JP4175856B2

JP4175856B2 - 微動ステージの位置決め装置の保護機構及び保護方法

Info

Publication number: JP4175856B2
Application number: JP2002280664A
Authority: JP
Inventors: 豊稲田; 正明外山
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004120894A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータを用いた、ナノメートル単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野及び光学分野の検査装置の微小位置決めが可能な微動ステージ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノメートル単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野及び光学分野の検査装置の微小位置決め用圧電アクチュエータを備えた位置決め用微動ステージと高精度位置検出センサとから構成される位置決め装置が頻繁に使用されている。
この種の圧電アクチュエータ（圧電素子）を用いた微動ステージとしては、本出願人の先願のものが知られている。（特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２７１４７９号公報（図１及びその説明）
【０００４】
上記公報には、装置寸法が小型化された微動ステージ装置を提供することを目的として、本発明の微動ステージ装置は、微動方向に延びた長穴を有するステージと、このステージを支持する基体と、この基体に設けられステージを微動可能に支持する支持部と、一端が長穴内に挿入されてこの長穴の底部に当接し且つ他端が基体に支持される圧電素子とを備え、支持部は折り曲げバネから形成され、圧電素子に予圧力を付与することを特徴とする。
支持部と予圧部とを兼ねた折り曲げバネを用いたことにより、装置サイズの小型化と、ステージへの変位伝達率の向上及び高応答性を兼ね備えたものが記載されている。
また、折り曲げバネは、微動方向に直交する方向の剛性が該微動方向の剛性よりも大きいと好適である。さらに、折り曲げバネは、偶数個設けられ、微動方向に平行且つ左右対称に配列されていてもよく、また、１段あるいは複数段の板ばねで構成することができる。
圧電素子の一端には半球状の凸部が形成されており、長穴の底部にはこの凸部と係合する円錐状の凹部が形成されていてもよい。
また、微動ステージ装置は、長穴の開口部に配設されて圧電素子を長穴の底部に向けて押圧する押し板を、更に備えていてもよく、その場合、押し板には、圧電素子をステージの微動方向に向かう中心線上に位置決めする座グリ穴を設けると好適である旨の記載もなされている。
【０００５】
【発明の解決すべき課題】
しかし、従来の位置決め装置では、一般的なＰＩＤ制御による位置決め実行の際、微動ステージ未接続軸や、或いは位置決め動作の稼働中にセンサケーブルや圧電アクチュエータ駆動ケーブル等の断線が発生した場合、制御不能に陥り、最悪の場合には、圧電アクチュエータ駆動電圧として最大値が出力されて、圧電アクチュエータに大きなストレスを与えてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明の課題
（目的）は、微動ステージ（圧電アクチュエータ）未接続軸、或いは位置決め動作の稼働中にセンサケーブルや圧電アクチュエータ駆動ケーブル等の断線が発生したことを検出して、保護回路を作動させることが可能な位置決め装置の保護機構及び保護方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、指令値に応じた駆動電圧を圧電アクチュエータに印加して駆動する微動ステージの位置決め装置において、前記圧電アクチュエータの駆動電圧と前記微動ステージの位置検出手段の検出値との相関関係を監視する監視手段を設け、前記相関関係が、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化に対して、前記微動ステージの位置検出手段の検出値が追随せず一定値を保つ場合に、異常状態と判断し、前記一定値が“０Ｖ”の場合には、前記圧電アクチュエータが未接続と判定し、前記一定値が前記“０Ｖ以外の値”を示す場合には、前記微動ステージの位置検出手段のセンサケーブル或いは前記圧電アクチュエータの駆動ケーブルの断線と判定する。（請求項１）
【０００８】
また、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化は、初期設定時に少なくとも１回のフルストロークへの増減動作を含む。（請求項２）
また、前記異常状態と判断した際に、前記駆動電圧を漸減させて装置を停止させる。（請求項３）
【０００９】
指令値に応じた駆動電圧を圧電アクチュエータに印加するステップと、微動ステージの位置を検出するステップと、前記圧電アクチュエータの駆動電圧と前記微動ステージの位置の検出値との相関関係を監視するステップと、前記相関関係が、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化に対して、前記微動ステージの位置の検出値が追随せず一定値を保つ場合に、異常状態と判断し、前記一定値が“０Ｖの値”を示す場合には、前記圧電アクチュエータが未接続と判定し、前記一定値が前記“０Ｖ以外の値”を示す場合には、前記微動ステージの位置検出手段のセンサケーブル或いは前記圧電アクチュエータの駆動ケーブルの断線と判定すると共に、前記圧電アクチュエータの駆動電圧を漸減させて装置を停止するステップとより圧電アクチュエータによる微動ステージの位置決め装置における保護を実現する。（請求項４）
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の保護回路が適用される微動ステージの構成を、図１を用いて説明する。
微動ステージ装置１１の基体２の中央に設けられた微動テーブル（ピエゾステージ）３は、該微動テーブル３の四隅に設けられた支持部１４により図中Ｘ軸方向に微動可能に支持されている。
これら支持部１４としては、互いに平行な一対の折り曲げバネ１５が２組用いられている。
【００１１】
微動テーブル３に形成された長穴１８には、微小な変位を発生させる圧電アクチュエータ１が搭載されており、該圧電アクチュエータ１の位置決めと固定は、押し板１７によりなされる。
この基体２に組み込まれた微動テーブル３は、圧電アクチュエータ１に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ１の微小変位が、長穴の底部１９で相互に係合した凸部２１及び凹部２０を介して微動テーブル３に伝わり、それに応じて微動テーブル３をＸ軸方向に移動させることができる。
【００１２】
また、４は静電容量型位置検出センサ（必ずしも静電容量型である必要はなく、他の型のセンサを用いることも可能である。）（位置検出手段）を構成するプローブであって、センサホルダ５に組み込まれて、基体２に設けた取付け穴に収容されている。
そして、該静電容量型位置検出センサ用プローブ４の端面と微動テーブル３の端面との間の距離（微小間隔）に応じた電気信号を図示しない制御部に出力する。
【００１３】
図１の圧電素子を用いた微動ステージ装置の制御装置では、前記静電容量型位置検出センサの検出出力と図示しない指令値とに応じた駆動電圧を圧電アクチュエータ１に印加することによって微動テーブル３を移動させる。
そして、この微動テーブル３の移動量は数十μｍ程度であるが、従来の制御では、この数十μｍの移動を常時フィードバックループを維持したＰＩＤ演算制御（必ずしもＰＩＤ制御には限らず、他の制御形式でも良い。）による位置決め制御を実行している。
【００１４】
次に本発明の保護回路が有効に作用する圧電素子を用いた微動ステージ装置の制御の全体的な動作を図２を用いて説明する。
図２において、１は図示しないＣＰＵを含む位置決めコントローラ、２は前記位置決めコントローラからの制御信号に応じた圧電アクチュエータへの印加電圧を増幅するピエゾアンプ、３は微動ステージ、４はセンサプローブ、５はセンサアンプである。
前記位置決めコントローラ１には、司令部１−１、粗微動判定部１−２、ＰＩＤ演算部１−３を含んでいる。
【００１５】
司令部１−１では、位置決めコントロール内で設定される指令値、又は、通信回線等を介して外部のホストコンピュータ等から与えられる指令値を粗微動判定部１−２に与える。
粗微動判定部１−２では、司令部１−１からの指令値と、センサアンプ５からのステージの現在位置検出値とを比較して、その偏差が前記粗動ピッチよりも大きいか否か（微動範囲か否か）の判定をする。
【００１６】
粗微動判定部１−２における判定で、偏差が粗動ピッチよりも大きい場合（微動範囲ではない）には、粗動ピッチ（０．４μｍ）に対応する電圧制限値（０．２Ｖ）が微動ステージの圧電アクチュエータに印加されるように１−ａのルートで制御を実行する。
【００１７】
なお、この開ループ制御の動作例としては、
指令値が１７．５μｍの位置で、ステージの現在位置が０μｍである場合には、偏差は、１７．５−０＝１７．５μｍであるので、粗動ピッチ（０．４μｍ）よりも大きいと判断する。
そして、偏差１７．５μｍを粗動ピッチ０．４μｍで割った値１７．５／０．４＝４３、余り０．３μｍを求め、粗動ピッチ０．４μｍで４３回ステージを開ループ制御で移動させるために、圧電アクチュエータに印加する電圧を１−ａのルートで、０．２Ｖずつ４３回に分けて出力する。（この動作をオープンループ制御と称する。）
なお、この開ループ制御の期間には、指令値の変更時以外は、微動ステージの現在位置検出を行わない。
前記４３回に分けたオープンループ制御の終了後、計算上は余りの０．３μｍになっている偏差に対して再度粗微動判定を行い、例えば偏差が０．３μｍで粗動ピッチ以下であれば、余りの偏差０．３μｍに対する制御を、微動ステージの現在位置検出値に応じたＰＩＤ演算部１−３で実行して、１−ｂのルートで指令位置にステージを移動させる。（この動作をフィードバックループ制御と称する。）
【００１８】
図２における１−ｂルートにおける制御（フィードバック制御）の位置決めフローにおける信号の流れを図３に示す。
指令値とセンサプローブで検出されたセンサ信号とをＰＩＤ演算部に与えて、両者の偏差量に応じた信号が、圧電アクチュエータ駆動電圧として微動ステージの圧電アクチュエータに与えられる。
この圧電アクチュエータ駆動電圧によって微動ステージの圧電アクチュエータが変位する。
この変位によって微動ステージの位置が変化し、位置検出手段であるセンサプローブによって検出されてセンサ信号としてＰＩＤ演算部にフィードバック信号として与えられている。
【００１９】
フィードバック制御中は、図３のような信号の流れになっているので、センサ信号線又は圧電アクチュエータ駆動ケーブル等に断線が発生すると、ＰＩＤ演算部からの圧電アクチュエータ駆動電圧が増減してもセンサ信号出力電圧は追従して変化しないので、駆動電圧とセンサ信号との相関が取れなくなってしまい、場合によっては、ＰＩＤ演算部から出力される圧電アクチュエータ駆動電圧を上限一杯まで上昇させてしまうという現象が発生する。（オープンループ制御時でも駆動電圧とセンサ信号出力電圧との相関が取れなくなる点は同様である。）
また、何等かの理由で初期より特定の軸のみ微動ステージ（圧電アクチュエータ）が未接続であった場合にも、通常電源投入時に実行される、原点設定作業中に、同様に、駆動電圧とセンサ信号との相関が取れなくなってしまい、場合によっては、ＰＩＤ演算部から出力される圧電アクチュエータ駆動電圧を上限一杯まで上昇させてしまうという現象が発生する。
【００２０】
このような現象を検出するための本発明の保護回路の特徴は、指令部からの指令値に対応した圧電アクチュエータ駆動電圧（ａ）とセンサ信号出力電圧（ｂ）の相関関係を監視することにある。
この相関関係の監視は、例えば、コントローラ内の図示しないＣＰＵによって実行しても良く、また、別の構成によって実行しても良い。
【００２１】
次に、本発明に係る、指令部からの指令値に対応した圧電アクチュエータ駆動電圧（ａ）とセンサ信号出力電圧（ｂ）の相関関係の例を図４の（イ）（ロ）及び図５を用いて説明する。
図４（イ）は、微動ステージが正常に接続されていて、かつ、正常動作時の指令部からの通常の電源立上げ時に実行されるイニシャル動作として、図示の如くフルストロークに対応した電圧を３回増減させた後に原点設定作業をした場合の、指令値に対応した圧電アクチュエータ駆動電圧（ａ）とセンサ信号出力電圧（ｂ）の相関関係の例を示している。
図４（イ）の横軸は時間を示し、縦軸は圧電アクチュエータ駆動電圧（Ｖ）及びセンサ信号出力電圧（Ｖ）を示している。
図４（イ）では、位置決め装置が正常に動作しているので、微動ステージ駆動電圧の増減に対応してセンサ信号電圧も変化している。
なお、図４（イ）では、圧電アクチュエータ駆動電圧の増加（減少）に対してセンサ信号電圧が減少（増加）する逆方向の関係になっているが、センサの取付け方によっては同方向の変化になることもある。
【００２２】
これに対して、何等かの理由で初期より特定の軸のみ微動ステージが未接続であった場合には、図４（ロ）に示す如く、通常の電源立上げ時に実行されるイニシャル動作として、フルストロークに対応した電圧を３回増減させても、微動ステージ（圧電アクチュエータ）が存在しないので、期待した位置に動くことはなく、センサ信号の出力信号に変化は生じないので、異常と判断して圧電アクチュエータ駆動電圧を漸減させる。
【００２３】
また、図５は、位置決め装置を使用中に、センサ信号線又は圧電アクチュエータ駆動ケーブル等に断線が発生した場合の指令値に対応した圧電アクチュエータ駆動電圧（ａ）とセンサ信号出力電圧（ｂ）の相関関係の例を示している。
この場合は、指令値を変動させて圧電アクチュエータ駆動電圧を変化させても、センサ信号出力信号には変化は現われないので、異常と判断して圧電アクチュエータ駆動電圧を漸減させる。
この原因がセンサ信号線が断線の場合には、微動ステージは指令値に応じて移動しているが、その移動量がセンサ信号出力電圧として現われない。
また、圧電アクチュエータ駆動ケーブルの断線の場合には、微動ステージが指令値に応じた移動をしていない。
上記のどちらの場合でも、フィードバック系が形成されていると、圧電アクチュエータ駆動電圧は最大値まで上昇していくことになり、過大な駆動電圧が発生することになる。
【００２４】
図４（ロ）又は図５に示す如く、圧電アクチュエータによる位置決め装置において、センサ信号出力電圧と圧電アクチュエータ駆動電圧とを監視して、両者が予め想定した相関関係を外れたと判断された場合に、異常と判断して圧電アクチュエータ駆動電圧を遮断して、圧電アクチュエータに急峻な駆動電圧がかかってストレスによる破壊から保護することができる。
なお、微動ステージに組み込まれている圧電アクチュエータ素子は、急峻な電圧の印加によって破壊することがあるので、圧電アクチュエータ駆動電圧の増減は、図４（イ）、（ロ）及び図５に示す如く、一定の傾きのプログラムで漸増及び漸減させるのが望ましい。
【００２５】
図４の（ロ）及び図５では、圧電アクチュエータ駆動電圧の変化に対してセンサ信号出力電圧が追従した変化をせずに一定である点は類似しているが、微動ステージ（圧電アクチュエータ）の未接続の場合と、センサ信号線又は圧電アクチュエータ駆動ケーブル等に断線が発生した場合とでは、現われる一定電圧の値に違いがあるので、図４の（ロ）及び図５に示されるように、微動ステージ未接続については、“０Ｖの値”と設定し、センサ信号線又は圧電アクチュエータ駆動ケーブルの断線については、“０Ｖ以外の値”と予め設定しておくことによって異常の態様を区別して、図示しない表示部に表示することが可能である。
また、上記説明では、微動ステージが単体で使用される場合の説明を行っているが、複数個の微動ステージを組み込んだ装置における各々の微動ステージの保護に適用することも可能である。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明では、指令値に応じた駆動電圧を圧電アクチュエータに印加して駆動する微動ステージの位置決め装置において、前記圧電アクチュエータの駆動電圧と前記微動ステージの位置検出手段の検出値との相関関係を監視する監視手段を設け、前記相関関係が、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化に対して、前記微動ステージの位置検出手段の検出値が追随せず一定値を保つ場合に、異常状態と判断し、前記一定値が“０Ｖの値”を示す場合には、前記圧電アクチュエータが未接続と判定し、前記一定値が前記“０Ｖ以外の値”を示す場合には、前記微動ステージの位置検出手段のセンサケーブル或いは前記圧電アクチュエータの駆動ケーブルの断線と判定することによって、装置の異常状態を容易に検出することができる。
【００２７】
また、請求項２に記載の発明では、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化は、初期設定時に少なくとも１回のフルストロークへの増減動作を含むことによって、位置決めの原点設定時に異常状態を検出することができる。
また、請求項３に記載の発明では、前記異常状態と判断した際に、前記駆動電圧を漸減させて遮断することによって、圧電アクチュエータにストレスを与えること無く装置を停止させることができる。
【００２８】
請求項４に記載の発明では、指令値に応じた駆動電圧を圧電アクチュエータに印加するステップと、微動ステージの位置を検出するステップと、前記圧電アクチュエータの駆動電圧と前記微動ステージの位置の検出値との相関関係を監視するステップと、前記相関関係が、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化に対して、前記微動ステージの位置の検出値が追随せず一定値を保つ場合に、異常状態と判断し、前記一定値が“０Ｖの値”を示す場合には、前記圧電アクチュエータが未接続と判定し、前記一定値が前記“０Ｖ以外の値”を示す場合には、前記微動ステージの位置検出手段のセンサケーブル或いは前記圧電アクチュエータの駆動ケーブルの断線と判定すると共に、前記圧電アクチュエータの駆動電圧を漸減させて装置を停止するステップとにより、異常状態の回復作業に役立つデータが得られると共に、圧電アクチュエータによる微動ステージの位置決め装置における保護を、圧電アクチュエータにストレスを与えること無く実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電アクチュエータを用いた微動ステージの構成を示す図である。
【図２】本発明の圧電アクチュエータを用いた微動ステージの制御装置の動作を説明するためのブロック図である。
【図３】本発明の圧電アクチュエータを用いた微動ステージの制御装置の信号の流れを示す図である。
【図４】指令部からの指令値に対応した圧電アクチュエータ駆動電圧（ａ）とセンサ信号出力電圧（ｂ）の相関関係を示す図である。
【図５】指令部からの指令値に対応した圧電アクチュエータ駆動電圧（ａ）とセンサ信号出力電圧（ｂ）の断線発生時の相関関係を示す図である。
【符号の説明】
１圧電アクチュエータ
２（１１）基体（微動ステージ装置）
３微動テーブル（ピエゾステージ）
４センサプローブ（位置検出手段）
５センサホルダー
１４支持部
１５折り曲げバネ
１７押し板
１８長穴
１９底部
２０凹部
２１凸部
ａ圧電アクチュエータ駆動電圧
ｂセンサ信号出力電圧（位置検出手段の出力電圧）

Claims

指令値に応じた駆動電圧を圧電アクチュエータに印加して駆動する微動ステージの位置決め装置において、
前記圧電アクチュエータの駆動電圧と前記微動ステージの位置検出手段の検出値との相関関係を監視する監視手段を設け、
前記相関関係が、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化に対して、前記微動ステージの位置検出手段の検出値が追随せず一定値を保つ場合に、異常状態と判断し、前記一定値が“０Ｖの値”を示す場合には、前記圧電アクチュエータが未接続と判定し、前記一定値が前記“０Ｖ以外の値”を示す場合には、前記微動ステージの位置検出手段のセンサケーブル或いは前記圧電アクチュエータの駆動ケーブルの断線と判定することを特徴とする圧電アクチュエータを用いた微動ステージの位置決め装置の保護機構。
前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化は、初期設定時に少なくとも１回のフルストロークの増減動作を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータを用いた微動ステージの位置決め装置の保護機構。
前記異常状態と判断した際に、前記駆動電圧を漸減させて装置を停止することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータを用いた微動ステージの位置決め装置の保護機構。
指令値に応じた駆動電圧を圧電アクチュエータに印加するステップと、
微動ステージの位置を検出するステップと、
前記圧電アクチュエータの駆動電圧と前記微動ステージの位置の検出値との相関関係を監視するステップと、
前記相関関係が、前記圧電アクチュエータの駆動電圧の変化に対して、前記微動ステージの位置の検出値が追随せず一定値を保つ場合に、異常状態と判断し、前記一定値が“０Ｖの値”を示す場合には、前記圧電アクチュエータが未接続と判定し、前記一定値が前記“０Ｖ以外の値”を取る場合には、前記微動ステージの位置検出手段のセンサケーブル或いは前記圧電アクチュエータの駆動ケーブルの断線と判定すると共に、前記圧電アクチュエータの駆動電圧を漸減させて装置を停止するステップと、
を含むことを特徴とする圧電アクチュエータによる微動ステージの位置決め装置における保護方法。