JP2006194714A - フィードバック制御可能な位置決め台 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィードバック制御可能な位置決め台の提供。
【解決手段】 中空状のベース内に複数組の連結機構で位置決め台が架設され、該連結機構は板バネで製造されたヒンジ式の機構とされ、ベースと位置決め台間の各軸方向位置にアクチュエータが取り付けられ、アクチュエータの作動時に、位置決め台がベース内で各軸方向の微幅の移動可能で、並びに連結機構を押圧して変形させ、別に連結機構にひずみゲージが取り付けられて連結機構の弾性変形量を検出し、ひずみゲージが電子信号をコントローラにフィードバックし、コントローラの演算により制御信号を修正してアクチュエータを正確に作動させ、位置決め台を正確な位置に移動させる。
【選択図】 図３

Description

本発明はひずみゲージを利用して位置決め台の連結機構の変形量を測定し、並びに測定して得られた信号をコントローラにフィードバックし、並びにコントローラの演算によりアクチュエータの作動を修正し、これにより低コストの方式で、大幅に位置決め台の位置決め精度を向上するフィードバック制御可能な位置決め台に関する。

伝統的な機械式フィードシステムの多くはガイドスクリュー、歯車、ベルト、軸受及びスライドレール等の機械部品を使用しており、このような機械部品は装置公差或いは組立誤差により位置決め精度が制限され、並びに装置間の摩擦接触が位置決め台の安定度を低下させる。このため伝統的な機械式フィードシステムの精度をナノメータレベルまで向上するには、その組立及び装置加工精度の要求が非常に重要となり、並びに適当な潤滑により摩擦を減らすことも必要である。このため、このような技術のネックにより超精密位置決めシステムの価格は下がることがなかった。

伝統的な位置決めシステムの設計上の困難を突破するため、現在比較的よく使用されている技術は撓み性構造（Ｆｌｅｘｕｒｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の採用であり、それは、ベース内に撓み性構造で位置決め台を接続し、更に圧電アクチュエータを位置決め台の駆動源とし、アクチュエータの材料変形を利用し、位置決めの精度を達成し、撓み性構造を先の機械式のレボリュート対（Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｐａｉｒ）、プリスマティック対（Ｐｒｉｓｍａｔｉｃ Ｐａｉｒ）と球面対（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｐａｉｒ）の代わりに採用することで、機械部品組立誤差、装置接触面摩擦、粘着損耗（Ｓｔｉｃｋ ｌｏｓｓ）と温度上昇、及び剛性低下等の欠点を防止し、並びに位置決め台のマイクロ化の発展にあって、微小部品加工の困難を防止する。

このような圧電式位置決め台は、ナノメータ検出とナノメータ製造上、既に相当に広く応用されているが、圧電アクチュエータ自身はクリープ（ｃｒｅｅｐ）及び遅延（ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ）の非線形効果（図１の圧電アクチュエータの作動曲線図に示されるとおり）を有するため、圧電式位置決め台の位置決め性能に影響が生じ、この非線形の減少はフィードバック制御により消去される必要がある。このほか、撓み性位置決め台は間隙が無く組立誤差がない特性を有するものの、位置決め台は異なる軸方向間の干渉の誤差を有し得るが、この誤差もフィードバック制御により消去しうる。

特許文献１にはフィードバック制御の位置決め台が記載され、それは、一組の、二つの垂直軸方向に駆動される撓み性位置決め台を具え、その使用するアクチュエータは双圧電アクチュエータ（Ｂｉｍｏｒｐｈ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ）とされ、並びに撓み性板バネを利用し位置決め台の進行方向を案内する。図２を参照されたい。そのうち、符号１０と２０は上述の双圧電アクチュエータとされ、符号１１〜１４及び２１〜２４は撓み性板バネとされる。アクチュエータが作動し並びに位置決め台が移動した後、位置センサ１５、２５により位置決め台の移動が測定され、測定された信号がコントローラ３０にフィードバクされ、更にコントローラ３０によりアクチュエータ１０、２０の作動が制御され、これにより正確な位置決めが達成される。この特許のフィードバックは位置センサにより達成され、位置センサの精度が直接位置決め台の位置決め精度に影響を与える。現在常用されている位置センサはコンデンサ式位置センサ或いはレーザーインターフェロメーター（ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）とされ、位置センサの組付け精度要求は極めて高い。コンデンサ式位置センサを例に挙げると、センサと被測定物の間の距離は数μｍから数百μｍ内とされ、平行度は所定範囲内でなければならず、この組付けは経験と測定機器による校正に依存し、且つその回路設計は複雑でコストがかかり、レーザーインターフェロメーターの体積は膨大で製造価格も高く、このため圧電位置決め台のクローズループシステムは設計が容易でなくなり、製造コストを下げることができない。

米国特許第６，５５５，８２９号明細書

本発明の主要な目的は、一種のフィードバック制御可能な位置決め台を提供することにあり、それは、板バネで製造された複数組のヒンジ式連結機構で位置決め台が架設され、位置決め台の各軸方向位置にそれぞれアクチュエータ、例えば圧電式アクチュエータが取り付けられ、並びに連結機構にひずみ量を測定できるひずみゲージが設けられ、圧電アクチュエータが作動し並びに位置決め台が移動する時、位置決め台が連結機構を押圧し並びにそれに変形を発生させ、ひずみゲージが該連結機構の変形量を測定し、並びに測定して得られた信号をコントローラにフィードバックし、コントローラが演算によりアクチュエータの作動を修正制御し、位置決め台を正確に位置決めするとしている。これにより、ひずみゲージの信号を移動信号に換算することで、有効に設備にコストを減らすと共に、正確な位置決めを行なうフィードバック制御効果を達成するとしている。

本発明の別の目的は、一種のフィードバック制御可能な位置決め台を提供することにあり、それは、メイン位置決め台内に板バネで製造された複数組のヒンジ式の連結機構でサブ位置決め台が架設され、メイン位置決め台及びサブ位置決め台の異なる軸方向位置上にアクチュエータが取り付けられ、並びに各位置決め台の連結機構にひずみ量を測定できるひずみゲージが取り付けられるとしている。これにより、異なる軸方向のひずみゲージが測定した信号がコントローラにフィードバックされ、コントローラによる演算対比及び各アクチュエータの作動に対する修正制御により、作動時に各軸方向間の干渉を減らし、これにより正確な位置決めのフィードバック制御効果を達成すると共に、多軸位置決めの効果も達成できるとしている。

請求項１の発明は、フィードバック制御可能な位置決め台において、
ベースと、
該ベース内に設けられた少なくとも一つの位置決め台と、
該位置決め台を接続架設する複数組の連結機構と、
該位置決め台に接続され、並びに位置決め台を軸方向に駆動して移動させる少なくとも一つのアクチュエータと、
該連結機構に設けられて連結機構の変形量を測定するひずみゲージと、
を具えたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項２の発明は、請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、ひずみゲージの出力信号がコントローラに接続され、コントローラの演算により、制御信号がアクチュエータに出力されてアクチュエータの作動信号が修正されることを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項３の発明は、請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、位置決め台が多軸方向に移動可能な位置決め台とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項４の発明は、請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、位置決め台が一組の積層式の位置決め台構造とされ、各層の位置決め台が単一軸方向或いは多軸方向に移動可能とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項５の発明は、請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、連結機構の少なくとも一組が撓み性機構とされ、その他の連結機構が撓み性機構、レボリュート対（Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｐａｉｒ）、プリスマティック対（Ｐｒｉｓｍａｔｉｃ Ｐａｉｒ）或いは球面対（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｐａｉｒ）とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項６の発明は、請求項５記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、撓み性機構とされた連結機構が板バネで構成された撓み性機構とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項７の発明は、請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、アクチュエータが圧電材料、線形モータ、或いは回転モータとされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項８の発明は、請求項７記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、圧電材料とされたアクチュエータが撓み性ヒンジ対で位置決め台に接続されたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項９の発明は、請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、アクチュエータが位置決め台の移動方向により、一つ或いは一つ以上の軸方向に分布するよう配置されて位置決め台を一つ或いは一つ以上の軸方向に移動させることを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。
請求項１０の発明は、請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、ひずみゲージがアクチュエータの反対側の連結機構に設けられたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台としている。

本発明は一種のフィードバック制御可能な位置決め台を提供し、それは、中空状のベース内に複数組の連結機構で位置決め台が架設され、該連結機構は板バネで製造されたヒンジ式の機構とされ、ベースと位置決め台間の各軸方向位置にアクチュエータが取り付けられ、アクチュエータの作動時に、位置決め台がベース内で各軸方向の微幅の移動可能で、並びに連結機構を押圧して変形させ、別に連結機構にひずみゲージが取り付けられて連結機構の弾性変形量を検出し、ひずみゲージが電子信号をコントローラにフィードバックし、コントローラの演算により制御信号を修正してアクチュエータを正確に作動させ、位置決め台を正確な位置に移動させる。

図３に示されるように、本発明のベース４０と位置決め台４１は、ベース上に線切削或いは放電加工の方式で貫通する溝４２が形成され、ベース４０内の中空位置に位置決め台４１が設けられ、位置決め台４１の各角部が連結機構４３でベース４０内に架設され、そのうち、該連結機構４３はヒンジ式撓み性機構、レボリュート対（Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｐａｉｒ）、プリスマティック対（Ｐｒｉｓｍａｔｉｃ Ｐａｉｒ）或いは球面対（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｐａｉｒ）とされ、ベース４０と位置決め台４１の間の間の第１軸方向位置（例えばＸ軸方向）に、撓み性ヒンジ対４４１、４５１により接続されたアクチュエータ４４、４５が設けられ、該アクチュエータ４４、４５は圧電材料、線形モータ或いは回転モータとされ得て、並びにアクチュエータ４４、４５の反対側にもう一つのヒンジ式の連結機構４６が設けられ、別に、ベース４０と位置決め台４１間の第２軸方向位置（例えばＹ軸方向）に、ヒンジ対４７１、４８１により接続されたアクチュエータ４７、４８が設けられ、そのうち該アクチュエータ４７、４８の反対側にもう一つのヒンジ式の連結機構４９が設けられている。図４を参照されたい。位置決め台４１のそのうち一つの角部のヒンジ式連結機構４３は、双Ｌ形の板バネ４３１で形成されたヒンジ式機構である。図３、５に示されるように、アクチュエータ４４、４５の反対側のヒンジ式の連結機構４６もまた、もう一種の形態の双Ｌ形板バネ４６１で製造されたヒンジ式の撓み性機構とされ、該アクチュエータ４４、４５が作動時に、位置決め台４１はベース内で第１軸方向の移動可能で、並びに連結機構４６を押圧し、板バネ４６１を変形させる。本発明の板バネ４６１の一側にはひずみゲージ５０、例えば抵抗式ひずみゲージが取り付けられて、板バネ４６１の変形量を測定する。図３、６に示されるように、同様に、アクチュエータ４７、４８の反対側のヒンジ式の連結機構４９もまた、別形態の双Ｌ形板バネ４９１で形成されたヒンジ式の撓み性機構であり、アクチュエータ４７、４８が作動する時、位置決め台４１はベース内で第２軸方向の移動可能で、並びに連結機構４９を押圧し、板バネ４９１を変形させる。本発明の板バネ４９１の一側にはひずみゲージ５１が取り付けられて板バネ４９１の変形量を測定する。

ひずみゲージは既に多くの試験及び測定に応用され、それは大部分の固態物質の伸長或いは圧縮の物理現象を測定でき、このため被試験物にひずみゲージを取り付ければそのひずみを測定でき、被試験物がひずみを有する時、ひずみ量はひずみゲージに伝えられ、その電気特性を改変する。図７に示されるように、本発明の第１軸方向の板バネの一側に取り付けられたひずみゲージが測定した位置決め台の第１軸方向の移動と、ひずみゲージの出力信号の関係曲線は、線形関係とされる。図８に示されるように、本発明の第２軸方向の板バネの一側に取り付けられたひずみゲージが測定した位置決め台の第２軸方向の移動と、ひずみゲージの出力信号の関係曲線は、線形関係とされる。これにより、ひずみゲージの信号は位置決め台の移動情況に対応する。

図５、６、９を参照されたい。本発明はひずみゲージ５０、５１の電圧信号変化を利用し、フィートストンブリッジ（Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ ｂｒｉｄｇｅ）を利用して増幅し、信号をコントローラ５２にフィードバックし、コントローラ５２の演算により、アクチュエータを制御してアクチュエータの制御信号を修正し、位置決め台の移動に正確位置決めの目的を達成させる。本発明は初期校正ステップ時に、先ず高精度のレーザーインターフェロメーターを利用しひずみゲージの信号を対比し、並びに対比の結果に基づき、コントローラの変換演算方式を決定し、位置決め台の実際の運転時に、高価なレーザーインターフェロメーターを位置センサとして使用せずに、直接ひずみゲージの信号を移動信号に換算し、且つその正確性を失わずに、正確なフィードバック制御の効果を達成する。

図１０を参照されたい。本発明はひずみゲージの信号を位置決め台作動制御の信号源とし、コントローラの演算とアクチュエータの制御信号修正の後、位置決め台を移動させる時、正確な線形度を具備するようにし、並びに定点に移動した後に定点上の位置決めを保持できるようにし、正確な位置決めの目的を達成する。

図１１に示されるように、本発明は各軸方向間の干渉を減らすため、ベース６０内にメイン位置決め台６１が設けられ、メイン位置決め台６１の各角部がヒンジ式の連結機構６２によりベース６０内に架設され、そのうち、該連結機構６２の少なくとも一組がヒンジ式撓み性機構とされ、その他の連結機構はレボリュート対（Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｐａｉｒ）、プリスマティック対（Ｐｒｉｓｍａｔｉｃ Ｐａｉｒ）或いは球面対（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｐａｉｒ）とされうる。ベース６０とメイン位置決め台６１間の第１軸方向位置にアクチュエータ６３が設けられ、別にメイン位置決め台６１内にサブ位置決め台６４が設けられ、サブ位置決め台６４の各角部がヒンジ式の連結機構６５でメイン位置決め台６１内に架設され、そのうち、該連結機構６５の少なくとも一組がヒンジ式撓み性機構とされ、その他の連結機構はレボリュート対（Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｐａｉｒ）、プリスマティック対（Ｐｒｉｓｍａｔｉｃ Ｐａｉｒ）或いは球面対（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｐａｉｒ）とされうる。メイン位置決め台６１とサブ位置決め台６４間の第２軸方向位置にアクチュエータ６６が設けられている。図１２を参照されたい。メイン位置決め台６１の少なくとも一つの角部のヒンジ式連結機構６２は、略Ｚ形を呈する板バネ６２１で構成されたヒンジ式撓み性機構とされ、並びに板バネ６２１の一側にひずみゲージ６７が取り付けられて、板バネ６２１の変形量を測定する。図１３を参照されたい。同様に、サブ位置決め台６４の少なくとも一つの角部のヒンジ式連結機構６５もまた、略Ｚ形を呈する板バネ６５１で構成されたヒンジ式撓み性機構とされ、並びに板バネ６５１の一側にひずみゲージ６８が取り付けられて、板バネ６５１の変形量を測定する。

更に、図１１、１２、１３を参照されたい。第１軸方向位置のアクチュエータ６３が作動する時、メイン位置決め台６１がサブ位置決め台６４を駆動し第１軸方向に移動し、並びに連結機構６２を押圧し、板バネ６２１を変形させ、ひずみゲージ６７の電圧信号を利用し、信号をコントローラにフィードバックし、コントローラの演算により、アクチュエータ６３の制御信号を修正し、メイン位置決め台６１の第１軸方向の移動を正確に位置決めする。同様に、第２軸方向位置のアクチュエータ６６が作動する時は、サブ位置決め台６４が第２軸方向に移動し、並びに連結機構６５を押圧し、板バネ６５１を変形させ、ひずみゲージ６８の電圧信号を利用し、信号をコントローラにフィードバクし、コントローラの演算により、アクチュエータ６６の制御信号を修正し、サブ位置決め台６４の第２軸方向の移動を正確に位置決めする。これにより、メイン位置決め台とサブ位置決め台の積積層式位置決め台構造を利用し、各軸方向間の干渉を減らすことができる。このほか、積積層式の位置決め台構造は、二組の位置決め台設計とされうるほか、二組以上の位置決め台構造とされ得て、且つアクチュエータも更に多軸方向に分布するよう架設され得て、これにより位置決め台が更に多軸方向に移動するものとされて同様にフィードバック制御を利用して正確な位置決めの目的を達成する。

周知のアクチュエータの作動曲線図である。 特許文献１の構造表示図である。 本発明の構造表示図である。 図３のＡ部分の拡大図である。 図３のＢ部分の拡大図である。 図３のＣ部分の拡大図である。 本発明の位置決め台の第１軸方向の移動とひずみ量の関係曲線図である。 本発明の位置決め台の第２軸方向の移動とひずみ量の関係曲線図である。 本発明のフィードバック制御の表示図である。 本発明のアクチュエータのフィードバック制御後の作動曲線図である。 本発明の別の構造表示図である。 図１１のＤ部分の拡大図である。 図１１のＥ部分の拡大図である。

符号の説明

１０ 圧電式アクチュエータ １１ 板バネ
１２ 板バネ １３ 板バネ
１４ 板バネ １５ 位置センサ
２０ 圧電式アクチュエータ ２１ 板バネ
２２ 板バネ ２３ 板バネ
２４ 板バネ ２５ 位置センサ
３０ コントローラ
４０ ベース ４１ 位置決め台
４２ 溝 ４３ 連結機構
４３１ 板バネ ４４ アクチュエータ
４４１ 撓み性ヒンジ対 ４５ アクチュエータ
４５１ 撓み性ヒンジ対 ４６ 連結機構
４６１ 板バネ ４７ アクチュエータ
４７１ 撓み性ヒンジ対 ４８ アクチュエータ
４８１ 撓み性ヒンジ対 ４９ 連結機構
４９１ 板バネ ５０ ひずみゲージ
５１ ひずみゲージ ５２ コントローラ
６０ ベース ６１ メイン位置決め台
６２ 連結機構 ６２１ 板バネ
６３ アクチュエータ ６４ サブ位置決め台
６５ 連結機構 ６５１ 板バネ
６６ アクチュエータ ６７ ひずみゲージ
６８ ひずみゲージ

Claims (10)

1. フィードバック制御可能な位置決め台において、
   ベースと、
   該ベース内に設けられた少なくとも一つの位置決め台と、
   該位置決め台を接続架設する複数組の連結機構と、
   該位置決め台に接続され、並びに位置決め台を軸方向に駆動して移動させる少なくとも一つのアクチュエータと、
   該連結機構に設けられて連結機構の変形量を測定するひずみゲージと、
   を具えたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
2. 請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、ひずみゲージの出力信号がコントローラに接続され、コントローラの演算により、制御信号がアクチュエータに出力されてアクチュエータの作動信号が修正されることを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
3. 請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、位置決め台が多軸方向に移動可能な位置決め台とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
4. 請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、位置決め台が一組の積層式の位置決め台構造とされ、各層の位置決め台が単一軸方向或いは多軸方向に移動可能とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
5. 請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、連結機構の少なくとも一組が撓み性機構とされ、その他の連結機構が撓み性機構、レボリュート対（Ｒｅｖｏｌｕｔｅ Ｐａｉｒ）、プリスマティック対（Ｐｒｉｓｍａｔｉｃ Ｐａｉｒ）或いは球面対（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ Ｐａｉｒ）とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
6. 請求項５記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、撓み性機構とされた連結機構が板バネで構成された撓み性機構とされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
7. 請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、アクチュエータが圧電材料、線形モータ、或いは回転モータとされたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
8. 請求項７記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、圧電材料とされたアクチュエータが撓み性ヒンジ対で位置決め台に接続されたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
9. 請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、アクチュエータが位置決め台の移動方向により、一つ或いは一つ以上の軸方向に分布するよう配置されて位置決め台を一つ或いは一つ以上の軸方向に移動させることを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。
10. 請求項１記載のフィードバック制御可能な位置決め台において、ひずみゲージがアクチュエータの反対側の連結機構に設けられたことを特徴とする、フィードバック制御可能な位置決め台。

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