JP2780847B2 - コイルを可動部に用いた駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超精密駆動に適した制御部を有する駆動装
置に関し、ムービングコイルモータ、平面（プレーン）
モータ等、特に可動部にコイルを有し、可動部を超精密
駆動するのに適したモータ制御を有する駆動装置に関す
る。

［従来の技術］ 以下ムービングコイルモータシステムを例にとって説
明するが、同様のことがブラシレスリニアモータ、ブラ
シレスプレーンモータ等にも適用できる。

半導体装置製造用のアライナやステッパ等には超精密
ステージが望まれ、そのための高精度駆動装置を開発す
ることが必要である。その他ロボット、XYテーブル、XY
プロッタ、加工機械等精密機器、機械一般の広い分野に
おいて高精度の駆動装置の用途は広い。

第３図に従来技術によるムービングコイル駆動装置を
示す。第１図（Ａ）はムービングコイルの駆動原理を示
す概念図である。

第３図（Ａ）において、永久磁石21は上下方向にＮ極
とＳ極とを有し、ヨーク22cの上に載置されている。ヨ
ーク22cの上には、ヨーク22bとヨーク22aとが載置さ
れ、永久磁石21上のギャップを介して磁路を形成してい
る。ヨーク22aを囲むようにムービングコイル23が配置
されており、ムービングコイル23は電流源32から電流を
供給される。制御装置31は位置指令値を受けて、その指
令値に従った電流を流すように電流源32を制御する。ム
ービングコイル23の上にはステージ26が載置されてお
り、ステージ26の位置は位置検出器系によって計測さ
れ、フィードバック系を介して制御装置31にフィードバ
ックされる。

第３図（Ｂ）はムービングコイルの駆動原理を示す概
念図である。永久磁石21の上面はＮ極であり、ギャップ
を介してヨーク22aに対向している。従って、永久磁石2
1とヨーク22aの対向する空間内には磁束29が形成され
る。ヨーク22aはヨーク22b、ヨーク22cを介して永久磁
石21のＳ極に接続される磁路を形成している。コイル23
はヨーク22aを取り囲んで巻回されている。このコイル2
3の内永久磁石21とヨーク22aの対向する空間内に配置さ
れた部分は、磁束29内に配置されることになる。磁束Ｂ
内に配置された長さｌのコイルに電流Ｉが流れるとIBl
に比例した力が磁束方向と電流方向とに直交する方向に
発生する。すなわち、第３図（Ｂ）の場合、図中上に示
す矢印方向、すなわちヨーク22aに沿う左向の方向に駆
動力Ｆが発生する。この駆動力によって、コイル23が移
動し、ステージ26を移動させる。

第４図は一般的な位置制御系のブロック図を示す。図
中、Kpは位置ゲインを示し、Kvは速度ゲイン、Kcは電流
ゲイン、Kpfは位置フィードバックゲイン、Kvfは速度フ
ィードバックゲイン、Kcfは電流フィードバックゲイ
ン、Ｌはコイルのインダクタンス、Ｒはコイルの抵抗、
ｍはコイル部質量、ｋはコイル部の剛性、Ｍはステージ
の質量、Ｄはステージ案内部の粘性抵抗、Keはコイル部
の歪み微分フィードバック係数、ＫTは推力定数、ＫEは
逆起電力定数を示す。

第４図中、左端において、位置目標値ｒが設定され、
右端から実際の位置Ｙがフィードバックされる。両者の
差により速度指令値が定まる。さらに、この速度指令値
に対して実際の速度がフィードバックされ、電流指令値
が定まる。この結果、制御される電流によって駆動力が
生じ、実際の位置と目標値が等しくなるまで制御され
る。

従来行われていたフィールドバックは、実線で示した
実際の位置を計測してフィードバックするフィードバッ
クループと速度フィードバックループおよび図中上部に
示した電流安定化のための電流フィードバックループ等
によるものである。図中点線で示したフィードバックル
ープは本発明によって設けられるものである。

第５図はこの様なフィードバック制御系のブロック図
を示す。位置目標値が制御装置41に設定され、制御装置
41は電流源42を制御する。電流源42からムービングコイ
ル43に電流が供給され、ムービングコイル43に駆動力が
発生する。この駆動力によってステージ44が駆動され、
その位置は変化する。ステージ44の位置は位置検出器45
によって検出され、制御装置41にフィードバックされ
る。

第６図にこのような従来の技術による速度制御系の理
論的周波数特性を示す。図のゲインのカーブから明らか
なように、約10000rad/secの位置、すなわち周波数で表
現すると約1.6KHz付近に共振性ピークが発生することに
なる。この様な共振は、主にムービングコイルの質量ｍ
およびコイル部の剛性ｋが支配的な要因となる。位置決
め精度（分解能）を上げるには位置フィードバックルー
プのゲインを高くすることが望ましい。ところがこの共
振点のために、ゲインを高くすると系が不安定になる。
したがって、通常十分に上げることができず、位置制御
分解能も低下する。

［発明が解決しようとする課題］ 以上説明したように、従来の技術によるムービングコ
イル等においては、速度制御系の周波数特性に共振が発
生し、位置制御系のループゲインを上げることができな
い。

本発明の目的は、共振を防止することにより高いルー
プゲインで制御を行うことができるコイルを可動部に用
いた駆動装置を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、第４図点線で示すようにコイル部の
歪みを検出し、微分フィードバックをかけることによっ
て、共振を防止する。

このような可動部を用いた駆動装置は、コイルを有す
る可動部と、コイルに電流を供給する電流源と、コイル
の歪みを計測するセンサと、センサの出力を時間微分し
てフィードバックする系と、フィードバックされた信号
によって電流源がコイルに供給する電流を制御して共振
を防止する制御手段とを有する。

［作用］ コイル部の歪みを微分フィードバックすることによっ
て、発振を起こす前にコイル部に働く力を制御すること
ができる。このため、共振が防止され、高いループゲイ
ンを実現して、位置制御の分解能を向上することができ
る。

［実施例］ 第１図（Ａ）、（Ｂ）に本発明の実施例によるムービ
ングコイル駆動装置を示す。

第１図（Ａ）はコイル部の構成を示す概略図である。
永久磁石１はヨーク2cの上に配置されており、上面にＮ
極、下面にＳ極を有する。ヨーク2cの端部はヨーク2bに
接続され、さらに両端のヨーク2bの上にヨーク2aが配置
されている。このヨーク2aは永久磁石１のＮ極と所定の
ギャップを介して対向している。また、このヨーク2aを
囲んでコイル３が巻回しされている。コイル３はステー
ジ６に固定されている。ステージ６自体はエアベアリン
グ等（図示せず）によって支持を受ける。ステージ６か
ら腕５が延びてその先端にギャップセンサ４が設けられ
ている。ギャップセンサ４は対向するコイル３の端まで
のギャップをモニタする。コイル自体に力が作用してコ
イルが歪むとギャップも変化する。

永久磁石１から発生した磁束９は永久磁石１とヨーク
2aとの間の空間を通り抜けてヨーク2aに入る。さらにヨ
ーク2b,2cを介して永久磁石に戻り、磁路を形成してい
る。コイル３に電流を流すと、その磁束中に電流が流
れ、駆動力が発生し、矢印に示す方向にコイル３を移動
させる。この駆動力によってステージ６は駆動される。
ステージ６の位置は、位置検出器８によって検出され、
制御系に検出信号を送出する。このステージの位置検出
器と並列に、ギャップセンサ４がコイルの歪みを計測
し、その微分数値を送出する。

第１図（Ｂ）は制御系を示すブロック図である。先
ず、制御装置11に位置の目標値が入力され、それに従っ
た出力が電流源12に供給され、電流源12が位置目標値を
達成するための電流をムービングコイル３に供給する。
ムービングコイル３に力が発生することによって、ステ
ージ６が駆動され、その位置が変化する。ステージ６の
位置は位置検出器８によって検出され、制御装置11にフ
ィードバックされる。ここで、ムービングコイル３に働
く力によってムービングコイル自体が歪むと、ギャップ
センサ４とコイル３との間のギャップに変化が生じ、そ
のギャップ変化をギャップセンサ４が検出する。ギャッ
プの変化の微分値を制御装置11にフィードバックする。

このような、制御系を備えたムービングコイル駆動装
置の速度制御系の理論的周波数特性を第２図（Ａ）に示
す。第６図と比較すると明確に分かるように、ゲインの
曲線に共振が消減している。このようにコイル部共振系
の高ダンピング化が実現される。

また、上述の方法により位置制御系を構成した時の周
波数特性を第２図（Ｂ）に示す。約500Hz付近までの応
答性が実現される。通常の位相補償方式では応答性は10
0Hz以下であることと比較すると、改良の程度の大きい
ことが理解されよう。

以上の制御方式により、nmオーダの位置決め分解能が
得られることが理論的に確認される。

第７図は、本発明の実施例によるムービングコイル制
御装置を示すブロック図である。位置目標値記憶部51が
位置目標値を入力し、その値を記憶し、速度指令値演算
部56に供給する。また、変位検出値記憶部52は変位検出
値を入力し、記憶し、速度指令値演算部56に出力する。
速度指令値演算部56は、位置目標値と変位検出値から駆
動すべき変位量を求め、速度指令値を演算して電流指令
値演算部57に出力する。速度演算部53は変位検出値を入
力し、その微分値から速度を演算し、検出速度を電流指
令値演算部57に出力する。ギャップ検出値記憶部54はギ
ャップ検出値を入力し、ギャップ変動速度演算部にギャ
ップ検出値を出力する。ギャップ変動速度演算部55は、
ギャップの微分からギャップ変動速度を演算し、電流指
令値演算部57に出力する。電流指令値演算部57は速度指
令値演算部56からの速度指令値と、速度演算部53からの
検出速度と、ギャップ変動速度演算部55からのギャップ
変動速度とを入力し、設定すべき電流値を演算する。共
振を考慮しなければ、速度指令値と検出速度との差が大
きい時は大電流を流して強い加速を行なうのが好ましい
ことになるが、ここでギャップ変動速度が大きくなる時
は共振の準備段階と考えられるので電流指令値を制限す
るようにする。このようにして定められた電流指令値が
電流制御装置58に供給され、それに応じた出力が発生さ
れる。このため、あたかもダンピングが効いたような駆
動がなされる。この電気的ダンピングによって機械的高
ダンピングと同様の効果が得られる。

第８図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に本発明の他の実施例
によるムービングコイル駆動装置を説明する。

第８図（Ａ）は２段階ムービングコイルの構成を示す
概略図である。ステージ６に粗動系コイル3bと微動系コ
イル3aとが取り付けられ、コイルに近接してステージ６
に固定されたアーム５に担持されたギャップセンサ４が
設けられている。これらの微動コイル3a、粗動コイル3b
はそれぞれ微動コイル電流源12a,粗動コイル電流源12b
に接続される。また、制御装置11はそれぞれの電流源12
a、12bに制御信号を供給する。ムービングコイル型ステ
ージの位置決め精度は計測系の精度の他、ムービングコ
イルの推力の安定度と分解能に依存する。ムービングコ
イルの推力はムービングコイルを流れる電流値によって
定まるので、位置決め精度がコイルの電流源の精度によ
って決まることになる。

電流源の精度はそのダイナミックレンジに依存する。
たとえば、電流値の精度が最大電流値の1/100である場
合、精度の絶対値そのものは電流源の最大電流値に比例
することになる。最大値の大きな粗動コイルと別に最大
値の小さな微動コイルを設けることにより、全体として
の精度を向上させることが可能になる。微動コイルのみ
では駆動力が不足するが、大きな駆動力が必要な時に
は、粗動コイルを使用すればよいので、応答速度が劣化
するすることも防止できる。

第８図（Ｂ）に、このような構成を用いてステージを
駆動する時のモータ推力を概念的に示す。最初、粗動用
コイルに電流を供給して、粗動用コイルによってステー
ジを駆動する。電流の立上がりと共にモータ推力は増加
する。目標とする速度に近づいたら次第に電流値（推
力）を落とす。ある値まで推力が低下した時点で粗動コ
イルの駆動を止め、微動コイルの駆動を開始する。その
モータ推力を次第に減少させ、速度が目標値に近づくに
従って推力を減少させる。モータが行き過ぎた場合に
は、逆向きの電流を流して元に戻す。

この段階で、フィードバックループの精度は微動用コ
イルの電流源の精度によって定まるので位置決め精度が
高い。

第８図（Ｂ）の時間軸に沿って見たときには、初め粗
動用アンプが動作し、やがて微動用アンプに切り替えら
れている。また、縦軸のモータ推力について見ると、広
い範囲をカバーする粗動用アンプ動作レンジの一部に微
動用アンプ動作レンジが設けられる。

第８図（Ｃ）は、位置の目標値とステージの位置の変
化とを概略的に示す。位置目標値が設定されると、粗動
用コイルに大きな電流が供給され、大きな駆動力を発生
させてステージを移動させる。目標位置に近づくと、粗
動用コイルの駆動を止め、微動用コイルの駆動に切り替
える。微動用コイルを用いて位置目標値に制御すること
によって、最終的な位置精度を向上させる。

この実施例によれば、粗動用コイルの大きな推力と、
微動用コイルの高い分解能との長所を組み合わせて用
い、ギャップセンサによって発振を抑えることによっ
て、高いゲインを実現する。

以上本発明を実施例に沿って説明したが、本発明はこ
れらに制限されるものではない。たとえば、種々の変
更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明で
あろう。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によればムービングコイ
ル系の共振の高ダンピング化が実現できる。

共振の防止により位置フィードバックループのゲイン
を高くすることができ、高精度の位置決めを行なうこと
ができる。

圧電素子等を用いなくても超精度駆動が実現でき、機
械的構造が簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例によるムービングコイル駆動装
置を示し、第１図（Ａ）はコイル部の構成を示す概略
図、第１図（Ｂ）は制御系を示すブロック図、 第２図（Ａ）、（Ｂ）は第１図の実施例による具体例の
理論的な性能を示すグラフ、 第３図（Ａ）、（Ｂ）は従来の技術によるムービングコ
イルを示し、第３図（Ａ）は全体構成を示す斜視図、第
３図（Ｂ）はムービングコイルの駆動原理を示す概念
図、 第４図は一般的な位置制御系を示すブロック図、 第５図は従来の技術による位置制御システムを示すブロ
ック図、 第６図は従来の技術による速度制御系の周波数特性を示
すグラフ、 第７図は本発明の実施例によるムービングコイル制御装
置を示すブロック図、 第８図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は本発明の他の実施例に
よるムービングコイル駆動装置を示し、第８図（Ａ）は
２段階ムービングコイルの構成を示す概略ブロック図、
第８図（Ｂ）、（Ｃ）は、第８図の２段階ムービングコ
イルの動作を説明するためのグラフである。 図において、 １……永久磁石 ２……ヨーク ３……コイル ４……ギャップセンサ ５……アーム ６……ステージ ８……位置検出器 ９……磁束 11……制御装置 12……電流源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−316380（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−52586（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−84216（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 5/00 101 H02P 7/00 101 B60L 13/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コイルを有する可動部と、 前記コイルに電流を供給する電流源と、 前記コイルの歪みを計測するセンサと、 前記センサの出力を時間微分してフィードバックする系
   と、 前記フィードバックされた信号によって前記電流源が前
   記コイルに供給する電流を制御して共振を防止する制御
   手段と を有するコイルを可動部に用いた駆動装置。
2. 【請求項２】前記コイルが粗動用コイルと微動用コイル
   とを含み、前記電流源が粗動用コイルのための電流源と
   微動用コイルのための電流源とを含む請求項１記載のコ
   イルを可動部に用いた駆動装置。