JP5030093B2 - 小型高精度位置決め機構、その制御方法及びそれを用いた高エネルギー粒子発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め対象を位置決めする小型位置決め機構、その制御方法及びそれを用いた高エネルギー粒子発生装置に関する。

位置決め対象を正確に位置決めする位置決め装置として、従来から様々なものが実用化又は提案されている。実用化されている位置決め装置としては、例えばステッピングモータと位置センサとを組み合わせたものがある。また、提案されている位置決め装置としては、例えば移動量計算手段により、停止位置からオーバーランした過動位置との間の移動量を算出し、その算出出力に基づいてワークを補正手段により停止位置に至らせるワーク位置決め装置（特許文献１参照）や、走行台及びモータの停止位置あるいは制動距離を予測・補正することにより、停止位置手前でモータへの電源供給を停止させ、モータの回転及び走行台を目的の位置に精度よく停止させるモータ位置決め装置（特許文献２参照）がある。

特開平１０−２４４４９７号公報 特開平１１−１７５１６１号公報

しかしながら、ステッピングモータを用いた位置決め装置では、ステッピングモータ自体を小型化すると、本来の特徴である高トルク回転が犠牲となり実用的な位置決め装置を構成できないという問題があった。

一方、上述したワーク位置決め装置では、移動量計算手段により、停止位置からオーバーランした過動位置との間の移動量を算出し、その算出出力に基づき、逐次サーボモータを逆回転させてワークを補正手段により停止位置に至らせているが、どの位の位置決め精度を達成できるのか不明である。つまり、このワーク位置決め装置は、上述したモータ位置決め装置と同様に直流モータを用いているが、駆動力を確保するため、ギアを用いた減速機構を伴う。したがって、高精度な位置決めを行うには、減速機構のバックラッシ、モータ軸を固定したときのギア出力軸及びステージ位置の遊びを考慮する必要があるが、上述した例では両方向（直流モータに対して前進方向及び後退方向）から位置決めする場合を考慮することができないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑み、従来のものと比較してより小型で、かつバックラッシによる誤差を低減して位置決め対象を正確に位置決めすることができる小型高精度位置決め機構、その制御方法及びそれを用いた高エネルギー粒子発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、
直流モータの回転軸に固着され、中心部から等角度で放射状に複数形成された貫通孔を有するエンコーダ板と、
該エンコーダ板を跨ぐように配置され、前記エンコーダ板が回転する際に前記貫通孔を介して透過する光に基づく信号を形成するフォトインタラプタと、
前記フォトインタラプタが検出した信号の数に基づいて前記直流モータの回転を制御する制御部とを具備し、
前記フォトインタラプタは、前記信号をアナログ形式で出力し、
前記制御部は、
前記直流モータを回転させる前の前記フォトインタラプタの出力が、所定の第１の設定値より小さい第１の領域、前記第１の設定値以上で所定の第２の設定値以下の第２の領域及び前記第２の設定値より大きい第３の領域の何れに属するかを判断し、前記直流モータを回転させた際に前記出力が、前記第１の領域、第２の領域及び第３の領域のうち隣接する２つの領域に属するようになった後、他の領域に属するようになった時点で前記信号が１つ検出されたとすることを特徴とする小型高精度位置決め機構にある。

かかる第１の態様では、従来のものと比較してより小型の高精度位置決め機構を提供できる。ここで、本態様では、フォトインタラプタで形成された信号の数を正確に検出することができるので、位置決め対象をより正確に位置決めすることができる。

本発明の第２の態様は、
直流モータの駆動力により変速機構を介して位置決め対象を直線移動させるネジ軸を有し、
前記制御部は、
前記直流モータに対して前方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を前進させる際には、前記位置決め対象を初期位置から前記停止位置を超えて前進させた後、後退させて前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させる一方、
前記直流モータに対して後方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を後退させる際には、前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させるように制御するとともに、
前記直流モータを停止させる際に生ずるオーバーシュートに対応するオーバーシュート信号数を保持し、
前記位置決め対象を同一方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数から前記オーバーシュート信号数を減算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させる一方、
前記位置決め対象を逆方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数に前記オーバーシュート信号数を加算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させることを特徴とする第１の態様に記載の小型高精度位置決め機構にある。

かかる第２の態様では、直流モータに対して常に後退させる方向、すなわちネジ軸を締める方向で位置決め対象を位置決めすることになるので、バックラッシによる誤差を低減すると共にオーバーシュートによる誤差を低減して位置決め対象を正確に位置決めすることができる小型高精度位置決め機構を提供することができる。また、回転している直流モータを停止させた際に生ずるオーバーシュート量をフィードフォワードすることによってオーバーシュートによる誤差の蓄積を防止して、位置決め対象をより正確に位置決めすることができる。

本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載の小型高精度位置決め機構を備え、
パルス状のレーザー光線を創出するレーザー光線発生部と、
前記レーザー光線発生部から創出されたパルス状のレーザー光線を試料に入射させて高エネルギー粒子を発生させる高エネルギー粒子発生部と、
前記レーザー光線発生部と前記高エネルギー粒子発生部とを連結して前記レーザー光線発生部から創出されたパルス状のレーザーを前記高エネルギー粒子発生部に導く導光管群とを具備し、
前記導光管群は、
前記パルス状のレーザー光線が内部を通過する複数の導光管と、
それぞれの導光管の端部を任意の平面内で折曲自在に連結すると共に、一方の導光管の端部から入射した前記パルス状のレーザー光線を他方の導光管の端部に反射する反射鏡を内蔵する接合管とを有することを特徴とする高エネルギー粒子発生装置にある。

かかる第３の態様では、従来と比較してより小型の高エネルギー粒子発生装置を提供することができる。

本発明の第４の態様は、
変速機構を介してネジ軸に接続された直流モータの駆動力により前記ネジ軸を回転させて位置決め対象を直線移動させる小型高精度位置決め機構の制御方法であって、
前記直流モータに対して前方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を前進させる際には、前記位置決め対象を初期位置から前記停止位置を超えて前進させた後、後退させて前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させる一方、
前記直流モータに対して後方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を後退させる際には、前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させるように制御するとともに、
前記直流モータの回転に対応する信号はアナログ形式で検出され、
前記直流モータを回転させる前の前記信号の値が、所定の第１の設定値より小さい第１の領域、前記第１の設定値以上で所定の第２の設定値以下の第２の領域及び前記第２の設定値より大きい第３の領域の何れに属するかを求め、
前記直流モータを回転させた際に前記信号の値が、前記第１の領域、第２の領域及び第３の領域のうち隣接する２つの領域に属するようになった後、他の領域に属するようになった時点で前記信号が１つ検出されたとすることを特徴とする小型高精度位置決め機構の制御方法にある。

かかる第４の態様では、直流モータに対して常に後退させる方向、すなわちネジ軸を締める方向で位置決め対象を位置決めすることになるので、バックラッシによる誤差を低減すると共にオーバーシュートによる誤差を低減して位置決め対象を正確に位置決めすることができる。
さらに本態様では、直流モータの回転に対応する信号数を正確にカウントすることができるので、位置決め対象をより正確に位置決めすることができる。

本発明の第５の態様は、
前記小型高精度位置決め機構の制御方法は、
前記直流モータを停止させる際に生ずるオーバーシュートに対応するオーバーシュート信号数を検出し、
前記位置決め対象を同一方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数から前記オーバーシュート信号数を減算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させる一方、
前記位置決め対象を逆方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数に前記オーバーシュート信号数を加算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させることを特徴とする第４の態様に記載の小型高精度位置決め機構の制御方法にある。

かかる第５の態様では、回転している直流モータを停止させた際に生ずるオーバーシュート量をフィードフォワードすることによってオーバーシュートによる誤差の蓄積を防止して、位置決め対象をより正確に位置決めすることができる。

本発明に係る小型高精度位置決め機構によれば、従来のものと比較してより小型の位置決め装置を提供できる。また、直流モータに対して常に後退させる方向、すなわちネジ軸を締める方向で位置決め対象を位置決めすることになるので、バックラッシによる誤差を低減すると共にオーバーシュートによる誤差を低減して位置決め対象を正確に位置決めすることができる小型位置決め装置を提供することができる。さらに、本発明に係る小型高精度位置決め機構の制御方法によれば、バックラッシ及びオーバーシュートによる誤差を低減して位置決め対象を正確に位置決めすることができる。また、本発明に係る高エネルギー粒子発生装置によれば、従来と比較してより小型の高エネルギー粒子発生装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る小型高精度位置決め機構を備えた高エネルギーＸ線発生装置を示す概略図である。図１に示すように、本実施形態に係る高エネルギーＸ線発生装置１は、パルス状のレーザー光線を創出するレーザー光線発生部１０を有している。レーザー光線発生部１０には様々な形状に変形できる導光管群５０の一端が接続されており、レーザー光線発生部１０から創出されたパルス状のレーザー光線を他端に導くことができるようになっている。また、導光管群５０の他端にはパルス状のレーザー光線から高エネルギーＸ線を発生させるＸ線発生部１００が接続されている。そして、本実施形態では、導光管群５０内を通ってＸ線発生部１００に入射する際のパルス状のレーザー光線の入射角度の制御を行う制御部７０がさらに設けられている。

レーザー光線発生部１０は、パルス状のレーザー光線と共に、そのパルス状のレーザー光線の進行方向と平行に進行する補助レーザー光線を創出することができるものである。レーザー光線発生部１０としては、例えばパルス状のレーザー光線を創出するレーザー装置と補助レーザー光線を創出する補助レーザー装置とを組み合わせた装置などが挙げられる。

導光管群５０は、導光管となる中空部材と、内部に反射鏡５１が設けられたＬ字型中空部材とが交互に回動自在に接続されており、中空部材に対してＬ字型中空部材を任意の角度に回動させることによって様々な形状に変形することができるようになっている。

Ｘ線発生部１００は、図２に示すように、真空チャンバ１０１を具備している。真空チャンバ１０１には、合成サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）や合成石英（ＳｉＯ₂）などで形成され、パルス状のレーザー光線が入射するレーザー光線入射窓１１０と、アルミニウム、プラスチック、石英などで形成され、発生した高エネルギーＸ線をＸ線発生部１００の外部に出射するためのＸ線出射窓１９０とが設けられている。

真空チャンバ１０１内には、レーザー光線入射窓１１０から入射したパルス状のレーザー光線を反射すると共に補助レーザー光線を透過するレーザー光線スプリッター１２０が設けられている。そして、レーザー光線スプリッター１２０を挟んでレーザー光線入射窓１１０の反対側には、レーザー光線スプリッター１２０を透過した補助レーザー光線を検出するレーザー光線検出手段１２１が設けられている。なお、レーザー光線スプリッター１２０としては、表面に誘電体多層膜が設けられた光学母材（例えばＢＫ７など）やダイクロミラーなどで構成されたものが挙げられ、レーザー光線検出手段１２１としては、凸レンズとレーザー光位置センサとを組み合わせたものなどで構成されたものが挙げられる。

一方、レーザー光線スプリッター１２０の下方には、レーザー光線スプリッター１２０により反射されたパルス状のレーザー光線をさらに反射する反射鏡１３０が設けられている。そして、反射鏡１３０の右斜め上方には、金蒸着ミラー又は誘電体多層膜ミラーなどで構成され、パルス状のレーザー光線を反射させることによって集光させる軸外し放物面鏡（ｏｆｆ−ａｘｉｓ ｐａｒａｂｏｌｏｉｄ）１４０が設けられている。

軸外し放物面鏡１４０の右側には、小型高精度位置決め機構（図示しない）を介して位置決め対象である試料台１５５が設けられている。試料台１５５上には、Ｃｕ金属膜などで形成され、集光されたパルス状のレーザー光線の照射により電離すると共に高エネルギー電子を発生させるテープ状の試料１５０と、パルス状のレーザー光線を照射するごとに試料１５０を巻き取ってレーザー光線が当たる部分をずらすことができる試料巻き取り手段１５１と、Ｗ、Ｃｕ、Ｐｂなどで形成され、試料１５０から発生した高エネルギー電子の照射により高エネルギーＸ線を発生させるＸ線変換材１７０とが配置されている。

そして、詳細は後述するが、小型高精度位置決め機構を用いて、試料台１５５を水平方向に移動させることによって軸外し放物面鏡１４０に対する試料１５０の距離を調節することができるようになっている。

また、試料台１５５の左側下方には、試料１５０から高エネルギー電子が発生した際に生ずるＸ線を測定するシンチレーション検出器又はＸ線フォトダイオード（ＸＰＤ）などのＸ線検出手段１６０が設けられている。

制御部７０は、レーザー光線検出手段１２１に接続されると共に、Ｘ線発生部１００に接続される導光管の内部に設けられたステアリングミラー２０に接続されている。そして、制御部７０は、レーザー光線検出手段１２１により検出されたデータに基づいて、ステアリングミラー２０の姿勢を調整して、Ｘ線発生部１００に入射するパルス状のレーザー光線の入射角度を最適化することができるようになっている。

以上説明したように高エネルギーＸ線発生装置１を構成することにより、レーザー光線発生部１０とＸ線発生部１００とを物理的に分離することができるので、Ｘ線発生部１００を小型化することができる。また、この高エネルギーＸ線発生装置１によれば、様々な形状に導光管群５０を変形させることができるので、レーザー光線発生部１０に対してＸ線発生部１００を自由に配置することができる。したがって、上述したように高エネルギーＸ線発生装置１を構成することにより、多数の配管が密集した狭隘部などにＸ線発生部１００を配置して高エネルギーＸ線を照射することができる。

次に、小型高精度位置決め機構について詳細に説明する。上述したように、高エネルギーＸ線発生装置１は、Ｘ線発生部１００を狭隘部の任意の位置に配置して、狭隘部の所定の部分に高エネルギーＸ線を照射するものである。したがって、Ｘ線発生部１００は、より小型のものが好ましい。本実施形態に係る小型高精度位置決め機構は、従来のものと比較してより小型で、かつバックラッシ及びオーバーシュートによる誤差を低減して位置決め対象を正確に位置決めすることができるものである。

図３は、本実施形態に係る小型高精度位置決め機構２００の概略斜視図である。小型高精度位置決め機構２００は、同図に示すように、駆動源となるＤＣモータ２１０（直流モータ）を有している。ＤＣモータ２１０の回転軸方向の一端側には変速機構である変速ギア２２０が接続されており、ＤＣモータ２１０の回転力を変速することができるようになっている。本実施形態では、減速比が１／２９７の変速ギア２２０を用いているが、より大きい減速比のものが好ましい。減速比がより大きい変速ギア２２０を用いることにより、トルクを増大させることができると共に、ＤＣモータ２１０の回転数に対する変速ギア２２０の回転数が小さくなることから、ＤＣモータ２１０の回転を停止させた際に生ずるオーバーシュート量の影響を小さくして位置決め精度を向上させることができるからである。

そして、変速ギア２２０には、出力軸２２１に接合された回転結合部材２３０を介してネジ軸２３１が固着されている。ネジ軸２３１にはステージ２４０が螺合されており、ネジ軸回りのステージ２４０の回動を規制した状態でステージ２４０を直線移動させることができるようになっている。すなわち、ステージ２４０は、変速ギア２２０の出力軸２２１に同期して回転することなくその姿勢を維持したまま、変速ギア２２０の回転軸方向に直線移動することができる。そして、このステージ２４０上に試料台１５５が取り付けられる。したがって、ＤＣモータ２１０の回転力は変速ギア２２０によって減速され、回転結合部材２３０及びネジ軸２３１を介してステージ２４０に伝達される。そして、その回転力により、ステージ２４０をＤＣモータ２１０の回転軸方向に沿って直線移動させることができる。その結果、試料台１５５を移動させて軸外し放物面鏡１４０に対する試料１５０の距離を調節することができる。

一方、ＤＣモータ２１０の回転軸方向の他端側には、ＤＣモータ２１０の回転軸２１１にエンコーダ板２５０が固着されている。エンコーダ板２５０には、中央部から等角度で放射状に形成された貫通孔２５１が複数設けられている。そして、エンコーダ板２５０の側面には、エンコーダ板２５０の側面を跨ぐように、発光部２６１と受光部２６２とが配置されたフォトインタラプタ２６０が設けられている。フォトインタラプタ２６０は、発光部２６１から発せられた光のうち、エンコーダ板２５０が回転した際に貫通孔２５１を介して透過する光が受光部２６２に受光されることによって形成される信号を出力することができるようになっている。

また、フォトインタラプタ２６０と、ＤＣモータ２１０とに接続された位置決め制御部２７０と、位置決め制御部２７０に接続され、試料台１５５の移動距離を入力するための入力手段２８０がさらに設けられている。そして、位置決め制御部２７０は、フォトインタラプタ２６０が検出した信号の数（積算信号数）に基づいてＤＣモータ２１０の回転を制御することができるようになっている。具体的には、位置決め制御部２７０は、最終的にフォトインタラプタ２６０が検出した積算信号数と、試料台１５５が所定の位置に移動する際に必要となる信号数とが等しくなるようにＤＣモータ２１０の回転を制御する。

ここで、位置決め制御部２７０による信号数の算出方法について説明する。本実施形態で用いるフォトインタラプタ２６０は電圧変化で信号を出力することができるようになっている。具体的には、フォトインタラプタ２６０から図４に示すような形状の信号が出力される。すなわち、フォトインタラプタ２６０からは、エンコーダ板２５０の貫通孔２５１を透過する光の量に応じて、電圧が増減するアナログ形式の信号が繰り返し出力される。したがって、位置決め制御部２７０は、このような形状の信号がいくつカウント（検出）されたかによって積算信号数を算出することができる。

なお、フォトインタラプタ２６０の出力は、発光部２６１から発せられた光がエンコーダ板２５０によって遮断された状態（図４に示す第１の領域）の電圧値や、発光部２６１から発せられたすべての光がエンコーダ板２５０に遮断されることなく、エンコーダ板２５０の貫通孔２５１を透過している状態（図４に示す第３の領域）の電圧値であるとは限らない。すなわち、これらの状態の値以外の電圧値となる場合がある。具体的には、発光部２６１から発せられた光の一部がエンコーダ板２５０の貫通孔２５１を透過している状態（図４に示す第２の領域）の電圧値である場合もある。

ここで、第１〜第３の領域のそれぞれは予め設定された第１の設定値及び第２の設定値により区分され、第１の設定値より下の領域を第１の領域、第１の設定値以上で第２の設定値以下の領域を第２の領域、第２の設定値より大きな領域を第３の領域としている。本実施形態では、最小電圧値を０、最大電圧値を１００とした場合に、第１の設定値を２０、第２の設定値を８０としている。

ここで電圧変化をデジタル化する場合、単純なＴＴＬ（transistor transistor logic）、つまり「０」又は「１」で示される２進数形式で信号を表現すると、第２の領域に属する状態の定義（第２の領域に属する状態が「０」又は「１」のいずれの値となるか）が不明瞭となり、ミスカウントの原因となる。これに対して、本実施形態では、フォトインタラプタ２６０の出力に対してＡ／Ｄ変換による信号処理を行うため、第２の領域に属する状態であっても、以下に説明するようにして、積算信号数を正確に算出することができる。

具体的には、ＤＣモータ２１０を反時計回りに回転させる場合、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第１の領域に属する場合には、ＤＣモータ２１０を回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力される電圧値が第１の領域から第２の領域を経て第３の領域に属する値に変わった時点で積算信号数に１カウント加算する。

また、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第２の領域に属する場合であって、ＤＣモータ２１０を反時計回りに回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力される電圧値が、第２の領域に属する値から第１の領域に属する値になった場合には、その電圧値が再度第２の領域を経て第３の領域に属する値に変わった時点で積算信号数に１カウント加算する。

一方、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第２の領域に属する場合であって、ＤＣモータ２１０を反時計回りに回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力される電圧値が、第２の領域に属する値から第３の領域に属する値になった場合には、その電圧値が一度第２の領域を経て第１の領域に属する値になったことを確認してから、再度第２の領域を経て第３の領域に属する値に変わった時点で積算信号数に１カウント加算する。

さらに、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第３の領域に属する場合には、ＤＣモータ２１０を回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力される電圧値が一度第２の領域を経て第１の領域に属する値になったことを確認してから、再度第２の領域を経て第３の領域に属する値に変わった時点で積算信号数に１カウント加算する。

次に、逆にＤＣモータ２１０を時計回りに回転させる場合、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第３の領域に属する場合には、ＤＣモータ２１０を回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力される電圧値が第３の領域から第２の領域を経て第１の領域に属する値に変わった時点で積算信号数から１カウント減算する。

また、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第２の領域に属する場合であって、ＤＣモータ２１０を時計回りに回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力される電圧値が、第２の領域に属する値から第３の領域に属する値になった場合には、その電圧値が再度第２の領域を経て第１の領域に属する値に変わった時点で積算信号数から１カウント減算する。

一方、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第２の領域に属する場合であって、ＤＣモータ２１０を時計回りに回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力される電圧値が、第２の領域に属する値から第１の領域に属する値になった場合にはカウントを見送り、再度第２の領域を経て第３の領域に属したことを確認してから改めて、第２の領域を経て第１の領域に属する値に変わった時点で積算信号数から１カウント減算する。

さらに、初期のフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が既に第１の領域に属する場合にもカウントを見送り、一度第２の領域を経て第３の領域に属したことを確認してから改めて、第２の領域を経て第１の領域に属する値に変わった時点で積算信号数から１カウント減算する。

すなわち、上述した積算信号数の算出方法とは、フォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が属する領域を管理し、ＤＣモータ２１０を反時計回りに回転させる場合には、その電圧値が第１の領域から第２の領域を経て第３の領域に移行した時点で積算信号数に１カウント加算する一方、ＤＣモータ２１０を時計回りに回転させる場合には、その電圧値が第３の領域から第２の領域を経て第１の領域に移行した時点で積算信号数から１カウント減算するというものである。したがって、回転しているＤＣモータ２１０が第２の領域で停止しても、以前に属した領域は第１の領域か第３の領域かの何れかであるため、再度ＤＣモータ２１０を回転させた場合でもカウント積算値は誤差を生じない。

例えば、ＤＣモータ２１０を反時計回りに回転させた際にフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第１の領域を経て第２の領域で停止した場合において、ＤＣモータ２１０を再度反時計回りに回転させた場合には、その電圧値が第２の領域を経て第３の領域に移行した時点で１カウント加算することになる。これは、その電圧値が第１の領域から第２の領域を経て第３の領域に停止することなく移行したことと同じことになるからである。一方、同様にフォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が第１の領域を経て第２の領域で停止した場合において、ＤＣモータ２１０を時計回りに回転させた場合には、その電圧値が第２の領域から第１の領域に移行した時点では１カウント減算しない。これは、上述の通り、その電圧値が第３の領域から第２の領域を経て第１の領域に移行した時点で初めて１カウント減算するようになっているからである。その結果、カウント積算値は誤差を生じることなく、正確に積算信号数をカウントすることができる。

このように、フォトインタラプタ２６０の信号をＡ／Ｄ変換して上述したように処理することにより、単純なＴＴＬと異なり、積算信号数を正確に算出することができる。

このような小型高精度位置決め機構２００を構成するＤＣモータ２１０、変速ギア２２０、回転結合部材２３０、ステージ２４０、エンコーダ板２５０及びフォトインタラプタ２６０のそれぞれは、小型のものであれば特に限定されない。例えば、ステージ２４０として、ＴＡＳＢ−１５１（シグマ光機社製）を用いることができる。また、位置決め制御部２７０も上述したような機能を有するものであれば特に限定されず、例えば上述した機能を有するプログラムを組み込んだマイクロコンピュータが挙げられる。

以上説明したように、本実施形態に係る小型高精度位置決め機構２００は、少数の小型の部品で構成することができるので、従来の位置決め機構（装置）と比較して、より小型化・軽量化することができる。また、本実施形態に係る小型高精度位置決め機構２００は、以下に説明するようにして、精度よく試料台１５５を位置決めすることができる。

図５は、本実施形態に係る小型高精度位置決め機構２００の動作を示すフローチャートである。同図に示すように、まず積算信号数ＣＯＵＮＴ及びオーバーシュート信号数ＲＥ初期値を「０」に設定する（Ｓ１）。ここで、オーバーシュート信号数ＲＥＳとは、ステージ２４０がオーバーシュートした際にカウントされる信号数を示す。また、同図に示す後退方向とは、ＤＣモータ２１０に対してステージ２４０が後退する方向（ステージ２４０とＤＣモータ２１０との距離が小さくなる方向）を示す。

次に、ステージ２４０の移動距離Ｄが入力されると（Ｓ２）、位置決め制御部２７０は、以下に示すような制御を行う。まず、移動距離Ｄと、フォトインタラプタ２６０により検出される１信号当たりのステージ２４０の移動距離とに基づいて、ステージ２４０を移動距離Ｄだけ移動させる際に必要となる目標信号数ＳＶを算出する（Ｓ３）。ここで、目標信号数ＳＶは正の整数（０を含む）である。

次に、移動距離ＤがＤＣモータ２１０に対して後退方向への移動距離であるか前進方向への移動距離であるかを判定する（Ｓ４）。なお、以下では、まずステージ２４０が後退する方向にＤＣモータ２１０を回転させる場合について説明し、その後ステージ２４０が前進する方向にＤＣモータ２１０を回転させる場合について説明する。また、前進方向の移動する際の信号数を正の値とし、後退方向の移動する際の信号数を負の値として説明する。

そして、移動距離Ｄが負の値、すなわちステージ２４０を後退させる場合には、上述した目標信号数ＳＶにＲＥＳを加算し、得られた値にマイナスを乗じて目標信号数ＳＶを再設定する（Ｓ５）。ここで、ステップＳ１で示したように、この時点におけるＲＥＳは「０」であるので、再設定される新たな目標信号数ＳＶは単に上述した目標信号数ＳＶにマイナスを乗じた負の値となる。

次に、ステージ２４０が後退する方向にＤＣモータ２１０を回転させる（Ｓ６）。そして、フォトインタラプタ２６０から出力される信号の数を積算して実測信号数ＰＶ（≦０）を算出し（Ｓ７）、実測信号数ＰＶが目標信号数ＳＶと等しくなるまで、ステップＳ６及びステップＳ７を繰り返す（Ｓ８）。ここで、ステップＳ７において実測信号数ＰＶは「０」から順次減算されるものであるので、負の整数（０を含む）となっている。

そして、実測信号数ＰＶが目標信号数ＳＶと等しくなった時点で、ＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」にする。ここで、位置決め制御部２７０によりＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」としても、ＤＣモータ２１０は、回転慣性力により、ステージ２４０を後退させる方向にしばらく回転し続けることになる。すなわち、位置決め制御部２７０によりステージ２４０を移動距離Ｄだけ後退させようとしても、ＤＣモータ２１０の回転慣性力により、ステージ２４０は移動距離Ｄよりもある程度余計に後退（オーバーシュート）することになる。そこで、本実施形態では、位置決め制御部２７０によりＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」とした後、回転慣性力によりＤＣモータ２１０が余分に回転した際にフォトインタラプタ２６０により検出されるオーバーシュート信号数ＲＥＳを算出する。具体的には、オーバーシュート信号数ＲＥＳはＰＶ−ＳＶにより算出され、その値は負の整数（０を含む）となる。また、同時に、積算信号数ＣＯＵＮＴもＣＯＵＮＴ＋ＰＶにより算出される（Ｓ９）。

その後、ステージが現在位置する場所を初期位置として、例えばステージ２４０を後退方向に再移動させるために新たな移動距離Ｄ（前述した移動距離Ｄと異なる値でもよい）が入力されると（Ｓ２）、上述したステップＳ３〜Ｓ９が繰り返されることになる。なお、この場合において、ＲＥＳには上述したステップ９により算出された所定の値が再設定されており、ステップ５において目標信号数ＳＶを再設定する際にＲＥＳが考慮されることになる。具体的には、ステップ５において、目標信号数ＳＶ（≧０）に負の値であるＲＥＳを加算し、得られた値にマイナスを乗じて目標信号数ＳＶ（≦０）を再設定することになる。したがって、再設定される新たな目標信号数ＳＶの絶対値は元の目標信号数ＳＶの絶対値よりも小さな値〔ＡＢＳ（新たな目標信号数ＳＶ）≦ＡＢＳ（元の目標信号数ＳＶ）〕となる。その結果、ステージ２４０は、位置決め制御部２７０によって、再入力された移動距離Ｄよりも短い距離Ｄ′移動するように制御されることになる。このようにして、ステージ２４０を後退方向に再移動させる際に、ＤＣモータ２１０の回転慣性力によるオーバーシュートを考慮してステージ２４０を移動させることができる。

ここで、ステップ５において目標信号数ＳＶからＲＥＳを加算せずに、ステージ２４０を後退方向に再移動させる場合には、ＤＣモータ２１０の回転慣性力によるオーバーシュートによる誤差が蓄積していくことになる。すなわち、ステージ２４０を後退方向に再移動させるごとにＤＣモータ２１０の回転慣性力によるオーバーシュートが発生する。そして、そのオーバーシュートした位置からそのままステージ２４０を後退方向に再移動させると、さらに再移動によるオーバーシュートが発生することになる。そしてこのような再移動を繰り返すことにより、オーバーシュートによる誤差が蓄積していくことになる。

これに対して、本実施形態では、上述したように、再移動させる際に、オーバーシュートを考慮した移動距離Ｄ′だけ移動するように制御部２７０によりＤＣモータ２１０が制御されるので、このような問題が生ずることはない。

次に、ステージ２４０が前進する方向にＤＣモータ２１０を回転させる場合について考える。ステップＳ４において、ステージ２４０を前進させる場合には、上述した目標信号数ＳＶにＲＥＳを減算する（Ｓ１０）。ここで、ステップＳ１で示したように、この時点におけるＲＥＳは「０」であるので、再設定される新たな目標信号数ＳＶは元の目標信号数ＳＶと同じ値である。

次に、ステージ２４０が前進する方向にＤＣモータ２１０を回転させる（Ｓ１１）。そして、フォトインタラプタ２６０から出力される信号の数を積算して実測信号数ＰＶ（≧０）を算出し（Ｓ１２）、実測信号数ＰＶがＳＶ＋Ａと等しくなるまで、ステップＳ１１及びステップＳ１２を繰り返す（Ｓ１３）。ここで補償信号数Ａとは、ステージ２４０を前進させる際に移動距離Ｄを超えた所定の距離分だけ前進させるために必要となる任意の信号数（正の整数（０を含む））であり、ネジ軸２３１のバックラッシュによる誤差の範囲に対応する信号数より充分に大きな値であればよい。ここで、ステップＳ１２においてＰＶは「０」から順次加算されるものであるので、正の整数（０を含む）となっている。

そして、実測信号数ＰＶがＳＶ＋Ａと等しくなった時点で、ＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」にする。ここで、位置決め制御部２７０によりＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」としても、ＤＣモータ２１０はステージ２４０を前進させる方向にしばらく回転し続け、ステージ２４０はＳＶ＋Ａに対応する移動距離よりもある程度余計に前進（オーバーシュート）することになる。そこで、本実施形態では、位置決め制御部２７０によりＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」とした後、回転慣性力によりＤＣモータ２１０が回転した際にフォトインタラプタ２６０により検出されるオーバーシュート信号数ＲＥＳを算出する。具体的には、オーバーシュート信号数ＲＥＳはＰＶ−（ＳＶ＋Ａ）により算出され、その値は正の整数（０を含む）となる。また、同時に、積算信号数ＣＯＵＮＴもＣＯＵＮＴ＋ＰＶにより算出される（Ｓ１４）。

次に、ステージ２４０が後退するようにＤＣモータ２１０を回転させる（Ｓ１５）。そして、フォトインタラプタ２６０から出力される信号の数を積算して実測信号数ＰＶを算出し（Ｓ１６）、実測信号数ＰＶが信号数〔−（Ａ＋ＲＥＳ）〕と等しくなるまで、ステップＳ１５及びステップＳ１６を繰り返す（Ｓ１７）。ここで、ステップＳ１６においてＰＶは「０」から順次減算されるものであるので、負の整数（０を含む）となっている。

そして、実測信号数ＰＶが信号数〔−（Ａ＋ＲＥＳ）〕と等しくなった時点で、ＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」にする。ここで、上述したように、制御部２７０によりＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」としても、ＤＣモータ２１０はステージ２４０を後退させる方向にしばらく回転し続け、ステージ２４０は信号数（Ａ＋ＲＥＳ）に対応する移動距離よりもある程度余計に後退（オーバーシュート）することになる。そこで、本実施形態では、位置決め制御部２７０によりＤＣモータ２１０に印加する電圧を「０」とした後、ＤＣモータ２１０の回転慣性力により回転した際のオーバーシュート信号数ＲＥＳを算出する。具体的には、オーバーシュート信号数ＲＥＳはＰＶ＋（Ａ＋ＲＥＳ）により算出され、その値は負の整数（０を含む）となる。また、同時に、積算信号数ＣＯＵＮＴもＣＯＵＮＴ＋ＰＶにより算出される（Ｓ１８）。

その後、ステージが現在位置する場所を初期位置として、例えばステージ２４０を前進方向に再移動させるために新たな移動距離Ｄ（前述した移動距離Ｄと異なる値でもよい）が入力されると（Ｓ２）、上述したステップＳ３、Ｓ４、Ｓ１０〜Ｓ１８が繰り返されることになる。

なお、この場合において、ＲＥＳには上述したステップ１８により算出された所定の値が再設定されており、ステップ１０において目標信号数ＳＶを再設定する際にＲＥＳが考慮されることになる。具体的には、ステップ１０において、目標信号数ＳＶ（≧０）に負の値であるＲＥＳを減算して目標信号数ＳＶ（≧０）を再設定することになる。したがって、再設定される新たな目標信号数ＳＶは元の目標信号数ＳＶよりも大きな値（新たな目標信号数ＳＶ≧元の目標信号数ＳＶ）となる。その結果、ステージ２４０は、位置決め制御部２７０によって、再入力された移動距離Ｄよりも前進方向に長い距離Ｄ′移動するように制御されることになる。

このように、ステージ２４０を前進させる際には、一旦ステージ２４０を移動距離Ｄ以上前進させた後、移動距離Ｄとなるようにステージ２４０を後退させることにより、常に後退方向から位置決めすることになるので、ネジ軸２３１のバックラッシによる誤差の発生を防止することができる。また、後述するようにステージ２４０を後退させた際に生じるオーバーシュート量は前進させた際に生じるそれよりも小さいため、オーバーシュートによる誤差を小さいほうに揃えることができる。さらに、これらのオーバーシュート量をフィードフォワードすることによりステージ２４０の移動と停止を繰り返すことで生じる位置誤差の増大を防止することができる。

なお、本実施形態では、ステージ２４０を後退方向に移動させた後、さらに後退方向に再移動させた場合と、ステージ２４０を前進方向に移動させた後、さらに前進方向に再移動させた場合について説明したが、ステージ２４０を後退方向に移動させた後、前進方向に再移動させた場合、又はステージ２４０を前進方向に移動させた後、後退方向に再移動させた場合にも同様の効果が得られるのはいうまでもない。

＜実施例＞
ネジのピッチが０．４ｍｍのステージと、減速比が１／２９７の変速ギアと、穴の数が１８のエンコーダ板と、市販されているＤＣモータ及びフォトインタラプタとを用いて上述した小型高精度位置決め機構を作製した。この小型高精度位置決め機構では、ステージが１ｍｍ並進した時に、フォトインタラプタ２６０でカウントされるパルス総数（信号数）は１／０．４×２９７×１８＝１３３６５［カウント／ｍｍ］となる。

なお、この小型高精度位置決め機構は、市販のステッピングモータを用いて構成した位置決め機構と比較して、十分に小型のものとなっている。

＜制御精度実験＞
実施例の小型高精度位置決め機構を、指示した移動距離Ｄに対するステージの実際の移動距離を計測した。具体的には、小型高精度位置決め機構の制御には、図５に示すシーケンスを用い、補償信号数Ａを「２０００」とした。なお、Ａを１５００以上の値とすることでバックラッシを十分補償することができる。図６に、ステージを−４０００μｍから＋４０００μｍの範囲で並進させた場合（後退方向に移動させた場合及び前進方向に移動させた場合）の移動距離Ｄに対する実際の移動距離を計測した結果を示す。

同図では実際の移動距離の誤差は±２μｍ程度と評価されるが、計測器の誤差±１μｍを考慮すると真の位置決め誤差はこの分を差し引いた±１μｍ程度であると考えられる。すなわち、実施例の小型高精度位置決め機構は、バックラッシによる誤差及びオーバーシュートによる誤差の蓄積を防止して位置決め対象を±１μｍ以内の誤差の範囲で正確に位置決めできることが分かった。

ここで、実施例の小型高精度位置決め機構において、位置決め対象を後退方向に移動させて位置決めする場合（ＤＣモータを時計回りに回転させる場合）のオーバーシュート量を１０カウントと見積もる。一方、位置決め対象を前進方向に移動させて位置決めする場合（ＤＣモータを反時計回りに回転させる場合）のオーバーシュート量を３０カウントと見積もる。ここで送りネジの締る方向（ＤＣモータを時計回りに回転させる方向）と緩む方向（ＤＣモータを反時計回りに回転させる方向）とで負荷トルクに差があることを考慮し、オーバーシュート量に差を設けた。したがって、単に位置決め対象を前進方向に移動させて位置決めする場合には１５００カウントのバックラッシと３０カウント程度のオーバーシュートが生じることになる。

しかしながら、実施例の小型高精度位置決め機構では、位置決め対象を前進方向に移動させて位置決めする場合であっても最終的には位置決め対象を後退方向に移動させて位置決めすることになるので、ネジ軸のバックラッシによる誤差を防止すると共に小さい方のオーバーシュート値（３０ではなく１０カウント）、すなわち±１μｍ程度に留めることができると考えられる。このことは、上述した実験結果と一致する。

（他の実施形態）
実施形態１では、上述した高エネルギー粒子発生装置を構成する位置決め機構として本発明に係る小型位置決め機構を説明したが、本発明はその他の様々な装置に適用できるものである。

また、実施形態１では、信号数の算出方法として、フォトインタラプタ２６０から出力された電圧値が属する領域を管理し、ＤＣモータ２１０を反時計回りに回転させる場合には、その電圧値が第１の領域から第２の領域を経て第３の領域に移行した時点で積算信号数に１カウント加算する一方、ＤＣモータ２１０を時計回りに回転させる場合には、その電圧値が第３の領域から第２の領域を経て第１の領域に移行した時点で信号数から１カウント減算するという方法を用いた。しかしながら、信号数に１カウント加算される時点や信号数から１カウント減算される時点は、上述した時点に限定されない。つまり第１の領域と第３の領域の定義を入れ換えても同様の説明が可能である。

さらに、実施形態１のフォトインタラプタ２６０は電圧変化で信号を出力することができるようになっていたが、アナログ形式で出力することができればどのような形で出力されてもよい。

実施形態１に係る高エネルギーＸ線発生装置を示す概略図である。 実施形態１のＸ線発生部を示す概略図である。 実施形態１に係る小型高精度位置決め機構の概略斜視図である。 フォトインタラプタから出力される信号の形状を示す図である。 実施形態１に係る小型高精度位置決め機構の制御方法のフローチャートである。 制御精度実験の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 高エネルギーＸ線発生装置
１０ レーザー光線発生部
２０ ステアリングミラー
２５ 可動部
５０ 導光管群
５１ 反射鏡
７０ 制御部
１００ Ｘ線発生部
１０１ 真空チャンバ
１１０ レーザー光線入射窓
１２０ レーザー光線スプリッター
１２１ レーザー光線検出手段
１４０ 放物面鏡
１５０ 試料
１５１ 試料巻き取り手段
１５５ 試料台
１６０ Ｘ線検出手段
１７０ Ｘ線変換材
１９０ Ｘ線出射窓
２００ 小型高精度位置決め機構
２１０ ＤＣモータ
２１１ ＤＣモータの回転軸
２２０ 変速ギア
２２１ 出力軸
２３０ 回転結合部材
２３１ ネジ軸
２４０ ステージ
２５０ エンコーダ板
２５１ 貫通孔
２６０ フォトインタラプタ
２６１ 発光部
２６２ 受光部
２７０ 位置決め制御部
２８０ 入力手段

Claims (5)

1. 直流モータの回転軸に固着され、中心部から等角度で放射状に複数形成された貫通孔を有するエンコーダ板と、
   該エンコーダ板を跨ぐように配置され、前記エンコーダ板が回転する際に前記貫通孔を介して透過する光に基づく信号を形成するフォトインタラプタと、
   前記フォトインタラプタが検出した信号の数に基づいて前記直流モータの回転を制御する制御部とを具備し、
   前記フォトインタラプタは、前記信号をアナログ形式で出力し、
   前記制御部は、
   前記直流モータを回転させる前の前記フォトインタラプタの出力が、所定の第１の設定値より小さい第１の領域、前記第１の設定値以上で所定の第２の設定値以下の第２の領域及び前記第２の設定値より大きい第３の領域の何れに属するかを判断し、前記直流モータを回転させた際に前記出力が、前記第１の領域、第２の領域及び第３の領域のうち隣接する２つの領域に属するようになった後、他の領域に属するようになった時点で前記信号が１つ検出されたとすることを特徴とする小型高精度位置決め機構。
2. 直流モータの駆動力により変速機構を介して位置決め対象を直線移動させるネジ軸を有し、
   前記制御部は、
   前記直流モータに対して前方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を前進させる際には、前記位置決め対象を初期位置から前記停止位置を超えて前進させた後、後退させて前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させる一方、
   前記直流モータに対して後方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を後退させる際には、前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させるように制御するとともに、
   前記直流モータを停止させる際に生ずるオーバーシュートに対応するオーバーシュート信号数を保持し、
   前記位置決め対象を同一方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数から前記オーバーシュート信号数を減算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させる一方、
   前記位置決め対象を逆方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数に前記オーバーシュート信号数を加算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させることを特徴とする請求項１に記載の小型高精度位置決め機構。
3. 請求項１または請求項２に記載の小型高精度位置決め機構を備え、
   パルス状のレーザー光線を創出するレーザー光線発生部と、
   前記レーザー光線発生部から創出されたパルス状のレーザー光線を試料に入射させて高エネルギー粒子を発生させる高エネルギー粒子発生部と、
   前記レーザー光線発生部と前記高エネルギー粒子発生部とを連結して前記レーザー光線発生部から創出されたパルス状のレーザーを前記高エネルギー粒子発生部に導く導光管群とを具備し、
   前記導光管群は、
   前記パルス状のレーザー光線が内部を通過する複数の導光管と、
   それぞれの導光管の端部を任意の平面内で折曲自在に連結すると共に、一方の導光管の端部から入射した前記パルス状のレーザー光線を他方の導光管の端部に反射する反射鏡を内蔵する接合管とを有することを特徴とする高エネルギー粒子発生装置。
4. 変速機構を介してネジ軸に接続された直流モータの駆動力により前記ネジ軸を回転させて位置決め対象を直線移動させる小型高精度位置決め機構の制御方法であって、
   前記直流モータに対して前方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を前進させる際には、前記位置決め対象を初期位置から前記停止位置を超えて前進させた後、後退させて前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させる一方、
   前記直流モータに対して後方の所定の停止位置に向かって前記位置決め対象を後退させる際には、前記位置決め対象が前記停止位置に達するまで前記直流モータを回転させるように制御するとともに、
   前記直流モータの回転に対応する信号はアナログ形式で検出され、
   前記直流モータを回転させる前の前記信号の値が、所定の第１の設定値より小さい第１の領域、前記第１の設定値以上で所定の第２の設定値以下の第２の領域及び前記第２の設定値より大きい第３の領域の何れに属するかを求め、
   前記直流モータを回転させた際に前記信号の値が、前記第１の領域、第２の領域及び第３の領域のうち隣接する２つの領域に属するようになった後、他の領域に属するようになった時点で前記信号が１つ検出されたとすることを特徴とする小型高精度位置決め機構の制御方法。
5. 前記小型高精度位置決め機構の制御方法は、
   前記直流モータを停止させる際に生ずるオーバーシュートに対応するオーバーシュート信号数を検出し、
   前記位置決め対象を同一方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数から前記オーバーシュート信号数を減算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させる一方、
   前記位置決め対象を逆方向に再移動させる際には、再停止位置に前記位置決め対象を移動させる際に必要となる信号数に前記オーバーシュート信号数を加算した信号数が検出されるまで前記直流モータを回転させることを特徴とする請求項４に記載の小型高精度位置決め機構の制御方法。