CN104076826A - 致动器的位置计算装置和位置计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种致动器的位置计算装置和位置计算方法，即使移动量检测传感器的分辨率比移动机构的最小移动量小，也可以高精度地计算移动机构的位置，可以实现致动器的成本降低。具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号Ma～Mc、M0～M11成比例地朝一个方向移动的移动机构和以最小分辨率ΔS（其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2）检测移动机构的移动量的移动量检测传感器的致动器的位置计算装置具有：位置计算单元，其在设移动机构的目标位置处的控制信号为M0且设传感器信号为S0时，根据传感器信号为（Ｓ0＋ｍ×ΔＳ）或者（Ｓ0－ｍ×ΔＳ）的时刻T1时的控制信号（其中，m是1以上的自然数）计算在目标位置处的移动机构的位置SA。

Description

致动器的位置计算装置和位置计算方法

技术领域

本发明涉及在扫描型探针显微镜的试样载置台的驱动等中使用的致动器的位置计算装置、位置计算方法和位置计算程序。

背景技术

扫描型探针显微镜是使安装在悬臂的前端的探针接近或接触试样表面而测定试样的表面形状的显微镜。作为扫描型探针显微镜的测定模式，公知有：（1）将探针和试样之间的原子间力保持恒定来测定试样的表面形状的接触模式；（2）通过压电元件等使悬臂在谐振频率附近进行强制振动，在使探针接近试样时，利用通过两者之间的断续接触而使探针的振幅衰减来测定试样的形状的方法（以下合适称为“动态力模式（DFM测定模式，Dynamic Force Mode）”）。

并且，扫描型探针显微镜具有由在xy（平面）方向上扫描试样的压电元件和在z（高度）方向上扫描试样的压电元件构成的致动器，在配置于致动器上的试样载置台的表面载置有试样。由于施加给压电元件的电压和压电元件的位移在某种程度上成比例，因而可以从施加给压电元件的电压来计算试样表面的高度信息。然而，由于压电元件的动作特性具有滞后和蠕变，因而根据施加电压求出压电元件的正确位置是困难的。因此，开发出了利用与压电元件分开设置的传感器来检测压电元件的Z方向的位移的技术（参照专利文献1）。

【专利文献1】日本特开平9－80060号公报

然而，一般，传感器的位置检测分辨率比压电元件的最小移动量（移动分辨率）低，当要正确求出压电元件的微小位置时，需要高分辨率的昂贵的传感器，涉及到成本增高。并且，在传感器的分辨率比压电元件的移动分辨率低的情况下，由于位置的检测精度受传感器的分辨率限制，因而不能发挥压电元件的高的移动分辨率。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而作成的，本发明的目的是提供一种即使移动量检测传感器的分辨率比移动机构的移动分辨率小，也可以高精度地计算移动机构的位置、可以实现致动器的成本降低的致动器的位置计算装置、位置计算方法和位置计算程序。

为了达到上述目的，本发明的致动器的位置计算装置，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，所述致动器的位置计算装置具有：信号取得单元，其每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和位置计算装置，其当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0、而且设所述传感器信号为S0时，根据所述传感器信号为Ｓ0＋ｍ×ΔＳ或者Ｓ0－ｍ×ΔＳ的时刻T1时的所述控制信号、和/或T1的前一个的所述控制信号，来计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA，其中，m是1以上的自然数。

根据该致动器的位置计算装置，即使移动量检测传感器的分辨率比移动机构的最小移动量小，也可以高精度地计算移动机构的位置，可以实现成本降低。

所述位置计算单元可以利用下述式1：ＳＡ＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－ΔＳ×（2ｎ－1）／2Ａ来计算所述位置SA，其中，n是从M0到T1的前一个的所述控制信号的生成次数，1≤ｎ≤ｍ×Ａ。

并且，本发明的致动器的位置计算装置，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，其中，所述致动器的位置计算装置能够根据所述控制信号计算所述移动机构的估算位置，并具有：信号取得单元，其每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和位置计算装置，其当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0时，（i）根据分别属于彼此不同的至少1个以上的所述传感器信号的所述控制信号，针对每个同一所述传感器信号分别计算所述移动机构的估算位置的最小值和最大值，（ii）求出通过以所述最小值和所述最大值作为一方变量、以所述传感器信号作为其它变量的回归分析得到的直线或二次曲线与在M0时的所述估算位置相交的交点P，（iii）根据该交点P计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA。

当传感器信号变动时，传感器信号没有根据控制信号有规则地每ΔS上升，使用上述式1正确计算SA变得困难。因此，可以通过回归分析高精度地计算SA。

本发明的致动器的位置计算方法，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，其中，所述致动器的位置计算方法具有：信号取得过程，每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和位置计算过程，当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0、而且设所述传感器信号为S0时，根据所述传感器信号为Ｓ0＋ｍ×ΔＳ或者Ｓ0－ｍ×ΔＳ的时刻T1时的所述控制信号、和/或T1的前一个的所述控制信号，计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA，其中，m是1以上的自然数。

所述位置计算过程可以利用下述式1：ＳＡ＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－ΔＳ×（2ｎ－1）／2Ａ来计算所述位置SA，其中，n是从M0到T1的前一个的所述控制信号的生成次数，1≤ｎ≤ｍ×Ａ。

并且，本发明的致动器的位置计算方法，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，其中，所述致动器的位置计算方法能够根据所述控制信号计算所述移动机构的估算位置，并具有：信号取得过程，每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和位置计算过程，当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0时，（i）根据分别属于彼此不同的至少1个以上的所述传感器信号的所述控制信号，针对每个同一所述传感器信号分别计算所述移动机构的估算位置的最小值和最大值，（ii）求出通过以所述最小值和所述最大值作为一方变量、以所述传感器信号作为其它变量的回归分析得到的直线或二次曲线与在M0时的所述估算位置相交的交点P，（iii）根据该交点P计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA。

本发明的致动器的位置计算程序，其是具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS（其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2）检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器的致动器的位置计算程序，其中，所述致动器的位置计算程序使计算机执行：信号取得过程，每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和位置计算过程，当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0、而且设所述传感器信号为S0时，根据所述传感器信号为（Ｓ0＋ｍ×ΔＳ）或者（Ｓ0－ｍ×ΔＳ）的时刻T1时的所述控制信号、和/或T1的前一个的所述控制信号（其中，m是1以上的自然数）计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA。

所述位置计算过程可以利用下述式1：ＳＡ＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－ΔＳ×（2ｎ－1）／2Ａ（其中，n是从M0到T1的前一个的所述控制信号的生成次数，1≤ｎ≤ｍ×Ａ）计算所述位置SA。

并且，本发明的致动器的位置计算程序，其是具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS（其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2）检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器的致动器的位置计算程序，其中，所述致动器的位置计算程序能够根据所述控制信号计算所述移动机构的估算位置，并使计算机执行：信号取得过程，每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和位置计算过程，当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0时，（i）根据分别属于彼此不同的至少1个以上的所述传感器信号的所述控制信号，针对每个同一所述传感器信号分别计算所述移动机构的估算位置的最小值和最大值，（ii）求出通过以所述最小值和所述最大值作为一方变量、以所述传感器信号作为其它变量的回归分析得到的直线或二次曲线与在M0时的所述估算位置相交的交点P，（iii）根据该交点P计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA。

根据本发明，即使移动量检测传感器的分辨率比移动机构的移动分辨率低，也可以高精度地计算移动机构的位置，可以实现致动器的成本降低。

附图说明

图1是具有本发明的第1实施方式涉及的致动器的位置计算装置的扫描型探针显微镜的框图。

图2是示出利用第1实施方式的致动器的位置计算装置计算压电元件（移动机构）的z方向的位置的处理的图。

图3是图2的部分放大图。

图4是示出利用第2实施方式的致动器的位置计算装置计算压电元件（移动机构）的z方向的位置的处理的图。

图5是图4的部分放大图。

标号说明

1：致动器；1b：移动机构（压电元件）；2b：移动量检测传感器（光学传感器）；17：致动器的位置计算装置（控制部、信号取得单元、位置计算单元）；Ma～Mc、M0～M11：控制信号；S0～S2：传感器信号；L2：直线（外插直线）；100：扫描型探针显微镜。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

＜第1实施方式涉及的致动器的位置计算装置＞

图1是具有本发明的第1实施方式涉及的致动器的位置计算装置17的扫描型探针显微镜100的框图。

在图1中，扫描型探针显微镜100具有以下等：悬臂11，其在前端具有探针22；载置台5，其载置与探针22对置配置的试样10；圆筒形的致动器1，其使试样10（载置台5）三维移动；悬臂激振部12，其向悬臂11赋予振动；激振电源13，其用于驱动悬臂激振部12；以及控制部（致动器的位置计算装置）17。

致动器1具有在xy（试样10的平面）方向上扫描试样10的压电元件1a、和在z（高度）方向上扫描试样10的压电元件（相当于权利要求书的“移动机构”）1b，而且在致动器1中载置台5的里面侧安装有反射镜2a。压电元件1a与XY驱动电源18连接，向XY驱动电源18输出预定的控制信号（电压）而朝xy方向驱动压电元件1a。同样，压电元件1b与Z驱动电源19连接，向Z驱动电源19输出预定的控制信号（电压）而朝z方向驱动压电元件1b。压电元件是当施加了电场时结晶失真、当利用外力使结晶强制性失真时产生电场的元件，作为压电元件，一般可以使用陶瓷的一种即PZT（钛酸锆酸铅），然而不限于此。

在致动器1的内部配置有光学传感器（移动量检测传感器）2b，从光学传感器2b出射到反射镜2a的光被反射而回到光学传感器2b，从而检测试样10的z方向的位置（位移）。光学传感器2b由例如光纤和光学干涉计构成。移动量检测传感器不特别限定，可以是其它的光学式传感器、静电电容传感器、失真计等的电气式传感器。

控制部17由例如个人计算机等构成，具有：用于控制扫描型探针显微镜100的动作的控制基板、CPU（中央控制处理装置、权利要求书的“信号取得单元”）、“位置计算单元”）、ROM、RAM等的存储单元、接口、操作部等。

然后，从激光光线照射部14向悬臂11照射激光光线，从悬臂11反射的激光光线入射到光检测器（photo detector）15，由悬臂位移检测部16从该入射位置检测悬臂11的位移量。然后，根据由悬臂位移检测部16检测出的悬臂11的位移，从控制部17向Z驱动电源19输出预定的控制信号来驱动压电元件1b，控制探针22与试样10在Z方向的相对位置。即，使用上述机构检测由在试样10与探针22之间起作用的原子间力产生的悬臂11的位移，以将悬臂11的位移量保持恒定的方式控制探针22与试样10的相对位置。

下面，参照图2、图3、表1，对计算控制部17的压电元件（移动机构）的z方向的位置的处理进行说明。另外，表1是图2的曲线图的数据。

图2示出输出到压电元件1b的控制信号（＝压电元件1b的估算位置）与光学传感器2b的传感器信号（＝压电元件1b的测定位置）的关系。由于压电元件1b的微小位移与控制信号（电压）成比例，因而可以根据控制信号计算压电元件1b的估算位置。不过，由于压电元件1b的动作特性具有滞后和蠕变，估算位置不是压电元件1b的真值，因而利用光学传感器2b来求出压电元件1b的正确位置。

这里，当设压电元件1b的最小移动量（移动分辨率）为ΔＭ，设光学传感器2b的最小分辨率为ΔS时，假定存在A＝ΔS/ΔＭ≥2的关系，并且光学传感器2b的位置检测分辨率比压电元件1b的移动分辨率低。

优选的是2≤A≤100000，更优选的是2≤A≤1000。另外，压电元件1b示出例如10μm/100V的位移，作为最小移动量可以控制在10μV～100μV的范围。因此，该压电元件1b的移动分辨率ΔＭ为：

10μm：100V＝ΔＭ：10μV～100μV

ΔＭ＝（0.0001μV·V～0.00μV·V）／100V

＝1～10pm

另一方面，众所周知，光学传感器2b的分辨率一般是0.05～500nm（50～500000pm）左右，特别是要求在扫描型探针显微镜中使用的光学传感器2b的分辨率ΔＳ＝50～1000pm左右的高分辨率。因此，根据这些值得到：

Ａ＝ΔＳ／ΔＭ＝（50～1000pm）／（1～10pm）＝5～1000

考虑到ΔＭ最大为0.1～100pm的范围，ΔＳ最大为50～500000pm的范围，由此，得到0.5≤A≤5000000的范围，然而如果考虑扫描型探针显微镜中的实际的ΔＭ和ΔＳ的范围，则优选的是2≤A≤100000，更优选的是2≤A≤1000。

并且，在图2的例子中，A＝5（ΔＭ＝100μV＝10pm，ΔＳ＝50pm）。

【表1】

控制信号	移动机构的估算位置	传感器信号
			Ma	5	0
Mb	10	0
			Mc	15	25
M0	20	25
			M1	25	25
M2	30	25
			M3	35	25
M4	40	50
			M5	45	50
M6	50	50
			M7	55	50
M8	60	50
			M9	65	75
M10	70	75
			M11	75	75
M12	80	75
			M13	85	75
M14	90	100
			M15	95	100
M16	100	100
			M17	105	100
M18	110	100
			M19	115	125

M20	120	125
			M21	125	125
M22	130	125
			M23	135	125

在该情况下，如图2所示，由于ΔＭ与ΔS相比为5倍的分辨率，因而当使压电元件1b在探针22和试样10分离的方向（相当于权利要求书的“一个方向”）上位移了与5×ΔＭ相当的量时，达到光学传感器2b的分辨率ΔS，因而利用光学传感器2b检测位移，传感器信号以ΔS变化。也就是说，在使压电元件1b在探针22和试样10分离的方向上移动的情况下，每当在图2的横轴生成5次控制信号时，在纵轴（传感器信号）上ΔS都上升1个量，成为阶段状的曲线图（图2的黑圆圈）。另外，由于存在这样的情况：当使压电元件1b在探针22和试样10接近的方向上移动时，探针22和试样10受损，因而移动方向被限定于探针22和试样10分离的方向。不过，在将本发明应用于扫描型探针显微镜以外的情况下，也存在如果是一个方向则可以在相反方向上移动的情况。（传感器信号的“＋方向”是移动机构收缩的方向。）

因此，第1实施方式涉及的致动器的位置计算装置根据压电元件1b的高移动分辨率对光学传感器2b的传感器信号进行比例分配，高精度地估计（计算）压电元件1b的位置SA。具体地说，如图2所示，在将传感器信号相对于估算位置进行了描绘的外插直线L1上，计算与压电元件1b的控制信号M0对应的正确位置SA。

另外，外插直线L1是使压电元件1b的估算位置和传感器信号对应的一次函数，在图2的情况下，其斜率是ΔＳ／（Ａ×ΔＭ）＝1。

在图2中，设压电元件1b的目标位置处的控制信号为M0，而且设传感器信号为S0。压电元件1b的目标位置是想要求出压电元件1b的正确位置SA的位置。

作为想要求出位置SA的情况，相当于以下的SIS模式。例如，在使用图1的扫描型探针显微镜在上述的DFM测定模式下进行测定情况下，当使探针总是与试样接触时，有可能在凹凸大的试样中由于从斜面受到的横向的力而使探针或悬臂弯曲。因此，存在这样的模式：被称为SIS模式（采样智能扫描模式，Sampling Intelligent ScanMode），只有在数据取得时探针和试样才接触，除此以外，探针在待避于上方空间的同时在水平方向上高速移动，在要与试样表面接触的情况下自动进行降低扫描速度而从试样面上升的退避动作。

这样，在SIS模式中，在数据取得后，进行将探针和试样拉开的动作，将本发明应用于拉开动作。也就是说，针对在数据取得时的传感器信号S0，在上升（Ｓ0＋ΔＳ）量之前，使压电元件1b在探针22和试样10分离的方向上每ΔＭ进行动作，使用以下的方法计算SA。然后，在该SA位置之前再次回到利用SIS的测定而进行测定。与通常的DFM测定模式不同，在数据取得后进行将探针和试样拉开的动作的SIS模式中，在该动作中，进行使用本发明的测定，从而可实现判定精度的提高而不会使测定效率下降。

如作为图2的部分放大图的图3所示，从M0到传感器信号上升到（Ｓ0＋ΔＳ）的时刻T1的前一个控制信号M3为止的控制信号生成次数n是4。可以根据此时的M0与外插直线L1的交点来计算SA。首先，在求出从时刻T1到M0为止的横轴的距离的情况下，传感器信号S0时的相邻的控制信号Mc、M0～M3（参照表1）彼此之间在横轴的间隔分别是ΔＭ（＝2ΔＭ/2）。另一方面，M3与传感器信号跳动到（Ｓ0+ΔＳ）处的控制信号M4之间的间隔也是ΔＭ，而由于时刻T1位于M3与M4的中间，因而仅时刻T1与M3的间隔为ΔＭ/2。关于控制信号Mc也是一样。

因此，从时刻T1到M3的横轴的距离是ΔＭ/2（也就是说，｛ΔＭ/2＋（2ΔＭ/2）×0｝），而从时刻T1到M2的横轴的距离为｛ΔＭ/2＋（2ΔＭ/2）×1｝，从时刻T1到M1的横轴的距离为｛ΔＭ/2＋（2ΔＭ/2）×2｝。并且，M3、M2、M1分别是ｎ＝1、2、3。由此，当用一般式来表示从时刻T1到特定的控制信号Mx（x是表1的传感器信号的下标）的横轴的距离时，得到｛ΔＭ/2＋（2ΔＭ/2）×（ｎ－1）｝＝｛（ΔＭ/2）×（2ｎ－1）｝。

这里，由于在时刻T1与外插直线L1的交点处的传感器信号的值为（Ｓ0＋ΔＳ／2），因而从（Ｓ0＋ΔＳ／2）中减去从时刻T1到Mx的横轴的距离之后的值为在Mx与外插直线L1的交点处的传感器信号的值SA（也就是说，控制信号Mx中的压电元件1b的正确位置）。其由式1表示，得到：

ＳＡ＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－｛（ΔＭ/2）×（2ｎ－1）｝

＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－｛（ΔＳ/Ａ）/2）×（2ｎ－1）｝

＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－ΔＳ×（2ｎ－1）／2Ａ

（其中，n是从M0到T1的前一个的所述控制信号的生成次数，1≤ｎ≤ｍ×Ａ）。并且，m是当传感器信号跳动了S0至ΔＳ的整数倍时的整数值（1以上的自然数），在图2、图3的例子中，ｍ＝1。

在图2、图3和表1的例子中，控制信号M0中的压电元件1b的估算位置为20，Ｓ0＝25、ΔＳ＝25、Ａ＝5，得到：

ＳＡ＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－ΔＳ×（2ｎ－1）／2Ａ

＝（25＋25／2）－25×（2×4－1）／10

＝（25＋25／2）－25×7／10

＝（25）－25×1／5＝20

也就是说，如图3所示，SA为从S0降低了ΔＭ的值。

另外，在上述例子中，对m＝1的情况作了说明，然而对于m≥2的情况也是一样。当m≥2时，在计算SA时，由于利用长距离的压电元件1b的位移，因而即使由于干扰的影响等而使传感器信号发生变动，也可以高精度地计算SA。不过，当m≥2时，由于需要将压电元件1b的位移取得较长，因此，为了在压电元件1b的微小位移下迅速计算SA，可以减小m。

并且，在上述例子中，计数并列举从T1的前1个控制信号M3到M0的控制信号的生成次数来计算SA，然而也可以计数并列举从T1时的控制信号M4到M0的控制信号的生成次数来计算SA。在后者的情况下，n增加1个。

下面，对控制部（信号取得单元、位置计算单元）17的处理进行说明。

首先，控制部17每ΔＭ向Z驱动电源19输出控制信号而驱动压电元件1b。信号取得单元每ΔＭ取得该控制信号，并取得光学传感器2b的传感器信号。假定信号取得单元与控制信号的取得定时同时还取得传感器信号。

当设目标位置处的控制信号为M0，而且设传感器信号为S0时，位置计算单元从传感器信号为（Ｓ0＋ｍ×ΔＳ）或者（Ｓ0－ｍ×ΔＳ）的时刻T1的前一个的控制信号M3（其中，m是1以上的自然数），计算在目标位置处的压电元件1b的位置SA。计算方法如上所述，并且，m可以由操作者适当设定，也可以缺省地规定为预定值。并且，假定位置计算单元从ROM等取得控制信号（电压）和压电元件1b的估算位置的比例系数作为已知的值。并且，式1作为程序被存储在ROM等内，位置计算单元可以适当地读出该程序并进行式1的计算。

另外，在通常的DFM测定模式下检测MO的定时是探针22到达了扫描型探针显微镜100的面内（水平方向）的各测定点上的时候。而且，上述的探针22到达了扫描型探针显微镜100的面内（水平方向）的各测定点可以通过控制部17进行的致动器1的XY驱动控制来检测。

在SIS模式下检测MO的定时是探针22达到了扫描型探针显微镜的面内（水平方向）的各测定点上，并且探针22接近试样10而达到目标振幅的时候。

如以上所述，根据第1实施方式，即使移动量检测传感器的分辨率比移动机构的最小移动量小，也可以高精度地计算移动机构的位置，可以实现成本降低。

＜第2实施方式涉及的致动器的位置计算装置＞

下面，参照图4、图5和表2，对本发明的第2实施方式涉及的致动器的位置计算装置进行说明。不过，第2实施方式涉及的致动器的位置计算装置除了在控制部17进行的处理不同以外，其余的与第1实施方式相同。

在第1实施方式中，如图2和表1所示，传感器信号不会变动，每当生成5次控制信号时，传感器信号都有规则地上升ΔS而成为阶段状的曲线图。然而，当传感器信号变动时，如图4和表2（传感器信号的灰色显示部分）所示，即使生成5次控制信号，传感器信号也不有规则地上升ΔS，从斜度1的外插直线L1偏离，使用式1正确计算SA变得困难。

因此，在第2实施方式中，如图4所示，使用最小平方法求出通过各阶段（属于同一传感器信号的控制信号）的中央的直线，将该直线设定为表示传感器信号与估算位置的对应的外插直线L2。然后，求出外插直线L2与在M0时的估算位置相交的交点P，根据交点与在目标位置处的控制信号的距离计算SA。

【表2】

控制信号	移动机构的估算位置	传感器信号
			Ma	5	0
Mb	10	25
			Mc	15	25
M0	20	0
			M1	25	25
M2	30	25
			M3	35	50
M4	40	25

M5	45	50
			M6	50	50
M7	55	50
			M8	60	75
M9	65	75
			M10	70	75
M11	75	75
			M12	80	100
M13	85	100

具体地说，根据分别属于彼此不同的至少1个以上的传感器信号S0、S1、S2的控制信号，按同一传感器信号S0、S1、S2各方分别计算压电元件1b的估算位置的最小值和最大值。

例如，由于属于S0的控制信号是Mb、Mc、M1、M2、M4这5个，因而其中Mb、M4分别对应于估算位置的最小值和最大值。因此，根据上述的控制信号（电压）与压电元件1b的估算位置的比例系数，计算估算位置的最小值和最大值。

同样，由于属于S1的控制信号是M3、M5、M6、M7这4个，因而其中M3、M7分别对应于估算位置的最小值和最大值。并且，由于属于S2的控制信号是M8、M9、M10、M11这4个，因而其中M8、M11分别对应于估算位置的最小值和最大值。另外，属于S1、S2的控制信号分别是4个，不足作为规定值的5个。并且，例如，M4本来应属于S1，却属于S0。

然后，利用以上述的最小值和最大值作为一方变量、以传感器信号S0、S1、S2作为其它变量的最小平方法，计算该最小值和最大值的残差的平方和为最小的外插直线L2。

然后，如图5所示，求出外插直线L2与在M0时的估算位置相交的交点P，从交点P计算SA。

下面，对控制部（信号取得单元、位置计算单元）17的处理进行说明。

首先，控制部17与第1实施方式一样，每ΔＭ向Z驱动电源19输出控制信号而驱动压电元件1b。信号取得单元每ΔＭ取得该控制信号，并取得光学传感器2b的传感器信号。

当设目标位置处的控制信号为M0时，位置计算单元根据分别属于传感器信号S0、S1、S2的控制信号，按同一传感器信号各方如上所述分别计算估算位置的最小值和最大值。然后，利用以最小值和最大值作为一方变量、以传感器信号作为其它变量的最小平方法计算外插直线L2。然后，求出外插直线L2与在M0时的估算位置相交的交点P，根据交点P计算位置SA。

如以上所述，根据第2实施方式，即使移动量检测传感器的分辨率比移动机构的最小移动量小，也能够高精度地计算移动机构的位置，可以实现成本降低。

特别是，如图5所示，当传感器信号变动时，在目标位置处的控制信号M0与外插直线L1、L2的任一方都显著偏离，不能根据上述式1计算SA。因此，通过求出外插直线L2与在M0时的估算位置相交的交点P，与传感器信号不变动时一样，能够计算SA。

另外，在第2实施方式中，在用于求出外插直线L2的最小平方法中使用的数据可以不必是属于传感器信号S0的控制信号。不过，在将属于M0（应该）输出的传感器信号S0的控制信号用于最小平方法时，由于反映了M0附近的数据，因而是优选的。在该情况下，由于M0自身不输出传感器信号S0，因而可以设定成将例如与M0邻接的控制信号Mc、M1所属的传感器信号（在图5中仅是S0，而Mc、M1也有时会分别属于不同的传感器信号）一定用于最小平方法。

另外，在第2实施方式中，以估算位置的最小值和最大值作为一方变量、以传感器信号作为其它变量的回归分析不限于上述的直线，可以是二次曲线。

压电元件1b由于在短距离的移动中滞后的影响较少，作为电压的一次函数可以对移动量求近似，因而可以使用上述直线进行回归分析（最小平方法）。然而，当压电元件1b的移动距离变长时，滞后的影响变大，因而作为电压的二次函数对移动量求近似的方法的精度变高。

本发明不限定于上述实施方式，可以将本发明应用于例如朝xy方向位移的压电元件1a。并且，不限定于扫描型探针显微镜，可以将本发明应用于例如步进器等的曝光装置的掩模的定位机构的致动器。

Claims (6)

1.一种致动器的位置计算装置，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，所述致动器的位置计算装置具有：

信号取得单元，其每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和

位置计算装置，其当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0、而且设所述传感器信号为S0时，根据所述传感器信号为Ｓ0＋ｍ×ΔＳ或者Ｓ0－ｍ×ΔＳ的时刻T1时的所述控制信号、和/或T1的前一个的所述控制信号，来计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA，其中，m是1以上的自然数。

2.根据权利要求1所述的致动器的位置计算装置，其中，所述位置计算单元利用下述式1：

ＳＡ＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－ΔＳ×（2ｎ－1）／2Ａ

来计算所述位置SA，其中，n是从M0到T1的前一个的所述控制信号的生成次数，1≤ｎ≤ｍ×Ａ。

3.一种致动器的位置计算装置，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，其中，

所述致动器的位置计算装置能够根据所述控制信号计算所述移动机构的估算位置，并具有：

信号取得单元，其每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和

位置计算装置，其当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0时，（i）根据分别属于彼此不同的至少1个以上的所述传感器信号的所述控制信号，针对每个同一所述传感器信号分别计算所述移动机构的估算位置的最小值和最大值，（ii）求出通过以所述最小值和所述最大值作为一方变量、以所述传感器信号作为其它变量的回归分析得到的直线或二次曲线与在M0时的所述估算位置相交的交点P，（iii）根据该交点P计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA。

4.一种致动器的位置计算方法，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，其中，所述致动器的位置计算方法具有：

信号取得过程，每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和

位置计算过程，当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0、而且设所述传感器信号为S0时，根据所述传感器信号为Ｓ0＋ｍ×ΔＳ或者Ｓ0－ｍ×ΔＳ的时刻T1时的所述控制信号、和/或T1的前一个的所述控制信号，计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA，其中，m是1以上的自然数。

5.根据权利要求4所述的致动器的位置计算方法，其中，所述位置计算过程利用下述式1：

ＳＡ＝（Ｓ0＋ΔＳ／2）－ΔＳ×（2ｎ－1）／2Ａ

计算所述位置SA，其中，n是从M0到T1的前一个的所述控制信号的生成次数，1≤ｎ≤ｍ×Ａ。

6.一种致动器的位置计算方法，该致动器具有与每最小移动量ΔM生成的控制信号成比例地朝一个方向移动的移动机构、和以最小分辨率ΔS检测所述移动机构的移动量的移动量检测传感器，其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2，其中，

所述致动器的位置计算方法能够根据所述控制信号计算所述移动机构的估算位置，并具有：

信号取得过程，每ΔM取得所述控制信号，并取得所述移动量检测传感器的传感器信号；和

位置计算过程，当设所述移动机构的目标位置处的所述控制信号为M0时，（i）根据分别属于彼此不同的至少1个以上的所述传感器信号的所述控制信号，针对每个同一所述传感器信号分别计算所述移动机构的估算位置的最小值和最大值，（ii）求出通过以所述最小值和所述最大值作为一方变量、以所述传感器信号作为其它变量的回归分析得到的直线或二次曲线与在M0时的所述估算位置相交的交点P，（iii）根据该交点P计算在所述目标位置处的所述移动机构的位置SA。