JP2006042502A - Drift control unit for stage - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress drift of a stage, after the stage has come to a stop, when the stage is moved in a one-dimensional direction by an ultrasonic motor. <P>SOLUTION: A contact member 3 that can be brought into contact with the stage 2 that is set movable in a one-dimensional direction or a base material 9a connected thereto is used as one electrode. Other fixed electrodes 13 and 14 are made to face in the forward or the backward positions in the one-dimensional direction to form two capacitors. Alternating-current voltage is applied to the two capacitors, and a signal based on change in the capacitance of the capacitors is extracted. Based on this change signal, control is carried out so as to stop the stage 2 at a predetermined stop position. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置、測長SEM(走査型電子顕微鏡)などにおける一次元運動体(以下「ステージ」という)の停止位置において発生するドリフト量を制御するステージのドリフト制御装置に関するものである。   The present invention relates to a stage for controlling a drift amount generated at a stop position of a one-dimensional moving body (hereinafter referred to as “stage”) in a precision processing machine, a precision measuring apparatus, a semiconductor manufacturing apparatus, a length measuring SEM (scanning electron microscope), and the like. The present invention relates to a drift control device.

基台にクロスローラガイドのようなガイド部材を備え、このガイド部材の上に直線的に往復運動することのできるステージを設置した構造において、前記ステージを移動させるための駆動源として、超音波モータ(USM)が用いられる。
超音波モータは、振動体に圧電素子を取り付けて、この振動体の一部をステージの側面に加圧しながら接触させて、圧電素子に交流電圧を印加して振動体を運動させる。この運動が、摩擦力でステージに伝わり、ステージを一次元方向に動かす。ステージが所定の位置まで動くと、超音波モータの駆動をオフして、ステージを止める。
In a structure in which a guide member such as a cross roller guide is provided on the base and a stage that can linearly reciprocate is installed on the guide member, an ultrasonic motor is used as a drive source for moving the stage. (USM) is used.
In the ultrasonic motor, a piezoelectric element is attached to a vibrating body, a part of the vibrating body is brought into contact with the side surface of the stage while being pressed, and an alternating voltage is applied to the piezoelectric element to move the vibrating body. This motion is transmitted to the stage with frictional force, and moves the stage in a one-dimensional direction. When the stage moves to a predetermined position, the driving of the ultrasonic motor is turned off to stop the stage.

図8は、超音波モータの構造を示す平面図である。超音波モータは、基台に固定された3つの固定部4,5,6を備えている。正面の固定部4には、平行ヒンジ7を介して振動体8が取り付けられる。前記平行ヒンジ7は、そのたわみにより、振動体8が左右に振動することができる程度の弾性のある部材で形成されている。
前記振動体8の先端部には、ステージ2の移動方向Aに垂直な方向に振動を発生される第1の圧電素子部9が設けられる。また、振動体8の左右側面と、前記左右固定部5,6との間には、ステージ2の移動方向Aに平行な方向に移動を発生させる第2及び第3の圧電素子部10,11が設けられている。そして、第1の圧電素子部9の先端には基材9aが接合され、基材9aの先端面には、ステージ2と接触しながら、摩擦力でステージ2を移動させるための接触部材3が取り付けられている。
FIG. 8 is a plan view showing the structure of the ultrasonic motor. The ultrasonic motor includes three fixing portions 4, 5, and 6 fixed to the base. A vibrating body 8 is attached to the front fixed portion 4 via a parallel hinge 7. The parallel hinge 7 is formed of an elastic member to such an extent that the vibrating body 8 can vibrate left and right due to its deflection.
A first piezoelectric element portion 9 that generates vibration in a direction perpendicular to the moving direction A of the stage 2 is provided at the tip of the vibrating body 8. Further, the second and third piezoelectric element portions 10 and 11 that generate movement in the direction parallel to the moving direction A of the stage 2 between the left and right side surfaces of the vibrating body 8 and the left and right fixing portions 5 and 6. Is provided. A base material 9a is bonded to the tip of the first piezoelectric element portion 9, and a contact member 3 for moving the stage 2 by frictional force while contacting the stage 2 is provided on the tip surface of the base material 9a. It is attached.

前記第2及び第3の圧電素子部10,11に互いに逆位相の交流振動を印加し、かつ、前記第1の圧電素子部9に、前記第2及び第3の圧電素子部10,11に与えられる交流信号と90度位相の遅れた又は進んだ交流信号を印加することにより、前記接触部材を楕円振動させる。ここで「逆位相」とは第2の圧電素子部10を一方向に動かせば、第3の圧電素子部11も同方向に動くような位相関係をいう。前記楕円振動は、接触部材3とステージ2との摩擦力によりステージ2に伝わり、これにより、ステージ2を任意の方向に移動させることができる。   AC vibrations having opposite phases are applied to the second and third piezoelectric element portions 10 and 11, and the first and second piezoelectric element portions 10 and 11 are applied to the first piezoelectric element portion 9 and the second piezoelectric element portions 10 and 11, respectively. The contact member is elliptically vibrated by applying an AC signal to be applied and an AC signal delayed or advanced in phase by 90 degrees. Here, “reverse phase” refers to a phase relationship in which the third piezoelectric element unit 11 moves in the same direction when the second piezoelectric element unit 10 moves in one direction. The elliptical vibration is transmitted to the stage 2 by the frictional force between the contact member 3 and the stage 2, whereby the stage 2 can be moved in an arbitrary direction.

ステージ2を停止させるときは、各圧電素子部9,10,11への電圧の印加を停止する。電圧の印加を停止することにより、前記振動体8には前記第2及び第3の圧電素子部10,11からの力がかからなくなり、前記振動体8は、前記平行ヒンジ7の復元力により、正面固定部4に対して所定の位置関係を保って静止する。また、振動体8内の第1の圧電素子部9も電圧の印加が停止されるので、第1の圧電素子部9及びその先端に固定された接触部材3も、振動体8に対して所定の位置関係を保ったまま静止する。この結果、接触部材3は、基台1に対して所定の位置を保持しながら静止することとなる。接触部材3とステージ2との間には、両者の接触により静止摩擦力が働いているので、その摩擦力によりステージ2を基台1の所定位置に停止させることができる。   When the stage 2 is stopped, the application of voltage to the piezoelectric element portions 9, 10, and 11 is stopped. By stopping the application of voltage, the vibrating body 8 is not subjected to the force from the second and third piezoelectric element portions 10 and 11, and the vibrating body 8 is caused by the restoring force of the parallel hinge 7. The stationary position with respect to the front fixing part 4 is maintained. In addition, since the application of voltage to the first piezoelectric element portion 9 in the vibrating body 8 is also stopped, the first piezoelectric element portion 9 and the contact member 3 fixed to the tip of the first piezoelectric element portion 9 are also fixed to the vibrating body 8. It keeps still while maintaining the positional relationship. As a result, the contact member 3 is stationary while holding a predetermined position with respect to the base 1. Since a static frictional force is acting between the contact member 3 and the stage 2 due to the contact therebetween, the stage 2 can be stopped at a predetermined position of the base 1 by the frictional force.

なお、実際には、ステージ2の移動量の制御あるいは停止位置の決定は、ステージ2の移動量をリニアスケール及びレーザ干渉計で測定し、その測定結果を、超音波モータの駆動装置にフィードバック制御することにより行っている。
このような超音波モータは、制御可能な最小移動量がナノメートルのオーダーになり、精密なステージの位置制御ができるという特長がある。
Actually, the movement amount of the stage 2 or the stop position is determined by measuring the movement amount of the stage 2 with a linear scale and a laser interferometer, and feedback-controlling the measurement result to the driving device of the ultrasonic motor. It is done by doing.
Such an ultrasonic motor has the feature that the minimum controllable amount of movement is on the order of nanometers, and the position of the stage can be precisely controlled.

そこで、最近では、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置などの一次元運動系の駆動装置として好適に用いられている。
特開2002-341248号公報 特開2003-369123号公報 特開平2-60474号公報
Therefore, recently, it is suitably used as a one-dimensional motion system driving device such as a precision processing machine, a precision measuring device, and a semiconductor manufacturing device.
JP 2002-341248 A JP 2003-369123 A Japanese Patent Laid-Open No. 2-60474

前記超音波モータを使ったステージの移動制御系では、ステージを位置決めした後、温度の変化、駆動力伝達手段の弾性変化などで、位置決め後の停止位置が、時間の経過とともに変動することがある。これを「ドリフト」という。
図9は、ステージ2を停止させた後に発生するドリフト量を示したグラフである。横軸に時間を縦軸にドリフト量をとっている。ドリフト量の計測は、前述したレーザ干渉計により行っている。このグラフに示されるように、発生するドリフト量は、数十秒経過すれば、10nmあるいはそれ以上となる。
In the stage movement control system using the ultrasonic motor, after the stage is positioned, the stop position after positioning may fluctuate with time due to a change in temperature, a change in elasticity of the driving force transmission means, or the like. . This is called “drift”.
FIG. 9 is a graph showing the amount of drift that occurs after the stage 2 is stopped. The horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the drift amount. The drift amount is measured by the laser interferometer described above. As shown in this graph, the generated drift amount becomes 10 nm or more after several tens of seconds have passed.

最近、精密機械の精度や半導体回路の集積度が上がって、1ナノメートルのオーダーの精度が必要とされている。そこで、この程度のドリフトでも、発生を抑えたいという要望がある。
前述したリニアスケール及びレーザ干渉計を用いて、ステージの停止位置を精密に制御することも考えられるが、制御装置全体が重く、大きく、かつ高価になる。
Recently, the precision of precision machines and the degree of integration of semiconductor circuits have increased, and the precision of the order of 1 nanometer is required. Therefore, there is a desire to suppress the occurrence of such a drift.
Although it is conceivable to precisely control the stop position of the stage using the linear scale and the laser interferometer described above, the entire control device is heavy, large, and expensive.

そこで、本発明は、簡単な構成で、ステージのドリフト量を抑えることのできるステージのドリフト制御装置を提供することを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a stage drift control device that can suppress the drift amount of the stage with a simple configuration.

本発明のステージのドリフト制御装置は、1次元方向に動くステージと、前記ステージに接触可能な接触部材と、前記接触部材を動かす駆動手段と、前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前又は後の位置に他の固定電極を対向させて形成されたコンデンサと、前記コンデンサに交流電圧を印加して、当該コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出す信号処理部と、前記信号処理部から出力される信号に基づいて、所定の停止位置に前記ステージを停止させるように、前記駆動手段を制御する停止位置制御手段とを備えるものである。   The stage drift control apparatus according to the present invention includes a stage that moves in a one-dimensional direction, a contact member that can contact the stage, a drive unit that moves the contact member, and the contact member or a substrate connected thereto. As electrodes, a capacitor formed by facing another fixed electrode at a position before or after the one-dimensional direction, and an AC voltage is applied to the capacitor to generate a signal based on a change in capacitance of the capacitor. A signal processing unit to be extracted and a stop position control unit that controls the driving unit to stop the stage at a predetermined stop position based on a signal output from the signal processing unit.

この構成によれば、ステージに接触する部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前又は後の位置に他の固定電極を対向させてコンデンサを形成し、当該コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出して、この信号に基づき所定の停止位置に前記ステージを停止させるように停止位置制御することができる。したがって、簡単な構成で、ステージのドリフト量を正確に制御することができる。   According to this configuration, a member that contacts the stage or a substrate connected thereto is used as one electrode, and a capacitor is formed with another fixed electrode facing the front or rear position in the one-dimensional direction. It is possible to take out a signal based on the change in the electrostatic capacity and control the stop position so as to stop the stage at a predetermined stop position based on this signal. Therefore, the drift amount of the stage can be accurately controlled with a simple configuration.

前記接触部材は、前記ステージに接触して運動することにより、前記ステージを1次元方向に移動させる部材である場合は、ステージの移動とステージを停止位置制御とを、同一部材を使って実施することができる。したがって、レーザ干渉計などの測定系を別に用意しなくても、コンパクトな構造でステージの停止位置制御を行うことができる。
前記コンデンサは、1つの静電容量で構成してもよいが、前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前及び後の位置にそれぞれ他の電極を固定した2つの静電容量で形成すれば、両静電容量の静電容量の差動信号を取り出すことができるので、位置検出の感度を上げることができる。
When the contact member is a member that moves in a one-dimensional direction by moving in contact with the stage, the stage is moved and the stop position of the stage is controlled using the same member. be able to. Therefore, it is possible to control the stop position of the stage with a compact structure without separately preparing a measurement system such as a laser interferometer.
The capacitor may be composed of a single capacitance, but the contact member or the base material connected to the contact member is used as one electrode, and other electrodes are respectively fixed at the front and rear positions in the one-dimensional direction. If the two capacitances are formed, the differential signal of the capacitances of both capacitances can be taken out, so that the sensitivity of position detection can be increased.

前記接触部材は、前記ステージに接触した摩擦力で、前記ステージを移動させるものであってもよい。
前記ステージの駆動は、超音波モータで行ってもよい。この場合は、前記駆動手段は圧電素子になり、前記接触部材はこの圧電素子に装着され、運動しながら前記ステージに接触した摩擦力でステージを移動させる構造になる。
The contact member may move the stage by a frictional force that contacts the stage.
The stage may be driven by an ultrasonic motor. In this case, the driving means is a piezoelectric element, and the contact member is attached to the piezoelectric element, and the stage is moved by a frictional force that contacts the stage while moving.

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の静電容量を利用してステージの停止位置制御を行うドリフト制御装置の全体構成を示すブロック図である。このドリフト制御装置は、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置などにおける、ステージの移動制御を行うステージ移動装置の一部として設けられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a drift control device that performs stage stop position control using the capacitance of the present invention. This drift control device is provided as a part of a stage moving device that controls the movement of the stage in a precision processing machine, a precision measuring device, a semiconductor manufacturing device, or the like.

このドリフト制御装置には、ステージを移動させるための超音波モータMが設けられている。
図2は、超音波モータMの構造を示す平面図である。
超音波モータMは、ステージ2を1次元方向(x方向とする)に移動可能に設置した基台1上に配置されている。超音波モータMのステージ2に接触する部位には、接触部材3が介在されている。この接触部材3と反対側のステージ2の背後、並びにステージ移動方向の前である上流側及びステージ移動方向の後である下流側に、合計3つの固定部が備えられている。これらの固定部を背後固定部4、左固定部5、右固定部6という。各固定部4,5,6は、それぞれ基台1に固定されている。
This drift control device is provided with an ultrasonic motor M for moving the stage.
FIG. 2 is a plan view showing the structure of the ultrasonic motor M.
The ultrasonic motor M is disposed on a base 1 that is installed so that the stage 2 can move in a one-dimensional direction (x direction). A contact member 3 is interposed at a portion of the ultrasonic motor M that contacts the stage 2. A total of three fixing portions are provided behind the stage 2 on the side opposite to the contact member 3 and on the upstream side before the stage moving direction and the downstream side after the stage moving direction. These fixed portions are referred to as a back fixed portion 4, a left fixed portion 5, and a right fixed portion 6. Each fixing part 4, 5, 6 is fixed to the base 1.

背後固定部4には、平行ヒンジ7を介して振動体8が取り付けられている。前記平行ヒンジ7は、そのたわみにより、振動体8がx方向に振動することができる程度の弾性を持つような形状に形成されている。
振動体8には、有底状の凹部が形成されており、この凹部の底面に前記x方向に垂直なy方向に沿った振動を発生する第1の圧電素子部9が固定されている。また、振動体8の左右側面と、前記左右固定部5,6との間には、x方向に沿った振動を発生させる第2及び第3の圧電素子部10,11が固定されている。
A vibrating body 8 is attached to the back fixing portion 4 via a parallel hinge 7. The parallel hinge 7 is formed in such a shape as to be elastic enough to allow the vibrating body 8 to vibrate in the x direction due to its deflection.
The vibrating body 8 has a bottomed concave portion, and a first piezoelectric element portion 9 that generates vibration along the y direction perpendicular to the x direction is fixed to the bottom surface of the concave portion. Further, between the left and right side surfaces of the vibrating body 8 and the left and right fixing portions 5 and 6, second and third piezoelectric element portions 10 and 11 that generate vibration along the x direction are fixed.

また、第1の圧電素子部9の先端部には銅などの材質からなる円柱基材9aが結合されており、この円柱基材9aの先端面には、ステージ2と接触しながら、摩擦力でステージ2を移動させる前記接触部材3が取り付けられている。前記接触部材3は、アルミナやジルコニア、あるいはアルミナと炭化チタンとの複合材料であるアルティック等により形成されている。   In addition, a cylindrical base material 9a made of a material such as copper is coupled to the distal end portion of the first piezoelectric element portion 9, and a frictional force is applied to the distal end surface of the cylindrical base material 9a while being in contact with the stage 2. The contact member 3 for moving the stage 2 is attached. The contact member 3 is made of alumina, zirconia, or Altic which is a composite material of alumina and titanium carbide.

前記圧電素子部9,10,11を構成する圧電材料は、PZT、チタン酸バリウムなどが用いられる。
ステージ移動装置(図示せず)から、前記第2及び第3の圧電素子部10,11に互いに逆位相の交流信号を印加し、かつ、前記第1の圧電素子部9に、前記第2及び第3の圧電素子部10,11に与える交流信号と90度位相の遅れた、又は進んだ交流信号を印加することにより、前記接触部材3をx−y平面内で楕円振動させる。これにより、ステージ2を、接触部材3との摩擦力を用いて+x方向又は−x方向に移動させることができる。ステージ2の移動速度は、交流信号の周波数を調整することにより任意に設定できる。
PZT, barium titanate or the like is used as the piezoelectric material constituting the piezoelectric element portions 9, 10, and 11.
An AC signal having an opposite phase is applied to the second and third piezoelectric element portions 10 and 11 from a stage moving device (not shown), and the second and third piezoelectric element portions 9 are applied to the second and third piezoelectric element portions 9 and 11. The contact member 3 is elliptically vibrated in the xy plane by applying an AC signal applied to the third piezoelectric element portions 10 and 11 and an AC signal delayed or advanced in phase by 90 degrees. Thereby, the stage 2 can be moved in the + x direction or the −x direction using the frictional force with the contact member 3. The moving speed of the stage 2 can be arbitrarily set by adjusting the frequency of the AC signal.

以下、本発明の特徴となるコンデンサの構造を説明する。
前記円柱基材9aの側面は、窒化チタン又は炭化チタンなどの金属膜でコーティングされている。なお、円柱基材9aそのものを金属材質で形成してもよい。
そして、前記円柱基材9aの周囲を取り囲む状態で、固定電極体12が基台1に固定されている。この固定電極体12には、図3に示すように、円筒状に繰り抜かれた孔12aが形成されている。
The structure of the capacitor, which is a feature of the present invention, will be described below.
The side surface of the cylindrical base material 9a is coated with a metal film such as titanium nitride or titanium carbide. The cylindrical base material 9a itself may be formed of a metal material.
And the fixed electrode body 12 is being fixed to the base 1 in the state surrounding the circumference | surroundings of the said cylindrical base material 9a. As shown in FIG. 3, the fixed electrode body 12 has a hole 12 a that is drawn out in a cylindrical shape.

前記固定電極体12は、セラミックスや合成樹脂などの絶縁体で形成されているが、繰り抜いて形成された孔12aの内部は、左右2極に分離された状態で窒化チタン又は炭化チタンなどの金属膜でコーティングされている。これらの金属膜コーティングを、図3に、"13,14"で示す。
なお、金属膜コーティングするのではなく、固定電極体12の本体を左右分離された2つの金属部材で形成することも可能である。この場合、左右分離された金属部材がそれぞれコンデンサの電極を構成する。
The fixed electrode body 12 is formed of an insulator such as ceramics or synthetic resin, but the inside of the hole 12a formed by pulling out is made of titanium nitride, titanium carbide or the like in a state of being separated into left and right two poles. It is coated with a metal film. These metal film coatings are indicated by “13, 14” in FIG.
Instead of coating the metal film, it is also possible to form the main body of the fixed electrode body 12 by two separated metal members. In this case, the left and right separated metal members constitute the electrodes of the capacitor.

前記円柱基材9aは、固定電極体12の繰り抜き孔12aを貫通している。固定電極体12の繰り抜き孔12aの内径は、前記円柱基材9aの円柱の半径よりもわずかに大きく、このため円柱基材9aと金属膜13,14との間には、隙間が存在する。この隙間によって、静電容量を形成する。
このようにして、前記円柱基材9aと、前記固定電極体12との間に2つのコンデンサが形成される。ここで、前記円柱基材9aとその+x側にある固定電極体12の金属膜13との静電容量をC1、前記円柱基材9aとその−x側にある固定電極体12の金属膜14との静電容量をC2と表記する。
The cylindrical base material 9 a passes through the drawing hole 12 a of the fixed electrode body 12. The inner diameter of the drawing hole 12a of the fixed electrode body 12 is slightly larger than the radius of the column of the columnar substrate 9a, and therefore there is a gap between the columnar substrate 9a and the metal films 13 and 14. . An electrostatic capacity is formed by this gap.
In this way, two capacitors are formed between the cylindrical base material 9a and the fixed electrode body 12. Here, the capacitance of the cylindrical base material 9a and the metal film 13 of the fixed electrode body 12 on the + x side is C1, and the cylindrical base material 9a and the metal film 14 of the fixed electrode body 12 on the -x side thereof. Is expressed as C2.

その静電容量の差(C1−C2)は、前記第1の圧電素子部9の円柱基材9aの+x方向又は−x方向への移動量に比例する。すなわち静電容量の差(C1−C2)は、前記第1の圧電素子部9が+x方向に動けば正の方向に増大し、前記第1の圧電素子部9が−x方向に動けば、負の方向に増大する。
本発明のドリフト制御装置は、図1に示すように、前記静電容量C1,C2と、基板20に搭載したチップコンデンサなどの容量固定コンデンサの静電容量C3,C4とによってブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路には発振器21から高周波信号が印加され、ブリッジ回路から前記静電容量C1,C2の差(C1−C2)に応じた差分信号が取り出される。
The difference in capacitance (C1−C2) is proportional to the amount of movement of the cylindrical base material 9a of the first piezoelectric element portion 9 in the + x direction or the −x direction. That is, the difference in capacitance (C1-C2) increases in the positive direction if the first piezoelectric element portion 9 moves in the + x direction, and if the first piezoelectric element portion 9 moves in the -x direction, Increase in the negative direction.
As shown in FIG. 1, the drift control device of the present invention forms a bridge circuit by the capacitances C1 and C2 and the capacitances C3 and C4 of a fixed capacitor such as a chip capacitor mounted on the substrate 20. ing. A high frequency signal is applied to the bridge circuit from the oscillator 21, and a difference signal corresponding to the difference (C1−C2) between the capacitances C1 and C2 is extracted from the bridge circuit.

この差分信号は、差動増幅器22、増幅器23を通して、ローパスフィルタ24に入力される。ローパスフィルタ24は、電源ラインなどから制御回路に入ってくる高周波ノイズや、空気中を伝わる誘導ノイズ、あるいは半導体回路で発生するノイズを除去する。この結果、ローパスフィルタ24から、ノイズのない差分信号が出力される。
このローパスフィルタ24から出力された差分信号は、加算器25に入力される。一方、この加算器25には、静電容量差分目標値が入力される。これらの差信号は、アナログPID器26に入力されてアナログ信号処理される。そして、両信号の差に比例した信号が出力され、直流ドライバ27において、超音波モータMの駆動信号が生成される。
This differential signal is input to the low-pass filter 24 through the differential amplifier 22 and the amplifier 23. The low-pass filter 24 removes high-frequency noise that enters the control circuit from a power line or the like, induction noise that is transmitted through the air, or noise that is generated in the semiconductor circuit. As a result, a differential signal without noise is output from the low-pass filter 24.
The difference signal output from the low-pass filter 24 is input to the adder 25. On the other hand, a capacitance difference target value is input to the adder 25. These difference signals are input to the analog PID device 26 and processed by analog signals. Then, a signal proportional to the difference between the two signals is output, and a drive signal for the ultrasonic motor M is generated in the DC driver 27.

なお、以上の説明では、静電容量C1,C2と容量固定コンデンサの静電容量C3,C4とによってブリッジ回路を構成し、静電容量C1,C2の差(C1−C2)に応じた差分信号を取り出しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、前記円柱基材9aと前記固定電極体12の片側とで単一の容量可変コンデンサを形成し、その他基板20に搭載した3つの容量固定コンデンサとでブリッジ回路を構成しても、コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出すことができる。   In the above description, a bridge circuit is formed by the capacitances C1 and C2 and the capacitances C3 and C4 of the fixed capacitors, and a difference signal corresponding to the difference between the capacitances C1 and C2 (C1−C2). However, the present invention is not limited to this. For example, even if a single variable capacitance capacitor is formed by the cylindrical base material 9a and one side of the fixed electrode body 12, and a bridge circuit is formed by three other fixed capacitance capacitors mounted on the substrate 20, A signal based on the change in capacitance can be extracted.

次に、この超音波モータMの駆動信号に基づいて、前記第2及び第3の圧電素子部10,11に互いに逆符号の電圧Vが印加される。この印加により、前記接触部材を+x方向又は−x方向に移動させる。このx方向への移動量は、ステージ移動装置がステージ2を所定の停止位置まで移動させるときの移動量よりもはるかに微小なものである。この移動によって、停止しようとするステージ2の停止位置を微調整して、ステージ2を所望の位置に精度よく停止させることができる。   Next, based on the drive signal of the ultrasonic motor M, voltages V having opposite signs are applied to the second and third piezoelectric element portions 10 and 11. By this application, the contact member is moved in the + x direction or the −x direction. The amount of movement in the x direction is much smaller than the amount of movement when the stage moving device moves the stage 2 to a predetermined stop position. By this movement, the stop position of the stage 2 to be stopped can be finely adjusted, and the stage 2 can be accurately stopped at a desired position.

なお、「前記第2及び第3の圧電素子部10,11に互いに逆符号の電圧Vが印加される」と説明したが、この電圧Vは、ステージ2のドリフト量を補正できればよいので、その波形はなんら限定されない。具体的には、図4(a)に示すように短時間持続する矩形パルスであってもよい。あるいは、矩形でなく、図4(b)のように滑らかな形のパルスでもよい。パルスの個数も1つに限定されない。また、前記第2及び第3の圧電素子部10,11の移動量は、電圧Vを時間積分した積分値に応じて決まるので、電圧Vは必ずしも直流でなくてもよい。図4(c)のように1又は複数サイクル連続した減衰する交流信号であってもよい。   It has been described that “the voltages V having opposite signs are applied to the second and third piezoelectric element portions 10 and 11”, but the voltage V only needs to be able to correct the drift amount of the stage 2. The waveform is not limited at all. Specifically, it may be a rectangular pulse that lasts for a short time as shown in FIG. Alternatively, a pulse having a smooth shape as shown in FIG. The number of pulses is not limited to one. Further, since the movement amount of the second and third piezoelectric element portions 10 and 11 is determined according to an integral value obtained by integrating the voltage V with time, the voltage V does not necessarily have to be a direct current. As shown in FIG. 4C, it may be an alternating signal that attenuates continuously for one or more cycles.

図5は、今まで述べてきたドリフト制御装置における停止位置制御を含む、ステージの移動制御の全体を説明するためのフローチャートである。
まず、ステージ2が停止した状態で(ステップS1)、ステージ移動装置が、精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置などの親制御装置からステージ移動指示を受ける(ステップS2)。ステージ移動装置は、前記楕円振動を実施して、レーザ干渉計を使いながら、ステージ2を移動させ、目標値への位置決め制御を開始する(ステップS3)。ステージ2が所定の位置まで移動したと判定すると(ステップS4のOK)、ドリフト制御装置は、ステージ移動装置からドリフト制御の開始指示を待つ(ステップS5)。
FIG. 5 is a flowchart for explaining the entire stage movement control including the stop position control in the drift control apparatus described so far.
First, with the stage 2 stopped (step S1), the stage moving device receives a stage moving instruction from a parent control device such as a precision processing machine, a precision measuring device, or a semiconductor manufacturing device (step S2). The stage moving device performs the elliptical vibration, moves the stage 2 while using the laser interferometer, and starts positioning control to the target value (step S3). If it is determined that the stage 2 has moved to a predetermined position (OK in step S4), the drift control device waits for an instruction to start drift control from the stage moving device (step S5).

ドリフト制御装置は、ドリフト制御の指示信号を受けると(ステップS6)、ドリフト制御を開始する(ステップS7)。
ドリフト制御装置は、所定時間にわたって前述したドリフト制御を行う。これにより、ステージ停止位置と、前記静電容量差分目標値との差が所定の範囲に入るようになる。ドリフト制御装置は、ステージ移動装置から本発明のドリフト制御終了指示を受信すれば(ステップS8)、ドリフト制御を終了させる(ステップS9)。
When the drift control device receives an instruction signal for drift control (step S6), the drift control device starts drift control (step S7).
The drift control device performs the above-described drift control over a predetermined time. As a result, the difference between the stage stop position and the capacitance difference target value falls within a predetermined range. If the drift control device receives the drift control end instruction of the present invention from the stage moving device (step S8), the drift control device ends the drift control (step S9).

以上の手順により、停止しようとするステージの停止位置を微調整して、ステージ2を所望の位置に停止させることができる。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記円柱基材9aと、その周囲を取り囲む固定電極体12の形状は、円筒状でなくてもよく、円柱基材9aと固定電極体12の間に、静電容量が形成可能な形状であれば、どのような形状でもよい。また、この静電容量は、円柱基材9aとその両側の金属膜13,14とで2個形成する場合に限らない。前述したように、円柱基材9aとその片側の金属膜13又は14とで1個のみ形成してもよい。また、静電容量を形成する1つの電極を円柱基材9aにより形成していたが、これに限定されず、円柱基材9aに連結する接触部材3で電極を形成してもよい。この場合は、接触部材3の材質として耐磨耗性の導電性材料、例えばサーメット、超硬、高炭素クロム鋼、マルテンサイトを用いればよい。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
With the above procedure, the stage 2 can be stopped at a desired position by finely adjusting the stop position of the stage to be stopped.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments. For example, the shape of the columnar base material 9a and the fixed electrode body 12 surrounding the periphery of the columnar base material 9a may not be cylindrical, and a shape capable of forming a capacitance between the columnar base material 9a and the fixed electrode body 12. Any shape can be used. Moreover, this electrostatic capacitance is not limited to the case where two cylindrical base materials 9a and the metal films 13 and 14 on both sides thereof are formed. As described above, only one cylindrical base material 9a and the metal film 13 or 14 on one side thereof may be formed. Moreover, although one electrode which forms an electrostatic capacitance is formed by the cylindrical base material 9a, the present invention is not limited to this, and the electrode may be formed by the contact member 3 connected to the cylindrical base material 9a. In this case, a wear-resistant conductive material such as cermet, carbide, high carbon chrome steel, or martensite may be used as the material of the contact member 3. In addition, various modifications can be made within the scope of the present invention.

ステージ2を一次元方向に移動させることができる基台1を製作した。ステージ2の重量は15kg、ガイドはクロスローラガイドを用いた。ステージ2の移動距離は、波長633nmのレーザ干渉計を設置して測定した。測定の分解能は、0.6nmである。
ステージ2の移動距離は100mm、移動速度は最大値で200mm/秒である。
ステージ2の停止位置の制御には、静電容量の差を計測する図1のドリフト制御装置を採用した。ドリフト制御装置における発振器21の発振周波数は500kHz、チップコンデンサの容量C3,C4はそれぞれ100pF、ローパスフィルタ24の遮断周波数は2.5kHzとした。
A base 1 capable of moving the stage 2 in a one-dimensional direction was manufactured. The weight of the stage 2 was 15 kg, and a cross roller guide was used as a guide. The moving distance of the stage 2 was measured by installing a laser interferometer having a wavelength of 633 nm. The resolution of measurement is 0.6 nm.
The moving distance of the stage 2 is 100 mm, and the moving speed is 200 mm / second at the maximum value.
For controlling the stop position of the stage 2, the drift control device of FIG. 1 that measures the difference in capacitance was adopted. In the drift control device, the oscillation frequency of the oscillator 21 is 500 kHz, the capacitances C3 and C4 of the chip capacitor are 100 pF, and the cutoff frequency of the low-pass filter 24 is 2.5 kHz.

図6は、ステージ2の移動中における時間ごとの位置変化を示すグラフである。
図7は、ステージ2停止時のドリフト量を示す拡大図である。図7における縦軸のステージ2の位置の測定は、前記レーザ干渉計を用いている。
図7によれば、ステージ2が停止直後には、3nmほどのオーバーシュートが見られたが、その後のステージ2の停止位置のドリフトは1nm未満に収まっている。したがって、ドリフトはほぼ完全に収束したといえる。
FIG. 6 is a graph showing the position change for each time during the movement of the stage 2.
FIG. 7 is an enlarged view showing the drift amount when the stage 2 is stopped. The position of the stage 2 on the vertical axis in FIG. 7 is measured using the laser interferometer.
According to FIG. 7, an overshoot of about 3 nm was observed immediately after the stage 2 stopped, but the subsequent drift of the stop position of the stage 2 is less than 1 nm. Therefore, it can be said that the drift has almost completely converged.

本発明の静電容量を利用してステージのドリフト制御を行うドリフト制御装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole drift control apparatus which performs the drift control of a stage using the electrostatic capacitance of this invention. 超音波モータMの構造を示す平面図である。2 is a plan view showing a structure of an ultrasonic motor M. FIG. ステージ側から見た超音波モータMの正面図である。It is a front view of the ultrasonic motor M seen from the stage side. 第2及び第3の圧電素子部10,11に印加されるドリフト制御電圧Vの波形を示すグラフである。4 is a graph showing a waveform of a drift control voltage V applied to second and third piezoelectric element portions 10 and 11. 本発明の停止位置制御を含むステージの移動制御の全体を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the whole stage movement control including the stop position control of this invention. ステージ移動中の時間ごとの位置変化を示すグラフである。It is a graph which shows the position change for every time during a stage movement. ステージが止まってからのドリフトを示す拡大図である。It is an enlarged view which shows the drift after a stage stops. 一般的な超音波モータMの構造を示す平面図である。1 is a plan view showing a structure of a general ultrasonic motor M. FIG. ステージを止めた後に発生するドリフト量を示したグラフである。It is a graph which showed the amount of drift which occurs after stopping a stage.

符号の説明Explanation of symbols

1 基台
2 ステージ
3 接触部材
4 背後固定部
5 左固定部
6 右固定部
7 平行ヒンジ
8 振動体
9 第1の圧電素子部
9a 円柱基材
10 第2の圧電素子部
11 第3の圧電素子部
12 固定電極体
12a 孔
13,14 金属膜コーティング
20 基板
21 発振器
22 差動増幅器
23 増幅器
24 ローパスフィルタ
25 加算器
26 アナログPID器
27 直流ドライバ
M 超音波モータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base 2 Stage 3 Contact member 4 Back fixing | fixed part 5 Left fixing | fixed part 6 Right fixing | fixed part 7 Parallel hinge 8 Vibration body 9 1st piezoelectric element part 9a Cylindrical base material 10 2nd piezoelectric element part 11 3rd piezoelectric element Part 12 Fixed electrode body 12a Holes 13 and 14 Metal film coating 20 Substrate 21 Oscillator 22 Differential amplifier 23 Amplifier 24 Low pass filter 25 Adder 26 Analog PID device 27 DC driver M Ultrasonic motor

Claims (5)

1次元方向に動くステージと、
前記ステージに接触可能な接触部材と、
前記接触部材を動かす駆動手段と、
前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前又は後の位置に他の固定電極を対向させて形成したコンデンサと、
前記コンデンサに交流電圧を印加して、当該コンデンサの静電容量の変化に基づく信号を取り出す信号処理部と、
前記信号処理部から出力される信号に基づいて、所定の停止位置に前記ステージを停止させるように、前記駆動手段を制御する停止位置制御手段とを備えることを特徴とするステージのドリフト制御装置。
A stage that moves in one dimension,
A contact member capable of contacting the stage;
Drive means for moving the contact member;
Capacitor formed by using the contact member or the substrate connected thereto as one electrode, and facing another fixed electrode at the front or rear position in the one-dimensional direction,
A signal processing unit that applies an AC voltage to the capacitor and extracts a signal based on a change in capacitance of the capacitor;
A stage drift control device comprising: a stop position control means for controlling the drive means so as to stop the stage at a predetermined stop position based on a signal output from the signal processing section.
前記接触部材は、前記ステージに接触して運動することにより、前記ステージを1次元方向に移動させるものである請求項1記載のステージのドリフト制御装置。   2. The stage drift control apparatus according to claim 1, wherein the contact member moves in a one-dimensional direction by moving in contact with the stage. 前記コンデンサは、前記接触部材又はそれに連結された基材を一つの電極として、前記一次元方向の前及び後の位置にそれぞれ他の電極を固定して2つの静電容量を形成し、前記信号処理部における静電容量の変化に基づく信号は、前記2つの静電容量の差による差動信号である請求項1又は請求項2記載のステージのドリフト制御装置。   The capacitor uses the contact member or a substrate connected thereto as one electrode, and fixes other electrodes at the front and rear positions in the one-dimensional direction to form two capacitances, and the signal 3. The stage drift control apparatus according to claim 1, wherein the signal based on the change in capacitance in the processing unit is a differential signal based on a difference between the two capacitances. 前記接触部材は、前記ステージに接触した摩擦力で、前記ステージを移動させる請求項1〜請求項3のいずれかに記載のステージのドリフト制御装置。   4. The stage drift control device according to claim 1, wherein the contact member moves the stage by a frictional force that contacts the stage. 前記接触部材及び前記駆動手段は、超音波モータの構成部材である請求項4記載のステージのドリフト制御装置。   5. The stage drift control device according to claim 4, wherein the contact member and the driving means are constituent members of an ultrasonic motor.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009053183A (en) * 2007-07-31 2009-03-12 Kyocera Corp Device for detecting location variation of stage and transporting device equipped with the same
CN105835030A (en) * 2016-06-22 2016-08-10 江西师范大学 Dangerous area multifunctional detection vehicle based on wireless control and video transmission

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07298656A (en) * 1994-04-27 1995-11-10 Minolta Co Ltd Driver and driving method thereof
JPH10332738A (en) * 1997-05-29 1998-12-18 Japan Aviation Electron Ind Ltd Electrostatic torquer type accelerometer
JP2002015985A (en) * 1999-12-21 2002-01-18 Asm Lithography Bv Balanced positioning system for use in lithographic projection apparatus
JP2002345270A (en) * 2001-05-18 2002-11-29 Fujitsu Ltd Linear stage device

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07298656A (en) * 1994-04-27 1995-11-10 Minolta Co Ltd Driver and driving method thereof
JPH10332738A (en) * 1997-05-29 1998-12-18 Japan Aviation Electron Ind Ltd Electrostatic torquer type accelerometer
JP2002015985A (en) * 1999-12-21 2002-01-18 Asm Lithography Bv Balanced positioning system for use in lithographic projection apparatus
JP2002345270A (en) * 2001-05-18 2002-11-29 Fujitsu Ltd Linear stage device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009053183A (en) * 2007-07-31 2009-03-12 Kyocera Corp Device for detecting location variation of stage and transporting device equipped with the same
CN105835030A (en) * 2016-06-22 2016-08-10 江西师范大学 Dangerous area multifunctional detection vehicle based on wireless control and video transmission
CN105835030B (en) * 2016-06-22 2023-06-09 江西师范大学 Dangerous region multifunctional detection vehicle based on wireless control and video transmission

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