JP2000075933A - ステージ駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低速駆動時のステージの検出速度の分解能を高
め、速度制御を安定的に行う。 【解決手段】本発明は、被検査物を載置し、駆動操作に
応答して駆動手段により所定の方向に駆動されるステー
ジを有するステージ駆動装置に関する。本発明のステー
ジ駆動装置は、所定の方向の移動に応じて互いにずれた
位置でそれぞれパルスを生成する複数のエンコーダが、
ステージに設けられる。そして、複数のエンコーダから
のパルスの合計をカウントして求められる速度が、駆動
操作により設定された駆動速度になるように、駆動手段
が制御される。スケールがずれた複数のエンコーダから
のパルス信号をカウントすることにより、検出される速
度の分解能（精度）を高くすることができ、低速駆動時
における速度制御を安定化させることができる。また、
複数のエンコーダを離間して並列に設けた１対のリニア
エンコーダを利用することで、ステージ駆動時のヨーイ
ングによる誤差をなくすことができると共に、同じ１対
のリニアエンコーダを利用して、低速駆動時の分解能の
高い速度検出を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検査物をステー
ジ上に載置し、高倍率で拡大して観察、あるいは画像処
理による測定を行う投影機、顕微鏡、画像測定器などに
利用されるステージ駆動装置に関し、特に、低速駆動時
における速度検出精度を向上させて速度制御を安定させ
ることができるステージ駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投影機、顕微鏡或いは画像測定器は、電
動で駆動されるステージ上に被検査物を載置し、ステー
ジ上の拡大光学系を利用して被検査物を拡大し、必要に
応じて撮像した画像を表示装置に表示する。かかる装置
で利用されるステージ駆動装置は、ステージをＸ、Ｙ方
向に駆動する手段、ステージの移動量を検出するエンコ
ーダなどをステージに設け、エンコーダからのパルス信
号をカウントしてステージの速度を検出し、オペレータ
からの操作信号により設定された速度で駆動されるよう
にステージの駆動手段をフィードバック制御する。

【０００３】より具体的には、ステージの駆動方向と平
行な方向にリニアエンコーダを配置し、ステージ駆動中
にリニアエンコーダから出力されるパルスをカウント
し、一定時間毎のサンプリングによりそのカウント値を
検出し、ステージの駆動速度を検出する。そして、この
検出したステージ速度と、オペレータから指令された設
定速度とを比較し、ステージ速度が設定速度に一致する
ようにステージの駆動手段に駆動信号を供給する。

【０００４】オペレータは、拡大された被検査物を観察
しながらステージを駆動し、所望の位置でステージを停
止させ、検査や画像処理による測定及びその為のティー
チング作業を行う。従って、拡大された被検査物を観察
しながら行うステージの駆動は、検査や測定を行う所望
の位置でステージを正確に停止させるために、前記所望
の位置の近傍では低速で駆動することが必要である。一
方、それ以外では、検査、測定時間を短時間とするため
に、ステージの駆動は高速で行う必要があり、通常はか
かる高速駆動に適したスケールを有するリニアエンコー
ダが設けられる。

【０００５】また、ステージの移動量を検出するエンコ
ーダは、リニアエンコーダだけでなく、駆動モータの送
りネジに取り付けられたロータリエンコーダが利用され
る場合もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リニア
エンコーダやロータリエンコーダなど、ステージの移動
に応じて間欠的にパルス信号を出力するセンサの場合、
分解能に限界があり、特にマニュアル操作時に必要なス
テージの低速駆動において、サンプリング時間内にエン
コーダからのパルス信号が出力されない場合があり、検
出速度に比較的大きな誤差が含まれる。その結果、速度
制御の為のフィードバックループを利用した場合、低速
駆動では、速度の立ち上がり時にオーバーシュートが発
生し、また、一定速度駆動時には速度が不安定になる。

【０００７】このような、オーバーシュートを伴う或い
は不安定なステージ速度は、オペレータが観察している
被検査物の拡大画像の移動が、不安定になることを意味
する。その結果、マニュアルによる所望の観察位置まで
のステージ移動における操作性が悪くなる。

【０００８】上記の低速駆動時の課題を解決するため
に、エンコーダの分解能を上げることが考えられる。し
かしながら、そのような改良はエンコーダの価格を上昇
させ、また、自動ステージ駆動時の高速駆動では、分解
能が高すぎてパルス信号をカウントすることが困難にな
り同様にコストアップにつながる。

【０００９】そこで、本発明の目的は、低速駆動時の速
度制御を適正に安定的に行うことができるステージ駆動
装置を提要することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、被検査物を載置し、駆動操作に応答し
て駆動手段により所定の方向に駆動されるステージを有
するステージ駆動装置において、前記所定の方向の移動
に応じて互いにずれた位置でそれぞれパルスを生成する
複数のエンコーダが前記ステージに設けられ、前記複数
のエンコーダからのパルスの合計をカウントして求めら
れる速度が、前記駆動操作により設定された駆動速度に
なるように、前記駆動手段を制御することを特徴とす
る。

【００１１】パルス発生位置がずれた複数のエンコーダ
からのパルス信号をカウントすることにより、検出され
る速度の分解能（精度）を高くすることができ、低速駆
動時における速度制御を安定化させることができる。

【００１２】また、複数のエンコーダをステージの所定
距離だけ離間して並列に設けた１対のリニアエンコーダ
を利用することで、ステージ駆動時のヨーイングによる
誤差をなくすことができると共に、同じ１対のリニアエ
ンコーダを利用して、低速駆動時の分解能の高い速度検
出を行うことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形
態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【００１４】図１は、測定器の外観図である。被検査物
が載置されるステージ１０は、ステージ制御部１２によ
りその駆動が制御される。ステージ１０に載置された図
示しない被検査物は、拡大光学系１４を介して拡大さ
れ、撮像手段によりその拡大画像が撮像される。撮像さ
れた画像信号は、ホストコンピュータ１８に供給され、
モニタ２０に表示される。ホストコンピュータ１８に
は、入力装置としてキーボード２４、マウス２６が接続
され、更に出力装置としてプリンタ２２が接続される。
ジョイスティック２８は、ステージ制御部１２に接続さ
れ、ステージを駆動する駆動操作信号を供給する。

【００１５】図１に示した測定器は、最初に、オペレー
タがマニュアルでジョイスティック２８を操作して被検
査物の測定位置までステージを移動させ、各測定位置で
の拡大画像を利用してティーチングデータを入力する。
その後、そのティーチングデータを利用して、複数の被
検査物の測定を自動で行う。マニュアルでステージを移
動させる場合は、比較的ステージの駆動速度を遅くし
て、測定位置でのステージの停止を容易にする。そし
て、ティーチングデータを利用しての自動測定では、ス
テージの駆動を高速で行って、測定時間を短縮する。

【００１６】図２は、ステージの拡大図である。ステー
ジ１０は、基台１０Ｂと、その上に設けられＸ方向に駆
動されるＸステージ１０Ｘと、Ｙ方向に駆動されるＹス
テージ１０Ｙとから構成される。Ｘステージ１０Ｘの中
央部にＸステージ駆動機構３０が設けられ、Ｙステージ
１０Ｙの両端にリニアエンコーダ３２、３４が設けられ
る。

【００１７】ステージの駆動は、一般的に機械的なガタ
などの原因で、ヨーイングを伴う。ヨーイングは、ステ
ージの両端での移動量の食い違いを招く。図２に示した
Ｘステージ１０Ｘ側には、その駆動機構３０にエンコー
ダを設けることで、Ｘステージのほぼ中心部分の移動量
を測定することができる。従って、ヨーイングの影響を
受けにくい。

【００１８】それに対して、Ｙステージ１０Ｙには、そ
の機構上の理由からリニアエンコーダ３２、３４が両端
に設けられ、それぞれのエンコーダ３２，３４から検出
される両端の移動量と、Ｙステージ１０Ｙ上における光
学系の原点の位置との関係から、Ｙステージの位置を求
めて、上記のヨーイングに起因する誤差を解消してい
る。かかるヨーイング誤差防止については、例えば、特
公昭５０−２３３０４に詳細に説明されている。

【００１９】本実施の形態例では、このヨーイング誤差
対策のために設けた、Ｙステージ１０Ｙの両端に設けた
リニアエンコーダのスケールを、それぞれのパルス発生
位置を１ピッチ以内でずらして設ける。殆どの場合、前
記両端にそれぞれスケールを設けるに際し、スケールの
方向のスケール取り付け位置を任意としても、両者のパ
ルス発生位置はずれてしまう。しかしながら、前記ずれ
量は、ほぼ１／２ピッチとなるように調整することが好
ましい。

【００２０】図３は、ステージとステージ制御部の概略
図である。ステージ１０は、ステージの基台１０Ｂ上
に、Ｘステージ１０Ｘが取り付けられる。基台１０Ｂに
取り付けられたＸモータ４０により送りネジ４２が回転
駆動されて、Ｘステージ１０Ｘの駆動機構部３８が紙面
の左右方向に移動する。その移動量は、Ｘエンコーダ４
４からのパルス信号により検出される。

【００２１】Ｘステージ１０Ｘに取り付けられたＹモー
タ３６により、Ｙステージ１０Ｙが、紙面に垂直な方向
の駆動される。Ｙステージ１０Ｙの両側には、リニアエ
ンコーダ３２、３４のスケール３２３、３４３が取り付
けられ、Ｙステージ１０Ｙの移動と共にスケール３２
３、３４３も移動する。本実施の形態例において、これ
らのスケールは、スケールの１ピッチ以内、例えば１／
２ピッチ、で互いにずれて設けられる。

【００２２】エンコーダ３２は、上記のスケール３２３
に加えて、Ｘステージ１０Ｘに取り付けられている光源
３２１、レンズ３２２、インデックススケール３２４、
レンズ３２５、受光素子３２６とを有する。光源３２１
からの光が、スケール３２３とインデックススケール３
２４のスケールパターンの重なりに応じて、受光素子３
２６に受光され、Ｙステージ１０Ｙの移動に伴う受光光
量に応じて受光素子３２６がサイン波形またはコサイン
波形の受光信号Ｓ１を発生する。エンコーダ３４も、エ
ンコーダ３２と同じ構成である。即ち、スケール３４３
に加えて、Ｘステージ１０Ｘに取り付けられている光源
３４１、レンズ３４２、インデックススケール３４４、
レンズ３４５、受光素子３４６とを有し、同様にサイン
波形とコサイン波形の受信信号Ｓ２を発生する。

【００２３】ステージ制御部１２には、前記受光信号Ｓ
１とＳ２を受けて、そのゼロクロス点でパルス信号を発
生させて、そのパルス信号をカウントするカウンタＡ５
０、カウンタＢ５２を有する。このカウンタ５０、５２
のカウント出力Ｓ３、Ｓ４が、演算部５４に供給され
る。演算部５４は、所定のサンプリング時間毎にカウン
タ５０、５２のカウント出力Ｓ３、Ｓ４を検出し、それ
らのカウント出力を利用してヨーイング誤差をなくした
Ｙ座標データＳ６を出力する。また、演算部５４は、両
カウント出力Ｓ３、Ｓ４から、サンプリング期間でのＹ
方向の駆動速度データＳ５を出力する。

【００２４】速度データＳ５とＹ座標データＳ６は、駆
動制御部５６に供給され、駆動制御部５６は、Ｙステー
ジ駆動速度指令信号Ｓ８で設定された速度になるよう
に、Ｙモータ駆動信号Ｓ７をＹモータ３６に与える。ま
た、駆動制御部５６は、予め設定されたティーチングデ
ータのＹ座標にＹステージが移動するように駆動制御を
行う。Ｙモータ３６は、回転駆動により図示しない送り
ネジを回転させ、Ｙステージ１０Ｙを紙面に垂直な方向
に駆動する。図３では、Ｘステージ側の制御については
省略している。

【００２５】図４は、本実施の形態例における速度検出
を説明するためのタイミングチャート図である。今、Ｙ
ステージ１０Ｙが低速で駆動しているとする。その場合
に、左側のリニアエンコーダ３２から出力される受信信
号Ｓ１に基づくパルス信号Ｐ１は、図４（１）に示す通
り一定の間隔のパルスとなる。それに対して、右側のリ
ニアエンコーダ３４から出力される受信信号Ｓ２に基づ
くパルス信号Ｐ２は、図４（２）に示す通り、パルス信
号Ｐ１とは約１／２ピッチずれて一定の間隔で出力され
る。即ち、パルス信号Ｐ１とパルス信号Ｐ２とを時間軸
を共通にして重ねると、図４（３）に示される通り、パ
ルス信号Ｐ１（実線）とパルス信号Ｐ２（破線）とが、
１／２ピッチずれた合成パルス信号（Ｐ１＋Ｐ２）が仮
想的に生成される。

【００２６】ところで、従来は、サンプリング時間Ｔの
間におけるそれぞれのパルス信号Ｐ１またはＰ２のパル
ス数（カウンタ出力）から、Ｙステージの速度を求めて
いた。パルス信号Ｐ１に基づいて速度を求めた場合、パ
ルス数Ｓ３が３であるので、スケールのピッチが０．５
μｍ、時間Ｔが１msecとすると、パルス信号Ｐ１から求
められる速度Ｖ１は、 Ｖ１＝３×０．５μｍ／１msec＝１．５mm／sec となる。

【００２７】また、パルス信号Ｐ２に基づいて速度を求
めた場合、パルス数Ｓ４が２であるので、パルス信号Ｐ
２から求められる速度Ｖ２は、 Ｖ２＝２×０．５μｍ／１msec＝１．０mm／sec となる。

【００２８】それに対して、図４（３）の合成パルス信
号Ｐ１＋Ｐ２に従えば、パルス数（Ｓ３＋Ｓ４）が５で
あるので、求められる速度Ｖは、 Ｖ＝５×０．２５μｍ／１msec＝１．２５mm／sec となる。パルス数（Ｓ３＋Ｓ４）は、演算部５４が検出
したカウント出力Ｓ３及びＳ４を加算することによって
求める。または、カウンタＡ５０及びカウンタＢ５２か
らのパルス信号Ｐ１，Ｐ２を受信し、合成パルス信号
（Ｐ１＋Ｐ２）を生成し、そのパルス数をカウントして
演算部５４に出力する第３のカウンタ（図示せず）を用
いることもできる。

【００２９】以上の様に、それぞれのリニアエンコーダ
３２または３４のみを利用した場合の検出速度の分解能
は、０．５mm／secであるのに対して、リニアエンコー
ダ３２と３４からの信号に基づく仮想の合成パルス信号
（Ｐ１＋Ｐ２）を利用した場合の検出速度の分解能は、
０．２５mm／secである。即ち、両側のリニアエンコー
ダ３２、３４を利用することで、検出速度の分解能を高
めることができ、ステージ駆動速度が低速度であって
も、より精度の高い速度検出を行うことができる。かか
る精度の高い検出速度を利用してサーボコントロールす
ることで、Ｙステージ１０Ｙの低速駆動をより安定に制
御することができる。従って、従来のようなオーバーシ
ュートや一定速度の駆動時における速度の不安定を抑え
ることができる。

【００３０】上記の実施の形態例では、Ｙステージの両
側にスケールをずらした複数のリニアエンコーダを設け
た。しかしながら、本発明はかかるリニアエンコーダに
限定されず、同様にパルス発生位置がずれた複数のロー
タリーエンコーダを利用してもよい。即ち、図３のＹモ
ータ３６が駆動する送りネジにパルス発生位置がずれた
複数のロータリエンコーダを取り付けて、それらのロー
タリーエンコーダから出力されるパルス信号を合成する
ことで、低速駆動時の検出速度の分解能を高くすること
ができる。

【００３１】上記の実施の形態例において、カウンタＡ
５０，カウンタＢ５２からのカウント値を利用して、ヨ
ーイングによる誤差をなくしたステージ座標を正確に検
出することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上、本発明によれば、パルス発生位置
をずらした複数のエンコーダをステージに設けて、それ
らのエンコーダからのパルス信号を合成してステージの
移動量を求めることで、検出速度の分解能を高くするこ
とができ、ステージの速度制御を低速駆動時においても
安定に行うことができる。

【００３３】また、ステージの機械的なガタが原因であ
る駆動時のヨーイングによる誤差をなくすためにステー
ジの両側に設けられたリニアエンコーダのパルス発生位
置をずらすだけで、ステージの低速駆動時における検出
速度の分解能を高くすることができ、速度制御を安定に
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】測定器の外観図である。

【図２】ステージの拡大図である。

【図３】ステージとステージ制御部の概略図である。

【図４】本実施の形態例における速度検出を説明するた
めのタイミングチャート図である。

【符号の説明】

１０ ステージ １０Ｘ Ｘステージ １０Ｙ Ｙステージ ３２、３４ リニアエンコーダ Ｓ１、Ｓ２ パルス信号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被検査物を載置し、駆動操作に応答して駆
   動手段により所定の方向に駆動されるステージを有する
   ステージ駆動装置において、 前記所定の方向の移動に応じて互いにずれた位置でそれ
   ぞれパルスを生成する複数のエンコーダが前記ステージ
   に設けられ、前記複数のエンコーダからのパルスの合計
   をカウントして求められる速度が、前記駆動操作により
   設定された駆動速度になるように、前記駆動手段を制御
   することを特徴とするステージ駆動装置。
2. 【請求項２】前記複数のエンコーダは、前記ステージの
   駆動方向に直角な方向において所定の距離だけ離間して
   設けられた１対のリニアエンコーダであり、当該１対の
   リニアエンコーダからのパルスをそれぞれカウントして
   求められる移動量から、前記ステージの移動量が求めら
   れることを特徴とするステージ駆動装置。