(57)【要約】  マイクロステッピングで、または全ステップモードで作動するリニアステッパモーターに基づくリニアアクチュエータと、補正表に基づく制御アルゴリズムと、補正表を得るための較正装置を使用しての、対象物の正確な位置決めのための方法と装置。
2008522581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラテンと、マイクロステップで前記プラテンに沿って直線的に移動できるフォーサーを有するリニアステッパモーターの較正において使用される補正表を自動的に作成する方法であって、
ａ）開始位置から始めて、フォーサーを、１マイクロステップ以上の第１間隔で第１直線方向に沿って移動するステップと、
ｂ）位置測定装置を使用して、前記第１方向に沿うフォーサーに取り付けられた対象物の実際位置を決定するステップと、
ｃ）対象物の実際位置を、開始位置から移動した合計マイクロステップ数と関連してメモリに記録するステップと、
ｄ）終了位置に到達するまで、ステップａ）、ｂ）、およびｃ）を複数回繰り返すことと、を備える方法。
【請求項２】
ｅ）フォーサーが、ほぼ開始位置に戻るまで、第１方向とは反対の第２直線方向に沿って、ステップａ）、ｂ）、およびｃ）を複数回繰り返すことを更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップａ）からｅ）を複数回繰り返すことと、
第１方向および第２方向の両者において移動した各間隔に対して記録された実際対象物位置の平均値を取ることと、
平均値を、補正表が実際対象物位置の平均値を備えるように、各移動した間隔に関連して、メモリに記録することと、を更に備える請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ステップａ）からｄ）を複数回繰り返すことと、
補正表が実際対象物位置の平均値を備えるように、移動した各間隔に対して記録された実際対象物位置の平均値を取り、格納すること、を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項５】
フォーサーが移動して、エンコーダが実際位置を決定する前の各繰返しに対して、ステップａ）とｂ）の間に、十分な時間間隔の経過が許容される請求項１に記載の方法。
【請求項６】
十分な時間間隔は、フォーサーと対象物の整定時間よりも長い請求項５に記載の方法。
【請求項７】
ステップａ）からｄ）は、前記位置測定装置を含むプラットフォーム上で実行され、方法は、補正表が記録された後、位置測定装置を取り除くことを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
リニアステッパモーターは、そこに取り付けられたモータードライバを含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
プラテンと、プラテンに沿って直線的に移動するフォーサーを有し、位置フィードバック装置を使用せずに、マイクロステッピングモードで作動するリニアステッパモーターを使用して、フォーサーに取り付けられた対象物を高精度で位置決めする方法であって、
フォーサーを所望位置に移動する指令を受信することと、
プラテンに沿う前進方向または後退方向への移動が要求されているかをフォーサーの現在位置に基づいて決定することと、
フォーサーを現在位置から所望位置へ移動するために必要な第１マイクロステップ数を、フォーサーのホームポジションからのマイクロステップ数に関連して、対象物の実際位置を示している複数の値を格納している補正表を使用して決定することと、
フォーサーを、前記第１マイクロステップ数だけ、所望位置まで前進方向または後退方向に移動することと、を備える方法。
【請求項１０】
値は複数マイクロステップの増分で表に格納されており、所望位置への移動は、前記格納された増分の２つの間のマイクロステップ数を要求するために決定され、第１マイクロステップ数を決定するステップは、前記増分の２つ以上の間の内挿を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
表は実際位置を示している値を、開始位置から前進方向に沿って終了位置までと、開始位置まで戻る逆の方向におけるマイクロステップ数に関連して、フォーサーが逆方向に移動するときにヒステリシスが実質的に消去されるように格納している請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
マイクロステッピングモードで作動し、プラテンと、フォーサーをプラテンに沿って直線的にマイクロステップで移動する２つのコイルを有するフォーサーを含むステッパモーターを正確に自動追尾する方法であり、
ホーミングセンサをプラテンに取り付けることと、
ホーミングセンサ起動位置と、前記コイルの第１コイルに対する最近接コイル内全電流位置の間のマイクロステップ数を決定することと、
ホーミングセンサ起動位置から前記最近接コイル内全電流位置までの運動方向を決定することと、
マイクロステップ数と方向をメモリに格納することと、を備える方法。
【請求項１３】
ホームポジションに戻る信号を受信したことに応答して、フォーサーを現在位置からホーミングセンサまで、ホーミングセンサが起動されるまで移動することと、
その後、フォーサーを格納された方向に、格納されたマイクロステップ数だけ移動することと、
前記コイルの１つに全電流を加えることと、フォーサー位置をリセットすることと、を更に備える請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
マイクロステップ数を決定することは、
前記コイルの１つに全電流を加えてフォーサー位置をリセットすることと、
フォーサーをマイクロステップでホーミングセンサに向けて移動して、ホーミングセンサが起動するまでマイクロステップ数（Ｎ＿ｈｏｍｅ）をカウントすることと、
Ｎ＿ｄｉｓｔが前記マイクロステップ数であり、Ｒｅｍａｉｎｄｅｒは、除算の余りを取ることを示している場合の、Ｎ＿ｄｉｓｔ＝Ｒｅｍａｉｎｄｅｒ（−Ｎ＿ｈｏｍｅ／ｎ）を計算することと、
ｎが、第１コイルに対する２つのコイル内全電流位置間のマイクロステップ数である場合に、Ｎ＿ｄｉｓｔがｎ／２より大きいかまたはそれ未満かを決定し、大きい場合は、１つのコイル（ＨＯＭＥＰＯＳ）に全電流を加える前に、フォーサーを移動すべきマイクロステップ数は、Ｎ＿ｄｉｓｔ−ｎと計算され、ｎ／２未満の場合は、ＨＯＭＥＰＯＳは、Ｎ＿ｄｉｓｔと計算され、ＨＯＭＥＰＯＳはホーミングセンサ起動時の、全電流を加える前の運動方向を含むことと、を含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
リニアステッパモーターであって、
プラテンと、
プラテンに沿って直線的に移動できるフォーサーと、
フォーサーの移動をマイクロステップで制御するコントローラと、
メモリに格納され、フォーサーの開始位置からのマイクロステップ数に関連して、プラテンに沿う、フォーサーに取り付けられた対象物の実際位置を示す値を含む補正表と、を備え、
所望位置へ対象物を移動する信号に応答して、コントローラは補正表から、所望位置へフォーサーを移動するために必要なマイクロステップを決定し、コントローラは、位置フィードバック装置を使用せずに、所望位置へ前記第１マイクロステップ数だけフォーサーを移動するように制御するリニアステッパモーター。
【請求項１６】
表における値は、複数マイクロステップの増分で格納され、所望位置への移動が前記格納された増分の間のマイクロステップ数を必要とするときは、コントローラは、前記増分の２つ以上の間を内挿して、第１マイクロステップ数を決定する請求項１５に記載のモーター。
【請求項１７】
表は実際位置を示している値を、開始位置から前進方向に沿って終了位置までと、開始位置まで戻る逆の方向におけるマイクロステップ数に関連して、フォーサーが逆方向に移動するように制御されるときにヒステリシスが実質的に消去されるように格納している請求項１５に記載のモーター。
【請求項１８】
Ｘ−Ｙステージであって、
対象物のＸ方向の移動を制御するように構成されている第１リニアステッパモーターと、
前記対象物のＹ方向の移動を制御するように構成されている第２リニアステッパモーターと、を備え、
各リニアステッパモーターは、プラテンに沿ってマイクロステップで移動できるフォーサーと、メモリに格納され、それぞれが、それぞれのフォーサーの開始位置からのマイクロステップ数に関連して、対象物の実際位置を示す値を含む補正表を有し、各フォーサーは、フィードバック装置なしで作動して、補正表を使用して、正確な位置へ移動するＸ−Ｙステージ。
【請求項１９】
各補正表は実際位置を示している値を、開始位置から前進方向に沿って終了位置までと、開始位置まで戻る逆の方向におけるマイクロステップ数に関連して、フォーサーが逆方向に移動するときにヒステリシスが実質的に消去されるように格納している請求項１８に記載のＸ−Ｙステージ。
【請求項２０】
前記対象物の、Ｘ方向およびＹ方向で定義される平面に実質的に直交しているＺ方向の移動を制御するように構成されたアクチュエータを更に備える請求項１８に記載のＸ−Ｙステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対するクロス・リファレンス
本出願は、２００４年１２月１日出願された、米国暫定出願第６０／６３２，５７６（弁護士内容摘要書第００２５５８−０７２２００ＵＳ号）の恩典を主張するものであり、その開示内容は、その全体を参考文献としてここに組み込まれている。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
本発明は、一般的にはリニアステッパモーターに関し、より特別には、リニアステッパモーターを使用して対象物を正確に位置決めするためのシステムと方法に関する。
【０００３】
リニアステッパモーターは典型的に、例えば図１に示されるように、プラテン１０とフォーサー２０を含む。プラテン１０は固定され、モーターの受動型部分であり、その長さがモーターの移動距離を決める。プラテン１０は、典型的には、その長さに沿って等間隔の多数の歯１２を有しており、それが永久磁石でないことを除いて、従来のロータリステッパモーターにおけるローターに類似している。フォーサー２０は、典型的に４つの極片２２を含み、それぞれの極片は、３つ以上の歯２４を有する。各歯２４のピッチはプラテン１０の歯１２に関して交互に配置されている。フォーサー２０は、機械式ローラーベアリングまたはエアベアリングを使用して、その両者が物理的お互い接触しないように、空気の隙間上でプラテン上を移動する。フォーサーにおける磁場は、そのコイル（例えば、コイルＡとＢ）中に電流を流すことで変えられる。この動作により、歯２４の次のセットはプラテン上の歯１２と揃い、フォーサーは、段階的にプラテン上を歯から歯へ移動する。電流パターンが反転すると、フォーサーはその移動方向を反転する。リニアステッパモーターコントローラは、コイルに加えられる通電パターン（切替えサイクル）を、モーターが、制御可能な方法で段階的に移動するように制御する。完全な切替えサイクルは、４つの全ステップを含み、フォーサー２０を、プラテン１０上で１歯ピッチの距離だけ移動する。マイクロステッピングモードでは、フォーサーは、例えば、各加えられた電流ステップを複数の電流ステップに分割することにより、全ステップの一部だけ移動するように制御できる。例えば、複数の電流ステップは、全正電流、ゼロ電流、および全負電流の間で加えることができる。リニアモーターの典型的な分解能は、１インチ当り１００全ステップのオーダーである。マイクロステッピングモードにおいては、分解能は大幅に増加する。
【０００４】
リニアステッパモーターは、例えば、周期的な位置決め誤差や、熱膨張誤差、アクチュエータの直線性、および，モーター製造における不完全性の存在により、その運動の精度および滑らかさに関して制限される。従って、特に対象物がフォーサーの中心からある距離離れて位置しているときは、モーターにより移動される対象物の所望位置と実際位置の間に誤差が生じることがある。また、モーターの移動部分（例えば、フォーサー２０）に取り付けられた対象物の所望方向と実際方向の間に誤差が生じることもある。これは図２に示されている。
【０００５】
フォーサーの位置決めは（図２の点Ｃ）は、プラテンの歯における周期的、熱的、およびランダムな誤差により影響を受ける。しかし、運動の理想直線（Ｘ）から中心を外れた対象物Ｐの位置は、点Ｃにおける位置決め誤差だけでなく、プラテンの不完全な直線性にほとんど起因する方向誤差（φ）によっても影響を受ける。軸Ｘに平行な軸Ｘ’に沿う対象物Ｐの位置決め誤差は、Ｅ＝Ｅx＋ｒｓｉｎ（φ）と記述でき、ここにおいて、Ｅxは、点Ｃにおける位置決め誤差であり、ｒは点Ｃと点Ｐの間の距離であり、φは方向誤差である。明白なことであるが、位置決め誤差Ｅは、対象物Ｐの高精度の位置決めには非常に重要である。従って、フォーサーの直線的位置誤差Ｅxだけでなく、全体の誤差Ｅも補正するシステムと方法を提供することは望ましい。
【０００６】
種々の機器および機械に使用されるマイクロアレイ装置、または高精度Ｘ−Ｙステージのようないくつかの適用に対しては、所与の仕様内で、正確かつ滑らかな運動を達成することは非常に望ましいことである。多くの適用において、その解決法は、ＤＣ、ＡＣ、またはステッパモーターにより回転されるリードスクリュー機構と、リードスクリューに沿って対象物をガイドするリニアガイドに基づいている。しかし、リードスクリュー機構の構築は、高速かつ高加速度な適用に対してはふさわしくない。そのような適用に対してはリニアモーターおよびリニア光学エンコーダに基づく機構が、従来のリードスクリュー機構に対して、変速装置（ギヤ）なし、非常に小さな摩擦（車輪が使用された場合）または無視できる摩擦（エアベアリングが使用された場合）、超高速（しばしば毎秒数メートルを超える）、超加速度（しばしば１Ｇを超える）、長さにおける柔軟性（プラテンは数メートル長にできる）などの優位性をもたらす。典型的に、リニアエンコーダまたは他のいくつかの測定装置は、フィードバック装置として使用される。しかし、典型的なブラシレスＤＣまたはＡＣリニアモーターと、リニア光学エンコーダは、手が出ないほど高価であり、この技術を「ハイエンド」適用として限定してしまう可能性もある。つまり、多くの研究室の機器と機械では、材料のコストという観点からこの技術を有する余裕はない。
【０００７】
ヒステリシスは、ほとんどの電気機械システムに存在する効果である。リニアステッパモーターではまた、２つの異なる方向から同じ所望位置へ移動するときに、達成される位置の間の差も生じる。アレイ形状の生体試料の印刷のような、いくつかの適用においては、所望位置へ向かう運動の方向に関係ない、高い位置決め精度を達成することが非常に重要であり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
マイクロステッピングモードにおけるリニアステッパモーターの制御は、マイクロステッピングステッパモータードライバを使用して行われる。これらのドライバは、マイクロステップ間が等間隔となるように較正されているが、異なるドライバが同じモーターに使用されていると、フォーサーに取り付けられた対象物の実際位置に差が生じてしまう。ドライバ特性の影響もまた、高い位置決め精度を所望する場合は、考慮すべき効果の１つである。
【０００９】
従って、相対的に利用し易いリニアステッパモーターを、位置測定装置なしで、高い位置決め精度を提供する高性能コントローラと組み合わせるシステムと方法を提供することが望ましい。更に、そのようなシステムと方法は、周期的誤差およびヒステリシスを補正する機能も含めて、改善された運動および位置決め精度機能をも提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明の概要
本発明は、補正表に基づく制御アルゴリズムを使用して、マイクロステッピングモードで作動するリニアステッパモーターに基づくリニアアクチュエータを使用して、対象物の正確な位置決めのためのシステムと方法を提供する。本方法は、対象物の方向の変化と、モータードライブの影響による誤差を含む、対象物の経路に沿う合計誤差の補正を含む。
【００１１】
本発明は、位置を測定する装置なしの、リニアステッパモーターを含む位置決め装置を提供する。１つの形態において、位置誤差Ｅとヒステリシスは、前進および後退方向における中心を外れた対象物の実際の位置決めにおける誤差を追尾する誤差補正表を使用することにより最小化される。リニア光学エンコーダ（または他のいくつかの測定装置）を較正目的で使用することもできるが、ユニットが較正された後は、測定装置はユニットから除去される。
【００１２】
本発明は、プラテンをある程度変形（屈曲）する可能性があるアクチュエータへの搭載を含めて、種々の効果に起因する非直線性を優位的に補正する。１つの形態においては、搭載状態の較正機構が提供されて、アクチュエータが機器または機械サポートプレート（例えば、マイクロアレイヤーにおけるベースプレート）上に搭載された後に、自動的に補正表が得られる。
【００１３】
本発明はまた、位置フィードバック装置を必要とすることなく、優位的に位置決め誤差を大幅に（例えば、最高１０倍以上）削減する。更に、移動される対象物の運動は、大きな繰返し誤差がないために平滑化（均一化）される。この均一かつ滑らかな運動は、いくつかの適用（例えば、分子生物の適用における、スライド上の特徴の走査）においては、更に重要であり、一方、位置決め精度は、他のいくつかの適用（例えば、マイクロアレイヤーにおける精度Ｘ−Ｙステージ）においては更に重要である。
【００１４】
本発明の形態は、高精度の領域が、Ｘ−Ｙ平面において四角形として定義される場合は、Ｘ−Ｙステージに適用可能である。本発明はまた、リニアステッパモーターであるＸおよびＹアクチュエータと、エンドエフェクタ（例えば、マイクロアレイヤーのプリントヘッド）の垂直位置決めに使用されるＺアクチュエータを含む、Ｘ−Ｙ−Ｚアセンブリの正確な位置決めおよび滑らかな運動にも有効である。高速および高加速度は、Ｘ−Ｙ平面における全体運動において達成され、一方、Ｚアクチュエータは適用に依存し、例えば、コイルアクチュエータ（小さなペイロードに対して）、ボールスクリューステッパモーターアセンブリ（高ペイロードに対して）、などを含む、種々の方法で構築できる。本発明によるＸ−Ｙ−Ｚアセンブリの１つの適用は、高精度（数ミクロン）、高速（毎秒数メートル）、高加速度（例えば、１Ｇ以上）、および低コスト（システムにおいて位置測定装置が不要）である、マイクロアレイヤーである。
【００１５】
本発明はまた、製造工程において、ホームセンサ位置の物理的調整を不要にし、一方、常に、同じ単一コイル内全電流位置へ向かう一貫性のある自動追尾を達成している。
【００１６】
本発明はまた、自動追尾中の突発的運動を削除する自動追尾の方法もまた提供し、それにより、正確な位置決めには非常に重要な、高度に繰返し可能な自動追尾がもたらされる。
【００１７】
本発明の１の形態によれば、プラテンと、プラテンに沿って直線的にマイクロステップで移動可能なフォーサーを有するリニアステッパモーターの較正に使用される補正表を自動的に生成するための方法が提供される。本方法は典型的に、開始位置において開始することと、１つ以上のマイクロステップの第１間隔だけ、第１直線方向に沿ってフォーサーを移動することと、位置測定装置を使用して、第１方向に沿って、フォーサーに取り付けられた対象物の実際位置を決定することと、開始位置から移動された総マイクロステップ数に関連して、メモリに対象物の実際位置を記録することを含む。本方法はまた典型的に、これらのステップを、終了位置に到達するまで複数回繰り返すことも含む。開始および終了位置は、プラテンに沿うフォーサーの運動の可能な範囲のすべてまたは一部を定義することができる。
【００１８】
本発明の別の形態によれば、プラテンと、プラテンに沿って直線的に移動し、対象物が取り付けられるフォーサーを有する、位置フィードバック装置を使用することのない、マイクロステッピングモードで作動するリニアステッパモーターを使用して高精度で対象物の位置決めをする方法が提供される。本方法は典型的に、フォーサーを所望位置へ移動する指令を受信することと、フォーサーの現在位置に基づいて、プラテンに沿って前進または後退方向の運動が必要かを決定することと、フォーサーを現在位置から所望位置へ移動するために必要な第１マイクロステップ数を、フォーサーのホームポジションからのマイクロステップ数に関連して、対象物の実際位置を示す複数の値を格納する補正表を使用して決定することを含む。本方法はまた典型的に、フォーサーを第１マイクロステップ数だけ、所望位置へ、前進または後退方向に移動することを含む。
【００１９】
本発明の更に別の形態によれば、プラテンと、フォーサーをプラテンに沿ってマイクロステップで直線的に移動するための２つのコイルを有するフォーサーを含み、マイクロステッピングモードで作動するステッパモーターを正確に自動追尾する方法が提供される。本方法は典型的に、ホーミングセンサをプラテンに取り付けることと、ホーミングセンサ起動位置と、コイルの第１コイルに対する最近接コイル内全電流位置との間のマイクロステップ数を決定することと、ホーミングセンサ起動位置から最近接コイル内全電流位置までの運動方向を決定することと、マイクロステップ数と方向をメモリに格納することを含む。
【００２０】
本発明の更なる形態によれば、プラテンと、プラテンに沿って直線的に移動できるフォーサーと、フォーサーの運動をマイクロステップで制御するコントローラを典型的に含むリニアステッパモーターが提供される。モーターはまた典型的に、フォーサーの開始位置からのマイクロステップ数に関連して、プラテンに沿う、フォーサーに取り付けられた対象物の実際位置を示す値を含む、メモリに格納された補正表を含む。作動中は、対象物を所望位置に移動する信号に応答して、コントローラは、所望位置へフォーサーを移動するために必要な第１マイクロステップ数を補正表から決定し、コントローラは、位置フィードバック装置を使用せずに、フォーサーを所望位置まで第１マイクロステップ数だけ移動するように制御する。
【００２１】
本発明の更なる形態によれば、Ｘ方向において対象物の動きを制御するように構成された第１リニアステッパモーターと、Ｙ方向において対象物の動きを制御するように構成された第２リニアステッパモーターを典型的に含むＸ−Ｙステージが提供される。各リニアステッパモーターは、マイクロステップでプラテンに沿って移動できるフォーサーと、それぞれが、各フォーサーの開始位置からのマイクロステップ数に関連して、対象物の実際位置を示す値を含む、メモリに格納された補正表を有し、各フォーサーは、フィードバック装置なしで、補正表を使用して、正確な位置へ移動するように作動する。別の形態においては、ステージは、ＸおよびＹ方向の両者に実質的に直交するＺ方向において、対象物の動きを制御するためのアクチュエータを含む。
【００２２】
図面および請求項を含む、本明細書の残りの部分を参照すると、本発明の他の特徴と優位点が理解される。本発明の種々の実施の形態の構造と操作と共に、本発明の更なる特徴と優位点を、添付された図面に関して下記に詳細に説明する。図面では、類似参照番号は、同一または機能的に類似する構成要素を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
発明の詳細な説明
１つの実施の形態によれば、図１に示されるように、リニアステッパモーターは、移動フォーサー２０と、固定プラテン１０を含む。フォーサー２０は、歯２４を有するスチールコア内に挿入された２つのコイル（ＡとＢ）と、アルミニウムのハウジングにカプセル化された永久磁石を含む。フォーサー２０は、エアベアリングまたは車輪上を、図２における軸Ｘに直交する、光化学的にエッチングされた、歯１２を有するスチールバー（図１に断面図としても示されている）のような、プラテン１０に沿って移動する。フォーサー２０は、プラテン１０の歯１２に面している歯２４の４セットを有している（例えば、４０ミクロンの間隔で）。これら歯の４セットの間の間隔は、プラテンの歯のピッチの倍数ではなく、歯の１セットのみがプラテンの歯に面するように、オフセットされている。他のセットは、ピッチの１／４、１／２、および３／４だけオフセットされている。第１コイル（Ａ）に電流を加えることで、第１セットの歯はプラテンの歯と整列する。Ａにおける電流がゼロで、コイルＢに電流が加えられる場合は、第３セットの歯がプラテンの歯と整列する。これは、歯のピッチの１／４というステップの小さな運動という結果になる。Ｂにおける電流がゼロに減少したときは、全電流がコイルＡ中に加えられるが、反対方向であり、第２セットの歯は、プラテンの歯と整列し、それにより、フォーサーは同じ方向に更に１ステップ進めることになる。最終的に、コイルＡ中の電流をゼロに減少しながら、全負電流をコイルＢに加えることにより、第４セットの歯がプラテンの歯に整列し、それにより、運動が更に１ステップ進むことになる。従って、リニアステッパモーターは、あるシーケンスでコイルが通電されるときに、１ステップずつ移動することになる。これは、運動が直線的で回転的ではないことを除いて、従来のロータリステッパモーターに類似している。ステッパモーターコントローラ（図示せず）は、所望のシーケンスでコイルを通電するための制御信号を提供する。ある形態においては、ここで説明されるように、コントローラは補正表のデータと他のデータを格納するためのメモリ（例えば、ＲＯＭ）を含む。
【００２４】
１つの形態においては、歯のピッチは約１ｍｍなので、１ステップはピッチの１／４、つまり約２５０μｍである。より小さなステップは、ＡとＢにおける電流が全正電流、ゼロ電流、および全負電流よりも小さなステップで変えられるマイクロステッピングを適用することにより達成される。ＡとＢ電流により構成される電流ベクトルは、等角度マイクロステップ（例えば、全ステップ当り２５６マイクロステップ）で変えられる。これにより、マイクロステップ当り約１μｍの直線的増分のマイクロステッピングが可能になる。１ｍｍの歯ピッチ（そして、１μｍマイクロステップ）は例であり、本発明は、この例よりも小さくても大きくても、任意の寸法の歯ピッチを含むアクチュエータに適用可能であることは理解されよう。
【００２５】
周期的誤差
実際の直線的マイクロステップの増分のそれぞれは、電磁気的現象、歯の形状、使用される材料、隙間の間隔、プラテンとフォーサーの温度、車輪における摩擦（エアベアリングが使用されていない場合）などにより影響される。実際の増分と理想的増分の間の誤差は、マイクロステップはわずか１μｍであるが、約５０μｍ（またはそれ以上）に達することもある位置誤差を意味する。誤差はプラテン上の位置に依存する。それは、繰返し性成分（歯ピッチにより決まる周波数で繰り返される「周期的誤差」と称される）と、移動平均成分（プラテンの長さに沿って変わる）を有している。周期的誤差は、しばしばすべての歯ピッチに沿って等しいと仮定される。実際は、それは変わることもあり、歯により異なることもある。
【００２６】
図４は、リニアステッパモーター（Ｂａｌｄｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ−単一軸５１ｂフォーサーＬＭＳＳ１３０２−ＷＷ０とプラテンＬＴＳ１３ＷＢ）に対する周期的誤差の例を示している。この示されている例において、モーターは１，０１６μｍ（４全ステップ、それぞれは２５４μｍ）のピッチを有し、それは全ステップ当り２５６マイクロステップ（１マイクロステップは０.９９２１８７５μｍに相当する）で制御された。従って、周期的誤差は、４×２５６マイクロステップ＝１，０２４マイクロステップで繰り返される。図４において、Ｘ軸は、マイクロステップで指令された位置を示し、Ｙ軸は、ミクロン（μｍ）で理想位置と、リニア光学エンコーダにより測定された実際の位置の間の差を示している。この例において、周期的誤差は約［−３５，１０］μｍの範囲である。一方、このアクチュエータは、より良好な繰返し性を有している。このアクチュエータの繰返し性は、±５μｍの範囲にあることが示された。図５は、前進方向（マイクロステップの小さな位置から大きな位置へ向かう方向）に移動するアクチュエータのストロークに沿う１，５００地点で測定された同じアクチュエータに対して達成された位置の範囲を示している。実際位置は、マイクロステップで同じ位置への１００回繰り返された移動において収集され、達成された位置の範囲は、ストロークに沿う各点に対して計算された。固有のモーター特性による誤差の範囲は、最大９μｍ、つまり、その繰返し性は、アクチュエータのストロークに沿うすべての測定点において±５μｍよりも良好であることが分かる。
【００２７】
図６ａは、周期的誤差と繰返し性による誤差の間の相互関係を示している。４回の試行において得られた実際の位置は、最大±５μｍに対する平均位置の周りにばらつくが、平均（周期的）誤差は、［−３５，＋１０］μｍの範囲でばらつく可能性がある。
【００２８】
方向誤差の影響
リニアステッパモーターにより位置決めされる中心を外れた対象物、つまり、フォーサーの中心からある距離ｒだけ離れて位置する対象物に対して、合計誤差は、図２に示されるように、対象物の方向誤差の結果である直線的位置誤差を含む。軸Ｘに平行な軸Ｘ’に沿う対象物Ｐの位置決め誤差は、Ｅ＝Ｅx＋ｒｓｉｎ（φ）で表わすことができ、ここで、Ｅxは点Ｃにおける位置決め誤差であり、ｒは点ＣとＰの間の距離であり、φは方向誤差である。明白なことであるが、位置決め誤差Ｅは、対象物Ｐの高精度の位置決めを達成するには非常に重要である。ゆっくり変化する対象物の方向誤差は、ほとんどプラテンの不完全な直線性に起因する（対象物がフォーサーに適切に固定されている場合）。図６は、プラテンの中心から３０ｃｍの距離に位置するリモートリニア光学エンコーダにより測定された位置と、プラテンの中心から１５ｃｍの距離に位置する「中間」エンコーダにより測定された位置の間の差を示している（フィルタ処理信号）。対象物／フォーサーの方向が変化するにつれ、１５ｃｍ離れて測定された位置誤差における差が、約３−４マイクロステップの範囲で振動するのが分かる。
【００２９】
従って、合計誤差、そして特に周期的誤差が補正される方策は非常に有効である。本発明による補正表の方法は、合計誤差を補正するために有効である。更に、それは対象物の経路（例えば、図２におけるＸ’）に沿う合計誤差を補正するために有効である。本発明は更に、Ｘ−Ｙステージに適用可能である。この状況は図３ａに図示されている。図３ａに示されているＸ−Ｙステージの較正は、光学エンコーダＥＮＣxとＥＮＣyにより行われ、この光学エンコーダは、対応するアクチュエータＸとＹに平行な軸Ｘ’とＹ’に沿って設置されており、一方、領域Ｒの中間点を横切り、アクチュエータからある距離にある。従って、起伏（プラテンＸとプラテンＹの直線性）の影響は最小化される。
【００３０】
図３ｂは、プラテンからある距離に位置する対象物（ペイロード）を搬送するリニアステッパモーターに対する較正機構を示している。関心対象の領域は、長方形領域として示されており、リニアスケールは、この領域の中央に位置している。１つの形態においては、光学エンコーダセンサ（ヘッド）は、フォーサーに取り付けられるブラケットに取り付けられる。このブラケットは、受動型であり、その目的はセンサを搬送することで、センサが、光学エンコーダの製造者により高精度に定義された距離にあるリニアスケールの上方に位置する。この較正機構は、アクチュエータが除去されて機械に統合される前に、較正表を生成する段階で有利に利用される。別の形態では、図３ｂは同様に、ＸおよびＹアクチュエータがリニアステッパモーターで、Ｘアクチュエータが上述したように較正されているＸ−Ｙステージ装置を示す。この形態では、ステージ装置は、常設として取り付けられた光学エンコーダを有していない。しかし、搭載状態での較正を、取外し可能光学エンコーダ（または他の測定装置）をユニットに取り付けることにより行うこともできる。この形態においては、リニアエンコーダは、システムに取付け可能で、システムから取外し可能なヘッド（センサ）とリニアスケールを含む。この光学エンコーダは、Ｘ軸を「搭載状態で」較正（補正表を得たり、精度を調べたりなど）するために使用できる。これは、アクチュエータまたはドライバが置換されて、ユニットを（再）較正しなければならない場合に典型的に行われる。Ｙ軸アクチュエータも、例えば、第２取外し可能エンコーダを使用して、またはＸ軸を較正するのに使用されたエンコーダを再位置決めして、それをＹ軸モーターを較正するのに使用できるようにすることで同様に較正できる。
【００３１】
図１８は、本発明の較正、自動追尾、および正確な位置決め方法が特に有効な、マイクロアレイヤー（例えば、Ｘ−Ｙ−Ｚプラットフォーム）を示している。示されているように、アレイヤーは、リニアステッパモーターに基づき（ここで説明されているように）、光学エンコーダ（上述したように、取外し可能な、「搭載状態」の光学エンコーダを再較正に使用できるが）と共に作動されないＸおよびＹ軸を含む。示されているように、Ｙアクチュエータのフォーサーに取り付けられているＺアセンブリは、ブラケットと、リードスクリュー機構付きロータリステッパモーターと、精度リニアガイドと、プリントヘッドを含む。このステッパモーターは、ハウジングによりその周りを回転することを阻止されているリードスクリューを作動するナット（モーターハウジング内に位置しており、図示されていない）を回転する。従って、リードスクリューは、垂直方向においてのみ移動する。プリントヘッドは、リニアガイドの移動ブロックに堅く取り付けられており、それはまた、リードスクリューの底部に弾性的に取り付けられている。従って、プリントヘッドは、リードスクリューに基づく伝達を介して、ステッパモーターにより作動されて、垂直方向（リニアガイドの精度により決定される）において移動する。これは、Ｚ軸アセンブリ構築の１つの例に過ぎない。明白なことであるが、Ｚ軸アセンブは、この技術に精通した者には明らかであるように、種々の他の方法および他の手段（音声コイル；ＤＣモーターなど）により構築できる。１つの形態において、プリントヘッドは、対応する穴に浮遊しているピン（図示せず）が数多く備えられている。ピンは、Ｚ軸が下方に移動して、対象物に接触するときに飛び出してくる。マイクロウェル（Ｍｉｃｒｏ−Ｗｅｌｌ）プレートは交換可能で、異なる液体試料（生体、化学など）を含むことができる。ピンはウェルに入り込み、毛細管または他の試料抽出手段を使用して試料を取り出す。１つの形態においては、（抽出された）試料は、Ｚを上に移動し、ＸおよびＹフォーサーを移動して、ピンが吸い取りスライドの上面に到達するようにすることで転送される。吸い取りスライドを軽くたたくことにより、余分の液体をピンから除去できる。そして、ヘッドはスライドの上方でＸ−Ｙ−Ｚアクチュエータにより再位置決めされる。スライド上に試料を置くことは、スライドを所望パターンに従って接触することにより達成される。スライド上で印刷した後、ピンは洗浄領域に転送され、そこでピンは、ある洗浄溶液を含む真空ステーション、フロースルー洗浄ステーション、および受動型洗浄ステーションを使用して洗浄される。ピンを洗浄して乾燥した後、全プロセスは、ピンヘッドがマイクロウェルプレートにおける試料の次のセット（ウェル）に入り込むことにより繰り返すことができる。
【００３２】
１つの形態においては、アレイヤーは、コーティングされたガラススライド上のアレイ、または、例えば９６ウェル、３８４ウェル、および１５３６ウェルプレートのような標準マイクロ滴定プレートからのメンブレンを印刷するようにしてある、小さな、経済的なデスクトップ機器である。試料は単一または二本鎖ＤＮＡ、たん白質、または他の材料を含むことができる。上述したように、印刷は、試料を引き付け、試料を転送し、それを表面上に蒸着させることを可能にする毛細管効果に基づくことができる。試料キャリヤは、この形態においては、羽ペン（スロット付き）または固体ペン（固体円柱形の先端付き）であってよい、丸い先端のピンを含む。ピンは好ましくは、プリントヘッド内でマトリックス状に配置される。印刷工程は、ピンをマイクロウェルプレートに浸し、吸い取りスライド上で２、３回たたき、スライド上で印刷し、ピンを洗浄／乾燥することで開始する。その後、ピンはプレート内の別のウェルのセットに浸され、吸い取りスライド上のわずかに異なる位置で２、３回たたき、すべてのスライド上で印刷し、わずかに異なる位置を軽くたたき、そして最終的に洗浄、乾燥される。この工程は、すべての試料が現在のマイクロウェルから印刷されるまで繰り返される。その後、ユーザーはプレートを交換して印刷工程を続けることができる。スライド基板上のスポットパターンは交錯させることができる。スポット間の距離は２００ミクロンと小さくすることができる。明白なことであるが、ＸおよびＹアクチュエータの精度と速度は、高品質の印刷を達成するためには非常に重要である。
【００３３】
ヒステリシス
ヒステリシスは、ほとんどの電気機械システムに存在するよく知られた効果である。モーターが、正方向に移動しているときに停止する平均位置は、後退または逆方向に移動しているときに停止する位置とは一致しないことがある。前進方向に移動しているときと、同じ位置に、マイクロステップで後退方向に移動しているときの平均の実際の位置の差は、その位置に対するヒステリシスと定義される。図７は、５回の走行で得られた、アクチュエータのストロークに沿って１０マイクロステップ離れた５００点において測定された、リニアステッパモーターに対する平均ヒステリシスを示している。これから、リニアステッパモーターのヒステリシスもまたゆらぎを有することが分かる。この研究で使用されたアクチュエータ（図４のアクチュエータと同じ）とドライバに対しては、ヒステリシスはストロークに沿う、異なる点に対して１μｍと１５μｍの間でばらついた。従って、異なる方向から同じ位置に移動するときに、高い位置決め精度を達成するために、ヒステリシスの効果を削除することは利点がある。
【００３４】
補正表作成
本発明の１つの形態によれば、対象物経路に沿う合計誤差は、アクチュエータの中心からある距離だけ離れ、高い位置決め精度が要求される領域に近接して位置する光学非接触リニアエンコーダを使用して、対象物経路に沿ってアクチュエータを較正することにより補正される。光学エンコーダの代わりに、レーザー干渉計または、距離を測定する任意の類似機器を使用することができる。補正表は、あるマイクロステップ数（例えば、１６マイクロステップ）だけ前進するように指令されたときに、対象物により達成される実際位置を記録することにより作成される。表は、プラテンに沿うすべての点に対して記録される。補正表は、好ましくは、プラテンに沿う運動の前進および後退方向の両者に対して作成される。表は、コントローラの不揮発性メモリ（ＲＯＭ）や、装置を制御するホストコンピュータのハードディスク上などのメモリ装置に格納される。補正表作成アルゴリズムの改善した形態においては、表のデータは収集され、複数回、Ｎ回（例えば、５回またはそれ以上）、全プラテン長にわたり記録され、これらのＮ回の実験について、マイクロステップの平均数が記録され、格納される。この方策により、表中のデータの品質に対するアクチュエータの繰返し性の影響が最小化される。対象物の実際位置の測定は、実際の対象物経路に沿って、あるいは、高精度が要求される領域（アクチュエータの軸からある距離だけ離れている）において行われるため、補正表は、対象物の方向誤差と、モータードライブの影響を含む、誤差のすべてのソースを含む。アクチュエータ用の補正表のデータを収集して、それを作成する工程は、アクチュエータ較正とも称される。
【００３５】
図１０は、１つの実施の形態による、メモリに格納されている補正表を視覚化したものを示している。図１０の表は、ｎsマイクロステップの増分での指令された位置に対する前進および後退方向の運動に対して収集された位置の平均を示している。例えば、ｎsは、所望する任意の制御可能な値（例えば、２または１０または１２または１６またはそれ以上）であってよい。ｎsに対して、より大きな値を選択することは、表を作成するために必要な時間を削減することになる。表において、ｙf（ｋ）、ｋ＝０，１，２，...はモーターが前進方向において、マイクロステップでｋｎs位置へ移動するように指令されたときの平均実際位置を示しており、一方、ｙb（ｋ）、ｋ＝０，１，２，...は、モーターが、ｋｎs位置へマイクロステップで、後退方向に移動するように指令されたときの平均実際位置を示している。
【００３６】
補正表の粒度
データは、線形内挿の良好な精度を達成するために、好ましくは、アクチュエータの全ストロークに沿う、相対的に多数の点に対して収集されるので、補正データを収集する工程は相対的に長い工程であり得る。平均の実際位置がμｍで測定される点（マイクロステップの位置）の数が大きい場合は、線形内挿が良好であるが、表を収集するための時間は長くなることもある。一方、所与のストロークに対する表内の行数が少なければ、表は、より短い時間で得られるが、内挿の精度はそれほど良好ではない。このため、平均の実際位置がμｍで測定される点（マイクロステップの位置）の数を最適化すること、つまり、補正表の行数を最適化することは望ましい。
【００３７】
１つの形態において、補正表における行数の最適化は、好ましくは、線形内挿による誤差が±１マイクロステップを超えないように行われる。図４のアクチュエータの例において、例えば、１６マイクロステップごとに、つまり、各全ステップ内で１６回、平均実際位置を収集すれば十分である。
【００３８】
モーターの繰返し性の影響
固有のモーター特性により、モーターは、ある位置へ数回行くように指令された場合は、異なる実際位置へ到達することがある。誤差の範囲は、モーターの繰返し性を定義する。補正表の高い品質を得るためには、十分な数の試行から得られた実際位置の平均値を取ることが望ましい。従って、１つの形態においては、アクチュエータのストロークに沿う各点に対して、実際位置を収集する工程は何回も繰り返される。回数は、経験的に決定される。平均位置の値を得るために必要な走査数を最適化することも望ましいが、これは、この数もまたアクチュエータを較正するために必要な回数にも影響するからである。例えば、図４に使用されたアクチュエータに対しては、平均実際位置を得るためには、アクチュエータのストロークに沿って６回走査を行えば十分である（つまり、走査数が増えても、平均位置は、±１マイクロステップ以上は変化しない）。
【００３９】
静摩擦の影響
実際位置を測定する前の、ある位置への移動は、アクチュエータに存在する可能性がある静摩擦の影響を削除するのに十分なほど長くあるべきである。短すぎる移動は、補正表を収集する工程においては推奨されない。図４において使用されているアクチュエータに対して、表は各１６マイクロステップに対して収集されるが、例えば、２００マイクロステップの移動が使用された。
【００４０】
整定時間の影響
ある位置に到達し、エンコーダで実際位置を測定する前に、モーターは信頼できるデータを得るために、十分な整定時間が与えられなければならない。整定時間は、アクチュエータにより変わり、経験的に決定されるべきである。補正表を収集する工程において、移動を終了したときの待ち時間は、アクチュエータの整定時間よりもいくらか長くあるべきである。一方、あまりにも長すぎる待ち時間は、補正表を収集するために必要な時間を不要に増大する可能性もある。図４で使用されるアクチュエータに対しては、整定時間が１５０ｍｓだったので、待ち時間は１６０ｍｓに設定された。
【００４１】
モータードライバの影響
ステッパモータードライバの特性は、ステッパモーターの位置決めと、そのヒステリシスの大きさに重大な影響を及ぼすこともある。図１７は、図４で使用された同じステッパモーターに対する周期的誤差の差を示しているが、同じ型（Ｔｅｓｔｒａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ  ＭｉｃｒｏｓｔｅｐｉｎｇドライバＳＳ４８３−Ｒ）のドライバ装置３台を使用した。この例において、合計位置は、ドライバが同じアクチュエータと交換されたときは、最大４μｍ（または、ほぼマイクロステップ）変化したことが分かる。アクチュエータ較正の工程に対するドライバの影響を削除するためには、ステッパモーターがそのドライバと、ホームセンサと共に較正されることが好ましい。ドライバを交換しなければならないときは、アクチュエータは再較正しなければならない。
【００４２】
高精度自動追尾工程
いかなるステッパモーターに対しても、全ステップのレベルにおいて位置決め精度を達成するためには、一貫した自動追尾工程が重要であるが、これは、普通はモーターが使用されているときは実際のモーター位置についてのフィードバックは存在しないからである。マイクロステップのオーダーの位置決め精度を達成しようとするときは、自動追尾工程は、例えば±１マイクロステップのように、極度の信頼性と一貫性がなければならない。本発明の補正アルゴリズムの優位性を十分に利用するためには、自動追尾後の実際のアクチュエータ位置は、補正データを収集する前と、後でそれが対象物の位置決めの工程で使用されているときとで、ほとんど同一でなければならない。自動追捕に一貫性がないと、表における位置にずれが存在し、周期的誤差に対する補正が不十分なものになってしまう可能性がある。
【００４３】
１つの形態においては、一貫性があり、信頼性のある自動追尾は、精度の良いホーミングセンサを選択し、センサを直接アクチュエータに取り付けることにより、センサが取り外され、または機械に再登載されても、それがアクチュエータと共に移動するようにし、自動追尾中の突発的運動を削除する自動追尾の方策を実践することにより達成される。ホームセンサがモーターに関して移動された場合は、アクチュエータ較正の工程は繰り返さなければならない。
【００４４】
１つの実施の形態によれば、自動追尾工程は、製造中のホーミングセンサ位置の物理的な調整が不要で、自動追尾中にフォーサーの大きなジャンプがなく（モータードライブのリセット時）、同じ位置への自動追尾が信頼性を有して行われるようにアクチュエータを追尾するために提供される。ドライバをリセットしたときの大きなジャンプは、それがコイル内全電流のみを加えるときに一貫性のないアクチュエータの位置の原因、つまり、一貫性のない自動追尾工程の原因となってしまうので不都合である。例えば、図８ａに示されるような従来の自動追尾工程は、一貫性のない自動追尾という結果になることもある。従来の自動追尾工程の間、フォーサーはマイクロステッピングジョグモードで、ホーミングセンサからの信号が変わらないまで、軸の負方向にゆっくりと移動している。このとき、運動は停止し、モーターのドライバはリセットされ、これは、モーターのコイルＡに全電流を導入することと等価である。このとき、フォーサーは、その現在の位置から、最近接コイルＡ内全電流位置に対応する位置までジャンプする。センサが起動された位置が、例えば、図８ｂに示されるような、２個所のコイルＡ内全電流位置の間の中間に近いときは、フォーサーが、最近接コイルＡ内全電流位置（４全ステップだけ離れている）のいずれかにジャンプすることも起こり得る（センサは常に正確に同じ位置において起動されるわけではない）。これは、非常に大きな位置誤差を伴う安全でない自動追尾という結果になる。普通、ホーミングセンサは、この不明確さを回避するために、コイルＡ内全電流位置のいずれかの近くに物理的に移動されなければならない。追加的に、フォーサーの大きなジャンプもあり得、これは、コイルＡ内全電流位置の周りの、不正確なフォーサー位置という結果になる。
【００４５】
本発明の１つの実施の形態による自動追尾工程を、ここで図９を参照して説明する。製造工程の間、ホームセンサ起動位置と、最近接コイルＡ内全電流位置の間の距離が決定され、例えば、そのアクチュエータ用の補正表のあるファイルなどに格納される。その後、自動追尾工程において、ドライバをリセットする前に、ホームセンサの起動時に追加的な移動がある（これにより、フォーサーはコイルＡ内全電流位置に近くなる）。ホーミングセンサが起動された位置が少し変化しても、フォーサーは常に同じコイルＡ内全電流位置の近くに運ばれ、そのため自動追尾には一貫性がある。
【００４６】
ホーミングセンサ起動位置と、最近接コイルＡ内全電流位置の間のマイクロステップでの距離（Ｎ＿ｄｉｓｔ）を決定するために、自動追尾工程の開始時に、１つの形態においては、１コイル位置を達成するためにドライバがリセットされ、位置をマイクロステップで測定するカウンタがリセットされる。次に、アクチュエータ（ホーミングセンサを有する）は、ホーミングセンサが起動されるまで後退方向にゆっくり移動され、マイクロステップでの位置（Ｎ＿ｈｏｍｅ）が得られる。この数字の除算の余りと、プラテンの歯ピッチ距離におけるマイクロステップ数ｎが計算される。
【００４７】
Ｎ＿ｄｉｓｔ＝Ｒｅｍａｉｎｄｅｒ（−Ｎ＿ｈｏｍｅ／ｎ）
（例えば、１つのモーターに対して、歯ピッチ距離においては４全ステップがあり、全ステップ当たり２５６マイクロステップあるので、２個所のコイルＡ内全電流位置間のｎは１０２４＝４×２５６マイクロステップである）。距離が範囲［０，ｎ／２］（例えば、［０，５１２］）にあるときは、アクチュエータは、ＨＯＭＥＰＯＳ＝Ｎ＿ｄｉｓｔだけ正方向（前進方向）に移動されなければならない。この距離がｎ／２（２個所のコイルＡ内全電流位置間の距離の半分）より大きいとき、つまり、範囲［ｎ／２，ｎ］（例えば、［５１２，１０２４］）においては、アクチュエータは、ＨＯＭＥＰＯＳ＝Ｎ＿ｄｉｓｔ−ｎだけ負方向（更に後退する方向）に移動されなければならない。
【００４８】
ＨＯＭＥＰＯＳ情報は、アクチュエータ補正データを有するファイルに格納できる。自動追尾は、ホーミングセンサが起動されたときに、モーターが指定された距離（ＨＯＭＥＰＯＳのステップ）だけ移動され、そしてドライバがリセットされるように行われる。これは、センサを移動することと等価である。このようにして、自動追尾中はフォーサーの視認されるジャンプは起こらず、製造工程において、センサの物理的調整は必要でない。
【００４９】
補正アルゴリズムを使用する精度の良い位置決め
補正表がいったん作成されると、それはアクチュエータコントローラが、高い位置決め精度を達成するために使用できる。μｍでの所与の所望アクチュエータ位置ｙdへの各移動に対して、現在のモーター位置ｙから、前進または後退方向の移動が要求されるのかがまず決定される。μｍでの所望位置ｙdを達成するためにモーターに指令されるアクチュエータ位置ｘdは、補正表における記入値間を内挿することにより計算される。１つの実施の形態においては、μｍでの所望位置ｙdを達成するために、モーターに指令される対応するアクチュエータ位置ｘdは、以下に説明されるように、線形内挿アルゴリズムを使用して計算される。前進方向の移動に対しては、μｍでの所望アクチュエータ位置ｙdが補正表のｋ行と（ｋ＋１）行の間にあるときは、つまり、
ｙf（ｋ）≦ｙd＜ｙf（ｋ＋１）                            （１）
ならば、モーターに指令される対応する所望モーター位置は、次のように計算される。
【００５０】
ｘd＝(ｙd−ｙf（ｋ）)／（ｙf（ｋ＋１）−ｙf（ｋ））×ｎs+ｋｎs      （２）
後退方向の移動に対しては、μｍでの所望アクチュエータ位置ｙdが
ｙb（ｋ）≦ｙd＜ｙb（ｋ＋１）                            （３）
のときは、マイクロステップでの対応する所望モーター位置は次のように計算される。
【００５１】
ｘd＝(ｙd−ｙb（ｋ）)／（ｙb（ｋ＋１）−ｙb（ｋ））×ｎs+ｋｎs      （４）
ｘdは、線形内挿の結果として得られたので、浮動小数点数であることは明確である。モーターに指令される、対応する整数のマイクロステップ数ｎを得るために、浮動小数点数は最も近い整数に四捨五入される。
【００５２】
ｎ＝［ｘd］                                                    （５）
この整数に対応するミクロンでの実際位置ｙaを得るために、対応する補正表の別の内挿が行われる。前進方向表が使用されたときは、ｙaは次のようになる。
【００５３】
ｙd＝(ｙf（ｋ＋１）−ｙf（ｋ）)（ｎ−ｋｎs）／ｎs+ｙf（ｋ）  （６）
ここで指数ｋは次の式を満足するように決定される。
【００５４】
ｋｎs≦ｎ＜（ｋ＋１）ｎs                                        （７）
後退方向表が使用されたときは、ｙaは次のようになる。
【００５５】
ｙa＝(ｙb（ｋ＋１）−ｙb（ｋ）)（ｎ−ｋｎs）／ｎs+ｙb（ｋ）  （８）
ｎがアクチュエータに指令されると、アクチュエータは平均して、所望位置ｙdに非常に近いｙa位置へ移動する（差があるとすれば、それは、ステッパモーターの離散的特性によるものである）。ｙaに向けての大きな数の移動に対して、実際位置は、アクチュエータの繰返し性の範囲においてのみｙaの周りでばらつく。周期的誤差または対象物の方向誤差に起因する位置誤差は存在せず、ヒステリシスは実質的に削除される。モーターがそのドライバと共に較正されれば、それは、後で実際の適用で使用されるが、モータードライブ内の差による追加的誤差がある。
【００５６】
周期的誤差に起因する理想的位置からの偏差は、理想的位置それ自身に比較して相対的に小さいので、補正表において、方程式（１）または（３）を満足する正しい指数ｋを探す高速工程は可能である。
【００５７】
補正前および補正時の位置決め精度の実験的比較
図４で使用された、同じリニアアクチュエータに対する、補正前と補正時の位置決め精度の比較は、図１１から図１６に示されている。図１１は、運動の前進方向に対するアクチュエータのストロークに沿う１，５５０点において測定された平均絶対位置誤差（対象物の方向変化による誤差を含む）と、各点における誤差の範囲（平均誤差を削除時）を示している。実際位置は、アクチュエータ軸から６５ｍｍの距離で測定された。図１１から分かるように、補正されていない運動は、±２５μｍ（または約±２５マイクロステップ）以上の範囲の誤差範囲を有していた。周期的誤差により、お互いに相対的に近い位置は、約±２５マイクロステップまたはそれ以上でばらつき、一方、アクチュエータの繰返し性は、わずか±５μｍ（マイクロステップ）ということがあり得る。
【００５８】
このアクチュエータに対する適切な補正表を作成し、補正アルゴリズム、例えば、方程式（１）−（８）に基づく制御信号を加えることで、誤差の範囲は大幅に改善される。図１２は、補正時の絶対位置誤差と、較正時の図１１で使用された同じアクチュエータに対する誤差の範囲（平均誤差を削除時）を示している。このアクチュエータの例においては、補正された運動は、補正されていないアクチュエータに対する±２５とは反対に、±５μｍ（またはほぼ同じマイクロステップ）未満の範囲の誤差範囲を示したことが分かる。周期的誤差を削除することにより、お互いに相対的に近い位置が、約±５マイクロステップまたはそれ以下でばらつくようになり、これは、アクチュエータの繰返し性それ自身の範囲である。
【００５９】
図１３と図１４に示されるように、類似の結果が後退方向の移動に対しても得られる。図１３は、補正アルゴリズムが適用されない場合の、運動の後退方向の位置誤差を示している。後退方向の移動の補正をすると、周期的誤差は再び削除され、図１４に示されるように、アクチュエータの繰返し性のレベルまで削減される。
【００６０】
図１５は、較正されていないアクチュエータに対する、アクチュエータのストロークに沿う１００地点において測定されたヒステリシスを示している。補正アルゴリズムが適用されないと、ヒステリシスは、３μｍと９μｍの間でばらつくことが分かる。このアクチュエータに対する適正な補正表を作成して、例えば、方程式（１）−（８）の補正アルゴリズムを適用すると、図１６に示されるように、ヒステリシスは大幅に改善される。平均ヒステリシスは、約−４μｍから０μｍ（またはほぼ同じ数のマイクロステップ）まで削減されたことが分かる。
【００６１】
本発明は、具体的な実施の形態による例で記載されてきたが、本発明は開示された実施の形態には制限されないことを理解されたい。反対に、この技術に精通した者には明白なように、上記に検討したものに加えて、種々の変形および類似の機構もカバーされる。従って、添付の請求項の範囲は、そのような変形および類似の機構すべてを包括するように、最大限の解釈がなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１は、プラテンとフォーサーを含むリニアステッパモーターの例を示している。
【図２】図２は、リニアステッパモーターを使用しての、対象物の動きの間に発生する誤差を示している。
【図３ａ】図３ａは、直交リニアステッパモーターを含むＸ−Ｙ位置決めステージを示している。
【図３ｂ】図３ｂは、１つの形態における、常設エンコーダを含む較正機構、または別の形態における取外し可能エンコーダを含むＸ−Ｙステージ装置を示している。
【図４】図４は、リニアステッパモーターの周期的誤差の例を示している。
【図５】図５は、前進方向（マイクロステップの小さな位置から大きな位置へ向かう方向）における動きを伴うアクチュエータのストロークに沿う１，５００地点で測定された、図４で使用されるアクチュエータに対して達成された位置の範囲を示している。
【図６ａ】図６ａは、周期的誤差と、繰返し性による誤差の間の相互関係を示している。複数の試行において得られる実際位置は、わずか最大±５μｍに対する平均位置の周りにばらつくが、平均（周期的）誤差は、［−３５，＋１０］μｍの範囲でばらつく。
【図６ｂ】図６ｂは、プラテンからの距離が異なる２つの地点で測定するときの、合計誤差に対するフォーサー方向の影響を示している。
【図７】図７は、５回の走行から得られた、アクチュエータのストロークに沿う、１０マイクロステップ離れた５００点において測定された、リニアステッパモーターに対するヒステリシスを示している。
【図８ａ】図８ａは、従来技術の自動追尾工程を示している。
【図８ｂ】図８ｂは、従来技術の自動追尾工程を示している。
【図９】図９は、本発明による、自動追尾工程の形態を示している。
【図１０】図１０は、１つの実施の形態による、メモリに格納された補正表を視覚化したものを示している。
【図１１】図１１は、較正されていないリニアステッパモーター上の前進方向の動きに対する絶対位置誤差と誤差の範囲を示している。
【図１２】図１２は、較正されているリニアステッパモーター上の前進方向の動きに対する絶対位置誤差と誤差の範囲を示している。
【図１３】図１３は、較正されていないリニアステッパモーター上の後退方向の動きに対する絶対位置誤差と誤差の範囲を示している。
【図１４】図１４は、較正されているリニアステッパモーター上の後退方向の動きに対する絶対位置誤差と誤差の範囲を示している。
【図１５】図１５は、補正前の、リニアステッパモーターに対するアクチュエータのストロークに沿うヒステリシスを示している。
【図１６】図１６は、較正されているリニアステッパモーターに対するアクチュエータのストロークに沿うヒステリシスを示している。
【図１７】図１７は、リニアステッパモーターの位置誤差に対する、モータードライブの影響を示している。
【図１８】図１８は、本発明の較正、自動追尾、および正確な位置決め方法が特に有効な、マイクロアレイヤー（例えば、Ｘ−Ｙ−Ｚプラットフォーム）の例を示している。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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