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JPH071454B2 - Control device for fine positioning device - Google Patents

Control device for fine positioning device

Info

Publication number
JPH071454B2
JPH071454B2 JP7627087A JP7627087A JPH071454B2 JP H071454 B2 JPH071454 B2 JP H071454B2 JP 7627087 A JP7627087 A JP 7627087A JP 7627087 A JP7627087 A JP 7627087A JP H071454 B2 JPH071454 B2 JP H071454B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
displacement
fine positioning
positioning device
flat plate
structural unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP7627087A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS63184113A (en
Inventor
潔 長澤
耕三 小野
浩二郎 緒方
健 村山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Construction Machinery Co Ltd filed Critical Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority to EP87201701A priority Critical patent/EP0264147B1/en
Priority to DE3788773T priority patent/DE3788773T2/en
Publication of JPS63184113A publication Critical patent/JPS63184113A/en
Priority to US07/244,168 priority patent/US4888878A/en
Priority to US07/244,102 priority patent/US5005298A/en
Priority to US07/244,169 priority patent/US4920660A/en
Priority to US07/244,101 priority patent/US4991309A/en
Publication of JPH071454B2 publication Critical patent/JPH071454B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、サブμmオーダの微細な変位制御を行なう微
細位置決め装置に関する。
The present invention relates to a fine positioning device for performing fine displacement control on the order of sub-μm.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、各種技術分野においては、サブμmオーダーの微
細な変位調節が可能である装置が要望されている。その
典型的な例がLSI(大規模集積回路)、超LSIの製造工程
において使用されるマスクアライナ、電子線描画装置等
の半導体製造装置である。これらの装置においては、サ
ブμmオーダーの微細な位置決めが必要であり、位置決
めの精度が向上するにしたがってその集積度も増大し、
高性能の製品を製造することができる。このような微細
な位置決めは上記半導体装置に限らず、電子顕微鏡をは
じめとする各種の高倍率光学装置等においても必要であ
り、その精度向上により、バイオテクノロジー、宇宙開
発等の先端技術においてもそれらの発展に大きく寄与す
るものである。
In recent years, in various technical fields, a device capable of fine displacement adjustment on the order of sub-μm has been demanded. A typical example thereof is a semiconductor manufacturing apparatus such as an LSI (Large Scale Integrated Circuit), a mask aligner used in a manufacturing process of a VLSI, an electron beam drawing apparatus and the like. These devices require fine positioning on the order of sub-μm, and the degree of integration increases as the positioning accuracy improves.
High-performance products can be manufactured. Such fine positioning is necessary not only in the above-mentioned semiconductor device but also in various high-magnification optical devices such as electron microscopes, and by improving the accuracy, they can be used in advanced technologies such as biotechnology and space development. Will greatly contribute to the development of.

従来、このような微細位置決め装置として、第7図に示
す装置が提案されている。即ち、第7図は従来の微細位
置決め装置の側面図である。図で、1は支持台、2a,2b
は支持台1上に互いに平行に固定された板状の平行ば
ね、3は平行ばね2a,2b上に固定された剛性の高い微動
テーブルである。4は支持台1と微動テーブル3との間
に装架された微動アクチユエータである。この微動アク
チユエータ4には、圧電素子、電磁ソレノイド等が用い
られ、これを励起することにより、微動テーブル3に図
中に示す座標軸のx軸方向の力が加えられる。5は微動
アクチユエータ4の電源を示す。
Conventionally, an apparatus shown in FIG. 7 has been proposed as such a fine positioning apparatus. That is, FIG. 7 is a side view of a conventional fine positioning apparatus. In the figure, 1 is a support, 2a, 2b
Is a plate-shaped parallel spring fixed on the support base 1 in parallel with each other, and 3 is a highly rigid fine movement table fixed on the parallel springs 2a and 2b. Reference numeral 4 denotes a fine movement actuator mounted between the support base 1 and the fine movement table 3. A piezoelectric element, an electromagnetic solenoid, or the like is used for the fine movement actuator 4, and when it is excited, a force in the x-axis direction of the coordinate axis shown in the drawing is applied to the fine movement table 3. Reference numeral 5 indicates a power supply for the fine movement actuator 4.

ここで、平行ばね2a,2bはその構造上、x軸方向の剛性
は低く、これに対してZ軸方向、y軸方向(紙面に垂直
な方向)の剛性が高いので、微動アクチユエータが励起
されると、微動テーブル3はほぼx軸方向にのみ変位
し、他方向の変位はほとんど発生しない。したがつて、
微動アクチユエータ4を励起することにより、図示破線
に示すように微動テーブル3をx軸方向に距離εだけ
微小変位させることができる。
Because of the structure of the parallel springs 2a and 2b, the rigidity in the x-axis direction is low, while the rigidity in the Z-axis direction and the y-axis direction (direction perpendicular to the paper surface) is high, so that the fine motion actuator is excited. Then, the fine movement table 3 is displaced substantially only in the x-axis direction, and the displacement in the other direction hardly occurs. Therefore,
By exciting the fine movement actuator 4, the fine movement table 3 can be finely displaced by the distance ε 1 in the x-axis direction as shown by the broken line in the figure.

ところで、微動テーブル3はx軸方向以外の方向の変位
はほとんど生じないとはいえ、平行ばね2a,2bが破線の
ように変形することにより微動テーブル3はz軸方向
(図で下方)に変位する。
By the way, although the fine movement table 3 is hardly displaced in directions other than the x-axis direction, the fine movement table 3 is displaced in the z-axis direction (downward in the figure) due to deformation of the parallel springs 2a and 2b as shown by the broken lines. To do.

この変位(横変位)は極めて僅かであるが、高精度の微
細位置決めが要求される場合には無視し得ない重大な誤
差の原因となる。
Although this displacement (lateral displacement) is extremely small, it causes a serious error that cannot be ignored when high-precision fine positioning is required.

このような横変位を生じない微細位置決め装置が本出願
人等により、特願昭60−46443号で提案されている。こ
れを図により説明する。第8図(a),(b)は提案さ
れた微細位置決め装置の側面図である。図で、10,11a,1
1bは剛体部、14a1,14a2は剛体部10,11a間に互いに平行
に連結された平行たわみ梁である。平行たわみ梁14a1,1
4a2は剛体部にあけた貫通孔12aにより形成される。14
b1,14b2は剛体部10,11b間に互いに平行に連結された平
行たわみ梁であり、剛体部にあけられた貫通孔12bによ
り形成される。16a,16bは圧電アクチユエータであり、
それぞれ貫通孔12a,12b内に突出した剛体部からの突出
部間に装着されている。剛体部10の中心から左方の構成
により平行たわみ梁変位機構19aが、又、右方の構成に
より平行たわみ梁変位機構19bが構成される。
A fine positioning device which does not cause such a lateral displacement has been proposed by the present applicant in Japanese Patent Application No. 60-46443. This will be described with reference to the drawings. 8 (a) and 8 (b) are side views of the proposed fine positioning device. In the figure, 10,11a, 1
Reference numeral 1b is a rigid body portion, and 14a 1 and 14a 2 are parallel flexible beams connected in parallel to each other between the rigid body portions 10 and 11a. Parallel flexible beam 14a 1 , 1
4a 2 is formed by a through hole 12a formed in the rigid body portion. 14
b 1 and 14b 2 are parallel flexural beams connected in parallel to each other between the rigid body portions 10 and 11b, and are formed by through holes 12b formed in the rigid body portions. 16a and 16b are piezoelectric actuators,
They are mounted between the protrusions from the rigid body that protrude into the through holes 12a and 12b, respectively. A parallel flexural beam displacement mechanism 19a is configured by the configuration on the left side of the center of the rigid body portion 10, and a parallel flexural beam displacement mechanism 19b is configured by the configuration on the right side.

ここで、座標軸を図示のように定める(y軸は紙面に垂
直な方向)。今、圧電アクチユエータ16a,16bに同時に
電圧を印加して同一大きさのZ軸方向の力fを発生させ
る。このとき、一方の平行たわみ梁変位機構、例えば平
行たわみ梁変位機構19aに生じる変位について考える。
圧電アクチユエータ16aに電圧が印加されることによ
り、剛体部10は力fによりz軸方向に押圧されることに
なる。このため、平行たわみ梁14a1,14a2は第7図に示
す平行ばね2a,2bと同じように曲げ変形を生じ、剛体部1
0は第8図(b)に示すようにz軸方向に変位する。こ
のとき、仮に他方の平行たわみ梁変位機構19bが存在し
ないとすると剛体部10には極めて微小ではあるが前述の
横変位をも同時に生じるはずである。
Here, the coordinate axes are defined as shown (the y axis is the direction perpendicular to the paper surface). Now, a voltage is applied to the piezoelectric actuators 16a and 16b at the same time to generate a force f in the Z-axis direction of the same magnitude. At this time, a displacement occurring in one of the parallel flexible beam displacement mechanisms, for example, the parallel flexible beam displacement mechanism 19a will be considered.
When the voltage is applied to the piezoelectric actuator 16a, the rigid portion 10 is pressed in the z-axis direction by the force f. Therefore, the parallel flexible beams 14a 1 and 14a 2 undergo bending deformation in the same manner as the parallel springs 2a and 2b shown in FIG.
0 is displaced in the z-axis direction as shown in FIG. 8 (b). At this time, if the other parallel flexible beam displacement mechanism 19b does not exist, the lateral displacement described above should occur at the same time in the rigid portion 10 although it is extremely small.

又、平行たわみ梁変位機構19aが存在しない場合、他方
の平行たわみ梁変位機構19bに生じる変位について考え
ると、平行たわみ梁変位機構19bは剛体部10の中心を通
るy軸方向に沿う面(基準面)に対して平行たわみ梁変
位機構19aと面対称に構成されていることから、基準面
に関して面対称な力fを受けると上記と同様に、剛体部
10にはz軸方向の変位と同時に上記横変位が生じ、その
大きさや方向は、平行たわみ梁変位機構19aのそれと基
準面に関して面対称となる。すなわち、上記横変位につ
いてみると、平行たわみ梁変位機構19aに生じる横変位
は、x軸方向の変位については図で左向き、y軸まわり
の回転変位については図で反時計方向に生じ、一方、平
行たわみ梁変位機構19aに生じる横変位は、x軸方向変
位については図で右向き、y軸まわりの回転変位につい
ては図で時計方向に生じる。そして、それら各x軸方向
変位の大きさおよびy軸まわりの回転変位の大きさは等
しい。したがつて、両者に生じる横変位は互いにキヤン
セルされる。この結果、力fが加わつたことにより、各
平行たわみ梁14a1,14a2,14b1,14b2にその長手方向の伸
びによる僅かな内部応力の増大が生じるだけで、剛体部
10はz軸方向のみの変位(主変位)εを生じる。
Further, when the parallel flexible beam displacement mechanism 19a does not exist, considering the displacement generated in the other parallel flexible beam displacement mechanism 19b, the parallel flexible beam displacement mechanism 19b is a surface along the y-axis direction passing through the center of the rigid body part 10 (reference Since it is configured to be plane-symmetric with the flexural beam displacement mechanism 19a parallel to the plane), when a force f that is plane-symmetric with respect to the reference plane is received, the rigid body part
The lateral displacement occurs at the same time as the displacement in the z-axis direction, and the magnitude and direction thereof are plane-symmetric with that of the parallel flexible beam displacement mechanism 19a with respect to the reference plane. That is, regarding the lateral displacement, the lateral displacement generated in the parallel flexible beam displacement mechanism 19a is leftward in the figure for displacement in the x-axis direction, and counterclockwise in the figure for rotational displacement around the y-axis. The lateral displacement occurring in the parallel flexural beam displacement mechanism 19a occurs rightward in the figure for displacement in the x-axis direction and clockwise in the figure for rotational displacement around the y-axis. The magnitude of each x-axis direction displacement and the magnitude of rotational displacement about the y-axis are equal. Therefore, the lateral displacements that occur on both sides cancel each other. As a result, the force f is applied to each of the parallel flexible beams 14a 1 , 14a 2 , 14b 1 and 14b 2 only to cause a slight increase in the internal stress due to the elongation in the longitudinal direction.
10 produces displacement (main displacement) ε only in the z-axis direction.

圧電アクチユエータ16a,16bに印加されている電圧が除
かれると、各平行たわみ梁14a1,14a2,14b1,14b2は変形
前の状態に復帰し、平行たわみ梁変位機構19a,19bは第
8図(a)に示す状態に戻り、変位εは0となる。
When the voltage applied to the piezoelectric actuators 16a, 16b is removed, each of the parallel flexible beams 14a 1 , 14a 2 , 14b 1 , 14b 2 returns to the state before deformation, and the parallel flexible beam displacement mechanisms 19a, 19b become Returning to the state shown in FIG. 8A, the displacement ε becomes zero.

このように、第8図(a)に示す装置では、1つの軸方
向に沿う変位(並進変位)を横変位を生じることなく実
施することができ、変位の精度を飛躍的に向上させるこ
とができる。
As described above, in the device shown in FIG. 8A, displacement (translational displacement) along one axial direction can be performed without causing lateral displacement, and the accuracy of displacement can be dramatically improved. it can.

本出願人等は、さらに前記特願昭60−46443号により、
上記並進変位とは異なり、1つの軸まわりに微細回転変
位を生じる微細位置決め装置をも提案した。これを図に
より説明する。第9図(a),(b)は回転変位を生じ
る提案された微細位置決め装置の側面図である。図で、
20,21a,21bは剛体部、24a1,24b2,24b1,24b2は放射たわ
み梁である。各放射たわみ梁24a1,24a2,24b1,24b2は剛
体部20の中心を通る紙面に垂直な軸Oに対して一点鎖線
L1,L2に沿つて放射状に延びており、それぞれ隣接する
剛体部間を連結している。放射たわみ梁24a1,24a2は貫
通孔22aをあけることにより形成され、又、放射たわみ
梁24b1,24b2は貫通孔22bをあけることにより形成され
る。26a,26bは圧電アクチユエータであり、それぞれ貫
通孔22a,22bに剛体部から突出した突出部間に装着され
ている。軸Oの左側の構成により放射たわみ梁変位機構
29aが、又、右側の構成により放射たわみ梁変位機構29b
が構成される。
The applicant of the present invention, further, by the above-mentioned Japanese Patent Application No. 60-46443,
In addition to the above-mentioned translational displacement, a fine positioning device that produces a fine rotational displacement about one axis has also been proposed. This will be described with reference to the drawings. 9 (a) and 9 (b) are side views of the proposed fine positioning device which causes rotational displacement. In the figure,
20, 21a and 21b are rigid bodies, and 24a 1 , 24b 2 , 24b 1 and 24b 2 are radiating flexible beams. Each radiating flexible beam 24a 1 , 24a 2 , 24b 1 , 24b 2 is an alternate long and short dash line with respect to an axis O perpendicular to the plane of the paper passing through the center of the rigid body 20.
It extends radially along L 1 and L 2 , and connects adjacent rigid body portions. The radial flexible beams 24a 1 and 24a 2 are formed by forming the through holes 22a, and the radial flexible beams 24b 1 and 24b 2 are formed by forming the through holes 22b. Reference numerals 26a and 26b denote piezoelectric actuators, which are mounted in the through holes 22a and 22b between the protruding portions protruding from the rigid body portion. Radial flexible beam displacement mechanism by the configuration on the left side of the axis O
29a is also a radial flexible beam displacement mechanism 29b due to the configuration on the right side.
Is configured.

今、圧電アクチユエータ26a,26bに同時に所定の電圧を
印加して同一の大きさの、中心軸Oを中心とする円に対
する接線方向の力fを発生させる。そうすると、剛体部
20の左方の突出部は圧電アクチユエータ26aに発生した
力により上記接線に沿つて上向きに押され、剛体部20の
右方の突出部は圧電アクチユエータ26bに発生した力に
より上記接線に沿つて下向きに押される。剛体部20は両
剛体部21a,21bに放射たわみ梁24a1,24a2,24b1,24b2で連
結された形となつているので、上記の力を受けた結果、
第9図(b)に示すように放射たわみ梁24a1,24a2,24
b1,24b2の剛体部21a,21bに連結されている部分は点Oか
ら放射状に延びる直線L1,L2上にあるが、剛体部20に連
結されている部分は、上記直線L1,L2から僅かにずれた
直線(この直線も点Oから放射状に延びる直線であ
る。)L1′,L2′上にずれる微小変位を生じる。このた
め、剛体部20は図で時計方向に微小角度δだけ回動す
る。この回転変位δの大きさは、放射たわみ梁24a1,24a
2,24b1,24b2の曲げに対する剛性により定まるので、力
fを正確に制御すれば、回転変位δもそれと同じ精度で
制御できることになる。
Now, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric actuators 26a and 26b at the same time to generate a force f of the same magnitude in the tangential direction with respect to a circle centered on the central axis O. Then, the rigid body part
The protrusion on the left side of 20 is pushed upward along the tangent line by the force generated in the piezoelectric actuator 26a, and the protrusion on the right side of the rigid body portion 20 is moved downward along the tangent line by the force generated in the piezoelectric actuator 26b. Pushed by. Since the rigid body portion 20 is connected to both the rigid body portions 21a and 21b by the flexural beams 24a 1 , 24a 2 , 24b 1 and 24b 2 , as a result of receiving the above force,
As shown in FIG. 9 (b), the radiating flexible beams 24a 1 , 24a 2 , 24
The portions of b 1 and 24b 2 that are connected to the rigid body portions 21a and 21b are on straight lines L 1 and L 2 that extend radially from the point O, but the portion that is connected to the rigid body portion 20 is the above straight line L 1 , L 2 slightly deviated from L 2 (this straight line also extends radially from the point O) L 1 ′, L 2 ′ is displaced slightly on the displacement. Therefore, the rigid body portion 20 rotates clockwise by a minute angle δ in the figure. The magnitude of this rotational displacement δ is determined by the radial flexible beams 24a 1 and 24a.
Since it is determined by the rigidity of 2 , 24b 1 and 24b 2 against bending, if the force f is accurately controlled, the rotational displacement δ can be controlled with the same accuracy.

圧電アクチユエータ26a,26bに印加されている電圧が除
かれると、放射たわみ梁24a1,24a2,24b1,24b2は変形前
の状態に復帰し、回転変位機構は第9図(a)に示す状
態に戻り、変位δは0となる。
When the voltage applied to the piezoelectric actuators 26a, 26b is removed, the radiating flexible beams 24a 1 , 24a 2 , 24b 1 , 24b 2 return to the state before deformation, and the rotary displacement mechanism is shown in FIG. 9 (a). Returning to the state shown, the displacement δ becomes zero.

さて、以上述べた微細位置決め装置において、所望の変
位を高い精度で得るためには、各アクチユエータに印加
する電圧を正確に制御する必要がある。このため用いら
れていた並進変位の場合の制御手段を第7図に示す装置
について第10図により説明する。
In the fine positioning device described above, in order to obtain a desired displacement with high accuracy, it is necessary to accurately control the voltage applied to each actuator. The control means used for this purpose in the case of translational displacement will be described with reference to FIG. 10 for the device shown in FIG.

第10図は従来の制御装置の系統図である。図で、6は第
7図に示すものと同じ微細位置決め装置であり、同一部
分には同一符号が付されている。7は微動テーブル3の
変位方向端面に取付けられたミラーである。30はレーザ
測長器であり、微動テーブル3の微小変位を正確に測定
する。このレーザ測長器30はレーザヘツド31、インタフ
エロメータ32、レシーバ33およびパルスコンパレータ34
を備えている。レーザヘツド31には、例えば2周波He−
Neレーザヘツドが用いられ、僅かに異なる周波数f1,f2
のレーザ光を出力するとともに、当該周波数f1,f2の差
に比例する信号(f1−f2)をも出力する。インタフエロ
メータ32はレーザヘツド31から出力されたレーザ光のう
ち周波数f1のレーザ光のみをミラー7に送る。レシーバ
33はインタフエロメータ32から送られてくるレーザ光の
周波数に基づいて演算された信号を出力する。パルスコ
ンパレータ34はレーザヘツド31からの信号とレシーバ33
の信号とを加算し、これに基づく信号をレーザ測長器30
の信号として出力する。
FIG. 10 is a system diagram of a conventional control device. In the figure, 6 is the same fine positioning device as that shown in FIG. 7, and the same parts are designated by the same reference numerals. Reference numeral 7 denotes a mirror attached to the end face of the fine movement table 3 in the displacement direction. Reference numeral 30 is a laser length measuring device, which accurately measures a minute displacement of the fine movement table 3. The laser length measuring device 30 includes a laser head 31, an interferometer 32, a receiver 33 and a pulse comparator 34.
Is equipped with. The laser head 31 has, for example, a 2-frequency He-
Ne laser head is used and slightly different frequencies f 1 and f 2
In addition to outputting the laser light of, the signal (f 1 −f 2 ) proportional to the difference between the frequencies f 1 and f 2 is also output. The interferometer 32 sends only the laser light of the frequency f 1 out of the laser light output from the laser head 31 to the mirror 7. Receiver
Reference numeral 33 outputs a signal calculated based on the frequency of the laser light sent from the interferometer 32. The pulse comparator 34 receives the signal from the laser head 31 and the receiver 33.
The signal based on this is added, and the signal based on this is added
Output as a signal.

35は微細位置決め装置6の目標変位量Lに応じた信号V
を出力する信号変換器、36はレーザ測長器30の出力をこ
れに応じた信号V′に変換して出力する信号変換器、3
7,38は加算器、39はピエゾ増幅器である。ピエゾ増幅器
39はアクチユエータ4に対して所要の電圧を出力する。
35 is a signal V corresponding to the target displacement amount L of the fine positioning device 6.
3 is a signal converter for outputting the laser beam length measuring device 30 and a signal converter 36 for converting the output of the laser length measuring device 30 into a signal V'corresponding thereto
7, 38 are adders and 39 is a piezo amplifier. Piezo amplifier
39 outputs a required voltage to the actuator 4.

上記制御装置の動作を説明する。レーザヘツド31からの
各レーザ光はインタフエロメータ32に入力され、周波数
f1のレーザ光のみミラー7に照射される。このとき微動
テーブル3が変位すると照射されたレーザ光には、ドツ
プラ効果によりドツプラ変調が発生し、ミラー7から反
射されるレーザ光の周波数は(f1±Δf)となる。この
反射レーザ光はインタフエロメータ32を経て周波数f2
レーザ光とともにレシーバ33に入力され、レシーバ33で
は、これら2つのレーザ光の周波数に基づき{f2−(f1
±Δf1)}の演算がなされ、これに応じた信号が出力さ
れる。一方、レーザヘツド31からは各レーザ光の周波数
の差に応じた信号(f1−f2)が出力され、レシーバ33の
信号とともにパルスコンパレータ34に入力される。パル
スコンパレータ34では両入力値に基づいて{(f1−f2
+f2−(f1±Δf1)}の演算が実行され、この結果、信
号±Δf1がとり出される。この信号±Δf1は微動テーブ
ル3の変位に応じた信号である。
The operation of the control device will be described. Each laser beam from the laser head 31 is input to the interferometer 32 and
Only the laser light of f 1 is applied to the mirror 7. At this time, when the fine movement table 3 is displaced, the irradiated laser light undergoes Doppler modulation due to the Doppler effect, and the frequency of the laser light reflected from the mirror 7 becomes (f 1 ± Δf). The reflected laser light is input to the receiver 33 together with the laser light having the frequency f 2 via the interferometer 32. At the receiver 33, {f 2 − (f 1
± Δf 1 )} is calculated, and a signal corresponding to this is output. On the other hand, the laser head 31 outputs a signal (f 1 −f 2 ) corresponding to the difference in the frequency of each laser beam, and is input to the pulse comparator 34 together with the signal of the receiver 33. In the pulse comparator 34, based on both input values, {(f 1 −f 2 )
The calculation + f 2 − (f 1 ± Δf 1 )} is executed, and as a result, the signal ± Δf 1 is extracted. This signal ± Δf 1 is a signal corresponding to the displacement of the fine movement table 3.

一方、信号変換器35は微動テーブル3の目標変位Lに応
じた信号Vを出力する。又、信号変換器36はパルスコン
パレータ34の出力に応じた信号V′を出力する。この信
号V′は微動テーブル3の実際の変位量に対応する。信
号変換器35,36の出力は加算器37に入力され、両者の偏
差ΔV(ΔV=V−V′)が演算され、又、加算器38は
この偏差ΔVと信号変換器35の出力信号Vを加算する。
加算器38の出力信号(V+ΔV)はピエゾ増幅器39に出
力され、ピエゾ増幅器39はこの信号に比例したアクチユ
エータ4の駆動電圧{k(V+ΔV)}を出力する。
On the other hand, the signal converter 35 outputs a signal V corresponding to the target displacement L of the fine movement table 3. Further, the signal converter 36 outputs a signal V'corresponding to the output of the pulse comparator 34. This signal V'corresponds to the actual displacement amount of the fine movement table 3. The outputs of the signal converters 35 and 36 are input to the adder 37, and the deviation ΔV (ΔV = V−V ′) between the two is calculated, and the adder 38 outputs the deviation ΔV and the output signal V of the signal converter 35. Is added.
The output signal (V + ΔV) of the adder 38 is output to the piezo amplifier 39, and the piezo amplifier 39 outputs the drive voltage {k (V + ΔV)} of the actuator 4 proportional to this signal.

このような制御手段により、アクチユエータ4には最終
的に偏差ΔVが0になるように電圧が印加されることに
なり、これにより、微動テーブル3に正確に所望の変位
Lを発生させることができる。
By such control means, a voltage is applied to the actuator 4 so that the deviation ΔV finally becomes 0, whereby the desired displacement L can be accurately generated on the fine movement table 3. .

なお、第8図(a)および第9図(a)に示す微細位置
決め装置に対しても、変位部(剛体部10,20)にミラー
を取付けることにより上記制御装置を適用できるのは明
らかである。
It is obvious that the above control device can be applied to the fine positioning device shown in FIGS. 8 (a) and 9 (a) by attaching a mirror to the displacement portion (rigid body portions 10 and 20). is there.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

ところで、上記制御装置にはレーザ測長器が使用される
が、このレーザ測長器はその容積が極めて大きく、か
つ、高価であり、個々の微細位置決め装置に対してそれ
ぞれ設置することは現実的に不可能である。したがつ
て、第8図(a)又は第9図(a)に示す優れた微細位
置決め装置を用いた場合、相当高精度の変位は得られる
ものの、それ以上の精度の変位を得るのは必ずしも容易
ではなく、折角の優れた微細位置決め装置の機能を充分
に発揮せしめることができないという問題があつた。
By the way, a laser length-measuring device is used for the control device, but the laser length-measuring device has an extremely large volume and is expensive, and it is practical to install it for each fine positioning device. Impossible. Therefore, when the excellent fine positioning device shown in FIG. 8 (a) or FIG. 9 (a) is used, displacement with considerably high accuracy can be obtained, but displacement with higher accuracy is not necessarily obtained. There is a problem that it is not easy and the function of the fine positioning device having an excellent bending angle cannot be fully exerted.

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、高精度
の変位制御を行なうことができる微細位置決め装置の制
御装置を提供するにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a control device of a fine positioning device capable of performing highly accurate displacement control.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

上記の目的を達成するため、本発明は、2つの剛体間に
対向配置された板状たわみ梁および前記剛体間に作用さ
せるアクチユエータを備えた平板構造単位を対称的に連
結した微細位置決め装置において、前記各平板構造単位
毎に配置されその変位に関与する値を検出する各変位検
出手段と、前記微細位置決め装置の目標変位量を設定す
るとともにこの目標変位量に対応した前記各平板構造単
位の変位に関与する値を出力する変位設定手段と、前記
変位設定手段から出力される前記各平板構造単位の変位
に関与する各値と前記各変位検出手段で検出された値と
の各偏差に基づいてこれら各偏差をなくすように前記ア
クチユエータに与える電圧を制御する制御手段とを設け
たことを特徴とする。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a fine positioning device in which flat plate structural units each having a plate-shaped flexible beam and an actuator for acting between the rigid bodies are arranged symmetrically to each other. Displacement detecting means arranged for each of the flat plate structure units to detect a value relating to the displacement, and a target displacement amount of the fine positioning device are set, and a displacement of each flat plate structure unit corresponding to the target displacement amount is set. Displacement setting means for outputting a value involved in the, based on each deviation between each value involved in the displacement of each flat plate structure unit output from the displacement setting means and the value detected by each displacement detecting means Control means for controlling the voltage applied to the actuator is provided so as to eliminate each of these deviations.

〔作用〕[Action]

変位設定手段に目標変位量を設定すると、当該変位設定
手段からは設定された目標変位量を得るために必要な各
平板構造単位の変位に関与する値が出力され、これら各
値に応じて各平板構造単位のアクチユエータが駆動され
る。これにより、各平板構造単位の板状たわみ梁がたわ
んで微細位置決め装置が変位するとともに、各変位検出
手段で検出した変位に関与する値が出力される。そし
て、これら各値と前記変位設定手段から出力される各変
位に関与する値とが一致するように各平板構造単位のア
クチユエータに印加する電圧が制御される。この結果、
微細位置決め装置は目標変位量で変位せしめられる。
When the target displacement amount is set in the displacement setting means, the displacement setting means outputs a value relating to the displacement of each flat plate structural unit necessary for obtaining the set target displacement amount, and each value corresponding to each of these values is output. The actuator of the flat plate structure unit is driven. As a result, the plate-shaped flexible beam of each flat plate structure unit is deflected to displace the fine positioning device, and a value related to the displacement detected by each displacement detection means is output. Then, the voltage applied to the actuator of each flat plate structure unit is controlled so that these respective values and the values relating to the respective displacements output from the displacement setting means coincide with each other. As a result,
The fine positioning device is displaced by the target displacement amount.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

第1図は本発明の実施例に係る微細位置決め装置の制御
装置のブロツク図であるが、この制御装置を説明する前
に当該制御装置が使用される微細位置決め装置について
図により説明する。
FIG. 1 is a block diagram of a control device for a fine positioning device according to an embodiment of the present invention. Before describing this control device, a fine positioning device in which the control device is used will be described with reference to the drawings.

第2図(a),(b)は本発明の実施例に係る微細位置
決め装置の側面図である。図で、第8図(a)に示す部
分と同一部分には同一部号が付してある。40a1,40a2,40
a3,40a4は平行たわみ梁変位機構19aにおいて、平行たわ
み梁14a1,14a2の各剛体部10,11aとの連結部に貼着され
たひずみゲージである。又、40b1,40b2,40b3,40b4は同
じく平行たわみ梁変位機構19bにおいて平行たわみ梁14b
1,14b2の各剛体部10,11bとの連結部に貼着されたひずみ
ゲージである。各ひずみゲージは、与えられたひずみに
応じてその抵抗値を変化する。
2 (a) and 2 (b) are side views of the fine positioning apparatus according to the embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those shown in FIG. 8 (a) are designated by the same reference numerals. 40a 1 , 40a 2 , 40
Reference numerals a 3 and 40a 4 are strain gauges attached to the joint portions of the parallel flexible beams 14a 1 and 14a 2 with the rigid body portions 10 and 11a in the parallel flexible beam displacement mechanism 19a. Further, 40b 1 , 40b 2 , 40b 3 and 40b 4 are also parallel flexible beams 14b in the parallel flexible beam displacement mechanism 19b.
The strain gauges are attached to the connecting portions of 1 and 14b 2 with the rigid body portions 10 and 11b. Each strain gauge changes its resistance value according to the applied strain.

この微細位置決め装置は第8図(a),(b)に示す装
置の動作の説明において述べたように、圧電アクチユエ
ータ16a,16bに所定の電圧を印加することにより各平行
たわみ梁14a1〜14b2がたわみ、所定の並進変位を生じ
る。この変位量Lは圧電アクチユエータ16a,16bに印加
する電圧に比例する。一方、各平行たわみ梁14a1〜14b2
がたわむと、各ひずみゲージにはひずみが生じてその抵
抗値が変化する。したがつて、これらひずみゲージを適
宜な電気回路に構成すれば各平行たわみ梁14a1〜14b2
ひずみ量を検出することができる。
The fine positioning apparatus FIG. 8 (a), as mentioned in the description of the operation of the apparatus (b), the piezoelectric actuator 16a, the parallel bending beams 14a by applying a predetermined voltage to 16b 1 ~14b 2 bends, causing a given translational displacement. This displacement amount L is proportional to the voltage applied to the piezoelectric actuators 16a and 16b. On the other hand, each of the parallel flexible beams 14a 1 to 14b 2
When the strain is deflected, strain is generated in each strain gauge and its resistance value changes. Therefore, if these strain gauges are configured in an appropriate electric circuit, the amount of strain of each of the parallel flexible beams 14a 1 to 14b 2 can be detected.

ところで、第2図(a)に示すような対称形の微細位置
決め装置においては、平行たわみ梁変位機構19a,19bを
完全に同一に構成することは不可能であり、両者の対応
する部分間における寸法のバラツキ等を避けることはで
きない。又、圧電アクチユエータ16a,16bの特性にも多
少の差が存在する。このため、圧電アクチユエータ16a,
16bに同一電圧を印加しても、微細位置決め装置は第8
図(b)に示すような並進変位は行なわず、第2図
(b)に示すようにいずれかの側に回転変位する。(な
お、この回転変位は極端に誇張して描かれている。又、
ひずみゲージの図示は省略されている。)この回転変位
が符号αで示されている。換言すれば、圧電アクチユエ
ータ16a,16bに同一電圧を印加した場合、平行たわみ梁1
4a1,14a2のたわみによるひずみ量と、平行たわみ梁14
b1,14b2のたわみによるひずみ量とは異なることにな
る。もし、両ひずみ量が等しければ、これらひずみ量が
微細位置決め装置の変位量となるが、異なる場合は上述
の回転変位を生じ、正確な微細位置決めを行なうことは
できなくなる。
By the way, in the symmetrical fine positioning device as shown in FIG. 2 (a), it is impossible to configure the parallel flexible beam displacement mechanisms 19a, 19b completely identically, and the corresponding portions between the two are not provided. Inevitable variations in dimensions are unavoidable. In addition, there are some differences in the characteristics of the piezoelectric actuators 16a and 16b. Therefore, the piezoelectric actuator 16a,
Even if the same voltage is applied to 16b, the fine positioning device
The translational displacement shown in FIG. 2B is not performed, but the displacement is rotationally displaced to either side as shown in FIG. 2B. (Note that this rotational displacement is exaggerated.
Illustration of the strain gauge is omitted. ) This rotational displacement is indicated by the symbol α. In other words, when the same voltage is applied to the piezoelectric actuators 16a and 16b, the parallel flexible beam 1
Strain amount due to deflection of 4a 1 and 14a 2 and parallel deflection beam 14
This is different from the amount of strain due to the bending of b 1 and 14b 2 . If the two strain amounts are equal, these strain amounts become the displacement amount of the fine positioning device, but if they are different, the above-mentioned rotational displacement occurs and accurate fine positioning cannot be performed.

そこで、本実施例においては、平行たわみ梁変位機構19
aの平行たわみ梁14a1,14a2のひずみ量と、平行たわみ梁
変位機構19bの平行たわみ梁14b1,14b2のひずみ量とを個
別に検出し、この検出値に基づいて正確な変位量を得る
ための制御を行なうものである。したがつて、本実施例
ではこれら2つのひずみ量を検出する手段が不可欠とな
る。この手段を図により説明する。
Therefore, in the present embodiment, the parallel flexible beam displacement mechanism 19
The strain amount of the parallel flexible beams 14a 1 and 14a 2 of a and the strain amount of the parallel flexible beams 14b 1 and 14b 2 of the parallel flexible beam displacement mechanism 19b are individually detected, and the accurate displacement amount is based on the detected value. The control for obtaining is obtained. Therefore, in this embodiment, means for detecting these two strain amounts is indispensable. This means will be described with reference to the drawings.

第3図(a),(b)はひずみ量検出回路の回路図であ
る。各図で、40a1,40a2,40a3,40a4,40b1,40b2,40b3,40b
4はそれぞれ第2図(a)に示すひずみゲージである。4
1aは平行たわみ梁変位機構19aの平行たわみ梁14a1,14a2
のひずみ量を検出するためのブリツジ回路、41bは平行
たわみ梁変位機構19bの平行たわみ梁14b1,14b2のひずみ
量を検出するためのブリツジ回路を示す。各ブリツジ回
路41a,41bにおいては、各ひずみゲージが図示のように
接続されている。Bは直流電源である。
FIGS. 3A and 3B are circuit diagrams of the strain amount detection circuit. 40a 1 , 40a 2 , 40a 3 , 40a 4 , 40b 1 , 40b 2 , 40b 3 , 40b
Reference numerals 4 are strain gauges shown in FIG. Four
1a is a parallel flexible beam displacement mechanism 19a parallel flexible beam 14a 1 , 14a 2
The reference numeral 41b denotes a bridge circuit for detecting the strain amount of the parallel flexible beams 14b 1 and 14b 2 of the parallel flexible beam displacement mechanism 19b. In each bridge circuit 41a, 41b, each strain gauge is connected as shown in the figure. B is a DC power supply.

今、圧電アクチユエータ16a,16bに電圧が印加され、第
8図(b)に示すような変位が生じたとすると、ブリツ
ジ回路41aにおいては、ひずみゲージ40a1,40a3が縮み、
ひずみゲージ40a2,40a4が伸び、これに応じてそれらの
抵抗値が変化し、これら変化量が加算された形でひずみ
量εとして出力される。ブリツジ回路41bにおいても
同じであり、ひずみ量εが出力される。第2図(b)
に示された状態の場合、ひずみ量εはひずみ量ε
り大きい。
Now, assuming that a voltage is applied to the piezoelectric actuators 16a, 16b and a displacement as shown in FIG. 8 (b) occurs, the strain gauges 40a 1 , 40a 3 contract in the bridge circuit 41a,
The strain gauges 40a 2 and 40a 4 are stretched, their resistance values are changed accordingly, and the strain amounts ε 1 are output in a form in which these variations are added. The same applies to the bridge circuit 41b, and the strain amount ε 2 is output. Fig. 2 (b)
In the state shown in ( 1) , the strain amount ε 1 is larger than the strain amount ε 2 .

ここで、このようなひずみ量検出手段を用いた第1図に
示す微細位置決め装置の制御装置を以下に説明する。図
で、16a,16bは圧電アクチユエータ、19a,19bは平行たわ
み梁変位機構、40a1〜40a4,40b1〜40b4はひずみゲージ
であり、これらは第2図(a)に示すものと同じであ
る。
Here, the control device of the fine positioning device shown in FIG. 1 using such strain amount detecting means will be described below. In FIG, 16a, 16b are piezoelectric actuator, 19a, 19b parallel flexure beams displacement mechanism, 40a 1 ~40a 4, 40b 1 ~40b 4 is a strain gauge, which are the same as those shown in FIG. 2 (a) Is.

45は第2図(a)に示す微細位置決め装置の目標変位量
を設定する変位量設定器である。変位量設定器45は目標
変位量Lが設定されるとこれに対応したひずみ量ε1
が出力される。即ち、上記微細位置決め装置に対し、
ある変位量についてこの変位量を得たときのブリツジ回
路41a,41bの出力(ひずみ量)ε1を予め測定し、
この測定を各変位量毎に行なう。変位量設定器45には、
測定された各ひずみ量が各変位量毎に記憶されている。
そして、変位量設定器45は目標変位量Lが入力されたと
き、これに対応する記憶されたひずみ量測定値ε1
をとり出して出力する。
Reference numeral 45 is a displacement amount setting device for setting a target displacement amount of the fine positioning device shown in FIG. 2 (a). When the target displacement amount L is set, the displacement amount setter 45 responds to the strain amounts ε 1 , ε
2 is output. That is, for the fine positioning device,
The outputs (strain amounts) ε 1 and ε 2 of the bridge circuits 41a and 41b when this displacement amount is obtained for a certain displacement amount are measured in advance,
This measurement is performed for each displacement amount. The displacement amount setter 45
Each measured strain amount is stored for each displacement amount.
When the target displacement amount L is input, the displacement amount setter 45 stores the stored strain amount measurement values ε 1 and ε 2 corresponding to the target displacement amount L.
Output and output.

このようなひずみ量と変位量との関係を第4図に示す。
第4図で、横軸には変位量が、又、縦軸にはひずみ量が
とつてある。直線A1はブリツジ回路41aの出力特性、直
線A2はブリツジ回路41bの出力特性を示す。変位量Lの
とき、ブリツジ回路41aからはひずみ量εが出力さ
れ、ブリツジ回路41bからはひずみ量εが出力され
る。逆に、圧電アクチユエータ16aにブリツジ回路41aの
出力が値εになるように電圧を印加し、同時に圧電ア
クチユエータ16bにブリツジ回路41bの出力が値εにな
るように電圧を印加すると変位量Lが得られることにな
る。
The relationship between the strain amount and the displacement amount is shown in FIG.
In FIG. 4, the horizontal axis represents displacement and the vertical axis represents strain. The straight line A 1 shows the output characteristic of the bridge circuit 41a, and the straight line A 2 shows the output characteristic of the bridge circuit 41b. When the displacement amount is L, the strain amount ε 1 is output from the bridge circuit 41a, and the strain amount ε 2 is output from the bridge circuit 41b. Conversely, when a voltage is applied to the piezoelectric actuator 16a so that the output of the bridge circuit 41a becomes the value ε 1 , and at the same time a voltage is applied to the piezoelectric actuator 16b so that the output of the bridge circuit 41b becomes the value ε 2 , the displacement amount L Will be obtained.

46a,46bは各ひずみ量ε1をこれに比例した信号処
理に必要な信号電圧v1に変換(増幅)する変換器、47a,
47b,48a,48bは加算器、49a,49bは増幅器である。50a,50
bはブリッジ回路41a,41b、およびこれらブリツジ回路41
a,41bの出力ε′,ε′を信号処理に必要な信号電
圧v1′,v2′に増幅する増幅回路を備えたひずみ計であ
る。51には表示器であり、ひずみ計50a,50bの出力信号
を入力し、これらの信号に基づいて微細位置決め装置の
変位量を表示する。
46a, 46b are converters for converting (amplifying) the respective strain amounts ε 1 , ε 2 into a signal voltage v 1 required for signal processing in proportion thereto, 47a,
47b, 48a and 48b are adders, and 49a and 49b are amplifiers. 50a, 50
b is a bridge circuit 41a, 41b, and these bridge circuits 41
It is a strain gauge equipped with an amplifier circuit for amplifying outputs ε 1 ′ and ε 2 ′ of a and 41 b to signal voltages v 1 ′ and v 2 ′ required for signal processing. Reference numeral 51 is a display device, which inputs the output signals of the strain gauges 50a and 50b, and displays the displacement amount of the fine positioning device based on these signals.

次に、本実施例の動作を説明する。第2図(a)に示す
微細位置決め装置を変位量Lだけ変位させるべく変位量
設定器45に値Lを入力設定すると、変位量設定器45で
は、値Lに対応するひずみ量ε1がとり出され、個
別に出力される。ひずみ量εは変換器46aに入力され
て信号v1に変換され、加算器48aを経て増幅器49aに入力
される。増幅器49aはこの入力信号v1に比例し、かつ電
圧アクチユエータ16aを駆動するのに適したレベルの電
圧を発生し、これを圧電アクチユエータ16aに印加す
る。この結果、平行たわみ梁変位機構19aの平行たわみ
梁14a1,14a2がたわみ、これに応じてひずみゲージ40a1
〜40a4にひずみを生じる。これによりひずみ計50aから
は、このときのブリツジ回路41aの検出ひずみ量ε
に比例した信号v1′が出力される。
Next, the operation of this embodiment will be described. When the value L is input and set in the displacement amount setting device 45 in order to displace the fine positioning device shown in FIG. 2 (a) by the displacement amount L, the displacement amount setting device 45 causes the strain amounts ε 1 , ε corresponding to the value L. 2 is taken out and output individually. The distortion amount ε 1 is input to the converter 46a, converted into the signal v 1 , and input to the amplifier 49a via the adder 48a. The amplifier 49a generates a voltage which is proportional to the input signal v 1 and has a level suitable for driving the voltage actuator 16a, and applies this voltage to the piezoelectric actuator 16a. As a result, the parallel flexural beams 14a 1 and 14a 2 of the parallel flexural beam displacement mechanism 19a are flexed, and the strain gauge 40a 1 is flexed accordingly.
Strain occurs at ~ 40a 4 . As a result, from the strain gauge 50a, the detected strain amount ε 1 ′ of the bridge circuit 41a at this time is obtained.
A signal v 1 ′ proportional to is output.

信号v1′は加算器47aに入力され、その結果、信号v1
信号v1′との偏差Δvが得られる。加算器48aではこの
偏差Δvと信号v1とが加算され、この信号(v1+Δv)
が増幅器49aに入力される。
The signal v 1 ′ is input to the adder 47a, and as a result, the deviation Δv between the signal v 1 and the signal v 1 ′ is obtained. This deviation Δv and the signal v 1 are added in the adder 48a, and this signal (v 1 + Δv)
Is input to the amplifier 49a.

以下、上記のようなフイードバツク制御が繰り返される
ことにより圧電アクチユエータ16a,16bの印加電圧が調
整され、最終的に、ひずみゲージ40a1〜40a4によるブリ
ツジ回路41aからはひずみ量εが出力される。即ち、
平行たわみ梁変位機構19aの平行たわみ梁14a1,14a2は所
定量だけたわむことになる。なお、信号εについても
同様の処理が行なわれ、最終的にブリツジ回路41bから
ひずみ量εが出力される状態となる。この結果、微細
位置決め装置は目標変位量Lだけ変位する。一方、表示
器51にはひずみ計50a,50bの出力信号が入力され、それ
らの信号に対応した変位量が表示され、最終的に変位量
Lが表示されることになる。
Hereinafter, the applied voltage of the piezoelectric actuators 16a and 16b is adjusted by repeating the above feedback control, and finally the strain amount ε 1 is output from the bridge circuit 41a by the strain gauges 40a 1 to 40a 4. . That is,
The parallel flexible beams 14a 1 and 14a 2 of the parallel flexible beam displacement mechanism 19a are deflected by a predetermined amount. The same process is performed on the signal ε 2 , and finally the bridge circuit 41b outputs the distortion amount ε 2 . As a result, the fine positioning device is displaced by the target displacement amount L. On the other hand, the output signals of the strain gauges 50a and 50b are input to the display device 51, the displacement amounts corresponding to these signals are displayed, and the displacement amount L is finally displayed.

このように、本実施例では、ある変位量に対応する各平
行たわみ梁変位機構のひずみ量を予め測定しておき、目
標変位量を入力したとき実際の変位量に応じた信号が予
め測定したひずみ量に応じた信号に一致するようにフイ
ードバツク制御を行なうようにしたので、精度の高い並
進変位を実施することができる。又、上記制御システム
は極めて小型かつ安価に構成することができるので、各
微細位置決め装置のそれぞれに設置することができる。
As described above, in the present embodiment, the strain amount of each parallel flexural beam displacement mechanism corresponding to a certain displacement amount is measured in advance, and when the target displacement amount is input, the signal corresponding to the actual displacement amount is measured in advance. Since the feed back control is performed so as to match the signal according to the strain amount, it is possible to perform highly accurate translational displacement. Further, since the control system can be constructed extremely small and inexpensive, it can be installed in each fine positioning device.

なお、上記実施例の説明では、変位量設定器に目標変位
量が設定されたとき、これに対したひずみ量が出力さ
れ、ひずみ計のひずみ量と比較される例について説明し
たが、変位量設定器から目標変位量に対応した各平行た
わみ梁変位機構の変位量を出力し、かつ、ひずみ計から
はそのひずみ量に対応した変位量を出力するようにして
もよいのは明らかである。
In the above description of the embodiment, when the target displacement amount is set in the displacement amount setter, the strain amount corresponding to this is output, and the strain amount is compared with the strain gauge. Obviously, the setter may output the displacement amount of each parallel flexural beam displacement mechanism corresponding to the target displacement amount, and the strain gauge may output the displacement amount corresponding to the strain amount.

さて、上記実施例の説明では、平行たわみ梁14a1,14a2,
14b1,14b2の変形量をひずみゲージを用いて検出する例
について述べた。しかしながら上記変形量の検出は他の
検出手段によつても可能である。以下、当該他の検出手
段を用いる例について説明する。
Now, in the description of the above embodiment, the parallel flexible beams 14a 1 , 14a 2 ,
An example of detecting the amount of deformation of 14b 1 and 14b 2 using a strain gauge has been described. However, the above-mentioned deformation amount can be detected by other detecting means. Hereinafter, an example of using the other detecting means will be described.

第5図(a),(b)は本発明の制御対象となる他の微
細位置決め装置の側面図である。第5図(a)で、第2
図(a)に示す部分と同一部分には同一符号を付して説
明を省略する。11cは剛体より成る支持部であり、剛体
部11a,11bから平行たわみ梁14a1,14b2および剛体部10の
底面10cと平行に伸長して構成される。60a、60bは支持
部11cに固定された静電容量形変位検出器であり、その
上端面と底面10cとの間の間隔δを検出する。なお、こ
の静電容量形変位検出器60a,60bについては後述する。
FIGS. 5 (a) and 5 (b) are side views of another fine positioning apparatus to be controlled by the present invention. In FIG. 5 (a), the second
The same parts as those shown in FIG. 9A are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. Reference numeral 11c is a support portion made of a rigid body, and is configured by extending from the rigid body portions 11a and 11b in parallel with the parallel flexible beams 14a 1 and 14b 2 and the bottom surface 10c of the rigid body portion 10. Reference numerals 60a and 60b are capacitance type displacement detectors fixed to the support portion 11c, and detect a distance δ between the upper end surface and the bottom surface 10c. The capacitance type displacement detectors 60a and 60b will be described later.

今、圧電アクチユエータ16a,16bに所定の電圧が印加さ
れると平行たわみ梁14a1,14a2,14b1,14b2が第5図
(a)に示すように変形し、これにより剛体部10の底面
10cも図で上方に変位する。したがつて、間隔δも変化
し、この変化した間隔は静電容量形変位検出器60a,60b
により検出される。変位が並進変位ではなく第2図
(b)に示すような回転変位を含む不平衡な変位であつ
ても、静電容量形変位検出器60a,60bの検出値が異なる
ことによりこれが検出される。
Now, when a predetermined voltage is applied to the piezoelectric actuators 16a, 16b, the parallel flexible beams 14a 1 , 14a 2 , 14b 1 , 14b 2 are deformed as shown in FIG. Bottom
10c is also displaced upward in the figure. Therefore, the interval δ also changes, and this changed interval is the capacitance type displacement detector 60a, 60b.
Detected by. Even if the displacement is not a translational displacement but an unbalanced displacement including a rotational displacement as shown in FIG. 2B, this is detected because the detection values of the capacitance type displacement detectors 60a and 60b are different. .

そこで、第1図に示す変位量設定器45に変位量が設定さ
れたとき、この変位量に対応する平行たわみ梁変位機構
19a,19bの各変位量を出力するようにしておけば、これ
ら変位量と各静電容量形変位検出器60a,60bの検出値と
を用いることにより、静電容量形変位検出器60a,60bを
備えた場合でも、第1図に示す制御装置への適用が可能
となる。
Therefore, when a displacement amount is set in the displacement amount setting device 45 shown in FIG. 1, a parallel flexible beam displacement mechanism corresponding to this displacement amount is set.
If the displacement amounts of 19a and 19b are output, by using these displacement amounts and the detection values of the capacitance type displacement detectors 60a and 60b, the capacitance type displacement detectors 60a and 60b can be obtained. Even in the case where the above is provided, it can be applied to the control device shown in FIG.

第5図(b)は静電容量形変位検出器の取付位置が第5
図(a)に示すものとは異なる微細位置決め装置の側面
図であり、第5図(a)に示す部分と同一部分には同一
符号が付してある。静電容量形変位検出器60a,60bはそ
れぞれ剛体部10から内方に突出して圧電アクチユエータ
16a,16bを保持する保持部10a,10bの上面に固定されてい
る。各静電容量形変位検出器60a,60bはそれぞれ平行た
わみ梁14a1,14b1と対向する位置にあり、平行たわみ梁1
4a1,14b1が変形すると、両者の間隔δの変化を検出す
る。この微細位置決め装置も第5図(a)に示すものと
同様、第1図に示す制御装置への適用が可能である。
In Fig. 5 (b), the mounting position of the capacitance type displacement detector is the fifth position.
It is a side view of a fine positioning device different from that shown in FIG. 5A, and the same parts as those shown in FIG. The capacitance type displacement detectors 60a and 60b project inwardly from the rigid body 10 and are piezoelectric actuators.
It is fixed to the upper surfaces of the holding portions 10a, 10b holding the 16a, 16b. The capacitive displacement detectors 60a and 60b are located at positions facing the parallel flexible beams 14a 1 and 14b 1 , respectively.
When 4a 1 and 14b 1 are deformed, a change in the distance δ between them is detected. This fine positioning device can be applied to the control device shown in FIG. 1 as well as that shown in FIG. 5 (a).

次に、このような静電容量形変位検出器60a,60bの構成
および検出回路の概略を説明する。第6図(a),
(b)は静電容量形変位検出器の断面図および底面図、
第6図(c)は検出回路の回路図である。以下、静電容
量形変位検出器60aについてのみ説明する。第6図
(a),(b)で、60a1は円柱状の中心電極、60a2は中
心電極60a1とする円筒電極である。60a3は中心電極60a1
と円筒電極60a2との間に存在する誘電体である。中心電
極60a1と円筒電極60a2とは、それらの断面積が等しくな
るように構成されている。
Next, the configuration of such capacitance type displacement detectors 60a and 60b and the outline of the detection circuit will be described. FIG. 6 (a),
(B) is a cross-sectional view and bottom view of the capacitance type displacement detector,
FIG. 6 (c) is a circuit diagram of the detection circuit. Hereinafter, only the capacitance type displacement detector 60a will be described. In FIGS. 6A and 6B, 60a 1 is a cylindrical center electrode, and 60a 2 is a cylindrical electrode serving as the center electrode 60a 1 . 60a 3 is the center electrode 60a 1
And a dielectric existing between the cylindrical electrode 60a 2 and the cylindrical electrode 60a 2 . The center electrode 60a 1 and the cylindrical electrode 60a 2 are configured so that their cross sectional areas are equal.

ここで、この静電容量形変位検出器60aの底面とこれに
対向する面との間隔をδ、中心電極60a1および円筒電極
60a2の断面積をそれぞれS、誘電体の誘電率をεとする
と、中心電極60a1と円筒電極60a2との間の静電容量Caは
次式で表わされる。
Here, the distance between the bottom surface of this capacitance type displacement detector 60a and the surface facing it is δ, the center electrode 60a 1 and the cylindrical electrode
When the cross-sectional area of 60a 2 is S and the dielectric constant of the dielectric is ε, the capacitance Ca between the central electrode 60a 1 and the cylindrical electrode 60a 2 is expressed by the following equation.

Ca=εS/δ したがつて、この静電容量形変位検出器60aの静電量Ca
を測定することにより間隔δを検出することができる。
Ca = εS / δ Therefore, the capacitance Ca of this capacitance type displacement detector 60a
The interval δ can be detected by measuring

この静電容量Caは第6図(c)に示す検出回路で検出さ
れる。第6図(c)で、61は発振器、62は基準の静電容
量CYを与えるコンデンサ、63はAC増幅器、60aは上記静
電容量形変位検出器、64はAC/DCコンバータ、65はDC増
幅器、66はローパスフイルタである。
This capacitance Ca is detected by the detection circuit shown in FIG. 6 (c). In FIG. 6 (c), 61 is an oscillator, 62 is a capacitor for giving a reference electrostatic capacitance C Y , 63 is an AC amplifier, 60a is the above capacitance type displacement detector, 64 is an AC / DC converter, and 65 is The DC amplifier 66 is a low-pass filter.

ここで、発振器61の所定周波数および所定電圧の信号を
eexとし、静電容量形変位検出器60aの静電容量CaをAC増
幅器63で増幅すると、その出力eaは ea=−eex・CY/Ca となる。この信号はAC/DCコンバータ64により直流に交
換され、DC増幅器65でスパン調整されて増幅され、ロー
パスフイルタ66で整形され、結局、信号eaは となり、間隔δの検出信号として出力される。即ち、静
電容量変位検出器60aにより間隔δを検出することがで
きる。
Here, the signal of the predetermined frequency and the predetermined voltage of the oscillator 61
and EEx, when amplifying a capacitance Ca of the electrostatic capacitance type displacement detector 60a in AC amplifier 63, whose output ea becomes ea = -eex · C Y / Ca . This signal is exchanged into direct current by the AC / DC converter 64, span-adjusted and amplified by the DC amplifier 65, and shaped by the low-pass filter 66. And is output as a detection signal of the interval δ. That is, the gap δ can be detected by the capacitance displacement detector 60a.

なお、上記実施例の説明では、並進変位を行なう微細位
置決め装置を例示して説明したが、本発明の制御装置が
回転変位を行なう第9図(a)に示す微細位置決め装置
にも適用できるのは明らかである。
In the description of the above embodiment, the fine positioning device that performs translational displacement is described as an example, but the control device of the present invention can also be applied to the fine positioning device shown in FIG. 9 (a) that performs rotational displacement. Is clear.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように、本発明では、目標変位量に対応する
一方の平板構造単位の変位に関与する値と他方の平板構
造単位の変位に関与する値とを出力し、変位検出手段で
得られた値が上記の値と一致するように制御する構成と
したので、精度の高い変位制御を行なうことができる。
しかも、制御装置を小形、安価に構成することができる
ので、微細位置決め装置毎にこれを設置することができ
る。
As described above, in the present invention, the value involved in the displacement of one flat plate structural unit and the value involved in the displacement of the other flat plate structural unit corresponding to the target displacement amount are output and obtained by the displacement detection means. Since the control is performed so that the above value matches the above value, highly accurate displacement control can be performed.
Moreover, since the control device can be made compact and inexpensive, it can be installed for each fine positioning device.

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

第1図は本発明の実施例に係る微細位置決め装置の制御
装置のブロツク図、第2図(a),(b)は第1図に示
す制御装置が用いられる微細位置決め装置の側面図、第
3図(a),(b)は第2図(a)に示すひずみゲージ
の回路図、第4図は変位量とひずみ量の関係を示す特性
図、第5図(a),(b)は第1図に示す制御装置に用
いられる他の微細位置決め装置の側面図、第6図
(a),(b),(c)はそれぞれ第5図(a),
(b)に示す静電容量形変位検出器の断面図、底面図お
よび検出回路図、第7図、第8図(a),(b)および
第9図(a),(b)は従来の微細位置決め装置の側面
図、第10図は従来の微細位置決め装置の制御装置の系統
図である。 19a,19b……平行たわみ梁変位機構、24a1,24a2,24b1,24
b2……放射たわみ梁、29a,29b……放射たわみ梁変位機
構、40a1〜40a4,40b1〜40b4……ひずみゲージ、45……
変位量設定器、46a,46b……変換器、47a,47b,48a,48b…
…加算器、50a,50b……ひずみ形、60a,60b……静電容量
形変位検出器。
FIG. 1 is a block diagram of a control device of a fine positioning device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) and 2 (b) are side views of a fine positioning device in which the control device shown in FIG. 1 is used. 3 (a) and 3 (b) are circuit diagrams of the strain gauge shown in FIG. 2 (a), FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between displacement and strain, and FIGS. 5 (a) and 5 (b). Is a side view of another fine positioning device used in the control device shown in FIG. 1, and FIGS. 6 (a), (b), and (c) are FIG. 5 (a) and FIG.
A sectional view, a bottom view and a detection circuit diagram of the capacitance type displacement detector shown in (b), FIG. 7, FIG. 8 (a), (b) and FIG. 9 (a), (b) are conventional. FIG. 10 is a side view of the fine positioning device, and FIG. 10 is a system diagram of a control device of the conventional fine positioning device. 19a, 19b …… Parallel flexible beam displacement mechanism, 24a 1 , 24a 2 , 24b 1 , 24
b 2 ...... Radial flexible beam, 29a, 29b …… Radial flexible beam displacement mechanism, 40a 1 to 40a 4 , 40b 1 to 40b 4 …… Strain gauge, 45 ……
Displacement setting device, 46a, 46b …… Transducer, 47a, 47b, 48a, 48b…
… Adder, 50a, 50b …… Strain type, 60a, 60b …… Capacitive displacement detector.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村山 健 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭61−209846(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Ken Murayama, 650, Jinritsucho, Tsuchiura, Ibaraki Prefecture, Tsuchiura Plant, Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. (56) References JP-A-61-209846 (JP, A)

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】2つの剛体間に対向配置された板状たわみ
梁および前記剛体間に力を作用させるアクチュエータを
備えた平板構造単位を対称的に連結した微細位置決め装
置において、前記各平板構造単位毎に配置されその変位
に関与する値を検出する各変位検出手段と、前記微細位
置決め装置の目標変位量を設定するとともにこの目標変
位量に対応した前記各平板構造単位の変位に関与する値
を出力する変位設定手段と、前記変位設定手段から出力
される前記各平板構造単位の変位に関与する各値と前記
各変位検出手段で検出された値との各偏差に基づいてこ
れら各偏差をなくすように前記アクチュエータに与える
電圧を制御する制御手段とを設けたことを特徴とする微
細位置決め装置。
1. A fine positioning device in which flat plate structural units each having a plate-shaped flexural beam and a rigid body which are arranged to face each other between two rigid bodies are connected symmetrically to each other. Each displacement detection means arranged for each to detect the value involved in the displacement, and set the target displacement amount of the fine positioning device and the value involved in the displacement of each flat plate structural unit corresponding to this target displacement amount. Displacement setting means for outputting, and eliminating these respective deviations based on the respective deviations of the respective values involved in the displacement of each flat plate structural unit output from the displacement setting means and the values detected by the respective displacement detecting means And a control means for controlling the voltage applied to the actuator.
【請求項2】特許請求の範囲第(1)項において、前記
平板構造単位は、前記板状たわみ梁が互いに平行に配置
されている平行平板構造単位であることを特徴とする微
細位置決め装置。
2. The fine positioning device according to claim 1, wherein the flat plate structural unit is a parallel flat plate structural unit in which the plate-shaped flexible beams are arranged in parallel with each other.
【請求項3】特許請求の範囲第(1)項において、前記
平板構造単位は、前記板状たわみ梁が予め定められた軸
に関して互いに放射状に配置されている放射平板構造単
位であることを特徴とする微細位置決め装置。
3. The flat plate structural unit according to claim 1, wherein the flat plate structural unit is a radial flat plate structural unit in which the plate-shaped flexible beams are radially arranged with respect to a predetermined axis. Fine positioning device.
【請求項4】特許請求の範囲第(1)項において、前記
アクチュエータは、積層形圧電素子であることを特徴と
する微細位置決め装置。
4. A fine positioning device according to claim 1, wherein the actuator is a laminated piezoelectric element.
【請求項5】特許請求の範囲第(1)項において、前記
変位検出手段は、前記板状たわみ梁の所定個所に設けら
れたひずみゲージであることを特徴とする微細位置決め
装置。
5. A fine positioning device according to claim 1, wherein the displacement detecting means is a strain gauge provided at a predetermined position of the plate-shaped flexible beam.
【請求項6】特許請求の範囲第(1)項において、前記
変位検出手段は、前記微細位置決め装置の変位部分に対
向する位置に設けられた静電容量形検出器であることを
特徴とする微細位置決め装置。
6. The device according to claim 1, wherein the displacement detecting means is a capacitance type detector provided at a position facing a displaced portion of the fine positioning device. Fine positioning device.
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US07/244,168 US4888878A (en) 1986-09-09 1988-09-14 Fine positioning device
US07/244,102 US5005298A (en) 1986-09-09 1988-09-14 Displacement controller for fine positioning device
US07/244,169 US4920660A (en) 1986-09-09 1988-09-14 Fine positioning device and displacement controller therefor
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