JPH0373007A - 超精密位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ナノメータオーダの位置決めを高精度で行う
ことができる超精密位置決め装置に関するものである。

〔従来の技術〕

超精密位置決めは、最も基本的で重要な技術の１つであ
る。特に、半導体製造やレーザ光学、オプトエレクトロ
ニクスの分野からナノメータオーダの超精密位置決めに
対する強い要望がある。位置決めにおいては、高精度で
あるだけでなく高速であることが必要とされるが、高精
度と高速とは相矛盾する特性であり、両性質を併せ持た
せることは容易でない。

従来は、このような問題点に対して、粗動と微動の独立
な位置決め系を直列に配置し、高速性を粗動系で、高精
度を微動系で実現するようにしている。

第１６図は精密位置決め装置の従来例を示す図、第１７
図はＸＹステージ制御ブロックの従来例を示す図、第１
８図は位置決めシーケンスの例を示す図である。

第１６図に示す従来の精密位置決め装置は、２軸ムービ
ングコイル型リニアモータ５３を用いた装置であり、Ｘ
線露光装置用空気不定式ｘＹステージに適用したもので
ある。この装置は、粗動系をリニアモータ５３で駆動し
、真空ロック機構５７で粗動系を停止させ、同図わ）の
粗／微動を切り換えるための真空吸着機構と微動バネの
構成に示すＸＹ微動バネ６１の変形による微動で位置決
めを行うようにしている。その制御ブロックを示したの
が第１７図であり、粗動位置決め動作、ロック動作、微
動位置決め動作からなる位置決めシーケンスを示したの
が第１８図である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記従来の精密位置決め装置は、機構の構成が
複雑で小型化が難しく、真空吸着により固定するバネ系
の剛性を高くすることができないため、固有振動数が低
く、応答性が高くできないという問題がある。また、位
置決めのシーケンスが、第１８図に示すように粗動−停
止−ロツクー微動位置決めの順となり、粗動停止及びロ
ック時の整定に時間がかかるため、位置決め時間が長く
なるという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、簡単な
構成で小型化ができ、高精度且つ高分解能位置決めが可
能な精密位置決め装置を提供することを目的とするもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、可動部と固定部との間に圧力をか
けたころがり案内部のみで接触し、非接触式のモータで
駆動される超精密位置決め装置であって、制御系は、こ
ろがり案内部の可逆で弾性的なバネ特性を有する領域Ｉ
、ころがりを生じ力が変位に依存する領域ＩＩ、及び摩
擦力が飽和する領域ＩＩＩを使い、領域ＩＩＩで高速か
つ長ストロークの粗動位置決めを、領域Ｉ及びＩＩで高
分解能の微動位置決めを行うようにしたことを特徴とす
るものである。

〔作用〕

本発明の超精密位置決め装置では、ころがり案内部の有
する領域Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩの性質を利用し、そのうち領
域■は、バネ特性の線形性が非常によく固有振動数が高
いので、この剛性の高いバネ系の領域Ｉで位置決めを行
うことにより、分解能が高く、応答が速い位置決めを行
うことができる。特に領域Ｉは、基準点からの変位が１
１００ｎ程度の幅であるので、この特性を用いることに
よりナノメータオーダの位置決めが実現できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明に係る超精密位置決め装置の１実施例構
成を示す図、第２図はころがり案内部の変位−力特性を
示す図、第３図はころがり案内部の各領域の運動モデル
を示す図である。

第１図において、１はモータ固定部、２はモータコイル
、３はモータ可動部、４は可動部、５は位置センサ、６
と７は加速度センサ、８はころがり案内部、９は固定部
、１０は指令発生部、１１はコントローラ、１２はパワ
ーアンプを示す。可動部４と固定部９ところがり案内部
８は、超精密位置決め装置の機構部をｘｌ或するもので
あり、位置を制御すべき可動部４をころがり案内部８に
より支持し、可動部４と固定部９との間にころがり案内
部８を挟んで圧力を加えることにより、ころがり案内部
のこる或いはボールを圧力方向ならびにそれに垂直な駆
動方向に弾性変形させて固定部９との間で相対運動を生
じさせるものである。この運動は、可動部４にモータ可
動部３を取り付けてモータ固定部１とモータ可動部３か
らなる完全に非接触のモータにより、可動部４に駆動力
ｆを発生させるようにしている。位置センサ５は、位置
制御を行うべき可動部４の変位Ｘを検出するものであり
、指令発生器１０は、可動部４の位置指令ｒを発生する
ものである。コントローラ１１は、可動部４の検出位置
Ｘと位置指令ｒとを比較し、パワーアンプ１２を通して
モータコイル２のモータ電流計を制御することによって
駆動力ｆを操作し、可動部４の位置制御を行う。加速度
センサ６は可動８４の駆動方向の加速度を検出し、加速
度センサ７は固定部９の駆動方向の加速度を検出するも
のである。

上記のように圧力を加えたころがり案内部８のころやボ
ールで構成されるころがり体は、Ｈｅｒｚの接触に従っ
て弾性接触をするが、この状態で静止させた後にモータ
可動部３に駆動力ｆを発生させ可動部４を変位させて変
位Ｘと駆動力ｆとの静的な関係を測定すると、第２図に
示すような領域Ｉ〜■からなる特性が得られる。領域Ｉ
、■の存在は本発明者等により初めて見い出されたもの
である。

従来のころがり案内では、領域ＩＩＩを利用していたが
、本発明の超精密位置決め装置では、領域Ｉ〜ＩＩＩを
組み合わせて利用することにより高速で且つ超精密位置
決めを実現するものである。

そこで、位置決め制御方式を説明する前に、まず、各領
域の特性について説明する。各領域Ｉ〜ＩＩＨ！、第３
図に示すような運動モデルとなり、それぞれの領域にお
ける変位−力特性は、ｆ＝０で平衡した位置を変位の基
準点ｘ＝０とし、原点○とすると、以下の通りになる。

■　領域■　（ｌｘｌくｘｌ）は、案内部が固着した位
置を平衡点として、可動部４が案内部のバネ特性を介し
て固定Ｂ９に結合された領域となる。

したがって、第３図の領域Ｉに示すような質量Ｍとバネ
に１の直列結合された系となる。この系は、当然可逆で
且つ定位性を有し、定常的なころがりは生じない。その
ため、原点○を通る線形特性、つまりバネ特性となり、
この領域のバネ特性の線形性は非常に良く且つ、固有振
動数が高いので、この特性を用いることによりナノメー
タオーダの位置決めが実現できる。

この領域における力ｆから変位Ｘへの伝達関数は、 Ｇ＋（ｓ） Ｍｓ’＋に であり、固有角振動数は、 ωｎｌ＝ハ（こ７材 である。この特性は、周波数平面上では虚軸上の極と表
される。なお、後述の試作装置では、ｘ、’−１０〜１
００　ｎｍ Ｍ？５ｋｇ Ｋ１”＝　１０〜２０Ｘ　１０’　Ｎ／ｍであり、 ｆ、−ω。／２π′、２００〜３００Ｈｚであった。

なお、この領域の特性は、従来の微動機構系に相当する
ものであるが、固有周波数は、従来の微動機構に比べて
４〜１０倍程度高い。

■　領域ＩＩ（ｘ＋≦ｊｘ１＜ｘｚ）は、ころがり案内
部の接触部の一部が固着し、残りの部分がすべり状態と
なる領域である。この領域では、一定の力を加え続ける
ところがりを生じ、力と変位の関係は定位的でなく、ヒ
ステリシス摩擦によるエネルギー（員失を伴う非可逆的
運動をする。したがって、変位を一定に保つ制御を行っ
た状態においでは、力は変位の関数であり、第３図の領
域Ｈに示すように近似的バネ特性と見做せる。つまり、
直線に近い関係を示すが、この直線は原点○を通らない
。そのため、この領域のバネ特性の線形性はあまり良く
ないが、再現性は良く、任意の平衡点に対してほとんど
同一の特性を示すので、位置制御に有効に利用できる。

この領域ＩＩでの挙動は、近似的に、 Ｍ５ｅ＋に２　（ｘ−Ｘｌ　）　−ｆ±Ｆ１と表すこと
ができる。これを、 Ｍ父＋Ｋａ　ｘ＝ｆ＋Ｆ＋　−に２　Ｘとし、摩擦力を
含めた右辺全体を操作力と考えると、操作力から位置へ
の伝達関数は、 であり、固有角振動数は、 ω７２−ハ（Ｆ７爾 となる。試作した装置では、 ｘ２ζ１００μｍ Ｋ２　”＝、ｌ〜Ｏ，ＩＮ／ｍ であり、バネ定数に２は、領域Ｉのバネ定数にと比べて
１〜２桁小さい。このため、固有周波数も１７３〜１７
１０程度に小さくなる。

なお、この領域は、従来の粗動系と微動系の中間の性質
を有する。

■　領域ｌ１１（Ｉｘｌ≧Ｘ２）は、＃振力が飽和する
定常的なころがり状態となる領域であり、変位に依らず
力つまりＦｆｌ擦力振力ぼ一定のころがり運動をする領
域である。これは、第３図の領域■に示すような所謂ク
ーロン摩擦とみなされる特性であり、平衡点より１００
μｍ以上の変位は全てこの領域であるから、長ストロー
ク動作の場合はほとんどこの領域内での運動となる。

領域ＩＩＩでの挙動は、 Ｍ　Ｍ　＝　ｆ　ｆ　Ｆ　２ と表され、摩擦力が作用する剛体の運動で、カから位置
への伝達関数は、 Ｇ３（８）＝１／ＭＳ２ となる。

通常、ころがり案内系は、この領域の特性を有し、従来
のころがり案内を用いた位置制御系は、この領域の特性
を想定して構成されている。したがって、従来のころが
り案内を用いた位置制御系は、領域■、ＩＩの特性を積
極的に利用することは行われていない。

次に、上記機構に適用する超精密位置決めの制御方式に
ついて説明する。

本発明に係る超精密位置決め装置では、ころがり案内部
における上記領域Ｉ〜ＩＩＩの特性を有効に利用して超
精密位置決めを実現するものであり、具体的には、長ス
トロークの位置決めに対して、まず、領域ＩＩＩを使っ
て位置決めの目標点近傍まで可動部４を駆動し、目標点
近傍で一旦駆動力を開放し積分動作をリセットした後、
領域ＩＩ、■に移行させて超精密位置決めを行うように
するものである。

第４図は長ストロークの位置決め制御の手順を説明する
ための図、第５図は操作力を零にする領域を説明するた
めの図である。

まず、静止状態、つまり領域Ｉにある状態から領域■、
■の範囲内への短いストロークの位置決めは、先に述べ
たように領域Ｌｎの特性を利用し指令をそのまま与えて
制御を行う。

しかし、領域■を越える長ス）ローフの位置決めの場合
には、−旦領域■に入ると、次に停止するまで領域ＬＨ
に戻らないことを考慮した制御を行う。このような制御
の例を第４図により説明する。

第４図に示すように始めの停止位置をＸ。（くＯ）とし
、原点（ｘ、　＊）　＝　（’Ｏ，Ｏ）へ位置決めする
場合には、まず、従来と同様に、加速→定速→減速→停
止（位置決め） となる指令を発生する。第４図の位相面のトラジェク）
　ＩＪでは、■→■が加速、■→■が定速、■−■が減
速である。この間は、領域ＩＩＩの状態での運動であり
、制御系の構成も従来と同じであるが、転がり案内部の
変形量△を考慮し、領域■において 領域ＬＩＩにおいて ｒ　　　＝　ｒ となるように指令を補正する。

さらに本発明では、次のステップから従来と異なる制御
を行う。

つまり、第４図に示すように位置決め目標点の近傍に強
制的に操作力ｆを零とする領域Ａを設け、減速途中にお
いて、この領域に入った瞬間（図示■の点）に電流１を
零とすることにより操作力を零とし、且つ積分制御を強
制的にリセットする。

操作力をゼロにすると、可動部は、摩擦カーＦ２が作用
して減速し、速度が零、つまり停止する。

この瞬間に案内部の挙動は値域■或いはＩに遷移する。

そこで、操作力を零としたまま速度がほぼ零となった瞬
間（図示■の点）から領域ＩＩ、■の制御を動作させ、
最終位置決めを行う。

なお、正方向からの位置決め、つまりＸ。〉０の場合に
は、方向が逆になるだけである。つまり、本発明は、位
置決めの途中において操作力を零にすることによりころ
がり案内部の挙動を領域■から領域Ｉ、■へ移行させ、
剛性と線形性の高いころがり案内部のバネ特性を有効に
利用することによって、従来実現できなかった超精密な
位置決めを可能にするものである。

したがって、操作力を零にする領域Ａは、摩擦力だけで
ＩＸＩ≦ｘ２の範囲内に停止するように設定するもので
あり、正方向への位置決め時には、第５図（ａ）に示す
ように、 ＊　’　−（Ｆ２ｓｉｎ／Ｍ＞　　（Ｘ　　Ｘｉ　）大
’　＝　　（Ｆ　２−Ｘ／　Ｍ）　　（ｘ　＋　Ｘ　２
　）ｘ　　　−■ 負方向への位置決め時には、第５図（ｂ）に示すように
、 ＊”　＝　（Ｆｚ−＋ｎ／Ｍ）　　（ｘ　　ｘｚ　）＊
’　＝　（Ｆ２１１１１Ｘ／Ｍ）　　（Ｘ＋Ｘ２　）太
　　＝−Ｖ。

なる３つの曲線で囲まれた領域を設定する。ただし、Ｆ
、１６、Ｆ２１．。は、摩擦力Ｆ、の最大値と最小値で
あり、■、は零に近い速度である。なお、この領域は同
図（Ｃ）〜（ｆ）に示すような判定の易しい領域で代用
することができる。

次に、上記各領域の制御系の構成について説明する。

第６図は領域ＩＩＩでの制御系の構成を示す図、第７図
は剛体系（領域■）の制御方法の例を説明するための図
、第８図は領域１．ＩＴでの制御対象の特性を示す図、
第９図は領域ＩＩＩの特性と等価にする位置の正帰還ル
ープを示す図、第１０図は全領域での特性を等しくする
制御系の構成を示す図である。

従来の制御方法では、剛体系が希望する応答速さと減衰
特性を有するように設計される。剛体系は、領域ＩＩＩ
の特性であるから、そのブロック線図は、第６図のよう
に表され、破線１５は、機構の特性である。この領域■
、つまり剛体系の従来の制御方式の例を示したのが第７
図であり、同図（ａ）はＰＩＤ制御、同図（ｂ）はＩ−
ＰＤ制御で、いずれも位置のみが計測できると仮定して
いる。そして、摩擦力によるオフセットをなくす目的で
積分制御が含まれている。また、微分は、近似微分によ
り実現している。微分制御は、制御系の安定化に重要な
効果を与えるが、これは、速度フィードバックに相当す
る。もし、速度が直接的に計測可能であれば、微分制御
は、速度信号のフィードバックに代えることができる。

記号は、 Ｋ、：比例ゲイン ＴＩ　＝積分時間（ＴＩ、−’：積分ゲイン）Ｔ、：微
分時間（微分ゲイン） Ｔｆ　：近似微分の時定数 である。

他方、領域■、ＩＩでの機構の特性は、第８図のように
表すことができる。第６図の剛体系と異なる点は、バネ
定数にのフィードバックがあることである。したがって
、第９図に示すように人為的にゲインにのポジデイプフ
ィードバックを付加することにより、領域■、ＩＩでの
機構の特性を領域ＩＩＩの剛体系と同じ特性とすること
ができる。

上記の性質を利用すると、全領域での閉ループ特性を等
しくすることができ、そのような構成を示したのが第１
０図である。これは、第６図の構成に可変ゲイン１７の
ポジティブフィードバックを加える構成である。可変ゲ
イン１７は領域判定１６を行い、 領域１　　；　　Ｋ＝に 領域ＩＩ　　；　　Ｋ＝に２ 領域Ｉ　　；　　Ｋ＝０ と設定する。

第１１図は全体の制御系の構成例を示す図であり、２１
は指令発生器、２２はＰＩＤコントローラ、２３は加速
度フィードバック回路、２４は機構部、２５は切り換え
スイッチ、２６は位置のポジティブフィードバック、２
７は速度演算回路、２８．２９と３０は領域判定回路を
示す。

第１１図において、指令発生器２１は、位置決め位置信
号ｘ、と第４図に示す運動のトラジェクトリに相当する
速度指令信号を基に位置指令信号ｒを発生するものであ
り、この位置指令信号ｒと位置信号Ｘとの差がＰ’ＩＤ
コントローラ２２に入力される。そして、ＰＩＤコント
ローラ２２の出力がスイッチ回路２５を通して機構部２
４の駆動信号Ｕとなり、ここに位置のポジティブフィー
ドバック回路２６、加速度フィードバック回路２３が接
続される。ここで、加速度フィードバック回路２３は、
第１図に示す加速度センサ６と７の信号の差を求めて相
対的な駆動方向の加速度をフィードバックするものであ
り、位置のポジティブフィードバック回路２６は、第１
０図で説明したように領域■〜■に応じてゲインＫを切
り換える可変ゲインのフィードバック回路である。そし
て、領域判定回路２８〜３０は、先に述べたように領域
Ｉ〜■に応じてＰＩＤコントローラ２２の積分制御のリ
セットを行ったり、位置決め目標点の近傍で制御の切り
換えを行うための信号を生成するものである。

領域判定回路２８は、第４図及び第５図で説明したよう
に位置決め目標点近傍で強制的に操作力を零にするとき
のその領域判定を行う回路であり、操作力を零にする第
５図に示す領域への中の場合には「ｌ」、領域Ａの外の
場合には「０」の判定信号Ｓ、を出力する。したがって
、判定信号Ｓが「１」のときには、スイッチ回路２５を
オーブン側に切り換えて機構部２４のパワーアンプの入
力（駆動信号Ｕ）を強制的に零にすると共に、ＰＩＤコ
ントローラ２２の積分制御をリセットする。

また、領域判定回路２９は、位置決め位置Ｘｒと変位Ｘ
との偏差ｄが領域Ｉ〜ＩＩＩのいずれにあるかを判定す
る回路であり、偏差ｄが領域Ｉの範囲にある場合には「
０」、領域ＩＩの範囲にある場合には「１」、領域ＩＩ
Ｉの範囲にある場合には「２」の判定信号ｓ２を出力す
る。

そして、領域判定回路３０は、位置のポジティブフィー
ドバックゲインを切り換えるための領域判定を行う回路
であり、領域判定回路２８の判定信号ｓｌと領域判定回
路２９の判定信号Ｓ２から実質的に領域Ｉと判定した場
合には「０」、領域■と判定した場合には「１」、領域
■と判定した場合には「２」の判定信号Ｓを出力する。

したがって、ポジティブフィードバック回路２６のゲイ
ンには、判定信号Ｓが「０」のときに１、判定信号Ｓが
「１」のときに２、判定信号Ｓが「２」のとき０に切り
換えられる。

第１２図は本発明に係る超精密位置決め装置の機構部と
モータの構成例を示す図、第１３図はＡＣモータ巻線の
電流駆動方法の例を示す図である。

第１２ｒｌｌＪに示す例は、試作した超精密位置決め装
置の機構部とモータの構成例である。案内方式は、ボー
ルを用いたころがり方式の直線案内であり、固定部のベ
ースにボールを受けるガイド３６を取り付け、可動部の
テーブル３１の４隅にボールが循環するガイドを配置し
たものである。そして、テーブル３１に取り付けたネジ
によりガイドを押して案内のボールに圧力を加えるよう
にしている。

モータは、可動磁石型のＡＣリニアモータで、３相電機
子捲線３３が樹脂で固められてベースに固定され、これ
を両側から２組の永久磁石３７が挟む形でテーブル３１
に固定され、電機子巻線３３に電流を流すと、テーブル
３１の駆動力が発生する。モータは、可動部の真中に配
置し、それに２組の永久磁石３７が対向するように配置
すると、可動部にモーメントが作用しないようにするこ
とができる。また、磁性コアを用いない空芯タイプの巻
線方式を採用すると、磁気回路の不均一さによる駆動力
の変動をなくすことができ、同時に巻線のインダクタン
スが極めて小さくなるので、巻線の電気的定数が小さい
応答性の高いモータを実現することができる。

この駆動系では、例えば巻線抵抗Ｒ−２０Ω、インダク
タンスＬ＝１ｍＨにすると、電気的時定数Ｔは、 Ｔ＝Ｌ／Ｒ＝１ｍＨ／２’ＯΩ＝５０μｓとなり、リニ
アアンプで駆動したときのモータ電気回路の周波数応答
特性は、ゲインが一３ｄＢとなる条件において、１０ｋ
Ｈｚ以上となった。また、この場合、力の分解能は、１
ｍＮ以下であることが確認された。

モータの３招電機子巻線は、第１３図に示すようにスタ
ー結線とし、２台のリニア電流パワーアンプによりＵ相
とＶ相を電流駆動した。この結線方式により３相電流の
平衡条件である ｌｕ　＋ｌｖ　＋　１ｗ　＝０ は自動的に満たされる。そして、１１１％　ｌｖは、磁
界と電流ベクトルとが常に直交する条件を満たすように
ベクトル制御を行う。

第」４図は加速度フィードバックによる安定化の例を説
明するための図、第１５図は積分制御と二次遅れフィル
タによる安定化の例を説明するための図である。

領域１１ＩＩでの微小な位置制御時の問題点の１つは、
振幅と速度が小さい応答となるため、微分演算により速
度信号を得ることが難しくなり、制御系の安定性と減衰
性を高くすることができなくなることである。この問題
に対する解決法の例を示したのが第１４図及び第１５図
である。

第１の方法は、加速度フィードバックにより安定化する
方法である。領域■、ＩＩでは、機構が固有周波数の高
い振動特性となる。振１１１！ＩＩの振動変位は、 ｘ（ｔ）＝ａｓｉｎ　　（２πｆ、ｌｔ）と表され、こ
の運動の加速度は、 ’ｔ　（ｔ）＝　ａ　（２ｙｒ　ｆ　、）’５ｉｎ（２
πｆ、、ｔ）となる。ここで、 （２πｆ、ｌ）’＞＞１ であるから、加速度は比較的高いレベルの信号となる。

さらに、固有周波数付近にパワーが集中するので、交流
成分の信号としてよい。可動部と固定部の加速度を圧電
型加速度計等を用いて計測し、第１４図（ａ）に示すよ
うにしてその差を演算し、相対加速度を求め、これを−
次遅れ回路を通して電流指令に加算することにより加速
度フィードバックループを構成する。Ｔは一次遅れの時
定数、Ｋ、は加速度フィードバックゲインである。

力から加速度への伝達関数は、領域Ｉ、ＩＩで、２ 領域ＩＩＩで、 Ｇ、（ｓ）＝１／Ｍ であり、−次遅れを介して閉ループを構成したときの根
軌跡は、領域１１■が第１４図ら）、領域■が同図（Ｃ
）となる。領域■、ＩＩでは、固有振動の減衰を高める
ことができ、位置ループゲインを大きく設定できるよう
になるため、精度と応答特性が高くなり、領域ＩＩＩで
は、単に時定数の小さい一次遅れとなるだけであるから
、閉ループの特性は、はとんど変化しない。

第２の方法は、やはり、領域■、ＩＩで機構が振動特性
にあることを利用して安定化を行うものである。つまり
、第１５図（ａ）に示すように制御は単純な積分制御の
みとし、二次遅れフィルタを通して位置をフィードバッ
クする構成とする。機構の固有角周波数ω□＝２に対し
、二次遅れフィルタの時定数をＴ’ｔ１．５の、、−１
程度に設定すれば、第１５図（ｂ）の根軌跡に示すよう
に振動特性を積分ゲイン７１−’の増大と共に安定化す
ることができ、閉ループ位置制御系を高いゲインと応答
特性を有し、かつオフセットのない系とすることができ
る。なお、本制御法の構成は、領域ＩＩＩでは不安定で
あるから、領域の判別を行い、領域１１■にあるときの
み本構成とし、さらに領域■のとき、 Ｔ＝１．．５ωｎｌ−’ｑ　　Ｔ　ｌ　　−””　０　
、　２ω１−１領域ＩＩのとき、 Ｔ＝１．　５（Ｉｌｌｎ２−’、　ＴＩ−’＝０．　２
ω、２″と設定する。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例では
、試作した装置により機構とモータの構成例を示したが
、非接触式のモータで駆動され、ころがり案内部のみで
接触する位置決め機構としては、様々な変形を取り得る
ことはいうまでもない。

以下に本発明の他の実施例を説明する。

第１９図は本発明に係る超精密位置決め装置の第２の実
施例を示す図、第２０図は粗動コントローラの構成を示
す図、第２１図は微動コントローラの構成を示す図、第
２２図はスイッチの切り換えタイミングを示すタイムチ
ャート、第２３図はモータをＯＦＦする時刻Ｔ、以降の
可動部の挙動の実測例を示す図である。

本発明に係る他の実施例の１つは、独立した３つのコン
トローラを領域Ｉ、ｎ、ＩＩＩにそれぞれ対応するよう
に設置し、領域判定に従って、対応するコントローラの
出力を選択するスイッチを設けることであり、さらに第
２の実施例を示したのが第１９図である。これは、実験
して確認した方法である。この第１９図において第１１
図の構成と異なる点は、 ■　加速度フィードバック行わない ■　粗動コントローラ９１と微動コントローラ９２の独
立した２つのコントローラを設置する■　粗動用位置セ
ンサ９４と微動用位置センサ９５の２つの位置センサを
用いる ■　状態判定機９３により厳密な状態判定による制御の
切り換えではなく時間を管理するシーケンスに従って切
り換える ■　モータ電流をＯＦＦにしてステージが停止するとき
転がり案内の変形量△＝Ｘ２だけ位置が戻ることを考慮
して、予め粗動位置指令は、目標位置ｒ、、にΔだけ上
乗せしたものとすることである。

粗動コントローラ９１は、第２０図に示すように位置ル
ープが比例制御、速度ルー、プが比例積分制御であり、
微動コントローラ９２は、第２１図に示すように速度ル
ープのない、単純な位置の積分制御である。したがって
、領域Ｉの制御のみが可能である。なお、安定化のため
に二次遅れフィルタをフィードバックループに入れてい
る。この制御構成によれば、遅れ要素だけを用いている
ため高周波のノイズに対して強くすることができる。

スイッチＡ、Ｂの動作では、第２２図のタイムチャート
に示すようにまず、位置決め開始を表すスタート信号の
立ち上がりでスイッチ八を■に選択し、スイッチＢを、
正方向の位置決めの場合には■に、負方向の位置決めの
場合には■に選択する。次に、粗動位置ＸＣが位置決め
位置Ｘｒ＋Δに等しいか或いは行き過ぎた瞬間ＴＩにス
イッチＡとＢをそれぞれ■に切り換える。そして・Ｔか
らある一定時間経た時刻Ｔ２において、スイッチＡを■
に切り換える。この場合のモータをＯＦＦする時刻Ｔ、
以降の可動部の挙動の実測例を示したのが第２３図であ
る。この実測例で示すように可動部の挙動は、時刻Ｔ１
までは大ストロークの動作で領域ＩＩＩの状態にある。

しかし、時刻Ｔから、転がり案内部の変形量Δだけ戻る
位置を平衡点とする約４０Ｈｚの領域■における振動を
数回繰り返し減衰し、この間約５０ｍｓである。その後
約２００Ｈｚの領域Ｉにおける振動に移行し、その整定
には約５０〜Ｌｏｏｍｓかかる。時間（Ｔ２−Ｔ、）は
、モータを０ＦＦＬ、て領域Ｉに確実に移行する時間に
設定する。実験では１００ｍ５とした。

次に本発明の超精密位置決め装置に関する実験結果を示
す。

第２４図は粗動制御の最小分解能のステップ応答例を示
す図、第２５図は最高速度２００ｍｍ／Ｓの応答例を示
す図、第２６図は微動制御の１ｎｍのステップ応答例を
示す図である。

粗動制御の最小分解能と最高速度は用いた粗動用センサ
の仕様で決定されている。第２６図から明らかなように
バックラッシのない、ｌｎｍ以下の分解能を有する位置
決めが実現された。また、第２２図に示すタイムチャー
トに従い、粗動から微動制御に切り換えることにより粗
動制御で長ストロークかつ高速の位置決めを行い、微動
制御で最終的にｌｎｍ以下の分解能で位置決めできるこ
とが確認された。

第２７図は本発明に係る超精密位置決め装置の第３の実
施例を示す図、第２８図は位置決めのシーケンスを説明
するための図である。

本発明の第３の実施例は、モータＯＦＦつまり力をゼロ
にする制御と、転がり案内部の変形量Δの補正とを瞬時
的な切り換えではなく、連続的に行い、なめらかな応答
を実現するものである。この具体的な回路を示したのが
第２７図であり、領域■及び■に対する制御系の構成で
、位置を比例制御、速度を比例積分制御するものである
。

なお、連続的な切り換えを実現するために付加された回
路を破線で囲んでいる。ここではＲ，とＣ２とで時定数
Ｒ７Ｃ２Ｃ５〕の一次遅れ回路を構成しており、±Δ−
１０へのステップ状の変化をなめらかな変化とする。

積分コンデンサＣ１には摩擦力に対応する電圧がチャー
ジされるが、これをＳＷ２で閉じ、Ｒ５を通して放電さ
せ、連続的に力をゼロの状態にする。

領域■の範囲は、実験した装置では約±１１００ｎであ
り、領域■及び領域■における位置決め−を経て領域Ｉ
に移行したとき、最終的な位置決め位置Ｘｒが領域Ｉの
中に含まれているかどうかが問題となる。含まれている
場合にはそのまま領域Ｉにおける微動制御に切り換えれ
ばよい。しかし、含まれていない場合には、領域■ある
いは■における位置決め位置Ｘｒを目標とする新たな位
置決めを行う。このような位置決めのシーケンスを示し
たのが第２８図である。

以上直線系の位置決めについて説明したが、回転系の位
置決めに対しても同様に適用することが可能である。

第２９図は回転位置決めテーブルに本発明を適用した例
を示す図、第３０図は第１図のころがり軸受けを断面Ａ
−Ａ’で見た図である。

回転位置決めテーブルに本発明を適用した場合には、第
３０図に示すように軸受回転部１３と固定部９との間に
最低３個のボールが必要であり、位置を制御する回転テ
ーブル４を転がり軸受８で支持している。また、転がり
軸受８は、軸受回転部１３と固定部９の間にボールをは
さんで圧力をかけることによりボールを弾性変形させて
いる。

回転運動は、回転テーブル４にロータ３を取り付け、ロ
ータ３、モータコイル２、モータ固定部１から成る完全
に非接触なモータにより、回転テーブル４に直接回転ト
ルクτを与えて制御する。

位置センサ５は、回転テーブル４の位置（回転角）θを
非接触に計測するものであり、指令発生器１０は回転テ
ーブル４の位置指令ｒを発生するものである。コントロ
ーラ１１は、回転角θと指令ｒとを比較してパワーアン
プ１２を通してモータコイル２に流す電流ｉを耐御する
ことで、回転トルクτを操作し、回転テーブル４の位置
制御を行う。その他、操作力ｆを回転トルクτ、位置Ｘ
（ＸＯ＋ＸＩ＋Ｘ２＋＊＋　Ｘ）を位置θ（θ。、θ１
．θ、。

σ、ｔＪ）、摩擦力Ｆ　（Ｆ、、Ｆ、）　を摩擦トルク
Ｔ（Ｔ１．Ｔ２）、質量ＭをイナーシャＪとすると、直
線運動系と同様になる。

次に実測データを示す。

第３１図は領域■、■間における相互の遷移の様子の実
測データを示す図、第３２図は第３１図の一部を拡大し
た図、第３３図は領域ＩＩ、■における相互の遷移の様
子の実測データを示す図、第３４図は転がり案内の速度
−摩擦力特性の実測データを示す図である。

第３１図において、外側のループが領域ＩＩで内側のヒ
ゲのように見えるところが領域Ｉである。

このデータの中の領域■の特性の傾きが全て等しいこと
から領域Ｉの特性は場所に依存しないことがわかる。第
３２図から、変移の向きが反転するところから領域Ｉと
なることがわかる。また、第３３図では、外側のループ
が領域ＩＩＩの特性、内側のヒゲが領域ＩＩの特性であ
り、領域■の特性も場所に依存していない。そして、変
移の向きが反転すると特性が遷移する。加速する時には
、第３４図に示すように少なくとも静止摩擦は存在しな
かった。

第３５図は第２の実施例で粗動制御を行ったデータによ
るモータの０Ｎ１０ＦＦ、速度、粗動位置、微動位置の
変化を示す図、第３６図は第３５図におけるモータＯ，
Ｆ　Ｆ付近の拡大図、第３７図は第３６図において振動
が整定しているところをさらに拡大した図、第３８図は
第２の実施例で粗・微動制御を行ったデータによるモー
タの○Ｎ１０ＦＦ、速度、粗動位置、微動位置の変化を
示す図である。

粗動制御では、第３５図に示す微動位置のデータからモ
ータをＯＦＦすると△だけ戻って振動し、それが第３６
図より約４０Ｈｚの領域ＩＩでの振動であることが、ま
た、第３７図より約２００Ｈｚの領域Ｉでの振動である
ことがわかる。第３８図に示すように粗動位置決めの後
、−度ＯＦＦしたモータが微動制御に切り替わって再び
○Ｎし、その後微動制御によって約３０ｎｍの超精密位
置決めが行われた。微動制御に切り替わればｌｎｍの分
解能で制御が可能である。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、案内
部にころがり案内方式を用い、ころがり案内が微小変位
時にバネ特性を有することを利用して粗動系と微動系と
をころがり案内部の特性で自動的且つ内在的に実現する
構成及び制御方式を採用するので、従来の構成と対比す
ると、所謂粗動系のみでナノメータオーダの超精密位置
決めを実現することができる。したがって、単純でｌ系
統の機構の構成により超精密位置決めが実現でき、簡単
な構成で高精度で高速且つ高信頼性の装置を提供するこ
とができる。特に、ころがり案内部の有する領域Ｉ、Ｉ
Ｉ、ＩＩＩの性質を全て利用し、摩擦力が一定の定常的
なころがり状態となる領域■により位置決め目標点近傍
まで移動させ、剛性の高いバネ系の領域Ｉで位置決めを
行うことにより、高分解能、高速の位置決めを行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる超精密位置決め装置の１実施例
構成を示す図、第２図はころがり案内部の変位−力特性
を示す図、第３図はころがり案内部の各領域の運動モデ
ルを示す図、第４図は長ストロークの位置決め制御の手
順を説明するための図、第５図は操作力を零にする領域
を説明するための図、第６図は領域ＩＩＩでの制御系の
構成を示す図、第７図は剛体系（領域■）の制御方法の
例を説明するための図、第８図は領域■、ＩＩでの制御
対象の特性を示す図、第９図は領域ＩＩＩの特性と等価
にする位置の正帰還ループを示す図、第１０図は全領域
での特性を等しくする制御系の構成を示す図、第１１図
は全体の制御系の構成例を示す図、第１２図は本発明に
係る超精密位置決め装置の機構部とモータの構成例を示
す図、第１３図はＡＣモータ巻線の電流駆動方法の例を
示す図、第１４図は加速度フィードバックによる安定化
の例を説明するための図、第１５図は積分制御と二次遅
れフィルタによる安定化の例を説明するための図、第１
６図は精密位置決め装置の従来例を示す図、第１７図は
ｘＹステージ制御ブロックの従来例を示す図、第１８図
は位置決めシーケンスの例を示す図、第１９図は本発明
に係る超精密位置決め装置の第２の実施例を示す図、第
２０図は粗動コントローラの構成を示す図、第２Ｆ図は
微動コントローラの構成を示す図、第２２図はモータ○
Ｎ１０ＦＦ信号とパワアンプの入力を切り換えるスイッ
チの切り換えタイムシヤード、第２３図はモータをＯＦ
Ｆする時刻Ｔ＋以降の可動部の挙動の実測例を示す図、
第２４図は粗動制御の最小分解能のステップ応答を示す
図、第２５図は最高速度２００ｍｍ／ｓの応答を示す図
、第２６図は微動制御のＩｎｍのステップ応答を示す図
、第２７図は本発明に係る超精密位置決め装置の第３の
実施例を示す図、第２８図は位置決めのシーケンスを説
明するための図、第２９図は回転位置決めテープルに本
発明を適用した例を示す図、第３０図は第１図のころが
り軸受けを断面Ａ−Ａ’で見た図、第３１図は領域■、
■間における相互の遷移の様子の実測データを示す図、
第３２図は第３１図の一部を拡大した図、第３３図は領
域ＩＩ、■における相互の遷移の様子の実測データを示
す図、第３４図は転がり案内の速度−摩擦力特性の実測
データを示す図、第３５図は第２の実施例で粗動制御を
行ったデータによるモータの０Ｎ１０ＦＦ、速度、粗動
位置、微動位置の変化を示す図、第３６図（上第３５図
におけるモータ○ＦＦ付近の拡大図、第３７図は第３６
図において振動が整定しているところをさらに拡大した
図、第３８図は第２の実施例で粗・微動制御を行ったデ
ータによるモータの○Ｎ／○ＦＦ、速度、粗動位置、微
動位置の変化を示す図である。 １・・・モータ固定部、２・・・モータコイル、３・・
・モータ可動部、４・・・可動部、５・・・位置センサ
、６と７・・・加速度センサ、８・・・ころがり案内部
、９・・・固定部、１０・・・指令発生部、１１・・・
コントローラ、１２・・・パワーアンプ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）可動部と固定部との間が圧力をかけたころがり案
   内部のみで接触し、非接触式のモータで直線又は回転駆
   動される超精密位置決め装置であって、制御系は、ころ
   がり案内部の可逆で弾性的なバネ特性を有する領域 I
   、ころがりを生じ力が変位に依存する領域II、及び摩擦
   力が飽和する領域IIIを使い、領域IIIで高速かつ長スト
   ロークの粗動位置決めを、領域 I 及びIIで高分解能の
   微動位置決めを行うようにしたことを特徴とする超精密
   位置決め装置。
2. （２）前記領域 I 、II、IIIに対応した３つの位置決め
   制御系を構成し、現在の領域を判定し、判定された領域
   に対応した前記３つの位置決め制御系のうちの１つを選
   択することを特徴とする請求項１記載の超精密位置決め
   装置。
3. （３）領域IIIでの粗動位置決め時に転がり案内部が変
   形することを考慮し、この変形量をΔ、位置決め位置を
   Ｘ＿ｒとするとき、粗動位置決めの指令ｒを以下のよう
   に補正し、ｒ′＝｛ｒ＋ΔｉｆＸ＿ｒ＞０ ｛ｒ−ΔｉｆＸ＿ｒ＜０ 微動位置決めでは、 ｒ＝Ｘ＿ｒ とすることを特徴とする請求項１又は２記載の超精密位
   置決め装置。
4. （４）領域IIIの粗動位置決めが位置決め位置Ｘ＿ｒの
   近傍に到達したことを判定し、比例積分制御回路の積分
   コンデンサを抵抗を通して放電することにより、領域I
   Iおよび領域 I へ移行させることを特徴とする請求項１
   又は２記載の超精密位置決め装置。
5. （５）領域IIIの粗動位置決めが位置決め位置Ｘ＿ｒの
   近傍に到達したことを判定し、モータの力を強制的に一
   定時間ゼロとすることにより、領域IIおよび領域 I へ
   移行させることを特徴とする請求項１又は２記載の超精
   密位置決め装置。
6. （６）領域III及びIIの位置決めが完了し、領域 I に移
   行した時に、位置決め位置Ｘ＿ｒがこの時の領域 I の
   範囲にあるかどうかを判定し、ある場合には領域 I の
   微動位置決めを、ない場合には指令位置決め点を目標値
   とする新たな領域IIの微動位置決めを繰り返し行うこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の超精密位置決め装置
   。