次世代3軸精密ステージ用のサーフェスエンコーダの開発

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14102017
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 清野 慧 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (40005468)
• 研究分担者: 清水 浩貴 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50323043) ; 山中 将 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20292229) ; 高 偉 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (70270816)
• キーワード: 位置姿勢検出 / サーフェスモータ / 他自由度 / 角度情報 / 角度格子 / クローズドループ制御 / センサ / 高精度化

研究概要

本研究は既知の2次元周期関数に従って角度が変化する目盛り(2次元角度格子)と光学式の2次元角度センサを用い,角度出力から角度格子とセンサの面内の相対並進変位(XY変位)と回転変位(ヨー,θz)及び面外の回転姿勢変化(ロールθx,ピッチθy)を分離検出できるサーフェスエンコーダを3軸,または5軸の精密ステージに組み込むことでステージの高精度化を図り,その有効性を実証するものである.本年度は以下の研究成果を得た.
1.光学シミュレーションを発展させ,角度格子の位置および姿勢変化をマルチスポットビームで検出する際の受光面での光強度分布とその挙動を求められるようにした.このシミュレーションより,受光面に発生するマルチスポットがXY変位,θxθyθzの姿勢変化それぞれに対して特徴的な変化を示すことを明らかにした.これにより複数の受光部を適切な位置に配置した多素子型PD1つで5自由度の位置・姿勢を検出可能であることを示した.
2.2つのマルチビーム角度センサを位置検出に用いる面内3自由度駆動が可能なステージシステムにおいてモータの推力解析を行った.ステージモデルを構築し制御器を設計,実装することでXY100nm,θz0.5秒の駆動分解能と立ち上がり30ms,オーバーシュート0.6μm,整定時間20msでの安定駆動を実現した.
3.1本の固定ビームプローブと1本のスキャニングビームプローブを組みあわせ,走査プローブ停止時には3自由度の高速検出を可能とし,走査プローブ動作時には5自由度の検出を可能とする改良型5自由度サーフェスエンコーダを開発した.
4.高速工具サーボを高精度化して制御誤差5nm,カットオフ周波数3kHzまで特性を向上させた.超精密旋盤に高速工具サーボを搭載して直径55mm長さ150mmの円筒面全面に渡り波長100μm振幅100nmの2次元角度格子形状を創成した.

研究成果

• [文献書誌] 出島秀一, 高 偉, 矢内宏明, 清野彗: "サーフェスモータ駆動型多自由度ステージの位置決めの研究(第2報)-ステージのダイナミック制御による微小位置決め実験-"精密工学会誌. 69・3. 433-436 (2003)
• [文献書誌] W.Gao, S.Dejima, Y.Shimizu, S.Kiyono: "Precision Measurement of Two-Axis Positions and Tilt Motions Using a Surface Encorder"Annals of CIRP. 52・1. 435-438 (2003)
• [文献書誌] Yoji Watanabe, Wei Gao, Hiroki Shimizu, Satoshi Kiyono: "Analysis of a Surface Encoder in Wave Optics"Key Engineering Materials. 257-258. 219-224 (2004)
• [文献書誌] Wei Gao, Shuichi Deijma, Hiroaki Yanai, Kei Katakura Satoshi Kiyono, Yoshiyuki Tomita: "A Surface Motor-Driven Planar Motion Stage Integrated with an XYθ_z Surface Encoder for Precision Positioning"Precision Engineering. (In press). (2004)
• [文献書誌] M.Tano, W.Gao, S.Kiyono, M.Mito: "A Miniaturized Fast Tool Servo for Generating Micro-Structured Surface"Proceedings of euspen International Topical Conference. Vol.1. 73-76 (2003)
• [文献書誌] Shuichi DEJIMA: "Precision Positioning of a Planar Motion Stage"Proc. of The 1st International Symposium on Mechanical Science Based on Nanotechnology. 115-121 (2004)
• [文献書誌] 出島秀一, 高 偉, 渡辺 陽司, 清水浩貴, 清野 彗: "5自由度サーフェスエンコーダの高速化に関する研究"2003年度精密工学会秋季大会学術講演論文集. 435 (2003)
• [文献書誌] 出島秀一, 高 偉, 清野 彗: "サーフェスエンコーダによる位置・姿勢5自由度検出についての研究-検出誤差の低減-"日本機械学会東北支部第38期総会・講演会講演論文集. 136-137 (2003)
• [文献書誌] 出島秀一, 高 偉, 渡辺 陽司, 清水浩貴, 清野 彗: "5自由度サーフェスエンコーダの高速化に関する研究"2003年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. 435 (2003)
• [文献書誌] 出島秀一, 高 偉, 清野 彗, 冨田良幸: "サーフェスエンコーダを用いた平面モータの5自由度精密位置決め"2004年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集. (発表予定). (2004)
• [文献書誌] 平林 龍太郎, 田野 誠, 高 偉, 清野 彗: "3次元微細形状の転写加工に関する研究"2003年度精密工学会東北支部学術講演会. 9-10 (2003)