JPH04117186A - 高精度移動ステージ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、高精度移動ステージ装置に関し、更に詳細に
は、圧電素子の持つ非直線性をソフトウェアで補正する
ことにより、位置決め終了時に振動することなく、しか
も高精度な位置決めのできる高精度移動ステージ装置に
関する。

［従来の技術］ 従来、高精度移動ステージ装置としては、特開昭５８−
５００８号公報に示されているような装置があった。こ
の高精度移動ステージ装置によれば、モータ、減速歯車
、軸受、送りねじ、案内等によるステージ駆動機構と、
ステージとの連結部に圧電効果を利用した微動変位素子
が設けられている。この微動変位素子は、一般のオープ
ンループによる制御では、広範囲にわたる直線性を得る
ことができず、そのため、次の如くフィードバック制御
により移動位置の制御がなされる。まず、検出部によっ
てステージの軸方向の変化や送出ムラが検出され、それ
ぞれの目標値と比較された差値が電気的入力として素子
に与えられ、ステージの動作が補正制御される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、前述のようなステージの軸方向の移動量
の情報を絶えずフィードバックさせ、常時その誤差を零
とすべく駆動電圧を与える方法では次の欠点がある。即
ち、所望の位置にステージが移動した後も、絶えず上記
フィードバック制御が行なわれる。このとき、空気振動
等の外界の振動が付与されると、その誤差を補うべく圧
電素子の電圧を変化させるため、結果として、オーバー
シュートを繰り返し振動する。この振動の継続時間はオ
ーブンループに比べはるかに長く続く。従って、例えば
数オングストロームの分解能で測定することができる粗
さ測定装置等に従来の方法を用いた場合には、微量の振
動が測定誤差として現れ、正しい測定が行なわれないと
いう問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、振動を起こすことなく、しかも直線性のある
を高精度な位置決めを行なうことができる高精度移動ス
テージ装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、本発明の高精度移動ステー
ジ装置は、圧電素子を利用したステージ駆動機構と、予
め作成された電圧データテーブルと、所定の位置に前記
ステージを移動させるために必要な電圧を電圧データテ
ーブルに基づき圧電素子に印加した状態で、そのときの
前記ステージの微小変位量を測定する変位測定手段と、
測定された前記ステージの移動量と目標移動量との演算
から電圧データテーブルを補正する補正手段とを有する
ことを特徴とする。

前記変位測定手段として、前記ステージへ向けて光を照
射して前記ステージからの反射光を受光し、形成される
計測ビート信号と、基準ビート信号周波数または位相の
ずれに基づき測定する光干渉式のものを用いることが好
ましい。

［作用］ 上記の構成を有する本発明によれば、予め記憶された電
圧データテーブルを読み取り、圧電素子に電圧を印加す
る。ステージは圧電素子の圧電効果により移動する。こ
の時のステージの移動量を変位測定手段を用いて測定す
る。次に、補正手段を用いて、ステージの移動量と目標
移動量との演算から電圧データテーブルを補正する。こ
れらの操作によって、高精度な位置決めのできる高精度
移動ステージ装置の電圧データテーブルが新たに作成さ
れる。

［実施例］ 以下、本発明の高精度移動ステージ装置の実施例につい
て図面を参照して説明する。

第１図は本装置の全体構成を示す図である。土台１の上
にはステージ２が図中の左右方向に移動可能に取り付け
られている。この上台１の右端には突部１ａが設けられ
、この突部１ａとステージ２の右端の間には、左右方向
に圧縮伸長可能な圧電素子３が取り付けられている。ま
た、土台１のステージ２の左端には、突部１ｂが設けら
れ、この突部１ｂとステージ２の左端との間には圧縮状
態のコイルバネ１１が設けられている。ステージ２の左
端面、すなわち、測定面２ａは鏡面処理が施されている
。

電子制御装置６は、ＣＰＵ７、ＲＯＭ８、ＲＡＭ９など
から構成されたいわゆるマイクロコンピュータであって
、電圧データテーブルを補正する補正手段を含んでいる
。ＣＰＵ７は、ＲＯＭ８またはＲＡＭ９の記憶機能を利
用しつつ、予めＲＯＭ８に記憶されたプログラムに従っ
て入力信号を処理し、ステージ駆動回路５に出力信号を
出力する。ステージ駆動回路５内では、ＣＰＵ７で処理
されたデジタル信号がＤ／Ａ変換器（不図示）によりア
ナログ電圧に変換され、その電圧が圧電素子３に印加さ
れる。

光波干渉式変位計４は、測定面２ａを照射する光源（不
図示）と、その面からの反射光を受光するフォトセンサ
（不図示）と、その反射光を受光し形成される計測ビー
ト信号と基準ビート信号との周波数および位相のずれを
検出する検出回路１０とを備えている。

本実施例では、上記光波干渉式変位計４として、数オン
グストロームの分解能で測定面２ａの変位を検出するこ
とのできるもの、例えば、特願昭６３−３１１５２号の
願書に添付された明細書及び図面に記載のものを採用し
ている。上記検出回路１０では、反射光の周波数および
位相のずれ量を計数し、変位情報として電子制御装置６
から読み取れるようになっている。

第２図で検出回路１ｏの構成を説明する。図において、
計測ビート信号ＤＳ１および基準ビート信号ＢＳＩは、
増幅機能および波形整形機能を有する波形整形器６６お
よび６８により矩形のパルス波形に整えられた後、第１
カウンタ７０および第２カウンタ７２へ供給されてそれ
ぞれ計数される。すなわち、第１カウンタ７０では計測
ビート周波数ｆｈｄを備えた計測ビート信号ＤＳＬが計
数されるとともに、第２カウンタ７２では基準ビート周
波数ｆｈｂを備えた基準ビート信号ＢＳ１が計数される
。

第１カウンタ７０の計数値Ｃｄおよび第２カウンタ７２
の計数値ｃｂは、所定の計数期間が終了すると同時に第
１ラツチ７４および第２ラツチ７６において一時記憶さ
れるとともに、符号反転回路７８において正負が反転さ
せられた第２ラツチ７６の記憶内容と第１ラツチ７４の
記憶内容とが加算器８０において加算される。すなわち
、第１ラツチ７４の記憶内容から第２ラツチ７６の記憶
内容が引算され、その引算の結果（Ｃｄ−Ｃｂ）が第３
ラツチ８２に一時記憶される。この記憶内容（Ｃｄ−Ｃ
ｂ）は、計測ビート周波数ｆｈｄと基準ビート周波数ｆ
ｈｂとの差であり、ステージ２の単位時間当りの移動量
を表わしている。ここで、使用しているレーザ波長をλ
とすると、ステージ２の移動量は次の（１）式で算出さ
れる。

（λ／２）Ｘ　（Ｃｄ−Ｃｂ）　　　・・・　（１）次
に、第３図に従い本実施例の動作を説明する。

まず、ステップ８１（３１と略記、以下同様）で、電圧
データテーブル番号ｉを１に初期化し、この状態を原点
とする。Ｓ２では、電圧データテーブルＶ　［ｉ］の値
を読み取り、そのデジタル信号をステージ駆動回路５に
出力する。ステージ駆動回路５では、その信号に対応す
るアナログ電圧を圧電素子３に印加し、圧電素子３はそ
の結果、圧電効果により変位する。そして、その変位量
はステージ２に伝わりその結果、ステージ２は原点から
Ｌ　［ｉ］だけ移動する。Ｓ３では、ＣＰＵ７はこの移
動後に光波干渉式変位計４内の第３ラツチ８２の内容を
読み取り、ＲＡＭ９に記憶する。Ｓ４では、ｉに１を加
える。Ｓ５においては、ｉが２Ｎより大きいかを比較し
て、大きい場合はＳ６に進行し、大きくない場合はＳ２
に戻る。つまり、電圧データテーブルＶ　［ｉ］に応じ
たステージ２の移動量Ｌ　［ｉ］の測定を２Ｎ回繰り返
す。ここで、８１〜Ｓ５で測定された結果を第４図（ｂ
）に示す。なお、第４図（ａ）はＶ　［ｉ］の初期状態
を示す図で、Ｖ　［ｉ］は次の（２）式および（３）式
で与えられるものである。

１≦に≦Ｎのとき Ｖ　［ｉ］　＝ｉＸΔＶ　　　　　　　・・・　（２）
Ｎ＋１≦に≦２Ｎのとき ［ｉ］　＝　（２Ｎ−ｉ）ＸＪＶ　　　　・・・　（３
）第４図（ａ）と第４図（ｂ）から明かなように、ｉに
対してＶ　［ｉ］の値は一定量で変化しているが、Ｌ　
［ｉ］の値は一定量で変化していない。これは、圧電素
子の持つ特性によるものである。

Ｓ６に進行すると、電圧データテーブル番号ｉを１に初
期化する。ここで、第５図は第４図（ａ）と第４図（ｂ
）とをＶ　［Ｎ］　＝Ｌ　［Ｎコとなるように重ね合わ
せた図である。以下、８７〜Ｓ１５まで第５図を参照し
ながら説明する。Ｓ７で、（ｉ／Ｎ）ｘＬ　［Ｎ］　”
Ｌ　［ｋ］　　　・・・　（４）（４）式を満たすよう
なｋの値を（１≦に≦Ｎ）の範囲において求める。そし
て、Ｓ８で、Ｖ　［ｉ］　＝Ｖ　［ｉ］　＋　（ｋ−ｉ
）ＸＪＶ・・　　（５） （５）式のように電圧データテーブルＶ　［ｉ］を補正
する。Ｓ９では、ｉに１を加える。ＳＩＯにおいては、
ｉがＮより太きいがを比較して、大きい場合はＳｌｌに
進行し、大きくない場合はＳ７に戻る。Ｓｌｌに進行す
ると、ｉをＮ＋１に初期化する。続いてＳ１２で、 （（２Ｎ−ｉ）／Ｎ）ｘＬ　［Ｎ］　＝Ｌ　［ｋ］・・
・　（６） （６）式を満たすようなｋの値を（Ｎ＋１≦に≦２Ｎ）
の範囲において求める。そして、Ｓ１３で、Ｖ［ｉ　コ
　＝Ｖ［ｉ　コ　−　（ｋ−ｉ）　　ＸＡＶ・・・　（
７） （７）式のように電圧データテーブルＶ　［ｉ］を補正
する。Ｓ１４では、ｉに１を加える。Ｓ１５においては
、ｉが２Ｎより大きいかを比較して、大きい場合は補正
値作成処理を終了する。一方、８１５において、ｉが２
Ｎより大きくない場合はＳ１２に戻る。

最後に、８６〜Ｓ１５で補正された電圧データテーブル
Ｖ　［ｉ］の結果を第６図（ａ）に示す。

そして、この補正された電圧データテーブルを用いて位
置制御した結果を第６図（ｂ）に示す。これにより、新
たに作成された電圧データテーブルＶ　［ｉ］を出力す
ることによって、電圧データテーブル番号ｉに対して直
線性のあるステージの移動量Ｌ　［ｉ］が得られること
がわかる。

このようにして補正された電圧データテーブルＶ　［ｉ
］は不図示の外部記憶装置あるいは不揮発性ＲＡＭに記
憶される。

また、外的振動や負荷等の測定条件が異なる場合は、前
記８１〜Ｓ１５の操作を行い電圧データテーブルを補正
する。これにより、測定結果が前記測定条件の変化に影
響されることがなくなる。

尚、本実施例は、その主旨を逸脱しない範囲内において
種々の変更が可能である。例えば、圧電素子３、ステー
ジ２、および変位計４よりなるユニットを互いに直交す
る位置に３つ配置すると、３次元高精度移動ステージ装
置が得られる。また、前記３次元高精度移動ステージ装
置においてステージの上方に別の変位計を設けることに
より、３次元高精度位置決め機能を有する粗さ測定装置
が得られる。更に上記の高精度移動ステージ装置自身を
他の高変位の移動ステージ装置上に固定することにより
高変位且つ高精度の移動ステージ装置を構成することも
可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、補正された電圧データテーブルを用いて位置決めを行
う装置なので、従来装置のような位置決め終了時にステ
ージが振動することがなく、かつ、フィードバックする
ための特別な回路を必要としないので構成が簡単で、コ
ストも低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第６図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は、本実施例のシステムの構成を示す
説明図であり、第２図は、検出回路の構成を示すブロッ
ク図であり、第３図は、本装置の電圧データテーブルの
補正手順を説明するためのフローチャートを表わす図で
あり、第４図は、補正前の電圧データテーブル番号に対
する電圧量を示す図と電圧データテーブル番号に対する
ステージの移動量を示す図であり、第５図は、補正方法
を説明する図であり、第６図は、補正後の電圧データテ
ーブル番号に対する電圧量を示す図と電圧データテーブ
ル番号に対するステージの移動量を示す図である。 図中、２はステージ、３は圧電素子、４は光波干渉式変
位計（変位測定手段）、５はステージ駆動回路、６は電
子制御装置（補正手段）である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電素子を利用したステージ駆動機構と、予め作成
   された電圧データテーブルと、 所定の位置に前記ステージを移動させるために必要な電
   圧を電圧データテーブルに基づき圧電素子に印加した状
   態で、そのときの前記ステージの微小変位量を測定する
   変位測定手段と、 測定された前記ステージの移動量と目標移動量との演算
   から電圧データテーブルを補正する補正手段と を有することを特徴とする高精度移動ステージ装置。