(57)【要約】【課題】従来用いられてきた１軸直進機構を動作軸が直交するように２軸組み合わせた構造のステージでは、移動経路全体の精度を要求する用途に使用した場合、経路の中で各軸と平行に近い角度を持つ部分で制御性が低下し精度が低下するという問題があった。【解決手段】平面内に２軸自由度を有する移動体と、前記平面に対して平行かつ互いには平行でない３つの軸に沿って前記移動体を移動させる３つのアクチュエータとを有するステージを提供する。【選択図】      図１
2004185481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面内に２軸自由度を有する移動体と、前記平面に対して平行かつ互いには平行でない３つの軸に沿って前記移動体を移動させる３つのアクチュエータとを有する事を特徴とするステージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次元平面内において物体を移動させるステージ及びその制御方法の技術分野に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
これまで、２次元平面内において物体を移動させるための移動ステ−ジは非常に多数開発されてきた。その多くは、サーボモータと送りねじ、あるいはリニアモータといった１軸直進機構を動作軸が直交するように２軸組み合わせた構造をしており、高精度の動作を要求するアプリケーションには変位センサから得られる位置情報を目標位置と比較して制御量を求めるいわゆるフィードバック制御が一般的に用いられている。精度の向上のために、例えば、特許文献１では位置情報の精度を向上させるための方法が提案され、また、特許文献２では構造的な精度向上のための方法が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−１６２１１３
【特許文献２】
特開平０９−０３４１３５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
さて、前述のような機構を、レーザ直描装置、プローブ加工装置等、位置決め精度だけでなく、移動経路全体の精度を要求する用途に使用した場合、経路の中で、各軸と平行に近い角度を持つ部分で制御性が低下し、精度が低下するという問題がある。例えば、円形の経路を移動させた場合、片軸の送り量が微小になることによる分解能の低下、移動方向の反転時のバックラッシュ、アクチュエータのゼロクロス点付近での不感帯等の原因で、４半円点で精度が低下することが知られている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
１．  平面内に２軸自由度を有する移動体と、前記平面に対して平行かつ互いには平行でない３つの軸に沿って前記移動体を移動させる３つのアクチュエータとを有する事を特徴とするステージ
である。本発明のステージは、以下の形態を有していてもよい。
２．  前記ステージは、前記３つのアクチュエータの軸が前記平面に対して垂直な方向から見て２／３πｒａｄ毎に配置されている上記１に記載のステージ。
３．  前記３つのアクチュエータが前記平面に対して垂直な方向に３層積層されている上記１または２に記載のステージ。
４．  前記３つのアクチュエータの軸が同一平面内にある上記１または２に記載のステージ。
また、本発明は、
５．  平面内に２軸自由度を有する移動体を、前記平面に対して平行かつ互いには平行でない３つの軸を有する３つのアクチュエータによって移動させる事を特徴とするステージの制御方法
である。本発明のステージの制御方法は、以下の形態を有していてもよい。
６．  ３軸のうち、その軸方向の単位ベクトルと制御量ベクトルとの内積の絶対値が最大となる軸について、単位ベクトルに前記内積をかけたものの定数倍をこの軸の制御量ベクトルとし、これを全体の制御量ベクトルから差し引いたものを残りの２軸にベクトル分解した各々を当該２軸の制御量ベクトルとする上記５に記載のステージの制御方法。
７．  前記定数は、各軸ごとに与えられる所定の定数で，制御量ベクトルがいずれかの軸に垂直になったときの、残る２軸への分解の大きさ（Ｘ）と，制御ベクトルとその軸の単位ベクトルとの内積（Ｙ）との比（ｋ＝Ｘ／Ｙ）とする上記６に記載のステージの制御方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
このような本発明は、具体的に図１〜図７に示す構成において、以下の第１と第２の実施形態と対応して実現できる。
【０００７】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施の形態においては、上記構成を適用して、テーブルの移動平面と平行な動作軸を持つ１軸ステージを前記平面と垂直な方向から見て２／３πｒａｄずつ角度を変えて３層積層し、これら３軸を用いてテーブルを移動させる。以下の実施例で詳しく説明するとおり、３軸でテーブル移動を行なうことにより、１軸に対して１／２πｒａｄ近い角度の動作に対しても制御性が高まり、高精度な経路をとる事が可能である。
【０００８】
また、３軸のうち、その軸方向の単位ベクトルと制御量ベクトルとの内積の絶対値が最大となる軸について、単位ベクトルに前記内積をかけたものの２／３をこの軸の制御量ベクトルとし、これを全体の制御量ベクトルから差し引いたものを残りの２軸の制御量ベクトルで構成することにより、滑らかな駆動が可能である。
【０００９】
（実施例１）
以下、図面を用いて、本発明の第１の実施例について以下に詳細な説明を行う。
【００１０】
図１は、本発明を適用した移動ステージの装置構成全体を示す図で、図２は図１のステージ本体を図１中ｙ軸の負の方向から見た図である。ｘｙ平面に平行に配置されたベース１０８と、移動テーブル１０９との間には、移動テーブル側からａ軸ステージ２０１、ｂ軸ステージ２０２、ｃ軸ステージ２０３の順でステージが３層積層される。各ステージはそれぞれアクチュエータａ１０５、アクチュエータｂ１０６、アクチュエータｃ１０７により、ｘｙ平面と平行な１軸直進方向に動作する。アクチュエータの種類については各種選択が可能であるが、ここでは一般的なものとして、サーボモータと送りねじを組み合わせたもの選択した。各軸ステージの動作軸は図中ｘｙ平面と平行であり、ｘ軸と平行な方向にａ軸、ｚ軸の正の方向から見てａ軸から２／３πｒａｄ反時計回りに回転した方向にｂ軸、さらに２／３πｒａｄ回転した方向にｃ軸となっている。
【００１１】
ｘ変位センサ１１０及びｙ変位センサ１１１はそれぞれ移動テーブル１０９上に取り付けられたｘ変位ミラー１１２及びｙ変位ミラー１１３との距離から同テーブルの図中ｘ軸方向及びｙ軸方向の現在位置を測定する。位置制御回路１０１は各時刻での現在位置と目標位置とを比較演算し、アクチュエータａ１０５、アクチュエータｂ１０６、アクチュエータｃ１０７の各制御量をそれぞれ駆動回路ａ１０２、駆動回路ｂ１０３、駆動回路ｃ１０４に送る。
【００１２】
以下、図７を用いてこの装置の動作を説明する。
【００１３】
図７（ａ）は、従来の２軸ステージにおいて、円弧ＰＱを描く場合の、描くべき円弧と実際のステージの移動軌跡の違いを示している。ｘ方向とｙ方向の軸は、各瞬間に、円弧の接ベクトル（図の矢印）のｘ成分とｙ成分に対応した移動量をステージに与えるように制御される。点Ａは移動量がｘ軸に垂直になる位置である。図のΔはバックラッシュの大きさを表す。
【００１４】
通常このようなステージの移動機構には、送りねじが用いられる。ｘ軸方向の移動量はＡの位置で符号が反転するので、ステージを駆動するねじのバックラッシュによりＡからＢのあいだは、ｘ方向のステージ位置は制御されず、ステージはｘ方向には停止したままになる。ステージはｙ方向の移動のみが生じ円弧から外れて図のＡＣのように移動してしまう。送りねじの機構によっては、ＡＣ間でｘ方向に不安定な動きが生じることもある。これに加えて、ステップモータなどの送りねじに回転を与えるアクチュエータにゼロクロス点付近での不感帯があると、Δはさらに大きくなる。
【００１５】
区間ＡＢを過ぎるとｘ軸方向の制御が有効に働くので、ステージは正しい円弧を描くようになる。結局、ステージの軌跡は図７（ａ）のＰ→Ａ→Ｃ→Ｂ→Ｑに沿って動くことになる。位置制御回路の遅延時間などにより、ステージが正しい軌跡に戻るのがさらに遅れることもある。
【００１６】
図７（ｂ）は、本実施例の３軸ステージで、同じ円弧を描く場合を説明するものである。３軸を、ａ、ｂ、ｃとし、点Ａは、描くべき円弧ＰＱの接ベクトルがａ軸と垂直になる位置であるとする。Ａの前後でａ軸方向の移動量が反転するので、この場合でもａ軸のバックラッシュΔは存在する。しかし、本発明の３軸ステージにおいては、その区間（ＡＢの間）のステージの移動は、ｂとｃの２軸を動かして行なうことができる。すなわち、ＡＢ間では、ｂ軸を負方向に、ｃ軸を正方向に移動させ、その合成移動量が接ベクトル方向になるように制御すればよい。Ａの前後Δの狭い区間内では、ｂ軸、ｃ軸いずれも送りねじの回転方向は変わらないので、ｂ軸やｃ軸にバックラッシュを生じることがない。
【００１７】
本実施形態のステージの制御方法は、３軸のうち、その軸方向の単位ベクトルと制御量ベクトルとの内積の絶対値が最大となる軸について、単位ベクトルに前記内積をかけたものの定数倍をこの軸の制御量ベクトルとし、これを全体の制御量ベクトルから差し引いたものを残りの２軸にベクトル分解した各々を当該２軸の制御量ベクトルとするステージの制御方法である。
【００１８】
前記定数は、各軸ごとに与えられる所定の定数で、制御量ベクトルがいずれかの軸に垂直になったときの、残る２軸への分解の大きさ（Ｘ）と、制御ベクトルとその軸の単位ベクトルとの内積（Ｙ）との比（ｋ＝Ｘ／Ｙ）である。
【００１９】
位置制御回路１０１における各軸の制御量の演算について図３を用いて説明する。まず、ある時刻での現在位置と目標位置とから、その差を求め、これを制御量ベクトルとして図３中
【外１】
2004185481.tif 000003
で示す。
【００２０】
【外２】
2004185481.tif 000004
のｘ成分とｙ成分がそれぞれｘｙ各軸方向の制御量である。制御量ベクトルの算出には一般的な制御量算出方法を用いる事ができるが、ここでは制御量を誤差量に比例したものとするいわゆるＰ制御を選択した。次にこれをａｂｃ各軸の制御量ベクトル
【外３】
2004185481.tif 000005
に分割する。
【００２１】
【外４】
2004185481.tif 000006
の大きさが、ａｂｃ各軸の移動量すなわち制御量である。
【００２２】
この分割は一意には定められないので何らかの拘束条件を付加する必要がある。この条件は適宜定められるが、少なくとも制御量ベクトルが連続的に変化したときに各軸の制御量も連続的に変わるものであることが、ステージの滑らかな動きを生じるために好ましい。（ただし、連続的な制御とは言っても、各軸をディジタルに制御した場合や、ステップモーターなど離散的な制御特性を持つアクチュエータを使用した場合は、その範囲での連続性であることは言うまでもない。）
【００２３】
本実施例では、図５に示すような手順によって各軸の制御量を定めた。まず、
【外５】
2004185481.tif 000007
とａｂｃ各軸の単位ベクトルとの内積をとり、絶対値が最大になる軸について内積の２／３をその軸の制御量とする。すなわち、ａｂｃ各軸の単位ベクトルをそれぞれ、
【外６】
2004185481.tif 000008
とし、内積
【外７】
2004185481.tif 000009
のうち、絶対値が最大のものを選び、図３のようにそれが仮に
【外８】
2004185481.tif 000010
であったとすると、
【外９】
2004185481.tif 000011
とする。係数を２／３にとるのは、
【外１０】
2004185481.tif 000012
が動いてｂ軸に垂直になったとき、
【外１１】
2004185481.tif 000013
はａ軸とｃ軸に
【外１２】
2004185481.tif 000014
と一意的に分解されるが、そのときのａ軸成分
【外１３】
2004185481.tif 000015
が上記の
【外１４】
2004185481.tif 000016
に一致するようにするためである。
【００２４】
【外１５】
2004185481.tif 000017
を上のように定めて、制御量ベクトル
【外１６】
2004185481.tif 000018
から
【外１７】
2004185481.tif 000019
を引き、これを残り２軸方向の制御量ベクトルに分解する。この分解は一意に定まる。図３に示す例においてはそれぞれ
【外１８】
2004185481.tif 000020
となる。
【００２５】
内積の絶対値が最大になる軸が、ｂ軸、またはｃ軸である場合も同様である。
【００２６】
図４に
【外１９】
2004185481.tif 000021
がａ軸と直交する場合を示す。この場合、前述した手順で、内積最大なる軸をｂｃどちらの軸とした場合においても、幾何学的に
【外２０】
2004185481.tif 000022
となる。すなわち、
【外２１】
2004185481.tif 000023
と単位ベクトルのいずれかが垂直になる点においても、各軸の制御量は連続的に変化し、滑らかな駆動が可能である。
【００２７】
上記手順をまとめると、図５に示すとおり、
（１）制御量ベクトルが与えられる。
（２）上記制御量ベクトルと各軸の単位ベクトルとの内積をとる。
（３）上記内積の絶対値が最大となる軸を選択する。
（４）上記軸について、内積を２／３倍し単位ベクトルにかける。
（５）上記結果を制御量ベクトル１とする。
（６）もとの制御量ベクトルと上記制御量ベクトル１の差をとる。
（７）上記差ベクトルを、残る２つの軸方向にベクトル分解する。
（８）分解されたベクトルをそれら２軸各々の制御量ベクトル２および制御量ベクトル３とする。
となる。
【００２８】
このように本発明の第１の実施形態におけるステージでは、３つのアクチュエータが前記平面に対して垂直な方向に３層積層されている。
【００２９】
本実施形態によれば、１つの軸の制御が有効に働かない位置においても、残る２軸で任意の移動量を合成できるので、３軸すべての制御が有効な一般の位置に近い精度でステージを動かすことができる。
【００３０】
この効果は、本実施例のように３軸が互いに２π／３の角をなす場合に限らず、どのような角をなしていても生じるものである。ただし、もし、３軸のうちの２つが平行であると、制御量ベクトルがそれらに平行な場合に、残る制御可能な軸が１つになってしまうので、３軸は互いに平行でないことが必要である。
【００３１】
３軸が一般の角をなすときでも、制御量ベクトルの各軸への分解を上記のように行なうことができる。すなわち
（１）制御量ベクトルと各軸の単位ベクトルとの内積をとり、絶対値を比較する。
（２）絶対値が最大の軸を選び、制御量ベクトルとその軸の単位ベクトルとの内積を定数（＝ｋ）倍したものを、その軸の制御量とする。
（３）制御量ベクトルから、上記内積絶対値が最大である軸の制御量を差し引いたベクトルを、残る２軸に分解し、それらをそれぞれの軸の制御量ベクトルとする。
の手順により、各軸の制御量ベクトルを決定する。定数ｋは、各軸ごとに与えられる所定の定数で、制御量ベクトルがいずれかの軸に垂直になったときの、残る２軸への分解の大きさ（Ｘ）と、制御ベクトルとその軸の単位ベクトルの内積（Ｙ）との比（ｋ＝Ｘ／Ｙ）である。
【００３２】
このように本発明の第１の実施形態におけるステージの制御方法では、３軸のうち、その軸方向の単位ベクトルと制御量ベクトルとの内積の絶対値が最大となる軸について、単位ベクトルに前記内積をかけたものの定数倍をこの軸の制御量ベクトルとし、これを全体の制御量ベクトルから差し引いたものを残りの２軸にベクトル分解した各々を当該２軸の制御量ベクトルとした。
【００３３】
前記定数は、各軸ごとに与えられる所定の定数で、制御量ベクトルがいずれかの軸に垂直になったときの、残る２軸への分解の大きさ（Ｘ）と、制御ベクトルとその軸の単位ベクトルとの内積（Ｙ）との比（ｋ＝Ｘ／Ｙ）とした。
【００３４】
この結果、制御量ベクトル
【外２２】
2004185481.tif 000024
と単位ベクトルのいずれかが垂直になる点においても、各軸の制御量は連続的に変化し、滑らかな駆動が可能である。
【００３５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態におけるステージは、３つのアクチュエータが前記平面に対して垂直な方向に３層積層されているが、本発明の第２の実施形態におけるステージは、３つのアクチュエータの軸が同一平面内にある。
【００３６】
（実施例２）
以下、図６を用いて、本発明の第２の実施例について説明を行う。
【００３７】
まず、本発明を適用した位置決めステージの装置構成について説明する。
【００３８】
図６中ｘｙ平面を構成するベース１０８上に移動テーブル１０９が配置される。両者の間は空気圧により非接触の状態を保つ、いわゆるエアスライド構成になっており、移動テーブル１０９はｘｙ２軸方向の自由度をもっている。
【００３９】
ベース１０８上にはアクチュエータａ１０５、アクチュエータｂ１０６、アクチュエータｃ１０７が配置されており、その可動軸はｘｙ平面と平行な１軸直進方向に動作する。アクチュエータの種類については各種選択が可能であるが、ここでは一般的なものとして、リニアモータを選択した。
【００４０】
各軸ステージの動作軸は図中ｘｙ平面と平行であり、ｘ軸と平行な方向にａ軸、ｚ軸の正の方向から見てａ軸から２／３π反時計回りに回転した方向にｂ軸、さらに２／３πｒａｄ回転した方向にｃ軸となっており、実施例１と異なる点は、これらの軸が同一平面状に配置され、単一の移動テーブル１０９を駆動する点である。
【００４１】
各可動軸の先端にはガイドａ６０１、ガイドｂ６０２、ガイドｃ６０３が取り付けられており、各軸と直交する平面内の自由度をもって移動テーブル１０９と接続されている。
【００４２】
本実施例においては、ａｂｃ３軸は独立に駆動することはできず、制御量ベクトル
【外２３】
2004185481.tif 000025
が与えられると、各軸の制御量はそれぞれの単位ベクトルと
【外２４】
2004185481.tif 000026
との内積で決定される。すなわち、
【外２５】
2004185481.tif 000027
である。
【００４３】
しかし、１つの軸が制御量ベクトルと直交する場合、残りの２つの軸によって任意の制御量ベクトルが合成でき、したがってバックラッシュが解消されることは、本実施例においても成り立つ。
【００４４】
本実施例に示した構成では、３つのアクチュエータの軸が同一平面内にあることにより、より小型で動特性の良い装置を構成することができる。また、エアスライド等、２自由度のガイド機構が必要になるが、よりコンパクトな装置構成とする事ができ、また、重量低減により動特性が向上する。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、平面内に２軸自由度を有する移動体と、前記平面に対して平行かつ互いには平行でない３つの軸に沿って前記移動体を移動させる３つのアクチュエータとを有する事を特徴とするステージであり、また、本発明は、平面内に２軸自由度を有する移動体を、前記平面に対して平行かつ互いには平行でない３つの軸を有する３つのアクチュエータによって移動させる事を特徴とするステージの制御方法である。これにより、１軸に対して１／２πｒａｄ近い角度の動作に対しても制御性が高まり、高精度な経路をとる事が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における装置構成を説明する図
【図２】本発明の第１の実施例における装置構成を説明する図
【図３】本発明の第１の実施例における制御方法を説明する図
【図４】本発明の第１の実施例における制御方法を説明する図
【図５】本発明の第１の実施例における制御方法を説明する図
【図６】本発明の第２の実施例における装置構成を説明する図
【図７】本発明の装置の制御方法を説明する図
【符号の説明】
１０１  位置制御回路
１０２  駆動回路ａ
１０３  駆動回路ｂ
１０４  駆動回路ｃ
１０５  アクチュエータａ
１０６  アクチュエータｂ
１０７  アクチュエータｃ
１０８  ベース
１０９  移動テーブル
１１０  ｘ変位センサ
１１１  ｙ変位センサ
１１２  ｘ変位ミラー
１１３  ｙ変位ミラー
２０１  ａ軸ステージ
２０２  ｂ軸ステージ
２０３  ｃ軸ステージ
６０１  ガイドａ
６０２  ガイドｂ
６０３  ガイドｃ
【図１】
2004185481.tif 000028
【図２】
2004185481.tif 000029
【図３】
2004185481.tif 000030
【図４】
2004185481.tif 000031
【図５】
2004185481.tif 000032
【図６】
2004185481.tif 000033
【図７】
2004185481.tif 000034