超精密ステージ制御

ここがポイント

リニアスケールによってステージの位置情報をリアルタイムに検出

リニアスケールによってステージの位置情報をリアルタイムに検出

※この情報をサーボドライバではなくPMACへフィードバックしてフルクローズドループ制御

測れないものは制御できません。
超精密ステージを実現するには、ステージ位置情報をできる限り細かく検出し、
これをフィードバックする制御系を構築する必要があります。
PMACには超高分解能リニアスケールから出力される各種の信号を読み込むインタフェースを取り揃えています。
(ex. A/B相矩形波、1Vp-p正弦波、各社シリアル、24bitパラレル)

リニアスケールから出力される90°位相差の正弦波信号

リニアスケールから出力される90°位相差の正弦波信号

FPGAにて超高速サンプリング(20MHz)し信号の歪み(ゲイン、位相、オフセット)を自動補正した上で65,536分割し位置情報として利用

PMACのエンコーダインタフェースの一つに、正弦波信号入力インタフェースがあります。
正弦波信号をPMAC内部で高精度に分割することにより、
A/B相矩形波信号では実現できない「高分解能と高速動作の両立」が可能になります。
例えばハイデンハイン社リニアスケールLIP481(信号周期2μm)を用いると、
分解能30pmでありながら最大600mm/sの高速動作が可能です。

肉眼では確認できないが、ステージに赤血球の直径(7~8μm)程度の移動をさせている

肉眼では確認できないが、ステージに赤血球の直径(7~8μm)程度の移動をさせている

従来のコントローラを使った精密ステージ制御では、μm単位の制御が限界です。
しかしPMACを使うことにより、前述の正弦波信号入力インタフェースとリニアモータ/リニアアンプ等を組合せ、
nmレベルの超精密位置決めステージを実現することが可能になります。

ステージが一定速で動いているように見えるが、プロットを拡大してみると実は0.5μm単位で移動と停止を繰り返している

ステージが一定速で動いているように見えるが、プロットを拡大してみると実は0.5μm単位で移動と停止を繰り返している

※元動画ではタタタタ・・・という寸動動作をしている音が確認できる

リニアスケールの分解能は、最低でも目標位置決め精度の1/10~1/20は必要です。
すなわち、目標位置決め精度が1μmの場合のリニアスケールの分解能は0.1μm~0.05μmになります。
動画では0.5μm単位での位置決めをデモしていますが、プロットからもリニアスケールの分解能がはるかに細かいことが見て取れます。