(57)【要約】【課題】バックラッシの補償中に移動体が振動することを防止することができる移動体駆動装置を提供する。【解決手段】移動体駆動装置１は、モータ２の駆動力が基準値Ｔを超えた際に、ロータリーエンコーダ１０による回転角度の検出を開始する。【選択図】図４
2010093904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動を移動体に伝達する伝達手段と、
前記アクチュエータの目標駆動量を設定する設定手段と、
前記アクチュエータの駆動量を検出する検出手段と、
前記アクチュエータを所定の速度で継続して駆動させる一方、前記アクチュエータを所定の速度で駆動させるために必要な駆動力が所定の基準値を超えた際に、前記検出手段に前記アクチュエータの駆動量の検出を開始させ、検出された駆動量が前記目標駆動量に一致するまで、前記アクチュエータを駆動させる制御手段と、を備えることを特徴とする移動体駆動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、検出された駆動量が前記目標駆動量に一致した際に、前記伝達手段に蓄積された力を解放させることを特徴とする請求項１記載の移動体駆動装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記アクチュエータの駆動力を減少させることで、前記伝達手段に蓄積された力を解放させることを特徴とする請求項２記載の移動体駆動装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記アクチュエータを反対方向に駆動させることで、前記伝達手段に蓄積された力を解放させることを特徴とする請求項２記載の移動体駆動装置。
【請求項５】
アクチュエータと、
前記アクチュエータの駆動を移動体に伝達する伝達手段と、
前記アクチュエータの目標駆動量を設定する設定手段と、
前記アクチュエータの駆動量を検出する検出手段と、
前記アクチュエータを所定の速度で継続して駆動させる一方、前記アクチュエータを所定の速度で駆動させるために必要な駆動力が減少を開始した際に、前記検出手段に前記アクチュエータの駆動量の検出を開始させ、検出された駆動量が前記目標駆動量に一致するまで、前記アクチュエータを駆動させる制御手段と、を備えることを特徴とする移動体駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料ステージ等の移動体を移動させる移動体駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、試料ステージ等の移動体を移動させる移動体駆動装置が記載されている（たとえば、特許文献１）。従来の移動体駆動装置は、アクチュエータと、移動体と、移動体にアクチュエータの駆動を伝達する伝達手段とを備える。アクチュエータは、たとえばモータであり、伝達手段は、たとえばユニバーサルジョイントである。
【０００３】
この伝達手段は、機械的なガタや有限のねじれ剛性を有する。このため、移動体を停止状態から移動させる際や、移動体の移動方向を変更する際に、バックラッシが発生する。バックラッシは、アクチュエータが駆動しても、移動体が移動しないことをいう。移動体が移動しないのは、アクチュエータが駆動しても、その駆動が伝達手段のガタを解消するために使われたり、伝達手段をねじれさせるために使われるからである。
【０００４】
移動体を目標位置に移動させる制御方法として、セミクローズドループ制御が知られている。セミクローズドループ制御とは、アクチュエータの駆動量（たとえば、モータの回転角度）を検出し、検出された駆動量と、移動体の目標位置に応じて設定された目標駆動量（たとえば、目標角度）とに基づいて、アクチュエータの駆動を制御することをいう。セミクローズドループ制御では、検出された駆動量が目標駆動量に一致するまで、アクチュエータを駆動する。
【０００５】
バックラッシは、セミクローズドループ制御を行う場合に特に問題になる。アクチュエータが駆動を開始した際に、アクチュエータの駆動量の検出を開始すると、移動体の移動量が、バックラッシ分だけ足りなくなるからである。したがって、バックラッシの補償が必要になる。バックラッシの補償とは、駆動量の検出を開始する前に、バックラッシを解消させることをいう。
【０００６】
従来は、駆動量の検出を開始する前に、アクチュエータをパルス的に駆動させることでバックラッシの補償を行っていた。
【特許文献１】特開平５−６６８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、バックラッシの量は、伝達手段の構造や、移動体の位置に応じて変動するが、従来は、補償量（パルス駆動させる量）が一定とされていた。このため、従来は、補償量が小さすぎて、十分に補償がなされない場合や、補償量が大きすぎて、バックラッシの補償中に移動体が振動してしまう場合があった。
【０００８】
本願に係る発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、バックラッシの補償不足を防止することができ、また、バックラッシの補償中に移動体が振動することを防止することができる移動体駆動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願に係る発明は、アクチュエータと、アクチュエータの駆動を移動体に伝達する伝達手段と、アクチュエータの目標駆動量を設定する設定手段と、アクチュエータの駆動量を検出する検出手段と、アクチュエータを所定の速度で継続して駆動させる一方、アクチュエータを所定の速度で駆動させるために必要な駆動力が所定の基準値を超えた際に、検出手段にアクチュエータの駆動量の検出を開始させ、検出された駆動量が目標駆動量に一致するまで、アクチュエータを駆動させる制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本願に係る発明は、アクチュエータを所定の速度で駆動させるために必要な駆動力が所定の基準値を超えた際に、検出手段にアクチュエータの駆動量の検出を開始させるので、アクチュエータが伝達手段のガタ分だけ駆動し、かつ、伝達手段のバネ要素がたわんだ後に、アクチュエータの駆動量の検出を開始することができる。したがって、本願に係る発明は、バックラッシの補償を行うことができる。さらに、本願に係る発明は、アクチュエータをパルス的に駆動せず、連続的に駆動するので、バックラッシの補償中に移動体が振動することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（第１の実施の形態）
次に、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、第１の実施の形態に係る移動体駆動装置１の概要を示す模式図である。移動体駆動装置１は、モータ２と、伝達手段３と、移動体６とを備える。モータ２は、本来は回転軸を回転させるアクチュエータであるが、ここでは、左右に動くものとする。伝達手段３は、バネ要素４と、ガタ要素５とを備え、モータ２の駆動を移動体６に伝達する。移動体６は、ステージ７と、ステージ７に設けられた転がり要素８とを備える。転がり要素８が台座９上で転がることで、ステージ７が移動する。まず、図１を用いて、バックラッシおよびアフタードリフトについて説明する。
【００１２】
伝達手段３に力が作用しておらず、かつ、移動体６が静止している際に、モータ２が右側に移動を開始すると、バックラッシが発生する。すなわち、モータ２は、まず、伝達手段３のガタ要素５分だけ右側に移動する。これにより、伝達手段３のガタ要素５が解消される。このとき、モータ２の駆動力は移動体６に伝達されないので、移動体６は静止したままである。さらにモータ２が右側に移動すると、伝達手段３のバネ要素４が縮められる一方、モータ２の駆動力がバネ要素４を介して移動体６に伝達される。しかし、転がり要素８と台座９との静止摩擦力が作用するため、移動体６は静止したままである。
【００１３】
モータ２は、その駆動力を増加させつつ移動を継続し、駆動力が転がり要素８と台座９との間の最大静止摩擦力を超えると、移動体６が移動を開始する。その後、モータ２の駆動力と、転がり要素８と台座９との間の摩擦力とが釣り合った状態で、移動体６が移動する。
【００１４】
したがって、バックラッシ、すなわち、モータ２が駆動しても移動体６が移動しない現象が発生する。なお、モータ２が伝達手段３のガタ要素５分だけ移動するのに必要な駆動力は、モータ２が伝達手段３のバネ要素４を縮めるのに必要な駆動力よりも非常に小さい。
【００１５】
その後、モータ２を停止させると、移動体６も停止する。この状態では、伝達手段３のバネ要素４にはモータ２の駆動力に釣り合う力が蓄えられている。従来は、伝達手段３のバネ要素４に蓄積された力に対して何らの処理を行わなかったので、伝達手段３のバネ要素４に蓄積された力が徐々に解放されていた。このため、バネ要素４は、当該バネ要素４に蓄積された力により、移動体６を移動させてしまうことがあった。これがアフタードリフト、すなわち、移動体６が停止した後に徐々に移動する現象である。
【００１６】
なお、モータ２を停止させた後、直ちにモータ２を反対方向（ここでは左方向）に移動させた場合にも、バックラッシが発生する。すなわち、モータ２が左側への移動を開始すると、バネ要素４がモータ２の移動に応じて伸びるとともに、バネ要素４に蓄積された力が徐々に解放される。このとき、転がり要素８と台座９との静止摩擦力が作用するため、移動体６は静止したままである。バネ要素４に蓄積された力が完全に解放されると、モータ２は、伝達手段３のガタ要素５分だけ左に移動する。これにより、伝達手段３のガタ要素５が解消される。
【００１７】
さらにモータ２が左側に移動すると、伝達手段３のバネ要素４が伸びる一方、モータ２の駆動力がバネ要素４を介して移動体６に伝達される。しかし、転がり要素８と台座９との静止摩擦力が作用するため、移動体６は静止したままである。
【００１８】
モータ２は、その駆動力を増加させつつ移動を継続し、駆動力が転がり要素８と台座９との間の最大静止摩擦力を超えると、移動体６が移動を開始する。その後、モータ２の駆動力と、転がり要素８と台座９との間の摩擦力とが釣り合った状態で、移動体６が移動する。したがって、バックラッシが発生する。
【００１９】
移動体駆動装置１は、バックラッシの補償を行うとともに、アフタードリフトの発生を抑制する。具体的には、後述する。
【００２０】
次に、移動体駆動装置１の具体的構成について説明する。図２は、移動体駆動装置１の機械的構成を示す模式図であり、図３は、移動体駆動装置１の電気的構成を示すブロック図である。図２では、３次元座標が定義されている。図２中、左右方向がＸ軸、紙面に垂直な方向がＹ軸、上下方向がＺ軸となっている。
【００２１】
移動体駆動装置１は、走査型電子顕微鏡１００の構成要素の一部になっている。モータ２は、回転軸２ａを備え、この回転軸２ａを回転させる。移動体駆動装置１は、伝達手段３として、ユニバーサルジョイント３ａと、平歯車３ｂ、３ｃと、ベアリング３ｄと、送りねじ３ｅと、送りナット３ｆとを備える。ユニバーサルジョイント３ａは、回転軸２ａの回転を平歯車３ｂに伝達する。平歯車３ｂは、平歯車３ｃとかみ合っており、その回転を平歯車３ｃに伝達する。平歯車３ｃは、リング形状となっており、ベアリング３ｄにより走査型電子顕微鏡１００内部の所定の位置に回転可能に固定されている。送りねじ３ｅは、平歯車３ｃの中空部分に挿入されており、平歯車３ｃと一体となって回転する。送りナット３ｆは、送りねじ３ｅにかみ合っており、送りねじ３ｅが回転した際に、左右に移動する。
【００２２】
伝達手段３の各構成要素のねじれ剛性が伝達手段３のバネ要素４となる。ユニバーサルジョイント３ａを構成する部品同士の隙間、平歯車３ｂの歯と平歯車３ｃの歯との隙間、送りねじ３ｅのねじ山と送りナット３ｆのねじ山との隙間、といった要素が伝達手段３のガタ要素５となる。なお、モータ２の駆動力と同じ大きさの力が、Ｘステージ７ａに伝達される。
【００２３】
移動体駆動装置１は、ステージ７として、Ｘステージ７ａと、Ｙステージ７ｂと、Ｚステージ７ｃと、Ｒステージ７ｄと、Ｔステージ７ｅとを備える。なお、転がり要素８は、ステージ毎に設けられるが、図１では省略する。以下、Ｘステージ７ａの移動を中心に説明するが、他のステージについても同様の処理が可能である。
【００２４】
Ｘステージ７ａは、送りナット３ｆに設けられ、送りナット３ｆと一体となってＸ軸方向に移動する。Ｘステージ７ａの転がり要素は、台座９上を転がる。Ｙステージ７ｂは、Ｙ軸方向に移動し、Ｚステージ７ｃは、Ｚ軸方向に移動する。Ｒステージ７ｄは、直線７１を回転軸として回転し、Ｔステージ７ｅは、直線７２を回転軸として回転する。走査型電子顕微鏡１００による観察の対象となる試料１１は、Ｒステージ７ｄに設置される。
【００２５】
ロータリーエンコーダ１０は、モータ２の回転角度を検出し、コントローラ１２に出力する。入力部１３は、キーボード等であり、操作者により各ステージの目標位置を入力するのに使用される。入力部１３は、操作者が入力した目標位置をコントローラ１２に出力する。コントローラ１２は、操作者が入力した目標位置に基づいて、モータ２の目標角度を設定し、ロータリーエンコーダ１０が検出した回転角度が目標角度に一致するまでモータ２の回転軸２ａを回転させる。さらに、コントローラ１２は、モータ２に供給する電力を調整することで、モータ２の駆動力、すなわち回転軸２ａを回転させる力（トルク）を調整する。
【００２６】
次に、移動体駆動装置１による処理の手順を、図４に示すフローチャートおよび図５に示すグラフに基づいて説明する。図５の横軸は、回転軸２ａの回転角度（すなわち、モータ２の回転角度）であり、Ｘステージ７ａがＸ軸正方向に移動するときの回転方向を正方向としている。縦軸は、モータ２の駆動力、具体的には、モータ２の回転軸２ａが所定速度で回転するために必要なトルクである。原点は、モータ２が停止しており、かつ、モータ２に駆動力が与えられていない状態を示す。ここでは、モータ２を原点から正方向に回転させる場合を一例として説明する。
【００２７】
ステップＳ１において、操作者は、ステージ毎に目標位置を入力する。ステップＳ２において、コントローラ１２は、操作者が入力したＸステージ７ａの目標位置に基づいて、モータ２の目標角度を設定する。ステップＳ３において、コントローラ１２は、モータ２の回転（すなわち、回転軸２ａの回転）を開始する。以後、コントローラ１２は、モータ２を所定速度で回転させる。図５に示すように、モータ２の回転は、回転角度がθ１に達するまでは、伝達手段３のガタ要素５を解消させるために使われる。上記の所定速度は、走査型電子顕微鏡１００の操作感を損ねないように、モータ２の回転角度が０からθ１になる（すなわち、モータ２が伝達手段３のガタ要素５分を回転する）のに０．１〜０．３秒かかるような速度とする。モータ２の回転角度がθ１を超えると、モータ２の回転は、伝達手段３のバネ要素４をたわませるのに使われる。したがって、モータ２の回転角度が大きくなる（すなわち、伝達手段３のたわみが大きくなる）ほど、モータ２を所定速度で回転させるのに必要な駆動力が増加する。一方、モータ２の回転角度がθ１を超えた後は、モータ２の駆動力がＸステージ７ａに伝達されるが、この駆動力がＸステージ７ａの転がり要素と台座９との最大静止摩擦力を超えるまで、Ｘステージ７ａは静止したままである。
【００２８】
ステップＳ４において、コントローラ１２は、モータ２の駆動力が所定の基準値Ｔを超えたという条件を判定し、この条件が満たされる場合には、ステップＳ５に進み、この条件が満たされない場合には、ステップＳ４に戻る。具体的には、コントローラ１２は、モータ２に供給する電力が、当該基準値Ｔに相当する値になったという条件を判定し、この条件が満たされる場合には、ステップＳ５に進み、この条件が満たされない場合には、ステップＳ４に戻る。図５に示すように、モータ２の回転角度がθ２を超えた際に、モータ２の駆動力が基準値Ｔを超える。
【００２９】
ステップＳ５において、コントローラ１２は、ロータリーエンコーダ１０にモータ２の回転角度の検出を要求し、これに応じて、ロータリーエンコーダ１０は、モータ２の回転角度の検出を開始する。ロータリーエンコーダ１０は、検出結果をコントローラ１２に出力する。したがって、移動体駆動装置１は、モータ２が伝達手段３のガタ要素５分だけ回転し、かつ、伝達手段３のバネ要素４がたわんだ後に、回転角度の検出を開始するので、バックラッシの補償を行うことができる。
【００３０】
図５に示すように、モータ２の回転角度がθ３を超えた際に、駆動力が最大静止摩擦力を超え、Ｘステージ７ａが移動を開始する。その後、Ｘステージ７ａの転がり要素と台座９との摩擦力が減少するので、モータ２の駆動力も減少する。モータ２は、モータ２の駆動力と摩擦力（すなわち、Ｘステージ７ａの転がり要素と台座９との摩擦力）とが釣り合った状態で回転を維持する。
【００３１】
ステップＳ６において、コントローラ１２は、検出された回転角度が目標角度に一致したという条件を判定し、この条件が満たされる場合には、ステップＳ７に進み、この条件が満たされない場合には、ステップＳ６に戻る。
【００３２】
ステップＳ７において、コントローラ１２は、モータ２の回転を停止する。ここで、ロータリーエンコーダ１０は、Ｘステージ７ａが移動を開始する前に回転角度の検出を開始するので、目標位置とＸステージ７ａの停止位置とにずれが生じる。たとえば、目標角度がθ６となる場合、図５に示すように、モータ２は、回転角度がθ５（＝θ３＋θ６）となった際に停止するのが理想的である。しかし、この場合、モータ２は、回転角度がθ４（θ２＋θ６）となった際に停止する。したがって、目標位置と、Ｘステージ７ａの停止位置とは、θ７（＝θ３−θ２）に相当する距離だけずれている。そこで、操作者は、目標位置を、当該θ７に相当する距離だけずらして設定してもよい。
【００３３】
ステップＳ８において、コントローラ１２は、伝達手段３に蓄積された力（すなわち、伝達手段３のバネ要素４に蓄積された力）を解放する。すなわち、上述したとおり、モータ２を停止した直後は、伝達手段３のバネ要素４には、モータ２の駆動力に釣り合う力が蓄えられている。この力に対し、何らの処理がなされないと、アフタードリフトが発生する恐れがある。そこで、コントローラ１２は、伝達手段３のバネ要素４に蓄積された力を解放する。具体的には、コントローラ１２は、モータ２に供給する電力を所定値まで減少させる。これにより、モータ２の駆動力が解放される。モータ２の駆動力が解放されると、伝達手段３のバネ要素４がその力を解放させながらモータ２を反対方向に回転させる。したがって、バネ要素４に蓄積された力が解放されるので、アフタードリフトの発生が抑制される。具体的には、アフタードリフトが発生する可能性が従来よりも減少し、仮にアフタードリフトが発生しても、Ｘステージ７ａの移動量が従来よりも小さくなる。
【００３４】
なお、バネ要素４は、その力を解放させる際に、Ｘステージ７ａを動かす可能性がある。そこで、操作者は、Ｘステージ７ａが移動する量を見越して目標位置を設定してもよい。なお、ステップＳ８の処理によるＸステージ７ａの移動はアフタードリフトと異なる。アフタードリフトは、Ｘステージ７ａが停止後に徐々に移動することであるが、この移動は、Ｘステージ７ａの停止直後に生じるからである。また、アフタードリフトは、走査型電子顕微鏡１００による観測中にＸステージ７ａが移動するという問題を発生させるが、ステップＳ８の処理による移動は、Ｘステージ７ａの停止直後に生じるので、こういった問題は生じない。
【００３５】
コントローラ１２は、モータ２の停止後に、モータ２を反対方向（ここでは、負方向）に回転させることで、伝達手段３のバネ要素４に蓄積された力を解放させるようにしてもよい。その後、コントローラ１２は、処理を終了する。
【００３６】
以上により、第１の実施の形態に係る移動体駆動装置１は、モータ２の駆動力が所定の基準値を超えた際に、モータ２の回転角度の検出を開始し、検出された回転角度が目標角度に一致するまで、モータ２を回転させる。したがって、移動体駆動装置１は、バックラッシの補償を行うことができる。さらに、移動体駆動装置１は、従来のように、モータ２をパルス的に回転させず、連続的に回転させるので、バックラッシの補償中に移動体が振動することを防止することができる。
【００３７】
さらに、移動体駆動装置１は、検出された回転角度が目標角度に一致した際に、伝達手段３のバネ要素４に蓄積された力を解放させるので、アフタードリフトの発生を抑制することができる。
【００３８】
具体的には、移動体駆動装置１は、モータ２の駆動力を減少させたり、モータ２を反対方向に回転させることで、伝達手段３のバネ要素４に蓄積された力を解放させる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態に係る移動体駆動装置１は、図４のステップＳ４の処理が上述したものと異なるので、この部分を中心に説明する。
【００４０】
ステップＳ４において、コントローラ１２は、モータ２の駆動力が減少を開始したという条件を判定し、この条件が満たされる場合には、ステップＳ５に進み、この条件が満たされない場合には、ステップＳ４に戻る。すなわち、この変形例に係る移動体駆動装置１は、Ｘステージ７ａが実際に移動を開始した際に、回転角度の検出を開始する。したがって、移動体駆動装置１は、第１の実施の形態よりも、バックラッシの補償をより正確に行うことができる。さらに、最大静止摩擦力の大きさ、すなわちバックラッシの量は、Ｘステージ７ａの位置等に応じて様々に変化する。第１の実施の形態では、基準値Ｔは一定なので、基準値Ｔが最大静止摩擦力よりも大きい場合、回転角度の検出が行われずにＸステージ７ａが移動を開始してしまうという問題が発生する。一方、基準値Ｔが最大静止摩擦力よりも小さすぎる場合、未達距離、すなわちＸステージ７ａの目標位置と停止位置との差が大きくなりすぎるという問題が発生する。また、基準値Ｔが最大静止摩擦力よりも小さい場合、目標角度によっては、ロータリーエンコーダ１０が検出した回転角度が、モータ２の駆動力が最大静止摩擦力に達する前に目標角度に一致し、モータ２が停止してしまう可能性がある。しかし、第２の実施の形態に係る移動体駆動装置１は、最大静止摩擦力の大きさがどのようなものであっても、Ｘステージ７ａが実際に移動を開始した際に、回転角度の検出を開始することができる。したがって、移動体駆動装置１は、最大静止摩擦力の大きさがどのようなものであっても、バックラッシの補償を正確に行うことができる。
【００４１】
なお、モータ２の駆動力は、単純増加しない場合がある（すなわち、モータ２の駆動力がＸステージ７ａの転がり要素と台座９との最大静止摩擦力未満のときに、モータ２の駆動力が減少に転じる場合がある）ので、モータ２の駆動力が基準値Ｔを超え、かつ、モータ２の駆動力が減少を開始した際に、ロータリーエンコーダ１０による検出を開始するようにしてもよい。
【００４２】
なお、上記の各実施の形態は本発明の一例に過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができるのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１の実施の形態に係る移動体駆動装置の概要を示す模式図である。
【図２】移動体駆動装置の機械的構成を示す模式図である。
【図３】移動体駆動装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】移動体駆動装置による処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】モータの回転角度とモータの駆動力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４４】
１：移動体駆動装置
２：モータ
３：伝達手段
４：バネ要素
５：ガタ要素
６：移動体
７：ステージ
８：転がり要素
９：台座
【図１】
2010093904.tif 000003
【図２】
2010093904.tif 000004
【図３】
2010093904.tif 000005
【図４】
2010093904.tif 000006
【図５】
2010093904.tif 000007