JPS63204159A - 周波数／電圧変換装置 - 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】 ［発明の属する分野］ 本発明は、パルス人力を周波数に比例する電圧に変換す
る装置に関し、特に半導体製造装置用のウェハステージ
等に用いられる超精密速度制御装置における速度指令電
圧発生装置として好適な周波数／電圧変換装置に関する
。

［従来の技術］ サーボモータの定速制御装置等においては、入力した指
令パルス信号をその周波数に比例する電圧に変換して、
その電圧によりモータを駆動している。このようなパル
ス信号の電圧への変換のために、人力パルスの立上がり
エツジに同期し入力パルスよりも十分高い周波数をもつ
クロックの１パルスをコンデンサに充電し抵抗をもって
常時放電させる回路におけるコンデンサ端子電圧を出力
とする一般的な周波数電圧変換器（以下、Ｆ／Ｖコンバ
ータと呼ぶ）が用いられている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、特にサーボモータの低速度時は、制御対称物
の速度を検出するリニアスケールからのパルス信号が低
周波になり、このパルス信号をＦ／Ｖコンバータに通し
た時、リップル分としてパルス信号の周波数を最低周波
数とした周波数成分が乗ってしまい、速度ムラとなって
悪影響を及ぼしていた。

これを解決するには、リニアスケールの精細度を上げれ
ば良いのであるが上限がある。また、単にリップル分を
取り除くために低い遮断周波数を持ったローパスフィル
タを通したのでは、急激な指示速度の変化があった場合
にそれに対する追従性が悪化する。従って、リニアスケ
ールの精細度に限界がある以上、リップル分による速度
ムラの除去と速度指令の変化に対する応答の向上は相反
する要求であった。

本発明は、上述の従来形の問題点に鑑み、低周波におけ
る周波数／電圧変換装置において、出力電圧のリップル
分を除去してしかも人力の周波数の変化に対する追従性
を保持することを主目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明の周波数／電圧変換
装置は、Ｆ／Ｖコンバータの出力に遮断周波数可変のロ
ーパスフィルタを接続したことを特徴とする。さらに、
このローパスフィルタの遮断周波数の制御電圧をそのロ
ーパスフィルタ自身の出力より遅延回路を通じて取り込
む等にＪ：す、入力パルスの周波数に応して遮断周波数
を変えることができる。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係る周波数／電圧変換装
置の構成を示す。同図において、１は周波数ｆｌ。であ
る入力パルスの立上がりに同期してクロック入力周波数
の１パルス巾のワンショットを出力するクロックドロジ
ック回路、２はクロックドロジック回路１からの出力を
ゲート入力とするアナログスイッチ、３はワンショット
入力に対して積分作用を行なう積分回路であり、１，２
゜３を含めてＦ／Ｖコンバータを形成している。

Ｆ／Ｖコンバータ１の出力は遮断周波数可変のローパス
フィルタ４の入力に接続されており、この出力の一部が
遅延（ディレィ）回路５を通じて同フィルタの制御電圧
に取り込まれている。

次に、本実施例の周波数／電圧変換装置の動作を説明す
る。

第１図において、クロックドロジック回路１は、ｆｉｎ
とｆ　ＣＬＫの入力とｆ。ｕｔの出力を持っている。そ
して、このクロックドロジック回路１の入力ｆｌｎにデ
ユーティ−比が任意のパルスを入力し、入力ｆ。ＬＸに
ｆ４．、より周波数の高い基準パルスを人力すると、出
力ｆ。ｕｔとして、ｆｉｎのエツジに同期しパルス幅か
ｆ　ＣＬＫと等しいパルス出力が現れる。このパルス出
力ｆ。ｕｔはアナログスイッチ２を開閉する。アナログ
スイッチ２は反転出力の積分回路３に接続されており、
アナログスイッチ２かオンされると入力端子がマイナス
電源（Ｖｃｃ）に繋って積分回路３内のコンデンサＣが
放電される。そして、入力に負電位が接続されたことに
なるので出力にはその反転電圧（＋）か現れる。次の瞬
間にアナログスイッチ２かオフになると出力端と入力端
の間を抵抗Ｒを通して電流が流れ、コンデンサＣを充電
するので、入力端の電位が上がり、τ＝１／ＣＲの時定
数をもって出力の電位は減少する。

この過程をもって出力される出力電圧ＶＦＶ、人力パル
スｆｌｎおよびクロック人力ｆＣＬＫの波形を第２図に
示す。クロック人力ｆＣＬＫの巾は非常に狭いので、積
分回路３のコンデンサＣの放電する時間は瞬間的である
。しかし、クロック人力ｆ　ＣＬＫのパルス巾は積分回
路３のコンデンサＣの放電する電荷量を決定するので、
ｆｃいのパルス巾を大きくすることにより、積分器の出
力の平均電圧を上げることか可能である。

第３図は、人力パルスの周波数ｆｉｎの高低による出力
ＶＦＶの違いを示したものである。同図において、Ｆ／
Ｖコンバータからの出力波形ＶＦＶはワンショットトリ
ガの積分波形である。ＶＦＶはこの波形の平均電圧であ
り■。ｕｔとして望まれるのはｒνである。人力パルス
の周波数ｆｌｎが高いときは、直流分に対する交流分（
リップル）が少なく、低くなると直流分に対する交流分
が大きくなりしかも交流分の周波数が低いことがわかる
。

すなわち、ＶＦＶはトリガである人力パルスの周波数ｆ
ｉｎを最低周波数とするパワースペクトルを持っている
。従って、出力ＶＦＶに含まれるリップル分を除去する
にはフィルタの遮断周波数をこの周波数以下に設定すれ
ば良い。

再び第１図を参照して、積分回路３の出力は電圧可変ロ
ーパスフィルタ４の人力に接続される。

このフィルタ４の遮断周波数は変化可能である。

この場合の出力Ｖ。ｕｔの波形について、第４図の簡略
化したモデルを参照して説明する。

実際の回路の中で使用したフィルタは４次バターワース
型のローパスフィルタであるが、この第４図のモデルで
は、遅延回路５を除いた１次のＣＲフィルタを掲げてい
る。

同図において、ＣＩ＝は容量が固定であるコンデンサ、
Ｒ，は制御電圧によって抵抗値を可変する抵抗器である
。図の回路は一人力に対し一出力する二端子対回路とな
っており、この回路中において、上述のＣ，、Ｒ，は−
次のローパスフィルタを構成している。ここで、遮断周
波数ｆｅは次のように表現することがて餘る。

ωｃ／２π＝ｆｃ＝　（２πＣｒ　Ｒｒ　）　−１・・
・（１）ただし、ω。は遮断角周波数である。

この遮断周波数ｆｃが出力電圧であるＶ。ｕｔに比例し
て変化するとすれば、 ｆ　ｃ　＝　ｋ　ｖ　ｏｕｔ　＝　１／　２πｃＦＲＦ
　・・・・・・（２）従って、 Ｒ，＝１／（２πＣＦ　　−ｋ　Ｖｏｕｔ　）　　”・
・（３）入力ｖｌｎと出力Ｖ。ｕｔの間の回路方程式は
、Ｒ１からＣＦに流れる電流をｉとすれば、 ｖ、ｎ＝Ｒ１＋１／Ｃ，１ｉｄｔ　　・・・−・−（４
）Ｖｏｕｔ　＝　１　／　ＣＦ−５ｉ　ｄ　ｔ　　　　
・・・・・・（５）（４）　、　（５）　　より ＶＩｎ＝ＣＰＲＦ−Ｍｏｕｔ十Ｖ、、ｔ・−・・・（６
）ｔ （３）を代入して、 人力であるｖｌ、の最低周波数はｖ　ｏｕｔのリップル
分に最大の影響を及ぼすと考えられる。そこで、ｆｉｎ
の周波数分のみを考慮して次のように近似する。

Ｖｌｎ”ａω＋ｂωｓｉｎ　　ωｔ　　　　　　　　・
１・（８）ただし、ａ＞ｂとする。これは、第２図の積
分器出力を簡略化して、 （直流分）＋（最低周波数の正弦波） の形としたものである。また、初期条件は、１＜０　　
のとき、ｖＩｎ＝ａω　　　　　・・・・（９）とする
。

（８）　、　（９）の条件をもとに方程式（７）を解く
。第５図は、電圧可変フィルタへの人力ｖｌｎに対する
同出力Ｖ。ｕｔの波形である。フィルタを通すことによ
ってリップル分が元の波形より軽減されているのがわか
る。さらにリップルを抑圧するには、フィルタの制御電
圧の帰還させる利得すなわちｋをさらに下げれば良い。

また、このフィルタを高次フィルタで構成するならばさ
らにこの特性を良くすることができる。

例えば、第１図の実施例で示したフィルタ４は、第４図
の例で示したＣＲフィルタ（減衰域６ｄ　Ｂ　／　ｏ　
ｃ　ｔ　）に対し４次のアクティブフィルタ（２４ｄＢ
１０ｃｔ）で構成されている。

再び第１図を参照して、上記のＣＲフィルタのモデルで
説明したような本実施例の作用を説明する。

すなわち、積分回路３の出力は電圧可変ローパスフィル
タ４の人力に接続されており、このフィルタは高次であ
るほど遮断周波数を人力パルス周波数ｆｌｎに近付けて
、応答特性を良くすることができる。フィルタ４の出力
の一部は遅延回路５を経てフィルタ遮断周波数制御電圧
の入力に接続される。フィルタ４の出力は、それ自身で
遮断周波数を制御しているので、遅延回路５を付けない
場合には、入力にリップルのピークが来たとぎに遮断周
波数が上がり、フィルタ４の透過率が上がるので、ピー
クが減衰されないまま出力にあられれてしまう。そこで
、遅延回路５を付けることによって透過率が上がる時間
を遅らせて特性の向上を図っているのである。しかし、
問題となるリップル分最低周波数付近ではフィルタ４の
遮断周波数の近くで、位相遅れがあるため、ピークは元
の入力に比べて減衰している。遅延回路５の定数設定に
ついては、遅延時間を大きくとりすぎると、応答性が悪
化する。

第５図の電圧可変フィルタへの入力Ｖｌ□に対する同出
力■。ｕｔの波形において、（８）式の各定数の値は、 ａ　＝　３．１８ｘ　１０−’、　ｂ　＝　１．５！ｌ
ｘ　１０−’、　（ＩＪ−１０，０である。それに対す
る出力が２通り記されており、 ｋ＝６２８　　　： （遮断周波数）＝（リップル周波数）およびに＝　　６
２．８　　　： （遮断周波数）＝（リップル周波数）／１０である。ｋ
　＝　６２．８ではリップルが殆ど抑えられている様子
がわかる。なお、同図のグラフ中のＶｏｕｔは上下非対
称な周期関数（山よりも谷のほうがノドさい）である。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、Ｆ／Ｖコンバー
タの出力に遮断周波数可変のローパスフィルタを接続し
、ローパスフィルタの遮断周波数の制御電圧をそのロー
パスフィルタ自身の出力より遅延回路を通じて取り込む
等により、人力パルスの周波数に応じて遮断周波数を変
えることかできるので、低周波人力における周波数／電
圧変換装置において、出力電圧のリップル分を除去して
しかも大力の周波数の変化に対する追従性を保持するこ
とかでき、出力の安定性が改善される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る周波数／電圧変換装
置の構成図、 第２図は、出力電圧ｖｐｖ、入力パルスｆｉｎおよびク
ロック人力ｆ　ＣＬＫ等の波形を示す図、第３図は、入
力パルスｆｌｎの周波数の高低による出力の違いを示し
た図、 第４図は、出力■。５ｔの波形について説明するだめの
簡略化したモデル、 第５図は、電圧可変フィルタへの人力Ｖｌ。に対する同
出力Ｖ。ｕｔの波形図である。 １：クロツタドロジック回路、 ２、アナログスイッチ、 ３：積分回路、 ４：ローパスフィルタ、 ５：遅延回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、パルス入力をその周波数に比例する電圧に変換する
   周波数電圧変換器の出力に遮断周波数可変のローパスフ
   ィルタを接続することを特徴とする周波数／電圧変換装
   置。 ２、前記ローパスフィルタが、前記パルスの周波数に応
   じて遮断周波数を変える特許請求の範囲第１項記載の周
   波数／電圧変換装置。