(57)【要約】【課題】安価な構成により高精度でかつ短時間に原点復帰を行うことができる位置決め装置の実現を実現する。【解決手段】Ｘ軸方向およびＹ軸方向に位置制御されるスライダ２００，３００と、このスライダ２００，３００と対向する面に磁極の歯が形成されてスライダ２００，３００と平面モータを構成するプラテン１０とを備えた位置決め装置において、  スライダ２００，３００に設けられ、スライダ２００，３００のプラテン１０に対する位置を検出するＸ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバと、  Ｘ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバで得られる位置検出信号に基づいて、スライダ２００，３００をプラテン１０上に設定された原点位置にサーボ制御する原点復帰制御部４０２と、  を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2009301342.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸方向およびＹ軸方向に位置制御されるスライダと、このスライダと対向する面に磁極の歯が形成されて前記スライダと平面モータを構成するプラテンとを備えた位置決め装置において、
前記スライダに設けられ、前記スライダの前記プラテンに対する位置を検出するＸ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバと、
前記Ｘ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバで得られる位置検出信号に基づいて、前記スライダを前記プラテン上に設定された原点位置にサーボ制御する原点復帰制御部と、
を備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
前記プラテンのＸ軸方向およびＹ軸方向の原点粗位置を示すリミットセンサを備え、
前記原点復帰制御部は、このリミットセンサを利用して前記スライダを原点粗位置に移動制御し、その後、前記スライダを前記原点位置に位置制御す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Ｘ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバのそれぞれは、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の少なくとも何れかの方向に所定距離を隔てて配置された一対のレゾルバから構成され、
前記原点復帰制御部は、前記一対のレゾルバの検出信号に基づいて前記スライダの回転角を算出するとともに、回転角が最小となるように前記スライダを制御す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】
前記スライダは、２個以上であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位置決め装置に関し、詳しくは、平面モータを構成するプラテンに対するスライダの位置を制御する位置決め装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、特許文献１に開示されている従来の位置決め装置構成例を示す平面図である。矩形状のプラテン１０が、各辺をＸ軸またはＹ軸のいずれかに沿うように配置されている。プラテン１０上には２個のスライダ２０（図中左側）および３０（図中右側）が配置されている。プラテン１０とスライダ２０，３０のそれぞれの対向面には所定ピッチの格子状に磁極の歯が形成されており、平面モータを構成している。これらスライダ２０，３０には、それぞれ接続されたケーブル８０および９０を通して平面モータの駆動用電流やエアベアリング用エアーが供給される。
【０００３】
これにより、スライダ２０，３０は、プラテン１０上に空気浮上する。また、平面モータに発生する推力によりＸ軸，Ｙ軸方向にプラテン１０上を走行し、θ軸（ｚ軸）周りにトルクを発生して回転することができる。
【０００４】
プラテン１０の周辺にはレーザ干渉計が複数個配置されている。プラテン１０のＹ軸に沿う辺の一方（図中左側）にはレーザ干渉計４１，４２が配置され、対向する他方の辺（図中右側）にはレーザ干渉計４３，４４が配置されている。プラテン１０のＸ軸に沿う辺の一方（図中下側）にはレーザ干渉計５１，５２，５３が配置され、対向する他方の辺（図中上側）にはレーザ干渉計５４，５５，５６が配置されている。
【０００５】
スライダ２０，３０の３辺にはバーミラーが取り付けられている。レーザ干渉計から出力されたレーザ光をスライダのバーミラーで反射してレーザ干渉計に戻すことで、スライダのＸ軸，Ｙ軸方向の変位を検出することができる。
【０００６】
ただし、レーザ干渉計でスライダの変位を検出するためには、原則としてバーミラーがレーザ光に対して直角の姿勢でなければならない。直角の姿勢にするためには、後述する原点復帰動作を行ってθ軸を所定の角度に位置決め制御する必要がある。
【０００７】
プラテン１０の各辺の周端部には、スライダ２０，３０がプラテン端近傍に近づいたときに信号が変化するリミットセンサ（図示せず）が配置されている。リミットセンサは、透過型のレーザセンサであり、スライダがレーザ光をさえぎるとオンする。ＬＸ１，ＬＸ２はＸ軸方向の限界位置を検出するリミットセンサ光、ＬＹ１，ＬＹ２はＹ軸方向の限界位置を検出するリミットセンサ光である。
【０００８】
プラテン１０の対向する対角点の端部には原点センサが取り付けられている。Ｘ軸方向に沿って取り付けられた原点センサ６１により、スライダ２０のＹ軸方向の原点位置が検出される。また、Ｙ軸方向に沿って取り付けられた一対の原点センサ６２，６３により、スライダ２０のＸ軸方向の原点位置が検出される。
同様に、Ｘ軸方向に沿って取り付けられた原点センサ７１およびＹ軸方向に沿って取り付けられた一対の原点センサ７２，７３により、スライダ３０の原点位置が検出される。
【０００９】
図６は、スライダ３０側の原点センサの詳細構成を示す平面図である。原点センサ７１〜７３は、高精度のレーザ式側長器等で実現できるが、プラテン端からスライダまでの距離を測定できるものであれば特に方式を問わない。原点センサ７１のレーザ光をＲＹ，所定距離を隔て配置されている原点センサ７２，７３のレーザ光をＲＸ１，ＲＸ２で示す。レーザ光ＬＸ，ＲＸ１，ＲＸ２による位置検出信号に基づいて、スライダ３０は原点復帰を行う。また、レーザ光ＲＸ１，ＲＸ２による位置検出信号に基づいて、スライダ２０のθ軸回転角度が検出される。スライダ２０と原点センサ６１〜６３についても同一構成である。
【００１０】
図５に示すようにＸ軸方向あるいはＹ軸方向に複数のレーザ干渉計を並列に並べてスライダの変位を検出する構成では、スライダの移動に伴って有効なレーザ干渉計を切り替えて使用する。
【００１１】
例えば、スライダ２０が図中左側から図中右側に移動する場合、まずレーザ干渉計５１が有効であり、次にレーザ干渉計５２が有効になって、レーザ干渉計５１はそのレーザ光がバーミラーから反射されなくなるので無効になる。スライダがさらに右側に動くと、レーザ干渉計５２のレーザ光がバーミラーから反射されなくなり、代わりにレーザ干渉計５３のレーザ光がバーミラーから反射されるようになる。
【００１２】
図７は、原点復帰動作を説明する遷移図である。電源オン状態では、スライダのθ軸変位は不定のため、レーザ干渉計で変位を検出できるとは限らない。このため、スライダをサーボ制御ではなく、ステッピングパルスモータ動作によって走行させる。
【００１３】
図７の（Ａ）は原点復帰動作の第１ステップを示したものである。スライダ２０は、ステッピングパルスモードで矢印Ｐ１方向（Ｙ軸方向）に移動する。そして、リミットセンサ光ＬＹ１位置まで動き、このＹ位置に位置決めする。同様に、スライダ３０は、ステッピングパルスモードで矢印Ｑ１方向（Ｙ軸方向）に移動する。そして、リミットセンサ光ＬＹ２位置まで動き、このＹ位置に位置決めする。
【００１４】
図７の（Ｂ）は第２ステップを示したものである。スライダ２０は、ステッピングパルスモードで矢印Ｐ２方向（Ｘ軸方向）に移動する。そして、リミットセンサ光ＬＸ１位置まで動き、このＸ位置に位置決めする。同様に、スライダ３０は、ステッピングパルスモードで矢印Ｑ２方向（Ｘ軸方向）にリミットセンサ光Ｘ２位置まで動き、このＸ位置に位置決めする。
【００１５】
図７の（Ｃ）は第３ステップを示したものである。スライダ２０および３０を、矢印Ｐ３方向およびＱ３方向に、原点センサの検出範囲まで微速で移動させる。
【００１６】
図７の（Ｄ）は第４ステップを示したものである。スライダ２０，３０の回転角を所定範囲の値にし、エアベアリングをエアーオフし、スライダ２０，３０をプラテン１０上に着座させる。この状態では、原点センサによるスライダ位置検出値とレーザ干渉計による測定位置の両者が分かるので、サーボ運転に必要な転流制御の電気角を算出できる。そのとき必要なステージ固有値は、ステージ製造時に予め測定されているものとする。
【００１７】
スライダ２０，３０は、同じプラテン上で動作するので、同じ座標系で管理されなければ衝突の危険がある。このため、製造時にスライダ２０側の原点センサとスライダ３０側の原点センサの相対距離を測定しておき、スライダ２０と３０の座標値を算出する。
【００１８】
例えば、スライダ２０の原点位置を基準とするならば、スライダ３０の原点位置座標は、スライダ２０の原点位置に原点センサ３０とスライダ２０の相対距離を加えた値とする。
その後、各スライダはサーボ制御にて任意の位置に移動する。サーボ制御では、レーザ干渉計の位置検出値を用いて位置制御を行う。
【００１９】
スライダをプラテン上の原点位置に制御する手法については特許文献１に詳細な技術開示がある。また、特許文献２には、面モータにより１軸制御されるスライダの位置検出を行うレゾルバが記載されている。
【特許文献１】特開２００７−１２７５７６号公報
【特許文献２】特開平４−１２７８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
従来構成の位置決め装置では、次のような問題がある。
（１）レーザ干渉計が、高価であり、位置決め装置のコストアップ要因となっている。位置の制御精度がさほど必要ない用途では、安価な位置センサの採用が望ましい。
【００２１】
（２）レーザ干渉計に用いるレーザ光源は寿命が比較的短く、１万〜数万時間程度で交換が必要となり、メンテナンス工数や部品交換によるコストアップ要因となっている。そのため、短寿命品を用いない位置センサの採用が望ましい。
【００２２】
（３）現状の原点復帰の手法では、レーザ干渉計とは別に、スライダ端面とプラテン端との絶対距離を測定する原点センサが必要であり、位置決め装置のコストアップ要因となっている。
【００２３】
（４）原点復帰でのスライダ走行をステッピングパルスモータ動作で行うため、スライダに生じる振動が大きい。
【００２４】
（５）原点復帰でのスライダ走行をステッピングパルスモータ動作でおこなうため、走行速度を上げることができず、原点復帰に要する時間が長い。
【００２５】
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、安価な構成により高精度でかつ短時間に原点復帰を行うことができる位置決め装置の実現を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
このような課題を達成するために、請求項１の発明は、
Ｘ軸方向およびＹ軸方向に位置制御されるスライダと、このスライダと対向する面に磁極の歯が形成されてスライダと平面モータを構成するプラテンとを備えた位置決め装置において、
スライダに設けられ、スライダのプラテンに対する位置を検出するＸ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバと、
Ｘ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバで得られる位置検出信号に基づいて、スライダをプラテン上に設定された原点位置にサーボ制御する原点復帰制御部と、
を備えることを特徴とする位置決め装置。
【００２７】
請求項２の発明は、
請求項１に記載の位置決め装置において、プラテンのＸ軸方向およびＹ軸方向の原点粗位置を示すリミットセンサを備え、
原点復帰制御部は、このリミットセンサを利用してスライダを原点粗位置に移動制御し、その後、スライダを原点位置に位置制御することを特徴とする。
【００２８】
請求項３の発明は、
請求項１または２に記載の位置決め装置において、Ｘ軸レゾルバおよびＹ軸レゾルバのそれぞれは、Ｘ軸方向またはＹ軸方向の少なくとも何れかの方向に所定距離を隔てて配置された一対のレゾルバから構成され、
原点復帰制御部は、一対のレゾルバの検出信号に基づいてスライダの回転角を算出するとともに、回転角が最小となるようにスライダを制御することを特徴とする。
【００２９】
請求項４の発明は、
請求項１乃至３のいずれかに記載の位置決め装置において、スライダは、２個以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の構成によれば、次のような効果を期待することができる。
（１）スライダの位置検出をレゾルバで行うとともに、スライダの原点復帰にこのレゾルバの位置検出信号を利用することにより、原点センサが不要となり、安価な構成により高精度かつ短時間に原点復帰を行うことができる位置決め装置を実現することができる。
【００３１】
（２）スライダをサーボ制御で動かすので、ステッピングパルスモータ方式での駆動で行うのに比べて、より高速、かつ低振動でスライダを駆動できる。これにより、原点復帰処理時間が短縮できる上に、スライダ搭載物に与える振動を低減することができる。
【００３２】
（３）原点復帰再現精度は、レゾルバ信号の再現精度と同等とすることができ、高精度な原点復帰を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
図１は、本発明による位置決め装置の一実施例を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来構成と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００３４】
プラテン１０上には２個のスライダ２００，３００が配置されている。プラテン１０とスライダ２００，３００のそれぞれの対向面には所定ピッチの格子状に磁極の歯が形成されており、平面モータを構成している。これらスライダ２００，３００には、それぞれ接続されたケーブル８０および９０を通して平面モータの駆動用電流やエアベアリング用エアーが供給される。
【００３５】
これにより、スライダ２００および３００は、プラテン１０上に空気浮上する。また、平面モータに発生する推力によりＸ軸，Ｙ軸方向にプラテン１０上を走行し、θ軸（ｚ軸）周りにトルクを発生して回転することができる。
【００３６】
スライダ２００，３００にはそれぞれ位置センサとしてレゾルバ部２０１，３０１が搭載されている。レゾルバ部２０１，３０１から出力される検出信号に基づいて、スライダ２００，３００の位置が検出される。
【００３７】
スライダ２００および３００は、ケーブル８０および９０を介して制御処理ユニット４００と通信して位置制御および原点復帰制御される。制御処理ユニット４００は、サーボ制御を司るサーボ制御処理部４０１、原点復帰を司る原点復帰制御部４０２、スライダに搭載される平面モータの駆動電流を出力するモータ電流ドライバ４０３、レゾルバ信号を処理して位置信号を生成するレゾルバ信号処理部４０４の各サブユニットを内蔵している。
【００３８】
図２は、レゾルバ部の構成例を示す機能ブロック図であり、代表としてスライダ２００のレゾルバ部２０１の構成を示している。レゾルバ部２０１は、Ｙ軸方向の位置検出を行うレゾルバ２０１ａ，２０１ｂと、Ｘ軸方向の位置検出を行うレゾルバ２０１ｃ，２０１ｄから構成されている。レゾルバ２０１ａ，２０１ｂは、Ｙ軸方向に距離Ａｙ隔てて配置されている。レゾルバ２０１ｃ，２０１ｄは、Ｘ軸方向に距離Ａｙよりも大きい距離Ａｘ隔てて配置されている。
【００３９】
Ａｘ＞Ａｙとすることで、レゾルバ２０１ｃ，２０１ｄにより、スライダ２００のＹ軸方向位置と高精度な回転角θの検出ができる。レゾルバ２０１ａ，２０１ｂにより、スライダ２００のＸ軸方向位置と低精度な回転角θの検出ができる。
【００４０】
レゾルバ２０１ａ〜２０１ｄの検出信号は、レゾルバ信号処理部４０４に入力され、位置信号Ｓおよび回転角θが算出される。スライダ３００側に搭載されるレゾルバ３０１の構成および動作も、スライダ２００側のレゾルバ２０１と同一である。
【００４１】
図３の（Ａ），（Ｂ）は、レゾルバ部２０１の位置Ｌと位置信号Ｓの関係を示す動作説明図である。レゾルバ部２０１から出力される位置信号Ｓは、図３の（Ａ）に示すようにプラテン１０の歯ピッチをＰとするとき、図３の（Ｂ）に示すように歯ピッチＰの周期で繰り返される形態となる。そのため、回転角の検出が可能なのは、レゾルバの距離＜Ｐ／２の範囲に限られる。したがって、レゾルバ間隔Ａｘ，Ａｙに応じて検出可能な回転角の範囲が定まる。
【００４２】
スライダが、±Ｐ／２Ａｙ以上回転している状態では、高精度で回転角θを検出するレゾルバ２０１ｃ，２０１ｄの組み合わせでは正しく回転角θを検出することはできない。このため、レゾルバ２０１ａ，２０１ｂの組み合わせによる、低精度であるがより広い範囲を計測できる機構が必要となる。なお、レゾルバの動作原理については特許文献２に詳細が開示されている。
【００４３】
レゾルバ２０１ａ，２０１ｂによるθ方向角度検出では、スライダ２００の回転は、±Ｐ／２Ａｙまで許容される。式で表せば、｜θ｜＜Ｐ／２Ａｙが、検出可能条件である。原点復帰開始時のスライダの姿勢は、この条件を満たす状態とする。
【００４４】
ここで、距離Ａｙを十分小さくすれば、目視によってさえ確認できるので、これは実現可能である。一方、距離Ａｘは、回転角θを高精度に検出できるよう、できるだけ大きな値とするのが望ましい。
【００４５】
プラテン１０四辺周端部には、従来構成と同様に、スライダ２００，３００がプラテン端近傍に近づいたときに信号が変化するリミットセンサが配置されている。そのリミットセンサのレーザ光が、ＬＸ１，ＬＸ２およびＬＹ１，ＬＹ２であり、スライダ２００，３００がこれらのレーザ光をさえぎるとオンする。
【００４６】
図４は、本発明の位置決め装置の原点復帰動作を説明する遷移図である。第１ステップでは、レゾルバ信号処理部４０４から出力される位置信号Ｓより、スライダの歯とプラテンの歯の位置関係を知ることができる。これをもとにサーボ制御を開始する。
【００４７】
このとき、エアベアリング用エアーが供給されていない場合は、エアーを供給して、スライダをプラテン１０上に空気浮上させる。スライダが回転している状態では、回転角θ＝０の状態に比べて、同じモータ電流での推力が低下するので、位置制御サーボゲインは低めにする。
【００４８】
第２ステップでは、レゾルバ２０１ａ，２０１ｂによるθ検出値と、レゾルバ２０１ｃ，２０１ｄによるθ検出値をもとに、回転角θ＝０となるよう、サーボ制御を行う。例えば、回転角θが±Ｐ／２Ａｘ以上では、レゾルバ２０１ａ，２０１ｂによる検出値で制御を行い、回転角θが±Ｐ／２Ａｘ未満では、レゾルバ２０１ｃ，２０１ｄによる検出値で制御を行う。
【００４９】
スライダの回転角θが大き過ぎる場合は、回転角θ＝０となるよう、スライダを回転できない場合がある。その場合は、エラーとして、原点復帰処理を終了させる。
【００５０】
第３ステップでは、回転角θ≒０にサーボ制御しながら、図４（Ａ）に示すように、スライダ２００および３００をそれぞれＰ１方向およびＱ１方向に移動させる。そして、リミットセンサ光ＬＹ１およびＬＹ２位置まで動かし、このセンサＹ位置に位置決めする。
【００５１】
第４ステップでは、回転角θ≒０にサーボ制御しながら、図４（Ｂ）に示すように、スライダ２００および３００をそれぞれＰ２方向およびＱ２方向に移動させる。そして、リミットセンサ光ＬＸ１およびＬＸ２位置まで動かし、図４（Ｃ）に示すように、このＸ位置に位置決めする。
【００５２】
以上で、スライダ２００および３００は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のリミットセンサ光の交点で示される原点復帰位置（原点粗位置）に位置決めされる。
【００５３】
ここで、リミットセンサによる検出位置はμｍレベルでは原点復帰の度にばらつくので、さらに高精度な原点復帰を行うためには、レゾルバ信号処理が出力する位置信号Ｓを用いてサーボ制御する必要がある。
【００５４】
第５ステップでは、レゾルバ部からの位置信号Ｓを検出して、設計的にあらかじめ決めておいた、原点復帰位置での位置信号Ｓoとの差異を求める。位置信号Ｓoと差異がある場合には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にサーボ制御でスライダを動かして、Ｓ＝Ｓoとなる位置に位置決めする。
以上で、原点復帰シーケンスを完了する。
【００５５】
なお、リミットセンサの位置、スライダのサイズ、Ｘ座標、Ｙ座標と位置信号Ｓの関係は、設計値により既知である。個体で大きくばらつくのであれば、製作時に測定すればよい。従って、原点復帰位置での、スライダ中心位置のＸ座標，Ｙ座標は、算術的に求めることができる。
【００５６】
図１の実施形態では、プラテン上のスライダが２個の構成を示したが、スライダが１個の場合でも、または３個以上の場合でも同様の手法で原点復帰を行うことで、同等の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明を適用した位置決め装置の一実施例を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明に適用されるレゾルバの構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】レゾルバの位置と位置信号の関係を示す動作説明図である。
【図４】本発明を適用した位置決め装置の原点復帰動作を説明する遷移図である。
【図５】従来の位置決め装置構成例を示す平面図である。
【図６】原点センサの詳細構成を示す平面図である。
【図７】原点復帰動作を説明する遷移図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０    プラテン
２００  スライダ
２０１  レゾルバ
３００  スライダ
３０１  レゾルバ
４００  制御処理ユニット
４０１  サーボ制御処理部
４０２  原点復帰制御部
４０３  モータ電流ドライバ
４０４  レゾルバ信号処理部
８０，９０  ケーブル
ＬＸ１，ＬＸ２  Ｘ軸方向のリミットセンサ光
ＬＹ１，ＬＹ２  Ｙ軸方向のリミットセンサ光
【図２】
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【図１】
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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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