专利名称：工作台装置用的反作用力处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及工作台装置，其需要高精度的定位，特别涉及工作台装置用的反作用力处理系统，其可防止在将线性电动机等作为驱动源进行工作台的驱动时产生的反作用力所导致的定位精度的恶化。
背景技术：
需要高精度定位的工作台装置的驱动源大都使用线性电动机。并且，搭载有作为可动部分的工作台的结构体(基座)，为了减轻来自设有工作台装置的地板的振动而隔着除振机构被安装在地板上。因此，结构体处于极其不稳定的状态，当可动部分受到驱动力而被驱动时，就会产生方向与驱动方向相反、大小与驱动力相同的反作用力。在存在该反作用力的状态下，结构体振动，并且该振动被传递到工作台，因此无法对工作台进行高精度的定位。
因此，为了高精度地进行工作台的定位，就必须进行消除反作用力用的反作用力处理。
图6是表示以往振动控制装置的概要图。如图6所示，振动控制装置50大体由驱动装置57、控制装置60、积分补偿器65构成。驱动装置57大致由致动器51、目标板(タ一ゲツト)55、位移传感器56、加速度传感器59、以及底板58所构成。
致动器51具有一对线性电动机52、53。各线性电动机52、53由具有永磁体的线性电动机可动元件52a、53a，以及具有线圈的线性电动机定子52b、53b构成。线性电动机可动元件52a、53a通过连结板54而被形成。线性电动机可动元件52a、53a是移动到预定位置，以进行目标板55的定位的。目标板55被形成于线性电动机可动元件52a上。位移传感器56计测目标板55的检测面，并将计测结果输出到位置补偿器61中。加速度传感器59被安装在支撑着线性电动机定子52b、53b的底板58上，其计测结构体或者地板的振动，并将计测结果输出到积分补偿器65中。
控制装置60大致由位置补偿器61、电流放大器62、感应电压运算器63、增益补偿器64构成。控制装置60是以输入到积分补偿器65中的振动值、和来自位移传感器56的位移值为基础，进行适当的运算处理，并对电流放大器61励磁、对线性电动机定子52b、53b的线圈通以电流，由此可使线性电动机可动元件52a、53a定位在预定位置(例如，参照专利文献1)。
专利文献1特开2003-9494号公报。
但是，以往的振动控制装置，由于在进行定位时所使用的线性电动机可动元件52a、53a，在进行反作用力处理时也使用，因此受到线性电动机可动元件52a、53a的驱动的影响，从而无法进行充分的反作用力处理。而且，由于不能充分抑制结构体的振动，因此产生无法进行高精度定位的问题。不仅如此，以往的振动控制装置需要位移传感器56、加速度传感器59、感应电压运算器63以及积分补偿器65，因此不仅存在振动控制装置的成本较高的问题，装置本身也较庞大。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供工作台装置用的反作用力处理系统，在具备反作用力处理机构的工作台装置中，无论可动部分处于哪个位置，都可以得到稳定的高定位性能。
本发明提供工作台装置用的反作用力处理系统，在具备经由除振机构而被设置在固定地板上的结构体、和在该结构体上利用驱动源可在至少一个轴方向上移动地构成的可动部分的工作台装置中，该反作用力处理系统用于抑制由于驱动上述可动部分而产生的反作用力所导致的上述结构体的振动，其特征在于，具备推力产生机构，其被设置在上述固定地板一侧，用于对上述结构体在消除上述反作用力的方向上施加推力；控制机构，其在对上述驱动源加载推力指令值的同时，使上述推力指令值通过增益可变的增益调整机构后，对上述推力产生机构加载被调整过的推力指令值。
本反作用力处理系统的特征在于，上述增益调整机构还包括有第一调整部，其可在上述可动部分为加速或减速中的情况下，选择增益A1作为上述增益，在等速运行中的情况下选择增益A2(但A1＞A2)作为上述增益。
本反作用力处理系统的特征还在于，具备检测上述可动部分的位置的位置检测机构，上述可动部分预先设定以基准点为界的行程范围，上述增益调整机构还具有第二调整部，其可在选择了上述增益A1时，根据上述可动部分的位置来使上述增益A1可变，该第二调整部在以上述基准点为界的上述可动部分的正向一侧，根据具有第一斜率的第一直线来使上述增益A1变化，并将变化后的增益乘以上述推力指令值而进行输出，另一方面，在以上述基准点为界的上述可动部分的负向一侧，根据具有第二斜率的第二直线来使上述增益A1变化，并将变化后的增益乘以上述推力指令值而进行输出此外，上述驱动源是线性电动机，上述推力产生机构是线性电动机、音圈电动机、伺服电动机中的任意一种。
本反作用力处理系统的特征还在于，其以下述方式构成从驱动上述可动部分时施加力的第一位置起到上述可动部分的重心为止的有关铅直方向的第一距离、和从上述第一位置起到驱动上述推力产生机构时施加力的第二位置为止的有关铅直方向的第二距离相等。
本反作用力处理系统的特征还在于，作为上述推力产生机构，在上述结构体上至少具备两个推力产生部，当上述驱动源的推力为F时，上述第二调整部对上述至少两个的推力产生部，进行对应上述可动部分的重心位置的上述推力F的分配，从而将被分配了的推力指令值作为上述被调整过的推力指令值进行输出。
发明的效果若为本发明，可提供工作台装置用的反作用力处理系统，其无论可动部分处于哪个位置，都可得到稳定的高定位性能。例如，X轴行程在±70mm以内，移动1mm时，没有反作用力处理系统时需要1秒以上的稳定调整时间，但通过采用本发明的反作用力处理系统，稳定调整时间可实现在180msec以内。
图1是表示本发明反作用力处理系统实施方式的构成实例的方框图。
图2是表示使用图1所示的反作用力处理系统时的作为结构体的基座、作为可动部分的X滑子、以及组合在其中的反作用力处理致动器的配置实例的附图。
图3是为了说明图1所示的增益调整部的增益调整的、表示滑子位置与增益之间关系的特性图。
图4是表示由本发明作者提出的采用本发明的振动控制装置的构成实例的附图。
图5是将图4所示的反作用力处理致动器从图4的箭头I方向看去的视图。
图6是表示以往振动控制装置的一实例的附图。
具体的实施方式本发明者提出了可以解决上述以往振动控制装置的问题的振动控制装置。参照图4、图5来说明该振动控制装置。
图4是表示振动控制装置的概要图，图5是从图4所示的I方向看去的反作用力处理致动器的概要图。图4所示的Y1、Y2方向表示的是铅直方向，X1、X2方向表示的是与Y1、Y2方向相垂直的方向。
图4中，振动控制装置30由可动装置41、支撑部件36、反作用力处理致动器42、控制机构43、增益补偿器44构成。
首先，说明可动装置41的结构。可动装置41由除振机构32A、32B、基座33、驱动工作台35构成。作为结构体的基座33具有突起部34，隔着除振机构32A、32B而被设置在地板31上。除振机构32A是用于减除来自地板的Y1、Y2方向的振动的，除振机构32B是用于减除来自地板的X1、X2方向的振动的。除振机构32A、32B是由弹簧和减震器(缓冲筒)组装而成的、具有无源(被动)除振功能的无源除振装置。该无源除振装置是板形或螺线形的弹簧部材构成的弹簧、和减震器的组合，并且还可以是空气弹簧和减震器的组合、以及单独的橡胶材料等各种各样的形式。
由图未示的线性电动机作为驱动源的、作为可动部分的驱动工作台35，以在X1、X2方向可移动的状态被形成在基座33上。图4中所示的35A，表示的是作为可动部分的驱动工作台35的重心(以下称为重心35A)的位置，作为第一位置的35B，表示的是在驱动作为可动部分的驱动工作台35时被施加力的位置(以下称为位置35B)。而且，图4中所示的作为第一距离的H1表示的是，与从重心35A到位置35B的铅直方向(Y1、Y2方向)相关的距离(以下称为距离H1)。
反作用力处理机构由反作用力处理致动器42、控制机构43、增益补偿器44构成。以下，说明反作用力处理致动器42。此外，图4中所示的作为第二位置的38B表示的是，在对线性电动机定子37的线圈通电以驱动线性电动机可动元件38时，力被施加的位置(以下称为位置38B)，作为第二距离的H2表示的是，与从位置38B到位置35B的铅直方向相关的距离(以下称为距离H2)。
反作用力处理致动器42由线性电动机定子37、线性电动机可动元件38构成。反作用力处理致动器42在驱动工作台35被驱动时，在驱动方向上直接按压基座33，由此可消除在与驱动方向相反的方向上所产生的反作用力，从而抑制基座33的振动。
线性电动机定子37形成在与地板31形成为一整体的支撑部件36的图4中的上方。线性电动机可动元件38，在相对于线性电动机定子37可驱动的状态下，被组装在线性电动机定子37上。而且，线性电动机定子37以及线性电动机可动元件38，被形成在与从位置38B到位置35B的铅直方向(Y1、Y2方向)相关的距离H2、与距离H1相等的位置上。
为了消除反作用力，驱动工作台35的力矩M1，最好能与基座33的力矩M2相互抵消。这里，针对在将距离H2形成与距离H1相等的结构中，在对驱动工作台35进行驱动时的驱动工作台35的力矩M1，与基座33的力矩M2的关系加以说明。此外，图4中所示的33A表示的是作为结构体的基座33的重心(以下称为重心33A)，H3表示的是从位置35B到重心33A的铅直方向(Y1、Y2的方向)的距离(以下简称为距离H3)。
设向图4中左侧方向作用的力为正值，向图4中右侧方向作用的力为负值。F1表示在驱动工作台35被驱动时所产生的驱动力(以下称为驱动力F1)，-F1表示驱动工作台35被驱动时所产生的反作用力(以下称为反作用力-F1)，F2表示反作用力处理致动器42为进行反作用力处理的驱动力(以下称为反作用力处理用驱动力F2)。
下述式(1)表示的是驱动工作台35的力矩M1，下述式(2)表示的是基座33的力矩M2。
M1＝F1×H1(1)M2＝-F1×H3+F2(H2+H3) (2)驱动工作台35由于受到驱动工作台35被驱动时的驱动力F1的影响，力矩M1被表示为上述式(1)。基座33由于受到驱动工作台35被驱动时所产生的反作用力-F1、以及由反作用力处理致动器42而产生的反作用力处理用驱动力F2的影响，力矩M2被表示为上述式(2)。反作用力处理用驱动力F2，由于是将与驱动力F1大小相同的力施加到基座33上，因此F1＝F2的关系成立。
因此，将F1代入上述式(2)的F2，就可将上述式(2)表示为下述式(3)。
M2＝F1×H2 (3)为了对反作用力-F1进行反作用力处理，最好使力矩M1与力矩M2相互抵消，就是使下述式(4)所示的关系成立。也就是说，如果用上述式(1)减去上述式(2)结果为0，就可以对反作用力-F1进行反作用力处理。
M1-M2＝0 (4)将上述式(1)以及上述式(2)带入上述式(4)，则得到下述式(5)，可以明确当H1＝H2的情况下，可对反作用力-F1进行反作用力处理。
F1×(H1-H2)＝0 (5)因此，如上所述，通过将反作用力处理致动器42形成在使H1＝H2关系成立的铅直方向(Y1、Y2方向)的位置上，就可以将在驱动工作台35被驱动时所产生的反作用力-F1，由反作用力处理致动器42进行反作用力处理。
下述式(6)是表示力的式子。F表示力，m表示质量(重量)，a表示加速度。
F＝m·a (6)而且，一般振动控制装置30的基座33的重量，要比驱动工作台35的重量重很多。从上述式(6)可知，在F一定的情况下，m越大，所需的加速度a越小。因此，只要反作用力处理致动器42将较小的加速度施加到基座33上，就可以进行反作用力-F1的反作用力处理，从而抑制基座33的振动。
下面，参照图5说明控制机构43。控制机构43在可输出相同的驱动信号的状态下被连接到驱动工作台35和增益补偿器44上。控制机构43只根据驱动指令值生成驱动信号，从而对反作用力处理致动器42以及驱动工作台35输出相同的驱动信号，并由此可进行与反作用力处理致动器42以及驱动工作台35的驱动相关的控制。
增益补偿器44是对来自控制机构43的驱动信号进行补偿用的，被补偿的驱动信号被输出到线性电动机定子37。线性电动机定子37根据被补偿的驱动信号来驱动线性电动机可动元件38。
这样，通过设置只根据驱动指令值(推力指令值)来生成驱动信号的控制机构43，就可以简化振动控制装置30的结构，从而可以减小振动控制装置30的大小。
如上所述，如果在驱动工作台35的驱动方向上，将直接按压基座33以进行反作用力处理的反作用力处理致动器42，设置在使H1＝H2的铅直方向(Y1、Y2方向)的位置上，就可以使驱动工作台35被驱动时所产生的反作用力-F1，不受驱动工作台35的影响地，通过反作用力处理致动器42来充分抑制基座33的振动，由此可以高精度地进行驱动工作台35的定位。
从原理上讲，如上所述，若将与通过线性电动机对驱动工作台35进行驱动时相同的推力指令值送到反作用力处理机构，则可以抵消力，从而应该可以抑制基座33的振动。但是，实际上由于裸线缆(ケ一ブルベア)的张力等会使性能发生变化。作为可动部分的驱动工作台35和固定部分之间必须由信号线来连接，而所谓的裸线缆就是构成该信号线的挠性线缆。该裸线缆根据可动部分的位置的不同其张力也发生变化，因此只是在上述振动控制中由于可动部分的位置而在定位性能上产生偏差。
参照图1至图3，来说明能消除上述问题点的本发明工作台装置用的反作用力系统的实施方式。本实施方式的反作用力处理系统，虽然采用了图4、图5中所说明的振动控制装置的原理，但作为在图4中所说明的反作用力处理致动器(推力产生部)，也可以使用线性电动机、音圈电动机、伺服电动机中任意一种的n(n为2以上的整数，这里n＝4)个。也就是说，如图2所示，在工作台装置具备基座(结构体)20、以及在该基座20上沿X轴方向被驱动的X滑子(驱动工作台)25的情况下，4个反作用力处理致动器21-1～21-4被设置在与基座20的4个角部相邻接的位置。而且，反作用力处理致动器为2个时，最好被分别设于反作用力处理致动器21-1和21-2之间、以及反作用力处理致动器21-3和21-4之间。
如图4的说明所示，反作用力处理致动器21-1～21-4，用于在抵消当X滑子25被驱动时所产生的反作用力的方向上，对基座20施与推力，因此可通过支撑部件将其分别设置在固定地板上。另一方面，基座20通过在X轴、Y轴方向上作用的除振机构，被设置在固定地板上。X滑子25的驱动源可以使用例如线性电动机。在使用线性电动机时，无庸置疑，虽然是组装有例如由线性标尺(リニアスケ一ル)与传感器头(センサヘツド)组合而成的位置传感器，但并不仅限于这样的位置传感器。而且，X滑子25应预先设定以基准点为界的行程范围。
为了将推力指令值送到上述那样的4个反作用力处理致动器21-1～21-4用的驱动器、以及驱动X滑子25的线性电动机用的驱动器中，就要具备如图1所示的控制系统。
图1中，从驱动器27对X滑子用的线性电动机26加载驱动信号，从驱动器22-1～22-4对反作用力处理致动器21-1～21-4分别加载驱动信号。
上述那样的4个反作用力处理致动器21-1～21-4、以及线性电动机26的控制系统10，对驱动器27加载上述推力指令值F的同时，将上述推力指令值F通过增益调整部15进行调整，并将该调整过的推力指令值加载到4个驱动器22-1～22-4上。以下，将加载到驱动器27上的输出称为推力指令值F，而加载到驱动器22-1～22-4上的推力指令值区别称为被调整过的推力指令值。
若详细说明就是，本方式的振动控制装置具备，图4中所说明的控制机构43、和取代了增益补偿器44的控制系统10。控制系统10包括运算器11、放大器12、增益调整部15，其中运算器11是接受位置检测值和位置指令值并计算他们的差的，上述位置检测值是将来自上述位置传感器的位置检测信号在放大器28中放大并进行波形整形后形成的。放大器12根据来自运算器11的差信号，对驱动器27输出用于线性电动机26的推力指令值F。
增益调整部15具有第一调整部16和第二调整部17。第一调整部16在X滑子25为加速或减速中的情况下作为增益对第二调整部17加载增益A1，在等速运行的情况下，作为增益对第二调整部17加载增益A2(但是A1＞A2)。第一调整部16包括输出表示增益A1、A2的信号的输出部(图未示)，接受来自放大器12的推力指令值并检测加速度的加速度检测器16-1，以及将其计算结果、也就是根据加速或减速中或者等速运行中的不同情况来切换增益A1、A2、并将其加载到第二调整部17上的切换器16-2。
第二调整部17接受推力指令值F和来自位置传感器的位置检测信号，在X滑子25为加速或减速中的情况下，可根据X滑子25的位置使增益A1可变。特别是，该第二调整部17，如图3所示，在以基准点为界的X滑子25的正向一侧，以具有第一斜率的第一直线GL1为基础，将根据X滑子25的位置而变化的增益A1与推力指令值F相乘并输出，另一方面，在以基准点为界的X滑子25的负向一侧，以具有第二斜率的第二直线GL2为基础，将根据X滑子25的位置而变化的增益A1与推力指令值F相乘并输出。而且，基准点对X滑子25来说就是例如其行程范围的中间点，该点为0。
通过上述结构，第二调整部17在X滑子25加速或减速中的情况下，根据作为可变值的增益A1来输出被调整过的推力指令值，并在等速运行的情况下，根据作为固定值的增益A2来输出被调整过的推力指令值。
由上述说明可知，本反作用力处理系统，虽然是在向X滑子25用的线性电动机26的推力指令值F上乘以某增益A所得的结果，作为被调整过的推力指令值，向反作用力处理致动器21-1～21-4输出，但在X滑子25的可动范围内的无论是何种情况下，都能够性能稳定地对推力指令值F进行下述那样的修正。
1.根据X滑子25处于加速、减速中或者等速运行中的情况，来切换增益。这通常是，若向反作用力处理系统输入推力指令值，则X滑子25在某个位置停止时，有时产生振荡，因此加速或减速中以外的情况下，就必须降低增益或者切换(中断)推力指令。而且，X滑子25的加减速指令为零以后，由于基座20的摇摆等，向X滑子25的推力指令值被更少地输出，因此切换增益，并将推力指令值输入到反作用力处理致动器中。
2.根据X滑子25在以0点为界的位置来改变增益A。
例如，X滑子25的行程范围为-70mm～+70mm，以0点为基准点，使规定增益的两根直线各自具有不同的斜率。这样，如上所述，X滑子25在其运行时，会受到裸线缆的张力等外界不良的影响。因此，图3的第一、第二直线GL1、GL2的第一、第二斜率最好是，例如反复实际运行X滑子25以进行动作测试，从而可以预先设定最佳值。
本方式还可将4个反作用力处理致动器21-1～21-4的推力的分配，根据X滑子25的重心位置来进行，说明如下。
图2所示的各符号定义如下。
L1从X滑子25的重心位置到反作用力处理致动器21-1、21-2的Y方向距离
L2从X滑子25的重心位置到反作用力处理致动器21-3、21-4的Y方向距离LL1从设定于基座20的原点位置到反作用力处理致动器21-1、21-2的Y方向距离LL2从设定于基座20的原点位置到反作用力处理致动器21-3、21-4的Y方向距离Ypos从设定于基座20的原点位置到X滑子25的Y方向位置F向X滑子25加载的推力指令值F1向反作用力处理致动器21-1、21-2加载的推力指令值F2向反作用力处理致动器21-3、21-4加载的推力指令值由图2可知，下列式(7)、(8)的关系成立。
L1＝LL1+YPos (7)L2＝LL2-Ypos (8)从X滑子25的重心位置来看的反作用力处理致动器的力矩的平衡，如以下(9)式所示。
F1×L1＝F2×L2 (9)由于X滑子25的推力等于反作用力处理致动器的总推力，因此以下的(10)式成立。
F1+F2＝F (10)由此，根据X滑子25的推力指令值就可以如下述那样算出向反作用力处理致动器的推力指令值。
F1＝{L12/(1+L12)}×FF2＝F-F1＝{(1-L12)/(1+L12)}×F这里，L12＝L2/L1而且，向4个反作用力处理致动器21-1～21-4的各个推力指令值F11、F12、F21、F22如下所述。
F11＝0.5×F1、F12＝0.5×F1、F21＝0.5×F2、F22＝0.5×F2
而且，在上述方式中，虽然说明的是只有搭载工件的X滑子在基座上运行的工作台装置，但本发明也可适用于搭载工件的平台在基座上于X轴方向、和Y轴方向都可动的所谓的X-Y工作台装置。这时，若以图2为例来说，也可以在基座20的与Y轴方向平行的两侧，分别设置能使反作用力作用到Y方向上的、至少两个反作用力处理致动器，控制系统的结构，与图1所示的相同即可。
产业上的可利用性本发明可适用于掩模检测装置及半导体检测装置等的要求高精度的定位的整个工作台装置。
权利要求
1.工作台装置用的反作用力处理系统，在具备经由除振机构而被设置在固定地板上的结构体、和在该结构体上利用驱动源可在至少一个轴方向上移动地构成的可动部分的工作台装置中，该反作用力处理系统用于抑制由于驱动上述可动部分而产生的反作用力所导致的上述结构体的振动，其特征在于，具备推力产生机构，其被设置在上述固定地板一侧，用于对上述结构体在消除上述反作用力的方向上施加推力；控制机构，其在对上述驱动源加载推力指令值的同时，使上述推力指令值通过增益可变的增益调整机构后，对上述推力产生机构加载被调整过的推力指令值。
2.如权利要求1所述的工作台装置用的反作用力处理系统，其特征在于，上述增益调整机构还包括有第一调整部，其可在上述可动部分为加速或减速中的情况下，选择增益A1作为上述增益，在等速运行中的情况下选择增益A2(但A1＞A2)作为上述增益。
3.如权利要求2所述的工作台装置用的反作用力处理系统，其特征在于，具备检测上述可动部分的位置的位置检测机构，上述可动部分预先设定以基准点为界的行程范围，上述增益调整机构还具有第二调整部，其可在选择了上述增益A1时，根据上述可动部分的位置来使上述增益A1可变，该第二调整部在以上述基准点为界的上述可动部分的正向一侧，根据具有第一斜率的第一直线来使上述增益A1变化，并将变化后的增益乘以上述推力指令值而进行输出，另一方面，在以上述基准点为界的上述可动部分的负向一侧，根据具有第二斜率的第二直线来使上述增益A1变化，并将变化后的增益乘以上述推力指令值而进行输出。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的工作台装置用的反作用力处理系统，其特征在于，上述驱动源是线性电动机，上述推力产生机构是线性电动机、音圈电动机、伺服电动机中的任意一种。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的工作台装置用的反作用力处理系统，其特征在于，其以下述方式构成从驱动上述可动部分时施加力的第一位置起到上述可动部分的重心为止的有关铅直方向的第一距离、和从上述第一位置起到驱动上述推力产生机构时施加力的第二位置为止的有关铅直方向的第二距离相等。
6.如权利要求1～5中任意一项所述的工作台装置用的反作用力处理系统，其特征在于，作为上述推力产生机构，在上述结构体上至少具备两个推力产生部，当上述驱动源的推力为F时，上述第二调整部对上述至少两个的推力产生部，进行对应上述可动部分的重心位置的上述推力F的分配，从而将被分配了的推力指令值作为上述被调整过的推力指令值进行输出。
全文摘要
本发明提供工作台装置用的反作用力处理系统，无论可动部分处于哪个位置都可获得稳定性较高的定位性能。在具备经由除振机构设置在固定地板上的基座(20)、和在该基座上通过线性电动机(26)可在至少一个轴方向上移动的X滑子(25)的工作台装置中，该反作用力处理系统用于抑制由于驱动上述可动部分而产生的反作用力所导致的上述结构体的振动，其具备多个反作用力处理致动器(21－1～21－4)，被设置在上述固定地板一侧，用于对基座在抵消上述反作用力的方向上施加推力；控制系统(10)，其在对上述线性电动机加载推力指令值(F)的同时，使上述推力指令值通过使增益可变的增益调整部(15)，以对上述多个反作用力处理致动器加载被调整过的推力指令值。
文档编号H02P25/06GK1581651SQ20041005599
公开日2005年2月16日 申请日期2004年8月4日 优先权日2003年8月4日
发明者西本英夫, 金子诚 申请人:住友重机械工业株式会社