JPH04134504A - 位置決め制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この出願の発明は、位置を制御する装置に関する。

さらに詳細には、この出願の発明は、例えば産業用ロボ
ットのハンドの精密位置決め装置あるいはレーザ加工機
光学系の調整装置等の様に、大きな動きでかつ精密な位
置決めをする装置を制御する装置であって、粗動ステー
ジと微動ステージを組み合わせて位置決めする際に、微
動ステージの操作量を粗動ステージの制御量にフィード
バックする制御装置に関する。

［従来技術］ 従来より、高精度の位置決め装置には、大きく動けるが
動きの精度は低い粗動ステージと動きは小さいが精度が
高い微動ステージを組合せて高い精度を確保する複合型
位置決め装置が知られている。

かかる複合型位置決め装置の制御装置は、第５図のブロ
ック図に示すように、基板１０１上に設置されて該基板
１０１上を移動する粗動ステージ１０２と、該粗動ステ
ージ１０２上に設置されて該粗動ステージ１０２上を移
動する微動ステージ１０３と、該微動ステージ１０３の
位置を検出する位置検知手段１１６と、該位置検知手段
１１６からの検知位置信号と目標値発生手段からの位置
決めの目標値との偏差に対応して微動用制御手段１２１
と粗動制御手段１３１のいずれかを選択する選択手段１
０８と、該偏差が所定の設定値より大きい時に選択され
て該偏差に対応した該粗動ステージ１０２の移動制御信
号を発生する粗動用制御手段１２１と、該偏差が所定値
より小さい時に選択されて該偏差に対応した該微動ステ
ージ１０３の移動制御信号を発生する微動用制御手段１
３１と、該微動用制御手段１３１からの制御信号に対応
して該微動ステージ１０３を移動させる微動用駆動手段
１４１と、該粗動用制御手段１３１からの制御信号に対
応して該粗動ステージ１０３を移動させる粗動用駆動手
段１５１から構成されている。

この複合型位置決め装置の制御にあっては、まず微動ス
テージ１０３を粗動ステージ上１０２に固定したまま、
粗動ステージｌ口２のみを目標の位置近傍まで移動させ
て粗い位置決めをする。次に微動ステージ１０３が位置
決めの目標値の所定の近傍に達したならば、粗動ステー
ジ１０２を固定して、微動ステージ１０３のみを移動さ
せて精度の良い位置決め制御を行なっている。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の制御装置にあっては、 まず、条件分岐のための選択手段が不可欠であったため
、制御系が複雑になるという欠点があった。

つぎに、その選択手段によって切り替え制御を行なうた
め、制御の連応性が悪いという欠点があった。

加えて、制御を切り替えなければならないという特質か
ら、外乱が入った場合にスムーズに目標位置に制定せず
、さらに連応性が悪化するという欠点もあった。

［発明の目的］ この出願の発明の目的は、上述の従来技術に基づく位置
決め制御装置の該問題点を解決すべく、位置決め制御の
連応性を向上させ、かつ簡易な構成な制御装置を提供せ
んとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上述の目的に沿い、この出願の発明の構成は、前述の課
題を解決するために、位置決め制御装置として、 基板ｌと、該基板１上を移動して粗い位置決めをする粗
動ステージ２と、該粗動ステージ２上を移動して細かい
位置決めをする微動ステージ３と、該微動ステージ３の
位置を検知する位置検知手段１６と、該位置検知手段１
６からの出力と位置決めの目標値との偏差に対応して該
微動ステージ３の移動制御信号を発生する微動用制御手
段２１と、該粗動ステージ２が移動する。

［実施例］ 次にこの出願の発明の実施例を第１図〜第４図に基づい
て説明すれば、以下の通りである。

基本的実施例の制御を第１図に基づいて説明する。

まず微動ステージ３の位置を位置検知手段１６で検知し
、次に微動用制御手段２１でこの検知位置信号と目標値
設定手段からの目標値とを比較演算して、微動ステージ
の粗動ステージ上の位置等を制御する微動用移動制御信
号に変換する。この微動用制御信号を微動用駆動手段４
１で微動用駆動信号に変換して微動ステージ３を駆動す
る。同時に該微動用制御信号な粗動用制御手段３１に送
る。該粗動用制御手段３１で該微動用移動制御信号を、
微動ステージ３の粗動ステージ２上の制定すべき位置を
示す設定値と比較演算して粗動用制御信号に変換する。

この粗動用制御信号を粗動用駆動手段５１で粗動用駆動
信号に変換して、粗動ステージ２を駆動する。

粗動ステージ２が移動する。

［実施例］ 次にこの出願の発明の実施例を第１図〜第４図に基づい
て説明すれば、以下の通りである。

基本的実施例の制御を第１図に基づいて説明する。

まず微動ステージ３の位置を位置検知手段１６で検知し
、次に微動用制御手段２１でこの検知位置信号と目標値
設定手段からの目標値とを比較演算して、微動ステージ
の粗動ステージ上の位置等を制御する微動用移動制御信
号に変換する。この微動用制御信号を微動用駆動手段４
１で微動用駆動信号に変換して微動ステージ３を駆動す
る。同時に該微動用制御信号を粗動用制御手段３１に送
る。該粗動用制御手段３１で該微動用移動制御信号を、
微動ステージ３の粗動ステージ２上の制定すべき位置を
示す設定値と比較演算して粗動用制御信号に変換する。

この粗動用制御信号な粗動用駆動手段５１で粗動用駆動
信号に変換して、粗動ステージ２を駆動する。

次に、具体的実施例を第２図に基づいて説明する。第２
図において、ｌは粗動ステージ２をのせる基板である。

基板１は固定された台であっても移動可能な台であって
もよい。２は基板ｌ上を移動する粗い位置決めをするた
めの粗動ステージである。３は粗動ステージ２上を移動
する精度のよい位置決めをするための微動ステージであ
る。該微動ステージは、板バネ４を介して粗動ステージ
２に支持されており、バネ方向の移動が可能となってい
る。

５は微動ステージ３上に設置されたコーナキューブであ
って、位置（または距Ｍ）を検知するためのレーザ干渉
計６から発せられるレーザー光を反射して微動ステージ
３の位置を示すものである６は微動ステージ３の位置（
または距離）を検知するためものであって、レーザ光を
コーナキューブ５に発して反射される反射光を受け、そ
の干渉度を検出して位置（または距１１）を検知するレ
ーザ干渉計である。７はレーザ干渉計６で測定したレー
ザ干渉縞をカウントして位置〔または距離）を検知する
レーザ干渉計カウンターである。なお、位置検出のため
にはここで述べたコーナキューブ５、レーザ干渉計６、
レーザー干渉計カウンタ７の組み合わせのほか、例えば
ガラススケール、マグネスケール等を用いても良い。

８は粗動・微動両ステージ２．３を駆動する制御信号を
演算するための周知のマイクロコンピュータである。こ
のマイクロコンピュータ８は、レーザ干渉計カウンタ７
からの位置信号と予め入力されている目標値・設定値か
ら微動用及び粗動用制御信号を演算する。

９はマイクロコンピュータ８からの制御信号に対応して
微動ステージ３を駆動する微動用駆動信号を発する固体
アクチュエータードライバーである。１０はマイクロコ
ンピュータ８からの制御信号に対応して粗動ステージ２
を駆動する粗動用駆動手段発するサーボアンプである。

１１は微動ステージ３を移動させる固体アクチュエータ
であって、例えば圧電素子、磁歪素子等である。圧電素
子単体の移動路ｉｆ（ストローク）は数十μｍ程度であ
る。１２はサーボモータであって、図示するようにボー
ルネジ１３を回転させてナツト１４を移動することによ
り粗動ステージ２を移動させる。粗動ステージ２は基板
ｌに固定されたサーボモータ１２の上記ボールネジ機構
を介して基板１上を移動する。

次に制御系の詳細を第３図に基すき説明する。

レーザ干渉計６からの位置信号をレーザーカウンタ７を
経由してマイクロコンピュータ８に入力し、以下の処理
を施す。

レーザ干渉計６で測定した位置信号を、微動用制御手段
２１に入力し、まず減算手段２２により目標値発生手段
から発せられる目標値と比較して偏差を演算する０次に
この偏差信号を周知のＰＩＤ制御手段２３により比例・
積分・微分処理し、さらにリミタ手段２４により上限・
下限を制限して微動用制御信号（例えば粗動ステージ２
上の微動ステージ３の相対位置を制御する制御信号）に
変換する。該微動用制御信号を、固体アクチュエータド
ライバ９に入力して、増幅・信号変換して、圧電素子の
場合には電位に変換して、固体アクチュエータ１１を駆
動する。

前記微動用制御信号を同時に分岐して粗動用制御手段３
１に入力し、減算器３２で設定値発生手段からの設定値
Ｅと比較演算して、不感帯手段３３に入力する。該不感
帯手段３３は、微動用制御信号が設定値Ｅ付近の不感帯
域Ｅ１〜Ｅ２内であれば零を出力し、Ｅ＋またはＥｌを
越える値であれば入力値からＥ、またはＥｌを減じた値
に対応する信号を出力する。

さらにこの出力信号を、比例演算手段３４により増幅し
てサーボアンプｌＯに粗動用制御信号として入力し、サ
ーボモータ１２を駆動する。この際に図示するように、
サーボモータ１２が低回転領域で摩擦の影響も含めて動
作が安定していないことを考慮して、デイザ−関数発生
手段３６からのデイザ信号を加算手段３７により粗動用
制御信号に加算してもよい。

本実施例の動作の一例を第４図（イ）、（ロ）及び（ハ
）に基ずいて説明する。語口の横軸は経過時間を表わす
。

（イ）は目標値がステップ状に変化したときの目標値の
時間変化と微動ステージの実際の位置の時間変化を表わ
した図である。（ロ）は例えば微動ステージ３の粗動ス
テージ２上の相対位置に対応する微動用制御信号の信号
値の時間変化を示す図である。（ハ）は粗動ステージの
例えば移動速度制御信号に対応する粗動制御信号値の時
間変化を示す図である。

説明のために上記設定値Ｅを５０％、不感帯の不感域の
範囲Ｅ１．Ｅ＊をそれぞれ４０％、６０％とする。

制御開始時には、まず第４図（イ）に示す様に目標値と
微動ステージの実際の位置の偏差ｙに応じた信号が指令
される。微動用制御信号はこの指令値に、若干の遅れを
伴って第４図（ロ）の様に追従する。なお、この動作例
では微動用制御信号値の初期値を５０％（中心位置）と
しているがこの初期値は任意に設定できる。

この微動用制御信号値は粗動用制御手段３１に入力され
るが、初期時には、不感帯領域のため、粗動用制御信号
値は零値のままである。すなわち、当初は微動ステージ
３のみが移動し粗動用ステージ２は停止した状態である
。

微動用制御信号値が増加して不感帯域Ｅ２　（６０％）
に到達すると、今度は粗動用信号値が第４図（ハ）に示
すように立ち上り、粗動ステージ３が目標値への移動を
開始する。

次に、制御変数にもよるが、第４図Ｃ口）に示す例の様
に、微動用制御信号値が最大値１００％に飽和して、微
動ステージ３は目標値側の端で停止した状態で粗動ステ
ージ２のみが移動を続行する。

粗動ステージ２が移動することによって微動ステージ３
が目標位置の近傍領域に入ると、微動用制御信号値は粗
動用制御信号とともに減少して行き、微動ステージ３は
端から中央に移動し、粗動ステージ２は移動速度が減少
する。

微動用制御信号が再び第４図（ロ）の様に不感帯Ｅ２値
に到達すると、第４図（ハ）に示す様に今度は粗動ステ
ージ２が停止し、微動ステージ３のみが移動を続行し、
目標位置で停止する。

このように設定値Ｅ値の付近に不感帯域Ｅ１、Ｅｌを設
ければ、微動ステージ３が設定値Ｅ付近のＥｌ又はＥｌ
に達した時に、粗動ステージ２は停止して、微動ステー
ジ３のみが制御されることとなる。

［発明の効果］ この出願の発明は、上述のように構成されているので、
次に記載される効果を奏する。

まず、粗動ステージと微動ステージが同時に制御されな
がら移動するため、制御の連応性が向上するという効果
を奏する。その際に微動ステージは設定値付近で制定す
る様に粗動ステージが動作するため、制御の連応性が向
上する。

さらに、外乱が入った場合にスムーズに目標位置に制定
する効果もある。

また、条件分岐のための選択手段がないため、制御系が
簡易となる効果も奏せられる。

また、不感帯を設ければ目標位置近傍で、粗動ステージ
を停止した状態で微動ステージを制御できるので、ハン
チングなどを生ずることな（目標位置に制定できる効果
も奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図は、この出願の発明の詳細な説明図で
あり、第１図はこの出願の発明の１実施例の回路図、第
２図は他の実施例の回路図、第３図は他の実施例のブロ
ック図、第４図は実施例の信号値の変化を示すグラフで
ある。第５図は在来態様の回路図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、 該基板上を移動して粗い位置決めをする粗動ステージと
   、 該粗動ステージ上を移動して細かい位置決めをする微動
   ステージと、 該微動ステージの位置を検知する位置検知手段と、 該位置検知手段からの検知位置信号と位置決めの目標値
   との偏差に対応して該微動ステージの移動制御信号を発
   生する微動用制御手段と 該微動ステージの移動制御信号と、該粗動ステージ上の
   該微動ステージの制定位置を示す設定値とから粗動ステ
   ージの移動制御信号を発生する粗動用制御手段と、 該微動用制御手段からの移動制御信号に対応して該微動
   ステージを移動させる微動用駆動手段と該粗動用制御手
   段からの移動制御信号に対応して該粗動ステージを移動
   させる粗動用駆動手段とからなる位置決め制御装置