JP2002367239A - 送り装置及びレーザビームレコーダ - Google Patents

送り装置及びレーザビームレコーダ

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JP2002367239A JP2001167955A JP2001167955A JP2002367239A JP 2002367239 A JP2002367239 A JP 2002367239A JP 2001167955 A JP2001167955 A JP 2001167955A JP 2001167955 A JP2001167955 A JP 2001167955A JP 2002367239 A JP2002367239 A JP 2002367239A
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Manufacturing Optical Record Carriers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動あるいは、駆動力やダンパー力によりス
テージを高精度に送ることが出来なかった。 【解決手段】 ステージ1の重心と駆動点、および記録
レンズ2と計測部8を同一直線状に配置し、記録レンズ
2の位置変位を入力として、外乱オブザーバ制御にてス
テージを駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体や液晶用のス
テッパー方式の露光装置に用いる高精度の送りが要求さ
れる移動ステージの送り装置と、光ディスクの原盤を作
製するマスタリング工程で使われるレーザビームレコー
ダに関するものである。
【0002】
【従来の技術】DVDなどの光ディスクはサブミクロン
のトラックピッチで小さなピットと呼ばれる信号が螺旋
状に記録されている。その原盤をレーザで記録する装置
は一般にレーザビームレコーダと呼ばれており、ナノメ
ータ単位の送り精度でステージを移動させ、ステージ上
の記録レンズによって、回転する原盤に塗布されたレジ
スト層を露光して信号を書き込むものである。記録レン
ズはレーザビームをサブミクロンの大きさに絞り、回転
する原盤上に焦点を結ぶように制御されている。原盤が
1回転する間にステージが進む距離が信号トラックのト
ラックピッチになり、CDでは1.6ミクロン、DVD
では0.74ミクロンである。さらに高密度の光ディス
クではますますトラックピッチは小さくなる。DVDで
はトラックピッチの変動許容値は±0.03ミクロン以
下と決められている。次世代の高密度ディスクではその
許容値はさらに厳しくなり、トラックピッチが0.4ミ
クロン以下では変動のばらつき幅は標準偏差σで3ナノ
メータ程度が要求される。
【0003】トラックピッチに変動を与える要因として
は、外部振動、ステージの速度制御むら、原盤回転軸の
非同期ふれ、記録ビームの光軸変動などが考えられる。
それらの中で大きな要因は外部振動とステージの送り制
御むらであった。
【0004】外部振動については、記録装置全体を空気
除振台の上に設置し、床から伝わってくる振動を除去す
ることが一般に行われている。ステージの送りむらを極
力なくすためには、接触抵抗のない静圧空気軸受けをガ
イドにしたステージを用い、ステージに取りつけた高分
解能の位置計測手段からの位置情報を基に、ステージに
取り付けられた非接触のリニアモータを比例積分微分制
御方法であるPID制御で駆動することが行われてき
た。図3に従来例のレーザビームレコーダを示す。
【0005】図3において、108は空気により振動を
除去する除振台で、除振台108の基台上にレーザ発振
器101、一点鎖線で省略して示されている固定光学系
105、回転駆動部102、ステージ106をガイドす
るステージガイド103が設置されている。除振台10
8の固有振動数は2〜3Hz付近にあり、その√2倍以
上の周波数の振動に対して除振効果がある。このステー
ジ106の上には移動光学系が搭載されているが、図中
では記録レンズ104のみが示されている。レーザ発振
器101から出射されたレーザビームは図中の一点鎖線
のように進み、記録レンズ104に到達する。ここでは
示していないが、固定光学系105でビームは最適な径
に整形され、記録すべき信号に従って変調されている。
記録レンズ104を出たビームはサブミクロンの大きさ
に絞られ、回転駆動系102のターンテーブル上に載置
された原盤107の表面に焦点を結ぶようにフォーカス
制御される。原盤107の表面にはレーザビームで感光
するフォトレジストが塗布されている。
【0006】また図3には示されてないが、外乱による
ステージの位置変動を抑えるために、ステージに機械的
なダンピングをかけることが行われてきた。前述したよ
うな静圧空気軸受けのガイドはスティックスリップのよ
うな送り抵抗変動はないが、送り方向の剛性がないため
に、外乱振動によって送りむらを生じやすい。それを無
くすために、シリコングリースなどの高粘度のダンピン
グ部材をステージ可動部に絡ませて送り方向に抵抗を与
えるなどの方法が採られていた。
【0007】また図示されないが、ステージ106の下
側にはリニアモータが設けられており、空気軸受け支持
されたステージ106をPID制御で駆動していた。
【0008】図4にPID制御のブロックダイアグラム
を示す。図4において201は位置計測器でボイスコイ
ルモータ109により駆動されるステージ106の位置
を計測し、パルス列または正弦波で位置情報を出力す
る。202は位置制御部で位置計測器201の出力をカ
ウントし、位置指令とカウントした値の偏差より速度指
令を算出する。203は速度制御部で、位置制御部20
2で算出した指令と前記カウント値の差分を取って算出
した速度との偏差を求め、電流アンプ204に対する指
令を算出し、指令を与える。電流アンプ204はボイス
コイルモータ109に速度制御部203により与えられ
た指令の電流を流すようにモータへの印加電圧を制御す
る。モータの制御特性は位置制御部202および速度制
御部203に含まれるパラメータにより調整している。
【0009】上記構成でのステージの送りむらはDVD
のトラックピッチ0.74μmにおいて標準偏差σで5
〜6nm程度であった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上記のようなレーザビ
ームレコーダでは床からの振動はかなり除去できるが、
空気除振台108の上にある振動源には防振効果がな
い。レーザ発振器としてはアルゴンレーザやクリプトン
レーザなどが一般的に使われるが、これらのガスレーザ
は冷却水を流してレーザチューブを冷却する構成になっ
ている。その冷却水の脈動が空気除振台上の装置基台を
通じてステージ駆動系に伝わりステージの送り速度むら
の原因になっていた。特に空気軸受けガイドでは送り方
向の機械的剛性がないためその外乱によるピッチむらは
無視できない値になっていた。
【0011】またステージにダンピングを与える方法と
してシリコングリースなどの高粘性流体を用いてステー
ジの動きに抵抗を与える方法は、信号記録時のステージ
低速移動時にはあまり効果がなく、逆にステージを記録
位置に移動させる早送り時にその抵抗が大きくなって移
動時間がかかりすぎるなどの問題があった。
【0012】本発明者は、従来のレーザビームレコーダ
に対しより高精度の送りを得るために従来のPID制御
に加え、ステージに加わる外乱力によるステージ移動の
変動誤差を推定して補償する外乱オブザーバ制御を採用
した。図2にそのブロックダイアグラムを示す。
【0013】図2は図4のPID制御にステージに加わ
る外乱力を検出する外乱オブザーバ205を追加した形
となっている。8は位置計測器でボイスコイルモータ3
により駆動されるステージ1の位置を計測し、パルス列
または正弦波で位置情報を出力する。外乱オブザーバ2
05は電流アンプ204への指令と位置計測器201の
出力からボイスコイルモータ3にかかる外乱力を演算に
より推定する。オブザーバの構成は特性や演算量に応じ
て同一次元オブザーバ、最小次元オブザーバ等で構成
し、外乱力の推定の特性を内部のパラメータで調整して
いる。推定した外乱力を解消する指令を電流アンプ20
4の指令に加えることで外乱力の影響を補償している。
【0014】この外乱オブザーバ制御を採用した結果、
ステージの送り精度は少し改善されたが、目標である標
準偏差σで3nmには至らなかった。その原因を図5に
示す。
【0015】図5は、図3に示した一般的なレーザビー
ムレコーダの送り機構の平面図である。図5においてガ
イドバー103に沿ってステージ106が矢印方向に移
動する。ステージ106の下には点線で示すボイスコイ
ルモータ109があり、これがステージ106を駆動さ
せる。104はステージ106上に取り付けられた記録
レンズである。ステージ106の右側にはステージ10
6の位置計測のためのスケール112が取り付けられて
いる。基台に固定された読み取りヘッド113でステー
ジ106の位置が読み取られる。
【0016】ステージ106の左側にはダンパーロッド
111が取り付けられている。ダンパーロッド111は
基台に固定されたダンパーシリンダー110の中に挿入
され、その先端部にピストンを有している。ダンパーシ
リンダー110の中にはシリコングリースなどの粘性流
体が入っておりダンパーロッド111の先端のピストン
の動きに抵抗を与える。図のGはステージ106の重心
を表し、駆動点であるボイスコイルモータ109の中心
からLAの距離、ダンパーシリンダー110の中心から
はLB、記録レンズ104からはLCの距離だけ離れて
いる。またスケール112と記録レンズ104はLDだ
け離れている。いまここで、外乱オブザーバー制御によ
りボイスモータ109に位置補償のための駆動電流が流
れステージ106にFの力が作用したとする。力Fの立
ち上がり速度がステージ106の持つ振動系の1次共振
周波数より十分早い場合、ステージ106の重心Gとボ
イスコイルモータ109の駆動点が同一直線上にないた
め、重心Gとボイスコイルモータ109の駆動点の距離
をLAとすると、F×LAのモーメントが重心Gのまわ
りに働く。ここで言う1次共振とはステージの質量とダ
ンパーのばね成分で決定される共振である。同時にダン
パーシリンダー110によりステージ106の動きを制
限する向きに抵抗力Rが働き、ステージ106の重心G
とダンパーシリンダー110の軸心の距離をLBとする
と、R×LBのモーメントがF×LAのモーメントの逆
向きに作用する。結果としてステージ106にはM=
(F×LA)+(R×LB)のモーメントが働き、記録
レンズ104は重心Gの周りに弧を描くように変位す
る。抵抗力Rは変位速度に比例するので、力Fの大きさ
が同じでもモーメントMは異なる値をとる。つまり同じ
指令値であっても速度により記録レンズ104の変位す
る値がその都度異なることになり結果として正しく制御
されないことになる。また、その時の変位角度をθ、ス
テージ106の重心Gと記録レンズ104の中心の距離
をLC、記録レンズ104の中心とスケール112の軸
心の距離をLDとすると、記録レンズ104の位置では
LC×θ変位し、スケール112は逆向きに(LD−L
C)×θだけ変位する。つまり外乱オブザーバー制御で
補償されるのはスケール112の位置であるため、記録
レンズ104のところではまったく異なった位置補正が
なされることになる。このためステージの送り精度は、
目標である標準偏差σで3nm以下には至らなかった。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記の問題点を解決する
ために本発明の請求項1に記載の送り装置は、ステージ
と、前記ステージの重心上に駆動力が伝達するように前
記ステージの下に配置した駆動部と、前記ステージに配
置した測定子と、前記ステージの測定子を検出し前記ス
テージの位置を計測する計測部と、前記測定子の移動方
向の延長線上または前記測定子の移動方向の延長線と前
記駆動部の延長線の間に配置した位置計測対象部と、前
記ステージに発生する外乱力を検出し外乱力を解消する
力を前記ステージに与え前記ステージを駆動する制御部
とを設けたことを特徴とする。
【0018】また、制御部は、前記計測部により測定し
た前記ステージの位置と前記ステージの駆動指令値とか
ら前記外乱力を推定する機能も併せ持ってもよい。
【0019】また、位置計測対象部がレンズであっても
よい。
【0020】さらに、本発明の請求項4に記載のレーザ
ビームレコーダは、請求項3に記載の送り装置と、除振
台と、前記除振台に載置したレーザ発振機と、前記除振
台に載置し原盤を回転する回転駆動部と、前記レーザ発
振機から出射したレーザ光を前記レンズに導く光学系と
により構成し、前記外乱力に応じステージを駆動する前
記制御部の応答周波数が前記レーザ発振機から発生する
周波数より大きいことを特徴とする。
【0021】請求項1に記載の発明では、PID制御に
変わって外乱オブザーバ制御をステージの送りに用いた
場合でも、その外乱オブザーバが理想的に作用し、高精
度の送りが可能な構成の送りステージ装置が実現でき
る。
【0022】また、請求項4に記載の発明では、空気除
振台では除ききれないレーザ冷却水などの外乱を有する
レーザビームレコーダにおいても高精度のトラックピッ
チを実現できる新しい構成のレーザビームレコーダが実
現できる。
【0023】
【発明の実施の形態】図1に本発明の実施の形態を示
す。図1において、(a)と(c)は本発明の送り装置
の側面図、(b)は本発明の送り装置の平面図である。
ステージ1の下側中央のステージ重心付近にはステージ
1の駆動部であるボイスコイルモータ3がある。このボ
イスコイルモータ3の原理を説明すると、まず駆動子で
あるボイスコイル3aがステージ1の中央付近下に取り
つけられていて、装置ベース21に固定された中心ヨー
ク5がボイスコイル3aを貫通している。中心ヨーク5
は同じく装置ベース21に固定された左右のヨーク6
a、6bと両端部で連結されていて、ヨーク6a、6b
に固定された永久磁石4a、4bの磁束を通す磁気回路
を形成している。磁石4a,4bと中心ヨーク5が形成
する磁気空隙中をボイスコイル3aが移動可能になって
いる。そこでボイスコイル3aに電流を流すと、フレミ
ングの左手の法則に従って図1の紙面に垂直な方向にボ
イスコイル3aつまりステージ1が移動する。
【0024】ヨーク6aの外側には位置計測部8が設け
られている。位置計測部8は測定子であるスケール固定
台7に固定されたスケール8aと装置ベース21上のス
テージベース13に固定されたヘッド部8bからなり、
ステージ1の移動に伴って変化する位置情報を与える。
図1(b)の平面図において、位置計測部8の延長線上
と、駆動点である前記ボイスコイル3aの中心の延長線
上の間で、ステージ1の先端部に位置計測対象部である
記録レンズユニット2が取りつけられている。記録レン
ズユニット2は記録レンズと記録レンズの焦点が常に回
転駆動部19によって回転している原盤18上に結ぶよ
うに記録レンズを追従させるアクチュエータから成って
いる。位置計測部と記録レンズは同一線上に配置しても
よい。位置計測部と記録レンズが同一直線上にあるのは
アッベの法則による誤差を最小限にするためである。
【0025】位置計測部8の反対側にステージ1を水平
方向に位置規制する水平方向ガイドが設けられている。
水平方向ガイドは位置計測部と同じ側に配置してもよ
い。水平方向ガイドはステージベース13に取りつけら
れた平行ガイド9と、平行ガイド9を挟み込むようにス
テージ1に取りつけられた軸受けブロック10,11か
ら成っている。図示されないが、軸受けブロック10お
よび11は平行ガイド9と対向する面にオリフィスなど
の空気軸受け形成部を有していて、平行ガイド9との間
に空気軸受けを形成する(矢印部)。本発明の構成は、
ステージ1の重心と駆動点がほぼ一致しているため、ガ
イドが片側でもステージがヨーイングを起こさないので
ある。
【0026】軸受けブロック10および位置計測部8の
外側に位置する軸受けブロック12はその下面に空気軸
受け形成部を有しており、ステージベース13との間に
空気軸受けを構成する(矢印部)。20は軸受けブロッ
ク10,11,12に空気を供給する配管である。軸受
けブロック10および12の1対の空気軸受けは垂直方
向にステージ1を位置規制する垂直方向ガイドを形成し
ている。軸受けブロック10および12の外側には吸着
磁石14、16がそれぞれ取りつけられていて、ステー
ジベース13に固定された磁性部材15,17が夫々対
向している。そのためこのマグネットの吸着力によりス
テージ1は強力にステージベース13に引っ張られ、前
記軸受けブロック10および12が形成する空気軸受け
に軸受け圧力を与えている。軸受けブロック10,12
のガイド面はステージベース13である。
【0027】図1の平面図(b)で明らかなように、記
録レンズユニット2は、記録レンズが原盤18の最内周
に来た時でもボイスコイル3aや位置計測部8のスケー
ル8aが原盤18と干渉しないようにステージ1の先端
部に取りつけられている。そのためステージ1の移動時
に、軸受けブロック11と軸受けブロック12の間を原
盤18が通ることが出来る。その時、記録レンズが原盤
18の中心線上を半径方向に走査して原盤18に信号を
記録する。本発明の構成ではステージ送り装置の横方向
の幅は、原盤の直径に軸受けブロック10,11、12
および平行ガイド9および両端の吸着マグネット14,
16の幅だけである。またボイスコイルモータ3、中心
ヨーク5などの駆動部を出来る限り細く作り、駆動点、
位置計測点、加工点(記録点)を出来る限り同一直線上
に配置している。
【0028】したがって、従来例で説明したような外乱
オブザーバー制御によりステージ1の位置補償をする力
が比較的高い周波数で作用しても、重心位置と駆動点が
ほぼ同一直線上にあるためステージ1にヨーイングを起
こす回転モーメントが働かない。また重心と記録レンズ
位置もほぼ同一直線上に配置されているので、水平ガイ
ド9と軸受けブロック10,11で形成する静圧空気軸
受け部で軸受け共振があり、ステージが重心まわりに動
いても記録レンズ位置での送り方向の変位はほとんど無
視できトラックピッチへの影響はない。
【0029】また位置計測点と記録レンズもほぼ同一直
線上にあるため、いわゆるアッベの誤差をなくし、記録
位置で外乱オブザーバ制御の位置補償が正確になされ
る。
【0030】DVD記録には波長が364nmのアルゴ
ンレーザや351nmのクリプトンレーザなどが使われ
る。またさらに高密度のディスクには波長が300nm
以下の遠紫外線レーザが用いられる。それらの多くは冷
却水を必要とするガスレーザであり、冷却チラーから冷
却水を送出するポンプの振動が脈流となってレーザ本体
まで伝わってくる。その振動は記録レーザを固定した装
置ベース21に伝わり、送り系の外乱振動になる。この
振動は空気除振台の上に直接作用するので空気ばねによ
る減衰効果はない。測定ではレーザ発振機から発生する
外乱成分の脈動周波数は約60ヘルツを中心としたもの
であった。従って外乱オブザーバ制御での制御帯域の応
答周波数を100ヘルツまで広げ、この成分の振動変位
を補償する設定を行った。ここで外乱成分の周波数をF
0Hzとし、外乱オブザーバ制御での制御帯域の応答周
波数をF1Hzとすると、外乱成分の周波数帯域にもよ
るが一般的にF0<F1の場合に外乱振動を外乱オブザ
ーバ制御で補償することが可能になる。
【0031】上記構成でのDVD記録において、ステー
ジ1の送りむらはトラックピッチ0.74μmに対して
標準偏差σで0.5nm以下であった。
【0032】また、本発明による構成の送り装置では、
送り方向の制御剛性が大きくとれるため、機械的なダン
ピング機構を設けなくても記録レーザ冷却水の脈流のよ
うな比較的定常的な振動はほとんど除去できる。ただ
し、突発的な外乱に対してはダンピング部は効果が期待
できるため、そのような振動対策が必要な場合には本発
明にダンピング部を併用するとよい。この場合ダンピン
グ作用点は重心に可能な限り近づけるのが望ましい。
【0033】上記の説明は送りの駆動をボイスコイルモ
ータで説明したが、これ以外のリニアモータおよび静圧
ネジ駆動などのスティックスリップのない高精度な駆動
方式であれば本発明は同じく適用できる。
【0034】また本発明の実施の形態では、送り装置の
具体例としてレーザビームレコーダに用いる送り装置を
示したが、半導体や液晶用のステッパー方式の露光装置
などの高精度の送りが要求される装置の送り装置として
用いることもできる。
【0035】
【発明の効果】本発明による送り装置では、スライダー
の重心点近くをボイスコイルモータが駆動するのでステ
ージを回転させるモーメントが発生しない構造である。
そのため水平方向のガイドが片側のみでも移動時にヨー
イングやピッチングを起こすことがなく、安定した位置
姿勢を保つことができる。さらに本発明による構成で
は、ステージの位置を計測して送り速度を所定の値に制
御するための計測部の測定子と記録レンズ(位置計測対
象部)がほぼ直線上に配置されているので、アッベの誤
差がなく、制御される位置と記録される位置が等しい。
従って外乱オブザーバ制御を行った時に、記録部分の位
置情報を入力とし、重心部分を駆動制御することが出来
るので、位置補正のためのステージ駆動時にステージに
回転モーメント力が作用してステージが回転するという
ことがない。そのため補償値がそのまま記録位置に反映
され、高精度のステージの移動が実現できる。
【0036】また本発明によるレーザビームレコーダで
は、空気除振台では除ききれないレーザ冷却水などの外
乱を有しても高精度のトラックピッチを実現し、次世代
の高密度ディスクに対応できる新しい構成のレーザビー
ムレコーダを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の装置構成を示す図
【図2】本発明の実施の形態の制御部のブロックダイア
グラムを示す図
【図3】従来のレーザビームレコーダを示す図
【図4】従来のPID制御のブロックダイアグラムを示
す図
【図5】従来の送り機構を示す平面図
【符号の説明】 1 ステージ 2 記録レンズユニット(記録レンズ) 3 ボイスコイルモータ 4a 磁石 4b 磁石 5 中心ヨーク 6a ヨーク 6b ヨーク 7 スケール固定台 8 計測部 8a スケール 8b ヘッド 9 平行ガイド 10 軸受けブロック 11 軸受けブロック 12 軸受けブロック 13 ステージベース 18 原盤 19 回転駆動部材 20 空気供給配管 21 装置ベース 202 位置制御部 203 速度制御部 204 電流アンプ 205 外乱オブザーバー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/68 H01L 21/30 503A (72)発明者 佐藤 宏和 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2H097 AA03 AB07 BA10 CA17 KA01 LA10 LA12 LA20 5D121 BB21 BB38 JJ03 JJ09 5F031 CA01 HA53 HA55 JA14 JA32 LA03 LA07 LA08 LA12 MA27 5F046 CC16 CC17 DB05

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ステージと、前記ステージの重心上に駆
    動力が伝達するように前記ステージの下に配置したステ
    ージの駆動部と、前記ステージに配置した測定子と、前
    記ステージの測定子を検出し前記ステージの位置を計測
    する計測部と、前記測定子の移動方向の延長線上または
    前記測定子の移動方向の延長線と前記駆動部の駆動子中
    心の移動方向の延長線の間に配置した位置計測対象部
    と、前記ステージに発生する外乱力を検出し外乱力を解
    消する力を前記ステージに与え前記ステージを駆動する
    制御部とを設けたことを特徴とする送り装置。
  2. 【請求項2】 制御部は、前記計測部により測定した前
    記ステージの位置と前記ステージの駆動指令値とから前
    記外乱力を検出する機能も併せ持つことを特徴とする請
    求項1に記載の送り装置。
  3. 【請求項3】 位置計測対象部がレンズである請求項1
    あるいは2に記載の送り装置。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載の送り装置と、除振台
    と、前記除振台に載置したレーザ発振機と、前記除振台
    に載置し原盤を回転する回転駆動部と、前記レーザ発振
    機から出射したレーザ光を前記レンズに導く光学系とに
    より構成し、前記外乱力に応じステージを駆動する前記
    制御部の応答周波数が前記レーザ発振機から発生する周
    波数より大きいことを特徴とし、回転する原盤にレーザ
    を用い信号を記録するレーザビームレコーダ。
  5. 【請求項5】 前記レンズの移動の軌跡がステージの重
    心上にあることを特徴とする請求項4に記載のレーザビ
    ームレコーダ。
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