JP5173515B2 - 位置決め制御ユニット、位置決め制御方法および位置決め制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、操作量の算出からステージの移動までを１制御周期として、ステージの位置決めを制御する位置決め制御ユニット、位置決め制御方法および位置決め制御プログラムに関する。

近年、磁気ヘッド検査装置や半導体分野および光学分野の検査装置において、ナノメータ単位の精密な移動精度を要する微少位置決め技術が求められている。このような要望を受け、圧電アクチュエータを備えた位置決めステージと静電容量型位置検出センサとから構成される位置決め装置が使用されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の位置決め装置は、入力された位置指令値と位置決めステージの実際の移動位置との差分値に対し、大きさが概略同等で符号が逆である補正値を、位置決めステージの現在位置を示す数値に加算して修正値を出力し、位置指令値および修正値に基づいて位置決めステージの変位量を決定し、位置決めステージを移動させる。このようにして、簡単な構成で位置決め精度を向上させている。
特開２００６−２７５７９１号公報

上記のような位置決め装置の位置決め精度を向上させるためにはＤ／Ａコンバータの分解能を向上させることが有効である。Ｄ／Ａコンバータの信号処理の高速化により、高速処理可能なデバイスが入手可能になったものの、１６ｂｉｔを超える高分解能のものはほとんど市場に出回っておらず、高価であり入手が困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、Ｄ／Ａ変換の精度をデバイスの分解能以上に高め、位置決めの精度を向上させる位置決め制御ユニット、位置決め制御方法および位置決め制御プログラムを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の位置決め制御ユニットは、ステージの位置決めを制御する位置決め制御ユニットであって、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出部と、前記算出された操作量を、１制御周期の積分値が等しくなるように、時間的に分割して所定分解能で出力する出力制御部と、前記出力された操作量をデジタル信号からアナログ信号へ所定分解能で変換するＤ／Ａ変換部と、を備え、前記アナログ信号により圧電素子を駆動させることで、前記ステージの位置決めを制御することを特徴としている。

このように、本発明の位置決め制御ユニットは、１制御周期あたりの操作量を、所定分解能で時間的に分割して出力する。そして、分割されてアナログ信号に変換して出力された信号は、圧電素子の積分効果により１制御周期にわたり平均化されて印加される。これにより、Ｄ／Ａ変換の精度をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。たとえば、位置換算値１ｎｍの分解能のＤ／Ａ変換部を用いて０．１ｎｍ単位の移動を行うことができる。なお、Ｄ／Ａ変換の分解能とは、Ｄ／Ａ変換装置固有の変換可能な出力の最小単位をいう。

（２）また、本発明の位置決め制御ユニットは、前記出力制御部は、前記算出された１制御周期あたりの操作量を、前記所定分解能で１制御周期の１／ｎの時間ごとに分割して出力することを特徴としている。ｎは任意の自然数を意味する。たとえば、ｎ＝１０とすることで、位置決めの分解能を一桁向上させることができる。

（３）また、本発明の位置決め制御ユニットは、前記操作量算出部は、１制御周期あたりの操作量を前記所定分解能の１／ｎ以下の単位で算出することを特徴としている。所定分解能の１／ｎ以下の単位で操作量を算出することにより、操作量の分解能を位置決めに反映させることができる。

（４）また、本発明の位置決め制御ユニットは、圧電素子を有し、前記アナログ信号に応じて前記圧電素子を駆動させることで前記ステージを移動させるステージ駆動部を更に備えることを特徴としている。分割されて出力された信号は、圧電素子の積分効果により１制御周期にわたり平均化されて印加されるため、位置決めの精度が向上する。

（５）また、位置決め制御方法は、ステージの位置決めを制御する位置決め制御方法であって、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出ステップと、前記算出された操作量を、１制御周期の積分値が等しくなるように、時間的に分割して所定分解能で出力する出力制御ステップと、前記出力された操作量をデジタル信号からアナログ信号へ変換するＤ／Ａ変換ステップと、を含み、前記アナログ信号により圧電素子を駆動させることで、前記ステージの位置決めを制御することを特徴としている。これにより、Ｄ／Ａ変換の精度をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。

（６）また、位置決め制御プログラムは、ステージの位置決めを制御する位置決め制御プログラムであって、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出処理と、前記算出された操作量を、１制御周期の積分値が等しくなるように、時間的に分割して所定分解能で出力する出力制御処理と、前記出力された操作量をデジタル信号からアナログ信号へ変換するＤ／Ａ変換処理と、をコンピュータに実行させ、前記アナログ信号により圧電素子を駆動させることで、前記ステージの位置決めを制御することを特徴としている。これにより、Ｄ／Ａ変換の分解能をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。

本発明によれば、Ｄ／Ａ変換の分解能をデバイスの分解能以上に高くして、位置決めの精度を向上させることができる。たとえば、位置換算値１ｎｍの分解能のＤ／Ａコンバータを用いて０．１ｎｍ単位の移動を行うことができる。

（位置決め装置の構成）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、位置決め装置１００の構成を示すブロック図である。位置決め装置１００は、ＰＣ１１０、コントローラ１２０、ステージ駆動部１３０、ステージ１４０、センサ１５０を備えている。

ＰＣ１１０は、入力部１１１を備えている。入力部１１１は、ユーザからの位置指定の入力を受け付ける。コントローラ１２０（位置決め制御ユニット）は、操作量の算出および出力、現在位置の算出等の処理を行う。コントローラ１２０は、操作量算出部１２１、判定部１２２、出力制御部１２３、Ｄ／Ａ変換部１２４、出力カウンタ１２５、駆動用増幅部１２６ａ、検出用増幅部１２６ｂ、Ａ／Ｄ変換部１２７および現在位置算出部１２９を備えている。

操作量算出部１２１は、入力された移動量およびステージの現在位置から１制御周期あたりの操作量を算出する。その際にはＰＩＤ制御も行う。Ｄ／Ａ変換部１２４の分解能の１／ｎの単位で算出するのが好ましい。これにより、操作量の精度を位置決めに反映させることができる。なお、Ｄ／Ａ変換部１２４の分解能は、Ｄ／Ａ変換部１２４が変換可能な出力の最小単位である。

判定部１２２は、算出された操作量が、整定範囲より小さいか否かを判定する。整定範囲は、あらかじめ設定された値であり、ステージ１４０の移動量が、入力された移動量を達成したことを判定するための基準値である。これにより、位置決め装置１００は、算出された操作量が整定範囲より小さいと判定されるまで周期的な制御を繰り返す。

出力制御部１２３は、算出された操作量を、１制御周期の積分値が等しくなるように、時間的に分割してＤ／Ａ変換部１２４の分解能で出力する。操作量の１制御周期の積分値とは、出力を１制御周期にわたる時間について積分した値である。Ｄ／Ａ変換部１２４の分解能を単位として１制御周期の１／ｎの時間ごとに分割して操作量を出力することが好ましい。その場合、制御周期のｎ倍の速度でＤ／Ａ変換部１２４を駆動することになる。このようにして、１回の制御量をｎ回に分けて出力することによって、位置決め制御の分解能を向上させることができる。たとえば、ｎ＝１０の場合は位置決め制御の分解能が１桁向上する。

Ｄ／Ａ変換部１２４は、いわゆるＤ／Ａコンバータであり、デバイスとして所定の分解能を有し、時間的に分割された操作量として出力されたデジタル信号を１制御周期の１／ｎの時間ごとにアナログ信号に変換する。

出力カウンタ１２５は、出力制御部１２３が算出した出力に従い、時間的に分割された出力を１制御周期あたりｎ回繰り返してアナログ信号として出力させる。駆動用増幅部１２６ａ（ピエゾアンプ）は、Ｄ／Ａ変換部１２４が出力する信号を増幅して、ステージ駆動部１３０に印加する。検出用増幅部１２６ｂ（センサアンプ）は、センサ１５０が検知したステージ１４０の位置を示す信号を増幅する。Ａ／Ｄ変換部１２７は、センサ１５０が検知した位置を示すアナログ信号をデジタル信号に変換する。現在位置算出部１２９は、位置を示すデジタル信号に基づいて、現在位置を算出する。

ステージ駆動部１３０は、圧電素子を有し、アナログ信号に応じて圧電素子を駆動させステージを移動させる。圧電素子は、たとえば積層型の圧電アクチュエータである。ステージ１４０は、圧電素子の変位に応じて移動する。ステージ１４０は、圧電素子の伸縮により移動可能に構成されている。

センサ１５０は、ステージ１４０の位置を信号として検知する。センサ１５０には、ステージ１４０の位置変化を静電容量の変化として検出する静電容量型の位置センサを用いることができる。なお、検出用増幅部１２６ｂ、Ａ／Ｄ変換部１２７および現在位置算出部１２９は、位置算出部１６０を構成する。位置算出部１６０は、センサ１５０により検出されたステージの検出位置からステージの現在位置を算出する。

（位置決め装置の動作）
次に、上記のように構成された位置決め装置１００の動作を説明する。図２は、位置決め装置の特徴的な動作を示すフローチャートである。まず、位置決め装置１００は、ユーザから移動量の入力を受け付ける（ステップＳ１）。

次に、入力された移動量と算出された現在位置とから、ステージ１４０に出力すべき操作量を算出する（ステップＳ２）。そして、算出された操作量とあらかじめ決められた整定範囲とを比較し（ステップＳ３）、操作量が整定範囲以下の場合には、終了する。一方、操作量が整定範囲より大きい場合には、出力量を算出する（ステップＳ４）。このとき、１制御周期あたりの操作量を、Ｄ／Ａ変換部１２４の分解能を単位として１制御周期の１／ｎの時間ごとに分割して算出する。詳細は後述する。

次に、時間的に分割され出力された出力量であるデジタル信号を、Ｄ／Ａ変換部１２４によりアナログ信号に変換し（ステップＳ５）、駆動用増幅部１２６ａが信号を増幅してステージ駆動部１３０に印加する。そして、ステージ駆動部１３０の圧電素子を駆動させて、出力量に基づいてステージを移動させ（ステップＳ６）、圧電素子の駆動がｎ回終了したか否かを判定する（ステップＳ７）。圧電素子の駆動がｎ回終了してない場合には、ステップＳ５に戻る。圧電素子の駆動がｎ回終了している場合には、ステージの位置検出を行う（ステップＳ８）。

次に、検出位置を示すアナログ信号を増幅し、デジタル信号に変換する（ステップＳ９）。デジタル変換された検出位置の平均値を現在位置として算出し（ステップＳ１０）、ステップＳ２に戻る。ステップＳ２〜Ｓ１０が１制御周期である。なお、上記の例では、ステップＳ３において、操作量が整定範囲以下の場合には終了するが、そのままのステージの位置を維持するために制御を繰り返すこととしてもよい。

（Ｄ／Ａ変換部への出力の例）
次に、Ｄ／Ａ変換の出力の算出方法について、以下に説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、Ｄ／Ａ変換の出力の例を示す図である。図中の横軸は時間、縦軸は電圧を示している。図３（ａ）は、Ｄ／Ａ変換部１２４が１制御周期で分解能相当量を出力したときの出力を示している。番号を付した１０本の長方形の積分領域が、全出力量を表す。ただし、実際の駆動は、電圧で決まり、たとえばこれによりステージ駆動部１３０を駆動させてステージ１４０を移動させたときの移動距離は、１ｎｍ等のＤ／Ａ変換部１２４の分解能に対応する駆動量となる。Ｄ／Ａ変換部１２４においてこの量が変換の最小単位、すなわち分解能となる。

しかし、実際には、１制御周期あたりのＤ／Ａ変換部１２４の動作を所定時間ごとに分割して出力することができる。たとえば図３（ａ）、（ｂ）に示すように１制御周期を１０分割した時間ごとに、分解能ごとの出力を制御することができる。すなわち図３（ｂ）に示すように、Ｄ／Ａ変換部１２４は、１制御周期の最初の１／１０の時間だけ分解能にあたる電圧を出力することが可能である。その場合には、ステージ駆動部の圧電素子に１制御周期の最初の１／１０の時間だけ最小単位の電圧が印加される。

圧電素子には、積分効果があり、このような出力があったときには、出力が１制御周期にわたり平均化される。したがって、図３（ｂ）の出力が圧電素子に印加されたときには、図３（ｃ）に示す出力がなされたのと同じだけ圧電素子が駆動される。これにより、分解能に対応する移動距離の１／１０の距離まで圧電素子の駆動を制御することができる。なお、上記の例では、１制御周期を１０分割した時間ごとに出力を制御したが、１００分割としてもよいし、１０００分割としてもよく、出力カウンタ１２５に細かく制御する能力があれば時間による制御は任意である。このように、本発明は、制御周期をｎ分割して信号処理を行うＤ／Ａ変換方法を、積分効果を有する容量性負荷の圧電素子に適用することにより成し得たものである。

図４（ａ）〜（ｃ）は、分解能の５／１０の出力を行う場合のＤ／Ａ変換の出力の例を示す図である。図４（ａ）に示す例では、１制御周期の１／１０の時間ごとに交互に出力したり、出力を止めたりしている。また、図４（ｂ）に示す例では、最初の５／１０制御周期で出力し、後の５／１０制御周期では出力していない。いずれの場合でも、合計の出力量は積分で表されるため、図４（ｃ）に示すように、これらの出力による圧電素子の駆動量は分解能に対応する駆動量の５／１０であり、同じである。

また、図５（ａ）、（ｂ）、分解能の１１／１０の出力を行う場合のＤ／Ａ変換の出力の例を示す図である。図５（ａ）に示す例では、最初の１／１０制御周期だけ、分解能の２倍の出力をＤ／Ａ変換し、残りの時間について分解能に等しい出力をＤＡ変換している。これにより、図５（ｂ）に示すように、この場合の出力による圧電素子の駆動量は分解能に対応する駆動量の１１／１０となる。また、この例と同様に、駆動量を分解能に対応する駆動量の１０１／１０としたいときには、たとえば最初の１／１０制御周期だけ、分解能の１１倍の出力をＤ／Ａ変換し、残りの時間について分解能の１０倍の出力をＤ／Ａ変換すればよい。

位置決め制御の実験を行った。コントローラ１２０には、３２ｂｉｔのＣＰＵ、１６ｂｉｔのＤ／ＡコンバータおよびＡ／Ｄコンバータならびにアンプにより構成され、組み込まれた制御プログラムにより制御を行うデジタルコントローラを用いた。プログラム中では位置分解能を１０ｐｍとして演算した。

Ｄ／Ａ変換部１２４として、Ｄ／ＡコンバータをＣＰＵの制御周期１００μｓに対して１／１０である１０μｓの周期で駆動させた。ＣＰＵからＤ／Ａコンバータへの出力の最小単位（分解能）は１６ｂｉｔであり位置換算値としては６５μｍ÷１６ｂｉｔ＝１ｎｍ相当である。位置決めの制御周期は１００μｓであるから１制御周期あたりＣＰＵからＤ／Ａコンバータへ１０回の指示が可能である。したがって、１０回中に何回指示を送るかによって擬似的に分解能を１／１０にすることが可能であると考えた。

位置決め装置１００に、１ｎｍのステージ移動を０．１ｎｍピッチで行うように位置指定の入力を行った。これにより、１制御周期ごとに０．１ｎｍの移動量を加える位置指定が操作量算出部１２１に入力される。このような指示により、ステージ１４０を駆動させるとともに、センサ１５０により出力されるアナログ信号をデジタルボルトメータ（アジレントテクノロジー社製３４４０１Ａ）でサンプリングし計測した。計測は、デジタルボルトメータの実効値により行った。実効値とは、データについて所定時間にわたる平均をとったものをいう。なお、ステージの現在位置を検出するシステムの分解能が移動量換算で０．１ｎｍ以下になるように調整した上で試験を行った。図６は、指定位置に対するステージ１４０の移動量換算値を示すグラフである。図６に示すステージ１４０の移動量は、センサ１５０が検出した位置に対応して出力した電圧を移動量に換算したものである。試験の結果、図６に示すようにステージ１４０が０．１ｎｍの分解能で移動したことを確認した。

Ｄ／Ａコンバータからの指示は図３（ｂ）に示すような矩形状の信号となるが、ステージ駆動部１３０に使用している圧電アクチュエータ素子が電気的には容量性負荷であることから、Ｄ／Ａコンバータからの信号を増幅した矩形状の信号を積分する効果がある。したがって、実際に位置決めステージに印加される信号は図３（ｃ）に示すように分解能の１／１０となったと考えられる。結果として位置決めステージの制御分解能がＤ／Ａコンバータ分解能の１／１０となり、制御分解能０．１ｎｍの位置決め装置を構成することができた。

位置決め装置の構成を示すブロック図である。 位置決め装置の特徴的な動作を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）Ｄ／Ａ変換の出力の例を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）Ｄ／Ａ変換の出力の例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）Ｄ／Ａ変換の出力の例を示す図である。 指定位置に対するステージの移動量換算値を示すグラフである（実施例）。

符号の説明

１００ 位置決め装置
１１０ ＰＣ
１１１ 入力部
１２０ コントローラ（位置決め制御ユニット）
１２１ 操作量算出部
１２２ 判定部
１２３ 出力制御部
１２４ Ｄ／Ａ変換部
１２５ 出力カウンタ
１２６ａ 駆動用増幅部
１２６ｂ 検出用増幅部
１２７ Ａ／Ｄ変換部
１２９ 現在位置算出部
１３０ ステージ駆動部
１４０ ステージ
１５０ センサ
１６０ 位置算出部

Claims (6)

1. ステージの位置決めを制御する位置決め制御ユニットであって、
   圧電素子の容量性を利用した積分効果が得られる１制御周期に対して、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出部と、
   前記算出された操作量を、１制御周期の積分値が等しくなるように、時間的に分割してＤ／Ａ変換のデバイスの分解能を単位として出力する出力制御部と、
   前記出力された操作量をデジタル信号からアナログ信号へ前記Ｄ／Ａ変換のデバイスの分解能で変換するＤ／Ａ変換部と、を備え、
   前記アナログ信号により圧電素子を駆動させることで、圧電素子の積分効果を用いて前記ステージの位置決めを制御することを特徴とする位置決め制御ユニット。
2. 前記出力制御部は、１００μｓ以下である１制御周期に対して、前記算出された１制御周期あたりの操作量を、前記Ｄ／Ａ変換のデバイスの分解能で１制御周期の１／ｎの時間ごとに分割して出力することを特徴とする請求項１記載の位置決め制御ユニット。
3. 前記操作量算出部は、１制御周期あたりの操作量を前記Ｄ／Ａ変換のデバイスの分解能の１／ｎ以下の単位で算出することを特徴とする請求項２記載の位置決め制御ユニット。
4. 圧電素子を有し、前記アナログ信号に応じて前記圧電素子を駆動させることで前記ステージを移動させるステージ駆動部を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の位置決め制御ユニット。
5. ステージの位置決めを制御する位置決め制御方法であって、
   圧電素子の容量性を利用した積分効果が得られる１制御周期に対して、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出ステップと、
   前記算出された操作量を、１制御周期の積分値が等しくなるように、時間的に分割してＤ／Ａ変換のデバイスの分解能を単位として出力する出力制御ステップと、
   前記Ｄ／Ａ変換のデバイスを用いて前記出力された操作量をデジタル信号からアナログ信号へ変換するＤ／Ａ変換ステップと、を含み、
   前記アナログ信号により圧電素子を駆動させることで、圧電素子の積分効果を用いて前記ステージの位置決めを制御することを特徴とする位置決め制御方法。
6. ステージの位置決めを制御する位置決め制御プログラムであって、
   圧電素子の容量性を利用した積分効果が得られる１制御周期に対して、１制御周期あたりの操作量を算出する操作量算出処理と、
   前記算出された操作量を、１制御周期の積分値が等しくなるように、時間的に分割してＤ／Ａ変換のデバイスの分解能を単位として出力する出力制御処理と、
   前記Ｄ／Ａ変換のデバイスを用いて前記出力された操作量をデジタル信号からアナログ信号へ変換するＤ／Ａ変換処理と、をコンピュータに実行させ、
   前記アナログ信号により圧電素子を駆動させることで、圧電素子の積分効果を用いて前記ステージの位置決めを制御することを特徴とする位置決め制御プログラム。

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