DE3002501A1

DE3002501A1 - Antriebsvorrichtung zum antrieb eines motors

Info

Publication number: DE3002501A1
Application number: DE19803002501
Authority: DE
Inventors: Nobuo Hamamoto; Kazuo Ichino; Satoshi Ido
Original assignee: Hitachi Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hitachi Ltd Nippon Telegraph And Telephone Corp
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1980-07-31
Also published as: DE3002501C2; NL7908763A; JPS55103097A; JPS6149916B2; US4254368A

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Motors, um einen Schlitten, der bei einer Vorrichtung zur Elektronenstrahl-Lithographie oder dergl. verwendet wird und der eine Probe, beispielsweise eine Maske £- oder ein Plättchen trägt, rasch und prompt zu einer vorgegebenen Position bewegt.

Um den Schlitten in einer kurzen Zeitspanne zu bewegen, können schnelle Impulse einem Impulsmotortreiber zugeführt

jQ werden. Wenn jedoch die schnellen Impulse bei oder oberhalb der Selbstanlauffrequenz des Impulsmotors plötzlich gegeben werden, so gerät der Bewegungsablauf beim Motor durcheinander und führt zu Ausfällen oder fehlerhaften Start-Stopp-Bewegungen oder unkontrollierten Bewegungen, und der

•jq Motor dreht sich trotz der Zuführung des Impulsstronies nicht in Relation zum Lastdrehmoment. Es ist daher übliche Praxis, ein System mit sogenanntem Langsamanfahren bzw. Langsamabbremsen zu verwenden, bei dem die Geschwindigkeit beim Start bzw. Stopp allmählich erhöht bzw. verringert wird. Bislang erfolgte die Geschwindigkeitssteuerung, indem man eine lineare Funktion für das Langsamanfahren bzw. Langsamabbremsen verwendete. Es war jedoch empirisch bekannt, daß die lineare Funktion nicht als eine Funktion mit optimaler Form zum Antrieb eines Mechanismus einschließlich des Motors angesehen werden kann. Auch wenn eine lineare Funktion gegeben ist, liegen darüberhinaus Grenzen für die Starteigenschaften des Impulsmotors selbst, die Größe des Lastdrehmomentes usw. vor, und ein Gradient bei oder oberhalb einer Geschwindigkeit, bei der ein Ausfall hervorgerufen wird, kann nicht vorgegeben werden. Beim Stand der Technik sind derartige Nachteile, die im Gegensatz zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Schlittenbewegung stehen, vorhanden gewe sen.

Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvor-

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richtung zum Antrieb eines Motors anzugeben, bei der das Langsamanfahren und Langsamabbremsen der oben erwähnten Art durch Funktionen willkürlicher Form vorgegeben wird, so daß es möglich ist, die Geschwindigkeit der Schiitten- c- bewegung zu erhöhen =

Zur Erreichung dieses Zieles wird gemäß der Erfindung eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Motors angegeben, bei der ein eine Probe tragender Schlitten zu einer vorge-

^q gebenen Stellung bewegt wird, wobei man ein Langsamanfahren bzw. Langsamabbremsen der Geschwindigkeit beim Start bzw. Stopp des Motors verwendet, wobei die Vorrichtung folgende Baugruppen aufweist:
eine Schaltungsanordnung, die ein Steuerbefehlsignal, das

*c um ein Abbrems-Zeitintervall kürzer ist als ein vorgegebenes Bewegungsbefehlsignal, und ein Taktsignal zur Vorgabe der Zeitpunkts für das Langsamanfahren bzw. Langsamabbremsen liefert,
einen Zähler, der bei einem logischen "i" Pegel in Vorwärtsrichtung und bei einem logischen "0" Pegel in Rückwärtsrichtung zählt,

eine erste Gatterschaltung, die auf der Basis des Steuerbefehlsignals und des Taktsignals ein Impulszugsignal liefert, mit dem der Inhalt des Zählers an sämtlichen Stellen auf "1" gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal den Wert einer logischen "i" hat, und mit dem der Inhalt des Zählers an sämtlichen Stellen auf "0" gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal den Wert einer logischen "0" hat, einen Speicher, der bei Erhalt eines Ausgangssignals des Zählers als Adresseninformation Funktionsdaten einer Funktion willkürlicher Form liefert, die vorher in Abhängigkeit von den Adressen gespeichert worden sind, einen Wandler, der die Ausgangsfunktionsdaten einer Digital-Analog-Wandlung in ein analoges Signal und außerdem das analoge Signal einer Spannungs-Frequenz-Wandlung unterwirft, um ein Impulszugsignal zu liefern,

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eina zweite Gatterschaltung, die eine logische UND-Verknüpfung zwischen diesem Impulszugsignal und dem Bewegungsbefehlsignal für den Schlitten ausführt, und eine Antriebseinrichtung, die den Motor mit einem Ausgangsc signal antreibt, das aufgrund der logischen UND-Verknüpfung erhalten worden ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beilie- ^O gende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

-je Fig. 2 ein Wellenform-Diagramm zur Erläuterung

von Signalwellenfortiten in verschiedenen Bereichen dieser Ausführungsform;

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer* anderen Ausführungsform der Erfindung;

und in

Fig. k eine Charakteristik zur Erläuterung eines Beispiels für das Langsamanfahren der Schlittenbewegung.

In der nachstehenden Beschreibung zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform, während Fig. 2 Signalwellenformen in verschiedenen Teilen dieser Anordnung zeigt. Wie sich diesen beiden Figuren entnehmen läßt, dient ein Taktsignal 1 (Signalwellenform (a) in Fig. 2) zur Festlegung der Zeiten für das Langsamanfahren und Langsamabbreaisen. Das Taktsignal 1 bildet ein Steuerbefehlsignal 2 (Signalwellenfort« (b) in Fig. 2) synchron mit einem Bowegungsbefehlsignal 12 (Signalwellenform (e) in Fig. 2) und liegt an einer Gatterschaltung 3 an.

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Ein Motor 11 wird betätigt, wenn das Bewegungsbefehlsignal 12 eine logische "1" ist. Das Steuerbefehlsignal 2 bildet mittels der Gatterschaltung 3 und einer Maximalwert/Minimalwert-Abtastschaltung 5 ein Impulszugsignal, das einen z- Vorwärts/Rückwärts-Zähler h in der Vorwärts-Richtung beim Pegel einer logischen "1" und in Rückwärts-Richtung beim Pegel einer logischen "O" betätigt. Genauer gesagt ist es so, daß dann, wenn der Logikpegel des Steuerbefehlsignals 2 den Wert "1" hat, die Taktimpulse des Taktsignals 1 gezählt werden, um den Inhalt des Vorwärts/Rückwärts-Zählers k linear anwachsen zu lassen, bis der Inhalt des Zählers k an allen Stellen "1" ist (Maximalwert). Bei Erreichen dieses Maximalwertes wird dieser Zustand solange beibehalten, bis der Logikpegel des Steuerbefehlsignals 2 sich auf den

.jrj Pegel ^r'O" ändert. Wenn anschließend der Logikpegel des Steuerbefehlsignals 2 auf "0" gegangen ist, werden die Taktimpulse des Taktsignals 1 gezählt, bis der Inhalt des Vorwärts/Rückwärts-Zählers k auf allen Stellen "O" wird (Minimalwert), wobei die Operation dann aufhört.

Um eine Geschwindigkeitssteuerung mit einer willkürlichen Funktion vorzunehmen, wird das Ausgangssignal des Vorwärts/Rückwärts-Zählers k einmal als Adresseninformation einem Festwertspeicher oder ROM 6 gegeben, und es werden der Adresse entsprechende Funktionsdaten abgerufen und mit einem Digital-Analog-Wandler 7 in Analogsignale umgewandelt (Signalwellsnform (c) in Fig. 2). Dieses Signal wird mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler 8 in ein Impulszugsignal (Signalwellenform (d) in Fig. 2) ausgezeichneter Linearität umgewandelt. Das Impulszugsignal wird mit dem Bewegungsbefehlsignal 12 in einer Gatterschaltung 9 einer UND-Verknüpfung unterworfen. Unter Verwendung des sich ergebenden Ausgangssignals (Signalwellenform (f) in Fig. 2) wird der Impulsmotor 11 über den Impulsmotortrei-5 ber 10 angetrieben.

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Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform. Beim anfänglichen Stopp-Zustand ist das Steuerbefehlsignal auf "0", und der Ausgang eines Inverters 13 hat dementsprechend den Wert "1", so daß ein Gatter 3" angesteuert wird, um den Vorwärts/Rückwärts-Zähler 4 die Taktimpulse in Rückwärts-Richtung zählen zu lassen. Wenn das Ausgangssignal des Vorwärts/Rückwärts-Zählers 4 auf allen Stellen "0" geworden ist, so geht das Ausgangssignal einer "0"-Abtastschaltung oder einer Minimalwert-Abtastschaltung 5" auf den Wert "1", und der Ausgang eines Inverters 15 geht auf den Wert "0", so daß das Gatter 3" abgeschaltet wird.

Wenn bei einem derartigen Stopp-Zustand ein Steuerbefehlsignal 2, das um ein Zeitintervall, in dem die Maximally geschwindigkeit bis auf den Stopp-Zustand absinkt, kurzer ist als das Bewegungsbefehlsignal 12 (der Motor arbeitet, wenn dieses Signal den Wert einer logischen "i" hat), erhalten wird, so wird ein Gatter 3¹ eingeschaltet (das Gatter 3" ist zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet), und beim Vorwärts/ Rückwärts-Zähler 4 erhöht sich sein Inhalt linear in Vorwärts-Richtung durch Zählen der Taktimpulse. Wenn der Ausgang einer "!"-Abtastschaltung oder Maximalwert-Abtastschaltung 5' auf den Wert "1" gegangen ist, so geht der Ausgang eines Inverters l4 auf den Wert "0" und schaltet das Gatter 3' ab. Das heißt, die Operation des Vorwärts/ Rückwärts-Zählers 4 wird beendet, während sein Inhalt den Maximalwert anzeigt. Dieser Zustand, bei dem sich der Schlitten mit Maximalgeschwindigkeit bewegt, wird solange fortgesetzt, bis das Steuerbefehlsignal 2 auf den Pegel "0" geht.

Wenn anschließend der Schlitten in die Nähe eines vorgegebenen Punktes gelangt ist, wird das Steuerbefehlsignal 2, das vorher um das Abbremszeitintervall kürzer eingestellt worden ist, zurückgesetzt und geht auf den Pegel "0", wobei zu diesem Zeitpunkt das Bewegungsbefehlsignal

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immer noch den Zustand eines "1" Pegels hat. Infolgedessen geht der Ausgang des Inverters 13 auf den Pegel "1", um das Gatter 3" einzuschalten (in diesem Falle liegt der Ausgang des Inverters 15 auf dem Pegel "1", bis der Ausgang c der "O"-Abtastschaltung oder Minirnalvert-Abtästschaltung 5" auf den Pegel "1" geht), und der Inhalt des Vorwärts/ Rückwärts-Zählers k nimmt linear in Abwärtsrichtung ab ο Wenn der Ausgang der Minimalwert-Abtastschaltung 5" auf den W^rert "1" gegangen ist, d.h. wenn der Ausgang des Vor- -jO wärts/Rückwärts-Zählers 4 an allen Stellen "0" geworden ist, wird das Gatter 3" ebenfalls abgeschaltet.

Um eine Geschwindigkeitssteuerung gemäß einer willkürlichen Funktion vorzunehmen, wird das Ausgangssignal des Vorwärts/

JtJ Rückwärts-Zählers h als Adresseninformation dem ROM 6 zugeführt, und es werden der Adresse entsprechende Funktionsdaten abgerufen und einer Digital-Analog-Wandlung im Digital-Analog-Wandler 7 unterworfen. Den Adressen entsprechende Funktionsdaten werden vorher in den ROM 6 eingegeben und gespeichert. Das nunmehr analoge Signal wird an den Spannungs-Frequenz—Wandler 8 ausgezeichneter Linearität angelegt, um das Impulszugsignal zu bilden, das an die eine Eitigangsklemme der Gatterschaltung 9 angelegt wird. Wenn das Bewegungssteuersignal 12 an die andere Eingangsklemme der Gatterschaltung 9 angelegt wird, so wird ein Impulsmotor-Antriebssignal erhalten, wie es bei (f) in Fig. 2 dargestellt ist.

Fig. h zeigt ein Beispiel einer Funktion willkürlicher Gestalt für das Langsamanfahren oder Langsamabbremsen bei den oben beschriebenen Ausführungsformen. Wie bereits erwähnt, verursacht der Impulsmotor im allgemeinen Ausfälle und startet nicht, bis die Antriebsfrequenz unterhalb der Selbstanlauffrequenz ist. Das Verhältnis einer Änderung gegenüber der Zeit, also eine Geschwindigkeitsänderung, zu dem Zeitpunkt, wo die Selbstanlauffrequenz gekreuzt

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wird, ist der Hauptfaktor für die Ausfälle und beherrscht den Qeschwindigkeitsgradienten. In dieser Hinsicht hat man, wie oben erwähnt, bislang eine Linearfunktion verwendet, wie sie bei (a) in Fig. k angedeutet ist, und hat somit c experimentell einen Geschwindigkeitsgradienten ermittelt, der keine Ausfälle hervorruft, wobei die maximale Frequenz, also die Maximalgeschwindigkeit, mit dem Gradienten erreicht wird. Im Gegensatz dazu wird gemäß der Erfindung eine Funktion mit einer Gestalt, wie sie beispielsweise

-jq bei (b) in Fig. k dargestellt ist, beim Langsamanfahren vorgegeben. Damit ist es möglich geworden, die Zeitspanne drastisch zu verkürzen, in der die Maximalgeschwindigkeit erreicht wird, wenn man dies mit dem Stande der Technik vergleicht.

Obwohl die Fig. h. eine Kurve beim Langsatnanfahren zeigt, ist die Situation beim Langsamabbremsen ähnlich. Nachstehend soll der Vorgang beim Langsamabbremsen beispielsweise erläutert werden.

Wie sich der Zeichnung entnehmen läßt, ist das Profil der Funktion so, daß bei einem Startbefehl die Antriebsfrequenz abrupt auf einen Wert angehoben wird, der um 20 bis 30 % diesseits der Selbstanlauffrequenz von üblicherweise 2000 Impulsen pro' Sekunde bei einem schnellen Impulsmotor liegt, daß anschließend ein sanfter Anstieg bis zu einem Zeitpunkt vorliegt, bei dem die Selbstanlauffrequenz gekreuzt und um 20 bis 30 % überschritten ist, und daß anschließend wiederum ein abrupter Anstieg erfolgt, um die Maximalgeschwindigkeit rasch zu erreichen. Auch in der Nähe der Maximalfrequenz von beispielsweise 10 000 Impulsen pro Sekunde bei den oben beschriebenen Ausführungsformen erfolgt keine plötzliche Geschwindigkeitsänderung wie bei den herkömmlichen Anordnungen, sondern es liegt eine langsame Geschwindigkeitsänderung vor, wie es in der Zeichnung angedeutet ist. Somit ist es möglich geworden, die Vibrationen des

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Schlittens zu verringern und ihn glatt und gleichmäßig zu bewegen. Bei diesem Beispiel hat bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Zeitspanne vom Start bis zum Erreichen der Maximalfrequenz einen Wert von T = 30 ms. Unter Berückc sichtigung der entsprechenden Zeitspanne von T = 8O ms beim Stande der Technik ist es somit möglich geworden, die Zeitspanne drastisch zu verkürzen bzw. die Geschwindigkeit der Schlittenbewegung sehr stark zu erhöhen.

^O Selbstverständlich sind die Kurven und numerischen Werte beim Anfahren und Abbremsen bei den verschiedenen Ausführungsformen der oben beschriebenen Art nicht auf die angegebenen Beispiele beschränkt, sondern können entsprechend gewählt werden. Auf diese Weise hängen die optimalen Kurven für das Anfahren und Abbremsen und der Startpunkt für das Abbremsen sehr stark von dem Aufbau des Mechanismus auf der Antriebsseite, Belastungseigenschaften, den elektrischen Eigenschaften des Motors und des Treibers usw. ab. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann jedoch nur durch erneutes Einschreiben des Speicherinhalts im ROM mit Funktionen geeigneter Formen ein Impulsmotorantrieb realisiert werden, der selbstverständlich frei von Ausfällen ist, einen einfachen Aufbau hat und geringe Kosten erfordert, ohne daß dabei eine Zunahme der Lokalisierungszeit oder Bewegungszeit des Schlittens hervorgerufen wird. Darüberhinaus läßt sich die Antriebsvorrichtung nicht nur auf den Impulsmotor anwenden, sondern auch auf die verschiedensten anderen Arten von Motoren, so daß sich die oben beschriebene Anordnung für eine Vielzahl von praktischen Einsatzfällen eignet.

Zusammenfassend wird somit eine Antriebsvorrichtung für einen Motor angegeben, bei der ein eine Probe tragender Schlitten zu einer vorgegebenen Position bewegt wird, indem ein Langsamanfahren bzw. Langsamnbbremson der Geschwindigkeit beim Start bzw. Stopp des Motors erfolgt. Dabei

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ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, die ein Steuerbefehlsignal, das um ein Abbrems-Zeitlntervall kurzer ist als ein vorgegebenes Bewegungsbefehlsignal, und ein Taktsignal liefert, um die Zeitpunkte für das Anfahren bzw. Abbremsen vorzugeben. Eine Zähleinrichtung zählt in Vorwärtsrichtung bei einem logischen "1" Pegel und in RückwärtsrLchtung bei einem logischen "O" Pegel. Eine erste Gatterschaltung bildet auf der Basis des Steuerbefehlsignals und des Taktsignals ein Impulszugsignal, mit dem der Inhalt des Zählers an sämtlichen Stellen auf "1" gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal eine logische "1" ist, während der Inhalt des Zählers an allen Stellen auf "0" gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal eine logische "0" ist. Die Speichereinrichtung liefert, wenn sie ein Apsgangssignal von dem Zähler als Adresseninformation erhält, Funktionsdaten einer willkürlichen Gestalt, die in Abhängigkeit von den Adressen vorher gespeichert worden sind. Der Wandler unterwirft die Ausgangsfunktionsdaten einer Digital-Analog-Wandlung und liefert ein analoges Signal, während ein weiterer Wandler das analoge Signal einer Spannungs-Frequenz-Wandlung unterwirft, um ein Impulszugsignal zu erzeugen. Eine zweite Gatterschaltung führt eine logische UND-Verknüpfung zwischen diesem Impulszugsignal und dem Bewegungsbefehl-

2p signal für den Schlitten durch, während die Antriebseinrichtung dann den Motor mit dem Ausgangssignal antreibt, das aufgrund der logischen UND-Verknüpfung erhalten worden ist.

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MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O 3002501

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HITACHI, LTD. und ^N

NIPPON TELEGRAPH & TELEPHONE PUBLLC CORPORATION

DEA-25 061 - 24. Januar 1980

Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Motors

Pa t en tan sp rüche

1« Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Motors, bei der ein eine Probe tragender Schlitten aus einer Stellung in eine vorgegebene Position bewegt wird, indem ein Langsamanfahren bzw. Langsamabbremsen der Geschwindigkeit beim κ Start bzw. Stopp des Motors erfolgt, gekennzeich-₍ net

durch eine Schaltungsanordnung, die ein Steuerbefehlsignal (2), das um ein Abbrems-Zeitintervall kürzer ist als ein vorgegebenes Bewegungsbefehlsignal (l2), und ein Taktsignal zur Festlegung der Zeitpunkte zum Abbremsen bzw. Anlaufen liefert,
durch einen Zähler (k), der bei einem logischen "1" Pegel

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in Vorwärtsrichtung und bei einem logischen "O" Pegel in Rückwärtsrichtung zählt,

durch eine erste Gatterschaltung (3)> die auf der Basis des Steuerbefehlsignals (2) und des Taktsignals (l) ein Impulszugsignal liefert, mit dem der Inhalt des Zählers

(4) an sämtlichen Stellen auf ¹¹I" gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal (2) den Pegel einer logischen "1" hat, und mit dem der Inhalt des Zählers (4) an sämtlichen Stellen auf "O" gehalten wird, wenn das Steuerbefehlsignal den

^O Pegel einer logischen "0" hat,

durch einen Speicher (6), der bei Erhalt eines Ausgangssignals des Zählers (4) als Adresseninformation Funktionsdaten einer willkürlichen Gestalt liefert, die vorher in Abhängigkeit von den Adressen gespeichert worden sind, durch einen Wandler (7j S)₅ der die Ausgangs-Funktionsdaten einer Digital-Analog-Wandlung und außerdem einer Spannungs-Frequenz-Wandlung unterwirft und ein Impulszugsignal liefert,
durch eine zweite Gatterschaltung, die eine UND-Verknüpfung zwischen dem Itnpulszugsignal und dem Bewegungsbefehlsignal (l2) ausführt, und

durch eine Antriebseinrichtung (l0), die den Motor (ll) mit dem durch die UND-Verknüpfung erhaltenen Ausgangssignal antreibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (ll) ein Impulsmotor (ll) ist₍

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3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die in dem Speicher (6) gespeicherten Funktionsdaten so aufgebaut sind, daß sie eine Antriebsfrequenz liefern, die einen starken Anstieg von einem der c- Frequenz Null entsprechenden Zeitpunkt, einen weichen Anstieg in der Nähe der Selbstanlauffrequenz des Impulsmotors (ll) vor und nach dem Erreichen der Selbstanlauffrequenz, anschließend wiederum einen steilen Anstieg und dann einen weichen Anstieg in der Nähe der Maximalfrequenz be- ^q sitzt, bevor sie die Maximalfrequenz erreicht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Speicher (6) als Festwertspeicher (6) ausgebildet ist.
5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet , daß der Zähler (4) als Vorwärts/Rückwärts-Zähler (k) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (7, 8) aus einem Digital-Analog-Wandler (7) und einem Spannungs-Frequenz-Wandler (8) besteht.

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