JPH05337788A

JPH05337788A - 送り装置

Info

Publication number: JPH05337788A
Application number: JP15203392A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ueda; 浩一上田; Shinji Yasuhara; 伸二安原; Hitoshi Iwamoto; 仁岩本
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1992-06-11
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1993-12-21

Abstract

(57)【要約】【目的】比較的安価となる構成にしながらも、高精度な
位置決めを実現できるようにすること。【構成】低い角度分解能のステッピングモータ１、遊星
ローラ式減速機２を用いるとともに低い角度分解能のリ
ニアスケール５を用いることにより、装置全体の低価格
化を図っている。しかも、送り開始地点から目標地点ま
での送り途中で実際の送り量を測定して実際に発生する
誤差を把握し、それに基づいて残りの送りについて起こ
り得る誤差を考慮した送り制御を行うように工夫してい
るから、減速比が変動しうる遊星ローラ式減速機２を用
いても従来例と遜色のない高精度な位置決めが行えるよ
うになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ステッピングモータの
回転駆動力を遊星ローラ式減速機で減速して被駆動体に
伝達することにより被駆動体を微小送りする送り装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造のような技術分野に
おいてテーブル上に搭載されてあるウエハにマスクを位
置合わせして露光処理を施すためにそのテーブルを微小
送りするのに上記送り装置を適用する場合では、その送
り装置はそのマスクの位置合わせのために、通常、テー
ブルをサブミクロン単位とかナノメータ単位で微小送り
することが要求される。

【０００３】このマスク位置合わせのようにテーブルと
いった被駆動体を精密に微小送りする送り装置として、
これまでは例えば高い角度分解能を持つサーボモータを
用いるとともに、このサーボモータの回転駆動力で被駆
動体としてのボールネジ機構とかロータリーテーブルな
どを駆動し、その駆動においてはサブミクロン単位とか
ナノメーター単位での検出点を持つ高い角度分解能のリ
ニアスケールまたはロータリーエンコーダなどの検出手
段を使用し、この検出手段により被駆動体が目標地点に
到達したことを検出したときには制御回路によってテー
ブルを停止させるようにサーボモータを制御するように
したものが知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
送り装置では、被駆動体を高精度に所要の位置に位置決
めすることが可能であるものの、それに見合った高価で
特殊な検出手段とか制御回路とかが必要となるため、装
置価格が必然的に高価なものになるという欠点がある。
そこで、本件発明者らは、装置価格を抑えることのでき
る送り装置としてモータとして低い角度分解能のステッ
ピングモータを用いて、その回転駆動力を遊星ローラ式
減速機で減速して被駆動体を送るような構成のものを考
え付いたのである。これは、遊星ローラ式減速機は、低
バックラッシュでしかも低角度変動の性能を有している
ので、低い角度分解能のステッピングモータを用いても
微小送りが可能になるために、上述の検出手段とか制御
回路などが不要になって装置価格が安価に済むからであ
る。

【０００５】しかしながら、遊星ローラ式減速機は、そ
の反面、使用回転域や受ける負荷などの運転条件によっ
ては減速比が変動しうる欠点があるため、高精度な位置
決めができなくなることがあることが原因して、この遊
星ローラ式減速機をステッピングモータに組み合わせて
装置価格が安価に済むうえ微小送りも可能な送り装置を
実現することが困難なものとなっていた。

【０００６】本発明は、ステッピングモータと遊星ロー
ラ式減速機とを用いた装置価格が安価に済む構成の送り
装置において、その装置価格が安価に済むという構成を
維持しながら、かつ、被駆動体を高精度に位置決めする
ことができるような構成の送り装置を提供することを目
的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の送り装置は、被駆動体を所定方向へ
送り駆動するためのステッピングモータと、ステッピン
グモータの回転駆動力を減速して被駆動体へ伝達する遊
星ローラ式減速機と、前記ステッピングモータを駆動す
る駆動手段と、前記被駆動体の位置を検出する計測手段
と、計測手段の位置検出信号に基づきステッピングモー
タの駆動ステップ数を補正する制御手段とを備える構成
とした。

【０００８】

【作用】高価なサーボモータおよび高い角度分解能のリ
ニアスケールやロータリーエンコーダなどの検出手段を
用いないから、装置全体のコスト低減が可能となる。そ
して、低い角度分解能のステッピングモータを用いるも
のの遊星ローラ式減速機を用いるから、被駆動体の送り
量を従来例とほぼ同等、微小にできる。しかも、遊星ロ
ーラ式減速機の減速比が変動したとしても、スケールか
ら得られる正確な位置検出信号によりステッピングモー
タの駆動ステップ数を補正して被駆動体を目標地点へ送
るようにしているから、遊星ローラ式減速機の減速比の
変動の影響がなくなり、正確な送りができるようにな
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。

【００１０】図１および図２に本発明の一実施例を示し
ている。図例の送り装置は、被駆動体としてのボールネ
ジ機構３のテーブル３ａを所定方向へ送るためのステッ
ピングモータ１と、ステッピングモータ１の回転駆動力
を減速してボールネジ機構３のネジ軸３ｂへ伝達する遊
星ローラ式減速機２と、ステッピングモータ１の駆動手
段としてのドライバ４と、検出手段としてのリニアスケ
ール５と、制御手段としてのコントローラ６とを具備し
ており、ドライバ４により駆動されるステッピングモー
タ１の回転駆動力を遊星ローラ式減速機２で減速してボ
ールネジ機構３へ伝達し、ボールネジ機構３のテーブル
３ａをネジ軸３ｂに沿って直線的に進退変位させるよう
になっている。

【００１１】本実施例の送り装置は、遊星ローラ式減速
機２の特性（減速比が変動するが、その変動周期が大き
くて、狭い範囲においては減速比変動が極めて微小であ
ること）を利用して、ボールネジ機構３のテーブル３ａ
の停止位置検出用リニアスケールの目盛りの１／１０〜
１／１００の位置精度でテーブルを停止できる機能を有
している。

【００１２】具体的に、前述の各構成要素を説明する。

【００１３】ステッピングモータ１は、例えば五相ステ
ッピングモータなどの低い角度分解能（例えばステップ
角０．７２ｄｅｇ）に設定されたものからなり、その出
力軸が遊星ローラ式減速機２の入力軸である太陽軸に連
結される。

【００１４】遊星ローラ式減速機２は、図示しないが、
入力軸としての太陽軸と、それと同軸上に外嵌配置され
る固定輪と、太陽軸と固定輪との間の環状空間の円周数
箇所に圧接状態で介装される複数の遊星ローラと、遊星
ローラを回転自在に支持しかつ遊星ローラの公転によっ
て駆動されるキャリアと、キャリアに一体的に連結され
る出力軸とからなる周知のものである。減速比を例えば
１／１０００に設定すると、前述のステッピングモータ
１の１ステップ時には出力軸回転角度が約２．６秒にな
る。なお、遊星ローラ式減速機２では、減速比の変動が
０．４％以下になることが確認されており、また回転角
度の小さい範囲では減速比の変動がさらに小さく、０．
１％以下になる（例えば出力軸が１ｄｅｇ（１／３６０
回転）回転する間の誤差は３．６秒になる）。

【００１５】ボールネジ機構３は、そのネジ軸３ｂが遊
星ローラ式減速機２の出力軸に連結され、このネジ軸３
ｂに複数のボールを介して螺合するテーブル３ａが取り
付けられる周知のものであり、ネジ軸３ｂの回転によっ
てテーブル３ａがネジ軸３ｂの軸方向に沿って直線的に
進退変位させられるようになっている。

【００１６】リニアスケール５は、テーブル３ａの移動
方向と平行に設置され、テーブル３ａ上の基準となる一
点がリニアスケール５の目盛りと一致したときに信号を
出力するものである。このリニアスケール５は、送り機
構で発生するすべりによるテーブル３ａの位置誤差の累
積が大きくなる前に修正するために使用する。

【００１７】コントローラ６は、少なくとも図３に示す
フローチャートに従って機能するものであり、機能的に
は、ボールネジ機構３のテーブル３ａの目標地点Ｘを指
定する指定部７と、ステッピングモータ１を駆動するド
ライバ４にパルス信号を発信する信号出力部１３と、信
号出力部１３で発信したステップ数をカウントするとと
もに正方向に移動したときにはステップ数を加算し、反
対方向に移動したときにはステップ数を減算して累積ス
テップ数を記憶するカウント部１２と、リニアスケール
５からの信号を受信し信号カウント部１２にリセット信
号を送るリニアスケール信号受信部１１と、テーブル３
ａの移動距離とステップ数の対応、およびリニアスケー
ル５の目盛り間隔とステップ数の対応を設定する設定部
１０とを有している。

【００１８】ここで、実際の動作を図３に示すフローチ
ャートに基づいて説明する。説明が簡便になるようにシ
ステムの構成を以下の設定にする。

【００１９】ボールネジのリード：１０ｍｍ遊星ローラ式減速機の減速比：１／１０００ステッピングモータのステップ角：０．７２ｄｅｇリニアスケールの目盛り間隔：０．０２ｍｍここで使用するボールネジのリードを仮に１０ｍｍとし
た場合、ネジ軸３ｂを１ｄｅｇ（１／３６０回転）回転
させた時のテーブル３ａの移動量は１０ｍｍ／３６０ｄ
ｅｇ＝０．０２７７ｍｍ／ｄｅｇである。前述したごと
く遊星ローラ式減速機２の出力軸が１ｄｅｇ回転する間
の角度誤差は３．６秒（０．１％）であるから、テーブ
ル３ａの位置誤差は２．７７×１０^-5ｍｍ（０．０２７
７μｍ）と非常に小さい。

【００２０】一方、テーブル３ａの移動距離が長い場合
に遊星ローラ式減速機２の回転角度誤差が最大０．４％
程度見込まれるので、例えばテーブル３ａが２００ｍｍ
移動する間に位置の誤差は０．４ｍｍにもなる。

【００２１】前記の理由により、図１の例では目盛り間
隔が０．０２ｍｍと比較的大きいリニアスケール５を使
用する。ちなみに、従来の方式で高精度位置決めに使用
するリニアスケール５の目盛り間隔は０．００１〜０．
０００１ｍｍであり、さらに電気的に数十分の一に分割
することもある。

【００２２】動作開始の前にコントローラ６の設定を実
施する。設定内容を図２のフローチャートに基づき説明
する。

【００２３】リニアスケール５の目盛り間隔を変数
ΔＸに入力。例ではΔＸ＝０．０２ｍｍ。

【００２４】テーブル３ａがΔＸ移動するのに必要
なステップ数を変数ΔＰに入力。

【００２５】このときのΔＰに入力する数値の計算式は
下記のとおり。

【００２６】 ΔＰ＝（ΔＸ・Ｋ・Ｓ）／ｈ〔式１〕但し、Ｋは遊星ローラ式減速機の減速比の逆数、Ｓはス
テッピングモータ１回転時のステップ数、ｈはボールネ
ジのリードを示す。

【００２７】例では、ΔＰ＝（０．０２×１０００×５
００）÷１０＝１０００となる。

【００２８】ステッピングモータを１ステップ回転
させたときのテーブル移動距離を変数ΔＬに入力。ΔＬ
に入力する数値の計算式は下記のとおり。

【００２９】 ΔＬ＝ｈ／（Ｋ・Ｓ）〔式２〕例では、ΔＬ＝１０÷（１０００×５００）＝２×１０
^-5となる。

【００３０】動作開始後のコントローラ６の動作を図３
のフローチャートに基づいて説明する。

【００３１】まず、テーブル３ａの位置座標とコントロ
ーラ６のカウント部１２におけるステップ積算数の相対
関係を定めるために、テーブル３ａをリニアスケール５
の原点に移動、停止させ、カウント部１２におけるステ
ップ積算数Ｐに０を入力する（ステップＳ１）。この動
作は、動作開始直後のみでよく、次以降の動作を繰り返
す場合にその都度原点復帰する必要はない。

【００３２】次に、目標地点Ｘを指定部７に入力すると
（ステップＳ２）、数値が設定部１０に送られ設定部１
０でテーブル３ａを座標Ｘに相当するステップ積算数Ｐ
ｘを計算し（式３）、信号出力指令および回転方向を信
号出力部１３に送る（ステップＳ３）。

【００３３】Ｐｘ＝Ｘ／ΔＬ〔式３〕信号出力部１３では設定部１０から入力した回転方向の
ステップ信号をドライバ４に出力すると同時に発信ステ
ップ数をカウント部１２に積算していく（ステップＳ
４）。

【００３４】リニアスケール信号受信部１１ではリニア
スケール５の目盛りとテーブル３ａが一致したときに出
る信号を受信すると同時にカウント部１２におけるステ
ップ積算値Ｐの数値を補正する（ステップＳ５，Ｓ
６）。例として設定した条件の場合、リニアスケール５
の目盛りとテーブル３ａが一致するときは本来、ステッ
ピングモータ１が原点からちょうど２回転ずつ回転した
ときであるので、ステップ積算値Ｐは１０００の倍数に
なるはずである。この場合の補正はステップ積算値の実
積算値に最も近い１０００の倍数に変換することにな
る。

【００３５】設定部１０ではカウント部１２におけるス
テップ積算値Ｐを常に監視し、Ｐｘに等しくなった時点
で信号出力部１３に停止指令を出力する。

【００３６】図４ないし図６に本発明の他の実施例を示
している。本実施例のコントローラ６１は、上記実施例
のコントローラ６と機能が異なる。

【００３７】すなわち、コントローラ６１は、図６に示
すフローチャートに従って機能するものであり、機能的
には、ボールネジ機構３のテーブル３ａの目標地点Ｘを
指定する指定部７１と、テーブル３ａの送り開始地点と
目標地点Ｘとの間で目標地点Ｘの直前の第２検出点Ｘｚ
２とそのさらに一つ手前の第１検出点Ｘｚ１とを特定す
る特定部８１と、リニアスケール５から出力されるパル
ス数をカウントする第１計測部９１と、第１計測部９１
のカウント結果および信号出力部１４から出力されるコ
ントロール信号に基づいてテーブル３ａの現在位置を検
知する現在位置検知部１５と、特定部８１で特定した二
つの検出点Ｘｚ１とＸｚ２との間（計測区間Ｄｘ）にお
ける実際のテーブル３ａの送りに要するステッピングモ
ータ１の駆動ステップ数Ｓを計測する第２計測部１６
と、第２計測部１６の計測結果を参考として第２検出点
Ｘｚ２から目標地点Ｘへテーブル３ａを送るのに適した
ステッピングモータ１の駆動ステップ数Ｓｘを設定し信
号出力部１４へ与える設定部１７と、ドライバ４へコン
トロール信号を与える信号出力部１４とを有している。
なお、設定部１７は、（Ｓｘ＝Ｓ×Ｑ）の計算を行うも
のであり、乗数Ｑは計測区間Ｄｘにおける目標地点Ｘの
位置割合（％）を表す。

【００３８】次に、テーブル３ａの送りに伴うコントロ
ーラ６１の動作を図６に示すフローチャートに基づいて
説明する。

【００３９】動作開始指令に応答して、テーブル３ａの
目標地点Ｘを読み込む（ステップＳ１１）。この目標地
点Ｘがリニアスケール５の検出点Ｘ₀〜Ｘｎのいずれか
と一致しているか否かを判定する（ステップＳ１２）。
一致している場合には、ステップＳ１３において下記ス
テップＳ２０での計算式（Ｓｘ＝Ｓｎ×Ｑ）の乗数Ｑを
１に設定し、不一致の場合、ステップＳ１４において目
標地点Ｘの前後両側に位置する二つの検出点ＸｚとＸｚ
２との間において目標地点Ｘがその直前の検出点Ｘｚ２
から何％の位置に存在するかを認識し、この割合を乗数
Ｑとして設定する。

【００４０】そして、目標地点Ｘの直前の第２検出点Ｘ
ｚ２とそのさらに一つ手前の第１検出点Ｘｚ１とを特定
し（ステップＳ１５）、ステッピングモータ１を駆動さ
せることによりテーブル３ａを目標地点Ｘ側へ向けて送
る（ステップＳ１６）。この送りに伴ってテーブル３ａ
が前述のステップＳ１５で特定した第１検出点Ｘｚ１に
到達するのを待つ（ステップＳ１７）。このステップＳ
１７では、リニアスケール５から出力されるパルスをカ
ウントすることにより、このカウント数によってテーブ
ル３ａが第１検出点Ｘｚ１に到達したか否かを判定す
る。そして、第１検出点Ｘｚ１にテーブル３ａが到達し
たら、ステッピングモータ１の駆動ステップ数の計測を
開始し（ステップＳ１８）、第２検出点Ｘｚ２にテーブ
ル３ａが到達するのを待つ（ステップＳ１９）。この検
出点Ｘａにテーブル３ａが到達したら、ステッピングモ
ータ１の駆動ステップ数の計測を終了して、計測値Ｓｎ
に基づいて第２検出点Ｘｚ２から目標地点Ｘへテーブル
３ａを送るのに適した駆動ステップ数Ｓｘを求める（ス
テップＳ２０）。このステップＳ２０では、Ｓｘ＝Ｓｎ
×Ｑの計算を行う。この計算結果に応じてドライバ４へ
コントロール信号を与えることによりステッピングモー
タ１を適宜に駆動させる（ステップＳ２１，Ｓ２２）。

【００４１】ここで、動作の具体例を説明する。いま仮
に、検出点Ｘ₀〜Ｘｎにおける各一区間の送りに必要な
ステッピングモータ１の標準ステップ数を１００とし、
計測区間Ｄｘで実際にカウントしたステップ数Ｓｎ＝９
８（標準との誤差−２ステップ）とする。そして、目標
地点Ｘは二つの隣り合う検出点間の５０％の位置（すな
わち乗数Ｑ＝０．５）とする。このような状況では、第
２検出点Ｘｚ２から目標地点Ｘへの送りに適したステッ
ピングモータ１の駆動ステップ数Ｓｘは、Ｓｎ（９８）
×Ｑ（０．５）から４９となり、第２検出点Ｘｚ２から
ステッピングモータ１を４９ステップ駆動して停止させ
る。

【００４２】以上のようにしてテーブル３ａを送れば、
送り途中において遊星ローラ式減速機２の減速比の変動
が発生したとしても、目標地点Ｘにほぼ正確に位置決め
することができる。つまり、最終的な送り量は、その直
前の計測区間Ｄｘでの実測値に基づいて設定されている
関係より、遊星ローラ式減速機２の減速比の変動が第２
検出点Ｘｚ２から目標地点Ｘまでの間で発生しない限
り、目標地点Ｘと実際の到達地点とは一致すると考えら
れる。もし仮に、計測区間Ｄｘで誤差が生じても、遊星
ローラ式減速機２の起こり得る減速比の変動が０．４％
以下であることが判っていることから考えれば、その出
力軸の回転角度１度において起こり得る誤差は０．００
４度（１４．４秒）以下となり、出力軸の１周相当分と
して２０００パルス程度に分割されたリニアスケール５
の１パルス（０．１８度）において起こり得る誤差は
２．６秒以下に収まるようになり、従来例と遜色のない
程度の高精度な位置決めを行うことができる。

【００４３】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
ない。例えば、特定部８で特定する検出点は任意である
他、隣り合う二つの検出点に限らずに、複数の検出点を
含む大きな範囲として設定して、各区間の実測値の平均
を求めるようにすることも可能である。また、被駆動体
としてボールネジ機構３などの直線送り機構の他にロー
タリーテーブルなどの回転送り機構とすることもでき
る。

【００４４】さらに、本発明は下記するようにして送り
量の誤差を除去するものも含む。まず、送り開始地点Ｘ
₀から一つ目の検出点Ｘ₁までの区間Ｄ₀における実際の
ステッピングモータ１の駆動ステップ数を計測し、この
計測値をそのまま一つ目の検出点Ｘ₁から二つ目の検出
点Ｘ₂までの区間Ｄ₁のステッピングモータ１の駆動ステ
ップ数として設定し、さらに区間Ｄ₁における実際のス
テッピングモータ１の駆動ステップ数を計測し、この計
測値をそのまま二つ目の検出点Ｘ₂から三つ目の検出点
Ｘ₃までの区間Ｄ₂でのステッピングモータ１の駆動ステ
ップ数として設定し、以下、これと同様にして順次、各
区間Ｄ₃〜Ｄｎにおけるステッピングモータ１の駆動ス
テップ数を制御する。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、比較
的低い角度分解能のステッピングモータと、それによる
送り量の微小とする遊星ローラ式減速機とを用いて安価
な構成としながらも、送り開始地点から目標地点までの
送り途中で実際の送り量を測定して実際に発生する誤差
を把握し、それに基づいて残りの送りについて起こり得
る誤差を考慮した送り制御を行うから、減速比の変動が
起こり得る遊星ローラ式減速機を用いていても従来例と
遜色のない程度の高精度な位置決めを行うことができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の送り装置の一実施例の概略構成図。

【図２】同実施例のコントローラの初期設定を示すフロ
ーチャート。

【図３】同実施例の動作説明に供するフローチャート。

【図４】本発明の送り装置の他の実施例の概略構成図。

【図５】リニアスケールの拡大説明図。

【図６】同実施例の動作説明に供するフローチャート。

【符号の説明】

１ステッピングモータ２遊星ローラ式
減速機３ボールネジ機構４ドライバ５リニアスケール６，６１コントローラ７指定部１０設定部１１リニアスケール信号受信部１２カウント部１３信号出力部Ｘ目標地点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被駆動体を所定方向へ送り駆動するため
のステッピングモータと、ステッピングモータの回転駆
動力を減速して被駆動体へ伝達する遊星ローラ式減速機
と、前記ステッピングモータを駆動する駆動手段と、前
記被駆動体の位置を検出する計測手段と、計測手段の位
置検出信号に基づきステッピングモータの駆動ステップ
数を補正する制御手段とを備えている、ことを特徴とす
る送り装置。