JPH0652489B2

JPH0652489B2 - 微細位置決め装置の変位制御装置

Info

Publication number: JPH0652489B2
Application number: JP26243786A
Authority: JP
Inventors: 耕三小野; 浩二郎緒方; 潔長澤; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1986-11-04
Filing date: 1986-11-04
Publication date: 1994-07-06
Anticipated expiration: 2009-07-06
Also published as: JPS63116217A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体製造装置、電子顕微鏡等の微細な変位
調節を必要とする装置に使用される微細位置決め装置に
おいて、当該変位調節をサブミクロンオーダーで行う微
細位置決め装置の変位制御装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、各種技術分野においては、サブミクロンのオーダ
ーの微細な変位調節が可能である装置が要望されてい
る。その典型的な例がＬＳＩ（大規模集積回路）、超Ｌ
ＳＩの製造工程において使用されるマスクアナライナ、
電子線描画装置等の半導体製造装置である。これらの装
置においては、サブミクロンオーダーの微細な位置決め
が必要であり、位置決めの精度が向上するにしたがつて
その高集積度で高性能の製品を製造することができるよ
うになる。このような微細な位置決めは上記半導体装置
に限らず、電子顕微鏡をはじめとする各種の高倍率光学
装置等においても必要であり、その精度向上により、バ
イオテクノロジ、宇宙開発等の先端技術においてそれら
の発展に大きく寄与するものである。以下、このような
微細位置決めを行う微動ユニツトおよびそれら複数用い
て構成される微細位置決め装置を図により説明する。

第４図（ａ），（ｂ）は平行たわみ梁を用いた微動ユニ
ツト９の側面図である。図で、１ａ，１ｂ，１ｃは剛体
部、４ａ_１，４ａ_２は互いに平行に配置され、剛体部１
ｃ，１ａ間を連結する平行たわみ梁である。平行たわみ
梁４ａ_１，４ａ_２は剛体部にあけた貫通孔２ａにより形
成される。４ｂ_１，４ｂ_２は互いに平行に配置された剛
体部１ｃ，１ｂ間を連結する平行たわみ梁であり、剛体
部にあけられた貫通孔２ｂにより形成される。６ａ，６
ｂは圧電アクチユエータであり、それぞれ貫通孔２ａ，
２ｂ内に突出した剛体部からの突出部間に装着されてい
る。７はたわみ梁４ａ_１，４ｂ_１と剛体部１ａ，１ｂ，
１ｃとの連結部近辺の所定個所に貼着されたひずみゲー
ジである。剛体部１ｃの中心から左方の構成により平行
たわみ梁変位機構９ａが、又、右方の構成により平行た
わみ梁変位機構９ｂが構成される。また２つの平行たわ
み梁変位機構９ａ，９ｂにより並進微動ユニツト９が構
成される。

ここで、座標軸を図示のように定める（ｙ軸は紙面に垂
直な方向）。今、圧電アチユエータ６ａ，６ｂに同時に
電圧を印加して同一大きさのＺ軸方向の力ｆを発生させ
ると平行たわみ梁４ａ_１，４ａ_２，４ｂ_１，４ｂ_２には
第４図（ｂ）に示すように曲げ変形が生じ、剛体部１ｃ
はｚ軸方向に微少距離εだけ変位する。したがつて、例
えば剛体部１ｃの上面に物体を裁置すればこの物体には
微細変位εが与えられる。以下、このような直線的変位
を並進変位と称する。なお、第４図（ｂ）に示す変形は
理解を容易にするため極端に跨張されて描されている。
上記のように各平行たわみ梁に変形が生じると各ひずみ
ゲージ７には当該変形に応じてひずみが生じその抵抗値
が変化する。この抵抗値の変化をホイートストンブリツ
ジ回路により電気信号として取出せば、この電気信号は
微細変位εに比例する信号となり、微細変位の検出が可
能となる。なお、ひずみゲージ以外の変位検出器、たと
えば電気容量形，渦電流形などの変位検出器を剛体部１
ａ，１ｂと１ｃの間に設け、それらの相対変位εを検出
することも可能でありこれらの変位検出器をも歪ゲージ
のかわりに用いることは可能である。

第５図（ａ），（ｂ）は放射たわみ梁を用いた微動ユニ
ツト１９の側面図である。図で、１１ａ，１１ｂ，１１
ｃは剛体部、１４ａ_１，１４ａ_２，１４ｂ_１，１４ｂ_２
は放射たわみ梁である。各放射たわみ梁１４ａ_１，１４
ａ_２，１４ｂ_１，１４ｂ_２は剛体部１１ｃの中心Ｏを通
る一点鎖線Ｌ_１，Ｌ_２に沿って放射状に配置され、それ
ぞれ隣接する剛体部間を連結している。放射たわみ梁14
ａ_１，14ａ_２は貫通孔１２ａをあけることにより形成さ
れ、又、放射たわみ梁１４ｂ_１，１４ｂ_２は貫通孔１２
ｂをあけることにより形成される。１６ａ，１６ｂは圧
電アクチユエータであり、それぞれ貫通孔１２ａ，１２
ｂに剛体部から突出した突出部間に装着されている。１
７は第４図（ａ），（ｂ）に示すものと同様のひずみゲ
ージである。点Ｏの左側の構成により放射たわみ梁変位
機構１９ａが、又、右側の構成により放射たわみ梁変位
機構１９ｂが構成される。また２つの放射たわみ梁変機
構１９ａ，１９ｂにより回転微動ユニツト１９が構成さ
れる。

今、圧電アクチユエータ１６ａ，１６ｂに同時に所定の
電圧を印加して同一の大きさの、点Ｏを中心とする円に
対する接線方向の力ｆを発生させると放射たわみ梁１４
ａ_１，１４ａ_２，１４ｂ_１，１４ｂ_２には第５図（ｂ）
に示すように曲げ変形が生じ、点Ｏを通り剛体部１１ｃ
上に放射状に配置されていた直線Ｌ_１，Ｌ_２は直線
Ｌ_１′，Ｌ_２′に移動する。即ち、剛体部１１ｃは点Ｏ
を通り紙面に垂直な軸のまわりに両直線の移動に相当す
る微小角度δだけ変位する。したがつて、例えば剛体部
１１ｃの上面に物体を裁置すればこの物体には微細な角
度変位が与えられる。以下、このような変位を回転変位
と称する。第５図（ｂ）においても、その変形は極端に
跨張して描かれている。又、さきの並進変位の場合と同
様、回転変位δはひずみゲージ１７により検出すること
ができる。なお、ここにおいても第４図におけると同様
にひずみゲージ以外の種々の変位検出器を用いて剛体部
相互の相対変位を検出可能なことは明らかである。

以上説明した各微動ユニツト９，１９においては、各々
２つの平行たわみ梁変位機構および放射たわみ梁変位機
構が対称的に結合構成されているが、これらの機構が単
体であつても微細変位を発生させることができるのは明
らかであり、それら単体変位機構をも微動ユニツトとし
て用いることができる。以上述べた平行たわみ梁変位機
構，放射たわみ梁変位機構を用いた微動ユニツト９，１
９の特徴はそれぞれ主変位である並進変位ε，回転変位
δ方向のみの変位を生じ、他の方向の変位成分が非常に
小さいという点である。さらにその主変位方向以外の剛
性が高いので、負荷や他のアクチユエータによつて外力
を加えられてもそれらによつて影響を受けることが非常
に少なく、変位が他から影響を受けることが少ない。こ
のことは先に述べたひずみゲージなどによる変位検出に
とつて非常に有利な特徴である。

次に、平行たわみ梁変位機構および放射たわみ梁変位機
構で構成された微動ユニツトを選択的に組合わせること
により、ｘ，ｙ，ｚ軸方向成分の並進変位、およびｘ，
ｙ，ｚ軸まわりの回転変位を発生させることができる現
在検討中の微細位置決め装置について図により説明す
る。

第６図は６軸の微細位置決め装置の分解斜視図である。
図で、ｘ，ｙ，ｚは互いに直交する座標軸を示す。２５
は剛性の高い部材より成る中心剛体部、２６ａは中心剛
体部２５からｙ軸方向に張出した張出し部、２６ｂは中
心剛体部２５から張出し部２６ａと反対向きに張出した
張出し部、２７ａは中心剛体部２５からｘ軸方向に張出
した張出し部、２７ｂは中心剛体部２５から張出し部２
７ａと反対向きに張出した張出し部である。２８ａ，２
８ｂはそれぞれ張出し部２６ａ，２６ｂの端部下部に設
けられた固定部、２９ａ，２９ｂはそれぞれ張出し部２
７ａ，２７ｂの端部上端に設けられた連結部である。張
出し部２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂ、固定部２８
ａ，２８ｂおよび連結部２９ａ，２９ｂはそれぞれ中心
剛体部２５と同じ材質で構成され、中心剛体部２５とと
もに１つのブロツクから加工成形されることが望まし
い。

２６Ｍ_za，２６Ｍ_zbはそれぞれ張出し部２６ａ，２６ｂ
に構成された放射たわみ梁変位機構であり、互いに中心
剛体部２５の中心点Ｏに対して対称的に構成されてい
る。放射たわみ梁変位機構２６Ｍ_za，２６Ｍ_zbは共働し
てｚ軸まわりに回転変位を発生する回転微動ユニツト２
６Ｍ_z（記号図示せず）を構成する。２６Ｆ_xa，２６Ｆ
_xbはそれぞれ張出し部２６ａ，２６ｂにおける放射たわ
み梁変位機構２６Ｍ_za，２６Ｍ_zbの外方に構成された平
行たわみ梁変位機構であり、互いに中心剛体部２５を通
るｘ軸に対して対称的に構成されている。平行たわみ梁
変位機構２６Ｆ_xa，２６Ｆ_xbは共働してｘ軸方向の並進
変位を発生する、並進微動ユニツト２６Ｆｘ（記号図示
せず）を構成する。

２７Ｆ_ya，２７Ｆ_ybはそれぞれ張出し部２７ａ，２７ｂ
に構成された平行たわみ梁変位機構であり、互いに中心
剛体部２５を通るｙ軸に対して対称的に構成されてい
る。平行たわみ梁変位機構27Ｆ_ya，２７Ｆ_ybは共働して
ｙ軸方向の並進変位を発生する並進微動ユニツト２７Ｆ
_ｘ（記号図示せず）を構成する。２７Ｆ_2a，２７Ｆ_2bは
それぞれ張出し部２７ａ，２７ｂにおける平行たわみ梁
変位機構２７Ｆ_ya，２７Ｆ_ybの外方に構成された平行た
わみ梁変位機構であり、互いに中心剛体部２５の中心点
Ｏを通るｚ軸に対して対称的に構成されている。平行た
わみ梁変位機構２７Ｆ_2a，２７Ｆ_2bは共働してｚ軸方向
の並進変位を発生する並進ユニツト２７Ｆ_ｚ（記号図示
せず）を構成する。平行たわみ梁変位機構２７Ｆ_2a，２
７Ｆ_2bの上端部は前述の他の部分に対して高くなるよう
に形成されている。上記放射たわみ梁変位機構２６
Ｍ_2a，２６Ｍ_2b、平行たわみ梁変位機構２６Ｆ_xa，２６
Ｆ_xb，２７Ｆ_ya，２７Ｆ_yb，２７Ｆ_2a，２７Ｆ_2bは各張
出し部２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂの所定個所に所
定の貫通孔を形成することにより構成される。

３１は剛体部材で作られた支持板である。３２Ｍ_ya，３
２Ｍ_ybは支持板３１上に対称的に配置された単体の放射
たわみ梁変位機構である。各単体の放射たわみ梁変位機
構３２Ｍ_ya，３２Ｍ_ybはｙ軸方向に延びる共通の１つの
軸のまわりに回転変位を発生せしめるように配置されて
おり、それらが供働してｙ軸まわりの回転変位を発生す
る回転微動ユニツト３２Ｍ_ｙ（記号図示せず）を構成す
る。３２Ｍ_xa，３２Ｍ_xbは支持板３１上に対称的に配置
された単体の放射たわみ梁変位機構であり、それぞれｘ
軸方向に延びる共通の１つの軸のまわりに回転変位を発
生せしめるように配置されており、それらが供働してｘ
軸まわりの回転変位を発生する回転微動ユニツト３２Ｍ
_ｘ（記号図示せず）を構成する。

３３ａ，３３ｂはそれぞれ放射たわみ梁変位機構３２Ｍ
_ya，３２Ｍ_ybを構成する一方の剛体部（他方の剛体部は
支持板３１）、３４ａ（記号図示せず），３４ｂはそれ
ぞれ放射たわみ梁変位機構３２Ｍ_xa，３２Ｍ_xbを構成す
る一方の剛体部（同じく他方の剛体部は支持板３１）で
ある。３５ａ，３５ｂはそれぞれ剛体部３４ａ，３４ｂ
に固定されたＬ字形の連結部、３６は剛体部３３ａ，３
３ｂに固定された微動テーブルである。この微動テーブ
ル３６上には微細位置決めされる対象物体が載置固定さ
れる。

この微細位置決め装置は、微動テーブル３６に任意の微
細並進変位および微細回転変位を発生させることができ
る。このような各変位を発生させる動作は、第４図
（ａ），（ｂ）および第５図（ａ），（ｂ）に示す各微
動ユニツトの動作の説明から明らかであるので、その説
明は省略する。

上記第６図に示す微細位置決め装置における、対称形又
は単体の各平行たわみ梁変位機構および各放射たわみ梁
変位機構で構成された微動ユニツトは、それらが駆動さ
れたとき所定方向の並進又は回転変位のみが生じ、それ
以外の方向の変位（干渉変位）はほとんど生じないとい
う特徴を有する。したがつて、このような微動ユニツト
を組合せて構成された上記微細位置決め装置は精度の高
い位置決めを行うことができる。さらに、図６からわか
るように、各微動ユニツトはお互みに主変位方向が直交
する形に構成されており、前述のように平行たわみ梁変
位機構，放射たわみ梁変位機構を用いた微動ユニツト
９，１９は、その主変位方向以外の剛性が高く、外力の
影響を受けにくいので、ひずみゲージなどの変位検出器
を設けて微動ユニツト自体の変位を測定することが可能
となる。このことは従来の構成では不可能であつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第６図に示す微細位置決め装置は、平行たわみ梁変位機
構および放射たわみ梁変位機構で構成された微動ユニツ
トを組合せて構成されていることにより大きな干渉変位
を発生することはなく他の従来のものに比べて著るしく
高い精度の位置決めを行うことができる。しかしなが
ら、サブミクロンオーダーの位置決めにおいては、極く
僅かな干渉変位でも問題となる。そして、仮に各微動ユ
ニツトが干渉変位をもたない理想的な特性を有していた
としても、各微動ユニツト相互の取付部分の加工精度や
組立精度には限界があるため、サブミクロンオーダーの
高精度の変位を得るのは困難である。これを図により説
明する。

第７図は第６図に示す微細位置決め装置の特性を説明す
るブロツク図である。図で、Ｖ_１〜Ｖ_６は各微動ユニツ
トに与えられる駆動電圧、Ｕ_１〜Ｕ_６は各駆動電圧Ｖ_１
〜Ｖ_６によつて各微動ユニツトに生じる変位（微動ユニ
ツト変位）を示す。ｘ，ｙ，ｚ，θ_ｘ，θ_ｙ，θ_ｚは第
６図に示す微細位置決め装置の微動テーブル３６上に定
められたある個所（以下、この個所を基準点と称す
る。）の変位成分を示す。この変位および変位成分を基
準点変位および基準点変位成分と称する。Ｂ_１〜Ｂ_６は
それぞれ各駆動電圧Ｖ_１〜Ｖ_６と各微動ユニツト変位Ｕ
_１〜Ｕ_６間のゲイン特性、Ｃは各微動ユニツト変位Ｕ_１
〜Ｕ_６と基準点変位成分ｘ，ｙ，………θ_ｚとの関係を
表わす変位干渉特性を示す。

今、例えば基準点をＸ軸方向に並進変位させるべく、所
定の微動ユニツト（第６図に示す場合、平行たわみ梁変
位機構２６Ｆ_xa，２６Ｆ_xbにより構成される２６Ｆ_ｘ）
に電圧Ｖ_１を加えると、当該微動ユニツトは微動ユニツ
ト変位Ｕ_１を発生する。なお、この場合駆動電圧Ｖ_２〜
Ｖ_６、および微動ユニツト変位Ｕ_２〜Ｕ_６は０である。
当該微動ユニツトに変位Ｕ_１が発生すると、理想的には
基準点に変位成分ｘが生じ、他の基準点変位成分ｙ〜θ
_ｚは０となる。しかしながら、さきに述べたように加工
精度や組立精度に限界があるため、僅かではあるが他の
基準点変位成分は０とはならず、それらのすべて又は一
部にある数値が生じるのを避けることはできない。即
ち、ｘ軸方向の並進変位成分以外の変位成分が現れる。

したがつて、サブミクロンオーダーの高い位置決め精度
が要求される場合、上記微細位置決め装置は加工精度や
組立精度を極限的な精度で実現しない限り、そのままで
使用することはできないことになる。そして、このよう
な極限的な精度を得ることはほとんど不可能に近く、仮
に実現できたとしても微細位置決め装置が極めて高価な
ものとなる。この問題点は、上記構成の微細位置決め装
置に限ることはなく、複数の微動ユニツトより成る微細
位置決め装置のすべてが有する問題点である。

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、通常の加工精
度や組立精度で製作した微細位置決め装置であつても、
極めて高精度の位置決めを行うことができる微細位置決
め装置の変位制御装置を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、２つの剛体間に
対向配置された板状たわみ梁および前記各剛体間に力を
作用させるアクチユエータを備え、このアクチユエータ
の駆動電圧に応じた相対変位を前記各剛体部の間に発生
させる微動ユニツトを複数組み合わせて構成した微細位
置決め装置において、前記微細位置決め装置の所定点の
目標変位を出力する目標変位設定部と、前記微動ユニツ
トの変位と前記所定点の変位との関係を表わす特性行列
の逆特性を有し前記目標変位に基づき前記逆特性にした
がつて前記各微動ユニツトに対する駆動電圧を演算する
特性補償演算部とを設けたことを特徴とする。

〔作用〕

目標変位設定部に所望の値の変位を設定すると、この値
は、各微動ユニツトに与える駆動電圧と微細位置決め装
置の所定点の変位との関係を表わす特性行列の逆特性を
もつ特性補償演算部に入力され、当該特性行列の逆特性
にしたがつた演算が実行され、この演算の結果、特性補
償演算部からは前記所定点に所望の変位を与えることが
できる駆動電圧が出力される。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係る微細位置決め装置
の変位制御装置のブロツク図である。図で、４０は複数
の微動ユニツトで構成された第６図に示されるような微
細位置決め装置である。４１は目標変位設定部であり、
微細位置決め装置４０の基準点の目標値が設定される。
４２は特性補償演算部であり、目標変位設定部４１から
の目標変位を入力し、この目標変位に基づいて所定の演
算を行い、微細位置決め装置４０の基準点に所望の変位
を発生させるための各微動ユニツトの駆動電圧を出力す
る。

次に、特性補償演算部４２の演算について説明する。
今、例えば基準点に変位成分ｘ（他の変位成分ｙ〜θ_ｚ
は０）を得る場合を考えると、第７図に示す特性におい
て、１つの微動ユニツトに駆動電圧Ｖ_１を与えて微動ユ
ニツト変位Ｕ_１を発生させても、前述のように、所望の
基準点変位（ｘ，０，０，……，０）は得られない。そ
して、そのような所望の基準点変位を得るには、他の微
動ユニツトに対して、本来０であるべき基準点変位成分
ｙ〜θ_ｘに僅かではあるが発生している変位成分を打消
す変位を発生させる必要がある。特性補償演算部４２
は、目標変位設定部４１目標変位（ｘ，０，……，０）
が入力されたとき、どの微動ユニツトに対してどれだけ
の電圧を印加して微動ユニツト変位を発生させてやれば
よいかを演算するものである。

ここで、各微動ユニツトにおいて、主変位Ｕこのみを生
じ、それ以外の方向の変位成分である干渉変位がほとん
ど０とみなし得ると考えると、駆動電圧Ｖ_１〜Ｖ_６と微
動ユニツト変位Ｕ_１〜Ｕ_６との関係は次式で表わされ
る。

一方、微動ユニツト変位Ｕ_１〜Ｕ_６と基準点変位ｘ〜θ
_ｚとの関係は次式で表わされる。

（２）式において、３６個の係数Ｃ₁₁〜Ｃ₆₆は、６つの
微動ユニツトにある変位を発生させたときの各基準点変
位ｘ〜θ_ｚを測定し、さらに各微動ユニツトにさきの変
位と異る変位を発生させたときの各基準点変位ｘ〜θ_ｚ
を測定するという動作を少なくとも６回行い、それによ
つて得られる数式を解くことにより知ることができる。
なお、この基準点変位成分ｘ〜θ_ｚの測定はレーザ変位
計等の外部に設置されたセンサにより行われる。

上記（１），（２）式の各行列を次のように略記する。

そうすると、（１），（２）式は次のように表わされ
る。

｛Ｕ_ｉ｝＝｛Ｂ_ｉ｝・｛Ｖ_ｉ｝ ……………(3) ｛Ｘ_ｊ｝＝｛Ｃ_ji｝・｛Ｕ_ｉ｝ ……………(4) 以下の説明において、上記以外のパラメータについても
同様の方法により表記することとする。

さて、前述の説明から、特性補償演算部４２では次式を
満足するような駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝を求めればよい。即
ち、まず駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝と基準点変位｛Ｘ_ｊ｝｛Ｘ_ｊ｝＝｛Ｄ_ji｝・｛Ｖ_ｉ｝ ……………(5) を求める。ここで（５）式の行列｛Ｄ_ji｝は（２）式の
行列｛Ｃ_ji｝を求めるのと同じ手法で求めることができ
る。上記（５）式から、所望の基準点変位｛Ｘ_ｊ｝を得
るための駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝は次式による演算により求め
ることができる。

｛Ｖ_ｉ｝＝｛Ｄ_ji｝^-1・｛Ｘ_ｉ｝ …………(6) 結局、特性補償演算部４２は上記（５）式により求めた
特性行列｛Ｄ_ji｝の逆特性｛Ｄ_ji｝^-1を補償特性として
有し、この逆特性｛Ｄ_ji｝^-1にしたがつて演算が行われ
る。

次に、本実施例の動作を説明する。目標変位設定部４１
に、基準点の目標変位（これを行列｛Ｘ_0j｝２￥表わ
す）を設定すると、この目標変位｛Ｘ_0j｝は特性補償演
算部４２に入力され、上記（６）式の演算が実行され
る。その演算結果は（６）式において、基準点変位｛Ｘ
_ｊ｝を目標変位｛Ｘ_0j｝としたものになることは明らか
である。この演算により得られた駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝を微
細位置決め装置４０に入力すれば、その基準点に変位
｛Ｘ_0j｝が発生することになる。

これをさきの具体例で述べると、基準点に所望の並進変
位（ｘ，０，……，０）を発生させるため、目標変位入
力部にｘ＝ｘ，ｙ＝０，ｚ＝０，θ_ｘ＝０，θ_ｙ＝０，
θ_ｚ＝０を設定すると、これらの値は特性補償演算部４
２に入力され、（６）式の演算、即ち、が実行され、駆動電圧Ｖ_１〜Ｖ_６が得られ、これらが出
力される。この場合、さきに述べたように駆動電圧Ｖ_２
〜Ｖ_６は必らずしもすべて０ではなく、行列｛Ｄ_ji｝に
おける係数Ｄ₁₁〜Ｄ₆₆により求まる行列｛Ｄ_ji｝^-1の各
係数によつて定まる値を有する。このようにして出力さ
れた駆動電圧Ｖ_１〜Ｖ_６により複数の微動ユニツトが駆
動され、これにより基準点に目標とする変位（ｘ，０，
……，０）が発生する。

以上、本実施例について説明したが、各微動ユニツトが
前述のように干渉のない理想的な特性の場合には前記
（３），（４）式から、｛Ｘ_ｊ｝＝｛Ｃ_ji｝・｛Ｂ_ｉ｝・｛Ｖ_ｉ｝………(7) が成立する。（７）式と（５）式を比較すると、｛Ｄ_ji｝＝｛Ｃ_ji｝・｛Ｂ_ｉ｝となる。したがつて、補償特性演算部４２の補償特性
｛Ｄ_ji｝^-1は、行列｛Ｂ_ｉ｝，｛Ｃ_ji｝の積の逆行列と
して求めることもできる。この場合、（３），（４）式
における微動ユニツト変位｛Ｕ_ｉ｝は第４図（ａ），
（ｂ）、第５図（ａ），（ｂ）に示されるような各微動
ユニツトに設けられたひずみゲージにより測定される。
もちろん、前述のように歪ゲージ以外の変位検出器によ
つても可能である。

このように、本実施例では、特性補償演算部において微
細位置決め装置の基準点に所望変位を発生させるために
必要な駆動電圧を演算し出力するようにしたので、通常
の加工精度や組立精度で製作した微細位置決め装置であ
つても、極めて高精度の変位を得ることができる。

第２図は本発明の第２の実施例に係る微細位置決め装置
の変位制御装置のブロツク図である。図で、第１図に示
す部分と同一部分には同一符号を付して説明を省略す
る。４３は微細位置決め装置４０の基準点の変位を検出
する外部変位センサであり、検出した変位に比例した電
気信号を出力する。外部変位センサとしては、一般にレ
ーザ変位計が用いられ、これを微細位置決め装置４０の
外部に設置して基準点変位を検出する。４４は外部変位
センサ４３の検出出力｛Ｘ_ｊ｝と目標変位設定部４１に
設定された目標変位｛Ｘ_0j｝との差を演算する減算部、
４５は所定の係数Ｋ_１を発生する係数発生部、４６は減
算部４４から出力される偏差｛ΔＸ_ｊ｝に係数Ｋ_１を乗
算する乗算部、４７は目標変位｛Ｘ_0j｝と乗算部４６で
得られた値を加算する加算部である。本実施例では、さ
きの実施例の構成にいわゆるフイードバツク制御を適用
した構成であり、係合Ｋ_１はフイードバツクゲインであ
る。

次に、本実施例の動作を説明する。目標変位設定部４１
に基準点の目標変位｛Ｘ_０｝が設定されると、さきの実
施例と同じく特性補償演算部４２から駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝
が出力され、微細位置決め装置４０の基準点が変位す
る。この変位｛Ｘ_ｊ｝は外部変位センサ４３により検出
され、減算部４４において目標変位｛Ｘ_0j｝との偏差
｛ΔＸ_ｊ｝（｛ΔＸ_ｊ｝＝｛Ｘ_0j｝−｛Ｘ_ｊ｝）が減算
される。減算された偏差｛ΔＸ_ｊ｝には乗算部４６で係
数Ｋ_１が乗算され、その値Ｋ_１・｛ΔＸ_ｊ｝は加算部４
７に入力され、これにより目標変位｛Ｘ_0j｝が修正され
る。この修正値は特性補償演算部４２に入力され、これ
に応じて新たな駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝が出力され、微細位置
決め装置４０の基準点の変位が修正される。

この一連の動作が繰返えされることにより、目標変位
｛Ｘ_0j｝に対する基準点の変位の誤差が修正されてゆ
き、当該基準点はその変位が目標変位と一致したとこで
静止することになる。

なお、上記実施例の説明では、上記フイードバツク制御
を効果的に行うため、偏差｛ΔＸ_ｊ｝にフイードバツク
ゲインＫ_１を乗算する比例制御の手法を用いる例につい
て説明したが、これに限ることなく、いわゆる積分制
御、微分制御を用いることができるのは当然である。そ
こで、加算部４７において目標変位｛Ｘ_0i｝に加算する
信号を一般化して、偏差｛ΔＸ_ｊ｝に応じた信号という
ことができる。

このように、本実施例では、さきの実施例の構成に対し
て、微細位置決め装置の基準点の変位をフイードバツク
するフイードバツク制御を適用したので、より高い精度
で基準点の変位を行うことができる。即ち、特性補償演
算部の補正特性｛Ｄ_ji｝^-1を求める過程に何等かの原因
で誤差が内在したり、又は当該補償特性を電気回路で構
成した場合その中にドリフト特性や非線形特性が存在し
ているとき、さきの実施例の構成では必ずしも望ましい
精度で基準点の変位を行うことはできなくなる。しかし
ながら、本実施例のようにフイードバツク制御を適用す
ると、補償特性の誤差又は電気回路のドリフト特性や非
線形特性による影響を避けることができ、高精度の位置
決めを行うことができる。

第３図は本発明の第３の実施例に係る微細位置決め装置
の変位制御装置のブロツク図である。図で、第２図に示
す部分と同一部分には同一符号を付して説明を省略す
る。４０ｃは微細位置決め装置４０の各微動ユニツトに
貼着されたひずみゲージ｛第４図（ａ），（ｂ）、第５
図（ａ），（ｂ）に示されている｝およびこれらにより
構成されるホイートストンブリツジ回路に代表される内
部変位センサであり、各微動ユニツトの変位｛Ｕ_ｉ｝に
比例した信号を出力する。もちろん他の種類の変位検出
器を用いてもよい。４５′はフイードバツクゲインＫ_２
を発生する係数発生部である。４８は目標変位信号｛Ｘ
_0j｝をこれに相当する微動ユニツト変位信号｛Ｕ_0i｝に
変換する変位変換部である。本実施例は図から明らかな
ようにフイードバツク制御系を構成する。

ここで、上記変位変換部４８についてさらに詳細に説明
する。変位変換部４８は上述のように、目標変位信号
｛Ｘ_0j｝が入力されたとき、微細位置決め装置４０の基
準点に変位｛Ｘ_0j｝を発生させるには、各微動ユニツト
をどのように変位させればよいかを求める機能を有す
る。この機能を発揮させるためには、基準点変位
｛Ｘ_ｊ｝と微動ユニツト変位｛Ｕ_ｉ｝とを関連づける特
性が必要である。そして、このような特性は、前記
（４）式における変位干渉特性｛Ｃ_ji｝によつて示され
る。したがつて、変位変換部４８は当該変位干渉特性
｛Ｃ_ji｝の逆特性｛Ｃ_ji｝^-1を有することになり、この
逆特性｛Ｃ_ji｝^-1を用いて演算を行うことにより、目標
変位｛Ｘ_0j｝を得るための微動ユニツト変位信号
｛Ｕ_0i｝を出力することができる。

次に、本実施例の動作を説明する。上述のように、目標
変位設定部４１に目標変位｛Ｘ_0j｝が設定されると、変
位変換部４８では微細位置決め装置の基準点に当該目標
変位｛Ｘ_0j｝を発生させるための微動ユニツト変位信号
｛Ｕ_0i｝が演算され、出力される。又、特性補償演算部
４２では目標変位｛Ｘ_0j｝が入力されると、これに応じ
た駆動電圧｛Ｖ_0i｝が出力される。この駆動電圧
｛Ｖ_0i｝は加算部４７を経て駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝となり微
細位置決め装置４０の各微動ユニツトに印加される。こ
のため、各微動ユニツトを構成する平行たわみ梁、放射
たわみ梁が変形して微動ユニツトを変位せしめ、これに
より微細位置決め装置４０の基準点が変位する。

一方、平行たわみ梁、放射たわみ梁が変形すると、その
変形に応じてそこに貼着された複数のひずみゲージの抵
抗値が変化する、これらひずみゲージはホイーストンブ
リツジ回路に構成されており、当該ホイートスンブリツ
ジ回路からはその微動ユニツトの変位に比例した信号が
出力される。即ち、内部変位センサ４０ｃからは各微動
ユニツトの変位｛Ｕ_ｉ｝が出力される。

減算部４４では変位変換部４８から出力される目標の微
動ユニツト変位信号｛Ｕ_0i｝と内部変位センサ４０ｃか
ら出力される実際の微動ユニツト変位｛Ｕ_ｉ｝の偏差
｛ΔＵ_ｉ｝（｛ΔＵ_ｉ｝＝｛Ｕ_0i｝−｛Ｕ_ｉ｝）が減算
される。減算された偏差｛ΔＵ_ｉ｝には乗算部４６で係
数Ｋ_２が乗算され、その値Ｋ_２・｛ΔＵ_ｉ｝は加算部４
７に入力され、これにより特性補償演算部４２の駆動電
圧｛Ｖ_0i｝が修正されて新たな駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝が出力
され、微細位置決め装置４０の基準点の変位が修正され
る。このような修正が繰返されることにより、目標変位
｛Ｘ_0j｝に対する基準点の誤差が修正されてゆき、当該
基準点はその変位が目標変位と一致したところで静止す
る。

なお、フイードバック制御に、本実施例の比例制御のみ
ならず、積分制御、微分制御の手法を用いることができ
るのはさきの実施例の場合と同じである。さらに、内部
変位センサとして、ひずみゲージに代えて電気容量形変
位センサ、渦電流形変位センサを用いることもできるこ
とも前の実施例と同じである。

又、上記実施例の説明において、変位変換部48の演算に
は変位干渉特性｛Ｃ_ji｝の逆特性｛Ｃ_ji｝^-1を用いる例
について説明した。この例は、第７図および前記（１）
式に示すように、駆動電圧｛Ｖ_ｉ｝が所定の微動ユニツ
トに印加されるとき、その主変位Ｕ_ｉ方向のみが変位
し、他の方向には何等の変位をも生じない理想的な微動
ユニツトを用いることが前提となつている。しかし、厳
密にみると、このような状態はほとんど存在せず、駆動
電圧｛Ｖ_１｝が印加されたとき、主変位方向の電位｛Ｕ
_ｉ｝以外に僅かながら干渉変位成分が生じるのが通常で
ある。このように干渉変位成分が存在するとき、本実施
例の如く変位変換部４８における変換を微動ユニツト変
位｛Ｕ_ｉ｝と基準点変位｛Ｘ_ｊ｝との間の関連のみ、即
ち変位干渉特性｛Ｃ_ji｝の逆特性｛Ｃ_ji｝^-1のみで考え
てよいのか否かという問題が生じる。しかしながら
（２）式，（４）式で定義される｛Ｃ_ji｝を、実際の微
細位置決め装置を構成する各微動ユニツトの駆動電圧
｛Ｖ_ｉ｝を加えたときに発生する微動ユニツト変位｛Ｕ
_ｉ｝と基準点変位｛Ｘ_ｊ｝の関係と定義しなおすことに
よつて、（２）式，（４）式のままの変換干渉特性｛Ｃ
_ji｝には前述の新たな干渉成分を含めてすべての干渉変
位成分が含まれていることになる。したがつて、微動ユ
ニツト変位｛Ｕ_ｉ｝に干渉変位成分が存在しても、変位
変換部４８で新たに定義しなおされた｛Ｃ_ji｝の逆特性
｛Ｃ_ji｝^-1に基づく変換を行なえば、全ての干渉成分を
含めて補償演算される。もちろんこの新たな定義による
｛Ｃ_ji｝は前述の定義による｛Ｃ_ji｝と何ら矛盾するも
のではないことは明らかである。

このように、本実施例では、第１の実施例の構成に対し
て、微細位置決め装置の微動ユニツトの変位を検出して
フイードバツクし、これを、目標変位に対応する微動ユ
ニツト変位信号と比較するフイードバツク制御を適用し
たので、第２の実施例と同様、より高い精度の変位を行
うことができる。しかも、本実施例はこれに加えて次の
ような顕著な効果をも有する。即ち、第２の実施例のよ
うに、微細位置決め装置の基準点の変位を検出する外部
変位センサとしてはサブミクロンオーダの検出が可能で
あるレーザ変位計が用いられる。ところが、このレーザ
変位計は据付け調整が極めて面倒であり、これに多くの
手間と時間を要するばかりでなく、レーザ変位計自体が
極めて高価である。しかしながら、本実施例において
は、外部変位センサは使用せず、微細位置決め装置自体
が有する内部変位センサを用いるので、構成が極めて簡
素になり、装置を容易かつ安価に構成することができ
る。そして、このような効果は、微動ユニツトとして平
行たわみ梁変位機構、放射たわみ梁変位機構が用いられ
ることにより他の微動ユニツトの駆動によつて各微動ユ
ニツトの変位検出に影響が全く出ないために、各微動ニ
ツト毎の独立した変位検出が可能となり、その結果はじ
めて実現し得るものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、微細位置決め装置の前
段に特性補償演算部を設け、微細位置決め装置の各微動
ユニツトの駆動電圧を補償するようにしたので、通常の
加工精度や組立精度で製作した微細位置決め装置であつ
ても、サブミクロンオーダーの極めて高い精度の位置決
めを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図および第３図はそれぞれ本発明の第１，
第２および第３の実施例に係る微細位置決め装置の変位
制御装置のブロツク図、第４図（ａ），（ｂ）は平行た
わみ梁を用いた変進微動ユニツトの側面図、第５図
（ａ），（ｂ）は放射たわみ梁を用いた回転微動ユニツ
トの側面図、第６図は６軸の微細位置決め装置の分解斜
視図、第７図は第６図に示す微細位置決め装置の特性を
説明するブロツク図である。４０……微細位置決め装置、４０ｃ……内部変位セン
サ、４１……目標変位設定部、４２……特性補償演算
部、４３……外部変位センサ、４４……減算部、４７…
…加算部、４８……変位変換部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村山健茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内 (56)参考文献特開昭60−263206（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−201412（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの剛体間に対向配置された板状たわみ
梁および前記各剛体間に力を作用させるアクチユエータ
を備え、このアクチユエータの駆動電圧に応じた相対変
位を前記各剛体部の間に発生させる微動ユニツトを複数
組合わせて構成した微細位置決め装置において、前記微
細位置決め装置の所定点の目標変位を出力する目標変位
設定部と、前記各微動ユニツトに与える駆動電圧と前記
所定点の変位との関係を表わす特性行列の逆特性を有し
前記目標変位に基づき前記逆特性にしたがつて前記各微
動ユニツトに対する駆動電圧を演算する特性補償演算部
とを設けたことを特徴とする微細位置決め装置の変位制
御装置
【請求項２】特許請求の範囲第（１）項において、前記
目標変位設定部と前記特性補償演算部との間には、前記
目標変位と、前記所定点の変位を検出する外部の変位検
出器で検出された変位と前記目標変位設定部が出力した
目標変位との差に応じた信号とを加算する加算手段が挿
入されていることを特徴とする微細位置決め装置の変位
制御装置
【請求項３】特許請求の範囲第（１）項において、前記
特性補償演算部と前記微細位置決め装置との間には、前
記特性補償演算部から出力される駆動電圧と、前記各微
動ユニツトの変位を検出する内部の変位検出器で検出さ
れた変位と前記目標変位設定部が出力した目標変位を各
微動ユニツトに駆動電圧を与えたときに生じる当該各微
動ユニツトの変位と前記基準点の変位の関係に基づいて
変換された各微動ユニツトの目標変位との差に応じた信
号とを加算する加算手段が挿入されていることを特徴と
する微細位置決め装置の変位制御装置