JP5341554B2 - 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、ステージの位置決め制御を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、サブミクロン単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や、半導体分野および光学分野の検査装置の微少位置決め用に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頻繁に使用されている。このような状況下において、圧電アクチュエータ素子を用いた微動ステージ装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の微動ステージ装置の位置決め制御方法は、指令値と微動ステージの現在位置検出手段の検出値との偏差を演算し、偏差が圧電アクチュエータの制限電圧値に基づく予め定めた粗動ピッチより大きい場合には、開ループ制御を実行し、偏差が粗動ピッチより小さい場合には、閉ループ制御を実行する。これにより、圧電アクチュエータを破壊することなく、指令値に応じた位置にステージを短時間で移動させている。

また、位置決め制御の分野では、位置決め時に速度を含めて制御しようとする技術も提案されている（たとえば、特許文献２および特許文献３参照）。特許文献２記載の圧電体制御装置は、圧電体における等価容量を圧電体に印加される電圧と対応させた情報を記憶し、データに基づき圧電体に注入・放出させる電荷量を演算し、演算結果に基づいて、圧電体に電流を注入・放出させ、圧電体の速度を制御している。このように圧電体の等価容量を用いて制御の精度を向上させている。

特許文献３記載のヘッド位置決め制御装置は、ヘッドの再生信号からヘッド位置信号を出力し、ＶＣＭおよびＭＡを制御している。すなわち、ヘッドの再生信号から互いに分解能の異なる微細位置信号と概略位置信号とを出力し、微細位置信号に基づいてＭＡの制御量を演算し、概略位置信号に基づいてＶＣＭの制御量を演算している。このように、２つのアクチュエータによる位置決め制御を、ＭＡの変位が粗動制御系の外乱にならず、ＭＡが動作範囲を超えないように行っている。

特開２００３−２８８１２１号公報 特開平５−３２７０５２号公報 特開２００６−１４７１１６号公報

しかし、上記のような位置決め装置では、高分解能な制御は可能であるものの、適正な位置決め速度や目標位置までの位置決め過程における位置誤差の低減については十分に追求されていない。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、特定の位置決め速度に基づいて、位置決め過程についても移動量を制御することで、位置決め過程の位置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している。

（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、位置検出を伴う閉ループでステージの位置決め制御をする位置決め制御ユニットであって、特定の位置決め速度に基づいて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、特定の移動速度によって１制御周期あたりの操作量を算出でき、位置決め過程において移動量を制御できる。その結果、位置決め動作による振動を抑制することができる。また、位置決め装置の応答周波数に応じた最適な立ち上がり時間となる駆動信号を印加することができる。その結果、位置決めの精度を向上させることができる。

（２）また、本発明の位置決め制御ユニットは、１制御周期ごとに位置検出する位置検出部を更に備え、前記操作量算出部は、前記特定の位置決め速度を維持するように前記検出された位置に応じて１制御周期あたりの操作量を算出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、検出された位置をもとに１制御周期あたりの操作量を算出する。このように、一定速度での移動を可能とし、位置決め過程における位置の誤差を最小にすることができる。これにより、精度よく応答の速い位置決めを実現できる。

（３）また、本発明の位置決め制御ユニットは、前記出力制御部が、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、さらに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。

（４）また、位置検出を伴う閉ループでステージの位置決め制御をする位置決め制御方法であって、１制御周期ごとに位置検出するステップと、特定の位置決め速度に基づいて１制御周期あたりの操作量を算出するステップと、前記算出された操作量を出力するステップと、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ステップと、前記アナログ信号により圧電素子を駆動させるステップと、を含むことを特徴としている。これにより、位置決め動作による振動を抑制することができ、位置決めの精度を向上させることができる。

（５）また、本発明の位置決め制御プログラムは、位置検出を伴う閉ループでステージの位置決め制御をする位置決め制御プログラムであって、特定の位置決め速度に基づいて１制御周期あたりの操作量を算出する処理と、前記算出された操作量を出力する処理と、をコンピュータに実行させ、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し、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、位置決め動作による振動を抑制することができ、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、位置決め動作による振動を抑制し、位置決めの精度を向上させることができる。

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。

（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。以下に説明する実施形態は一例であって、必ずしも本発明がこれに限定されることを意味しない。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、入力部１１１は、ユーザからの位置と位置決め速度を指定する入力を受け付ける。コントローラ１２０（位置決め制御ユニット）は、１制御周期あたりの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、入力された移動量とステージの現在位置との差から全操作量を算出する。そして、指定された位置決め速度および１制御周期の時間から１制御周期の操作量を算出する。その際には、Ｄ／Ａ変換部１２４の分解能の１／ｎの単位の精度で操作量を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。このようにして、１制御周期あたりの移動量を適正に維持しつつ、全移動量の精度を高めている。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。１制御周期の操作量を一定にすることにより、位置決め過程における位置の誤差を最小にし、精度よく応答の速い位置決めを実現できる。なお、特定の位置決め速度は、ユーザにより指定されたものであってもよいし、制御により得られる速度であってもよい。たとえば、全操作量をその必要な制御周期数で割って得られる値を特定の位置決め速度としてもよい。

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が出力する信号を所定の倍率で増幅して、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（位置検出部）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。位置決め装置１００の動作は位置決め動作を伴う閉ループの制御である。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に出力すべき全操作量を算出する（ステップＳ２）。そして、１制御周期あたりの操作量を指定された位置決め速度から算出する（ステップＳ３）。１制御周期ごとに操作量を制御することで、振動を防止することができる。次いで、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Ｓ４）、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Ｓ５）。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Ｓ６）、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Ｓ７）、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Ｓ８）。圧電素子の駆動がｎ回終了してない場合には、ステップＳ６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Ｓ９）。

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Ｓ１０）。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Ｓ１１）、ステップＳ２に戻る。ステップＳ２〜Ｓ１１が１制御周期である。なお、上記の例では、ステップＳ４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、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。

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。

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 (4)

1. 位置検出を伴う閉ループでステージの位置決め制御をする位置決め制御ユニットであって、
   特定の位置決め速度に基づいて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、分割時間ごとにＤ／Ａ変換の分解能単位で出力のＯＮ／ＯＦＦを制御する出力制御部と、
   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する位置決め制御ユニット。
2. １制御周期ごとに位置検出する位置検出部を更に備え、
   前記操作量算出部は、前記特定の位置決め速度を維持するように前記検出された位置に応じて１制御周期あたりの操作量を算出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. 位置検出を伴う閉ループでステージの位置決め制御をする位置決め制御方法であって、
   １制御周期ごとに位置検出するステップと、
   特定の位置決め速度に基づいて１制御周期あたりの操作量を算出するステップと、
   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、分割時間ごとにＤ／Ａ変換の分解能単位で出力のＯＮ／ＯＦＦを制御するステップと、
   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ステップと、
   前記アナログ信号により圧電素子を駆動させるステップと、を含むことを特徴とする位置決め制御方法。
4. 位置検出を伴う閉ループでステージの位置決め制御をする位置決め制御プログラムであって、
   特定の位置決め速度に基づいて１制御周期あたりの操作量を算出する処理と、
   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、分割時間ごとにＤ／Ａ変換の分解能単位で出力のＯＮ／ＯＦＦを制御する処理と、をコンピュータに実行させ、
   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し、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する位置決め制御プログラム。
   

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