DE60006060T2

DE60006060T2 - Zwei-dimensionale Positionierungseinrichtung und Verfahren zur Messung von Laserlicht der Einrichtung

Info

Publication number: DE60006060T2
Application number: DE60006060T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Musashino-shi Ono; Shigeru Musashino-shi Hashida; Yutaka Musashino-shi Koizumi; Fumio Musashino-shi Kaiho; Yasuhito Musashino-shi Kosugi; Ryuichi Musashino-shi Jimbo; Atsufumi Musashino-shi Kimura
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1999-10-29
Filing date: 2000-10-27
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2020-10-28
Also published as: DE60006060D1; EP1111489B1; EP1111489A1; US6603562B1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung ist auf Sonden, Handhaber, Schrittmotoren und anderes Gerät anwendbar und bezieht sich auf eine zweidimensionale Positioniervorrichtung zum Positionieren von Objekten in einer zweidimensionalen Richtung.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Als eine zweidimensionale Positioniervorrichtung gab es eine Vorrichtung, wie sie in der nicht geprüften Patentanmeldung, Veröffentlichung 2000-65970 beschrieben ist, die ebenfalls von dem Anmelder dieser Erfindung eingereicht wurde. 1 ist eine schematische Ansicht der oben erwähnten Vorrichtung.
In 1 ist eine Platte 10, die aus einem Magnetmaterial hergestellt ist, mit Zähnen versehen, die mit festgelegten Abständen in der X-Achsen- und Y-Achsenrichtung ausgebildet sind. Die Figur zeigt nur einen Teil der Zähne zwecks Vereinfachung.
Ein zu positionierendes Objekt wird auf einem Gleitstück 11 angebracht.
Schwebemittel 12 veranlassen das Gleitstück 12, über der Platte 10 zu schweben. Düsen sind auf der Oberfläche des Gleitstücks 11 gebildet, das der Platte 10 gegenüberliegt. Strahlen von komprimierter Luft werden durch die Düsen von dem Schwebemittel 12 gesendet, um eine Schwebekraft zu erzeugen.
Ein Y-Achsenmotor 13 ist an dem Gleitstück 12 angebracht, und Zähne 132 sind auf dem Y-Achsenmotor 13 mit festen Abständen in der Y-Achsenrichtung gebildet. Der Y-Achsenmotor 13 erzeugt eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Zähnen 132 und den Zähnen 101 der Platte 10, um das Gleitstück 11 zu veranlassen, sich in der Y-Achsenrichtung zu bewegen.
X-Achsenmotoren 14 und 15 sind auf dem Gleitstück 11 angebracht, so dass sie sich symmetrisch zueinander in Bezug auf den Mittelpunkt des Gleitstücks 11 gegenüberliegen. Zähne 141 und 151 sind auf den X-Achsenmotoren 14 und 15 mit festen Abständen in der X-Achsenrichtung gebildet. Die X-Achsenmotoren 14 und 15 erzeugen eine magnetische Anziehungskraft zwischen den Zähnen 141 und 101 und zwischen den Zähnen 151 und 101, um das Gleitstück 11 zu veranlassen, sich in der X-Achsenrichtung zu bewegen.
Verbindungselemente 111 und 112 verbinden den Y-Achsenmotor 13 mit beiden X-Achsenmotoren 14 und 15.
Ein X-Achsenspiegel 16 ist in einer Seite der Platte 10 befestigt, und eine Spiegeloberfläche ist in der Y-Achsenrichtung ausgebildet. Ein Y-Achsenspiegel 17 ist an einer anderen Seite benachbart der oben erwähnten Seite der Platte 10 befestigt, und eine Spiegeloberfläche ist in der X-Achsenrichtung ausgebildet.
Ein Y-Achsenpositionssensor 18, der an den Y-Achsenmotor 13 angebracht ist, ist ein Laserinterferometer, das Lichtstrahlen an den Y-Achsenspiegel 17 emittiert, katoptrische Lichtstrahlen von dem Y-Achsenspiegel 17 empfängt und die Y-Achsenposition des Gleitstücks 11 mittels optischer Interferenz erfasst.
X-Achsenpositionssensoren 19 und 20, die an den X-Achsenmotoren 14 bzw. 15 angebracht sind, sind Laserinterferometer, die Lichtstrahlen an den X-Achsenspiegel 16 emittieren, katoptrische Lichtstrahlen von dem X-Achsenspiegel 16 empfangen und die X-Achsenposition des Gleitstücks 11 mittels optischer Interferenz erfassen.
Ein Y-Achsencontroller 21 steuert mittels Rückkopplung die Position des Gleitstücks 11 gemäß der Abweichung der Y-Achsenanweisungsposition von einer Position, die von dem Y-Achsenpositionssensor 18 erfasst wurde.
X-Achsencontroller 22 und 23 steuern mittels Rückkopplung die Position des Gleitstücks 11 gemäß der Abweichungen von X-Achsenanweisungspositionen von Positionen, die von den X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 erfasst wurden.
Ein Drehfehler kann um eine Achse senkrecht zu den X- und Y-Achsen des Gleitstücks 11 auftreten. Dieses Phänomen wird als Gieren bezeichnet, und der Winkel des Drehfehlers (d. h. des Gierwinkels) wird als θ angenommen.
Bei der Vorrichtung des Stands der Technik von 1 werden die X-Achsen- und θ-Achsenpositionen gesteuert, indem der gleiche Positionsbefehl an die X-Achsencontroller 22 und 23 gegeben wird. Der Zustand, bei dem jedes Gieren in dem Gleitstück 11 eliminiert wurde, wird als θ = 0 definiert.
Damit Lichtstrahlen, die von dem Y-Achsenpositionssensor 18 und den X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 zu Spiegeln hin emittiert wurden, fähig sind, zu ihren jeweiligen Sensoren ordnungsgemäß zurückzukehren, muss der Gierwinkel bei nahe 0, d. h. θ ≈ 0, gehalten werden. Wenn θ stark abweicht, werden von dem Y-Achsenpositionssensor 18 und den X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 emittierte Lichtstrahlen nicht zu den Sensoren zurückkehren. Folglich wird die Position des Gleitstücks 11 unbekannt, und daher kann die Position und die Geschwindigkeit des Gleitstücks 11 nicht durch Rückkopplung gesteuert werden. Da die Positionssensoren bei der Vorrichtung des Stands der Technik von 1 optische Sensoren sind, die Laserinterferometer verwenden, kann sogar ein kleiner Drehfehler des Gleitstücks 11 zu einer Unsteuerbarkeit führen.
Bei der Vorrichtung des Stands der Technik von 1 war es aus den folgenden Gründen schwierig, θ nahe an 0 zu bringen.
Grund 1: Es ist nicht möglich, die Steuercharakteristika der θ-Achsen- und der X-Achsenrichtungen getrennt einzustellen.
Um imstande zu sein, eine Steuerung durchzuführen, um θ ≈ 0 zu erfüllen, kann die servomechanische Starrheit von θ erhöht werden. In dem Fall der Vorrichtung des Stands der Technik von 1 ist jedoch die servomechanische Starrheit der θ-Achsenrichtung eindeutig festgelegt, wenn die Steuerverfahren und die Bandbreiten der X-Achsencontroller 22 und 23 festgelegt sind.
Grund 2: Die Steuerung in der θ-Achsenrichtung wird nicht durchführbar, wenn die Beschleunigung in der X-Achsenrichtung bei ihrem Maximum ist.
Das Ausgangsdrehmoment T des Gleitstücks 11 in 1 wird durch die folgende Gleichung dargestellt: T = Fx2·Lx2 – Fx1·Lx1wobei
Fx1 der Antrieb des X-Achsenmotors 14;
Fx2 der Antrieb des X-Achsenmotors 15;
Lx1 der Y-Achsenabstand von dem Schwerpunkt des Gleitstücks 11 zu dem Mittelpunkt des X-Achsenmotors 14; und
Lx2 ein Y-Achsenabstand von dem Mittelpunkt des X-Achsenmotors 15 zu dem Schwerpunkt des Gleitstücks 11 ist.
Wenn die Last an dem Gleitstücks 11 groß und der Wert eines Beschleunigungs-/Verzögerungsbefehls für die X-Achsenrichtung ebenfalls groß ist, kann der Antrieb Fx1 und Fx2 der X-Achsenmotoren 14 und 15 an ihrem Maximum sein. Unter der Annahme, dass die Maximalwerte von Fx1 und Fx2 gleich Fx1max und Fx2max sind, dann ist das Ausgangsdrehmoment T des Gleitstücks 11 T = Fx2max·Lx2 – Fx1max·Lx1
Falls Fx1max·Lx1 ≠ Fx2max·Lx2 aus Gründen von Herstellungsvariationen gilt, dann wird θ ansteigen. Sogar wenn Fx1max·Lx1 = Fx2max·Lx2 gilt, wird θ ebenfalls ansteigen, und die Servosteuerung wird nicht durchführbar, wenn ein störendes Drehmoment Td angelegt wird.
Wie es oben erläutert ist, wird bei der Vorrichtung des Stands der Technik von 1 der Antrieb nur für die Steuerung in der X-Achsenrichtung eingesetzt, und keine Rücksicht wird auf den Einsatz von Antrieb für die Steuerung in der θ-Achsenrichtung genommen. Diese Vorgehensweise hat häufig zu dem Problem geführt, dass der maximale Antrieb der beiden X-Achsenmotoren unausgeglichen war oder θ ansteigt, wenn beispielsweise ein störendes Drehmoment interferiert und daher die Servosteuerung nicht durchführbar wird.
Die EP-A-0 911 952 offenbart eine zweidimensionale Positioniervorrichtung, die eine Platte und ein Gleitstück umfasst. Das Gleitstück ist über der Platte mittels Federn aufgehängt. Die Vorrichtung umfasst ferner Mittel zum Bewegen des Gleitstücks in der X- und Y-Richtung.
Die US-A 5 585 683 offenbart eine weitere zweidimensionale Positioniervorrichtung, die Mittel zum Drehen eines über einer Platte aufgehängten Gleitstücks umfasst. Die Vorrichtung umfasst einen elektrostatischen Motor, sodass das sich bewegende Element an dem stationären Element angebracht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung wurde durchgeführt, um das oben erwähnte Problem zu lösen. Es ist somit eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, eine zweidimensionale Positioniervorrichtung bereitzustellen, die verhindern kann, dass die Positionssteuerung aufgrund eines Drehfehlers in einem Gleitstück nicht durchführbar wird, wobei die Steuerung in der X-Achsen- und θ-Achsenrichtung getrennt durchgeführt wird.
Die obige Aufgabe wird durch eine zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Ansicht einer vorbekannten zweidimensionalen Positioniervorrichtung.
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine vereinfachte Ansicht des Diagramms des in 2 gezeigten Steuersystems.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Anordnungsbeispiel von in den X-Achsen- und Y-Achsenmotoren vorhandenen Motorkernen zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel von in den X-Achsen und Y-Achsenmotoren vorhandenen Motorkernen zeigt.
6 ist eine schematische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Sensoren zeigt.
7 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Konfigurationsbeispiel der bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Sensoren zeigt.
8 ist eine schematische Ansicht, die noch ein weiteres Konfigurationsbeispiel der bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Sensoren zeigt.
9 ist eines schematische Ansicht, die ein Muster von Interferenzstreifen zeigt.
10 ist ein schematisches Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Motorantriebsschaltung zeigt.
11 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel der bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Motorantriebsschaltung zeigt.
12 ist ein Timingdiagramm, das die Beziehung zwischen Signalen bei dem Schaltbild von 11 zeigt.
13 ist eine schematische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer zweidimensionalen Positioniervorrichtung zeigt, die mit Mitteln zum Erfassen von Laserlichtwellenlängen ausgestattet ist.
14 ist eine schematische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel eines Ursprungssensors zeigt.
15 ist eine schematische Ansicht, die das Verhalten der Vorrichtung von 13 erläutert.
16 ist eine schematische Ansicht, die ebenfalls das Verhalten der Vorrichtung von 13 erläutert.
17 ist ein graphische Ansicht, die ebenfalls das Verhalten der Vorrichtung von 13 erläutert.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden zusammen mit ihren Teilkonfigurationen ausführlich hier nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
(1) Konfiguration des Servosteuersystems
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform der Erfindung zeigt. Elemente, die die gleichen wie die bei den vorhergehenden Figuren erläuterten sind, haben die gleichen Bezugszeichen.
2 ist insbesondere ein schematisches Diagramm, das die Konfiguration eines Servosteuersystems zeigt. Die Platte, das Gleitstück, das Schwebemittel, die X-Achsenmotoren, der Y-Achsenmotor, die X-Achsenpositionssensoren, der Y-Achsenpositionssensor, die X-Achsenspiegel und der Y-Achsenspiegel in 2 sind alle denen bei der Vorrichtung des Stands der Technik von 1 ähnlich.
In 2 identifiziert der X-Achsenpositionssensor 19 die Richtung, in der sich das Gleitstück 11 bewegt und erzeugt Vorwärtszähl- oder Rückwärtszählimpulse abhängig von der gekennzeichneten Richtung. Die Anzahl von erzeugten Impulsen ist relativ zu der von dem Gleitstück 11 durchgeführten Bewegungsmenge. Ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler 30 zählt vorwärts oder rückwärts gemäß den erzeugten Vorwärtszähl- oder Rückwärtszählimpulsen. Der von dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 30 erzeugte Zählwert stellt die erfasste Position des Gleitstücks 11 dar. Die Konfiguration des X-Achsenpositionssensors 19 wird später erläutert.
Ein Kompensationsmittel 31 enthält eine Kompensationstabelle 32, bei der Positionen des Gleitstücks abhängig von der Krümmung der Spiegel dazu gebracht werden, den Korrekturbeträgen zu entsprechen, die notwendig sind, um irgendwelches Gieren des Gleitstücks 11 zu eliminieren. Das Kompensationsmittel 11 liest einen Korrekturbetrag aus der Kompensationstabelle 32 gemäß einer gegebenen Anweisungsposition aus und korrigiert die von dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 30 erfasste Position mittels des Korrekturbetrags, den das Mittel gelesen hat. Es sei hier bemerkt, dass die in der Kompensationstabelle 32 enthaltenen Daten diejenigen sind, die mittels Kalibrierung erhalten wurden.
Das Kompensationsmittel 31 ist vorgesehen, um Krümmungen in den X-Achsen- und Y-Achsenspiegeln 16 und 17 von 1 aufgrund von mechanischen Fehlern zu korrigieren. Das Kompensationsmittel 31 muss nicht bereitgestellt werden, wenn die Krümmungen in den X-Achsen- und Y-Achsenspiegeln 16 und 17 nicht so gravierend sind, um die Positionserfassung zu beeinflussen.
Wie der X-Achsenpositionssensor 19 ist der X-Achsenpositionssensor 20 ebenfalls mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 33, einem Kompensationsmittel 34 und einer Kompensationstabelle 35 ausgestattet.
Die Umwandlungsschaltung 36 empfängt Signale für erfasste X-Achsenpositionen X1 und X2 von den Kompensationsmitteln 31 und 34 und wandelt diese Signale in Signale für die X-Achsenposition x des Mittelpunkts des Gleitstücks 11 und den Gierwinkel θ des Gleitstücks um. Umwandlungsformel ist wie folgt: X = (X1 + X2)/2; θ = (X2 – X1)/2Ld wobei Ld der Abstand von dem Mittelpunkt des Gleitstücks 11 zu der optischen Achse des X-Achsenpositionssensors 19 oder 20 ist (Ld ist in 1 angegeben).
Ein X-Achsenpositionscontroller 37 gibt ein Steuersignal für die Rückkopplungssteuerung der X-Achsenposition des Gleitstücks 11 gemäß der Abweichung eines X-Achsenpositionsbefehls X1 von der erfassten Position x aus.
Aus der Änderungsrate in der erfassten Position x erfasst eine X-Achsengeschwindigkeitsberechnungsschaltung 38 die Geschwindigkeit, mit der sich das Gleitstück 1 in der X-Achsenrichtung bewegt. Die X-Achsengeschwindigkeitsberechnungsschaltung 38 ist beispielsweise eine F/V-Wandler.
Ein X-Achsengeschwindigkeitscontroller 39 gibt ein Steuersignal für die Rückkopplungssteuerung der Geschwindigkeit, mit der sich das Gleitstück 11 in der X-Achsenrichtung bewegt, gemäß der Abweichung des Steuersignals des X-Achsenpositionscontrollers 37 von einer von der X-Achsengeschwindigkeitsberechnungsschaltung 38 erfassten Geschwindigkeit aus. Dieses Steuersignal dient als ein Antriebsbefehl Ir0 zum Bewegen des Gleitstücks in der X-Achsenrichtung.
Auf ähnliche Weise ist die Vorrichtung mit einem θ-Achsenpositionscontroller 40, einer θ-Achsengeschwindigkeitsberechnungsschaltung 41 und einem θ-Achsengeschwindigkeitscontroller 42 ausgestattet, um den Gierwinkel θ zu steuern. Ein von dem X-Achsengeschwindigkeitscontroller 42 bereitgestelltes Steuersignal dient als ein Antriebsbefehl Irθ zum Drehen des Gleitstücks in der θ-Achsenrichtung.
Ein Begrenzer 43 beschränkt die X-Achsengrenzen des Antriebsbefehls Ir0 auf Imax – |Irθ| (Imax ist der Maximalwert des Antriebsbefehls) und gibt einen Antriebsbefehl Irx nach der Beschränkung aus. Dieser Antriebsbefehl schränkt die X-Achsengrenzen des Antriebsbefehls Ir0 gemäß der Größe des θ-Achsenantriebsbefehls Irθ ein.
Eine Befehlsumwandlungsschaltung 44 wandelt den Antriebsbefehl Irx für die X-Achsenrichtung und den Antriebsbefehl Irθ für die θ-Achsenrichtung in die Antriebsbefehle Ir1 und Ir2 der X-Achsenmotoren 14 und 15 gemäß den folgenden Formeln um: Ir1 = Irx – Irθ; Ir2 = Irx + Irθ
Die Antriebsbefehle Ir1 und Ir2 werden in den Bereich von –Imax bis +Imax aufgrund des Begrenzers 43 fallen.
Ein Stromsensor 45 erfasst einen elektrischen Strom, der durch die Spule des X-Achsenmotors 14 fließt.
Eine Kommutations- und Stromsteuerschaltung 46 steuert die Kommutation des X-Achsenmotors 14 und einen durch die Spule des X-Achsenmotors 14 fließenden elektrischen Strom.
Eine Kommutationswinkelberechnungsschaltung 47 umfasst eine Sinustabelle, die Zählwerte des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 30 und ihre entsprechenden Sinuswerte enthält. Wenn ein Zählwert des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 30 in einem Fall gegeben wird, wenn der X-Achsenmotor 14 vom Dreiphasentyp ist, liest die Kommutationswinkelberechnungsschaltung 47 die Werte von sinϕ und sin(ϕ + 120°) aus der Sinustabelle. Hier ist ϕ ein Winkel, der sich gemäß dem Zählwert des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 30 ändert.
Multiplizierende Digital/Analogwandler (als MDAs abgekürzt) 48 und 49 geben die Strombefehle Ir1sinϕ und Ir1sin(ϕ + 120°) aus, wobei der Antriebsbefehl Ir1 als ein analoges Eingangssignal und die Werte von sinϕ und sin(ϕ + 120°), die aus der Sinustabelle als Verstärkungseinstellsignale gelesen wurden, als Verstärkungsfaktor-Einstellsignale verwendet werden. Hier liegt der Grund für die 120° Phasenverschiebung bei den Befehlen darin, dass der X-Achsenmotor 14 ein Dreiphasenmotor ist. Die Phasenverschiebung wird sich verändern, wenn die Anzahl der Phasen unterschiedlich ist.
Eine X-Achsenstromsteuerschaltung 50 steuert den durch die Spule des X-Achsenmotors 14 fließenden elektrischen Strom gemäß den Abweichungen der Strombefehle Ir1sinϕ und Ir1sin(ϕ + 120°) aus den von den Stromsensor 45 erfassten Strömen.
Auf ähnliche Weise ist der X-Achsenmotor 50 ebenfalls mit einem Stromsensor 51 und einer Kommutations- und Stromsteuerschaltung 52 versehen.
Wie die X-Achsen- und θ-Achsenservosteuersysteme ist das Y-Achsenservosteuersystem ebenfalls mit einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 53, einem Kompensationsmittel 54, einer Kompensationstabelle 55, einem Y-Achsenpositionscontroller 56, einer Y-Achsengeschwindigkeitsberechnungsschaltung 57, einer Y-Achsengeschwindigkeitscontroller 58 und einer Kommutations- und Stromsteuerschaltung 59 ausgestattet. Bei dem Y-Achsenservosteuersystem wird die Steuerung durchgeführt, ohne durch ein derartiges Verfahren zum Umwandeln von Steuervariablen zu gehen, wie es von der Umwandlungsschaltung 36 durchgeführt wird.
3 ist eine vereinfachte Ansicht des Diagramms des in 2 gezeigten Steuersystems.
In 3 wandelt die Wandlerschaltung 36 Werte X1, X2 und Y, die von dem X-Achsenpositionssensor 19, dem X-Achsenpositionssensor 20 und dem Y-Achsenpositionssensor 18 erfasst wurden, in die X-Achsenposition x des Mittelpunkts des Gleitstücks 11 und den Gierwinkel θ und die Y-Achsenposition y des Gleitstücks 11 um.
Ein X-Achsenpositions- und Geschwindigkeitscontroller 60 steuert die X-Achsenposition und die Geschwindigkeit des Gleitstücks 11 mittels Rückkopplung mit dem Signal der Position x als ein Rückkopplungssignal. Das Steuersignal des X-Achsenpositions- und Geschwindigkeitscontrollers 60 wird als ein Antriebsbefehl Irx für die X-Achsenrichtung ausgegeben.
Ein θ-Achsenpositions- und Geschwindigkeitscontroller 61 steuert die θ-Achsenposition und die Geschwindigkeit des Gleitstücks 11 mittels Rückkopplung mit dem Signal des Gierwinkels θ als ein Rückkopplungssignal. Das Steuersignal des θ-Achsenpositions- und Geschwindigkeitscontrollers 61 wird als ein Antriebsbefehl Irθ für die θ-Achsenrichtung ausgegeben.
An diesem Punkt werden die Antriebsbefehle Irx und Irθ in Irx – Irθ und Irx + Irθ, d. h. die Antriebsbefehle der X-Achsenmotoren 14 und 15, umgewandelt.
Somit wird die Steuerung für die X-Achsen- und die θ-Achsenrichtungen getrennt durchgeführt.
Ein Y-Achsenpositions- und Geschwindigkeitscontroller 62 steuert die Y-Achsenposition und die Geschwindigkeit des Gleitstücks 11 mittels Rückkopplung unter mit dem Signal der Position y als ein Rückkopplungssignal. Das Steuersignal des X-Achsenpositions- und Geschwindigkeitscontroller 62 wird als ein Antriebsbefehl Iry für die Y-Achsenrichtung ausgegeben.
Gemäß dem oben erläuterten Servosteuersystem werden die folgenden Vorteile erhalten.

(1) Von dem X-Achsenpositionssensor und den beiden Y-Achsenpositionssensoren erfasste Signale werden in das X-Achsenpositionssignal des Mittelpunkts des Gleitstücks 11 und das Signal des Gierwinkels θ des Gleitstücks 11 umgewandelt. Dann wird gemäß den umgewandelten Signalen eine Rückkopplungssteuerung für die Bewegung des Gleitstücks in der X-Achsen- und der θ-Achsenrichtung getrennt durchgeführt. Folglich ist es möglich, das Steuerverfahren und die Servoverstärkung für die θ-Achsenrichtung getrennt von denen für die X-Achsenrichtung zu bestimmen. Dies bedeutet, dass die servomechanische Starrheit der θ-Achse verbessert wird, was verhindert, dass die Servosteuerung aufgrund eines Drehfehlers in dem Gleitstück 11 nicht durchführbar wird. Außerdem wird es möglich, die Positionsgenauigkeit für die Gierrichtung dramatisch zu verbessern.
(2) In Abhängigkeit der Antriebsbefehle für die X-Achsen- und θ-Achsenrichtungen werden die Summe and die Differenz dieser Antriebsbefehle ausgewertet, um Antriebsbefehle für die ersten und zweiten X-Achsenmotoren zu erzeugen. Folglich ist es möglich, Antriebsbefehle an die beiden X-Achsenmotoren zu geben, während zur gleichen Zeit die Bedingungen erfüllt werden, unter denen Steueraufgaben für die X-Achsen- und θ-Achsenrichtungen nicht miteinander interferieren.
(3) Die X-Achsengrenzen des Antriebsbefehles Ir0 werden auf Imax – |Irθ| beschränkt (Imax ist der Maximalwert des Antriebsbefehls). Dies bedeutet, dass die X-Achsengrenze des Antriebsbefehls Ir0 gemäß der Größe des θ-Achsenantriebsbefehls Ir0 beschränkt ist. Folglich ist es möglich, der Steuerung in der θ-Achsenrichtung gegenüber der Steuerung in der Y-Achsenrichtung Priorität zu geben. Außerdem wird die Steuerung in der θ-Achsenrichtung nicht durch die Steuerung in der X-Achsenrichtung beeinflusst, daher kann sie ihre Steuercharakteristika sogar behalten, wenn das Servo-Steuersystem unter einer schweren Last oder einer intensiven Beschleunigung/Verzögerung ist.

(2) Konfiguration von Motorkernen
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Anordnungsbeispiel der in den X-Achsen- und Y-Achsenmotoren vorhandenen Motorkernen zeigt.
Wie es in 4 gezeigt ist, sind Zähne 72 und 73 an den Kernen 70 und 71 der X-Achsenmotoren 14 und 15 mit festgelegten Abständen entlang der X-Achsen gebildet. Die Kerne 70 und 71 sind symmetrisch um den Mittelpunkt des Gleitstücks 11 angeordnet. Auf ähnliche Weise sind Zähne 76 und 77 an den Kernen 74 und 75 des Y-Achsenmotors 13 mit festgelegten Abständen entlang der Y-Achsen gebildet.
Diese Zähne sind angeordnet, sodass sie gegenüberliegend zu den Zähnen der Platte 10 positioniert sind.
Wenn die Kerne 70 und 71 einen Antrieb Fx erzeugen, bewegt sich das Gleitstück 11 in der Richtung f. Wenn der Kern 70 einen Antrieb –Fx und der Kern 71 einen Antrieb Fx erzeugt, dreht sich das Gleitstück 11 in der Richtung θ1. Wenn die Kerne 73 und 74 einen Antrieb Fy erzeugen, bewegt sich das Gleitstück in der Richtung g.
Bei dieser Konfiguration von Motorkernen werden die Zähne der beiden X-Achsenmotoren symmetrisch um den Mittelpunkt des Gleitstücks angeordnet. Folglich sind die Positionsfehler der Zähne der beiden X-Achsen im Fall der thermischen Ausdehnung in dem Gleitstück 11 fast gleich. Dies bedeutet, dass es möglich ist, die Wirkungen einer Temperaturänderung zu verringern, die Motoren erleiden können.
5 ist eine schematische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel der in den X-Achsen- und Y-Achsenmotoren vorhandenen Motorkerne zeigt.
Bei 5 sind Motorkerne 81 und 82 angeordnet, sodass sie Permanentmagneten 83 umgeben (sandwich). Die Permanentmagneten 83 sind in der Richtung magnetisiert, in der die Motorkerne ausgerichtet sind. Der Motorkern 81 ist mit den Wicklungen von Phase-A-Spulen 85A, Phase-B-Spulen 85B und Phase-C-Spulen 85C in der Reihenfolge ausgestattet, in der hervorstehende Pole 84A, 84B und 84C angeordnet sind. Diese Spulen sind gewickelt, sodass sie ihre jeweiligen hervorspringenden Pole der beiden Motorkerne 81 und 82 überspannen. An der Spitze jedes hervorspringenden Pols sind Zähne mit einem Abstand P ausgebildet. Den Zähnen der hervorspringenden Pole 84A und 84B und 84C werden eine Phasenverschiebung von P/3 zwischen einander gegeben. Somit werden Sinuswellenströme mit einer Phasenverschiebung von 120° zwischen einander an die Phase-A-Spulen 84A, Phase-B-Spulen 84B und Phase-C-Spulen 84C angelegt.
Der Motorkern 82 weist eine Konfiguration ähnlich derjenigen des Motorkerns 81 auf. Die Zähne der hervorspringenden Pole an dem Motorkern 82 sind angeordnet, sodass es eine Phasenverschiebung von P/2 zwischen ihnen und den Zähnen des Motorkerns 81 gibt.
Die Motorkerne 81 und 82 bewegen sich in der Richtung a-a', wenn ein Dreiphasensinuswellenstrom an die Phase-A Spulen 84, Phase-B Spulen 84B und Phase-C Spulen 84C angelegt wird.
Die in 5 gezeigten Motorkerne entsprechen dem in 4 gezeigten Einzelkern.
(3) Konfiguration von Sensoren
(3-1) Erste Ausführungsform einer Sensorkonfiguration
6 ist eine schematische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel von bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Sensoren zeigt. Der Y-Achsenpositionssensor 18 und die X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 in 2 sind alle in ihren Konfigurationen ähnlich. Der X-Achsenpositionssensor wird hier zur Erläuterung als ein Beispiel genommen.
In 6 emittiert eine Laserlichtquelle 191 Laserlicht. In dem optischen Pfad des von der Laserlichtquelle 191 emittierten Laserlichts gibt es Spiegel 192 und 193, eine Halbspiegel 194, einen Polarisationsstrahlenteiler (als PPS abgekürzt) 195, eine Viertelwellenplatte 196 und einen Tripelspiegel (corner cube) 197.
Einer der Lichtstrahlen, der die Laserlichtquelle 191 verlassen hat, wandert entlang des Halbspiegels 194, des Spiegels 193, des Spiegels 192 und des Halbspiegels 194, wobei er in der Richtung B in der Figur fortschreitet. Hier wird dieser Lichtstrahl als Lichtstrahl (1) bezeichnet.
Ein weiterer Lichtstrahl, der die Laserlichtquelle 191 verlassen hat, wandert entlang dem Halbspiegel 194, dem PBS 195, der Viertelwellenplatte 196, einem X-Achsenspiegels 16, der Viertelwellenplatte 196, dem PBS 195, dem Tripelspiegel 197, der Viertelwellenplatte 196, dem X-Achsenspiegel 16, der Viertelwellenplatte 196, dem PBS 195 und dem Halbspiegels 194, womit er ebenfalls in der Richtung B in der Figur fortschreit. Hier wird dieser Lichtstrahl als Lichtstrahl (2) bezeichnet.
Der Spiegel 193 ist angeordnet, sodass er an einem Winkel von 45° zu der optischen Achse der Laserlichtquelle 191 ist. Im Gegensatz dazu ist der Halbspiegel 194 angeordnet, sodass er an einem Winkel von 45° + θa zu der optischen Achse ist. Dieser Winkelunterschied θa des Halbspiegels bewirkt, dass sich die Wellenfront des Lichtstrahls (1) von derjenigen des Lichtstrahls (2) um soviel wie θa unterscheidet.
Folglich interferieren die Lichtstrahlen (1) und (2) miteinander, um Interferenzstreifen S zu bilden. Ein Photodiodenarray (als PDA abgekürzt) 198 erfasst die Interferenzstreifen S. Das PDA 198 besteht aus vier Photodioden 198A bis 198D. Die vier Photodioden 198A bis 198D sind innerhalb eines einzigen Abstands der Interferenzstreifen S angebracht. Die Photodioden 198A bis 198D sind mit gleichem Abstand von P/4 (P ist der Abstand der Interferenzstreifen) angeordnet.
Folgende Beziehung gilt in diesem Fall: Abstand p von Interferenzstreifen = λ/θa (λ ist die Wellenlänge des Laserlichts)
Ein Subtrahierer 199 führt eine Berechnung durch, die als „(von der Photodiode 198 erfasstes Signal) – (von der Photodiode 198C erfasstes Signal)" dargestellt wird.
Auf ähnliche Weise führt ein Subtrahierer 200 eine Berechnung durch, die als „(von der Photodiode 198B erfasstes Signal) – (von der Photodiode 198D erfasstes Signal)" dargestellt wird.
Der X-Achsenpositionssensor 90 bewegt sich, wenn sich das Gleitstück 11 bewegt, was die Interferenzstreifen veranlasst, sich in der in 6 gezeigten Richtung d-d' zu bewegen. Die hellen und dunklen Bänder der Interferenzstreifen, denen jede der Photodioden 198A bis 198D ausgesetzt ist, bewegen sich ebenfalls, wenn sich die Interferenzstreifen bewegen, was bewirkt, dass sich die von der Photodiode 198A bis 198D erfassten Werte ändern. Die Position des Gleitstücks 11 wird gemäß diesen Änderungen erfasst.
Wenn sich die Interferenzstreifen in der Richtung d bewegen, sind die Ausgaben VA bis VD der Photodioden wie folgt: VA = K[1 + msin{xe·2π/(λ/4)}] + Kn VB = K[1 + mcos{xe·2π/(λ/4)}] + Kn VC = K[1 – msin{xe·2π/(λ/4)}] + Kn VD = K[1 – mcos{xe·2π/(λ/4)}] + Knwobei
xe der Abstand des erfassten Objekts ist;
K und m Koeffizienten sind; und
Kn eine Rauschkomponente ist.
Die Signale der Subtrahierer 199 und 200 sind wie folgt: VA – VC = 2mKsin{xe·2π/(λ/4)} VB – VD = 2mKcos{xe·2π/(λ/4)}
Als Ergebnis der Subtraktion wird die Gleichstromrauschkomponente Kn, die durch Störlicht auftritt, gelöscht.
Die Signale VA – VC und VB – VD werden in oben erwähnte Phase-A- und Phase-B-Impulse umgewandelt.
Wenn sich die Interferenzstreifen in der Richtung c' bewegen, wird die Phasenbeziehung zwischen den Signalen VA – VC und VB – VD umgekehrt.
Komparatoren 201 und 202 erzeugen die Phase-A- und Phase-B-Impulse aus den Subtraktionssignalen der Subtrahierer 199 und 200.
Aus der Phasenbeziehung zwischen den Phase-A- und Phase-B-Impulsen identifiziert ein Richtungsdetektor 203 die Richtung, in der sich das Gleitstück 11 bewegt, um Vorwärtszähl- oder Rückwärtszählimpulse abhängig von dem Ergebnis der Identifikation zu erzeugen.
Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 30 zählt vorwärts oder rückwärts gemäß den Vorwärtszähl- oder Rückwärtszählimpulsen. Der Zählwert des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 30 stellt die von dem Gleitstück 11 erfasste Position dar.
Es ist zuvor bekannt, um wie viel sich die Phasen der Zähne an dem Rotor und Stator des X-Achsenmotors 40 unter der Anfangsbedingung verschieben, wenn ein bekannter Strom an jede Spule mit einer unterschiedlichen Phase angelegt wird. Der Wert des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 30 an diesem Punkt wird beispielsweise auf 0 als ein Bezugswert eingestellt. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 30 zählt vorwärts oder rückwärts von dem Bezugswert, wenn sich das Gleitstück 11 bewegt, womit die Position des Gleitstücks 11 erfasst wird. Somit wird die Position des Gleitstücks 11 auf eine inkrementale Art und Weise erfasst.
(3-2) Zweite Ausführungsform einer Sensorkonfiguration
7 ist eine schematische Ansicht, die ein weiteres Konfigurationsbeispiel der von der Vorrichtung von 2 verwendeten Sensoren zeigt.
In 7 wird eine Laserlichtquelle 90 von dem Y-Achsenpositionssensor 18 und dem X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 gemeinsam genutzt. Eine Y-Achsen-Interferometereinheit 91 und X-Achsen-Interferometereinheiten 92 und 91 sind Einheiten, die den Y-Achsenpositionssensor 18 bzw. die X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 aufbauen. Die Y-Achsen-Interferometereinheit 91 und die X-Achsen- Interferometereinheiten 92 und 93 emittieren Laserlicht in der Y-Achsen- bzw. X-Achsenrichtungen. Dann finden sie Positionen optisch durch Empfangen von von dem Y-Achsenspiegel 17 und den X-Achsenspiegel 16 reflektierten Lichtstrahlen.
Der Y-Achsenpositionssensor 18 und die X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 sind mit Tripelspiegeln 94, 95 bzw. 96 ausgestattet.
Der Tripelspiegel 94 des Y-Achsenpositionssensors 18 ist an dem Y-Achsenmittelpunkt des Gleitstücks 11 positioniert. Die Tripelspiegel 95 und 96 der X-Achsenpositionssensoren 19 und 20 sind symmetrisch um die X-Achsenmittellinie des Gleitstücks 11 angeordnet.
Diese Anordnung von Tripelspiegel führt zu dem Zustand, dass die Positionsfehler dieser Tripelspiegel im Fall einer thermischen Ausdehnung in dem Gleitstück 11 fast gleich sind. Dies bedeutet, dass es möglich ist, die Wirkungen der thermischen Ausdehnung zu verringern, die Sensoren erleiden können.
(3-3) Dritte Ausführungsform der Sensorkonfiguration
8 ist eine schematische Ansicht, die noch ein anderes Konfigurationsbeispiel der bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Sensoren zeigt.
In 8 steht ein Zielspiegel 301 fest, und eine optische Schaltung 302 bewegt sich in der Richtung h-h' zusammen mit dem erfassten Objekt (in der Figur nicht gezeigt).
Eine Laserlichtquelle 321 emittiert Laserlicht mit einem senkrecht zu der Ebene des Papierblattes polarisierten Anteil. Eine Linse 322 ändert die Strahlen der Laserlichtquelle 321 in parallele Strahlen. Ein Halbspiegel 323 trennt Lichtstrahlen, die durch die Linse 322 gelaufen sind, in durchgelassene und reflektierte Lichtstrahlen.
Feststehende Spiegel 324 und 325 empfangen den durchgelassenen Lichtstrahl von dem Halbspiegel 323 und reflektieren ihn zurück zu dem Halbspiegel 323, Der Spiegel 324 ist in einen Winkel von 45° zu der optischen Achse der Laserlichtquelle 321 angeordnet. Im Gegensatz dazu ist der Spiegel 325 an einem Winkel von 45° + θa zu der optischen Achse angeordnet.
Ein Polarisationsstrahlenteiler (als PBS abgekürzt) 326 reflektiert den Lichtstrahl zurück, der von dem Halbspiegel 323 reflektiert wird. Der reflektierte Lichtstrahl läuft durch eine Viertelwellenplatte 3261 und schreitet zu dem Zielspiegel 301 weiter.
Wenn ein Lichtstrahl zweimal durch die Viertelwellenplatte 3261 läuft, wird er von vertikal polarisiertem Licht in horizontal polarisiertes Licht und dann umgekehrt geändert.
Die Verwendung der Viertelwellenplatte 3261 ermöglicht die Auswahl aus den durchgelassenen und reflektierten Lichtstrahlen mit dem PBS 326.
Der Tripelspiegel 327 reflektiert das Licht, das von dem Zielspiegel 301 reflektiert und dann durch die Viertelwellenplatte 3261 und den PBS 326 durchgelassen wurde, um es zu dem PBS 326 zurückkehren zu lassen.
Ein Phasendetektor 328 erfasst Interferenzstreifen, die von dem Licht erzeugt werden, das zu dem Halbspiegel 326 zurückkehrt.
Hier wird der Abstand zwischen dem Zielspiegel 301 und dem Tripelspiegel 327 als L angenommen.
Bei dem Positionssensor von 8 folgen einige der von der Lichtquelle 321 emittierten Lichtstrahlen den nachstehend gezeigten Pfaden.
Linse 322 → Halbspiegel 323 → Spiegel 324 → Spiegel 325 Halbspiegel 323 → Phasendetektor 328
Ein Lichtstrahl, der diesem Pfad folgt, wird hier als Lichtstrahl (1) bezeichnet.
Linse 322 → Halbspiegel 323 → PBS 326 Viertelwellenplatte 3261 → Zielspiegel 301 Viertelwellenplatte 3261 → PBS 326 → Tripelspiegel 327 → PBS 326 → Viertelwellenplatte 3261 → Zielspiegel 301 Viertelwellenplatte 3261 → PBS 326 → Halbspiegel 323 Phasendetektor 328
Ein Lichtstrahl, der diesen Pfad folgt, wird hier als Lichtstrahl (2) bezeichnet.
Der Winkel, mit dem der Spiegel 325 positioniert ist, wird um θa von demjenigen des Spiegels 324 verschoben. Daher verschiebt sich die Wellenfront eines Lichtstrahls a, der nach dem Folgen des Pfads des Lichtstrahls (1) zurückgekehrt ist, ebenfalls um θa von demjenigen eines Lichtstrahls b, der nach dem Folgen des Pfads des Lichtstrahls (2) zurückgekehrt ist. Diese Wellenfrontverschiebung veranlasst Lichtstrahlen a1 und b1 miteinander zu interferieren, um Interferenzstreifen S zu erzeugen. Ein Muster der Interferenzstreifen S ist in 9 gezeigt. Der Abstand P der Interferenzstreifen S wird durch die folgende Formel angegeben: P = λ/θa (λ ist die Wellenlänge von Laserlicht)
Der Phasendetektor 328 erfasst Interferenzstreifen mittels eines Paars von Photodetektoren, die mit einer Phasenverschiebung von P/4-Abstand voneinander in der Richtung angeordnet sind, in der die Interferenzstreifen ausgerichtet sind. Diese Photodetektoren sind beispielsweise Photodioden. 9 zeigt, wie die beiden Photodetektoren 3281 und 3282 angeordnet sind.
Die beiden Photodetektoren 3281 und 3282 geben Signale aus, die der Lichtmenge entsprechen, die sie empfangen.
Von den Photodetektoren 3281 und 3282 erfasste Signale werden als K1sinθ bzw. K1cosθ dargestellt (K1 ist eine Konstante und θ ist eine Phase).
Die Phase θ wird gemäß der Bewegungsmenge ΔL moduliert, die die optische Schaltung 302 durchführt. θ wird durch die folgende Formel angegeben: θ = 2π·4ΔL/λ (1)
Der Grund, dass die Zahl „4" in der Formel (1) vorhanden ist, ist deshalb, weil ein Lichtstrahl zwei Umläufe zwischen dem Zielspiegel 1 und dem Tripelspiegel 327 durchführt; daher ändert sich die optische Länge um soviel wie 4ΔL, wenn sich die optische Schaltung 2 um soviel wie ΔL bewegt.
Aus der Formel (1) wird das Ausmaß der Bewegung ΔL durch die folgende Gleichung angegeben: ΔL = θλ/8π (2)
Zwecks einfacherer Erläuterung sei angenommen, dass sich die optische Schaltung 302 mit einer konstanten Geschwindigkeit V zusammen mit dem erfassten Objekt bewegt.
Der Phasendetektor 328 gibt die Signale K1sinθ und K1cosθ aus. Da sich die optische Schaltung 302 mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, gilt K1sinθ = K1sinωst und K1cosθ = K1cosωst (ωs ist eine Winkelfrequenz und t ist Zeit). Unter den oben erwähnten Bedingungen gilt ΔL = Vt. Aus Gleichung (1) wird die folgende Gleichung erhalten: θ = 2π·4ΔL/λ = 2π·4Vt/λ = 8π·Vt/λda θ = ωst ist, gilt die folgende Gleichung: ωs = 8π·V/λ
Unter der Annahme, dass ωs = 2πfs ist (fs ist die Frequenz) dann gilt fs = 4V/λ
Ein Basistaktoszillator 340 erzeugt ein Basistaktsignal, dessen Frequenz ausreichend höher als eine Frequenz fc ist. Ein Oszillator 341 erzeugt das Signal K2cosωct (K2 ist eine Konstante; ωc « ωs) aus dem Basistakt.
Ein Phasenverschieber 342 verschiebt die Phase des Signals K2cosωct, wodurch das Signal K2sinωct erzeugt wird.
Ein Multiplizierer 343 multipliziert die modulierten Signale K1sinωst und K1cosωst mit den Bezugssignalen K2cosωct bzw. K2sinωct.
Ein Addierer 344 addiert die beiden Multiplikationssignale, um das Signal K1·K2sin(ωc + ωs)t zu erhalten.
Ein Komparator 345 wandelt das Additionssignal in ein Impulssignal um.
Ein Frequenzteiler 346 teilt die Frequenz des Impulssignals durch ein Teilungsverhältnis von n (n ist eine ganze Zahl). Somit liefert der Frequenzteiler 346 das Signal, dessen Frequenz (fc + fs)/n(ωc = 2πfc) ist.
Ein Periodenzähler 347 misst die Periode n/(fs + fc) des von dem Frequenzteilers 346 empfangenen Frequenz geteilten Signals mittels des Basistakts. Da die Frequenz des Basistakts verglichen mit (fc + fs)/n ausreichend hoch ist, ist es möglich, die Periode mit hoher Auflösung zu messen. Es sei bemerkt, dass die Periode mittels eines anderen Takts als dem Basistakt gemessen werden kann. Jeder Messtakt ist annehmbar, solange dessen Periode verglichen mit der Periode n/(fs + fc) des Frequenz-geteilten Signals ausreichend kurz ist.
Ein Subtrahierer 348 findet die Differenz zwischen der Periode n/fc des Bezugssignals und der gemessenen Periode n/(fs + fc) des Periodenzählers 347. Dies liefert die Periodendifferenz von nfs/fc(fs + fc).
Ein Integrator 349 integriert die Periodendifferenz nfs/fc(fs + fc) des Subtrahierers 348 mit Intervallen von n/(fs + fc). Dies liefert den integralen Wert fst/fc.
Ein Maßstabswandler 350 multipliziert den integralen Wert fst/fc mit λfc/4, um die Wegstrecke ΔL zu berechnen. Aus Gleichung (3) wird diese Berechnung durchgeführt, wie es nachstehend gezeigt ist: Fst/fc × λfc/4 = 4V/λ × t/fc × λfc/4 = Vt = ΔL
Somit kann die Wegstrecke ΔL bestimmt werden.
Eine Recheneinheit 351 berechnet die Position eines erfassten Objekts aus der Wegstrecke ΔL.
Das Positionsberechnungsmittel, auf das in dem Abschnitt „Patentansprüche" Bezug genommen wird, entspricht dem Maßstabwandler 350 und der Recheneinheit 351.
Die Richtung, in der sich das erfasste Objekt bewegt, verändert sich, wenn sich die Polarität von ωs abhängig von der Phasenvoreilungs/-verzögerungsbeziehung zwischen den beiden modulierten Signalen K1sinωst und K1cosωst verändert; daher wird die Richtung durch Beurteilen bestimmt, ob die Frequenz fs + fc höher oder niedriger als fc ist.
Es sei bemerkt, dass die Sensoren auf eine solche Art und Weise konfiguriert sein können, dass 1) der Multiplizierer 343 die modulierten Signale K1sinωst und K1cosωst mit den Bezugssignalen K2sinωct bzw. K2cosωct multipliziert, und 2) der Addierer 344 die beiden Multiplikationssignale addiert, wodurch das Signal K1 × K2cos(ωc – ωs)t erhalten wird.
Obwohl bei dieser Ausführungsform eine Erläuterung des Falls durchgeführt wurde, bei dem sich die optische Schaltung 302 bewegt, kann der Zielspiegel dazu gebracht werden, sich zu bewegen, und die optische Schaltung 302 kann stattdessen feststehend sein.
Gemäß der Sensorkonfiguration von 8 werden die folgenden Vorteile angeboten:

[1] Zwei Signale, die gemäß der Wegstrecke eines erfassten Objekts moduliert wurden, werden mit ihren jeweiligen Bezugssignalen multipliziert, die von dem Basistakt erzeugt wurden. Dann werden die beiden Multiplikationssignale addiert, um ein Signal zu erzeugen, dessen Frequenz verglichen mit derjenigen der modulierten Signale ausreichend hoch ist. Das bedeutet, dass das Hochfrequenzsignal ebenfalls in einen Komparator zum Pulsen des Additionssignal eingegeben wird, wenn das erfasste Objekt an einem Halt ist oder sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegt. Folglich wird der Komparator keine Hysterese aufweisen. Die Abwesenheit von Hysterese gewährleistet, dass der Positionssensor nicht versagt, auch wenn sich die Amplitude einer Komparatoreingabe verändert.
[2] Ein Rechenverfahren wird auf ein von einem Phasendetektor erhaltenes Signal angewendet, um das Signal in ein Hochfrequenzsignal umzuwandeln, bevor das Anfangssignal in den Komparator eingegeben wird. Dies bedeutet, dass das Hochfrequenzsignal ebenfalls in den Komparator eingegeben wird, wenn das erfasste Objekt an einem Halt ist oder sich mit niedriger Geschwindigkeit bewegt. Folglich wird der Komparator keine Hysterese aufweisen. Die Abwesenheit von Hysterese gewährleistet, dass der Positionssensor nicht versagt, sogar wenn sich die Amplitude einer Komparatoreingabe verändert. Außerdem ist, da das Signal eines Phasendetektors geteilt wird, bevor die Periode des Signals gemessen wird, der Positionssensor auf Wirkungen der Tastzyklusverzerrung in dem Komparator immun. Folglich kann der Positionssensor kaum versagen, auch wenn sich die Ausgabe des Phasendetektors plötzlich ändert.
[3] Signale, die hinsichtlich ihrer Perioden gemäß der Wegstrecke eines erfassten Objekts moduliert werden, werden erzeugt. Dann werden die Perioden der modulierten Signale mittels eines Messtaktes gemessen, dessen Periode verglichen mit diesen Perioden ausreichend kurz ist, womit die Position des Objekts erfasst wird. Dies bedeutet, dass die Position mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann.
[4] Der Basistakt ist ausgestaltet, um von dem Phasendetektor und dem Periodenzähler gemeinsam genutzt zu werden, um ein Signal, mit dem die Ausgabe des Phasendetektors multipliziert wird, und einen Messtakt für den Periodenzähler zu erzeugen. Folglich ist es möglich, die Ausgabe des Phasendetektors mit dem Timing der Periodenmessung genau zu synchronisieren.

(4) Konfiguration der Motorantriebsschaltung
(4-1) Erste Ausführungsform einer Motorantriebsschaltungskonfiguration
10 ist ein schematisches Diagramm, das ein Konfigurationsbeispiel einer bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Motorantriebsschaltung zeigt.
In 2 ist ein Motor 401 beispielsweise ein Impulsmotor.
Ein Stromdetektor 402 erfasst die Größe eines durch die Spule 403 des Motors 401 fließenden elektrischen Stroms auf eine elektrisch isolierte Art und Weise, um das erfasste Signal zurückzuspeisen.
Ein Stromfehlerverstärker 404 berechnet und verstärkt die Differenz zwischen einem von dem Steuerbefehl gegebenen Strombefehl und einen von einem Stromdetektor 2 erfassten elektrischen Strom. Somit gibt der Stromfehlerverstärker 404 das verstärkte Signal als einen Spannungsbefehl aus. Die oben erwähnte Berechnung ist beispielsweise die Integration.
Ein Dreieckwellenoszillator 405 erzeugt ein Dreieckwellensignal zum Erzeugen eines PWM-Signals (impulsbreitenmoduliertes Signal).
Ein Komparator 406 vergleicht das Spannungsbefehlssignal des Stromfehlerverstärkers 404 mit dem Dreieckwellensignal des Dreieckwellenoszillators 405, um ein PWM-Signal zu erzeugen.
Eine Inverterschaltung vom Brückentyp 407 umfasst zwei in Reihe geschaltete Schalter SW1 und SW2, wobei deren Verbindungspunkt mit der Spule 403 eines Motors 401 verbunden ist, um die Spule 403 durch An- und Ausschalten der Schalter SW1 und SW2 zu elektrisieren. Die Schalter SW1 und SW2 bestehen beispielsweise aus Transistoren. Dioden D1 und D2 werden parallel mit den Schaltern SW1 und SW2 verbunden.
Ein Totzeitgenerator 408 erzeugt ein Schaltersteuersignal zum An- und Ausschalten der Schalter SW1 und SW2 von einem durch einen Komparator 6 gelieferten PWM-Signal.
Zu diesem Zeitpunkt wird eine Totzeit in dem Schaltersteuersignal eingestellt, um die Schalter SW1 und SW2 daran zu hindern, gleichzeitig anzuschalten. Wenn die Schalter SW1 und SW2 gleichzeitig anschalten, wird ein großer Strom durch die Schalter fließen, wobei sie möglicherweise ausbrennen.
Ein Isolator 409 ist vorgesehen, um die Inverterschaltung 407 von dem Totzeitgenerator 408 zu isolieren.
Das von dem Totzeitgenerator 408 ausgegebene PWM-Signal wird an die Inverterschaltung 407 auf eine elektrisch isolierte Art und Weise bzw. stromfrei gesendet. Die Schalter SW1 und SW2 werden durch das übertragene PWM-Signal an- und ausgeschaltet, womit bewirkt wird, dass ein elektrischer Strom durch die Spule 403 fließt.
Die Ausgangsspannung der Inverterschaltung 407 ist ein Rechteckwellsignal, und der Mittelwert der Spannung ist proportional der Ausgabe des Stromfehlerverstärkers 404.
Die Ausgangsspannung der Inverterschaltung 407 schaltet einen elektrischen Strom durch den Motor 401 an, und ein elektrisches Stromrückkopplungssignal wird mittels des Stromdetektors 402 erhalten, um eine Rückkopplungsschleife und dadurch eine Schleife konstanten Stroms zu bilden.
Ein Spannungsdetektor 420 erfasst die Ausgangsspannung der Inverterschaltung 407 und ist beispielsweise ein elektrisch isolierter Spannungsdetektor.
Ein TPF (Tiefpassfilter) 421 schneidet das in der Ausgabe des Spannungsdetektors 420 enthaltene PWM-Rauschen ab, das enthalten ist, um ein Spannungsrückkopplungssignal zu erhalten.
Ein Spannungsfehlerverstärker 422 verstärkt die Differenz zwischen einem Spannungsbefehl, der von dem Spannungsbefehlssignal des Stromfehlerverstärkers 404 gegeben wird, und einem Spannungswert, der von dem Spannungsdetektor 420 erfasst wird. Somit gibt der Spannungsfehlerverstärker 422 das verstärkte Signal als ein Spannungskompensationssignal aus.
Ein Addierer 423 addiert das Spannungskompensationssignal zu dem Spannungsbefehlssignal, um das Spannungsbefehlssignal zu kompensieren. Dann führt der Addierer 422 das kompensierte Spannungsbefehlssignal in den Komparator 406 zurück. Das Additionssignal wird mit einem Dreieckwellensignal des Dreieckwellenoszillator 405 verglichen, um ein PWM-Signal zu erzeugen.
Bei der Schaltung von 10 wird die Ausgangsspannung der Inverterschaltung 407 zurückgeführt, ein Spannungskompensationssignal wird aus dem so zurückgeführten Signal erzeugt, und ein Spannungsbefehlssignal wird durch das Spannungskompensationssignal kompensiert. Folglich ist es möglich, Fehler zu verringern, die aufgrund eines Dead-Bands bzw. Unempfindlichkeitsbereichs in der Ausgangsspannung der Inverterschaltung 407 auftreten können, wenn die Richtung des elektrischen Stroms geändert wird.
(4-2) Zweite Ausführungsform einer Motorantriebssteuerkonfiguration
11 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel der bei der Vorrichtung von 2 verwendeten Motoransteuerschaltung zeigt.
Ein Verstärker 430 verstärkt ein von dem Steuerbefehl gegebenes Strombefehlssignal.
Ein Addierer 431 addiert das verstärkte Signal des Verstärkers 430 und das Stromrückkopplungssignal des Stromdetektors 402, um ein Überwachungssignal zu erzeugen. Diese Addition wird durchgeführt, um die beiden Signale zu mitteln.
Ein Komparator 432 vergleicht den Pegel des Überwachungssignals mit einem gegebenen Bezugswert, um die Richtung (Polarität) des elektrischen Stroms zu erfassen. Der Komparator 432 ist ein Hysterese basierter Komparator.
Ein Pegelwandler 433 stellt die Ausgabe des Komparators 430 auf einen Pegel zum Erfassen eines Nulldurchgangspunktes ein, der der Richtung des elektrischen Stroms entspricht.
Ein Komparator 434 vergleicht den Pegel des Monitorsignals mit dem von dem Pegelwandler 433 eingestellten Pegel, um einen Nulldurchgangspunkt zu erfassen, der der Richtung des elektrischen Stroms entspricht. Die Richtung des elektrischen Stroms, auf die hier Bezug genommen wird, ist entweder der Fall, wenn der Strom von dem positiven zur negativen Polarität wechselt, oder der Fall, wenn der Strom von der negativen zur positiven Polarität wechselt.
Ein Synchronisator 435 synchronisiert die Ausgabe des Komparators 434 mit dem Dreieckwellensignal des Dreieckwellenoszillators 405. Der Synchronisator 435 ist aus Flip-Flops zusammengesetzt.
Da das von dem Stromdetektor 402 ausgegebene Stromrückkopplungssignal eine Verzögerung gegenüber dem Steuerbefehl aufweist, weist das Überwachungssignal eine Phasenvoreilung gegenüber einem tatsächlichen elektrischen Strom der Spule 403 auf. Diese Phasenvoreilung wird durch die Verstärkung des Verstärkers 430 bestimmt. Die Verstärkung des Verstärkers 430 wird ordnungsgemäß eingestellt, um das optimale Timing zum Kompensieren eines Unempfindlichkeitsbereichs nahe einem Nulldurchgangspunkt zu erzeugen.
Außerdem wird die Bezugseingabe, mit der die Kompensation eines Unempfindlichkeitsbereichs nahe einem Nulldurchgangspunkt beginnt, auf den optimalen Pegel durch Einstellen des Pegels des Pegelwandlers 433 eingestellt.
Die Ausgabe des Komparators 434 wird mit einem Dreieckwellensignal durch den Synchronisator 435 synchronisiert und dann in den Pegelwandler 436 eingegeben. Der Pegelwandler 436 wird auf einen Pegel zum Kompensieren der Ausgangsspannung der Inverterschaltung 407 nahe einem Nulldurchgangspunkt eingestellt. Somit erzeugt der Pegelwandler 436 ein Signal, das eingestellt ist, um eine Änderung in dem Tastverhältnis des Ausgangssignals der Inverterschaltung 407 zu kompensieren.
Ein Addierer 437 addiert das Ausgangssignal des Pegelwandlers 436 zu dem Spannungsbefehlssignal des Stromfehlerverstärkers 404, um den Spannungsbefehl zu kompensieren. Folglich wird jede Änderung in dem Tastverhältnis des Ausgangssignals der Inverterschaltung 407 rückgängig gemacht und somit jede Totzeitverzerrung kompensiert.
12 ist ein Timingdiagramm, das die Beziehung zwischen Signalen in dem Schaltbild von 11 zeigt.
Ein Strombefehlssignal B1 und der Ausgangsstrom B2 der Inverterschaltung 407 werden addiert, um ein Additionssignal B3 zu erzeugen. Das Additionssignal B3 wird in die Komparatoren 432 und 434 eingegeben.
Da der Komparator 432 Hysterese aufweist, ändert sich ein Bezugspegel B4, wenn das Additionssignal B3 niedriger als der Bezugspegel B4 wird. An diesem Punkt ändert sich die Ausgabe B5 des Komparators 432.
Die Ausgabe B5 des Komparators 432 wird in einem unterschiedlichen Pegel durch den Pegel 433 geändert, um dem Komparator 434 als ein Bezugspegel B6 gegeben zu werden.
Wenn das Additionssignal B3 niedriger als der Bezugspegel B6 wird, ändert sich die Ausgabe B7 des Komparators 434. Die Ausgabe B7 des Komparators 434 wird mit dem Synchronisationstakt des Synchronisators 435 synchronisiert. Dann wird der Pegel der Ausgabe B7 durch den Pegelwandler 436 geändert, um eine Ausgabe B8 zu werden. Der Mittelwert des Spannungsbefehls ist negativ, wie es durch ein Symbol B7 angegeben wird. Die Ausgabe B8 und der Spannungsbefehl B9 werden durch einen Addierer 437 addiert, und dessen Ausgabe B10 wird in den Komparator 406 nach Korrektur gegeben.
Die Impulsbreite eines PWM-Signals verkürzt sich, nachdem die Ausgabe B10 nach Korrektur angestiegen ist. Folglich wird ein Unempfindlichkeitsbereich nahe einem Nulldurchgangspunkt in dem Ausgangsstrom der Inverterschaltung 407 gelöscht.
Es sei bemerkt, dass der Motor 407 ein Direktantriebsmotor oder ein linearer Motor sein kann.
Der Motor 401 kann ebenfalls ein Motor zum Bewegen des Gleitstücks der zweidimensionalen Positioniervorrichtung sein, bei der das Gleitstück mittels Luftlager zum Schweben gebracht wird.
Gemäß den Motorantriebsschaltungen von 10 und 11 wird ein Spannungsbefehl nahe den Nulldurchgangspunkt des Ausgangsstroms der Inverterschaltung 407 kompensiert. Folglich ist es möglich, jeglichen Unempfindlichkeitsbereich nahe dem Nulldurchgangspunkt des Ausgangsstroms der Inverterschaltung 407 zu eliminieren und dadurch die Steuerbarkeit des durch die Motorspulen fließenden elektrischen Stroms zu verbessern.
(5) Konfiguration von Mitteln zum Messen von Laserlichtwellenlängen
Bei dem Positionssensor der Vorrichtung in 2 wird eine Positionsmessung mittels Laserlichtinterferenz durchgeführt. Die Wellenlänge von Laserlicht kann sich beispielsweise aufgrund von Alterung ändern. Ein Mittel zum Messen von Laserlichtwellenlängen wird daher in der Vorrichtung bereitgestellt, um eine derartige Änderung zu erfassen.
13 ist eine schematische Ansicht, die ein Konfigurationsbeispiel einer mit einem Mittel zum Messen von Laserlichtwellenlängen ausgestattete zweidimensionale Positioniervorrichtung zeigt.
Wie es in 13 gezeigt ist, umfasst die zweidimensionale Positioniervorrichtung:
eine Platte 510, die aus magnetischen Eisenplatten hergestellt ist, und auf der Zähne 511 mit festgelegten Abständen in einem Gittermuster ausgebildet sind;
ein Gleitstück 520, das sich über der Platte 510 in der X-Achsen- und Y-Achsenrichtung bewegen kann;
ein X-Achsenspiegel 530, der aus an dem Ende der X-Achse angeordneten Spiegeln besteht, um Laserlichter 512 und 513 zu reflektieren;
ein Y-Achsenspiegel 531, der aus einem an dem Ende der Y-Achse angeordneten Spiegel besteht, um ein Laserlicht 514 zu reflektieren;
einen Ursprungssensor 520, der in einer gegebenen Position an dem Ende der X-Achse angeordnet ist
einen Servotreiber (Motorantriebseinheit) 540 zum Antreiben und Steuern des Gleitstücks 520 in der X-Achsen- und Y-Achsenrichtung.
Das Gleitstück 520 umfasst Mittel, um das Gleitstück 520 mittels eines Luftlagermechanismus schweben zu lassen (in der Figur nicht gezeigt); Rotoren, die aus Kernen und Spulen zum Bewegen des Gleitstücks 520 in der X-Achsen- und Y-Achsenrichtung mittels magnetischer Anziehung bestehen (in der Figur nicht gezeigt); und einen Spalttemperatursensor 570 zum Erfassen der Temperatur einer Rückkehr-zum-Ursprung-Spaltplatte 560.
Der obere Abschnitt des Gleitstücks 520 umfasst X1-Achsen und X2-Achsenlaserinterferometer 521 und 522 zum Emittieren des Laserlichts 512 und 513 auf den X-Achsenspiegel 530, um die X-Achsenposition mittels der Interferenz zwischen katoptrischen Lichtstrahlen von dem X-Achsenspiegel 530 zu erfassen; Y-Achsenlaserinterferometer 532 zum Emittieren des Laserlichts 514 auf dem Y-Achsenspiegel 531, um die X-Achsenposition mittels der Interferenz in katoptrischen Lichtstrahlen von den Y-Achsenspiegel 531 zu erfassen; und eine Rückkehr-zum-Ursprung-Platte 560, die an der X-Achse des Gleitstücks 520 angeordnet ist. Die X1-Achsen und X2-Achsenlaserinterferometer 520 und 522 sind mit einem vorgegebenen Abstand angeordnet, um den Gierwinkel (Drehwinkel θ um die Z-Achse) des Gleitstücks 520 zu erfassen.
Die Rückkehr-zum-Ursprung-Platte 560 wird mittels Glasspalten gebildet und umfasst zwei X1- und X2-Spalten 560 und 562, die getrennt in Reihe in der Y-Achsenrichtung ausgerichtet sind; einen Y-Spalt 563, der extern und senkrecht zu den X1-Spalte 561 positioniert ist; und einen Wellenlängen-kalibrierenden C-Spalt 561, der extern und senkrecht zu dem X2-Spalt 562 positioniert ist. Der Wellenlängen-kalibrierende C-Spalt 564 ist ausgebildet, um parallel zu sein und die gleiche Breite wie der Y-Spalt 563 zu teilen. Der Y-Spalt 563 und der Wellenlängen-kalibrierende C-Spalt 564 bilden das Mittel zum Erfassen von Laserwellenlängen.
Wie es in 14 gezeigt ist, umfasst der Ursprungssensor 550 einen Lichtemitter zum Emittieren von Licht, das aus Laserlichten besteht; einen Y-Achsen-Photodetektor 553, der aus zwei Photodetektoren 551 und 552 besteht, die mit vorgegebenem Abstand angeordnet sind; und einen X-Achsenphotodetektor 556, der aus zwei Photodetektoren 554 und 555 besteht, die in der Richtung senkrecht zu den Y-Achsenphotodetektor 553 angeordnet sind.
Bei der oben erläuterten Konfigurationen kann sich das Gleitstück 520 über der Platte 510 mittels magnetischer Anziehung bewegen. Außerdem führt der mit dem Gleitstück 520 verbundene Servotreiber 540 eine Positioniersteuerung mittels von den X1-Achsen- und X2-Achsenlaserinterferometer 521 und 522 und den Y-Achsen-Laserinterferometer 523 bereitgestellten Positioniersignale an dem Gleitstück 520 durch. Genauer gesagt steuert der Servotreiber 520 die X-Achsenposition und den Drehwinkel θ des Gleitstücks 520, die von der Interferenz zwischen katoptrischen Lichtstrahlen 512 und 513 von den an dem Gleitstück 520 befestigten X1-Achsen und X2-Achsenlaserinterferometer 521 und 522 bereitgestellt werden, und erfasst die Y-Achsenposition, die durch die Interferenz zwischen den katoptrischen Strahlen des von den Y-Achsen-Laserinterferometer 523 emittierten Laserlichtes 514 bereitgestellt wird. Außerdem ist die Rückkehr-zum-Ursprung-Platte 560, die an der X-Achse des Gleitstücks 520 positioniert ist, mit dem an dem X-Achsenende der Platte 510 angeordneten Ursprungssensor 550 ausgerichtet, um die Rückkehr-zum-Ursprung-Aktion in der X-Achsen-, Y-Achsen- und θ-Achsenrichtung zu veranlassen.
Bei dem ersten Schritt der Rückkehr-zum-Ursprung-Aktion ändert sich der An/Aus-Zustand des Y-Achsenursprungssignals, wie es in 17 gezeigt ist, wenn, wie es in 15 gezeigt ist, der Y-Spalt 563 den Y-Achsenursprungsposition erreicht, wo der Y-Achsenphotodetektor 553 des Ursprungssensors 550 angeordnet ist. Dies ermöglicht dem Servotreiber 540, das Gleitstück 520 in einer Y-Achsenposition zu platzieren, bei der der Y-Spalt 563 mit der Y-Achsenursprungsposition übereinstimmt. Der Koeffizient (Anzahl von erfassten Interferenzstreifen), der an diesem Punkt durch die Interferenz zwischen den katoptrischen Strahlen des von dem Y-Achsenlaserinterferometer 523 emittierten Laserlichtes 514 bereitgestellt wird und der die erfasste Y-Achsenposition angibt, wird als Yo angegeben. Bei dem zweiten Schritt wird das Gleitstück 520 parallel mit dem X-Achsenspiegel 530 bewegt, um das Gleitstück 520 zu positionieren, sodass der C-Spalt 564 mit der Y-Achsenursprungsposition übereinstimmt. Der Koeffizient (Anzahl von erfassten Interferenzstreifen), der an diesem Punkt durch die Interferenz zwischen den katoptrischen Strahlen des von dem Y-Achsenlaserinterferometer 523 emittierten Laserlichtes 514 bereitgestellt wird und der die erfasste Y-Position angibt, wird als Yc angegeben. Die Wellenlänge λn eines Laserlichtes an diesem Punkt kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden: Λn = K·Lc/(Yc – Yo) (4)wobei K eine ausgestaltungsabhängige Konstante und Lc der Abstand zwischen den Y- und C-Spalten ist, der während der Herstellung gemessen und in dem Servotreiber 540 eingestellt wird. Die Gleichung (4) ist das Mittel zum Messen der Wellenlänge des Laserlichtes 514 aus der Interferenz zwischen den katoptrischen Strahlen des Laserlichtes 514, wobei die Interferenz an der Ursprungsposition auftritt, die von jedem der beiden Spalten (Y- und C-Spalten 563 und 564) mittels des gleichen Photodetektors (Y-Ursprungsposition (556) des Ursprungssensors 550) erfasst wird.
Wie es oben erläutert ist, wird die Positionserfassung basierend auf dem Y- und C-Spalten 563 und 564 mittels des gleichen Ursprungssensors 550 durch Bewegen des Gleitstücks 520 in der Y-Achsenrichtung durchgeführt, womit die abstandbezogenen Koeffizienten Y0 und Yc berechnet werden. Dann wird die Laserlichtwellenlänge λn gemäß Gleichung (4) berechnet, so dass die Verschlechterung bei dem Laserlicht jedes Mal gemessen werden kann, wenn die Rückkehr-zum-Ursprung-Aktion stattfindet. Durch Messen der Laserlichtwellenlänge bei dieser Konfiguration ist es möglich, eine Laserlichterfassung mit niedrigeren Kosten zu erreichen, und eine hohe Positioniergenauigkeit beizubehalten, sogar wenn eine Änderung aufgrund von Alterung in dem Laserlicht auftritt. Außerdem ist es möglich, den Benutzer bei einem frühen Stadium beispielsweise in dem Fall zu warnen, wenn ein Interferometer als Ergebnis einer bedeutsamen Änderung in der Laserlichtwellenlänge fehlerhaft wird. Außerdem kann bei einer Umgebung, bei der Temperatur- und Atmosphärendruckänderungen moderat sind, die Notwendigkeit für die Korrektur des Brechungsindex durch automatisches Korrigieren der Wellenlänge zu geeigneten Zeitintervallen eliminiert werden. Mit anderen Worten werden alle Temperatur- und Atmosphärendrucksensoren unnötig, was zu Kostenverringerungen führt.
Es sei hier bemerkt, dass sich der Rückkehr-zum-Ursprung-Platte 560 geringfügig abhängig von der Temperatur zusammenzieht oder ausdehnt. Die Länge der Ausdehnung oder Zusammenziehung kann jedoch mittels der durch den Spalttemperatursensor erfassten Temperatur korrigiert und daher berücksichtigt werden. Beispielsweise beträgt unter der Annahme, dass der Temperaturfehler ΔT = +/–1°C, Lc = 150 mm und der lineare Ausdehnungsfaktor der Rückkehr-zum-Ursprung-Platte 560 = 0,5 × 10^–6 ist, der in Lc enthaltene Fehler 0,15 (m) × 0,5 × 10–6 × 1 = 0,075 × 10–6
Unter der Annahme, dass die Reproduktionsgenauigkeit der Ursprungssignals des Ursprungssensors 550 gleich ±1 μm ist, beträgt der bei (Yc – Yo) auftretende Temperaturfehler ±0.2 μm. Daher beträgt die Genauigkeit, mit der die Laserlichtwellenlänge λn erfasst wird, ungefähr (0,075 × 10–6 + 0,2 × 10–6 )/0.15 = 1,8 × 10–6 = 1,8 ppm
Dies bedeutet, das der Positionserfassungsfehler, der auftritt, wenn der Abstand der X1-Achsen und X2-Achsenlaserinterferometer 521 und 522 von dem X-Achsenspiegel 530 gleich 1 Meter ist, auf ungefähr 2 μm gehalten wird.
Wie es oben erläutert ist, kann der Abstand des C-Spalts 564 von dem Y-Spalt 563 bei dieser Ausführungsform so lang wie möglich gemacht werden, während die Positionsbeziehung zwischen den Y- und C-Spalten 563 und 564 beibehalten wird, um gleich zu sein. Folglich wird es möglich, eine Verschlechterung in dem Laserlicht eines Laserinterferometers in einem frühen Stadium durch einfaches Messen eines Fehlers zwischen der Erfassungsgenauigkeit des Y-Spalts 563 und derjenigen des Wellenlängen-kalibrierenden C-Spalts 564 zu erfassen.
Gemäß der zweidimensionalen Positioniervorrichtung von 13 werden die beiden Spalten zum Zeitpunkt der Rückkehr zum Ursprung verwendet, um die Wellenlänge von Laserlicht aus der Differenz in der Interferenz zwischen den katoptrischen Strahlen des Laserlichtes zu messen, das von unterschiedlichen Positionen des Gleitstücks 520 emittiert wird. Folglich ist die Vorrichtung dadurch vorteilhaft, dass es möglich ist, eine Verschlechterung in dem Laserlicht aufgrund von Alterung in einem frühen Stadium zu erfassen und die hohe Genauigkeit der Gleitstückpositionierung beizubehalten.

Claims

Zweidimensionale Positioniervorrichtung zum Positionieren eines Objekts in einer zweidimensionalen Richtung mit: einer Platte (10), auf der Zähne (101) an festen Beabstandungen entlang X- und Y- Achsen ausgebildet sind; einem Gleitstück (11), das mit zwei X-Achsenmotoren (14, 15), zwei X-Achsenpositionssensoren (19, 20), einem Y-Achsenmotor (13) und einem Y-Achsenpositionssensor (18) versehen ist, wobei das Gleitstück (11) mit dem Objekt beladen wird und über der Platte (10) gehalten wird; einem Wandler (36) zur Erzeugung von Signalen zum Erfassen einer X-Achsenposition des Mittelpunkts des Gleitstücks und eines Gierwinkels θ des Gleitstücks gemäß den Positionserfassungssignalen der beiden X-Achsenpositionssensoren (19, 20); einem Xθ-Controller (40) zur getrennten Regelung der Bewegung des Gleitstücks (11) in den X-Achsen- und θ-Achsenrichtungen, gemäß den von dem Wandler (36) umgewandelten Signalen; einer Befehlsumwandlungsschaltung (42) zum Umwandeln der Steuerausgabe des Xθ-Controllers (40) in Antriebsbefehle, die an die beiden X-Achsenmotoren (14, 15) zu geben sind; und einem Y-Achsencontroller (21) zum Empfang des Positionserfassungssignals des X-Achsenpositionssensors (18) und der Rückkopplungssteuerung der Y-Achsenrichtung gemäß dem Positionserfassungssignal.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 1 mit: Schwebemittel (12), um das Gleitstück (11) über der Platte (10) schweben zu lassen; wobei der Wandler (36) die Positionserfassungssignale der ersten und zweiten X-Achsenpositionssensoren (19, 20) empfängt und ein Signal zum Erfassen der X-Achsenposition des Mittelpunkts des Gleitstücks gemäß der Summe der Positionserfassungssignale erzeugt, und er ein Signal zum Erfassen des Gierwinkels θ des Gleitstücks (11) gemäß der Differenz zwischen den Positionserfassungssignalen erzeugt.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Befehlsumwandlungsschaltung (42) die von dem X-θ Controller (40) ausgegebenen X-Achsen- und θ-Achsen-Antriebsbefehle empfängt, um Antriebsbefehle zu erzeugen, die an die beiden X-Achsenmotoren (14, 15) gemäß der Summe von und der Differenz zwischen den X-Achsen- und θ-Achsen-Antriebsbefehlen zu geben sind.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 2, ferner mit einem Begrenzer zum Einschränken der X-Achsengrenzen der Antriebsbefehle Ir0 auf Imax – |Ire|, wobei Imax der Maximalwert des Antriebsbefehls und Ire ein θ-Achsenantriebsbefehl ist, um dadurch die Grenzen des Antriebsbefehls Ir0 gemäß dem Betrag des θ-Achsenantriebsbefehls Ire einzuschränken.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei die ersten und zweiten X-Achsenmotoren (14, 15) Kerne aufweisen, auf denen Zähne entgegengesetzt den Zähnen (101) der Platte (10) an festen Beabstandungen entlang der X-Achse ausgebildet sind, wobei die Kerne der ersten und zweiten X-Achsenmotoren (14, 15) symmetrisch um den Mittelpunkt des Gleitstücks (11) angeordnet sind.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der der Y-Achsenpositionssensor (18) und die ersten und zweiten X-Achsenpositionssensoren (19, 20) die Position optisch mittels Laserinterferometer erfassen und mit Tripelspiegeln ausgestattet sind, wobei der Tripelspiegel des X-Achsenpositionssensors an dem Mittelpunkt der X-Achse angeordnet ist, und die Tripelspiegel der ersten und zweiten X-Achsenpositionssensoren symmetrisch um die X-Achsenmittellinie des Gleitstücks (11) angeordnet sind.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2 mit: einer optischen Schaltung zum Erzeugen von Interferenzstreifen mit einem festen Abstand mittels optischer Interferenz, die sich bewegen, wenn sich ein erfasstes Objekt bewegt; und mindestens einem Positionssensor (18, 19, 20) mit einem Phasendetektor zum Erfassen von Interferenzstreifen mittels einer Mehrzahl von Photodetektoren, die mit einer vorgegebenen Beabstandung in der Richtung ausgerichtet sind, in der die Interferenzstreifen angeordnet sind, und die zwei modulierte Signale erzeugen, die gemäß dem Betrag der von dem Objekt ausgeführten Bewegung moduliert werden, wobei die zweidimensionale Positioniervorrichtung ferner umfasst: einen Multiplizierer zum Multiplizieren der beiden modulierten Signale mittels von einem Basistakt erzeugten Bezugssignalen; und einen Addierer zum Addieren der beiden Multiplikationssignale.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Positionssensoren (18, 19, 20) Interferometer verwenden mit: einer optischen Schaltung zum Erzeugen von Interferenzstreifen mit einem Abstand P mittels optischer Interferenz, die sich bewegen, wenn sich das Objekt bewegt; einen Phasendetektor zum Erfassen von Interferenzstreifen mittels einer Mehrzahl von Photodetektoren, die mit einer Phasenverschiebung von etwa P/4-Abstand voneinander in der Richtung angeordnet sind, in der die Interferenzstreifen angeordnet sind, und zum Erzeugen der modulierten Signale K1sinωst und K1cosωst (K1 ist eine Konstante und t die Zeit), deren Kreisfrequenz ωs gemäß dem Betrag der von dem Objekt ausgeführten Bewegung moduliert wird, aus von der Mehrzahl von Photodetektoren erfassten Signalen; einem Multiplizierer zum Multiplizieren der modulierten Signale K1sinωst und K1cosωst durch die Bezugssignale K2cosωct bzw. K2sinωct (ωc » ωs), die von einem Basistakt erzeugt werden; einem Addierer zum Addieren der beiden Multiplikationssignale, um das Signal K1 – K2sin(ωc + ωs)t zu erhalten; einem Komparator zum Umwandeln des Additionssignals in ein Impulssignal; einem Frequenzteiler zum Teilen des Impulssignals mit einem Teilungsverhältnis von n (n ist eine ganze Zahl); einem Periodenzähler zum Messen der Periode n/(fs + fc) (ωc = 2Jtfc und ωs = 2Jtfs) eines frequenzgeteilten Signals, das von dem Frequenzteiler durch Verwenden eines Takts erhalten wird, der mit dem Basistakt synchronisiert ist und dessen Periode verglichen mit der Periode des frequenzaufgeteilten Signals ausreichend kurz ist; einem Subtrahierer zum Finden der Differenz zwischen der gemessenen Periode des Periodenzählers und der Periode n1fc eines Bezugssignals; einen Integrator zum Integrieren der Periodendifferenz des Subtrahierers in Intervallen von n/(fs + fc); und einem Positionsberechnungsmittels zum Berechnen der Position des Objekts aus dem von dem Integrator integrierten Wert.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 8, ferner mit: einem Basistaktoszillator zum Erzeugen eines Basistaktes, dessen Frequenz höher als die Frequenz fc ist; einem Oszillator zum Erzeugen des Signals K2cosωct oder K2sinωct aus dem Basistakt; und einem Phasenverschieber zum Verschieben der Phase des von dem Oszillator erzeugten Signals, wodurch die Signale K2cosωct und K2sinωct erzeugt werden, wobei die von dem Phasenverschieber erzeugten Signale K2cosωct und K2sinωct an den Multiplizierer geliefert werden, und der Basistakt an den Periodenzähler als ein Periodenmesstakt geliefert wird.
Zweidimensionale Positioniervorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der der Multiplizierer die modulierten Signale K1sinωst und K1cosωst durch die Bezugssignale K2sinωct bzw. K2cosωct multipliziert, und der Addierer die beiden Multiplikationssignale addiert, um das Signal K1 – K2cos(ωc – ωs)t erhalten.