致動器的位置計算裝置和位置計算方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種致動器的位置計算裝置和位置計算方法，即使移動量檢測傳感器的分辨率比移動機構(gòu)的最小移動量小，也可以高精度地計算移動機構(gòu)的位置，可以實現(xiàn)致動器的成本降低。具有與每最小移動量ΔM生成的控制信號Ma～Mc、M0～M11成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)和以最小分辨率ΔS（其中，Ａ＝ΔＳ／ΔＭ≥2）檢測移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器的致動器的位置計算裝置具有：位置計算單元，其在設(shè)移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的控制信號為M0且設(shè)傳感器信號為S0時，根據(jù)傳感器信號為（Ｓ0＋ｍ×ΔＳ）或者（Ｓ0－ｍ×ΔＳ）的時刻T1時的控制信號（其中，m是1以上的自然數(shù)）計算在目標(biāo)位置處的移動機構(gòu)的位置SA。
【專利說明】致動器的位置計算裝置和位置計算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在掃描型探針顯微鏡的試樣載置臺的驅(qū)動等中使用的致動器的位置計算裝置、位置計算方法和位置計算程序。

【背景技術(shù)】
[0002]掃描型探針顯微鏡是使安裝在懸臂的前端的探針接近或接觸試樣表面而測定試樣的表面形狀的顯微鏡。作為掃描型探針顯微鏡的測定模式，公知有:(I)將探針和試樣之間的原子間力保持恒定來測定試樣的表面形狀的接觸模式；(2)通過壓電元件等使懸臂在諧振頻率附近進(jìn)行強制振動，在使探針接近試樣時，利用通過兩者之間的斷續(xù)接觸而使探針的振幅衰減來測定試樣的形狀的方法(以下合適稱為“動態(tài)力模式(DFM測定模式，Dynamic Force Mode)”)。
[0003]并且，掃描型探針顯微鏡具有由在xy (平面)方向上掃描試樣的壓電元件和在z(高度)方向上掃描試樣的壓電兀件構(gòu)成的致動器，在配置于致動器上的試樣載置臺的表面載置有試樣。由于施加給壓電元件的電壓和壓電元件的位移在某種程度上成比例，因而可以從施加給壓電元件的電壓來計算試樣表面的高度信息。然而，由于壓電元件的動作特性具有滯后和蠕變，因而根據(jù)施加電壓求出壓電元件的正確位置是困難的。因此，開發(fā)出了利用與壓電元件分開設(shè)置的傳感器來檢測壓電元件的Z方向的位移的技術(shù)(參照專利文獻(xiàn)I)。
[0004]【專利文獻(xiàn)I】日本特開平9- 80060號公報
[0005]然而，一般，傳感器的位置檢測分辨率比壓電元件的最小移動量(移動分辨率)低，當(dāng)要正確求出壓電元件的微小位置時，需要高分辨率的昂貴的傳感器，涉及到成本增高。并且，在傳感器的分辨率比壓電元件的移動分辨率低的情況下，由于位置的檢測精度受傳感器的分辨率限制，因而不能發(fā)揮壓電元件的高的移動分辨率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是為了解決上述課題而作成的，本發(fā)明的目的是提供一種即使移動量檢測傳感器的分辨率比移動機構(gòu)的移動分辨率小，也可以高精度地計算移動機構(gòu)的位置、可以實現(xiàn)致動器的成本降低的致動器的位置計算裝置、位置計算方法和位置計算程序。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的致動器的位置計算裝置，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率AS檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Δ MS 2，所述致動器的位置計算裝置具有:信號取得單元，其每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和位置計算裝置，其當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO、而且設(shè)所述傳感器信號為SO時，根據(jù)所述傳感器信號為SO+mXA S或者SO —m ΧΔ S的時刻Tl時的所述控制信號、和/或Tl的前一個的所述控制信號，來計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA，其中，m是I以上的自然數(shù)。
[0008]根據(jù)該致動器的位置計算裝置，即使移動量檢測傳感器的分辨率比移動機構(gòu)的最小移動量小，也可以高精度地計算移動機構(gòu)的位置，可以實現(xiàn)成本降低。
[0009]所述位置計算單元可以利用下述式1: S A = (S O + Λ S / 2) - Δ S X (2η-1) / 2 A來計算所述位置SA，其中，η是從MO到Tl的前一個的所述控制信號的生成次數(shù)，1≤ η Sm X A。
[0010]并且，本發(fā)明的致動器的位置計算裝置，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率AS檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Δ MS 2，其中，所述致動器的位置計算裝置能夠根據(jù)所述控制信號計算所述移動機構(gòu)的估算位置，并具有:信號取得單元，其每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和位置計算裝置，其當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO時，(i)根據(jù)分別屬于彼此不同的至少I個以上的所述傳感器信號的所述控制信號，針對每個同一所述傳感器信號分別計算所述移動機構(gòu)的估算位置的最小值和最大值，(ii)求出通過以所述最小值和所述最大值作為一方變量、以所述傳感器信號作為其它變量的回歸分析得到的直線或二次曲線與在MO時的所述估算位置相交的交點P，(iii)根據(jù)該交點P計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA。
[0011]當(dāng)傳感器信號變動時，傳感器信號沒有根據(jù)控制信號有規(guī)則地每AS上升，使用上述式I正確計算SA變得困難。因此，可以通過回歸分析高精度地計算SA。
[0012]本發(fā)明的致動器的位置計算方法，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率△ S檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Δ MS 2，其中，所述致動器的位置計算方法具有:信號取得過程，每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和位置計算過程，當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO、而且設(shè)所述傳感器信號為SO時，根據(jù)所述傳感器信號為S O + m X Λ S或者S O —m X Λ S的時刻Tl時的所述控制信號、和/或Tl的前一個的所述控制信號，計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA，其中，m是I以上的自然數(shù)。
[0013]所述位置計算過程可以利用下述式1: S A = (S O + Λ S / 2) - Δ S X (2η-1) / 2 A來計算所述位置SA，其中，η是從MO到Tl的前一個的所述控制信號的生成次數(shù)，I ≤ η Sm X A。
[0014]并且，本發(fā)明的致動器的位置計算方法，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率AS檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Δ M≥ 2，其中，所述致動器的位置計算方法能夠根據(jù)所述控制信號計算所述移動機構(gòu)的估算位置，并具有:信號取得過程，每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和位置計算過程，當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO時，(i)根據(jù)分別屬于彼此不同的至少I個以上的所述傳感器信號的所述控制信號，針對每個同一所述傳感器信號分別計算所述移動機構(gòu)的估算位置的最小值和最大值，(ii)求出通過以所述最小值和所述最大值作為一方變量、以所述傳感器信號作為其它變量的回歸分析得到的直線或二次曲線與在MO時的所述估算位置相交的交點P，( iii )根據(jù)該交點P計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA0
[0015]本發(fā)明的致動器的位置計算程序，其是具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率AS (其中，A= Δ S / Δ 2)檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器的致動器的位置計算程序，其中，所述致動器的位置計算程序使計算機執(zhí)行:信號取得過程，每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和位置計算過程，當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO、而且設(shè)所述傳感器信號為SO時，根據(jù)所述傳感器信號為(S 0+m ΧΔ
S)或者(S O —m X Λ S )的時刻Tl時的所述控制信號、和/或Tl的前一個的所述控制信號(其中，m是I以上的自然數(shù))計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA。
[0016]所述位置計算過程可以利用下述式1: S A = (S O + Λ S / 2) - Δ S X (2η — I) / 2 A (其中,η是從MO到Tl的前一個的所述控制信號的生成次數(shù),I≤n ≤m XA)計算所述位置SA。
[0017]并且，本發(fā)明的致動器的位置計算程序，其是具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率AS (其中，A= Δ S / ΔMS 2)檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器的致動器的位置計算程序，其中，所述致動器的位置計算程序能夠根據(jù)所述控制信號計算所述移動機構(gòu)的估算位置，并使計算機執(zhí)行:信號取得過程，每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和位置計算過程，當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO時，(i)根據(jù)分別屬于彼此不同的至少I個以上的所述傳感器信號的所述控制信號，針對每個同一所述傳感器信號分別計算所述移動機構(gòu)的估算位置的最小值和最大值，(ii)求出通過以所述最小值和所述最大值作為一方變量、以所述傳感器信號作為其它變量的回歸分析得到的直線或二次曲線與在MO時的所述估算位置相交的交點P，(iii)根據(jù)該交點P計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，即使移動量檢測傳感器的分辨率比移動機構(gòu)的移動分辨率低，也可以高精度地計算移動機構(gòu)的位置，可以實現(xiàn)致動器的成本降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是具有本發(fā)明的第I實施方式涉及的致動器的位置計算裝置的掃描型探針顯微鏡的框圖。
[0020]圖2是示出利用第I實施方式的致動器的位置計算裝置計算壓電元件(移動機構(gòu))的z方向的位置的處理的圖。
[0021]圖3是圖2的部分放大圖。
[0022]圖4是示出利用第2實施方式的致動器的位置計算裝置計算壓電元件(移動機構(gòu))的z方向的位置的處理的圖。
[0023]圖5是圖4的部分放大圖。
[0024]標(biāo)號說明
[0025]1:致動器；lb:移動機構(gòu)(壓電元件)；2b:移動量檢測傳感器(光學(xué)傳感器)；17:致動器的位置計算裝置(控制部、信號取得單元、位置計算單元)；Ma~Me、MO~Mll:控制信號；S0~S2:傳感器信號；L2:直線(外插直線)；100:掃描型探針顯微鏡。

【具體實施方式】
[0026]以下，參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的實施方式。
[0027]<第I實施方式涉及的致動器的位置計算裝置>
[0028]圖1是具有本發(fā)明的第I實施方式涉及的致動器的位置計算裝置17的掃描型探針顯微鏡100的框圖。
[0029]在圖1中，掃描型探針顯微鏡100具有以下等:懸臂11，其在前端具有探針22 ;載置臺5，其載置與探針22對置配置的試樣10 ;圓筒形的致動器1，其使試樣10 (載置臺5)三維移動；懸臂激振部12，其向懸臂11賦予振動；激振電源13，其用于驅(qū)動懸臂激振部12 ；以及控制部(致動器的位置計算裝置)17。
[0030]致動器I具有在xy (試樣10的平面)方向上掃描試樣10的壓電元件la、和在z(高度)方向上掃描試樣10的壓電元件(相當(dāng)于權(quán)利要求書的“移動機構(gòu)”)lb，而且在致動器I中載置臺5的里面?zhèn)劝惭b有反射鏡2a。壓電元件Ia與XY驅(qū)動電源18連接，向XY驅(qū)動電源18輸出預(yù)定的控制信號(電壓)而朝xy方向驅(qū)動壓電元件la。同樣，壓電元件Ib與Z驅(qū)動電源19連接，向Z驅(qū)動電源19輸出預(yù)定的控制信號(電壓)而朝z方向驅(qū)動壓電元件lb。壓電元件是當(dāng)施加了電場時結(jié)晶失真、當(dāng)利用外力使結(jié)晶強制性失真時產(chǎn)生電場的元件，作為壓電元件，一般可以使用陶瓷的一種即PZT (鈦酸鋯酸鉛)，然而不限于此。
[0031]在致動器I的內(nèi)部配置有光學(xué)傳感器(移動量檢測傳感器)2b，從光學(xué)傳感器2b出射到反射鏡2a的光被反射而回到光學(xué)傳感器2b，從而檢測試樣10的z方向的位置(位移)。光學(xué)傳感器2b由例如光纖和光學(xué)干涉計構(gòu)成。移動量檢測傳感器不特別限定，可以是其它的光學(xué)式傳感器、靜電電容傳感器、失真計等的電氣式傳感器。
[0032]控制部17由例如個人計算機等構(gòu)成，具有:用于控制掃描型探針顯微鏡100的動作的控制基板、CPU (中央控制處理裝置、權(quán)利要求書的“信號取得單元”)、“位置計算單元”)、ROM、RAM等的存儲單元、接口、操作部等。
[0033]然后，從激光光線照射部14向懸臂11照射激光光線，從懸臂11反射的激光光線入射到光檢測器(photo detector) 15,由懸臂位移檢測部16從該入射位置檢測懸臂11的位移量。然后，根據(jù)由懸臂位移檢測部16檢測出的懸臂11的位移，從控制部17向Z驅(qū)動電源19輸出預(yù)定的控制信號來驅(qū)動壓電元件Ib，控制探針22與試樣10在Z方向的相對位置。即，使用上述機構(gòu)檢測由在試樣10與探針22之間起作用的原子間力產(chǎn)生的懸臂11的位移，以將懸臂11的位移量保持恒定的方式控制探針22與試樣10的相對位置。
[0034]下面，參照圖2、圖3、表I，對計算控制部17的壓電元件(移動機構(gòu))的z方向的位置的處理進(jìn)行說明。另外，表I是圖2的曲線圖的數(shù)據(jù)。
[0035]圖2示出輸出到壓電元件Ib的控制信號(=壓電元件Ib的估算位置)與光學(xué)傳感器2b的傳感器信號(=壓電元件Ib的測定位置)的關(guān)系。由于壓電元件Ib的微小位移與控制信號(電壓)成比例，因而可以根據(jù)控制信號計算壓電元件Ib的估算位置。不過，由于壓電元件Ib的動作特性具有滯后和蠕變，估算位置不是壓電元件Ib的真值，因而利用光學(xué)傳感器2b來求出壓電元件Ib的正確位置。
[0036]這里，當(dāng)設(shè)壓電元件Ib的最小移動量(移動分辨率)為Λ Μ，設(shè)光學(xué)傳感器2b的最小分辨率為AS時，假定存在A= AS/Δ MS 2的關(guān)系，并且光學(xué)傳感器2b的位置檢測分辨率比壓電兀件Ib的移動分辨率低。
[0037]優(yōu)選的是2<A< 100000，更優(yōu)選的是21000。另外，壓電元件Ib示出例如10 μ m/100V的位移，作為最小移動量可以控制在10 μ V~100 μ V的范圍。因此，該壓電兀件Ib的移動分辨率Δ M為:
[0038]10 μ m:100V = Δ M:10μ V ~100μ V
[0039]Δ Μ=(0.0001 μν.V ~Ο.ΟΟμν.V) / 100V
[0040]= I ~1pm
[0041]另一方面，眾所周知，光學(xué)傳感器2b的分辨率一般是0.05~500mn (50~
500000pm)左右，特別是要求在掃描型探針顯微鏡中使用的光學(xué)傳感器2b的分辨率Λ S =
50~1000pm左右的高分辨率。因此，根據(jù)這些值得到:
[0042]A=AS/ ΔΜ=(50 ~1000pm) / (I ~1pm) = 5 ~1000
[0043]考慮到Λ M最大為0.1~10pm的范圍，Λ S最大為50~500000pm的范圍，由此，得到0.55000000的范圍，然而如果考慮掃描型探針顯微鏡中的實際的Λ M和
Δ S的范圍，則優(yōu)選的是2100000，更優(yōu)選的是21000。
[0044]并且，在圖2 的例子中，A = 5 ( Δ M= 100 μ V = 10pm，AS = 50pm)。
[0045]【表1】
[0046]

【權(quán)利要求】
1.一種致動器的位置計算裝置，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率△ S檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Δ MS 2，所述致動器的位置計算裝置具有: 信號取得單元，其每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和 位置計算裝置，其當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO、而且設(shè)所述傳感器信號為SO時，根據(jù)所述傳感器信號為S O + m X Λ S或者S O —m X Λ S的時刻Tl時的所述控制信號、和/或Tl的前一個的所述控制信號，來計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA，其中，m是I以上的自然數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器的位置計算裝置，其中，所述位置計算單元利用下述式I: S A = (S O + Δ S / 2) - Δ SX (2 η -1) / 2 A 來計算所述位置SA，其中，η是從MO到Tl的前一個的所述控制信號的生成次數(shù)，I ^n X A0
3.一種致動器的位置計算裝置，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率△ S檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Λ M≥2，其中， 所述致動器的位置計算裝置能夠根據(jù)所述控制信號計算所述移動機構(gòu)的估算位置，并具有: 信號取得單元，其每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和 位置計算裝置，其當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO時，(i)根據(jù)分別屬于彼此不同的至少I個以上的所述傳感器信號的所述控制信號，針對每個同一所述傳感器信號分別計算所述移動機構(gòu)的估算位置的最小值和最大值，(ii)求出通過以所述最小值和所述最大值作為一方變量、以所述傳感器信號作為其它變量的回歸分析得到的直線或二次曲線與在MO時的所述估算位置相交的交點P，(iii)根據(jù)該交點P計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA。
4.一種致動器的位置計算方法，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率△ S檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Δ MS 2，其中，所述致動器的位置計算方法具有: 信號取得過程，每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和 位置計算過程，當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO、而且設(shè)所述傳感器信號為SO時，根據(jù)所述傳感器信號為SO+mXA S或者SO—mXA S的時刻Tl時的所述控制信號、和/或Tl的前一個的所述控制信號，計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA，其中，m是I以上的自然數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致動器的位置計算方法，其中，所述位置計算過程利用下述式I: SA = CS O + Δ S / 2) - Δ SX (2 η -1) / 2 A計算所述位置SA，其中，η是從MO到Tl的前一個的所述控制信號的生成次數(shù)，I≤ η≤mXA0
6.一種致動器的位置計算方法，該致動器具有與每最小移動量AM生成的控制信號成比例地朝一個方向移動的移動機構(gòu)、和以最小分辨率△ S檢測所述移動機構(gòu)的移動量的移動量檢測傳感器，其中，A= Δ S / Λ M≥2，其中， 所述致動器的位置計算方法能夠根據(jù)所述控制信號計算所述移動機構(gòu)的估算位置，并具有: 信號取得過程，每AM取得所述控制信號，并取得所述移動量檢測傳感器的傳感器信號；和 位置計算過程，當(dāng)設(shè)所述移動機構(gòu)的目標(biāo)位置處的所述控制信號為MO時，(i)根據(jù)分別屬于彼此不同的至少I個以上的所述傳感器信號的所述控制信號，針對每個同一所述傳感器信號分別計算所述移動機構(gòu)的估算位置的最小值和最大值，(ii)求出通過以所述最小值和所述最大值作為一方變量、以所述傳感器信號作為其它變量的回歸分析得到的直線或二次曲線與在MO時的所述估算位置相交的交點P，(iii)根據(jù)該交點P計算在所述目標(biāo)位置處的所述移動機構(gòu)的位置SA。
【文檔編號】G05D3/12GK104076826SQ201410109862
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月28日
【發(fā)明者】繁野雅次, 脅山茂, 渡邊將史, 渡辺和俊 申請人:日本株式會社日立高新技術(shù)科學(xué)