(57)【要約】【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を実現する。【解決手段】  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、  これら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度信号を入力する角度フィードバック手段と、を備える。【選択図】                    図２
2008139952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
これら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度信号を入力する角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。
【請求項２】
前記角度フィードバック手段は、前記角度信号に所定の遅延時間を与えて回転抑制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。
【請求項３】
前記角度フィードバック手段は、前記角度信号に所定のゲインを与えて回転抑制制御におけるばね定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１または２に記載のステージ。
【請求項４】
前記角度フィードバック手段の出力は、前記リニアモータの駆動電流に足しこまれることを特徴とする請求項１乃至３に記載のステージ。
【請求項５】
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４のいずれかに記載のステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
図６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。
【０００４】
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。
【０００５】
図７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ＸＭ及びＸｓの差（ＸＭ−Ｘｓ）と、マスタスライダ及びスレーブスライダ間の距離ｌＢにより、θが小さい場合には、θ＝（ＸＭ−Ｘｓ）／ｌＢで検出される。
【０００６】
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が位置制御器５０で演算され、速度指令Ｖｓを出力する。
【０００７】
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が速度制御器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を抑制する駆動電流Ｉｓを出力する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−０３４０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来構成のステージでは、図７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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【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、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。
【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）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、
これら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度信号を入力する角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。
【００１４】
（２）前記角度フィードバック手段は、前記角度信号に所定の遅延時間を与えて回転抑制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。
【００１５】
（３）前記角度フィードバック手段は、前記角度信号に所定のゲインを与えて回転抑制制御におけるばね定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（１）または（２）に記載のステージ。
【００１６】
（４）前記角度フィードバック手段の出力は、前記リニアモータの駆動電流に足しこまれることを特徴とする（１）乃至（３）に記載のステージ。
【００１７】
（５）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（４）のいずれかに記載のステージ。
【発明の効果】
【００１８】
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の検出値の差分値を積算して算出した角度信号を、角度フィードバック手段３００に入力することで、次のような効果がある。
【００１９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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７及び図８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。
【００２１】
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。
【００２２】
図２に示す姿勢フィードバック制御手段において、図８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ａｉを入力して角度信号ａｉ´を演算する積算手段３００を設け点及び角度信号ａｉ´を入力する角度フィードバック手段４００を設けた点及びリニアモータの駆動電流経路の途中に加算器５００を設けた点にある。
【００２３】
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３００に入力する。
【００２４】
積算手段３００は、角加速度信号ａｉを積分して角速度信号に変換する積分回路３０１及び変換された角速度信号を更に積分して角度信号に変換する積分回路３２を備え、角速度信号ａｉ´を角度フィードバック手段４００に出力する。
【００２５】
角度フィードバック手段４００のフィードバック量ａ０は、加算器５００により速度制御器７０から出力される駆動電流Ｉｓに足し込まれ、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を駆動する。
【００２６】
角度フィードバック手段４００は、角度信号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ばね定数を変化させるゲイン設定部４０１、及び角度信号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４０２を備える。
【００２７】
図３は、加速度センサ１０１及び１０２及び角度フィードバック手段４００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が運動することにより、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。
【００２８】
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３００によりステップＳ６で角加速度情報を積算して角速度情報を生成し、更にステップＳ７でこの角速度情報を積算して角度情報を生成する。
【００２９】
角度フィードバック手段４００は、ステップＳ８でこの角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Ｓ９でフィードバックゲインＫｐを掛けて、ブリッジ部材３０のばね定数を制御的に変える。更にステップＳ１０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。
【００３０】
角度フィードバック手段４００のフィードバック量ａｏを、ステップＳ１１で駆動電流Ｉｓに足し込むことにより、ステップＳ１２で補正された駆動電流がリニアモータに出力され、ステップＳ１３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。
【００３１】
次に、本発明の効果を数式的に説明する。図４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。
【００３２】
【数１】
2008139952.tif 000003
【００３３】
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ＸＭ及びＸｓの差（ＸＭ−Ｘｓ）と、マスタスライダ及びスレーブスライダ間の距離ｌＢにより、θが小さい場合には、θ＝（ＸＭ−Ｘｓ）／ｌＢで求められる。
【００３４】
ここで、（ｆＭ−ｆＳ）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。
【００３５】
（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。
【００３６】
【数２】
2008139952.tif 000004
【００３７】
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。
【００３８】
【数３】
2008139952.tif 000005
【００３９】
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。
【００４０】
【数４】
2008139952.tif 000006
【００４１】
（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。
【００４２】
【数５】
2008139952.tif 000007
【００４３】
（５）式の計算では、Ａ≡ｌＢ／２と定義し、Ｌ≡０より、Ｌ／２≡０、ＤＬ／２≡０、ＡＬ／２≡０として最終項を導いている。
【００４４】
（５）式を整理した伝達関数は、（６）式のように記述できる。
【００４５】
【数６】
2008139952.tif 000008
【００４６】
（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Ｋｐを操作してばね定数Ｋを、Ｋ→（Ｋ＋ＡＫｐ）とすることにより、制御的にばね定数及び固有振動数を変化させることができる。
【００４７】
同様に、遅延時間Ｌが短いときに、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−ＡＫｐＬ／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。
【００４８】
以上の結果から、フィードバックゲインＫｐ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。
【００４９】
図５は、本発明の他の実施形態を示す機能ブロック図である。この実施形態の特徴は、積算手段３００の積分回路３０１で生成される角速度情報を、速度制御器７０に入力される速度フィードバック信号Ｖｆとして利用すると共に、積分回路３０２で生成される角度情報を、位置制御器５０に入力される角度フィードバック信号θｆとして利用する。
【００５０】
このような実施形態により、パルス変換手段４０及び速度変換手段６０を省いたシンプルな構成とすることができる。積算手段３００で生成される角速度情報及び角度情報は、アナログ値であるため、最初からディジタル信号で扱われるパルス変換手段４０及び速度変換手段６０に比較して分解能を高くしたＡＤ変換が可能であり、姿勢フィードバック制御の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】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】本発明の角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。
【図３】加速度センサ及び角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。
【図４】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。
【図５】本発明の他の実施形態を示す機能ブロック図である。
【図６】ステージ一般的な構成例を示す斜視図である。
【図７】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。
【符号の説明】
【００５２】
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  位置制御器
６０  速度変換手段
７０  速度制御器
１０１，１０２  加速度センサ
２００  減算器
３００  積算手段
３０１，３０２  積分回路
４００  角度フィードバック手段
４０１  ゲイン設定部
４０２  遅延設定部
５００  加算器
【図１】
2008139952.tif 000009
【図２】
2008139952.tif 000010
【図３】
2008139952.tif 000011
【図４】
2008139952.tif 000012
【図５】
2008139952.tif 000013
【図６】
2008139952.tif 000014
【図７】
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