(57)【要約】【課題】負荷の質量や、負荷とＸ軸駆動部との距離が変化した場合でも、安定して機械共振および反共振を吸収できるＸＹステージを実現する。【解決手段】Ｘ軸方向に移動制御される第１部材と、この第１部材上に直交して結合しＹ軸方向に移動制御されると共に、前記第１部材との結合位置より所定距離を隔てて負荷が搭載された第２部材よりなるＸＹステージにおいて、  Ｘ軸指令値に基づいて前記第１部材を移動制御するＸ軸制御系と、  Ｙ軸指令値に基づいて前記第２部材を移動制御するＹ軸制御系と、  前記Ｘ軸フィードバック制御系に挿入され、この制御系で発生する機械共振および反共振を吸収するようにパラメータが設定されているフィルタ手段と、を具備し、  前記フィルタ手段は、前記Ｙ軸制御系における前記負荷の情報を取得し、前記パラメータの設定値を更新する動的パラメータ設定部を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸駆動部を備えた第１部材と、前記Ｘ軸駆動部に結合するとともにＹ軸方向に移動可能なＹ軸駆動部を備えた第２部材を有し、このＹ軸駆動部に搭載される負荷をＸ軸方向およびＹ軸方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
Ｘ軸指令値に基づいて前記Ｘ軸駆動部を制御するＸ軸制御系と、
Ｙ軸指令値に基づいて前記Ｙ軸駆動部を制御するＹ軸制御系と、
前記Ｘ軸制御系で発生する機械共振および反共振の周波数成分を吸収するようにパラメータが設定されるとともに、前記負荷の情報に基づいて前記パラメータを更新するフィルタ手段と、
を備えたことを特徴とするＸＹステージ。
【請求項２】
前記情報は、前記Ｘ軸駆動部と前記Ｙ軸駆動部までの距離であることを特徴とする請求項１に記載のＸＹステージ。
【請求項３】
前記情報は、前記負荷の質量であることを特徴とする請求項１または２に記載のＸＹステージ。
【請求項４】
前記第２部材は、前記第１部材に対して片端固定はりの状態で結合していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＸＹステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸＹステージに関し、詳しくは、Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸駆動部を備えた第１部材と、前記Ｘ軸駆動部に結合するとともにＹ軸方向に移動可能なＹ軸駆動部を備えた第２部材を有し、このＹ軸駆動部に搭載される負荷をＸ軸方向およびＹ軸方向に位置制御するＸＹステージに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、Ｘ軸方向に移動可能な移動ステージを備えた台座と、Ｘ軸方向に移動可能な移動ステージに結合するとともにＹ軸方向に移動可能な移動ステージを備えた台座を有する位置決め装置が記載されている。
【０００３】
図３は、従来のＸＹステージの構成を示す平面図である。ステータ（図示せず）が形成された第１部材１０がＸ軸方向に沿って配置されている。このステータ上にＸ軸方向に位置制御されるＸ軸駆動部１０ａが搭載され、このＸ軸駆動部１０ａとステータでＸ軸リニアモータを構成している。
【０００４】
Ｘ軸駆動部１０ａには、第１部材１０と直交して、ステータ（図示せず）が形成された第２部材２０が結合している。このステータ上にＹ軸方向に位置制御されるＹ軸駆動部２０ａが搭載され、このＹ軸駆動部２０ａとステータでＹ軸リニアモータを構成している。第２部材２０ａ上には、位置制御の対象である負荷Ｌ（図示せず）が搭載されている。
以下、Ｘ軸駆動部１０ａとこのＸ軸駆動部１０ａに連結状態にある部材（第２部材２０、Ｙ軸駆動部２０ａ、負荷Ｌ）を制御対象と称する。
【０００５】
Ｙ軸駆動部２０ａは、Ｘ軸駆動部１０ａからＹ軸方向に距離ｌ［ｍ］隔てた位置にある。このように、Ｘ軸駆動部１０ａから距離を隔てて負荷Ｌが搭載されている場合には、制御対象に機械共振および反共振が発生し、Ｘ軸駆動部１０ａの制御系を発振させてしまうことがある。この影響により、Ｘ軸リニアモータの制御性能（安定性、定常性、応答性）が低下することが知られている。
【０００６】
さらに、反共振については、ある周波数のゲインを低下させてしまうため、位置制御系はこの周波数で制御することができない。この現象は、バネ・ダンパー系でモデル化することができる。
【０００７】
図４は、負荷Ｌを備える第２部材２０が、第１部材１０に対して片端固定はりの形態で結合している系をバネ・ダンパー系でモデル化した模式図である。スライダＭの位置をｘM、負荷Ｌの位置をｘL、スライダＭの推力をｆM、スライダＭの質量をｍM、負荷Ｌの質量をｍL、負荷Ｌ取り付け部材の粘性係数をｄ、負荷Ｌ取り付け部材の復元係数をｋとするとき、スライダ部Ｍの運動方程式は、（１）式で与えられる。
【０００８】
2010198315.tif 000003
【０００９】
負荷Ｌの運動方程式は、（２）式で与えられる。
【００１０】
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【００１１】
図５は、従来のＸＹステージの制御系の構成例を示す機能ブロック図である。図５の（Ａ）Ｙ軸制御系、（Ｂ）はＸ軸制御系を示している。図５の（Ｂ）において、Ｘ軸制御系は、Ｘ軸駆動部１０ａと、Ｘ軸用制御器１０ｂと、これらの間に挿入された後述するフィルタ手段１０ｃを備える。Ｘ軸用制御器１０ｂは、Ｘ軸指令値ＸｓとＸ軸位置信号Ｘｆの偏差を演算した駆動電流指令をＸ軸駆動部１０ａに出力する。
【００１２】
図５の（Ａ）において、Ｙ軸制御系は、Ｙ軸駆動部２０ａと、Ｙ軸用制御器２０ｂとを備える。Ｙ軸用制御器２０ｂは、Ｙ軸指令値ＹｓとＹ軸位置信号Ｙｆの偏差を演算した駆動電流指令をＹ軸駆動部２０ａに出力する。
【００１３】
前記（１），（２）式をラプラス変換して得られる、スライダ側および負荷Ｌ側の推力−速度の伝達関数に基づき演算されるスライダ側の推力−速度ボード線図は、（３）式で表記される。
【００１４】
2010198315.tif 000005
【００１５】
（３）式において、反共振振動数ω1＝√（ｋ／ｍL）、反共振減衰率ζ1＝ｄ／２・√（ｍL／ｋ）、共振周波数ω2＝√（ｋ（ｍM＋ｍL）／（ｍM・ｍL））、共振減衰率ζ2＝ｄ／２・√（（ｍM＋ｍL）／（ｍM・ｍL・ｋ））である。
【００１６】
図６は、（３）式で表記される図５の（Ｂ）に示すＸ軸制御系のボード線図である。このボード線図から機械共振点Ｐと反共振点Ｑを確認できる。この状態では制御性に問題があり、低い周波数領域にある反共振Ｑが系の感度を低下させているため制御帯域が上がらない。これは過渡応答性の低下となる。
【００１７】
このような問題に対して従来技術では、特許文献２に開示されているような機械共振および反共振をノッチフィルタにより補償する手法や、図５の（Ｂ）に示すようにＸ軸制御系にフィルタ手段１０ｃを挿入することで対応してきた。
【００１８】
フィルタ手段１０ｃは、ある一定の条件下において制御対象の機械共振および反共振特性を測定し、測定された機械共振および反共振と反対の特性をもつように設定したフィルタである。このフィルタ手段１０ｃを制御対象の前に挿入することで、制御対象の機械共振および反共振をキャンセルする。
【００１９】
（３）式から導かれる、制御対象の機械共振および反共振特性と対称の特性をもつフィルタ手段１０ｃの伝達特性Ｆuは、（４）式で表記される。
【００２０】
2010198315.tif 000006
【００２１】
（４）式において、ω1＝ｃｏｎｓｔ、ζ1＝ｃｏｎｓｔ、ω2＝ｃｏｎｓｔ、ζ2＝ｃｏｎｓｔである。すなわち、パラメータは固定値に設定されている。
【００２２】
図７は、図５の（Ｂ）のＸ軸制御系で示したフィルタ手段１０ｃのボード線図である。図６のＸ軸制御系のボード線図と比較して、フィルタ手段１０ｃは、制御対象の機械共振・反共振特性と対称の特性を有し、制御系の共振点Ｐに対称な反共振点Ｐ’および制御系の反共振点Ｑに対称な共振点Ｑ’を備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開平０７−２３４７２３号公報
【特許文献２】特開２００５−２４５０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
従来構成のＸＹステージでは、次のような問題がある。
（１）フィルタ手段１０ｃに設定されたパラメータは定数であった。一方、負荷Ｌの質量が変化した場合や、Ｙ軸駆動部とＸ軸駆動部との距離（すなわち、負荷ＬとＸ軸駆動部との距離）が変化した場合（アームが伸縮した場合等）には、制御対象の機械共振および反共振の周波数が変化する。Ｘ軸リニアモータの駆動中にこのような特性変化が起こると、制御対象の特性がフィルタ手段１０ｃに設定されたパラメータから外れてしまい、フィルタ手段１０ｃで補償できなくなってしまう。これにより、フィルタ１０ｃの位相遅れ効果により制御系を不安定にしてしまう。
【００２５】
図８は、従来のＸＹステージのＸ軸制御系のゲインおよび位相特性図である。図８（Ａ）はフィルタ手段１０ｃによる補償前のＸ軸制御系のボード線図および位相シフトを示したものである。Ｘ軸制御系は、周波数ｆ１で反共振点Ｑ、周波数ｆ２で共振点Ｐを持つ。
なお、復元係数ｋが大きくなると反共振点Ｑ、共振点Ｐは高周波数側にシフトする傾向にある。また、質量ｍLが小さくなると反共振点Ｑ、共振点Ｐは高周波数側にシフトする傾向にある。
【００２６】
図８（Ｂ）はフィルタ手段１０ｃのボード線図を示し、負荷Ｌの質量やＹ軸駆動部２０ａとＸ軸駆動部１０ａとの距離の変化により、反共振点Ｑ’の周波数がｆ１’にシフトし、共振点Ｐ’の周波数がｆ２’にシフトした場合を示している。
【００２７】
図８（Ｃ）は、このような特性のフィルタ手段１０ｃで補償した場合のＸ軸のゲインおよび位相特性図である。ゲイン特性において、周波数ｆ１’とｆ１および周波数ｆ１’とｆ１に位相ずれに起因する突変が発生し、周波数ｆ１’とｆ１間で位相が−１８０°以上シフトする現象が発生し、制御系を不安定にする。
【００２８】
本発明は、負荷の質量や、負荷とＸ軸駆動部との距離が変化した場合でも、安定して機械共振および反共振を吸収できるＸＹステージを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
このような課題を達成するために、請求項１の発明は、
Ｘ軸方向に移動可能なＸ軸駆動部を備えた第１部材と、前記Ｘ軸駆動部に結合するとともにＹ軸方向に移動可能なＹ軸駆動部を備えた第２部材を有し、このＹ軸駆動部に搭載される負荷をＸ軸方向およびＹ軸方向に位置制御するＸＹステージにおいて、
Ｘ軸指令値に基づいて前記Ｘ軸駆動部を制御するＸ軸制御系と、
Ｙ軸指令値に基づいて前記Ｙ軸駆動部を制御するＹ軸制御系と、
前記Ｘ軸制御系で発生する機械共振および反共振の周波数成分を吸収するようにパラメータが設定されるとともに、前記負荷の情報に基づいて前記パラメータを更新するフィルタ手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００３０】
請求項２の発明は、
請求項１に記載のＸＹステージにおいて、前記情報は、前記Ｘ軸駆動部と前記Ｙ軸駆動部までの距離であることを特徴とする。
【００３１】
請求項３の発明は、
請求項１または２に記載のＸＹステージにおいて、前記情報は、前記負荷の質量であることを特徴とする。
【００３２】
請求項４の発明は、
請求項１〜３のいずれかに記載のＸＹステージにおいて、前記第２部材は、前記第１部材に対して片端固定はりの状態で結合していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３３】
本発明によれば、Ｘ軸制御系で発生する機械共振および反共振の周波数成分を吸収するようにパラメータが設定されるとともに、前記負荷の情報に基づいて前記パラメータを更新するフィルタ手段を備えたことにより、負荷の質量や、負荷とＸ軸駆動部との距離が変化して機械共振および反共振の周波数が変化しても、フィルタ手段の吸収する周波数成分が自動的に新しい周波数に追従し、安定して機械共振および反共振を吸収できるＸＹステージを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のＸＹステージの一実施例における、制御系の機能ブロック図である。
【図２】本発明を適用したＸＹステージのＸ軸駆動系のゲインおよび位相特性図である。
【図３】従来のＸＹステージの構成を示す平面図である。
【図４】負荷Ｌを備える第２部材２０が、第１部材１０に対して片端固定はりの形態で結合している系をバネ・ダンパー系でモデル化した模式図である。
【図５】従来のＸＹステージの制御系の構成例を示す機能ブロック図である。
【図６】図５の（Ｂ）に示すＸ軸制御系のボード線図である。
【図７】図５の（Ｂ）のＸ軸制御系で示したフィルタ手段１０ｃのボード線図である。
【図８】従来のＸＹステージのＸ軸制御系のゲインおよび位相特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明のＸＹステージの一実施例における、制御系の機能ブロック図である。図１は、従来例として説明した図５におけるフィルタ手段１０ｃを、フィルタ手段１００としたものである。なお、従来例と同じ構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３６】
フィルタ手段１００は、制御対象の機械共振および反共振をキャンセルする目的で挿入されるフィルタである。
フィルタ手段１００は、動的パラメータ設定部１００ａを備えている。動的パラメータ設定部１００ａには、初期値として、負荷Ｌの質量ｍLの初期値と、負荷Ｌが搭載されるＹ軸駆動部２０ａとＸ軸駆動部１０ａとの距離ｌの初期値が設定される。
フィルタ手段１００は、Ｙ軸制御系からＹ軸駆動部２０ａのＹ軸位置が入力される。動的パラメータ設定部１００ａは、このＹ軸位置に基づいて距離ｌの設定値を更新する。なお、動的パラメータ設定部１００ａは、距離ｌの更新とともに、距離ｌの関数である復元係数ｋ（ｌ）の設定値を更新する。
また、フィルタ手段１００には、外部から負荷Ｌの質量ｍLの変化を示す情報を入力する。動的パラメータ設定部は、入力される質量ｍLの変化を示す情報に基づいて、負荷Ｌの質量ｍLの設定値を更新する。
【００３７】
質量ｍLおよび復元係数ｋ（ｌ）の変動を考慮したＸ軸制御系のボード線図は、（５）式で表記される。
【００３８】
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【００３９】
（５）式における復元係数ｋ（ｌ）、反共振周波数：ω1（ｍL，ｋ）、反共振減衰率：ζ1（ｍL，ｋ）、共振周波数：ω2（ｍL，ｋ）、共振減衰率：ζ2（ｍL，ｋ）のそれぞれは、（６）式で表記される。
【００４０】
2010198315.tif 000008
【００４１】
（６）式において、Ｊは片端固定はりの断面二次モーメント、Ｅはヤング率、ｍiはｉ次モード（１次：12.360、２次：485.481、３次：3807.016）である。
【００４２】
（５）式に基づいて、動的に更新されるフィルタ手段１００のボード線図は、（７）式で表記される。
【００４３】
2010198315.tif 000009
【００４４】
（４）式に示した従来例におけるフィルタ手段１０ｃと（７）式に示した本発明におけるフィルタ手段１００の特性比較で明らかなように、本発明のフィルタ手段１００では、復元係数ｋ（ｌ）、反共振周波数：ω1（ｍL，ｋ）、反共振減衰率：ζ1（ｍL，ｋ）、共振周波数：ω2（ｍL，ｋ）、共振減衰率：ζ2（ｍL，ｋ）は、質量ｍL，ｋ（ｌ）が更新されることによりそれぞれ変化し、Ｘ軸制御系で発生する機械共振および反共振周波数の変動に追従した補償が得られる。
【００４５】
図２は、本発明を適用したＸＹステージのＸ軸制御系のゲインおよび位相特性図である。図８に示した従来例のボード線図との対比で明らかなように、図２（Ａ）に示したＸ軸制御系の反共振点Ｑの周波数ｆ１と、図２（Ｂ）に示したフィルタ手段１００の共振点Ｑ’の周波数ｆ１は常に一致する。
【００４６】
同様に、図２（Ａ）に示したＸ軸制御系の共振点Ｐの周波数ｆ２と、図２（Ｂ）に示したフィルタ手段１００反共振点Ｐ’の周波数ｆ２は常に一致する。したがって、図２（Ｃ）に示すＸ軸制御系のゲインおよび位相特性には、図８（ｃ）で示した位相の突変は発生せず、安定なＸ軸制御系を実現することができる。
【００４７】
本発明によれば、上記のようなフィルタ手段１００をＸ軸駆動部１０ａの前に挿入することで、負荷Ｌの質量ｍLや、Ｙ軸駆動部２０ａとＸ軸駆動部１０ａとの距離ｌが変化して機械共振および反共振の周波数が変化しても、フィルタ手段１００の吸収する周波数成分が自動的に新しい周波数に追従し、安定して機械共振および反共振を吸収できるＸＹステージを実現できる。
【符号の説明】
【００４８】
１０ａ  Ｘ軸駆動部
１０ｂ  Ｘ軸用制御器
２０ａ  Ｙ軸駆動部
２０ｂ  Ｙ軸用制御器
１００  フィルタ手段
１００ａ  動的パラメータ設定部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図６】
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【図７】
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