JP2010157395A - Device for positioning stage - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stage movement device capable of positioning a stage in nm order across the entire movable range thereof, relating to a stage positioning device which is movably engaged with a guide. <P>SOLUTION: The device includes a feeding nut (nut member) 8 provided to an X stage 13, a ball screw 7 threaded into the feeding nut 8, and an ultrasonic linear motor 37 for rotating the ball screw 7. It further includes a preliminary pressure generating means for generating a preliminary pressure between the nut 8 and a screw shaft 7a of the ball screw 7. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ガイドに移動可能係合したステージの位置決め装置に関し、更に詳しくは、走査型電子顕微鏡等の観察装置、荷電粒子ビームを利用した精密加工装置等に用いられるステージの位置決め装置に関する。   The present invention relates to a stage positioning apparatus that is movably engaged with a guide, and more particularly to a stage positioning apparatus used in an observation apparatus such as a scanning electron microscope, a precision processing apparatus using a charged particle beam, and the like.

図16は走査型電子顕微鏡の試料ステージを含む断面を示したものである。走査型電子顕微鏡1には、観察試料2を位置決めする試料ステージ3が設けられている。
試料ステージ3は、Z軸方向に直線移動するZステージ11と、Zステージ11に設けられ、Zステージ11に対してX軸を中心に回転するTステージ12と、Tステージ12に設けられ、Tステージ12に対してX軸方向に直線移動するXステージ13と、Xステージ13に設けられ、Xステージ13に対してY軸方向に直線移動するYステージ14と、Yステージ14に設けられ、Yステージ14に対してZ軸を中心に回転し、観察試料2が載置されるRステージ15とからなっている。
FIG. 16 shows a cross section including a sample stage of a scanning electron microscope. The scanning electron microscope 1 is provided with a sample stage 3 for positioning the observation sample 2.
The sample stage 3 is provided on the Z stage 11 that moves linearly in the Z-axis direction, the Z stage 11, the T stage 12 that rotates about the X axis with respect to the Z stage 11, and the T stage 12. An X stage 13 that linearly moves in the X-axis direction with respect to the stage 12, a Y stage 14 that is linearly moved in the Y-axis direction with respect to the X stage 13, and a Y stage 14 that is provided in the Y stage 14 It comprises an R stage 15 that rotates about the Z axis with respect to the stage 14 and on which the observation sample 2 is placed.

試料ステージ3は観察に用いられる電子ビームの減衰を防ぐために、真空に保たれた真空チャンバ9内に設けられる。
ここで、各ステージの位置決め装置の一例として、Xステージ13の位置決め装置を説明する。
The sample stage 3 is provided in a vacuum chamber 9 kept in vacuum in order to prevent attenuation of an electron beam used for observation.
Here, a positioning device for the X stage 13 will be described as an example of a positioning device for each stage.

Xステージ13は、Tステージ12上に設けられた図示しないガイドに係合し、X方向に移動可能となっている。更に、Tステージ12には、前記図示しないガイドに沿ってボールねじ7が配置されている。このボールねじ7のねじ軸7aの一端側は、一対のアンギュラベアリング10を用いて回転可能に支持されている。   The X stage 13 engages with a guide (not shown) provided on the T stage 12 and is movable in the X direction. Further, a ball screw 7 is arranged on the T stage 12 along the guide (not shown). One end side of the screw shaft 7 a of the ball screw 7 is rotatably supported using a pair of angular bearings 10.

Xステージ13には、ボールねじ7のねじ軸7aに螺合する送りナット(ナット部材)8が設けられている。
真空チャンバ9の外部(大気側)には、ステッピングモータ4が設けられている。このステッピングモータ4の出力軸4aは、図示しない磁性流体シールを用いて真空チャンバ9内に導入されている。
The X stage 13 is provided with a feed nut (nut member) 8 that is screwed onto the screw shaft 7 a of the ball screw 7.
A stepping motor 4 is provided outside the vacuum chamber 9 (atmosphere side). The output shaft 4a of the stepping motor 4 is introduced into the vacuum chamber 9 using a magnetic fluid seal (not shown).

そして、ステッピングモータ4の回転は、出力軸4aとボールねじ7のねじ軸7aの一方の端部側との間に設けられたユニバーサルジョイント5及び回転力のみを伝達し軸方向に伸縮可能なスライダ6を介してボールねじ7へ伝達される。   The rotation of the stepping motor 4 transmits only the universal joint 5 provided between the output shaft 4a and the one end side of the screw shaft 7a of the ball screw 7 and a slider capable of expanding and contracting in the axial direction. 6 is transmitted to the ball screw 7 via 6.

ステッピングモータ4を大気側に配置している理由は、ステッピングモータ4からの磁場,電磁波が、電子ビーム軌道に及ぼす影響を避けるためであり、また、ステッピングモータ4から発生する熱が両ステージ3に伝達され、熱膨張による位置ドリフトを防ぐためである。   The reason why the stepping motor 4 is arranged on the atmosphere side is to avoid the influence of the magnetic field and electromagnetic wave from the stepping motor 4 on the electron beam trajectory, and the heat generated from the stepping motor 4 is applied to both stages 3. This is to prevent positional drift due to thermal expansion.

上記構成の作動を説明する。ステッピングモータ4が回転駆動されると、スライダ6,ユニバーサルジョイント5を介してボールねじ7のねじ軸7aが回転する。送りナット8は回転が禁止されているので、Xステージ13は図示しないガイドに沿って直線移動する。   The operation of the above configuration will be described. When the stepping motor 4 is driven to rotate, the screw shaft 7 a of the ball screw 7 rotates through the slider 6 and the universal joint 5. Since the feed nut 8 is prohibited from rotating, the X stage 13 moves linearly along a guide (not shown).

しかし、ステッピングモータ4を回転させ、Xステージ13の位置決めを行なおうとしたとき、各部のガタによるバックラッシや、各部のたわみによるヒステリシスが発生する。特に、数10万倍程度以上の高倍率観察時には、これらの影響が大きく現れ、観察試料2の位置決めが困難となっている。   However, when the stepping motor 4 is rotated and the X stage 13 is positioned, backlash due to backlash of each part or hysteresis due to deflection of each part occurs. In particular, during high-magnification observation of several hundred thousand times or more, these effects appear greatly, and positioning of the observation sample 2 is difficult.

そこで、これらの駆動要素を排除し、図17に示すように、磁場,電磁波の発生が無い超音波リニアモータで、ステージを直接駆動することが提案されている。
図17は、X方向に直線移動する1軸の超音波リニアモータステージを上方から俯瞰した図である。
Accordingly, it has been proposed to directly drive the stage with an ultrasonic linear motor that eliminates these driving elements and does not generate magnetic fields and electromagnetic waves, as shown in FIG.
FIG. 17 is an overhead view of a single-axis ultrasonic linear motor stage that moves linearly in the X direction.

Xステージ21は直動ガイド22に係合し、X軸方向に移動可能となっている。Xステージ21上には、X軸方向に沿ってプレート23が設けられている。Xステージ21以外の箇所に、超音波モータ24が設けられ、この超音波モータ24の可動子24aがプレート23に押接している。尚、この超音波モータ24は、送り量が大きな共振型の超音波モータであり、送り量が小さな非共振モードでも可動可能である。   The X stage 21 is engaged with the linear guide 22 and is movable in the X axis direction. A plate 23 is provided on the X stage 21 along the X-axis direction. An ultrasonic motor 24 is provided at a place other than the X stage 21, and a movable element 24 a of the ultrasonic motor 24 is pressed against the plate 23. The ultrasonic motor 24 is a resonance type ultrasonic motor with a large feed amount, and is movable even in a non-resonant mode with a small feed amount.

超音波モータ24が駆動されると、可動子24aの動きによりXステージ21が直動ガイド22に沿ってX軸方向に移動し、非共振モードを用いることにより、nmオーダの位置決め精度が得られる(例えば、特許文献1参照)。
特開2004−31537号公報
When the ultrasonic motor 24 is driven, the X stage 21 is moved in the X-axis direction along the linear guide 22 by the movement of the movable element 24a, and the non-resonant mode is used, thereby obtaining positioning accuracy on the order of nm. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2004-31537 A

しかし、図17に示す構成のステージの位置決め装置において、超音波モータ24の共振モードでの送り量は100nm程度あり、電子顕微鏡の試料ステージとしては、位置決めが粗すぎる。そこで、非共振モード(圧電ひずみによる微少位置決めモード)に切り替えてnmオーダの位置決めを行なうが、非共振モードで連続してステージを移動できる範囲は狭いという問題点がある。   However, in the stage positioning apparatus having the configuration shown in FIG. 17, the feed amount in the resonance mode of the ultrasonic motor 24 is about 100 nm, and the positioning is too rough for the sample stage of the electron microscope. Therefore, switching to the non-resonant mode (fine positioning mode based on piezoelectric strain) is performed for positioning on the order of nm, but there is a problem that the range in which the stage can be continuously moved in the non-resonant mode is narrow.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その課題は、ステージの可動範囲の全域にわたってnmオーダの位置決めが可能なステージ移動装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a stage moving apparatus capable of positioning in the order of nm over the entire movable range of the stage.

上記課題を解決する請求項1に係る発明は、ガイドに移動可能係合したステージの位置決め装置において、前記ステージに設けられたナット部材と、該ナット部材に螺合するボールねじと、該ボールねじを回転駆動する超音波モータとでなることを特徴とするステージの位置決め装置である。   The invention according to claim 1, which solves the above problem, is a positioning device for a stage that is movably engaged with a guide, a nut member provided on the stage, a ball screw that is screwed to the nut member, and the ball screw It is a stage positioning apparatus characterized by comprising an ultrasonic motor that rotationally drives the motor.

請求項2に係る発明は、前記ナット部材と、前記ボールねじのねじ軸との間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けたことを特徴とする請求項1記載のステージの位置決め装置である。   The invention according to claim 2 is characterized in that a preload generating means is provided so that a preload is generated between the nut member and a screw shaft of the ball screw. It is.

請求項3に係る発明は、前記予圧発生手段は、前記ボールねじのねじ軸と前記ナット部材との間に配置されたオーバサイズボールであることを特徴とする請求項2記載のステージの位置決め装置である。   The stage positioning device according to claim 2, wherein the preload generating means is an oversized ball disposed between a screw shaft of the ball screw and the nut member. It is.

請求項4に係る発明は、前記ボールねじのねじ軸の支持は、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第1アンギュラベアリングと、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記第1アンギュラベアリングと同じ大きさで、前記第1アンギュラベアリングが負荷するスラスト荷重の方向と異なる方向のスラスト荷重を負荷し、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第2アンギュラベアリングとでなされ、更に、前記第1アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線と、前記第2アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線とが、前記ボールねじのねじ軸の回転軸上の点Oで交わるように前記第1アンギュラベアリングと前記第2アンギュラベアリングとが設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のステージの位置決め装置である。   In the invention according to claim 4, the support of the screw shaft of the ball screw is arranged on the side where the guide is provided, and a first angular bearing that rotatably supports one end side of the screw shaft; It is arranged on the side where the guide is provided, is loaded with a thrust load having the same size as the first angular bearing, and a direction different from the direction of the thrust load loaded by the first angular bearing, A second angular bearing that rotatably supports the end side, and a straight line connecting a contact point between the ball of the first angular bearing and the inner ring / outer ring; and a ball of the second angular bearing and the inner ring / outer ring The first angular bearing and the second angular bearer so that a straight line connecting the contact point with the first angular bearing intersects at a point O on the rotation axis of the screw shaft of the ball screw. Preparative a positioning device of a stage according to any one of claims 1 to 3, characterized in that is provided.

請求項5に係る発明は、前記超音波モータの回転駆動力は、前記ボールねじのねじ軸に対して、前記ねじ軸の回転軸と直交し、前記点Oを含む平面上で作用することを特徴とする請求項4記載のステージの位置決め装置である。   According to a fifth aspect of the present invention, the rotational driving force of the ultrasonic motor acts on a plane including the point O perpendicular to the rotational axis of the screw shaft with respect to the screw shaft of the ball screw. The stage positioning device according to claim 4, wherein the stage positioning device is provided.

請求項6に係る発明は、前記ガイドは、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられた第1ガイドと、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられ、前記第1ガイドと平行に設けられた第2ガイドとからなり、前記ボールねじのねじ軸は、第1ガイドと第2ガイドとの中間位置に配置されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のステージの位置決め装置である。   According to a sixth aspect of the present invention, the guide is provided on a plane parallel to the plane of movement of the stage, a first guide provided on a plane parallel to the plane of movement of the stage, and the first guide 6. The ball screw according to claim 1, further comprising a second guide provided in parallel, wherein the screw shaft of the ball screw is disposed at an intermediate position between the first guide and the second guide. This is a stage positioning apparatus.

請求項7に係る発明は、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記ステージの位置制御をPID制御で行なうPID制御制御手段と、該PID制御手段の位置制御信号に応じて前記超音波モータを駆動するドライバと、前記PID制御手段と前記ドライバとの間に設けられたハイパスフィルタと、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記PID制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給し、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、前記ハイパスフィルタを通さずに前記PID制御手段の制御量を前記ドライバに供給するスイッチ手段と、を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のステージの位置決め装置である。   The invention according to claim 7 is a position detection means for detecting the position of the stage, a PID control control means for performing position control of the stage by PID control, and the ultrasonic wave according to a position control signal of the PID control means. A deviation amount between a driver for driving a motor, a high-pass filter provided between the PID control means and the driver, a set target position of the stage and the position of the stage detected by the detection means is an allowable deviation. When the amount falls within the range, the control amount of the PID control means is supplied to the driver via the high-pass filter, and the deviation between the set target position of the stage and the position of the stage detected by the detection means Switch means for supplying the control amount of the PID control means to the driver without passing through the high-pass filter when the amount is greater than or equal to the allowable deviation amount A positioning device of a stage according to any one of claims 1 to 6, wherein a.

請求項1−5に係る発明によれば、前記ステージに設けられたナット部材と、該ナット部材に螺合するボールねじと、該ボールねじを回転駆動する超音波モータとでなることにより、ボールねじ,ナット部材のねじピッチを適宜設定することにより、超音波モータの共振モードでも、ステージの可動範囲の全域にわたってnmオーダの位置決めが可能となる。   According to the first to fifth aspects of the present invention, the ball comprises: a nut member provided on the stage; a ball screw screwed to the nut member; and an ultrasonic motor that rotationally drives the ball screw. By appropriately setting the screw pitches of the screws and nut members, it is possible to position in the order of nm over the entire movable range of the stage even in the resonance mode of the ultrasonic motor.

また、せん断剛性が低い超音波モータの可動子がダイレクトにステージに当接しないので、ステージ剛性が高くなり、環境外乱(例えば、床の振動)があっても、観察像に支障が無い。   Further, since the mover of the ultrasonic motor having low shear rigidity does not directly contact the stage, the stage rigidity is increased, and even if there is an environmental disturbance (for example, floor vibration), there is no problem in the observation image.

請求項2,3に係る発明によれば、前記ナット部材と、前記ボールねじのねじ軸との間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けたことにより、バックラッシがなくなり、高精度な位置決めができる。   According to the second and third aspects of the invention, by providing the preload generating means so as to generate a preload between the nut member and the screw shaft of the ball screw, backlash is eliminated and high accuracy is achieved. Positioning is possible.

請求項4に係る発明によれば、前記ボールねじのねじ軸の支持は、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第1アンギュラベアリングと、前記ガイドが設けられた側に配置され、前記第1アンギュラベアリングが負荷するスラスト荷重の方向と異なる方向のスラスト荷重を負荷し、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第2アンギュラベアリングとでなされ、更に、前記第1アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線と、前記第2アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線とが、前記ボールねじのねじ軸の回転軸上の点Oで交わるように前記第1アンギュラベアリングと前記第2アンギュラベアリングとが設けられていることにより、点O周りに対しては、第1アンギュラベアリング,第2アンギュラベアリングのモーメント剛性は最も低くなるため、ボールねじのねじ軸はその送り方向に対し微小な角度内では、前記ねじ軸の中心軸と直交する平面内に対して軽い力で動くことができる。すなわち、第1アンギュラベアリング、第2アンギュラベアリングは、微小範囲において、点Oを中心とする仮想的な球面軸受けとなっている。よって、ボールねじのねじ軸が加工精度や組み立て精度などにより、多少の振れ周りを生じた場合や、ボールねじのねじ軸とガイドとの平行度とがあまり良くない場合でも、ナット部材やステージに及ぼすねじ軸の中心軸と直交する軸方向の力を小さく抑えることができ、ステージには移動方向以外の力がほとんど作用しない。   According to the invention of claim 4, the support of the screw shaft of the ball screw is disposed on the side where the guide is provided, and the first angular bearing that rotatably supports one end side of the screw shaft. A thrust load in a direction different from a thrust load applied by the first angular bearing, and rotatably supports one end side of the screw shaft. A straight line connecting the contact point between the ball of the first angular bearing and the inner ring / outer ring and a straight line connecting the contact point of the ball of the second angular bearing with the inner ring / outer ring. The first angular bearing and the second angular bearing are provided so as to intersect at a point O on the rotation axis of the screw shaft of the ball screw. Since the moment rigidity of the first angular bearing and the second angular bearing is the lowest, the screw shaft of the ball screw is a plane perpendicular to the central axis of the screw shaft within a minute angle with respect to the feed direction. It can move with a light force against the inside. That is, the first angular bearing and the second angular bearing are virtual spherical bearings centered on the point O in a minute range. Therefore, even if the ball screw screw shaft is slightly swung around due to processing accuracy or assembly accuracy, or when the parallelism between the ball screw screw shaft and the guide is not very good, the nut member or stage The axial force perpendicular to the central axis of the screw shaft exerted can be kept small, and almost no force other than the moving direction acts on the stage.

請求項5に係る発明によれば、前記超音波モータの回転駆動力は、前記ボールねじのねじ軸に対して、前記ねじ軸の回転軸と直交し、前記点Oを含む平面上で作用することにより、すなわち、ねじ軸に作用する駆動力が、球面軸受けの回転中心を通る平面上に位置することにより、ねじ軸に曲げモーメントが発生せず、スムーズなステージの移動が得られる。   According to the fifth aspect of the invention, the rotational driving force of the ultrasonic motor acts on the screw shaft of the ball screw on a plane that is orthogonal to the rotational axis of the screw shaft and includes the point O. Thus, that is, the driving force acting on the screw shaft is positioned on a plane passing through the rotation center of the spherical bearing, so that no bending moment is generated on the screw shaft, and the stage can be moved smoothly.

請求項6に係る発明によれば、前記ガイドは、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられた第1ガイドと、前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられ、前記第1ガイドと平行に設けられた第2ガイドとからなり、前記ボールねじのねじ軸は、第1ガイドと第2ガイドとの中間位置に配置されることにより、ステージが移動している時に、第1ガイド、第2ガイドで発生する摩擦によるモーメントがバランスする。このため、ステージ駆動方向を逆転したときでも、モーメントのアンバランスによりステージがステージ移動平面内で回転することを防止できる。   According to the invention of claim 6, the guide is provided on a plane parallel to the moving plane of the stage, the first guide provided on a plane parallel to the moving plane of the stage, and the first The ball screw includes a second guide provided in parallel with the guide, and the screw shaft of the ball screw is disposed at an intermediate position between the first guide and the second guide so that the first is moved when the stage is moving. The moment due to friction generated in the guide and the second guide is balanced. For this reason, even when the stage driving direction is reversed, it is possible to prevent the stage from rotating in the stage moving plane due to the moment imbalance.

請求項7に係る発明によれば、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記ステージの位置制御をPID制御で行なうPID制御制御手段と、該PID制御手段の位置制御信号に応じて前記超音波モータを駆動するドライバと、前記PID制御手段と前記ドライバとの間に設けられたハイパスフィルタと、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記PID制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給し、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、前記ハイパスフィルタを通さずに前記PID制御手段の制御量を前記ドライバに供給するスイッチ手段とを有する。残留偏差を少なくするために積分動作(I動作)を組み合わせると、摩擦によって発生するスティックスリップによるリミットサイクル(ハンチング)が避けられない。リミットサイクルは比較的周期が長いので、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記PID制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給することで、リミットサイクルを防止できる。   According to the invention of claim 7, position detection means for detecting the position of the stage, PID control control means for performing position control of the stage by PID control, and the position control signal according to the position control signal of the PID control means A deviation amount between a driver for driving an ultrasonic motor, a high-pass filter provided between the PID control means and the driver, a set target position of the stage and the position of the stage detected by the detection means When the deviation is within the allowable deviation amount, the control amount of the PID control means is supplied to the driver via the high-pass filter, and the set target position of the stage and the position of the stage detected by the detection means If the deviation amount of the PID is greater than the allowable deviation amount, the switch for supplying the control amount of the PID control means to the driver without passing through the high-pass filter. And a means. If an integration operation (I operation) is combined to reduce the residual deviation, a limit cycle (hunting) due to stick-slip generated by friction cannot be avoided. Since the limit cycle has a relatively long period, when the deviation amount between the set target position of the stage and the position of the stage detected by the detection means is within the allowable deviation amount, the control of the PID control means is performed. By supplying quantity to the driver via the high pass filter, limit cycles can be prevented.

又、位置決め後の超音波モータの制御量は、指数関数的に減衰して0となり、超音波モータは停止する。従って、超音波モータの稼働に起因するステージの振動が無くなり、超音波モータの発熱も抑えることができる。   Further, the control amount of the ultrasonic motor after positioning is attenuated exponentially to 0, and the ultrasonic motor stops. Therefore, the vibration of the stage due to the operation of the ultrasonic motor is eliminated, and the heat generation of the ultrasonic motor can be suppressed.

<第1形態例>
図1−図3を用いて、ステージ位置決め装置の第1形態例を説明する。図1は第1形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図、図2は図1の上面図、図3は図1のアンギュラベアリング対部分の拡大図である。本形態例は、図16に示す走査型電子顕微鏡の試料ステージに適用したものであり、図1−図3において、図16と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。又、本形態例のステージ位置決め装置は、Zステージ11、XステージX13、Yステージ14に適用され、その構成は同じである。よって、Xステージ13のステージ位置決め装置で説明を行ない、他のステージの説明は省略する。
<First embodiment>
A first embodiment of the stage positioning device will be described with reference to FIGS. 1 is a cross-sectional view of a sample stage of a scanning electron microscope to which the first embodiment is applied, FIG. 2 is a top view of FIG. 1, and FIG. 3 is an enlarged view of a pair of angular bearings in FIG. The present embodiment is applied to the sample stage of the scanning electron microscope shown in FIG. 16. In FIGS. 1 to 3, the same parts as those in FIG. The stage positioning apparatus of this embodiment is applied to the Z stage 11, the X stage X13, and the Y stage 14, and the configuration is the same. Therefore, description will be made with the stage positioning device of the X stage 13, and description of other stages will be omitted.

図1に示すように、Xステージ13は、Tステージ12上に設けられた図示しないガイドに係合し、X方向に移動可能となっている。更に、Tステージ12には、前記図示しないガイドに沿ってボールねじ7が配置されている。このボールねじ7のねじ軸7aの一端側は、Tステージ12上に設けられ、第1アンギュラベアリング31、第2アンギュラベアリング33とからなる一対のアンギュラベアリングを用いて回転可能に支持されている。   As shown in FIG. 1, the X stage 13 engages with a guide (not shown) provided on the T stage 12 and is movable in the X direction. Further, a ball screw 7 is arranged on the T stage 12 along the guide (not shown). One end side of the screw shaft 7 a of the ball screw 7 is provided on the T stage 12, and is rotatably supported using a pair of angular bearings including a first angular bearing 31 and a second angular bearing 33.

図3に示すように、第2アンギュラベアリング33は、第1アンギュラベアリングと同じ大きさのベアリングであり、第1アンギュラベアリング31が負荷するスラスト荷重の方向(図3において左方向)と異なる方向(図において右方向)のスラスト荷重を負荷するように設けられている。   As shown in FIG. 3, the second angular bearing 33 is a bearing having the same size as the first angular bearing, and a direction (a left direction in FIG. 3) different from the direction of the thrust load applied by the first angular bearing 31 ( It is provided so as to apply a thrust load in the right direction in the figure.

更に、第1アンギュラベアリング31の玉31aと内輪31b・外輪31cとの接触点を結ぶ直線L1と、第2アンギュラベアリング33の玉33aと内輪33b・外輪33cとの接触点を結ぶ直線L2とが、ボールねじ7のねじ軸7aの回転軸上の点Oで交わるように第1アンギュラベアリング31と第2アンギュラベアリング33とが設けられている。   Furthermore, a straight line L1 connecting the contact points of the balls 31a of the first angular bearing 31 with the inner ring 31b / outer ring 31c, and a straight line L2 connecting the contact points of the balls 33a of the second angular bearing 33 with the inner ring 33b / outer ring 33c are formed. A first angular bearing 31 and a second angular bearing 33 are provided so as to intersect at a point O on the rotation axis of the screw shaft 7 a of the ball screw 7.

又、ボールねじ7のねじ軸7a上で、第1アンギュラベアリング31と第2アンギュラベアリング33との中間位置には、プーリ35が固着されている。
Tステージ12には、プーリ35の周面に当接する可動子39を有し、プーリ35を回転駆動する超音波モータ、本形態例では共振型の超音波リニアモータ37が設けられている。従って、超音波リニアモータ37の回転駆動力は、ボールねじ7のねじ軸7aに対して、ねじ軸7aの回転軸と直交し、点Oを含む平面上で作用するようにしている。
Further, a pulley 35 is fixed to an intermediate position between the first angular bearing 31 and the second angular bearing 33 on the screw shaft 7 a of the ball screw 7.
The T stage 12 has a movable element 39 that contacts the peripheral surface of the pulley 35, and is provided with an ultrasonic motor that rotationally drives the pulley 35, in this embodiment, a resonance type ultrasonic linear motor 37. Accordingly, the rotational driving force of the ultrasonic linear motor 37 acts on the screw shaft 7a of the ball screw 7 on a plane that is orthogonal to the rotation shaft of the screw shaft 7a and includes the point O.

Xステージ13には、ボールねじ7のねじ軸7aに螺合する送りナット(ナット部材)8が設けられている。
そして、送りナット8と、ボールねじ7のねじ棒7aとの間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けている。本形態例の予圧発生手段は、ボールねじ7のねじ軸7aと送りナット8との間に配置されたボールを若干大きめの径のボール(オーバサイズボール)として予圧が発生するようにした。尚、その他の予圧発生手段としては、送りナットを二体化してその間で予圧を構成、Xステージ13をボールねじ7のねじ軸7aの軸方向に付勢する構成がある。
The X stage 13 is provided with a feed nut (nut member) 8 that is screwed onto the screw shaft 7 a of the ball screw 7.
A preload generating means is provided so that a preload is generated between the feed nut 8 and the threaded rod 7a of the ball screw 7. The preload generating means of this embodiment is configured so that the preload is generated by using a ball disposed between the screw shaft 7a of the ball screw 7 and the feed nut 8 as a slightly larger diameter ball (oversize ball). As other preload generating means, there is a structure in which two feed nuts are formed and preload is formed therebetween, and the X stage 13 is urged in the axial direction of the screw shaft 7 a of the ball screw 7.

又、図2において、Tステージ12のXステージ13の移動平面と平行な面には、Xステージ13をX軸方向に案内する第1ガイド41と、第1ガイド41と平行に設けられた第2ガイド42とが設けられている。   In FIG. 2, a first guide 41 for guiding the X stage 13 in the X-axis direction and a first guide 41 provided in parallel to the first guide 41 are provided on a plane parallel to the movement plane of the X stage 13 of the T stage 12. 2 guides 42 are provided.

そして、ボールねじ7のねじ軸7aは、第1ガイド41と第2ガイド42との中間位置に配置されている。
又、図2おいて、43は、Xステージ13上に設けられ、Yステージ14をY軸方向に案内するガイドである。
The screw shaft 7 a of the ball screw 7 is disposed at an intermediate position between the first guide 41 and the second guide 42.
In FIG. 2, reference numeral 43 denotes a guide provided on the X stage 13 for guiding the Y stage 14 in the Y-axis direction.

次に、Xステージ13の位置制御を行なう電気的構成を図4を用いて説明する。図4はXステージの位置制御を行なう電気的構成を示すブロック図である。
図4において、超音波リニアモータ37で駆動されるXステージ13の位置はロータリエンコーダ(位置検出手段)51で検出される。尚、位置検出手段としてはリニアエンコーダでもよい。
Next, an electrical configuration for controlling the position of the X stage 13 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a block diagram showing an electrical configuration for controlling the position of the X stage.
In FIG. 4, the position of the X stage 13 driven by the ultrasonic linear motor 37 is detected by a rotary encoder (position detection means) 51. The position detecting means may be a linear encoder.

ロータリエンコーダ51で検出されたXステージ13の位置と設定目標値とは差分器52に入力される。差分器52から出力される偏差はPID制御手段53に入力される。
PID制御手段53は、偏差から比例演算を行なう比例演算手段55と、偏差から積分演算を行なう積分演算手段57と、偏差から微分演算を行なう微分演算手段59とからなっている。
The position of the X stage 13 detected by the rotary encoder 51 and the set target value are input to the differentiator 52. The deviation output from the differentiator 52 is input to the PID control means 53.
The PID control unit 53 includes a proportional calculation unit 55 that performs a proportional calculation from a deviation, an integration calculation unit 57 that performs an integral calculation from the deviation, and a differential calculation unit 59 that performs a differential calculation from the deviation.

比例演算手段55は、偏差から比例ゲインKpを乗じた信号を出力するアンプ55bを有している。
積分演算手段57は、偏差から積分演算を行なう積分器57aと、積分器57aの演算値に積分ゲインKiを乗じた信号を出力するアンプ57bとを有している。
The proportional calculation means 55 has an amplifier 55b that outputs a signal obtained by multiplying the deviation by a proportional gain Kp.
The integration calculation means 57 includes an integrator 57a that performs an integration calculation from the deviation, and an amplifier 57b that outputs a signal obtained by multiplying the calculation value of the integrator 57a by an integration gain Ki.

微分演算手段59は、偏差から微分演算を行なう微分器59aと、微分器59aの演算値に微分ゲインKdを乗じた信号を出力するアンプ59bとを有している。
比例演算手段55からの信号と、積分演算手段57からの信号と、微分演算手段59からの信号は、加算器61で加算され、超音波リニアモータ37の位置制御信号となる。
The differential operation means 59 includes a differentiator 59a that performs a differential operation from the deviation, and an amplifier 59b that outputs a signal obtained by multiplying the operation value of the differentiator 59a by a differential gain Kd.
The signal from the proportional calculation means 55, the signal from the integration calculation means 57, and the signal from the differentiation calculation means 59 are added by an adder 61 to become a position control signal for the ultrasonic linear motor 37.

63は、PID制御手段53の位置制御信号に応じて超音波リニアモータ37を駆動するドライバである。
PID制御手段53とドライバ63との間は、ハイパスフィルタ65が設けられている。
A driver 63 drives the ultrasonic linear motor 37 in accordance with a position control signal from the PID control means 53.
A high pass filter 65 is provided between the PID control means 53 and the driver 63.

67は、Xステージ13の設定目標位置とロータリエンコーダ51で検出されたXステージ13の位置との偏差量が許容偏差量になった場合には、PID制御手段の53制御量をハイパスフィルタ65を介してドライバ63に供給し、Xステージ13の設定目標位置とロータリエンコーダ51で検出されたXステージ13の位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、ハイパスフィルタ65を通さずにPID制御手段53の制御量をドライバ63に供給するスイッチ手段である。   67, when the deviation amount between the set target position of the X stage 13 and the position of the X stage 13 detected by the rotary encoder 51 becomes an allowable deviation amount, the high-pass filter 65 is used to set the 53 control amount of the PID control means. When the deviation amount between the set target position of the X stage 13 and the position of the X stage 13 detected by the rotary encoder 51 is equal to or larger than the allowable deviation amount, the PID is not passed through the high pass filter 65. The switch means supplies the control amount of the control means 53 to the driver 63.

スイッチ手段67は、差分器53からの差分を取り込んで、Xステージ13の設定目標位置とロータリエンコーダ51で検出されたXステージ13の位置との偏差量が許容偏差量になったかどうかを判断する許容偏差量判断器69と、許容偏差量判断器69の判断に応じて作動するスイッチ71とからなっている。   The switch means 67 takes in the difference from the differentiator 53 and determines whether or not the deviation amount between the set target position of the X stage 13 and the position of the X stage 13 detected by the rotary encoder 51 has become an allowable deviation amount. It consists of an allowable deviation amount determination unit 69 and a switch 71 that operates in accordance with the determination of the allowable deviation amount determination unit 69.

上記構成の作動を説明する。超音波リニアモータ37が駆動されると、プーリ35を介してボールねじ7のねじ軸7aが回転する。送りナット8は回転が禁止されているので、Xステージ13は第1ガイド41、第2ガイド42に沿って直線移動する。   The operation of the above configuration will be described. When the ultrasonic linear motor 37 is driven, the screw shaft 7 a of the ball screw 7 rotates via the pulley 35. Since the feed nut 8 is prohibited from rotating, the X stage 13 moves linearly along the first guide 41 and the second guide 42.

上記構成によれば、下記のような効果が得られる。
(1) Xステージ13に設けられた送りナット(ナット部材)8と、送りナット8に螺合するボールねじ7と、該ボールねじ8を回転駆動する超音波リニアモータ37とでなることにより、ボールねじ7のねじ棒7a,送りナット8のねじピッチを適宜設定することにより、超音波リニアモータ37の共振モードでも、Xステージ13の可動範囲の全域にわたってnmオーダの位置決めが可能となる。
According to the above configuration, the following effects can be obtained.
(1) By comprising a feed nut (nut member) 8 provided on the X stage 13, a ball screw 7 screwed into the feed nut 8, and an ultrasonic linear motor 37 that rotationally drives the ball screw 8. By appropriately setting the screw pitch of the screw rod 7a of the ball screw 7 and the feed nut 8, even in the resonance mode of the ultrasonic linear motor 37, positioning in the order of nm can be performed over the entire movable range of the X stage 13.

また、せん断剛性が低い超音波リニアモータ37の可動子39がダイレクトにXステージ13に当接しないので、Xステージ13の剛性が高くなり、環境外乱(例えば、床の振動)があっても、観察像に支障が無い。   Further, since the mover 39 of the ultrasonic linear motor 37 having low shear rigidity does not directly contact the X stage 13, the rigidity of the X stage 13 is increased, and even if there is an environmental disturbance (for example, floor vibration), There is no problem in the observed image.

本形態例の場合、ボールねじ7のねじ棒7aのリードが1mm、プーリ35の外径を14mmとした時、これらの減速比、即ち、リード1mmをプーリ35の外周π×14mmで除した値:約1/44の逆数、つまり約44倍だけ、X軸方向のばね定数は高くなる。   In the case of this embodiment, when the lead of the screw rod 7a of the ball screw 7 is 1 mm and the outer diameter of the pulley 35 is 14 mm, the reduction ratio thereof, that is, the value obtained by dividing the lead 1 mm by the outer circumference π × 14 mm of the pulley 35. : The spring constant in the X-axis direction increases by an inverse of about 1/44, that is, about 44 times.

(2) 送りナット8と、ボールねじ7のねじ軸7aとの間に予圧が発生するように、予圧発生手段(本形態例では、ボールねじ7のねじ軸7aと送りナット8との間に配置されたボールを若干大きめの径のボール(オーバサイズボール)として予圧が発生するようにした手段)を設けたことにより、バックラッシがなくなり、高精度な位置決めができる。  (2) Preload generating means (in this embodiment, between the screw shaft 7a of the ball screw 7 and the feed nut 8 so that a preload is generated between the feed nut 8 and the screw shaft 7a of the ball screw 7. By providing a ball having a slightly larger diameter as a ball (oversize ball) that is arranged so that a preload is generated, backlash is eliminated and highly accurate positioning is possible.

(3) 第2アンギュラベアリング33は、第1アンギュラベアリング31と同じ大きさのベアリングであり、第1アンギュラベアリング31が負荷するスラスト荷重の方向(図3において左方向)と異なる方向(図において右方向)のスラスト荷重を負荷するように設けられている。  (3) The second angular bearing 33 is a bearing having the same size as the first angular bearing 31 and has a direction different from the direction of the thrust load (left direction in FIG. 3) applied to the first angular bearing 31 (right in the figure). Direction).

更に、第1アンギュラベアリング31の玉31aと内輪31b・外輪31cとの接触点を結ぶ直線L1と、第2アンギュラベアリング33の玉33aと内輪33b・外輪33cとの接触点を結ぶ直線L2とが、ボールねじ7のねじ軸7aの回転軸上の点Oで交わるように第1アンギュラベアリング31と第2アンギュラベアリング33とが設けられている。   Furthermore, a straight line L1 connecting the contact points of the balls 31a of the first angular bearing 31 with the inner ring 31b / outer ring 31c, and a straight line L2 connecting the contact points of the balls 33a of the second angular bearing 33 with the inner ring 33b / outer ring 33c are formed. A first angular bearing 31 and a second angular bearing 33 are provided so as to intersect at a point O on the rotation axis of the screw shaft 7 a of the ball screw 7.

このため、点O周りに対しては、第1アンギュラベアリング31,第2アンギュラベアリング33のモーメント剛性は最も低くなるため、ボールねじ7のねじ軸7aはその送り方向に対し微小な角度内では、ねじ軸7aの中心軸と直交する平面内に対して軽い力で動くことができる。すなわち、第1アンギュラベアリング31、第2アンギュラベアリング33は、微小範囲において、点Oを中心とする仮想的な球面軸受けとなっている。よって、ボールねじ7のねじ軸7aが加工精度や組み立て精度などにより、多少の振れ周りを生じた場合や、ボールねじ7のねじ軸7aと第1ガイド41、第2ガイド42との平行度とがあまり良くない場合でも、送りナット8やXステージ13に及ぼすねじ軸7aの中心軸と直交する軸方向の力を小さく抑えることができ、Xステージ13には移動方向以外の力がほとんど作用しない。   For this reason, the moment rigidity of the first angular bearing 31 and the second angular bearing 33 is the lowest around the point O. Therefore, the screw shaft 7a of the ball screw 7 is within a minute angle with respect to the feed direction. It can move with a light force with respect to a plane perpendicular to the central axis of the screw shaft 7a. That is, the first angular bearing 31 and the second angular bearing 33 are virtual spherical bearings centered on the point O in a minute range. Therefore, when the screw shaft 7a of the ball screw 7 is slightly swung around due to processing accuracy or assembly accuracy, or the parallelism between the screw shaft 7a of the ball screw 7 and the first guide 41 and the second guide 42. Even if the condition is not so good, the force in the axial direction perpendicular to the central axis of the screw shaft 7a exerted on the feed nut 8 and the X stage 13 can be kept small, and almost no force other than the moving direction acts on the X stage 13. .

(4) 超音波リニアモータ37の回転駆動力は、ボールねじ7のねじ軸7aに対して、ねじ軸7aの回転軸と直交し、点Oを含む平面上で作用するようにしている。
すなわち、ねじ軸7aに作用する駆動力が、第1アンギュラベアリング31,第2アンギュラベアリング33で構成される球面軸受けの回転中心を通る平面上に位置することにより、ねじ軸7aに曲げモーメントが発生せず、スムーズなステージの移動が得られる。
(4) The rotational driving force of the ultrasonic linear motor 37 acts on the screw shaft 7a of the ball screw 7 on a plane that is orthogonal to the rotation shaft of the screw shaft 7a and includes the point O.
That is, when the driving force acting on the screw shaft 7a is located on a plane passing through the rotation center of the spherical bearing constituted by the first angular bearing 31 and the second angular bearing 33, a bending moment is generated in the screw shaft 7a. Smooth stage movement can be obtained.

(5) ボールねじ7のねじ軸7aは、第1ガイド41と第2ガイド42との中間位置に配置されている。よって、Xステージ13が移動している時に、第1ガイド41、第2ガイド42で発生する摩擦によるモーメントがバランスする。このため、ステージ駆動方向を逆転したときでも、モーメントのアンバランスによりXステージ13がステージ移動平面内で回転することを防止できる。  (5) The screw shaft 7 a of the ball screw 7 is disposed at an intermediate position between the first guide 41 and the second guide 42. Therefore, when the X stage 13 is moving, the moment caused by the friction generated in the first guide 41 and the second guide 42 is balanced. For this reason, even when the stage drive direction is reversed, it is possible to prevent the X stage 13 from rotating in the stage moving plane due to the moment imbalance.

(6) Xステージ13の位置を検出するロータリエンコーダ51と、Xステージ13の位置制御をPID制御で行なうPID制御制御手段と、PID制御手段53の位置制御信号に応じて超音波リニアモータ37を駆動するドライバ63と、PID制御手段53とドライバ63との間に設けられたハイパスフィルタ65と、Xステージ13の設定目標位置とロータリエンコーダ51で検出されたXステージ13の位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、PID制御手段53の制御量をハイパスフィルタ65を介してドライバ63に供給し、Xステージ13の設定目標位置とロータリエンコーダ51で検出されたXステージ13の位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、ハイパスフィルタ65を通さずにPID制御手段53の制御量をドライバ63に供給するスイッチ手段67とを有する。  (6) A rotary encoder 51 for detecting the position of the X stage 13, a PID control control means for controlling the position of the X stage 13 by PID control, and an ultrasonic linear motor 37 according to the position control signal of the PID control means 53. The deviation amount between the driver 63 to be driven, the high-pass filter 65 provided between the PID control means 53 and the driver 63, the set target position of the X stage 13 and the position of the X stage 13 detected by the rotary encoder 51 is When the deviation is within the allowable deviation amount, the control amount of the PID control means 53 is supplied to the driver 63 via the high-pass filter 65, and the set target position of the X stage 13 and the X stage 13 detected by the rotary encoder 51 are supplied. If the deviation from the position is greater than or equal to the allowable deviation, the control of the PID control means 53 without passing through the high-pass filter 65 And switch means 67 for supplying the amount to the driver 63.

残留偏差を少なくするために積分動作(I動作)を組み合わせると、摩擦によって発生するスティックスリップによるリミットサイクル(ハンチング)が避けられない。リミットサイクルは比較的周期が長いので、Xステージ13の設定目標位置とロータリエンコーダ51で検出されたXステージ13の位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、PID制御手段53の制御量をハイパスフィルタ65を介してドライバ63に供給することで、リミットサイクルを防止できる。   If an integration operation (I operation) is combined to reduce the residual deviation, a limit cycle (hunting) due to stick-slip generated by friction cannot be avoided. Since the limit cycle has a relatively long cycle, when the deviation amount between the set target position of the X stage 13 and the position of the X stage 13 detected by the rotary encoder 51 is within the allowable deviation amount, the PID control means 53 By supplying this control amount to the driver 63 via the high-pass filter 65, the limit cycle can be prevented.

又、位置決め後の超音波リニアモータ37の制御量は、指数関数的に減衰して0となり、超音波リニアモータ37は停止する。従って、超音波リニアモータ37の稼働に起因するXステージ13の振動が無くなり、超音波リニアモータ37の発熱も抑えることができる。
<第2形態例>
図5を用いて説明する。図5は第2形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である。尚、本形態例と第1形態例との相違点は超音波モータであり、他の部分は同一であるので、図1と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
Further, the control amount of the ultrasonic linear motor 37 after positioning is attenuated exponentially to 0, and the ultrasonic linear motor 37 stops. Therefore, the vibration of the X stage 13 due to the operation of the ultrasonic linear motor 37 is eliminated, and the heat generation of the ultrasonic linear motor 37 can be suppressed.
<Second embodiment>
This will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a sectional view of a sample stage of a scanning electron microscope to which the second embodiment is applied. The difference between this embodiment and the first embodiment is the ultrasonic motor, and the other parts are the same. Therefore, the same parts as those in FIG.

本形態例の超音波モータは、回転型超音波モータ101を用い、回転型超音波モータ101の出力軸101aとボールねじ7のねじ棒7aとをバックラッシュレスのカップリング103を用いて接続している。   The ultrasonic motor of the present embodiment uses a rotary ultrasonic motor 101, and connects the output shaft 101a of the rotary ultrasonic motor 101 and the screw rod 7a of the ball screw 7 using a backlashless coupling 103. ing.

本形態例においては、送り方向(X軸方向)の送り剛性は第1形態例と同様に高いものとなり、又、電磁モータを用いた場合と異なり、磁場や電磁波の影響を避けられる。
第1形態例の超音波リニアモータ37の場合は、その可動子39はプーリ35に対して比較的強いばね力で押接している。よって、第1アンギュラベアリング31、第2アンギュラベアリング33の転がり抵抗が大きくなる。
In the present embodiment, the feed rigidity in the feed direction (X-axis direction) is high as in the first embodiment, and unlike the case of using an electromagnetic motor, the influence of a magnetic field and electromagnetic waves can be avoided.
In the case of the ultrasonic linear motor 37 of the first embodiment, the mover 39 is pressed against the pulley 35 with a relatively strong spring force. Therefore, the rolling resistance of the first angular bearing 31 and the second angular bearing 33 is increased.

一方、本形態例の回転型超音波モータ101とねじ軸7aとの接続構造では、第1アンギュラベアリング31、第2アンギュラベアリング33の転がり抵抗は大きくならず、より軽いトルクでXステージ13は移動する。
<第3形態例>
図6、図7を用いて説明する。図6は第3形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの部分断面図、図7は図6の切断線A−Aでの断面図である。尚、本形態例と第1形態例との相違点は超音波モータであり、他の部分は同一であるので、図1と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
On the other hand, in the connection structure between the rotary ultrasonic motor 101 and the screw shaft 7a of this embodiment, the rolling resistance of the first angular bearing 31 and the second angular bearing 33 does not increase, and the X stage 13 moves with a lighter torque. To do.
<Third embodiment>
This will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a sample stage of a scanning electron microscope to which the third embodiment is applied, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along a cutting line AA in FIG. The difference between this embodiment and the first embodiment is the ultrasonic motor, and the other parts are the same. Therefore, the same parts as those in FIG.

これらの図において、プーリ35とTステージ12との間には、超音波モータとして、駆動周波数が数10kHzの超音波リニアモータや回転型超音波モータでなく、駆動周波数が数10MHzで、圧電素子の表面に振幅数10nmの進行波を作り出し、これにより駆動を行なう弾性表面波モータ201が配設される。   In these drawings, between the pulley 35 and the T stage 12, an ultrasonic motor is not an ultrasonic linear motor or a rotary ultrasonic motor with a driving frequency of several tens of kHz. A surface acoustic wave motor 201 that generates a traveling wave having an amplitude of several 10 nm on the surface of the surface and drives by this is disposed.

弾性表面波モータ201は基端部がTステージ12に取り付けられる支持部材203に設けられる。支持部材203の基部には、厚みが薄くなったヒンジ部203aが形成されている。このため、ヒンジ部203aが弾性変形することにより、支持部材203の先端側は、ヒンジ部203aを中心に図7において矢印B方向に回転可能となっている。   The surface acoustic wave motor 201 is provided on a support member 203 whose base end is attached to the T stage 12. A hinge portion 203 a having a reduced thickness is formed at the base portion of the support member 203. For this reason, when the hinge part 203a is elastically deformed, the front end side of the support member 203 is rotatable in the direction of arrow B in FIG. 7 around the hinge part 203a.

又、Tステージ12には、支持部材203側に開口を有する有底穴205が形成されている。この穴205内には、開口側から、鋼球207、スプリング209が配設され、鋼球207はスプリング209の付勢力により、支持部材203を介して弾性表面波モータ201をプーリ35の上側周面に押しつけている。   The T stage 12 has a bottomed hole 205 having an opening on the support member 203 side. A steel ball 207 and a spring 209 are disposed in the hole 205 from the opening side. The steel ball 207 causes the surface acoustic wave motor 201 to be connected to the upper periphery of the pulley 35 via the support member 203 by the biasing force of the spring 209. Pressed against the surface.

このような構成によれば、弾性表面波モータ201は、振幅は小さいが周波数が高いので、数m/secという高速での駆動と、より微少な最小ステップ送りを得ることができる。従ってより高速で、精密な位置決めが可能である。   According to such a configuration, the surface acoustic wave motor 201 has a small amplitude but a high frequency. Therefore, the surface acoustic wave motor 201 can be driven at a high speed of several m / sec and a smaller minimum step feed. Therefore, high-speed and precise positioning is possible.

ステップ駆動には、図8に示すように、正弦波211に矩形状のゲート213をかけた正弦波のバースト信号215を用いる。
弾性表面波モータ201の振幅はきわめて小さいため、プーリ35との接触面へのごみの進入を避ける必要がある。本形態例では、図9、図10に示すように、プーリ35の周面に、円周方向に沿ってV字溝35aを設けた。図9はプーリの上面図、図10は図9の正面図である。これにより、微少なごみはV字溝35aに逃げ、弾性表面波モータ201とプーリ35との接触面へのごみの進入が無くなる。尚、図9において、ハッチングを施した部分Cは、弾性表面波モータ201との接触面である。
For step driving, as shown in FIG. 8, a sine wave burst signal 215 obtained by multiplying a sine wave 211 by a rectangular gate 213 is used.
Since the amplitude of the surface acoustic wave motor 201 is extremely small, it is necessary to avoid the entry of dust into the contact surface with the pulley 35. In this embodiment, as shown in FIGS. 9 and 10, a V-shaped groove 35 a is provided on the circumferential surface of the pulley 35 along the circumferential direction. 9 is a top view of the pulley, and FIG. 10 is a front view of FIG. As a result, minute dust escapes into the V-shaped groove 35a, and the entry of dust into the contact surface between the surface acoustic wave motor 201 and the pulley 35 is eliminated. In FIG. 9, a hatched portion C is a contact surface with the surface acoustic wave motor 201.

弾性表面波モータでは、弾性表面波モータとプーリの周面との接触面積が広いほど駆動力が大きくなる。そこで、駆動力が足りない場合は、もう一つ弾性表面波モータを設けてれば良い。即ち、図11、図12に示すように、プーリ35の下部に押しつけられる弾性表面波モータ201’を設ける。尚、弾性表面波モータ201’をプーリ35の下側周面に押しつける機構は、弾性表面波モータ201をプーリ35の上側周面に押しつける機構と同じであるので、同一箇所には同一番号に(’)を付し、重複する説明は省略する。   In the surface acoustic wave motor, the driving force increases as the contact area between the surface acoustic wave motor and the peripheral surface of the pulley increases. Therefore, if the driving force is insufficient, another surface acoustic wave motor may be provided. That is, as shown in FIGS. 11 and 12, a surface acoustic wave motor 201 ′ pressed against the lower portion of the pulley 35 is provided. Note that the mechanism for pressing the surface acoustic wave motor 201 ′ against the lower peripheral surface of the pulley 35 is the same as the mechanism for pressing the surface acoustic wave motor 201 against the upper peripheral surface of the pulley 35. ') And repeated description is omitted.

尚、図12において、217、219は2つの弾性表面波モータ201、弾性表面波モータ201’間を接続する電力還流用配線である。この電力還流用配線219,217を用いることで、一つの駆動回路で2つの弾性表面波モータ201,201’を駆動させることができる。   In FIG. 12, reference numerals 217 and 219 denote power return wirings connecting the two surface acoustic wave motors 201 and 201 '. By using the power return wirings 219 and 217, the two surface acoustic wave motors 201 and 201 'can be driven by one drive circuit.

又、弾性表面波モータとプーリの周面との接触面積を広げる構成としては、図13に示すように、弾性表面波モータ201のプーリ35との接触部分にV字溝201aとしたり、図14に示すように、弾性表面波モータ201のプーリ35との接触部分にプーリ35の周面と同じ曲率に湾曲した底部を有する溝201bとしたりしてもよい。図13、図14の構成を作用する場合、弾性表面波モータ201とプーリ35との接触面へのごみの進入を避けるために、図15に示すように、プーリ35の周面に、母線方向に沿ってV字溝35bを設けてもよい。   Further, as a configuration for increasing the contact area between the surface acoustic wave motor and the peripheral surface of the pulley, as shown in FIG. 13, a contact portion with the pulley 35 of the surface acoustic wave motor 201 is formed with a V-shaped groove 201a, or FIG. As shown, the groove 201b having a bottom curved at the same curvature as that of the peripheral surface of the pulley 35 may be formed at the contact portion of the surface acoustic wave motor 201 with the pulley 35. When the configuration of FIGS. 13 and 14 is applied, in order to avoid the ingress of dust into the contact surface between the surface acoustic wave motor 201 and the pulley 35, as shown in FIG. A V-shaped groove 35b may be provided along.

第1形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である、It is sectional drawing of the sample stage of the scanning electron microscope to which the 1st form example is applied. 図1の上面図である。FIG. 2 is a top view of FIG. 1. 図1のアンギュラベアリング対部分の拡大図である。It is an enlarged view of the angular bearing pair part of FIG. 図1のXステージの位置制御を行なう電気的構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the electrical structure which performs position control of the X stage of FIG. 第2形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である。It is sectional drawing of the sample stage of the scanning electron microscope to which the 2nd example is applied. 第3形態例を適用した走査型電子顕微鏡の試料ステージの部分断面図である。It is a fragmentary sectional view of the sample stage of the scanning electron microscope to which the third embodiment is applied. 図6の切断線A−Aでの断面図である。It is sectional drawing in the cutting line AA of FIG. ステップ駆動を説明する図である。It is a figure explaining step drive. 図6におけるプーリの上面図である。It is a top view of the pulley in FIG. 図9の正面図である。FIG. 10 is a front view of FIG. 9. 図6において壇瀬表面波モータの数を増やした構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure which increased the number of Danze surface wave motors in FIG. 図11の切断線D−Dでの断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view taken along a cutting line DD in FIG. 11. 他の形態例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of a form. 他の形態例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of a form. 他の形態例を説明する図である。It is a figure explaining the other example of a form. 走査型電子顕微鏡の試料ステージの断面図である。It is sectional drawing of the sample stage of a scanning electron microscope. X方向に直線移動する1軸の超音波リニアモータステージを上方から俯瞰した図である。It is the figure which looked down at the 1 axis ultrasonic linear motor stage which moves linearly to a X direction from the upper part.

符号の説明Explanation of symbols

7 ボールねじ
8 送りナット(ナット部材)
13 Xステージ
7 Ball screw 8 Feed nut (nut member)
13 X stage

Claims (7)

ガイドに移動可能係合したステージの位置決め装置において、
前記ステージに設けられたナット部材と、
該ナット部材に螺合するボールねじと、
該ボールねじを回転駆動する超音波モータとでなることを特徴とするステージの位置決め装置。
In a stage positioning device that is movably engaged with a guide,
A nut member provided on the stage;
A ball screw threadably engaged with the nut member;
A stage positioning apparatus comprising: an ultrasonic motor that rotationally drives the ball screw.
前記ナット部材と、前記ボールねじのねじ軸との間に予圧が発生するように、予圧発生手段を設けたことを特徴とする請求項1記載のステージの位置決め装置。   2. The stage positioning apparatus according to claim 1, wherein preload generating means is provided so that a preload is generated between the nut member and a screw shaft of the ball screw. 前記予圧発生手段は、
前記ボールねじのねじ軸と前記ナット部材との間に配置されたオーバサイズボールであることを特徴とする請求項2記載のステージの位置決め装置。
The preload generating means includes
3. The stage positioning device according to claim 2, wherein the stage positioning device is an oversized ball disposed between a screw shaft of the ball screw and the nut member.
前記ボールねじのねじ軸の支持は、
前記ガイドが設けられた側に配置され、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第1アンギュラベアリングと、
前記ガイドが設けられた側に配置され、前記第1アンギュラベアリングと同じ大きさで、前記第1アンギュラベアリングが負荷するスラスト荷重の方向と異なる方向のスラスト荷重を負荷し、前記ねじ軸の一方の端部側を回転可能に支持する第2アンギュラベアリングとでなされ、
更に、前記第1アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線と、前記第2アンギュラベアリングの玉と内輪・外輪との接触点を結ぶ直線とが、前記ボールねじのねじ軸の回転軸上の点Oで交わるように前記第1アンギュラベアリングと前記第2アンギュラベアリングとが設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のステージの位置決め装置。
The support of the screw shaft of the ball screw is
A first angular bearing disposed on the side where the guide is provided and rotatably supporting one end side of the screw shaft;
A thrust load is disposed on the side where the guide is provided, and has the same size as the first angular bearing, and a thrust load in a direction different from the direction of the thrust load applied by the first angular bearing, A second angular bearing that rotatably supports the end side,
Further, a straight line connecting the contact points between the balls of the first angular bearing and the inner ring / outer ring and a straight line connecting the contact points of the balls of the second angular bearing with the inner ring / outer ring are formed on the screw shaft of the ball screw. 4. The stage positioning apparatus according to claim 1, wherein the first angular bearing and the second angular bearing are provided so as to intersect at a point O on the rotation axis.
前記超音波モータの回転駆動力は、前記ボールねじのねじ軸に対して、前記ねじ軸の回転軸と直交し、前記点Oを含む平面上で作用することを特徴とする請求項4記載のステージの位置決め装置。   The rotational driving force of the ultrasonic motor acts on a plane including the point O perpendicular to the rotational axis of the screw shaft with respect to the screw shaft of the ball screw. Stage positioning device. 前記ガイドは、
前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられた第1ガイドと、
前記ステージの移動平面と平行な平面上に設けられ、前記第1ガイドと平行に設けられた第2ガイドとからなり、
前記ボールねじのねじ軸は、第1ガイドと第2ガイドとの中間位置に配置されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のステージの位置決め装置。
The guide is
A first guide provided on a plane parallel to the moving plane of the stage;
A second guide provided on a plane parallel to the moving plane of the stage, and provided in parallel with the first guide;
6. The stage positioning apparatus according to claim 1, wherein the screw shaft of the ball screw is disposed at an intermediate position between the first guide and the second guide.
前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、
前記ステージの位置制御をPID制御で行なうPID制御制御手段と、
該PID制御手段の位置制御信号に応じて前記超音波モータを駆動するドライバと、
前記PID制御手段と前記ドライバとの間に設けられたハイパスフィルタと、
前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量内になった場合には、前記PID制御手段の制御量を前記ハイパスフィルタを介して前記ドライバに供給し、前記ステージの設定目標位置と前記検出手段で検出された前記ステージの位置との偏差量が許容偏差量以上の場合には、前記ハイパスフィルタを通さずに前記PID制御手段の制御量を前記ドライバに供給するスイッチ手段と、
を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のステージの位置決め装置。
Position detecting means for detecting the position of the stage;
PID control control means for performing position control of the stage by PID control;
A driver for driving the ultrasonic motor in accordance with a position control signal of the PID control means;
A high-pass filter provided between the PID control means and the driver;
When the deviation amount between the set target position of the stage and the position of the stage detected by the detection means falls within an allowable deviation amount, the control amount of the PID control means is transferred to the driver via the high-pass filter. When the deviation amount between the set target position of the stage and the position of the stage detected by the detection means is greater than or equal to an allowable deviation amount, the control amount of the PID control means is not passed through the high-pass filter. Switch means for supplying to the driver;
The stage positioning device according to claim 1, comprising:
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