すべての人に適したシステムは存在しません。

高精度位置決めシステムを構成するコンポーネント（ベースとベアリング、位置測定システム、モーターと駆動システム、そしてコントローラ）は、可能な限りスムーズに連携して動作する必要があります。パート1では、システムベースとベアリングについて説明しました。今回は位置測定について解説します。パート3では、ステージ、駆動装置、エンコーダの設計、駆動アンプ、そしてコントローラについて解説します。

位置測定システム

一般的に、コントローラは「オープンループ」と「クローズドループ」に分類できます。オープンループコントローラ（一般的にステッピングモーターで使用される）では、コントローラが発するすべてのパルスがスライドに一定の変位を引き起こします。しかし、その変位量を正確に測定する方法はありません。例えば、500パルスが発せられたとしても、スティクション、ボールねじの公差、ヒステリシス、巻き取り誤差などにより、テーブルは実際には498パルスしか移動していない可能性があります。大きな欠点は、位置決め誤差の補正が行われないことです。

閉ループシステム、またはサーボシステムでは、位置エンコーダがコントローラにフィードバックを提供します。コントローラは、スライドが正確な目標位置に到達するまで、モーター制御信号を送信し続けます。

上の図は位置フィードバックのないスライドです。その後にスライドの位置を測定する一般的な 3 つの方法が示されています。
• モーターまたはボールねじ軸に取り付けられた位置エンコーダ。
• スライドに取り付けられたリニアエンコーダ。
• スライド上にミラーが取り付けられたレーザー干渉計。

最初の方法では、スライドの位置は間接的に測定されます。位置エンコーダは駆動軸に取り付けられています。スライドと位置エンコーダ間の機械部品の公差、摩耗、コンプライアンスにより、スライドの目標位置と実際の位置の間に偏差が生じます。ボールねじと組み合わせると、スライドの精度はせいぜいボールねじの精度によって制限されます。標準的な精度は、300mmの移動量あたり±5～±10mmです。

ほとんどの直線測定システムは、高精度ガラススケールと光電式測定ヘッドで構成されています。スケールまたは測定ヘッドのいずれかが可動スライドに直接取り付けられ、スライドの位置を直接測定します。ボールねじの精度による誤差は発生しません。スケール自体の典型的な精度は±1～±5 mm/mです。これは、測定ヘッドの位置におけるスライド自体の精度でもあります。

ステージ負荷（位置精度こそが真の関心事です）は、測定スケールから常にある程度の距離を移動方向に対して垂直な方向に測定されます。これは、ほとんどのエンコーダがスライドの下に配置され、負荷がスライドの上にあるためです。これは、積層ステージの場合、さらに顕著になります。移動中に、ベアリングウェイの真直度の偏差や反転誤差などによってスライドが多少傾くと、負荷とエンコーダの位置の間に相対的な偏差が生じます。

積層XYステージに見られるような、大きなオフセットを伴う小さな角度誤差は、スケールの不正確さを増幅させる可能性があります。つまり、測定スケールは測定ヘッドが取り付けられている箇所でのみ正確な位置情報を提供します。

たとえば、精密ロール特性を持つモーション ステージでは、通常、約 ±5 秒角の角度誤差が見られます (1 秒角 = 1/3,600 度、または約 5 μrad)。負荷とスケール間の距離が 100 mm の場合、位置決め誤差は ±2.5 mm になります。

極めて高精度なアプリケーションには、平面鏡を用いたレーザー干渉計位置決めフィードバックシステムが最適です。ヘリウムネオンレーザーの波長632.8 nmが標準です。1ナノメートルは1×10-9メートルです。安定化レーザー光源では約±0.1 mm/mの精度が可能で、最大分解能はλ/1,024（0.617 μm）です。ラムダ（λ）は光の波長です。

主な利点は、ミラーを荷重のかかる箇所、つまり精度が真に重要となる箇所に設置できることです。これにより、アベ誤差は排除されます。ミラーの平坦度（通常はサブミクロン単位）が、スライドの直線性を決定します。

さらに、XY ステージの動きは動作面の外側の固定点を基準とするため、フィードバックによってスライドが一定の距離に維持され、XY システムの垂直度のずれが自動的に補正されます。

空気中の光の波長は、空気中の光速に依存します。光速は、気温、気圧、相対湿度などの関数です。測定スケールを使用する場合、温度変化はスケール材質の膨張により測定誤差をもたらします。ガラス製およびスチール製のスケールの典型的な膨張係数は、1℃あたり8mm/mおよび10mm/mです。レーザー干渉計では、安定した環境を維持できない場合でも、オプションの自動補正コンポーネントを使用して大気の変化を補正できます。