JP2014190923A - アクチュエータの位置算出装置、位置算出方法及び位置算出プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】最小移動量ΔM毎に生成される制御信号Ma〜Mc、M0〜M11に比例して一の方向に移動する移動機構1bと、移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサ2bとを有するアクチュエータ1の位置算出装置17であって、移動機構の目標位置における制御信号をM0、かつセンサ信号をS0としたとき、センサ信号が(S0+m×ΔS)又は(S0−m×ΔS)になった時点T1における制御信号から(但し、mは1以上の自然数)、目標位置における移動機構の位置SAを算出する位置算出手段、を備えている。
【選択図】図3
Description
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、移動量検出センサの分解能が移動機構の移動分解能より低くても、移動機構の位置を精度良く算出することができ、アクチュエータのコストダウンを実現できるアクチュエータの位置算出装置、位置算出方法及び位置算出プログラムの提供を目的とする。
このアクチュエータの位置算出装置によれば、移動量検出センサの分解能が移動機構の最小分解能(移動分解能)より低くても、移動機構の位置を精度良く算出することができ、コストダウンを実現できる。
センサ信号が変動すると、制御信号に応じて規則正しくセンサ信号がΔSずつ上昇せず、上記式1によってSAを正確に算出することが難しくなる。そこで、回帰分析によって精度よくSAを算出することができる。
最小移動量ΔM毎に生成される制御信号に比例して一の方向に移動する移動機構と、前記移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサとを有するアクチュエータの位置算出プログラムであって、前記制御信号から前記移動機構の概算位置を算出可能であり、ΔM毎に前記制御信号を取得すると共に、前記移動量検出センサのセンサ信号を取得する信号取得過程と、前記移動機構の目標位置における前記制御信号をM0としたとき、(i)それぞれ異なる少なくとも1以上の前記センサ信号にそれぞれ属する前記制御信号から、同一の前記センサ信号毎に前記移動機構の概算位置の最小値と最大値をそれぞれ算出し、(ii)前記最小値及び前記最大値を一方の変数とし、前記センサ信号を他の変数とする回帰分析による直線又は二次曲線が、M0における前記概算位置と交わる交点Pを求め、(iii)該交点Pから前記目標位置における前記移動機構の位置SAを算出する位置算出過程と、をコンピュータに実行させる。
図1は本発明の第1の実施形態に係るアクチュエータの位置算出装置17を有する走査型プローブ顕微鏡100のブロック図である。
図1において、走査型プローブ顕微鏡100は、先端に探針22を有するカンチレバー11と、探針22に対向配置された試料10を載置するステージ5と、試料10(ステージ5)を3次元に移動させる円筒型のアクチュエータ1、カンチレバー11に振動を与えるカンチレバー加振部12、カンチレバー加振部12を駆動させるための加振電源13、制御部(アクチュエータの位置算出装置)17等を有する。
アクチュエータ1の内部には光学センサ(移動量検出センサ)2bが配置され、光学センサ2bからミラー2aに出射された光が反射されて光学センサ2bへ戻ることで、試料10のz方向の位置(変位)を検出するようになっている。光学センサ2bは、例えば光ファイバと光学干渉計から構成されている。移動量検出センサは特に限定されず、他の光学式センサや、静電容量センサ、歪ゲージ等の電気式センサであってもよい。
そして、カンチレバー11にはレーザー光照射部14からレーザー光が照射され、カンチレバー11から反射されたレーザー光はフォトディテクタ15に入射し、この入射位置からカンチレバー11の変位量がカンチレバー変位検出部16で検出される。そして、カンチレバー変位検出部16により検出されたカンチレバー11の変位に基づいて制御部17から、Z駆動電源19に所定の制御信号を出力して圧電素子1bを駆動させて探針22と試料10のZ方向の相対位置を制御する。すなわち、試料10と探針22の間に働く原子間力によって生じるカンチレバー11の変位を上述の機構で検出し、カンチレバー11の変位量を一定に保つように探針22と試料10の相対位置を制御している。
図2は、圧電素子1bに出力される制御信号(=圧電素子1bの概算位置)と、光学センサ2bのセンサ信号(=圧電素子1bの測定位置)との関係を示す。圧電素子1bの微小変位は制御信号(電圧)に比例するので、制御信号から圧電素子1bの概算位置を算出することができる。但し、圧電素子1bの動作特性はヒステリシスやクリープを有し、概算位置は圧電素子1bの真の値ではないため、光学センサ2bにより圧電素子1bの正確な位置を求める。
ここで、圧電素子1bの最小移動量(移動分解能)をΔMとし、光学センサ2bの最小分解能をΔSとしたとき、A=ΔS/ΔM≧2の関係にあり、光学センサ2bの位置検出分解能が圧電素子1bの移動分解能よりも低いものとする。
2≦A≦100000であることが好ましく、2≦A≦1000であることがより好ましい。なお、圧電素子1bは、例えば10μm/100Vの変位を示し、最小移動量として10μV〜100μVの範囲で制御できる。従って、この圧電素子1bの移動分解能ΔMは、
10μm:100V=ΔM:10μV〜100μV
ΔM=(0.0001μV・V〜0.00μV・V)/100V
=1〜10pmとなる。
一方、光学センサ2bの分解能は一般に0.05〜500nm(50〜500000pm)程度であることは良く知られており、特に走査型プローブ顕微鏡に用いる光学センサ2bの分解能ΔS=50〜1000pm程度の高分解能が要求される。従って、これらの値から、
A=ΔS/ΔM=(50〜1000pm)/(1〜10pm)=5〜1000となる。
ΔMは最大で0.1〜100pm、ΔS最大で50〜500000pmの範囲が考えられ、これより、0.5≦A≦5000000の範囲となるが、走査型プローブ顕微鏡における実際のΔMとΔSの範囲を考慮すれば、2≦A≦100000であることが好ましく、2≦A≦1000であることがより好ましい。
そこで、第1の実施形態に係るアクチュエータの位置算出装置は、光学センサ2bのセンサ信号を、圧電素子1bの高い移動分解能に応じて案分し、圧電素子1bの位置SAを精度良く推定する(算出する)。具体的には、図2に示すように、センサ信号を概算位置に対してプロットした外挿直線L1上で、圧電素子1bの制御信号M0に対応する正確な位置SAを算出する。
なお、外挿直線L1は、圧電素子1bの概算位置とセンサ信号とを対応させる1次関数であり、図2の場合、その傾きは、ΔS/(A×ΔM)=1である。
位置SAを求めたい場合としては、以下のSISモードが相当する。例えば、図1の走査型プローブ顕微鏡にて上述のDFM測定モードで測定する場合、探針を常に試料に接触させると、凹凸の大きい試料で斜面から受ける横方向の力により探針やカンチレバーが曲がる恐れがある。そこで、SISモード(サンプリング・インテリジェント・スキャンモード)と称され、データ取得時のみ探針と試料が接触し、それ以外は探針が上空に待避しながら水平方向に高速移動し、試料表面に接触しそうな場合には走査速度を落として試料面から上昇するような退避動作を自動で行うモードがある。
このように、SISモードにおいては、データ取得後、探針と試料を引離す動作を行うが、引離し動作に本発明を適用する。つまり、データ取得時のセンサ信号S0に対して、(S0+ΔS)分上昇するまで、探針22と試料10が離れる方向に圧電素子1bをΔMずつ動作させ、以下の方法によりSAを算出する。そして、このSAの位置まで再びSISでの測定に戻って測定を行う。通常のDFM測定モードと異なり、データ取得後に探針と試料を引離す動作を行うSISモードでは、その動作の中で、本発明による測定を行うことで、測定効率を低下させること無く測定精度の向上が実現できる。
このため、時点T1からM3までの横軸の距離はΔM/2(つまり、{ΔM/2+(2ΔM/2)×0})であるが、時点T1からM2までの横軸の距離は{ΔM/2+(2ΔM/2)×1}、時点T1からM1までの横軸の距離は{ΔM/2+(2ΔM/2)×2}、となる。又、M3、M2、M1はそれぞれn=1、2、3である。これらのことから、時点T1から特定の制御信号Mx(xは表1のセンサ信号の添字)までの横軸の距離を一般式で表すと、{ΔM/2+(2ΔM/2)×(n−1)}={(ΔM/2)×(2n−1)}となる。
SA=(S0+ΔS/2)−{(ΔM/2)×(2n−1)}
=(S0+ΔS/2)−{(ΔS/A)/2)×(2n−1)}
=(S0+ΔS/2)−ΔS×(2n−1)/2A
となる(但し、nは、M0からT1の1つ前までの前記制御信号の生成回数であって、1≦n≦m×A)。又、mは、センサ信号がS0からΔSの整数倍ジャンプしたときの整数値(1以上の自然数)であり、図2、図3の例では、m=1である。
SA=(S0+ΔS/2)−ΔS×(2n−1)/2A
=(25+25/2)−25×(2×4−1)/10
=(25+25/2)−25×7/10
=(25)−25×1/5=20
となる。つまり、図3に示すように、SAは、S0からΔMだけ低い値となる。
又、上記例では、T1の1つ前の制御信号M3からM0までの制御信号の生成回数を数え挙げてSAを算出したが、T1における制御信号M4からM0までの制御信号の生成回数を数え挙げてSAを算出してもよい。後者の場合、nが1つ増えることになる。
まず、制御部17は、Z駆動電源19にΔM毎に制御信号を出力して圧電素子1bを駆動する。信号取得手段は、この制御信号をΔM毎に取得すると共に、光学センサ2bのセンサ信号を取得する。信号取得手段は、制御信号の取得タイミングと同時にセンサ信号を取得するものとする。
位置算出手段は、目標位置における制御信号をM0、かつセンサ信号をS0としたとき、センサ信号が(S0+m×ΔS)又は(S0−m×ΔS)になった時点T1の1つ前の制御信号M3から(但し、mは1以上の自然数)、目標位置における圧電素子1bの位置SAを算出する。算出方法は上述の通りであり、又、mは作業者が適宜設定してもよく、デフォルトで所定の値に規定してもよい。又、位置算出手段は、制御信号(電圧)と圧電素子1bの概算位置との比例係数を既知の値としてROM等から取得するものとする。又、式1はROM等にプログラムとして記憶されており、位置算出手段が適宜このプログラムを読みだして式1の計算をすることができる。
SISモードでのM0を検出するタイミングは、走査型プローブ顕微鏡の面内(水平方向)の各測定点上に探針22が達し、探22針が試料10へ接近して目的の振幅に達した時である。
次に、図4、図5及び表2を参照し、本発明の第2の実施形態に係るアクチュエータの位置算出装置について説明する。但し、第2の実施形態に係るアクチュエータの位置算出装置は、制御部17で行う処理が異なること以外は、第1の実施形態と同様である。
第1の実施形態においては、図2及び表1に示すように、センサ信号が変動することはなく、制御信号が5回生成される毎に、規則正しくセンサ信号がΔS上昇して階段状のグラフとなる。ところが、センサ信号が変動すると、図4及び表2(センサ信号のグレー表示部分)に示すように、制御信号が5回生成されても規則正しくセンサ信号がΔS上昇せず、傾き1の外挿直線L1から乖離し、式1によってSAを正確に算出することが難しくなる。
そこで、第2の実施形態においては、図4に示すように、各階段(同一のセンサ信号に属する制御信号)の中央を通る直線を最小二乗法により求め、この直線を、センサ信号と概算位置との対応を示す外挿直線L2とする。そして、外挿直線L2がM0における概算位置と交わる交点Pを求め、交点と、目標位置における制御信号との距離からSAを算出する。
例えば、S0に属する制御信号はMb、Mc、M1、M2、M4の5個であるから、これらのうちそれぞれMb、M4が概算位置の最小値と最大値に対応する。従って、上述した制御信号(電圧)と圧電素子1bの概算位置との比例係数に従って、概算位置の最小値と最大値を算出する。
同様に、S1に属する制御信号はM3、M5、M6、M7の4個であるから、これらのうちそれぞれM3、M7が概算位置の最小値と最大値に対応する。又、S2に属する制御信号はM8、M8、M10、M11の4個であるから、これらのうちそれぞれM8、M11が概算位置の最小値と最大値に対応する。なお、S1、S2に属する制御信号はそれぞれ4個であり、規定値である5個に足りない。又、例えば、M4は本来S1に属するはずであるが、S0に属している。
次に、図5に示すように、外挿直線L2がM0における概算位置と交わる交点Pを求め、交点PからSAを算出する。
まず、制御部17は、第1の実施形態と同様、Z駆動電源19にΔM毎に制御信号を出力して圧電素子1bを駆動させる。信号取得手段は、この制御信号をΔM毎に取得すると共に、光学センサ2bのセンサ信号を取得する。
位置算出手段は、目標位置における制御信号をM0としたとき、センサ信号S0、S1、S2にそれぞれ属する制御信号から、同一のセンサ信号毎に上記したように概算位置の最小値と最大値をそれぞれ算出する。そして、最小値及び最大値を一方の変数とし、センサ信号を他の変数とする最小二乗法により外挿直線L2を算出する。そして、外挿直線L2が、M0における概算位置と交わる交点Pを求め、交点Pから位置SAを算出する。
特に、図5に示すように、センサ信号が変動すると、目標位置における制御信号M0が外挿直線L1、L2のいずれとも著しく乖離し、上記式1からSAを算出することはできない。そこで、外挿直線L2がM0における概算位置と交わる交点Pを求めることで、センサ信号が変動しないときと同様に、SAの算出が可能となる。
なお、第2の実施形態において、外挿直線L2を求めるための最小二乗法に用いるデータは、必ずしもセンサ信号S0に属する制御信号でなくてもよい。但し、M0が出力する(はずの)センサ信号S0に属する制御信号を最小二乗法に用いると、M0近傍のデータを反映するので好ましい。この場合、M0自身はセンサ信号S0を出力しないため、例えばM0に隣接する制御信号Mc、M1が属するセンサ信号(図5ではS0のみであるが、Mc、M1がそれぞれ異なるセンサ信号に属することもあり得る)を必ず最小二乗法に用いるように設定することができる。
圧電素子1bは、短い距離の移動ではヒステリシスの影響が少なく、電圧の1次関数として移動量を近似できるので、上述の直線で回帰分析(最小二乗法)することができる。しかし、圧電素子1bの移動距離が長くなると、ヒステリシスの影響が大きくなるので、電圧の2次関数として移動量を近似した方が精度が高くなる。
1b 移動機構(圧電素子)
2b 移動量検出センサ(光学センサ)
17 アクチュエータの位置算出装置(制御部、信号取得手段、位置算出手段)
Ma〜Mc、M0〜M11 制御信号
S0〜S2 センサ信号
L2 直線(外挿直線)
100 走査型プローブ顕微鏡
Claims (9)
- 最小移動量ΔM毎に生成される制御信号に比例して一の方向に移動する移動機構と、前記移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサとを有するアクチュエータの位置算出装置であって、
ΔM毎に前記制御信号を取得すると共に、前記移動量検出センサのセンサ信号を取得する信号取得手段と、
前記移動機構の目標位置における前記制御信号をM0、かつ前記センサ信号をS0としたとき、前記センサ信号が(S0+m×ΔS)又は(S0−m×ΔS)になった時点T1における前記制御信号、及び/又はT1の1つ前の前記制御信号から(但し、mは1以上の自然数)、前記目標位置における前記移動機構の位置SAを算出する位置算出手段と、を備えたアクチュエータの位置算出装置。 - 前記位置算出手段は、下記式1:
SA=(S0+ΔS/2)−ΔS×(2n−1)/2A
(但し、nは、M0からT1の1つ前までの前記制御信号の生成回数であって、1≦n≦m×A)によって前記位置SAを算出する請求項1に記載のアクチュエータの位置算出装置。 - 最小移動量ΔM毎に生成される制御信号に比例して一の方向に移動する移動機構と、前記移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサとを有するアクチュエータの位置算出装置であって、
前記制御信号から前記移動機構の概算位置を算出可能であり、
ΔM毎に前記制御信号を取得すると共に、前記移動量検出センサのセンサ信号を取得する信号取得手段と、
前記移動機構の目標位置における前記制御信号をM0としたとき、(i)それぞれ異なる少なくとも1以上の前記センサ信号にそれぞれ属する前記制御信号から、同一の前記センサ信号毎に前記移動機構の概算位置の最小値と最大値をそれぞれ算出し、(ii)前記最小値及び前記最大値を一方の変数とし、前記センサ信号を他の変数とする回帰分析による直線又は二次曲線が、M0における前記概算位置と交わる交点Pを求め、(iii)該交点Pから前記目標位置における前記移動機構の位置SAを算出する位置算出手段と、を備えたアクチュエータの位置算出装置。 - 最小移動量ΔM毎に生成される制御信号に比例して一の方向に移動する移動機構と、前記移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサとを有するアクチュエータの位置算出方法であって、
ΔM毎に前記制御信号を取得すると共に、前記移動量検出センサのセンサ信号を取得する信号取得過程と、
前記移動機構の目標位置における前記制御信号をM0、かつ前記センサ信号をS0としたとき、前記センサ信号が(S0+m×ΔS)又は(S0−m×ΔS)になった時点T1における前記制御信号、及び/又はT1の1つ前の前記制御信号から(但し、mは1以上の自然数)、前記目標位置における前記移動機構の位置SAを算出する位置算出過程と、を有するアクチュエータの位置算出方法。 - 前記位置算出過程は、下記式1:
SA=(S0+ΔS/2)−ΔS×(2n−1)/2A
(但し、nは、M0からT1の1つ前までの前記制御信号の生成回数であって、1≦n≦m×A)によって前記位置SAを算出する請求項4に記載のアクチュエータの位置算出方法。 - 最小移動量ΔM毎に生成される制御信号に比例して一の方向に移動する移動機構と、前記移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサとを有するアクチュエータの位置算出方法であって、
前記制御信号から前記移動機構の概算位置を算出可能であり、
ΔM毎に前記制御信号を取得すると共に、前記移動量検出センサのセンサ信号を取得する信号取得過程と、
前記移動機構の目標位置における前記制御信号をM0としたとき、(i)それぞれ異なる少なくとも1以上の前記センサ信号にそれぞれ属する前記制御信号から、同一の前記センサ信号毎に前記移動機構の概算位置の最小値と最大値をそれぞれ算出し、(ii)前記最小値及び前記最大値を一方の変数とし、前記センサ信号を他の変数とする回帰分析による直線又は二次曲線が、M0における前記概算位置と交わる交点Pを求め、(iii)該交点Pから前記目標位置における前記移動機構の位置SAを算出する位置算出過程と、を有するアクチュエータの位置算出方法。 - 最小移動量ΔM毎に生成される制御信号に比例して一の方向に移動する移動機構と、前記移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサとを有するアクチュエータの位置算出プログラムであって、
ΔM毎に前記制御信号を取得すると共に、前記移動量検出センサのセンサ信号を取得する信号取得過程と、
前記移動機構の目標位置における前記制御信号をM0、かつ前記センサ信号をS0としたとき、前記センサ信号が(S0+m×ΔS)又は(S0−m×ΔS)になった時点T1における前記制御信号、及び/又はT1の1つ前の前記制御信号から(但し、mは1以上の自然数)、前記目標位置における前記移動機構の位置SAを算出する位置算出過程と、をコンピュータに実行させるアクチュエータの位置算出プログラム。 - 前記位置算出過程は、下記式1:
SA=(S0+ΔS/2)−ΔS×(2n−1)/2A
(但し、nは、M0からT1の1つ前までの前記制御信号の生成回数であって、1≦n≦m×A)によって前記位置SAを算出する請求項7に記載のアクチュエータの位置算出プログラム。 - 最小移動量ΔM毎に生成される制御信号に比例して一の方向に移動する移動機構と、前記移動機構の移動量を最小分解能ΔS(但し、A=ΔS/ΔM≧2)で検出する移動量検出センサとを有するアクチュエータの位置算出プログラムであって、
前記制御信号から前記移動機構の概算位置を算出可能であり、
ΔM毎に前記制御信号を取得すると共に、前記移動量検出センサのセンサ信号を取得する信号取得過程と、
前記移動機構の目標位置における前記制御信号をM0としたとき、(i)それぞれ異なる少なくとも1以上の前記センサ信号にそれぞれ属する前記制御信号から、同一の前記センサ信号毎に前記移動機構の概算位置の最小値と最大値をそれぞれ算出し、(ii)前記最小値及び前記最大値を一方の変数とし、前記センサ信号を他の変数とする回帰分析による直線又は二次曲線が、M0における前記概算位置と交わる交点Pを求め、(iii)該交点Pから前記目標位置における前記移動機構の位置SAを算出する位置算出過程と、をコンピュータに実行させるアクチュエータの位置算出プログラム。
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