JPH01244512A - 可動体の位置決め制御方法 - 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〉 この発明は、圧電素子を駆動源とする微動ステージ装置
などにおいて、前記圧電素子により駆動される可動体を
高速かつ高精度に位置決め制御するだめの可動体の位置
決め制御方法に関する。

〈従来の技術〉 従来のこの種位置決め制御系は、第３図に示す如く、可
動体１の目標位置に対し、可動体１の現在位置を位置検
出器２で検出してこれをフィードバックし、目標位置と
現在位置とから位置偏差を求めている。この位置偏差は
積分動作３で積分された後、つぎの比例動作４で比例定
数Ｋが与えられて操作量が決定される。この操作量はＤ
／Ａ変換器５でアナログ電圧に変換された後に駆動アン
プ６に与えられ、その増幅出力が駆動源としての圧電素
子７に印加されて可動体１を駆動して位置決め制御する
。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら前記圧電素子７には、第４図に示す如く、
その印加電圧を変化させた後に一定値に設定しても、圧
電素子７の分極の遅れに起因してその変位がしばらく続
いた後に一定値に落ち着くという現象（これを「クリー
プ現象」という）が存在する。このため可動体１は、位
置決め整定後に、第５図の拡大図に示す如く、時間の経
過と共にその変位がドリフトして位置精度を劣化させて
いる。この可動′＃−１を目標位置に保持するのに、第
３図の制御系のように変位フィードバックを行っている
が、クリープ速度の方が早いため、このクリープ現象を
完全に除去できないという問題がある。

この発明は、上記問題に着目してなされたものであって
、位置決め整定時にクリープ現象による変位のドリフ１
−が発生ずるのを防上することにより、高速かつ高精度
の位置決めを実現する新規な可動体の位置決め制御方法
を提供することを目的どする。

〈問題点を解決するだめの手段〉 上記目的を達成するため、この発明では、圧電素子を駆
動源として可動体を位置決め制御するのに、この可動体
が目標位置近傍に達したとき、制御系の一す′−ボ剛性
を高めることにしている。

く作用〉 可動体が目標位置近傍に達したとき、制御系のサーボ剛
性が高められるので、クリープ現象による可動体の目標
位置からの行過ぎに対し、これを目標位置に戻そうとす
る操作量が大きくなって、変位のドリフトが発生するの
が防止される。

〈実施例〉 第２図は、この発明の位置決め制御方法が適用実施され
た微動ステージ装置を示すもので、ベース１１上に、平
面形状が矩形状のステージ１２が移動自由に配備されて
いる。このステージ１２は上面をワーク支持面１３とな
し、このワーク支持面１３上にＬ型ミラー１４が配備し
である。このＬ型ミラー１４にはレーザ測長器からのレ
ーザ光が照射され、これによりステージ１２の位置が計
測されて微小位置決めが実行される。

このステージ１２は、その下面の４隅位置を転勤自由な
支持球１５で支持されている。これら支持球１５は上下
（Ｚ軸）方向に高い剛性を有し、またステージ１２の移
動方向には大きな自由度を有する。ステージ１２の４隅
位置には、へ−ス１１との間に送り案内機構１６がそれ
ぞれ配備され、ステージ１２をこの送り案内機構１６に
よりＸ軸、Ｙ軸の各軸方向に案内支持している。各送り
案内機構１６ば、直交する２軸方向に自由度を有する平
行ばね構造を構成するものであって、図示例の場合、各
送り案内機構１６として円弧状の切欠き１７を有するヒ
ンジばねが用いである。

ステージ１２の直交する２辺中央部には、対向するベー
ス１１との間に、ステージ１２をＸ軸方向へ変位させる
第１駆動部１８ａと、ステージ１２をＹ軸方向へ変位さ
せる第２駆動部１８ｂとが設けられており、これら各駆
動部１８ａ、１８ｂは、圧電素子１９をその駆動源とし
ている。

第１図は、上記微動ステージ装置において、ステージ１
２を微小位置決めするための位置決め制御系の構成例を
示しており、レーザ測長器２０がステージ１２の現在位
置を検出し、この現在位置と目標位置とから演算制御装
置２５が操作量を算出して、これをＤ／Δ変換器２３へ
出力している。このＩ）／Ａ変換器２３は操作量をアナ
ログ電圧に変換して駆動アンプ２４へ与え、その増幅出
力の圧電素子１９への印加によりステージ１２が駆動さ
れて位置決め制御される。

前記の演算制御装置２５は、例えばマイクロコンピュー
タにおけるＣＰＵであり、サンプリングタイム毎に目標
位置と現在位置とから位置偏差を求める。この位置偏差
は積分動作２１で積分され、さらに比例動作２２で可変
の比例定数Ｋが与えられて操作量が算出される。

この実施例の場合、前記の比例定数には、ステージ１２
が目標位置近傍に達したとき、すなわち前記位置偏差が
所定の範囲（０〜］ｅ１）に入ったとき、この制御系の
サーボ剛性を高めるための他の大きな適切値ＫＰに切り
換えている。

これによりステージ１２がクリープ現象に起因して目標
位置より行き過ぎようとするのに対し、わずかな行過ぎ
でもステージ１２を目標位置に戻そうとする操作量が大
きくなり、クリープ現象によるドリフトの発生を抑制し
ている。

さらにこの実施例では、前記の比例定数は、ステージ１
２の移動量に応じて可変設定しており、制御開始前にス
テップすべき移動量が下表のいずれの範囲に属するかに
よって、最適な比例定数Ｋａ−Ｋｄを選定するようにし
ている。

これは前記駆動ア、ンプ２４のスルーレート（単位時間
当たりの立上り電圧）が入力電圧の上昇に伴って小さく
なるという問題に着目し、比例定数を可変設定して駆動
アンプ２４への入力電圧がスルーレートを越えないよう
にすることで、移動量に応した良好な応答を得ている。

ところで前記のクリープ現象による変位は、ステージ１
２の移動量が大きくなる程その絶対量は大きくなる。ま
た駆動アンプ２４のスルーレートは、入力電圧が大きい
程小さくなるので、ステージ１２の移動量が大きくなる
と、最適な比例定数は小さくなる。このため移動量に応
じて比例定数を可変設定する方式では、クリープ現象に
よる変位が大きい程、比例定数が小さい値となっている
ため、サーボ剛性が弱く、行過ぎ量を抑制する作用が小
さくなる。従ってこの実施例の方式では、目標位置近傍
でクリープ現象による行過ぎ量を抑制するために比例定
数を大きくすることには、特に意義がある。

なおこの実施例では、サーボ剛性を高めるのに比例定数
を切り換える方式を採用しているが、この発明はこれに
限らず、ステージ１２が目標位置近傍に達したとき、サ
ンプリングタイムを短くするなどの他の方法を採用して
、サーボ剛性を高めることも可能である。

つぎに第１図の微動ステージ装置および第２図の位置決
め制御系の動作を説明する。

いまこの制御系に目標位置が与えられると、レーザ測長
器２０がステージ１２の現在位置を検出し、この現在位
置と目標位置とから演算制御装置２５は積分動作２１お
よび比例動作２２の各演算を実行して操作量を算出する
。この制御演算に先立ち、演算制御装置２５は、ステー
ジ１２の移動量に応じて比例動作２２の演算で用いる最
適な比例定数を選定して前記操作量の算出を行う。この
操作量はＩ）／、Ａ変換器２３でアナログ電圧に変換さ
れて駆動アンプ２４に与えられ、その増幅出力が圧電素
子１９に印加されて、ステージ１２が駆動され位置決め
制御される。そしてステージ１２が目標位置近傍に達し
たとき、比例動作２２における比例定数が大きな値ｋａ
に切換え設定されて制御系のサーボ剛性が高められ、こ
れにより位置決め整定時におけるクリープ現象によるド
リフトの発生が抑制される。

なお上記実施例は、微動ステージを制御対象とするもの
であるが、この発明は、圧電素子を駆動源とするもので
あれば制御対象はステージ以外のものであってもよい。

また可動体の位置検出もこの実施例のようなレーザ測長
器２０に限らず、他の手段を用いることもでき、さらに
位置決め制御系はソフトウェアサーボでなく、ハードウ
ェアで構成することも可能である。

〈発明の効果〉 この発明は上記の如く、可動体が目標位置近傍に達した
とき、制御系のサーボ剛性を高めるようにしたから、ク
リープ現象による可動体の目標位置からの行過ぎに対し
、これを目標位置に戻そうとする操作量が大きくなって
、変位のドリフトが発生するのが防止され、高速かつ高
精度の位置決めを実現できるなど、発明目的を達成した
顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる位置決め制御系を示すブロッ
ク図、第２図はこの発明が適用実施された微動ステージ
装置の外観を示す斜面図、第３図は従来の位置決め制御
系を示すブロック図、第４図および第５図はクリープ現
象を説明するための特性図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 圧電素子を駆動源として可動体を位置決め制御する方法
   であって、 前記可動体が目標位置近傍に達したとき、制御系のサー
   ボ剛性を高めることを特徴とする可動体の位置決め制御
   方法。