JP2714219B2

JP2714219B2 - 位置決め装置

Info

Publication number: JP2714219B2
Application number: JP2084610A
Authority: JP
Inventors: 茂佐久田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JPH03282912A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、粗動及び微動により位置決めを行う位置決
め装置に関する。

（従来の技術）半導体製造装置、情報機器或いは精密工作機械ではテ
ーブル等を位置決めしている。この位置決めはテーブル
を直線運動させて目標位置に一致させている。この位置
決めの技術には粗動装置及び微動装置を用いたディアル
制御がある。このデュアル制御は、たとえば粗動装置と
微動装置とを交互に作動させてテーブルを目標位置に位
置決めしている。

ところが、粗動装置と微動装置とを交互に作動させる
と、例えば微動装置と同時に粗動装置が作動開始すると
きに微動装置と粗動装置との間に動作の干渉が生じる。
この干渉の原因は粗動装置と微動装置への各動作指令が
同時に発することができないことと、粗動装置と微動装
置との各応答速度がそれぞれ異なることからとである。
この干渉が生じると、テーブルは振動し、精度高く位置
決めできなくなる。

（発明が解決しようとする課題）以上のように粗動装置と微動装置との間に動作の干渉
が生じ、この干渉によりテーブルが振動し、精度高い位
置決めができない。

そこで本発明は、粗動装置と微動装置との間の干渉を
なくして精度高い位置決めができる位置決め装置を提供
することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、被位置決め体を粗動移動させる粗動駆動機
構と、被位置決め体を微動させる微動駆動機構と、被位置決め体の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段により検出された被位置決め体の位
置と目標位置との差に応じて前記粗動駆動機構と微動駆
動機構とを駆動し、粗動駆動機構が第１の方向に駆動す
るとき、この駆動期間中に前記第１の方向に反する第２
の方向に微動駆動機構を駆動、若しくは微動駆動機構が
第１の方向に駆動するとき、この駆動期間中に第１の方
向に反する第２の方向に粗動駆動機構を駆動させる粗動
微動制御手段と、を備えた位置決め装置である。

（作用）このような手段を備えたことにより、位置検出手段に
より検出された被位置決め体の位置と目標位置との差に
応じて粗動駆動機構及び微動駆動機構が作動し、かつ粗
動駆動機構が第１の方向に駆動するとき、この駆動期間
中に前記第１の方向に反する第２の方向に微動駆動機構
が駆動し、若しくは微動駆動機構が第１の方向に駆動す
るとき、この駆動期間中に第１の方向に反する第２の方
向に粗動駆動機構が駆動する。

（実施例）以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明
する。

第１図は位置決め装置の構成図である。支持台１上に
は摩擦駆動機構２が設けられている。この摩擦駆動機構
２はスライダ３を直線的に移動させるものであって、回
転軸201及び支持軸202が突出している。この摩擦駆動機
構２には第１静圧軸受４が備えられている。この第１静
圧軸受４は駆動ロッド５を静圧により支持するものであ
る。なお、駆動ロッド５は回転軸201及び支持軸202に対
して接触している。この駆動ロッド５の先端には連結部
材６を介してスライダ３が連結されている。このスライ
ダ３は第２静圧軸受７により静圧支持されている。この
第２静圧軸受７は各支持台8,9により案内体10が支持さ
れている。この案内体10はスライダ３内を貫通してい
る。そして、案内体10には多数の孔が形成され、これら
孔から空気が噴射してスライダ３を支持している。

第１静圧軸受４には第１給気配管11が接続され、第２
静圧軸受７の支持台９には第２給気配管12が接続されて
いる。第１給気配管11には第１サーボ弁13が接続され、
第２給気配管12には第２サーボ弁14が接続されている。
これらサーボ弁13,14は給気パイプ15により共通接続さ
れて空気圧力供給源16に接続されている。この空気圧力
供給源16は各給気配管11,12を通して空気に圧力をかけ
て供給する。

スライダ３上には第１反射ミラー20が取付けられてい
るとともに補助板21が固定されている。そして、この補
助板21に圧電素子22が設けられている。この圧電素子22
はPb（Zr,Ti）Ｏ₃（PZT）の材料から成っている。この
圧電素子22は第２図に示すように円柱状に形成され、か
つ電圧印加によりｘ方向に変位する。又、この圧電素子
22の先端には第２反射ミラー23が設けられている。とこ
ろで、この装置の位置決めは、第２反射ミラー23に対し
て行われる。

支持台１上にはレーザ測長システムを構成するHe-Ne
レーザ発振器（以下、レーザ発振器と省略する）24が設
けられている。このレーザ発振器24のレーザ出力方向に
はビームスプリッタ25が配置されている。このビームス
プリッタ25はレーザ発振器24から出力されたレーザ光を
２光路に分岐して第１及び第２分岐レーザ光とするもの
である。このビームスプリッタ25の各分岐方向のうち一
方の分岐方向には第１光干渉計26が配置されている。こ
の第１光干渉計26は第１分岐レーザ光を通過させて第１
反射ミラー20に向て出力する。そして、この第１光干渉
計26は第１反射ミラー20からの反射レーザ光を受光し、
この反射レーザ光と第１分岐レーザ光との干渉光を得る
ものである。又、支持台１上には第１レシーバ27が設け
られている。この第１レシーバ27は第１光干渉計26に発
生した干渉光を受け、この干渉光の光強度に応じた電気
信号Ｓ₁に変換出力するものである。一方、ビームスプ
リッタ25の他方の分岐方向にはベンダ28が配置されてい
る。このベンダ28は第２分岐レーザ光を90°向きを変え
て出力するものである。このベンダ28のレーザ出力方向
には第２光干渉計29が配置されている。この第２光干渉
計29は第２分岐レーザ光を通過させて第２反射ミラー23
に向て出力する。そして、この第２光干渉計29は第２反
射ミラー23からの反射レーザ光を受光し、この反射レー
ザ光と第２分岐レーザ光との干渉光を得るものである。
又、支持台１上には第２レシーバ30が設けられている。
この第２レシーバ30は第２光干渉計29に発生した干渉光
を受け、この干渉光の光強度に応じた電気信号Ｓ₂に変
換出力するものである。尚、上記レーザ発振器24はレー
ザコントローラ31によりレーザ光の出力制御が行われ
る。

主制御装置32は粗動制御及び微動制御の各機能を有し
ている。粗動制御機能は、第１レシーバ27からの電気信
号Ｓ₁を受けて第１反射ミラー20の位置を求め、この位
置と目標位置との偏差を零とする粗動駆動信号CBを送出
するものである。主制御装置32と摩擦駆動機構２とは増
幅器33を通して接続されている。従って、粗動駆動信号
CBは増幅器33により増幅されて摩擦駆動機構２に送られ
る。これにより粗動制御はフィードバック制御系により
形成される。

微動制御機能は、第２レシーバ30からの電気信号Ｓ₂
を受けて第２反射ミラー20の位置を求め、この位置と目
標位置との偏差を零とする微動駆動信号CAを送出するも
のである。この微動駆動信号CAは電圧信号となってい
る。そして、この微動駆動信号CAは圧電素子用アンプ34
を通って圧電素子22に加えられている。これにより、微
動制御はフィードバック制御系により形成される。

又、主制御装置32は粗動制御機能と微動制御機能とを
交互に実行する機能を有している。

次に上記の如く構成された装置の作用について説明す
る。

空気圧力供給源16は給気パイプ15に空気を供給してい
る。この空気は第１サーボ弁13から第１給気配管11を通
って第１静圧軸受４に供給される。又、この空気は第２
サーボ弁14から第２給気配管12を通って第２静圧軸受７
に供給される。第１静圧軸受４は供給された空気を駆動
ロッド５に対して噴射する。これにより駆動ロッド５は
浮上する。第２静圧軸受７は供給された空気を案内体10
からスライダ３に対して噴射する。これによりスライダ
３は浮上する。

主制御装置32は粗動制御と微動制御とを交互に実行す
る。ここで、粗動制御と微動制御と各動作について説明
する。粗動制御を説明すると、主制御装置32は摩擦駆動
機構２に対して動作指令を発するとともにレーザコント
ローラ31に対して動作指令を発する。レーザコントロー
ラ31は動作指令を受けると、レーザ発振器24を動作させ
てレーザ光を出力させる。このレーザ発振器24から出力
されたレーザ光はビームスプリッタ25により２方向に分
岐される。この分岐された一方の第１分岐レーザ光は第
１光干渉計26を通過して第１反射ミラー20に到達する。
この第１分岐レーザ光は反射ミラー20で反射して再び第
１光干渉計26に入射する。この第１光干渉計26はレーザ
発振器24からのレーザ光と反射第１分岐レーザ光とが入
射することにより干渉光が生じる。この干渉光の光強度
は第１反射ミラー20と第１光干渉計26との間隔つまり第
１反射ミラー20の位置に応じた強さとなっている。この
干渉光は第１レシーバ27に送られ、この第１レシーバ27
は干渉光の光強度に応じた電圧の電気信号Ｓ₁に変換す
る。又、ビームスプリッタ25により分岐された他方の第
２分岐レーザ光はベンダ28で反射して第２光干渉計29に
送られる。この第２光干渉計29は第１分岐レーザ光を通
過させて第２反射ミラー23に送る。この第２分岐レーザ
光は反射ミラー23で反射して再び第２光干渉計29に入射
する。この第２光干渉計29はレーザ発振器24からのレー
ザ光と反射第２分岐レーザ光とが入射することにより干
渉光が生じる。この干渉光の光強度は第２反射ミラー23
と第２光干渉計29との間隔つまり第２反射ミラー23の位
置に応じた強さとなっている。この干渉光は第２レシー
バ30に送られ、この第２レシーバ30は干渉光の光強度に
応じた電圧の電気信号Ｓ₂に変換する。そして、各電気
信号Ｓ₁,S₂は主制御装置32に送られる。このとき、主制
御装置32は粗動制御を実行しているので、電気信号Ｓ₂
を無視する。

主制御装置32は電気信号Ｓ₁を受けて第１反射ミラー2
0の位置を求め、この位置と目標位置との偏差を零とす
る粗動駆動信号CBを送出する。この粗動駆動信号CBは増
幅器33により増幅されて摩擦駆動機構２に送られる。こ
の摩擦駆動機構２は粗動駆動信号CBを受けて駆動ロッド
５を移動させる。この駆動ロッド５の移動によりスライ
ダ３が矢印（イ）方向に移動する。

一方、微動制御は次の通りである。主制御装置32は第
２レシーバ30からの電気信号Ｓ₂を受けて第２反射ミラ
ー20の位置を求め、この位置と目標位置との偏差を零と
する微動駆動信号CAを送出する。この微動駆動信号CAは
電圧信号となっている。そして、この微動駆動信号CAは
圧電素子用アンプ34で増幅されて圧電素子22に加えられ
る。これにより圧電素子22は印加された電圧値に応じて
変位する。この圧電素子22の変位により第２反射ミラー
22は目標位置に向かって移動する。なお、この位置決め
精度はレーザ発振器24を使用するレーザ測長システムの
出力つまり第２レシーバ30の電気信号Ｓ₂から求められ
る第２反射ミラー22の検出位置精度に対応している。

ところで、主制御装置32は、粗動動作と微動動作とを
交互に実行するが、この場合、主制御装置32から出力さ
れる微動駆動信号CAはステップ的に電圧値が高くなって
いる。この微動駆動信号CAは上記した経路を通って圧電
素子22に加えられる。これにより、圧電素子22はステッ
プ的に変位する。この変位は例えば１ステップ当り20nm
である。以下、粗動動作と微動動作との交互動作を説明
すると、圧電素子22は第４図のA,B状態に示すように第
１の方向である矢印ａ₁方向にステップ的に変位する。
圧電素子22の変位がＣ状態に示す最大変位Ｆに達する
と、主制御装置32は圧電素子22への印加電圧を元のレベ
ル以下に低下させ、この中断期間ｉ中に摩擦駆動機構２
に変位Ｆの粗動駆動信号CBを送出する。なお、粗動駆動
信号CBの立上りは第５図に示すようにわずかに傾斜して
いる。従って、中断期間ｉはこの立上りに要する時間以
上であれば良い。これにより、圧電素子22はＤ状態に示
すように第２の方向である矢印ａ₂方向に変位つまり退
縮する。又、摩擦駆動機構２は駆動ロッド５を矢印ａ₁
方向に変位Ｆだけ移動させる。この結果、反射ミラー23
はＤ状態に示すようにＡ状態と比較して変位Ｆだけ移動
する。次に主制御装置32は再びステップ的に電圧値を高
くする微動駆動信号CAを送出する。この微動駆動信号CA
は上記経路を通って圧電素子22に加えられる。これによ
り、圧電素子22はＥ状態に示すように再びステップ的に
変位して最大変位Ｆに達する。この最大変位Ｆに達する
と、主制御装置32は圧電素子22への印加電圧を元のレベ
ル以下に低下させ、この中断期間ｉ中に摩擦駆動機構２
に変位Ｆの粗動駆動信号CBを送出する。この結果、反射
ミラー23はＧ状態に示すようにＡ状態と比較して変位2F
だけ移動する。以下、粗動と微動とが繰り返されて第２
反射ミラー23が目標位置に位置決めされる。

すなわち、摩擦駆動機構２が第１の方向である矢印ａ
₁方向に駆動するとき、この駆動期間中に矢印ａ₁方向に
反する矢印ａ₂方向に圧電素子22が駆動し、若しくは圧
電素子22が矢印ａ₁方向に駆動するとき、この駆動期間
中に矢印ａ₁方向に反する矢印ａ₂方向に摩擦駆動機構２
が駆動する。

このような動作を実現するために圧電素子22への印加
電圧を、最大変位Ｆに達したときに一時的に元のレベル
以下に低下し、この低下の期間ｉが経過すると、再び圧
電素子22への印加電圧をステップ的に高くし、かつ粗動
駆動信号CBを期間ｉ内に送出するので、第２反射ミラー
23の振動は抑えられる。

すなわち、第２反射ミラー23の位置は、粗動において
ステップ状に変位する際にその慣性力で進行方向（矢印
ａ₁方向）に振られるかたちとなり、第５図に示すよう
に振動し乱れている。

そこで、慣性力で第２反射ミラー23の位置が振られて
いるときに合わせて第２反射ミラー23の位置を逆方向
（矢印ａ₂方向）に位置決めする、すなわち圧電素子22
への印加電圧を一時的に元のレベル以下に低下すること
によって、慣性力による第２反射ミラー23の変位と圧電
素子22の変位とを相殺させ、第２反射ミラー23の位置の
乱れを軽減する。

従って、ただ単に圧電素子22への印加電圧を元のレベ
ルに低下し、再び圧電素子22への印加電圧をステップ的
に高くすれば、当然ながら第２反射ミラー23は摩擦駆動
機構２の動作時に振動する。

このように上記一実施例においては、レーザ測長シス
テムにより検出された第２反射ミラー23の位置と目標位
置との差に応じて摩擦駆動機構２と圧電素子22とを交互
に作動し、かつこの交互の作動における圧電素子22の微
動を停止させるとともに摩擦駆動機構２を作動させると
きの圧電素子２への印加電圧を一時的に圧電素子22を微
動させる以前の値以下に低下し、この低下期間ｉに摩擦
駆動機構２を作動開始するようにしたので、圧電素子22
の微動が停止されて摩擦駆動機構２が作動する際にこれ
ら圧電素子22と摩擦駆動機構２との各動作が干渉せずに
位置決めしようとする第２反射ミラー23が振動すること
がない。従って、摩擦駆動機構２と圧電素子22とにより
第２反射ミラー23を目標位置に精度高く位置決めでき
る。

なお、本発明は上記一実施例に限定されるものではな
くその主旨を逸脱しない範囲で変形してもよい。例え
ば、摩擦駆動機構２に代えてボールねじ送り機構、リニ
アモータ、静圧ねじ送り機構等を用いてもよい。又、圧
電素子22に代えて電歪素子を用いてもよい。

［発明の効果］以上詳記したように本発明によれば、粗動装置と微動
装置との間の干渉をなくして精度高い位置決めができる
位置決め装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図は本発明に係わる位置決め装置の一実
施例を説明するための図であって、第１図は構成図、第
２図は第２反射ミラーの外観図、第３図は粗動及び微動
制御時の制御作用を説明するための動作タイミング図、
第４図は粗動及び微動時の動きを示す図、第５図は粗動
及び微動制御時における振動を説明するための図であ
る。１……支持台、２……摩擦駆動機構、３……スライダ、
４……第１静圧軸受、５……駆動ロッド、６……連結部
材、７……第２静圧軸受、8,9……支持台、10……案内
体、11……第１給気配管、12……第２給気配管、13,14
……サーボ弁、15……給気パイプ、16……空気圧力供給
源、20……第１反射ミラー、21……補助板、22……圧電
素子、23……第２反射ミラー、24……レーザ発振器、25
……ビームスプリッタ、26……第１光干渉計、26,27…
…第１レシーバ、28……ベンダ、29……第２光干渉計、
30……第２レシーバ、31……レーザコントローラ、32…
…主制御装置、33……増幅器、34……圧電素子用アン
プ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被位置決め体を粗動移動させる粗動駆動機
構と、前記被位置決め体を微動させる微動駆動機構と、前記被位置決め体の位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段により検出された被位置決め体の位置
と目標位置との差に応じて前記粗動駆動機構と前記微動
駆動機構とを駆動し、前記粗動駆動機構が第１の方向に
駆動するとき、この駆動期間中に前記第１の方向に反す
る第２の方向に前記微動駆動機構を駆動、若しくは前記
微動駆動機構が前記第１の方向に駆動するとき、この駆
動期間中に第１の方向に反する第２の方向に前記粗動駆
動機構を駆動させる粗動微動制御手段と、を具備したことを特徴とする位置決め装置。