JP2002318622A

JP2002318622A - 位置検出信号の補正方法及び位置決め装置

Info

Publication number: JP2002318622A
Application number: JP2001121631A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Inada; 豊稲田; Masaaki Toyama; 正明外山
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-10-31

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】検出精度を高める位置検出センサの誤差補正
方法及び誤差補正のされた位置決め装置を提供する。【解決手段】位置検出センサをアクチュエータと共
に、位置決めステージに組み込み後、所定間隔で指令値
を与え、その指令値毎に、組み込まれた前記位置検出セ
ンサの検出値を得るステップと、前記所定間隔で与えら
れる指令値毎に、前記位置決めステージの外部に設置さ
れた高精度センサの検出値を得るステップと、前記指令
値毎に、前記位置検出センサの検出値と前記高精度セン
サの検出値との差から補正値を求めるステップと、前記
補正値を前記指令値に対応した補正テーブルとして、前
記位置決め装置の制御回路内の記憶手段に記憶するステ
ップと、前記位置決め装置の使用時に、指令値に対応し
た補正値を前記補正テーブルから読み出して、前記位置
検出センサの検出値を補正するステップとにより補正を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タの如き微小なストローク変位を与える精密位置決め装
置に用いられる位置検出センサの誤差補正方法及び、誤
差補正の行われた精密位置決め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電アクチュエータを用いた
位置決め装置としては、特開平１１−０２６８２６号公
報に記載のものがあった。該公報に記載のものは、図６
に示す構成である。

【０００３】図６において、２１は圧電アクチュエータ
であり、指令信号と変位センサ２２とが与えられる差動
増幅器２３の偏差出力に応じた電圧を発生する印加電圧
発生回路２４の出力電圧が印加される。また、２５は、
前記圧電アクチュエータに印加される電圧を検出する印
加電圧検出回路であり、該印加電圧検出回路の検出出力
を補正指令に応じて補正値演算回路２６で補正して前記
変位センサ２２の検出出力に加算している。

【０００４】図６の構成は、図６の圧電アクチュエータ
２１は、電圧を印加すると、歪みを発生する圧電材料で
構成されていて、当該圧電アクチュエータに以前どのよ
うな電圧を印加していたかに応じた履歴によって、変位
量が左右されるシステリシスを有しているのを改善する
ものである。

【０００５】そして、図６の補正指令は、前記圧電アク
チュエータの以前の電圧印加に基づく履歴によるシステ
リシスの影響を除去するための補正信号である。また、
図６の変位センサとしては、静電容量式、磁気式、光学
式等の種々のものを対象としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】圧電アクチュエータの
微小変位の変位量を検出する、位置検出手段として静電
容量型等センサを用いた場合に、その検出値に下記の如
きアナログ回路による検出信号の直線化処理特有の非直
線的誤差が生じて、精密な位置決めができないという問
題点があった。

【０００７】位置検出センサとして静電容量型センサを
用いた場合の特性に関して、図７を用いて説明する。図
７は、指令値に対する実際の移動量をレーザ干渉計を用
いて静電容量型センサの直線性精度を評価したグラフで
ある。レーザ干渉計はその原理から直線性誤差がppmオ
ーダと極めて精度の高いセンサで、長さ測定の基準とな
っている。

【０００８】図７の(b)は、レーザ干渉計の検出値（図
７(a)）で静電容量型センサの検出値の誤差を拡大して
プロットしたものである。このように静電容量型センサ
等では、アナログ回路で直線化処理を行っているので、
位置に対する測定結果は図７(b)で示されるように、指
令値（0〜50000nm）に対して、位置測定誤差がS字型の
非直線的な特性（図７の右側目盛参照）を示す。この静
電容量型センサは、前記レーザ干渉計に比較して、小型
であると共に、安価である。

【０００９】このように、静電容量型センサの分解能は
フルストロークの0.01％程度と極めて高いものの、直線
性精度はフルストロークの0.1％程度に留まる。このこ
とは、厳密な意味での位置検出精度が0.1％程度しか得
られないということを意味している。

【００１０】しかし、静電容量型センサは、小型で安価
であると共に、検出精度がレーザ干渉計に比較して劣っ
ているが、図７の(b)に示す特性は、経時安定性及び再
現性に極めて優れているので、その測定精度の改善が望
まれていた。

【００１１】本発明の課題（目的）は、小型で安価な静
電容量型センサを用いて、その位置検出信号に対して、
予めテーブルとして記憶された補正値によって、フィー
ドバック演算時に補正を行うことによって、より検出精
度を高める静電容量型センサの誤差補正方法及び誤差補
正のされた位置決め装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、指令値に応じたアクチュエータの微小変位量を検出
する、位置検出センサを用いた位置決め装置における、
位置検出信号の補正方法において、前記位置検出センサ
を前記アクチュエータと共に、位置決めステージに組み
込み後、所定間隔で指令値を与え、その指令値毎に、組
み込まれた前記位置検出センサの検出値を得るステップ
と、前記所定間隔で与えられる指令値毎に、前記位置決
めステージの外部に設置された高精度センサの検出値を
得るステップと、前記指令値毎に、前記位置検出センサ
の検出値と前記高精度センサの検出値との差から補正値
を求めるステップと、前記補正値を前記指令値に対応し
た補正テーブルとして、前記位置決め装置の制御回路内
の記憶手段に記憶するステップと、前記位置決め装置の
使用時に、指令値に対応した補正値を前記補正テーブル
から読み出して、前記位置検出センサの検出値を補正す
るステップと、によって位置検出センサを用いた位置決
め装置における位置検出信号の補正を行うので、小型で
安価なセンサを用いて、より精度の高い位置決めができ
る。（請求項１）

【００１３】また、前記補正値テーブルを作成する際の
前記指令値の所定間隔を、２のｎ乗ピッチ（２，４，
８，１６，３２，６４，１２８，２５６，５１２・・
・）とすることによって、ＣＰＵの処理は２進数である
ので、２のｎ乗の区間で補正をかけることによりＣＰＵ
の演算処理が極めて高速にできる。また、演算が簡単な
プログラムですむので、プログラムコードが少なくて済
む（請求項２）また、前記位置決め装置の使用時に、指令値に対応した
補正値を前記補正テーブルから読み出すに際して、当該
指令値に一致する値が、補正テーブルに存在しない時
に、当該指令値の前後の補正値に基づいて補間を行うス
テップとによって、補正テーブルに該当する指令値が存
在しない場合も精度の良い補正を行うことができる。し
たがって、補正テーブルのデータ数を少なくすることが
可能になる。（請求項３）また、前記補正値の補間として、平均値補間でも良い。
（請求項４）また、前記補正値の補間として、当該指令値との偏差に
応じた比例値補間でも良い。（請求項５）

【００１４】また、前記位置検出センサとして、小型で
安価な静電容量型センサを用いた場合には、静電容量型
センサ特有のアナログ回路で直線化処理に伴う、位置測
定誤差がS字型の非直線的な特性を補正することができ
る。（請求項６）

【００１５】また、指令値に応じたアクチュエータの微
小変位量を検出する、位置検出センサを用いた位置決め
装置において、前記位置検出センサを前記アクチュエー
タと共に、位置決めステージに組み込み後、所定間隔で
指令値を与え、その指令値毎に、組み込まれた前記位置
検出センサの検出値を得ると共に、前記所定間隔で与え
られる指令値毎に、前記位置決めステージの外部に設置
された高精度センサの検出値を得て、前記指令値毎に、
前記位置検出センサの検出値と前記高精度センサの検出
値との差から補正値を求めた前記指令値に対応した補正
テーブルとして記憶する記憶手段と、前記位置決め装置
の使用時に、指令値に対応した補正値を前記補正テーブ
ルから読み出して、前記位置検出センサの検出値を補正
する補正手段と、とを備えることによって、小型で安価
な位置検出センサを用いて、より位置決め精度の高い精
密位置決め装置が得られる。（請求項７）また、前記位
置検出センサとして、小型で安価な静電容量型センサを
用いた場合にも、静電容量型センサ特有のアナログ回路
で直線化処理に伴う、位置測定誤差がS字型の非直線的
な特性を補正することができる。（請求項８）

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の静電容量型セン
サの誤差補正方法が適用される位置決め装置の装置構成
を示す図である。なお、位置検出センサとしては、静電
容量型センサが望ましいが、渦電流型センサ、光ファイ
バー型センサ、レーザ変位計等の、検出分解能と経時安
定性と再現性に優れたセンサであれば、直線性精度があ
る程度悪くとも使用が可能である。図１において、ホス
トコンピュータ１から指令値を与えられた位置決めコン
トローラ２には、静電容量型センサ３からの位置検出信
号がセンサアンプ４を介して与えれる。また、前記指令
信号とセンサアンプとの比較偏差出力は駆動アンプ５を
介して移動テーブル４に設置されたアクチュエータ（例
えば、圧電アクチュエータ）６に供給されてフィードバ
ックループを構成している。なお、アクチュエータとし
ては、必ずしも圧電アクチュエータである必要はなく、
磁歪アクチュエータ等を使用することが可能である。ま
た、静電容量センサ３と圧電アクチュエータ６は、微小
変位を与える移動テーブル７に組み込まれている。

【００１７】また、図２は、本発明の静電容量型センサ
の誤差補正方法が適用される位置決め装置における信号
の流れ示す図である。図２において、位置センサ３及び
圧電アクチュエータ（圧電Act）６は図１と同じであ
る。

【００１８】また、ＣＰＵ２０、補正テーブル２１、ア
ナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）２３、デジタル・ア
ナログ変換器（Ｄ／Ａ）で、位置決めコントローラを構
成している。ＣＰＵ２０には、指令信号と位置検出セン
サからの位置検出信号及び補正テーブルから読み出され
た補正信号が与えられて、静電容量型センサの検出値の
補正をおこなって、より精度の高い位置決めが行われ
る。

【００１９】次に、本発明における静電容量型センサの
検出値の補正テーブルの作成の手順を以下に説明する。
まず、図１に示す如く、位置検出センサとしての静電容
量型センサ３及び圧電アクチュエータ６を移動テーブル
７に組み込んだ後に、ホストコンピュータ１から図３及
び４に示すように、指令値１〜100（イ）として、所定
間隔（512nm）で与えて、各指令値毎に、外部超高精度
センサ（レーザ干渉計等）で正確に定ピッチ移動させて
移動テーブルに組み込まれた静電容量型センサ３にて測
定する。

【００２０】その測定結果が図３及び４のレーザ干渉計
の計測値（ロ）と、ＦＢ検出センサ（静電容量型セン
サ）の計測値（ハ）である。この場合、前記レーザ干渉
計計測値は、高精度であるので、指令値と等しいとして
いる。

【００２１】次に、レーザ干渉計測定値（ロ）とＦＢ検
出センサ計測値（ハ）との偏差を各指令値毎に求めて、
図３及び４の（ニ）に示すＦＢセンサ誤差を得る。次
に、得られたＦＢセンサ誤差に基づいて補正値を得る。
理想的には補正値は、補正後の誤差が零に近い値になる
ように選択され、指令分解能全点に対して補正値を準備
することで可能となるが、現実的には所定間隔での補正
値測定を行うので、この表にあるように補正後も１〜２
nm程度の誤差が残る。

【００２２】上記の如く、全ての指令値（イ）０から１
００に対して、レーザ干渉計計測値（ロ）、FB検出セン
サ計測値（ハ）、ＦＢセンサ誤差（ニ）、補正値
（ホ）、補正後（へ）及び補正後誤差（ト）を求めて、
補正テーブルを作成して記憶手段に記憶しておく。な
お、この補正テーブルは、移動テーブルに組み込まれた
圧電アクチュエータ及び静電容量型センサの組合せ毎に
得られるので、同じ種類の組合せでも、装置毎に、上記
測定を行って装置個別の補正テーブルを得て記憶する望
ましい。しかし、同じ種類の組合せの場合には、静電容
量型センサは同様の誤差の傾向があるので、或程度のエ
ラーを許容する場合には、他の装置で作成した補正テー
ブルを使用することも可能である。

【００２３】次に、補正テーブルが記憶された、位置決
め装置における静電容量型センサの誤差補正の仕方につ
いて、説明する。図８は、前記図３及び４を簡略化した
ものであって、この図を用いて誤差補正の例（各区間の
補正値は、補正テーブルにおける前後の直近値の平均値
補間であって、四捨五入した整数の場合）を説明する。

【００２４】図８のに示す補正値が記憶された補正テー
ブルを有する位置決め装置において、指令値が、1536〜
2048nm区間の場合には、1536nmにおける補正値＋２と、
2048nmの補正値＋３を求めて、（２＋３）／２＝2.5＝
＋３となり、この補正値がＦＢ検出センサの計測値に加
えられることになる。補正値の補間は、平均値補間のみ
ではなく、当該指令値との偏差に応じた比例値補間とす
ることも可能である。

【００２５】また、補間をせずに、補正テーブルの各区
間の場合には、当該指令値の直近上位（又は下位）の補
正値をその区間の補正値とすることも可能である。その
場合には、例えば、指令値が50176〜50688nmの間の範囲
にあれば、ＦＢセンサ計測値から52nmを引いた値をＦＢ
センサの計測値としてフィードバック制御が行われる。

【００２６】上述の如く、静電容量型センサの計測値に
対する補正テーブルを設けた場合には、図５に示すよう
な出力特性になる。図５において、(a)は指令値（実際
の位置に対応する）をレーザ干渉計のような高精度セン
サで測定した測定結果であって、指令値（0〜51200nm）
に対してほぼ比例した非常に精度の良い測定値（図５の
左側目盛参照）が得られる。また、（ｂ）は補正後の位
置測定誤差の指令値（実際の位置）0〜51200nmに対する
変動を示し（図５の右側目盛参照）、全ての範囲に亘っ
て±２nm以内（図５で示した0〜49719nm範囲内では±１
nm）に入っていて、位置決めの精度が大幅に改善されて
いることは明らかである。

【００２７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明では、指令値に応
じたアクチュエータの微小変位量を検出する、位置検出
センサを用いた位置決め装置における、位置検出信号の
補正方法において、前記位置検出センサを前記アクチュ
エータと共に、位置決めステージに組み込み後、所定間
隔で指令値を与え、その指令値毎に、組み込まれた前記
位置検出センサの検出値を得るステップと、前記所定間
隔で与えられる指令値毎に、前記位置決めステージの外
部に設置された高精度センサの検出値を得るステップ
と、前記指令値毎に、前記位置検出センサの検出値と前
記高精度センサの検出値との差から補正値を求めるステ
ップと、前記補正値を前記指令値に対応した補正テーブ
ルとして、前記位置決め装置の制御回路内の記憶手段に
記憶するステップと、前記位置決め装置の使用時に、指
令値に対応した補正値を前記補正テーブルから読み出し
て、前記位置検出センサの検出値を補正するステップ
と、によって位置検出センサを用いた精密位置決め装置
における位置検出信号の補正を行うので、小型で安価な
位置検出センサを用いて、より精度の高い位置決めがで
きる。また、従来の静電容量型センサや渦電流型センサ
等の位置検出センサにおいては、センサプローブとセン
サアンプが組み合わさった形で校正されていたので、セ
ンサプローブかセンサアンプのどちらか一方が故障した
際には、セットで交換する必要があった。本発明の場合
には、センサアンプは同じ特性になるように調整されて
おり、センサプローブの特性を補正するデータがテーブ
ル化されているので、センサプローブの故障の際には、
センサプローブを交換して、補正テーブルのデータを書
き換えれば良いので、センサプローブの互換性が確保で
きる。また、従来は、アナログ回路において、カットア
ンドトライで時間をかけて調整を行なっていたのが、本
発明の場合には、補正用のデータを自動的にとって、テ
ーブル化できるので、生産効率を向上させ、コストダウ
ンが可能になる。

【００２８】また、請求項２に記載の発明では、前記補
正値テーブルを作成する際の前記指令値の所定間隔を、
２のｎ乗ピッチ（２，４，８．１６，３２，６４，１２
８，２５６，５１２・・・）とすることによって、ＣＰ
Ｕの処理は２進数であるので、２のｎ乗の区間で補正を
かけることによりＣＰＵの演算処理が極めて高速にでき
る。その結果、演算が簡単なプログラムですむので、プ
ログラムコードが少なくて済む。また、請求項３記載の
発明では、前記位置決め装置の使用時に、指令値に対応
した補正値を前記補正テーブルから読み出すに際して、
当該指令値に一致する値が、補正テーブルに存在しない
時に、当該指令値の前後の補正値に基づいて補間を行う
ステップとによって、補正テーブルに該当する指令値が
存在しない場合のも精度の良い補正を行うことができ
る。したがって、補正テーブルのデータ数を少なくする
ことが可能になる。また、請求項４に記載の発明では、
前記補正値の補間として、平均値補間でも良い。また、
請求項５に記載の発明では、前記補正値の補間として、
当該指令値との偏差に応じた比例値補間でも良い。

【００２９】また、請求項６に記載の発明では、前記位
置検出センサとして、小型で安価な静電容量型センサを
用いた場合には、静電容量型センサ特有のアナログ回路
で直線化処理に伴う、位置測定誤差がS字型の非直線的
な特性を補正することができる。（請求項５）

【００３０】また、請求項７に記載の発明では、指令値
に応じたアクチュエータの微小変位量を検出する、位置
検出センサを用いた位置決め装置において、前記位置検
出センサを前記アクチュエータと共に、位置決めステー
ジに組み込み後、所定間隔で指令値を与え、その指令値
毎に、組み込まれた前記位置検出センサの検出値を得る
と共に、前記所定間隔で与えられる指令値毎に、前記位
置決めステージの外部に設置された高精度センサの検出
値を得て、前記指令値毎に、前記位置検出センサの検出
値と前記高精度センサの検出値との差から補正値を求め
た前記指令値に対応した補正テーブルとして記憶する記
憶手段と、前記位置決め装置の使用時に、指令値に対応
した補正値を前記補正テーブルから読み出して、前記位
置検出センサの検出値を補正する補正手段と、とを備え
ることによって、小型で安価な静電容量型センサを用い
て、より位置決め精度の高い精密位置決め装置が得られ
る。また、請求項８に記載の発明では、前記位置検出セ
ンサとして、小型で安価な静電容量型センサを用いた場
合にも、静電容量型センサ特有のアナログ回路で直線化
処理に伴う、位置測定誤差がS字型の非直線的な特性を
補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の位置決め装置の構成を示す図である。

【図２】本発明の信号の流れを示す図である。

【図３】本発明の計測データを示す表１である。

【図４】本発明の計測データを示す表２である。

【図５】本発明の補正手段で補正された結果を示す図で
ある。

【図６】従来の位置決め装置の構成を示す図である。

【図７】静電容量型センサの特性を示す図である。

【図８】補正テーブルを使用した補正値の計算の例を説
明するための図である。

【符号の説明】

１ホストコンピュータ２位置決めコントローラ３静電容量型センサ４センサアンプ５駆動アンプ６圧電アクチュエータ７移動テーブル２０ＣＰＵ２１補正テーブル２２デジタル・アナログ変換器２３アナログ・デジタル変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】指令値に応じたアクチュエータの微小変
位量を検出する、位置検出センサを用いた位置決め装置
における、位置検出信号の補正方法において、前記位置検出センサを前記アクチュエータと共に、位置
決めステージに組み込み後、所定間隔で指令値を与え、
その指令値毎に、組み込まれた前記位置検出センサの検
出値を得るステップと、前記所定間隔で与えられる指令値毎に、前記位置決めス
テージの外部に設置された高精度センサの検出値を得る
ステップと、前記指令値毎に、前記位置検出センサの検出値と前記高
精度センサの検出値との差から補正値を求めるステップ
と、前記補正値を前記指令値に対応した補正テーブルとし
て、前記位置決め装置の制御回路内の記憶手段に記憶す
るステップと、前記位置決め装置の使用時に、指令値に対応した補正値
を前記補正テーブルから読み出して、前記位置検出セン
サの検出値を補正するステップと、を含むことを特徴とする位置検出センサを用いた位置決
め装置における位置検出信号の補正方法。
【請求項２】前記補正値テーブルを作成する際の前記
指令値の所定間隔は、２のｎ乗ピッチ（２，４，８，１
６，３２，６４，１２８，２５６，５１２・・・）であ
ることを特徴とする請求項２に記載の位置検出センサを
用いた位置決め装置における位置検出信号の補正方法。
【請求項３】前記位置決め装置の使用時に、指令値に
対応した補正値を前記補正テーブルから読み出すに際し
て、当該指令値に一致する値が、補正テーブルに存在し
ない時に、当該指令値の前後の補正値に基づいて補間を
行うステップと、を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検
出センサを用いた位置決め装置における位置検出信号の
補正方法。
【請求項４】前記補正値の補間は、平均値補間である
ことを特徴とする請求項３に記載の位置検出センサを用
いた位置決め装置における位置検出信号の補正方法。
【請求項５】前記補正値の補間は、当該指令値との偏
差に応じた比例値補間であることを特徴とする請求項３
に記載の位置検出センサを用いた位置決め装置における
位置検出信号の補正方法。
【請求項６】前記位置検出センサが静電容量型センサ
であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか1項に
記載の位置検出センサを用いた位置決め装置における位
置検出信号の補正方法。
【請求項７】指令値に応じたアクチュエータの微小変
位量を検出する、位置検出センサを用いた位置決め装置
において、前記位置検出センサを前記アクチュエータと共に、位置
決めステージに組み込み後、所定間隔で指令値を与え、
その指令値毎に、組み込まれた前記位置検出センサの検
出値を得ると共に、前記所定間隔で与えられる指令値毎
に、前記位置決めステージの外部に設置された高精度セ
ンサの検出値を得て、前記指令値毎に、前記位置検出セ
ンサの検出値と前記高精度センサの検出値との差から補
正値を求めた前記指令値に対応した補正テーブルとして
記憶する記憶手段と、前記位置決め装置の使用時に、指令値に対応した補正値
を前記補正テーブルから読み出して、前記位置検出セン
サの検出値を補正する補正手段と、とを備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項８】前記位置検出センサが静電容量型センサ
であることを特徴とする請求項７項に記載の位置決め装
置。