(57)【要約】【課題】象限突起を低減できる位置制御装置を提供する。【解決手段】位置制御装置５は、転がり案内装置２によって案内されるステージ９の位置を制御する。位置制御装置５、位置指令ｘrefを入力して速度指令ｖrefを出力する位置制御部３１と、速度指令ｖrefを入力して推力指令ｆrefを出力する速度制御部３３と、転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）に基づいて位置指令ｘrefを補正する第１補正部２１と、第１補正部２１が位置指令ｘrefを補正した後に発生する位置偏差ｅ´を記憶し、位置偏差ｅ´に基づいて位置指令ｘrefを補正する第２補正部２２と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
転がり案内装置によって案内されるステージの位置を制御する位置制御装置において、
位置指令を入力して速度指令を出力する位置制御部と、
前記速度指令を入力して推力指令を出力する速度制御部と、
前記転がり案内装置の摩擦力に基づいて前記位置指令又は前記推力指令を補正する第１補正部と、
前記第１補正部が前記位置指令又は前記推力指令を補正した後に発生する位置偏差を記憶し、前記位置偏差に基づいて前記位置指令を補正する第２補正部と、を備える位置制御装置。
【請求項２】
前記第１補正部は、前記転がり案内装置の前記摩擦力を変位の次元の量に等価変換し、前記位置指令を補正することを特徴とする請求項１に記載の位置制御装置。
【請求項３】
前記第１補正部は、前記推力指令から前記ステージの加速力を減算して前記転がり案内装置の前記摩擦力を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の位置制御装置。
【請求項４】
所定の周期で前記位置指令が２回以上繰り返される間、前記第２補正部は、一定の前記位置偏差を記憶し、一定の前記位置偏差に基づいて前記位置指令を補正することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の位置制御装置。
【請求項５】
前記位置制御装置はさらに、
前記位置制御部を模擬したシミュレーション位置制御部、前記速度制御部を模擬したシミュレーション速度制御部、及び前記ステージを模擬し、前記転がり案内装置の前記摩擦力が働かないと仮定した模擬ステージを有し、前記シミュレーション位置制御部に前記位置指令と同一のシミュレーション位置指令を入力する制御シミュレーション部を備え、
前記第１補正部は、前記制御シミュレーション部の出力に基づいて、前記位置指令を補正することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の位置制御装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか一項に記載の位置制御装置を３次元造形装置に使用することを特徴する位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、転がり案内装置によって案内されるステージの位置を制御する位置制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密位置決めは、基本的で重要な技術である。半導体製造、液晶製造、オプトエレクトロニクス素子の加工、三次元造形物製造（３Ｄプリンタ）などをはじめとする先端的技術分野から高分解能の精密位置決め装置が要求されている。
【０００３】
精密位置決め装置として、リニアモータと静圧案内とを組み合わせたものが知られている。静圧案内は、圧力をかけた空気を供給して移動体を浮上させ、空気の低粘性を利用して案内するものである。案内に摩擦が働きにくいので、静圧案内は精密位置決めに適している。しかし、案内の剛性が低く、外乱に弱いという課題がある。
【０００４】
近年、静圧案内に替わって、球又はころの転動体を使用した転がり案内装置が用いられつつある。この理由として、市販の転がり案内装置の性能が向上したこと、静圧案内に比べて案内の剛性が高いことが挙げられる。
【０００５】
しかし、転がり案内装置のガイドブロックに印加力を与えたとき、その印加力と生じた変位の関係はヒステリシスを生じ、非線形性を示すことが知られている。この特性は、非線形ばね特性と呼ばれ、数十μｍ以下の微小変位領域で存在する。非線形ばね特性は、ガイドブロック内の転動体が転がり始まるときや転がり方向を反転するときに出現し、精密位置決めの精度に悪影響を及ぼす。例えば、転がり案内装置を用いたＸＹステージにおいて、円弧運動を行い、位置指令と実際の位置との位置偏差を拡大すると、各象限の切替え時に突起状の誤差（象限突起と呼ばれる）が生ずる。この象限突起は、ステージの位置をフィードバックする閉ループ制御を用いても無くすことは難しい。それゆえ、転がり案内装置を使用する場合、この非線形ばね特性の取り扱いが重要な課題となる。
【０００６】
非線形ばね特性の取り扱い方の一例として、特許文献１には、転がり案内装置によって案内されるステージの位置制御装置において、転がり案内装置の非線形ばね特性を摩擦モデルにモデル化し、摩擦モデルから転がり案内装置の摩擦力を求め、求めた摩擦力に基づいてステージ推力指令を補正する発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２９９４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載の発明を用いれば、象限突起をある程度低減することができる。しかし、ナノレベルで見れば無視できない象限突起が残り、ナノレベルの象限突起を低減することは困難である。
【０００９】
そこで本発明は、象限突起を低減できる位置制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、転がり案内装置によって案内されるステージの位置を制御する位置制御装置において、位置指令を入力して速度指令を出力する位置制御部と、前記速度指令を入力して推力指令を出力する速度制御部と、前記転がり案内装置の摩擦力に基づいて前記位置指令又は前記推力指令を補正する第１補正部と、前記第１補正部が前記位置指令又は前記推力指令を補正した後に発生する位置偏差を記憶し、前記位置偏差に基づいて前記位置指令を補正する第２補正部と、を備える位置制御装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、第１補正部が転がり案内装置の摩擦力に基づいて位置指令又は推力指令を補正し、第１補正部が位置指令又は推力指令を補正した後に発生する位置偏差を第２補正部が記憶し、第２補正部がこの位置偏差に基づいて位置指令を補正するので、象限突起を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態の位置制御装置を備える位置制御システムの外観図である。
【図２】本実施形態の位置制御装置のブロック線図である。
【図３】本実施形態の第１補正部にローパスフィルタを追加したブロック線図である。
【図４】本実施形態の第２補正部の構成を示すブロック線図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の位置制御装置のブロック線図である。
【図６】ステージの位置応答と位置偏差を示すグラフである（補正を行っていない場合）。
【図７】ステージの位置応答と位置偏差を示すグラフである（図７（ａ）は比較例１であり、図７（ｂ）は比較例２である）。
【図８】テーブルの位置応答と位置偏差を示すグラフである（本発明例）。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施形態の位置制御装置を詳細に説明する。ただし、本発明の位置制御装置は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。
（第１の実施形態）
【００１４】
図１は、本発明の第１の実施形態の位置制御装置５が組み込まれる位置制御システムの外観図を示す。５は位置制御装置、６はサーボアンプ、９はステージである。位置制御装置５は、パソコン、デジタルサーボ回路等のコンピュータから構成され、プロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備える。位置制御装置５は、数値制御装置等の上位装置から位置指令を受け取り、ステージ９の位置制御、速度制御を行い、推力指令（言い換えれば電流指令）を出力する。
【００１５】
サーボアンプ６は、トランジスタインバータ等から構成される。サーボアンプ６は、位置制御装置５が出力する推力指令（電流指令）を受け取り、電流指令に応じた電力をステージ９のリニアモータに供給する。なお、位置制御装置５が位置制御、速度制御、電流制御を行い、電圧指令を出力し、サーボアンプ６が電圧指令を受け取るようにすることもできる。
【００１６】
ステージ９は、ベース８と、ベース８に対して移動可能なテーブル１と、テーブル１の移動を案内する転がり案内装置２（リニアガイドとも呼ばれる）と、テーブル１を駆動するリニアモータ４と、を備える。転がり案内装置２は、レール２ａとガイドブロック２ｂとの間に球又はころの転動体を介在させ、その転動体が循環するようにしたものである。なお、図１には、ステージ９がＸステージである例を示すが、ステージ９はＸＹステージでも、ＸＹＺステージでもよい。
【００１７】
リニアモータ４は、磁石を有する固定子４ｂと、コイルを有する可動子４ａと、を備える。可動子４ａのコイルに電力を供給すると、テーブル１に軸方向の推力が発生する。テーブル１の位置は、エンコーダ７によって検出される。エンコーダ７の信号は、位置制御装置５に位置応答として取り込まれる。
【００１８】
図２は、本実施形態の位置制御装置５のブロック線図を示す。３１は位置制御部、３３は速度制御部、２１は第１補正部、２２は第２補正部である。位置制御部３１には、位置指令ｘref、エンコーダ７の位置応答ｘ、第１補正量ｄ１、第２補正量ｄ２が入力される。位置制御部３１は、位置指令ｘrefと位置応答との位置偏差ｅに第１補正量ｄ１及び第２補正量ｄ２を加算した値（＝ｅ＋ｄ１＋ｄ２）に、位置ループ比例ゲインＫｐを乗じて速度指令ｖrefを出力する。
【００１９】
速度制御部３３には、速度指令ｖref、位置応答ｘを微分することで得られる速度応答ｖ、速度フィードフォワードが入力される。速度制御部３３は、速度指令ｖrefと速度応答ｖとの速度偏差に速度フィードフォワード量を加算した値に比例、積分等の処理を行い、推力指令ｆref（電流指令）を出力する。Ｋｖは速度ループ比例ゲイン、Ｔｉは積分時間、Ｍはテーブル１の質量、ｓ、１／ｓがそれぞれラプラス変換における微分、積分、αが速度フィードフォワードゲインである。
【００２０】
ステージ９は、推力指令ｆrefに応じて駆動される。図２中のＮＳＢ(non-spring behavior)は、ステージ９の転がり案内装置２の非線形ばね特性に起因する摩擦力を表す。テーブル１に働く推力は、転がり案内装置２のＮＳＢの分だけ低減する。
【００２１】
第１補正部２１には、推力指令ｆref、位置応答ｘが入力される。第１補正部２１は、位置応答ｘを２階微分して加速度を得て、加速度にテーブル１の質量Ｍを乗じて、テーブル１の加速力を得る（符号２６参照）。そして、推力指令ｆrefからテーブル１の加速力を減算して、転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）を算出する。
【００２２】
次に、第１補正部２１は、摩擦力ｆ（ｔ）を変位の次元の量に等価変換して、第１補正量ｄ１を出力する（符号２４参照）。等価変換には、以下の式（１）又は式（２）を用いる。
速度制御部３３がＰＩ制御の場合、ｄ１＝ｄｆ（ｔ）／ｄｔ×Ｔｉ／（Ｋｐ・Ｋｖ・Ｍ）…（１）
速度制御部３３がＰ制御の場合、ｄ１＝ｆ（ｔ）／（Ｋｐ・Ｋｖ・Ｍ）…（２）
【００２３】
第１補正部２１は、第１補正量ｄ１を位置偏差ｅに加算する。位置偏差ｅに加算した第１補正量ｄ１は、転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）によって相殺される。このため、転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）に起因する偏差を無くすことができる。
【００２４】
なお、転がり案内装置２の非線形ばね特性を摩擦モデルにモデル化し、摩擦モデルから転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）を求めることもできる。また、摩擦力ｆ（ｔ）を変位の次元の量に等価変換することなく、摩擦力ｆ（ｔ）を推力指令ｆrefに加算するようにすることもできる。
【００２５】
図３は、第１補正部２１に１次のローパスフィルタ２８を追加した例を示す。転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）を１次のローパスフィルタ２８に通すことで、微分時に発生するノイズを低減することができる。
【００２６】
図２に示すように、第２補正部２２には、第１補正部２１が位置指令ｘrefを補正した後に発生する位置偏差ｅ´（＝ｅ＋ｄ１）が入力される。第２補正部２２は、位置偏差ｅ´を記憶し、位置偏差ｅ´（後述するように、正確には位置偏差ｅ´をフィルタ処理した第２補正量ｄ２）を位置指令ｘrefに加算する。
【００２７】
なお、位置偏差ｅに第１補正量ｄ１と第２補正量ｄ２を加えた値（＝ｅ＋ｄ１＋ｄ２）を第２補正部２２が記憶し、第２補正部２２がこの値を位置指令ｘrefに加算する繰り返し制御を行うこともできる。
【００２８】
図４は、第２補正部２２の構成を示すブロック線図である。第２補正部２２のバッファメモリ２３には、位置偏差ｅ´のデータが記憶される。このバッファメモリ２３は、位置偏差ｅ´のデータをフィルタ２４によって処理するために使用される。位置偏差ｅ´のデータをフィルタ処理して得られる第２補正量のデータｄ２０〜ｄ２ｎがメモリ２５に格納される。
【００２９】
メモリ２５には、サンプリング周期（制御周期）毎の第２補正量のデータｄ２０〜ｄ２ｎが格納される。メモリ２５は、ｎ（＝ステージの周期Ｌ／サンプリング周期Ｔ）個のメモリを有し、ステージ９の１周期分の第２補正量のデータｄ２０〜ｄ２ｎを格納できるようになっている。メモリ２５への第２補正量のデータｄ２０〜ｄ２ｎの格納は、ステージ９の加工前にオフラインで行うこともできるし、ステージ９の加工中に行うこともできる。
【００３０】
第２補正部２２は、第２補正量のデータｄ２０〜ｄ２ｎを格納した周期以降の周期の位置指令ｘrefを補正する。位置指令ｘrefが所定の周期Ｌで２回以上繰り返される間、第２補正部２２は、一定の第２補正量のデータｄ２０〜ｄ２ｎを記憶し、一定の第２補正量のデータｄ２０〜ｄ２ｎを用いて位置指令ｘrefを補正する。
【００３１】
以上に本実施形態の位置制御装置５の構成を説明した。本実施形態の位置制御装置５によれば、以下の効果を奏する。
【００３２】
第１補正部２１が転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）に基づいて位置指令ｘrefを補正し、第１補正部２１が位置指令ｘrefを補正した後に発生する位置偏差ｅ´を第２補正部２２が記憶し、第２補正部２２がこの位置偏差ｅ´に基づいて位置指令ｘrefを補正するので、象限突起をより低減できる。
【００３３】
第１補正部２１が転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）を変位の次元の量に等価変換し、位置指令ｘrefを補正するので、制御したいテーブル１の位置を直接的に補正でき、制御の確度を向上させることができる。
【００３４】
転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）を求めるにあたって、推力指令ｆrefからテーブル１の加速力を引くので、複雑な摩擦モデルを使用せずに転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）を求めることができる。
【００３５】
所定の周期Ｌで位置指令ｘrefが２回以上繰り返される間、第２補正部２２は、一定の位置偏差ｅ´を記憶し、一定の位置偏差ｅ´に基づいて位置指令ｘrefを補正するので、ノイズが加算されて象限突起が大きくなるのを防止できる。
（第２の実施形態）
【００３６】
図５は、本発明の第２の実施形態の位置制御装置２９のブロック線図を示す。第２の実施形態の位置制御装置２９のブロック線図と第１の実施形態の位置制御装置５のブロック線図との相違は、制御の遅れに起因する偏差を無くすために、制御シミュレーション部４１を付加している点にある。位置制御部３１、速度制御部３３、第２補正部２２の構成は、第１の実施形態の位置制御装置５と同一なので、同一の符号を附してその説明を省略する。
【００３７】
４１は制御シミュレーション部である。３１´は位置制御部３１を模擬し、位置制御部３１と同一構成のシミュレーション位置制御部である。シミュレーション位置制御部３１´は、位置指令ｘrefと模擬テーブル１´の位置応答ｘを入力して模擬速度指令を出力する。シミュレーション位置制御部３１´には、位置制御部３１と同一の位置指令ｘrefが入力される。
【００３８】
３３´は速度制御部３３を模擬し、速度制御部３３と同一構成のシミュレーション速度制御部である。３４´は、フィードフォワード器３４を模擬し、フィードフォワード器３４と同一構成のシミュレーションフィードフォワード器である。シミュレーション速度制御部３３´は、シミュレーション位置制御部３１´から出力された模擬速度指令、模擬テーブル１´の速度応答、模擬速度フィードフォワードを入力して模擬推力指令ｆｎを出力する。１´は、ステージのテーブル１を模擬し、転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）が働かないと仮定した模擬ステージの模擬テーブルである。
【００３９】
第１補正部２１は、転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）に制御シミュレーション部４１が出力した模擬推力指令ｆｎを加算する。そして、第１補正部２１は、加算した転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）と模擬推力指令ｆｎを変位の次元の量に等価変換する。
等価変換には、以下の式（３）又は式（４）を用いる。
速度制御部３３がＰＩ制御の場合、ｄ１＝ｄ（ｆ（ｔ）＋ｆｎ（ｔ））／ｄｔ×Ｔｉ／（Ｋｐ・Ｋｖ・Ｍ）…（３）
速度制御部３３がＰ制御の場合、ｄ１＝（ｆ（ｔ）＋ｆｎ（ｔ））／（Ｋｐ・Ｋｖ・Ｍ）…（４）
【００４０】
第１補正部２１は、第１補正量ｄ１を位置偏差ｅに加算する。位置偏差ｅに加算した第１補正量ｄ１は、転がり案内装置２の摩擦力ｆ（ｔ）とテーブル１の制御の遅れによって相殺される。このため、制御の遅れに起因する偏差を無くすことができる。
【実施例】
【００４１】
図１に示す位置制御システムにおいて、位置制御装置５に振幅１００μｍ、周波数０．１Ｈｚの位置指令を入力した。図６は、補正を行っていない場合の、ステージ９のテーブル１の位置応答と位置偏差を示す。図６に示すように、テーブル１が移動方向を反転するとき、約６０ｎｍの象限突起４２が発生した。
【００４２】
図７（ａ）は、第１補正部２１による補正を行い、第２補正部２２による補正を行わない場合（比較例１）の、テーブル１の位置応答と位置偏差を示す。図７（ａ）に示すように、第１補正部２１による補正を行えば、象限突起４２を約２ｎｍに低減できた。しかし、ナノレベルで見れば、無視できない象限突起４２が残った。なお、象限突起４２以外でもピーク的に発生している位置偏差は、制御とは無関係なシステム的なノイズである。
【００４３】
図７（ｂ）は、第１補正部２１による補正を行わず、第２補正部２２による補正を行った場合（比較例２）の、テーブル１の位置応答と位置偏差を示す。第２補正部２２による補正を行えば、象限突起４２を約５ｎｍに低減できた。しかし、比較例１と同様に、ナノレベルで見れば、無視できない象限突起４２が残った。
【００４４】
図８は、第１補正部２１による補正と第２補正部２２による補正を行った場合（本発明例）の、テーブル１の位置応答と位置偏差を示す。本発明例では、象限突起４２は殆ど発生せずに、その振幅は０．５ｎｍ以下であった。第１補正部２１によって象限突起４２が約６０ｎｍから約２ｎｍまで小さくなり、第２補正部２２によって象限突起４２が約２ｎｍから約０．５ｎｍまで小さくなったと推測される。
【００４５】
ここで、第１補正部２１による補正を行った後に第２補正部２２による補正が行われている。第２補正部２２による補正を行った後に第１補正部２１による補正を行うと、逆に象限突起４２が大きくなった。第２補正部２２が歪んだ位置指令を生成し、第１補正部２１が歪んだ位置指令にテーブル１を追従させようとするからだと推測される。
【００４６】
また、第１補正部２１による補正を行った後に第２補正部２２による補正を繰り返す繰り返し制御を行なっても、僅かながら象限突起４２が大きくなった。繰り返すことで、ノイズが加算されるからだと推測される。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の位置制御装置は、三次元造形装置（３Ｄプリンタ）、半導体製造装置、液晶製造装置、工作機械等に使用することができる。ナノレベルの精密位置決めが可能であるので、細胞を積層する３Ｄプリンタや、ビーム径を絞ったレーザ光を液体樹脂に照射する３Ｄプリンタに適している。
【符号の説明】
【００４８】
１…テーブル、２…転がり案内装置、５…位置制御装置、９…ステージ、２９…位置制御装置、３１…位置制御部、３３…速度制御部、２１…第１補正部、２２…第２補正部、ｘref…位置指令、ｖref…速度指令、ｆref…推力指令、ｅ´…位置偏差、ｆ（ｔ）…転がり案内装置の摩擦力、１´…模擬テーブル、３１´…シミュレーション位置制御部、３３´…シミュレーション速度制御部、４１…制御シミュレーション部、ｆｎ…模擬推力指令（制御シミュレーション部の出力）
【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６】
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【図７】
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【図８】
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