(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回転に亘ってテスト中の回転ユニットの検知された特性データから取られたデータのデータベクトル内の周期的成分を求める為のプロセスであって、
前記テスト中の回転ユニットの検知された特性データから取られた前記データを非同期的にサンプリングするステップであって、前記データのサンプリングは前記テスト中の回転ユニットの回転に関して非同期的である、ステップと、
前記非同期的にサンプリングされたデータから前記データベクトルを形成するステップと、
前記テスト中の回転ユニットの回転を表すマーカシグナルを受信するステップと、
前記データベクトル内の前記周期的成分を前記データベクトル内のデータと前記マーカシグナルとの関数として決定するステップと、
前記データベクトルから前記周期的成分を除去する事によって前記データベクトル内の非周期的成分を決定するステップと、
を含むプロセス。
【請求項２】
前記データベクトル内のデータと前記マーカシグナルとの間の位相角関係を確立するステップを更に含み、
前記周期的成分の決定が前記周期的成分を前記位相角関係の関数として決定する事を含む、
請求項1に記載のプロセス。
【請求項３】
前記周期的成分の決定が前記データベクトル内のデータを正弦/余弦級数に整合させるステップを更に含む、
請求項1に記載のプロセス。
【請求項４】
前記周期的成分の決定が、
前記テスト中の回転ユニットの回転に関係して同期したデータポイントを含む、補間されたデータベクトルを形成する事と、
前記データベクトル内の前記周期的成分を前記補間されたデータベクトル内のデータの関数として決定する事と、を更に含む、
請求項1に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
＜関連出願について＞
この出願は米国法３５、１１９（ｅ）に基づいて、２０００年１０月２７日出願の仮出願６０／２４３，９１９，の優先権を主張し、これに開示されたもの全てを、引用をもってここに組み込む。
【０００２】
＜連邦政府の後援による研究開発に関する宣明＞
なし
【０００３】
＜発明の背景＞
ある時間関数に関して周期的なシグナルの部分を、時間に関して非周期的な部分から分離する事が出来る事は屡々有用である。この技量は通常、スピンドル(spindle)や電子計算器のディスクドライブ用モータ等、回転機器の分析に用いられる。機械器具やディスクドライブの業界では、そのような非周期的動作は普通非同期的エラー動作又は非反復的ふれ(run-out)と言われる。実際これらの計測は非常に良く知られており、IDEMA (the trade association for the data storage industry)やANSI（American National Standards Institute）の両方から計測方法に関する仕様（それぞれ、T17-91とB89.3.4.M）が出ている。
【０００４】
何故その様な計測が重要かと言う例として、ボールベアリングスピンドルの半径のふれを考える。該ふれシグナルは、該スピンドルの回転率に関して周期的な、ある成分を含む。これらのシグナルは、不完全な円形による回転率の複合数 (integral numbers of the rotation rate)における周波数成分ばかりでなく、不完全な中心軸による回転率における成分も含むであろう。非周期的成分も存在するであろう。ボールベアリングのボールが軸の回りを擂粉木運動する速度(rate)は普通、ボールの非円形やスピンドルの振動等と同じように、非同期的シグナルの原因になる。
【０００５】
従来の技術では、これらの計測は、IDEMAの仕様書T17-91で代表されるように、回転部分の半径又は軸の位置を回転率の何倍もの率で数回転に渡って同期的にサンプリングする事によって行われている。サンプリングは該回転率に同期的である為、サンプリングは該サンプル部上の固定された点で起こる。従って、もし該部分が毎回転毎N度サンプルされたとすれば、毎回転毎１回、該部分の周りに均等な角度間隔でN点のサンプルがされるであろう。該サンプル回転中に各点で得られた読みのピーク-ピーク偏差はその点での非同期的ふれを表す。各点での全読みの平均はその点での同期的位置を表す。全同期的位置のピーク-ピーク値は該同期的エラー動作又は同期的TIRを計算するのに頻繁に用いられる。各点で計測された該非同期的エラー動作の中の最大の物が頻繁に該テスト中のユニット(unit)の非同期的エラー動作(motion)と考慮される。
【０００６】
この、同期的サンプリングを用いて同期的及び非同期的エラー動作を計算する方法には不利な点が数々ある。先ず、異なる角回転率、又は、異なる１回転毎のサンプル数の為には異なるサンプル率が必要である。この必要性は、サンプルを行う為の装置の費用と複雑さを増す。それに加え、しばしば望ましくなるサンプルデータのディジタルフィルタをする場合の複雑さも増す。
【０００７】
もう１つの問題は、同期的サンプルをする為に用いるトリガシグナルの発生である。シグナルを発生させる場合は、例えば該回転部分に接続されている回転エンコーダを用いたりするように、回転部分その物を用いるのが最も有益である。しかし、この技術を用いるのはしばしば不可能であって、その替わりに、トリガシグナルは普通電子回路から発生させる。そのような回路には１回転毎１パルスが注入され、これから、ある種の周波数乗法技法によって１回転毎Nパルスが発生される。そのような技法はジター(jitter)を有する可能性があり、回転部分の角速度中の振動を正確に追う事が出来ない。それに加え、システムの費用と複雑さがかなり増す。
【０００８】
更に微妙な問題は、該回転周波数に関係するある周波数における非同期的シグナルの計算が不充分(under calculation)である事である。該回転周波数の3分の２の処で起こる非同期的シグナルを考えると、そのようなシグナルは非周期的であって非同期的エラー動作の部分と考えられるが、３掛ける３分の２は２である事に注意すると、この周波数でのシグナルは３回転毎に繰り返すパターンを引き起こす事になる。この反復パターンの為、もし該同期的サンプル技法を用いると、そのようなシグナルの非同期的エラー動作の計算は不充分であろう。
【０００９】
＜発明の概要＞
この特許は、テストする装置の新しい非同期的サンプル方法を教える。該技法は上に述べた同期的サンプル方法の不利益な点を全て取り除く。この方法の望ましい実施例では、回転装置の部分品 - 被検装置(DUT) - は、該DUTの物理的特性を時間関数として計測する機械に取り付けられる。データは該DUTの回転周期よりも有効的に早い率でサンプルされ、複数の回転数に亘って電子計算機に記録される。それと同時にもう一つの器具で、該DUTが１回転するのに掛かる時間を非常に精確に計測する。この計測は、典型的には、普通に手に入る回転機器などの１回転１パルスを用いて行われる。該DUTのある物理的特性は該装置の回転位置だけに従属し、該回転に適合して周期的である。該DUTのその他の物理的特性は該回転について周期的ではない。該シグナル処理モジュールの目的は、記録されたデータの周期的な部分と非周期的な部分を分離する事である。本発明のその他の面や特徴や利点は、下記詳細な説明によって開示される。
【００１０】
＜発明の詳細な説明＞
本発明は、駆動システム中に回転部を有する、図１や図２の構成要素12aや12bのような動く構成部分の位置の正確な読みを提供する。これによって、センサ14aと14bによって検知される構成要素情報の正しい位置の決定が可能になる。構成要素12aの場合該回転部は、該構成要素12aに回転運動を与える駆動システム16a内にある。構成部分12bの場合駆動システム16bは、該駆動システム16b内の回転部を用いて線形X、Y運動を発生する。
【００１１】
これらの回転コンポーネントは、センサ14aと14bの出力中の周期的エラーシグナルの原因になる。例えば該構成要素12a又は12b（これらは半導体ウェーハ又はデジタル記憶ディスクであることが可能である）の表面又は容積特性(bulk property)を容量的、光学的或はその他の方法で検知する場合、周期的と非周期的な成分の両方が存在するであろう。応用分野によっては、それぞれを別々に知る事が望ましく、従って、少なくとも一方又は他方を別々に計測できて、それとは又別に、必要な場合には計測しなかった成分を引き算によって求める事が出来る事が重要である。
【００１２】
本発明は、全てのセンサ出力が該構成要素12a又は12bの位置に関係するような同期的検知を必要とする替わりに、該駆動構成要素12a又は12bが基準点を通過する標(indication)を提供する駆動ユニット16a又は16bからの回転マーカ(marker)のシグナルだけを必要とする。このシステムの利点は、上記に述べたように、速度と同期制御への依存性の除去と、該回転部から直接の信号の替わりに電子的に人工的に発生させた同期シグナルを用いるよりももっと実用的な実施から来るエラーの除去である。本発明は、各回転間の及び１回転内の構成要素速度の如何なる変化も最小である事が必要なだけである。これらは通常実現するのに難しい制約ではない。
【００１３】
本発明は、該回転サイクル中の基準点の各通過を記すのに典型的にはシングル回転チック(tick)を用いる。これらのシグナルは、図３で示すようにクロック２０によって決定される周期率のセンサのサンプルの出力と共に、典型的に高解像度で高いレート(rate)で発生する。従って、分割器(divider)22はクロックレートを、そのように定義された瞬間にサンプラ(sampler)24が各センサの出力をサンプルするのに用いるサンプルレートに減少する。クロックのタイミングシグナルとマーカ26からの回転マーカ基準シグナルは、下記に説明するように、該周期的成分の抽出及び周期的構成成分の正しい位相合せをする為の計算を行う位相角(phase angle)プロセッサユニット(それはプロセッサ18aと18bのようにハードウェアでもソフトウェアでも良い)へ加えられる。
【００１４】
該マーカ26からの入力データとセンサの周期的間隔のサンプルを処理する事によって、非周期的成分が除かれたセンサ出力シグナルのパターンが作られる。表Iの処理アルゴリズムでは、該周期的成分を抽出するのに二つの別々の方法を用いている。本開示ではMathworks of Natick MassachusettsのMATLAB言語の協約とプログラム技法を用いる。
【００１５】
該周期的及び非周期的成分の抽出を成し遂げるのに、下記表Iでは２つの実施例を用いている。下記に示すように、第１の実施例は1.1から1.4の処理ステップに従い、一方第２の実施例は2.1から2.4.2のステップに従う。第１の実施例において、1.1.1.1から1.1.1.4のステップでは、M回転に渡るNサンプルの入力は、各回転毎にM増分の時間間隔を有する、大きさN x 1のベクトルのInputData(x)と大きさM x 1のベクトルのPeriod(y)のマトリックス形式に設定される。InterpolatedPeriod(x)は各Nサンプル間の間隔であり、N x 1 の大きさである。1.1.1.5から1.1.2のステップでは、N x 1 ベクトルの位相角がサンプル毎構築される。Phase(x)は、該表で定義されるように、各サンプル用位相角を有するベクトルである。
【００１６】
1.2から1.2.4のステップでは、例えば処理時間と利用できるパワー(power)に依存する有限項数のフーリェ級数展開(Fourier series expansion)のように、定数から始めて、増加積分調和値(increasing integral harmonic value)の項の正弦/余弦級数が設定される。1.3のステップでは、表示された該マトリックスの操作によって、周期的であるInputData(x)ベクトルの部分であるResultが与えられる。すると、非周期的部分はInputData(x)ベクトル引くResultベクトルである。
【００１７】
周期的及び非周期的成分を分離するもう一つの手順を2.1から2.4.2のステップの処理アルゴリズムによって説明する。2.1から2.1.2のステップでは、実質的に前記1.1から1.1.2のステップと同じ方法で同じ結果が得られる。その後の処理では、2.2節のステップでデータシフト技法が用いられる。これを理解する為に、該マーカでMの各加算を定義させながら連続的にN個のサンプルが取られる事に注意するようにする。この時該回転マーカは典型的に二つのサンプル間のどこかに落ち着く。連続したM個のマーカの間に各行がデータを有する状態でアレイを確立し、該M個のマーカに対して非同期の各回転毎のデータを持つ。何故なら、これは同期的システムではないからである。即ち、M個のマーカは各行の第１と第２のデータ要素の間隔において何れの点でも起こり得り、その事は、第１の要素は前回転の末尾からのデータであり、第２の要素はその次の回転の第１のサンプルからのデータである事を意味する。2.2のステップでは、該データは最初の間隔内の該マーカにおける値に対してデータ補間する事によって再整合され、続いて各間隔内のデータを該アレイの各行に沿った位相角に対応する値に対して補間する。これによってInterpolatedData(x)が与えられる。
【００１８】
その次の2.3から2.3.2のステップは、該位相角の中間値におけるInterpolatedDataの値をとって、結果PeriodicPart(x)を得る技法である。これは周期的成分である。すると非周期的成分は、前と同様、InputData(x)との差として求まる。
【００１９】
〈表I〉
１．周期的基本要素方法
分離する為の基本的概念は、次の事を仮定する事である。
＊  該シグナルの周期的及び非周期的成分は加法的(additive)である。
＊  該周期的成分は、該回転間隔内で周期的である小数の三角関数(trigonometric functions)の線形組み合わせ(linear combination)によって表されても良い。
＊  該構成要素（以下DUT）の回転周期は回転率(rotation rate)に関してゆっくり変化する。
＊  該周期的成分は、該線形組み合わせ表示を該データに最小自乗法整合(least-squares fitting)する事によって充分に抽出できるであろう。
【００２０】
すると、シグナル処理のやり方は下記によって与えられる:
1.1  基本的周期的成分の位相角を決定する。
これは該データサンプルクロックを該DUTの回転周期に合わせる事である。
1.1.1  回転周期を補間する。
1.1.1.1  N個のデータ点を収集:InputData(x)
1.1.1.2  データサンプル間隔内: Period(y)で計測される周期のM個の計測値を持つ。
1.1.1.3  どのサンプル時間に周期計測がなされたかを示すM個の計測値を持つ: TimeOfPeriod(y)
1.1.1.4  Nの大きさの補間周期のアレイを作る、InterpolatedPeriod(x)
1.1.1.5  Interpolated Periodに対する時間サンプルである各x0に対して、TimeOfPeriod(y0)がx0に等しいかそれ以下、かつ、TimeOfPeriod(y0+1)がx0より大きくなるようにy0を求める。
1.1.1.6  線形補間を行い、
InterpolatedPeriod(x0) = Period(y0) + (Period(y0+1) - Period(y0)) * (x0 - TimeOfPeriod(y0))/(TimeOfPeriod(y0+1) - TimeOfPeriod(y0))
を得る;
1.1.2  基本の位相角を帰納的に計算する大きさNの補間位相のアレイ、Phases(x)を作る。
Phases(1) = 0;
Phases(x+1) = Phases(x) + 2*pi/InterpolatedPeriod(x)
【００２１】
1.2  三角関数のセットを計算して、該周期的部分を表す。
1.2.1  P調和関数(0次調和関数を含む) を用いて該シグナルを表す。大きさN x (2P+1)のアレイPeriodicBasisを作る。
1.2.2  全てのxに対してPeriodicBasis(x,1) = 1。
1.2.3  偶数のyに対して PeriodicBasis(x,y) = cos (x*Phases(x)*y/2)。
1.2.4  奇数のyに対して PeriodicBasis(x,y) = sin (x*Phases(x)*((y-1)/2))。
【００２２】
1.3  最小自乗法整合と周期的表示を行う。
該周期的基本関数の１次結合(linear combination)は、該PeriodicBasisマトリックスとベクトルTの積算としてマトリックス表示法で書いても良い：
LinearCombination = PeriodicBasis * T（ここでTは (2P+1) ベクトル）
最小自乗法によって該１次結合と該元データ間の差の自乗の和が最小になる：
J=(PeriodicBasis*T-Input Data)t(PeriodicBasis*T-InputData)
ここで、tはマトリックスの転置行列を意味する。
Tに関してJの勾配を取り、ゼロに対して解くと、次の式が求まる。
T=(PeriodicBasistPeriodicBasis)-1(PeriodicBasistInputData)
ここで、-1はマトリックスの反転を示す。
このTの値を該LinearCombinationの公式に代入し直すと、我々の最終的周期的表示である：
Result=
PeriodicBasis(PeriodBasistPeriodicBasis)-1 (PeriodicBasis tInputData)
が得られる。
このResultが我々の該シグナルの周期的部分の最終的表示である。望ましいソフトウェアの実施例では、該言語が、この公式を直接実施する為のマトリックス表示クラスの使用を可能にする。
【００２３】
1.4  非周期的部分の計算
該シグナルの非周期的部分は単純に該元シグナル引く該周期的シグナルの結果として表される。
【００２４】
2.  集合フレーム平均方法
分離の為の基本的概念として次の事を仮定する:
＊  該シグナルの周期的及び非周期的成分は加法的である。
＊  該DUTの回転周期はゆっくり変化する。
＊  非周期的成分は、各回転のデータを一つの帯として扱い、全ての帯をお互いの上に重ね合わせ、それらをまとめて平均する事によって除去できるであろう。
【００２５】
このアルゴリズム用のシグナル処理のやり方は下記によって与えられる:
2.1  各サンプルの位相角を決定する。
これは、該データサンプルクロックを該DUTの回転周期にあわせる事である。
2.1.1  回転周期を補間する。
2.1.1.1  N個のデータ点を収集： InputData(x)
2.1.1.2  データサンプル間隔：Period(y) で計測した、該周期のM個の計測値を持つ。
2.1.1.3  該周期計測がどんなサンプル時間で行われたかを示すM個の計測値を持つ：TimeOfPeriod(y)
2.1.1.4  大きさNの補間された周期のアレイ、InterpolatedPeriod(x)、を作る。
2.1.1.5  Interpolated Periodの時間サンプルである各x0に対して、TimeOfPeriod(y0)がx0に等しいかそれ以下、かつ、TimeOfPeriod(y0+1)がx0より大きくなるようにy0を求める。
2.1.1.6  線形補間をして次式を得る：
InterpolatedPeriod (x0) = Period(y0) + (Period(y0+1) - Period(y0) ) *
(x0-TimeOfPeriod(y0)) / (TimeOfPeriod(y0+1) - TimeOfPeriod(y0)):
【００２６】
2.1.2  基本の位相角を帰納的に計算する
大きさNの補間された位相のアレイ、Phases(x)を作る。
Phases (1) = 0;
Phases (x+1) = Phases (x)+1 / InterpolatedPeriod(x)
（該単位は１回転内の分数である事に注意）
2.2  入力データを補間して、均一な角度間隔を得る。
2.2.1  BasePeriod = round (InterpolatedPeriod (1))
2.2.2  NumRevolutions = floor (N/BasePeriod)
2.2.3  長さNumRevolutions*BasePeriodのアレイInterpolatedDataを作る。
2.2.4  InterpolatedDataの各要素ｘに対して、Phases(y)がx/BasePeriodに等しいかそれ以下、かつ、Phases(y+1)がx/BasePeriodより大きくなるようにｙを求める。
2.2.5  該データを補間する：
InterpolatedData (x) = InputData(y) + (InputData(y+1)-InputData(y)) * ((x/BasePeriod)-Phases(y)) / (Phases(y+1)-Phases(y))
【００２７】
2.3  フレーム平均(frame averaging)を行って周期的部分を決定する。
2.3.1  長さBasePeriodのアレイPeriodicPartを作る。
【００２８】
2.3.2  PeriodicPartの各要素ｘは該補間されたデータ：
【数１】
0004222831.tif 000002
内で対応する角の中間値である。
【００２９】
2.4  該周期的部分を除去して該非周期的部分を決定する。
2.4.1  長さNumRevolutions*BasePeriodのアレイNonPeriodicPartを作る。
2.4.2
該入力データ：NonPeriodicPart (x) = InterpolatedData(x) - PeriodicPart(1+((x-1)mod BasePeriod))
から適切な周期的部分を差し引く。
【００３０】
本発明の望ましい実施例を説明したので、この技術分野で普通の技術を有する者にはこれらの概念を統合して他の実施例を用いる事が可能である事は明らかである。従って、本発明は説明した実施例だけに限定されるべきでなく、むしろ、添付したクレームの真意と範囲によってのみ限定される事を申し添える。
【図面の簡単な説明】
本発明は下記詳細な説明と添付の図面の中で説明される。それらの図面は：
【図１】本発明の応用の第１分野を示す図。
【図２】本発明の応用の第２分野を示す図。
【図３】本発明の応用に用いる回路のブロック図。
【図１】
0004222831.tif 000003
【図２】
0004222831.tif 000004
【図３】
0004222831.tif 000005