(57)【要約】【課題】  制御周期に影響されない速度演算手段を備える位置制御装置を実現する。【解決手段】  位置制御するスライダの位置を位置センサにより検出し、位置信号の時間変化に基づいて速度信号を算出する位置制御装置において、  前記位置信号の差分値を算出する差分値算出手段と、  前記基準周波数信号のサイクル数と周期並びに前記差分値に基づいて検出周期を算出する検出周期算出手段と、  前記差分値と前記検出周期に基づいて速度信号を算出する速度算出手段と、を備える。【選択図】                    図１
2006113769.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置制御するスライダの位置を位置センサにより検出し、位置信号の時間変化に基づいて速度信号を算出する位置制御装置において、
前記位置信号の差分値を算出する差分値算出手段と、
前記基準周波数信号のサイクル数と周期並びに前記差分値に基づいて検出周期を算出する検出周期算出手段と、
前記差分値と前記検出周期に基づいて速度信号を算出する速度算出手段と、
を備えたことを特徴とする位置制御装置。
【請求項２】
前記位置センサの出力周波数をｆｓ、前記基準周波数信号の基準周波数をｆｃとするとき、位置Ｐｎはｆｓ・ｔ／ｆｃで与えられ、前記位置信号の差分値ΔＰは（Ｐｎ−Ｐｎ-１）で与えられ（Ｐｎはｎ番目のサンプリング周期における位置信号、Ｐｎ-１はｎ−１番目のサンプリング周期における位置信号）、前記サイクル数をＮ、前記基準周波数の周期をＴｒｅｆとするとき、前記検出周期Ｔｔは、（ΔＰ＋Ｎ・Ｔｒｅｆ）で与えられ、前記速度算出手段はΔＰ／Ｔｔを演算することを特徴とする請求項１記載の位置制御装置。
【請求項３】
位置制御するスライダの位置を位置センサにより検出し、位置信号の時間変化に基づいて速度信号を算出する位置制御装置において、
前記位置信号の差分値を算出する差分値算出手段と、
前記差分値と制御周期に基づいて第１の速度を算出する第１速度算出手段と、
前記差分値、制御周期、前記基準周波数の周期、前記基準周波数信号のサイクル数に基づいて速度修正値を算出する修正値算出手段と、
前記第１の速度と前記速度修正値に基づいて第２の速度を算出する第２速度算出手段と、
を備えたことを特徴とする位置制御装置。
【請求項４】
前記位置センサの出力周波数をｆｓ、前記基準周波数をｆｃとするとき、位置Ｐｎは
ｆｓ・ｔ／ｆｃで与えられ、前記位置信号の差分値ΔＰは（Ｐｎ−Ｐｎ-１）で与えられ（Ｐｎはｎ番目のサンプリング周期における位置信号、Ｐｎ-１はｎ−１番目のサンプリング周期における位置信号）、
前記第１の速度Ｖ１は制御周期をＴｓとするときΔＰ／Ｔｓで与えられ、前記速度修正値ΔＶは基準周波数の周期をＴｒｅｆ、制御周期をＴｓ、サイクル数をＮとするとき、
ΔＶ＝ΔＰ・（Ｔｓ−ΔＰ−Ｎ・Ｔｒｅｆ）／Ｔｓ2
で与えられ、前記第２速度算出手段は、Ｖ２＝Ｖ１＋ΔＶを演算することを特徴とする
請求項３に記載の位置制御装置。
【請求項５】
前記位置信号と目標位置信号との偏差を演算して速度指令を出力する位置制御手段と、
前記速度算出信号と前記速度指令との偏差を演算して推力指令を出力する速度制御手段と、
前記推力指令により前記スライダを移動させる面モータに駆動電流を供給する面モータ駆動手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の位置制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置制御するスライダの位置を位置センサにより検出し、位置信号の時間変化に基づいて速度信号を算出する位置制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計により位置検出する位置制御装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−６５９７０号公報
【０００４】
【特許文献２】特開２００１−１４７１０５号公報
【０００５】
図３は、特許文献１に開示されている速度制御手段を持ったＸＹステージのＸ軸に関する位置制御装置を示す機能ブロック図である。１は上位装置であり、パルス信号によるＸ軸の目標位置信号Ｐｓを位置制御装置２に与える。
【０００６】
位置制御装置２は、この目標位置信号Ｐｓと後述の位置検出信号Ｐｘより算出される位置信号Ｐｆとの偏差を演算して面モータ駆動手段３に推力指令Ｆｘを出力する。面モータ駆動手段３は、プラテン４とスライダ５よりなるＸＹステージに設けられた面モータ（図示せず）のＸ軸モータに駆動電流Ｉｘを供給しスライダ５をＸ軸方向に移動制御する。
【０００７】
６は、スライダ５の位置検出手段である。レーザ干渉計を用いて光学的にスライダの位置を高精度で検出する技術が特許文献１及び特許文献２に詳細に開示されている。Ｐｘはスライダ５のＸ軸位置検出信号である。
【０００８】
位置制御装置２において、２１は位置・速度演算手段であり、位置検出手段６の検出信号Ｐｘを入力し、フィードバック制御のための位置信号Ｐｆ及び速度信号Ｖｆを演算により算出する。
【０００９】
２２は積算カウンタであり、上位装置１よりパルス信号で与えられる目標位置信号Ｐｓをカウントしてディジタルの目標位置信号Ｐｉに変換する。この信号Ｐｉと位置・速度演算手段２１からフィードバックされた位置信号Ｐｆとの偏差が位置制御手段２３で演算され、速度指令信号Ｖｉが出力される。
【００１０】
この速度指令信号Ｖｉと位置・速度演算手段２１からフィードバックされた速度信号Ｖｆとの偏差が速度制御手段２４で演算され、推力指令Ｆｘが出力される。この推力指令が面モータ駆動手段３に入力される。スライダ５のＹ軸の位置に関しても同一の制御系により位置制御される。
【００１１】
図４は、位置検出手段６及び位置・速度演算手段２１の詳細を示す機能ブロック図である。干渉計を用いた位置制御装置６は、移動するスライダ上に搭載され、固定配置されたターゲットミラー７との距離を光学的に測定する。
【００１２】
干渉計の主たる構成要素は、レーザ光源６ａ、コーナーキューブ６ｂ、偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６ｃ、ハーフミラー６ｄである。これら要素による位置検出の原理、動作については特許文献２に詳細に開示されているので、ここでは説明を省略する。
【００１３】
８は位相検出器であり、位置検出手段６で生成される干渉縞の配列方向に１／４ピッチずらして配列された２個の受光素子により、位置検出手段６の移動量に応じた位置検出信号Ｓｉｎωｓｔ及びＣｏｓωｓｔを出力する。
【００１４】
これら位置検出信号Ｓｉｎωｓｔ及びＣｏｓωｓｔは、位相変調手段９により基準発振器１０よりの基準周波数信号Ｃｏｓωｃｔ及び位相シフタ１１を介した基準周波数信号
Ｓｉｎωｃｔにより位相変調される。以下、位相変調信号をｍｓｉｇと呼ぶ。１２はクロック発生器であり、基準発振器１０及び後述の周期カウンタ１４にクロック信号を与え、同期させる。
【００１５】
位相変調手段９は、乗算器、加算器、コンパレータで構成されているが、その詳細及び動作は特許文献２に詳細に開示されているので、ここでは説明を省略する。位相変調手段９の出力信号の周波数は、位相検出器８の出力周波数ｆｓ、基準発振器１０の周波数を
ｆｃとするときに（ｆｃ＋ｆｓ）となる。
【００１６】
１３は分周器であり、周波数（ｆｃ＋ｆｓ）の信号を定数ｎで分周し、周波数（ｆｃ＋ｆｓ）／ｎの信号を出力する。この周波数信号は、周期カウンタ１４に入力され周期ｎ／（ｆｃ＋ｆｓ）の信号に変換される。
【００１７】
１５は減算器であり、この周期ｎ／（ｆｃ＋ｆｓ）の信号より基準周波数をｆｃの分周周期ｎ／ｆｃ（以下、Ｔｒｅｆ）を減算して周期差分ｎｆｓ／ｆｃ（ｆｃ＋ｆｓ）（以下、Ｔｍｓｉｇ）の信号を出力する。
【００１８】
１６は積算器であり、この周期差分信号を周期ｎ／（ｆｃ＋ｆｓ）毎に積算する。積算値はｆｓ・ｔ／ｆｃとなり、これが位置信号となる。これら要素１３乃至１６による位置信号の算出原理及び動作については特許文献２に詳細に開示されているので、ここでは詳細説明を省略する。
【００１９】
１７は速度演算手段であり、一定周期で位置データを取り込み、Ｐｎ＝Σ（Ｔｍｓｉｇ−Ｔｒｅｆ）を計算し差分値ΔＰ＝（Ｐｎ−Ｐｎ-１）を算出し（Ｐｎはｎ番目のサンプリング周期における位置信号、Ｐｎ-１はｎ−１番目のサンプリング周期における位置信号）、位置制御装置２の制御周期Ｔｓから、（Ｐｎ−Ｐｎ-１）／Ｔｓを演算して速度信号Ｖを出力する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
面モータによる位置制御では、位相変調信号ｍｓｉｇと同期していない制御周期Ｔｓにより位置制御を実行しているために、サンプリングのタイミングにより速度検出に誤差が発生する問題点がある。
【００２１】
この速度検出誤差（ノイズ）は、高速で高精度の位置決めを実現するために高ゲインの速度制御ループを構成するとき、推力指令にノイズを発生させ、位置偏差発生の大きな要因となっている。
【００２２】
従って本発明が解決しようとする課題は、制御周期に影響されない速度演算手段を備える位置制御装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）位置制御するスライダの位置を位置センサにより検出し、位置信号の時間変化に基づいて速度信号を算出する位置制御装置において、
前記位置信号の差分値を算出する差分値算出手段と、
前記基準周波数信号のサイクル数と周期並びに前記差分値に基づいて検出周期を算出する検出周期算出手段と、
前記差分値と前記検出周期に基づいて速度信号を算出する速度算出手段と、
を備えたことを特徴とする位置制御装置。
【００２４】
（２）前記位置センサの出力周波数をｆｓ、前記基準周波数信号の基準周波数をｆｃとするとき、位置Ｐｎはｆｓ・ｔ／ｆｃで与えられ、前記位置信号の差分値ΔＰは（Ｐｎ−Ｐｎ-１）で与えられ（Ｐｎはｎ番目のサンプリング周期における位置信号、Ｐｎ-１はｎ−１番目のサンプリング周期における位置信号）、前記サイクル数をＮ、前記基準周波数の周期をＴｒｅｆとするとき、前記検出周期Ｔｔは、（ΔＰ＋Ｎ・Ｔｒｅｆ）で与えられ、前記速度算出手段はΔＰ／Ｔｔを演算することを特徴とする（１）記載の位置制御装置。
【００２５】
（３）位置制御するスライダの位置を位置センサにより検出し、位置信号の時間変化に基づいて速度信号を算出する位置制御装置において、
前記位置信号の差分値を算出する差分値算出手段と、
前記差分値と制御周期に基づいて第１の速度を算出する第１速度算出手段と、
前記差分値、制御周期、前記基準周波数の周期、前記基準周波数信号のサイクル数に基づいて速度修正値を算出する修正値算出手段と、
前記第１の速度と前記速度修正値に基づいて第２の速度を算出する第２速度算出手段と、
を備えたことを特徴とする位置制御装置。
【００２６】
（４）前記位置センサの出力周波数をｆｓ、前記基準周波数をｆｃとするとき、位置Ｐｎは
ｆｓ・ｔ／ｆｃで与えられ、前記位置信号の差分値ΔＰは（Ｐｎ−Ｐｎ-１）で与えられ（Ｐｎはｎ番目のサンプリング周期における位置信号、Ｐｎ-１はｎ−１番目のサンプリング周期における位置信号）、
前記第１の速度Ｖ１は制御周期をＴｓとするときΔＰ／Ｔｓで与えられ、前記速度修正値ΔＶは基準周波数の周期をＴｒｅｆ、制御周期をＴｓ、サイクル数をＮとするとき、
ΔＶ＝ΔＰ・（Ｔｓ−ΔＰ−Ｎ・Ｔｒｅｆ）／Ｔｓ2
で与えられ、前記第２速度算出手段は、Ｖ２＝Ｖ１＋ΔＶを演算することを特徴とする（３）に記載の位置制御装置。
【００２７】
（５）前記位置信号と目標位置信号との偏差を演算して速度指令を出力する位置制御手段と、
前記速度算出信号と前記速度指令との偏差を演算して推力指令を出力する速度制御手段と、
前記推力指令により前記スライダを移動させる面モータに駆動電流を供給する面モータ駆動手段と、
を備えたことを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載の位置制御装置。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば演算される速度信号には制御周期Ｔｓが関係してこないので、速度検出に誤差（ノイズ）が発生する問題が解消され、高ゲインの速度制御ループを構成しても推力指令にノイズが発生せず、高速移動時の位置偏差を大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明を適用した位置制御装置における位置及び速度演算手段の一実施形態を示す機能ブロック図である。図３及び図４で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付し、説明を省略する。以下、本発明の特徴部につき説明する。
【００３０】
図１において、点線のブロック１００は本発明が適用された速度演算手段である。２００は分周器１３の出力信号からをサイクル数Ｎを抽出するサイクルカウンタである。速度演算手段１００において、１０１は差分値算出手段であり、一定周期で位置データを取り込み、Ｐｎ＝Σ（Ｔｍｓｉｇ−Ｔｒｅｆ）を計算し、差分値ΔＰ＝Ｐｎ−Ｐｎ-１を算出する。
【００３１】
１０２は検出周期算出手段であり、差分値ΔＰ、サイクル数Ｎ、基準周波数ｆｃの周期Ｔｒｅｆを入力して検出周期Ｔｔ＝ΔＰ＋Ｎ・Ｔｒｅｆを算出する。
【００３２】
１０３は速度算出手段であり差分値ΔＰと検出周期Ｔｔを入力し、
Ｖｆ＝ΔＰ／Ｔｔ＝ΔＰ／（ΔＰ＋Ｎ・Ｔｒｅｆ）
を算出する。これが制御周期Ｔｓに影響されない速度信号Ｖとなる。
【００３３】
図２は、本発明の他の実施形態を示す速度演算手段３００の機能ブロック図である。この実施形態の特徴は、図１で説明した速度演算手段１００では、変数ΔＰによる割り算を実行する必要があるためにＣＰＵの負担が増加するので、これを回避した近似演算をする点にある。
【００３４】
３０１は差分値算出手段であり、一定周期で位置データを取り込み、Ｐｎ＝Σ（Ｔｍｓｉｇ−Ｔｒｅｆ）を計算し差分値ΔＰ＝Ｐｎ−Ｐｎ-１を算出する。この機能は前記した差分値算出手段１０１と同じである。
【００３５】
３０２は第１速度算出手段であり、差分値ΔＰと制御周期Ｔｓを入力して第１の速度Ｖ１＝ΔＰ／Ｔｓを算出する。この第１の速度Ｖ１は従来装置において算出された速度信号Ｖｆと同じである。
【００３６】
この第１の速度Ｖ１と図１の速度演算手段１００で求めた制御周期Ｔｓに影響されない速度信号Ｖとの差ΔＶは、
ΔＶ＝Ｖ−Ｖ１＝ΔＰ／（ΔＰ＋Ｎ・Ｔｒｅｆ）−ΔＰ／Ｔｓ
＝ΔＰ（Ｔｓ−ΔＰ−Ｎ・Ｔｒｅｆ）／｛Ｔｓ・（ΔＰ＋Ｎ・Ｔｒｅｆ）｝
≒ΔＰ（Ｔｓ−ΔＰ−Ｎ・Ｔｒｅｆ）／Ｔｓ2
である。このΔＶを修正値とする。
【００３７】
従って、正しい速度を第２の速度Ｖ２とすれば、Ｖ２＝Ｖ１＋ΔＶの演算で制御周期Ｔｓに影響されない速度信号を得ることができる。
【００３８】
３０３は修正値算出手段であり、差分値ΔＰ、制御周期Ｔｓ，サイクル数Ｎ、基準周波数ｆｃの周期Ｔｒｅｆを入力して修正値ΔＶを算出する。３０４は第２速度算出手段であり、第１の速度Ｖ１及び修正値ΔＶを入力してＶ２＝Ｖ１＋ΔＶを演算し、制御周期Ｔｓに影響されない第２の速度Ｖ２を出力する。
【００３９】
以上説明した実施形態では、制御周期Ｔｓに影響されない速度信号の得ることを目的とした例であるが、本発明を敷衍すれば速度検出ノイズが軽減される効果を利用し、速度の差分＝加速度を検出し、加速度制御の測定値として利用することが可能である。
【００４０】
更に、位置偏差ノイズに関しても、
Ｖ２＝ΔＰ／Ｔｓ＋ΔＰ（Ｔｓ−ΔＰ−Ｎ・Ｔｒｅｆ）／Ｔｓ2
より周期Ｔｓの移動距離をΔＰｔとすると、
ΔＰｔ＝Ｖ２・Ｔｓ＝ΔＰ＋ΔＰ（Ｔｓ−ΔＰ−Ｎ・Ｔｒｅｆ）／Ｔｓ
により補正をかけることができ、位置制御の精度を更に向上せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明を適用した位置制御装置における位置及び速度演算手段の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明の他の実施形態を示す速度演算手段の機能ブロック図である。
【図３】特許文献１に開示されている速度制御手段を持ったＸＹステージの位置制御装置を示す機能ブロック図である。
【図４】図３における位置検出手段及び位置・速度演算手段の詳細を示す機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００４２】
６  位置検出手段
８  位相検出手段
９  位相変調手段
１０  基準発振器
１１  位相シフタ
１２  クロック発生器
１３  分周器
１４  周期カウンタ
１５  減算器
１６  積算器
１００  速度演算手段
１０１  差分値算出手段
１０２  検出周期算出手段
１０３  速度算出手段
２００  サイクル数カウンタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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