JPS63116217A - 微細位置決め装置の変位制御装置 - 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】 〔卒業上の利用分野〕 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にに使用される微細（立置決め装置
において、当８亥変イ立８周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ＬＳ
Ｉの製造工程において使用されるマスクアライナ、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ってその
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もそれらの
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ットおよびそれらを複数用い
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
ユニット９の側面図である。図で、ｌａ。

Ｉｂ、Ｉｃは剛体部、４ａ＋、４ａｚは互いに平行に配
置され、剛体部１ｃ、ｌａ間を連結する平行たわみ梁で
ある。平行たわみ梁４ａ＋、４ａｚは剛体部にあけた貫
通孔２ａにより形成される。

４ｂ＋、４ｂｚは互いに平行に配置され剛体部ｌｃ、ｌ
ｂ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、６ｂは圧電アクチュエータであり、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４ａ１゜４ｂ＋　と剛体部１
ａ、ｌｂ、ｌｃ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
ット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、圧電アチュエータ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４ａ１゜４ａ２　＋　　
４ｂｔ　＋　　４ｂｚ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。したがって、例えば剛体部ＩＣの上面に物体
を載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
誇張されて描かれている。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ッ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１ａ、ｌｂと１０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が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
動ユニット１９の側面図である。図で、１１ａ。

１１ｂ、Ｉｌｃは剛体部、１４ａｌ、１４ａｚ。

１４ｂ＋、１４ｂｚは放射たわみ梁である。各放射たわ
み梁１４ａ＋、１４ａｚ、１４ｂ＋、１４ｂ２は剛体部
１１ｃの中心０を通る一点鎖線Ｌ１゜Ｌ２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。放射たゎみ梁１４ａ、。

１４ａ２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＋、１４ｂ２は貫通孔１２ｂを
あけることにより形成される。１６ａ＋１６ｂは圧電ア
クチュエータであり、それぞれ貫通孔１２ａ、１２ｂに
剛体部から突出した突出部間に装着されている。１７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０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つの放射たゎみ梁変位機構１９ａ、
１９ｂにより回転微動ユニット１９が構成される。

今、圧電アクチュエータ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＋、１４ａｚ、１４ｂ、。

１４ｂ２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＋　、Ｌｚは直線Ｌｌ’ｒ　　Ｌ２′に移動する
。即ち、剛体部１１Ｃは点○を通り紙面に垂直な軸のま
わりに両回線の移動に相当する微小角度δだけ変位する
。したがって、例えば剛体部１１ｃの上面に物体を載置
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、その変形は極端に誇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ッｌ−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
単体であっ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ットと
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ット９゜
１９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、負荷や他のアクチュエータによ
って外力を加えられてもそれらによって影響を受けるこ
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
位検出にとっ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ッ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は吊心剛体部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、２８ｂ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２７ａ、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２８ａ、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つのブロッ
クから加工成形されることが望ましい。

２６　Ｍ、、、　　２６　Ｍ、ｂはそれぞれ張出し部２
６ａ。

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０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２６Ｍ７□２６Ｍ２ｂ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
ット２６Ｍ２（記号図示せず）を構成する。２６　ＦＸ
、、　　２６　Ｆｘｂはそれぞれ張出し部２６ａ、２６
ｂにおける放射たわみ梁変位機構２６　Ｍｚ、、　　２
６　Ｍ、、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２６　Ｆ、、
、　　２６　ＦＸｂは共働してＸ軸方向の並進変位を発
生ずる、並進微動ユニット２６Ｆｘ　　（記号図示せず
）を構成する。

２７　Ｆ、、　　２７　Ｆｙｂはそれぞれ張出し部２７
ａ。

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、、。

２７Ｆｙｂは共働してｙ軸方向の並進変位を発生する並
進微動ユニット２７ＦＸ（記号図示せず）を構成する。

２７　Ｆ２１１＋　　２７　Ｆｔｂ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、
□　２７Ｆ□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横
２７　Ｆｚ−、２７Ｆｚｂは共働してｚ軸方向の並進変
位を発生する並進ユニツ）　２７　Ｆｚ（記号図示せず
）を構成する。平行たわみ梁変位機構２７Ｆ２□　２７
ＦＺｂ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２６Ｍ２
□　２６Ｍｚｂ、、平行たわみ梁変位機構２６　ＦＸ、
、　　２６　Ｆｘｂ。

２７Ｆ、、、２７Ｆ、ｂ、２７Ｆｚ□　２７Ｆｚｂは各
張出し部２６　ａ、　　２６　ｂ、　　２７　ａ、　　
２７　ｂ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、、、３２Ｍ、ｂ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３２　Ｍｙ−１３２Ｍｙｂ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）３２Ｍ、（
記号図示せず）を構成する。３２　Ｍ、、、　　３２　
ＭＸｂ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ｌ−３２Ｍ、（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３２　
Ｍｙ−、３２Ｍｙｂ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３２　Ｍ、、、
　　３２　Ｍ、ｂ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、３３ｂ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
ｉ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
動ユニッ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ットは、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を生じ、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。したかつ・て、このような微動ユニッ
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かられ
かるように、各倣動ユニットはお互いに主変位方向が直
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ット
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
を設けて微動ユニット自体の変位を測定することが可能
となる。このことは従来の機構では不可能であった。

〔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ッ
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
貰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
ッ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、各微動ユニッ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
るブロック図である。図で、■１〜■。

は各微動ユニットに与えられる駆動電圧、Ｕ１〜Ｕ６は
各駆動電圧■１〜■６によって各微動ユニットに生じる
変位（微動ユニット変位）を示す。

ｘ、ｙ、ｚ、　　θ８．θ２．θ２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、〜Ｂ６はそれぞれ各駆動電圧
■１〜■、と各微動ユニット変位Ｕ、〜Ｕ６間のゲイン
特性、Ｃは各微動ユニット変位Ｕ　Ｉ”　Ｕ　ｂと基準
点変位成分Ｘ。

ｙ、・・・・・・・・・θ２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
定の微動ユニット（第６図に示す場合、平行たわみ梁変
位機構２　Ｓ　ＦＸ、、　　２６　ＦＸｂにより構成さ
れる２６ＦＸ）に電圧Ｖ、を加えると、当該微動ユニッ
トは微動ユニット変位Ｕ、を発生する。なお、この場合
駆動電圧■２〜■６、および微動ユニット変位ＵＺ〜Ｕ
６はＯである。当該微動ユニットに変位Ｕ１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〜θ２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。

したがって、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、複数の微動ユニットより成る微細
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っても、
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
作用させるアクチュエータを備え、このアクチュエータ
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
させる微動ユニッ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′Ｒ１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
ニットの変位と前記所定点の変位との関係を表わす特性
行列の逆特性を存し前記目標変位に基づき前記逆特性に
したがって前記各微動ユニッ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、各微動ユニットに与える駆動電圧と微細値で決め装
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
にしたがった演算が実行され、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ック図である。図で、４０は複数
の微動ユニットで構成された第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
動ユニッ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、は
Ｏ）を得る場合を考えると、第７図に示す特性において
、１つの微動ユニットに駆動電圧Ｖ、を与えて微動ユニ
ット変位Ｕ１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、他の微動ユニッ
トに対して、本来Ｏであるべき基準点変位成分ｙ〜θ８
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に目標変位（ｘ、０．・・・・・・、０）
が入力されたとき、どの微動ユニットに対してどれだけ
の電圧を印加して微動ユニッ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、各微動ユニットにおいて、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Ｏとみなし得ると考えると、駆動電圧ｖ１〜ｖ６と微
動ユニット変位Ｕ、〜Ｕ６との関係は次式で表わされる
。

一方、微動ユニット変位Ｕｌ−Ｕ、と基準点変位Ｘ〜θ
８との関係は次式で表わされる。

（２）式において、３６個の係数Ｃ０〜Ｃ６６は、６つ
の微動ユニットにある変位を発生させたときの各基準点
変位Ｘ〜θ２を測定し、さらに各微動ユニットにさきの
変位と異る変位を発生させたときの各基準点変位Ｘ〜θ
２を測定するという動作を少なくとも６回行い、それに
よっ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〜θ２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。

（Ｕｉ　）　＝　（Ｂｉ　）　　・　（Ｖｉ）　・旧・
・・・・・・・・・・（３）ＩＸｊ　）　＝　（Ｃｊｉ
）　　・　（Ｕｌ）　・・・・旧・・・・・・・・（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（■、）を求めればよい。即ち
、まず駆動電圧（Ｖ、）と基準点変位（Ｘｊｌ （Ｘｊ　）　＝　（Ｄｊｉ）　　・　（Ｖｉ）　　・・
・・・・・・・・・・・・・（５）を求める。ここで（
５）式の行列（Ｄｊｉ）は（２）式の行列（Ｃｊｉ）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、）を得るための駆動電
圧（Ｖ、）は次式による演算により求めることができる
。

（ｖｔ　）　＝　（Ｄ、＋ｌ　−’　−（Ｌ　）　　・
・・−旧−・−・・！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（Ｄｊｉ）の逆特性
（Ｄ、□）−１を補償特性として有し、この逆特性（Ｄ
Ｊ□）−１にしたがって演算が行われる。

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（ｘｏ、ｌで表わす
）を設定すると、この目標変位（Ｘ　、、）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（ＸｏＪ）　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（■１
）を微細位置決め装置４０に入力すれば、その基準点に
変位（ＸｏＪ）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、Ｏ，・・・・・・、Ｏ）を発生させるため、目
標変位入力部にｘ＝ｘ、ｙ＝０．ｚ＝０゜θ、＝０．θ
、−〇、θ、＝０を設定すると、これらの値は特性補償
演算部４２に入力され、（６）式の演算、即ち、 が実行され、駆動電圧■１〜ｖ６が得られ、これが出力
される。この場合、さきに述べ１こように駆動電圧■２
〜■、は必らずしもすべて０ではなく、行列（Ｄｊｉ）
における係数り、、−”Ｄ６６により求まる行列（Ｄ、
ｉ）　’−’の各係数によっ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■、〜■、により複数の
微動ユニットが駆動され、これにより基準点に目標とす
る変位（ｘ、　　Ｏ，・・・・・・。

０）が発生する。

以上、本実施例について説明したが、各微動ユニットが
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、）＝　（Ｃ，ｉ）　　・　（Ｂ１）　　・　（■
、）・・・・・・・・・（７）が成立する。（７）式と
（５）式を比較すると、（１）ｊｉ）　＝　（Ｃｊｉ）
　　・　（Ｂ、）となる。したがって、補償特性演算部
４２の補償特性（Ｄｊｉ）−’は、行列（Ｂｉ　ｌ　、
　　（Ｃｊ□）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ット変
位（Ｕｉ　）は第４図（ａ）、　（ｂ）　、第５図（ａ
）、　（ｂ）に示されるような各微動ユニットに設けら
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っても可能である
。

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
っても、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ック図である。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、−Ｃ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、）と目標変位設定部４１に設
定された目標変位（ＸＩ、Ｊ）　との差を演算する減算
部、４５は所定の係数に、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、）に係数に、
を乗算する乗算部、４７は目標変位（ｘｏＪ）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ィードバック制御
を適用した構成であり、係数に、はフィードバックゲイ
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（ＸＯ）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（■、）
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（Ｘｊ　）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（ＸＯ；）との偏差
（ΔＸｊ）（（ΔｘＪ）　＝　（Ｘｏｉ）　−（ＸＪｌ
　）が演算される。

演算された偏差（ΔＸＪ）には乗算部４６で係数に、が
乗算され、その値に、・　（ΔＸｊ）は加算部４７に入
力され、これにより目標変位（ＸｏＪ）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（Ｖｉ）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（
Ｘｏｉ）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ろで
静止することになる。

なお、上記実施例の説明では、上記フィードバック制御
を効果的に行うため、偏差（ΔＸ、）にフィードバック
ゲインＫＩ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、ｉ）に加算する
信号を一般化して、偏差（ΔＸｊ）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ィードバック
するフィードバッ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
算部の補償特性（Ｄｊｉ）　−’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ィードバック制御を
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ック図である。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の各微動ユニットに貼
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ッジ回路に代表さ
れる内部変位センサであり、各微動ユニットの変位（Ｕ
ｌ）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′はフィードバックゲイ
ンに２を発生する係数発生部である。

４８は目標変位信号（Ｘｏ＝）をこれに相当する微動ユ
ニット変位信号（ＵＯｔ）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ィードバック制御
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（
Ｘｏｊ）が入力されたとき、微細位置決め装置４０の基
準点に変位（Ｘｏｊ）を発生させるには、各微動ユニッ
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、
）と微動ユニット変位（Ｕｉ　）　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（Ｃｊｉ）によって示される。

したがって、変位変換部４８は当該変位干渉特性（Ｃｊ
ｉ）の逆特性（Ｃｊｉ）　−’を有することになり、こ
の逆特性（Ｃｊｉ）　−’を用いて演算を行うことによ
り、目標変位（Ｘａｊ）を得るための微動ユニット変位
信号（Ｕｏｔ）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　Ｏ＝　）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（Ｘｏｊ）を発生させるための微動ユニット
変位信号（ｕｏｉ）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（ＸｏＪ）が入力されると
、これに応じた駆動電圧（■。ｉ）が出力される。この
駆動電圧　（Ｖ　Ｏｌ）は加算部４７を経て駆動電圧（
Ｖｉ）　となり微細位置決め装置４０の各微動ユニット
に印加される。このため、各微動ユニットを構成する平
行たわみ梁、放射たわみ梁が変形して微動ユニットを変
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トストン
ブリッジ回路に構成されており、当該ホイートストンブ
リッジ回路からはその微動ユニッ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
微動ユニットの変位（Ｕ、）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
動ユニット変位信号（Ｕ　ｏ　ｉ）と内部変位センサ４
０Ｃから出力される実際の微動ユニット変位（Ｕ、）の
偏差（Δ０Ｌ）（（ΔＵ、）＝（Ｕｏｔｌ　−（Ｕ、）
）が演算される。演算された偏差（ΔＵｉ　）には乗算
部４６で係数に２が乗算され、その値に２　・　（ΔＵ
ｉ　）は加算部４７に入力され、これにより特性補償演
算部４２の駆りＪ電圧（Ｖｏ＝）が修正されて新たな駆
動電圧（■、）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（Ｘｏｊ）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、フィードバック制御に、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（ＣＪ□）の逆特性（Ｃｊｉ）−’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）弐に示すように、駆動電圧（Ｖ、）が所定の微
動ユニットに印加されるとき、゛その主変位Ｕ、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
的な微動ユニットを用いることが前提となっている。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＋）が印加されたとき、主変位方向の
変位（Ｕ、）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
ニット変位（Ｕ、）と基準点変位（Ｘ４）との間の関連
のみ、即ち変位干渉特性（Ｃｊｉ）の逆特性（Ｃｊｉ）
　−’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，ｉ
）を、実際の微細位置決め装置を構成する各微動ユニッ
トの駆動電圧（Ｖ、）を加えたときに発生する微動ユニ
ット変位（Ｕｉ　）　と基準点変位（Ｘ、）の関係と定
義しなおすことによって、（２）式、（４）式のままの
変位干渉特性（Ｃｊｉ）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。

したがって、倣動ユニット変位（Ｕ、）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，ｉ）の逆特性（ＣＪｉｌ−’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（Ｃｊｉ）　は前述の定義に
よる（Ｃｊｉ）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ットの変位を検出して
フィードバックし、これを、目標変位に対応する微動ユ
ニット変位信号と比較するフィードバック制御を適用し
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
変位計は据付は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
存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、微動ユニットとして平行た
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ットの駆動によって各微動ユニッ
トの変位検出に影響が全く出ないために、各微動ニット
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
ユニッ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っ
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
制御装置のブロック図、第４図（ａ）、　　（ｂ）は平
行たわみ梁を用いた変進微動ユニットの側面図、第５図
（ａ）、　　（ｂ）は放射たわみ梁を用いた回転微動ユ
ニットの側面図、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
性を説明するブロック図である。 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 第２図 ｎ 第３図 ４の 第４図 （ｂ） 第５図 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （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ュエータを備え
   、このアクチュ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ットを複数組合わ
   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、前記各微動ユニッ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
   ッ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
2. （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
3. （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
   ッ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
   ニットに駆動電圧を与えたときに生じる当該各微動ユニ
   ットの変位と前記基準点の変位の関係に基づいて変換さ
   れた各微動ユニッ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