JPH04141707A - 複合移動動作の制御方法及びこの制御方法を応用した各種の方法、並びに粗微動複合移動装置の制御方法及び制御装置 - 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〕 本発明は複合移動動作の制御方法及びこの制御方法を応
用した各種の方法、並びに粗動機構部と微動機構部の制
御方法及び制御装置に関し、特に、粗動と微動の２つの
動作を組み合わせた複合移動ニーよる位置変化を可能と
し、粗動に基づき広い範囲を動作できると同時に当該範
囲の任意の各点て微動に基づき高精度の位置決めができ
、粗動と微動のいずれも動作状態を維持して滑らかな位
置変化を行い得る複合移動動作の制御方法とこれの応用
、更にこの制御方法を実現する装置に関するものである
。

〔従来の技術〕

ここでは、本発明の背景技術として、粗動機構部と微動
機構部とを備え、精密移動用として用いられる機械の動
作精度について説明する。従来において、精密移動用機
械の位置決め精度として０゜０１μｍオーダの高精度位
置決めを行うアクチュエータには一般的に圧電素子が使
用されている。

しかし、当該圧電素子を使用した精密移動用機械では、
圧電素子のストローク性能に起因して可動範囲の限度は
数十μｍという小さいものであった。

そのため、従来では、位置決め精度が１μｍ程度の粗動
機構部に、前記圧電素子による微動機構を搭載し、この
複合構造において粗動機構部により広い動作範囲を実現
できると共に微動機構部により広い動作範囲の全般にわ
たって高精度の微小位置決めを行うことのできる装置が
考案されていた。

例えば、昭和６０年年度様学会秋季大会学術講演会論文
集の第５６９頁〜第５７２頁に記載されたＸ線露光装置
用空気浮上式ＸＹステージでは、粗動機構部としてのＸ
Ｙステージ部と、ロック機構部に組み込まれたＸＹ微動
機構部とからなる粗微調一体型構造が提案されている。

このＸＹステージでは、所定の移動対象物を微動機構部
のストロークのみでは到達できない目標位置に移動させ
る場合、最初、微動機構部のストロークで決まる可動範
囲に入るまでは粗動機構部によってのみ粗動移動を行い
、前記可動範囲に入った時点で、粗動機構部の動作を停
止させ、粗動機構部を真空ロックする。その後微動機構
部を動作させ、この微動機構部で粗動機構部の動作で制
御できなかった目標位置との差、すなわち位置偏差を補
償しながら、目標とする位置精度を実現して移動対象物
を目標位置に正確に移麩するように構成されていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記移動用ＸＹステージ装置の移動制御方法では、粗動
機構部により粗動による移動を行った後、真空ロック機
構で粗動機構部を固定した状態で、微動機構部により微
動による移動を行っている。

従って、真空ロックを実行するためには、粗動機構部は
停止していることが必要である。粗動機構部が移動の目
標位置よりも離れた箇所で停止した場合には、微動機構
部は、その可動範囲（ストローク範囲）の中心点から離
れた位置に存する当該箇所に移動を行い、粗動機構部に
よって発生した位置偏差を補償し、その後に停止する。

すなわち、微動機構部の可動範囲においてその中心位置
から最も離れた端に近いところで位置決めがなされる。

従って、微動機構部の位置決め終了後に、駆動系その他
の部分の振動て外乱が入って、位置ずれが発生した場合
、移動対象物の存在位置が微動機構部の可動範囲から外
れる可能性が非常に高い。このような事態が発生すると
、外乱の結果発生した位置の変動を、微動機構部のみで
補償することができなくなり、そのため真空ロックを解
除して粗動機構部を再度を動作させる必要が生じ、微動
機構部の位置決めのために多大な時間を要するという欠
点を有している。

一般的に、大きな距離範囲で移動可能な粗動と、この粗
動に対し相対的に小さな距離範囲を移動する微動とを組
み合わせて全体として複合的な移動、あるいは位置変化
を行わせるように構成されたシステムが存在し得る。移
動対象物に対しこのような位置変化を生じさせるシステ
ムにおいては、基本的に大きな距離の変化は粗動実行部
によって行い、微小距離の調整が可能な状態になったと
きに微動実行部を動作させるように構成されるのが、基
本的であると考えられる。そして、このような動作の組
み合わせにおいては、通常、順序的に粗動実行部が所定
の動作を行った後において、微動実行部が微調整部分を
調整し、偏差を補償するように動作して、全体の動作が
完了することが望まれる。また制御のアリゴリズムの容
易性の観点から、粗動実行部の動作制御と微動実行部の
動作制御は、完全に分離されていることが望まれる。し
かしながら、微動実行部が取り扱う微動距離が小さくな
ればなるほど、粗動から微動への切換えが滑らかに行う
ことができず、粗動を終了して微動の段階に移ったとし
ても、外乱等に起因して再び粗動を実行する必要が発生
することもある。このような状態を勘案すると、仮に、
粗動と微動をいずれも動作状態に保ち且つ粗動による位
置変化と微動による位置変化が滑らかに連続して行うこ
とのできる粗動と微動を同時に制御する有効な方法が存
在するのであれば、制御の仕方を、粗動の動作範囲、微
動の動作範囲と区切らないようにすることが望ましい。

本発明の第１の目的は、かかる粗動による移動と微動に
よる移動を組み合わせて構成される複合的な移動の制御
方法において、粗動と微動がいずれも動作状態を保持し
且つ滑らかに連続的に行われ、外乱が発生しても安定し
て移動対象物を目標位置に移動させる複合移動動作の制
御方法を提供することにある。

本発明の第２の目的は、粗動機構部と微動機構部を有し
てなる粗微動複合移動装置において、微動機構部の位置
決め終了後においても、粗動機構部による粗動の動作を
止めず、微動機構部の可動範囲の中心位置に接近移動す
る動作を行うように粗動機構部を制御し、これにより外
乱が発生したとしても、微動機構部により迅速に位置補
償を行うことができる粗微動複合移動装置の制御方法及
び制御装置を提供することにある。

本発明の第３の目的は、前記第１及び第２の目的を達成
する複合移動動作の制御方法を応用して高速高精度の位
置決めを行うことができる位置決め制御方法を実現し、
更にこれを利用して高速高精度な位置決めを行い得る微
小間隔高速多点計測方法、軌道制御方法、山登り探索方
法等を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る第１の複合移動動作の制御方法は、粗動に
よる移動と微動による移動を合成することにより形成さ
れる複合移動の動作において、粗動による移動で得られ
た位置と目標位置との差が前記微動の可動範囲以内にな
ったとき、微動による移動を高速に行って粗動と微動に
よる総和としての移動位置を前記目標位置に一致させる
と共に、少なくともその後の粗動による移動は微動によ
る前記変位量を加味しながら行い、粗動による移動位置
を前記目標位置に一致させるようにした。

本発明に係る第２の複合移動動作の制御方法は、第１の
方法において、前記微動による移動が、前記粗動による
移動の上において行われ・る。

本発明に係る第３の複合移動動作の制御方法は、第１又
は第２の方法において、粗動と微動の総和による移動位
置が前記目標位置に保持された状態にあり、粗動による
移動位置が前記目標位置に接近する場合に、微動で生じ
た変位量が調整され、最終的に粗動による移動位置が前
記目標位置に一致することを特徴とする。

本発明に係る第４の複合移動動作の制御方法は、第１の
方法において、前記粗動による移動の速度が一定速度で
あることを特徴とする。

本発明に係る第５の複合移動動作の制御方法は、第１の
方法において、前記目標位置が微小間隔で多数設定され
ており、更に前記粗動による移動は一定速度で行われ、
前記微動による移動は前記微小間隔に対応する周期で鋸
波状１こ行われることにより、前記総和としての移動を
時間の経過に伴いステップ状に変化させ、多数の前記目
標位置のそれぞれで所定時間の間停止させることを特徴
とする。

本発明に係る第１の微小間隔高速多点計測方法は、所定
の値が分布する領域における当該値の分布状態を計測す
る方法であり、前記領域で微小間隔で位置する多数の点
を計測を行うための目標位置として設定し、前記第５の
複合移動動作の制御方法を前記目標位置のそれぞれにお
ける位置決め方法として使用したことを特徴とする。

本発明に係る軌道制御方法は、粗動機構部による粗動と
微動機構部による微動を合成した複合移動動作に基づき
移動対象物を停止することなく特定の軌道に沿って連続
的に移動させる軌道制御方法において、前記第１の複合
移動動作の制御方法で前記粗動機構部による粗動と前記
微動機構部による微動を制御し、粗動機構部による粗動
で前記軌道に追従し、前記粗動で生じた前記軌道との位
置ずれを前記微動機構部による高速な微動により補償し
て位置決めを行うことを特徴とする。

本発明に係る第２の微小間隔高速多点計測方法は、前記
第１の微小間隔高速多点計測方法において、前記の軌道
制御方法を用いて各計測点における位置決めを行うこと
を特徴とする。

本発明に係る山登り探索方法は、所定の値についての分
布を有する多次元領域における極値点の位置を求める探
索方法であり、前記領域内の任意の点における前記所定
の値の変化ベクトルにより進行方向を決め、この進行方
向に基づいて決まる各点で次々に変化ベクトルを求め、
これらの変化ベクトルで決まる軌道に沿って移動するこ
とにより最終的に前記極値点に到達する山登り探索方法
において、前記の軌道制御方法に基づき前記軌道に沿っ
て移動し、短時間で前記極値点に到達するようにしたこ
とを特徴とする。

本発明に係る第１の粗微動複合移動装置の制御方法は、
微動機構部の可動部に移動対象物を載置し、更に粗動機
構部の上に前記微動機構部を搭載し、粗動機構部と微動
機構部のそれぞれの変位量を、目標位置と実際の位置と
の位置偏差を情報としてフィードバックすることにより
制御し、前記移動対象物を前記目標位置まで移動させる
粗微動複合移動装置の制御方法において、前記微動機構
部の微動指令値を生成する制御手段にはフィードバック
系で得られた前記位置偏差を制御目標値として与え、前
記粗動機構部の粗動指令値を生成する制御手段には前記
位置偏差に前記微動機構部による変位量を加算したもの
を制御目標値として与えるようにしたことを特徴とする
。

本発明に係る第２の粗微動複合移動装置の制御方法は、
前記第１の方法において、加算される前記変位量は、目
標位置と実際の位置との位置偏差か前記微動機構部の可
動範囲よりも大きいときには０であり、前記差が前記可
動範囲以内になったときには前記微動指令値で得られる
変位量であることを特徴とする。

本発明に係る第１の粗微動複合移動装置の制御装置は、
広い動作範囲を有する粗動機構部とこの粗動機構部の上
に搭載された高い位置決め精度を有する微動機構部とか
らなる粗微動機構部と、粗動機構部による粗動と微動機
構部による微動とを合せた全体の変位量を計測する計測
手段と、移動の目標位置を設定する手段と、前記計測手
段で得られる位置情報を取り込む手段と、前記目標値と
前記位置情報の位置偏差に基づき前記微動機構部を動作
させる微動指令値を演算する微動演算手段と、前記微動
指令値から前記微動機構部による変位量を演算する微動
変位演算手段と、前記位置偏差と前記微動の変位量とに
基づき前記粗動機構部を動作させる粗動指令値を演算す
る粗動演算手段と、求められた前記の各指令値を対応す
る各機構部に与える出力手段とから構成される。

本発明に係る第２の粗微動複合移動装置の制御装置は、
前記第１の装置において、前記目標位置を設定する手段
には、時間変化関数が設定されることを特徴とする。

〔作用〕

本発明による複合移動動作の制御方法では、粗動による
移動と微動による複合動作を制御するに当たり、粗動に
よる移動で微動の可動範囲に入った時微動による高速な
移動を行って目標位置に到達し、その後粗動は移動を継
続して微動による変位量に基づき調整を行いながら目標
位置に到達するように制御する。微動によって目標位置
に到達した後において粗動による移動を継続して最終的
に粗動を目標位置に到達させることにより、微動の変位
量は最終的に微動の可動範囲の中心位置に戻すように制
御される。

上記の複合移動動作による制御方法を応用し、目標位置
の設定の仕方を多点に変更したり、時間変化関数に変更
したり、或いは粗動の速度特性、微動の速度特性を任意
に変更することにより高速高精度の高速多点計測方法や
軌道制御方法等を実現することが可能となる。

本発明による粗微動複合移動装置の制御方法及び制御装
置は、前記の複合移動動作の制御方法を、高速及び高精
度の位置決めが要求される具体的装置において実現した
ものである。微動機構部の変位量を指定する微動指令値
を算出する微動演算部の入力信号と、粗動機構部の変位
量を指定する粗動指令値を算出する粗動演算部の入力信
号をそれぞれ所定の信号に設定することにより、本発明
による複合移動動作の制御方法を実現している。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

本発明の第１実施例について説明する。第４図において
本発明に係る粗微動制御方法が適用された粗微動移動装
置の構成を分解図にて示す。１は粗動機構部、２は微動
機構部であり、微動機構部２は粗動機構部１の上部ステ
ージ１ａに搭載されて配設される。粗動機構部１は少な
くとも矢印ＩＡで示す方向の粗動を行い、微動機構部２
は矢印２Ａで示す方向の微動を行う。方向ＩＡと方向２
Ａは同一であるとする。この実施例の説明では便宜上移
動方向は１次元の方向であるとして説明する。粗動機構
部１の装置構成としては例えば摩擦駆動機構、微動機構
部の装置構成としては切欠部材による弾性ヒンジ機構を
利用する。目標位置への位置制御が必要とされる移動対
象物は、微動機構部２の可動部２ａの所定載置面に配置
される。

本装置では、粗動機構部１の移動動作により広い動作領
域の移動を実現すると共に、微動機構部２により所要の
高精度を有する位置決めを実現する。

３はレーザ干渉計であり、レーザ干渉計３から出力され
たレーザ光４は微動機構部２の可動部２ａの所定箇所に
照射され、これによって当該可動部２ａの位置変化を計
測する機能を有する。レーザ干渉計３は粗動機構部１に
よる変位と微動機構部２による変位を加えた総和として
の全体変位量を計測する。５は制御装置を示し、制御装
置！５は操作パネル５ａとＣＲ７表示装置５ｂを有して
いる。

制御装置５内には演算・制御を実行するＣＰＵと目標設
定値等を格納するメモリ等とを有する。制御装置５は、
レーザ干渉計３で計測された変位量に関する位置情報を
基に後述される如き所要の演算を行い、制御データを作
成し、粗動機構部１及び微動機構部２のそれぞれに対し
制御信号を与え、その動作を制御する。この場合微動機
構部２の動作は独立に制御されるが、粗動機構部１の動
作は微動機構部の２による移動量を考慮しつつ行われる
。

第５図は粗動機構部１の詳細な要部構成を示し、この図
示例では摩擦駆動機構の駆動部を示している。第５図で
、１ａは前記上部ステージ、１ｂはダイレクトドライブ
モータ、１ｃは上部ステージ１ａの下面に形成されたス
ライダ、１ｄはステージ支承部である。ダイレクトドラ
イブモータ１ｂによりその回転軸をスライダ１ｃに押し
付けて摩擦力で駆動し、上部ステージ１ａを矢印ＩＡの
方向に移動させる。摩擦駆動機構は減速機を使用せず、
それによるバックラッシュか存在しないという利点を有
している。

第６図は微動機構部２の拡大斜視図を示す。微動機構部
２は前述の可動部２ａと、固定部２ｂを備え、可動部２
ａと固定部２ｂは平行平板梁構造により連結一体化され
、可動部２ａと固定部２ｂの間に一対の圧電素子２ｃを
アクチュエータとして配設し、歪みゲージ２ｄにより可
動部２ａの変位を検出するように構成される。この圧電
素子２Ｃによる駆動によって粗動機構部１の動作に比較
し高速な応答速度を得ることができる。

次に制御装置５における本発明に関連する内部構成につ
いて第１図を参照して説明する。第１図において、１０
は粗動機構部１と微動機構部２とからなる移動機構部、
３は前記レーザ干渉計、５ａは前記操作パネル、１１は
制御装置５内の演算・制御部であり、ＣＰＵ等によって
構成される。

演算・制御部１１の内部構成を示すブロック図はＣＰＵ
及びメモリによって実現される各機能及びそれらの関係
を示したものである。レーザ干渉計３は、粗動機構部１
と微動機構部２の両方の移動を合せた移動機構部１ｏの
全体の位置変化の距離を、レーザ干渉を利用して計測す
る。レーザ干渉計３で計測された位置情報は制御装置５
の入力部１２に取り込まれ、更に演算・制御部１１に入
ヵされる。演算・制御部１１は、目標値設定部１３、減
算器１４、微動演算部１５、微動変位演算部１６、加算
部１７、粗動演算部１８とから構成される。目標値設定
部１３は、操作パネル５ａを操作することによりしてデ
ータを入力され、移動対象物を移動させる目標位置に係
る目標値データが設定される。減算器１４では、目標値
設定部１３に格納された目標値（目標とする位置のデー
タ）から入力部１２から出力される実測値（実際の位置
のデータ）が減算され、位置偏差が演算される。

減算器１４から構成される装置偏差データは微動演算部
１５及び加算部１７に入力される。微動演算部１５では
位置偏差データに基づき目標値までの微動を行わせるた
めの微動指令値が算出される。

この微動指令値の演算は、移動対象物の位置が粗動によ
る位置変化で微動機構部２の可動範囲に入ったという条
件の下で行われ、当該条件が満たされない場合には０に
設定される。微動演算部１５から出力される微動指令値
はＤ／Ａ変換器１９と微動変位演算部１６に入力される
。Ｄ／Ａ変換器１９は微動指令値をアナログ制御信号に
変換し、微動機構部２に与え、微動機構部２を制御する
。

微動指令値がＯの場合には微動機構部２は停止状態に保
持される。微動変位演算部１６は、微動演算部１５から
の微動指令値に基づき微動機構部２によって行われる微
動機構の中心位置からの変位を算出する。この微動変位
は、微動指令値で微動機構部２を駆動する結果得られる
微動機構部２のみによって達成される移動距離である。

この移動距離は、微動指令値が決まれば、所定演算式に
よって自動的に算出できるものである。微動変位演算部
１６での演算で求められた微動機構部２による微動変位
は、加算部１７に入力される。加算部１７では、減算器
１４から与えられる前述の位置偏差データと、１サイク
ル前の微動変位演算部１６から与えられる微動変位との
加算が行われる。

その加算値が粗動演算部１８に入力され、粗動演算部１
８では加算値に基づいて粗動指令値が算出される。粗動
指令値はＤ／Ａ変換器２０でアナログ制御信号に変換さ
れ、粗動機構部１に与えられる。粗動機構部１の動作は
この制御信号によって制御される。

上記の如く本発明による粗微動制御方法の特徴は、粗動
機構部１と微動機構部２を同時に動作が継続するように
構成し、且つ微動機構部２によってのみ生じる変位量を
微動変位演算部１６で求め、この変位量を、粗動演算部
１８に入力される位置誤差データに加算するように構成
したことにある。

かかる構成によって、移動動作を継続する粗動機構部１
の動作は、微動機構部２による変位を含めた形で、目標
値と実測値の差を小さくするように制御され、粗動機構
部１は最終的に目標位置に到達する。また微動機構部２
は、微動機構部２の動作のみによる移動位置が最終的に
その可動範囲の中心位置に戻るように制御される。

次に前記構成を備えた制御装置による制御動作、すなわ
ち制御方法を第２図と第３図に基づいて説明する。第２
図は制御の手順を示すフローチャートであり、前記演算
・制御部１１の内部で実行される演算及び制御の手順で
ある。第２図に示されるように、このフローチャートは
メイン処理のフローチャート（Ａ）と割込み処理のフロ
ーチャート（Ｂ）から構成される。第３図において、（
Ａ）は粗微動複合運動としての全体の位置の変化と、粗
動と微動のそれぞれの位置の変化を説明するための図、
（Ｂ）は従来制御方法による場合の位置の変化を示す（
Ａ）と同様な図である。

最初に第２図に従って演算及び制御の手順を説明する。

先ずメインフローチャート（Ａ）において、変数ｉを設
定し、この変数ｉを０とおく　（ステップ３１）。変数
ｉは微動機構部２による微動変位の量をサンプリングす
るタイミングを決めるためのカウンタ数を表す。従って
ステップ３１はカウンタ数ｉを初期化する処理である。

次に割込みのタイミングを決定する所定時間を設定する
（ステップ３２）。設定された所定時間が経過するごと
に、フローチャート（Ａ）の処理に割込みが入り、フロ
ーチャート（Ｂ）が実行される。フローチャート（Ｂ）
については後述される。

次のステップ３３では、移動対象物が目標値に到達して
、その結果、複合移動動作の制御を終了すべきか否かが
判定される。制御を終了すべきと判定されたときには、
ステップ３４に移行し割込みを禁止して制御フローを終
了する。制御を終了すべきでないと判定されたときには
、ステップ３５で、変数ｉがｍであるかどうかを判定す
る。このｍは所定の条件を満たすように設定される定数
で、例えば１の値に設定される。定数ｍの意味は、粗動
機構部１を動作を制御するために必要な粗動指令値を粗
動演算部１８で演算させるための条件を与える数値であ
る。すなわちｉ＝ｍが成立するときには、微動変位演算
部１６で微動変位が演算され（ステップ３６）、更に粗
動演算部１８で粗動指令値が演算される（ステップ３７
）。この場合には、フローチャート上では現れないが、
当然のことながら加算部１７も所定の演算を行っている
。変数ｉはステップ４１で明らかなように、割込みフロ
ーチャート（Ｂ）が１回実行されると、１だけ増加され
る。ステップ３５において、ｉがｍでないときにはステ
ップ３５が反復され、ｉがｍであるときには前記ステッ
プ３６及び３７が実行される。

割込み時に実行されるフローチャート（Ｂ）は、主に微
動機構部２を動作させるため微動指令値を演算するため
のフローチャートである。最初のステップ４１では、前
述したように変数ｉが１だけ増加される。従って、割込
みが行われるたびにｉは増加する。次に判断ステップ４
２では、移動対象物が、微動機構部２による微動を行う
ことによって当該移動対象物が設定された目標位置に到
達できるという可動範囲内に入っているか否かが判断さ
れる。すなわち、目標値設定部１３からの設定値と入力
部１２からの実測値の差に基づき前記可動範囲内に入っ
ているか否かが判定される。ステップ４２において、Ｎ
Ｏの場合（可動範囲外の場合）にはステップ４５を実行
し、Ｙｅｓの場合（可動範囲内の場合）にはステップ４
３及び４４を実行する。ステップ４５では、微動機構部
２の可動範囲に到達していないので、微動演算部２では
その出力値を０にセットする。ステップ４３では、減算
器１４で目標値と実測値との差を求め、この差に基づい
て微動演算部１５で微動指令値を演算する。こうして微
動演算部１５て求められた微動指令値は、Ｄ／Ａ変換器
１９と微動変位演算部１６に出力される（ステップ４６
）。ステップ４６が実行されるときには、微動機構部２
の可動範囲内であるか、又は範囲外であるかということ
は問わない。次のステップ４７では、変数ｉがｎである
か否かを判定する。この定数ｎは粗動機構部１の動作を
制御するタイミングを与えるもので、ステップ４７で、
ＮＯのときには割込み処理を終了し、Ｙｅｓのときには
粗動演算部１８が粗動指令値を出力しくステップ４８）
、その後変数ｉを０にセットして初期化する（ステップ
４９）。定数ｎには例えば３の数が割り当てられ、ｍと
ｎとの間にはＱ　＜　ｍ　＜　ｎの関係が成立するよう
に設定される。

フローチャート（Ｂ）による割込み処理が終了すると、
フローチャート（Ａ）に戻る。ｌが０から始まり、最後
にステップ４９で再び０に初期化されると粗動の１サイ
クルが終了される。

メイン処理（Ａ）のステップ３３．３５〜３７を実行し
ている間において、割込み処理（Ｂ）は、ステップ３２
で設定された一定時間（例えばＴ、）ごとに実行される
。前述の如く例えばｍを１、ｎを３に定めると、ｉが０
の間はステップ３５が繰り返され、一定時間か経過して
１回目の割込み処理が実行され、ステップ４１．４２．
４３と４４（又は４５）が行われると、ｉは１となる。

従って、メイン処理（Ａ）に戻って、ステップ３５が行
われると、次にはステップ３６と３７が実行される。そ
して再び一定時間Ｔ、が経過すると、割込み処理（Ｂ）
が実行される。

変数ｉの変化に伴う微動と粗動の動作制御のタイミング
を第２図（Ｃ）に表で示す。変数ｉは一定時間Ｔ、ごと
にステップ４１が実行されるため、１．２．３，０．１
．２．　　・・・と変化する。これに対応して、微動指
令値と粗動指令値のそれぞれについて、各指令値の演算
と各指令値の出力に分けてその実行時を○で示すと、第
２図（Ｃ）に示す如くなる。この表で明らかなように、
微動機構部２の動作制御に関してはｉが変化するたびに
その演算及び出力が実行される。ただし制御プロセスに
ついての上記説明で明らかなように、制御位置が微動機
構部２の可動範囲に入らない限り微動指令値は０にセッ
トされる（ステップ４５）ので、微動機構部２では実際
に制御動作が行われない。これに対して粗動機構部１の
動作制御に関しては、その指令値の演算及び出力はそれ
ぞれ、微動指令値の場合に比較して３倍の時間間隔で実
行され、且つ粗動指令値の演算と出力の間には時間遅れ
を設けるように設定されている。

以上のように、演算・制御部１１で実行される粗動と微
動の制御では、粗動機構部１及び微動機構部２を停止さ
せることなく両者共に制御を行い、且つ微動機構部２の
動作を制御するための微動指令値を演算・出力するサン
プリング回数を、粗動機構部］−の動作を制御するため
の粗動指令値を演算・出力するサンプリング回数よりも
多くすることにより、粗動機構部１の移動動作による総
和としての全体の位置の変化を微動機構部２の移動動作
によって補償するように構成されている。

粗動の移動位置が目標位置に到達すると、制御は終了す
る。このことをステップ３３で判定すると、割込みを禁
止するステップ３４が実行され、制御プログラムが終了
する。

次に上記の如く行われる粗動と微動の制御に基づく動作
を、目標位置近傍での位置変化を示した第３図（Ａ）に
基づいて説明する。第３図（Ａ）において、横軸は時間
であり、縦軸は位置を表している。５１は粗動機構部１
による粗動部分の変位、５２は微動機構部２による微動
部分の変位５３は粗動機構部１による位置の変化、５４
は全体の変位である。原点Ｏ２における時間軸上の意味
は、粗動機構部１と微動機構部２からなる移動機構部１
０による全体の移動位置と目標位置との差が、微動機構
部２の可動範囲内に入った瞬間の時点である。原点０１
の位置軸上の意味は目標位置である。また点０□の位置
軸上の意味は移動機構部１０による移動対象物が微動可
動範囲に入る位置を表す。従って、線分０１０２は微動
機構部２による可動範囲の距離を表す。

本発明による粗微動制御方法によれば、微動機構部２の
可動範囲内に入った瞬間の時点では、微動機構部２によ
る位置変位が存在せず（前記微動変位演算部１６の出力
値は０）、そのため、第１図に示される微動演算部１５
に入力される信号、及び加算部１７を経由して粗動演算
部１８に入力される信号は、共に目標位置と実際位置と
の差となり、同じである。その後の動作では、微動機構
部２は粗動機構部１に比較して制御の面及び動作の面で
応答速度が速いので、迅速に微動による変位を行い、全
体としての位置偏差を低減し、時刻ｔ２では微動機構部
２による変位部分は目標位置に到達する。従って、レー
ザ干渉計３で検出される実測位置は目標位置に急速に近
付き、減算器１４の出力はＯに近付く。このように、原
点から時刻ｔ２に至るまでの間、全体の位置偏差は急激
に減少する。しかしながら、微動機構部２による変位が
増大するので、粗動演算部１８に入力される入力信号は
、加算部１７０作用で全体の位置偏差の急激な減少に対
し微動機構部２による微小変位の急激な増大が加算され
、これによって相殺され、粗動機構部１を制御するため
の粗動指令値を演算する粗動演算部１に入力される信号
に関して、微動による変位は影響を与えない。従って、
粗動機構部１の制御部では、加算部１７で加算された値
を減するように制御が行われ、粗動機構部１による粗動
の位置変化の軌跡は第３図（Ａ）の破線５３で示される
ようにゆっくりと目標位置に接近していく。粗動機構部
１による粗動が目標位置に近付き、当該粗動による変位
が０になるということは、微動機構部２による微動変位
で、可動範囲の中心位置に戻るということを意味してい
る。移動機構部１０において何らかの外乱が生じて位置
の偏差が発生した場合において、微動機構部１の可動範
囲内に移動対象物が位置していれば、迅速に対処するこ
とができる。また反面、本発明による粗微動制御方法で
は、外乱によって発生する位置の偏差が可動範囲内に入
る可能性を高くするため、微動機構部２による微動の変
位をその可動範囲の中心位置に持ってくるように微動制
御を行う。

粗動機構部１が移動動作を開始すると、全体の位置が変
化するが、これは微動機構部２を制御するためのフィー
ドバック制御系のサンプリング回数を、粗動機構部１を
制御するためのフィードバックループ制御系のサンプリ
ング回数よりも多くするようにすることによって、微動
機構部２による微動によって補償をすることができる。

以上によって、最初、粗動機構部１の粗動によって移動
を行い、微動機構部２による可動範囲内に入った後は、
微動機構部２による微動変位で迅速に位置偏差が減少さ
れ、その精度を維持したまま粗動機構部１による粗動変
位でゆっくりと移動が行われ、微動機構部２の可動部２
ａを迅速に微動可動範囲の中心位置に戻すことが可能と
なる。

ここで従来の粗微動移動装置の粗微動制御方法の動きを
図示すると、第３図（Ｂ）の如くなる。

この場合には、微動機構部の可動範囲に入ったところで
粗動機構部の動作は停止し、それ以上粗動は行われず、
粗動による目標位置への接近は行われない。粗動機構部
によって到達できなかった目標位置への位置偏差を微動
機構部が迅速に補償する。移動機構部全体としての位置
の変化は本発明による制御方法の場合と変りはないが、
粗動機構部が動かないので、移動対象物の位置は微動機
口部の可動範囲の中心位置から外れたままとなり、外乱
が入った場合には、微動機構部の可動範囲の外に位置が
ずれるという可能性が高い。本発明の粗微動制御方法の
場合には、可動範囲の中心位置に存在するように制御が
行われるため、可動範囲から外れる可能性か極めて低い
。

次に本発明の第２実施例について説明する。前記の第１
実施例は、粗動及び微動からなる複合移動制御において
移動対象物を１つの目標位置に移動させるための位置決
め制御であったが、本実施例では、１つの軸の上に微小
な間隔で複数の点をとり、各点を高速にステップ移動し
ながら各点で高精度に位置決めする制御方法である。か
かる位置決め制御方法は、微小な間隔で次々に測定しな
がら測定量の分布を計測する微小間隔高速多点計測法に
使用することができる。

第７図において、６１は軸で、この軸は位置を意味して
いる。軸６１の上には微小な間隔で多数の点６２ａ〜６
２ｅが設定されており、これらは測定点である。また区
間６３は微動機構部による可動範囲を表している。可動
範囲６３における１番目の測定点６２ａに対応する点が
６４であり、移動対象物は現在点６４の位置に存在する
ように位置制御されている。従って、第７図に示された
位置制御状態では、微動機構部による移動制御位置は、
可動範囲６３の中心点６５よりも後方に存在する。次い
で１番目の測定点６２ａから２番目の測定点６２ｂに移
動する際には、微動機構部を移動制御して移動対象物を
点６４から点６４′に瞬間的に移動させる。点６４′は
測定点６２ｂに対応している。このような移動制御は、
微動機構部に関する制御及び動作の応答性が速く生じる
ため実現可能である。並行して粗動機構部による粗動を
制御し、粗動機構部をゆっくり動かして可動範囲６３を
６３′の位置に移動させると共に、同時に微動機構部の
移動制御を行い、点６４′が測定点６２ｂに対応する位
置に存続するように、可動範囲においてゆっくりと６４
′の位置まで移動させる。粗動機構部及び微動機構部に
関し、可動範囲を６３から６３′の位置に移動させ且つ
移動対象物の存在位置を６４′から６４′へ移動させる
ように制御を行うのは、可動範囲が６３の位置のままで
あるとすると、３番目の測定点６２ｃが微動機構部の可
動範囲外の点となってしまい、微動機構部による次の瞬
間的移動を行えないからである。そこで、微動機構部を
搭載した粗動機構部を移動動作させ、３番目の測定点６
２ｃが可動範囲に入るように微動機構部の可動範囲自体
を移動させる。この際の微動機構部による点６４′から
点６４′の移動動作は、前述の如く２番目の測定点６２
ｂの位置に移動対象物を保持するため、粗動機構部によ
る動きを補償するための移動である。

つまり、微動機構部が反対側に動かなければ、点６４′
は矢印６６の如く移動するのであるが、微動機構部によ
る反対方向の動きによって、測定点６２ｂの位置にとど
まらせることができる。その後、２番目の測定点６２ｂ
から３番面の測定点６２ｃへ、微動機構部によって瞬間
的な移動を行う。

こうして上記の動作を繰り返して微小間隔のステップ移
動を連続して行うことが可能となる。

第８図は一般的に位置決め制御に使用される速度の変化
パターンを示し、横軸は時間、縦軸は速度を意味する。

移動対象物を停止した状態から移動させ、再び停止させ
るには、第８図に示すように加速区間、減速区間の部分
が存在する。この部分では速度が小さいので、時間を要
する割りには移動量は小さい。第８図の面積関係から明
らかなように、加速区間及び減速区間では、定速区間に
比較して同じ移動量を得るのに２倍の時間が必要である
。このことから、本発明による粗微動複合制御方法では
粗動機構部を停止させることなく制御する。これにより
、粗微動移動装置の移動ステージ全体の加減速がなくな
り、同じ量移動するのに短時間で済み、また移動が滑ら
かに且つ連続的に行われることになる。

第９図に、粗動と、微動と、これら２つの移動を複合し
た全体移動の変化特性の一例を示す。第９図（Ａ）に示
すように粗動は定速で移動し、同図（Ｂ）に示すように
微動は１つの測定点に正確に位置決めするように、粗動
の動きを補償する。

このため、粗動とは逆方向に移動する動作を主動作とし
て行い、更に測定点が次に移る時に瞬間的に変位して、
次の測定点の位置決めを正確に行う。

こうして、微動は鋸波状の移動を行うように制御される
。上記の粗動と微動を構成すると、それらの複合動作の
全体は、第９図（Ｃ）に示されるように１つ１つの測定
点に正確に位置決めされながらステップ状に移動する動
作となる。

次に本発明の第３実施例について説明する。前記各実施
例の目標値は時間的に変化しないものであった。これに
対して、この実施例による粗微動制御方法は、目標値が
時間的に変化する場合に適用される制御方法である。

第１０図は、時間的に変化する目標値の具体例としての
軌道制御を示しており、本図において横軸はＸ軸、縦軸
はＹ軸である。軌道制御とは、ＸＹ平面内において移動
対象物を軌道８１に沿ってその始点８１ａから終点８１
ｂまで移動させる制御のことをいう。軌道制御では、Ｘ
軸方向とＹ軸方向の位置だけではなく、各点の通過時刻
も正確に制御しなければならないため、通常の位置決め
制御よりも高度な制御技術が要求される。従来装置では
高速高精度のものは存在せず、本実施例では、本発明を
適用することにより高速高精度な軌道制御装置を実現し
ている。軌道制御装置としては、例えば工作機械の切削
時のＮＣ制御装置の例を挙げることができる。従来のＮ
Ｃ制御装置では、位置決め精度は１μｍ程度、最大移動
速度は１ｍｍ／ｓであったが、本実施例によるＮＣ制御
装置では位置決め精度が０．０５μ山、最大移動速度が
ｌＱｍｍ／ｓを実現することができる。

第１０図中に円形領域８２を設け、この円形領域８２に
軌道の一部８１ｃを拡大して示す。この拡大円形領域８
２では、粗動と移動の組み合わせによる移動を詳細に示
している。図中、８３は設定された目標とする軌道曲線
であり、この目標軌道曲線８３に沿って正確に移動する
ため、粗動による軌道曲線８４と微動による補償変位に
より目標軌道曲線８３上の移動を達成している。このよ
うな制御は軌道８１の上のすべての点で同じように行わ
れている。

軌道制御を行う場合には、各軸について軌道上を移動す
る速度を決定し、これにより各点を通過する時刻が決ま
るので、次いで軸Ｘ、Ｙのそれぞれについである時刻に
おける位置を決める。つまり各軸の移動について位置の
時間変化関数を決定する。従って、決定された時間変化
関数に基づいて各軸方向の移動を行えば、合成された全
体として軌道８１に沿った移動を行うことができる。第
１１図に本実施例の場合の制御装置の要部ブロック図を
示す。この制御装置では、時間変化関数生成部８６を備
えている。時間変化関数生成部８６は操作パネル５から
のデータ入力操作等に基づき位置の時間変化関数と速度
の時間変化関数を生成し、位置の時間変化関数をメモリ
である目標値設足部１３に格納する。速度の時間変化関
数も他のメモリに格納される。その他の構成は第１図に
示された制御装置の構成と同じである。また第１１図の
制御装置による粗微動制御は、基本的に第１図に基づき
説明された制御方法と同じであり、相違する点は目標値
設定されたデータが位置についての時間変化関数である
こと、及びＸ軸とＹ軸の２次元についての制御が行われ
ることである。ただし実際上の運動では、第１１図に示
されるように粗動演算部１８はレーザ干渉計３からフィ
ードバックされる位置情報だけではなく、時間変化関数
生成部８６で求められた速度に関する時間変化関数も入
力されるように構成され、位置情報と速度に関する時間
変化関数とを用いて粗動指令値を演算する。

粗動機構部１による移動位置と目標位置との差は、フィ
ードバック制御により補償されるのであるが、粗動機構
部１自体の応答速度が遅いため、移動が高速になると、
粗動機構部１のみによる移動位置制御では高精度な位置
決めが困難になる。

第１０図の円形領域部８２に示したように、目標の軌道
曲線８３に対して粗動制御の軌道曲線８４は位置偏差に
よりかなり変位するが、微動機構部２による高速な微小
移動により当該位置偏差を補償し、目標とする軌道曲線
８３に沿わせることが可能となる。

以上の高速高精度な軌道制御を利用すれば、計測時間を
短くすることによって多次元の高速多点計測を行うこと
ができる。第１２図は一例として２次元の高速多点計測
を示す。８７は軌道曲線、軌道曲線上の多数の点８８が
ＸＹ平面上に格子点配列で並べられた測定点である。従
来の多点計測では、各点について位置決めを行い、この
ため各点ごとに加減速の制御を行わなければならず、非
常に時間がかかっていた。これに対して本実施例の場合
には、これらの多数の測定点８８を滑らかな曲線で結び
、これを軌道曲線８７として軌道制御を行うことができ
るので、加減速がなく高速で各測定点を通過することが
できる。計測は各測定点を通過する瞬間に行われるよう
に構成される。

また前述した高速高精度の軌道制御は第１３図に示す如
き山登り探索法にも応用することができる。例えばＸ、
　Ｙの２次元平面に単峰関数Ｆ　（Ｘ。

Ｙ）による分布が存在し、そのピーク値９１を求めたい
場合に、前述した格子点計測を行って各点の高さの計測
値を求め、これらを比較してピーク値を求めるようにし
ていた。この方法では、不必要な点を多く計測する必要
があり、得られる測定精度に比較して非常に時間を有す
るものであった。

山登り探索法では、ある点において近傍の任意の３点を
測定し、測定量の最大傾斜ベクトルを求め、その方向に
進むことにより最短経路９３でピークに到達し、その位
置を割出す方法である。この方法では、各等位線９２に
直角な最短経路９３の軌道を迅速に見出し、この最短経
路軌道９３上を高速に移動することが要求される。この
ような山登り方法で重要なことは、多次元の高速多点計
測であり、これは前述した本発明による方法で可能とな
る。山登り法の場合には、移動方向が全方向に均等では
なく、ある方向に偏っているので、軌道制御に有利な滑
らかな曲線になる可能性が高い。

従って、山登り探索法に対し前記軌道制御を適用すると
、従来の各測定点での位置決め方法による場合に比較し
て高速に且つ高い精度でピーク９１に到達することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、 次の効果を奏する。

本発明の複合移動動作の制御方法或いはこの制御方法を
適用した粗微動複合移動装置の制御方法及び制御装置に
よれば、所定の関係を満足するように粗動と微動を滑ら
かに且つ連続的に行うように制御するため、微動におい
ては常にその可動範囲の中心位置に移動対象物が保持さ
れ、従って、外乱によって位置の変動か発生した場合に
も微動により迅速に補償できる可能性が高くなる。この
ため、従来装置の如く粗動機構部を停止させ、また必要
に応じて再動作させる必要がないため、移動において外
乱の補償に要する時間を大幅に短縮することができる。

本発明によれば、 本発明の複合移動動作の制御方法によれば、粗動の位置
変化と微動の位置変化を組み合わせることにより全体と
してステップ移動を行うことができ、これによって多点
の目標位置と組み合わせることにより高速高精度の多点
計測を行うことができる。更に目標位置の与え方を時間
変化関数で与えることにより高速高精度の軌道制御を行
うことができ、この考えを更に発展させて山登り探索方
法にも応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本実施例を示す粗微動複合移動装置
の制御装置の構成図、第２図は制御装置の動作を説明す
る図であり、（Ａ）はメイン処理のフローチャート、（
Ｂ）は割込み処理のフローチャート、（Ｃ）は微動演算
部と粗動演算部の演算・出力の動作タイミングを示す図
、第３図は本発明の制御方法と従来の制御方法の動作の
違いを説明する図、第４図は粗微動複合移動装置の全体
外観図、第５図は粗動機構部の駆動系を示す一部断面斜
視図、第６図は微動機構部の拡大斜視図、第７図は微小
間隔ステップ移動を説明するための図、第８図は位置決
めの速度曲線の例を示す特性図、第９図は微小間隔ステ
ップ移動の時の粗動と微動と全体の位置変化曲線を示す
特性図、第１０図は軌道制御の実施例を説明するための
図、第１１図は軌道制御を行うための粗微動複合移動装
置の制御装置の構成図、第１２図は軌道制御に基づく多
次元多点計測方法を説明するための図、第１３図は山登
り探索方法を説明するための図である。 〔符号の説明〕 １・・・・・・粗動機構部 ２・・・・・・微動機構部 ３・・・・・・レーザ干渉計 ５・・・・・・制御装置 １０・・・・・移動機構部 １１・・・・・演算・制御部 １３・・・・・目標値設定部 １５・・・・・微動演算部 １６・・・・・微動変位演算部 １７・・・・・加算部 ・粗動演算部

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）粗動による移動と微動による移動を合成すること
   により形成される複合移動の動作において、粗動による
   移動で得られた位置と目標位置との差が前記微動の可動
   範囲以内になったとき、微動による移動を高速に行って
   粗動と微動による総和としての移動位置を前記目標位置
   に一致させると共に、少なくともその後の粗動による移
   動は微動による前記変位量を加味しながら行い、粗動に
   よる移動位置を前記目標位置に一致させるようにしたこ
   とを特徴とする複合移動動作の制御方法。
2. （２）請求項１項記載の複合移動動作の制御方法におい
   て、前記微動による移動は、前記粗動による移動の上に
   おいて行われることを特徴とする複合移動動作の制御方
   法。
3. （３）請求項１又は２記載の複合移動動作の制御方法に
   おいて、粗動と微動の総和による移動位置が前記目標位
   置に保持された状態にあり、粗動による移動位置が前記
   目標位置に接近する場合に、微動で生じた変位量が調整
   され、最終的に粗動による移動位置が前記目標位置で一
   致することを特徴とする複合移動動作の制御方法。
4. （４）請求項１記載の複合移動動作の制御方法において
   、前記粗動による移動の速度は一定速度であることを特
   徴とする複合移動動作の制御方法。
5. （５）請求項１記載の複合移動動作の制御方法において
   、前記目標位置が微小間隔で多数設定されており、更に
   前記粗動による移動は一定速度で行われ、前記微動によ
   る移動は前記微小間隔に対応する周期で鋸波状に行われ
   ることにより、前記総和としての移動を時間の経過に伴
   いステップ状に変化させ、多数の前記目標位置のそれぞ
   れで所定時間の間停止させることを特徴とする複合移動
   動作の制御方法。
6. （６）所定の値が分布する領域における当該値の分布状
   態を計測する方法であり、前記領域で微小間隔で位置す
   る多数の点を計測を行うための目標位置として設定し、
   請求項５に記載された複合移動動作の制御方法を前記目
   標位置のそれぞれにおける位置決め方法として使用した
   ことを特徴とする微小間隔高速多点計測方法。
7. （７）粗動機構部による粗動と微動機構部による微動を
   合成した複合移動動作に基づき移動対象物を停止するこ
   となく特定の軌道に沿って連続的に移動させる軌道制御
   方法において、請求項１に記載された複合移動動作の制
   御方法で前記粗動機構部による粗動と前記微動機構部に
   よる微動を制御し、粗動機構部による粗動で前記軌道に
   追従し、前記粗動で生じた前記軌道との位置ずれを前記
   微動機構部による高速な微動により補償して位置決めを
   行うことを特徴とする軌道制御方法。
8. （８）請求項６記載の微小間隔高速多点計測方法におい
   て、請求項７に記載された軌道制御方法を用いて各計測
   点における位置決めを行うことを特徴とする微小間隔高
   速多点計測方法。
9. （９）所定の値についての分布を有する多次元領域にお
   ける極値点の位置を求める探索方法であり、前記領域内
   の任意の点における前記所定の値の変化ベクトルにより
   進行方向を決め、この進行方向に基づいて決まる各点で
   次々に変化ベクトルを求め、これらの変化ベクトルで決
   まる軌道に沿って移動することにより最終的に前記極値
   点に到達する山登り探索方法において、請求項７に記載
   された軌道制御方法に基づき前記軌道に沿って移動し、
   短時間で前記極値点に到達するようにしたことを特徴と
   する山登り探索方法。
10. （１０）微動機構部の可動部に移動対象物を載置し、更
    に粗動機構部の上に前記微動機構部を搭載し、粗動機構
    部と微動機構部のそれぞれの変位量を、目標位置と実際
    の位置との位置偏差を情報としてフィードバックするこ
    とにより制御し、前記移動対象物を前記目標位置まで移
    動させる粗微動複合移動装置の制御方法において、前記
    微動機構部の微動指令値を生成する制御手段にはフィー
    ドバック系で得られた前記位置偏差を制御目標値として
    与え、前記粗動機構部の粗動指令値を生成する制御手段
    には前記位置偏差に前記微動機構部による変位量を加算
    したものを制御目標値として与えるようにしたことを特
    徴とする粗微動複合移動装置の制御方法。
11. （１１）請求項１０記載の粗微動複合移動装置の制御方
    法において、加算される前記変位量は、目標位置と実際
    の位置との位置偏差が前記微動機構部の可動範囲よりも
    大きいときには０であり、前記差が前記可動範囲以内に
    なったときには前記微動指令値で得られる変位量である
    ことを特徴とする粗微動複合移動装置の制御方法。
12. （１２）広い動作範囲を有する粗動機構部とこの粗動機
    構部の上に搭載された高い位置決め精度を有する微動機
    構部とからなる粗微動機構部と、粗動機構部による粗動
    と微動機構部による微動とを合せた全体の変位量を計測
    する計測手段と、移動の目標位置を設定する手段と、前
    記計測手段で得られる位置情報を取り込む手段と、前記
    目標値と前記位置情報の位置偏差に基づき前記微動機構
    部を動作させる微動指令値を演算する微動演算手段と、
    前記微動指令値から前記微動機構部による変位量を演算
    する微動変位演算手段と、前記位置偏差と前記微動の変
    位量とに基づき前記粗動機構部を動作させる粗動指令値
    を演算する粗動演算手段と、求められた前記の各指令値
    を対応する各機構部に与える出力手段とからなることを
    特徴とする粗微動複合移動装置の制御装置。
13. （１３）請求項１２記載の粗微動複合移動装置の制御装
    置において、前記目標位置を設定する手段には、時間変
    化関数が設定されることを特徴とする粗微動複合移動装
    置の制御装置。