JP2008067587A - ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】 ブリッジ部材の等速運動時のヨーイング角を抑制する姿勢フィードバック制御手段を利用して、機械的共振に起因する振動を抑制する。
【解決手段】 平行に配置されたマスタ軸リニアモータ１０及びスレーブ軸リニアモータ２０と、リニアモータの軸方向にスライドして位置制御されるマスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１と、スライダ間を結合し軸方向と同一方向に移動制御されるブリッジ部材３０と、ブリッジ部材３０の高さ方向の軸に対する回転角を検出してこれを抑制する姿勢フィードバック制御手段とを有するステージにおいて、ブリッジ部材３０上のマスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１との結合部近傍に取り付けられた一対の加速度センサ１０２と、姿勢フィードバック制御手段のフィードバックループ内に設けられ、一対の加速度センサの検出値の差分値に基づく角加速度信号を入力して演算する角加速度フィードバック手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定距離を隔てて平行に配置されたマスタ軸リニアモータ及びスレーブ軸リニアモータと、これらリニアモータの軸方向にスライドして位置制御されるマスタスライダ及びスレーブスライダと、これらスライダ間を結合し前記軸方向と同一軸方向に移動制御されるブリッジ部材と、このブリッジ部材の高さ方向の軸に対する回転角を検出してこれを抑制する姿勢フィードバック制御手段と、を有するステージに関するものである。

平行配置された一対のリニアモータによりマスタリニアモータ及びスレーブ軸リニアモータが形成され、これらリニアモータの夫々の軸方向に位置制御されるスライダ間を結合するブリッジ部材よりなるステージの構成及びスライダの位置制御に関しては、特許文献１に開示されている。

図８は、ステージ一般的な構成例を示す斜視図である。ステージは、所定距離を隔てて平行に配置されたマスタ軸リニアモータ１０及びスレーブ軸リニアモータ２０と、これらリニアモータの軸方向（Ｘ軸方向とする）にスライドして位置制御されるマスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１と、これらスライダ間を結合し前記軸方向と同一軸方向（Ｘ軸方向）に移動制御されるブリッジ部材３０よりなる。

マスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１の位置制御によるブリッジ部材３０のＸ軸方向の運動に伴ない、ブリッジ部材３０の高さ方向の軸（Ｚ軸）回りに、機械的な制御位置誤差に起因する回転（以下、ヨーイング）が発生する。この回転角度（以下、ヨーイング角）をθで示す。

図９は、ヨーイング角θを検出してこれを抑制する姿勢フィードバック制御手段の一般構成を示す機能ブロック図である。ブリッジ部材３０のヨーイング角θは、マスタスライダ及びスレーブスライダのＸ軸方向位置Ｘ_Ｍ及びＸ_ｓの差（Ｘ_Ｍ−Ｘ_ｓ）と、マスタスライダ及びスレーブスライダ間の距離ｌ_Ｂにより、θが小さい場合には、θ＝（Ｘ_Ｍ−Ｘ_ｓ）／ｌ_Ｂで検出される。

検出されたヨーイング角θは、パルス変換手段４０でディジタル値のヨーイング角フィードバック信号θｆに変換され、ヨーイング角設定値θｓ（＝０）との偏差θｉが誤差増幅器５０で演算され、速度指令Ｖｓを出力する。

ヨーイング角θを入力する速度変換手段６０により算出された速度フィードバック信号Ｖｆと速度指令Ｖｓの偏差Ｖｉがドライバ７０で演算され、マスタ軸リニアモータ１０及びスレーブ軸リニアモータ２０を介して、ブリッジ部材３０に対してヨーイング角θを抑制するトルク指令Ｔｓを出力する。

特開２００６−０３４０７８号公報

従来構成のステージでは、図９で説明した姿勢フィードバック制御手段によりブリッジ部材３０の等速運動時のヨーイング角を抑制する姿勢制御は可能である。しかしながら、ブリッジ部材３０の加減速運動時には、マスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１の位置偏差が大きくなる。

この位置偏差に起因して、ヨーイング軸（Ｚ軸）回りに機械的な共振が発生する。この機械的な共振に起因する振動は、一旦発生するとなかなか減衰することなく、等速運動領域になっても残ってしまう。

この機械振動の特徴は、次のようにまとめられる。
（ａ）振幅値が大きい。
（ｂ）減衰が遅い。
（ｃ）振動数が低い。

図１０は、従来のステージの構成で測定されたブリッジ部材の機械振動特性図である。
ブリッジ部材の等速運動時のヨーイング角を抑制する姿勢フィードバック制御手段では、この機械的な共振による振動を抑制することが困難である。

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、ブリッジ部材の等速運動時のヨーイング角を抑制する姿勢フィードバック制御手段を利用して、機械的な共振に起因する振動を抑制する機能を備えたステージ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）所定距離を隔てて平行に配置されたマスタ軸リニアモータ及びスレーブ軸リニアモータと、これらリニアモータの軸方向にスライドして位置制御されるマスタスライダ及びスレーブスライダと、これらスライダ間を結合し前記軸方向と同一軸方向に移動制御されるブリッジ部材と、このブリッジ部材の高さ方向に軸に対する回転角を検出してこれを抑制する姿勢フィードバック制御手段と、を有するステージにおいて、
前記ブリッジ部材上の前記マスタスライダ及びスレーブスライダとの結合部近傍に取り付けられた一対の加速度センサと、
前記姿勢フィードバック制御手段のフィードバックループ内に設けられ、前記一対の加速度センサの検出値の差分値に基づく角加速度信号を入力して演算する角加速度フィードバック手段と、
を備えることを特徴とするステージ。

（２）前記角加速度フィードバック手段は、前記角加速度に所定の遅延時間を与えて回転抑制姿勢制御におけるダンピング係数を変化させる遅延時間設定部を備えることを特徴とする（１）に記載のステージ。

（３）前記角加速度フィードバック手段は、前記角加速度信号に所定のゲインを与えて回転抑制姿勢制御における慣性モーメントを変化させるゲイン設定部を備えることを特徴とする（１）または（２）に記載のステージ。

（４）所定距離を隔てて平行に配置されたマスタ軸リニアモータ及びスレーブ軸リニアモータと、これらリニアモータの軸方向にスライドして位置制御されるマスタスライダ及びスレーブスライダと、これらスライダ間を結合し前記軸方向と同一軸方向に移動制御されるブリッジ部材と、このブリッジ部材の高さ方向の軸に対する回転角を検出してこれを抑制する姿勢フィードバック制御手段と、を有するステージにおいて、
前記ブリッジ部材上の前記マスタスライダ及びスレーブスライダとの結合部近傍に取り付けられた一対の加速度センサと、
前記姿勢フィードバック制御手段のフィードバックループ内に設けられ、前記一対の加速度センサの検出値の差分値を積算して算出された角速度信号を入力して演算する角速度フィードバック手段と、
を備えることを特徴とするステージ。

（５）前記角速度フィードバック手段は、前記角速度信号に所定の遅延時間を与えて回転抑制姿勢制御における慣性モーメントを変化させる遅延時間設定部を備えることを特徴とする（４）に記載のステージ。

（６）前記角速度フィードバック手段は、前記角速度信号に所定のゲインを与えて回転抑制姿勢制御におけるダンピング係数を変化させるゲイン設定部を備えることを特徴とする（４）または（５）に記載のステージ。

（７）前記マスタ軸リニアモータ及びスレーブ軸リニアモータの軸方向に直交して前記ブリッジ部材上に直交軸リニアモータが形成され、この直交軸リニアモータの軸方向にスライドして位置制御される直交軸スライダ上にワークが搭載されることを特徴とする（１）乃至（６）のいずれかに記載のステージ。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、ブリッジ部材３０上で、マスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１の結合部近傍に取り付けられた一対の加速度センサ１０１，１０２の検出値の差分値に基づく角加速度信号を、姿勢フィードバック制御手段のフィードバックループ内に設けられた角加速度フィードバック手段３００に入力すること、または、前記差分値を積算して算出した角速度信号を加速度フィードバック手段６００に入力することで、次のような効果がある。

加減速時に、マスタスライダ１１とスレーブスライダ２１の位置偏差を小さくすることができる。その結果、位置偏差に起因する機械的振動の、
（ａ）振幅値を小さくできる。
（ｂ）減衰を速くできる。
（ｃ）振動数をシフトさせることができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したステージの一実施形態を示す斜視図である。図２は、本発明の角加速度フィードバック手段を備えた姿勢フィードバック制御手段の一実施形態を示す機能ブロック図である。図６及び図７で説明した従来ステージと同一要素には同一符号を付して説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。

図１に示すブリッジ部材３０上において、マスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１との結合部近傍には一対の加速度センサ１０１及び１０２が取り付けられている。これら加速度センサは、ブリッジ部材３０の機械的振動により発生する加速度ａｍ及びａｓを検出する。

図２に示す姿勢フィードバック制御手段において、図９で説明した従来構成と比較した特徴部は、前記一対の加速度センサ１０１及び１０２の検出値の差分値に基づく角加速度信号を入力して演算する角加速度フィードバック手段３００をヨーイング抑制フィードバックループ内に設けた点にある。

減算器２００は、一対の加速度センサ１０１及び１０２で検出された加速度ａｍとａｓ
の差分値から角加速度信号ａｉを算出して角加速度フィードバック手段３００に入力する。
角加速度フィードバック手段３００の出力ａ０は、ドライバ７０の入力に設けた加算器４００により、速度偏差Ｖｉに加算され、マスタ軸リニアモータ１０及びスレーブ軸リニアモータ２０を介して、ブリッジ部材３０へのトルク指令が加算されてＴｓ´となる。

角加速度フィードバック手段３００は、角加速度信号ａｉに所定のゲインを与えてヨーイング抑制姿勢制御における慣性モーメントを変化させるゲイン設定部３０１及び角加速度信号ａｉに所定の遅延時間を与えてヨーイング抑制姿勢制御におけるダンピング係数を変化させる遅延時間設定部３０２を備える。

図３は、加速度センサ１０１及び１０２及び角加速度フィードバック手段３００の信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１でブリッジ部材３０が動くことにより、ステップＳ２でヨーイング方向（Ｚ軸）の機械的振動が発生する。

ステップＳ３で２つの加速度センサ１０１，１０２が加速度情報を検出し、その検出値がステップＳ４で減算器２００を通過し、その差分値に基づきステップＳ５で角加速度情報を生成する。角加速度フィードバック手段３００は、ステップＳ６でこの角加速度情報をフィードバックする。

角加速度フィードバック手段３００は、ステップＳ７でフィードバックゲインＫａを積算し、ブリッジ部材３０の慣性モーメントを制御的に変える。更にステップＳ８で遅延時間Ｌだけ遅らせることで、ブリッジ部材３０のダンピングを制御的に変える。

角加速度フィードバック手段３００は、ステップＳ９でフィードバック量をトルク指令値に足し込むことにより、ステップＳ１０でトルクが出力され、ステップＳ１１でブリッジ部材３０のヨーイング方向の機械振動を抑制する。ステップＳ３乃至ステップＳ１０が、角加速度制御ループにおける信号処理である。

図４は、本発明のステージの構成で測定されたブリッジ部材３０の機械振動特性図である。図１０に示した従来のステージの構成で測定されたブリッジ部材の機械振動特性図に比較して、振幅値が小さく、減衰が速く、振動数がシフトされていることがわかる。

次に、本発明の効果を数式的に説明する。図５は、角加速度フィードバック制御系の基本構成を示す機能ブロック図である。この制御系は、微分方程式により（１）式のように記述できる。

ここで、ヨーイング角θは、マスタスライダ及びスレーブスライダのＸ軸方向位置Ｘ_Ｍ及びＸ_ｓの差（Ｘ_Ｍ−Ｘ_ｓ）と、マスタスライダ及びスレーブスライダ間の距離ｌ_Ｂにより、θが小さい場合には、θ＝（Ｘ_Ｍ−Ｘ_ｓ）／ｌ_Ｂで求められる。

ここで、（ｆ_Ｍ−ｆ_Ｓ）は、マスタスライダ１１及びスレーブスライダ２１の推力差である。Ｊ［kgm2］は、慣性モーメント、Ｄ［Nms/rad］は粘性係数である。Ｋ［Nm/rad］は、復元係数である。

（１）式をラプラス変換した角加速度−推力差の伝達関数は、（２）式のように記述できる。

ここで遅延時間要素は、パディ１次近似により、（３）式のように記述できる。

遅延時間を考慮した角加速度フィードバックゲインは、（４）式のように記述できる。

（３）式及び（４）式を（２）式に代入した角加速度−推力差の伝達関数は、（５）式のように記述できる。

（５）式の計算では、Ａ≡ｌ_Ｂ／２と定義し、Ｌ≡０より、（Ｊ−ＡＫ_ａ）Ｌ／２≡０、
ＤＬ／２≡０、ＡＬ／２≡０として最終項を導いている。

（５）式を整理した伝達関数は、（６）式のように記述できる。

（６）式の減衰率の項で明らかなように、フィードバックゲインＫ_ａを操作して慣性モーメントＪを、Ｊ→Ｊ＋ＡＫ_ａとすることにより、制御的に慣性モーメント及び固有振動数を変化させることができる。

同様に、角加速度信号処理の遅延時間Ｌを操作して粘性係数Ｄを、Ｄ→Ｄ＋ＫＬ／２とすることにより粘性係数（ダンピング特性）を変化させることができる。

以上の結果から、フィードバックゲインＫ_ａと遅延時間Ｌを操作することで、減衰率及び固有振動数を変えることができ、その結果、振幅値を小さく、減衰を速く、振動数をシフトさせることができる。

図６は、角速度フィードバック手段を備えた本発明の他の実施形態を示す機能ブロック図である。図２で説明した実施形態との構成上の相違点につき説明する。

誤差増幅器５０の速度指令Ｖｓと速度変換手段６０の速度フィードバック信号Ｖｆの偏差が速度制御器８０に入力され、速度制御器８０からブリッジ部材３０に搭載されたマスタ軸及びスレーブ軸リニアモータに駆動電流Ｉｓを出力する。

駆動電流Ｉｓの経路の途中に設けられた加算器７００により、駆動電流Ｉｓに角速度フィードバック手段６００の演算出力ａｏが足し込まれる。角速度フィードバック手段６００は、一対の加速度センサ１０１及び１０２の検出値の差分値に基づく角加速度信号を入力する積算手段５００で算出した角速度信号を入力して所定の演算を実行する。

減算器２００は、一対の加速度センサ１０１及び１０２で検出された加速度ａｍとａｓ
の差分値から角加速度信号ａｉを算出して積算手段５００に入力する。積算手段５００は、角加速度信号ａｉを積分演算して角速度信号ａｉ´に変換し、角速度フィードバック手段６００に入力する。

角速度フィードバック手段６００が備えるゲイン設定部６０１は、入力された角速度信号ａｉ´に所定のゲインを与えてヨーイング抑制姿勢制御におけるダンピング係数を変化させる。

角速度フィードバック手段６００が備える遅延時間設定部６０２は、入力された角速度信号ａｉ´に所定の遅延時間を与えてヨーイング抑制姿勢制御における慣性モーメントを変化させる。

図７は、加速度センサ１０１及び１０２及び角速度フィードバック手段６００の信号処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１でブリッジ部材３０が動くことにより、ステップＳ２でヨーイング方向（Ｚ軸）の機械的振動が発生する。

ステップＳ３で２つの加速度センサ１０１，１０２が加速度情報を検出し、その検出値がステップＳ４で減算器２００を通過し、その差分値に基づきステップＳ５で角加速度情報を生成する。

積算手段５００は、ステップＳ６で角速度情報を入力して積算し、角速度情報を生成する。角速度フィードバック手段６００は、ステップＳ７でこの角速度情報を入力してフィードバックする。

角速度フィードバック手段６００は、ステップＳ８でフィードバックゲインＫｖを掛けて、ブリッジ部材３０のダンピング係数を制御的に変える。更にステップＳ９で遅延時間Ｌだけ遅らせることで、ブリッジ部材３０の慣性モーメントを制御的に変える。

角速度フィードバック手段６００は、ステップＳ１０でフィードバック量を電流値に足し込み、ステップＳ１１で電流出力することで、ステップＳ１２でブリッジ部材３０のヨーイング方向の機械振動を抑制する。

次に、この実施形態の効果を数式的に説明する。（１）式乃至（３）式までは、図２の実施形態と同一である。

遅延時間を考慮した角速度フィードバックゲインは、（７）式のように記述できる。

（３）式及び（７）式を（２）式に代入した角速度−推力差の伝達関数は、（８）式のように記述できる。

（８）式の計算では、Ａ≡ｌ_Ｂ／２と定義し、Ｌ≡０より、ＪＬ／２≡０、ＡＬ／２≡０として最終項を導いている。

（８）式を整理した伝達関数は、（９）式のように記述できる。

（９）式の減衰率の項で明らかなように、フィードバックゲインＫｖと遅延時間Ｌを操作して慣性モーメントＪを、Ｊ→（Ｊ−ＡＫｖＬ／２＋ＤＬ／２）と、粘性係数ＤをＤ→（Ｄ＋ＫＬ／２＋ＡＫｖ）とすることにより、制御的に慣性モーメント及びダンピング係数を変化させることができる。

以上の結果から、フィードバックゲインＫｖと遅延時間Ｌを操作することで、減衰率及び固有振動数を変えることができ、その結果、振幅値を小さく、減衰を速く、振動数をシフトさせることができる。

角加速度フィードバック手段３００を備えた図２の実施形態と、角速度フィードバック手段６００を備えた図６の実施形態の効果を比較する。角加速度フィードバック手段３００におけるフィードバックゲインＫａの操作では、（６）式の固有振動数ωｎのシフト効果の方が減衰率ζの減衰効果より大である。

角速度フィードバック手段６００におけるフィードバックゲインＫｖの操作では、（９）式の減衰率ζの減衰効果の方が固有振動数ωｎのシフト効果より大である。従って、どちらを重視するかによってフィードバックの形態を選択することができる。

本発明を適用したステージの一実施形態を示す斜視図である。 本発明の角加速度フィードバック手段を備えた姿勢フィードバック制御手段の実施形態を示す機能ブロック図である。 加速度センサ及び角加速度フィードバック手段の信号処理手順を示すフローチャートである。 本発明のステージの構成で測定されたブリッジ部材の機械振動特性図である。 角加速度フィードバック制御系の基本構成を示す機能ブロック図である。 角速度フィードバック手段を備えた本発明の他の実施形態を示す機能ブロック図である。 加速度センサ及び角速度フィードバック手段の信号処理手順を示すフローチャートである。 ステージ一般的な構成例を示す斜視図である。 姿勢フィードバック制御手段の一般構成を示す機能ブロック図である。 従来のステージの構成で測定されたブリッジ部材の機械振動特性図である。

符号の説明

１０ マスタ軸リニアモータ
１１ マスタ軸スライダ
２０ スレーブ軸リニアモータ
２１ スレーブ軸スライダ
３０ ブリッジ部材
４０ パルス変換手段
５０ 誤差増幅器
６０ 速度変換手段
７０ ドライバ
１０１，１０２ 加速度センサ
２００ 減算器
３００ 角加速度フィードバック手段
３０１ ゲイン設定部
３０２ 遅延設定部
４００ 加算器

Claims (7)

1. 所定距離を隔てて平行に配置されたマスタ軸リニアモータ及びスレーブ軸リニアモータと、これらリニアモータの軸方向にスライドして位置制御されるマスタスライダ及びスレーブスライダと、これらスライダ間を結合し前記軸方向と同一軸方向に移動制御されるブリッジ部材と、このブリッジ部材の高さ方向の軸に対する回転角を検出してこれを抑制する姿勢フィードバック制御手段と、を有するステージにおいて、
   前記ブリッジ部材上の前記マスタスライダ及びスレーブスライダとの結合部近傍に取り付けられた一対の加速度センサと、
   前記姿勢フィードバック制御手段のフィードバックループ内に設けられ、前記一対の加速度センサの検出値の差分値に基づく角加速度信号を入力して演算する角加速度フィードバック手段と、
   を備えることを特徴とするステージ。
2. 前記角加速度フィードバック手段は、前記角加速度信号に所定の遅延時間を与えて回転抑制姿勢制御におけるダンピング係数を変化させる遅延時間設定部を備えることを特徴とする請求項１に記載のステージ。
3. 前記角加速度フィードバック手段は、前記角加速度信号に所定のゲインを与えて回転抑制姿勢制御における慣性モーメントを変化させるゲイン設定部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のステージ。
4. 所定距離を隔てて平行に配置されたマスタ軸リニアモータ及びスレーブ軸リニアモータと、これらリニアモータの軸方向にスライドして位置制御されるマスタスライダ及びスレーブスライダと、これらスライダ間を結合し前記軸方向と同一軸方向に移動制御されるブリッジ部材と、このブリッジ部材の高さ方向の軸に対する回転角を検出してこれを抑制する姿勢フィードバック制御手段と、を有するステージにおいて、
   前記ブリッジ部材上の前記マスタスライダ及びスレーブスライダとの結合部近傍に取り付けられた一対の加速度センサと、
   前記姿勢フィードバック制御手段のフィードバックループ内に設けられ、前記一対の加速度センサの検出値の差分値を積算して算出された角速度信号を入力して演算する角速度フィードバック手段と、
   を備えることを特徴とするステージ。
5. 前記角速度フィードバック手段は、前記角速度信号に所定の遅延時間を与えて回転抑制姿勢制御における慣性モーメントを変化させる遅延時間設定部を備えることを特徴とする請求項４に記載のステージ。
6. 前記角速度フィードバック手段は、前記角速度信号に所定のゲインを与えて回転抑制姿勢制御におけるダンピング係数を変化させるゲイン設定部を備えることを特徴とする請求項４または５に記載のステージ。
7. 前記マスタ軸リニアモータ及びスレーブ軸リニアモータの軸方向に直交して前記ブリッジ部材上に直交軸リニアモータが形成され、この直交軸リニアモータの軸方向にスライドして位置制御される直交軸スライダ上にワークが搭載されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のステージ。

Images