JPH071454B2

JPH071454B2 - 微細位置決め装置の制御装置

Info

Publication number: JPH071454B2
Application number: JP7627087A
Authority: JP
Inventors: 潔長澤; 耕三小野; 浩二郎緒方; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1986-09-09
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1995-01-11
Anticipated expiration: 2010-01-11
Also published as: JPS63184113A

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。

〔従来の技術〕

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。

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。

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_１だけ
微小変位させることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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の
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。

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。

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。

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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

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。

〔課題を解決するための手段〕

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。

〔作用〕

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。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

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。

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。

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の
ひずみ量を検出することができる。

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。

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。

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。

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_１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_２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_１はひずみ量ε_２よ
り大きい。

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。

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,ε
_２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,ε_２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,ε_２
をとり出して出力する。

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_１が出力さ
れ、ブリツジ回路41bからはひずみ量ε_２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_１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_２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。

46a,46bは各ひずみ量ε₁,ε_２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_１′，ε_２′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。

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,ε_２がとり出され、個
別に出力される。ひずみ量ε_１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_１′
に比例した信号v₁′が出力される。

信号v₁′は加算器47aに入力され、その結果、信号v₁と
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。

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_１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_２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_２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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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C_Y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。

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・C_Y/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。

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。

〔発明の効果〕

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。

【図面の簡単な説明】

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。

───────────────────────────────────────────────────── 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)

Claims

【特許請求の範囲】

【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。