JP3281227B2 - 微動位置決め制御装置 - Google Patents
微動位置決め制御装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、位置決め対象物を
所定の位置に所定の姿勢で位置決めする微動位置決め制
御装置に関するものである。
所定の位置に所定の姿勢で位置決めする微動位置決め制
御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の鉛直方向１自由度と水平面内の傾
きの２自由度を位置決め制御する微動位置決め制御装置
の構成を図３に示す。同図において、１は位置決めされ
る平板状の基板、２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌは鉛直方向に基
板１の変位を発生するアクチュエータであり、各アクチ
ュエータは圧電素子を駆動素子としており、変位拡大機
構も含む。３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌはアクチュエータ２
Ｍ，２Ｒおよび２Ｌの近傍にあり、基板１の鉛直方向の
変位を計測する位置センサである。これらの基板、アク
チュエータおよび位置センサによる機構を微動位置決め
機構と呼ぶことにする。
きの２自由度を位置決め制御する微動位置決め制御装置
の構成を図３に示す。同図において、１は位置決めされ
る平板状の基板、２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌは鉛直方向に基
板１の変位を発生するアクチュエータであり、各アクチ
ュエータは圧電素子を駆動素子としており、変位拡大機
構も含む。３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌはアクチュエータ２
Ｍ，２Ｒおよび２Ｌの近傍にあり、基板１の鉛直方向の
変位を計測する位置センサである。これらの基板、アク
チュエータおよび位置センサによる機構を微動位置決め
機構と呼ぶことにする。
【０００３】４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌは位置センサ３Ｍ，
３Ｒおよび３Ｌによって計測される基板１の鉛直方向の
変位を電気信号に変換する変位増幅器、５Ｍ，５Ｒおよ
び５Ｌは指令入力、ｅM ，ｅR およびｅL は変位増幅器
４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌの出力と指令入力５Ｍ，５Ｒおよ
び５Ｌとを比較して出力される位置偏差信号、６Ｍ，６
Ｒおよび６Ｌは位置偏差信号ｅM ，ｅR およびｅL を増
幅する偏差増幅器、７Ｍ，７Ｒおよび７Ｌは制御ループ
の安定化と位置偏差信号をゼロにするために偏差増幅器
６Ｍ，６Ｒおよび６Ｌの出力を入力とする補償器、８
Ｍ，８Ｒおよび８Ｌは補償器７Ｍ，７Ｒおよび７Ｌの出
力を入力とし、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌを
上下動させることにより、基板１を上下方向に並進移動
させたり、鉛直方向に対して傾かせる駆動を行なう電力
増幅器である。これら変位増幅器４Ｍ，４Ｒ，４Ｌ〜電
力増幅器８Ｍ，８Ｒ，８Ｌで構成される閉ループをフィ
ードバック装置と呼ぶことにする。
３Ｒおよび３Ｌによって計測される基板１の鉛直方向の
変位を電気信号に変換する変位増幅器、５Ｍ，５Ｒおよ
び５Ｌは指令入力、ｅM ，ｅR およびｅL は変位増幅器
４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌの出力と指令入力５Ｍ，５Ｒおよ
び５Ｌとを比較して出力される位置偏差信号、６Ｍ，６
Ｒおよび６Ｌは位置偏差信号ｅM ，ｅR およびｅL を増
幅する偏差増幅器、７Ｍ，７Ｒおよび７Ｌは制御ループ
の安定化と位置偏差信号をゼロにするために偏差増幅器
６Ｍ，６Ｒおよび６Ｌの出力を入力とする補償器、８
Ｍ，８Ｒおよび８Ｌは補償器７Ｍ，７Ｒおよび７Ｌの出
力を入力とし、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌを
上下動させることにより、基板１を上下方向に並進移動
させたり、鉛直方向に対して傾かせる駆動を行なう電力
増幅器である。これら変位増幅器４Ｍ，４Ｒ，４Ｌ〜電
力増幅器８Ｍ，８Ｒ，８Ｌで構成される閉ループをフィ
ードバック装置と呼ぶことにする。
【０００４】上述の微動位置決め機構とフィードバック
装置を含めて微動位置決め制御装置と呼ぶことにする。
装置を含めて微動位置決め制御装置と呼ぶことにする。
【０００５】図３の微動位置決め制御装置の制御特性を
改善した装置の構成を図４に示す。この装置は、特願平
６−１３２４０５号をもって出願されたものである。
改善した装置の構成を図４に示す。この装置は、特願平
６−１３２４０５号をもって出願されたものである。
【０００６】この装置は、図３の微動位置決め制御装置
の構成に対し、新たに運動モード抽出回路９と運動モー
ド分配回路１０を追加したものである。位置センサ３
Ｍ，３Ｒおよび３Ｌによって計測される基板１の鉛直Ｚ
軸方向の変位は、変位増幅器４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌによ
って変位信号ｚM ，ｚR およびｚL に変換される。この
信号は運動モード抽出回路９に入力され、運動モード別
変位信号ｚg ，ｚθx およびｚθy となる。ここで、運
動モード抽出回路９の演算は数１式に従う。
の構成に対し、新たに運動モード抽出回路９と運動モー
ド分配回路１０を追加したものである。位置センサ３
Ｍ，３Ｒおよび３Ｌによって計測される基板１の鉛直Ｚ
軸方向の変位は、変位増幅器４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌによ
って変位信号ｚM ，ｚR およびｚL に変換される。この
信号は運動モード抽出回路９に入力され、運動モード別
変位信号ｚg ，ｚθx およびｚθy となる。ここで、運
動モード抽出回路９の演算は数１式に従う。
【０００７】
【数１】 一般的な位置決め制御装置において、位置決め対象物の
運動モードを抽出する場合、フィードバックループ内に
運動モード抽出回路を配置するのが一般的になってい
る。
運動モードを抽出する場合、フィードバックループ内に
運動モード抽出回路を配置するのが一般的になってい
る。
【０００８】運動モード別変位信号ｚg ，ｚθx および
ｚθy は運動モード別指令入力５Ｍ´，５Ｒ´および５
Ｌ´と比較され、これにより、運動モード別偏差信号ｅ
g ，ｅθx およびｅθy が得られる。この運動モード別
偏差信号ｅg ，ｅθx およびｅθy は、所定の感度を得
るために偏差増幅器６Ｍ，６Ｒおよび６Ｌに入力され
る。さらに偏差増幅器６Ｍ，６Ｒおよび６Ｌの出力は、
運動モード別に制御ループの調整を行なう補償器７Ｍ，
７Ｒおよび７Ｌに入力され、これにより、位置に関する
運動モード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy を得
る。運動モード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy
は、運動モード分配回路１０に入力される。運動モード
分配回路１０は各軸の駆動信号ｄM ，ｄR およびｄL を
出力し、これにより電力増幅器８Ｍ，８Ｒおよび８Ｌを
駆動する。ここで、運動モード分配回路１０の演算は数
２式に従う。
ｚθy は運動モード別指令入力５Ｍ´，５Ｒ´および５
Ｌ´と比較され、これにより、運動モード別偏差信号ｅ
g ，ｅθx およびｅθy が得られる。この運動モード別
偏差信号ｅg ，ｅθx およびｅθy は、所定の感度を得
るために偏差増幅器６Ｍ，６Ｒおよび６Ｌに入力され
る。さらに偏差増幅器６Ｍ，６Ｒおよび６Ｌの出力は、
運動モード別に制御ループの調整を行なう補償器７Ｍ，
７Ｒおよび７Ｌに入力され、これにより、位置に関する
運動モード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy を得
る。運動モード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy
は、運動モード分配回路１０に入力される。運動モード
分配回路１０は各軸の駆動信号ｄM ，ｄR およびｄL を
出力し、これにより電力増幅器８Ｍ，８Ｒおよび８Ｌを
駆動する。ここで、運動モード分配回路１０の演算は数
２式に従う。
【０００９】
【数２】 上述のように、図３の微動位置決め制御装置のフィード
バック装置の中に運動モード抽出回路９と運動モード分
配回路１０を新たに挿入したものを非干渉化フィードバ
ック装置と呼び、微動位置決め機構とこの非干渉化フィ
ードバック装置を含めて微動位置決め非干渉化装置と呼
ぶことにする。
バック装置の中に運動モード抽出回路９と運動モード分
配回路１０を新たに挿入したものを非干渉化フィードバ
ック装置と呼び、微動位置決め機構とこの非干渉化フィ
ードバック装置を含めて微動位置決め非干渉化装置と呼
ぶことにする。
【００１０】数１および２式は、アクチュエータ２Ｍ，
２Ｒおよび２Ｌと位置センサ３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌの配
置を示す座標系において、この座標の原点に対して基板
１の並進運動と平面内の回転運動を定義したものであ
る。よって、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌと位
置センサ３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌの配置が変わると、運動
モード抽出回路９と運動モード分配回路１０の演算は変
わる。図５は、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌと
位置センサ３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌの配置を示す座標系を
示す。数１および２式は、この座標系での運動モード抽
出回路９と運動モード分配回路１０の演算式を表してい
る。
２Ｒおよび２Ｌと位置センサ３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌの配
置を示す座標系において、この座標の原点に対して基板
１の並進運動と平面内の回転運動を定義したものであ
る。よって、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌと位
置センサ３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌの配置が変わると、運動
モード抽出回路９と運動モード分配回路１０の演算は変
わる。図５は、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌと
位置センサ３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌの配置を示す座標系を
示す。数１および２式は、この座標系での運動モード抽
出回路９と運動モード分配回路１０の演算式を表してい
る。
【００１１】この微動位置決め非干渉化装置によれば、
基板１の運動モードごとのループゲインの調整が可能に
なる。図３の微動位置決め制御装置は、Ｚ軸方向の並進
運動に対するループゲインの調整しかできなかったが、
図４の微動位置決め非干渉化装置は、調整の自由度が増
えた分だけ制御特性を極限に近いところまで追求でき、
指令入力に対する応答性が改善できるのみならず、外乱
抑圧性能も向上するという特徴がある。
基板１の運動モードごとのループゲインの調整が可能に
なる。図３の微動位置決め制御装置は、Ｚ軸方向の並進
運動に対するループゲインの調整しかできなかったが、
図４の微動位置決め非干渉化装置は、調整の自由度が増
えた分だけ制御特性を極限に近いところまで追求でき、
指令入力に対する応答性が改善できるのみならず、外乱
抑圧性能も向上するという特徴がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の微動位置決め制御装置によれば、位置決め時間や外
乱抑圧性能を極限まで追求しようとして、制御ループゲ
インを順次増加すると、機構の機械共振を刺激すること
になり、性能向上に限界がある。また、ゲイン調整時
に、並進１自由度と２つの回転運動の内、並進運動モー
ドは意識的に操作していることになるが、２つの回転運
動モードについては、並進運動モードの特性調整に対し
て従属的な決め方となる。すなわち、３軸微動機構が有
する運動モードのそれぞれの制御性能をきめ細かく調整
できないという問題がある。
来の微動位置決め制御装置によれば、位置決め時間や外
乱抑圧性能を極限まで追求しようとして、制御ループゲ
インを順次増加すると、機構の機械共振を刺激すること
になり、性能向上に限界がある。また、ゲイン調整時
に、並進１自由度と２つの回転運動の内、並進運動モー
ドは意識的に操作していることになるが、２つの回転運
動モードについては、並進運動モードの特性調整に対し
て従属的な決め方となる。すなわち、３軸微動機構が有
する運動モードのそれぞれの制御性能をきめ細かく調整
できないという問題がある。
【００１３】また、従来の微動位置決め非干渉化装置に
よれば、変位増幅器４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌの出力信号を
運動モード抽出回路９に入力しているので、運動モード
抽出回路９をハードウエアで構成した場合、その抵抗器
の温度変化によるドリフトや抵抗値誤差によるゲインエ
ラーの影響により、微動位置決め機構の位置を正確に検
出できなくなる。そこで、精度の高い抵抗器や部品を使
用して温度ドリフトや抵抗値誤差の影響を小さくする必
要があり、その結果、装置のコストアップになってしま
うという問題がある。
よれば、変位増幅器４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌの出力信号を
運動モード抽出回路９に入力しているので、運動モード
抽出回路９をハードウエアで構成した場合、その抵抗器
の温度変化によるドリフトや抵抗値誤差によるゲインエ
ラーの影響により、微動位置決め機構の位置を正確に検
出できなくなる。そこで、精度の高い抵抗器や部品を使
用して温度ドリフトや抵抗値誤差の影響を小さくする必
要があり、その結果、装置のコストアップになってしま
うという問題がある。
【００１４】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点に鑑み、微動位置決め装置において、コストを増大
させることなく、微動位置決め機構が有する各運動モー
ドの制御性能をきめ細かく調整できるようにすることに
ある。
題点に鑑み、微動位置決め装置において、コストを増大
させることなく、微動位置決め機構が有する各運動モー
ドの制御性能をきめ細かく調整できるようにすることに
ある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明では、Ｚ軸方向の並進１自由度とＸ軸及びＹ軸回
りの回転２自由度において位置決めされる位置決め対象
物と、対象物を位置決めのためにＺ軸方向に移動する３
個のアクチュエータと、位置決め対象物の各アクチュエ
ータ近傍におけるＺ軸方向の変位を計測する３個の位置
センサと、各位置センサの出力に基づく変位信号と各指
令入力信号から求められる各位置センサごとの位置偏差
信号を増幅する偏差増幅器と、偏差増幅器からの各偏差
増幅信号に所定の演算を施して位置決め対象物のＺ軸方
向の並進１自由度とＸ軸及びＹ軸回りの回転２自由度に
関する運動モード別偏差増幅信号を抽出する運動モード
抽出回路と、運動モード抽出回路からの各運動モード別
偏差増幅信号に対してそれぞれ独立に補償を行なう補償
器と、これらの補償器からの各運動モード別偏差増幅信
号に所定の演算を施して各アクチュエータに対する駆動
信号を生成する運動モード分配回路と、各駆動信号に応
じてアクチュエータのそれぞれを駆動する電力増幅器と
を備えることを特徴とする。
本発明では、Ｚ軸方向の並進１自由度とＸ軸及びＹ軸回
りの回転２自由度において位置決めされる位置決め対象
物と、対象物を位置決めのためにＺ軸方向に移動する３
個のアクチュエータと、位置決め対象物の各アクチュエ
ータ近傍におけるＺ軸方向の変位を計測する３個の位置
センサと、各位置センサの出力に基づく変位信号と各指
令入力信号から求められる各位置センサごとの位置偏差
信号を増幅する偏差増幅器と、偏差増幅器からの各偏差
増幅信号に所定の演算を施して位置決め対象物のＺ軸方
向の並進１自由度とＸ軸及びＹ軸回りの回転２自由度に
関する運動モード別偏差増幅信号を抽出する運動モード
抽出回路と、運動モード抽出回路からの各運動モード別
偏差増幅信号に対してそれぞれ独立に補償を行なう補償
器と、これらの補償器からの各運動モード別偏差増幅信
号に所定の演算を施して各アクチュエータに対する駆動
信号を生成する運動モード分配回路と、各駆動信号に応
じてアクチュエータのそれぞれを駆動する電力増幅器と
を備えることを特徴とする。
【００１６】また、補償器がゲイン調整を行なう回路で
あり、電力増幅器が電流出力型の電力増幅器であること
を特徴とする。
あり、電力増幅器が電流出力型の電力増幅器であること
を特徴とする。
【００１７】さらに、運動モード分配回路の出力に対し
て比例積分補償を行なうＰＩ補償器を備え、電力増幅器
が電圧出力型の電力増幅器であることを特徴とする。
て比例積分補償を行なうＰＩ補償器を備え、電力増幅器
が電圧出力型の電力増幅器であることを特徴とする。
【００１８】
【作用】この構成において、各位置センサからの信号と
指令電圧との偏差信号は偏差増幅器により増幅され、そ
の信号から、運動モード抽出回路において各運動モード
別の偏差信号が抽出される。そして、抽出された各運動
モード別の偏差信号は、独立して補償が行われ、その
後、運動モード分配回路により分配されて各アクチュエ
ータに対する駆動信号となる。その際、運動モード抽出
回路に入力される偏差信号は、位置決め完了間近では０
ボルトに近づくため、運動モード抽出回路をハードウエ
アで構成している場合であっても、その抵抗器の温度変
化によるドリフトや抵抗値の誤差によるゲインエラーの
影響は無視し得るほど小さい。したがって、かかるゲイ
ンエラーに対処するための精度の高い抵抗器や部品を使
用する必要がなく、各アクチュエータによる３軸微動機
構が有する運動モードそれぞれの制御性能に対し、きめ
細かな補償が行われる。
指令電圧との偏差信号は偏差増幅器により増幅され、そ
の信号から、運動モード抽出回路において各運動モード
別の偏差信号が抽出される。そして、抽出された各運動
モード別の偏差信号は、独立して補償が行われ、その
後、運動モード分配回路により分配されて各アクチュエ
ータに対する駆動信号となる。その際、運動モード抽出
回路に入力される偏差信号は、位置決め完了間近では０
ボルトに近づくため、運動モード抽出回路をハードウエ
アで構成している場合であっても、その抵抗器の温度変
化によるドリフトや抵抗値の誤差によるゲインエラーの
影響は無視し得るほど小さい。したがって、かかるゲイ
ンエラーに対処するための精度の高い抵抗器や部品を使
用する必要がなく、各アクチュエータによる３軸微動機
構が有する運動モードそれぞれの制御性能に対し、きめ
細かな補償が行われる。
【００１９】
［実施例１］図１は、本発明の第１の実施例に係る微動
位置決め制御装置の構成を示す図であり、本発明の特徴
を最もよく表している。同図において、ｂM ，ｂR およ
びｂL は偏差増幅信号であり、ｂg ，ｂθx およびｂθ
y は、運動モード別偏差増幅信号である。その他の図３
および図４と同一の符号は、それらの図のものと同一の
要素を示す。
位置決め制御装置の構成を示す図であり、本発明の特徴
を最もよく表している。同図において、ｂM ，ｂR およ
びｂL は偏差増幅信号であり、ｂg ，ｂθx およびｂθ
y は、運動モード別偏差増幅信号である。その他の図３
および図４と同一の符号は、それらの図のものと同一の
要素を示す。
【００２０】以下、図１の装置の動作を説明する。
【００２１】位置センサ３Ｍ，３Ｒおよび３Ｌによって
計測される基板１の鉛直Ｚ軸方向の変位は、変位増幅器
４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌによって変位信号ｚM ，ｚR およ
びｚL に変換される。変位信号ｚM ，ｚR およびｚL と
指令入力信号５Ｍ，５Ｒおよび５Ｌとを比較して位置偏
差信号ｅM ，ｅR およびｅL を得る。この位置偏差信号
は所定の感度を得るために、偏差増幅器６Ｍ，６Ｒおよ
び６Ｌに入力され、偏差増幅信号ｂM ，ｂR およびｂL
となる。この偏差増幅信号ｂM ，ｂR およびｂL は運動
モード抽出回路９に入力され、運動モード別偏差増幅信
号ｂg ，ｂθxおよびｂθy が抽出され。ここで、運動
モード抽出回路９の演算は数３式で表すことができる。
計測される基板１の鉛直Ｚ軸方向の変位は、変位増幅器
４Ｍ，４Ｒおよび４Ｌによって変位信号ｚM ，ｚR およ
びｚL に変換される。変位信号ｚM ，ｚR およびｚL と
指令入力信号５Ｍ，５Ｒおよび５Ｌとを比較して位置偏
差信号ｅM ，ｅR およびｅL を得る。この位置偏差信号
は所定の感度を得るために、偏差増幅器６Ｍ，６Ｒおよ
び６Ｌに入力され、偏差増幅信号ｂM ，ｂR およびｂL
となる。この偏差増幅信号ｂM ，ｂR およびｂL は運動
モード抽出回路９に入力され、運動モード別偏差増幅信
号ｂg ，ｂθxおよびｂθy が抽出され。ここで、運動
モード抽出回路９の演算は数３式で表すことができる。
【００２２】
【数３】 次に、運動モード別偏差信号ｂg ，ｂθx およびｂθy
は、制御ループの調整を運動モード別に行なう補償器７
Ｍ，７Ｒおよび７Ｌに入力されて、位置に関する運動モ
ード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy となる。この
運動モード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy は、運
動モード分配回路１０に入力され、各軸への駆動信号ｄ
M ，ｄR およびｄL となり、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒ
および２Ｌを駆動する電流出力型の電力増幅器８Ｍ，８
Ｒおよび８Ｌを駆動する。運動モード分配回路１０の演
算式は数２式と同じである。
は、制御ループの調整を運動モード別に行なう補償器７
Ｍ，７Ｒおよび７Ｌに入力されて、位置に関する運動モ
ード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy となる。この
運動モード別補償信号ｃg ，ｃθx およびｃθy は、運
動モード分配回路１０に入力され、各軸への駆動信号ｄ
M ，ｄR およびｄL となり、アクチュエータ２Ｍ，２Ｒ
および２Ｌを駆動する電流出力型の電力増幅器８Ｍ，８
Ｒおよび８Ｌを駆動する。運動モード分配回路１０の演
算式は数２式と同じである。
【００２３】これにより、従来の微動位置決め制御装置
と比較すると、基板１の運動モードごとのループゲイン
の調整が可能となり、装置の制御特性を極限に近いとこ
ろまで追求でき、指令入力に対する応答性が改善できる
のみならず、外乱抑圧性能も向上する。
と比較すると、基板１の運動モードごとのループゲイン
の調整が可能となり、装置の制御特性を極限に近いとこ
ろまで追求でき、指令入力に対する応答性が改善できる
のみならず、外乱抑圧性能も向上する。
【００２４】また、従来の微動位置決め非干渉化装置と
比較すると、運動モード抽出回路９や運動モード分配回
路１０をハードウエアによって実現する場合、位置決め
開始時は位置偏差信号ｅM ，ｅR およびｅL が大きい
が、位置決め完了近くになると位置偏差信号ｅM ，ｅR
およびｅL の電圧が０［Ｖ］付近になり、その結果運動
モード抽出回路９への入力信号電圧も０［Ｖ］付近にな
り、運動モード抽出回路９内の抵抗器の温度変化による
ドリフトや抵抗値の誤差によるゲインエラーの影響を無
視することができる。
比較すると、運動モード抽出回路９や運動モード分配回
路１０をハードウエアによって実現する場合、位置決め
開始時は位置偏差信号ｅM ，ｅR およびｅL が大きい
が、位置決め完了近くになると位置偏差信号ｅM ，ｅR
およびｅL の電圧が０［Ｖ］付近になり、その結果運動
モード抽出回路９への入力信号電圧も０［Ｖ］付近にな
り、運動モード抽出回路９内の抵抗器の温度変化による
ドリフトや抵抗値の誤差によるゲインエラーの影響を無
視することができる。
【００２５】本実施例では、電流出力型の電力増幅器８
Ｍ，８Ｒ，８Ｌを使用しており、制御系全体の目標値に
対する応答が１次遅れになるので、ループゲインの調整
によって、オーバーシュートが発生しないような応答に
調整することが可能となり、微動位置決め機構に負担を
かけないという特徴がある。
Ｍ，８Ｒ，８Ｌを使用しており、制御系全体の目標値に
対する応答が１次遅れになるので、ループゲインの調整
によって、オーバーシュートが発生しないような応答に
調整することが可能となり、微動位置決め機構に負担を
かけないという特徴がある。
【００２６】［実施例２］第１の実施例では、電力増幅
器として電流出力型を使用している。しかし、圧電素子
などのアクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌに対して電
流出力型の電力増幅器を使用することは稀であり、一般
には電圧出力型の電力増幅器を使用することが多い。こ
れは、制御系のループを開いて電流出力型の電力増幅器
に一定の入力電圧を印加すると、圧電素子の両端電圧が
時間の経過に伴って増大するからである。
器として電流出力型を使用している。しかし、圧電素子
などのアクチュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌに対して電
流出力型の電力増幅器を使用することは稀であり、一般
には電圧出力型の電力増幅器を使用することが多い。こ
れは、制御系のループを開いて電流出力型の電力増幅器
に一定の入力電圧を印加すると、圧電素子の両端電圧が
時間の経過に伴って増大するからである。
【００２７】そこで、電力増幅器を電圧出力型にした第
２の実施例を図２に示す。同図において、１７Ｍ，１７
Ｒおよび１７ＬはＰＩ補償器であり、１８Ｍ，１８Ｒお
よび１８Ｌは電圧出力型の電力増幅器である。ここで、
Ｐは比例動作、Ｉは積分動作を意味する。その他の符号
が示す要素は、図１と同様である。
２の実施例を図２に示す。同図において、１７Ｍ，１７
Ｒおよび１７ＬはＰＩ補償器であり、１８Ｍ，１８Ｒお
よび１８Ｌは電圧出力型の電力増幅器である。ここで、
Ｐは比例動作、Ｉは積分動作を意味する。その他の符号
が示す要素は、図１と同様である。
【００２８】これにより、従来の微動位置決め制御装置
と比較すると、基板１の運動モードごとのループゲイン
の調整が可能となり、装置の制御特性を極限に近いとこ
ろまで追求でき、指令入力に対する応答性が改善できる
のみならず、外乱抑圧性能も向上できる。
と比較すると、基板１の運動モードごとのループゲイン
の調整が可能となり、装置の制御特性を極限に近いとこ
ろまで追求でき、指令入力に対する応答性が改善できる
のみならず、外乱抑圧性能も向上できる。
【００２９】また、従来の微動位置決め非干渉化装置と
比較すると、運動モード抽出回路９や運動モード分配回
路１０をハードウエアによって実現する場合、位置決め
開始時は位置偏差信号ｅM ，ｅR およびｅL が大きい
が、位置決め完了近くになると位置偏差信号ｅM ，ｅR
およびｅL の電圧が０［Ｖ］付近になり、その結果運動
モード抽出回路９への入力信号電圧も０［Ｖ］付近にな
り、運動モード抽出回路９内の抵抗器の温度変化による
ドリフトや抵抗値の誤差によるゲインエラーの影響が無
視できる。
比較すると、運動モード抽出回路９や運動モード分配回
路１０をハードウエアによって実現する場合、位置決め
開始時は位置偏差信号ｅM ，ｅR およびｅL が大きい
が、位置決め完了近くになると位置偏差信号ｅM ，ｅR
およびｅL の電圧が０［Ｖ］付近になり、その結果運動
モード抽出回路９への入力信号電圧も０［Ｖ］付近にな
り、運動モード抽出回路９内の抵抗器の温度変化による
ドリフトや抵抗値の誤差によるゲインエラーの影響が無
視できる。
【００３０】本実施例では、電圧出力型の電力増幅器を
使用しており、ＰＩ補償器１７Ｍ，１７Ｒおよび１７Ｌ
のゼロ点と電圧出力型の電力増幅器１８Ｍ，１８Ｒおよ
び１８Ｌの極がキャンセルするように調整することによ
り、ＰＩ補償器１７Ｍ，１７Ｒおよび１７Ｌからアクチ
ュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌまでの伝達関数が１次遅
れ特性になるように調整することができるので、制御系
のループを開いて、圧電素子自身の特性を測定すること
が可能になる。
使用しており、ＰＩ補償器１７Ｍ，１７Ｒおよび１７Ｌ
のゼロ点と電圧出力型の電力増幅器１８Ｍ，１８Ｒおよ
び１８Ｌの極がキャンセルするように調整することによ
り、ＰＩ補償器１７Ｍ，１７Ｒおよび１７Ｌからアクチ
ュエータ２Ｍ，２Ｒおよび２Ｌまでの伝達関数が１次遅
れ特性になるように調整することができるので、制御系
のループを開いて、圧電素子自身の特性を測定すること
が可能になる。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、偏
差信号に対して運動モードの抽出を行い、補償を行うよ
うにしたため、３軸微動機構が有する運動モードのそれ
ぞれの制御性能をきめ細かく調整して位置決め制御特性
を改善できるとともに、精度の高い抵抗器や部品を使用
する必要がなく、コストアップを回避することができ
る。また、図４の微動位置決め非干渉化装置への指令入
力は運動モード別変位信号に対する指令であるため、そ
のためのソフトウエアを新たに開発する必要があるが、
本発明の微動位置決め制御装置への指令入力は従来の図
３装置と同様に変位信号に対する指令であるので、本発
明の微動位置決め制御装置を駆動するソフトウエアは、
従来の図３の装置を駆動するソフトウエアを流用するこ
とができ、ソフトウエア開発の時間を省くことができ
る。
差信号に対して運動モードの抽出を行い、補償を行うよ
うにしたため、３軸微動機構が有する運動モードのそれ
ぞれの制御性能をきめ細かく調整して位置決め制御特性
を改善できるとともに、精度の高い抵抗器や部品を使用
する必要がなく、コストアップを回避することができ
る。また、図４の微動位置決め非干渉化装置への指令入
力は運動モード別変位信号に対する指令であるため、そ
のためのソフトウエアを新たに開発する必要があるが、
本発明の微動位置決め制御装置への指令入力は従来の図
３装置と同様に変位信号に対する指令であるので、本発
明の微動位置決め制御装置を駆動するソフトウエアは、
従来の図３の装置を駆動するソフトウエアを流用するこ
とができ、ソフトウエア開発の時間を省くことができ
る。
【図１】 本発明の第１の実施例に係る微動位置決め制
御装置の構成を示すブロック図である。
御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】 本発明の第２の実施例に係る微動位置決め制
御装置の構成を示すブロック図である。
御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】 従来の微動位置決め制御装置の構成を示すブ
ロック図である。
ロック図である。
【図４】 従来の微動位置決め非干渉化装置の構成を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図５】 微動位置決め装置におけるアクチュエータと
位置センサの配置を示す座標系を示す図である。
位置センサの配置を示す座標系を示す図である。
１：基板、２Ｍ，２Ｒ，２Ｌ：圧電素子などのアクチュ
エータ、３Ｍ，３Ｒ，３Ｌ：位置センサ、４Ｍ，４Ｒ，
４Ｌ：変位増幅器、５Ｍ，５Ｒ，５Ｌ：指令入力、５Ｍ
´，５Ｒ´，５Ｌ´：運動モード別指令入力、６Ｍ，６
Ｒ，６Ｌ：偏差増幅器、７Ｍ，７Ｒ，７Ｌ：補償器、８
Ｍ，８Ｒ，８Ｌ：電流出力型の電力増幅器、９：運動モ
ード抽出回路、１０：運動モード分配回路、１７Ｍ，１
７Ｒ，１７Ｌ：ＰＩ補償器、１８Ｍ，１８Ｒ，１８Ｌ：
電圧出力型の電力増幅器、ｅM ，ｅR ，ｅL ：位置偏差
信号、ｅg ，ｅθx ，ｅθy ：運動モード別偏差信号、
ｚM ，ｚR ，ｚL ：変位信号、ｚg ，ｚθx ，ｚθy ：
運動モード別変位信号、ｂM ，ｂR ，ｂL ：偏差増幅信
号、ｂg ，ｂθx ，ｂθy ：運動モード別偏差増幅信
号、ｃg ，ｃθx ，ｃθy ：運動モード別補償信号、ｄ
M，ｄR ，ｄL ：各軸への駆動信号。
エータ、３Ｍ，３Ｒ，３Ｌ：位置センサ、４Ｍ，４Ｒ，
４Ｌ：変位増幅器、５Ｍ，５Ｒ，５Ｌ：指令入力、５Ｍ
´，５Ｒ´，５Ｌ´：運動モード別指令入力、６Ｍ，６
Ｒ，６Ｌ：偏差増幅器、７Ｍ，７Ｒ，７Ｌ：補償器、８
Ｍ，８Ｒ，８Ｌ：電流出力型の電力増幅器、９：運動モ
ード抽出回路、１０：運動モード分配回路、１７Ｍ，１
７Ｒ，１７Ｌ：ＰＩ補償器、１８Ｍ，１８Ｒ，１８Ｌ：
電圧出力型の電力増幅器、ｅM ，ｅR ，ｅL ：位置偏差
信号、ｅg ，ｅθx ，ｅθy ：運動モード別偏差信号、
ｚM ，ｚR ，ｚL ：変位信号、ｚg ，ｚθx ，ｚθy ：
運動モード別変位信号、ｂM ，ｂR ，ｂL ：偏差増幅信
号、ｂg ，ｂθx ，ｂθy ：運動モード別偏差増幅信
号、ｃg ，ｃθx ，ｃθy ：運動モード別補償信号、ｄ
M，ｄR ，ｄL ：各軸への駆動信号。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−151272（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−69096（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−185502（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G05D 3/00 - 3/20
Claims (3)
- 【請求項１】 Ｚ軸方向の並進１自由度とＸ軸及びＹ軸
回りの回転２自由度において位置決めされる対象物と、 前記対象物を前記位置決めのためにＺ軸方向に移動する
３個のアクチュエータと、 前記対象物の前記各アクチュエータ近傍におけるＺ軸方
向の変位を計測する３個の位置センサと、 前記各位置センサの出力に基づく変位信号と各指令入力
信号から求められる前記各位置センサごとの位置偏差信
号を増幅する偏差増幅器と、前記偏差増幅器からの各偏差増幅信号 に所定の演算を施
して前記対象物のＺ軸方向の並進１自由度とＸ軸及びＹ
軸回りの回転２自由度に関する運動モード別偏差増幅信
号を抽出する運動モード抽出回路と、 前記運動モード抽出回路からの各運動モード別偏差増幅
信号に対してそれぞれ独立に補償を行なう補償器と、前記 補償器からの各運動モード別偏差増幅信号に所定の
演算を施して前記各アクチュエータに対する駆動信号を
生成する運動モード分配回路と、 前記各駆動信号に応じて前記アクチュエータのそれぞれ
を駆動する電力増幅器とを備えることを特徴とする微動
位置決め制御装置。 - 【請求項２】 前記補償器がゲイン調整を行なう回路で
あり、前記電力増幅器が電流出力型の電力増幅器である
ことを特徴とする請求項１記載の微動位置決め制御装
置。 - 【請求項３】 前記運動モード分配回路の出力に対して
比例積分補償を行なうＰＩ補償器を備え、前記電力増幅
器が電圧出力型の電力増幅器であることを特徴とする請
求項１記載の微動位置決め制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25583195A JP3281227B2 (ja) | 1995-09-08 | 1995-09-08 | 微動位置決め制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25583195A JP3281227B2 (ja) | 1995-09-08 | 1995-09-08 | 微動位置決め制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0981243A JPH0981243A (ja) | 1997-03-28 |
| JP3281227B2 true JP3281227B2 (ja) | 2002-05-13 |
Family
ID=17284217
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25583195A Expired - Fee Related JP3281227B2 (ja) | 1995-09-08 | 1995-09-08 | 微動位置決め制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3281227B2 (ja) |
-
1995
- 1995-09-08 JP JP25583195A patent/JP3281227B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0981243A (ja) | 1997-03-28 |
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