(57)【要約】【課題】  複数ケーブルによることなく、ケーブルの屈曲に対する反力を高精度に補償できる位置決め装置を実現する。【解決手段】  プラテン上面を位置制御されるステージと、このステージに一端が接続され他端が所定位置に固定された屈曲可能なケーブルとを備える位置決め装置において、  前記ステージに働く、前記ケーブルの屈曲に起因する反力を検出する力検出手段と、  前記反力を打ち消す逆反力を前記ケーブルに与えるアクチュエータ手段と、  前記力検出手段の検出値に基づいて前記アクチュエータ手段を操作する力制御手段と、を備える。【選択図】                    図１
2007300714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラテン上面を位置制御されるステージと、このステージに一端が接続され他端が所定位置に固定された屈曲可能なケーブルとを備える位置決め装置において、
前記ステージに働く、前記ケーブルの屈曲に起因する反力を検出する力検出手段と、
前記反力を打ち消す逆反力を前記ケーブルに与えるアクチュエータ手段と、
前記力検出手段の検出値に基づいて前記アクチュエータ手段を操作する力制御手段と、
を備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
前記力検出手段は、前記ケーブルと前記ステージの接続部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記アクチュエータ手段は、前記ケーブルの途中または前記ケーブルと前記ステージの接続部または前記ケーブルの固定部の少なくともいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記アクチュエータ手段は、人工筋肉により構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の位置決め装置。
【請求項５】
前記ケーブルの前記プラテン上面と直交する方向のたわみを検出するたわみ検出手段を具備し、
前記力制御手段は、前記たわみ検出手段の検出値に基づいて前記アクチュエータ手段を操作す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位置決め装置。
【請求項６】
前記力検出手段に残る外乱抑制残差を、前記ステージの制御軸補正値に変換する幾何学演算手段と、
前記制御軸補正値を、前記ステージの位置制御系に外乱信号として渡すフィードフォワード手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラテン上面を位置制御されるステージと、このステージに一端が接続され他端が所定位置に固定された屈曲可能なケーブルとを備える位置決め装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０（Ａ），（Ｂ）は、平面位置決め装置の一般的な構成例を示す平面図である。ステージ１は、プラテン（図示せず）上面にエアベアリング手段を介して浮上し、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に位置制御されて移動する。
【０００３】
屈曲可能なケーブル２は、移動するステージ１内に配置された駆動用磁気回路に電流を供給する電力線、ステージ搭載物に接続される各種配線、浮上用の空気配管等を可撓性配管内に束ねて固定位置からステージ１に接続する。
【０００４】
ケーブル２の可動端２１は、ステージ１のケーブル取り付け部１１に接続され、ステージ１の移動に伴って移動する。ケーブル２の固定端２２は、プラテン周辺の所定位置に固定されている。
【０００５】
ケーブル２の屈曲に対する反力は、ステージ１に外乱として作用する。反力の方向及び大きさは、ステージ１の移動位置により変化するケーブルの屈曲形状に依存する。図１０（Ａ）は、ステージ１が固定端２２近くに移動し、ケーブル２の屈曲が強く、ケーブル取り付け部１１に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にｆｘ＋及びｆｙ＋の反力が与えられている状態を示している。
【０００６】
図１０（Ｂ）は、ステージ１が固定端２２より遠方に移動し、ケーブル２の屈曲が弱まり、ケーブル取り付け部１１への反力は、（Ａ）とは逆に、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にｆｘ−及びｆｙ−の反力が与えられている状態を示している。
【０００７】
ケーブル２の屈曲に対する反力により、ステージに作用する外乱に対抗して位置制御をするためには、ステージはこれを打ち消す推力・トルクを発生する必要があり、本来ステージの移動に使用するための推力・トルクが減少する。また、外乱分を十分打ち消せない場合は、その分偏差となり位置制御の精度が悪化する等、制御性に大きな影響がある。
【０００８】
この問題を解決するための一手法が特許文献１に開示されている。この発明の目的は、ケーブルが移動体に及ぼす外乱力と外乱回転力の影響を低減出来る平面モータ装置を実現することにある。図１１は、特許文献１に開示されている平面モータ装置の平面図である。
【０００９】
特許文献１に開示されている発明は、平面を有する固定部３２と、この固定部の平面上を移動することができる移動体３３と、前記固定部の端部側から前記移動体に配線されているＵ形状をなすケーブルとを具備する平面モータ装置において、前記固定部の一端部側に一端が接続され他端が前記移動体の一端部側に配線される第1のケーブル５１と、前記固定部の他端部側に一端が接続され他端が前記移動体の他端部側に配線され前記第1のケーブルが前記移動体に及ぼす外乱力と回転力とを打ち消す第２のケーブル５２とを具備した構成を特徴とするものである。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２７４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に開示されている、２本のケーブルによる反力打消し構造では次のような問題点がある。
（１）プラテン上で２個以上のステージを移動させるマルチステージシステムでは、互いのケーブルが交錯して、個々のステージをプラテン上で自由に位置制御することが困難であり、採用することができない。
【００１２】
（２）プラテン上の全ての位置において、ステージに作用する外乱が完全に打ち消されるように２本のケーブルを調整することは困難であり、外乱補償の精度に限界がある。
【００１３】
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、複数ケーブルによることなく、ケーブルの屈曲に対する反力を高精度に補償できる位置決め装置を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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）プラテン上面を位置制御されるステージと、このステージに一端が接続され他端が所定位置に固定された屈曲可能なケーブルとを備える位置決め装置において、
前記ステージに働く、前記ケーブルの屈曲に起因する反力を検出する力検出手段と、
前記反力を打ち消す逆反力を前記ケーブルに与えるアクチュエータ手段と、
前記力検出手段の検出値に基づいて前記アクチュエータ手段を操作する力制御手段と、
を備えることを特徴とする位置決め装置。
【００１５】
（２）前記力検出手段は、前記ケーブルと前記ステージの接続部に配置されていることを特徴とする（１）に記載の位置決め装置。
【００１６】
（３）前記アクチュエータ手段は、前記ケーブルの途中または前記ケーブルと前記ステージの接続部または前記ケーブルの固定部の少なくともいずれかに配置されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の位置決め装置。
【００１７】
（４）前記アクチュエータ手段は、人工筋肉により構成されていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載の位置決め装置。
【００１８】
（５）前記ケーブルの前記プラテン上面と直交する方向のたわみを検出するたわみ検出手段を具備し、
前記力制御手段は、前記たわみ検出手段の検出値に基づいて前記アクチュエータ手段を操作することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の位置決め装置。
【００１９】
（６）前記力検出手段に残る外乱抑制残差を、前記ステージの制御軸補正値に変換する幾何学演算手段と、
前記制御軸補正値を、前記ステージの位置制御系に外乱信号として渡すフィードフォワード手段と、
を備えたことを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の位置決め装置。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
（１）複数ケーブル構造をとることなく、外乱を高精度で補償できるので、推力・トルクをすべてステージの移動に使用できるため加速度を増加させ、タクト削減、本ステージを登載した装置の生産性向上が可能になる。
【００２１】
（２）マルチステージシステムに容易に適用することができる。
【００２２】
（３）たわみがなくなるため、ケーブルを小型化でき装置の小型化に貢献する。
【００２３】
（４）精度の改善により、位置精度に対する要求が高い半導体製造装置などへの応用が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した位置決め装置の一実施形態を示す平面図である。図１０で説明した一般的な平面位置決め装置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。
【００２５】
ケーブル取り付け部１１は、ケーブル２の屈曲に対する反力を検出するための力検出手段としてロードセル１００を内臓している。ロードセル１００は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の反力を検出し電気信号に変換する。
【００２６】
ケーブル２の可動端２１近傍及び固定端２２の近傍には、ケーブル２の屈曲に対する反力に対抗する逆反力をケーブル２に与えるためのアクチュエータ手段が設けられている。ロードセル１００の反力検出値に基づいてこれらアクチュエータ手段を操作する力制御手段によるフィードバック制御により、反力を外乱としてステージ１に与えない外乱補償を実現している。
【００２７】
このような反力に対するフィードバック制御系を利用すれば、ケーブル２のＺ軸方向のたわみの検出値をフィードバック制御系の外乱として加算することで、ケーブルのたわみに起因するステージ１への外乱も補償することが可能である。
【００２８】
この実施形態では、アクチュエータ手段として人工筋肉を利用している。人工筋肉は、ロボットや内視鏡等の操作端として各種のものが実用化されているが、ここでは供給流体圧により伸縮力を制御できる、例えばＦＥＳＴ社より市販されている商品名「ラバーマッスル」等の製品を採用することができる。
【００２９】
ケーブル２の可動端２１の近傍において、この可動端２１より固定端２２に向かう長手方向右側の上部に人工筋肉２１１が、下部に人工筋肉２１２が配置されている。同様に、長手方向左側の上部に人工筋肉２２１が、下部に人工筋肉２２２が配置されている。
【００３０】
ケーブル２の固定端２２の近傍において、長手方向右側の上部に人工筋肉２３１が、下部に人工筋肉２３２が配置されている。同様に、長手方向左側の上部に人工筋肉２４１が、下部に人工筋肉２４２が配置されている。
【００３１】
図１の平面図では、下部に配置されている人工筋肉２１２，２２２，２３２，２４２が図示されていない。図２は、上部に配置される人工筋肉２１１と下部に配置される人工筋肉２１２の配置関係を示す側面図である。他の人工筋肉の上部と下部の配置関係も同様である。上部と下部の人口筋肉の操作により、ケーブルのたわみに起因する反力に対抗する逆反力を発生させている。
【００３２】
図３は、ケーブル２のプラテンの上面と直交するＺ軸方向のたわみを検出する、たわみ検出手段の構成例を示す側面図である。回転によりたわみ量を検出するロータリーエンコーダ５００は、ワイヤー５０１により回転操作される。
【００３３】
ケーブル２の上部及び下部の長手方向に沿って、チューブ５０２及び５０３が設けられている。ワイヤー５０１の一端は、ケーブル２の可動端（または固定端）に配置されたワイヤー取り付け部材５０４に取り付けられ、他端はチューブ５０２を経由してケーブル２の固定端（または可動端）に配置されたロータリーエンコーダ５００に係合し、さらにチューブ５０３を経由してワイヤー取り付け部材５０４に取り付けられている。
【００３４】
ワイヤー取り付け部材５０４は、スプリング５０５を介して固定部に接続されている。ケーブル２のＺ軸方向のたわみにより、ワイヤー５０１が移動し、この移動によりロータリーエンコーダ５００が回転操作されるので、この回転角度を電気信号に変換することでケーブル２のたわみ量を検出することができる。
【００３５】
図４は、図１に示した実施形態における人工筋肉群の制御系を示す機能ブロック図である。ロードセル１００は、Ｘ軸及びＹ軸の正方向検出値Ｘ＋及びＹ＋、並びにこれらをインバータＱ１，Ｑ２で反転したＸ−及びＹ−を出力する。
【００３６】
ロータリーエンコーダ５００は、Ｚ軸の正方向検出値Ｚ＋及びこれをインバータＱ３で反転したＺ−を出力する。
【００３７】
可動端側で右側上部の人工筋肉２１１への供給流体圧を操作する力制御手段６１１には、加算器７１１で加算されたＸ＋、Ｙ＋、Ｚ＋検出値が入力される。右側下部の人工筋肉２１２への供給流体圧を操作する力制御手段６１２には、加算器７１２で加算されたＸ＋、Ｙ＋、Ｚ−検出値が入力される。
【００３８】
可動端側で左側上部の人工筋肉２２１への供給流体圧を操作する力制御手段６２１には、加算器７２１で加算されたＸ−、Ｙ−、Ｚ＋検出値が入力される。左側下部の人工筋肉２２２への供給流体圧を操作する力制御手段６２２には、加算器７２２で加算されたＸ−、Ｙ−、Ｚ−検出値が入力される。
【００３９】
固定端側で右側上部の人工筋肉２３１への供給流体圧を操作する力制御手段６３１には、加算器７３１で加算されたＸ＋、Ｙ−、Ｚ＋検出値が入力される。右側下部の人工筋肉２３２への供給流体圧を操作する力制御手段６３２には、加算器７３２で加算されたＸ＋、Ｙ−、Ｚ−検出値が入力される。
【００４０】
固定端側で左側上部の人工筋肉２４１への供給流体圧を操作する力制御手段６４１には、加算器７４１で加算されたＸ−、Ｙ＋、Ｚ＋検出値が入力される。左側下部の人工筋肉２４２への供給流体圧を操作する力制御手段６４２には、加算器７４２で加算されたＸ−、Ｙ＋、Ｚ−検出値が入力される。
【００４１】
図５は、ケーブル固定端側上部の人工筋肉２３１及び２４１による、Ｘ軸正方向の反力補償のフィードバック制御系を示す機能ブロック図である。Ｘ軸方向の反力Ｐｉｘがロードセル１００で検出され、適当なゲインＧで増幅された検出値Ｘ＋は、加算手段７４１を経由して力制御手段６４１に入力され、人工筋肉２４１を伸ばすように操作し、ケーブル２に正方向の力Ｍ＋を与える。
【００４２】
検出値Ｘ＋をインバータＱ１で反転した検出値Ｘ−は、加算手段７３１を経由して力制御手段６３１に入力され、人工筋肉２３１を縮めるように操作し、ケーブル２に逆方向の力Ｍマイナスを与える。可逆的に人工筋肉に与えられる力Ｍ＋及びＭ−により、ケーブル２には反力Ｐｉｘに対抗する逆反力Ｐｆｘが発生し、ロードセル１００に作用する力のフィードバックループが成立して反力に起因する外乱が補償される。
【００４３】
図６は、図５のフィードバック制御系による人工筋肉２３１及び２４１の操作による反力打消し操作を示すイメージ図である。人工筋肉２４１を伸ばし、人工筋肉２３１を縮める操作により矢印Ｐ＋で示すモーメントをケーブル２に発生させ、ロードセル１００に働くＸ＋の反力を打ち消す逆反力Ｘ−を与える。        
【００４４】
図７は、図６とは逆に、人工筋肉２３１を伸ばし、人工筋肉２４１を縮める操作により矢印Ｐ−で示すモーメントをケーブル２に発生させ、ロードセル１００に働くＸ−の反力を打ち消す逆反力Ｘ＋を与えるフィードバック制御のイメージを示す。
【００４５】
図８は、本発明の他の実施形態を示すケーブル及び人工筋肉の平面図である。図１に示した実施形態では、人工筋肉をケーブル２の可動端２１及び固定端２２の近傍に配置する構成を例示したが、人工筋肉２５１，２５２及び２６１，２６２を、ケーブル２の途中に入れ、ケーブルの屈曲形態の自由度を上げ制御範囲を広げることもできる。
【００４６】
本発明の実施形態では、人工筋肉の配置はケーブル２の途中に少なくとも１個所あれば目的を達成することができる。
【００４７】
図９は、本発明の更に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、フィードバック制御による外乱抑制の残差をステージの制御系にフィードフォワードする機能を具備させ、ステージの位置制御精度をより改善させた点にある。
【００４８】
ロードセル１００に残る制御残差ｅｘ，ｅｙは、幾何学演算手段８００に渡されてステージ制御系６０で扱う制御軸信号ΔＸ，ΔＹ，Δθに変換される。フィードフォワード手段９００は、これら換算信号をステージ制御系で駆動されるＸ軸推進ドライバ７０、Ｙ軸推進ドライバ８０、θトルク発生ドライバ９０の入力に外乱信号として加算させる。
【００４９】
以上説明した実施形態では、アクチュエータ手段として人工筋肉を利用する形態を示したがこれに限定されるものではなく、力制御可能なものであれば人工筋肉以外の任意のアクチュエータを使用することができる。
【００５０】
更に、力検出手段も実施形態で示したロードセルに限定されるものではなく、力を検出できる各種原理による周知の圧力センサを使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明を適用した位置決め装置の一実施形態を示す平面図である。
【図２】ケーブル上部に配置される人工筋肉と下部に配置される人工筋肉の配置関係を示す側面図である。
【図３】ケーブルのＺ軸方向のたわみを検出する、たわみ検出手段の構成例を示す側面図である。
【図４】図１に示した実施形態における人工筋肉群の制御系を示す機能ブロック図である。
【図５】ケーブル固定端側上部の人工筋肉による反力補償のフィードバック制御系を示す機能ブロック図である。
【図６】フィードバック制御系による人工筋肉の操作による反力打ち消し操作を示すイメージ図である。
【図７】フィードバック制御系による人工筋肉の操作による反力打ち消し操作を示すイメージ図である。
【図８】本発明の他の実施形態を示すケーブル及び人工筋肉の平面図である。
【図９】本発明の更に他の実施形態を示す機能ブロック図である。
【図１０】平面位置決め装置の一般的な構成例を示す平面図である。
【図１１】特許文献１に開示されている平面モータ装置の平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  ステージ
１１  ケーブル取り付け部
２  ケーブル
２１  可動端
２２  固定端
１００  ロードセル
２１１，２１２、２２１，２２２、２３１，２３２、２４１，２４２  人工筋肉
【図１】
2007300714.tif 000003
【図２】
2007300714.tif 000004
【図３】
2007300714.tif 000005
【図４】
2007300714.tif 000006
【図５】
2007300714.tif 000007
【図６】
2007300714.tif 000008
【図７】
2007300714.tif 000009
【図８】
2007300714.tif 000010
【図９】
2007300714.tif 000011
【図１０】
2007300714.tif 000012
【図１１】
2007300714.tif 000013