JPH0973317A - 位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 特別の速度センサを設けることなく、一般的
なＡＣモータのみで、メンテナンスフリーな高精度の位
置決め装置を実現する。 【解決手段】 摩擦接触部を介して案内される移動体１
２と、移動体を駆動する駆動手段１６と、移動体の速度
を検出する速度検出手段１７と、移動体の位置を検出す
る位置検出手段１３，１４と、所定の速度指令信号と移
動体の移動速度とに基づき移動体の速度を制御する速度
制御系４と、所定の位置指令信号と移動体の位置信号と
に基づき移動体の位置を制御する位置制御系３を備えた
位置決め装置において、速度制御手段のみの動作による
台形駆動を行う第１の位置決めモードと、位置制御系お
よび速度制御系の両者の動作によるフィードバック制御
を用いて粗の位置決めを行う第２の位置決めモードと、
位置制御系のみの動作によるフィードバック制御を用い
た精密位置決めを行う第３の位置決めモードとを切り替
える切替手段を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置のＸＹ
ステージの位置決めなどに適用される位置決め装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の位置決め装置を示すブロ
ック図であり、図６はこの位置決め装置が適用されるＸ
Ｙステージの外観を示す斜視図である。従来、半導体製
造装置に用いられるＸＹステージの位置決め装置は、図
５に示すように、位置決め対象のＸまたはＹステージで
ある移動体１２、移動体１２を移動させるためのＤＣモ
ータ６、ＤＣモータ６の動力が伝えられるボールねじ１
０、ＤＣモータ６の動力をボールねじ１０に伝達するカ
ップリング９、移動体１２に固定されボールねじ１０の
回転運動を直線運動に変換するナット１１、ＤＣモータ
６の回転速度に比例した電圧である回転速度信号Ｖを出
力するタコ・ジェネレータ７、移動体１２の上に固定さ
れたミラー１３、ミラー１３を用いて移動体１２の現在
位置を測定して位置信号Ｐを出力するレーザ測長器１
４、および制御回路から構成されている。

【０００３】制御回路は、制御系全体に支持を与える上
位コントローラ１の下に、移動体１２の次の移動の目標
位置を示す目標値信号Ｄ１を出力する目標値発生器２、
目標位置が現在位置に十分遠い場合に最高速度で移動さ
せるための台形波信号Ｄ２’を発生させる台形波発生器
８、現在位置が目標位置に十分接近した場合に目標値信
号Ｄ１と位置信号Ｐとの偏差に応じて適当な制御特性を
持った位置偏差信号Ｄ２を出力する位置アンプ３、上位
コントローラ１の信号により位置偏差信号Ｄ２と台形波
信号Ｄ２’とを切り換えるスイッチ１５、位置偏差信号
Ｄ２または台形波信号Ｄ２’と速度信号Ｖとの偏差に応
じて適当な制御特性を持った速度偏差信号Ｄ３を出力す
る速度アンプ４、速度偏差信号Ｄ３に応じた電流をＤＣ
モータ６に通電する電流アンプ５から構成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、ＤＣモータおよびタコ・ジェネレータの接点
部であるブラシの摩耗により、半年ないし１年に１回程
度、ブラシの交換が必要であり、メンテナンスフリー化
が強く望まれている。

【０００５】メンテナンスフリーを実現するためには、
ＤＣモータの代わりにＡＣモータを用い、タコ・ジェネ
レータの代わりにＡＣモータ駆動用相切り替え信号発生
器を兼ねたエンコーダの出力信号にＦＶ変換を行って速
度信号を得るようにすることが、広く行われている。し
かしながら、この構成では、エンコーダの分解能は上記
レーザ干渉計の分解能に比べて一桁低いかまたはそれ以
上の差があるために、サブミクロンオーダ以下の位置決
めにおいては、エンコーダ切り替え点の信号変化に起因
する非線形振動が生じて、位置決め不能である。

【０００６】また、速度検出器としてブラシレス・タコ
・ジェネレータやその他の速度センサを用いた場合、ユ
ニット外形が大きくなったり、コストが増大するという
問題点がある。

【０００７】さらに、速度フィードバックを持たない位
置フィードバックのみの制御系とした場合、制御帯域が
狭いため、高速応答ができなくなり、装置としてのスル
ープットを低下させるという問題点と、サーボ剛性が低
くなるために位置決め精度が低下するという問題点があ
る。

【０００８】本発明の目的は、この従来技術の問題点に
鑑み、特別の速度センサを設けることなく、一般的なＡ
Ｃモータのみで、メンテナンスフリーな高精度の位置決
め装置を実現することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、摩擦接触部を介して案内される移動体と、
移動体を駆動する駆動手段と、移動体の速度を検出する
速度検出手段と、移動体の位置を検出する位置検出手段
と、所定の速度指令信号と移動体の移動速度とに基づき
移動体の速度を制御する速度制御系と、所定の位置指令
信号と移動体の位置信号とに基づき移動体の位置を制御
する位置制御系を備えた位置決め装置において、速度制
御手段のみの動作による台形駆動を行う第１の位置決め
モードと、位置制御系および速度制御系の両者の動作に
よるフィードバック制御を用いて粗の位置決めを行う第
２の位置決めモードと、位置制御系のみの動作によるフ
ィードバック制御を用いた精密位置決めを行う第３の位
置決めモードとを切り替える切替手段を具備することを
特徴とする。

【００１０】また、位置制御系は、第３の位置決めモー
ドにおいて、位置指令信号と移動体の位置信号との偏差
に対して非線形特性および積分特性を与える手段を備え
ることを特徴とする。

【００１１】また、駆動手段はＡＣモータを有し、速度
検出手段はＡＣモータ駆動用の相切替え信号発生器を兼
ねたエンコーダを有することを特徴とする。

【００１２】さらに、切替手段は、第１、第２および第
３の位置決めモードの切替えを、移動体の位置信号また
は位置指令信号と位置信号との偏差に基いて行うもので
あることを特徴とする。

【００１３】

【作用】この構成において移動体は、第１の位置決めモ
ードにおいては、速度制御系のみにより、駆動手段の最
大出力で高速に移動され、第２の位置決めモードにおい
ては、位置および速度のフィードバック制御によって粗
位置決めされ、そして、第３の位置決めモードにおいて
は、位置フィードバック制御によって精密に位置決めさ
れる。したがって、駆動手段としてＡＣモータを用い、
そのエンコーダの出力をＦＶ変換して速度を検出してフ
ィードバックする場合でも、第３の位置決めモードにお
いては、位置のみのフィードバックにより高精度な位置
決めが行われる。

【００１４】また、粗位置決めまでに、台形駆動および
速度フィードバックによる制御モードを全体としての位
置決め時間を低下させずに位置決めが行われる。また、
第３の位置決めモードにおいては、位置指令信号と移動
体の位置信号との偏差信号に対し、非線形特性および積
分特性を付与することにより、サーボ剛性が高められ、
高精度で位置決めが行われる。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の一実施例に係る位置決め装
置を示すブロック図である。同図において、図５と同一
の符号は図５と同一の構成要素を示す。図中、１６はＡ
Ｃモータ、１７はエンコーダ、１８は目標値信号Ｄ１と
位置信号Ｐとの偏差に対して非線形特性を与える非線形
増幅器、１９は非線形増幅器１８の出力に適当なゲイン
を与える増幅器、２０は同じく非線形増幅器１８の出力
に積分特性を与える積分器、２１は増幅器１９の出力と
積分器２０の出力との和信号に機械的共振を防ぐための
適当な周波数特性を付加するためのノッチフィルタ、２
２はノッチフィルタ２１の出力に対してさらに帯域制限
を行うためのローパスフィルタ、２３はエンコーダ１７
の出力から速度信号を得るためのＦＶ変換器、２４は上
位コントローラ１の信号により、目標値発生器２からの
目標値信号Ｄ１の出力先を位置アンプ３と非線形増幅器
１８との間で切り替えるためのスイッチ、２５は上位コ
ントローラ１の信号により、電流アンプ５に入力する信
号を速度アンプ４の出力Ｄ３とローパスフィルタ２２の
出力Ｄ３’との間で切り替えるスイッチである。図２
は、図１の装置におけるモード切り替えのタイミングを
示すタイムチャートである。図中、上図は時間軸におけ
る速度信号Ｖの変化を模式的に示したものであり、下図
は同じく時間軸における位置信号Ｐの変化を模式的に示
したものである。図３は、図１の位置決め装置が適用さ
れるＸＹステージの外観を示す斜視図である。同図にお
いて、図１と同一の符号は、同一の構成要素を示す。図
４は、図１の装置における非線形増幅器１８の特性を示
す図である。横軸は入力である目標値信号Ｄ１と位置信
号Ｐの偏差を示し、縦軸は非線形増幅器１８の出力を示
す。

【００１６】位置決め動作の開始時、上位コントローラ
１はスイッチ１５をａ側（台形波発生器８側）とし、ス
イッチ２５をａ側（速度アンプ４側）とする。次に台形
波発生器８に対してトリガ信号を与え、これにより台形
波発生器８はあらかじめ定められた台形波Ｄ２’を出力
する。この信号と速度信号Ｖとの偏差を速度アンプ４は
適当な増幅率で増幅し、信号Ｄ３として出力する。これ
に基づき、電流アンプ５はＡＣモータ１６を駆動するた
めの電流を出力する。以上の動作によって、ＡＣモータ
１６の最大出力で移動体１２を高速移動させる。これ
を、第１モードとし、その時の速度信号Ｖと位置信号Ｐ
を示したものが図２の第１モードの区間である。

【００１７】次に、位置信号Ｐの示す現在位置が目標位
置に十分接近した場合、上位コントローラ１は位置信号
Ｐのモニタによりこれを検知し、スイッチ１５をｂ側
（位置アンプ３側）に、スイッチ２４をａ側（位置アン
プ３側）にし、目標値発生器２に目標値をアドレスの形
式等で与え、目標値発生器２はこれに応じた目標値信号
Ｄ１を出力する。目標値信号Ｄ１と位置信号Ｐとの偏差
を位置アンプ３は適当な増幅率で増幅し、信号Ｄ２とし
て出力し、この信号Ｄ２と速度信号Ｖとの偏差が速度ア
ンプ４に入力される。これによって、移動体１２は位置
ループおよび速度ループを有したフィードバック制御に
より位置決め動作が行われる。これを、第２モードと
し、その時の速度信号Ｖと位置信号Ｐを示したものが図
２の第２モードの区間である。

【００１８】次に、目標位置と現在位置との誤差が微小
位置決め領域、例えば０．５μｍ以下になった場合に、
上位コントローラ１はスイッチ２４をｂ側（非線形増幅
器１８側）にし、スイッチ２５をｂ側（ローパスフィル
タ２２側）にする。このとき、目標値信号Ｄ１と位置信
号Ｐとの偏差は、まず非線形増幅器１８に入力され、図
４で示されるような非線形特性を与えられて出力され
る。この出力は並列に構成された増幅器１９と積分器２
０によりＰＩ特性を与えられて出力される。この出力は
さらにノッチフィルタ２１によって機械的に共振を防ぐ
ための適当な周波数特性が付加され、ローパスフィルタ
２２によって帯域が制限され、電流アンプ５に入力され
る信号Ｄ３’となる。これによって移動体１２は位置ル
ープのみを有したフィードバック制御により精密位置決
めが行われる。これを、第３モードとし、その時の速度
信号Ｖと位置信号Ｐを示したものが、図２の第３モード
の区間である。これにより、上述したエンコーダ信号切
替点に起因する非線形振動を生じることはなく、また、
速度マイナーループを持たないことによるサーボ剛性の
低下は上述した非線形増幅器１８および積分器２０の特
性により補完され、ノッチフィルタ２１およびローパス
フィルタ２２の動作と相まって、安定でかつ精度の良い
位置決めが実現される。

【００１９】また、以上述べたように位置決めまでの動
作を第１から第３までのモードに分割し、位置決め時間
に対して支配的な高速移動時（第１モード）および粗位
置決め時（第２モード）においてはそれぞれ台形波駆動
および速度マイナーループを有したフィードバック制御
としているので、精密位置決めのために位置のみのフィ
ードバック制御（第３モード）も併用しているにもかか
わらず、トータルではほぼ従来並の位置決め時間を得る
ことができる。

【００２０】以上本発明の一実施例として、各モードの
切り替えを位置信号Ｐをもとに行う例について述べてき
たが、この切り替えは、目標値信号Ｄ１と位置信号Ｐと
の偏差に基づいて行ってもよい。

【００２１】また、上記実施例では図１に示すような制
御ブロックを持った制御系を例にして説明してきたが、
本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、制御要素を前後させ
たり、一部を省略したり追加したりしても同一の効果を
得られることは言うまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、速
度制御手段のみにより台形駆動を行う第１の位置決めモ
ードと、位置制御系および速度制御系の両者により粗位
置決めを行う第２の位置決めモードと、位置制御系のみ
の動作によりフィードバック制御を用いた精密位置決め
を行う第３の位置決めモードとを切り替えて位置決めを
行うように、また、第３の位置決めモードにおいては非
線形特性および積分特性を付与するようにし、さらに
は、駆動手段としてＡＣモータを用いるようにしたた
め、装置のスループットを低下させることなく、かつ位
置決め精度を低下させることなく、また特別な速度セン
サを設けることなく、メンテナンスフリーの位置決め装
置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る位置決め装置の構成
を示すブロック図である。

【図２】 図１の装置のタイミングチャートを示す図で
ある。

【図３】 図１の装置に適用されるＸＹステージを示す
斜視図である。

【図４】 図１の装置の非線形増幅器の特性を示す図で
ある。

【図５】 従来の位置決め装置の構成を示すブロック図
である。

【図６】 図５の装置に適用されるＸＹステージを示す
斜視図である。

【符号の説明】

１：上位コントローラ、２：目標値発生器、３：位置ア
ンプ、４：速度アンプ、５：電流アンプ、６：ＤＣモー
タ、７：タコ・ジェネレータ、８：台形波発生器、９：
カップリング、１０：ボールねじ、１１：ナット、１
２：移動体、１３：ミラー、１４：レーザ測長器、１
５：スイッチ、１６：ＡＣモータ、１７：エンコーダ、
１８：非線形増幅器、１９：増幅器、２０：積分器、２
１：ノッチフィルタ、２２：ローパスフィルタ、２３：
ＦＶ変換器、２４および２５：スイッチ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 摩擦接触部を介して案内される移動体
   と、前記移動体を駆動する駆動手段と、前記移動体の速
   度を検出する速度検出手段と、前記移動体の位置を検出
   する位置検出手段と、所定の速度指令信号と前記移動体
   の移動速度とに基づき前記移動体の速度を制御する速度
   制御系と、所定の位置指令信号と前記移動体の位置信号
   とに基づき前記移動体の位置を制御する位置制御系を備
   えた位置決め装置において、 前記速度制御手段のみの動作による台形駆動を行う第１
   の位置決めモードと、前記位置制御系および前記速度制
   御系の両者の動作によるフィードバック制御を用いて粗
   の位置決めを行う第２の位置決めモードと、前記位置制
   御系のみの動作によるフィードバック制御を用いた精密
   位置決めを行う第３の位置決めモードとを切り替える切
   替手段を具備することを特徴とする位置決め装置。
2. 【請求項２】 前記位置制御系は、前記第３の位置決め
   モードにおいて、前記位置指令信号と前記移動体の位置
   信号との偏差に対して非線形特性および積分特性を与え
   る手段を備えることを特徴とする請求項１記載の位置決
   め装置。
3. 【請求項３】 前記駆動手段はＡＣモータを有し、前記
   速度検出手段は前記ＡＣモータ駆動用の相切替え信号発
   生器を兼ねたエンコーダを有することを特徴とする請求
   項１記載の位置決め装置。
4. 【請求項４】 前記切替手段は、前記第１、第２および
   第３の位置決めモードの切替えを、前記移動体の位置信
   号または前記位置指令信号と前記位置信号との偏差に基
   いて行うものであることを特徴とする請求項１記載の位
   置決め装置。