(57)【要約】【課題】精密位置決めステージのコントローラにおける制御パラメータ等の調整部分を使用者が容易に触れられる構造とする、具体的には制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」の調整ボリュームを付加して使用者側で付加の変更に伴ってパラメータの変更を容易に行える精密位置決め装置及びその制御パラメータの調整方法を提供する。【解決手段】  圧電アクチュエータを備えた位置決めステージ(3)と静電容量型位置検出センサ(4)とから構成される精密位置決め装置において、位置決めステージの制御パラメータの、Ｐ成分，Ｉ成分、及びＤ成分を個別に調整可能とする精密位置決めステージ装置。【選択図】  図１
2005253212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電アクチュエータを備えた位置決めステージと静電容量型位置検出センサとから構成される精密位置決め装置において、
位置決めステージの制御パラメータの、Ｐ成分，Ｉ成分、及びＤ成分を個別に調整可能としたことを特徴とする精密位置決めステージ装置。
【請求項２】
前記位置決めステージの制御パラメータのＰ成分，Ｉ成分、及びＤ成分の個別調整は、精密位置決め装置のパネル部分に利用者が調整可能な調整つまみで実行されることを特徴とする請求項１に記載の精密位置決めステージ装置。
【請求項３】
前記制御パラメータの調整は、位置決めステージに搭載される負荷の変更に伴って実行することを特徴とする請求項１または２に記載の精密位置決めステージ装置の制御パラメータの調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータを用いた精密位置決め装置及びその制御パラメータの調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノメータ単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野及び光学分野の検査装置の微少位置決め用に圧電アクチュエータを備えた位置決めステージと静電容量型位置検出センサとから構成される位置決め装置が頻繁に使用されるようになってきた。
しかし、従来の位置決め装置では、構成部品である静電容量型位置検出センサを収納したセンサプローブを製作するに際しての加工ばらつきがあるため、各センサプローブに対して個別の精度調整を施したセンサアンプが必要となり、センサプローブが破損した場合、高精度に調整したセンサアンプも一緒に交換する必要があるという問題点があった。
【０００３】
上記問題点を解決するものとして、以下の、
「圧電アクチュエータを備えた位置決めステージと静電容量型位置検出センサとから構成される位置決め装置において、センサアンプ内あるいは位置決めステージコントローラ内に位置検出信号のゲイン及びオフセット調整部を設ける位置決め装置」が知られている。（特許文献１参照）
【０００４】
上記刊行物に記載の位置決め装置は以下のとおりである。
上記圧電アクチュエータを備えた位置決めステージの模式構成図を図５に示す。
図５において、１は圧電アクチュエータであり、位置決めステージの基体２の中央に設けられたステージ３は、ステージ３の４隅に設けられた支持部により支持され、かつ微動可能な状態となるように溝加工されている。
また、４は静電容量型位置検出センサプローブで、これをセンサホルダ５を介して基体３に設けた取り付け穴に高精度に組み込んである。
【０００５】
上記構成で、基体２に組み込まれたステージ３は、圧電アクチュエータ１に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ１の微少変位がステージに伝わり、それに応じてステージが移動する。
ここで、基体２には静電容量型位置検出センサプローブ４が収納されているため、かかるセンサの静電容量の検出結果をセンサアンプにより位置変化量に変換してフィードバックしながらステージを動かすことができ、ステージの移動量を精密に制御することができるものである。
【０００６】
ところが、前記静電容量型位置検出センサプローブを製作するに際しては機械加工による加工ばらつきがあるため、各センサプローブに対して個別の精度調整を施したセンサアンプを位置決め装置に組み込んでおり、このため使用中にセンサプローブが破損した場合は、他のセンサプローブと交換しても正確な位置決め精度が得られず、精度がズレるという問題点があった。
その問題点を解決するために、この精度ズレが、直線性誤差には影響せず、位置検出信号のゲインとオフセットのみがズレることに着目して、圧電アクチュエータを備えた位置決めステージと静電容量型位置検出センサとから構成される位置決め装置において、センサアンプ内あるいは位置決めステージコントローラ内に位置検出信号のゲイン及びオフセット調整部を設けて位置決め装置を構成している。
【０００７】
位置決めステージのブロック構成図を図６に示す。
図６の位置決めステージ３には、ステージを微動させるための圧電アクチュエータ１と動作を検出するための静電容量型センサプローブ４が組みつけてある。
位置決めコントローラには図示しないＣＰＵが搭載されており、ハードウエア的に外部ホスト１１からの指令を受ける通信部１０ｂとＰＩＤ制御のための入出力と演算する演算部１０ａがあり、ＣＰＵに書き込まれたソフトウエアで動作する。
【０００８】
ここで、センサアンプは位置決めステージに組みつけられた静電容量型センサプローブで位置の変化を静電容量の変化として検出した信号を規格化された電圧信号に変換する専用のアンプである。
上記構成により、ホストにより与えられた位置指令に対して、位置決めステージの現在位置を静電容量型センサで検出し、位置指令と現在位置よりＰＩＤ演算で操作量を決定しピエゾアンプを通して位置決めステージを駆動するようになっている。
【０００９】
各センサプローブとの互換性を保つために位置検出信号のゲイン及びオフセット調整部を位置決めコントローラ内のセンサ入力初段部に容易に交換できるようにソケット等により設置することとする。（なお、センサアンプ内に位置検出信号のゲイン及びオフセット調整部を設けても同様な効果が得られる。）
【特許文献１】特開２００２−３１１１７６号公報（図１，２及び（０００４）〜（００１２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の如き精密位置決めステージの圧電アクチュエータ（ピエゾ素子）の駆動用電源波形は、制御パラメータによって変動する。
その例を図７を用いて説明する。
図７（ａ）は制御パラメータが最適に設定された場合であって、ほぼ理想的な台形波の立ち上がりになる。
図７（ｂ）は制御パラメータがオーバシュートぎみに設定された場合であって、立ち上がり時に大きくオーバシュートして徐々に収斂する波形になる。
図７（ｃ）は制御パラメータが発振する値に設定された場合であって、立ち上がり時に大きくオーバシュートして、その後も発振が継続する波形になる。
【００１１】
上記従来の精密位置決めステージのコントローラでは、上記の波形を調整するための制御パラメータ等の調整は、納品時に固定されるか、ホストコンピュータからの通信コマンドによる調整に限られ、使用者サイドで変更することは容易ではなかった。
【００１２】
本発明の課題（目的）は、精密位置決めステージのコントローラにおける制御パラメータ等の調整部分を使用者が容易に触れられる構造とする、具体的には制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」の調整ボリュームを付加して使用者側で付加の変更に伴ってパラメータの変更を容易に行える精密位置決め装置及びその制御パラメータの調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するために、圧電アクチュエータを備えた位置決めステージと静電容量型位置検出センサとから構成される精密位置決め装置において、位置決めステージの制御パラメータの、Ｐ成分，Ｉ成分、及びＤ成分を個別に調整可能としたことを特徴とする。（請求項１）
【００１４】
また、前記位置決めステージの制御パラメータのＰ成分，Ｉ成分、及びＤ成分の個別調整は、精密位置決め装置のパネル部分に利用者が調整可能な調整つまみで実行されることを特徴とする。（請求項２）
【００１５】
また、前記制御パラメータの調整は、位置決めステージに搭載される負荷の変更に伴って実行する。（請求項３）
【発明の効果】
【００１６】
請求項１〜３に記載の精密位置決め装置及びその制御パラメータ調整方法によれば、精密位置決め装置における制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」の調整ボリュームによって個別に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の圧電アクチュエータを備えた微動位置決めステージの構成は図５の従来のものと同様である。
次に、本発明の位置決めステージのブロック構成図を図１に示す。
図１の位置決めステージ３には、図６の従来のものと同様に、ステージを微動させるための圧電アクチュエータ１と動作を検出するための静電容量型センサプローブ４が組みつけてある。
位置決めコントローラ１０には、図示しないＣＰＵが搭載されておりハードウエア的に外部ホスト１１からの指令を受ける通信部１０ｂとＰＩＤ制御のための入出力と演算するＰＩＤ演算部１０ａがあり、ＣＰＵに書き込まれたソフトウエアで動作する。
【００１８】
ここでセンサアンプは、位置決めステージに組みつけられた静電容量型センサプローブで位置の変化を静電容量の変化として検出した信号を規格化された電圧信号に変換する専用のアンプである。
上記構成により、ホストにより与えられた位置指令に対して、位置決めステージの現在位置を静電容量型センサで検出し、位置指令と現在位置よりＰＩＤ演算で操作量を決定しピエゾアンプを通して位置決めステージを駆動するようになっている。
【００１９】
本発明の特徴は、位置決めステージ上に設置される負荷の変更に対応させるために、制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」を変更するための調整ボリュームをＰＩＤ調整部１０ｃをパネル部分に付加して、使用者側で付加の変更に伴ってパラメータの変更を容易に行える微動位置決めステージを提供することにある。
なお、位置検出信号のゲイン及びオフセット調整部を位置決めコントローラ内は図６の従来のものと同様にＰＩＤ調整部１０ｃ内に設けられている。
【００２０】
図２を用いて前記ＰＩＤ調整部の概念図を図２に示す。
図２に示すように、パネル部分に設けられたＰＩＤ調整部１０ｃは、Ｐ成分，Ｉ成分，及びＤ成分を個別に調整するために、可変抵抗に接続されたＰ定数設定つまみ，Ｉ定数設定つまみ，及びＤ定数設定つまみによって構成される。
なお、図２では、個別の調整回路を可変抵抗によって構成しているが、他の要素で構成しても良いことはいうまでもない。
【００２１】
次に、本発明の位置決めステージ上に設置される負荷の変更に対応させるために、制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」を変更するための調整ボリュームの調整の１例について説明する。
図３では、制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」の調整は、ピエゾアンプの出力をオシロスコープ１４に接続して出力波形を観察しながら行われる。
【００２２】
図４は、その１例であって、Ｐ成分とＤ成分を固定してＩ成分のみを調整した場合の出力波形を示している。
図４（ａ）は調整前の出力波形であって、前記図７（ｂ）で示したと同様に、オーバシュトぎみの波形である。
この出力波形を調整するために、Ｉ成分を調整する目的でＩ定数設定つまみを用いて、Ｉ成分調整を行った結果が、図４（ｂ）である。
この図４（ｂ）から、オーバシュート分が軽減されているのが理解できる。
さらに、出力波形を調整するために、Ｉ成分を調整する目的でＩ定数設定つまみを用いて、Ｉ成分調整を行った結果が、図４（ｃ）である。
この図４（ｃ）から、出力波形が理想的な台形波の立ち上がりに近いことが理解でき、調整は終了する。
なお、図４では、Ｐ成分とＤ成分を固定してＩ成分のみを調整したが、場合によってはＰ成分Ｄ成分を調整することもありうる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明の精密位置決め装置及びその制御パラメータ調整方法によれば、精密位置決め装置における制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」の調整ボリュームによって個別に調整することができるので、産業上の利用可能性は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の位置決めステージのブロック構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明におけるＰＩＤ調整部の概念を示す図である。
【図３】図３は、本発明において、制御パラメータの「Ｐ成分」，「Ｉ成分」及び「Ｄ成分」の調整をオシロスコープの出力波形を観察して実行する状態を示す図である。
【図４】図４は、本発明において、Ｐ成分とＤ成分を固定してＩ成分のみを調整した場合の出力波形を示す図である。
【図５】図５は、圧電アクチュエータを備えた位置決めステージの構成を示す図である。
【図６】図６は、従来の位置決めステージのブロック構成を示す図である。
【図７】精密位置決めステージの圧電アクチュエータの駆動用電源波形が、制御パラメータによって変動する様子を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      圧電アクチュエータ（ピエゾ素子）
２      基体
３      ステージ
４      静電容量型位置検出センサプローブ
５      センサホルダ
１０    位置決めコントローラ
１０ａ  ＰＩＤ演算部
１０ｂ  通信部
１０ｃ  ＰＩＤ定数調整部（ゲイン・オフセット調整部）
１１    ホストコンピュータ
１２    センサアンプ
１３    ピエゾアンプ
【図１】
2005253212.tif 000003
【図２】
2005253212.tif 000004
【図３】
2005253212.tif 000005
【図４】
2005253212.tif 000006
【図５】
2005253212.tif 000007
【図６】
2005253212.tif 000008
【図７】
2005253212.tif 000009