JP5268630B2 - Stage positioning device - Google Patents
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Abstract
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
The sample stage 3 is provided on the
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
A stepping motor 4 is provided outside the vacuum chamber 9 (atmosphere side). The
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
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
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
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
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)。
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可能に支持する一対のベアリングと、該一対のベアリングの間に位置し、前記ボールねじに固定されたプーリと、該プーリの周面に当接する可動子を備え、前記プーリを回転駆動する超音波リニア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
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
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
請求項4に係る発明は、前記一対のベアリングは、第1アンギュラベアリングと第2アンギュラベアリングとにより構成され、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。
According to a fourth aspect of the present invention, the pair of bearings includes a first angular bearing and a second angular bearing, and a straight line connecting contact points between the balls of the first angular bearing and the inner ring and the outer ring, The first angular bearing and the second angular bearing so that a straight line connecting a contact point between the ball of the second angular bearing and the inner ring / outer ring intersects at a point O on the rotation axis of the screw shaft of the ball screw. The stage positioning device according to
請求項5に係る発明は、前記超音波リニアモータの可動子による回転駆動力は、前記プーリに対して、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。
The invention according to
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
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リニア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
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可能に支持する一対のベアリングと、該一対のベアリングの間に位置し、前記ボールねじに固定されたプーリと、該プーリの周面に当接する可動子を備え、前記プーリを回転駆動する超音波リニア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、超音波リニア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 invention of claim 1-5, a nut member provided on the stage, a ball screw screwed to the nut member, a pair of bearings that rotatably support the ball screw , and the pair of bearings A ball screw and a nut are provided by a pulley positioned between the bearings and a pulley fixed to the ball screw, and an ultrasonic linear motor that includes a mover contacting the peripheral surface of the pulley and rotationally drives the pulley. By appropriately setting the screw pitch of the member, positioning in the order of nm can be performed over the entire movable range of the stage even in the resonance mode of the ultrasonic linear motor.
また、せん断剛性が低い超音波リニア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 movable element of the ultrasonic linear 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), the observation image is not hindered.
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、前記一対のベアリングは、第1アンギュラベアリングと第2アンギュラベアリングとにより構成され、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 pair of bearings is constituted by a first angular bearing and a second angular bearing, and further, a straight line connecting the contact points between the balls of the first angular bearing and the inner ring / outer ring. And the first angular bearing and the second angular contact so that a straight line connecting the contact points of the balls of the second angular bearing and the inner and outer rings intersects 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 around the point O by providing the bearing, the screw axis of the ball screw has a very small angle with respect to the feed direction. Inside, it can move with a light force in a plane perpendicular to the central axis of the screw shaft. 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、前記超音波リニアモータの可動子による回転駆動力は、前記プーリに対して、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 invention of
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リニア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
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
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
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
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
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
The
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
A preload generating means is provided so that a preload is generated between the
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
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
In FIG. 2, reference numeral 43 denotes a guide provided on the
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
In FIG. 4, the position of the
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
The
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
The integration calculation means 57 includes an
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
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
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
A
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
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
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
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
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
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
(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
(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
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
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
(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
That is, when the driving force acting on the
(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
(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
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
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
<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
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
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
<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
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
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
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
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
Since the amplitude of the surface
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
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
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
7 ボールねじ
8 送りナット(ナット部材)
13 Xステージ
7
13 X stage
Claims (7)
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可能に支持する一対のベアリングと、
該一対のベアリングの間に位置し、前記ボールねじに固定されたプーリと、
該プーリの周面に当接する可動子を備え、前記プーリを回転駆動する超音波リニア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 pair of bearings rotatably supporting the ball screw;
A pulley positioned between the pair of bearings and fixed to the ball screw;
An apparatus for positioning a stage , comprising: a mover that contacts the peripheral surface of the pulley; and an ultrasonic linear motor that rotationally drives the pulley .
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.
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 pair of bearings includes a first angular bearing and a second angular bearing,
Furthermore, 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 included in 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リニア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 linear 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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