(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ位置決め装置であって、
第１接続接点（４）及び第２接続接点（５）をそれぞれ有する少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（３）と、
前記少なくとも１つのピエゾアクチュエータ(３)を制御する制御装置（６）であり、
前記第１接続接点（４）に接続され且つ第１電圧レベルΔｕ１で第１電圧範囲ΔＵ１の変換出力電圧Ｕ１を供給する第１デジタル／アナログ変換器（１２）、及び
前記第２接続接点（５）に接続され且つ第２電圧レベルΔｕ２で第２電圧範囲ΔＵ２の変換出力電圧Ｕ２を供給する第２デジタル／アナログ変換器（１６）
を有し、ΔＵ１＞ΔＵ２≧Δｕ１＞Δｕ２である制御装置（６）と
を備えたピエゾ位置決め装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置決め装置において、前記第１電圧レベルΔｕ１は、最大電圧誤差Δｕｄを有し、ここで、ΔＵ２≧Δｕ１＋Δｕｄ、且つ／又はΔＵ２≦６４・Δｕ１であることを特徴とする位置決め装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の位置決め装置において、第１電圧増幅器（１４）が、前記第１デジタル／アナログ変換器（１２）の下流に配置され、第２電圧増幅器（１７）が、前記第２デジタル／アナログ変換器（１６）の下流に配置されることを特徴とする位置決め装置。
【請求項４】
請求項３に記載の位置決め装置において、オーム抵抗（１０）が、前記第２デジタル／アナログ変換器（１６）と前記第２接続接点（５）との間に接続されることを特徴とする位置決め装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の位置決め装置において、低域フィルタ（１３）が、前記第１デジタル／アナログ変換器（１２）と前記第１電圧増幅器（１４）との間に接続されることを特徴とする位置決め装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の位置決め装置において、前記少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（３）により調節される実際位置（ｘ）を測定する位置測定センサ（１９）をさらに備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項７】
請求項６に記載の位置決め装置において、前記制御装置（６）は、前記実際位置（ｘ）を調節する位置調節ユニット（２３）を有し、該位置調節ユニット（２３）は、目標値フィルタ（２９）を備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項８】
請求項７に記載の位置決め装置において、前記制御装置（６）は、前記位置調節ユニット（２３）と相互作用する位置パイロット制御ユニット（２４）を備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の位置決め装置において、前記制御装置（６）は、位置制御誤差（ｅｘ）の絶対値が所定の制御誤差限界値に達しない場合に制御信号（Ｓ）を発生するよう設計された検出ユニット（２７）を備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の位置決め装置において、
前記制御装置（６）は、前記第１デジタル／アナログ変換器（１２）のための第１入力値（ｄ１）及び前記第２デジタル／アナログ変換器（１６）のための第２入力値（ｄ２）を目標電圧値（ＵＳ）から計算する計算ユニット（２６）を有し、該計算ユニット（２６）は、前記目標電圧値（ＵＳ）及び前の時間ステップ（ｋ−１）の出力電圧値（ＵＡ）の差分絶対値（ΔＵ）が限界値（Ｌ）を超えた場合に、現在の時間ステップ（ｋ）で前記目標電圧値（Ｕｓ）から計算された前記第１デジタル／アナログ変換器（１２）の所要第１電圧値（Ｕ１Ｓ）が前記前の時間ステップ（ｋ−１）で計算された前記出力電圧値（ＵＡ）に置き換わるよう設計されることを特徴とする位置決め装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の位置決め装置において、
前記制御装置（６）は、前記第１デジタル／アナログ変換器（１２）のための第１入力値（ｄ１）及び前記第２デジタル／アナログ変換器（１６）のための第２入力値（ｄ２）を目標電圧値（ＵＳ）から計算する計算ユニット（２６）を有し、該計算ユニット（２６）は、前記目標電圧値（ＵＳ）及び前の時間ステップ（ｋ−１）の出力電圧値（ＵＡ）の差分絶対値（ΔＵ）が限界値（Ｌ）を超えた場合に、現在の時間ステップ（ｋ）で前記目標電圧値（Ｕｓ）から計算された前記第１デジタル／アナログ変換器（１２）の所要第１電圧値（Ｕ１Ｓ）が前記前の時間ステップ（ｋ−１）で計算された前記出力電圧値（ＵＡ）に置き換わるよう設計され、前記計算ユニット（２６）は、前記限界値（Ｌ）が前記制御信号（Ｓ）に基づいて変更されるよう設計されることを特徴とする位置決め装置。
【請求項１２】
請求項４に記載の位置決め装置において、前記オーム抵抗（１０）で降下した電圧（Ｕｍ）に対応する測定電圧（ｕｍ）を求める電圧測定センサ（２１）を備えることを特徴とする位置決め装置。
【請求項１３】
請求項４に記載の位置決め装置において、
前記少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（３）により調節される実際位置（ｘ）を測定する位置測定センサ（１９）と、
前記オーム抵抗（１０）で降下した電圧（Ｕｍ）に対応する測定電圧（ｕｍ）を求める電圧測定センサ（２１）と
をさらに備え、
前記制御装置（６）は、前記実際位置（ｘ）を調節する位置調節ユニット（２３）を有し、該位置調節ユニット（２３）は、目標値フィルタ（２９）を備え、
前記制御装置（６）は、前記少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（３）の実際充電状態（Ｑ）を調節する充電調節ユニット（２５）を有し、該充電調節ユニット（２５）は、前記実際充電状態（Ｑ）が前記測定電圧（ｕｍ）から求められて目標充電状態（ＱＳ）と比較されるよう設計され、前記目標充電状態（ＱＳ）は、前記位置調節ユニット（２３）により予め規定されることを特徴とする位置決め装置。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の少なくとも１つのピエゾ位置決め装置（１）を有する投影露光装置。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のピエゾ位置決め装置（１）を用意するステップと、
第１アナログ変換器出力電圧（Ｕ１）及び第２アナログ変換器出力電圧（Ｕ２）を少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（３）に印加することにより、前記ピエゾ位置決め装置（１）を作動させるステップと
を含む位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ位置決め装置及び当該ピエゾ位置決め装置による位置決め方法に関する。
【０００２】
本特許出願は、独国特許出願第１０  ２０１４  ２２４  ２２０．７号の優先権を主張し、上記出願の内容を参照により本明細書に援用する。
【背景技術】
【０００３】
ピエゾアクチュエータは、キネマティックシステムを非常に正確に位置決めすることが知られており、キネマティックシステムの非常に正確な位置決めに用いられる。ピエゾアクチュエータはデジタル／アナログ変換器を用いて制御され、その結果として、ピエゾアクチュエータの位置決め精度は、デジタル／アナログ変換器のアナログ出力電圧の量子化レベル又は電圧レベルに応じて変わる。ユーザが常に必要としているのは、ピエゾアクチュエータの位置決め精度の向上である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明は、少なくとも１つのピエゾアクチュエータを有するピエゾ位置決め装置であって、高い位置決め精度を単純且つ確実に可能にするピエゾ位置決め装置を提供するという目的に基づく。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的は、請求項１の特徴を有するピエゾ位置決め装置により達成される。少なくとも１つのピエゾアクチュエータを制御するために、制御装置が２つのデジタル／アナログ変換器を有する。以下で粗変換器とも称される第１デジタル／アナログ変換器は、第１電圧範囲ΔＵ１を有し、以下で密変換器とも称される第２デジタル／アナログ変換器は、より小さな第２電圧範囲ΔＵ２を有する。第２電圧範囲ΔＵ２は、粗変換器の少なくとも第１電圧レベルΔｕ１をカバーし、その結果として、少なくとも１つのピエゾアクチュエータの位置決め精度は密変換器の第２電圧レベルΔｕ２により決まる。密変換器の第２電圧レベルΔｕ２は、粗変換器の第１電圧レベルΔｕ１よりも大幅に低いので、ピエゾ位置決め装置の位置決め精度を単純且つ確実に高めることができる。少なくとも１つのピエゾアクチュエータをポテンシャルフリーで作動させることができる結果として、デジタル／アナログ変換器を各接続接点に容易に接続することができる。ピエゾアクチュエータは、ピエゾスタックの形態であることが好ましい。
【０００６】
請求項２に記載の位置決め装置は、単純な方法で高い位置決め精度を確保する。粗変換器は、第１電圧レベルΔｕ１で最大電圧誤差Δｕｄを有し、これは微分非直線性と称され、位置決め精度に悪影響を及ぼす。第２電圧範囲ΔＵ２が少なくとも第１電圧レベルΔｕ１と最大電圧誤差Δｕｄ、特に最大電圧誤差Δｕｄの２倍との和をカバーする結果として、密変換器は、生じる電圧誤差Δｕｄも少なくとも部分的に補償することができる。好ましくは、第２電圧範囲ΔＵ２は、６４個以下の第１電圧レベルΔｕ１、特に３２個以下の第１電圧レベルΔｕ１をカバーし、その結果として、第２電圧レベルΔｕ２は、高い位置精度を達成するためにできる限り低い。第２電圧範囲ΔＵ２は、微分非直線性から、特に粗変換器のノイズから求められる。ノイズは、概して粗変換器の分解能又は第１電圧レベルΔｕ１に対するものである。位置は、位置調節中に定常又は安定状態で非常に正確に保たれることが意図されるので、位置調節が妨害されないように粗変換器の切替え動作を安定状態でできる限り回避しなければならない。この目的で、密変換器の第２電圧範囲ΔＵ２は、各用途で必要な分解能とノイズとに関して許容可能であるような大きさに選択される。したがって、第２電圧範囲ΔＵ２は、粗変換器の再調整が定常状態で確実に回避される条件下ではできる限り小さく選択される。
【０００７】
請求項３に記載の位置決め装置は、高い位置決め精度を確保する。各電圧増幅器を、関連のデジタル／アナログ変換器に最適に適合させることができる。
【０００８】
請求項４に記載の位置決め装置は、高い位置決め精度を確保する。オーム抵抗が、密変換器又は関連の第２電圧増幅器と直列に接続され、粗変換器及び密変換器のノイズを減衰する。好ましくは、粗変換器のノイズは、低域フィルタにより減衰され、その結果として、オーム直列抵抗の寸法設定は、アナログ側の第１電圧増幅器のノイズと、密変換器のノイズと、充電調節のための直列抵抗を介した電流測定に望ましい分解能と、干渉の補償に関する調節の帯域幅要件から得られるピエゾアクチュエータに印加された電圧に必要な帯域幅とに合わせられる。密変換器のノイズと比べると、第２電圧増幅器のノイズは、概して無視することができ、したがって直列抵抗の寸法設定に重要ではない。少なくとも１つのピエゾアクチュエータを流れる電流を測定し且つそれを充電調節用のデジタル調節ユニットに利用可能にするために、直列抵抗をシャント又は測定抵抗として用いることもできる。
【０００９】
請求項５に記載の位置決め装置は、高い位置決め精度を確保する。低域フィルタは、粗変換器のノイズ及び動的応答を減衰するが、密変換器の動的応答は悪影響を受けない。結果として、位置決め装置は、高い動的応答性及び高い位置決め精度を有する。低域フィルタのカットオフ周波数は、ピエゾアクチュエータで最大の電圧変化を引き起こす所要最高移動速度から求められる。好ましくは、補償低域フィルタが、第１デジタル／アナログ変換器の第１電圧値及び第２デジタル／アナログ変換器の第２電圧値を計算する計算ユニットに設けられ、その結果として、第１変換器／増幅器回路の低域減衰された動的応答が第２変換器／増幅器回路により補償される。したがって、この補償低域フィルタのカットオフ周波数は、所要最高移動速度から得られる。
【００１０】
請求項６に記載の位置決め装置は、非常に正確な位置調節を可能にする。位置決め測定センサが、制御装置に少なくとも１つのピエゾアクチュエータ及び／又は調節すべきキネマティックシステムの実際位置を与える。
【００１１】
請求項７に記載の位置決め装置は、所望の高い位置決め精度を高い信頼度で確保する。位置調節ユニットが、測定された実際位置を所定の目標位置に調節することを可能にする。この目的で、位置調節ユニットは、特に定常状態制御誤差が生じないように設計される。特に、位置調節ユニットは、積分部を有する調節器を有する。調節器は、例えばＰＩＤ調節器の形態である。位置調節ユニットは、少なくとも１つのピエゾアクチュエータの加速度及び／又は速度に関する物理的限界を考慮して目標位置を予め規定する目標値フィルタを有することが好ましい。特に、目標値フィルタはパス生成器の機能を有する。
【００１２】
請求項８に記載の位置決め装置は、高い動的応答性と共に高い位置決め精度を確保する。位置パイロット制御ユニットが、実質的に遅延なくデジタル／アナログ変換器により各出力電圧に変換されるパイロット制御操作量を提供する。結果として、位置調節は高い動的応答性を有する。位置パイロット制御ユニットは位置調節ユニットと相互作用し、その結果として、パイロット制御操作量及び調節操作量が加算されて全操作量を形成する。
【００１３】
請求項９に記載の位置決め装置は、位置調節ユニットの高い定常状態精度を単純且つ確実に確保する。所定の制御誤差限界値の絶対値に達しない場合、検出ユニットが制御信号を発生する。したがって、制御信号を用いて、位置調節ユニット又は位置調節が定常又は安定状態にいつ変わったかを識別することができる。例えば、位置調節の定常状態での第１変換器出力電圧Ｕ１の望ましくない変化を回避するために、位置調節ユニット及び／又は粗変換器及び密変換器を制御するための計算ユニットのパラメータは、制御信号に基づいて変わり得る。位置制御誤差が最短期間で所定の制御誤差限界値に達しない場合、制御信号が発生することが好ましい。目標値リミッタ及び／又は目標値フィルタが用いられる場合、フィルタリングされた目標位置が所定の目標位置又は目標値リミッタにより制限された最大目標位置にさらに対応する際に制御信号が発生することが好ましい。
【００１４】
請求項１０に記載の位置決め装置は、高い位置決め精度を単純且つ確実に確保する。計算ユニットは、目標電圧値を用いて粗変換器の第１電圧値及び密変換器の第２電圧値を計算し、これらの値は、粗変換器及び密変換器によりアナログ変換器出力電圧として供給されなければならない。好ましくは、粗変換器の第１電圧値が最初に計算され、その結果として、目標電圧値を変換するための密変換器の所要第２電圧値は、第２電圧範囲ΔＵ２の実質的に中心にある。結果として、第２電圧値を用いて目標電圧値の変化を変換するために、密変換器は、目標電圧値が正及び負の方向に変わる場合に等しく大きな電圧範囲を利用可能である。これにより、実質的に目標電圧値の変化が第２電圧値又は密変換器を用いて変換できなくなるときにのみ、粗変換器の第１電圧値が変わることが確実になる。現在の時間ステップにおいて、計算ユニットは、所要第１電圧値を計算して前の時間ステップで計算された第１電圧値と比較することが好ましい。目標電圧値及び前の時間ステップに関する第１電圧値の差分絶対値が限界値を超える場合、前の第１電圧値が現在の第１電圧値に置き換えられる。限界値はゼロよりも大きいが、例えばΔＵ２／２以下である。
【００１５】
請求項１１に記載の位置決め装置は、位置調節の定常状態で高い位置決め精度を確保する。限界値が位置調節の定常状態で変化又は増加する結果として、位置調節中に固定位置で粗変換器の変換器出力電圧の変化が起こる可能性が極めて低くなることが実現される。これにより、位置調節の定常状態での粗変換器の出力電圧の望ましくない変化を回避することが可能となる。位置調節の動的状態では、限界値は例えばΔＵ２／４に設定され、その結果として、定常状態に達するか又は定常状態が検出される前に粗変換器の再調整が実施又は強制される。定常状態が検出された場合、限界値は例えばΔＵ２／２に設定され、その結果として、干渉を補償するための粗変換器の出力電圧の変化が起こる可能性が低くなる。
【００１６】
請求項１２に記載の位置決め装置は、高い位置決め精度を確保する。測定電圧がオーム抵抗又は直列抵抗において求められる結果として、この測定電圧を用いて、少なくとも１つのピエゾアクチュエータの電圧調節又は充電調節を設定することができる。電圧調節又は充電調節は、外部制御ループとして位置調節を重ね合わせた内部制御ループを提供する。
【００１７】
請求項１３に記載の位置決め装置は、高い位置決め精度を確保する。充電調節ユニットが、少なくとも１つのピエゾアクチュエータのヒステリシス効果の回避又は補償を可能にする。内部制御ループを提供する充電調節ユニットは、少なくとも１つのピエゾアクチュエータの実際充電状態を正確に設定し、目標充填状態は、特に、外部位置制御ループを形成する位置調節ユニットにより予め規定される。
【００１８】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のピエゾ位置決め装置は、投影露光装置に有利に用いることができる。これにより、特に、投影露光装置の少なくとも１つのコンポーネント、例えばレンズ素子、ミラー、及び／又は屈曲対象の板を高精度で位置決めすることが可能となる。
【００１９】
本発明は、高い位置決め精度を単純且つ確実に可能にする位置決め方法を提供するという目的にも基づく。
【００２０】
この目的は、請求項１５の特徴を有する位置決め方法により達成される。本発明による位置決め方法の利点は、すでに記載した本発明によるピエゾ位置決め装置の利点に対応する。位置決め方法は、特に請求項１〜１３の特徴で展開することもできる。位置決め方法は、請求項１４に記載の投影露光装置で用いられることが好ましい。
【００２１】
本発明のさらに他の特徴、利点、及び詳細は、例示的な実施形態の以下の説明から得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１デジタル／アナログ変換器及び第２デジタル／アナログ変換器を用いて制御されるピエゾアクチュエータを有するピエゾ位置決め装置の構造の概略図を示す。
【図２】デジタル／アナログ変換器の特性曲線の概略図を示す。
【図３】デジタル／アナログ変換器の電圧値を計算する計算ユニットを用いたピエゾアクチュエータの位置調節の信号フロー図を示す。
【図４】第１デジタル／アナログ変換器の第１電圧値及び第２デジタル／アナログ変換器の第２電圧値を計算する計算ユニットの信号フロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
ピエゾ位置決め装置１は、キネマティックシステム２を位置決めするためのピエゾアクチュエータ３を有する。電気的には、ピエゾアクチュエータ３は静電容量Ｃを有するコンデンサとして働き、実際充電状態に基づいて長手方向寸法を変える。長手方向寸法の変化をΔｘで示す。ピエゾアクチュエータ３は、既知の従来型であり、例えばピエゾスタックの形態である。
【００２４】
ピエゾアクチュエータ３は、接続接点４、５を介して制御装置６に接続される。制御装置６はデジタル信号プロセッサ７を有する。第１変換器／増幅器回路８が、デジタル信号プロセッサ７に信号接続されるが、第１絶縁素子１１によりデジタル信号プロセッサ７から直流絶縁される。第１変換器／増幅器回路８は、第１接続接点４に接続される。第２変換器／増幅器回路９が、オーム直列抵抗１０を介して第２接続接点５に接続される。直列抵抗１０は抵抗値Ｒを有する。第２変換器／増幅器回路９は、デジタル信号プロセッサ７に信号接続されるが、第２絶縁素子１１’によりデジタル信号プロセッサ７から直流絶縁される。
【００２５】
第１変換器／増幅器回路８は、低域フィルタ１３を介して第１電圧増幅器１４に接続された第１デジタル／アナログ変換器１２を有する。第１デジタル／アナログ変換器１２は、第１電圧範囲ΔＵ１を有し、第１電圧レベルΔｕ１で第１アナログ変換器出力電圧Ｕ１を供給する。第１変換器／増幅器回路８は、第１シフト電圧を供給する第１電圧源１５に接続される。第１シフト電圧は、基準電位（ＧＲＯＵＮＤ  ＧＮＤ）に対して第１変換器／増幅器回路８の基準電位）をシフトさせる。これには、デジタル信号プロセッサ７と第１変換器／増幅器回路８との間の絶縁素子１１’による直流絶縁が必要である。
【００２６】
第２変換器／増幅器回路９は、第２電圧増幅器１７に接続された第２デジタル／アナログ変換器１６を有する。第２デジタル／アナログ変換器１６は、第２電圧範囲ΔＵ２を有し、第２電圧レベルΔｕ２で第２アナログ変換器出力電圧Ｕ２を供給する。第２変換器／増幅器回路９は、第２シフト電圧を供給する第２電圧源１８に接続される。第２シフト電圧は、基準電位に対して第２変換器／増幅器回路９の基準電位をシフトさせる。これには、デジタル信号プロセッサ７と第２変換器／増幅器回路９との間の絶縁素子１１’による直流絶縁が必要である。第２シフト電圧が０Ｖである場合、第２絶縁素子１１’は不要である。しかしながら、故障の場合に、高電圧が流れている可能性のある第２変換器／増幅器回路９のコンポーネントからデジタル信号プロセッサ７がこのようにして電気的に分離されるので、絶縁素子１１’による直流絶縁は安全上の理由から有用であり得る。対応する状況が、第１シフト電圧及び第１絶縁素子１１に当てはまる。
【００２７】
好ましくは、第２変換器／増幅器回路９は、基準電位に対して対称に作動され、その結果として、第２絶縁素子１１’による直流絶縁を省くことが可能である。この目的で、第２シフト電圧は０Ｖに設定される。これが有利な理由は、一方では、オーム直列抵抗１０を介した電流測定が、差動入力又は対応する前置増幅器を有するデジタル／アナログ変換器を用いて通常は実行され、差動入力又は差動前置増幅器のコモンモード信号が基準電位に対して通常は＋／−５Ｖに制限されるからである。他方では、安全上の理由から、接続接点４、５の電位を基準電圧付近に残すことが有利である。接続接点４、５の一方が、例えば始動測定中にピエゾ位置決め装置１の基準電位又はフレームグラウンドと不用意に接触した場合、これはピエゾアクチュエータ３の減極も破壊も招かない。
【００２８】
ピエゾアクチュエータ３の動作範囲が例えば−２０Ｖ〜１２０Ｖであり、第１電圧範囲ΔＵ１が０Ｖ〜１３５Ｖであり、第２電圧範囲ΔＵ２が−２．５Ｖ〜２．５Ｖである場合、第１シフト電圧は−１７．５Ｖに設定され、第２シフト電圧は０Ｖに設定される。これにより、故障の場合に、接続接点４、５のいずれが基準電位又はフレームグラウンドに接するかに関係なく、−１７．５Ｖ〜１１７．５Ｖ以下がピエゾアクチュエータ３に印加される、すなわち故障の場合に印加される電圧はピエゾアクチュエータ３の動作範囲内にあることが確実になる。
【００２９】
第１デジタル／アナログ変換器１２はｎビットを有し、その結果として、第１デジタル入力は２ｎの入力値ｄ１を受け付けることができる。第１電圧レベルΔｕ１は、第１電圧範囲ΔＵ１及び２ｎのデジタル入力値ｄ１により決まる。第２デジタル／アナログ変換器１６は、それに応じてｍビットを有し、その結果として、第２デジタル入力は２ｍの入力値ｄ２を受け付けることができる。第２電圧レベルΔｕ２は、第２電圧範囲ΔＵ２及び２ｍのデジタル入力値ｄ２により決まる。第１デジタル／アナログ変換器１２を用いて、広い電圧範囲ΔＵ１及び高い電圧レベルΔｕ１で変換器出力電圧Ｕ１が供給される一方で、第２デジタル／アナログ変換器１６を用いて、より狭い電圧範囲ΔＵ２及びより低い電圧レベルΔｕ２で第２変換器出力電圧Ｕ２が供給される。したがって、第１デジタル／アナログ変換器１２を以下では粗変換器１２とも称し、第２デジタル／アナログ変換器１６を以下では密変換器とも称する。したがって以下が当てはまる。
ΔＵ１＞ΔＵ２及びΔｕ１＞Δｕ２
さらに、第２電圧範囲ΔＵ２は、少なくとも１つの第１電圧レベルΔｕ１をカバーし、その結果として以下が当てはまる。
ΔＵ２≧Δｕ１
これらの関係は、図２に示されている。
【００３０】
第１電圧レベルΔｕ１は、実際には電圧誤差を有する。最大電圧誤差Δｕｄを、図２に例として示す。最悪の場合には、最大電圧誤差Δｕｄは、ある電圧レベルΔｕ１では負の方向に生じ得ると共に次の電圧レベルΔｕ１では正の方向に生じ得る。これを、図２に例として電圧レベルΔｕ１及び２・Δｕ１に関して示す。生じる電圧誤差は、デジタル／アナログ変換器における微分非直線性としても知られる。したがって、以下が第２電圧範囲ΔＵ２に当てはまることが好ましい。
ΔＵ２≧Δｕ１＋Δｕｄ、特にΔＵ２≧Δｕ１＋２・Δｕｄ
【００３１】
ピエゾアクチュエータ３の位置決め精度は、第２電圧レベルΔｕ２、すなわち密変換器１６の分解能に応じて変わる。したがって、第２電圧レベルΔｕ２が低いほど位置決め精度が高くなる。以下が第２電圧範囲ΔＵ２に当てはまることが好ましい。
ΔＵ２≦６４・Δｕ１、特にΔＵ２≦３２・Δｕ１
これにより、所与のビット数ｍに関してできる限り低い第２電圧レベルΔｕ２が確実になる。
【００３２】
調節すべき実際位置ｘを測定するために、位置決め装置１は位置測定センサ１９を有する。位置測定センサ１９は、例えば、位置決めすべきキネマティックシステム２のコンポーネントの実際位置ｘを測定する。位置決め測定センサ１９は、例えば、ピエゾアクチュエータ３の実際位置ｘ又は調整移動も測定することができる。位置測定センサ１９は、制御装置６に信号接続され、第１アナログ／デジタル変換器２０を介して実際位置ｘのデジタル測定値ｘｍをデジタル信号プロセッサ７に供給する。
【００３３】
ピエゾアクチュエータ３に流れた電流を求めるために、直列抵抗１０はシャント又は測定抵抗として用いられる。この目的で、位置決め装置１は、直列抵抗１０で降下した電圧Ｕｍを測定する電圧測定センサ２１を有する。電圧測定センサ２１は、制御装置６に信号接続され、第２アナログ／デジタル変換器２２を介して電圧Ｕｍのデジタル測定値ｕｍをデジタル信号プロセッサ７に供給する。
【００３４】
制御装置６を用いて、ピエゾアクチュエータ３の実際位置ｘ及び実際充電状態Ｑが調節される。充電調節が内部制御ループを形成する一方で、位置調節は、内部制御ループに重ね合わせた外部制御ループを形成する。位置及び充電を調節するために、デジタル信号プロセッサ７は、位置調節ユニット２３、位置パイロット制御ユニット２４、充電調節ユニット２５、計算ユニット２６、及び検出ユニット２７を形成する。
【００３５】
位置調節ユニット２３において、目標位置ＸＳが最初に目標値リミッタ２８に供給され、制限された目標位置ＸＳ’が目標値フィルタ２９に供給される。目標値フィルタ２９は、パス生成器の機能を有し、特にピエゾアクチュエータ３の物理的限界を考慮する。目標値フィルタ２９は、計算された第２目標位置ｘＳを出力側で提供する。第１加算器３１を用いて、測定されデジタル化された実際位置ｘｍが目標位置ｘＳから減算され、位置制御誤差ｅＸが計算される。キネマティックシステム２及び／又は位置決め装置１のむだ時間を、加算器３１の上流のむだ時間要素３０を用いて考慮することができる。位置制御誤差ｅＸは、前置フィルタ３２と下流の位置調節器３３とに供給される。位置調節器３３は、出力側で調節操作量を提供する。位置調節ユニット２３は、位置パイロット制御ユニット２４と相互作用する。この目的で、目標位置ｘＳがパイロット制御操作量として、第２加算器３４により調節操作量ｕＲに加算され、全操作量ｕＰを形成する。
【００３６】
操作量ＵＰは、充電調節ユニット２５の目標充電状態ＱＳを提供する。充電調節ユニット２５は、デジタル化された測定電圧ｕｍも供給され、これが抵抗値Ｒを有する変換要素３５で電流ｉｍに変換され、これが前置フィルタ３６でフィルタリングされてから積分器３７により積分される。積分器３７は、出力側でピエゾアクチュエータ３の実際充電状態Ｑを提供する。実際充電状態Ｑは、第３加算器３８により目標充電状態ＱＳから減算され、その結果として、第３加算器３８は、出力側で充電制御誤差ｅＱを出力する。充電制御誤差ｅＱは、第２変換要素３９で目標電圧値ＵＳに変換され、これがアナログ変換器出力電圧Ｕ１及びＵ２の和としてデジタル／アナログ変換器１２、１６により出力されることが意図される。
【００３７】
目標電圧値ＵＳは、計算ユニット２６に供給され、計算ユニット２６は、デジタル／アナログ変換器１２及び１６のためのデジタル入力値ｄ１及びｄ２を計算する。計算ユニット２６は、検出ユニット２７が発生した制御信号Ｓも供給される。この目的で、検出ユニット２７は、目標位置ＸＳ、ＸＳ’、及びｘＳと、位置制御誤差ｅＸとを供給される。検出ユニット２７は、ＸＳ＝ｘＳ又はＸＳ’＝ｘＳであり且つ位置制御誤差ｅＸの絶対値が最短期間で所定の制御誤差限界値に達しない場合に、制御信号Ｓを発生するよう設計される。この場合、検出ユニット２７は、位置調節の安定又は定常状態を検出する。例えば定常状態が検出された場合、Ｓ＝１が制御信号Ｓに当てはまり、そうでない場合はＳ＝０である。
【００３８】
計算ユニット２６を図４に詳細に示す。時間ステップを説明するために、現在の時間ステップを［ｋ］として示し、前の時間ステップを［ｋ−１］として示す。粗変換器１２の所要第１電圧値Ｕ１Ｓ［ｋ］が、変換要素３９により目標電圧値ＵＳ［ｋ］から計算される。第１電圧値Ｕ１Ｓ［ｋ］は、粗変換器１２のパラメータ、例えば第１電圧範囲ΔＵ１及び第１電圧レベルΔｕ１及び／又は分解能を考慮する。この第１電圧値Ｕ１Ｓ［ｋ］は、第１選択要素４０に供給される。選択要素４０は、選択要素４０の出力電圧値ＵＡ［ｋ−１］も供給され、この出力電圧値は記憶要素４１に記憶されている。
【００３９】
選択要素４０は、スイッチング信号ＳＡ［ｋ］に基づいてＵ１Ｓ［ｋ］及びＵＡ［ｋ−１］から選択する。ＳＡ［ｋ］＝１の場合、選択要素４０は、現在の出力電圧値ＵＡ［ｋ］として第１電圧値Ｕ１Ｓ［ｋ］を選択し、そうでない場合、すなわちＳＡ［ｋ］＝０の場合は前の出力電圧値ＵＡ［ｋ−１］を選択する。出力電圧値ＵＡ［ｋ］は、粗変換器１２により出力されるアナログ第１変換器出力電圧Ｕ１を指定し、その場合、粗変換器１２のための対応するデジタル入力値ｄ１が計算要素４２で計算される。
【００４０】
出力電圧値ＵＡ［ｋ］は、補償低域フィルタ５０にも供給される。補償低域フィルタ５０は、低域フィルタ１３により低域減衰された第１変換器／増幅器回路８の動的応答が第２変換器／増幅器回路９により補償されることを確実にする。これは、ピエゾアクチュエータ３における電圧に関する小信号挙動中の干渉を補償するのに全動的応答を利用可能であることを意味する。低域フィルタ１３のカットオフ周波数は、したがって補償低域フィルタ５０のカットオフ周波数も、ピエゾアクチュエータ３の所要最高移動速度から求められる。
【００４１】
第４加算器４３を用いて、粗変換器１２に関する低域フィルタリングされた出力電圧値ＵＡ［ｋ］が目標電圧値ＵＳ［ｋ］から減算され、その結果として、加算器４３は第２電圧値Ｕ２Ｓ［ｋ］を出力し、これは第２アナログ変換器出力電圧Ｕ２として密変換器１６により出力されることが意図される。この第２電圧値Ｕ２Ｓ［ｋ］は、計算要素４４で密変換器１６のためのデジタル入力値ｄ２に変換される。
【００４２】
スイッチング信号ＳＡ［ｋ］を計算するために、記憶要素４６に記憶された前の時間ステップからの出力電圧値ＵＡ［ｋ−１］が第５加算器４５により目標電圧値ＵＳ［ｋ］から減算される。加算器４５は電圧差を出力し、これに関して差分絶対値ΔＵ［ｋ］が絶対値形成ユニット４７により形成される。差分絶対値ΔＵ［ｋ］は比較器４８に供給され、比較器４８がこれを限界値Ｌ［ｋ］と比較する。差分絶対値ΔＵ［ｋ］が限界値Ｌ［ｋ］を超える場合、スイッチング信号ＳＡ［ｋ］＝１が出力され、選択要素４０で第１電圧値Ｕ１Ｓ［ｋ］が選択される。そうでない場合、スイッチング信号ＳＡ［ｋ］＝０が出力され、選択要素４０で前の出力電圧値ＵＡ［ｋ−１］が選択される。
【００４３】
第２選択要素４９が、検出ユニット２７により供給された制御信号Ｓ［ｋ］に基づいて第１限界値ＬＵ及び第２限界値ＬＳから選択し、選択に基づいて現在の限界値Ｌ［ｋ］を提供する。第１限界値ＬＵが選択されるのは、制御信号Ｓ［ｋ］が位置調節の不安定又は動的状態を示す場合だが、第２限界値ＬＳが選択されるのは、制御信号Ｓ［ｋ］が位置調節の安定又は定常状態を示す場合である。以下が成り立つ。
ＬＵ＜ＬＳ
これにより、位置調節の安定状態で第１変換器出力電圧Ｕ１の変化が起こる可能性が低くなることが確実になる。
【００４４】
ピエゾ位置決め装置１は、例えば投影露光装置の一部であり、投影露光装置の少なくとも１つのコンポーネント、例えばミラー、レンズ素子、及び／又は屈曲対象の板を、ピエゾ位置決め装置１により高精度で位置決めすることができる。
【００４５】
位置決め装置１の作動方法は、以下の通りである。
【００４６】
目標位置ＸＳを設定するために、適当な軌道及び関連する目標位置ｘＳが目標値リミッタ２８及び目標値フィルタ２９により計算される。位置制御誤差ｅｘが、目標位置ｘＳ及び位置測定センサ１９により求められたデジタル化された実際位置ｘｍから求められ、前置フィルタ３２を介して位置調節器３３に供給され、位置調節器３３が調節操作量ｕＲを出力する。位置調節器３３は、例えばＰＩＤ調節器の形態である。目標位置ｘＳは、位置パイロット制御ユニット２４を介してさらに加算され、得られたピエゾアクチュエータ３の目標充電状態ＱＳが充電調節ユニット２５に供給される。
【００４７】
充電調節ユニット２５は、充電制御誤差ｅＱを計算し、出力側で所要目標電圧値ＵＳを出力し、これはデジタル／アナログ変換器１２及び１６によりアナログ変換器出力電圧Ｕ１及びＵ２に変換されなければならない。充電制御誤差ｅＱを計算するために、デジタル化された測定電圧ｕｍが電流ｉｍに変換されて積分され、実際充電状態Ｑを形成する。
【００４８】
すでに説明したように、計算ユニット２６を用いて、目標電圧値ＵＳからデジタル／アナログ変換器１２、１６のためのデジタル入力値ｄ１及びｄ２が計算される。この場合、位置調節は最初は動的状態にあり、その結果として、検出ユニット２７が対応する制御信号Ｓを計算ユニット２６に伝送し、計算ユニット２６は比較器４８のために第１限界値ＬＵを用いる。
【００４９】
デジタル／アナログ変換器１２、１６は、入力値ｄ１及びｄ２並びにそれらの特性曲線に対応するように目標アナログ変換器出力電圧Ｕ１及びＵ２を供給する。変換器出力電圧Ｕ１は、低域フィルタ１３によりフィルタリングされてから、電圧増幅器１４により所望通りに増幅された形態でピエゾアクチュエータ３に印加される。粗変換器１２のノイズ信号が、低域フィルタ１３及び直列抵抗１０により減衰される。比較すると、変換器出力電圧Ｕ２は、低域フィルタを通さずに第２電圧増幅器１７により増幅され、ピエゾアクチュエータ３に印加されるが、これは、第２電圧レベルΔｕ２が第１電圧レベルΔｕ１よりも大幅に低いからである。したがって、ピエゾアクチュエータ３の位置決め精度は第２電圧レベルΔｕ２により決まる。
【００５０】
設定されている変換器出力電圧Ｕ１及びＵ２の結果として、ピエゾアクチュエータ３は、その長手方向の大きさをΔｘだけ変え、したがって目標実際位置ｘを設定する。位置調節の実質的に定常な状態が達成されている場合、検出ユニット２７は、これを検出して計算ユニット２６に対応する制御信号Ｓを供給する。それに応じて、計算ユニット２６は比較器のためにより大きな第２限界値ＬＳを用い、その結果として、粗変換器１２は、目標電圧値ＵＳの変化が密変換器１６を用いて設定できない場合にのみその設定変換器出力電圧Ｕ１を再度変える。
【００５１】
第１限界値ＬＵは例えばΔＵ２／４であり、その結果として、位置調節の動的状態で粗変換器１２に対する変更が強制される。これに対して、第２限界値ＬＳは例えばΔＵ２／２であり、その結果として、密変換器１６の第２電圧範囲ΔＵ２が最適に利用される。
【００５２】
したがって、本発明による位置決め装置と、粗変換器及び密変換器を有する本発明による２段デジタル／アナログ変換器概念とは、電圧又は充電制御を用いたピエゾアクチュエータの、特にピエゾスタックの非常に正確な位置調節を可能にする。全調整範囲又は移動範囲が、単一のピエゾスタックの長手方向の大きさにより可能となることが好ましい。ピエゾスタックが電圧又は充電変化に即座に且つ直接反応する結果として、非常に動的な位置調節も可能となる。少なくとも１つのピエゾアクチュエータ又は少なくとも１つのピエゾスタックは、導電性でないセラミックからなることが好ましい。結果として、ピエゾアクチュエータを特にポテンシャルフリーで作動させることができる。直列抵抗での測定の結果として、システム故障、例えばケーブル破断及び／又は短絡を診断することも可能である。粗変換器及び密変換器への細分の結果として、密変換器を用いて小さな位置制御誤差を常に補償でき、且つ比較的大きな位置変化の場合にのみ粗変換器の変換器出力電圧が変わるので、微分非直線性を意図的に回避することが可能である。粗変換器及び密変換器の制御概念では、基本的には、変更目標電圧値が可能であれば密変換器を用いて設定されることが意図され、その結果として粗変換器の変更が不要である。これが不可能な場合、密変換器がその中心位置にできる限り近いか又はその電圧範囲の中心にあるように粗変換器及び密変換器の両方が変更及び設定される。これは、計算ユニットにより確実になる。粗変換器の目標値変更数は、計算ユニットにより最小化され、その結果として、粗変換器の微分非直線性が位置制御ループにおいて単発の干渉変数として散発的にしか働かず、位置制御ループにより問題なく補償することができる。計算ユニットを検出ユニットに連結することで、位置調節の定常状態で、すなわち設定された実際位置が正確に維持されることが意図される場合、粗変換器の変化が起こらないことが確実になる。粗変換器及び密変換器間の目標値分布と位置制御のパス生成器との組み合わせにより、正及び負の方向にできる限り同一の電圧範囲が密変換器で利用可能であるように粗変換器が調整又は再調整される。結果として、実際位置を非常に正確に維持するのに必要な電圧変化を密変換器のみにより加えることができる。
【００５３】
供給電圧の選択は、本発明による位置決め装置をピエゾアクチュエータの電圧範囲に容易に適合させると共にピエゾアクチュエータを過電圧から確実に保護することを可能にする。デジタル充電調節は、ピエゾアクチュエータのヒステリシス効果を実質的に回避することを可能にする。低圧セラミック製のピエゾスタックが用いられる場合、位置決め装置の省電力高集積構造が可能である。コンポーネント数が比較的少ない結果として、ノイズ、熱ドリフト、又はコンポーネントばらつきに起因する悪影響が小さい。
【００５４】
全体的に、本発明による位置決め装置は、非常に正確で非常に動的な位置調節を単純且つ確実に可能にする。本発明による位置決め装置は、原理上、任意の所望のキネマティックシステム又はそれらのコンポーネントの位置決めに適している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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