(57)【要約】【課題】  機械的な特性に基づく位置決め誤差を補正することができるリニアモータを実現する。【解決手段】  与えられた位置指令値に基づいて移動軸方向に直線的に移動制御されるスライダを有するリニアモータにおいて、  前記移動軸方向の所定距離毎のロール角，ピッチ角，ヨー角を測定して収集するデータ収集手段と、  このデータ収集手段の収集データに基づいてロール角，ピッチ角，ヨー角の変化を関数で近似する関数化手段と、  この関数化手段の関数に基づいて前記移動軸の垂直真直度と水平真直度を演算する積分演算手段と、  前記位置指令値、前記関数化手段の関数データ、前記積分演算手段の垂直真直度と水平真直度データに基づいて、前記スライダの絶対座標位置を演算する絶対座標位置演算手段と、を備える。【選択図】                    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
与えられた位置指令値に基づいて移動軸方向に直線的に移動制御されるスライダを有するリニアモータにおいて、
前記移動軸方向の所定距離毎のロール角，ピッチ角，ヨー角を測定して収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段の収集データに基づいてロール角，ピッチ角，ヨー角の変化を関数で近似する関数化手段と、
この関数化手段の関数に基づいて前記移動軸の垂直真直度と水平真直度を演算する積分演算手段と、
前記位置指令値、前記関数化手段の関数データ、前記積分演算手段の垂直真直度と水平真直度データに基づいて、前記スライダの絶対座標位置を演算する絶対座標位置演算手段と、
を備えることを特徴とするリニアモータ。
【請求項２】
前記絶対座標位置演算手段は、入力されるデータをパラメータとする静特性の数学モデルを備えることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記絶対座標位置演算手段は、前記スライダから作業ヘッド位置までの距離情報を入力し、前記作業ヘッド位置の絶対座標位置を演算することを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記絶対座標位置演算手段は、前記スライダの位置検出用エンコーダの熱膨張を補償した位置指令値を、前記静特性の数学モデルのパラメータとすることを特徴とする請求項２又は３に記載のＸＹステージ。
【請求項５】
前記絶対座標位置演算手段の出力と前記位置指令値の差を演算し、前記位置指令値を補正する位置指令補正手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、与えられた位置指令値に基づいて移動軸方向に直線的に移動制御されるスライダを有するリニアモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平行配置された一対のリニアモータにより下軸リニアモータが形成され、これら下軸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ブリッジ結合して上軸リニアモータが形成されるブリッジ型のＸＹ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。
【０００３】
図６は、Ｘ軸に平行な移動軸Ｘ−Ｘ´上に配置されたリニアモータの一般的な構成を示す機能ブロック図であり、ステージに水平設置されたパネル（図示せず）上に、Ｘ軸方向に直線Ｌを描画する実施形態を示している。
【０００４】
パネル上面に近接してＸ軸方向にリニアモータ１０が配置され、その軸方向に位置制御されるスライダ１１が搭載されている。更に、その軸方向にスケール１２を備えている。
【０００５】
スライダ１１に結合しているエンコーダ１３は、スケール１２の目盛りを読み取り、スライダ１１の移動距離を検出し、基準点からの移動距離によりスライダ１１のＸ位置検出値Ｐｘを出力する。
【０００６】
ドライバ３０は、上位装置４０からの位置指令値Ｘcmd及びＸ位置検出値Ｐｘを入力し、これらの偏差を制御演算した電流値Ｍを下軸スライダ１１のモータ巻線に供給する、フィードバック制御によりスライダ１１を軸指令値Ｘcmdに移動制御する。
【０００７】
スライダ１１には、ワーク１４としてインクジェット装置Ｗが搭載され、そのノズル１５の先端位置（ヘッド位置Ｈ）からのインクジェットで液晶パネル上に描画線Ｌを描画する。
【０００８】
図７は、ドライバ３０の構成例を示す機能ブロック図である。ドライバ３０は、位置指令値Ｘcmdと位置検出値Ｐｘとの偏差を演算して速度指令値Ｖｓを出力する位置制御部３１と、速度指令値Ｖｓと速度検出値Ｖｆとの偏差を演算してスライダ１１に電流値Ｍを出力する速度制御部３２と、位置検出値Ｐｘの差分より前記速度検出値Ｖｆを出力する差分検出手段３３よりなる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０３４０７８号公報
【非特許文献１】ロボット工学ハンドブック    −日本ロボット学会編−  Ｐ１９６            初版：1990.10.20  編者：日本ロボット学会  発行者：（株）コロナ社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
下軸スライダ及び上軸スライダの位置制御系では、ステージを構成する下軸リニアモータ及び上軸リニアモータの駆動部分の機械的特性が位置決めの制御系に組み込まれていないために、平面位置決めの精度がステージの機械的特性の影響を受ける問題がある。
【００１１】
下軸及び上軸の機械的特性は、
（１）駆動部分の微小回転（ロール，ピッチ，ヨー）による特性
（２）駆動部分の真直度（水平，垂直）による特性
（３）リニアエンコーダの熱膨張による特性
（４）下軸及と上軸の直角度
である。
【００１２】
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、機械的な特性に基づく位置決め誤差を補正することができるリニアモータの実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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）与えられた位置指令値に基づいて移動軸方向に直線的に移動制御されるスライダを有するリニアモータにおいて、
前記移動軸方向の所定距離毎のロール角，ピッチ角，ヨー角を測定して収集するデータ収集手段と、
このデータ収集手段の収集データに基づいてロール角，ピッチ角，ヨー角の変化を関数で近似する関数化手段と、
この関数化手段の関数に基づいて前記移動軸の垂直真直度と水平真直度を演算する積分演算手段と、
前記位置指令値、前記関数化手段の関数データ、前記積分演算手段の垂直真直度と水平真直度データに基づいて、前記スライダの絶対座標位置を演算する絶対座標位置演算手段と、
を備えることを特徴とするリニアモータ。
【００１４】
（２）前記絶対座標位置演算手段は、入力されるデータをパラメータとする静特性の数学モデルを備えることを特徴とする（１）に記載のリニアモータ。
【００１５】
（３）前記絶対座標位置演算手段は、前記スライダから作業ヘッド位置までの距離情報を入力し、前記作業ヘッド位置の絶対座標位置を演算することを特徴とする（１）または（２）に記載のリニアモータ。
【００１６】
（４）前記絶対座標位置演算手段は、前記スライダの位置検出用エンコーダの熱膨張を補償した位置指令値を、前記静特性の数学モデルのパラメータとすることを特徴とする（２）又は（３）に記載のＸＹステージ。
【００１７】
（５）前記絶対座標位置演算手段の出力と前記位置指令値の差を演算し、前記位置指令値を補正する位置指令補正手段を備えることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のリニアモータ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）位置指令値が与えられたときに、リニアモータの機械的特性に基づく実際のスライダ位置又はヘッド位置を予測することができる。この予測値と位置指令値との差で与えられる補正値により位置指令値を補正することができる。
【００１９】
（２）リニアモータの機械的特性に基づく実際のスライダ位置又はヘッド位置を予測するための静特性数学モデルは、多自由度関節の動作を解析する周知の順運動学式により演算することができる。
【００２０】
（３）位置検出用エンコーダの熱膨張を補償した位置指令値を、前記静特性の数学モデルのパラメータとすることにより、熱膨張の影響を補償したヘッド位置を予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用したリニアモータ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で説明した従来のリニアモータと同一要素には同一符号を付して説明を省略する。図１の実施形態は、リニアモータ１０がその移動軸上で撓みのない剛体であることを前提としている。
【００２２】
実施形態の説明に先立ち、機械的特性に基づく実際のスライダ位置又はヘッド位置の移動過程を説明する。図２は、機械的特性に基づくスライダの挙動を示す模式図である。
【００２３】
図２において、リニアモータのエンコーダ３のスタート点に絶対座標系（Ｘ_abs，Ｙ_abs，Ｚ_abs，）の原点Ｐを定義する。スライダ１１上に相対座標系（Ｘ_inc，Ｙ_inc，Ｚ_inc）の原点Ｑを定義する。
【００２４】
絶対座標の原点Ｐにあるスライダ１１が、位置指令値ＸcmdによりＸ軸方向Ｓ点に移動制御されたとき、相対座標の原点Ｑは、Ｓ点の機械的特性によるＹ軸方向の水平真直度Ｙ及びＺ軸方向の垂直真直度Ｚの影響によりＹ方向及びＺ方向にシフトし、図示のＱ点位置に移動する。このＱ点がスライダ１１の予測位置である。
【００２５】
更に、このＱ点から作業ヘッドまでの距離情報（Ｘ_inc，Ｙ_inc，Ｚ_inc）を追加した位置Ｈが、ヘッド予測位置である。このヘッド予測位置情報と、位置指令値Ｘcmd置情報との差が機械的特性に基づく位置制御誤差である。
【００２６】
図１に戻り、実施形態を説明する。データ収集手段１００は、リニアモータの軸方向に所定距離毎のロール角φ1，φ2，…φn、ピッチ角θ1，θ2，…θn、ヨー角ψ1,ψ2,…ψnを測定して収集する。
【００２７】
図３は、データ収集の実施形態を示す平面図である。Ｘ軸方向に平行配置されたリニアモータ１０と移動軸上にＸ軸方向にレーザビームを出射するレーザヘッド５０が固定配置される。
【００２８】
絶対座標原点（図２Ｐ点）の初期位置に配置されたスライダ１１は、レーザヘッド５０に移動軸上で対向しており、スライダ上に搭載された反射鏡６０でビームＢＭを反射し、レーザヘッド５０に戻す。
【００２９】
ビームＢＭの出射ビームと反射ビームが通過する干渉計７０により、反射位置における剛体としてのリニアモータ１０のロール角φ1、ピッチ角θ1、ヨー角ψ1が測定できる。リニアモータ１０上のスライダ１１を所定距離ずつレーザヘッド５０に遠ざかる方向に移動させながら同様な測定をｎ回実行することで、データ収集手段１００のデータ収集ができる。
【００３０】
関数化手段２００は、データ収集手段１００が収集したロール角φデータの変化を関数φ（Ｘ）で近似する。同様に、ピッチ角θデータの変化を関数θ（Ｘ）で近似する。同様に、ヨー角ψデータの変化を関数ψ（Ｘ）で近似する。
【００３１】
積分演算手段３００は、関数化手段の関数θ（Ｘ）及びψ（Ｘ）を積分演算して垂直真直度Ｚ（Ｘ）及び水平真直度Ｙ（Ｘ）を算出する。
【００３２】
図４は、収集データ、関数近似、積分演算による水平及び垂直真直度を示す特性図である。（Ａ）は収集データ及び関数近似特性であり、（イ）はヨーデータψの変化と近似関数ψ（Ｘ）を示し、（ロ）はピッチデータθの変化と近似関数θ（Ｘ）を示す。
【００３３】
図４（Ｂ）は積分演算結果の関数特性であり、（イ）はヨーデータの近似関数ψ（Ｘ）を積分演算した水平真直度Ｙ（Ｘ）を示し、（ロ）はピッチデータの近似関数θ（Ｘ）を積分演算した垂直真直度Ｚ（Ｘ）を示す。
【００３４】
絶対座標位置演算手段４００は、位置指令値Ｘcmd及び関数化手段２００の関数データ、積分演算手段３００の垂直真直度と水平真直度データに基づいて、スライダ１１の絶対座標位置を予測演算する。
【００３５】
絶対座標位置演算手段４００は、ヘッド位置設定手段５００からのユーザ設定により、スライダ１１から作業ヘッドＨまでの距離情報を入力し、作業ヘッドＨの絶対座標位置Ｘabsを予測演算して出力する。
【００３６】
減算器６００は、絶対座標位置演算手段４００からの出力される予測位置Ｘabsより位置指令値Ｘcmdを減算した補正値ｅを位置指令補正手段７００に出力する。位置指令補正手段７００は、位置指令値Ｘcmdより補正値ｅを減算した位置指令値、
Ｘcmd´（＝２Ｘcmd−Ｘabs）を下軸ドライバ３０に渡す。
【００３７】
絶対座標位置演算手段４００は、入力されるデータをパラメータとする静特性の数学モデル４０１を備える。この静特性の数学モデルとしては、ロボット工学において周知の順運動学方程式を利用することができる。
【００３８】
非特許文献１には、順運動学方程式について解説がある。順運動学（direct kinematics）とは、関節の位置，速度，加速度が与えられたとき、各リンクの位置，姿勢，速度，加速度，角速度，角加速度を求める問題である。とくに、終端リンクすなわちエンドエフェクタの位置，姿勢，速度，角速度を求める問題は、実用上重要である。順運動学はＤＫと略記される。順運動学の解析法としては、同時変換による方法とベクトルによる方法が知られている。
【００３９】
順運動学方程式に準拠した、リニアモータの静特性の数学モデル４０１を次式に示す。
【００４０】
【数１】
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【００４１】
（１）式を解くことにより、絶対座標の原点Ｐから見た作業ヘッドＨの予想位置（Ｘabs，Ｙabs，Ｚabs）を演算することができる。
【００４２】
この絶対座標位置演算手段の静特性の数学モデル４０１のパラメータである位置指令値を、エンコーダ１３の熱膨張を考慮した指令値とすることで、エンコーダの熱膨張の影響を反映した作業ヘッドＨの予想位置（Ｘabs，Ｙabs，Ｚabs）を演算することができる。
【００４３】
エンコーダの熱膨張を考慮した下軸の位置指令値Ｘcmd1は、次式で与えられる。上軸の位置指令値についても同様である。
Ｘcmd＝｛１＋γ（Ｔx−Ｔo）｝ｘcmd                                    （２）
ここで、Ｔo：エンコーダの基準温度
Ｔx：エンコーダの現在温度
ｘcmd：ドライバ内部の指令値
Ｘcmd：温度補正後の指令値
γ：エンコーダを構成するガラススケールの熱膨張率
【００４４】
図５は、本発明を適用したリニアモータの位置誤差特性図である。Ｇ１は、本発明の補正しない場合の位置誤差の推移を示しており、スライダが原点位置から離れるに従い比例的に増加し、スパン終端では２０ミクロンメータ以上に達する。
【００４５】
Ｇ２は、本発明による補正を実行した場合の位置誤差の推移を示しており、スライダの移動スパン全域での実測値と予測値間の誤差は、数ミクロンメータ以内に収まっており、本発明による補正効果を確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明を適用したリニアモータの一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】機械的特性に基づくスライダの挙動を示す模式図である。
【図３】データ収集の実施形態を示す平面図である。
【図４】収集データ、関数近似、積分演算による水平及び垂直真直度を示す特性図である。
【図５】本発明を適用したリニアモータの位置誤差特性図である。
【図６】リニアモータの一般的な構成を示す機能ブロック図である。
【図７】ドライバの構成例を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００４７】
１１  スライダ
１３  エンコーダ
３０  ドライバ
３１  位置制御部
３２  速度制御部
３３  差分演算手段
４０  上位装置
１００  データ収集手段
２００  関数化手段
３００  積分演算手段
４００  絶対位置演算手段
５００  ヘッド位置設定手段
６００  減算器
７００  位置指令補正手段
【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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