置を検出する現在位置検出手段と、前記移動台の温度を検出する少なくとも１個の温度センサと、その出力に基づいて前記移動台の変形量を算出する演算手段と、前記現在位置検出手段の出力および前記演算手段の出力に基づいて前記駆動手段の駆動量を制御する制御手段を有する構成としている。また、複数の温度センサがそれぞれ移動台の複数の部位に配設されており、演算手段が、前記複数の温度センサのそれぞれの出力のうちの１つを採用するように構成され、各温度センサの出力に基づいて前記移動台の各部位の変形量を算出するようにも構成されている。また、移動台に保持された位置決め対象物体の位置決めの中心位置の変化に基づいて演算手段の出力を補正するようにも構成されている（例えば、特許文献２参照）。

また、従来の位置決め制御方法は、対象体の最長ストローク終端位置近傍に対象体の検
知センサを送りねじと切離して配置し、指令部は対象体を所定停止位置に向わせる単位時間当りの所定パルス数をもつ指令信号を出力し、まず上記対象体の原点位置から検知センサによる対象体の検知位置までの間は、上記指令部からの所定パルス数の指令信号に基づき、サーボモータと、そのセンサとして連係動作するパルス発生エンコーダと、それに接
続されたサーボドライブ部とをもつ第一の制御系の下で対象体を速度制御により駆動移送し、次いで検知センサにより対象体を検知した後は、検知センサと、それからの検知信号を入力して対象体の所定停止位置までのパルス数を演算する演算部と、この演算結果を入力してカウントする位置更新部とを第一の制御系に加えた第二の制御系の下で、演算されたパルス数指定に基づき対象体を位置制御により所定位置に停止させ、これにより対象体の長ストローク移送における高度な位置決め精度を得るようにしている（例えば、特許文献３参照）。

図４は、第１の従来の位置決め制御装置の構成を示す概略構成図である。図において、３０は位置決め装置、３１は振動子、３２は移動子、３３は振動モータ、３４は可動ステージ、５５は案内部材、５７は固定ステージ、６０はベース部材であり、位置決め装置３０はベース部材６０と、案内部材５５と、可動ステージ３４と、固定ステージ５７と、移動子３２及び振動子３１を有する振動モータ３３とを有する。
可動ステージ３４により移動される位置決め対象物５６と、可動ステージ３４の位置を検出するためのゲージ５９ｃとの間隔の変化と、ベース部材６０に固定された固定ステージ５７と位置検出部５９の間隔の変化とが、相殺するようにしている。
このように、第１の従来の位置決め制御装置は、熱膨張または熱収縮による位置ずれを相殺するように構成して、位置ずれを防止し、高い位置合わせ精度を有するのである。

図５は、第２の従来の位置決め制御装置の構成を示す概略構成図である。図において、Ｅ１は位置決めステージ装置、１は台盤、２は移動台、３はリニアモータ、４はレーザ干渉計、５は温度センサ、１ａは案内面、２ａはミラー、２ｂは静圧パッド、３ａはドライバ、４ａはコントローラ、５ａはアンプ、５ｂは演算器である。移動台２はリニアモータ３によって移動し、レーザ干渉計４はミラー２ａの反射光から移動台２の現在位置を検出してリニアモータ３のドライバ３ａにフィードバックし、同時に移動台２の温度を温度センサ５によって検出し、その出力を演算器５ｂに導入して位置決め対象物体Ｗ1 とミラー２ａの反射面の間の離間距離の変化を求めてドライバ３ａに導入し、リニアモータ３の駆動量を補正している。
このように、第２の従来の位置決め制御装置は、移動台２の温度を温度センサ５によって検出して位置ずれ（離間距離の変化）を求め、リニアモータ３の駆動量を補正して温度変化による位置決め精度の低下を防いでいる。

図６は、従来の位置決め制御方法を実施する構成を示す概略構成図である。図において、１は指令部、２は位置更新部、３はサーボドライブ部であり、大きな枠４は駆動部を示し、枠４内において５はサーボモータ（Ｍ）、６はエンコーダ（Ｅ）、７は送りねじとしてのボールねじ、８は位置決め対象体、９は検知センサとしての光電スイッチ、そして１０は演算部である。最長ストローク位置近傍に対象体８の検知センサ９を送りねじ７と切離して配置し、対象体８の位置情報を記憶した指令部１からの指令に基づきサーボ機構により対象体８を検知センサ９の検知位置までは速度制御により移送し、検知位置から位置決め位置までは位置制御により移送して停止させようにしている。
このように、従来の位置決め制御方法は、別途温度検出部を設け、検出された温度の基準温度からの温度変化を指令部にフィードバックして位置決め対象体に対する位置指令に温度補正を施す制御方法ではなく、高価な位置検出器等を備えず、多額な投資をせず位置決め対象体８の長ストローク移送を温度外乱の影響を排除して良好な位置決め精度を得ている。
特開２００１−２３５６９２号公報（第４−１０頁、図１） 特開平８−１３７５５０号公報（第３−５頁、図１） 特開平８−０４４４３１号公報（第４−５頁、図１）

図４に示される第１の従来の位置決め制御装置は、可動ステージ３４により移動される位置決め対象物５６と、可動ステージ３４の位置を検出するためのゲージ５９ｃとの間隔の変化と、ベース部材６０に固定された固定ステージ５７と位置検出部５９の間隔の変化とが、相殺するようにしているため、すなわち、位置決め対象物５６とそれを搭載する可動ステージ３４の相対位置を検出しそれを相殺するように補正するため、位置決め対象物５６自体の熱膨張または熱収縮があった場合、位置決め対象物５６の絶対位置が検出できず、位置ずれが発生するという問題点があった。

図５に示される第２の従来の位置決め制御装置は、レーザ干渉計４を用いる高価なシステムを駆動する場合のものであり、一般的に用いられるリニアスケール等を用いる安価なシステムを駆動する場合の適用を考慮しておらず、その構成や方法を適用することができないという問題点があった。

図６に示される従来の位置決め制御方法は、リニアスケール等を用いない送りねじ駆動のシステムを駆動する比較的古い技術に関するものであり、近年一般的に用いられるリニアスケール等を用いる安価なシステムを駆動する場合の適用を考慮しておらず、その構成や方法を適用することができないという問題点があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、対象物の加工、切削、搬送等を行なう際の対象物搭載部分およびリニアスケール等の位置検出器部分の温度を検出し、温度変化に伴う対象物搭載部分および位置検出器部分の熱膨張量または熱収縮量等の補正量を算出し、補正量に基づいて移動体の移動量を補正し、対象物の加工精度、切削精度、搬送位置決め精度を向上させることができる位置決め制御装置および位置決め制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、位置検出手段と、温度検出手段と、モータを備えた、位置決め対象物を搭載し移動させる位置決めステージを駆動する位置決め制御装置において、前記位置決めステージの温度変化である検出信号を処理する温度信号処理部と、前記位置検出手段および前記位置決め対象物の熱膨張または熱収縮に伴う位置ずれを、位置補正量として算出する位置補正処理部とを備え、前記位置補正量に基づいて、前記モータを位置決め制御するものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置補正処理部が、前記位置検出手段の熱膨張率と、前記位置決め対象物と前記位置検出手段との熱膨張率の差と、前記検出信号とに基づいて、前記位置補正量を算出するものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置補正処理部が、更に、前記位置決めステージの可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の端を合わせて固定した位置と、前記位置検出手段の基準位置と、を合わせることにより決定される測定距離に基づいて、前記位置補正量を算出するものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記位置補正処理部が、更に、前記位置決めステージの可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の中心を合わせて固定した位置と、前記位置検出手段の基準位置と、を合わせることにより決定される測定距離に基づいて、前記位置補正量を算出するものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１記載の発明における前記温度検出手段は、前記位置検出手段の近傍に配置するものである。

請求項６に記載の発明は、位置検出手段と、温度検出手段と、モータを備えた、位置決め対象物を搭載し移動させる位置決めステージを駆動し、前記温度検出手段の検出信号に基づいて、前記位置決めステージの可動側テーブルの移動距離を補正する位置決め制御方法において、前記可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の端を合わせて固定する、搭載位置合わせ処理をし、前記位置検出手段の基準位置と前記可動側テーブル上の基準位置とを合わせ、その合わせた位置を前記可動側テーブルの可動基準位置として格納する、基準位置合わせ処理をし、位置指令に応じて前記モータを位置決め制御すると共に、前記温度検出手段により前記位置決めステージの温度変化を検出する、温度検出処理をし、前記位置検出手段の熱膨張率と、前記位置決め対象物と前記位置検出手段との熱膨張率の差と、前記温度変化とに基づいて、前記位置検出手段により検出される現在位置の位置補正量を算出する、位置補正量算出処理をし、前記位置補正量を前記モータの位置決め制御に用いるのである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６記載の発明における前記温度検出処理および位置補正量算出処理は、前記位置指令に応じて前記モータを位置決め制御する間、繰り返し継続するのである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６記載の発明における前記搭載位置合わせ処理の代わりに、前記可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の中心を合わせて固定する処理をするものである。

請求項１乃至４、または、請求項６乃至８に記載の発明によると、位置決めステージの温度変化に伴う、位置決め対象物および位置検出手段（リニアスケール）の熱膨張量または熱収縮量を算出することができる。また、位置決めステージの温度変化に伴う、位置ずれを補正することができ、モータの位置決め制御における、対象物の加工精度、切削精度、搬送位置決め精度を向上させることができる。
また、請求項５に記載の発明によると、安価、更に、容易に位置決め精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の位置決め制御装置の概略構成図である。図において、１は位置決め制御装置、２は位置決めステージ、３は電動機（モータ）、４はエンコーダやリニアスケール等の位置検出器、５は温度センサ、１１は位置または速度制御部、１２は電流制御部、１３はインバータ部、１４はＦＢ（フィードバック）信号処理部である。また、２１は温度信号処理部、２２は位置補正処理部である。なお、位置指令を入力し、その指令とＦＢ信号処理部１４の出力である位置検出信号または速度検出信号に応じて電動機２を駆動する構成（電動機２、位置検出器３、位置または速度制御部１１、電流制御部１２、インバータ部１３、ＦＢ信号処理部１４）は、周知技術で得られる構成であるため詳細な説明は省略する。
本発明が従来技術と異なる部分は、位置決めステージ２に温度センサ５を備え、更に、位置決め制御装置１に温度信号処理部２１と位置補正処理部２２を備えた部分であり、また、位置補正処理部２２で得た補正量に基づいて電動機を制御する位置決め制御方法である。

図２は、本発明の位置決め制御方法を示すフローチャートであり、図３は、本発明の位置決め制御方法を説明するための位置決めステージ２の概略構成図である。図２と図３において、本発明の位置決め制御方法を説明する。なお、ここでは、図１における電動機２を図３におけるリニアモータ固定子１０３およびリニアモータ可動子１０４として、また図１における位置検出器３を図３におけるリニアスケール１０６および位置検出ヘッド１０７として説明する。また、図３においてリニアガイド１０５を備えた位置決めステージ２を示しているが、エア軸受を有する位置決めステージ２であってもよい。

（ステップ１）対象物８を可動側テーブル１０２に搭載する際、可動側テーブル１０２上の基準位置に対して、対象物８の端を合わせるように固定して搭載させ、ステップ２に進む。可動側テーブル１０２上の基準位置は、対象物８を搭載する上で予めきめられているものであるため、対象物８を任意に固定して搭載させることができる。また、合わせる作業は、例えば、後述する温度変化が無視できる程度に、治具等を用いて所望の位置決め精度内に固定するのが望ましい。

（ステップ２）リニアスケール１０６の基準位置（図３におけるＡ点）と可動側テーブル１０２上の基準位置（図３におけるＢ点）とを合わせ、ステップ３に進む。合わせる作業は、例えば、後述する温度変化が無視できる程度に、可動側テーブル１０２を移動させて位置決めして合わせる。移動させるのは、例えば、原点復帰等でステージを駆動しても良い。

（ステップ３）可動側テーブル１０２の現在位置を基準位置として格納し、ステップ４に進む。可動側テーブル１０２の現在位置は、リニアスケール１０６に対向する位置検出ヘッド１０７で検出し、検出信号をＦＢ信号処理部１４で信号処理する。なお、リニアスケール１０６の基準位置（図３におけるＡ点）と可動側テーブル１０２上の基準位置（図３におけるＢ点）との差が予め分かっており、その差が記憶等されている場合、ステップ２およびステップ３の処理は実施する必要がない。

（ステップ４）位置決め制御装置１は、入力される位置指令と後述する補正されたフィードバック信号に基づいて図１におけるインバータ部１３を制御し、リニアモータを駆動させて可動子テーブル１０２を移動させる。また、このときの位置決めステージ２の温度変化を温度センサ１０９で検出し、検出信号を温度信号処理部２１で信号処理し、ステップ５に進む。ここで、位置決めステージ２における温度センサ１０９の取り付け配置は、例えば、固定側テーブル１０１のリニアスケール１０６が配置されている近傍に配置することが望ましい。また、位置決めステージ２として構成した場合、リニアモータが駆動して発熱する熱の放熱時定数が大きいため、対象物８近傍の温度変化とリニアスケール１０６近傍の温度変化はほぼ同じと考えることができ、温度センサ１０９の取り付け個数も１つとすることができる。

（ステップ５）例えば、図３におけるＢ’点の位置は、式（１）に基づいて算出し、ステップ６に進む。
θ_Ｂ’ ＝ θ_Ｂ×（１＋ρ_１ｔ） ＋ θ_Ｂ１×（１＋ρ_２ｔ） （１）
ここで、θ_ＢをＢ点−Ａ点間の距離、θ_Ｂ１をＢ’点−Ｂ点間の距離、ρ_１をリニアスケール１０６の膨張係数、ρ_２をリニアスケール１０６と対象物８との膨張率の差、ｔを検出温度とする。ρ_１はリニアスケール１０６の材質仕様等でわかる既知の値であり、ρ_２は対象物８の材質仕様等およびリニアスケール１０６の材質仕様等でわかる既知の値であり、また、θ_Ｂはステップ３処理後にリニアスケール１０６に対向する位置検出ヘッド１０７で検出される位置によりわかる距離であり、θ_Ｂ１は対象物８の幅（長さ）を示す既知の値である。
よって、θ_Ｂ×（１＋ρ_１ｔ）は、リニアスケール１０６の熱膨張量または熱収縮量を意味し、θ_Ｂ１×（１＋ρ_２ｔ）は、対象物８の熱膨張量または熱収縮量を意味するものである。

（ステップ６）式（１）に基づいて算出した位置を、対象物８およびリニアスケール１０６の熱膨張量または熱収縮量等を考慮した補正量として、補正された位置または速度フィードバック信号として図１における位置または速度制御部に出力し、ステップ７に進む。

（ステップ７）リニアモータを駆動させて可動子テーブル１０２を移動させる処理が継続しているかどうかを判断し、継続している場合は前述したステップ４乃至ステップ６の処理を繰り返し行なう。繰り返し行なうのは、例えば、ある定められた時間毎に行う。継続していない場合は、一連の処理を終了する。

なお、ステップ１の処理において、対象物８を可動側テーブル１０２に搭載する際、対象物８を先ず固定しておき、対象物８の端と可動側テーブル１０２上の基準位置との位置ずれを測定して、式（１）におけるθ_Ｂとしてもよい。
また、ステップ１の処理において、対象物８の端ではなく、対象物８の中央を可動側テーブル１０２上の基準位置と合わせた場合においても、補正量は式（１）に基づいて同様に算出できる。

本発明の位置決め制御装置の概略構成図である。 本発明の位置決め制御方法を示すフローチャートである。 本発明の位置決め制御方法を説明するための位置決めステージ２の概略構成図である。 第１の従来の位置決め制御装置の構成を示す概略構成図である。 第２の従来の位置決め制御装置の構成を示す概略構成図である。 従来の位置決め制御方法を実施する構成を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 位置決め制御装置
２ 位置決めステージ
３ 電動機（モータ）
４ 位置検出器
５ 温度センサ
１１ 位置または速度制御部
１２ 電流制御部
１３ インバータ部
１４ ＦＢ（フィードバック）信号処理部
２１ 温度信号処理部
２２ 位置補正処理部
１０１ 固定側テーブル
１０２ 可動側テーブル
１０３ リニアモータ固定子
１０４ リニアモータ可動子
１０５ リニアガイド
１０６ リニアスケール
１０７ 位置検出ヘッド
１０８ 対象物
１０９ 温度センサ

Claims (8)

1. 位置検出手段と、温度検出手段と、モータを備えた、位置決め対象物を搭載し移動させる位置決めステージを駆動する位置決め制御装置において、
   前記位置決めステージの温度変化である検出信号を処理する温度信号処理部と、
   前記位置検出手段の熱膨張または熱収縮に伴う位置ずれ、および前記位置決め対象物の熱膨張または熱収縮に伴う位置ずれを、位置補正量として算出する位置補正処理部とを備え、
   前記位置補正量に基づいて、前記モータを位置決め制御することを特徴とする位置決め制御装置。
2. 前記位置補正処理部が、前記位置検出手段の熱膨張率と、前記位置決め対象物と前記位置検出手段との熱膨張率の差と、前記検出信号とに基づいて、前記位置補正量を算出することを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
3. 前記位置補正処理部が、更に、前記位置決めステージの可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の端を合わせて固定した位置と、
   前記位置検出手段の基準位置と、
   を合わせることにより決定される測定距離に基づいて、前記位置補正量を算出することを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
4. 前記位置補正処理部が、更に、前記位置決めステージの可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の中心を合わせて固定した位置と、
   前記位置検出手段の基準位置と、
   を合わせることにより決定される測定距離に基づいて、前記位置補正量を算出することを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
5. 前記温度検出手段は、前記位置検出手段の近傍に配置することを特徴とする請求項１記載の位置決め制御装置。
6. 位置検出手段と、温度検出手段と、モータを備えた、位置決め対象物を搭載し移動させる位置決めステージを駆動し、前記温度検出手段の検出信号に基づいて、前記位置決めステージの可動側テーブルの移動距離を補正する位置決め制御方法において、
   前記可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の端を合わせて固定する、搭載位置合わせ処理をし、
   前記位置検出手段の基準位置と前記可動側テーブル上の基準位置とを合わせ、その合わせた位置を前記可動側テーブルの可動基準位置として格納する、基準位置合わせ処理をし、
   位置指令に応じて前記モータを位置決め制御すると共に、前記温度検出手段により前記位置決めステージの温度変化を検出する、温度検出処理をし、
   前記位置検出手段の熱膨張率と、前記位置決め対象物と前記位置検出手段との熱膨張率の差と、前記温度変化とに基づいて、前記位置検出手段により検出される現在位置の位置補正量を算出する、位置補正量算出処理をし、
   前記位置補正量を前記モータの位置決め制御に用いることを特徴とする位置決め制御方法。
7. 前記温度検出処理および位置補正量算出処理は、前記位置指令に応じて前記モータを位置決め制御する間、繰り返し継続することを特徴とする請求項６記載の位置決め制御方法。
8. 前記搭載位置合わせ処理の代わりに、前記可動側テーブル上の基準位置に対して、前記位置決め対象物の中心を合わせて固定する処理をすることを特徴とする請求項６記載の位置決め制御方法。

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