(57)【要約】【課題】シリコンウエハや磁気ディスク基板など、精密な形状寸法精度や仕上げ面の平坦性が要求される物品の加工をおこなう際の各研削加工段階に応じて、姿勢制御装置上の重量物の姿勢を高精度に制御することのできる姿勢制御システムを提供する。【解決手段】位置制御部２０と、電流制御部３０と、姿勢制御装置５０およびアクチュエータ４０と、姿勢制御装置の変位量を測定するセンサおよびセンサ出力を増幅するアンプ６０と、から少なくとも構成され、センサ出力がアンプにて増幅されて位置制御部へフィードバックされることによって１次ループが構成され、アクチュエータへ出力される電流を電流センサにて測定した測定電流を電流制御部の比例制御部にフィードバックすることによって電流制御部にて２次ループが構成され、１次ループにおける各種ゲインが２次ループにゲインに比して相対的に大きくなるように調整されている。【選択図】図１
2007108925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置指令値発信部と、比例制御部と積分制御部とを有して比例積分制御をおこなう位置制御部と、比例制御部と精密アンプとから少なくとも構成される電流制御部と、姿勢制御装置および該姿勢制御装置を駆動するアクチュエータと、姿勢制御装置の変位量を測定するセンサおよびセンサ出力を増幅するアンプと、から少なくとも構成されており、位置指令部と位置制御部とが繋がっており、位置制御部と電流制御部とが繋がっており、電流制御部とアクチュエータとが繋がっており、センサ出力がアンプにて増幅されて位置制御部へフィードバックされることによって１次ループが構成され、電流制御部から送られる電流によってアクチュエータが駆動するとともに、該電流を電流センサにて測定した測定電流を電流制御部の比例制御部にフィードバックすることによって電流制御部にて２次ループが構成され、１次ループにおいてアクチュエータへの目標出力電流が決定され、２次ループにおいてアクチュエータへの出力電流が目標出力電流となるように精密アンプによる出力電流の調整がおこなわれるカスケード制御となっており、
１次ループにおけるセンサおよびアンプからの出力ゲイン、比例積分制御の積分ゲインおよび比例ゲインから第１のパラメータが構成され、２次ループにおける精密アンプの調整ゲインから第２のパラメータが構成され、第２のパラメータに比して第１のパラメータが相対的に大きくなるように調整されることを特徴とする姿勢制御システム。
【請求項２】
前記比例積分制御が、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）デジタル回路にておこなわれることを特徴とする請求項１に記載の姿勢制御システム。
【請求項３】
少なくとも前記姿勢制御システムの構成機器と電源との間、および姿勢制御装置とセンサとの間には、高周波ノイズを取り除くローパスフィルタが備えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の姿勢制御システム。
【請求項４】
前記姿勢制御装置は、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内に延びる第一の面材と、該第一の面材に間隔を置いて並列する第二の面材と、からなり、２つの面材において対向するそれぞれの面には凹部が穿設されており、第一の面材と第二の面材の間には、球体がその一部を２つの凹部に収容されながら介装されるとともに、Ｘ軸とＹ軸からなる平面に直交するＺ軸方向に伸張する第一のアクチュエータが介装されており、第二の面材には、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内の適宜の方向に伸張する第二のアクチュエータが接続されており、第二の面材は、載置物を載置した姿勢で第一の面材に対して相対的に移動可能に構成されており、前記球体は、弾性変形が可能な接着剤にて第一の面材および／または第二の面材に接着されており、球体の表面には前記接着剤による被膜が形成されており、該球体と該接着剤による被膜は双方が相対的に可動できるように縁切りされており、第一のアクチュエータおよび／または第二のアクチュエータが、超磁歪アクチュエータおよび／または圧電アクチュエータからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の姿勢制御システム。
【請求項５】
前記超磁歪アクチュエータは、Ｔｂ０．２５〜０．３３Ｄｙ０．７５〜０．６７Ｆｅ１．８５〜１．９３Ｃｏ０〜０．０７からなり、より好ましくは、Ｔｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ１．９Ｃｏ０．０５からなることを特徴とする請求項４に記載の姿勢制御システム。
【請求項６】
前記姿勢制御システムは、さらに、砥石を回転させる第一の回転装置および該第一の回転装置を支持する第一の基台と、被研削体を回転させる第二の回転装置および該第二の回転装置を支持する第二の基台とを備え、第一の回転装置と第一の基台の間、または、第二の回転装置と第二の基台の間には、前記姿勢制御装置が備えられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の姿勢制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、載置物の姿勢を制御する姿勢制御装置を制御するための姿勢制御システムに係り、特に、シリコンウエハや磁気ディスク基板など、精密な形状寸法精度や仕上げ面の平坦性が要求される物品の加工をおこなう際の各研削加工段階に応じて、姿勢制御装置上の重量物の姿勢を高精度に制御することのできる姿勢制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近時、次世代パワーデバイスは、そのエネルギー損失低減や小型化への要求が高まっており、例えば、エレクトロニクス用半導体の多層化や高密度化などがその一例として挙げられる。これらの要求に対する方策としては、シリコンウエハを代表とする半導体ウエハの極薄化、加工表面や加工面内部に転位や格子歪のない加工方法、表面粗度（Ｒａ）をサブｎｍ（サブナノメーター）〜ｎｍ（ナノメーター）レベル、加工面の平坦度をサブμｍ（サブマイクロメーター）〜μｍ（マイクロメーター）レベル、さらにはそれ以下とする加工方法の開発などが考えられる。
【０００３】
ところで、自動車産業に目を向けると、自動車のパワーデバイスであるＩＧＢＴ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、インバータシステムの主要なシステムである。今後は、かかるインバータの高性能化や小型化によってハイブリット車の商品性が益々高まることが予想される。そのため、ＩＧＢＴを構成するＳｉウエハの厚さを５０〜１５０μｍ、望ましくは９０〜１２０μｍ程度まで極薄化し、スイッチング損失や定常損失、熱損失の低減が不可欠となってくる。さらには、直径が２００〜４００ｍｍ程度の円形Ｓｉウエハの加工面、もしくは加工表面近傍内部において転位や格子歪などの欠陥をゼロとした完全表面とすること、表面粗度（Ｒａ）をサブナノメーター〜ナノメーターレベル、平坦度をサブマイクロメーター〜マイクロメーターレベルにすることによって、半導体の電極形成工程での歩留まりや、半導体の多層化が向上する。
【０００４】
一般に、上記する半導体の加工工程は、ダイヤモンド砥石による粗研削、ラッピング、エッチング、遊離砥粒を用いたＷｅｔ−ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ／湿式化学機械的研削）など、多工程を要しているのが現状である。かかる従来の加工法では、加工表面に酸化層や転位、格子歪が生じてしまい、完全表面を得ることは極めて困難となる。また、ウエハの平坦度も悪く、加工時もしくは電極形成後のウエハの破損によって歩留まりの低減に繋がる。さらには、従来の加工法では、ウエハの直径が２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍと大きくなるに従い、その極薄化は困難となり、直径が２００ｍｍのウエハの厚さを１００μｍレベルにするための研究が進められているのが現状である。
【０００５】
上記するＳｉ半導体ウエハなどの超精密加工に際しては、シリコン半導体ウエハなどの被研削体を支持する回転装置を、極めて微小な距離だけ精度よく動かすことのできる装置（姿勢制御装置）の開発が従来望まれていた。これは、砥石研削の際に、砥石と被研削体双方が同心軸上となるように初期設定することに加え、研削過程で生じ得る砥石と被研削体双方の軸心ずれを適宜修正することなしには、被研削体表面の研削加工精度の向上を図ることができないといった要請に基づくものである。
【０００６】
ところで、比較的微小な距離を極めて精度よく物品を移動もしくは変位させる方策として、サーボモータを使用する方法やピエゾ素子を用いた圧電アクチュエータを使用する方法、あるいは超磁歪アクチュエータを使用する方法などが一般におこなわれている。上記する姿勢制御装置をサーボモータにて稼動させようとすると、サーボモータの出力性能の限界から実現が困難であり、さらには、サーボモータのように回転を伴うものでは、ナノメーターオーダーの精度での制御は極めて困難である。また、ピエゾ素子を用いた圧電アクチュエータにて姿勢制御装置を稼動させる場合には、研削加工に使用される回転装置のような大荷重の物品を変位させようとすると素子自体の破壊に繋がってしまうといった問題がある。
【０００７】
本発明者等は、上述する従来技術の問題点に鑑み、トンオーダーの大荷重の物品を、ナノメーターあるいはオングストロームのレベルで高精度かつ正確に動かすための装置について検討した。その結果、トンオーダーの大荷重の加工装置を、無摩擦で変位可能な弾性変位テーブル上に載置すれば、重力の方向に直交する方向への変位は載置物の重量の影響を受けないことに着目し、無摩擦で微細変位が可能な弾性変位テーブルを開発し、かかる発明が特許文献１に開示されている。この発明は、無摩擦で変位が可能な弾性変位テーブルと、超磁歪アクチュエータとによって構成されるものであり、超磁歪アクチュエータに設けられたロッドの変形によって弾性変位テーブルを変位させることにより、位置決めをおこなうものである。ここでいう無摩擦で変位が可能な弾性テーブルは、架台と、弾性変位が可能な支柱とから構成されるものであり、架台は支柱を介してベースに取り付けられている。支柱はバネ状に反発弾性作用を発現するとともに、トンオーダーの物品重量を支え得る強度を備えた材料から形成されている。架台の端面には複数の超磁歪アクチュエータが装着されており、位置指令値に基づく電流の印加によって励起される磁界が超磁歪素子に作用することにより、素子が伸張する構成となっている。
【０００８】
さらに、発明者等は、上記する超磁歪素子の持つヒステリシス特性に起因する応答遅れを補償する制御システムを組み込むとともに、超磁歪アクチュエータのコイルから生じるジュール熱や渦電流による発熱に起因する精度低下を防止可能な超磁歪アクチュエータを備えた姿勢制御装置（を備えた精密加工装置）に関する発明を特許文献２に開示している。ここで、ヒステリシス特性に起因する応答遅れを補償する制御システムとしては、数学関数（直線、円弧、スプラインなど）で記述したヒステリシスモデル、好ましくはプライザッハモデルに基づく逆モデルを用いている。このプライザッハモデルは、磁性材料の磁化状態の変化を予測するためのものである。かかる姿勢制御装置においては、２枚の板が間隙を置いた姿勢で１つの接続部材により接続されている。上方の板のうち、接続部材に近い辺に直交する一辺には超磁歪アクチュエータが配されており、上方の板のうち、接続部材に近い辺に相対する辺の下部には２つの超磁歪アクチュエータが配されている。この接続部材も、特許文献１と同様に、弾性変形が可能であって、トンオーダーの物品重量を支え得る強度を備えた材料から形成されている。かかる発明においては、上記する３つの超磁歪アクチュエータの動きを制御することによって、砥石軸とワーク軸の間の微小なずれを３次元空間で補正することができる。
【特許文献１】特開２００１−２６５４４１号公報
【特許文献２】特開２００２−１２７００３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の微細位置決め装置、および特許文献２の姿勢制御装置によれば、比較的大きな重量の物品（例えば、砥石研削時の回転装置など）を支持しながら、かかる物品の位置決め（姿勢）の高精度な制御を実現することができる。しかし、これらの装置においては、２つの板（プレート）の間に２つの超磁歪アクチュエータと１つの支柱（または接続部材）が介装されているが、この支柱（または接続部材）が高強度の弾性部材であることから、他方の板に対して相対的に動く側の板の水平方向の動きをかかる弾性部材が拘束することは否めない。すなわち、高強度であればある程、その軸心直角方向への動きを大きく拘束することになり、かかる拘束により、可動側の板の自由度は制限されてしまう。また、特許文献１に開示の微細位置決め装置／方法においては、システム内に生じ得る高周波ノイズ対策やカスケード制御における外側ループ（１次ループ）と電流制御部における２次ループ間のゲインの調整法が不明であり、実際に、重量物をオングストロームオーダーの高精度な制御が実現できるか否かが不確定である。また、システムのさらなる高速化／小型化も望まれるところである。
【００１０】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、一方の板（プレート）に対して相対的に変位する側の板（プレート）の動きをほとんど拘束することなく、しかも砥石の回転装置のような比較的大きな重量物を支持しながら、高精度の姿勢制御を実現することのできる姿勢制御装置を備えた姿勢制御システムを提供することを目的とする。また、重量物を載せた姿勢制御装置の姿勢をオングストロームオーダーのレベルで高速に制御することができ、システム全体を可及的に小型化できる姿勢制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明による姿勢制御システムは、位置指令値発信部と、比例制御部と積分制御部とを有して比例積分制御をおこなう位置制御部と、比例制御部と精密アンプとから少なくとも構成される電流制御部と、姿勢制御装置および該姿勢制御装置を駆動するアクチュエータと、姿勢制御装置の変位量を測定するセンサおよびセンサ出力を増幅するアンプと、から少なくとも構成されており、位置指令部と位置制御部とが繋がっており、位置制御部と電流制御部とが繋がっており、電流制御部とアクチュエータとが繋がっており、センサ出力がアンプにて増幅されて位置制御部へフィードバックされることによって１次ループが構成され、電流制御部から送られる電流によってアクチュエータが駆動するとともに、該電流を電流センサにて測定した測定電流を電流制御部の比例制御部にフィードバックすることによって電流制御部にて２次ループが構成され、１次ループにおいてアクチュエータへの目標出力電流が決定され、２次ループにおいてアクチュエータへの出力電流が目標出力電流となるように精密アンプによる出力電流の調整がおこなわれるカスケード制御となっており、１次ループにおけるセンサおよびアンプからの出力ゲイン、比例積分制御の積分ゲインおよび比例ゲインから第１のパラメータが構成され、２次ループにおける精密アンプの調整ゲインから第２のパラメータが構成され、第２のパラメータに比して第１のパラメータが相対的に大きくなるように調整されることを特徴とする。
【００１２】
本発明のシステムの制御方法は、比例積分制御（ＰＩ制御）をおこなう位置制御部と電流制御部、さらにはセンサからの測定変位量をアンプにて増幅させて位置制御部へフィードバックする１次ループと、電流制御部を構成する比例制御部（Ｐ制御）と精密アンプと、適宜仕様のアクチュエータへ送られる測定電流を比例制御部へフィードバックする２次ループとから構成されるカスケード制御によるものである。すなわち、１次ループにて姿勢制御装置の実測値に基づく指令電流目標値を設定し、該目標値に対して２次ループにて出力電流値の大きさを精密アンプにて調整するものである。ここで、１次ループでは、アクチュエータの測定変位量のセンサ出力およびアンプによる増幅〜比例積分制御までがデジタル系での制御となり、電流制御部〜アクチュエータの駆動はアナログ系での制御となる。そこで、デジタル系における出力ゲイン（指示値）をアナログ系における出力ゲインに比して相対的に大きくすることにより、制御系の分解能を高めて高精度な制御を実現しようとするものである。また、発明者等の実験によれば、アクチュエータとして超磁歪アクチュエータを使用する場合、１次ループにおいて、位置制御部における積分ゲイン（Ｉゲイン）を比例ゲイン（Ｐゲイン）に比して相対的に増加させることにより、超磁歪アクチュエータの磁気ヒステリシス現象の影響を効果的に低減できることが実証されている。これは、積分動作が誤差を積分した出力を出し、該誤差がゼロとなるようにゲイン調整しているためであると考えられる。
【００１３】
上記１次ループでは、例えばｄＳＰＡＣＥを使用したいわゆるインテリジェント制御をおこなうことで、高精度な制御が可能となる一方で、応答速度に問題がある。一方、上記２次ループでは電子回路を使用したいわゆる非インテリジェントな制御をおこなうことで、高速応答を可能とすることができる。幅広いレンジ範囲を上記するｄＳＰＡＣＥで包括しようとすると、Ｄ／Ａコンバータの量子化ビット数によって制限されてしまう。そこで、一定範囲内のダイナミックレンジ内で可及的に分解能を高めてあげることが本システムの目的となる。
【００１４】
ここで、１次ループにおける調整用のパラメータとしては、アクチュエータの変位量を検知するセンサ出力を増幅させるアンプによるゲインや、位置制御部内の比例制御部および積分制御におけるＰゲインやＩゲインがある。これらは上記するデジタル系におけるパラメータである。一方、2次ループにおける調整用のパラメータとしては、電流制御部における精密アンプにおけるゲインがある。上記するｄＳＰＡＣＥなどを使用する場合には、ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を使用し、その出力信号を観察しながら適宜のパラメータ（アンプによる出力ゲイン、Ｐゲイン、Ｉゲイン）を決定し、姿勢制御装置の実測値に関するフィードバックデータに基づいた目標電流を算出する。一方、２次ループでは、電流値のフィードバックデータに基づいて精密アンプのゲイン調整をしながら、出力電流を目標電流となるようにして超磁歪アクチュエータへ該出力電流を出力する。
【００１５】
本発明では、１次ループおよび２次ループにおけるそれぞれのゲインを最適に調整することで、重量物を載置した姿勢制御装置をオングストロームオーダという高い精度で位置決めすることができる。
【００１６】
また、本発明による姿勢制御システムの好ましい実施形態において、前記比例積分制御が、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）デジタル回路にておこなわれることを特徴とする。
【００１７】
位置制御部における比例積分制御をＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅ  Ａｒｒａｙ）デジタル回路にておこなうことにより、高速な応答が可能となり、応答速度を従来のマイクロプロセッサに比して改善することができる。例えば、アクチュエータがオーバーシュートやアンダーシュートした際の補正の際の応答速度の改善などがある。また、ＦＰＧＡデジタル回路を使用することでシステムの小型化を実現でき、さらには、後述するローパスフィルタのみでは限界となる耐ノイズ性の向上をも図ることができる。
【００１８】
また、本発明による姿勢制御システムの好ましい実施形態は、少なくとも前記姿勢制御システムの構成機器と電源との間、および姿勢制御装置とセンサとの間には、高周波ノイズを取り除くローパスフィルタが備えられていることを特徴とする。
【００１９】
姿勢制御システムを構成する構成機器、例えば、精密アンプなどと電源との間に生じる高周波ノイズは、フィルタトランスなどにて除去することができる。また、１次ループや２次ループ内でのノイズ（リプル）をさらに取り除くべく、各ループ内の任意箇所にフィルタを設置することができる。
【００２０】
また、本発明による姿勢制御システムの他の実施形態において、前記姿勢制御装置は、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内に延びる第一の面材と、該第一の面材に間隔を置いて並列する第二の面材と、からなり、２つの面材において対向するそれぞれの面には凹部が穿設されており、第一の面材と第二の面材の間には、球体がその一部を２つの凹部に収容されながら介装されるとともに、Ｘ軸とＹ軸からなる平面に直交するＺ軸方向に伸張する第一のアクチュエータが介装されており、第二の面材には、Ｘ軸とＹ軸からなる平面内の適宜の方向に伸張する第二のアクチュエータが接続されており、第二の面材は、載置物を載置した姿勢で第一の面材に対して相対的に移動可能に構成されており、前記球体は、弾性変形が可能な接着剤にて第一の面材および／または第二の面材に接着されており、球体の表面には前記接着剤による被膜が形成されており、該球体と該接着剤による被膜は双方が相対的に可動できるように縁切りされており、第一のアクチュエータおよび／または第二のアクチュエータが、超磁歪アクチュエータおよび／または圧電アクチュエータからなることを特徴とする。
【００２１】
第一の面材、第二の面材ともに、第二の面材上に載置される載置物の重量を支持し得る強度を備えた材料から成形されるとともに、非磁性材料から成形されることが好ましい。かかる材料としては、特に限定するものではないが、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ）が使用できる。
【００２２】
一方、第一の面材と第二の面材の間に介装される球体も同様に、少なくとも第二の面材上に載置される載置物の重量を支持し得る強度を備えた材料からなることを要する。したがって、載置物の設定重量に応じて球体を形成する材料も適宜選定できるが、例えば、金属やセラミック等が挙げられる。
【００２３】
第一の面材と第二の面材のうち、球体と当接する箇所には球体の形状に応じた凹部が穿設されており、双方の凹部に球体の一部が収容された姿勢で面材間に球体が介装設置される。この凹部の寸法（穿設深さや開口径など）は、面材や球体の大きさ、要求される姿勢制御精度などによって適宜調整される。尤も、双方の凹部に球体の一部が収容された姿勢で、少なくとも第一の面材と第二の面材との間に所定の間隔が保持されていることが要求される。この間隔は、例えば第二の面材が第二のアクチュエータの作動によって傾斜した場合でも、第二の面材が第一の面材に当接しないような適宜の離隔である。
【００２４】
２つの面材の対向する箇所に穿設された凹部表面と球体は、接着剤にて接続できる。かかる接着剤は、常温にて弾性性能を有する材質を備えた適宜の接着剤が使用でき、一例を挙げれば、弾性エポキシ系接着剤や、弾性接着剤などが使用できる。例えば、引張りせん断接着強さが１０〜１５Ｍｐａ、減衰係数が２〜７Ｍｐａ・ｓｅｃで好ましくは４．５Ｍｐａ・ｓｅｃ、接着材のばね定数が、８０〜１３０ＧＮ／ｍで好ましくは１００ＧＮ／ｍの接着剤を使用することができ、接着剤の厚みを０．２ｍｍ程度に設定することができる。
【００２５】
なお、双方の面材に凹部が穿設される実施形態のほかに、第一の面材、第二の面材いずれか一方のみに凹部が穿設されていて、この凹部に球体の一部が収容され、凹部表面と球体を接着剤にて接着する実施形態であってもよい。
【００２６】
本発明の姿勢制御装置の一実施形態としては、第一の面材と第二の面材との間に球体と２つの第一のアクチュエータが平面的には任意の３角形の各頂点に位置するように介装配置されていて、第二の面材における四方の端辺のうちの少なくとも１辺には第二のアクチュエータが装着された実施形態がある。かかる少なくとも３つのアクチュエータにより、第二の面材は、載置物を直接載置した姿勢で、第一の面材に対して相対的に３次元的な変位を実現することができる。この第二の面材の変位に際しては、その下方で該第二の面材を支持する球体表面の接着剤が弾性変形することにより、第二の面材の変位がほぼ無拘束状態の自由変位を実現できる。
【００２７】
なお、第一のアクチュエータ、第二のアクチュエータは、超磁歪素子を備えたアクチュエータまたはピエゾ素子などからなる圧電素子を備えたアクチュエータを使用することができる。ここで、超磁歪素子とは、Ｄｙ（ジスプロニウム）やＴｂ（テルビウム）などの希土類金属と、鉄やコバルト、ニッケルの合金のことであり、棒状または円筒形状の超磁歪素子の周りのコイルに電流が印加されることによって生じる磁界により、該素子が１μｍ〜２μｍ程度伸びることができる。また、この超磁歪素子の性質としては、１０ｋＨｚ以下の周波数領域において使用でき、ピコ秒（１０−１２秒）の応答速度を備えている。さらに、その出力性能は、１５〜２５ｋＪ／ｃｍ３程度であり、例えば、後述する圧電素子の約２０〜５０倍の出力性能を有する。一方、圧電素子は、チタン酸ジルコン酸塩（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などからなる。圧電素子の性質としては、１０ｋＨｚ以上の周波数領域にて使用でき、ナノ秒（１０−９秒）の応答速度を備えている。出力パワーは超磁歪素子に比して小さく、比較的軽荷重領域での高精度な位置決め制御（姿勢制御）に好適である。なお、ここでいう圧電素子には電歪素子も含まれている。
【００２８】
また、接着剤は、既述する弾性変形が可能な材料からなり、例えば金属球体の表面にこの接着剤からなる被膜が形成できる。ここで、第二の面材の動きに対する拘束度をより緩和するために、本発明では、球体とその外周の接着剤とを縁切りする構成とする。例えば、球体の表面にグラファイト被膜を形成しておき、このグラファイト被膜の外周に接着剤からなる被膜を形成させる。接着剤とグラファイト被膜とは接着せず、実質的には縁切りされた構造となるため、第二の面材が変位する際には、球体は無拘束状態で定位置で回転する一方で、その表層の接着剤は、該球体からの拘束を受けることなく第二の面材の変位に呼応した弾性変形をすることになる。本発明においては、第一の面材および第一の面材と接着する接着剤、および、接着剤と接着しない球体（または球体表面被膜）を実現できる適宜の面材、接着剤、球体（の表面被膜）から構成される。
【００２９】
本発明によれば、第二の面材の動きに対する拘束度がさらに緩和されることになり、姿勢制御装置に要求される極めて微小でかつリアルタイムな動きを実現することが可能となる。さらには、第二の面材の拘束度が無拘束に近いため、第二の面材を変位させる際に第二のアクチュエータに要求されるエネルギーも従来に比べて低減させることが可能となる。
【００３０】
また、本発明による姿勢制御システムの他の実施形態において、前記超磁歪アクチュエータは、Ｔｂ０．２５〜０．３３Ｄｙ０．７５〜０．６７Ｆｅ１．８５〜１．９３Ｃｏ０〜０．０７からなり、より好ましくは、Ｔｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ１．９Ｃｏ０．０５からなることを特徴とする。
【００３１】
超磁歪素子は、Ｂｒｉｄｇｗａｒ法や粉末冶金燃焼法などにて製造することができる。成分組成がＴｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ１．９Ｃｏ０．０５からなる超磁歪素子とすることで、磁歪と磁界との間の磁気機械結合係数は０．７〜０．８となり、極めて有効な変換が可能となる。さらに、磁界による発生応力は、例えば、磁界３ｋＯｅに対して、５ｋｇｆ／ｍｍ２を得ることができる。
【００３２】
さらに、本発明による姿勢制御システムの他の実施形態は、前記姿勢制御システムがさらに、砥石を回転させる第一の回転装置および該第一の回転装置を支持する第一の基台と、被研削体を回転させる第二の回転装置および該第二の回転装置を支持する第二の基台とを備え、第一の回転装置と第一の基台の間、または、第二の回転装置と第二の基台の間には、前記姿勢制御装置が備えられていることを特徴とする。
【００３３】
本発明は、前記姿勢制御装置が研削加工装置に適用されてなる精密加工装置に関するものである。本精密加工装置は、砥石による被研削体の粗研削〜最終の超精密研削までをかかる装置のみでおこなうことができ、前記姿勢制御装置を基台上に搭載した構成とすることで、研削精度を高めることが可能となる。
【００３４】
本発明の精密加工装置が使用される研削方法は特に限定するものではないが、例えば、ダイヤモンド砥石による粗研削工程と、固定砥粒（ＣＭＧ砥石）による最終研削工程からなる研削方法がある。ここで、固定砥粒（ＣＭＧ砥石）とは、最終研削をＣＭＧ法（Ｃｈｅｍｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｇｒｉｎｄｉｎｇ）でおこなう際に使用される砥石のことであり、かかる方法は、従来のエッチングやラッピング、ポリッシングなどの多工程をＣＭＧ砥石を使用した研削工程のみでおこなうものであり、現在その開発が進められている技術である。姿勢制御装置を使用することにより、砥石と被研削体との軸心調整（初期設定）ができることは勿論のこと、加工に伴う機械的要因や摩擦により発生する熱や振動などに起因する変位が起こす砥石と被研削体との微小な軸心ずれを適宜修正することができる。ここで、粗研削時には、第二の面材を比較的大きく動かす必要があるため（被研削体に対して砥石を押し付けながら所要の研削深さだけ研削することから）、高出力の超磁歪素子を伸張させ、最終研削時には、第二の面材を大きく動かす必要はないことから（例えば、所定の定圧にて研削するため）、比較的低出力の圧電素子を伸張させることにより、エネルギー効率のよい研削加工を実現することができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上の説明から理解できるように、本発明の姿勢制御システムによれば、並列する面材の間に弾性変形可能な接着剤で被覆された球体が介装されているため、他方の面材に対して相対的に動く側の面材はほとんど拘束されることなく自由に動くことが可能となり、したがって、アクチュエータが過度の出力エネルギーを要することもなく、アクチュエータの作動に応じた面材のリアルタイムな動きを実現することができる。また、本発明の姿勢制御システムによれば、比例積分制御を備えた１次ループによる目標電流値の設定と、２次ループによる該目標電流値に応じた出力電流値の出力からなるカスケード制御を適用すること、および、１次ループにおけるデジタル系内のパラメータ（指示値）を２次ループにおけるアナログ系内のパラメータに比して相対的に大きく設定することで、高精度なアクチュエータ制御を実現できる。また、該システム内の適所にローパスフィルタを設けることで、高周波ノイズを効果的に取り除くことができ、姿勢制御システムの高精度制御に繋がる。さらに、本発明の姿勢制御システムによれば、比例積分制御をおこなう位置制御部にＦＰＧＡデジタル回路を使用することで、システムの高速化や小型化、さらにはノイズの効果的な除去を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の姿勢制御システムの一実施形態のブロック図を、図２は、図１における位置制御部の一実施形態のブロック図を、図３は、図１における電流制御部を含む２次ループの一実施形態のブロック図を、図４は、図２の位置制御部をＦＰＧＡデジタル回路とした実施形態のブロック図をそれぞれ示している。図５は、姿勢制御装置の一実施形態の平面図を、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ矢視図を、図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図を、図８は、姿勢制御装置を備えた精密加工装置の一実施形態の側面図をそれぞれ示している。図９ａは、位置制御部におけるＰゲイン＝５，Iゲイン＝５０の場合の位置指令値と、実際の変位量と、アクチュエータに流れる電流を示した実験結果であり、図９ｂは、位置制御部におけるＰゲイン＝５，Iゲイン＝５の場合の位置指令値と、実際の変位量と、アクチュエータに流れる電流を示した実験結果を、図１０ａは、図９ａの位置指令値−変位量特性を示すグラフであり、図１０ｂは、図９ａの電流−変位量特性を示すグラフを、図１１ａは、図９ｂの位置指令値−変位量特性を示すグラフであり、図１１ｂは、図９ｂの電流−変位量特性を示すグラフをそれぞれ示している。図１２ａは、１次ループにおける静圧センサおよびアンプ〜位置制御部に至るローパスフィルタ設置の一実施形態を示した回路図であり、図１２ｂは、ＡＣ電源〜精密アンプ間のノイズ除去用フィルタトランスを示した図を、図１３ａは、図１２ａのＸ，Ｙ，Ｚ点におけるリプルノイズを示した実験結果であり、ローパスフィルタを設置する前のノイズを示した図であり、図１３ｂは、図１２ａのＸ，Ｙ，Ｚ点におけるリプルノイズを示した実験結果であり、ローパスフィルタを設置した後のノイズを示した図をそれぞれ示している。図１４は、精密アンプから発生するノイズが位置制御部のＤ／Ａコンバータに伝わる様子を示した図であって、図１４ａは、ノイズフィルタトランスを設置する前のＤ／Ａコンバータ出力、精密アンプ入力、精密アンプ出力を示した実験結果であり、図１４ｂは、ノイズフィルタトランスを設置した後のＤ／Ａコンバータ出力、精密アンプ入力、精密アンプ出力を示した実験結果であり、図１４ｃは、ノイズフィルタトランスを設置した後でオシロスコープからの影響を遮断したＤ／Ａコンバータ出力、精密アンプ入力、精密アンプ出力を示した実験結果をそれぞれ示している。図１５は、姿勢制御装置における荷重−振動関係を示したグラフを、図１６は、姿勢制御装置上に搭載荷重がない場合の位置指令値と実際の位置との関係を示したグラフであり、図１６ａは、ノイズ対策前の実験結果であり、図１６ｂは、ノイズ対策後の実験結果をそれぞれ示している。図１７は、姿勢制御装置上に搭載荷重がある場合の位置指令値と実際の位置との関係を示したグラフであり、図１７ａは、ノイズ対策前の実験結果であり、図１７ｂは、ノイズ対策後の実験結果である。図１８は、ノイズ対策とゲイン調整後の位置指令値と実際の位置との関係を示したグラフであり、図１８ａは、姿勢制御装置上に搭載荷重がない場合の実験結果であり、図１８ｂは、姿勢制御装置上に搭載荷重がある場合の実験結果である。なお、図示する���施形態では、姿勢制御装置に装着されるアクチュエータが超磁歪素子と圧電素子の組み合わせからなるものであるが、いずれか一方のみを装着した実施形態であってもよい。
【００３７】
図１は、姿勢制御システムのブロック図を示したものである。位置指令値発信部１０からの位置指令値Ｘ＊が位置制御部２０に送られ、姿勢制御装置５０の位置（または変位量）の実測値を静圧センサ／アンプ６０にて計測するとともに信号増幅させたゲイン６１による計測値Ｘも位置制御部２０にフィードバックされる。位置制御部２０では、この位置指令値Ｘ＊と計測値Ｘを加算することでフィードバックされた計測値に適合するような電流指令値ｉ＊を電流制御部３０に指令値として送る。電流制御部では、姿勢制御装置５０を駆動させるアクチュエータ４０（超磁歪アクチュエータまたは圧電アクチュエータまたは超磁歪素子および圧電素子の組み合わせからなるアクチュエータ）に送られる電流を電流センサ３１にて計測し、計測結果（ゲイン３２）を電流制御部３０に送る。電流制御部３０では、後述するようにその内部に内臓された精密アンプにて電流信号が増幅されてアクチュエータ４０に送られることとなる。アクチュエータ４０は後述するように複数基が姿勢制御装置５０に装着されており、各アクチュエータ４０，４０，…が高速かつ高精度にその構成部材である素子を伸縮させることによって姿勢制御装置５０の姿勢制御を実行する。
【００３８】
姿勢制御システムは、位置制御部２０、電流制御部３０、アクチュエータ４０、姿勢制御装置５０、静圧センサ／アンプ６０から大略構成される１次ループＰと、電流制御部３０と電流センサ３１とから大略構成される２次ループＱとから構成され、１次ループにおいて姿勢制御装置の測定結果に基づく目標出力電流値を設定し、２次ループにおいて出力電流を目標出力電流値に近似させた状態でアクチュエータに出力するカスケード制御を構成するものである。１次ループＰでは、静圧センサ／アンプ６０〜位置制御部２０に至るデジタル系にてゲイン６１と後述する位置制御部２０内の比例積分制御における各種ゲインを調整し、２次ループＱではゲイン３２を調整することにより、姿勢制御装置５０の最適な制御が実現できる。ここで、２次ループＱはアナログ系であることから、高精度な制御を実現するために、デジタル系におけるゲイン６１や位置制御部２０内の各種ゲインを、アナログ系におけるゲイン３２に比して相対的に大きくなるように調整することが望ましい。
【００３９】
図２は、位置制御部２０とその前後の関係を示したブロック図である。本実施形態では、位置制御部は比例積分制御に基づいて位置指令値とフィードバックされたゲイン６１との差分を制御し、Ｐ制御部２１からのＰゲイン２３とＩ制御部２２からのＩゲイン２４を加算器７２にて加算し、その結果（電流指令値ｉ＊）をＤ／Ａコンバータ７３を介して電流制御部３０に送るものである。なお、比例積分制御のほかにも、比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）やＨ∞制御などを位置制御部に適用することもできる。
【００４０】
図３は、電流制御部３０のブロック図を示したものである。電流制御部３０はアナログ系回路を構成しており、その内部は、Ｐ制御部３３と電流を増幅させる精密アンプ３４、アクチュエータに送られる電流値を計測する電流センサ３１とから構成されており、電流センサ３１にて測定された電流値をゲイン３２としてＰ制御部３３にフィードバックすることにより、実際にアクチュエータに送られる電流値を電流指令値ｉ＊に近似させるように制御するものである。
【００４１】
図４は、図２に示す位置制御部２０にＦＰＧＡデジタル回路８０を使用した場合のブロック図を示したものである。このＦＰＧＡデジタル回路８０を使用することで、システムの高速化や小型化、さらには、システム内の高周波ノイズの除去を効果的に実施することができる。なお、電流制御部にこのＦＰＧＡデジタル回路を使用する場合には、Ｄ／ＡコンバータおよびＡ／Ｄコンバータを併設することで適用可能である。
【００４２】
図５は姿勢制御装置５０の一実施形態を、図６は図５のＶＩ−ＶＩ矢視図をそれぞれ示している。姿勢制御装置５０は、上方が開放された筐体からなり、該筐体は、第一の面材５０ａと側壁５０ｃとから構成される。かかる筐体は、例えばＳＵＳ材から成形することができる。対向する側壁５０ｃ，５０ｃの間には第二の面材５０ｂが第二のアクチュエータ４０ｂ、４０ｂを介して装着されている。ここで、第一の面材５０ａと第二の面材５０ｂとの間には、第二の面材５０ｂが傾斜した場合でも双方が干渉しない程度の適宜の間隔Ｌが確保されている。図示する実施形態では、第二のアクチュエータ４０ｂのほかに、第二の面材５０ｂをＸ−Ｙ平面内に保持するために、複数のバネ５１，５１，…が側壁５０ｃと第二の面材５０ｂの間に介装されている。
【００４３】
第二のアクチュエータは、適宜の剛性を有する軸部材４０ｂ３と、超磁歪素子４０ｂ１および圧電素子４０ｂ２から構成されている。なお、超磁歪素子４０ｂ１は、素子のまわりに図示しないコイルが装着されており、コイルに電流が流れることによって生じる磁界によって伸張可能に構成されている。また、圧電素子４０ｂ２も、電圧が作用することによって該素子が伸張可能となっている。なお、超磁歪素子４０ｂ１と圧電素子４０ｂ２の作動の選択は、第二の面材５０ｂを比較的大きく動かす必要があるか否か等、加工段階に応じて適宜選択できるように構成されている。ここで、超磁歪素子４０ｂ１としては、従来と同様にジスプロニウムやテルビウムなどの希土類金属と鉄やニッケルの合金から成形することができ、圧電素子４０ｂ２としては、チタン酸ジルコン酸塩（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などから成形できる。
【００４４】
例えば、姿勢制御装置５０を平面台座上に載置した場合には、Ｘ−Ｙ平面（水平方向）に第二の面材５０ｂを変位させる際には第二のアクチュエータ４０ｂ、４０ｂを作動させ、Ｚ方向（鉛直方向）に変位させる際には、第一のアクチュエータ４０ａ，４０ａを作動させる。ここで、第一のアクチュエータ４０ａも第二のアクチュエータ４０ｂと同様に、適宜の剛性を有する軸部材４０ａ３と、超磁歪素子４０ａ１および圧電素子４０ａ２から構成されている。
【００４５】
第一の面材５０ａと第二の面材５０ｂとの間には、第一のアクチュエータ４０ａのほかに、球体５２が介装されている。かかる球体５２を詳細に説明した断面図が図７である。
【００４６】
球体５２は、例えば金属からなる球状のコア部５２ａと、該コア部５２ａの外周に設けられ、例えばグラファイトからなる被膜５２ｂとから構成できる。さらに、被膜５２ｂの外周には常温で弾性変形が可能な接着剤５３からなる被膜が形成されている。ここで、接着剤５２ｃは、例えば、引張りせん断接着強さが１０〜１５Ｍｐａ、減衰係数が２〜７Ｍｐａ・ｓｅｃで好ましくは４．５Ｍｐａ・ｓｅｃ、接着材のばね定数が、８０〜１３０ＧＮ／ｍで好ましくは１００ＧＮ／ｍの接着剤（弾性エポキシ系接着剤）を使用することができ、接着剤の厚みを０．２ｍｍ程度に設定することができる。
【００４７】
第一の面材５０ａおよび第二の面材５０ｂの球体５２と当接する箇所には、それぞれ凹部５０ａ１，５０ｂ１が穿設されており、球体５２は、それぞれの凹部５０ａ１，５０ｂ１内にその一部が収容されることで位置決めされる。また、球体５２の外周を被覆する接着剤５３は、凹部５０ａ１，５０ｂ１と接着している一方で、球体５２（を構成する被膜５２ｂ）と縁切りされており、球体５２は接着剤５３の被膜内で自由に回転することができる。
【００４８】
第二の面材５０ｂ上に任意の載置物が載置された姿勢で、第一のアクチュエータ４０ａおよび第二のアクチュエータ４０ｂが作動しながら載置物の姿勢制御をおこなう際には、接着剤５３からなる被膜が弾性変形することにより、第二の面材５０ｂの３次元的な自由変位を許容することが可能となる。この際、球体５２を構成するコア部材５２ａは載置物の重量を支持しながらも、その外周の接着剤５３からなる被膜を拘束することなく、定位置で回転しているのみである。したがって、球体５２は実質的には載置物の重量を支持するに過ぎず、球体５２と接着剤５３は相互に接着していないことから、第二の面材５０ｂの変位に応じて、接着剤５３は球体５２に何らの拘束も受けることなく自由に弾性変形することができる。したがって、第二の面材５０ｂは、接着剤５３の弾性変形による反作用力程度の極めて微小な拘束しか受けないことになる。
【００４９】
次に、上記する姿勢制御装置５０を搭載した精密加工装置１００の一実施形態を図８に基づいて説明する。
【００５０】
精密加工装置１００は、例えば、シリコンウエハなどの被研削体ａを粗研削〜最終の精密研削（最終仕上げ）まで一貫しておこなうことのできる研削装置である。精密加工装置１００を構成する台座１０９上には、砥石１０５を回転させる第一の回転装置１０２と該回転装置１０２を支持する第一の基台１０４、および、被研削体ａを吸引把持した姿勢で回転させる第二の回転装置１０１と該回転装置１０１を支持する第二の基台１０３とから大略構成されている。
【００５１】
第一の基台１０４は、サーボモータ１０６の出力軸に装着された送りねじ１０７に螺合されたナット１０８上に固定されており、ナット１０８の移動に応じて第一の回転装置１０２が対向する被研削体ａ側へ移動可能（矢印Ｘ方向）に構成されている。
【００５２】
一方、第二の基台１０３と第二の回転装置１０１との間には上記する姿勢制御装置５０が搭載されている。
【００５３】
砥石１０５は、研削加工段階で取り替え可能となっており、例えば、粗研削時にはダイヤモンド砥石を使用し、最終表面仕上げの段階ではＣＭＧ砥石を使用することができる。かかる研削加工方法においては、粗研削時にはナット１０８による移動に応じて被研削体ａ表面を粗研削し、最終の表面仕上げ時には順次、第一の回転装置１０２の被研削体ａへの圧力を調整しながら最終仕上げ研削をおこなうことができる。また、この粗研削工程〜最終研削工程の全過程においては、第一の回転装置１０２と第二の回転装置１０１双方の軸心のずれを姿勢制御装置５０にて適宜調整しながら研削加工をおこなっていく。
【実施例】
【００５４】
図９は、超磁歪素子のみからなるアクチュエータを装着した際の該アクチュエータの応答性能を示した実験結果である。超磁歪アクチュエータは、内部に超磁歪素子とそのまわりに巻装されたソレノイドコイルとから大略構成されている。このコイルに電流制御部から入力された電流が印加され、発生する磁界によって素子が磁化して変位（伸張）する。ここで、電流と変位の関係には磁束と磁界の関係によるヒステリシス現象が生じる。これは非線形要素であり、高精度な姿勢制御装置の位置決めに際してはかかるヒステリシス現象を補正する必要がある。図９ａの実験結果は、位置制御部におけるＰゲインを５、Ｉゲインを５０、振幅５０ｎｍとした指令値の場合の、該指令値（図中のＸ線で３３．３ｎｍ／ｄｉｖ）と、実際の変位量（図中のＹ線で３３．３ｎｍ／ｄｉｖ）と、アクチュエータに流れる電流（図中のＺ線で５０ｍＡ／ｄｉｖ）を示したものである。また、図１０ａは、図９ａの位置指令値−変位量特性を示すグラフであり、図１０ｂは、図９ａの電流−変位量特性を示すグラフである。一方、図９ｂの実験結果は、位置制御部におけるＰゲインを５、Ｉゲインを５、振幅５０ｎｍとした指令値の場合の、該指令値（図中のＸ線）と、実際の変位量（図中のＹ線）と、アクチュエータに流れる電流（図中のＺ線）を示したものである。また、図１１ａは、図９ｂの位置指令値−変位量特性を示すグラフであり、図１１ｂは、図９ｂの電流−変位量特性を示すグラフである。図１０ａと図１１ａ、および、図１０ｂと図１１ｂをそれぞれ比較してみると明らかなように、閉ループ制御においては、位置制御部のＩゲインを増加させることで、超磁歪Ｉゲインの磁気ヒステリシス現象の影響が効果的に抑制されることが分かった。これは、積分動作が誤差を積分した出力を出し、該誤差がゼロとなるようにゲインを調整しているためであると判断できる。
【００５５】
次に、実験結果に基づく図１２〜図１７を参照し、姿勢制御システムにノイズ対策を施した際のシステムの制御精度の改善に関して説明する。システムのノイズ対策に際しては、ノイズの発生源や伝播経路、ノイズを受ける機器を特定する必要がある。まず、ノイズの発生源を調査するために、システムの構成機器から発生するノイズに関して調査し、主なノイズ発生源が精密アンプ、直流安定化電源であることが判明した。精密アンプの感度が高いために電源系統から侵入するＡＣラインのノイズが精密アンプを介して伝わることを防止すべく、その対策として精密アンプ商用電源間にノイズフィルタトランスを配置し、精密アンプに伝わるノイズの低減およびシステムに侵入するノイズの低減を図った。さらに、本システムの電子回路基盤に用いられている直流安定化電源の出力リプルノイズが計測用プリント基盤の増幅器を介して増幅して制御信号に悪影響を与えることから、ローパスフィルタによって５０Ｈｚの電源リプル成分を除去した。さらに、姿勢制御装置上に３５０ｋｇｆを載荷した際の該姿勢制御装置の振動について検討し、フィルタによって振動対策を施した。
【００５６】
図１２ａは、１次ループにおける静圧センサおよびアンプ〜位置制御部に至るローパスフィルタ設置の一実施形態を示した回路図である。静圧センサ／アンプ６０の後段に、姿勢制御装置の荷重載荷時における固有振動除去用のローパスフィルタが設置され、ゲインＫ１の後段に直流安定化電源のリプルノイズ用のローパスフィルタが設置されている。図１２ｂは、ＡＣ電源ラインのノイズ対策の接続図を示したものであり、ノイズフィルタトランス３６が使用された実施例を示したものである。
【００５７】
図１３ａは、変位情報Ｘの位置制御部における直流安定化電源のリプルノイズを示したものであってローパスフィルタ設置前の結果であり、Ｘ線（１０ｍＶ／ｄｉｖ）は図１２ａのＸ点、Ｙ線（１００ｍＶ／ｄｉｖ）は図１２ａのＹ点、Ｚ線（１００ｍＶ／ｄｉｖ）は図１２ａのＺ点の各ノイズである。図１３ｂは、上記ノイズ対策としてカットオフ周波数３１．２５Ｈｚのローパスフィルタを設置した際の各点のリプルノイズを示しており、制御信号に伝わるノイズが抑制された波形となっていることが分かる。
【００５８】
図１４ａの波形は、精密アンプから発生するノイズが位置制御部のＤ／Ａコンバータに伝わる様子を示したものであってノイズフィルタトランス設置前の結果であり、図中のＸ線はＤ／Ａコンバータ出力（５０ｍＶ／ｄｉｖ）、Ｙ線は精密アンプ入力（５０ｍＶ／ｄｉｖ）、Ｚ線は、精密アンプ出力（１Ｖ／ｄｉｖ）をそれぞれ示している。精密アンプから発生するノイズが位置制御部のＤ／Ａコンバータに伝わる原因は、商用電源から混入するノイズがシステム全体へ混入するものと考えられる。そこで、その対策として、精密アンプおよび商用電源間にノイズフィルタトランスを設置し、精密アンプに伝わるＡＣラインのノイズの抑制を図る。ノイズフィルタトランス設置後の各ノイズ結果を図１４ｂに示している。さらに、複数機器のグランドとの結合の問題を考慮して、ノイズカットトランスを使用してオシロスコープからの影響を遮断した結果を図１４ｃに示している。
【００５９】
図１５は、荷重載荷時における姿勢制御装置の振動と荷重の関係を示している。荷重載荷時に５オングストローム、周波数１２〜１３Ｈｚの床振動と姿勢制御装置の振動との相対誤差による振動が生じることが分かった。そこで、図１２ａに示すように、センサ出力にカットオフ周波数５．５４〜３１．２５Ｈｚのローパスフィルタを設置し、制御信号に加わるノイズの抑制を図るシステムとしている。
【００６０】
図１６は、姿勢制御装置上に搭載荷重がない場合の位置指令値と実際の位置との関係を示した実験結果であり、（ａ）は既述するノイズ対策前の結果を、（ｂ）はノイズ対策後の結果を示している。ここで、図中のＸ＊は位置指令値を、Ｘは姿勢制御装置の変位量をそれぞれ示している。一方、図１７は、３５０ｋｇｆの載荷荷重が姿勢制御装置に付加された条件における同様の実験結果を示している。図１６ａより、位置指令値に対して測定値はシステムに侵入するノイズにより制御系が不安定となり、波形が歪んでおり、その結果として、Ｏｎｅ−Ｓｔｅｐに対する誤差が観測される。一方、図１６ｂは、ノイズ対策によってＯｎｅ−Ｓｔｅｐに対する誤差がほとんどなく、指令値に追従した定常偏差のない良好な波形となっている。なお、図１６ｂにおいて、Ｐゲインは３、Ｉゲインは１０に調整されている。さらに、図１７ａとｂとを比較しても、荷重載荷状態においても、同様の結果となることが見て取れる（図１７ｂではＰゲインは４、Ｉゲインは１に調整されている）。
【００６１】
既述するノイズ対策によって制御系が安定し、システムのゲイン調整や姿勢制御装置の計測結果のフィルタカットオフ周波数を調整することで、超磁歪アクチュエータの最小分解能である１オングストロームオーダの位置決めが実験により検証されている。この実験結果を示したものが図１８であり、（ａ）は載荷荷重がない場合を、（ｂ）は３５０ｋｇｆの載荷荷重がある場合を示したものである。図より、いずれの場合もオングストロームオーダの位置決め精度が確認でき、本姿勢制御システムの精度の高さを証明することができる。なお、かかる実験におけるＰゲインは１、Ｉゲインは１に調整されている。
【００６２】
なお、図１８の実験結果は、位置制御部にＦＰＧＡデジタル回路を使用したものではないため、かかるＦＰＧＡデジタル回路を使用した際には、さらに高精度で高速な位置決めを実現できるものと考えられる。
【００６３】
以上の実験結果より、１次ループと２次ループとからなるカスケード制御を実行し、ループのアナルグ系の指示信号に比してデジタル系の指示信号を相対的に高めるとともに、システムの適所にローパスフィルタなどのノイズ対策処理を施すことで、重量物（トンオーダー）を載荷した姿勢制御装置を高速度で、かつオングストロームオーダという高精度に位置決めすることが可能となる。
【００６４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の姿勢制御システムの一実施形態のブロック図。
【図２】図１における位置制御部の一実施形態のブロック図。
【図３】図１における電流制御部を含む２次ループの一実施形態のブロック図。
【図４】図２の位置制御部をＦＰＧＡデジタル回路とした実施形態のブロック図。
【図５】姿勢制御装置の一実施形態の平面図。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ矢視図。
【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視図。
【図８】姿勢制御装置を備えた精密加工装置の一実施形態の側面図。
【図９】（ａ）は、位置制御部におけるＰゲイン＝５，Iゲイン＝５０の場合の位置指令値と、実際の変位量と、アクチュエータに流れる電流を示した実験結果であり、（ｂ）は、位置制御部におけるＰゲイン＝５，Iゲイン＝５の場合の位置指令値と、実際の変位量と、アクチュエータに流れる電流を示した実験結果。
【図１０】（ａ）は、図９ａの位置指令値−変位量特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図９ａの電流−変位量特性を示すグラフ。
【図１１】（ａ）は、図９ｂの位置指令値−変位量特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図９ｂの電流−変位量特性を示すグラフ。
【図１２】（ａ）は、１次ループにおける静圧センサおよびアンプ〜位置制御部に至るローパスフィルタ設置の一実施形態を示した回路図であり、（ｂ）は、ＡＣ電源〜精密アンプ間のノイズ除去用フィルタトランスを示した図。
【図１３】（ａ）は、図１２ａのＸ，Ｙ，Ｚ点におけるリプルノイズを示した実験結果であり、ローパスフィルタを設置する前のノイズを示した図であり、（ｂ）は、図１２ａのＸ，Ｙ，Ｚ点におけるリプルノイズを示した実験結果であり、ローパスフィルタを設置した後のノイズを示した図。
【図１４】精密アンプから発生するノイズが位置制御部のＤ／Ａコンバータに伝わる様子を示した図であって、（ａ）は、ノイズフィルタトランスを設置する前のＤ／Ａコンバータ出力、精密アンプ入力、精密アンプ出力を示した実験結果であり、（ｂ）は、ノイズフィルタトランスを設置した後のＤ／Ａコンバータ出力、精密アンプ入力、精密アンプ出力を示した実験結果であり、（ｃ）は、ノイズフィルタトランスを設置した後でオシロスコープからの影響を遮断したＤ／Ａコンバータ出力、精密アンプ入力、精密アンプ出力を示した実験結果。
【図１５】姿勢制御装置における荷重−振動関係を示したグラフ。
【図１６】姿勢制御装置上に搭載荷重がない場合の位置指令値と実際の位置との関係を示したグラフであり、（ａ）はノイズ対策前の実験結果であり、（ｂ）はノイズ対策後の実験結果。
【図１７】姿勢制御装置上に搭載荷重がある場合の位置指令値と実際の位置との関係を示したグラフであり、（ａ）はノイズ対策前の実験結果であり、（ｂ）はノイズ対策後の実験結果。
【図１８】ノイズ対策とゲイン調整後の位置指令値と実際の位置との関係を示したグラフであり、（ａ）は姿勢制御装置上に搭載荷重がない場合の実験結果であり、（ｂ）は、姿勢制御装置上に搭載荷重がある場合の実験結果。
【符号の説明】
【００６６】
１０…位置指令値発信部、１１…指令ゲイン、２０…位置制御部、２１…P制御部、２２…Ｉ制御部、２３…Ｐゲイン、２４…Ｉゲイン、３０…電流制御部、３１…電流センサ、３２…ゲイン、３３…Ｐ制御部、３４…精密アンプ、４０…アクチュエータ、５０…姿勢制御装置、６０…静圧センサ／アンプ、６１…ゲイン、７１，７２…加算器、７３…Ｄ／Ａコンバータ、８０…ＦＰＧＡデジタル回路、１００…精密加工装置、１０１…第二の回転装置、１０２…第一の回転装置、１０３…第二の基台、１０４…第一の基台、１０５…砥石、Ｐ…１次ループ、Ｑ…２次ループ、ａ…被研削体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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