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JP3276533B2 - Fine positioning device with force feedback - Google Patents
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JP3276533B2 - Fine positioning device with force feedback - Google Patents

Fine positioning device with force feedback

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JP3276533B2
JP3276533B2 JP15414995A JP15414995A JP3276533B2 JP 3276533 B2 JP3276533 B2 JP 3276533B2 JP 15414995 A JP15414995 A JP 15414995A JP 15414995 A JP15414995 A JP 15414995A JP 3276533 B2 JP3276533 B2 JP 3276533B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、変位発生型アクチュエ
ータの代表であるピエゾ素子等を使ったサブミクロンオ
ーダの位置決め装置であって、位置決め時間短縮に著し
い効果のある力フィードバック付き微動位置決め装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sub-micron-order positioning device using a piezo element or the like, which is a typical example of a displacement-generating actuator, and relates to a fine movement positioning device with force feedback which has a remarkable effect on shortening the positioning time. .

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、精密加工、組立および調整などの
分野における微小位置決めにおいて、サブミクロンオー
ダの位置決め精度が要求されている。特に、微細パター
ンの露光を目的とした超精密位置決めステージにおいて
は、高い分解能と周波数応答の高帯域化を実現するべ
く、アクチュエータとして圧電素子や電歪素子が多用さ
れている。図7は、鉛直方向の並進1自由度方向と水平
面内の傾きの2自由度方向を位置決め制御する3自由度
方向の微動位置決め装置を示す図である。この装置は、
平板状の基板1を印加電圧に応じて鉛直方向に変位させ
るアクチュエータ2M,2R,2Lによって位置決め制
御するものである。アクチュエータ2M,2R,2Lに
は、駆動素子としてのピエゾ素子と、その変位を拡大す
る変位拡大機構とが含まれている。アクチュエータ2
M,2R,2Lの近傍には、基板1の鉛直方向の変位を
計測する位置センサ3M,3R,3Lが配置されてい
る。これらの構成要素からなる機構を微動位置決め機構
という。
2. Description of the Related Art In recent years, positioning accuracy on the order of submicrons has been required for minute positioning in fields such as precision machining, assembly and adjustment. In particular, in an ultra-precision positioning stage for exposing a fine pattern, a piezoelectric element or an electrostrictive element is frequently used as an actuator in order to realize a high resolution and a high frequency response band. FIG. 7 is a diagram illustrating a three-degree-of-freedom fine movement positioning device that performs positioning control of one vertical direction of translation and two degrees of inclination in a horizontal plane. This device is
The positioning control is performed by actuators 2M, 2R, and 2L that displace the flat substrate 1 in the vertical direction according to the applied voltage. Each of the actuators 2M, 2R, and 2L includes a piezo element as a driving element and a displacement magnifying mechanism for enlarging the displacement. Actuator 2
Position sensors 3M, 3R, 3L for measuring the displacement of the substrate 1 in the vertical direction are arranged near M, 2R, 2L. A mechanism including these components is called a fine movement positioning mechanism.

【0003】位置センサ3M,3R,3Lによって計測
された基板1の変位信号は、変位増幅器4M,4R,4
Lによって電気信号に変換される。その電気信号は、指
令電圧入力端子5M,5R,5Lに加えられる指令電圧
と比較されて前置増幅器6M,6R,6Lに入力され、
その出力は制御ループの特性を調整するプログラマブル
ゲイン要素7M,7R,7Lに入力される。そして、こ
の出力をもって電力増幅器8M,8R,8Lを励磁し、
アクチュエータ2M,2R,2Lを上下動させて基板1
を上下方向に並進運動させたり、あるいは鉛直軸に対し
て傾かせるように駆動する。これらの位置に関するメイ
ンの閉ループはフィードバック装置と呼ばれ、微動位置
決め機構とフィードバック装置とを含めて微動位置決め
装置という。
[0003] Displacement signals of the substrate 1 measured by the position sensors 3M, 3R, 3L are output to displacement amplifiers 4M, 4R, 4L.
L converts it into an electrical signal. The electric signal is compared with a command voltage applied to command voltage input terminals 5M, 5R, 5L and input to preamplifiers 6M, 6R, 6L,
Its output is input to programmable gain elements 7M, 7R, 7L that adjust the characteristics of the control loop. Then, the power amplifiers 8M, 8R, and 8L are excited with this output,
By moving the actuators 2M, 2R, 2L up and down,
Is driven to translate in the vertical direction or to tilt with respect to the vertical axis. The main closed loop related to these positions is called a feedback device, and includes a fine positioning mechanism and a feedback device, and is called a fine positioning device.

【0004】なお、電力増幅器8M,8R,8Lは入力
電圧に対して電流を出力するタイプのものである。この
ようなフィードバック装置の構成によれば、定常偏差
「零」への収束性が保証される。なぜならば、アクチュ
エータ2M,2R,2Lの構成要素であるピエゾ素子は
電気的にみるとコンデンサであり、電流出力タイプの電
力増幅器8M,8R,8Lと、それが駆動する各ピエゾ
素子とを含めた伝達関数には積分器が含まれ、いわゆる
閉ループは1形になり制御理論の教えるところによれば
定常偏差「零」が保証されるのである。
The power amplifiers 8M, 8R, 8L are of a type that outputs a current with respect to an input voltage. According to the configuration of such a feedback device, convergence to the steady-state error “zero” is guaranteed. This is because the piezo elements, which are components of the actuators 2M, 2R, 2L, are electrically capacitors, and include the current output type power amplifiers 8M, 8R, 8L and the piezo elements driven by them. The transfer function includes an integrator, and the so-called closed loop becomes a form 1, and according to the teaching of control theory, a steady-state error of "zero" is guaranteed.

【0005】さて、上述のように微動位置決め機構は3
軸方向のフィードバック装置がそれぞれ独立しており、
かつプログラマブルゲイン要素7M,7R,7Lのゲイ
ンを同一にし、順次これを大きくすることによって位置
決め時間の短縮が図られている。しかし、位置決め時間
を短縮するゲインの増加は、安定性に余裕をもたせるう
えで機構のダイナミクスを刺激しない範囲にとどめられ
る。このようなゲインの上限値をさらに引き上げるため
に、特開平6−151272号公報(『加速度フィード
バック付き微動位置決め装置』)では、従来技術の位置
フィードバック装置に対して新たに加速度フィードバッ
ク装置を付加してなる加速度フィードバック付き微動位
置決め装置を案出している。その有効性は、理論的にも
実験的にも明らかとなっている。そのほかの公知資料で
は、圧電素子をアクチュエータとして用いた微動位置決
め機構の位置決め制御をどのように構成しているのであ
ろうか。特公平7−1453号公報(『微動位置決め装
置の制御装置』)では、変位機構に貼り付けたひずみゲ
ージを変位センサとして、PI補償器とフィードフォワ
ード補償器とからなる位置のフィードバック装置を開示
している。また、特公平7−1460号公報(『圧電素
子を用いた変位制御機構』)では、変位センサを使った
位置検出で、オブザーバにより状態フィードバックを行
なう制御装置を開示している。さらに、特開平6−31
0773号公報(『圧電セラミックアクチュエータの駆
動方法』)では、変位量と電圧間の特性に生じるヒステ
リシスを低減する圧電セラミクスの駆動方法に係り、直
流電圧に対する変位の非線形性を参照して入力電圧の非
線形増幅を行なう方法が開示されている。いずれの場合
も、位置検出のセンサ出力に基づく一つの閉ループ系で
位置決めを行なわせる装置構成である。
[0005] As described above, the fine movement positioning mechanism is 3
Each axial feedback device is independent,
Further, the positioning time is reduced by making the gains of the programmable gain elements 7M, 7R, and 7L the same and sequentially increasing the gains. However, the increase in gain for shortening the positioning time is limited to a range that does not stimulate the dynamics of the mechanism in order to allow a margin in stability. In order to further increase the upper limit of such a gain, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 6-151272 ("Fine positioning device with acceleration feedback") adds an acceleration feedback device to the conventional position feedback device. A fine positioning device with acceleration feedback has been devised. Its effectiveness has been clarified theoretically and experimentally. In other known materials, how is the positioning control of the fine movement positioning mechanism using the piezoelectric element as the actuator configured? Japanese Patent Publication No. 7-1453 ("Control device for fine movement positioning device") discloses a position feedback device composed of a PI compensator and a feedforward compensator using a strain gauge attached to a displacement mechanism as a displacement sensor. ing. Japanese Patent Publication No. 7-1460 ("Displacement control mechanism using piezoelectric element") discloses a control device that performs state feedback by an observer by position detection using a displacement sensor. Further, JP-A-6-31
No. 0773 (“Driving Method of Piezoelectric Ceramic Actuator”) relates to a driving method of piezoelectric ceramics that reduces hysteresis generated in the characteristic between the amount of displacement and the voltage. A method for performing non-linear amplification is disclosed. In any case, the apparatus is configured to perform positioning by one closed loop system based on the sensor output of position detection.

【0006】本発明のように、力フィードバックを位置
のフィードバック装置に対するマイナーループとして含
めた位置決めの装置の構成はまだ開示されていない。
[0006] As in the present invention, the configuration of the positioning device including force feedback as a minor loop to the position feedback device has not been disclosed yet.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、微動
位置決め機構における位置のフィードバック装置のルー
プゲインを上げると、順次応答性は引き上げられる。し
かし、やがては機構自身のダイナミクスを刺激するに至
り速応性の向上は頭打ちとなってしまう。速応性をさら
に引き上げるために、加速度センサを使用してダンピン
グを付与することが案出されている。しかし、加速度セ
ンサを微動位置決め機構に装着することによって機械的
な衝突などの干渉を惹起せしめる場合には、もちろんそ
れを装着することができない。ゆえに、加速度フィード
バックによるダンピング付与は断念せざる得ない。ま
た、加速度センサは非常に高価であり、微動位置決め機
構に電気的なダンピングを付与して得られる速応性向上
に見合ったコストなのか否かが問われている。
As described above, when the loop gain of the position feedback device in the fine movement positioning mechanism is increased, the responsiveness is sequentially increased. However, eventually, the dynamics of the mechanism itself are stimulated, and the improvement of responsiveness will level off. In order to further increase the responsiveness, it has been proposed to provide damping using an acceleration sensor. However, when interference such as mechanical collision is caused by mounting the acceleration sensor on the fine movement positioning mechanism, it cannot be mounted, of course. Therefore, it is inevitable to give up damping by acceleration feedback. Further, the acceleration sensor is very expensive, and it is asked whether the cost is appropriate for the improvement of the quick response obtained by providing the fine movement positioning mechanism with electric damping.

【0008】本発明の目的は、このような従来技術の問
題点に鑑み、微動位置決め装置において、より低コスト
のあるいは機械的干渉を生じない手段により、速応性を
向上させることにある。
An object of the present invention is to improve the responsiveness of a fine positioning device by means of lower cost or means which does not cause mechanical interference in view of the problems of the prior art.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明では、微動位置決め装置において、加速度フィー
ドバックの代わりに力フィードバックを位置のフィード
バックに対するマイナーループとして含めるようにして
いる。
According to the present invention, in order to achieve this object, in a fine positioning device, force feedback is included as a minor loop for position feedback instead of acceleration feedback.

【0010】より具体的には、本発明に係る第1の力フ
ィードバック付き微動位置決め装置は、位置決めがなさ
れる基板と、基板を駆動するピエゾ素子と変位拡大機構
とからなるアクチュエータと、アクチュエータ近傍にお
いて基板の変位を検出する位置センサと、前置増幅器、
プログラマブルゲイン要素、および電流出力型の電力増
幅器を備え、位置センサの出力を外部からの指令電圧と
比較して偏差信号を取得し、この偏差信号に基づき、前
置増幅器およびプログラマブルゲイン要素を介して電流
出力型の電力増幅器を励し、その出力電流によりアク
チュエータを駆動するフィードバック装置と、アクチュ
エータの中に組み込んだ力センサと、力センサの出力を
電気信号に変換する力検出器と、力検出器の出力に対し
て補償をかける力補償器を備え、これを介して力センサ
の出力を電流出力型の電力増幅器の入力側に負帰還させ
る力フィードバック手段とを具備し、前記力フィードバ
ック手段は、前記ピエゾ素子に印加されている予圧に依
存して発生する前記力検出器での直流電圧を平衡点とす
るように、構成されていることを特徴とする。
[0010] More specifically, the first force member according to the present invention.
The fine movement positioning device with feedback includes a substrate to be positioned, an actuator including a piezo element for driving the substrate and a displacement magnifying mechanism, a position sensor for detecting the displacement of the substrate near the actuator, a preamplifier,
A programmable gain element, and a power amplifier of current output type, comparing the output of the position sensor with an external command voltage to obtain a deviation signal, based on the deviation signal, through a preamplifier and a programmable gain element. the current output type power amplifier excitation City, a feedback device for driving the actuator by the output current, the force sensor incorporated in the actuator, the force detector for converting the output of the force sensor into an electric signal, the force detection comprising a force compensator for applying a compensation to the output of the vessel, comprising a force feedback means for negatively feeding back the output of the force sensor to the input side of the current output type power amplifier via which the force Fidoba
Locking means depends on a preload applied to the piezo element.
DC voltage at the force detector that
So that the characterized that you have been configured.

【0011】また、本発明に係る第2の力フィードバッ
ク付き微動位置決め装置は、位置決めがなされる基板
と、基板を駆動するピエゾ素子と変位拡大機構とからな
るアクチュエータと、アクチュエータ近傍において基板
の変位を検出する位置センサと、ループゲイン調整器、
PI補償器、および電圧出力型の電力増幅器を備え、位
置センサの出力を外部からの指令電圧と比較して偏差信
号を取得し、この偏差信号に基づき、ループゲイン調整
器およびPI補償器を介して電圧出力型の電力増幅器を
し、その出力電圧によりアクチュエータを駆動する
フィードバック装置と、アクチュエータの中に組み込ん
だ力センサと、力センサの出力を電気信号に変換する力
検出器と、力検出器の出力に対して補償をかける力補償
器を備え、これを介して力センサの出力をPI補償器の
入力側に負帰還させる力フィードバック手段とを具備
し、前記力フィードバック手段は、前記ピエゾ素子に印
加されている予圧に依存して発生する前記力検出器での
直流電圧を平衡点とするように、構成されていることを
特徴とする。この場合、PI補償器の分子時定数を
1 、電圧出力型の電力増幅手段の1次遅れ時定数をT d
とおいたとき、T 1 =T d であることが好ましい。
Further, the second force feedback according to the present invention is provided.
The fine-movement positioning device with a lock includes a substrate to be positioned, an actuator including a piezo element for driving the substrate and a displacement magnifying mechanism, a position sensor for detecting displacement of the substrate near the actuator, a loop gain adjuster,
A PI compensator and a voltage output type power amplifier are provided. The output of the position sensor is compared with an external command voltage to obtain a deviation signal. Based on the deviation signal, a loop gain adjuster and a PI compensator are used. a voltage output type power amplifier <br/> excitation City Te, a feedback device for driving the actuator by the output voltage, a force sensor incorporated in the actuator, the force detection to convert the output of the force sensor into an electrical signal And a force compensator for compensating for the output of the force detector, and force feedback means via which the output of the force sensor is negatively fed back to the input side of the PI compensator.
The force feedback means is provided on the piezo element.
At the force detector, which occurs depending on the preload being applied.
A DC voltage to an equilibrium point, characterized that you have been configured. In this case, the numerator time constant of the PI compensator is
T 1 , the first-order lag time constant of the voltage output type power amplifying means is T d
Then, it is preferable that T 1 = T d .

【0012】本発明の一つの実施形態において、力補償
器は、積分器であることを特徴とする。
[0012] In one embodiment of the present invention, the force compensator is an integrator.

【0013】また、本発明の他の実施形態において、力
補償器は、1次遅れフィルタであり、位置決め機構の粘
性摩擦係数をD、バネ定数をKとおいたとき、1次遅れ
フィルタの時定数はD/Kであることを特徴とする。
In another embodiment of the present invention, the force compensator is a first-order lag filter. When the viscous friction coefficient of the positioning mechanism is D and the spring constant is K, the time constant of the first-order lag filter is Is D / K.

【0014】[0014]

【0015】また、別の側面からみれば、本発明は、位
置決め対象物を変位させる変位発生型のアクチュエー
タ、および前記対象物の位置を検出する位置検出手段を
備え、この検出位置をフィードバックして前記アクチュ
エータを駆動することにより前記対象物を位置決めする
位置決め装置において、前記アクチュエータが前記対象
物を変位させる際に発生する力を検出する力検出手段、
および、この力を、前記対象物の変位に際してのダンピ
ングあるいはこれに加えスティフネスを付与するための
補償を施してフィードバックする力フィードバック手段
を具備し、前記力フィードバック手段は、前記アクチュ
エータに印加されている予圧に依存して発生する前記力
検出手段での直流電圧を平衡点とするように、構成され
ていることを特徴とする。
According to another aspect, the present invention includes a displacement generating type actuator for displacing an object to be positioned, and position detecting means for detecting the position of the object, and the detected position is fed back. In a positioning device that positions the object by driving the actuator, a force detecting unit that detects a force generated when the actuator displaces the object,
And force feedback means for feeding back the force by damping when the object is displaced or compensating for imparting stiffness in addition thereto , wherein the force feedback means comprises:
The force generated depending on the preload applied to the eta
The DC voltage at the detection means is set to the equilibrium point.
And wherein the Tei Rukoto.

【0016】[0016]

【作用】本発明では、ピエゾ素子等の変位発生型のアク
チュエータを使った微動位置決め機構において、アクチ
ュエータにより生じる力を検出し、その信号に適切な伝
達関数を有する力補償器を介した電気信号を、アクチュ
エータを駆動する電流出力型の電力増幅器の前段に負帰
還している。このときの操作量は、力補償器の伝達関数
の構成の仕方に依存するが、粘性項の増加、あるいは粘
性項とバネ項の増加を来たすように作用する。したがっ
て、微動位置決め機構をより安定な機構に周波数整形す
ることができる。このため、より安定な微動位置決め機
構に対して、位置のフィードバックを掛けたときには、
従来に比して位置のループゲインを高められ、もって高
い速応性が達成される。
According to the present invention, in a fine movement positioning mechanism using a displacement generating type actuator such as a piezo element, a force generated by the actuator is detected, and an electric signal is transmitted to the signal through a force compensator having an appropriate transfer function. , Negative feedback is provided to the front stage of the current output type power amplifier that drives the actuator. The manipulated variable at this time depends on how the transfer function of the force compensator is configured, but acts to increase the viscous term or increase the viscous term and the spring term. Accordingly, the frequency of the fine movement positioning mechanism can be shaped into a more stable mechanism. For this reason, when the position feedback is applied to the more stable fine movement positioning mechanism,
The loop gain of the position can be increased as compared with the conventional case, so that high responsiveness is achieved.

【0017】また、PI補償手段を介した信号で電圧出
力型の電力増幅手段を励磁して変位発生型のアクチュエ
ータを駆動する微動位置決め機構においては、力を検出
し、その信号に適切な伝達関数を有する力補償手段を介
した電気信号をPI補償手段の前段に負帰還している。
このときの操作量も、力補償手段の伝達関数の構成に依
存するが、上述と同様に粘性項の増加、あるいは粘性項
とバネ項の増加が生じるように作用する。
In a fine positioning mechanism for driving a displacement generating type actuator by exciting a voltage output type power amplifying unit with a signal via a PI compensating unit, a force is detected and an appropriate transfer function is applied to the signal. The electric signal via the force compensating means having a negative feedback is fed back to the preceding stage of the PI compensating means.
The amount of operation at this time also depends on the configuration of the transfer function of the force compensating means, but acts to increase the viscosity term or increase the viscosity term and the spring term as described above.

【0018】[0018]

【実施例】図1は、本発明の一実施例に係る力フィード
バック付き微動位置決め装置の構成を示す図である。本
実施例の微動位置決め装置は、図7に示すような3自由
度方向の微動位置決めを行なうものであるが、図1では
説明を簡便に行なうために、1軸方向のアクチュエータ
の部位のみを拡大し、併せてその1軸方向に対する力フ
ィードバック付きのフィードバック装置の構成を図示し
ている。同図において、16は基板1を変位させる基準
である基部、19は基部16と剛に結合した変位拡大機
構である。ピエゾ素子20がX方向に伸張したとき、こ
の伸張変位は切欠き部18bを有する弾性ヒンジに伝わ
り、さらに力センサ10を介して切欠き部18aを支点
とした変位拡大機構19の突出部、すなわち弾性ヒンジ
をY軸時計回りに回転変位させる。これにより、この突
出部は基板1と機械的に剛に結合されているため、基板
1がZ軸方向に変位する。力センサ10の出力信号は、
力検出器11によって電気信号に変換され、力補償器1
2に入力される。力補償器12の出力信号は、電流出力
型の電力増幅器8の前段に負帰還される。このループは
位置決め信号に対してマイナーなあるいはローカルな力
フィードバックとなっている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a fine movement positioning device with force feedback according to one embodiment of the present invention. The fine-movement positioning apparatus of this embodiment performs fine-movement positioning in three degrees of freedom as shown in FIG. 7, but in FIG. 1, only the portion of the actuator in the one-axis direction is enlarged in order to simplify the description. In addition, the configuration of a feedback device with force feedback in one axial direction is illustrated. In the figure, reference numeral 16 denotes a base which is a reference for displacing the substrate 1, and 19 denotes a displacement magnifying mechanism rigidly connected to the base 16. When the piezo element 20 is extended in the X direction, the extension displacement is transmitted to the elastic hinge having the notch 18b, and further, the protrusion of the displacement magnifying mechanism 19 having the notch 18a as a fulcrum via the force sensor 10, ie, The elastic hinge is rotationally displaced clockwise in the Y axis. As a result, since the protrusion is mechanically and rigidly connected to the substrate 1, the substrate 1 is displaced in the Z-axis direction. The output signal of the force sensor 10 is
It is converted into an electric signal by the force detector 11 and the force compensator 1
2 is input. The output signal of the force compensator 12 is negatively fed back to a stage preceding the current output type power amplifier 8. This loop is a minor or local force feedback for the positioning signal.

【0019】このマイナーな力フィードバックに対する
位置のメインフィードバックは次のように構成される。
位置センサ3が基板1に取り付けられており、位置セン
サ3は、変位拡大機構19の基部16と同じ剛なる部位
からのびたターゲット17を観測している。すなわち、
基板1が基部16を基準としてZ軸方向にシフトしたと
きの変位を計測する。位置センサ3の出力信号は、変位
増幅器4によって電気信号に変換される。変位増幅器4
の出力信号は指令電圧入力端子5に加える電圧と比較さ
れて偏差信号eとなる。偏差信号eは前置増幅器6に入
力され、さらに位置のループゲインを調整するプログラ
マブルゲイン要素7へ入力される。プログラマブルゲイ
ン要素7の出力信号と上述の力フィードバックの負帰還
信号とを加算した信号がピエゾ素子20を駆動する電流
出力型の電力増幅器8を励磁する。これにより、基板1
は、指令電圧入力端子5に加えた電圧に相当する部位へ
位置決めされる。
The main position feedback for this minor force feedback is constructed as follows.
The position sensor 3 is attached to the substrate 1, and the position sensor 3 observes a target 17 extending from the same rigid portion as the base 16 of the displacement magnifying mechanism 19. That is,
The displacement when the substrate 1 is shifted in the Z-axis direction with respect to the base 16 is measured. The output signal of the position sensor 3 is converted by the displacement amplifier 4 into an electric signal. Displacement amplifier 4
Is compared with the voltage applied to the command voltage input terminal 5 to become a deviation signal e. The deviation signal e is input to the preamplifier 6 and further to a programmable gain element 7 for adjusting the loop gain of the position. A signal obtained by adding the output signal of the programmable gain element 7 and the above-described negative feedback signal of the force feedback excites the current output type power amplifier 8 that drives the piezo element 20. Thereby, the substrate 1
Are positioned at a position corresponding to the voltage applied to the command voltage input terminal 5.

【0020】特開平6−151272号公報に開示され
ている加速度フィードバック付き微動位置決め装置の場
合は、微動位置決め機構を構成する機械要素の中で、ま
さに位置決めする基板1の上に加速度センサを装着せね
ばならない。しかし、水平面内を長ストロークにわたっ
て移動するXYステージの上に基部16を含めた微動位
置決め機構が搭載される場合があり、このとき基板1に
突出して設けた加速度センサに原因して衝突などの機械
的な干渉を招くことがある。一方、本発明の場合には、
アクチュエータ(ピエゾ素子)から変位拡大機構、そし
て位置決め基板へ、という変位の伝達経路の中で、図1
のように変位拡大機構19と位置決め基板1との間に力
センサ10が挿入可能となる。ゆえに、機械的干渉の発
生は回避できる。
In the case of the fine positioning device with acceleration feedback disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-151272, an acceleration sensor is mounted on the substrate 1 to be precisely positioned among the mechanical elements constituting the fine positioning mechanism. I have to. However, there is a case where a fine movement positioning mechanism including the base 16 is mounted on an XY stage that moves over a long stroke in a horizontal plane, and at this time, a machine such as a collision caused by an acceleration sensor protruding from the substrate 1 is provided. Interference may occur. On the other hand, in the case of the present invention,
In the displacement transmission path from the actuator (piezo element) to the displacement magnifying mechanism and to the positioning board, Fig. 1
As described above, the force sensor 10 can be inserted between the displacement magnifying mechanism 19 and the positioning board 1. Therefore, occurrence of mechanical interference can be avoided.

【0021】なお、力センサとして、金属抵抗式ひずみ
センサ、接着抵抗式ひずみセンサ、非接着抵抗式ひずみ
センサ、薄膜抵抗式ひずみセンサ、半導体式ひずみセン
サ、圧電気式力センサ、磁わい式力センサ、電磁式力セ
ンサ、弾性振動式力センサ、超音波式ひずみセンサ、表
面弾性波式力センサ等が知られている。力センサは、加
速度センサに比べ安価であり、微動位置決め機構に対す
る電気的なダンピング付与、あるいはダンピングとステ
ィフネス付与のために上記のものから好適に使用され
る。
The force sensors include metal resistance strain sensors, adhesive resistance strain sensors, non-adhesion resistance strain sensors, thin film resistance strain sensors, semiconductor strain sensors, piezoelectric force sensors, and magnetostrictive force sensors. An electromagnetic force sensor, an elastic vibration force sensor, an ultrasonic strain sensor, a surface acoustic wave force sensor, and the like are known. The force sensor is inexpensive as compared with the acceleration sensor, and is preferably used from the above for providing electric damping to the fine movement positioning mechanism or for providing damping and stiffness.

【0022】また、一般に圧電素子20にはバックラッ
シュが生じないように不図示の予圧印加機構によって予
圧が加えられる。その調整に依存して力検出器11には
直流電圧が発生するが、もちろん発生した直流電圧を平
衡点として力フィードバックが構成される。
In general, a preload is applied to the piezoelectric element 20 by a preload applying mechanism (not shown) so that backlash does not occur. Although a DC voltage is generated in the force detector 11 depending on the adjustment, a force feedback is formed using the generated DC voltage as an equilibrium point.

【0023】さて、図1に示した力フィードバック付き
微動位置決め装置の構成を採ったとき、位置のループゲ
インに関する安定範囲が拡大することを解析的に明らか
にしておこう。図2は、1軸方向の微動位置決め機構を
表現するブロック図である。駆動変位xd から負荷の変
位xまでの伝達関数GP (s)は数1式で与えられる。
ただし、Mは質量、Kはバネ定数、Dは粘性摩擦係数、
sはラプラス演算子である。
Now, it will be analytically clarified that when the configuration of the fine movement positioning device with force feedback shown in FIG. 1 is adopted, the stable range with respect to the position loop gain is expanded. FIG. 2 is a block diagram illustrating a fine-motion positioning mechanism in the one-axis direction. The transfer function G P (s) from the drive displacement x d to the load displacement x is given by Equation 1.
Where M is mass, K is spring constant, D is viscous friction coefficient,
s is a Laplace operator.

【0024】[0024]

【数1】 次に、図3の力フィードバックのブロック図を参照す
る。図のように、力fを検出し、それを力補償の伝達関
数9(G(s))を介して電流出力型の電力増幅器8の
前段に負帰還している。ただし、伝達関数9には図1に
おける力検出器11と力補償器12とを含めている。こ
のとき、電流出力型電力増幅器8の入力vc から負荷の
変位xまでの伝達関数は簡単な計算から数2式のように
求められる。
(Equation 1) Next, reference is made to the block diagram of force feedback in FIG. As shown in the figure, a force f is detected, and the detected force f is negatively fed back to a stage preceding the current output type power amplifier 8 via a transfer function 9 (G (s)) for force compensation. However, the transfer function 9 includes the force detector 11 and the force compensator 12 in FIG. In this case, the transfer function from input v c of the current output type power amplifier 8 to the displacement x of the load is determined from the simple calculation as equation (2).

【0025】[0025]

【数2】 ここで、G(s)を数3式のようにおいて、T=D/K
と選んだとき、数4式を得る。
(Equation 2) Here, when G (s) is expressed by Equation 3, T = D / K
Then, Equation 4 is obtained.

【0026】[0026]

【数3】 (Equation 3)

【0027】[0027]

【数4】 また、数1式において、G(s)を数5式と選択した場
合には、数6式の関係を得る。
(Equation 4) When G (s) is selected as Expression 5 in Expression 1, the relationship of Expression 6 is obtained.

【0028】[0028]

【数5】 (Equation 5)

【0029】[0029]

【数6】 数4式の場合は、力フィードバックによる電気的な粘性
項が微動位置決め機構自身の粘性項に付加されたことを
意味する。これは固有値をs平面左奥に設定するので位
置制御を構成したとき、ループゲインの増加が図れる。
一方、数6式の場合は、力フィードバックによって粘性
項およびバネ項の増加が図れる。これも、固有値をs平
面左奥に設定する。よって、位置制御を構成したとき、
ループゲインの増加が期待できる。
(Equation 6) In the case of Equation 4, it means that the electric viscous term by the force feedback is added to the viscous term of the fine movement positioning mechanism itself. Since the eigenvalue is set at the left back of the s plane, the loop gain can be increased when the position control is configured.
On the other hand, in the case of Equation 6, the viscous term and the spring term can be increased by the force feedback. Also in this case, the eigenvalue is set at the left back of the s plane. Therefore, when configuring the position control,
An increase in loop gain can be expected.

【0030】図4(a)は、1軸方向の微動位置決め機
構を電流出力型の電力増幅器で駆動したときの制御ブロ
ック図である。数4式の場合は、図4(b)のように表
され、数6式の場合は、図4(c)のように表される。
図4(a)は第1の制御対象13に対して電流出力型の
電力増幅器8が接続されたブロック図、図4(b)は力
フィードバックによって周波数整形された第2の制御対
象14に対して電流出力型の電力増幅器8が接続された
ブロック図、および図4(c)は力フィードバックによ
って周波数整形された第3の制御対象15に対して電流
出力型の電力増幅器8が接続されたブロック図をそれぞ
れ示している。図5および図6は、第2の制御対象14
と第3の制御対象15について、s平面の極(図中×
印)と零点(図中○印)の配置を示す図である。比較の
ために、力フィードバック無しのときの第1の制御対象
13の極と零点の配置もあわせて示しておく。第2の制
御対象14と第3の制御対象15も極はいずれも力フィ
ードバック無しのときに比してs平面左奥に配置されて
いる。したがって、図4(a)に比べ、図4(b)およ
び(c)では、位置の制御ループを構成した時のループ
ゲインを上げることができる。なお、図4から図6で使
用した記号の意味は以下の通りである。
FIG. 4A is a control block diagram when the fine movement positioning mechanism in the one axis direction is driven by a current output type power amplifier. Equation (4) is expressed as shown in FIG. 4 (b), and equation (6) is expressed as shown in FIG. 4 (c).
FIG. 4A is a block diagram in which a current output type power amplifier 8 is connected to a first control target 13, and FIG. 4B is a block diagram illustrating a second control target 14 whose frequency is shaped by force feedback. FIG. 4 (c) is a block diagram in which a current output type power amplifier 8 is connected to a third control target 15 whose frequency is shaped by force feedback. Each figure is shown. FIGS. 5 and 6 illustrate the second control object 14.
And the third control target 15, the pole on the s plane (× in the figure)
It is a figure which shows arrangement | positioning of the zero point (circle mark in a figure) and zero point. For comparison, the arrangement of the poles and zeros of the first controlled object 13 without force feedback is also shown. The poles of the second controlled object 14 and the third controlled object 15 are both located at the far left of the s plane as compared to the case where no force feedback is provided. Therefore, as compared with FIG. 4A, in FIGS. 4B and 4C, the loop gain when the position control loop is formed can be increased. The meanings of the symbols used in FIGS. 4 to 6 are as follows.

【0031】[0031]

【数7】 上述の解析を踏まえて、力フィードバックを施すことに
よって、位置制御系のループゲインに関する安定範囲が
どの程度拡大するかについては、簡単な計算より以下の
ように求められる。ただし、図1を参照してKs は変位
センサ3と変位増幅器4を含めた位置検出のゲインを、
また、Kloopは前置増幅器6とプログラマブルゲイン要
素7を含めたゲインを意味する。
(Equation 7) Based on the above analysis, the extent to which the stability range regarding the loop gain of the position control system is expanded by applying force feedback can be obtained as follows from a simple calculation. However, the gain of the reference to K s are included and the displacement sensor 3 the displacement amplifier 4 position detecting FIG 1,
K loop means a gain including the preamplifier 6 and the programmable gain element 7.

【0032】[0032]

【数8】 (Equation 8)

【0033】[0033]

【数9】 (Equation 9)

【0034】[0034]

【数10】 ここで、数8式、数9式、数10式は、ループゲ
インが正である限り常に閉ループ系が安定なことを意味
する。数8式の場合、力フィードバック無しの制御対
象、すなわち元々の微動位置決め機構が高い粘性項を持
っており、位置の閉ループを構成したときの安定性は十
分ということである。そのような微動位置決め機構に対
して、さらに力フィードバックによる効果を付与する必
然性はないのである。つまり、数8式、数9式、数
10式は現実の場合では安定判別式として有意なもの
ではない。図1を参照して、ピエゾ素子20と金属材料
で作られている変位拡大機構19とからなる駆動機構が
高粘性であることは一般的にはあり得ないからである。
実際には、数8式、数9式、数10式が現実の微
動位置決め機構に対する安定判別式となる。そこで、数
8式と数9式、および数8式と数10式とを比
較する。位置のフィードバックループに対して力フィー
ドバックをマイナーループとして含めた場合には、位置
に関するループゲインの安定範囲が拡大することが了解
できる。
(Equation 10) Here, Equations 8, 9 and 10 mean that the closed loop system is always stable as long as the loop gain is positive. In the case of Expression 8, the controlled object without force feedback, that is, the original fine movement positioning mechanism has a high viscosity term, and the stability when the closed loop of the position is configured is sufficient. There is no necessity to add an effect by force feedback to such a fine movement positioning mechanism. That is, Equations 8, 9 and 10 are not significant as stability discriminants in the actual case. Referring to FIG. 1, it is generally impossible for a driving mechanism including the piezo element 20 and the displacement magnifying mechanism 19 made of a metal material to have high viscosity.
Actually, Equations 8, 9 and 10 are the stability determination equations for the actual fine movement positioning mechanism. Therefore, Equations 8 and 9 and Equations 8 and 10 are compared. When the force feedback is included as a minor loop with respect to the position feedback loop, it can be understood that the stable range of the position related loop gain is expanded.

【0035】最後に、本発明に従った図1の力フィード
バック付き微動位置決め装置の有効性を数値実験によっ
て示しておこう。まず、図8は力補償の伝達関数9を数
3式のごとく1次遅れフィルタとした場合であり、その
有無によるステップ応答の比較を示す図である。同図に
おいて、破線は力フィードバックが無い場合において、
振動的応答となるように位置のループゲインを大に設定
した場合を示す。この位置のループゲインを維持したま
ま、数3式に示す1次遅れフィルタを適切なゲインを持
たせて力フィードバックした時の応答が、実線Aの波形
である。実線BとCは、実線Aのループゲインを1に規
格化したときそれぞれ2と2.5の場合の応答である。
ループゲインが大となることに応じてオーバシュートは
発生するものの位置決めの速応性は向上できている。
Finally, the effectiveness of the fine positioning device with force feedback of FIG. 1 according to the present invention will be shown by numerical experiments. First, FIG. 8 shows a case where the transfer function 9 for force compensation is a first-order lag filter as shown in Expression 3, and shows a comparison of step responses depending on the presence or absence of the filter. In the figure, the broken line indicates the case where there is no force feedback.
This shows a case where the loop gain at the position is set to be large so as to provide an oscillating response. The response when force feedback is performed with the first-order lag filter given by Expression 3 having an appropriate gain while maintaining the loop gain at this position is a waveform indicated by a solid line A. Solid lines B and C are responses when the loop gain of the solid line A is normalized to 1 and 2 and 2.5, respectively.
Although the overshoot occurs as the loop gain increases, the positioning responsiveness can be improved.

【0036】図9は、力補償の伝達関数9を数5式のご
とく積分器とした場合で、その有無によるステップ応答
の比較を示す図である。同図において、破線は力フィー
ドバックが無い場合であり、振動的応答となるように位
置のループゲインがセットされている。このループゲイ
ンを維持したまま、適切な積分ゲインを有する積分特性
の力補償の伝達関数9によって力フィードバックを構成
すると、応答波形は実線aのものとなる。実線bとc
は、実線aのループゲインを1に規格化した場合のルー
プゲインが2と2.5の場合の応答である。ループゲイ
ンの大きさに応じて振動的にはなるが、破線の応答に比
べて位置決め整定性は良好である。
FIG. 9 is a diagram showing a comparison of the step response depending on the presence or absence of the integrator as the transfer function 9 of the force compensation as shown in Equation 5. In the figure, the broken line indicates the case where there is no force feedback, and the position loop gain is set so as to provide an oscillating response. When the force feedback is constituted by the transfer function 9 of the force compensation of the integral characteristic having an appropriate integral gain while maintaining the loop gain, the response waveform becomes a solid line a. Solid lines b and c
Is a response when the loop gain of the solid line a is normalized to 1 and the loop gain is 2 and 2.5. Although it becomes oscillating according to the magnitude of the loop gain, the positioning stabilization is better than the response indicated by the broken line.

【0037】表1は、これらの数値実験に用いた微動位
置決め機構の物理パラメータを示す。また、ピエゾ素子
は電圧変位変換定数1.3×10-7[m/V]の積層型
である。
Table 1 shows physical parameters of the fine movement positioning mechanism used in these numerical experiments. The piezo element is a laminated type having a voltage displacement conversion constant of 1.3 × 10 −7 [m / V].

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】[0039]

【他の実施例】上述の実施例では、ピエゾ素子20の駆
動に際して電流出力型の電力増幅器8を用いている。こ
のタイプの電力増幅器8でピエゾ素子20を駆動する条
件のもとで力補償の電圧関数G(s)を数3式あるいは
数5式のように選択することにより微動位置決め機構に
位置のフィードバックをかけた時の速応性や整定性を改
善することができる。しかし、一般的に、ピエゾ素子2
0は電圧出力型電力増幅器8によって駆動される。そこ
で、電圧出力型電力増幅器8の使用を前提にした力フィ
ードバック付きの微動位置決め装置の構成を与える。図
10は、本発明の他の実施例に係る力フィードバック付
き微動位置決め装置の構成を示すブロック図である。同
図において、破線で囲まれた13は、図2に示す1軸方
向の微動位置決め機構を表現するブロック図と同一部分
を示す第1の制御対象、21は電圧出力型電力増幅器、
22はPI補償器、23はループゲイン調整器である。
ここで、Pは比例動作を、Iは積分動作をそれぞれ意味
する。
Other Embodiments In the above-described embodiment, the current output type power amplifier 8 is used for driving the piezo element 20. By selecting the voltage function G (s) of the force compensation as shown in Expression 3 or Expression 5 under the condition of driving the piezo element 20 with this type of power amplifier 8, position feedback is provided to the fine movement positioning mechanism. Immediate response and settling when applied can be improved. However, in general, the piezo element 2
0 is driven by the voltage output type power amplifier 8. Therefore, a configuration of a fine movement positioning device with force feedback based on the use of the voltage output type power amplifier 8 is provided. FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a fine movement positioning device with force feedback according to another embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 13 surrounded by a broken line denotes a first control object indicating the same part as the block diagram expressing the one-axis fine movement positioning mechanism shown in FIG. 2, reference numeral 21 denotes a voltage output type power amplifier,
22 is a PI compensator and 23 is a loop gain adjuster.
Here, P means a proportional operation, and I means an integral operation.

【0040】図10において、力補償の伝達関数9の出
力はPI補償器22の前段に負帰還されている。ここ
で、PI補償器22の分子時定数T1 を電圧出力型電力
増幅器21の時定数Td と同一になるように調整する。
すなわち、Td =T1 と選び、PI補償器22の零点で
電圧出力型電力増幅器21の極を相殺する。このとき、
v からxまでの伝達関数は数11式のようになる。
In FIG. 10, the output of the transfer function 9 for force compensation is negatively fed back to the preceding stage of the PI compensator 22. Here, the numerator time constant T 1 of the PI compensator 22 is adjusted to be the same as the time constant T d of the voltage output type power amplifier 21.
That is, T d = T 1 is selected, and the zero of the PI compensator 22 cancels the pole of the voltage output type power amplifier 21. At this time,
The transfer function from vv to x is as shown in Equation 11.

【0041】[0041]

【数11】 ここで、注意することは、数11式は数2式と同一構造
になっていることである。ゆえに、力補償の伝達関数9
を数3式あるいは数5式のように選ぶと、図10を参照
して、第1の制御対象13に比べてより安定性が向上し
た破線で囲む第2の制御対象14あるいは第3の制御対
象15となるのである。ここで、第2の制御対象14あ
るいは第3の制御対象15に対し、24で指し示す位置
検出のゲインKs の出力を指令電圧入力端子5に加える
電圧と比較して偏差信号eを取得し、さらに偏差信号e
をゲインKloopを有するループゲイン調整器23を通し
てvv となすような位置のフィードバック装置を構成す
る。すると、ループゲイン調整器23のゲインKloop
調整することによって従来に比して速応性を向上させる
ことができるのである。
[Equation 11] Here, it should be noted that Expression 11 has the same structure as Expression 2. Therefore, the force compensation transfer function 9
Is selected as Expression 3 or Expression 5, referring to FIG. 10, the second control object 14 or the third control object surrounded by a broken line having improved stability as compared with the first control object 13. It is the target 15. Here, with respect to the second control object 14 or the third control object 15 to obtain a deviation signal e as compared with a voltage adding output of the gain K s position detecting pointing at 24 to the command voltage input terminal 5, Further, the deviation signal e
Is made to v v through a loop gain adjuster 23 having a gain K loop . Then, by adjusting the gain K loop of the loop gain adjuster 23, the responsiveness can be improved as compared with the related art.

【0042】なお、説明を簡便に行なうために、図1と
図2の力フィードバック付き微動位置決め装置は、1軸
方向のみについて図示されている。もちろん、図7の3
自由度の微動位置決め機構のみならず、多自由度の微動
位置決め機構に対しても、本発明の主旨を逸脱しない範
囲内においてその適用は妨げられない。すなわち、図1
あるいは図2に示した力フィードバックを含めた位置に
関するフィードバック装置をアクチュエータの個数ごと
に備えれば良いのである。さらに、図1と図2の実施例
ではアナログ演算回路で制御系を実現しているが、この
内の一部、もしくは全部を電子計算機のようなデジタル
演算装置で置き換えても構わない。
For the sake of simplicity, the fine positioning device with force feedback shown in FIGS. 1 and 2 is shown only in one axial direction. Of course, 3 in FIG.
The application of the present invention to not only the fine movement positioning mechanism having a degree of freedom but also the fine movement positioning mechanism having a plurality of degrees of freedom is not hindered without departing from the gist of the present invention. That is, FIG.
Alternatively, a feedback device for the position including the force feedback shown in FIG. 2 may be provided for each number of actuators. Further, in the embodiments of FIGS. 1 and 2, the control system is realized by an analog arithmetic circuit, but a part or all of the control system may be replaced by a digital arithmetic device such as an electronic computer.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上、説明したように、本発明では、力
フィードバック手段を具備することにより、変位発生型
のアクチュエータであるピエゾ素子等を組み込んだ微動
位置決め機構を電流出力型の電力増幅手段で駆動する場
合において、力フィードバックを行うようにしたため、
2次の分母多項式の粘性項、もしくは、粘性項とバネ項
の両者を増やすことができる。
As described above, according to the present invention, by providing the force feedback means, the fine movement positioning mechanism incorporating the piezo element or the like, which is a displacement generating actuator, can be replaced by the current output type power amplifying means. When driving, force feedback is performed,
The viscosity term of the second-order denominator polynomial, or both the viscosity term and the spring term, can be increased.

【0044】従来、位置のループゲインを順次大となし
ていったときには位置決め時間の短縮がはかれるが、次
第に微動位置決め機構のダイナミクスを刺激するに至り
ループゲインの上限が抑えられてしまう、という問題が
あった。しかし、本発明によれば、力フィードバックに
よって微動位置決め機構のダイナミクスを安定側にシフ
トさせることができるので、位置のループゲインを従前
に比してさらに高く設定することができる。つまり、位
置決め時間を従来に比して早くすることができる、とい
う効果がある。
Conventionally, when the position loop gain is sequentially increased, the positioning time can be reduced, but the dynamics of the fine movement positioning mechanism are gradually stimulated and the upper limit of the loop gain is suppressed. there were. However, according to the present invention, the dynamics of the fine movement positioning mechanism can be shifted to the stable side by the force feedback, so that the position loop gain can be set higher than before. That is, there is an effect that the positioning time can be shortened as compared with the related art.

【0045】また、同様の効果は位置に対するマイナー
フィードバックを加速度センサを使って構成することに
よっても達成できるが、本発明では加速度センサよりも
安価な力センサを使って同様の効果が得られるのでコス
ト的にも有利である。
Although the same effect can be achieved by configuring the minor feedback to the position using an acceleration sensor, in the present invention, the same effect can be obtained by using a force sensor which is less expensive than the acceleration sensor, so that the cost can be reduced. This is also advantageous.

【0046】さらに、加速度センサの微動位置決め機構
を構成する基板の上への装着に比べて、力センサの微動
位置決め機構への組み込みは機械的な干渉を起こしにく
い部位に装着することができ、かつ電気調整も簡単であ
るという効果がある。
Further, as compared with mounting the acceleration sensor on the substrate constituting the fine movement positioning mechanism, the incorporation of the force sensor into the fine movement positioning mechanism can be mounted on a portion where mechanical interference is unlikely to occur, and There is an effect that electric adjustment is easy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一実施例に係る力フィードバック付
き微動位置決め装置の構成を示す図である。
FIG. 1 is a view showing a configuration of a fine movement positioning device with force feedback according to one embodiment of the present invention.

【図2】 一軸の微動位置決め機構を表現するブロック
図である。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a uniaxial fine movement positioning mechanism.

【図3】 力フィードバックのブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of force feedback.

【図4】 一軸微動位置決め機構を電流出力型の電力増
幅器で駆動したときの制御ブロック図である。
FIG. 4 is a control block diagram when the one-axis fine movement positioning mechanism is driven by a current output type power amplifier.

【図5】 第1の制御対象と第2の制御対象の極零点配
置を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing pole-zero point arrangements of a first controlled object and a second controlled object.

【図6】 第1の制御対象と第3の制御対象の極零点配
置を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing pole-zero point arrangements of a first controlled object and a third controlled object.

【図7】 従来例に係る3自由度の微動位置決め装置の
構成を示す図である。
FIG. 7 is a view showing a configuration of a fine movement positioning device having three degrees of freedom according to a conventional example.

【図8】 図1の装置において力補償の伝達関数を1次
遅れフィルタとした場合でその有無によるステップ応答
を比較した図である。
8 is a diagram comparing step responses depending on the presence or absence of a transfer function of force compensation in the apparatus of FIG. 1 when the transfer function is a first-order lag filter.

【図9】 図1の装置において力補償の伝達関数を積分
器とした場合でその有無によるステップ応答を比較した
図である。
9 is a diagram comparing step responses depending on the presence or absence of an integrator as a transfer function for force compensation in the apparatus of FIG. 1;

【図10】 本発明の他の実施例に係る力フィードバッ
ク付き微動位置決め装置の構成を示すブロック図であ
る。
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a fine movement positioning device with force feedback according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:基板、2M,2R,2L:圧電素子などのアクチュ
エータ、3,3M,3R,3L:位置センサ、4,4
M,4R,4L:変位増幅器、5,5M,5R,5L:
指令電圧入力端子、e,eM ,eR ,eL :偏差信号、
6,6M,6R,6L:前置増幅器、7,7M,7R,
7L:プログラマブルゲイン要素、8,8M,8R,8
L:電力増幅器、9:力補償の伝達関数、10:力セン
サ、11:力検出器、12:力補償器、13:第1の制
御対象、14:第2の制御対象、15:第3の制御対
象、16基部、17:ターゲット、18a,18b:切
欠き部、19:変位拡大機構、20:ピエゾ素子、2
1:電圧出力型電力増幅器、22:PI補償器、23:
ループゲイン調整器、24:位置検出のゲイン。
1: substrate, 2M, 2R, 2L: actuator such as piezoelectric element, 3, 3M, 3R, 3L: position sensor, 4, 4
M, 4R, 4L: displacement amplifier, 5, 5M, 5R, 5L:
Command voltage input terminal, e, e M , e R , e L : deviation signal,
6, 6M, 6R, 6L: preamplifier, 7, 7M, 7R,
7L: programmable gain element, 8, 8M, 8R, 8
L: power amplifier, 9: transfer function of force compensation, 10: force sensor, 11: force detector, 12: force compensator, 13: first control target, 14: second control target, 15: third control target , 16 base, 17: target, 18a, 18b: notch, 19: displacement enlargement mechanism, 20: piezo element, 2
1: voltage output type power amplifier, 22: PI compensator, 23:
Loop gain adjuster, 24: position detection gain.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−151272(JP,A) 特開 昭60−259347(JP,A) 特開 昭64−44510(JP,A) 特開 平5−154743(JP,A) 特開 平5−134759(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G05D 3/00 - 3/20 G05B 11/00 - 13/04 H01L 21/68 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-6-151272 (JP, A) JP-A-60-259347 (JP, A) JP-A-64-44510 (JP, A) 154743 (JP, A) JP-A-5-134759 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G05D 3/00-3/20 G05B 11/00-13/04 H01L 21/68

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 位置決めがなされる基板と、 前記基板を駆動するピエゾ素子と変位拡大機構とからな
るアクチュエータと、 前記アクチュエータ近傍において前記基板の変位を検出
する位置センサと、 前置増幅器、プログラマブルゲイン要素、および電流出
力型の電力増幅器を備え、前記位置センサの出力を外部
からの指令電圧と比較して偏差信号を取得し、この偏差
信号に基づき、前記前置増幅器および前記プログラマブ
ルゲイン要素を介して前記電流出力型の電力増幅器を励
し、その出力電流により前記アクチュエータを駆動す
るフィードバック装置と、 前記アクチュエータの中に組み込んだ力センサと、 前記力センサの出力を電気信号に変換する力検出器と、 前記力検出器の出力に対して補償をかける力補償器を備
え、これを介して前記力センサの出力を前記電流出力型
の電力増幅器の入力側に負帰還させる力フィードバック
手段とを具備し、 前記力フィードバック手段は、前記ピエゾ素子に印加さ
れている予圧に依存して発生する前記力検出器での直流
電圧を平衡点とするように、構成されてい ることを特徴
とする力フィードバック付き微動位置決め装置。
1. A substrate to be positioned, an actuator comprising a piezo element for driving the substrate and a displacement magnifying mechanism; a position sensor for detecting the displacement of the substrate near the actuator; a preamplifier; Element, and a power amplifier of current output type, comparing the output of the position sensor with an external command voltage to obtain a deviation signal, based on the deviation signal, via the preamplifier and the programmable gain element. To excite the current output type power amplifier.
Electromotive City, a feedback device for driving the actuator by the output current, the force sensor incorporated into the actuator, the force detector for converting the output of said force sensor into an electrical signal, the output of said force detector comprising a force compensator for applying a compensation for, through which comprises a force feedback means for negatively feeding back the output of the force sensor to an input side of said current output type power amplifier, wherein the force feedback means, said Applied to the piezo element
DC at the force detector that is generated depending on the preload
As the voltage and equilibrium point, fine positioning device with force feedback, characterized that you have been configured.
【請求項2】 位置決めがなされる基板と、 前記基板を駆動するピエゾ素子と変位拡大機構とからな
るアクチュエータと、 前記アクチュエータ近傍において前記基板の変位を検出
する位置センサと、 ループゲイン調整器、PI補償器、および電圧出力型の
電力増幅器を備え、前記位置センサの出力を外部からの
指令電圧と比較して偏差信号を取得し、この偏差信号に
基づき、前記ループゲイン調整器および前記PI補償器
を介して前記電圧出力型の電力増幅器を励し、その出
力電圧により前記アクチュエータを駆動するフィードバ
ック装置と、 前記アクチュエータの中に組み込んだ力センサと、 前記力センサの出力を電気信号に変換する力検出器と、 前記力検出器の出力に対して補償をかける力補償器を備
え、これを介して前記力センサの出力を前記PI補償器
の入力側に負帰還させる力フィードバック手段とを具備
し、 前記力フィードバック手段は、前記ピエゾ素子に印加さ
れている予圧に依存して発生する前記力検出器での直流
電圧を平衡点とするように、構成されてい ることを特徴
とする力フィードバック付き微動位置決め装置。
2. A substrate to be positioned, an actuator comprising a piezo element for driving the substrate and a displacement magnifying mechanism; a position sensor for detecting the displacement of the substrate near the actuator; a loop gain adjuster; A compensator, and a voltage output type power amplifier. The output of the position sensor is compared with an external command voltage to obtain a deviation signal. Based on the deviation signal, the loop gain adjuster and the PI compensator are obtained. excitation City said voltage output type power amplifier through, to convert a feedback device for driving the actuator by its output voltage, a force sensor incorporated into the actuator, the output of said force sensor into an electrical signal A force detector for compensating an output of the force detector, and the force sensor via the force compensator. Feedback means for negatively feeding back the output of the PI compensator to the input side of the PI compensator.
And the force feedback means is applied to the piezo element.
DC at the force detector that is generated depending on the preload
As the voltage and equilibrium point, fine positioning device with force feedback, characterized that you have been configured.
【請求項3】 前記力補償器は、積分器であることを特
徴とする請求項1または2記載の力フィードバック付き
微動位置決め装置。
3. The fine positioning device with force feedback according to claim 1, wherein the force compensator is an integrator.
【請求項4】 前記力補償器は、1次遅れフィルタであ
り、位置決め機構の粘性摩擦係数をD、バネ定数をKと
おいたとき、前記1次遅れフィルタの時定数はD/Kで
あることを特徴とする請求項1または2記載の力フィー
ドバック付き微動位置決め装置。
4. The time compensator is a first-order lag filter, and when the viscous friction coefficient of the positioning mechanism is D and the spring constant is K, the time constant of the first-order lag filter is D / K. The fine positioning device with force feedback according to claim 1 or 2, wherein:
【請求項5】 前記PI補償器の分子時定数をT1 、前
記電圧出力型の電力増幅手段の1次遅れ時定数をTd
おいたとき、T1 =Td であることを特徴とする請求項
2記載の力フィードバック付き微動位置決め装置。
5. When the numerator time constant of the PI compensator is T 1 and the first-order lag time constant of the voltage output type power amplifying means is T d , T 1 = T d. The fine positioning device with force feedback according to claim 2.
【請求項6】 位置決め対象物を変位させる変位発生型
のアクチュエータ、および前記対象物の位置を検出する
位置検出手段を備え、この検出位置をフィードバックし
て前記アクチュエータを駆動することにより前記対象物
を位置決めする位置決め装置において、前記アクチュエ
ータが前記対象物を変位させる際に発生する力を検出す
る力検出手段、および、この力を、前記対象物の変位に
際してのダンピングあるいはこれに加えスティフネスを
付与するための補償を施してフィードバックする力フィ
ードバック手段を具備し、 前記力フィードバック手段は、前記アクチュエータに印
加されている予圧に依存して発生する前記力検出手段で
の直流電圧を平衡点とするように、構成されてい ること
を特徴とする位置決め装置。
6. A displacement generating type actuator for displacing a positioning target object, and a position detecting means for detecting a position of the target object, wherein the detected position is fed back to drive the actuator to thereby detect the target object. In a positioning device for positioning, force detecting means for detecting a force generated when the actuator displaces the object, and damping or applying stiffness in addition to damping the force when the object is displaced. Force feedback means for performing compensation and feedback of the force , wherein the force feedback means is provided on the actuator.
The force detecting means generated depending on the preload being applied
As the DC voltage to an equilibrium point, the positioning device characterized that you have been configured.
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