JPH05303426A - 位置制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、粗動微動間の干渉を軽減して正確な
位置制御を行う。 【構成】微動素子(16)による微小変位と、この微動素子
(16)の変位量が所定量に達したときの粗動機構(11)によ
る微動素子(16)の変位量分だけの移動とを交互に連動さ
せるときに、微動素子(16)がその変位速度及び加速度に
応じた縮小量及び縮小時間で変位駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微小変位及び粗動移動
を連動させたデュアル制御による軌跡制御に係わり、微
動素子における先端の位置制御を行う位置制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図１３は微小変位及び粗動移動を連動さ
せた位置制御装置の位置制御を示す図である。粗動スラ
イダ１には同図(a) に示すように微動素子として圧電素
子２が設けられている。この圧電素子２には図１４に示
すように所定周期ごとにステップ状に電圧レベルが高く
なる電圧が印加される。この電圧印加により圧電素子２
は同図(b)(c)に示すように伸びる方向にステップ状に微
小変位する。次に電圧印加がなくなると、圧電素子２は
同図(d) に示すように縮む方向に変位し、元の状態に戻
る。

【０００３】一方、粗動スライダ１は、圧電素子２が縮
むとともに圧電素子２の変位量分だけ前進する。これに
より、圧電素子２の先端位置はその変位した位置に保持
される。この後、再び圧電素子２は電圧印加を受け、同
図(e)(d)に示すようにステップ状に微小変位する。従っ
て、圧電素子２による微動と粗動スライダ１による粗動
との連動が繰り返されて圧電素子２の先端が目標位置に
位置制御される。

【０００４】しかしながら、以上のような微動と粗動と
の連動の際、つまり圧電素子２が縮み、粗動スライダ１
が移動するときに、圧電素子２の先端位置が粗動スライ
ダ１の移動の影響を受けてパルス状に振動するという粗
動微動間の干渉（ｓ部）が起きる。これは粗動による急
激な加減速によるものである。同様に圧電素子２の先端
位置のみに注目すれば、この先端位置は図１５に示すよ
うに干渉が起きて正確な位置制御が行われなくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように粗動微動
間の干渉が起きて正確な位置制御が行われなくなる。そ
こで本発明は、粗動微動間の干渉を軽減して正確な位置
制御ができる位置制御装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、微動素子によ
る微小変位と、この微動素子の変位量が所定量に達した
ときの粗動機構による微動素子の変位量分だけの移動と
を交互に連動させ、微動素子の位置制御を行う位置制御
装置において、微動素子の微小変位から粗動機構による
移動に移るときに、微動素子の変位速度及び加速度に応
じた縮小量及び縮小時間で微動素子を変位駆動する粗微
動間の干渉制動手段を備えて上記目的を達成しようとす
る位置制御装置である。

【０００７】又、本発明は、微動素子による微小変位
と、この微動素子の変位量が所定量に達したときの粗動
機構による微動素子の前記変位量分だけの移動とを交互
に連動させ、微動素子の位置制御を行う位置制御装置に
おいて、微動素子の変位量を検出する変位検出素子と、
この変位検出素子により検出された変位量が予め設定さ
れた変位量範囲外になった場合、粗動機構を低速で前進
又は後退移動させる粗微動間の干渉制動手段とを備えて
上記目的を達成しようとする位置制御装置である。

【０００８】

【作用】このような手段を備えたことにより、微動素子
による微小変位と、この微動素子の変位量が所定量に達
したときの粗動機構による微動素子の変位量分だけの移
動とを交互に連動させるときに、微動素子がその変位速
度及び加速度に応じた縮小量及び縮小時間で変位駆動さ
れる。

【０００９】又、上記手段を備えたことにより、微動素
子による微小変位と、この微動素子の変位量が所定量に
達したときの粗動機構による微動素子の前記変位量分だ
けの移動とを交互に連動させる際に、微動素子の変位量
が変位検出素子により検出される。この変位量が予め設
定された変位量範囲外になった場合、干渉制動手段によ
り粗動機構が低速で前進又は後退移動される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の第１実施例について図面を参
照して説明する。図１は微動粗動による位置制御装置の
外観構成図があり、図２は同装置のデュアル制御ブロッ
ク図である。

【００１１】テーブル１０の上には粗動機構１１が設け
られている。この粗動機構１１は、摩擦駆動機構１２に
移動ロッド１３がスライド自在に設けられ、この移動ロ
ッド１３の先端に粗動スライダ１４が連結されている。
この粗動スライダ１４はスライド支持１５に対して静圧
支持されている。

【００１２】この粗動スライダ１４の上には図３に示す
ように圧電素子１６が設けられている。この圧電素子１
６はその伸縮の方向が粗動スライダ１４の移動方向と同
一方向となるように配置されている。又、圧電素子１６
の先端位置には第１ミラー１７が設けられ、粗動スライ
ダ１４の上には第２ミラー１８が設けられている。

【００１３】一方、テーブル１０の上にはレーザヘッド
２０が設けられ、さらにビームスプリッタ２１、第３ミ
ラー２２、各光干渉計２３、２４及び各レシーバ２５、
２６が設けられている。これら光学系はレーザ測長器２
７を構成するもので、圧電素子１６の先端位置及び粗動
スライダ１４の移動位置を測定するものとなっている。

【００１４】この光学系の配置を説明すると、レーザヘ
ッド２０から出力されるレーザ光の光路上には、ビーム
スプリッタ２１及び光干渉計２３が配置されている。
又、ビームスプリッタ２１の分岐方向には第３ミラー２
２が配置され、この第３ミラー２２の反射光路上に光干
渉計２４が配置されている。

【００１５】このうち、一方の光干渉計２３はビームス
プリッタ２１からの入射レーザ光を第３ミラー１８に送
り、その反射レーザ光と入射レーザ光との干渉光を得る
ものとなっている。そして、レシーバ２５はこの干渉光
をその光強度に応じた電気信号に変換出力するものであ
る。

【００１６】他方の光干渉計２４は第３ミラー２２から
の入射レーザ光を第２ミラー１７に送り、その反射レー
ザ光と入射レーザ光との干渉光を得るものとなってい
る。そして、レシーバ２６はこの干渉光をその光強度に
応じた電気信号に変換出力するものである。

【００１７】制御処理装置３０は各レシーバ２５、２６
からの各電気信号を入力して圧電素子１６の先端位置及
び粗動スライダ１４の移動位置を求め、これら位置と目
標位置との偏差に基づいて粗動機構１１と圧電素子１６
とを連動させ、圧電素子１６の先端位置を制御する機能
を有している。

【００１８】又、制御処理装置３０には、圧電素子１６
の微小変位から粗動機構１１による移動に移るときに、
圧電素子１６の変位速度及び加速度に応じた縮小量及び
縮小時間で圧電素子１６を変位駆動する干渉制動機能を
有している。

【００１９】具体的には図２に示すようにコンピュータ
３１が設けられている。このコンピュータ３１には、図
４に示すように所定周期ごとにステップ状に電圧レベル
が高くなる微動駆動電圧の移動制御指令を圧電素子１６
に対して発し、かつ圧電素子１６の駆動から粗動機構１
１の駆動に移るときに、圧電素子１６の変位速度及び加
速度に応じて圧電素子１６を収縮させる機能を有してい
る。

【００２０】この場合、コンピュータ３１は、圧電素子
１６の縮小量を示す電圧レベルΔｖの指令とその縮小期
間Δｔを示す指令とを作成する機能を有している。これ
ら電圧レベルΔｖ及び縮小期間Δｔは表１に示すように

【００２１】

【表１】

【００２２】変位速度Ｖb が所定速度Ｖ1 よりも速けれ
ば、又は加速度ａb が所定加速度ａ1よりも大きけれ
ば、電圧レベルΔｖをｘ１とするとともに縮小期間Δｔ
をｔ１に設定する。又、変位速度Ｖb が所定速度Ｖ1 よ
りも遅く、又は加速度ａb が所定加速度ａ1 よりも小さ
ければ、電圧レベルΔｖをｘ２とするとともに縮小期間
Δｔをｔ２に設定する。この場合、 ｘ２＞ｘ１、ｔ２＞ｔ１ の関係となっている。なお、これら電圧レベルΔｖ及び
縮小期間Δｔは表２に示すように速度及び加速度を４つ
のレベルに分割して制御するようにしてもよい。

【００２３】

【表２】 上記補償回路３４の出力端子には、Ｄ／Ａ変換器３６が
接続され、このＤ／Ａ変換器３６に増幅器３７を介して
圧電素子１６が接続されている。

【００２４】一方、補償回路３５の出力端子には、Ｄ／
Ａ変換器３８を介してＰＷＭ制御回路３９が接続され、
このＰＷＭ制御回路３９に増幅器４０を介して粗動機構
１１が接続されている。次に上記の如く構成された装置
の制御作用について説明する。

【００２５】コンピュータ３１は、ステップ状に電圧レ
ベルが高くなる移動制御指令を発する。この指令は、偏
差器３２、補償回路３４を通り、Ｄ／Ａ変換器３６によ
り図４に示すアナログの微動駆動電圧に変換され、増幅
器３７で増幅されて圧電素子１６に印加される。この電
圧印加により圧電素子１６は図５(A) 〜(C) に示すよう
にステップ状に微小変位する。この場合、ステップ状に
連続して変位することにより圧電素子１６は変位量Ｆだ
け変位する。

【００２６】次にコンピュータ３１は、圧電素子１６の
変位速度及び加速度に応じて圧電素子１６を収縮させ
る。この場合、上記表１に示すように変位速度Ｖb が所
定速度Ｖ1 よりも速ければ、又は加速度ａb が所定加速
度ａ1 よりも大きければ、電圧レベルΔｖをｘ１とする
とともに縮小期間Δｔをｔ１に設定する。

【００２７】又、変位速度Ｖb が所定速度Ｖ1 よりも遅
く、又は加速度ａb が所定加速度ａ1 よりも小さけれ
ば、電圧レベルΔｖをｘ２とするとともに縮小期間Δｔ
をｔ２に設定する。

【００２８】これにより、圧電素子１６への印加電圧
は、例えば図６に示す電圧レベルΔｖで縮小期間Δｔの
負極の電圧レベルとなる。この電圧印加により圧電素子
１６は収縮して元の位置に戻り、さらに収縮する。

【００２９】一方、コンピュータ３１は、圧電素子１６
への印加電圧が零となったときに粗動機構１１に対して
圧電素子１６の変位量Ｆ分だけ移動させる移動制御指令
を送出する。この移動制御指令は、偏差器３３、補償回
路３５を通り、Ｄ／Ａ変換器３８によりアナログ化さ
れ、ＰＷＭ制御回路３９によりＰＷＭ変調され、増幅器
４０により増幅されて粗動機構１１に送られる。

【００３０】この粗動機構１１では指令を受け、摩擦駆
動機構１２が動作し、移動ロッド１３をスライド移動さ
せる。この移動ロッド１３の移動に応動して図５(D) に
示すように粗動スライダ１４が変位量Ｆ分だけ移動す
る。この後、再び制御回路３４からステップ状の電圧レ
ベルが圧電素子１６に印加され、圧電素子６はステップ
状に変位する。以上のように圧電素子２による微動と粗
動機構１１による粗動との連動が繰り返されて圧電素子
２の先端が目標位置に位置制御される。

【００３１】このように上記第１実施例によれば、圧電
素子２による微動と粗動機構１１による粗動とを連動す
る際に、圧電素子１６への印加電圧を電圧レベルΔｖで
縮小期間Δｔの負極とするので、圧電素子１６の先端位
置が粗動機構１１の動作の影響を受けて振動することが
軽減される。例えば、粗動微動の干渉が１０ｎｍ程度あ
ったものが２．５ｎｍ以下に減少できる。これにより、
正確な位置制御ができる。なお、コンピュータ３１及び
各補償回路３４、３５は図７に示すように第１、第２コ
ンピュータ３１ａ、３１ｂ及び各補償回路３４、３５に
それぞれ専用に分割して機能させてもよい。次に本発明
の第２実施例について説明する。なお、図１と同一部分
には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

【００３２】図８は微動粗動による位置制御装置の外観
構成図があり、図９は同装置のデュアル制御ブロック図
である。圧電素子１６には図１０に示すように歪ゲージ
５０が設けられている。この歪ゲージ５０は圧電素子１
６の変位量を検出し、この変位量に応じた電気信号を変
換出力するものである。この歪ゲージ５０には歪ゲージ
用増幅器５１を介して制御処理装置６０が接続されてい
る。

【００３３】この制御処理装置６０は、各レシーバ２
５、２６からの各電気信号を入力して圧電素子１６の先
端位置及び粗動スライダ１４の移動位置を求め、これら
位置と目標位置との偏差に基づいて粗動機構１１と圧電
素子１６とを連動させ、圧電素子１６の先端位置を制御
する機能を有している。

【００３４】又、制御処理装置６０は、歪ゲージ５０に
より検出された変位量が予め設定された変位量範囲外に
なった場合、粗動機構１１を低速で前進又は後退移動さ
せる干渉制動機能を有している。

【００３５】具体的には図９に示すようにコンピュータ
６１が設けられ、このコンピュータ６１から粗動及び微
動に対する各目標位置が各偏差器３２、３３に送られて
いる。このコンピュータ６１は、図１１に示すように所
定周期ごとにステップ状に電圧レベルが高くなる微動駆
動電圧を作成する機能を有している。

【００３６】又、コンピュータ６１は、歪ゲージ５０か
らの電気信号を受けて圧電素子１６の変位量を求め、こ
の変位量Ｘが予め設定された変位最大値Ｘ１に達したと
きに粗動機構１１に対して低速かつ等速度で後退させる
指令を発し、かつ変位量Ｘが予め設定された変位最小値
Ｘ２であれば粗動機構１１に対して低速かつ等速度で前
進させる指令を発する機能を有している。又、コンピュ
ータ６１は変位量ＸがＸ２＜Ｘ＜Ｘ１の範囲内であれ
ば、粗動機構１１の駆動は行なわず通常の制御を実行す
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。

【００３７】コンピュータ６１は、図１１に示すように
ステップ状に電圧レベルが高くなる微動駆動電圧の指令
を発する。この指令は、偏差器３２、補償回路３４を通
り、Ｄ／Ａ変換器３６によりアナログの微動駆動電圧に
変換され、増幅器３７で増幅されて圧電素子１６に印加
される。この電圧印加により圧電素子１６は図１２(A)
〜(C) に示すようにステップ状に微小変位する。そし
て、圧電素子１６が所定量だけ変位すると、コンピュー
タ６１は圧電素子１６に対して印加電圧を零とする。

【００３８】このとき、歪ゲージ５０は圧電素子１６の
変位量を検出し、この変位量に応じた電気信号を出力す
る。この電気信号は増幅器５１を通してコンピュータ６
１に入力する。

【００３９】このコンピュータ６１は、歪ゲージ５０か
らの電気信号を受けて圧電素子１６の変位量を求める。
そして、コンピュータ６１は変位量Ｘが予め設定された
変位最大値Ｘ１以上であれば粗動機構１１に対して低速
かつ等速度で後退させる指令を発し、又、変位量Ｘが予
め設定された変位最小値Ｘ２以下であれば粗動機構１１
に対して低速かつ等速度で前進させる指令を発する。

【００４０】ここで、変位量Ｘが予め設定された変位最
小値Ｘ２以下であれば、コンピュータ６１は、粗動機構
１１に対して低速かつ等速度で前進させる指令を発す
る。この指令により粗動機構１１の摩擦駆動機構１２
は、低速かつ等速度で移動ロッド１３を圧電素子１６の
変位量Ｆ分だけ前進移動させる。この移動ロッド１３の
前進に応じて粗動スライダ１４は図１１に示すように低
速かつ等速度で前進する。すなわち、圧電素子１６への
印加電圧が零となって収縮している間に、粗動スライダ
１４は図１２(D) 〜(G) に示すように低速かつ等速度で
前進する。これにより、圧電素子１６の変位量はＸ２以
上に制御される。なお、圧電素子１６の変位量が最大値
Ｘ１以上であれば、粗動機構１１の駆動により圧電素子
１６の変位量はＸ１以下に制御される。以上のように圧
電素子２による微動と粗動機構１１による低速かつ等速
度の粗動との連動が繰り返されて圧電素子２の先端が目
標位置に位置制御される。

【００４１】このように上記第２実施例によれば、圧電
素子２による微動と粗動機構１１による粗動とを連動す
る際に、圧電素子１６の変位量に応じて粗動機構１１を
低速かつ等速度で前進又は後退させるようにしたので、
圧電素子１６のステップ状の急激な加減速がなくなり、
圧電素子１６の先端位置に対する粗動機構１１の駆動の
干渉は軽減される。

【００４２】なお、本発明は上記各実施例に限定される
ものでなくその要旨を変更しない範囲で変形してもよ
い。例えば、粗動機構１１は摩擦駆動機構１２に限ら
ず、送りねじ機構、リニアモータなどに代えてもよい。
又、圧電素子１６に代えて電界変位素子、例えば電歪素
子を用いてもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、粗
動微動間の干渉を軽減して正確な位置制御ができる位置
制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる位置制御装置の第１実施例を示
す外観構成図。

【図２】同装置のデュアル制御ブロック図。

【図３】同装置における粗動スライダ及び圧電素子の外
観図。

【図４】同装置における粗動微動の連動を示す動作タイ
ミング図。

【図５】同装置における粗動微動の連動を示す動作図。

【図６】同装置における圧電素子への印加電圧を示す
図。

【図７】同装置における変形を示すデュアル制御ブロッ
ク図。

【図８】本発明に係わる位置制御装置の第２実施例を示
す外観構成図。

【図９】同装置のデュアル制御ブロック図。

【図１０】同装置における歪みゲージの取付けを示す
図。

【図１１】同装置における粗動微動の連動を示す動作タ
イミング図。

【図１２】同装置における粗動微動の連動を示す動作
図。

【図１３】従来装置における粗動微動の連動を示す動作
図。

【図１４】同装置における粗動微動の連動を示す動作タ
イミング図。

【図１５】同装置における干渉を示す図。

【符号の説明】

１１…粗動機構、１２…摩擦駆動機構、１３…移動ロッ
ド、１４…粗動スライダ、１６…圧電素子、１７…第１
ミラー、１８…第２ミラー、２０…レーザヘッド、２１
…ビームスプリッタ、２２…第３ミラー、２３，２４…
光干渉計、２５，２６…レシーバ、２７…レーザ測長
器、３０，６０…制御処理装置、３１，６１…コンピュ
ータ、５０…歪ゲージ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微動素子による微小変位と、この微動素
   子の変位量が所定量に達したときの粗動機構による前記
   微動素子の前記変位量分だけの移動とを交互に連動さ
   せ、前記微動素子の位置制御を行う位置制御装置におい
   て、 前記微動素子の微小変位から前記粗動機構による移動に
   移るときに、前記微動素子の変位速度及び加速度に応じ
   た縮小量及び縮小時間で前記微動素子を変位駆動する粗
   微動間の干渉制動手段を備えたことを特徴とする位置制
   御装置。
2. 【請求項２】 微動素子による微小変位と、この微動素
   子の変位量が所定量に達したときの粗動機構による前記
   微動素子の前記変位量分だけの移動とを交互に連動さ
   せ、前記微動素子の位置制御を行う位置制御装置におい
   て、 前記微動素子の変位量を検出する変位検出素子と、この
   変位検出素子により検出された変位量が予め設定された
   変位量範囲外になった場合、前記粗動機構を低速で前進
   又は後退移動させる粗微動間の干渉制動手段とを備えた
   ことを特徴とする位置制御装置。