位置決め装置および制御方法
【課題】静止安定性を有する位置決め装置。
【解決手段】対象物を移動させる駆動力を発生する駆動部と、対象物を目標位置に向かって移動させるべく駆動部をサーボ制御する制御部と、対象物を、駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部とを備え、移動した対象物が目標位置に到達した後、少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続する。上記位置決め装置において、浮上力を発生させて対象物を浮上させる浮上力発生部を更に備え、浮上力発生部が浮上力の発生を停止した後、少なくとも少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、力発生部が対象物を浮上させていた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続してもよい。
【解決手段】対象物を移動させる駆動力を発生する駆動部と、対象物を目標位置に向かって移動させるべく駆動部をサーボ制御する制御部と、対象物を、駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部とを備え、移動した対象物が目標位置に到達した後、少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続する。上記位置決め装置において、浮上力を発生させて対象物を浮上させる浮上力発生部を更に備え、浮上力発生部が浮上力の発生を停止した後、少なくとも少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、力発生部が対象物を浮上させていた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続してもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め装置および制御方法に関する。より詳細には、サーボ制御により対象物を目標位置に位置決めする位置決め装置とその制御方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボ制御されたアクチュエータを用いて、対象物を目標位置に向かって移動させる位置決め装置がある。下記の特許文献１には、サーボモータの軸を固定してから電力を遮断する制御装置が記載される。下記の特許文献２には、作動流体の圧力により駆動するピストンを備えた位置決め装置において、ピストンを停止させる場合の衝撃を緩和することが記載されている。
【０００３】
また、また、下記の特許文献３には、エアシリンダを目標位置に停止させる場合に制御を切り換えることが記載される。更に、下記の特許文献４には、作動流体として空気を用いたサーボ機構において、サーボ利得を安定させることが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−０７１９７０号公報
【特許文献２】特開平１０−１３１９０２号公報
【特許文献３】特開平１１−１４８５０２号公報
【特許文献４】特開平１１−２４９７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、サーボ制御された位置決め装置は、対象物を目標位置に向かって高精度に移動させることができる。一方、位置決め装置の用途によっては、目標位置に対する位置精度よりも、目標位置に到達した対象物の静止安定性が重視される。当該用途において、高い静止安定性を求めて位置精度の高いサーボ制御を実装した場合、位置決め装置が高価になる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の形態として、対象物を移動させる駆動力を発生する駆動部と、対象物を目標位置に向かって移動させるべく駆動部をサーボ制御する制御部と、対象物を、駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部とを備え、移動した対象物が目標位置に到達した後、少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続する位置決め装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の第２の形態として、対象物を移動させる駆動部と、対象物を目標位置に向かって移動させるべく駆動部をサーボ制御する制御部と、対象物を、駆動部の駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部とを備えた位置決め装置の制御方法であって、移動した対象物が目標位置に到達した後、少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続する制御方法が提供される。
【０００８】
上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これら特徴群のサブコンビネーションも発明となり得る。
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。しかしながら、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決に必須であるとは限らない。
【実施例１】
【００１０】
図１は、位置決め装置１００の構造を模式的に示す図である。位置決め装置１００は、位置決め動作を実行する作動部１０１と、作動部１０１を制御する制御部１０２とを含む。
【００１１】
作動部１０１は、位置決め装置１００が設置される床等に固定された本体部１１１と、本体部１１１に対して一体に移動するシリンダ１５０およびステージ１６０とを有する。ステージ１６０の一端には、基準マーク１７０が保持される。基準マーク１７０は、例えば、透明なガラス基板において特定の点を示す光学的な模様である。
【００１２】
例えば半導体装置の製造工程には、マスクあるいはレチクルと基板、積層する複数のダイあるいは基板、ダイとリードのように、微細な位置合わせが求められる段階が含まれる。このような段階では、相対位置が既知の複数の撮像装置により位置合わせの対象を撮像する。位置決め装置１００は、当該撮像装置の視野内に基準マーク１７０を進退させて、複数の撮像装置の相対的位置を高精度に検出する目的で使用できる。
【００１３】
本体部１１１は、基盤１１０、支柱１２０、案内部１３０およびピストン１４０を含む。基盤１１０は、水平に固定されて、位置決め装置１００全体の動作の基準となる。支柱１２０は、基盤１１０上の異なる位置に離間して配置され、案内部１３０の両端を支持する。
【００１４】
案内部１３０は、例えば水平に延在し、その略中央にピストン１４０を保持する。また、案内部１３０は、支柱１２０からピストン１４０に至る途中部分において、シリンダ１５０の側端面に挿通され、シリンダ１５０の移動方向を案内する。
【００１５】
ピストン１４０は、シリンダ１５０の内部に位置する。シリンダ１５０の内部では、ピストン１４０の両側方に一対の圧力室１５２、１５４が形成される。これにより、一対の圧力室１５２、１５４の圧力が平衡するように、シリンダ１５０はピストン１４０に対して水平に移動する。
【００１６】
更に、本体部１１１は、基盤１１０の上に配置されたエンコーダ１８０および固定機構１９０を具備する。エンコーダ１８０は、ピストン１４０の下面に、案内部１３０と平行に装着されたリニアスケール１８２の目盛りを検出して、基盤１１０に対するシリンダ１５０の移動量に対応するパルス信号を発生する。
【００１７】
固定機構１９０は、基盤１１０に対して昇降するシュー１９２を備える。上昇したシュー１９２は、シリンダ１５０に当接してシリンダ１５０を案内部１３０に押しつける。これにより、シリンダ１５０は強固に固定され、移動しなくなる。一方、降下したシュー１９２は、シリンダ１５０から離間するので、シリンダ１５０の移動を妨げることがない。
【００１８】
制御部１０２は、複数の制御弁２３２、２４２、２５２、２６２、一対の推力制御部２３０、２４０、浮上力制御部２５０、固定機構制御部２６０、サーボ制御部２７０およびシーケンス制御部２８０を備える。更に、制御部１０２は、制御弁２３２、２４２、２５２、２６２の各々に加圧された作動流体を供給する圧力源２１０と、制御弁２３２、２４２、２５２、２６２を介して作動流体を排出する排気部２９０とを有する。なお、作動流体としては、例えば乾燥空気を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００１９】
圧力源２１０は、圧力計２２０を介して、制御弁２３２、２４２、２５２、２６２の各々に圧力の安定した作動流体を供給する。制御弁２３２、２４２は、推力制御部２３０、２４０により制御されて、開放または閉鎖される。
【００２０】
推力制御部２３０、２４０の制御に従って、制御弁２３２、２４２が圧力室１５２、１５４を圧力源２１０に連通させた場合は、圧力室１５２、１５４のそれぞれに作動流体が供給される。また、制御弁２３２、２４２が、圧力室１５２、１５４を排気部２９０に連通させた場合は、圧力室１５２、１５４の内部が排気される。
【００２１】
更に、推力制御部２３０、２４０は、サーボ制御部２７０の制御を受ける。サーボ制御部２７０は、エンコーダ１８０の発生したパルス信号を参照して、初期位置に対するシリンダ１５０の変位量を監視する。これにより、サーボ制御部２７０は、シリンダ１５０の現在位置と目標位置との差分を算出して、シリンダ１５０が目標位置に向かって移動するように、推力制御部２３０、２４０に指令を発信する。
【００２２】
浮上力制御部２５０は、制御弁２５２を介して、ピストン１４０およびシリンダ１５０の摺動面に作動流体を供給する。これにより、ピストン１４０およびシリンダ１５０の摺動面には作動流体の層流が生じ、シリンダ１５０が円滑に移動する。
【００２３】
なお、図示の例では案内部１３０およびシリンダ１５０の間に作動流体は供給されない。しかしながら、圧力室１５２、１５４から外部に向かって流れ出る作動流体は、案内部１３０およびシリンダ１５０の間で層流をなして両者の摩擦を低減する。このように、圧力源２１０、制御弁２５２および浮上力制御部２５０を含む一連の構造は、対象物としての基準マーク１７０を保持するステージ１６０およびシリンダ１５０を、作動流体により浮上させる。
【００２４】
固定機構制御部２６０の制御の下に、制御弁２６２は、固定機構１９０を圧力源２１０または排気部２９０に連通させる。固定機構１９０が圧力源２１０に連通した場合は、作動流体が供給されてシュー１９２が上昇する。これにより、シリンダ１５０が案内部１３０に押しつけられて固定される。このように、固定機構１９０は、対象物たる基準マーク１７０を保持したステージ１６０およびシリンダ１５０を、案内部１３０向かって押しつけることにより固定する。
【００２５】
一方、固定機構１９０が排気部２９０に連通した場合は、固定機構１９０から作動流体が排出される。これにより、シュー１９２が降下してシリンダ１５０は開放され、再び移動できるようになる。
【００２６】
シーケンス制御部２８０は、上記した推力制御部２３０、２４０、浮上力制御部２５０および固定機構制御部２６０を統括して制御し、後述する制御手順を実行させる。なお、推力制御部２３０、２４０、浮上力制御部２５０および固定機構制御部２６０はいずれも電気回路として形成できるので統合してもよい。
【００２７】
図２は、位置決め装置１００の動作を説明する図である。なお、図２は、図１に示した位置決め装置１００の異なる状態を示す。従って、図１と共通の構成要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００２８】
例えば、推力制御部２３０が制御弁２３２を介して圧力室１５２を排気させ、一方、推力制御部２４０が制御弁２４２を介して圧力室１５４に作動流体を供給した場合、ピストン１４０に対して圧力室１５２、１５４から作用する作動流体の圧力が平衡するまで、シリンダ１５０は図中の左方に移動する。
【００２９】
シリンダ１５０の移動に伴ってリニアスケール１８２も移動するので、エンコーダ１８０は、移動に伴って通過した目盛りの数に応じたパルス信号を出力する。サーボ制御部２７０は、エンコーダ１８０が出力したパルス信号を参照して、シリンダ１５０の移動量と目標位置との差分を算出し、推力制御部２３０、２４０にそれぞれ指令を発信する。
【００３０】
このように、圧力源２１０、制御弁２３２、２４２および推力制御部２３０、２４０を含む一連の構造は、対象物としての基準マーク１７０を保持するシリンダ１５０およびステージ１６０を、作動流体の圧力により移動させる駆動部を形成する。
【００３１】
上記のようにしてシリンダ１５０が目標位置まで移動した場合は、固定機構制御部２６０が、制御弁２６２を介して固定機構１９０に作動流体を供給することにより、シュー１９２を上昇させて、シリンダ１５０の下面に当接させる。更に、シュー１９２がシリンダ１５０を押し上げることにより、シリンダ１５０は案内部１３０に押しつけられて、その位置に固定される。こうして、シリンダ１５０は、目標位置に固定される。
【００３２】
なお、上記のような機能に鑑み、固定機構１９０がシリンダ１５０を固定する場合の制動力は、シリンダ１５０を移動させる場合の推力よりも大きいことが望ましい。換言すれば、固定機構１９０は、シリンダ１５０を移動させる場合の推力に打ち勝ってシリンダ１５０の移動を制動できるのであれば、いかなる構造をも採り得る。
【００３３】
また、目標位置まで移動したシリンダ１５０は、もはや移動しない。そこで、浮上力制御部２５０は、制御弁２５２を介して、ピストン１４０およびシリンダ１５０の摺動部に対する作動流体の供給を遮断しても差し支えない。
【００３４】
図３は、上記のような位置決め装置１００の制御部１０２の構造と動作を模式的に示すブロック図である。以下に説明する制御系は、デジタル信号処理により制御を実行するが、アナログ信号処理によって制御してもよい。また、以下の説明においては、圧力室１５２に関する信号を符号「ａ」により、圧力室１５４に関する信号を符号「ｂ」により識別するが、図１および図２に示した参照番号も随時参照する。
【００３５】
制御弁２３２、２４２における作動流体の質量流量について考えると、圧力室１５２、１５４の各々に供給される作動流体の質量は、制御弁２３２、２４２における作動流体の流量Ｇａ、Ｇｂの積分値に相当する。ただし、シリンダ１５０においては作動流体の外部への漏出がある。
【００３６】
そこで、圧力室１５２からの漏出量Ｄａ、および、圧力室１５４からの漏出量Ｄｂと、圧力室１５２、１５４に既存の作動流体の質量ｍ０ａ、ｍ０ｂと、流量Ｇａ、Ｇｂの積分値との総和が、圧力室１５２、１５４の各々における作動流体の質量となる。
【００３７】
また、圧力室１５２、１５４の容積はシリンダ１５０の位置ｘに応じて変化し、シリンダ１５０の位置ｘの関数Ｖａ（ｘ）、Ｖｂ（ｘ）として表される。作動流体が空気等の気体である場合、圧力室１５２、１５４の各々における作動流体の圧力Ｐａ、Ｐｂは、状態方程式ＲＴ／Ｖａ（ｘ）、ＲＴ／Ｖｂ（ｘ）に従って決まる。
【００３８】
圧力室１５２、１５４における受圧面積Ｓａ、Ｓｂを圧力Ｐａ、Ｐｂに乗ずることにより、圧力室１５２、１５４の各々で発生する推力Ｆａ、Ｆｂが決定される。更に、推力Ｆａ、Ｆｂの差分が、シリンダ１５０を移動させる推力Ｆを生じる加速度となる。なお、圧力室１５２、１５４における受圧面積Ｓａ、Ｓｂが相互に等しい場合、推力Ｆは圧力Ｐａ、Ｐｂの差圧Ｐに等価となる。
【００３９】
推力Ｆは、可動部の質量に反比例した加速度特性（ｍ／ｓ２）で可動部を加速する。可動部の加速度を時間積分すると、移動する可動部の速度ｖ（ｍ／ｓ）となる。また、速度ｖを積分すると可動部の移動量ｘ（ｍ）が得られる。移動量ｘ（ｍ）は、リニアスケール１８２、エンコーダ１８０で形成されるリニアエンコーダによって観測することができる。
【００４０】
上記のような特性を有する作動部１０１に対して、制御部１０２は、以下のような処理を実行する。エンコーダ１８０からは、シリンダ１５０の位置を示す移動量ｘを示す位置センサ信号が入力される。位置センサ信号は、デジタル変換されて位置信号として演算される。エンコーダ１８０が位置センサ信号をパルス信号として発生する場合は、パルスカウント値をそのまま位置信号として処理することもできる。
【００４１】
位置信号から、目標位置を示す値を減算することにより、目標位置に対する現在位置の差分を示す位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐと、位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐを積分した積分帰還信号Ｓｉｇ＿ｉとが生成される。これにより、Ｓｉｇ＿ｐの積分値を帰還して、定常偏差に対する利得を向上させることができる。
【００４２】
また、位置信号を微分し、更にデジタルフィルタにより位相補償演算することにより、可動部の速度ｖを示す速度信号Ｓｉｇ＿ｖが生成される。なお、デジタル処理における微分演算は、制御計のサンプリング周期毎に、位置センサが取り込んだ位置信号を、サンプリング周期の時間で除する。
【００４３】
即ち、作動流体として圧縮流体を用いる制御では積分項が３次となり、安定な帰還系を構築するには位置信号の２階微分値が帰還される。上記の例では、微分演算と位相補償演算により２階微分値の帰還と等価な系を形成している。これにより、安定な位置決め特性が得られる。
【００４４】
これら、位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐ、積分帰還信号Ｓｉｇ＿ｉおよび速度信号Ｓｉｇ＿ｖに、それぞれの利得倍率（Ｋｖ、Ｋｐ、Ｋｉ）を乗算することにより、位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅが生成される。なお、位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅは、下記の式１のように表すことができる。
Ｓｉｇ＿Ｅ＝Ｋｐ＊Ｓｉｇ＿ｐ
＋Ｋｉ＊Ｓｉｇ＿ｉ
＋Ｋｖ＊Ｓｉｇ＿ｖ・・・式１
【００４５】
上記このようにして生成した位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅに基づいて、制御弁２３２、２４２の駆動信号が生成される。即ち、推力制御部２３０への指令信号のＳｉｇ＿Ａは、例えば、下記の式２に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ａ＝Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式２
【００４６】
この場合、推力制御部２４０への指令信号Ｓｉｇ＿Ｂは、下記の式３に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ｂ＝−Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式３
【００４７】
推力制御部２３０、２４０は、それぞれ、サーボゲインＫｓａ、Ｋｓｂを有し、入力された指令信号Ｓｉｇ＿Ａ、Ｓｉｇ＿Ｂに従って、制御弁２３２、２４２への指令電流を発生する。制御弁２３２、２４２は、各々の流量特性ｇ（Ｓ）に従って、指令電流に応じた流量で、圧力室１５２、１５４の作動流体を供給または排出する。
【００４８】
図４は、シーケンス制御部２８０が制御部１０２において実行させる制御手順を詳細に示す流れ図である。位置決め動作が開始されると、シーケンス制御部２８０は、まず、浮上力制御部２５０に制御弁２３２を開放させて、ピストン１４０に対してシリンダ１５０を浮上させる（ステップＳ１０１）。これによりピストン１４０に対する摺動抵抗が低下して、シリンダ１５０が円滑に移動できる状態になる。
【００４９】
次に、シーケンス制御部２８０は、サーボ制御部２７０にサーボ制御を開始させ、目標位置に向かってシリンダ１５０を移動させる（ステップＳ１０２）。やがて、エンコーダ１８０の出力したパルス信号に基づいて、シリンダ１５０が目標位置に到達したことが検出される（ステップＳ１０３）。
【００５０】
シリンダ１５０が目標位置まで移動すると、シーケンス制御部２８０は、まず、少なくとも固定機構１９０がシリンダ１５０を固定するまで、シリンダ１５０が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続する（ステップＳ１０４）。ここで設定されるサーボゲインの値は、例えば、シーケンス制御部２８０に格納されている。これにより、シリンダ１５０は、目標位置に静止する。
【００５１】
なお、ステップＳ１０４においては、結果的にトータルゲイン（サーボゲインの総和）が小さくなればよい。従って、例えば、ゲインＫｐ、ゲインＫｉを変化させずに、ゲインＫｖの値を単独で小さくしてもよい。
【００５２】
このような場合、ゲインＫｖを１０％下げることにより有効な効果が得られた。これにより、位置決め装置１００の外乱に対する感度が低くなり、後述する固定動作が開始された場合に生じる衝撃等によってサーボ系に生じる影響を抑制できる。 換言すれば、ステップＳ１０４のような制御を実行することにより、固定動作等による衝撃を考慮することなく、位置決め装置１００に高いトータルゲインを設定できる。
【００５３】
また、３つのサーボゲイン（Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｖ）を全て一律に小さくしてもよい。この場合は、各ゲインを５％下げることにより、有意な効果が現れた。この場合も、位置決め装置１００の外乱に対する感度が低くなり、サーボ系に対する外乱の影響を抑制することができた。
【００５４】
次に、シーケンス制御部２８０は、浮上力制御部２５０に制御弁２５２を閉鎖させて、浮上力を停止させる（ステップＳ１０５）。更に、浮上力の停止と略同時に、シーケンス制御部２８０は、浮上力発生部が浮上力の発生を停止した後、少なくとも固定機構１９０がシリンダ１５０を固定するまで、浮上力制御部２５０がシリンダ１５０を浮上させていた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲイン、即ち、ステップＳ１０４よりも更に小さいサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続させる（ステップＳ１０６）。これらにより、シリンダ１５０は、更に移動し難い状態で目標位置に静止する。
【００５５】
なお、ステップＳ１０６においては、積分演算を実行する系のゲインＫｉを零まで小さくすることが有効であった。これにより、シリンダ１５０が停止したときに残っていた誤差分が積分系に蓄積されて、後述する固定機構１９０による固定が解かれた場合に、シリンダ１５０に対して急激な駆動力が発生することが防止される。即ち、ステップＳ１０６においては、サーボゲインＫｉをゼロまたはゼロに近い値とすることが好ましい。
【００５６】
ただし、他のサーボゲイン（Ｋｐ、Ｋｖ）については変化させなくても差し支えないのでそのまま維持する。即ち、ゲインＫｉを減少させることにより、サーボ系のトータルゲインは減少するが、サーボ制御自体は継続される。これにより、シリンダ１５０が目標位置に到達した後も、サーボ制御を継続することができる。
【００５７】
ここで、シーケンス制御部２８０は、シリンダ１５０が目標位置から所与の許容範囲に位置しているかどうかを検査する（ステップＳ１０７）。ここで、許容範囲とは、例えば、前述した撮像装置の例であれば、撮像装置の撮像視野内に基準マーク１７０が位置しているか否かが検査される。
【００５８】
シリンダ１５０が許容範囲内外に位置している場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、シーケンス制御部２８０は、ステップＳ１０２においてシリンダ１５０が目標物に向かって移動していた期間のサーボゲインまで戻したサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続させる（ステップＳ１０８）。これにより、外部からの振動等によりシリンダ１５０の位置が変位した場合にも、位置決めの精度が担保される。
【００５９】
なお、この実施形態では、シリンダ１５０が所与の許容範囲内に位置していることを条件としてサーボゲインを元に戻すとした。しかしながら、上記条件が発生した場合の対応がこれに限定されるわけではない。例えば、リトライループ（ステップＳ１０７：ＮＯ）の発生回数に応じて、サーボゲインを段階的に戻すように制御してもよい。即ち、リトライループ（ステップＳ１０７：ＮＯ）３回目までは、ステップＳ１０３におけるサーボゲインの８０％まで戻し、リトライ４回目以降はステップＳ１０３のサーボゲインの９０％まで戻す、等ように制御してもよい。
【００６０】
一方、シリンダ１５０が許容範囲内に位置している場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、シーケンス制御部２８０は、固定機構制御部２６０に、シリンダ１５０を固定させる（ステップＳ１０９）。これにより、シリンダ１５０は、固定機構１９０により固定されて、高い静止安定性の下に目標位置に静止する。なお、このような機能に鑑みて、固定機構１９０の固定力は、推力制御部２３０、２４０によるシリンダ１５０の駆動力よりも高いことが望ましい。
【００６１】
なお、シリンダ１５０は固定機構１９０により固定されるので、サーボ制御部２７０がサーボ制御を実行してもシリンダ１５０は移動しない。しかしながら、シリンダ１５０が固定機構１９０により固定されている期間もサーボ制御を継続することにより、再び位置決め動作が開始された場合に、初期化を省いてサーボ制御を継続できる。
【００６２】
このように、シーケンス制御部２８０は、固定機構１９０がシリンダ１５０を固定した後も、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続させてもよい。この場合のサーボ制御におけるサーボゲインは、ステップＳ１０５において小さくなったサーボゲインよりも更に小さくてもよい。
【００６３】
このようにして、制御部１０２は、移動したシリンダ１５０が目標位置に到達した後、少なくとも固定機構１９０がシリンダを固定するまで、シリンダが移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を実行させる。これにより、静止位置を目標位置に合わせる精度を徒に向上させることなく、静止安定性の高い位置決め装置１００が形成される。
【００６４】
即ち、サーボゲインを低下させることによりシリンダ１５０に対する駆動力が低くなるので、固定機構１９０は、シリンダ１５０を確実に固定できる。このような位置決め装置１００を用途に応じて装備させることにより、所期の静止安定性を維持しつつ、位置決め装置１００を含む装置あるいは設備のコストを低減できる。
【００６５】
なお、上記の実施形態では、空気等の作動流体を用いてシリンダ１５０を移動させているが、電動アクチュエータ等によりシリンダ１５０、固定機構１９０等を動作させた場合にも、上記制御の効果は有効になる。また、浮上部も、磁気、電界等により浮上力を得る構造としても差し支えない。
【００６６】
図５は、位置決め装置１００を含む較正装置３００の構造と機能を模式的に示す図である。較正装置３００は、例えば図５（ａ）に示すように、互いに水平方向に沿って配列された一対の撮像ユニット３１０の相対位置を較正する。また、較正装置３００による相対位置の較正は、図５（ｂ）に示すように、上下に対向して配置された一対の撮像ユニット３１０の相対位置を較正する場合にも有効になる。
【００６７】
即ち、複数の撮像ユニット３１０の相対位置を高精度に検知する場合に、位置決め装置１００は、双方の撮像ユニット３１０から共通に撮影される位置に基準マーク１７０を位置決めする。相対位置の較正が終了した後は、基準マーク１７０は、撮像ユニット３１０の撮像範囲から退避する。換言すれば、相対位置を較正する場合には、基準マーク１７０を、撮像ユニット３１０の撮像範囲に、その都度位置決めする。
【００６８】
撮像ユニット３１０の各々は、レンズ３１２およびカメラ３１４をそれぞれ備える。レンズ３１２は画像を拡大する。カメラ３１４は、レンズ３１２が拡大した画像を撮像する。ここで、レンズ３１２の拡大率が大きい場合、カメラ３１４が撮像し得る視野は小さくなる。このため、基準マーク１７０は、カメラ３１４が撮像できる狭い視野に含まれる所定の位置に位置決めされることが求められる。
【００６９】
観点を変えると、較正を実行する場合に位置決めされる基準マーク１７０の位置は、カメラ３１４の視野に入ってさえいれば、設定された位置目標に対する位置精度は要求されない。従って、カメラ３１４の視野の広さを基準に定められた許容範囲に入っていれば、それを越える位置精度は求められない。
【００７０】
一方、撮像ユニット３１０の相対位置は、共通の基準マーク１７０を撮像することにより算出される。しかしながら、一対の撮像ユニット３１０が基準マーク１７０を全く同時に撮像できるとは限らないので、両方の撮像ユニット３１０による基準マーク１７０の撮像が完了するまでの間は、基準マーク１７０が一定の位置に高い精度で静止していることが求められる。
【００７１】
このような場合に用いられる拡大率の大きな撮像ユニット３１０の視野は、数十μｍ程度になる。一方、位置合わせに求められる精度はサブμｍとなる。従って、撮像ユニット３１０により基準マーク１７０を撮像し得る範囲には数十μｍ程度の幅があるが、撮像ユニット３１０の相対位置の位置合わせ精度への要求は高い。
【００７２】
このように、位置決め装置１００の位置決めの対象物は、複数の撮像ユニット３１０の相対位置を算出する場合に、複数の撮像ユニット３１０から共通に撮像される基準マーク１７０であり得る。これにより、絶対的な目標位置への位置決め精度を徒に高くすることなく、静止位置安定性を有する位置決め装置１００を装備できるので、複数の撮像ユニット３１０を含む装置あるいは設備のコストを低減できる。
【００７３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】位置決め装置１００の構造を模式的に示す図である。
【図２】位置決め装置１００の動作を説明する図である。
【図３】制御部１０２の構造と動作を模式的に示すブロック図である。
【図４】シーケンス制御部２８０が実行させる制御手順を詳細に示す流れ図である。
【図５】較正装置３００の構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００ 位置決め装置、１０１ 作動部、１０２ 制御部、１１０ 基盤、１１１ 本体部、１２０ 支柱、１３０ 案内部、１４０ ピストン、１５０ シリンダ、１５２、１５４ 圧力室、１６０ ステージ、１７０ 基準マーク、１８０ エンコーダ、１８２ リニアスケール、１９０ 固定機構、１９２ シュー、２１０ 圧力源、２２０ 圧力計、２３０、２４０ 推力制御部、２３２、２４２、２５２、２６２ 制御弁、２５０ 浮上力制御部、２６０ 固定機構制御部、２７０ サーボ制御部、２８０ シーケンス制御部、２９０ 排気部、３００ 較正装置、３１０ 撮像ユニット、３１２ レンズ、３１４ カメラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置決め装置および制御方法に関する。より詳細には、サーボ制御により対象物を目標位置に位置決めする位置決め装置とその制御方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
サーボ制御されたアクチュエータを用いて、対象物を目標位置に向かって移動させる位置決め装置がある。下記の特許文献１には、サーボモータの軸を固定してから電力を遮断する制御装置が記載される。下記の特許文献２には、作動流体の圧力により駆動するピストンを備えた位置決め装置において、ピストンを停止させる場合の衝撃を緩和することが記載されている。
【０００３】
また、また、下記の特許文献３には、エアシリンダを目標位置に停止させる場合に制御を切り換えることが記載される。更に、下記の特許文献４には、作動流体として空気を用いたサーボ機構において、サーボ利得を安定させることが記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平０８−０７１９７０号公報
【特許文献２】特開平１０−１３１９０２号公報
【特許文献３】特開平１１−１４８５０２号公報
【特許文献４】特開平１１−２４９７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、サーボ制御された位置決め装置は、対象物を目標位置に向かって高精度に移動させることができる。一方、位置決め装置の用途によっては、目標位置に対する位置精度よりも、目標位置に到達した対象物の静止安定性が重視される。当該用途において、高い静止安定性を求めて位置精度の高いサーボ制御を実装した場合、位置決め装置が高価になる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、上記課題を解決すべく、本発明の第１の形態として、対象物を移動させる駆動力を発生する駆動部と、対象物を目標位置に向かって移動させるべく駆動部をサーボ制御する制御部と、対象物を、駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部とを備え、移動した対象物が目標位置に到達した後、少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続する位置決め装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の第２の形態として、対象物を移動させる駆動部と、対象物を目標位置に向かって移動させるべく駆動部をサーボ制御する制御部と、対象物を、駆動部の駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部とを備えた位置決め装置の制御方法であって、移動した対象物が目標位置に到達した後、少なくとも固定部が対象物を固定するまで、制御部は、対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインでサーボ制御を継続する制御方法が提供される。
【０００８】
上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これら特徴群のサブコンビネーションも発明となり得る。
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明する。しかしながら、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決に必須であるとは限らない。
【実施例１】
【００１０】
図１は、位置決め装置１００の構造を模式的に示す図である。位置決め装置１００は、位置決め動作を実行する作動部１０１と、作動部１０１を制御する制御部１０２とを含む。
【００１１】
作動部１０１は、位置決め装置１００が設置される床等に固定された本体部１１１と、本体部１１１に対して一体に移動するシリンダ１５０およびステージ１６０とを有する。ステージ１６０の一端には、基準マーク１７０が保持される。基準マーク１７０は、例えば、透明なガラス基板において特定の点を示す光学的な模様である。
【００１２】
例えば半導体装置の製造工程には、マスクあるいはレチクルと基板、積層する複数のダイあるいは基板、ダイとリードのように、微細な位置合わせが求められる段階が含まれる。このような段階では、相対位置が既知の複数の撮像装置により位置合わせの対象を撮像する。位置決め装置１００は、当該撮像装置の視野内に基準マーク１７０を進退させて、複数の撮像装置の相対的位置を高精度に検出する目的で使用できる。
【００１３】
本体部１１１は、基盤１１０、支柱１２０、案内部１３０およびピストン１４０を含む。基盤１１０は、水平に固定されて、位置決め装置１００全体の動作の基準となる。支柱１２０は、基盤１１０上の異なる位置に離間して配置され、案内部１３０の両端を支持する。
【００１４】
案内部１３０は、例えば水平に延在し、その略中央にピストン１４０を保持する。また、案内部１３０は、支柱１２０からピストン１４０に至る途中部分において、シリンダ１５０の側端面に挿通され、シリンダ１５０の移動方向を案内する。
【００１５】
ピストン１４０は、シリンダ１５０の内部に位置する。シリンダ１５０の内部では、ピストン１４０の両側方に一対の圧力室１５２、１５４が形成される。これにより、一対の圧力室１５２、１５４の圧力が平衡するように、シリンダ１５０はピストン１４０に対して水平に移動する。
【００１６】
更に、本体部１１１は、基盤１１０の上に配置されたエンコーダ１８０および固定機構１９０を具備する。エンコーダ１８０は、ピストン１４０の下面に、案内部１３０と平行に装着されたリニアスケール１８２の目盛りを検出して、基盤１１０に対するシリンダ１５０の移動量に対応するパルス信号を発生する。
【００１７】
固定機構１９０は、基盤１１０に対して昇降するシュー１９２を備える。上昇したシュー１９２は、シリンダ１５０に当接してシリンダ１５０を案内部１３０に押しつける。これにより、シリンダ１５０は強固に固定され、移動しなくなる。一方、降下したシュー１９２は、シリンダ１５０から離間するので、シリンダ１５０の移動を妨げることがない。
【００１８】
制御部１０２は、複数の制御弁２３２、２４２、２５２、２６２、一対の推力制御部２３０、２４０、浮上力制御部２５０、固定機構制御部２６０、サーボ制御部２７０およびシーケンス制御部２８０を備える。更に、制御部１０２は、制御弁２３２、２４２、２５２、２６２の各々に加圧された作動流体を供給する圧力源２１０と、制御弁２３２、２４２、２５２、２６２を介して作動流体を排出する排気部２９０とを有する。なお、作動流体としては、例えば乾燥空気を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００１９】
圧力源２１０は、圧力計２２０を介して、制御弁２３２、２４２、２５２、２６２の各々に圧力の安定した作動流体を供給する。制御弁２３２、２４２は、推力制御部２３０、２４０により制御されて、開放または閉鎖される。
【００２０】
推力制御部２３０、２４０の制御に従って、制御弁２３２、２４２が圧力室１５２、１５４を圧力源２１０に連通させた場合は、圧力室１５２、１５４のそれぞれに作動流体が供給される。また、制御弁２３２、２４２が、圧力室１５２、１５４を排気部２９０に連通させた場合は、圧力室１５２、１５４の内部が排気される。
【００２１】
更に、推力制御部２３０、２４０は、サーボ制御部２７０の制御を受ける。サーボ制御部２７０は、エンコーダ１８０の発生したパルス信号を参照して、初期位置に対するシリンダ１５０の変位量を監視する。これにより、サーボ制御部２７０は、シリンダ１５０の現在位置と目標位置との差分を算出して、シリンダ１５０が目標位置に向かって移動するように、推力制御部２３０、２４０に指令を発信する。
【００２２】
浮上力制御部２５０は、制御弁２５２を介して、ピストン１４０およびシリンダ１５０の摺動面に作動流体を供給する。これにより、ピストン１４０およびシリンダ１５０の摺動面には作動流体の層流が生じ、シリンダ１５０が円滑に移動する。
【００２３】
なお、図示の例では案内部１３０およびシリンダ１５０の間に作動流体は供給されない。しかしながら、圧力室１５２、１５４から外部に向かって流れ出る作動流体は、案内部１３０およびシリンダ１５０の間で層流をなして両者の摩擦を低減する。このように、圧力源２１０、制御弁２５２および浮上力制御部２５０を含む一連の構造は、対象物としての基準マーク１７０を保持するステージ１６０およびシリンダ１５０を、作動流体により浮上させる。
【００２４】
固定機構制御部２６０の制御の下に、制御弁２６２は、固定機構１９０を圧力源２１０または排気部２９０に連通させる。固定機構１９０が圧力源２１０に連通した場合は、作動流体が供給されてシュー１９２が上昇する。これにより、シリンダ１５０が案内部１３０に押しつけられて固定される。このように、固定機構１９０は、対象物たる基準マーク１７０を保持したステージ１６０およびシリンダ１５０を、案内部１３０向かって押しつけることにより固定する。
【００２５】
一方、固定機構１９０が排気部２９０に連通した場合は、固定機構１９０から作動流体が排出される。これにより、シュー１９２が降下してシリンダ１５０は開放され、再び移動できるようになる。
【００２６】
シーケンス制御部２８０は、上記した推力制御部２３０、２４０、浮上力制御部２５０および固定機構制御部２６０を統括して制御し、後述する制御手順を実行させる。なお、推力制御部２３０、２４０、浮上力制御部２５０および固定機構制御部２６０はいずれも電気回路として形成できるので統合してもよい。
【００２７】
図２は、位置決め装置１００の動作を説明する図である。なお、図２は、図１に示した位置決め装置１００の異なる状態を示す。従って、図１と共通の構成要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省く。
【００２８】
例えば、推力制御部２３０が制御弁２３２を介して圧力室１５２を排気させ、一方、推力制御部２４０が制御弁２４２を介して圧力室１５４に作動流体を供給した場合、ピストン１４０に対して圧力室１５２、１５４から作用する作動流体の圧力が平衡するまで、シリンダ１５０は図中の左方に移動する。
【００２９】
シリンダ１５０の移動に伴ってリニアスケール１８２も移動するので、エンコーダ１８０は、移動に伴って通過した目盛りの数に応じたパルス信号を出力する。サーボ制御部２７０は、エンコーダ１８０が出力したパルス信号を参照して、シリンダ１５０の移動量と目標位置との差分を算出し、推力制御部２３０、２４０にそれぞれ指令を発信する。
【００３０】
このように、圧力源２１０、制御弁２３２、２４２および推力制御部２３０、２４０を含む一連の構造は、対象物としての基準マーク１７０を保持するシリンダ１５０およびステージ１６０を、作動流体の圧力により移動させる駆動部を形成する。
【００３１】
上記のようにしてシリンダ１５０が目標位置まで移動した場合は、固定機構制御部２６０が、制御弁２６２を介して固定機構１９０に作動流体を供給することにより、シュー１９２を上昇させて、シリンダ１５０の下面に当接させる。更に、シュー１９２がシリンダ１５０を押し上げることにより、シリンダ１５０は案内部１３０に押しつけられて、その位置に固定される。こうして、シリンダ１５０は、目標位置に固定される。
【００３２】
なお、上記のような機能に鑑み、固定機構１９０がシリンダ１５０を固定する場合の制動力は、シリンダ１５０を移動させる場合の推力よりも大きいことが望ましい。換言すれば、固定機構１９０は、シリンダ１５０を移動させる場合の推力に打ち勝ってシリンダ１５０の移動を制動できるのであれば、いかなる構造をも採り得る。
【００３３】
また、目標位置まで移動したシリンダ１５０は、もはや移動しない。そこで、浮上力制御部２５０は、制御弁２５２を介して、ピストン１４０およびシリンダ１５０の摺動部に対する作動流体の供給を遮断しても差し支えない。
【００３４】
図３は、上記のような位置決め装置１００の制御部１０２の構造と動作を模式的に示すブロック図である。以下に説明する制御系は、デジタル信号処理により制御を実行するが、アナログ信号処理によって制御してもよい。また、以下の説明においては、圧力室１５２に関する信号を符号「ａ」により、圧力室１５４に関する信号を符号「ｂ」により識別するが、図１および図２に示した参照番号も随時参照する。
【００３５】
制御弁２３２、２４２における作動流体の質量流量について考えると、圧力室１５２、１５４の各々に供給される作動流体の質量は、制御弁２３２、２４２における作動流体の流量Ｇａ、Ｇｂの積分値に相当する。ただし、シリンダ１５０においては作動流体の外部への漏出がある。
【００３６】
そこで、圧力室１５２からの漏出量Ｄａ、および、圧力室１５４からの漏出量Ｄｂと、圧力室１５２、１５４に既存の作動流体の質量ｍ０ａ、ｍ０ｂと、流量Ｇａ、Ｇｂの積分値との総和が、圧力室１５２、１５４の各々における作動流体の質量となる。
【００３７】
また、圧力室１５２、１５４の容積はシリンダ１５０の位置ｘに応じて変化し、シリンダ１５０の位置ｘの関数Ｖａ（ｘ）、Ｖｂ（ｘ）として表される。作動流体が空気等の気体である場合、圧力室１５２、１５４の各々における作動流体の圧力Ｐａ、Ｐｂは、状態方程式ＲＴ／Ｖａ（ｘ）、ＲＴ／Ｖｂ（ｘ）に従って決まる。
【００３８】
圧力室１５２、１５４における受圧面積Ｓａ、Ｓｂを圧力Ｐａ、Ｐｂに乗ずることにより、圧力室１５２、１５４の各々で発生する推力Ｆａ、Ｆｂが決定される。更に、推力Ｆａ、Ｆｂの差分が、シリンダ１５０を移動させる推力Ｆを生じる加速度となる。なお、圧力室１５２、１５４における受圧面積Ｓａ、Ｓｂが相互に等しい場合、推力Ｆは圧力Ｐａ、Ｐｂの差圧Ｐに等価となる。
【００３９】
推力Ｆは、可動部の質量に反比例した加速度特性（ｍ／ｓ２）で可動部を加速する。可動部の加速度を時間積分すると、移動する可動部の速度ｖ（ｍ／ｓ）となる。また、速度ｖを積分すると可動部の移動量ｘ（ｍ）が得られる。移動量ｘ（ｍ）は、リニアスケール１８２、エンコーダ１８０で形成されるリニアエンコーダによって観測することができる。
【００４０】
上記のような特性を有する作動部１０１に対して、制御部１０２は、以下のような処理を実行する。エンコーダ１８０からは、シリンダ１５０の位置を示す移動量ｘを示す位置センサ信号が入力される。位置センサ信号は、デジタル変換されて位置信号として演算される。エンコーダ１８０が位置センサ信号をパルス信号として発生する場合は、パルスカウント値をそのまま位置信号として処理することもできる。
【００４１】
位置信号から、目標位置を示す値を減算することにより、目標位置に対する現在位置の差分を示す位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐと、位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐを積分した積分帰還信号Ｓｉｇ＿ｉとが生成される。これにより、Ｓｉｇ＿ｐの積分値を帰還して、定常偏差に対する利得を向上させることができる。
【００４２】
また、位置信号を微分し、更にデジタルフィルタにより位相補償演算することにより、可動部の速度ｖを示す速度信号Ｓｉｇ＿ｖが生成される。なお、デジタル処理における微分演算は、制御計のサンプリング周期毎に、位置センサが取り込んだ位置信号を、サンプリング周期の時間で除する。
【００４３】
即ち、作動流体として圧縮流体を用いる制御では積分項が３次となり、安定な帰還系を構築するには位置信号の２階微分値が帰還される。上記の例では、微分演算と位相補償演算により２階微分値の帰還と等価な系を形成している。これにより、安定な位置決め特性が得られる。
【００４４】
これら、位置残差信号Ｓｉｇ＿ｐ、積分帰還信号Ｓｉｇ＿ｉおよび速度信号Ｓｉｇ＿ｖに、それぞれの利得倍率（Ｋｖ、Ｋｐ、Ｋｉ）を乗算することにより、位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅが生成される。なお、位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅは、下記の式１のように表すことができる。
Ｓｉｇ＿Ｅ＝Ｋｐ＊Ｓｉｇ＿ｐ
＋Ｋｉ＊Ｓｉｇ＿ｉ
＋Ｋｖ＊Ｓｉｇ＿ｖ・・・式１
【００４５】
上記このようにして生成した位置目標信号Ｓｉｇ＿Ｅに基づいて、制御弁２３２、２４２の駆動信号が生成される。即ち、推力制御部２３０への指令信号のＳｉｇ＿Ａは、例えば、下記の式２に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ａ＝Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式２
【００４６】
この場合、推力制御部２４０への指令信号Ｓｉｇ＿Ｂは、下記の式３に示す演算により生成される。
Ｓｉｇ＿Ｂ＝−Ｓｉｇ＿Ｅ・・・式３
【００４７】
推力制御部２３０、２４０は、それぞれ、サーボゲインＫｓａ、Ｋｓｂを有し、入力された指令信号Ｓｉｇ＿Ａ、Ｓｉｇ＿Ｂに従って、制御弁２３２、２４２への指令電流を発生する。制御弁２３２、２４２は、各々の流量特性ｇ（Ｓ）に従って、指令電流に応じた流量で、圧力室１５２、１５４の作動流体を供給または排出する。
【００４８】
図４は、シーケンス制御部２８０が制御部１０２において実行させる制御手順を詳細に示す流れ図である。位置決め動作が開始されると、シーケンス制御部２８０は、まず、浮上力制御部２５０に制御弁２３２を開放させて、ピストン１４０に対してシリンダ１５０を浮上させる（ステップＳ１０１）。これによりピストン１４０に対する摺動抵抗が低下して、シリンダ１５０が円滑に移動できる状態になる。
【００４９】
次に、シーケンス制御部２８０は、サーボ制御部２７０にサーボ制御を開始させ、目標位置に向かってシリンダ１５０を移動させる（ステップＳ１０２）。やがて、エンコーダ１８０の出力したパルス信号に基づいて、シリンダ１５０が目標位置に到達したことが検出される（ステップＳ１０３）。
【００５０】
シリンダ１５０が目標位置まで移動すると、シーケンス制御部２８０は、まず、少なくとも固定機構１９０がシリンダ１５０を固定するまで、シリンダ１５０が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続する（ステップＳ１０４）。ここで設定されるサーボゲインの値は、例えば、シーケンス制御部２８０に格納されている。これにより、シリンダ１５０は、目標位置に静止する。
【００５１】
なお、ステップＳ１０４においては、結果的にトータルゲイン（サーボゲインの総和）が小さくなればよい。従って、例えば、ゲインＫｐ、ゲインＫｉを変化させずに、ゲインＫｖの値を単独で小さくしてもよい。
【００５２】
このような場合、ゲインＫｖを１０％下げることにより有効な効果が得られた。これにより、位置決め装置１００の外乱に対する感度が低くなり、後述する固定動作が開始された場合に生じる衝撃等によってサーボ系に生じる影響を抑制できる。 換言すれば、ステップＳ１０４のような制御を実行することにより、固定動作等による衝撃を考慮することなく、位置決め装置１００に高いトータルゲインを設定できる。
【００５３】
また、３つのサーボゲイン（Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｖ）を全て一律に小さくしてもよい。この場合は、各ゲインを５％下げることにより、有意な効果が現れた。この場合も、位置決め装置１００の外乱に対する感度が低くなり、サーボ系に対する外乱の影響を抑制することができた。
【００５４】
次に、シーケンス制御部２８０は、浮上力制御部２５０に制御弁２５２を閉鎖させて、浮上力を停止させる（ステップＳ１０５）。更に、浮上力の停止と略同時に、シーケンス制御部２８０は、浮上力発生部が浮上力の発生を停止した後、少なくとも固定機構１９０がシリンダ１５０を固定するまで、浮上力制御部２５０がシリンダ１５０を浮上させていた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲイン、即ち、ステップＳ１０４よりも更に小さいサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続させる（ステップＳ１０６）。これらにより、シリンダ１５０は、更に移動し難い状態で目標位置に静止する。
【００５５】
なお、ステップＳ１０６においては、積分演算を実行する系のゲインＫｉを零まで小さくすることが有効であった。これにより、シリンダ１５０が停止したときに残っていた誤差分が積分系に蓄積されて、後述する固定機構１９０による固定が解かれた場合に、シリンダ１５０に対して急激な駆動力が発生することが防止される。即ち、ステップＳ１０６においては、サーボゲインＫｉをゼロまたはゼロに近い値とすることが好ましい。
【００５６】
ただし、他のサーボゲイン（Ｋｐ、Ｋｖ）については変化させなくても差し支えないのでそのまま維持する。即ち、ゲインＫｉを減少させることにより、サーボ系のトータルゲインは減少するが、サーボ制御自体は継続される。これにより、シリンダ１５０が目標位置に到達した後も、サーボ制御を継続することができる。
【００５７】
ここで、シーケンス制御部２８０は、シリンダ１５０が目標位置から所与の許容範囲に位置しているかどうかを検査する（ステップＳ１０７）。ここで、許容範囲とは、例えば、前述した撮像装置の例であれば、撮像装置の撮像視野内に基準マーク１７０が位置しているか否かが検査される。
【００５８】
シリンダ１５０が許容範囲内外に位置している場合（ステップＳ１０７：ＮＯ）、シーケンス制御部２８０は、ステップＳ１０２においてシリンダ１５０が目標物に向かって移動していた期間のサーボゲインまで戻したサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続させる（ステップＳ１０８）。これにより、外部からの振動等によりシリンダ１５０の位置が変位した場合にも、位置決めの精度が担保される。
【００５９】
なお、この実施形態では、シリンダ１５０が所与の許容範囲内に位置していることを条件としてサーボゲインを元に戻すとした。しかしながら、上記条件が発生した場合の対応がこれに限定されるわけではない。例えば、リトライループ（ステップＳ１０７：ＮＯ）の発生回数に応じて、サーボゲインを段階的に戻すように制御してもよい。即ち、リトライループ（ステップＳ１０７：ＮＯ）３回目までは、ステップＳ１０３におけるサーボゲインの８０％まで戻し、リトライ４回目以降はステップＳ１０３のサーボゲインの９０％まで戻す、等ように制御してもよい。
【００６０】
一方、シリンダ１５０が許容範囲内に位置している場合（ステップＳ１０７：ＹＥＳ）、シーケンス制御部２８０は、固定機構制御部２６０に、シリンダ１５０を固定させる（ステップＳ１０９）。これにより、シリンダ１５０は、固定機構１９０により固定されて、高い静止安定性の下に目標位置に静止する。なお、このような機能に鑑みて、固定機構１９０の固定力は、推力制御部２３０、２４０によるシリンダ１５０の駆動力よりも高いことが望ましい。
【００６１】
なお、シリンダ１５０は固定機構１９０により固定されるので、サーボ制御部２７０がサーボ制御を実行してもシリンダ１５０は移動しない。しかしながら、シリンダ１５０が固定機構１９０により固定されている期間もサーボ制御を継続することにより、再び位置決め動作が開始された場合に、初期化を省いてサーボ制御を継続できる。
【００６２】
このように、シーケンス制御部２８０は、固定機構１９０がシリンダ１５０を固定した後も、サーボ制御部２７０にサーボ制御を継続させてもよい。この場合のサーボ制御におけるサーボゲインは、ステップＳ１０５において小さくなったサーボゲインよりも更に小さくてもよい。
【００６３】
このようにして、制御部１０２は、移動したシリンダ１５０が目標位置に到達した後、少なくとも固定機構１９０がシリンダを固定するまで、シリンダが移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで、サーボ制御部２７０にサーボ制御を実行させる。これにより、静止位置を目標位置に合わせる精度を徒に向上させることなく、静止安定性の高い位置決め装置１００が形成される。
【００６４】
即ち、サーボゲインを低下させることによりシリンダ１５０に対する駆動力が低くなるので、固定機構１９０は、シリンダ１５０を確実に固定できる。このような位置決め装置１００を用途に応じて装備させることにより、所期の静止安定性を維持しつつ、位置決め装置１００を含む装置あるいは設備のコストを低減できる。
【００６５】
なお、上記の実施形態では、空気等の作動流体を用いてシリンダ１５０を移動させているが、電動アクチュエータ等によりシリンダ１５０、固定機構１９０等を動作させた場合にも、上記制御の効果は有効になる。また、浮上部も、磁気、電界等により浮上力を得る構造としても差し支えない。
【００６６】
図５は、位置決め装置１００を含む較正装置３００の構造と機能を模式的に示す図である。較正装置３００は、例えば図５（ａ）に示すように、互いに水平方向に沿って配列された一対の撮像ユニット３１０の相対位置を較正する。また、較正装置３００による相対位置の較正は、図５（ｂ）に示すように、上下に対向して配置された一対の撮像ユニット３１０の相対位置を較正する場合にも有効になる。
【００６７】
即ち、複数の撮像ユニット３１０の相対位置を高精度に検知する場合に、位置決め装置１００は、双方の撮像ユニット３１０から共通に撮影される位置に基準マーク１７０を位置決めする。相対位置の較正が終了した後は、基準マーク１７０は、撮像ユニット３１０の撮像範囲から退避する。換言すれば、相対位置を較正する場合には、基準マーク１７０を、撮像ユニット３１０の撮像範囲に、その都度位置決めする。
【００６８】
撮像ユニット３１０の各々は、レンズ３１２およびカメラ３１４をそれぞれ備える。レンズ３１２は画像を拡大する。カメラ３１４は、レンズ３１２が拡大した画像を撮像する。ここで、レンズ３１２の拡大率が大きい場合、カメラ３１４が撮像し得る視野は小さくなる。このため、基準マーク１７０は、カメラ３１４が撮像できる狭い視野に含まれる所定の位置に位置決めされることが求められる。
【００６９】
観点を変えると、較正を実行する場合に位置決めされる基準マーク１７０の位置は、カメラ３１４の視野に入ってさえいれば、設定された位置目標に対する位置精度は要求されない。従って、カメラ３１４の視野の広さを基準に定められた許容範囲に入っていれば、それを越える位置精度は求められない。
【００７０】
一方、撮像ユニット３１０の相対位置は、共通の基準マーク１７０を撮像することにより算出される。しかしながら、一対の撮像ユニット３１０が基準マーク１７０を全く同時に撮像できるとは限らないので、両方の撮像ユニット３１０による基準マーク１７０の撮像が完了するまでの間は、基準マーク１７０が一定の位置に高い精度で静止していることが求められる。
【００７１】
このような場合に用いられる拡大率の大きな撮像ユニット３１０の視野は、数十μｍ程度になる。一方、位置合わせに求められる精度はサブμｍとなる。従って、撮像ユニット３１０により基準マーク１７０を撮像し得る範囲には数十μｍ程度の幅があるが、撮像ユニット３１０の相対位置の位置合わせ精度への要求は高い。
【００７２】
このように、位置決め装置１００の位置決めの対象物は、複数の撮像ユニット３１０の相対位置を算出する場合に、複数の撮像ユニット３１０から共通に撮像される基準マーク１７０であり得る。これにより、絶対的な目標位置への位置決め精度を徒に高くすることなく、静止位置安定性を有する位置決め装置１００を装備できるので、複数の撮像ユニット３１０を含む装置あるいは設備のコストを低減できる。
【００７３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。また、上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。更に、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】位置決め装置１００の構造を模式的に示す図である。
【図２】位置決め装置１００の動作を説明する図である。
【図３】制御部１０２の構造と動作を模式的に示すブロック図である。
【図４】シーケンス制御部２８０が実行させる制御手順を詳細に示す流れ図である。
【図５】較正装置３００の構造を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１００ 位置決め装置、１０１ 作動部、１０２ 制御部、１１０ 基盤、１１１ 本体部、１２０ 支柱、１３０ 案内部、１４０ ピストン、１５０ シリンダ、１５２、１５４ 圧力室、１６０ ステージ、１７０ 基準マーク、１８０ エンコーダ、１８２ リニアスケール、１９０ 固定機構、１９２ シュー、２１０ 圧力源、２２０ 圧力計、２３０、２４０ 推力制御部、２３２、２４２、２５２、２６２ 制御弁、２５０ 浮上力制御部、２６０ 固定機構制御部、２７０ サーボ制御部、２８０ シーケンス制御部、２９０ 排気部、３００ 較正装置、３１０ 撮像ユニット、３１２ レンズ、３１４ カメラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を移動させる駆動力を発生する駆動部と、
前記対象物を目標位置に向かって移動させるべく前記駆動部をサーボ制御する制御部と、
前記対象物を、前記駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部と
を備え、
移動した前記対象物が前記目標位置に到達した後、少なくとも前記固定部が前記対象物を固定するまで、前記制御部は、前記対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで前記サーボ制御を継続する位置決め装置。
【請求項２】
前記対象物が移動する場合に浮上力を発生させて前記対象物を浮上させ、前記対象物が目標位置に到達した場合は前記浮上力の発生を停止する浮上力発生部を更に備え、
前記浮上力発生部が前記浮上力の発生を停止した後、少なくとも前記固定部が前記対象物を固定するまで、前記制御部は、前記力発生部が前記対象物を浮上させていた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで前記サーボ制御を継続する請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記駆動部は、作動流体の圧力により前記対象物を移動させ、
前記浮上力発生部は、前記作動流体の層流により前記対象物を浮上させる
請求項２に記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記対象物が前記目標位置に到達してから前記対象物が前記固定部に固定されるまでの期間に、前記目標位置から所与の許容範囲を越えて前記対象物が変位した場合に、前記対象物が前記目標位置に向かって移動していた期間のサーボゲインまで戻したサーボゲインで前記サーボ制御を継続する請求項１から請求項３までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項５】
前記対象物の移動方向を案内する案内部を更に備え、
前記固定部は、前記対象物を前記案内部に向かって押しつけることにより前記対象物を固定する請求項１から請求項４までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項６】
前記対象物は、複数の撮像装置の相対位置を算出する場合に前記複数の撮像装置から共通に撮像される基準標識を含む請求項１から請求項５までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記対象物が前記目標位置に到達してから前記対象物が前記固定部に固定されるまでの期間に、前記基準標識が前記撮像装置の撮像範囲の外に変位した場合に、前記サーボゲインを大きくする請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記対象物が前記固定部により固定された後も、前記サーボ制御を継続する請求項１から請求項７までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項９】
対象物を移動させる駆動部と、
前記対象物を目標位置に向かって移動させるべく前記駆動部をサーボ制御する制御部と、
前記対象物を、前記駆動部の駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部と
を備えた位置決め装置の制御方法であって、
移動した前記対象物が前記目標位置に到達した後、少なくとも前記固定部が前記対象物を固定するまで、前記制御部は、前記対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで前記サーボ制御を継続する制御方法。
【請求項１】
対象物を移動させる駆動力を発生する駆動部と、
前記対象物を目標位置に向かって移動させるべく前記駆動部をサーボ制御する制御部と、
前記対象物を、前記駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部と
を備え、
移動した前記対象物が前記目標位置に到達した後、少なくとも前記固定部が前記対象物を固定するまで、前記制御部は、前記対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで前記サーボ制御を継続する位置決め装置。
【請求項２】
前記対象物が移動する場合に浮上力を発生させて前記対象物を浮上させ、前記対象物が目標位置に到達した場合は前記浮上力の発生を停止する浮上力発生部を更に備え、
前記浮上力発生部が前記浮上力の発生を停止した後、少なくとも前記固定部が前記対象物を固定するまで、前記制御部は、前記力発生部が前記対象物を浮上させていた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで前記サーボ制御を継続する請求項１に記載の位置決め装置。
【請求項３】
前記駆動部は、作動流体の圧力により前記対象物を移動させ、
前記浮上力発生部は、前記作動流体の層流により前記対象物を浮上させる
請求項２に記載の位置決め装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記対象物が前記目標位置に到達してから前記対象物が前記固定部に固定されるまでの期間に、前記目標位置から所与の許容範囲を越えて前記対象物が変位した場合に、前記対象物が前記目標位置に向かって移動していた期間のサーボゲインまで戻したサーボゲインで前記サーボ制御を継続する請求項１から請求項３までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項５】
前記対象物の移動方向を案内する案内部を更に備え、
前記固定部は、前記対象物を前記案内部に向かって押しつけることにより前記対象物を固定する請求項１から請求項４までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項６】
前記対象物は、複数の撮像装置の相対位置を算出する場合に前記複数の撮像装置から共通に撮像される基準標識を含む請求項１から請求項５までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記対象物が前記目標位置に到達してから前記対象物が前記固定部に固定されるまでの期間に、前記基準標識が前記撮像装置の撮像範囲の外に変位した場合に、前記サーボゲインを大きくする請求項６に記載の位置決め装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記対象物が前記固定部により固定された後も、前記サーボ制御を継続する請求項１から請求項７までの何れかに記載の位置決め装置。
【請求項９】
対象物を移動させる駆動部と、
前記対象物を目標位置に向かって移動させるべく前記駆動部をサーボ制御する制御部と、
前記対象物を、前記駆動部の駆動力よりも大きな固定力で固定する固定部と
を備えた位置決め装置の制御方法であって、
移動した前記対象物が前記目標位置に到達した後、少なくとも前記固定部が前記対象物を固定するまで、前記制御部は、前記対象物が移動していた期間のサーボゲインよりも小さなサーボゲインで前記サーボ制御を継続する制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−９３７６（Ｐ２０１０−９３７６Ａ）
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６８９２６（Ｐ２００８−１６８９２６）
【出願日】平成２０年６月２７日（２００８．６．２７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月１４日（２０１０．１．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月２７日（２００８．６．２７）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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