JP2011221596A - Positioning device and positioning method for positioning stage - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、精密な移動精度を要する半導体製造・検査装置や光学装置に使用される位置決めシステムで位置検出に超高精度なリニアスケールセンサ(リニアエンコーダ)を使用し、アクチュエータとして高分解能な制御が可能な超音波モータを用いた精密位置決め装置及び位置決め制御方法に関する。 The present invention uses a highly accurate linear scale sensor (linear encoder) for position detection in a positioning system used in semiconductor manufacturing / inspection equipment and optical equipment that requires precise movement accuracy, and high-resolution control as an actuator. The present invention relates to a precision positioning apparatus and a positioning control method using a possible ultrasonic motor.
近年、サブミクロン単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野及び光学分野の検査装置において、微小位置決めが可能な超音波モータを備えた位置決めステージとリニアスケールセンサとから構成される位置決め装置が数多く使用されている。 2. Description of the Related Art In recent years, in a magnetic head inspection apparatus that requires precise movement accuracy in sub-micron units and inspection apparatuses in the semiconductor field and the optical field, positioning composed of a positioning stage equipped with an ultrasonic motor capable of minute positioning and a linear scale sensor. Many devices are in use.
たとえば、特許文献1には外部より入力される位置指令を位置フィードバック値と比較し、その差を位置偏差として、位置偏差の絶対値が設定したしきい値を超える時は固定の位置ゲインを乗じ、しきい値以下の場合は予め記憶しておいた補正パターンから別の位置ゲインを選択して、その位置ゲインを乗じるという2段階で位置ゲインを乗じて速度制御する方法が示されている。このようにしきい値に応じて位置ゲインを補正することで、位置決め整定時間を短縮している。
For example, in
しかし、上記のような従来の位置決め装置では、機器の駆動源がサーボモータであるので、位置決めする際の整定範囲をゼロとして目標値に必ず位置決めさせた場合、被駆動体がモータにより目標値に位置決めされた後も、モータが常に小刻みに振動する状態になって静止状態にならない為、モータの耐久性の点で問題があった。又、上記の問題点の為に位置決めする際の整定範囲をある程度の幅に設定しても、被駆動体が位置決めされた整定範囲内の箇所が、整定範囲と整定範囲外との境界付近だった場合においては、モータの小刻みな振動により整定範囲外に被駆動体が位置することになってしまったり、外部振動等の外乱により被駆動体が整定範囲外に移動してしまう問題が発生する可能性がある。この場合も、整定範囲内でモータの駆動が停止し、整定範囲外にてモータが駆動することを短時間で繰り返すことになり、モータの耐久性を低下させる原因となっていた。 However, in the conventional positioning device as described above, since the drive source of the device is a servo motor, if the settling range at the time of positioning is always set to the target value with zero, the driven body is set to the target value by the motor. Even after positioning, the motor always vibrates in small increments and does not come to a standstill, so there was a problem in terms of durability of the motor. Even if the settling range for positioning is set to a certain width due to the above problems, the location within the settling range where the driven body is positioned is near the boundary between the settling range and outside the settling range. In such a case, there is a problem that the driven body is positioned outside the settling range due to small vibrations of the motor, or the driven body is moved outside the settling range due to disturbance such as external vibration. there is a possibility. Also in this case, the driving of the motor is stopped within the settling range, and the driving of the motor outside the settling range is repeated in a short time, which causes a decrease in the durability of the motor.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の位置決め装置のようにモータが不規則な振動を生じるのを防ぎ、外部振動等の外乱があったとしても、安定した位置決めができる位置決め装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and prevents the motor from generating irregular vibrations as in the conventional positioning device, so that stable positioning can be achieved even if there are disturbances such as external vibrations. It is an object of the present invention to provide a positioning device capable of
上記の目的を達成するため、本発明は、CPUからの指示値をD/Aコンバータにて変換した信号を超音波モータに印加して駆動することで位置決めステージを移動させて、位置センサが検出した移動後の位置決めステージの現在値をCPUに送るフィードバック制御で駆動し、位置決めの整定範囲として設定した第1の整定範囲および第2の整定範囲の内、範囲が狭い方の第2の整定範囲内に位置決めステージを位置決め制御した後、位置センサが検出した位置決めステージが位置する現在値が第1の整定範囲内の場合は、位置決めステージの整定範囲を第1の整定範囲よりも広い範囲である第2の整定範囲内に変更し、位置センサが検出した位置決めステージが位置する現在値が第1の整定範囲外の場合は、再度位置決めステージを第1の整定範囲内に位置するように移動させることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention detects a position sensor by moving a positioning stage by applying a signal obtained by converting an instruction value from a CPU by a D / A converter to an ultrasonic motor and driving it. The second settling range with the narrower one of the first settling range and the second settling range set as the settling range for the positioning is driven by feedback control that sends the current value of the moved positioning stage to the CPU. If the current value at which the positioning stage detected by the position sensor is within the first set range after positioning control of the positioning stage is within the first set range, the set range of the positioning stage is wider than the first set range. When the current value at which the positioning stage detected by the position sensor is outside the first settling range is changed to the second settling range, the first positioning stage is set again. It is characterized by moving so as to be located within the settling range.
このように、本発明は、図1で示されるように外部ホストから指示値が与えられるとリニアスケール8にて位置決めステージ6の現在位置(現在値)を検出しCPU2によりPID演算などで求めた操作量をD/Aコンバータ3にてアナログ信号へ変換しドライバ5で増幅し超音波モータ7に入力して駆動させることで位置決めステージ6を移動させる位置決めシステムであり、現在位置(現在値)をリニアスケール8で検出してCPU2に送り、CPU2で操作量を演算しD/Aコンバータ3にてアナログ変換した信号をドライバ5で増幅して超音波モータ7に駆動信号を入力する際に、リニアスケール8が検出した位置決めステージ6の位置する現在値が予め定めた第1の整定範囲内の場合は、位置決めステージ6の整定範囲を第1の整定範囲より広い範囲である第2の整定範囲内に変更し、位置センサが検出した位置決めステージ6が位置する現在値が第1の整定範囲外の場合は、再度位置決めステージを第1の整定範囲内に位置するように制御することを特徴としている。
Thus, the present invention detects the current position (current value) of the positioning stage 6 with the linear scale 8 when an instruction value is given from an external host as shown in FIG. This is a positioning system that moves the positioning stage 6 by converting an operation amount into an analog signal by a D /
又、好適には、前記位置決めステージが位置する現在値が第2の整定範囲内から第2の整定範囲外に変動した場合は、位置決めステージの整定範囲を第1の整定範囲内に変更し、再度位置決めステージを第1の整定範囲内に位置するように移動させることを特徴としている。 Preferably, when the current value at which the positioning stage is located fluctuates from the second settling range to outside the second settling range, the settling range of the positioning stage is changed to the first settling range, The positioning stage is moved again so as to be positioned within the first settling range.
ここで、この際の整定範囲は、図示しないメモリに記憶しておく。メモリはCPU2に内蔵のRAMを使っても良いし、外部に付属させても良い。整定範囲は、事前に位置決め装置を制御するのに適切な整定範囲を計測しておいて設定することが好ましい。ここではメモリに記憶しておく整定範囲を第1の整定範囲と第2の整定範囲(第2の整定範囲は第1の整定範囲よりも広い範囲)としているが、複数の整定範囲を設定して、メモリに記憶しておき、制御で使い分けても良い。 Here, the settling range at this time is stored in a memory (not shown). As the memory, a RAM built in the CPU 2 may be used, or it may be attached externally. The settling range is preferably set by measuring a settling range appropriate for controlling the positioning device in advance. Here, the settling ranges stored in the memory are the first settling range and the second settling range (the second settling range is wider than the first settling range), but a plurality of settling ranges are set. It may be stored in a memory and used properly for control.
又、好適には第1の整定範囲の最小値は前記位置決め装置の駆動分解能量に設定されていることを特徴としている。 Preferably, the minimum value of the first settling range is set to the drive resolution amount of the positioning device.
本発明によれば、被駆動体(位置決めステージ)が必ず第2の整定範囲よりも狭い整定範囲である第1の整定範囲内で位置決めされることになるので、必要な整定範囲である第2の整定範囲内の中心範囲内で位置決めが完了することになり、仮に被駆動体(位置決めステージ)が第1の整定範囲外に位置することになっても第2の整定範囲内にて位置決めが完了することになる。従って、少々の外部振動等による外乱の影響があっても被駆動体(位置決めステージ)は必要な整定範囲内を外れる事が無くなり、その為にモータの耐久性は向上し、安定した位置決め制御が実現する。 According to the present invention, the driven body (positioning stage) is necessarily positioned within the first settling range that is narrower than the second settling range. Positioning is completed within the center range within the settling range, and even if the driven body (positioning stage) is positioned outside the first settling range, positioning is performed within the second settling range. Will be completed. Therefore, the driven body (positioning stage) will not be out of the required settling range even if it is affected by disturbances caused by a small amount of external vibration, etc., which improves the durability of the motor and enables stable positioning control. Realize.
次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図1は従来からの一般的な位置決め装置の一例を示すブロック図であるが、本発明も同じ構成のブロック図にて実施する。図2は本発明の位置決め装置の動作を示すフローチャートであり、図1と図2を使って本発明の特徴を説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing an example of a conventional general positioning apparatus, but the present invention is also implemented with a block diagram of the same configuration. FIG. 2 is a flowchart showing the operation of the positioning device of the present invention. The features of the present invention will be described with reference to FIGS.
通常状態において位置決めステージ6は原点位置或いは前回のホストPC1からの指示値に閉ループ位置決めされているので、ホストPC1からの位置指令コマンドから計算される目標値(指示値)とリニアスケール8で検出した位置決めステージ6の現在位置(現在値)を元にCPU2にて制御サイクル(例えば1ms)ごとに操作量を演算する位置決め演算を実行している。
In the normal state, since the positioning stage 6 is closed-loop positioned at the origin position or the previous instruction value from the
位置決めステージ6を移動させるために、ホストPC1に位置指令(指示値)を入力すると、入力された位置指令(指示値)は、双方向通信可能な通信手段としてRS232C通信を使って位置決め装置内のCPU2に送信されるが位置決めコントローラ4内のCPU2は指示値に変化がある前から位置決めステージ6の現在位置(現在値)をリニアスケール8で求め、ホストPC1からの指示値に基づき、PID演算などで操作量を算出するまでを1回の制御サイクルとして位置決めされている。
When a position command (instruction value) is input to the
ホストPC1からの位置指令(指示値)に基づく位置決めステージ6の位置決めにおいて、位置決めステージ6は予めユーザ側が定めた整定範囲内の範囲にて位置決めしている。この整定範囲は最低でも絶対維持することが必要な範囲を1つは設定することが必要だが、複数の整定範囲を設定することによって安定的な位置決め制御が可能になる。好ましくは絶対維持することが必要な最も広い整定範囲の他に、それよりも狭い整定範囲を設定しておき、これらの整定範囲はメモリに保存することが好ましい。また、このメモリはCPU2に内蔵のRAMを使っても良いし、別途外付けされていても良い。
In positioning the positioning stage 6 based on the position command (instruction value) from the
以下に図2に基づいて本発明の位置決め装置による位置決め方法を記載する。
ホストPC1に位置指令(指示値)を入力し、入力された位置指令(指示値)は、双方向通信可能な通信手段としてRS232C通信を使って位置決め装置内のCPU2に送信される(Step1)。ここで、ホストPC1に事前に位置指令(指示値)を入力しておき、ホストPCを設定したプログラムによって自動制御させても良い。
The positioning method by the positioning device of the present invention will be described below based on FIG.
A position command (instruction value) is input to the
次に位置決めコントローラは、初期化が終了して、通常の閉ループ位置決め制御中において、1回の制御サイクルごとに操作量を演算(位置決め演算)する際に使用する位置決めステージ6の現在位置(現在値)をリニアスケール8にて読み込む(Step2)。 Next, the positioning controller completes initialization, and during normal closed-loop positioning control, the current position (current value) of the positioning stage 6 used when calculating the operation amount (positioning calculation) for each control cycle. ) Is read by the linear scale 8 (Step 2).
次に位置決めステージ6の整定範囲を、位置決めステージ6の整定範囲の情報が保存されているRAMから読み込み、第1の整定範囲に変更して設定する(Step3)。 Next, the settling range of the positioning stage 6 is read from the RAM in which the information on the settling range of the positioning stage 6 is stored, changed to the first settling range and set (Step 3).
次に位置決めステージ6の現在位置(現在値)とCPU2に格納されたホストPC1からの位置指令(指示値)から演算して、位置決めステージ6を指示値に位置決め駆動する(Step4)。
Next, it calculates from the current position (current value) of the positioning stage 6 and the position command (instruction value) from the
次に位置決め駆動後の位置決めステージ6の現在位置(現在値)をリニアスケール8にて読み込み、位置決めステージ6の現在位置(現在値)が第1の整定範囲内に位置しているか否かを判断する(Step5)。位置決めステージ6の現在位置(現在値)が第1の整定範囲内の場合は、次のStep6に進む。一方、位置決めステージ6の現在位置(現在値)が第1の整定範囲外の場合は、Step4に戻って、再度位置決めステージ6を指示値に位置決め駆動する。 Next, the current position (current value) of the positioning stage 6 after positioning driving is read by the linear scale 8 and it is determined whether or not the current position (current value) of the positioning stage 6 is within the first settling range. (Step 5). When the current position (current value) of the positioning stage 6 is within the first settling range, the process proceeds to the next Step 6. On the other hand, if the current position (current value) of the positioning stage 6 is out of the first settling range, the process returns to Step 4 to drive the positioning stage 6 to the indicated value again.
Step5にて位置決めステージ6の現在位置(現在値)が第1の整定範囲内の場合は、位置決めステージ6の整定範囲を、第1の整定範囲より広い整定範囲である第2の整定範囲に変更して設定する(Step6)。位置決めステージ6の整定範囲を、第1の整定範囲より広い整定範囲である第2の整定範囲に変更して設定することは、整定範囲を広げることなので、超音波モータが整定範囲内に移動するという駆動制御を伴うことはない。
When the current position (current value) of the positioning stage 6 is within the first settling range at
Step6にて位置決めステージ6の整定範囲を第2の整定範囲に変更して設定後、Step7にて位置決めを完了する(Step7)。 After the setting range of the positioning stage 6 is changed to the second setting range at Step 6 and set, the positioning is completed at Step 7 (Step 7).
Step7の位置決め完了後においてもリニアスケール8にて常時位置決めステージ6の現在位置(現在値)を読み込み、CPU2にて整定範囲内に位置するかを判断している。そして、位置決めステージ6の現在位置(現在値)が、第1の整定範囲より広い第2の整定範囲外に位置するようになった場合にはStep4に戻って、再度位置決めステージ6を第1の整定範囲内に位置決め駆動させる。
Even after the completion of the positioning in
このように必要な整定範囲とその範囲内の中心点(位置決めの指示値)近辺にもう1つの整定範囲(必要な整定範囲よりも狭い整定範囲)を二つ設定して、その設定値にヒステリシスを設ける(整定範囲の設定値を異なる範囲とする)ことにより、必要な整定範囲を外れるともう1つの整定範囲に整定範囲を変更(置換)して位置決めを実施し、もう1つの整定範囲内に位置決めステージが位置するようになったら、整定範囲を必要な整定範囲に変更(置換)することで、位置決め完了後の位置保持時に超音波モータに不要な駆動指令が発生せずに安定した位置決めが可能になる。
ここで、位置保持を安定にするために第1の整定範囲は第2の整定範囲より狭い範囲を設定すればよいが、第1の整定範囲の最小値は位置決めステージシステムの駆動分解能量に設定することが好ましい。
In this way, two other settling ranges (a settling range narrower than the required settling range) are set near the necessary settling range and the center point (positioning indication value) within that range, and the set value has hysteresis. (Set the setting value of the settling range to a different range), if the settling range is outside the required settling range, the settling range is changed (replaced) to another settling range, and positioning is performed. When the positioning stage comes to the position, the settling range is changed (replaced) to the necessary settling range, so that stable positioning is possible without generating unnecessary drive commands for the ultrasonic motor when holding the position after positioning is completed. Is possible.
Here, in order to stabilize the position holding, the first setting range may be set to a range narrower than the second setting range, but the minimum value of the first setting range is set to the driving resolution amount of the positioning stage system. It is preferable to do.
以上の様に位置決め制御を行うことにより、必要な整定範囲の中心部にて位置決めステージの位置決めが完了し、少々の外乱では必要な整定範囲を外れることはない。その為に整定範囲の境界付近に位置することによって超音波モータが振動し続けるということは減少されることになり、モータの耐久性は向上し、安定した位置決め制御が実現する。 By performing positioning control as described above, positioning of the positioning stage is completed at the center of the necessary settling range, and the necessary settling range is not deviated by a slight disturbance. For this reason, the fact that the ultrasonic motor continues to vibrate due to being positioned near the boundary of the settling range is reduced, and the durability of the motor is improved and stable positioning control is realized.
1 ホストPC
2 CPU
3 D/Aコンバータ
4 位置決めコントローラ
5 ドライバ
6 位置決めステージ
7 超音波モータ
8 リニアスケール
9 移動機構
1 Host PC
2 CPU
3 D /
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