(57)【要約】【課題】回転機構の回転基本角周波数に対応した中心周波数のピークゲイン補償手段を、直動ステージの速度、または位置制御に挿入し、回転系の振動外乱を防ぐ。【解決手段】位置指令生成部１の位置指令信号１０にリニアエンコーダ８で検出の機械系９の位置フィードバック信号１１が追従するようモータ７制御を行う。位置指令信号１０と位置フィードバック信号１１の位置偏差信号１２で位置制御部２が速度指令信号１３を生成。位置制御部２の開ループゲインをピークゲイン補償部２０で高ゲインとし、機械系９直動ステージ上の回転機構の外乱を除去。位置フィードバック信号１１に基づき速度検出部４で生成の速度フィードバック信号１４が速度指令信号１３に追従するように、速度制御部３がモータ７へ電流指令信号１６を出力、モータ７の電流フィードバック信号１７が電流指令信号１６に追従するように、電流制御部５及びパワーアンプ６がモータ７電流を制御する。【選択図】図１
2005108162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、前記直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と前記検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記位置制御手段に接続し前記モータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、
前記位置制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数に複数の局所ゲインを並べたピークを持つピークゲイン補償手段を備え、前記ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくしたことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項２】
回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、前記直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と前記検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記位置制御手段に接続し前記モータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、
前記速度制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数に複数の局所ゲインを並べたピークを持つピークゲイン補償手段を備え、前記ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくしたことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項３】
回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、前記直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と前記検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記位置制御手段に接続し前記モータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、
前記位置制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つ局所ゲインの伝達関数を（数１）とするピークゲイン補償手段を備え、前記ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくしたことを特徴とするサーボ制御装置。
【数１】
2005108162.tif 000023
【請求項４】
回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、前記直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と前記検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記位置制御手段に接続し前記モータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、
前記速度制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つ局所ゲインの伝達関数を（数２）とするピークゲイン補償手段を備え、前記ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくしたことを特徴とするサーボ制御装置。
【数２】
2005108162.tif 000024
【請求項５】
前記ピークゲイン補償手段を、バンドパスフィルターで正帰還の帰還回路により構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
【請求項６】
前記ピークゲイン補償手段を、バンドパスフィルターで正帰還の帰還回路とからなる補償回路として、中心周波数が異なる前記バンドパスフィルターを有する前記補償回路の少なくとも１つ以上を組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
【請求項７】
前記ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素とノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とにより構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
【請求項８】
前記ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素とノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とからなる補償回路として、中心周波数が異なる前記ノッチフィルターを有する前記補償回路の少なくとも１つ以上を組み合わせて構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
【請求項９】
前記ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素と中心周波数が異なる少なくとも１つ以上のノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とから構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のサーボ制御装置。
【請求項１０】
回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、前記直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と前記検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記位置制御手段に接続し前記モータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、
前記回転機構の回転周波数を検出する手段と、前記位置制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つピークゲイン補償手段と、前記回転機構の回転周波数に応じて前記ピークゲイン補償手段の中心周波数を可変する手段とを備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項１１】
回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、前記直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と前記検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、前記位置制御手段に接続し前記モータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、
前記回転機構の回転周波数を検出する手段と、前記速度制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つピークゲイン補償手段と、前記回転機構の回転周波数に応じて前記ピークゲイン補償手段の中心周波数を可変する手段とを備えたことを特徴とするサーボ制御装置。
【請求項１２】
前記ピークゲイン補償手段を、中心周波数及びＱ値が可変のバンドパスフィルターで正帰還の帰還回路により構成したことを特徴とする請求項１０または１１記載のサーボ制御装置。
【請求項１３】
前記ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素と中心周波数及びＱ値が可変のノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とにより構成したことを特徴とする請求項１０または１１記載のサーボ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密加工を行う工作機械等のサーボ制御を行う装置であって、例えば、光ディスク原盤の精密加工を行う装置に用いるサーボ制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のサーボ制御装置は、図１９に示したブロック図のように構成されている。図１９において、１は位置指令生成部、２は位置制御部、３は速度制御部、４は後述するリニアエンコーダから出力する位置フィードバック信号を微分して速度を算出する速度検出部、５は電流制御部、６は例えば電力増幅回路等からなるパワーアンプ、７は後述する機械系を駆動するモータ、８は機械系の位置を検出するリニアエンコーダ、９は直動ステージ上に回転機構を有する機械系である。
【０００３】
また、１０は位置指令生成部１から出力される位置指令信号、１１はリニアエンコーダ８から出力される機械系の位置を示す位置フィードバック信号、１２は位置指令信号１０と位置フィードバック信号１１との差分である位置偏差信号、１３は位置制御部２から出力される速度指令信号、１４は速度検出部４から出力される速度フィードバック信号、１５は速度指令信号１３と速度フィードバック信号１４との差分である速度偏差信号、１６は速度制御部３から出力される電流指令信号、１７はモータ７に流れる電流を示す電流フィードバック信号である。
【０００４】
図１９に示すサーボ制御装置は、位置指令生成部１により出力される位置指令信号１０にリニアエンコーダ８より検出された機械系９の位置を示す位置フィードバック信号１１が追従するように、モータ７の制御を行う構成である。また、この動作を高速安定に行うために位置指令信号１０と位置フィードバック信号１１との位置偏差信号１２に基づき位置制御部２が速度指令信号１３を生成する。さらに、位置フィードバック信号１１に基づいて速度検出部４により生成された速度フィードバック信号１４が、速度指令信号１３に追従するように、速度制御部３がモータ７への電流指令信号１６を出力している。そして、モータ７に流れる電流値を示す電流フィードバック信号１７が電流指令信号１６に追従するように、電流制御部５及びパワーアンプ６がモータ７に流す電流を制御する。
【０００５】
このサーボ制御装置を用いる、例えば、光ディスク原盤露光装置のような直動ステージ上に回転機構を有する機械系９において、回転機構の回転角周波数範囲は６０〜１８０（ｒａｄ／ｓｅｃ）（回転数で６００〜１８００ｒｐｍ）程度となる。この回転角周波数は直動ステージの位置フィードバック及び速度フィードバック信号における開ループゲイン交差角周波数（２００〜３００ｒａｄ／ｓｅｃ）の近傍となる。
【０００６】
図２０に位置制御の開ループゲインでゲインと角周波数の様子を示す。位置制御の開ループゲインは角周波数の増加に伴って２０〜６０ｄＢ／decadeの大きさでゲインが低下する特性になっており、ゲイン交差角周波数付近では２０ｄＢ／decadeとなり、ゲイン交差角周波数から若干低周波側に回転機構の回転角周波数が存在する形になっている。この回転機構の回転基本波成分が直動ステージに外乱振動となって入ってくる。ところが、回転機構の回転角周波数範囲では十分な開ループゲインがかせげないので、回転機構の外乱が直動ステージの変動になって現れる。
【０００７】
そして、特許文献１には、速度、位置サーボ制御において高ゲインにより高精度制御を行う時、機械共振が高ゲインの妨げになることから、ローパスフィルターやノッチフィルター等を用いて機械共振の固定周波数成分を除去する。この際に、前記フィルターによる位相遅れが発生するため、位相遅れ相当分を速度フィードバック系に加えることで位相補償を行う。この結果として固定周波数成分除去による位相遅れをカバーできサーボゲインを下げなくてもよくすることが記載されている。
【０００８】
また、特許文献２には、速度フィードバックの位相遅れによる機械制御の不安定化をカバーするため、ノッチフィルターとバンドパスフィルターの演算により、ゲインが一定で位相が進む要素をつくりゲインを上げても安定なシステムとする。そして、従来のサーボ装置では機械共振成分をノッチフィルターで除去し速度，位置サーボの位相補償を行って、サーボ装置の開ループゲイン全体を高めて制御精度を向上させることが記載されている。
【０００９】
また、特許文献３には、光ディスク装置の光学系では精密位置決め用アクチュエータの移動量に比例して、光スポットと目標トラックとの偏差信号に生じるオフセットが増加することを防ぐため、粗位置決め用アクチュエータのサーボ系の交差周波数を、スピンドルモータの回転周波数より高く、精密位置決め用アクチュエータの基本周波数より低くし、粗位置決め用アクチュエータのサーボ系に、ほぼスピンドルモータの回転周波数を中心として局所的にゲインを増加させる手段を設けることで、精密位置決め用アクチュエータの変位を検出しないで、光スポットを目標トラックに高精度で位置決めすることが記載されている。
【特許文献１】国際公開第００／７０７３９号パンフレット
【特許文献２】特公平６−７９２４２号公報
【特許文献３】特開平６−１２４４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このような構成のサーボ制御装置における直動ステージ上に回転機構を有する機械系では、回転系の軽量化、回転偏芯除去、直動ステージの高剛性化等の処置を行うが、光ディスク原盤露光装置のようなｎｍオーダの位置決め精度が要求される加工においてはこの方法にも限界がある。
【００１１】
また、従来のサーボ制御装置では機械共振成分をノッチフィルターで除去し、速度，位置サーボの位相補償を行い、ゲインを少しでも高めて制御を行っている。しかし、図２０に示したように、直動ステージをモータで駆動するサーボ制御装置において、位置制御の開ループ角周波数応答は角周波数の増加に伴って２０〜６０ｄＢ／decadeの大きさでゲインが低下しており、ゲイン交差角周波数近傍の開ループゲインは大きくできない。
【００１２】
例えば、位相補償等を行って開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数を大きくしてゲインを上げようとして、−２０ｄＢ／decadeで低下するゲイン交差角周波数近傍でゲイン交差角周波数を２倍にしても、上げられる開ループゲインは２倍（６ｄＢの増加）程度であるという問題があった。
【００１３】
また、特許文献３のように局所的にゲインを増加させる手段を設けており、その局所ゲイン増加手段の伝達関数として（数１）が示されている。
【００１４】
【数１】
2005108162.tif 000003
この（数１）をjＷ＝Ｓとして伝達関数を表現すると（数２）となり、
【００１５】
【数２】
2005108162.tif 000004
ここで、Ｇ２は２ζが非常に小さい値でＷｐ３がＷｒと一致するとき、Ｗｒに局所ピークを持つ図２１に示すような、Ｗｒより左側では２０ｄＢ／decadeで低下し、Ｗｒより右側では一定値となる特性を示すボード線図となり、Ｗｒより左側では２０ｄＢ／decadeで低下する特性となる。このため、制御ループに挿入した時にＷｒの左側（低周波側）で全体ゲインの低下を招き局所的ゲインの増加とはならず、これを電気回路で実現すると２次型ハイパスフィルターとバンドパスフィルターの和となり回路が複雑になる。また、Ｇ２を縦列接続して局所ゲインに幅をもたせることは、Ｗｒの左側（低周波側）で全体ゲインの低下がより大きくなり、局所的ゲインの増加は不可能となる。図２２に示すように、Ｇ２の局所ゲインの増加手段を３個縦列にした場合には、中心周波数の左側が６０ｄＢ／decadeの低下となる。
【００１６】
通常、回転機構のターンテーブルに搭載された光ディスク原盤は、ターンテーブル中心に対して数１０μｍ程度の偏心があり、換言すれば、重心が数１０μｍ程度偏った状態でターンテーブルに搭載される。そのため、ターンテーブルは回転時に働く遠心力によって回転系に振れ回り振動が発生する。この振動が直動ステージ機構へと伝播し変動が発生している。直動ステージで測定した回転系の振れ回り振動を図２３に示す。回転周波数成分（回転数／ｓｅｃ：図２３の大きな波が回転系（ターンテーブル）の一回転）が支配的になっており、この周波数成分のみを除去できれば安定した送りステージ制御が実現できる。図２３に示す直動ステージに加わる振動外乱は、例えば、ＣＬＶではこの波が２０Ｈｚから１０Ｈｚへと徐々に変化する。
【００１７】
本発明は、前記従来技術の問題を解決することに指向するものであり、電気回路での実現が簡単な中間周波数可変の局所ゲイン増加回路を構成でき、回転機構の回転基本角周波数に対応した中心周波数を持つピークゲイン補償手段を、直動ステージの速度制御、または位置制御の開ループゲインに挿入し、ピークゲイン補償手段の高ゲインによって、直動ステージのサーボ制御における例えば、ＣＬＶ等の回転速度の変化により回転角周波数が変化する場合に対応して、回転系の振動外乱を効率良く除去するサーボ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載されるサーボ制御装置は、回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、位置制御手段に接続しモータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、位置制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数に複数の局所ゲインを並べたピークを持つピークゲイン補償手段を備え、ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくした構成によって、位置制御手段の開ループ周波数応答の所定周波数における開ループゲインを大きくし、直動ステージの位置制御するサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【００１９】
また、請求項２に記載されるサーボ制御装置は、回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、位置制御手段に接続しモータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、速度制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数に複数の局所ゲインを並べたピークを持つピークゲイン補償手段を備え、ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくした構成によって、速度制御手段の開ループ周波数応答の所定周波数における開ループゲインを大きくし、直動ステージの速度制御するサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【００２０】
また、請求項３に記載されるサーボ制御装置は、回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、位置制御手段に接続しモータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、位置制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つ局所ゲインの伝達関数を（数３）とするピークゲイン補償手段を備え、
【００２１】
【数３】
2005108162.tif 000005
ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくした構成によって、位置制御手段の開ループ周波数応答の所定周波数における開ループゲインを大きくし、直動ステージの位置制御するサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【００２２】
また、請求項４に記載されるサーボ制御装置は、回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、位置制御手段に接続しモータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、速度制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つ局所ゲインの伝達関数を（数４）とするピークゲイン補償手段を備え、
【００２３】
【数４】
2005108162.tif 000006
ピークゲイン補償手段の所定周波数で開ループゲインを大きくした構成によって、速度制御手段の開ループ周波数応答の所定周波数における開ループゲインを大きくし、直動ステージの速度制御するサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【００２４】
また、請求項５，６に記載されるサーボ制御装置は、請求項１〜４のサーボ制御装置において、ピークゲイン補償手段を、バンドパスフィルターで正帰還の帰還回路により構成したこと、または、ピークゲイン補償手段を、バンドパスフィルターで正帰還の帰還回路とからなる補償回路として、中心周波数が異なるバンドパスフィルターを有する補償回路の少なくとも１つ以上を組み合わせて構成したことによって、特定周波数で急峻な開ループゲインに高ゲインを確保し、直動ステージのサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【００２５】
また、請求項７〜９に記載されるサーボ制御装置は、請求項１〜４のサーボ制御装置において、ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素とノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とにより構成したこと、または、ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素とノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とからなる補償回路として、中心周波数が異なるノッチフィルターを有する補償回路の少なくとも１つ以上を組み合わせて構成したこと、または、ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素と中心周波数が異なる少なくとも１つ以上のノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とから構成したことによって、特定周波数で急峻な開ループゲインに高ゲインを確保し、直動ステージのサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【００２６】
また、請求項１０に記載されるサーボ制御装置は、回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、位置制御手段に接続しモータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、回転機構の回転周波数を検出する手段と、位置制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つピークゲイン補償手段と、回転機構の回転周波数に応じてピークゲイン補償手段の中心周波数を可変する手段とを備えた構成によって、回転機構の回転周波数に応じてピークゲイン補償手段の中心周波数を可変して、直動ステージの位置制御するサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱のみを除去できる。
【００２７】
また、請求項１１に記載されるサーボ制御装置は、回転機構を有する機械系の直動ステージを駆動するためのモータと、直動ステージの位置及び速度を検出する検出手段と、外部から入力の位置指令信号と検出手段から出力の位置検出信号との差分に基づき速度指令信号を生成する位置制御手段と、位置制御手段に接続しモータへ流す電流値を示す電流指令信号を生成する速度制御手段とからなるサーボ制御装置において、回転機構の回転周波数を検出する手段と、速度制御手段の開ループ周波数応答のゲイン交差角周波数より低周波数領域における所定周波数にピークを持つピークゲイン補償手段と、回転機構の回転周波数に応じてピークゲイン補償手段の中心周波数を可変する手段とを備えた構成によって、回転機構の回転周波数に応じてピークゲイン補償手段の中心周波数を可変するので、直動ステージの速度制御するサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱のみを効率良く除去できる。
【００２８】
また、請求項１２に記載されるサーボ制御装置は、請求項１０，１１のサーボ制御装置において、ピークゲイン補償手段を、中心周波数及びＱ値が可変のバンドパスフィルターで正帰還の帰還回路により構成したことによって、所定周波数可変のバンドパスフィルターで正帰還の帰還回路によって、所定周波数で急峻なループゲインを確保でき、直動ステージのサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【００２９】
また、請求項１３に記載されるサーボ制御装置は、請求項１０，１１のサーボ制御装置において、ピークゲイン補償手段を、所定倍する第１のゲイン要素と中心周波数及びＱ値が可変のノッチフィルターとを組み合わせた負帰還の帰還回路と、所定倍する第２のゲイン要素とにより構成したことによって、所定周波数可変のノッチフィルターで負帰還の帰還回路によって、所定周波数で急峻なループゲインを確保でき、直動ステージのサーボ制御で回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を除去できる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のサーボ制御装置は、回転機構の回転基本角周波数に対応した中心周波数を持つピークゲイン補償部を、直動ステージの速度制御、または位置制御を行う開ループゲインに挿入し、ピークゲイン補償部により得る高ゲインによって直動ステージのサーボ制御を行うことにより回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を効率良く除去できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。
【００３２】
図１は本発明の実施の形態１におけるサーボ制御装置の概略構成を示すブロック図である。ここで、前記従来例を示す図１９において説明した構成要件に対応し実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付してこれを示し、以下の各図においても同様とする。
【００３３】
図１において、１は位置指令生成部、２は位置制御部、３は速度制御部、４は速度検出部、５は電流制御部、６はパワーアンプ、７はモータ、８はリニアエンコーダ、９は機械系、１０は位置指令信号、１１は位置フィードバック信号、１２は位置偏差信号、１３は速度指令信号、１４は速度フィードバック信号、１５は速度偏差信号、１６は電流指令信号、１７は電流フィードバック信号、２０はピークゲイン補償部である。
【００３４】
図１に示すサーボ制御装置は、位置指令生成部１が出力の位置指令信号１０にリニアエンコーダ８で検出の機械系９の位置を示す位置フィードバック信号１１が追従するように、モータ７の制御を行う。この動作を高速安定に行うために位置指令信号１０と位置フィードバック信号１１との位置偏差信号１２に基づき位置制御部２が速度指令信号１３を生成する。このとき、位置制御部２による位置制御の開ループゲインをピークゲイン補償部２０でゲインを高めることで、機械系９の直動ステージ上に有する回転機構の外乱を除去する。
【００３５】
そして、位置フィードバック信号１１に基づき速度検出部４で生成の速度フィードバック信号１４が速度指令信号１３に追従するように、速度制御部３がモータ７への電流指令信号１６を出力する。モータ７に流れる電流値を示す電流フィードバック信号１７が電流指令信号１６に追従するように、電流制御部５及びパワーアンプ６がモータ７に流す電流を制御する。
【００３６】
また、図２は本実施の形態１のサーボ制御装置を用いる光ディスク原盤露光装置の直動ステージ上に回転機構を有する機械系の構成を示すブロック図である。まず、図２を参照しながら本実施の形態１の機械系の動作について説明する。スピンドルモータ２１により回転されるターンテーブル２２に搭載された光ディスク原盤２３にはレーザ光が照射される。このレーザ光はＡrレーザ２４から出射したビーム光がミラー２５で反射し対物レンズ２６により極微小なスポットに絞られた光である。
【００３７】
スピンドルモータ２１はスライド機構２７に搭載されており、スライドモータ２８により左右方向に移動される。スピンドルモータ２１，スライドモータ２８は、それぞれスピンドルサーボ装置２９，スライドサーボ装置３０により、ロータリエンコーダ３１，リニアエンコーダ３２のパルスを利用したフィードバック制御が行われる。また、システム制御装置３３からスピンドルモータ２１，スライドモータ２８を駆動する指令パルス信号が出力される。この指令パルス信号を制御することで光ディスク原盤２３上にスパイラル状のトラック溝を形成する。
【００３８】
スパイラル状のトラック溝の形成方法は、システム制御装置３３の指令パルス信号の発生方法によってＣＡＶ（Ｃonstant Ａngular Ｖelocity）制御とＣＬＶ（Ｃonstant Ｌinear Ｖelocity）制御に分けることができる。ＣＡＶ制御では回転機構であるスピンドルモータ２１の回転数はスパイラル状のトラック溝形成の最初から最後まで一定であるが、ＣＬＶ制御ではスピンドルモータ２１の回転数（角周波数）が図３に示すようにスライド機構（直動ステージ）の位置がｒ０からｒ１に移動するに従って変化する。
【００３９】
図２で説明した直動ステージ（スライド機構）上に回転機構を有する機械系を制御する図１に示すサーボ制御装置では、ピークゲイン補償部２０を位置制御部２の後段に配置しているが、これは位置制御部２の前段に配置してもよい。
【００４０】
また、図４は本発明の実施の形態２におけるサーボ制御装置の概略構成を示すブロック図である。図４は図２で説明した直動ステージ上に回転機構を有する機械系を制御するサーボ制御装置であり、ピークゲイン補償部２０を速度制御部３の後段に配置している。これは速度制御部３の前段に配置してもよい。
【００４１】
ここで、実施の形態１，２におけるピークゲイン補償部２０について説明する。図５（ａ）はピークゲイン補償部２０のゲイン特性、図５（ｂ）は位相特性を示した図である。図５（ａ）に示すように、中心周波数ω０の前後はゲインが急峻に変化し中心周波数ω０にゲインのピークがある。また、図５（ｂ）に示すように、位相は中心周波数ω０の左側で位相が９０度急峻に進み、中心周波数ω０の右側で位相が９０度急峻に遅れる形になっている。
【００４２】
図６は本実施の形態１のサーボ制御装置にピークゲイン補償部２０を配置した位置制御の開ループゲインを図示したものである。ピークゲイン補償部２０の中心周波数ω０の位置で開ループゲインのピークが現れており、中心周波数ω０の位置で開ループゲインを大きくできる。同様に実施の形態２についても速度制御にピークゲイン補償部２０を配置することで、中心周波数ω０の位置で速度の開ループゲインを高めることができる。
【００４３】
図７は本実施の形態１，２における実施例１のピークゲイン補償部の構成を示す図である。ピークゲイン補償部２０をバンドパスフィルター（以下、ＢＰＦという）で正帰還の帰還回路により構成したものである。ＢＰＦの伝達関数は中心周波数ω０とＱ値を用いて、（数５）と表すことができ、
【００４４】
【数５】
2005108162.tif 000007
ＢＰＦを用いて正帰還したピークゲイン補償部２０の伝達関数は（数６）と表せる。
【００４５】
【数６】
2005108162.tif 000008
これは、図５で示した特性となる。
【００４６】
図８は本実施の形態１，２における実施例２のピークゲイン補償部の構成を示す図である。所定倍する第１のゲイン要素Ｇとノッチフィルター（以下、ＢＥＦという）とからなる負帰還の帰還回路と、さらに所定倍する第２のゲイン要素Ｇ＋１とで構成される。ＢＥＦの伝達関数は中心周波数ω０とＱ値を用いて（数７）と表すことができる。
【００４７】
【数７】
2005108162.tif 000009
ピークゲイン補償部２０の伝達関数は（数８）であり、
【００４８】
【数８】
2005108162.tif 000010
Ｇを大きく選べばピークゲイン補償部２０の伝達関数は（数９）に近似できる。
【００４９】
【数９】
2005108162.tif 000011
これは、図５で示した特性となる。
【００５０】
直動ステージ上に回転機構を有する機械系を制御する場合、既に記載したようにＣＡＶ制御では回転機構であるスピンドルモータの回転数は最初から最後まで一定であり、前記説明のようなピークゲイン補償部２０の中心周波数を回転機構の回転周波数に合わせればよい。
【００５１】
しかし、ＣＬＶ制御では回転数が直動ステージ位置を移動するに従って変化する。その場合は、ピークゲイン補償部２０の縦列接続で回転機構の回転周波数変化範囲をカバーすればよく。図９は実施例３のＢＰＦで正帰還する帰還回路を構成したピークゲイン補償部２０であり、このピークゲイン補償部２０において、中心周波数ω０を違えた（例えば、ω１，ω２，ω３）３つの異なる中心周波数ω０を有するＢＰＦを縦列接続した実施例１の変更例である。
【００５２】
また、図１０は実施例４の所定倍する第１のゲイン要素ＧとＢＥＦからなる負帰還の帰還回路と、さらに所定倍する第２のゲイン要素Ｇ＋１により構成されるピークゲイン補償部２０で、このピークゲイン補償部２０において、中心周波数ω０を違えた（ω１，ω２，ω３）ＢＥＦを３つ縦列接続したもので実施例２の変更例である。
【００５３】
さらに、実施例５として図示しないが、図８に示すピークゲイン補償部２０において、中心周波数ω０を違えた（ω１，ω２，ω３）３つのＢＥＦをそれぞれ有するピークゲイン補償部２０を縦列接続して構成してもよい。これは実施例２の別の変更例となる。
【００５４】
図１１はこのようにして構成された３つの異なる中心周波数を有するピークゲイン補償部のゲイン特性を示す図である。ω１〜ω３の範囲でゲインのピークが確保できている。図１２はピークゲイン補償部を配置したサーボ制御装置において、実施の形態１における位置制御の開ループゲインを図示したものである。図１２に示すように、直動ステージ上の回転機構の回転数変化範囲をピークゲイン補償部２０によって開ループゲインにてゲインを確保している。同様に実施の形態２における速度制御の開ループゲインにてゲインを確保することができる。
【００５５】
図１３は本実施の形態１，２における実施例６の位置制御、速度制御の開ループに配置されるピークゲイン補償部２０の中心周波数ω０を変化させたゲイン特性を示す図である。図１３において、中心周波数ω０を直動ステージ上の回転機構の回転数変化範囲に合わせて、例えばω１，ω２に変化させ、またＱ値はサーボ系のゲイン交差角周波数の位相余裕に影響が少ない範囲で可変させて、回転機構の回転数が変わっても、位置制御、速度制御の開ループの回転機構の回転角周波数でのゲインを確保するものである。
【００５６】
図１４において、ピークゲイン補償部２０はシステム制御装置３３からの制御信号Ｖ１，Ｖ２で制御される。システム制御装置３３は、図２に示すスライド機構（直動ステージ）２７、回転機構のスピンドルモータ２１，スライドモータ２８をロータリエンコーダ３１，リニアエンコーダ３２のパルス信号を利用してフィードバック制御を行っているので、ロータリエンコーダ３１から回転機構の回転数を読み取り、制御信号Ｖ１，Ｖ２でピークゲイン補償部２０の中心周波数ω０とＱ値を制御する。
【００５７】
図１５は実施例６の中心周波数ω０及びＱ値を可変できる可変ＢＰＦ（ピークゲイン補償部）を示すブロック図である。制御信号Ｖ１，Ｖ２により中心周波数ω０及びＱ値が可変のＢＰＦで正帰還の帰還回路により構成している。この図１５においてＢＰＦの伝達関数は（数１０）となる。
【００５８】
【数１０】
2005108162.tif 000012
そして、ピークゲイン補償部２０の伝達関数は（数１１）となり、
【００５９】
【数１１】
2005108162.tif 000013
中心周波数ω０、Ｑ値でピークゲイン補償部２０の伝達関数を表現すると（数１２）となる。
【００６０】
【数１２】
2005108162.tif 000014
また、（数１３）から、
【００６１】
【数１３】
2005108162.tif 000015
制御信号Ｖ１，Ｖ２によりゲイン要素Ｇ１，Ｇ２を可変させてピークゲイン補償部２０の中心周波数ω０及びＱ値を制御できる。
【００６２】
また、実施例７を示す図１６において、ピークゲイン補償部２０はシステム制御装置３３からの制御信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３で制御される。システム制御装置３３は直動ステージ、回転機構のスピンドルモータ，スライドモータをロータリエンコーダ，リニアエンコーダのパルス信号を利用してフィードバック制御を行っているので、ロータリエンコーダから回転機構の回転数を読み取り、制御信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３でピークゲイン補償部２０の中心周波数ω０とＱ値を制御する。
【００６３】
図１７は実施例７の中心周波数ω０及びＱ値を可変できる可変ＢＥＦ（ピークゲイン補償部）を示すブロック図である。所定倍するゲイン要素Ｇと制御信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３で中心周波数ω０及びＱ値が可変のＢＥＦとによりなる負帰還の帰還回路と、さらに所定倍するゲイン要素Ｇ＋１で構成される。この図１７でＢＥＦの伝達関数は（数１４）となり、
【００６４】
【数１４】
2005108162.tif 000016
（数１５）となり、
【００６５】
【数１５】
2005108162.tif 000017
中心周波数ω０、Ｑ値で表現するＢＥＦの基本形（数１６）と同じになる。
【００６６】
【数１６】
2005108162.tif 000018
ピークゲイン補償部２０の伝達関数は（数１７）において、
【００６７】
【数１７】
2005108162.tif 000019
Ｇを大きく選べばピークゲイン補償部２０の伝達関数は（数１８）に近似できる。
【００６８】
【数１８】
2005108162.tif 000020
中心周波数ω０、Ｑ値でピークゲイン補償部２０の伝達関数を表現すると（数１９）となる。
【００６９】
【数１９】
2005108162.tif 000021
（数２０）から、
【００７０】
【数２０】
2005108162.tif 000022
制御信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３でゲイン要素Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３を可変させてピークゲイン補償部２０の中心周波数ω０及びＱ値を制御できる。
【００７１】
図１８はピークゲイン補償部２０を配置したサーボ制御装置において、実施の形態１の位置制御の開ループゲインの様子を示している。直動ステージ上の回転機構の回転数変化範囲に合わせてピークゲイン補償部２０の中心周波数を変えながら開ループゲインのゲインを確保していることがわかる。同様に実施の形態２の速度制御においても開ループゲインのゲインを確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明に係るサーボ制御装置は、回転機構の回転基本角周波数に対応した中心周波数を持つピークゲイン補償手段を、直動ステージの速度制御、または位置制御を行う開ループゲインに挿入し、これにより得る高ゲインによって直動ステージのサーボ制御を行って回転角周波数の変化による回転系の振動外乱を効率良く除去でき、精密加工を行う工作機械等のサーボ制御を行う装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるサーボ制御装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本実施の形態１のサーボ制御装置を用いる光ディスク原盤露光装置の直動ステージ上に回転機構を有する機械系の構成を示すブロック図
【図３】ＣＬＶ制御でスライド機構（直動ステージ）が位置移動するに従って変化するスピンドルモータの回転数（角周波数）を示す図
【図４】本発明の実施の形態２におけるサーボ制御装置の概略構成を示すブロック図
【図５】（ａ）はピークゲイン補償のゲイン特性、（ｂ）は位相特性を示す図
【図６】本実施の形態１のサーボ制御装置にピークゲイン補償部を配置した位置制御の開ループゲインを示す図
【図７】本実施の形態１，２における実施例１のピークゲイン補償部の構成を示す図
【図８】本実施の形態１，２における実施例２のピークゲイン補償部の構成を示す図
【図９】本実施の形態１，２における実施例３のピークゲイン補償部において、３つの異なる中心周波数ω０のＢＰＦを縦列接続した構成を示す図
【図１０】本実施の形態１，２における実施例４のピークゲイン補償部において、３つの異なる中心周波数ω０のＢＥＦを縦列接続した構成を示す図
【図１１】本実施例４の３つの異なる中心周波数を有するピークゲイン補償部のゲイン特性を示す図
【図１２】本実施の形態１におけるピークゲイン補償部を配置したサーボ制御装置の位置制御の開ループゲインを示す図
【図１３】本実施の形態１，２における実施例６のピークゲイン補償部の中心周波数ω０を変化させたゲイン特性を示す図
【図１４】本実施例６のシステム制御装置からの制御信号Ｖ１，Ｖ２で制御されるピークゲイン補償部を示す図
【図１５】本実施例６の中心周波数ω０及びＱ値を可変できる可変ＢＰＦ（ピークゲイン補償部）を示すブロック図
【図１６】本実施の形態１，２における実施例７のシステム制御装置からの制御信号Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３で制御されるピークゲイン補償部を示す図
【図１７】本実施例７の中心周波数ω０及びＱ値を可変できる可変ＢＥＦ（ピークゲイン補償部）を示すブロック図
【図１８】本実施の形態１におけるピークゲイン補償部を配置したサーボ制御装置の位置制御の開ループゲインを示す図
【図１９】従来のサーボ制御装置の概略構成を示すブロック図
【図２０】従来の位置制御の開ループゲインでゲインと角周波数の様子を示す図
【図２１】従来の局所ゲイン増加手段の局所ピークを示すボード図
【図２２】図２１の局所ゲイン増加手段を３個縦列した局所ピークを示す図
【図２３】直動ステージに加わる振動外乱の波形を示す図
【符号の説明】
【００７４】
１  位置指令生成部
２  位置制御部
３  速度制御部
４  速度検出部
５  電流制御部
６  パワーアンプ
７  モータ
８  リニアエンコーダ
９  機械系
１０  位置指令信号
１１  位置フィードバック信号
１２  位置偏差信号
１３  速度指令信号
１４  速度フィードバック信号
１５  速度偏差信号
１６  電流指令信号
１７  電流フィードバック信号
２０  ピークゲイン補償部
２１  スピンドルモータ
２２  ターンテーブル
２３  光ディスク原盤
２４  Ａrレーザ
２５  ミラー
２６  対物レンズ
２７  スライド機構
２８  スライドモータ
２９  スピンドルサーボ装置
３０  スライドサーボ装置
３１  ロータリエンコーダ
３２  リニアエンコーダ
３３  システム制御装置
【図１】
2005108162.tif 000025
【図２】
2005108162.tif 000026
【図３】
2005108162.tif 000027
【図４】
2005108162.tif 000028
【図５】
2005108162.tif 000029
【図６】
2005108162.tif 000030
【図７】
2005108162.tif 000031
【図８】
2005108162.tif 000032
【図９】
2005108162.tif 000033
【図１０】
2005108162.tif 000034
【図１１】
2005108162.tif 000035
【図１２】
2005108162.tif 000036
【図１３】
2005108162.tif 000037
【図１４】
2005108162.tif 000038
【図１５】
2005108162.tif 000039
【図１６】
2005108162.tif 000040
【図１７】
2005108162.tif 000041
【図１８】
2005108162.tif 000042
【図１９】
2005108162.tif 000043
【図２０】
2005108162.tif 000044
【図２１】
2005108162.tif 000045
【図２２】
2005108162.tif 000046
【図２３】
2005108162.tif 000047