(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージと、位置センサと、センサ制御回路と、信号オフセット部と、フィードバック制御回路とからなり、前記ステージに設置された前記位置センサの検出信号をフィードバックして、前記ステージに設置されたアクチュエータの駆動量を制御する位置制御システムに組み込まれるステージの位置センサの位置ずれ検出機構であって、切替手段と、判定手段とを備え、前記切替手段は、位置ずれ検知の指示に応答して、前記センサ制御回路から出力される前記位置センサの検出信号を前記信号オフセット部から前記判定手段側に切り替える第１のスイッチと、前記フィードバック制御回路から前記ステージに設置された前記アクチュエータに対する制御信号を切り離す第２のスイッチとを具備し、前記判定手段は、前記センサ制御回路から出力された前記位置センサの検出信号が前記位置制御システムにおけるフィードバック制御動作が可能となる範囲を外れた際に位置ずれ検知信号を前記位置制御システムのコントローラ又はホストコンピュータの表示部に異常状態を表示させるべく前記コントローラ又は前記ホストコンピュータに出力することを特徴とするステージの位置センサの位置ずれ検出機構。
【請求項２】
前記範囲は、当該位置センサの測定可能範囲内であって、且つ、前記位置制御システムにおける前記位置センサの使用範囲の上限及び下限に余裕を持って設定されていることを特徴とする請求項１に記載のステージの位置センサの位置ずれ検出機構。
【請求項３】
前記アクチュエータはピエゾ素子で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のステージの位置センサの位置ずれ検出機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アクチュエータとして圧電素子が組み込まれたピエゾステージを含むシステムのフィードバック制御のための位置検出手段（位置センサ）の位置ずれを簡易に検出するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のピエゾステージを用いたシステムのフィードバック制御装置としては、図９に記載のものがあった。
図９において、１は位置センサ1-1が組み込まれたピエゾステージであって、制御信号に応じて微小な変位動作を行うアクチュエータによる変位量を検出する位置センサ1-1が設けられている。
そして、位置センサとしては静電容量式、磁気式、光学式等の種々のセンサが使用されている。
【０００３】
また、２はセンサ制御回路であって、センサ1-1からの検出出力を制御に適したリニアな電気信号にし、信号オフセット部３でオフセット処理を行ってフィードバック信号Ｖｍとしてフィードバック制御４に指令信号Ｖｓと共に与えられる。
フィードバック制御回路４では、フィードバック信号Ｖｍと指令信号Ｖｓとの比較を行い、両者の比較偏差に応じた制御信号をピエゾステージのアクチュエータに供給して所望の位置に制御を行っている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
従来のピエゾステージを用いたシステムのフィードバック制御装置では、位置センサの外的要因、経年変化要因等により、当該位置センサの測定範囲を超えるような位置ずれが生じた場合にはフィードバック制御ができなくなるという問題があった。
そして、位置センサの位置ずれの検知機構としては、従来は、システム含む生産ラインを停止し、ピエゾステージをシステムから切り離して単体で位置ずれを判定していた。
また、ピエゾステージをシステムから切り離せない場合には、センサとターゲットとの間にシム（板）等を挿入して物理的な判定が行なわれていたが、シムの挿入の場合には、例えば20μから30μの間という程度の、大まかな判定できるだけで、正確な判定は困難であった。
【０００５】
本発明の課題(目的)は、ピエゾステージをシステムから切り離すことなく、センサの位置ずれを簡易に判定することが可能なピエゾステージのセンサ位置ずれ検出機構を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、ステージ1と、位置センサ1-と、センサ制御回路2と、信号オフセット部3と、フィードバック制御回路4とからなり、前記ステージ1に設置された前記位置センサ1-1の検出信号をフィードバックして、前記ステージ1に設置されたアクチュエータの駆動量を制御する位置制御システムに組み込まれるステージの位置センサの位置ずれ検出機構であって、切替手段と、判定手段とを備え、前記切替手段は、位置ずれ検知の指示に応答して、前記センサ制御回路2から出力される前記位置センサ1-1の検出信号を前記信号オフセット部3から前記判定手段5側に切り替える第１のスイッチS1と、前記フィードバック制御回路4から前記ステージ1に設置された前記アクチュエータに対する制御信号を切り離す第２のスイッチS2とを具備し、前記判定手段5は、前記センサ制御回路2から出力された前記位置センサ1-1の検出信号が前記位置制御システムにおけるフィードバック制御動作が可能となる範囲を外れた際に位置ずれ検知信号を前記位置制御システムのコントローラ又はホストコンピュータの表示部に異常状態を表示させるべく前記コントローラ又は前記ホストコンピュータに出力することにより、ステージをシステムから切り離すことなく、位置制御システムにおけるフィードバック制御動作が不能となる位置センサの位置ずれを簡易に判定することが可能になるだけでなく、システムのオペレータに位置ずれが発生したことを確実に報知することが可能になる。（請求項１）
【０００７】
また、前記範囲は、当該位置センサの測定可能範囲内であって、且つ、前記位置制御システムにおける前記位置センサの使用範囲の上限及び下限に余裕を持って設定することによって、余裕範囲内の位置ずれが検出された場合にも、フィードバック制御系を使用した制御が可能である。（請求項２）
【０００８】
また、前記アクチュエータをピエゾ素子で構成することができる。（請求項３）
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータとしてピエゾ素子が組み込まれたピエゾステージを含むシステムのフィードバック制御のための位置センサの位置ずれを簡易に検出する機構を図１を用いて説明する。
図１において、切替スイッチS1及びS2が通常時側に切替えられている場合には、図９と同様の回路構成になっている。
即ち、１は位置センサ1-1が組み込まれたピエゾステージであって、制御信号に応じて微小な変位動作を行うアクチュエータであるピエゾ素子による変位量を検出する位置センサ1-1が設けられている。
そして、位置センサとしては静電容量式、磁気式、光学式等の種々のセンサが使用される。
【００１０】
また、２はセンサ制御回路であって、センサ1-1からの検出出力を制御に適したリニアな電気信号にし、信号オフセット部３でオフセット処理を行ってフィードバック信号Ｖｍとしてフィードバック制御４に指令信号Ｖｓと共に与えられる。
フィードバック制御回路４では、フィードバック信号Ｖｍと指令信号Ｖｓとの比較を行い、両者の比較偏差に応じた制御信号をピエゾステージのアクチュエータであるピエゾ素子に供給して所望の位置に制御を行っている。
【００１１】
また、図１において、切替スイッチS1及びS2が位置ずれ検知時時側に切替えられている場合には、センサ制御回路２の出力が検知判定部５に与えられると共に、フィードバック制御回路４からのピエゾ素子に対する制御信号が切り離されている。
また、前記フィードバック系の遮断は切替スイッチS1によりオフセット処理部３の前段で行われるので、前記位置センサの検出信号をオフセット処理を実行していない信号が判定手段に供給されることによって、センサの位置信号を正確に判定手段で判定できる。
なお、位置ずれの検知は、所定期間毎又は所定時期（例えば、毎朝の起動時、や毎週の最初の起動時等）の任意の時点で行われる。
また、位置ずれの検知動作をシステムを管理するホストコンピュータにプログラムしておいて、自動的に位置ずれの検知動作を実行させることも可能である。
【００１２】
この場合位置センサとターゲットとの関係を図２に示している。
図２では、位置センサに制御信号が印加されていない場合（図１において、切替スイッチS1及びS2が位置ずれ検知時側に切替えられている場合）の位置センサとターゲットとの間の距離をαとする。
本発明では、このαが当該位置センサの測定範囲に応じた所定範囲を超えた場合には、システムのフィードバック制御動作が不能になるので、位置ずれ検知出力を出すようにしている。
【００１３】
この位置センサの測定範囲と位置ずれの検知信号の発生との関係を図６に示している。
図６において、横軸は位置センサの検出出力（V）（この場合には電圧値として出力されている）であり、縦軸は位置センサの測定距離(μｍ）である。
図６では、位置センサの測定距離と検出出力は直線比例するものとして示されている。（なお、位置センサ単独では、直線比例関係にない場合には、図１のセンサ制御回路において補正を行うことによって直線比例関係にすることができる。）
【００１４】
本発明では、図６に示すように、位置センサの測定可能範囲を100％とした場合に、システムにおける位置センサの使用（制御）範囲を例えば50％（図６の（A））とし、その50％の可動範囲に関して、余裕分とセンサストロークを考慮して、70〜90％の間の任意の１点に固定して検知動作を行うようにしている。
これを具体的な数値で示すと、図７に示すように、位置センサの測定可能範囲を500μｍとした場合に、システムにおける位置センサの使用（制御）範囲を例えば250μｍ（図７の（A））とし、その250μｍの可動範囲が余裕をみて400μｍ(図７の（B））内に納まるように検知動作を行うようにしている。
この時の、位置センサの検出電圧は図７の如く１〜９Vの範囲にある。
【００１５】
これは、位置センサの使用（制御）範囲が、外的要因、経年変化要因等により、位置ずれが生じた場合にも、使用（制御）範囲が、当該位置センサの測定可能範囲に余裕をもって含まれるように設定されている。
【００１６】
次に検知判定部５の第１の実施例を図３を用いて説明する。
図３では、検知判定部は増幅器5-1、基準電圧5-2及びコンパレータ5-3によって構成されており、位置ずれ検知時には、増幅器5-1の入力は切替スイッチS1によって、位置センサの検出出力（センサ制御回路２の出力）が印加されている。
ここで、基準電圧として、例えば上限値である９V（又は１V）が設定されている場合には、位置センサの検出出力が９V以上（又は１V以下）になった時に異常検知出力が出される。
【００１７】
また、検知判定部５の第２の実施例を図４を用いて説明する。
図４では、検知判定部は増幅器5-1及びフォトカプラ5-4によって構成されており、位置ずれ検知時には、増幅器5-1の入力は切替スイッチS1によって、位置センサの検出出力（センサ制御回路２の出力）が印加されている。
ここで、フォトカプラの動作電圧として、例えば上限値である９V（又は下限値である１V）が設定されている場合には、位置センサの検出出力が９V以上（又は１V以下）になった時に異常検知出力が出される。
【００１８】
また、検知判定部５の第３の実施例を図５を用いて説明する。
図５では、検知判定部は増幅器5-1及びＣＰＵ5-5によって構成されており、位置ずれ検知時には、増幅器5-1の入力は切替スイッチS1によって、位置センサの検出出力（センサ制御回路２の出力）が印加されている。
そして、増幅器の出力が図示しないＡ／Ｄ変換機でデジタル信号に変換されてＣＰＵに与えられる。ＣＰＵの設定電圧として、例えば上限値である９V（又は下限値である１V）が設定されている場合には、位置センサの検出出力が９V以上（又は１V以下）になった時に異常検知出力が出される。
このように、検知判定部にＣＰＵを使用することによって、検知時期をプログラム化して自動的に検知動作させる場合に有効である。
【００１９】
この異常検知出力は、図示しない表示装置（コントローラ又はシステムを管理するホストコンピュータの表示部）に表示される。また、この異常検知出力に対応してシステムの動作を停止させる等の安全手段を付加することも可能である。
【００２０】
また、図８は位置センサの検知出力（センサ位置信号）と検知判定部の判定出力との関係を示している。
図８において、検知判定部の判定出力として異常検知出力が出されるのは、センサ位置信号が判定上限値（例えば、９Ｖ）を超えた場合か、判定下限値（例えば、１Ｖ）を下回った場合であることが示されている。
なお、図８では、センサ位置信号が連続的に描かれているが、これは、離散的に測定された例を示しているのであって、位置ずれ検知を常時連続的に実施しているわけではない。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明では、ステージ1と、位置センサ1-と、センサ制御回路2と、信号オフセット部3と、フィードバック制御回路4とからなり、前記ステージ1に設置された前記位置センサ1-1の検出信号をフィードバックして、前記ステージ1に設置されたアクチュエータの駆動量を制御する位置制御システムに組み込まれるステージの位置センサの位置ずれ検出機構であって、切替手段と、判定手段とを備え、前記切替手段は、位置ずれ検知の指示に応答して、前記センサ制御回路2から出力される前記位置センサ1-1の検出信号を前記信号オフセット部3から前記判定手段5側に切り替える第１のスイッチS1と、前記フィードバック制御回路4から前記ステージ1に設置された前記アクチュエータに対する制御信号を切り離す第２のスイッチS2とを具備し、前記判定手段5は、前記センサ制御回路2から出力された前記位置センサ1-1の検出信号が前記位置制御システムにおけるフィードバック制御動作が可能となる範囲を外れた際に位置ずれ検知信号を前記位置制御システムのコントローラ又はホストコンピュータの表示部に異常状態を表示させるべく前記コントローラ又は前記ホストコンピュータに出力することにより、ステージをシステムから切り離すことなく、位置制御システムにおけるフィードバック制御動作が不能となる位置センサの位置ずれを簡易に判定することが可能になるだけでなく、システムのオペレータに位置ずれが発生したことを確実に報知することが可能になる。したがって、位置センサの位置ずれによる制御動作が不能になることを事前に予測が可能であるので、このステージを生産ラインに適用した場合においては、生産ラインを急に停止するような事態を回避することができる。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明では、前記範囲は、当該位置センサの測定可能範囲内であって、且つ、前記位置制御システムにおける前記位置センサの使用範囲の上限及び下限に余裕を持って設定することによって、余裕範囲内の位置ずれが検出された場合にも、フィードバック制御系を使用した制御が可能である。
【００２３】
また、請求項３に記載の発明では、前記アクチュエータとして制御信号に応答して微小変位与えることの可能な圧電素子であるピエゾ素子で構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピエゾステージの位置ずれ検出機構の構成を示す図である。
【図２】位置センサとターゲットの関係を示す図である。
【図３】検知判定部の構成例を示す図である。
【図４】検知判定部の別の構成例を示す図である。
【図５】検知判定部の更に別の構成例を示す図である。
【図６】位置センサの測定可能範囲と異常状態範囲の関係を示す図である。
【図７】位置センサの測定可能範囲と異常状態範囲の関係の数値例を示す図である。
【図８】位置センサ信号と判定出力例を示す図である。
【図９】従来のピエゾステージを含む位置制御システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１            ピエゾステージ
１−１        センサ
２            センサ制御回路
３            信号オフセット部
４            ＦＢ制御回路
５            検知判定部
Ｓ１，Ｓ２    切替えスイッチ
【図１】
0004547113.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004547113.tif 000004
【図４】
0004547113.tif 000005
【図５】
0004547113.tif 000006
【図６】
0004547113.tif 000007
【図７】
0004547113.tif 000008
【図８】
0004547113.tif 000009
【図９】
0004547113.tif 000010