JPS5892012A - 位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明祉、位相の異なる正鶴波によって近似される２つ
の信号より、任意位相の正弦波によって近似される信号
を得る回路に関する。

本発明の目的は、特に半導体製造装置や工業ロボット等
に於いて、載物台もしくは腕を安価な位置検出器を用い
て高い分解能で位置決めするための位置信号処理回路を
、供給する事にある。

これらの半導体製造装置や工業ロボットに於ける位置決
めＫは、従来、ステップモーター等を用いた開ループ制
御と、位置検出器とＤＣモーター等を用いた閉ループ制
御が使用されているが、要求される精度の向上とともに
閉ループ制御の必要性が高くなっている。

閉ループ制御に不可欠な位置検出器としては、マグネス
ケール、光学式１ンコーダー、レー１’　−測長器等が
あり、マグネスケール、光学式エンコーダー等では通常
約１ミクロン程度、レーザー測長□器ではサブミクロン
の分解能が得られているが。

レーザー測長器は非常に高価なため、手軽にサプミクロ
ンの分解能を持つ位置検出器を使用する事は困難であっ
た。

本発明の目的祉、比較的安価な光学式リニアスケール等
の位置の関数として、位相の異なる２つ以上の正弧波に
よって近似される信号を出力する位置検出器の出力を分
割する事により、サブミクロン台の高い分解能を得る事
にある。

以下１図面によって本発明の詳細な説明する。

第１図は１本発明による回路の構成図である。まず、３
と４鉱４象限乗算型ＤＡコンバーターであり、１と２が
それぞれのアナログ入力、７と８がそれぞれのデジタル
入力である。また、５と６はこれらのデジタル値を保持
しているレジスタである。５と４の４象限乗算型ＤＡコ
ンバーターの出力９．１０は加算アンプ１１によって加
算され出力１２となる。ここで入力１，２にそれぞれＳ
。

Ｃ１入カフ、８にそれぞれＭ、Ｎなる入力を加えると、
出力Ｘは第１式によって示される。

Ｘ　＝　Ｍ　−Ｓ　十Ｎ−０−−−−−−一第１式ここ
で、Ｓ、Ｃの単位は電圧であり、Ｍ、Ｎは１より小さい
定数である。また、又は出力電圧である。

この回路に入力として、Ｓ　＝ｓｌｎＸ　、　Ｃ＝ｃｔ
ＨＫなる信号を与えると、Ｘは第１式Ｓ、Ｃにそれぞれ
代入して、 Ｘ＝Ｍ画ｘ十Ｎ部Ｘ となり、Ｍ、Ｎを変化させる事により、任意位相凶だけ
進んだ正弧波を得る。すなわち、第２図２１゜２２のよ
うな２つの信号をより、２３の如く位相の異なる信号を
得る。

以上がこの回路の動作であるが、以下にこの回路を位置
決め信号の分割に応用した例を説明する。

まず、第２図に於いて位置決め信号の処理方法及び、直
流サーボ回路への応用原理を説明する。位置決め用の位
置検出器としては、前述のように位置の変化に伴ない、
正弧波及び余賦波で近似される２相以上の出力を得られ
るものであえれば、種類は問わない。−例としては、光
学式リニアースケールがあり通常、波長８ないし２０ミ
クロン程度の２相もしくは、４相の信号が得られている
。

４相の信号出力の場合は通常、２相の信号に更に各々の
１８０°位相の信号１組をつけ加え、電気回路系等のオ
フセットを打ち消す為に使用されるものが一般的であり
、方式的には２相の場合と同等と考える事ができるので
２相の場合を用いて説明する。

第２図に於いて矢印２４は位置の増加方向で、矢印２５
の方向が電π軸である。

はじめに、位置検出器からの信号のオフセット、振幅等
を調整し０ボルトから正負方向に均等に振る信号２１及
び２２を得る。ここでは信号２１及び２２の振幅を等し
くしているが、第２式に於いてＭ、Ｎを調整する事によ
し異々る２波からの処理も可能であ−る。

次に信号２１．２２の和信号２６と、差信号２７を合成
する。本回路では便宜上Ｅで除して１信号２１．２２と
信号２６．２７の振幅は等しくなるようにしである。

更に信号２１，２２，２６．２７を高利得アンプを用い
て方形波にし、信号２８，２９，３０．３１を得る。こ
こで信号２８．２９の排他論理和をとり信号３２を得る
。又、信号５０　、３１の排他論理和をとり信号３３を
得る。信号３２及び３３は約９０°位相が異なる方形波
であり、位置検出器の出力の周期の半分の周期を持つ。

この２相の方形波により移動方向と移動量を位置検出器
の周期の８分の１の分解能で監視することができる。

そこで、信号３２．３３の各変化点で値の変わる位置カ
ウンタ５４を設ける。このカウンタは別途設けられた原
点検出器の信号を得た位置をゼロとして常に可動部の位
置を、位置検出器の周期の８分の１の分解能で保持して
いる。すなわち位置検出器の周期が８ミクロンであれば
１ミクロンの分解能を持つ。このカウンタを現在位置カ
ウンタ又はカレントポジションカウンタと呼び、とのカ
ウンタの内容を位置信号として使用して閉ループ制御を
することをデジタル制御と呼び、デジタル制御をかけて
いる区間をデジタル制御ンと呼ぶ。現布位置カウンタの
分解能は位置検出器周期の８分の１であるから、デジタ
ル制御による制御の分解能もこれと等しくなる。又、閉
ループ制御には速度信号が必要となるがこれはたとえば
、信号３２゜３３をＦ−Ｖ変換したもの等を使用する事
ができる。

まず、デジタル制御の手法を説明する。

図２に於いて位置決め目標位置を３６とする。まず、直
流サーボ機構に必要な位置誤差の信号を得るためには、
現在位置カウンタ３４の内容とこのカウンタと同一の単
位で示された目標位置の値の差を取ってＤ−Ａ変換を行
ない、３９のような階段状の位置誤差信号を得る。この
信号と、前記Ｆ−Ｖ変換等によって得られた速度信号を
用いて直流サーボ回路を組む事によって、現在位置カウ
ンタが４０の位置を示す所に向かって位置誤差の修正が
行なわれる。

ところが、位置誤差信号はその生成方法上位置検出器の
８分の１の分解能しか持たず、又、信号５９に示す如く
不連続な値であるので位置４０の範囲内での位置の変化
に対して不感となる。従ってサーボ系の位置修正能力は
なくなり、可動部は位置４０の範囲内で浮遊し停止する
事ができない、。そこで次に説明するリニアゾーンを設
はリニア制御に切り換える。

まず、位置決め目標位置３６を見込む現在位置カウンタ
の値の範囲４０と、そのすぐ両側の値の範囲を加えた範
囲３５をリニアゾーンと呼ぶ。前記デジタル制御による
位置決めの結果、リニアゾーンに入ったと同時にデジタ
ル制御を停止し次に説明するリニア制御に切り換える。

ＩＪ　ニア制御自体は一般的手法であり、正抹波で近似
される位置信号の単調に増加又は減少する半周期のどち
らか一方を位置誤差信号とし、これがゼロになるべく閉
ループ制御をほどこすものであり光学式リニアースケー
ルを使用し、ボイスコイルを駆動源に用いた磁気ディス
ク記憶装置の読み取りヘッドの位置決め装置等にその例
を見る事ができる。

従ってこのＩＪ　ニア制御を用いて、位置決めを行なう
には目標位置でゼロとなる位置の関数の正抹波信号が必
要となる。

ところが、従来のこの種の回路ではこの位置決め用の正
−波信号として位置検出器からの２相信号及び、その和
と差あ信号とそれらの極性を反転したもの、すなわち信
号２１，２２，２６，２７とその極性を反転したものの
計８種程度しか使用できず、従って位置３６に停止させ
たい場合でも、３７もしくは３８点にしか停止させるこ
とができなかった。

この信号数の制限すなわち、停止点数の制限はそくは減
算するという従来の方法では異なる位相の正楓波を１つ
作るのに、オペアンプ１つと付属する抵抗群一式が必要
となり実装上増やす事が困難なためである。

本発明の目的は、少々い部品によって多くの位相の異に
るリニア制御用正薦波を発生させ、位置検出器のピッチ
より細かく又ピッチと無関係に位置決めするだめの回路
を供給する事にある。

任意の点３６にリニア制御を用いて停止させるには、こ
の点にてゼロとなる２３のような正体波が必要となる。

そこで本発明に係る第１図の回路を用い２１．２２を２
つのアナログ入力としてそれぞれ１．２に与え、第２式
に於けるデジタル値Ｍ。

Ｎを調整する事により位置決め目標位置３６のごく近く
を通る正体波２３を合成することができる。

この停止位置の細分能力及びその精度の上限は、第１図
の回路に使用する４象限乗算型ＤＡコンノ（−タのデジ
タル入力のビット数によって決まるＯこの位置誤差信号
とそれを微分器に通した速度信号とを用いて直流サーボ
を構成する事によって、従来よりも少ない回路部品にて
従来より高い分解能、たとえば８ミクロン周期の位置検
出器を用いて０．１ミクロン程度の分解能で位置決めを
することができる。

次に実際のサーボ系の構成の例を説明する。

前述のように、閉ル−プ制御を用いた位置決めには、必
ず位置検出器が必要となるが、ここでは、ン５分解能０
．１ミクロン程度の半導体製造装置用載物台位置決め装
置を例にとる。

第３図は上記位置決め装置を便宜上軸方向に関して示し
たものである。

第３図に於いて５ｏは載物台であり、矢印５１の方向に
のみ自由に滑らかに動く事ができる０５２゜５３は光学
式リニアースケールであり、５２が移動側５３が固定側
である。一方、７６は動力源であシこの例ではムービン
グコイル型リニアモーターを用−いているが、一般的な
りＣサーボに用いられるような電流−力変換器であれば
種類は問わない。

５４．５５はりニア−スケールからの出方信号である。

この例では第２図に於いて矢印２４を位置の変位、矢印
２５を出力電圧とした時に２１．２２に示す正蝋波、余
殊波となっており、１波長が共に８ミクロンであるが波
長、振巾、オフセット等は、波形整形の後にほぼ正賦波
、余弗波で近似されるものにさえなれシそのｍ類は問わ
ない。以上が機械的構成である。

次にリニアー制御系である。第３図５６が本発明に係る
回路であり５７．５８はそのデジタル久方であり、７７
で示される目標位置データ算出回路により与えられる。

６７は本発明に係る回路の出力であり、リニアー制御用
の位置信号である。−は微分器であり、従って信号６９
は速度信号となる。７０は位置誤差信号と速度信号との
加算点であり、７１がその出力である。以上がリニアー
制御系である。

デジタル制御系は５９のデジタル位置処理回路及び６２
のデジタル速度検出回路、すなわちＦ−Ｖコンバーター
から成り、その各々の出方６１．６３は加算点６４で加
算されデジタル制御時の駆動信号６５となりアナログス
イッチ７２に供給される。

一方、デジタル位置処理回路からはリニアゾーンに入っ
た事を示す信号６６が出方されており、スイッチ７２を
制御してデジタル制御、リニアー制御、各制御状態に従
ってそれぞれの制御系の出方６５．７１を選択し７３に
出力する。７４はモーターの制御及び駆動回路であね、
７３の駆動電圧より７５の２相の駆動電流出力を出す。

以下、第２図によっての説明を補足するために動作の概
略を説明するが、直流サーボ系の動作に関してはすでに
良く知られているので省略し、この発明に係る直流サー
ボ用の位置及び速度の信号の生成方法を重点に説明する
。

載物台５０の現在位置は、リニアースケールからの２相
信号５４．５５を用いてデジタル位置制御回路５９内に
ある現在位置カウンタを頁新するととに、より、常にス
ケールの周期の８分の１すなわちこの例では１ミクロン
の分解能で保持されている。一方、５９には位置決め目
標位置信号６０が与えられており、この信号と現在位置
カウンタの内容との差をＤ−Ａ変換した位置誤差信号６
１が出力されている。

又、６２のデジタル速度検出回路はリニアースケールか
らの入力５４．５５をＦ−Ｖ変換し、符号付きの速度信
号６３を出力している。

位置の誤差が大きくリニアゾーンに入っていない間は、
信号６６はスイッチ７２により信号６５を選択しデジタ
ル制御により載物台を駆動する。

やがてリニアゾーンに入ると、信号６６によってスイッ
チ７２は信号７１を選択してリニア制御に移る。

本発明に係る回路５６には、目標位置データ算出回路７
７により停止目標位置でゼロになるリニア制御用正−波
を発生させるのに必要なデジタル値５７及び５８をあら
かじめ与えておく。これによね出力６７にはリニア制御
用正韓波が出力されも一方、６８の微分器からは６７を
微分した信号、すなわち速度信号６９が得られ加算点７
０を通ったリニア制御信号７１により直流サーボが働き
載物台は目標位置にすみやかに移動し停止する。

以上の制御により、位置検出器の周期とは無関係に載物
台を位置決めすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１回位本発明に係る位置決め信号分割回路のブーロッ
ク図、第２図は本発明に係る位置決め信号分割回路°及
び本発明に係る位置決め回路全体の動作波形、第３図は
本発明に係る位置決め装置全体のブロック図である。 特許出願人　株式会社チルメック ′ＩＡ＋図 ３ Ｓう図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．２組の４象限乗算型ＤＡコンバータと、その出力を
   加算する１つの加算アンプより成り、２組の４象限乗算
   型ＤＡコンバータに与えるデジタル値を変化させること
   によって、位相の異なる２種の正銚波より任意の位相及
   び、振幅を持った１つの正弧波を合成する回路。 ２、特許請求の範囲１に於いて、その制御用デジタル値
   が、計算機により４見られる回路。 ３、特許請求の範囲１に於いて、その入力信号が位相の
   異なる正櫨波及び、余弗波により近似される位置信号で
   あり、これらの信号より合成された任意位相の合成位置
   信号のゼロ点に停止すべく帰還をほどこした直流サーボ
   回路。 ４、％許請求の範囲３に於いて、その停止位置が位置検
   出器のピッチと異なり、自由に設定できることを特徴と
   する直流サーボ回路。