(57)【要約】【課題】簡易な構成かつ安価な装置で、定盤上の可動ステージを移動させた時に生じる振動を抑制することが可能なステージ駆動方法および位置決めステージ装置を提供する。【解決手段】この発明では、可動ステージの加速を開始してから減速を開始するまでの期間Ｔ１（時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までの期間）を、固有振動周期Ｔ０のｎ倍とする。また、減速時の加速度ａ２の絶対値を加速時の加速度ａ１よりも小さくして、加速度ａ２の絶対値と加速度ａ１との比−ａ２／ａ１を、期間Ｔ１（＝ｎＴ０）に対応する振動振幅の減少率ｅ-ZT1と等しくする。これにより、可動ステージの減速により生じる振動が加速により生じた振動の残留振動によって相殺されて、定盤の振動が抑制される。【選択図】図４
2007118160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
床の微振動が伝達するのを抑制する除振装置付きの定盤上に設けられた移動可能なステージを所定の方向に移動させるステージ駆動方法であって、
前記ステージを前記所定の方向に移動開始して、前記ステージの移動速度を零から所定の速度まで加速する第１の工程と、
前記ステージを前記所定の速度で前記所定の方向に移動させる第２の工程と、
前記ステージの移動速度を前記所定の速度から零まで減速して、前記ステージの移動を終了する第３の工程とを含み、
前記第１の工程を開始してから第３の工程を開始するまでの期間を、前記定盤を含む振動系の固有振動周期の整数倍としたことを特徴とする、ステージ駆動方法。
【請求項２】
前記第３の工程における加速度の絶対値と前記第１の工程における加速度との比を、前記第１の工程を開始してから第３の工程を開始するまでの期間に対応する振動振幅の減少率に等しくすることを特徴とする、請求項１に記載のステージ駆動方法。
【請求項３】
位置決めステージ装置であって、
床の微振動が伝達するのを抑制する除振装置付きの定盤と、
前記定盤上に設けられた移動可能なステージと、
前記定盤上に設けられ、前記ステージを所定の方向に移動させる駆動装置と、
前記駆動装置の動作を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記ステージを前記所定の方向に移動開始して前記ステージの移動速度を零から所定の速度まで加速した後、前記ステージを前記所定の速度で前記所定の方向に移動させ、前記ステージの加速を開始してから前記定盤を含む振動系の固有振動周期の整数倍の期間が経過した後、前記ステージの移動速度を前記所定の速度から零まで減速して前記ステージの移動を終了することを特徴とする、位置決めステージ装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ステージの減速時の加速度の絶対値と加速時の加速度との比を、前記ステージの加速を開始してから減速を開始するまでの期間に対応する振動振幅の減少率に等しくすることを特徴とする、請求項３に記載の位置決めステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ステージ駆動方法および位置決めステージ装置に関し、特に、定盤上に設けられた可動ステージを駆動するステージ駆動方法および位置決めステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
可動ステージの高精度な位置決めが要求される加工機、測定機、検査機などの位置決めステージ装置では、床の微振動が伝達するのを抑制する除振装置付きの定盤の上に、可動ステージが搭載されている。このような位置決めステージ装置では、可動ステージを移動させた時に定盤が可動ステージから反力を受けて振動するため、その振動を抑制するための方法がいくつか提案されている。
【０００３】
たとえば、可動ステージが定盤に与える反力と逆向きの力を定盤に与えることによって、可動ステージを移動させた時に生じる振動を抑制する方法がある。しかし、この場合は装置が高価になってしまう。また、反力とつり合わすためのカウンタウエイトを用いる方法もあるが、装置構成が複雑になってしまう。
【０００４】
また、下記の特許文献１には、スライダの往復移動で発生する反力、騒音、振動等を低減することができる加工機が開示されている。これによると、一対のスライダを互いに反対方向に往復移動させて、それぞれに発生する反力を打ち消す。
【特許文献１】特開２００２−１６０１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、従来より、位置決めステージ装置の可動ステージを移動させた時に定盤が振動するのを抑制するための方法が提案されている。しかしながら、従来の方法では、装置が高価になったり、装置構成が複雑になってしまうという問題があった。また、上記の特許文献１に開示された方法では、スライダを２つ設ける必要があった。
【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、簡易な構成かつ安価な装置で、定盤上の可動ステージを移動させた時に生じる振動を抑制することが可能なステージ駆動方法および位置決めステージ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係わるステージ駆動方法は、床の微振動が伝達するのを抑制する除振装置付きの定盤上に設けられた移動可能なステージを所定の方向に移動させるステージ駆動方法であって、ステージを所定の方向に移動開始して、ステージの移動速度を零から所定の速度まで加速する第１の工程と、ステージを所定の速度で所定の方向に移動させる第２の工程と、ステージの移動速度を所定の速度から零まで減速して、ステージの移動を終了する第３の工程とを含み、第１の工程を開始してから第３の工程を開始するまでの期間を、定盤を含む振動系の固有振動周期の整数倍としたことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、第３の工程における加速度の絶対値と第１の工程における加速度との比を、第１の工程を開始してから第３の工程を開始するまでの期間に対応する振動振幅の減少率に等しくすることを特徴とする。
【０００９】
この発明に係わる位置決めステージ装置は、床の微振動が伝達するのを抑制する除振装置付きの定盤と、定盤上に設けられた移動可能なステージと、定盤上に設けられ、ステージを所定の方向に移動させる駆動装置と、駆動装置の動作を制御する制御手段とを備えたものである。制御手段は、ステージを所定の方向に移動開始してステージの移動速度を零から所定の速度まで加速した後、ステージを所定の速度で所定の方向に移動させ、ステージの加速を開始してから定盤を含む振動系の固有振動周期の整数倍の期間が経過した後、ステージの移動速度を所定の速度から零まで減速してステージの移動を終了することを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、制御手段は、ステージの減速時の加速度の絶対値と加速時の加速度との比を、ステージの加速を開始してから減速を開始するまでの期間に対応する振動振幅の減少率に等しくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係るステージ駆動方法および位置決めステージ装置によれば、ステージの減速により生じる振動が加速により生じた振動の残留振動によって相殺されるため、定盤の振動が抑制される。したがって、簡易な構成かつ安価な装置で、定盤上のステージを移動させた時に生じる振動を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、この発明の一実施の形態による位置決めステージ装置の概略構成を示す図である。図１において、この位置決めステージ装置は、定盤１、ガイド２、駆動装置３、可動ステージ４、位置検出センサ５、除振装置６、振動検出部７、振動解析手段８、記憶手段９、指令手段１０、演算手段１１、および駆動制御手段１２を備える。
【００１３】
定盤１の上にはガイド２が固定されている。ガイド２の上には駆動装置３が固定されており、この駆動装置３は可動ステージ４をガイド２に沿って移動させる。位置検出センサ５は、可動ステージ４の位置を検出する。また、可動ステージ４の高精度な位置決めが要求される加工機、測定機、検査機などの位置決めステージ装置では、床の微振動が定盤１に伝達するのを抑制するために、空気バネなどの除振装置６が設けられる。なお、除振装置６を設ける代わりに定盤１自体がバネ要素を含む構成にしてもよい。
【００１４】
振動検出部７は、定盤１の振動を検出する。振動解析手段８は、振動検出部７の検出結果を解析する。記憶手段９は、振動解析手段８による解析結果を予め記憶する。指令手段１０は、可動ステージ４の移動先の目標位置を指示する。演算手段１１は、記憶手段９に予め記憶された解析結果と、指令手段１０によって指示された目標位置（移動距離）に基づいて、所定の演算処理を行なう。駆動制御手段１２は、演算手段１１による演算結果に基づいて、駆動装置３の動作を制御する。
【００１５】
ここで、可動ステージ４をガイド２に沿って移動させた時に、定盤１が可動ステージ４から反力を受けて振動する。本発明のステージ駆動方法について説明する前に、まず、可動ステージ４を移動させた時に定盤１が振動する動作について説明する。
【００１６】
図２は、可動ステージ４の移動速度および定盤１の振動レベルを示すタイムチャートである。図２において、駆動装置３は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの期間で可動ステージ４の移動速度を零からＶ１まで加速する。続いて、可動ステージ４を所定の移動速度Ｖ１で目標位置に向かって移動させ、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間で可動ステージ４の移動速度をＶ１から零まで減速する。
【００１７】
定盤１は、可動ステージ４の加速時および減速時に可動ステージ４から反力を受けることによって振動する。具体的には、可動ステージ４の加速を開始した時刻ｔ０から僅かに遅れた時刻ｔ１から、定盤１が振動し始める。その後、定盤１の振動レベルは時間の経過とともに小さくなっていく。そして、可動ステージ４の減速を開始した時刻ｔ３から僅かに遅れた時刻ｔ４から、定盤１が再び振動し始める。その後、定盤１の振動レベルは時間の経過とともに小さくなっていき、時刻ｔ６に定盤１の振動が収束する。
【００１８】
なお、定盤１は、定盤１および防振装置６で構成された振動系に固有の固有振動周期Ｔ０で振動する。この固有振動周期Ｔ０（＝１／固有振動数）は、振動装置６のバネ定数ｋと定盤１および定盤１上に設けられた各部品の合計質量ｍにより定められ、下記の数式（１）（２）が成立する。
【００１９】
Ｔ０  ＝  ２π／ω  ・・・（１）
ω2  ＝  ｋ／ｍ  ・・・（２）
ただし、ωは角速度である。定盤１の振動が収束した時刻ｔ６以降において、対象物の加工、測定、検査などの作業を行なうことができる。言い換えれば、定盤１の移動が完了した時刻ｔ５から定盤１の振動が収束する時刻ｔ６までの期間は、所望の作業を行なうことができず、振動が収束するのを待機しなければならない。可動ステージ４が大型である場合はその反力が大きくなるため、定盤１の振動が収束するまでにかかる時間はさらに長くなる。
【００２０】
図３は、可動ステージ４の移動速度および定盤１の振動レベルを示す他のタイムチャートである。図３において、駆動装置３は、時刻ｔ０から時刻ｔ２までの期間で可動ステージ４の移動速度を零からＶ２（＞Ｖ１）まで加速する。続いて、可動ステージ４を所定の移動速度Ｖ２で目標位置に向かって移動させ、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間で可動ステージ４の移動速度をＶ２から零まで減速する。
【００２１】
図３を図２と比較すると、可動ステージ４の移動速度をＶ１よりも大きなＶ２としたことによって、可動ステージ４の移動を開始してから終了するまでの期間（時刻ｔ０から時刻ｔ５までの期間）が短くなっている。このため、定盤１の振動が収束する時刻ｔ６は若干早くなっている。しかしながら、可動ステージ４の移動速度を大きくした分、定盤１の振動レベルが大きくなるため、定盤１の振動が収束するのに要する時間が長くなっている。このため、可動ステージ４の移動を開始してから定盤１の振動が収束するまでの期間（時刻ｔ０から時刻ｔ６までの期間）はあまり短縮されない。
【００２２】
従来より、可動ステージ４を移動させた時に定盤１が振動するのを抑制するための方法が提案されている。しかしながら、既に述べたように、従来の方法では装置が高価になったり、装置構成が複雑になってしまうという問題があった。
【００２３】
図４は、この発明の一実施の形態によるステージ駆動方法について説明するためのタイムチャートである。図４において、駆動装置３は、時刻ｔ１０から時刻ｔ１２までの期間で可動ステージ４の移動速度を零からＶ３まで加速度ａ１で加速する。続いて、可動ステージ４を所定の移動速度Ｖ３で目標位置に向かって移動させ、時刻ｔ１３から時刻ｔ１５までの期間で可動ステージ４の移動速度をＶ３から零まで加速度ａ２で減速する。
【００２４】
可動ステージ４の加速を開始した時刻ｔ１０から僅かに遅れた時刻ｔ１１から、定盤１が振動し始める。その後、定盤１の振動レベルは時間の経過とともに小さくなっていく。そして、可動ステージ４の減速を開始した時刻ｔ１３から僅かに遅れた時刻ｔ１４以降は、定盤１の振動がほとんどなくなる。
【００２５】
したがって、可動ステージ４の移動が終了した時刻ｔ１５以降において、直ちに対象物の加工、測定、検査などの作業を行なうことができる。このため、振動が収束するのを待機する必要がなくなり、タクトタイムの短縮が可能となる。
【００２６】
ただし、可動ステージ４の加速を開始してから減速を開始するまでの期間Ｔ１（時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までの期間）、可動ステージ４の加速度ａ１、加速度ａ２、移動速度Ｖ３などのパラメータを適切に決める必要がある。ここで、各パラメータを算出する方法について説明する。
【００２７】
可動ステージ４の加速により生じる振動の振動関数ｆ１（ｔ）は、下記の数式（３）で表わされる。
【００２８】
ｆ１（ｔ）  ＝  ａ１×Ｋ×ｓｉｎ（ωｔ）×ｅ-Zt  ・・・（３）
ただし、ａ１は可動ステージ４の加速度、Ｋは比例定数、Ｚは減衰係数である。加速により生じた振動の残留振動を考慮しない場合、可動ステージ４の減速により生じる振動の振動関数ｆ２（ｔ）は、同様に下記の数式（４）で表わされる。
【００２９】
ｆ２（ｔ）  ＝  ａ２×Ｋ×ｓｉｎ（ωｔ）×ｅ-Zt  ・・・（４）
ただし、ａ２は可動ステージ４の減速時の加速度である。したがって、加速により生じた振動の残留振動を考慮した場合、可動ステージ４の減速により生じる振動の振動関数ｇ（ｔ）は、下記の数式（５）で表わされる。
【００３０】
ｇ（ｔ）  ＝  ｆ１（ｔ＋Ｔ１）＋ｆ２（ｔ）  ・・・（５）
ただし、Ｔ１は可動ステージ４の加速を開始してから減速を開始するまでの期間である。この振動関数ｇ（ｔ）が零となる場合、可動ステージ４の減速により生じる振動が加速により生じた振動の残留振動によって相殺されて、定盤１の振動が抑制されることを意味する。数式（５）より、振動関数ｇ（ｔ）の値が零となるための条件は下記の数式（６）で表わされる。
【００３１】
ｆ１（ｔ＋Ｔ１）  ＝  −ｆ２（ｔ）  ・・・（６）
すなわち、下記の数式（７）が成立する。
【００３２】
ａ１×Ｋ×ｓｉｎ（ω（ｔ＋Ｔ１））×ｅ-Z(t+T1)  ＝  −ａ２×Ｋ×ｓｉｎ（ωｔ）×ｅ-Zt  ・・・（７）
この数式（７）が成立するための２つの条件１，２は、それぞれ下記の数式（８）（９）で表わされる。
【００３３】
ｓｉｎ（ω（ｔ＋Ｔ１））  ＝  ｓｉｎ（ωｔ）  ・・・（８）
−ａ２／ａ１  ＝  ｅ-ZT1  ・・・（９）
ここで、数式（８）の左辺を変形すると、ｓｉｎ（ω（ｔ＋Ｔ１））＝ｓｉｎ（ωｔ＋ωＴ１）＝ｓｉｎ（ωｔ）×ｃｏｓ（ωＴ１）＋ｃｏｓ（ωｔ）×ｓｉｎ（ωＴ１）となる。したがって、数式（８）が成立するためには、ｃｏｓ（ωＴ１）＝１、かつｓｉｎ（ωＴ１）＝０が成立することが条件となる。すなわち、Ｔ１＝ｎＴ０が成立することが条件となる。ただし、ｎは整数とする。
【００３４】
したがって、数式（８）で表わされる条件１は、可動ステージ４の加速を開始してから減速を開始するまでの期間Ｔ１（図４の時刻ｔ１０から時刻ｔ１３までの期間）を、固有振動周期Ｔ０のｎ倍とすることを意味する。
【００３５】
また、数式（９）で表わされる条件２は、加速度ａ２の絶対値を加速度ａ１よりも小さくして、加速度ａ２の絶対値と加速度ａ１との比−ａ２／ａ１を、期間Ｔ１（＝ｎＴ０）に対応する振動振幅の減少率ｅ-ZT1と等しくすることを意味する。
【００３６】
これらの条件１，２を満たす場合に、可動ステージ４の減速により生じる振動が加速により生じた振動の残留振動によって相殺されて、定盤１の振動が抑制される。これにより、可動ステージ４の移動が終了した後、直ちに対象物の加工、測定、検査などの作業を行なうことができる。
【００３７】
なお、減衰係数Ｚおよび固有振動周期Ｔ０は、図１に示した振動検出部７および振動解析手段８によって自動的に予め算出されて、記憶手段９に記憶される。ただし、振動検出部７および振動解析手段８を設けずに、経験則や実験で得られたデータを予め記憶手段９に記憶させておいてもよい。そして、演算手段１１は、記憶手段９に記憶された減衰係数Ｚおよび固有振動周期Ｔ０と、指令手段１０によって指示された可動ステージ４の移動先の目標位置（移動距離）に基づいて演算処理を行なって、上述の条件１，２を満たす加速度ａ１、加速度ａ２、期間Ｔ１を算出する。また、これらの値から適切な移動速度Ｖ３を算出する。
【００３８】
以上のように、この一実施の形態では、簡易な構成かつ安価な装置で、定盤上の可動ステージを移動させた時に生じる振動を抑制することが可能となる。
【００３９】
なお、上述の条件１のみを満たす場合であっても、ある程度の効果は得られる。たとえば、加速度ａ１と加速度ａ２の大きさが等しい場合であっても、可動ステージ４の移動が終了した後の定盤１の振動を小さくすることができる。特に、可動ステージ４の加速を開始してから減速を開始するまでの期間Ｔ１が短い場合や、減衰係数Ｚが小さい場合にその効果が大きい。
【００４０】
また、上述の条件１，２を厳密に満たしていなくても、ある程度の効果は得られる。すなわち、加速度ａ１、加速度ａ２、期間Ｔ１、移動速度Ｖ３が最適値から多少ずれていてもある程度の効果は得られる。
【００４１】
また、これらのパラメータは、可動ステージ４を移動させるごとに、その移動距離に応じた最適値を設定することが可能である。さらに、経験則や実験データを用いてこれらのパラメータを設定することも可能である。また、可動ステージ４の質量が変化した場合、その影響を経験則や実験データを用いてパラメータに反映させてもよい。
【００４２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】この発明の一実施の形態による位置決めステージ装置の概略構成を示す図である。
【図２】可動ステージの移動速度および定盤の振動レベルを示すタイムチャートである。
【図３】可動ステージ４の移動速度および定盤１の振動レベルを示す他のタイムチャートである。
【図４】この発明の一実施の形態によるステージ駆動方法について説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１  定盤、２  ガイド、３  駆動装置、４  可動ステージ、５  位置検出センサ、６  除振装置、７  振動検出部、８  振動解析手段、９  記憶手段、１０  指令手段、１１  演算手段、１２  駆動制御手段。
【図１】
2007118160.tif 000003
【図２】
2007118160.tif 000004
【図３】
2007118160.tif 000005
【図４】
2007118160.tif 000006