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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-16
(45)【発行日】2024-12-24
(54)【発明の名称】ヒステリシス補償のシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
G05D 3/12 20060101AFI20241217BHJP
H10N 30/20 20230101ALI20241217BHJP
G05D 3/00 20060101ALI20241217BHJP
H01J 37/20 20060101ALI20241217BHJP
【ＦＩ】
G05D3/12 Z
H10N30/20
G05D3/00 G
G05D3/12 W
H01J37/20 A
【請求項の数】
21
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2020189069
(22)【出願日】2020-11-13
(65)【公開番号】P2021082278
(43)【公開日】2021-05-27
【審査請求日】2023-08-02
(31)【優先権主張番号】16/686,011
(32)【優先日】2019-11-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】501233536
【氏名又は名称】エフ イー アイ カンパニ
【氏名又は名称原語表記】ＦＥＩ ＣＯＭＰＡＮＹ
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】エドウィン ロベルト マリア ヴェルシューレン
(72)【発明者】
【氏名】ポール タックス
【審査官】田中 友章
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－１８９２１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－１１９８４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－０９６０５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－２８８９１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－２６１０５７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０５Ｄ ３／１２
Ｈ１０Ｎ ３０／２０
Ｇ０５Ｄ ３／００
Ｈ０１Ｊ ３７／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の位置と第２の位置との間のパスを選択することと、ヒステリシス補償部分を含む駆動信号を、圧電材料を含むアクチュエータ要素に印加して、前記選択されたパスに沿ってオブジェクトを移動させることと、
前記選択されたパスに沿った前記アクチュエータ要素の方向の少なくとも１つの変化を識別することをさらに含み、前記ヒステリシス補償部分が、前記方向の変化に部分的に基づき、
前記アクチュエータ要素の前記方向は、前記アクチュエータ要素が変位する方向である、方法。
【請求項2】
前記方向の変化が、前記駆動信号の変化率の符号に基づいて識別される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記駆動信号が第１の値と第２の値の間で変化して、前記選択されたパスに沿って前記オブジェクトを移動させ、前記駆動信号の変化率の符号が変化するときに、前記駆動信号の前記ヒステリシス補償部分が変化する、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記ヒステリシス補償部分が、前記アクチュエータ要素のヒステリシスモデルに基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記アクチュエータ要素の前記ヒステリシスモデルが、補償されていない駆動信号によって前記第１の位置と前記第２の位置との間で作動されるときの前記アクチュエータ要素の位置の方程式を含む、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記ヒステリシスモデルの逆方程式を決定することをさらに含み、前記駆動信号の前記ヒステリシス補償部分が少なくとも部分的に逆方程式に基づく、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記アクチュエータ要素の前記ヒステリシスモデルを決定することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項8】
前記ヒステリシスモデルを決定することが、前記アクチュエータ要素の所定のヒステリシスパラメータに少なくとも部分的に基づいて高次多項式を決定することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記選択されたパスに沿った前記オブジェクトの動きが線形または回転である、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
前記駆動信号が電圧信号を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
位置決めシステムであって、アクチュエータ要素を備える駆動ユニットと、
制御システムであって、
第１の位置と第２の位置との間のパスを選択することと、
ヒステリシス補償駆動信号を生成することと、
前記ヒステリシス補償駆動信号をアクチュエータ要素に印加して、前記パスに沿ってオブジェクトを移動させることと、を行うように構成されている、制御システムと、を備え、
前記制御システムが、プロセッサと、前記プロセッサと通信するメモリユニットとをさらに備え、
前記プロセッサは、ヒステリシスモデルに基づいて前記ヒステリシス補償駆動信号を生成するように構成されており、
前記プロセッサは、
選択された前記パスに沿った前記アクチュエータ要素の方向の少なくとも１つの変化を識別することと、
前記方向の前記少なくとも１つの変化に基づいて、前記メモリユニットからヒステリシス補償信号を選択することと、
選択された前記ヒステリシス補償信号に基づいて、前記ヒステリシス補償駆動信号を生成することと、を行うように構成されており、
前記アクチュエータ要素の前記方向は、前記アクチュエータ要素が変位する方向である、位置決めシステム。
【請求項12】
前記メモリユニットが、前記アクチュエータ要素のヒステリシスモデルのデータを格納し、前記プロセッサがさらに、前記アクチュエータ要素の前記ヒステリシスモデルに基づいて前記ヒステリシス補償駆動信号を生成するように構成されている、請求項１１に記載の位置決めシステム。
【請求項13】
前記制御システムが、前記アクチュエータ要素の駆動信号を生成するように構成された信号生成器を備え、前記プロセッサが、前記駆動信号の変化率の符号に基づいて、前記方向の前記少なくとも１つの変化を識別するように構成されている、請求項１１に記載の位置決めシステム。
【請求項14】
前記制御システムが、複数の所定のヒステリシス補償駆動信号を含むルックアップテーブルをさらに備える、請求項１１に記載の位置決めシステム。
【請求項15】
前記アクチュエータ要素が圧電剪断要素であり、前記駆動ユニットが、圧電クランプ要素をさらに備え、
前記位置決めシステムが、前記オブジェクトを保持するように構成されたキャリア要素に結合された移動体要素をさらに備え、前記移動体要素が、前記駆動ユニットと係合し、前記パスに沿って前記オブジェクトを位置決めするために前記駆動ユニットに対して移動可能である、請求項１１に記載の位置決めシステム。
【請求項16】
請求項１１に記載の位置決めシステムを備える、走査型透過電子顕微鏡。
【請求項17】
駆動信号を印加して、圧電材料を含むアクチュエータ要素を第１の位置と第２の位置との間で移動させることと、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記アクチュエータ要素の動きに基づいて、前記アクチュエータ要素のヒステリシスモデルを決定することであって、前記ヒステリシスモデルを決定することは、前記アクチュエータ要素の方向の少なくとも１つの変化を識別することをさらに含む、ことと、
前記ヒステリシスモデルに基づいてヒステリシス補償信号を決定することと、
前記ヒステリシス補償信号を前記駆動信号に印加して、ヒステリシス補償駆動信号を生成することと、
前記ヒステリシス補償駆動信号を前記アクチュエータ要素に印加して、選択されたパスに沿ってオブジェクトを移動させることと、を含み、
前記アクチュエータ要素の方向は、前記アクチュエータ要素が変位する方向である、方法。
【請求項18】
前記ヒステリシスモデルを決定することが、前記アクチュエータ要素の所定のヒステリシスパラメータに少なくとも部分的に基づいて高次多項式を決定することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記アクチュエータ要素の前記方向は、前記アクチュエータ要素の変位の測定方向である、請求項１記載の方法。
【請求項20】
前記アクチュエータ要素の前記方向は、前記アクチュエータ要素の変位の測定方向である、請求項１１記載の位置決めシステム。
【請求項21】
前記アクチュエータ要素の前記方向は、前記アクチュエータ要素の変位の測定方向である、請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ヒステリシスを補償するために、圧電アクチュエータなどのアクチュエータを制御するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
圧電アクチュエータは、高剛性、低ドリフト、高速応答時間、および比較的大きい力を生成する能力を必要とする用途に最適である。しかしながら、圧電材料は、かなりの量のヒステリシスを示すことが知られている。これは、半導体処理および電子顕微鏡法など、サンプルおよび／またはツールを高精度で最小限の乱れで移動させ、位置決めする必要がある用途での圧電アクチュエータの使用に大きい障壁をもたらす可能性がある。したがって、圧電アクチュエータを制御するシステムおよび方法を改善する必要がある。
【発明の概要】
【0003】
本開示は、ヒステリシスを補償するために、圧電アクチュエータなどのアクチュエータを制御するための制御システムおよび方法に関する。代表的な実施形態では、本方法は、第１の位置と第２の位置との間のパスを選択することと、ヒステリシス補償部分を含む駆動信号をアクチュエータ要素に印加して、選択されたパスに沿ってオブジェクトを移動させることと、を含む。
【0004】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、本方法は、選択されたパスに沿ったアクチュエータ要素の方向の少なくとも１つの変化を識別することをさらに含み、ヒステリシス補償部分は、方向の変化に部分的に基づく。
【0005】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、方向の変化は、駆動信号の変化率の符号に基づいて識別される。
【0006】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、駆動信号は、第１の値と第２の値との間で変化して、選択されたパスに沿ってオブジェクトを移動させ、駆動信号の前記変化率の前記符号が変化するときに、駆動信号のヒステリシス補償部分が変化する。
【0007】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、ヒステリシス補償部分は、アクチュエータ要素のヒステリシスモデルに基づく。
【0008】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、アクチュエータ要素のヒステリシスモデルは、補償されていない駆動信号によって第１の位置と第２の位置との間で作動されるときのアクチュエータ要素の位置の方程式を含む。
【0009】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、本方法は、ヒステリシスモデルの逆方程式を決定することをさらに含み、駆動信号のヒステリシス補償部分は、少なくとも部分的に逆方程式に基づく。
【0010】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、本方法は、アクチュエータ要素のヒステリシスモデルを決定することをさらに含む。
【0011】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、ヒステリシスモデルを決定することは、アクチュエータ要素の所定のヒステリシスパラメータに少なくとも部分的に基づいて高次多項式を決定することをさらに含む。
【0012】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、選択されたパスに沿ったオブジェクトの動きは、線形または回転である。
【0013】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、アクチュエータ要素は圧電材料を含み、駆動信号は電圧信号を含む。
【0014】
別の代表的な実施形態では、位置決めシステムは、アクチュエータ要素を含む駆動ユニットと、第１の位置と第２の位置との間のパスを選択し、ヒステリシス補償駆動信号を生成し、ヒステリシス補償駆動信号をアクチュエータ要素に印加して、パスに沿ってオブジェクトを移動させるように構成されている、制御システムと、を備える。
【0015】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、制御システムは、プロセッサと、プロセッサと通信するメモリユニットと、をさらに備え、メモリユニットは、アクチュエータ要素のヒステリシスモデルのデータを格納し、プロセッサは、アクチュエータ要素のヒステリシスモデルに基づいてヒステリシス補償駆動信号を生成するように構成されている。
【0016】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、制御システムは、プロセッサと、プロセッサと通信するメモリユニットと、をさらに備え、メモリユニットは、ヒステリシス補償信号のデータを格納し、プロセッサは、ヒステリシス補償信号に基づいてヒステリシス補償駆動信号を生成するように構成されている。
【0017】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、プロセッサは、選択されたパスに沿ったアクチュエータ要素の方向の少なくとも１つの変化を識別することと、方向の少なくとも１つの変化に基づいてメモリユニットからヒステリシス補償信号を選択することと、選択したヒステリシス補償信号に基づいて、ヒステリシス補償駆動信号を生成することと、を行うように構成されている。
【0018】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、制御システムは、アクチュエータ要素の駆動信号を生成するように構成された信号生成器をさらに備え、プロセッサは、駆動信号の変化率の符号に基づいて少なくとも１つの方向の変化を識別するように構成されている。
【0019】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、制御システムは、複数の所定のヒステリシス補償駆動信号を含むルックアップテーブルをさらに備える。
【0020】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、アクチュエータ要素は圧電剪断要素であり、駆動ユニットは圧電クランプ要素をさらに備え、位置決めシステムは、オブジェクトを保持するように構成されたキャリア要素に結合された移動体要素をさらに備え、移動体要素は、駆動ユニットと係合し、パスに沿ってオブジェクトを位置決めするために駆動ユニットに対して移動可能である。
【0021】
別の代表的な実施形態では、走査型透過電子顕微鏡は、開示された実施形態のいずれかの位置決めシステムを備える。
【0022】
別の実施形態では、本方法は、駆動信号を印加してアクチュエータ要素を第１の位置と第２の位置との間で移動させることと、第１の位置と第２の位置との間のアクチュエータ要素の動きに基づいてアクチュエータ要素のヒステリシスモデルを決定することと、ヒステリシスモデルに基づいてヒステリシス補償信号を決定することと、ヒステリシス補償信号を駆動信号に印加してヒステリシス補償駆動信号を生成することと、ヒステリシス補償駆動信号をアクチュエータ要素に印加して、選択されたパスに沿ってオブジェクトを移動させることと、を含む。
【0023】
開示された実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、ヒステリシスモデルを決定することは、アクチュエータ要素の所定のヒステリシスパラメータに少なくとも部分的に基づいて高次多項式を決定することをさらに含む。
【0024】
別の代表的な実施形態では、システムは、走査型透過電子顕微鏡と、移動体要素と、移動体要素と係合し、駆動ユニットに対して移動体要素を移動させて走査型透過型電子顕微鏡に対してワークピースを位置決めするように構成された駆動ユニットとを備える位置決めシステムと、アクチュエータ要素を含む駆動ユニットと、 第１の位置と第２の位置との間のパスを選択し、ヒステリシス補償駆動信号をアクチュエータ要素に印加して、選択されたパスに沿って移動体要素を移動させるように構成された、プロセッサと、を備える。
【0025】
開示された技術の前述および他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明、添付図面を参照してより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】マルチビームシステムの代表的な実施形態を示す。
【図2A】電子顕微鏡システムの側面に取り付けられた位置決めシステムの代表的な実施形態の概略断面側面図を示す。
【図3】一実施形態による位置エンコーダの概略図を示す。
【図4A】一実施形態による、移動体要素と係合する駆動ユニットの正面図を示す概略図である。
【図5A】縦ピエゾ要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図5B】縦ピエゾ要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図6A】剪断ピエゾ要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図6B】剪断ピエゾ要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図7A】移動体要素と係合する駆動ユニットの一実施形態の例示的な駆動サイクルを示す。
【図7B】移動体要素と係合する駆動ユニットの一実施形態の例示的な駆動サイクルを示す。
【図7C】移動体要素と係合する駆動ユニットの一実施形態の例示的な駆動サイクルを示す。
【図7D】移動体要素と係合する駆動ユニットの一実施形態の例示的な駆動サイクルを示す。
【図9】制御システムの代表的な実施形態を示す概略ブロック図である。
【図10】縦ピエゾ要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図12】電界の印加により平行四辺形に変形した剪断ピエゾ要素の代表的な実施形態の斜視図である。
【図13B】電圧信号の一実施形態のグラフである。
【図16】スケーリングされた電圧とスケーリングされた変位の近似値を示し、スケーリングされた電圧が横軸にあり、スケーリングされた変位が縦軸にある、グラフである。
【図17】本明細書に記載の方法による、ヒステリシス補償に使用できる代表的な放物線を示すグラフである。
【図18A】鋸歯状の駆動信号を示すグラフである。
【図18B】ヒステリシス補償なしで駆動信号によって駆動されるピエゾ要素の変位挙動を示す。
【図19B】ヒステリシスのない電圧信号の方向の変化の間のピエゾ要素の線形伸長および収縮を示す。
【図20B】本明細書に記載の方法に従って修正された剪断要素電圧信号に重ね合わされた、一実施形態による修正されていない剪断要素電圧信号のグラフである。
【図21】ドライバユニットの剪断要素が、修正された電圧信号および修正されていない電圧信号で駆動されたときの、経時的な移動体要素の位置のグラフである。
【図22】ドライバユニットの剪断要素が、修正された電圧信号および修正されていない電圧信号で駆動されたときの、経時的な移動体要素の速度のグラフである。
【図23】開示された方法および装置を実施する際に使用するための代表的なコンピュータ制御システムを示す。
【図24】本明細書に記載のヒステリシス補償システムおよび方法を実施するための代表的な制御システムの概略ブロック図である。
【図25】本明細書に記載のヒステリシス補償システムおよび方法を実施するための制御システムの別の実施形態の概略ブロック図である。
【図26】基準コンデンサを用いてヒステリシス補償を実施するための制御システムの別の実施形態の概略ブロック図である。
【図27】基準コンデンサを用いてヒステリシス補償を実施するための制御システムの別の実施形態の概略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
本開示は、機器に対してワークピースを正確に位置決めするための位置決めシステム、およびそのようなシステムの制御方法に関する。本明細書に記載のシステムは、ワークピース（半導体ウェーハまたは生物学的サンプル）を、システムの制約に従って、ツールおよび／またはワークピースが様々な角度で位置決めされ得るプロセスチャンバ内で、１つ以上のツール（例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、イオンカラム、レーザービームなど）に対して正確に位置決めすることを可能にするように記されている。より具体的には、ピエゾアクチュエータ、または軸に沿って移動する構成要素を備える他のアクチュエータなどのアクチュエータ要素のヒステリシスの補償を可能にするシステムおよび方法が本明細書で提供される。アクチュエータ要素のヒステリシスによる位置の遅れを概算することにより、アクチュエータ要素に印加された駆動信号を修正して、ヒステリシスを補償することができる。例えば、特定の実施形態では、アクチュエータ要素の駆動信号は、ヒステリシス補償が印加されていないときに、アクチュエータ要素によってトレースされるパスの逆数に少なくとも部分的に基づいて修正することができる。本明細書で使用されるように、方程式または関数の「逆（ｉｎｖｅｒｓｅ）」は、関数ｆ（ｘ）の数学的逆ｆ－１（ｆ（ｘ））を指し、ここで、逆関数ｆ－１（ｆ（ｘ））は、または関数ｆ（ｘ）のグラフを軸を中心に反転する。このようなプロセスを使用すると、ステッピングまたはウォーキング駆動ユニット内のピエゾアクチュエータを繰り返し操作して、駆動ユニットによって駆動される移動体要素を１０－９ｍ程度の精度で位置決めすることができる。動作中の移動体要素の位置および速度の摂動を低減または排除することも可能である。
【0028】
以下では、システムと方法が、半導体処理または生物学的サンプルの準備および分析の文脈で説明されている。しかしながら、本明細書に記載の位置決めシステム、方法、アクチュエータ、およびアクチュエータ制御は、正確な位置決めおよび／または速度制御が必要とされる他の分野で使用することができる。
【0029】
実施例１：ヒステリシス補償を備えるマルチビームシステム
図１を参照すると、代表的な実施形態では、マルチビームシステムは、一般に１０２で示される走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および一般に１０４で示されるイオンビームカラムを含むデュアルビームシステム１００として構成することができる。ＳＥＭ１０２は、集光レンズ１１６および対物レンズ１０６などの１つ以上の荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）レンズを備え得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のＣＰＢレンズは、磁気レンズであり得、特に、対物レンズ１０６は、磁気対物レンズであり得る。イオンビームカラムは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）をワークピースＷに提供するように配設され、ＳＥＭ１０２は、ワークピースＷの画像を生成するために配置されている。
図１を参照すると、代表的な実施形態では、マルチビームシステムは、一般に１０２で示される走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および一般に１０４で示されるイオンビームカラムを含むデュアルビームシステム１００として構成することができる。ＳＥＭ１０２は、集光レンズ１１６および対物レンズ１０６などの１つ以上の荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）レンズを備え得る。いくつかの実施形態では、１つ以上のＣＰＢレンズは、磁気レンズであり得、特に、対物レンズ１０６は、磁気対物レンズであり得る。イオンビームカラムは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）をワークピースＷに提供するように配設され、ＳＥＭ１０２は、ワークピースＷの画像を生成するために配置されている。
【0030】
ＳＥＭ１０２およびイオンビームカラム１０４は、必要に応じてワークピースＷを保持し、かつ移動させるための位置決めシステム１１０を収容する真空チャンバ１０８に取り付けることができる。真空チャンバ１０８は、真空ポンプ（図示せず）を使用して排気することができる。以下でさらに詳細に考察されるように、位置決めシステム１１０は、座標系１５０に関して示されるように、Ｘ軸、Ｙ軸、および／またはＺ軸に沿ってワークピースＷを移動させることができ、Ｙ軸は、ページの平面に垂直であるか、またはワークピースＷを１つ以上の軸を中心に回転させる。多くの実際の例では、イオンビーム軸または電子ビーム軸に直交する方向へのワークピースＷの直線運動が必要であり、ヒステリシス補償が、少なくともそのような並進に関連するアクチュエータに提供される。
【0031】
いくつかの実施形態では、ＳＥＭ１０２は、ワークピースＷの上に垂直に配設することができ、ワークピースＷを画像化するために使用することができ、イオンビームカラム１０４は、角度を付けて配設することができ、ワークピースＷを機械加工し、かつ／または処理するために使用することができる。図１は、ＳＥＭ１０２およびイオンビームカラム１０４の例示的な配向を示している。
【0032】
ＳＥＭ１０２は、電子源１１２を備えることができ、電子源１１２からの「生の」放射ビームを操作し、それに基づいて、集束、収差軽減、トリミング（開口を使用）、フィルタリングなどの操作を実行するように構成することができる。ＳＥＭ１０２は、粒子光学軸１１５に沿って伝播する入力帯電粒子のビーム１１４（例えば、電子ビーム）を生成することができる。ＳＥＭ１０２は、一般に、ビーム１１４をワークピースＷに集束させるための集光レンズ１１６および対物レンズ１０６などの１つ以上のレンズ（例えば、ＣＰＢレンズ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＳＥＭ１０２は、ビーム１１４を操縦するように構成することができる偏向ユニット１１８を備え得る。例えば、ビーム１１４は、調査されているサンプルまたは処理されるべきワークピースを横切って走査運動（例えば、ラスターまたはベクトル走査）で操縦され得る。
【0033】
デュアルビームシステム１００は、とりわけ、偏向ユニット１１８、荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）レンズ１０６、１１６、位置決めシステム１１０、および検出器（図示せず）を制御するための、また、ワークピースもしくはその一部の画像、位置情報、システム制御データなどの検出器から収集した情報を表示ユニットに表示するための、コンピュータ処理装置ならびに／またはコントローラ１２８をさらに備える。場合によっては、制御コンピュータ１３０が、様々な励起を確立し、画像データを記録し、そして一般に、ＳＥＭおよびＦＩＢの両方の動作を制御するために提供される。
【0034】
さらに図１を参照すると、イオンビームカラム１０４は、イオン源（例えば、プラズマ源１２０）およびイオンビーム光学系１２２を備えることができる。図示の実施形態では、イオンビームカラム１０４は、プラズマ集束イオンビーム（ＰＦＩＢ）であるが、他の実施形態では、イオンビームカラム１０４は、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を有する標準的な集束イオンビーム（ＦＩＢ）るか、または集束イオンビームカラムと互換性のある他のイオン源であり得る。イオンビームカラム１０４は、イオン光軸１２５に沿ってイオンビーム１２４を生成し、かつ／または向けることができる。上記のように、イオンカラム１０４は、切り込み、フライス加工、エッチング、堆積などの、ワークピースの画像化、処理、および／または機械加工操作を実行するために使用することができる。ヒステリシス補償位置決めシステムは、１つ以上の補償アクチュエータを含み、画像化または処理のための正確な位置決めおよび速度を提供することができる。
【0035】
イオンビームがＰＦＩＢである実施形態では、イオン源１２０は、それぞれの弁によってイオン源１２０に結合されたガス源を含むガスマニホルド１６５を介して複数のガスに流体結合することができる。イオン源１２０の動作中に、ガスを導入することができ、そこでガスは帯電またはイオン化され、それによってプラズマを形成する。次に、プラズマから抽出されたイオンは、イオンビームカラム１０４を通して加速され、イオンビームになることができる。他の実施形態では、システム１００は、１つ以上のレーザー、または他のタイプのフライス加工または診断ツールを備え得る。
【0036】
上記のように、そのようなマルチビームシステムは、ワークピースＷを保持し、かつ位置決めするように構成されたヒステリシス補償位置決めシステム（例えば、ステージ）を備え得る。位置決めシステムは、線形運動（例えば、ワークピースの分析のために特定の領域を選択するため）および／または角度もしくは回転運動（例えば、器具に対してワークピースの選択された角度を達成するため）を含む複数の自由度でキャリア要素を位置決めし／移動させることができる。典型的には、位置決めシステム１１０などの位置決めシステムは、以下で考察されるように、１つ以上のヒステリシス補償ピエゾアクチュエータを含む。いくつかの例では、コントローラ１２８などのコントローラは、ヒステリシス補償駆動信号を提供するように構成されている。
【0037】
実施例２：ヒステリシス補償を備える荷電粒子ビームシステム
図２Ａ～２Ｂは、一般に２０８で示される荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）として構成されたビームシステムに結合された例示的な位置決めシステム２００の断面図を示す。位置決めシステム２００は、１つ以上の駆動ユニットを備え得る。例えば、図示の実施形態では、システムは３つの駆動ユニットを備えることができ、そのうちの２つの駆動ユニット２０２および２０４を図２Ａに見ることができる。図示の実施形態では、駆動ユニット２０２、２０４は、ハインメイドＢＶから入手可能なハインメイドピエゾステッパ（ＨＭＰＳ）アクチュエータなどのウォーキングまたはステッピングピエゾ駆動ユニットとして構成されている。しかしながら、他の実施形態では、駆動ユニットは、他のタイプのピエゾアクチュエータ、ボイスコイルモータ、ラックアンドピニオンシステム、リニアモータなどの他のタイプのアクチュエータを備え得る。
図２Ａ～２Ｂは、一般に２０８で示される荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）として構成されたビームシステムに結合された例示的な位置決めシステム２００の断面図を示す。位置決めシステム２００は、１つ以上の駆動ユニットを備え得る。例えば、図示の実施形態では、システムは３つの駆動ユニットを備えることができ、そのうちの２つの駆動ユニット２０２および２０４を図２Ａに見ることができる。図示の実施形態では、駆動ユニット２０２、２０４は、ハインメイドＢＶから入手可能なハインメイドピエゾステッパ（ＨＭＰＳ）アクチュエータなどのウォーキングまたはステッピングピエゾ駆動ユニットとして構成されている。しかしながら、他の実施形態では、駆動ユニットは、他のタイプのピエゾアクチュエータ、ボイスコイルモータ、ラックアンドピニオンシステム、リニアモータなどの他のタイプのアクチュエータを備え得る。
【0038】
第１および第２の駆動ユニット２０２、２０４は、ビームシステム２０８に関して定義された座標系２０６の少なくともＸ軸およびＺ軸に沿ってワークピースＷを位置決めするように構成することができる。上記のように、位置決めシステムは、３つ以上の駆動ユニットを備えることができ、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸に沿ったワークピースの動き、または１つ以上の軸の周りの回転を可能にする。いくつかの特定の実施形態では、位置決めシステムは、各駆動ユニットが他の駆動ユニットから１２０度オフセットされるように配向された３つの駆動ユニットを備え得る。
【0039】
上記のように、位置決めシステム２００は、ＣＰＭ２０８などのマルチビームシステムとともに使用することができる。ＣＰＭ２０８は、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、または走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の組み合わせであり得る。ＣＰＭ２０８は、ビーム源２１０、上極対物レンズ２１２、下極対物レンズ２１４、光学または荷電粒子ビーム検出器２１６（例えば、カメラ、光電子増倍管、フォトダイオード、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器、光電池など）を備え得る。構成要素は、真空チャンバ２１８内に少なくとも部分的に位置決めすることができる。ワークピースＷは、位置決めシステム２００から真空チャンバ２１８内に延在するように示されているキャリア要素２２０上に位置決めされている。
【0040】
位置決めシステム２００は、ＣＰＭ２０８の外面２２４（例えば、真空チャンバ２１８の外面）に取り付けられたフレームまたはハウジング２２２を備えることができる。ハウジング２２２は、１つ以上のベアリング２２６を使用して表面２２４に取り付けることができ、これにより、ハウジング２２２は、表面２２４に対して（例えば、ｘ軸の周りで）傾斜するか、または回転することができる。いくつかの実施形態では、図２に示されるように、ベアリング２２６は、ＣＰＭ２０８の表面２２４上に配置された取り付け要素２２８に結合することができる。
【0041】
ハウジング２２２は、ワークピースＷを保持するためのキャリア要素２２０を備えるハウジングの一部が、ＣＰＭ２０８の側面の開口部を通って、少なくとも部分的に真空チャンバ２１８内に延在することができるように配置することができる。位置決めシステム２００は、以下でより詳細に説明するように、駆動ユニット（例えば、第１および第２の駆動ユニット２０２、２０４）を使用してキャリア要素２２０の位置を調整することにより、荷電粒子ビーム２３０に対するワークピースＷの位置を調整するように構成することができる。
【0042】
キャリア要素２２０は、第１および第２のガイド２３２、２３４に結合することができる。各ガイド２３２、２３４は、それぞれのジョイント２３６（例えば、ヒンジ、ナックルジョイント、ボールジョイントなど）を介して、それぞれのストラット２３８、２４０にさらに結合することができる。ストラット２３８は、ピボットジョイント２３９で移動体要素または部材２４２に枢動可能に結合することができ、ストラット２４０は、ピボットジョイント２４１で移動体要素または部材２４４に枢動可能に結合することができる。第１および第２の駆動ユニット２０２、２０４は、それぞれ、移動体要素２４２および２４４と係合するように構成することができる。駆動ユニット２０２は、以下により詳細に説明するように、一連のステップ動作において、移動体要素２４２をその軸に沿って、ハウジング２２２の後壁２４３に向かって、かつ、それから離れるように（例えば、第１の位置と第２の位置との間で）移動させるように構成することができる。駆動ユニット２０４は、移動体要素２４２と同様に、移動体要素２４４をその軸に沿ってハウジング２２２の後壁２４５に向かって、かつ、それから離れるように移動させるように構成することができる。ストラット２３８、２４０（移動体要素および駆動ユニットとともに）は、移動体要素２４２が後壁２４３から離れる方向への動きが、移動体要素２４４が後壁２４５に向かう動きとともに、図２Ｂに示されるように、キャリア要素２２０をＸＹ平面から傾斜させることができるように、互いに対してある角度で位置決めされることができる。移動体要素２４２および２４４を壁２４３および２４５から離れてＣＰＭ２０８に向かって同時に移動させることにより、キャリア要素２００をＸ軸に沿って移動させることができる。図示の実施形態では、移動体要素２４２および２４４は、９０°の角度で位置決めされている。特定の実施形態では、３つの駆動ユニットおよび対応する移動体要素は、１２０°の角度間隔でキャリア要素２２０の軸の周りに配列することができる。以下で考察されるように、駆動ユニット２０２、２０４は、ヒステリシス補償駆動信号を備えるピエゾアクチュエータを含むことができる。
【0043】
各移動体要素２４２、２４４は、それぞれのエンコーダスケール２４６を備え得る。ハウジング２２２に取り付けられた第１および第２の位置エンコーダ２４８および２５０（例えば、光学エンコーダ）は、エンコーダスケール２４６に基づいて、それぞれ、各移動体要素２４２、２４４の位置を決定するように構成することができる。エンコーダスケール２４６は、移動体２４２、２４４に結合するか、または一体的に形成することができる。
【0044】
図３は、例示的な位置エンコーダ３００の概略図を示している。エンコーダスケール３０２は、光源３０４と検出器３０６との間に位置決めすることができる移動体に取り付けられている。特定の実施形態では、光源および検出器は、位置決めシステムのハウジングに取り付けることができる。
【0045】
示されるように、光源３０４によって生成されたビーム３０８は、エンコーダスケール３０２を通過するときに２つのビーム３１０、３１２に分割される。２つのミラー３１４、３１６を使用して、ビームを再結合し、結合されたビーム３１８を検出器３０６に向ける。
【0046】
再び図２Ａを参照すると、各エンコーダ２４８、２５０は、それぞれの移動体要素２４２、２４４の位置を決定するように構成することができる。エンコーダ２４８、２５０によって生成された場所データは、コントローラ２５２によって使用されて、アクチュエータ２０２、２０４を操作して、移動体要素２４２、２４４を選択された位置に位置決めし、それによって、以下により詳細に記載されるように、ワークピースＷを選択された位置に位置決めすることができる。位置決めシステムは、開示されたヒステリシス補償システムおよび方法を使用できる１つ以上のピエゾアクチュエータを含むことができ、例示的な位置エンコーダ３００などのエンコーダを使用して、アクチュエータヒステリシスを特徴付け、ヒステリシスの補償および制御のための位置データを提供することができる。
【0047】
実施例３：ヒステリシス補償を備えるアクチュエータ駆動システム
図４Ａおよび４Ｂは、例示的な駆動ユニット４００をより詳細に示しており、これは、駆動ユニット２０２または２０４のいずれかとして位置決めシステムとともに使用するように構成され得る。駆動ユニット４００は、移動体部材または要素４０２と係合することができる。上記のように、移動体要素４０２は、キャリア要素に結合することができ、したがって、ワークピースＷを、真空チャンバ２１８内のＣＰＭ２０８または他の器具に対して位置決めすることができる。図示の実施形態では、駆動ユニット４００は、第１および第２のフレームまたはハウジング部分４０８、４１０内に収容されたアクチュエータ４０４、４０６の２つのセットを備えるピエゾ駆動ユニットであり得る。例えば、図示の実施形態では、各アクチュエータセットは、本明細書ではアクチュエータと称される３つの移動可能部材を備え得る。次に、各アクチュエータは、剪断要素、クランプ要素、またはそれらの様々な組み合わせなどの１つ以上のアクチュエータ要素を備え得る。アクチュエータ要素の各々は、独立して移動可能および／または制御可能であり得る。他の実施形態では、アクチュエータセットは、より多くの、またはより少ない数のアクチュエータを備え得る。さらに、図示の実施形態では、アクチュエータの各セットは同数のアクチュエータを備えるが、他の実施形態では、アクチュエータの１つのセットは、他よりも多くの、または少ないアクチュエータを備える。例えば、アクチュエータの第１のセットは３つのアクチュエータを備え得、アクチュエータの第２のセットは４つのアクチュエータを備え得る、などである。１つ以上（またはすべて）のアクチュエータにヒステリシス補償を設けることができる。
図４Ａおよび４Ｂは、例示的な駆動ユニット４００をより詳細に示しており、これは、駆動ユニット２０２または２０４のいずれかとして位置決めシステムとともに使用するように構成され得る。駆動ユニット４００は、移動体部材または要素４０２と係合することができる。上記のように、移動体要素４０２は、キャリア要素に結合することができ、したがって、ワークピースＷを、真空チャンバ２１８内のＣＰＭ２０８または他の器具に対して位置決めすることができる。図示の実施形態では、駆動ユニット４００は、第１および第２のフレームまたはハウジング部分４０８、４１０内に収容されたアクチュエータ４０４、４０６の２つのセットを備えるピエゾ駆動ユニットであり得る。例えば、図示の実施形態では、各アクチュエータセットは、本明細書ではアクチュエータと称される３つの移動可能部材を備え得る。次に、各アクチュエータは、剪断要素、クランプ要素、またはそれらの様々な組み合わせなどの１つ以上のアクチュエータ要素を備え得る。アクチュエータ要素の各々は、独立して移動可能および／または制御可能であり得る。他の実施形態では、アクチュエータセットは、より多くの、またはより少ない数のアクチュエータを備え得る。さらに、図示の実施形態では、アクチュエータの各セットは同数のアクチュエータを備えるが、他の実施形態では、アクチュエータの１つのセットは、他よりも多くの、または少ないアクチュエータを備える。例えば、アクチュエータの第１のセットは３つのアクチュエータを備え得、アクチュエータの第２のセットは４つのアクチュエータを備え得る、などである。１つ以上（またはすべて）のアクチュエータにヒステリシス補償を設けることができる。
【0048】
図４Ａに戻ると、アクチュエータ４０４の第１のセットは、移動体要素４０２の第１の表面４１２に隣接して配設された第１のアクチュエータ４０４ａ、ならびに、移動体要素の第２の表面４１４に隣接した移動体要素４０２の反対側に配設された第２および第３のアクチュエータ４０４ｂ、４０４ｃを備え得る。図示の実施形態では、第１のアクチュエータ４０４ａは、剪断要素４２０およびクランプ要素４２２を備え、第２および第３のアクチュエータ４０４ｂ、４０４ｃは、剪断要素を備える。以下でより詳細に説明するように、クランプおよび／または剪断要素は、移動体要素４０２を選択された方向に移動させるために、移動体要素４０２と摩擦的に係合することができる。
【0049】
アクチュエータ４０６の第２のセットは、移動体要素４０２の第２の表面４１４に隣接して配設された第１のアクチュエータ４０６ａ、移動体要素４０２の第１の表面４１２に隣接して配設された第２および第３のアクチュエータ４０６ｂ、４０６ｃを備え得る。図示の実施形態では、第１のアクチュエータ４０６ａは、剪断要素４２４およびクランプ要素４２６を備え、第２および第３のアクチュエータ４０６ｂ、４０６ｃは、剪断要素を備える。
【0050】
アクチュエータ４０４、４０６の２つのセットは、アクチュエータ４０４の第１のセットが移動体要素４０２と係合して力を加えると、要素４０６の第２のセットが解放するように、交互、ステッピング、または「ウォーキング」運動で作動することができる。移動体要素を解放し、その逆も同様である。アクチュエータ４０４および４０６の両方のセットが移動体４０２と接触しているとき、ステップ間に短い期間があり得る。これは、アクチュエータの１つのセットが他のアクチュエータのセットから「引き継ぐ」場合の「引き継ぎ」状態と称される。セットの１つのアクチュエータが移動体要素の第１の表面に係合し、セットの第２および第３のアクチュエータが移動体要素の第２の表面に係合するこの構成は、動作中の歪みを軽減するのに役立ち、移動体要素のより滑らかな動きを提供することができる。アクチュエータの２つのセット間の交互の引き継ぎ動作は、アクチュエータと移動体要素との間の滑りを有利に最小化する。さらに、この構成により、剛性または動作性能に影響を与えることなく、駆動ユニットのストローク長を延長することができる。
【0051】
作動されると、剪断要素は、座標系４１６に関して示されるように、Ｚ軸に沿って変位することができ、Ｚ軸は、図４Ａのページの平面に垂直であり、図４Ｂのページの平面に平行である。クランプ要素は、Ｙ軸に沿って変位され得る。アクチュエータのセットを交互に作動させることにより、大きい移動ストロークを実現することができる。
【0052】
いくつかの実施形態では、第１のフレーム部分４０８は、第１のフレーム部分４０８が移動体要素４０２に対して移動することを可能にする付勢部材４１８（例えば、ばね）に結合することができる。使用中、アクチュエータ要素が拡張位置（例えば、図４Ａのクランプ要素４２０）に通電されると、第１のフレーム部分４０８は、移動体要素４０２に対して移動し、それによって、付勢部材４１８を圧縮する。いくつかの実施形態では、付勢部材４１８は、フレーム４０８の第１の部分に収容されたアクチュエータと移動体要素４０２との間の摩擦接触を維持するために、拡張位置に付勢され得る。
【0053】
いくつかの実施形態では、アクチュエータの端部（例えば、移動体要素に隣接する部分）は、アクチュエータの摩耗を軽減し、駆動ユニットの寿命を延ばすために、酸化アルミニウムでコーティングすることができる。他の実施形態では、クランプおよび／または剪断要素のそれぞれは、移動体との摩擦係合によるクランプおよび／または剪断要素への損傷を軽減するように構成された耐摩耗性プレートを含むことができる。
【0054】
実施例４：ヒステリシス補償を備えるクランプおよび剪断要素
図５Ａ～５Ｂは、クランプ要素５００として構成されたピエゾデバイスの例示的な実施形態を示し、図６Ａ～６Ｂは、剪断要素６００として構成されたピエゾデバイスの例示的な実施形態を示す。図示の実施形態では、クランプ要素および剪断要素は、圧電要素を備え、その１つ以上は、ヒステリシス補償されている。ピエゾデバイスの他の配設を使用することができ、図５Ａ～６Ｂの例は、便宜上の説明のために選択されている。実際には、ピエゾ要素は、図５Ａ～５Ｂおよび６Ａ～６Ｂに示されていない圧電材料に加えて、ハウジング、支持体、マウント、電気接点、金属化部分、コーティングなどの他の構成要素を含み得る。説明を簡単にするために、そのような特徴は本明細書には記載されない。
図５Ａ～５Ｂは、クランプ要素５００として構成されたピエゾデバイスの例示的な実施形態を示し、図６Ａ～６Ｂは、剪断要素６００として構成されたピエゾデバイスの例示的な実施形態を示す。図示の実施形態では、クランプ要素および剪断要素は、圧電要素を備え、その１つ以上は、ヒステリシス補償されている。ピエゾデバイスの他の配設を使用することができ、図５Ａ～６Ｂの例は、便宜上の説明のために選択されている。実際には、ピエゾ要素は、図５Ａ～５Ｂおよび６Ａ～６Ｂに示されていない圧電材料に加えて、ハウジング、支持体、マウント、電気接点、金属化部分、コーティングなどの他の構成要素を含み得る。説明を簡単にするために、そのような特徴は本明細書には記載されない。
【0055】
特定の実施形態では、クランプ要素５００は、縦ピエゾ要素であり得、剪断要素６００は、剪断ピエゾ要素であり得る。以下に詳細に説明されるように、縦ピエゾ要素５００は、電圧が印加されると軸方向に変形または伸長するように構成でき、剪断ピエゾ要素６００は、電圧が印加されると一端が反対端に対して横方向に変位するように構成することができる。図５Ｂおよび６Ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、各要素５００、６００は、互いに隣接して配置された複数の圧電部材５０２、６０２を備え得る。他の実施形態では、クランプおよび剪断要素５００、６００は、単層ピエゾ要素、またはモノリシック同時焼成ピエゾ要素とも呼ばれるモノリシック多層ピエゾ要素であり得る。特定の実施形態では、クランプおよび／または剪断要素の変位は、印加電圧に線形に関連することができる。ピエゾ部材５０２、６０２が分極される方法に応じて、それは縦方向要素または剪断要素と見なすことができる。クランプ要素は、第１の、または中性構成、第２の細長い構成（例えば、正の電圧を印加することによって通電されるとき）、および／または第３の短縮構成（例えば、負の電圧を印加することによって通電されるとき）の間を移動することができる。
【0056】
例えば、図５Ａに示されるように、電界（矢印５０６によって示される）は、分極の方向（矢印５０４によって示される）に平行に印加され得る。いくつかの実施形態では、図５Ｂに示されるように、クランプ要素は、８つのピエゾ層を含むことができるが、他の実施形態では、クランプ要素は、より多くの、またはより少ない数の層を備え得る。いくつかの特定の実施形態では、クランプ要素は、３つのピエゾ層を備え得る。いくつかの実施形態では、クランプ要素に印加される電圧は、例えば、－３０Ｖから６０Ｖの間であり得る。
【0057】
通電されると（例えば、正または負の電圧を印加することによって）、クランプ要素５００は、長手方向に、すなわち、矢印５０８によって示される方向に膨張および／または収縮することができる。図５Ａを参照すると、クランプ要素５００は、電圧が全く電圧クランプ要素に印加されていないときに第１のまたは自然長Ｌ１を有する第１のまたは中性構成を、第１の、または正の電力が要素に印加されているときに、第２の、または第２の長さＬ２を有する第２のまたは拡張された構成を、第２のまたは負の電圧が要素に印加されているときに、第３の長さＬ３を有する第３のまたは収縮した構成を有することができる。第２の長さＬ２は、第１の長さＬ１よりも大きくすることができ、第１の長さＬ１は、第３の長さＬ３よりも大きくすることができる。長さは、印加電圧の大きさに少なくとも部分的に基づくことができる。
【0058】
図６Ａおよび６Ｂは、例示的な剪断ピエゾ要素６００を示している。図６Ａに示されるように、電界（矢印６０６によって示される）は、分極の方向（矢印６０４によって示される）に対して直交して印加される。いくつかの実施形態では、図６Ｂに示されるように、剪断要素６００は、８層のピエゾ部材を備え得る。しかしながら、他の実施形態では、剪断要素は、より多くの、またはより少ない数の層を備え得る。いくつかの特定の実施形態では、剪断要素６００は、４層のピエゾ部材を備え得る。いくつかの実施形態では、剪断アクチュエータに印加される電圧は、例えば、－２５０Ｖから２５０Ｖの間であり得る。
【0059】
通電されると（例えば、正または負の電圧を印加することによって）、剪断要素６００の一部は、矢印６０８によって示されるように、選択された方向に剪断するか、または横方向に移動することができる。例えば、剪断運動は、剪断要素の反対側の第２の表面６１２に対して、剪断ピエゾ要素の第１の表面６１０の変位を引き起こす。剪断要素は、正の電圧が印加されたときに第１の表面が第１の変位長さＤ１だけ第１の方向に第２の表面から変位する第１のオフセット位置と、第１の表面が負の電圧が印加されたときに第２の変位長さＤ２だけ第２の方向（例えば、第１の方向の反対側）に第２の表面から変位する第２のオフセット位置を有し得る。変位長さＤ１およびＤ２は、印加電圧の大きさに少なくとも部分的に基づくことができる。
【0060】
圧電部材５０２および６０２は、セラミック（天然および合成セラミックを含む）、結晶（天然および合成結晶を含む）、グループＩＩＩ－ＶおよびＩＩ－ＶＩ半導体、ポリマー、有機ナノ構造、または任意のそれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの特定の実施形態では、圧電要素は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含むことができる。このような圧電要素は、正の電圧が印加されると拡張し、負の電圧が印加されると収縮する可能性がある。収縮、拡張、および／または剪断変位の大きさおよび速度は、ピエゾ部材に印加される電圧の大きさに依存する可能性がある。
【0061】
実施例５：ヒステリシス補償駆動ユニット
図７Ａ～７Ｄは、駆動サイクル全体にわたる例示的な駆動ユニット７００（駆動ユニット４００と同様に構成することができる）のアクチュエータの位置を示す。駆動ユニット７００は、移動体要素７０２と係合するように構成されている。駆動ユニット７００は、アクチュエータ７０４および７０６の２つのセットを備える。各アクチュエータセットは、３つのアクチュエータで構成できる。例えば、アクチュエータセット７０４は、アクチュエータ７０４ａ、７０４ｂ、および７０４ｃを備えることができ、アクチュエータセット７０６は、アクチュエータ７０６ａ、７０６ｂ、および７０６ｃを備えることができる。アクチュエータは、剪断要素、クランプ要素、および／またはそれらの組み合わせを含むことができる。例えば、図示の実施形態では、アクチュエータ７０４ｂ、７０４ｃ、７０６ｂ、および７０６ｃは、剪断要素を備える。アクチュエータ７０４ａは、剪断要素７１４およびクランプ要素７１６を備えることができ、アクチュエータ７０６ａは、剪断要素７１８およびクランプ要素７２０を備えることができる。アクチュエータは、第１および第２のフレーム部分７０８、７１０に収容することができる。特定の実施形態では、アクチュエータの変位は、印加される電圧に線形に関連することができる。アクチュエータ７０４、７０６の２つのセットがあり、各セットは２つのタイプの要素（クランプおよび剪断）を備えることができるので、４つの駆動信号を使用して、アクチュエータ７０４、７０６のセットを交互に移動させることができる。いくつかの実施形態では、駆動信号は、交互またはウォーキング運動の反復性のために周期的波形（例えば、電圧波形）として構成することができるが、他の例では、運動は周期的である必要はない。周期的または非周期的な動きの場合、以下で考察されるヒステリシス補償を使用することができる。
図７Ａ～７Ｄは、駆動サイクル全体にわたる例示的な駆動ユニット７００（駆動ユニット４００と同様に構成することができる）のアクチュエータの位置を示す。駆動ユニット７００は、移動体要素７０２と係合するように構成されている。駆動ユニット７００は、アクチュエータ７０４および７０６の２つのセットを備える。各アクチュエータセットは、３つのアクチュエータで構成できる。例えば、アクチュエータセット７０４は、アクチュエータ７０４ａ、７０４ｂ、および７０４ｃを備えることができ、アクチュエータセット７０６は、アクチュエータ７０６ａ、７０６ｂ、および７０６ｃを備えることができる。アクチュエータは、剪断要素、クランプ要素、および／またはそれらの組み合わせを含むことができる。例えば、図示の実施形態では、アクチュエータ７０４ｂ、７０４ｃ、７０６ｂ、および７０６ｃは、剪断要素を備える。アクチュエータ７０４ａは、剪断要素７１４およびクランプ要素７１６を備えることができ、アクチュエータ７０６ａは、剪断要素７１８およびクランプ要素７２０を備えることができる。アクチュエータは、第１および第２のフレーム部分７０８、７１０に収容することができる。特定の実施形態では、アクチュエータの変位は、印加される電圧に線形に関連することができる。アクチュエータ７０４、７０６の２つのセットがあり、各セットは２つのタイプの要素（クランプおよび剪断）を備えることができるので、４つの駆動信号を使用して、アクチュエータ７０４、７０６のセットを交互に移動させることができる。いくつかの実施形態では、駆動信号は、交互またはウォーキング運動の反復性のために周期的波形（例えば、電圧波形）として構成することができるが、他の例では、運動は周期的である必要はない。周期的または非周期的な動きの場合、以下で考察されるヒステリシス補償を使用することができる。
【0062】
この例では、アクチュエータ７０４ａおよび７０６ａは等しい長さを有するが、他の例では、アクチュエータ７０４ａおよび７０６ａは異なる長さを有することができる。この例では、２つのクランプ要素７１６および７２０、ならびに６つの剪断要素７０４ｂ、７０４ｃ、７１４、７０６ｂ、７０６ｃ、７１８が存在する。しかしながら、他の例では、駆動ユニットは、より多くの、またはより少ない数のクランプおよび剪断要素を備えることができる。
【0063】
図８Ａおよび８Ｂは、図７Ａ～７Ｄに示される駆動サイクルの周期的な駆動信号を示す。これらの駆動信号は、説明の目的で転流角αおよび２πラジアンの期間を参照して説明されているが、時間および／または位置の関数として説明することもできる。駆動サイクルを説明するのに便利なように、駆動信号は補償なしで示されている。補償された駆動信号は、後の例で明示的に示されている。さらに、本明細書で考察される駆動信号は、便宜上周期的であるが、他の実施形態では、駆動信号も非周期的であり得る。転流角αは次のように定義できる。
ｆαは、駆動信号の駆動周波数であり、ｔは時間である。この例では、転流角α＝０の初期値である。
【数1】
ｆαは、駆動信号の駆動周波数であり、ｔは時間である。この例では、転流角α＝０の初期値である。
【0064】
図８Ａは、アクチュエータの第１および第２のセットのクランプ要素の例示的な駆動または電圧信号を示し、図８Ｂは、アクチュエータの第１および第２のセットの剪断要素の例示的な駆動または電圧信号を示す。ここで図８Ａを参照すると、第１の電圧信号８００は、第１のアクチュエータセット７０４のクランプ要素７１６に印加することができ、第２の電圧信号８０２は、第２のアクチュエータセット７０６のクランプ要素７２０に印加することができる。図８Ａの電圧信号は、－３０Ｖから６０Ｖの間で一定の速度で上昇し、かつ下降する。クランプ要素７１６の駆動信号は、クランプ要素７２０の駆動信号と位相がずれているπｒａｄである可能性があり、クランプ要素７１６に印加される電圧は６０Ｖであり、クランプ要素７２０に印加される電圧は－３０Ｖであり、逆もまた同様である。両方の信号の期間、最大値、および最小値は同じである。しかしながら、他の実施形態では、クランプ要素７１６の駆動信号は、クランプ要素７２０の駆動信号とは異なり得る。
【0065】
図８Ｂの電圧信号８０４および８０６は、３π／２ ｒａｄの角度を通じて、第１の速度で－２５０Ｖから２５０Ｖに増加するか、または上昇することができ、鋸波のようにπ／２ ｒａｄの角度で第２の速度で２５０Ｖから－２５０Ｖに減少するか、または上昇することができる。図８Ｂの信号はまた、位相がずれているか、またはπｒａｄによって位相シフトされ得る。
【0066】
図７Ａは、転流角がゼロである駆動サイクルの第１のまたは開始位置にある駆動ユニット７００を示している。この位置は、参照文字ａによって示される、図８Ａおよび８Ｂの０ｒａｄの転流角での駆動信号値に対応する。図７Ａ～７Ｄでは、移動体要素７０２の変位は、ページの平面の外にある。図８Ａに示されるように、アクチュエータ７０４ａおよび７０６ａのクランプ要素７１６および７２０に印加された電圧は、両方のアクチュエータが等しい長さＬ１を有するように０ｒａｄで等しく、それらの間に移動体要素７０２を係合し、かつクランプする。図８Ｂを参照すると、アクチュエータ７０４ｂおよび７０４ｃの剪断要素、ならびにアクチュエータ７０４ａの剪断要素７１４に印加された電圧は、－２００Ｖであり得る。剪断要素７０６ｂおよび７０６ｃに印加された電圧、およびアクチュエータ７０６ａの剪断要素７２０は、２００Ｖであり得る。アクチュエータ７０４ｂ、７０４ｃ、７０６ｂ、および７０６ｃもまた、移動体要素７０２と接触している。図７Ａのアクチュエータの位置は、アクチュエータ７０４、７０６の両方のセットのすべての要素が互いに平衡状態にあり、移動体７０２と接触しており、アクチュエータセット７０６が移動体７０２に係合していない、引き継ぎ運動に対応し得る。両方の剪断グループの剪断要素の剪断電圧の転流角に関する導関数は等しくすることができる。したがって、両方の剪断グループは、同じ速度で移動することができる。
【0067】
図７Ｂは、図８Ａおよび８Ｂの参照文字ｂ～ｃによって示された駆動信号の部分に対応する、駆動サイクルにおける第２の例示的な位置にある駆動ユニットを示す。アクチュエータ７０４の第１のセットのアクチュエータ７０４ａのクランプ要素７１６は、正の電圧で通電され、したがって、アクチュエータ７０４ａを第１の長さＬ１から、Ｌ１よりも大きい拡張長さＬ２に移動させる。図８Ａに示されるように、アクチュエータ７０４ａのクランプ要素７１６に印加された電圧は６０Ｖであり得、アクチュエータ７０６ａのクランプ要素７２０に印加された電圧は－３０Ｖであり得る。アクチュエータ７０４ａの拡張された長さＬ２は、アクチュエータ７０６ｂおよび７０６ｃがもはや移動体要素７０２に係合しないように、移動体要素７０２に対する第１のフレーム部分７０８を移動させる。第１のフレーム部分７０８は、付勢要素７１２に結合することができる。剪断要素駆動信号８０４が０ｒａｄと５π／４ ｒａｄの間で上昇するにつれて、剪断要素７１４、７０４ｂ、および７０４ｃは、移動体要素７０２を、ページの外の方向に駆動ユニットに対して変位させる。その間、π／４ ｒａｄと３π／４ ｒａｄとの間で、剪断要素７１８、７０６ｂ、および７０６ｃは、第１のアクチュエータセット７０４から引き継いで、ページの平面の外への移動体要素の動きを継続するように再び位置決めされる。
【0068】
付勢要素７１２（例えば、ばね）は、圧縮して、移動体要素７０２に対する第１のフレーム部分７０８の移動を可能にすることができる。一方、アクチュエータ７０６ａのクランプ要素７２０は、負の電圧（例えば、－３０Ｖ）で通電され、したがって、アクチュエータ７０６ａを、第１の長さＬ１から、長さＬ１よりも小さい長さＬ３を有する収縮構成に移動させ、アクチュエータ７０６ａは、もはや移動体要素７０２と係合しない。アクチュエータ７０６ｂおよび７０６ｃは、次の「引き継ぎ」移動のための位置にあり、一方、アクチュエータ７０４ｂ、７０４ｃ、および７１４は、図８Ｂの増加する駆動電圧の影響下で、駆動ユニット７００に対して移動体要素７０２を移動させるか、変位させるか、または駆動する。図８Ｂに示されるように、剪断要素７１８、７０６ｂ、および７０６ｃに印加された電圧は、２５０Ｖから－２５０Ｖに低下することができ、剪断要素７１４、７０４ｂ、および７０４ｃに印加される電圧は、－５０Ｖから５０Ｖに上昇することができる。
【0069】
図７Ｃは、図８Ａおよび８Ｂの参照文字ｄによって示された駆動信号の部分に対応する、駆動サイクルにおける第３の例示的な位置にあるアクチュエータを示す。第３の例示的な位置は、図７Ａに関して上記で説明された引き継ぎ運動と同様の第２の「引き継ぎ」運動であり、ここで、アクチュエータのすべてが移動体要素７０２と接触している。図８Ａに示されるように、アクチュエータ７０４ａおよび７０６ａのクランプ要素７１６および７２０に印加された電圧は、両方のアクチュエータが等しい長さＬ１を有するように０ｒａｄで等しく、それらの間に移動体要素７０２を係合し、かつクランプする。図８Ｂを参照すると、アクチュエータ７０４ｂおよび７０４ｃの剪断要素、ならびにアクチュエータ７０４ａの剪断要素７１４に印加された電圧は、２００Ｖであり得る。剪断アクチュエータ７０６ｂおよび７０６ｃ、ならびにアクチュエータ７０６ａの剪断要素７１８に印加された電圧は、－２００Ｖであり得る。
【0070】
図７Ｄは、図８Ａおよび８Ｂの参照文字ｅ－ｆによって示された駆動信号の部分に対応する、駆動サイクルにおける第４の例示的な位置にあるアクチュエータを示す。この位置は、アクチュエータ７０６の第２のセットが移動体要素７０２と係合し、アクチュエータ７０４の第１のセットが係合していないことを除いて、図７Ｂに示される位置と同様である。アクチュエータ７０６ａのクランプ要素７２０は、正の電圧で通電され、したがって、アクチュエータ７０６ａを長さＬ１から、Ｌ１よりも大きい長さＬ２を有する拡張構成に移動させる。図８Ａに示すように、アクチュエータ７０６ａのクランプ要素７２０に印加された電圧は６０Ｖであり得、アクチュエータ７０４ａのクランプ要素７１６に印加された電圧は－３０Ｖであり得る。アクチュエータ７０６ａの拡張構成は、アクチュエータ７０４ｂおよび７０４ｃがもはや移動体要素７０２に係合しないように、第２のフレーム部分７１０に対して（例えば、離れて）、移動体要素７０２を（またそれにより、要素７０４ａ、７０６ｂ、７０６ｃおよび第１のフレーム部分７０８を）移動させることができる。クランプ要素７１６は、負の電圧（例えば、－３０Ｖ）で通電され、したがって、アクチュエータ７０４ａを、第１の長さＬ１から、長さＬ１よりも小さい長さＬ３を有する収縮構成に移動させ、アクチュエータ７０４ａは、もはや移動体要素７０２と係合しない。アクチュエータ７０４ｂおよび７０４ｃは、次の「引き継ぎ」運動のための位置にあり、一方、アクチュエータ７０６ｂおよび７０６ｃは、図８Ｂの駆動電圧の増加により、移動体要素７０２を駆動するか、または変位させる。図８Ｂに示されるように、剪断要素７１８、７０６ｂ、および７０６ｃに印加された電圧は、－５０Ｖから５０Ｖに上昇することができ、剪断要素７１４、７０４ｂ、および７０４ｃに印加された電圧は、２５０Ｖから－２５０Ｖに低下することができる。
【0071】
アクチュエータセットの選択された駆動信号は周期的であるため、図８Ａおよび８Ｂの参照文字ｇによって示された駆動信号の部分に対応する駆動ユニットの構成は、図７Ａに示される構成と同じである。ピエゾ要素と駆動信号のこの組み合わせにより、駆動ユニットは、ウォーキング運動を連想させる一連のステップで移動体要素７０２を移動させることができる。この駆動サイクルは、移動体要素７０２を選択された位置に移動させるために必要に応じて繰り返すことができる。移動体要素を反対方向に動かすために、駆動信号の方向を逆にすることもできる。
【0072】
実施例６：例示的な制御システム
前述のように、駆動ユニット（複数可）を使用して移動体（複数可）を移動させることができ、それにより、ワークピースＷを荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）、例えば走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に対して位置決めすることができる。ワークピースＷの位置および速度の乱れは、一定速度で移動するワークピースＷの点から点への移動を追跡するために望ましくない可能性がある。例えば、乱れは、ガイダンスシステムが、ワークピースの位置および／または画像化されることを意図されたワークピースの選択された領域を見失う原因となる可能性がある。いくつかの実施形態では、ＣＰＭは、ワークピースが動いている間にワークピースＷを画像化するように構成することができる。そのような実施形態では、ワークピースＷの滑らかで一貫した移動を有することが特に有利である。
前述のように、駆動ユニット（複数可）を使用して移動体（複数可）を移動させることができ、それにより、ワークピースＷを荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）、例えば走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に対して位置決めすることができる。ワークピースＷの位置および速度の乱れは、一定速度で移動するワークピースＷの点から点への移動を追跡するために望ましくない可能性がある。例えば、乱れは、ガイダンスシステムが、ワークピースの位置および／または画像化されることを意図されたワークピースの選択された領域を見失う原因となる可能性がある。いくつかの実施形態では、ＣＰＭは、ワークピースが動いている間にワークピースＷを画像化するように構成することができる。そのような実施形態では、ワークピースＷの滑らかで一貫した移動を有することが特に有利である。
【0073】
駆動信号を生成し、上記の順序で駆動ユニットを動作させるための例示的な制御システム８０８が図９に示されている。制御システム８０８は、積分器ツールまたはモジュール８１０および信号生成器モジュール８１２を備えることができる。ピエゾ駆動システム８１４は、信号生成器モジュール８１２に結合されて、典型的には必要に応じて駆動信号の大きさを調整することによって、ピエゾアクチュエータに印加するための駆動信号を調整する。図示の実施形態では、駆動周波数ｆαまたは駆動周波数のクロック信号生成器８１３からのクロック信号は、転流角αを確立するために、積分器モジュール８１０に提供することができる。場合によっては、ドライブ周波数のデジタル表現または他の表現が提供され、代替的に、駆動周波数の周期信号が提供され、転流角を決定するために使用される。他の例では、８１１に示すように、特定の位置への移動または特定の速度に関連する信号が提供される。いくつかの例では、固定周波数ドライブが使用され、時間の関数としての転流角を事前に決定して、ルックアップテーブルなどのメモリに格納することができる。図９に示されるように、積分器モジュール８１０は、信号生成器８１２に転流角αを出力することができ、信号生成器８１２は、剪断およびクランプ要素がピエゾ駆動システム８１４によって生成された対応する信号Ｕｉに応答して位置変化ｘｍを生成するように、ピエゾ駆動システム８１４に複数の（例えば、４つの）出力電圧信号ｕｉを生成することができる。これらの信号は、選択された周波数で印加され、１つ以上のデジタルアナログ変換器を使用して生成されるデジタル表現に基づいて取得できる。例えば、２セットのピエゾアクチュエータにグループ化された２種類のピエゾ要素（例えば、剪断およびクランプ）が存在する可能性があるため、この例の信号生成器は、４つの信号または電圧関数ｕｉを出力して、駆動ユニットを選択された方法で移動させることができる。波形生成器８１２は、本明細書に記載の電圧信号のいずれかを出力するように構成することができる。図９に示された制御システム８０８はフィードフォワード構成であるが、特定の実施形態では、アクチュエータ要素の位置、それらの速度などのような複数の変数のうちのいずれかを決定し、それらの構成要素、および／または示されていない１つ以上の他の制御ユニットのうちのいずれかにフィードバックすることができる。
【0074】
ヒステリシス補償モジュール８３０は、波形生成器８１２に結合されて、波形生成器８１２からの信号を駆動するためのヒステリシス補償調整を提供する。代替的に、そのような機能は、波形生成器８１２に含まれ得る。方向の変化は、積分器８１０から受信された転流角α、またはピエゾ駆動システム８１４に提供された波形に基づいて提供することができる。場合によっては、制御システム８０８は、メモリに格納するか、または必要に応じて生成することができるデジタル信号表現に基づいており、デジタルからアナログへの変換器を使用して駆動信号を生成する。ウォーキングタイプのピエゾポジショナの場合、通常、ワークピースを目的の場所に移動させるために一連のステップが必要であり、波形生成器からの駆動信号は周期的で複数のステップを提供し、各ステップは、異なるヒステリシス補正値に関連付けることができる。
【0075】
実施例７：代表的なピエゾアクチュエータ
本明細書に記載の圧電アクチュエータは、式ＡＢＯ３を有するペロブスカイト族のセラミック材料などの様々な圧電材料のうちのいずれかを含み得る。例えば、特定の実施形態では、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸チタン（ＰＺＴ）を含み得る。特定の実施形態では、本明細書に記載の圧電駆動ユニットは、ステッパモータであり得る。
本明細書に記載の圧電アクチュエータは、式ＡＢＯ３を有するペロブスカイト族のセラミック材料などの様々な圧電材料のうちのいずれかを含み得る。例えば、特定の実施形態では、圧電材料は、チタン酸ジルコン酸チタン（ＰＺＴ）を含み得る。特定の実施形態では、本明細書に記載の圧電駆動ユニットは、ステッパモータであり得る。
【0076】
図１０～１１は、断面Ａ、長さｌ０、およびｓ３方向の分極を有する例示的なアクチュエータ９００を示す。したがって、アクチュエータ９００は、ｓ３方向に延在し、かつ収縮することができる。図１２は、断面Ａおよび長さＬＯを、およびｓ２方向の分極を有する代表的な剪断ピエゾ要素１０００を示す。長さの変化が印加電界と同じ方向であるクランプ要素９００などのピエゾスタック要素とは異なり、剪断要素１０００の変形は、印加電界に直交している。結果として、Ｓ剪断ピエゾ要素１０００は正方形から平行四辺形に変形することができ、要素の側面がγ１２だけ軸Ｓ１の周りを回転し、その自然位置から量ΔＳだけずれている。
【0077】
実施例８：ヒステリシス補償
特定の実施形態では、ピエゾ要素のヒステリシスは、駆動ユニットの動作中に移動体要素の位置および／または速度で観察された摂動に対する有意な一因となる要因となり得る。以下の考察は、ピエゾ要素を備えるアクチュエータ、または軸に沿って延在するストロークを有する他のタイプのアクチュエータのヒステリシスを削減または排除するために使用することができる制御システムおよび方法を提示する。
特定の実施形態では、ピエゾ要素のヒステリシスは、駆動ユニットの動作中に移動体要素の位置および／または速度で観察された摂動に対する有意な一因となる要因となり得る。以下の考察は、ピエゾ要素を備えるアクチュエータ、または軸に沿って延在するストロークを有する他のタイプのアクチュエータのヒステリシスを削減または排除するために使用することができる制御システムおよび方法を提示する。
【0078】
特定の実施形態では、ピエゾ要素に入力された電圧波形を修正することによって、ピエゾ要素のヒステリシスを少なくとも部分的に補償することが可能である。例えば、駆動信号波形は、ピエゾ要素の変位を修正するために、ピエゾ要素の観測された変位の逆数に対応する関数で修正することができる。以下の考察は、説明のために剪断要素を参照して進められる。しかしながら、本明細書に記載のシステムおよび方法は、クランプ要素のヒステリシスを補償するために使用することもできる。
【0079】
特定の実施形態では、ピエゾアクチュエータ要素の変位は、所与の駆動電圧または信号について測定することができる。そのような測定は、そのストロークおよび／または変位に対する要素の位置の影響を決定するために、組み立てられた駆動ユニット内のアクチュエータ要素に対して実施することができる。例えば、図１３Ｂは、一定の速度またはランプで、最大値－２５０Ｖと２５０Ｖとの間で交互に変化する鋸歯状波入力電圧の形態の駆動信号の一例を示している。図１３Ａは、交流電圧が電気入力として印加されたときに生じる剪断ピエゾ要素の変位を示している。例えば、図示の実施形態では、剪断ピエゾ要素の位置プロットは、方向の変化の間で湾曲している（電圧ランプ信号の方向の変化に対応する）。図１３Ａのグラフは、剪断要素の圧電材料のヒステリシスによって引き起こされた実質的な非線形効果があり得ることを示している。特定の実施形態では、剪断ピエゾ要素の変位は、上記のエンコーダの実施形態などの位置センサを使用して測定することができる。
【0080】
図１４は、一例として、ｙ軸上の剪断ピエゾ要素の位置または変位、およびｘ軸上の印加電圧を示している。これは、印加電圧が－２５０Ｖと２５０Ｖとの間で交互になるか、または上昇する間の変位のループ効果を示している。理想的な場合では、このような波形で励起されたときの剪断要素の変位により、電圧ランプの方向に関係なく、－２５０Ｖと２５０Ｖとの間に直線が延在する。したがって、ピエゾ要素のヒステリシスは、要素に印加された、時間変化する電圧信号の方向に依存する非線形変位曲線をもたらす可能性がある。
【0081】
図１５を参照すると、図１４における電圧および変位が変位誤差を与えるために、それぞれ２５０Ｖ、１０－６Ｍ、でスケーリングされる。スケーリングされた電圧の傾きも補償することができる。図１５に重ねられているのは、２つの曲線１２０２および１２０４であり、上部の曲線１２０２は円の記号で輪郭が描かれ、下部の曲線１２０４はひし形の記号で輪郭が描かれている。図示の例では、上部と下部の曲線は、放物線であり、次のように近似させることができる。
ｙ１２０２＝０．４（１－ｘ２）
ｙ１２０４＝０．４（ｘ２－１） （１）
ｙ１２０２＝０．４（１－ｘ２）
ｙ１２０４＝０．４（ｘ２－１） （１）
【0082】
図１５のプロットに見られるように、このように定義された放物線は、外側の変位ループに近似している。これは、ピエゾ要素のヒステリシスを補償するために、反対または逆放物線補償に基づいて印加電圧を修正するピエゾ制御システムおよび方法を提供するために使用することができる。特定の実施形態では、そのような修正された電圧信号は、入力電圧とピエゾ要素の出力変位との間に線形またはほぼ線形の関係をもたらすことができる。
【0083】
図１６は、スケーリングされた電圧（ｘ）はＰ１からＰ２、Ｐ３とＰ４、Ｐ５に横軸に変化しているときにスケーリングされた電圧とスケーリングされた変位との近似が達成することができる方法を示す。図示の例では、点Ｐ１からＰ５は、電圧信号が時間の方向を変える場所を示している。破線１４００は、ピエゾ要素の理想的な変位挙動を表す。Ｐ４とＰ３、Ｐ５との間に延在する凹状アップ曲線１４０２およびＰ２とＰ１との間に延在する凹状アップ曲線１４０４は、図１３Ｂに示す信号が印加されると電圧の増加に伴って実際の変位を示す。Ｐ１とＰ２との間に延在する凹状ダウン曲線１４０６およびＰ３、Ｐ５とＰ４との間に延在する凹状ダウン曲線１４０８は、図１３Ｂに示す信号が印加されると電圧を下げる実際の変位を示す。
【0084】
既知の印加信号の増加および減少の両方に対する印加信号の関数としての変位を使用して、点の各ペア間を延長し、変位プロットの曲率を印加電圧信号に対して近似させる曲線を作成できる。ヒステリシス補償なしの駆動信号によって駆動されるときのアクチュエータ要素の動きを説明する方程式は、本明細書ではヒステリシスモデルと称される。この例におけるアクチュエータ要素の位置対電圧のプロットは湾曲しているが、他の実施形態では、プロットは線形であり得るか、または他の形状を有することができる。この例では、これらのペアは、｛Ｐ１、Ｐ２｝、｛Ｐ２、Ｐ３｝、｛Ｐ３、Ｐ４｝と｛Ｐ４、Ｐ５｝であることができる。図示の例では、曲線が放物線になるように、曲線を二次多項式で定義することができる。しかしながら、他の実施形態では、曲線は、任意の程度の高次多項式によって近似することができる。特定の実施形態では、入力条件は、結果として生じる放物線のすべてが一定の曲率を有することであり得る。しかしながら、他の実施形態では、１つ以上の放物線の曲率は異なっていてもよい。特定の実施形態では、電圧信号が方向を変えるとき（例えば、上昇から下降へ）、新しい放物線を決定することができる。新しい放物線は、電圧信号が方向を変える第１の点または電圧値と、電圧信号が再び方向を変える次の電圧値（例えば、第２の電圧値）との間で定義することができる。したがって、特定の実施形態では、曲線は、所定の波形を有する選択された電圧駆動信号に対して事前に決定することができる（例えば、ピエゾ要素の選択された動きをもたらすように較正される）。
【0085】
放物線は、頂点および焦点の観点から多項式として説明できる。図１７は、頂点Ｐｖおよび焦点Ｐｆを含む代表的な放物線を示している。式２は、頂点および焦点の観点からヒステリシス補償に使用できる放物線を記述するヒステリシスモデルの代表的な例である。
【数2】
【0086】
式２では、Δｙｆは焦点Ｐｆ：（ｘｆ、ｖｆ）と頂点Ｐｖ：（ｘｖ、ｙｖ）との間の垂直距離である。項ｘｆ、ｙｆは、それぞれ焦点での電圧値および焦点での変位値を表す。項ｘｖ、ｙｖは、それぞれ頂点での電圧と変位を表す。
を曲率の尺度として代用することにより、方程式は次のようになる。
【数3】
を曲率の尺度として代用することにより、方程式は次のようになる。
【数4】
【0087】
特定の実施形態では、Δｙ０で表される曲率の量は、本明細書ではヒステリシスパラメータと称される、圧電材料のヒステリシスの量に等しくてもよい。ヒステリシスパラメータは、０～１の係数として表すことができ、０は材料がヒステリシスを示さないことを意味し、１は材料の変位が予想される変位の１００％だけ電圧より遅れることを意味する。しかしながら、特定の実施形態では、変位は、１２５％以上などの所与の印加電圧に対して予想される変位の１００％を超えて遅れることができる。変位はまた、例えば、図１４を参照して、２５０Ｖから０Ｖに低下する電圧の印加は、減少し始める前に、１．２５×１０－６Ｍなどの、１×１０－６Ｍ以上の短い正の変位を生成することができる。１つの例示的な実施形態では、４層剪断ピエゾ要素の場合、ヒステリシスパラメータΔｙ０は約４０％（０．４）であり得るため、これは以下を意味する：
ΔＹ０＝０．４ （４）
ΔＹ０＝０．４ （４）
【0088】
特定の実施形態では、ヒステリシスパラメータΔｙ０は、測定に基づいて決定することができる。他の実施形態では、ヒステリシスパラメータΔｙ０は、所与のピエゾアクチュエータの圧電材料（複数可）、ピエゾアクチュエータの寸法および／または形状、環境によって課される運動に対する制約、またはそれらの組み合わせなどの変数に少なくとも部分的に基づいて決定することができる。ピエゾアクチュエータが積み重ねられた配設で複数のピエゾ要素を備える場合、ヒステリシスパラメータΔｙ０はまた、積み重ねられたピエゾ要素の数および／または形状、厚さなどに少なくとも部分的に基づいて決定され得る。ヒステリシスパラメータは、駆動ユニット内の異なるピエゾアクチュエータに対して同じでも異なっていてもよい。例えば、ヒステリシスパラメータは、クランプ要素と比較して剪断要素に対して異なる可能性があり、かつ／または異なる剪断要素もしくは異なるクランプ要素に対して異なる可能性がある。特定の実施形態では、ヒステリシスパラメータ（複数可）は、ルックアップテーブルまたは他のデータ構造に格納され得、選択されたアクチュエータ要素のヒステリシス補償を決定するときにコントローラによって参照され得る。いくつかの実施形態では、ピエゾ要素のヒステリシスパラメータは、保守中などに定期的に測定するか、または再評価することができる。特定の実施形態では、上記の式によれば、ヒステリシスパラメータΔｙ０は、焦点Ｐｆのｙ座標の４倍に反比例することができるが、パラメータは、選択された関数または多項式に応じて異なる場合がある。
【0089】
曲線ｃ１、２を定義するためには、｛Ｐ１、Ｐ２｝、Ｐ１：（ｘ１、ｙ１）であり、Ｐ２：（ｘ２、ｙ２）であり、Ｐ１および２は、曲線上の点であり、知られていると仮定されており、式３は、ｘｖおよびｙｖに関して解くことができる。Ｙ１およびＹ２の式は式５で以下に与えられている。
ｙ１＝Δｙ０（ｘ１－ｘｖ）２＋ｙｖ
ｙ２＝Δｙ０（ｘ２－ｘｖ）２＋ｙｖ （５）
ｙ１＝Δｙ０（ｘ１－ｘｖ）２＋ｙｖ
ｙ２＝Δｙ０（ｘ２－ｘｖ）２＋ｙｖ （５）
【0090】
ｘｖは、式５の２つの方程式を減算することで解くことができ、ｙｖは、２つの方程式を加算することで解くことができる。
【数5】
【0091】
ピエゾ要素のヒステリシスを打ち消すための１つの例示的な方法は、式３で与えられるヒステリシスモデルの逆である関数または方程式を決定することである。これは、ｘの方程式を解き、ｙをｘに、ｘをｙに置き換えることで実行できる。
及び
【数6】
及び
【数7】
【0092】
特定の実施形態では、駆動ユニット内のピエゾ要素に印加された電圧は、経時的に変化する。特定の実施形態では、スケーリングされた電圧（ｘ）が方向を変えるとき、これは時間変化符号に関する電圧信号導関数ｄｘ／ｄｔと同等であり得、ｙ（ｘ）は再計算できる。特定の実施形態では、アルゴリズムは各ステップｋについて更新可能であり、各ステップｋ間の時間はＴｓに等しいと想定されている。そのような実施形態では、手順は、以下の表２に示されている通りであり得る。
【表1】
【0093】
上記の表２を参照すると、第１のステップでは、時間ｔｋ－１での電圧ｘの時間微分が時間ｔｋでの時間微分値と等しくない場合（例えば、特定の場合、電圧信号の方向が変化したため）、変数ｄには（ｄｘ／ｄｔ）の符号が割り当てられる。第２のステップでは、電圧の絶対値が、点Ｐ１でのｘ１よりも大きい場合には、Ｐ２でのｘ２およびｙ２は、ｄ１の値を割り当てることができる。そうでなければ、２＝Ｘ１、ＸおよびＹ２＝Ｙ１である。特定の実施形態では、点Ｐ１およびＰ２は、選択された電圧波形に基づいて事前に決定することができ、－１から１の間でスケーリングすることができる。第３のステップにおいて、ｄ＝１であり、かつｘがｘ２よりも大きい場合、変数ｘ１、ｙ１、ｘ２およびｙ２は、表２のステップ３に対応する値を割り当てることができる。ｄ＝－１であり、かつｘがｘ２未満である場合、変数ｘ１、ｙ１、ｘ２、およびｙ２は、表２のステップ３に対応する値を割り当てることができる。第４のステップでは、所定の駆動電圧信号のためのピエゾ要素の変位を近似させるヒステリシスモデル曲線（例えば、放物線）の頂点の座標はｘｖおよびｙｖに関して表２のステップ４で与えられた式を用いて計算することができる。ポイントＰ１とＰ２との間のアクチュエータ要素の変位パスに近似するか、またはそれを示す二次関数が式３から知られているので、パスの逆は次いで、表２のステップ４に示されている（ここでは逆関数または方程式と称する）ｙ（ｔｋ）（例えば、式７）の式を用いて計算することができる。本明細書で使用するように、アクチュエータ要素の変位パスを示す関数および逆関数は、電圧、位置、ヒステリシスパラメータΔｙ０などの１つ以上の変数を含む関係または式である。式７の出力は、ヒステリシス補償信号として使用され得る。次に、電圧信号を式７で与えられる曲線に従って修正して、ヒステリシス補償信号を提供できる。ここで、式７の出力は、駆動信号全体のヒステリシス補償部分である。放物線（または他の曲線）が変位対電圧の曲線に適合し、勾配が補償される（例えば、Ｐ１が（１、０）であり、Ｐ２が（－１、０）である場合、式７で与えられる電圧波形は、初期電圧波形に重ね合わせることができる。次に、ヒステリシス補償信号をピエゾ要素に印加して、ヒステリシスを補償することができる。換言すれば、ヒステリシスによるアクチュエータ要素の変位パスの曲率は、予想される（例えば、補償されていない）パスの逆数で駆動信号を修正することによって、少なくとも部分的に逆転するか、または補償することができる。
【0094】
図１８Ａ～１８Ｂおよび１９Ａ～１９Ｂは、上記のアルゴリズムの時間シミュレーションの結果を示している。図１８Ａは鋸歯状の駆動信号を示し、図１８Ｂはヒステリシス補償なしで駆動信号によって駆動されるピエゾ要素の変位挙動を示す。ピエゾ要素は、電圧信号が時間とともに変化するにつれて、ヒステリシスに特徴的な湾曲した変位挙動を示す。図１９Ａ～１９Ｂは、電圧信号が上記のアルゴリズムに従って変更されたときの結果を示している。図１９Ａは、湾曲したまたは放物線状の上向きおよび下向きの傾斜を示すように修正された電圧信号を示し、図１９Ｂは、電圧信号の方向の変化の間のピエゾ要素の線形伸長および収縮を示す。図１９Ａから分かるように、修正された電圧信号は、図１８Ｂの変位プロットの逆である。アクチュエータ要素がこの修正された電圧信号で駆動されると、ヒステリシスはほぼ完全に排除され、アクチュエータ要素の位置プロットは、一連のほぼ摂動されていない鋸歯状波をトレースする。
【0095】
図２０Ａは、図７Ａ～７Ｄの駆動ユニットのクランプ要素７１６および７２０の駆動信号を示している。図２０Ｂは、第１のグループ７０４の剪断要素７１４、７０４ｂ、７０４ｃ、および第２のグループ７０６の剪断要素７１８、７０６ｂ、７０６ｃの修正された駆動信号を、修正されていない剪断要素の駆動信号に重ねられた破線で示す。図２１は、本明細書に記載されているように、移動体要素の測定された位置（実線で示されている）およびドライバユニットの剪断要素（複数可）が修正された電圧信号（破線で示されている）で駆動されたときの移動体要素の位置を示している。図２１に見られるように、位置の摂動は、剪断要素のヒステリシスを補償することによって大部分排除することができる。
【0096】
図２２は、本明細書で説明されるように、移動体要素（実線で示される）の測定された速度、および修正された電圧信号で駆動されたドライバユニットの剪断要素（複数可）を伴う移動体要素の速度を示す。図２２に示すように、移動体要素の速度の摂動を実質的に排除することができる。
【0097】
特定の実施形態では、本明細書に記載の方法は、図９と同様の制御システム内の比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラなどのコントローラまたはプロセッサによって実装することができる。特定の実施形態では、１つ以上の測定されたパラメータ（例えば、位置、速度など）をコントローラにフィードバックすることができ、それにより、測定されたパラメータに少なくとも部分的に基づいて電圧信号を修正することができる。
【0098】
上記の例は、ヒステリシスに関連する関数を参照して説明されているが、いくつかの実装形態では、好適な近似は、特定のアクチュエータのヒステリシスを特徴付ける格納された値に基づいている。これらの値は、メモリまたはルックアップテーブルに格納するか、または、便利なように上記の関数関係に基づいて生成することができる。
【0099】
実施例９：コンピューティング環境の例
図２３および以下の考察は、開示された技術が実施され得る例示的なコンピューティング環境の簡潔で一般的な説明を提供することを意図している。例えば、本明細書で説明する方法およびプロセスは、以下で説明するコンピューティング環境と同様に構成されたコントローラまたはプロセッサによって実行することができる。さらに、開示される技術は、携帯デバイス、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースの、またはプログラム可能な消費者電子機器、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む他のコンピュータシステム構成で実施することができる。開示された技術はまた、タスクが通信ネットワークを介してリンクされているリモート処理デバイスによって実行される分散型コンピュータ環境においても実行することができる。
図２３および以下の考察は、開示された技術が実施され得る例示的なコンピューティング環境の簡潔で一般的な説明を提供することを意図している。例えば、本明細書で説明する方法およびプロセスは、以下で説明するコンピューティング環境と同様に構成されたコントローラまたはプロセッサによって実行することができる。さらに、開示される技術は、携帯デバイス、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースの、またはプログラム可能な消費者電子機器、ネットワークＰＣ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む他のコンピュータシステム構成で実施することができる。開示された技術はまた、タスクが通信ネットワークを介してリンクされているリモート処理デバイスによって実行される分散型コンピュータ環境においても実行することができる。
【0100】
図２３を参照すると、開示された技術を実施する例示的なシステムは、１つ以上の処理ユニット１５０２、システムメモリ１５０４およびシステムメモリ１５０４を含む様々なシステム構成要素を１つ以上の処理ユニット１５０２を結合するシステムバス１５０６を含み、例示的な汎用ＰＣ１５００の形態である、汎用コントローラを含む。システムバス１５０６は、様々なバスアーキテクチャのうちの任意のものを利用した、メモリバスまたはメモリコントローラ、周辺バス、およびローカルバスを含む数種のバス構造物のうちのいずれかであってもよい。例示的なシステムメモリ１５０４は、読取専用メモリ（ＲＯＭ）１５０８およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１５１０を含む。ＲＯＭ１５０８には、ＰＣ１５００内の要素間の情報の転送を助ける基本ルーチンを包有する基本入出力システム（ＢＩＯＳ）１５１２が格納されている。図２０の例では、位置決めシステムの動き、ヒステリシス制御、画像化、処理、およびＳＴＥＭおよび／またはＦＩＢの動作モードを制御するためのデータおよびプロセッサ実行可能命令がメモリ１５１０Ａに格納され、データおよびアクチュエータ要素に駆動信号を識別し、かつ提供するための、および／またはビーム成分を識別し、かつ定量化するためのプロセッサ実行可能命令は、メモリ１５１０Ｂに格納される。
【0101】
例示的なＰＣ１５００は、さらに、ハードディスクから読み書きするためのハードディスクドライブ、取り外し可能な磁気ディスクから読み書きするための磁気ディスクドライブ、および光ディスクドライブなどの１つ以上の記憶デバイス１５３０を含む。このような記憶デバイスは、それぞれ、ハードディスクドライブインターフェース、磁気ディスクドライブインターフェース、および光学ドライブインターフェースによってシステムバス１５０６に接続することができる。ドライブおよび関連するコンピュータ可読媒体は、ＰＣ１５００用のコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータの不揮発性ストレージを提供する。他のタイプのコンピュータ可読媒体は、磁気カセット、フラッシュメモリカード、デジタルビデオディスクなどの、ＰＣによってアクセス可能なデータを記憶することができる。
【0102】
いくつかのプログラムモジュールは、オペレーティングシステム、１つ以上のアプリケーションプログラム、他のプログラムモジュール、およびプログラムデータを含む記憶デバイス１５３０に格納されることができる。ユーザは、キーボードなどの１つ以上の入力デバイス１５４０およびマウスなどのポインティングデバイスを介して、コマンドおよび情報をＰＣ１５００に入力することができる。モニタ１５４６または他のタイプのディスプレイデバイスもまた、ビデオアダプタなどのインターフェースを介してシステムバス１５０６に接続されている。コマンド、駆動信号などの出力は、１つ以上の出力デバイス１５４５を介して送信することができる。
【0103】
ＰＣ１５００は、メモリ１５６２を含むリモートコンピュータ１５６０などの１つ以上のリモートコンピュータへの論理接続を使用してネットワーク環境で動作することができる。いくつかの例では、１つ以上のネットワークまたは通信接続１５５０が含まれる。リモートコンピュータ１５６０は、別のＰＣ、サーバ、ルータ、ネットワークＰＣ、もしくはピアデバイスまたは他の共通ネットワークノードであってもよく、典型的には、ＰＣ１５００に関して上述した要素の多くまたはすべてを含むが、図２３には記憶デバイス１５６２のみ図示されている。パーソナルコンピュータ１５００および／またはリモートコンピュータ１５６０は、論理ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）およびワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）に接続することができる。特定の実施形態では、リモートコンピュータ１５６０は、リモートサーバ環境またはクラウドコンピューティング環境に実装された仮想プロセッサを備えることができる。
【0104】
実施例１０：ヒステリシス補償の制御システム
図２４は、前述のプロセスを実施するための制御システム１６００の代表的な実施形態を示している。制御システム１６００は、線形または回転アクチュエータにおける剪断要素、クランプ要素、または他の任意のアクチュエータ要素のヒステリシスを補償するように構成することができる。制御システム１６００は、積分器ツール１６１０、クランプ信号生成器１６０２、剪断信号生成器１６０４、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１６０６、および信号修正ツールまたはモジュール１６０８を備えることができる。
図２４は、前述のプロセスを実施するための制御システム１６００の代表的な実施形態を示している。制御システム１６００は、線形または回転アクチュエータにおける剪断要素、クランプ要素、または他の任意のアクチュエータ要素のヒステリシスを補償するように構成することができる。制御システム１６００は、積分器ツール１６１０、クランプ信号生成器１６０２、剪断信号生成器１６０４、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１６０６、および信号修正ツールまたはモジュール１６０８を備えることができる。
【0105】
駆動周波数ｆαまたは駆動周波数のクロック信号生成器（図示せず）からのクロック信号は、転流角αを確立するために積分器ツール１６１０に提供することができる。場合によっては、上記のように、駆動周波数のデジタルもしくは他の表現、または駆動周波数での周期的信号を提供し、それを使用して転流角αを決定することができる。積分器ツール１６１０は、転流角αをクランプ信号生成器１６０２および剪断信号生成器１６０４に出力することができる。クランプ信号生成器１６０２は、１６１８で表された駆動ユニットの１つ以上のクランプ要素に印加される、１６１２で概略的に表された複数のクランプ要素駆動信号を生成するように構成することができる。例えば、クランプ信号生成器１６０２は、第１のクランプ要素（例えば、図７Ａ～７Ｄの要素７１６）のための第１のクランプ要素駆動信号、および、第２のクランプ要素（例えば、図７Ａ～７Ｄのクランプ要素７２０）のための第２のクランプ要素駆動信号を生成することができる。特定の実施形態では、クランプ要素駆動信号は、転流角α、駆動周波数ｆα、移動体要素の選択されたパス、クランプ要素の選択されたパス（例えば、選択されたパスに沿った移動を生成するための）などのデータに基づいて生成することができる。
【0106】
剪断信号生成器１６０４は、第１の剪断要素駆動信号（例えば、剪断要素７１４、７０４ｂおよび７０４ｃについて）および第２の剪断要素駆動信号（例えば、剪断要素７１８、７０６ｂおよび７０６ｃについて）など、１６１６で概略的に表された複数の剪断要素駆動信号を生成するように構成することができる。剪断要素駆動信号は、移動体要素の選択された動きを生成するように、クランプ要素駆動信号に対応することができ、転流α、駆動周波数ｆα、移動体要素の選択されたパス、剪断要素の選択されたパスなどに基づくことができる。
【0107】
いくつかの実施形態では、ＬＵＴ１６０６は、クランプ要素および／または剪断要素のパスのアレイを含むことができる（例えば、移動体要素の選択された動きをもたらすように構成されている）。ＬＵＴ１６０６はまた、時間の関数として転流角αを格納することができる。いくつかの実施形態では、ルックアップテーブル１６０６は、駆動信号がヒステリシス補償なしで印加されるとき、剪断および／またはクランプ要素の位置またはパスを示す信号、方程式、または関数を格納することができる。いくつかの実施形態では、ＬＵＴ１６０６は、様々な転流角、駆動周波数、および／またはアクチュエータ要素パスのためのヒステリシス補償信号のアレイを含むことができる。いくつかの実施形態では、ヒステリシス補償信号は、上記のように、要素が選択された駆動信号によって駆動されるときの剪断要素および／またはクランプ要素の位置またはパスを記述するヒステリシスモデルの逆数または逆数に基づくことができる。ＬＵＴ１６０６のヒステリシス補償信号は、事前計算されて静的プログラムストレージに格納されるか、制御システムの初期化フェーズの一部として計算されるか、またはアプリケーション固有のプラットフォームのハードウェアに格納することができる。ＬＵＴ１６０６はまた、様々なアクチュエータ要素のヒステリシスモデルを格納することができる。
【0108】
いくつかの実施形態では、駆動ユニットによって移動されるオブジェクト（例えば、移動体要素、移動体要素に結合されたワークピースなど）のパスが選択され、制御システム１６００に提供され得る。いくつかの実施形態では、パスは、システム要件に基づいて、信号修正ツール１６０８によって、または別の制御システムによって選択することができる。特定の実施形態では、信号修正ツール１６０８は、移動体要素の選択されたパス、および／またはシステム要件に基づいて（例えば、転流角、アクチュエータ要素駆動信号の方向の符号変化の検出に基づくなどして）、ＬＵＴからヒステリシス補償信号１６２０を選択することができる。ヒステリシス補償信号１６２０がヒステリシス補償なしのアクチュエータ要素のパスに基づく実施形態では、信号修正ツール１６０８は、信号１６２０の逆数を決定するか、または計算して、アクチュエータ要素の逆信号を取得することができる。信号修正ツール１６０８は、ヒステリシス補償信号を適切な駆動信号と組み合わせて、修正されたまたはヒステリシス補償された剪断要素駆動信号１６２２および１６２４、ならびに／またはヒステリシス補償されたクランプ要素駆動信号１６１４および１６１５を取得する。ヒステリシス補償駆動信号１６１４、１６１５、１６２２および１６２４は、ピエゾ駆動システムツール１６２８に送信することができ、ピエゾ駆動システムツール１６２８は、信号をスケーリングするか、かつ／または調整することができ、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）を使用して信号をデジタル信号からアナログ信号に変換することができる。ヒステリシス補償駆動信号を駆動ユニット１６１８に印加して、駆動ユニットのアクチュエータを移動させて、選択されたパスに沿った駆動ユニットに対する移動体要素の動きを生成することができる。
【0109】
特定の実施形態では、クランプ要素駆動信号および剪断要素駆動信号は、制御システム１６００に印加された周波数ｆαに基づいて、または、周波数ｆαから独立して決定することができる。さらに、図２４に示されるシステム１６００はフィードフォワード制御システムであるが、他の実施形態では、移動体位置、移動体速度、アクチュエータ位置および／または速度、電圧などの１つ以上の変数を測定することができ、そのようなデータを使用してヒステリシス補償信号を選択することができる信号修正ツール１６０８にフィードバックされる。
【0110】
実施例１１：ヒステリシス補償の制御システム
図２５は、前述のプロセスを実施するための制御システム１７００の別の代表的な実施形態を示している。制御システム１７００は、剪断要素、クランプ要素、または線形または回転アクチュエータの他の任意のタイプのアクチュエータ要素のヒステリシスを補償するように構成することができる。制御システム１７００は、積分器ツール１７１０、クランプ信号生成器１７０２、剪断信号生成器１７０４、メモリユニット１７２８を含むプロセッサ１７０６、および信号修正ツール１７０８を備えることができる。
図２５は、前述のプロセスを実施するための制御システム１７００の別の代表的な実施形態を示している。制御システム１７００は、剪断要素、クランプ要素、または線形または回転アクチュエータの他の任意のタイプのアクチュエータ要素のヒステリシスを補償するように構成することができる。制御システム１７００は、積分器ツール１７１０、クランプ信号生成器１７０２、剪断信号生成器１７０４、メモリユニット１７２８を含むプロセッサ１７０６、および信号修正ツール１７０８を備えることができる。
【0111】
駆動周波数ｆαまたは駆動周波数のクロック信号生成器（図示せず）からのクロック信号は、転流角αを確立するために積分器ツール１７１０に提供することができる。場合によっては、上記のように、駆動周波数のデジタルもしくは他の表現、または駆動周波数での周期的信号を提供し、それを使用して転流角αを決定することができる。積分器ツール１７１０は、転流角αをクランプ信号生成器１７０２および剪断信号生成器１７０４に出力することができる。クランプ信号生成器１７０２は、１７１０で表された駆動ユニットの１つ以上のクランプ要素に印加される、１７１２で概略的に表された複数のクランプ要素駆動信号を生成するように構成することができる。例えば、クランプ信号生成器１７０２は、第１のクランプ要素（例えば、図７Ａ～７Ｄの要素７１６）のための第１のクランプ要素駆動信号、および、第２のクランプ要素（例えば、図７Ａ～７Ｄのクランプ要素７２０）のための第２のクランプ要素駆動信号を生成することができる。
【0112】
剪断信号生成器１７０４は、第１の剪断要素駆動信号（例えば、剪断要素７１４、７０４ｂおよび７０４ｃについて）および第２の剪断要素駆動信号（例えば、剪断要素７１８、７０６ｂおよび７０６ｃについて）など、１７１６で概略的に表された複数の剪断要素駆動信号を生成するように構成することができる。
【0113】
いくつかの実施形態では、メモリユニット１７２８は、クランプ要素および／または選択された位置の間の剪断要素の複数のパスのデータを含むことができる。いくつかの実施形態では、メモリユニット１７２８は、クランプおよび／または剪断要素のヒステリシスモデルを格納することができる。いくつかの実施形態では、ヒステリシスモデルは、駆動信号がヒステリシス補償なしで印加されるとき、剪断および／またはクランプ要素の位置または変位パスを示す信号、方程式、または関数のデータを含むことができる。いくつかの実施形態では、メモリユニット１７２８は、様々な転流角度、駆動周波数、および／またはアクチュエータ要素パスのための複数の事前計算されたヒステリシス補償信号１７２０を含むことができる。他の実施形態では、メモリユニット１７２８は、剪断要素およびクランプ要素の駆動信号が方向を変える位置および／または電圧値のデータを含むことができる。メモリ１７２８内のデータは、事前計算されてメモリ１７２８に格納され、制御システムの初期化フェーズの一部としてプロセッサユニット１７０６によって計算され、かつ／または剪断および／またはクランプ要素駆動信号１７１２、１７１６の情報に基づいて計算され得る。
【0114】
いくつかの実施形態では、プロセッサ１７０６は、駆動周波数ｆ、転流角α、選択されたアクチュエータ要素パス、および／またはメモリ１７２８に格納された複数の所定の剪断および／またはクランプ駆動信号に基づいてヒステリシス補償信号１７２０を計算するか、または決定することができる。いくつかの実施形態では、駆動ユニットによって移動されるオブジェクト（例えば、移動体要素、移動体要素に結合されたワークピースなど）のパスが選択され、制御システム１７００に提供され得る。いくつかの実施形態では、パスは、プロセッサ１７０６または別の制御システムによって選択することができる。特定の実施形態では、プロセッサ１７０６は、アクチュエータ要素の方向の変化を識別することによって、ヒステリシス補償信号１７２０を決定することができる。そのような方向の変化は、信号生成器１７０２および１７０４によって提供された駆動信号の変化率の符号に基づいて識別することができる。いくつかの実施形態では、ヒステリシス補償信号１７２０は、メモリ１７２８に格納されたアクチュエータ要素ヒステリシスモデルに基づくことができる。特定の実施形態では、ヒステリシスモデルは、上記のように、ヒステリシス補償なしで駆動信号が要素に印加されるときに、剪断またはクランプ要素の位置またはパスの逆数または逆数に基づくことができる。いくつかの実施形態では、プロセッサ１７０６は、メモリ１７２８から事前計算されたヒステリシス補償信号を選択することができる。
【0115】
ヒステリシス補償信号１７２０は、信号修正ツール１７０８に提供することができ、信号修正ツール１７０８は、信号１７２０を適切な剪断および／またはクランプ要素駆動信号（複数可）と組み合わせて、ヒステリシス補償剪断要素駆動信号１７２２および１７２４、ならびに／またはヒステリシス補償クランプ要素駆動信号１７１４および１７１５を生成することができる。修正された剪断要素駆動信号１７２２および１７２４は、クランプ要素駆動信号１７１４および１７１５とともに、ピエゾ駆動システム１７２６によってスケーリングおよび／または調整され、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）によってアナログ信号に変換され得る。（例えば、ピエゾ駆動システム１７２６の一部）、そして駆動ユニット１７１８に出力されて、駆動ユニットに対する移動体要素（例えば、移動体要素７０２）の動きを生成する。
【0116】
特定の実施形態では、位置エンコーダ１７３０は、移動体要素の変位ｘｍおよび／または移動体要素の速度ｖのデータを決定することができ、データを信号修正ツール１７０８および／またはプロセッサ１７０６に送り返すことができる。プロセッサ１７０６は、位置および／または速度データを使用して、ヒステリシス補償信号を決定するか、または更新し、アクチュエータ要素などのヒステリシスモデルを更新することができる。
【0117】
実施例１２：基準静電容量を使用したヒステリシス測定および補償
図２６は、複数のコンデンサを含み、ピエゾ要素またはピエゾ要素のセットのヒステリシスを決定し、かつ／または補正するように構成された別の制御システム１８００を示している。説明の目的で、以下の例は、３つの剪断ピエゾ要素１８０２、１８０４、および１８０６を参照して進められるが、システムは、クランプ要素とともに使用するように構成されてもよい。コンデンサ１８０８は剪断要素１８０２に関連付けることができ、コンデンサ１８１０は剪断要素１８０４に関連付けることができ、コンデンサ１８１２は剪断要素１８０６に関連付けることができる。コンデンサ１８０８～１８１２は並列に配線することができ、システムは、３つのコンデンサ１８０８～１８１２と直列に配線された基準コンデンサ１８１４を備えることができる。ピエゾ要素の基準電圧ＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦは、以下でさらに説明するように、制御モジュールまたはツール１８１６に供給することができる。モジュール１８１６によって出力された電圧は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１８１８によってアナログ信号に変換され得、非反転入力で演算増幅器１８２０に供給され得る。増幅器１８２０によって出力された電圧ＶＡＭＰＬＩＦＩＥＲは、剪断要素に関連付けられたコンデンサ１８０８～１８１２に供給することができる。電圧降下ＶＲＥＦは、基準コンデンサ１８１４の両端で測定され、アナログデジタル（ＡＤＣ）変換器１８２２によってデジタル信号に変換され、加算接合部１８２４で基準信号ＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦから減算され得る。
図２６は、複数のコンデンサを含み、ピエゾ要素またはピエゾ要素のセットのヒステリシスを決定し、かつ／または補正するように構成された別の制御システム１８００を示している。説明の目的で、以下の例は、３つの剪断ピエゾ要素１８０２、１８０４、および１８０６を参照して進められるが、システムは、クランプ要素とともに使用するように構成されてもよい。コンデンサ１８０８は剪断要素１８０２に関連付けることができ、コンデンサ１８１０は剪断要素１８０４に関連付けることができ、コンデンサ１８１２は剪断要素１８０６に関連付けることができる。コンデンサ１８０８～１８１２は並列に配線することができ、システムは、３つのコンデンサ１８０８～１８１２と直列に配線された基準コンデンサ１８１４を備えることができる。ピエゾ要素の基準電圧ＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦは、以下でさらに説明するように、制御モジュールまたはツール１８１６に供給することができる。モジュール１８１６によって出力された電圧は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１８１８によってアナログ信号に変換され得、非反転入力で演算増幅器１８２０に供給され得る。増幅器１８２０によって出力された電圧ＶＡＭＰＬＩＦＩＥＲは、剪断要素に関連付けられたコンデンサ１８０８～１８１２に供給することができる。電圧降下ＶＲＥＦは、基準コンデンサ１８１４の両端で測定され、アナログデジタル（ＡＤＣ）変換器１８２２によってデジタル信号に変換され、加算接合部１８２４で基準信号ＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦから減算され得る。
【0118】
加算接合部１８２４から修正された、または加算された電圧信号は、制御モジュール１８１６に入力することができる（例えば、負のフィードバックとして）。制御モジュール１８１６は、基準コンデンサ１８１４の両端の電圧降下ＶＲＥＦおよびピエゾ要素基準電圧ＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦとの間の差を決定することができ、差を低減するために制御を印加することができる。特定の実施形態では、基準電圧ＶＲＥＦは、アクチュエータ要素１８０２～１８０６のヒステリシスと相関し得る。例えば、特定の実施形態では、基準コンデンサ１８１４の両端で測定された電圧ＶＲＥＦは、アクチュエータ要素１８０２～１８０６のヒステリシスのために、図１４または１５と同様の周期的またはループ動作を示すことができる。電圧降下ＶＲＥＦはまた、増幅器１８２０の反転入力に供給され得る。
【0119】
特定の実施形態では、コントローラ１８１６は、以下の式９に示されるように、合計された電圧信号にゲインＫを印加して、ＤＡＣ１８１８への電圧出力ＶＯＵＴを生成することができる。
ＶＯＵＴ＝Ｋ×（ＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦ－ＶＲＥＦ） （９）
ＶＯＵＴ＝Ｋ×（ＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦ－ＶＲＥＦ） （９）
【0120】
他の実施形態では、コントローラ１８１６は、比例、積分、および／または微分制御のいずれか、またはそれらの組み合わせを適用することができる。制御方法は、ピエゾ要素１８０２～１８０６のヒステリシスを低減するように選択することができる（例えば、ＶＲＥＦとＶＰＩＥＺＯ、ＲＥＦとの間の差を低減することによって）。
【0121】
制御システム１８００は、本明細書に記載のモータおよび制御システムのいずれかと組み合わせて使用することができる。例えば、本明細書に記載のピエゾモータのいずれも、剪断ピエゾ要素の２つのグループのそれぞれについて１８１４と同様の基準コンデンサ、およびクランプピエゾ要素のそれぞれについて基準コンデンサを備えることができ、これを使用して、ピエゾ要素のヒステリシスを低減することができる。
【0122】
図２７に示される別の実施形態では、剪断コンデンサ１８０８～１８１２の両端の電圧降下ＶＰＩＥＺＯをＡＤＣ変換器１８２２に提供することができる。
【0123】
本明細書に記載のピエゾモータ、ステージ、およびビームシステムの追加の詳細は、本明細書に提出され、また弁護士参照番号９７４８－１０２３３９－０１によって参照される「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｃｌａｍｐ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ」と題された出願に、また、本明細書に提出され、また、弁護士参照番号９７４８－１０２７１４－０１によって参照される「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ Ｓｔａｇｅ」と題された出願に見出すことができ、これらのそれぞれは、参照によりその全体が本明細書に援用される。
【0124】
開示された実施形態は、圧電要素を含むアクチュエータに限定されず、回転もしくは線形モータまたはアクチュエータ、ボイスコイルモータなどの、ヒステリシスを示す任意の他のタイプのアクチュエータに拡張され得る。
【0125】
例示された実施形態を参照して開示の原理を記載し、かつ図示してきたが、例示された実施形態は、そのような原理から逸脱することなく構成および詳細を改変できることが認識されるであろう。例えば、ソフトウェアにおいて示された例示された実施形態の要素は、ハードウェアで実装されてもよく、逆もまた同様である。また、任意の実施例からの技術は、任意の他の１つ以上の実施例で記載された技術と組み合わせることができる。
【0126】
用語の説明
この説明の目的のために、本開示の実施形態の特定の態様、利点、および新規の特徴が本明細書に記載されている。開示された方法、装置、およびシステムは、いかなる方法でも限定的であると解釈されるべきではない。むしろ、本開示は、単独で、ならびに互いとの種々の組み合わせおよび部分的な組み合わせで、種々の開示された実施形態のすべての新規性および非自明性および態様を対象とする。開示された方法、装置およびシステムは、任意の特定の態様もしくは特徴またはそれらの組み合わせに限定されず、任意の１つ以上の特定の利点が存在するか、または問題が解決されることも必要としない。
この説明の目的のために、本開示の実施形態の特定の態様、利点、および新規の特徴が本明細書に記載されている。開示された方法、装置、およびシステムは、いかなる方法でも限定的であると解釈されるべきではない。むしろ、本開示は、単独で、ならびに互いとの種々の組み合わせおよび部分的な組み合わせで、種々の開示された実施形態のすべての新規性および非自明性および態様を対象とする。開示された方法、装置およびシステムは、任意の特定の態様もしくは特徴またはそれらの組み合わせに限定されず、任意の１つ以上の特定の利点が存在するか、または問題が解決されることも必要としない。
【0127】
開示された方法のいくつかの動作は、便宜上、特定の順番で記載されているが、以下に記載される具体的な文言によって特定の順序が要求されない限り、この説明方法が並び替えを包含することを理解されるものとする。例えば、順に記載される動作は、いくつかの場合では、並び替えられるかまたは同時に実施されてもよい。さらに、単純化のために、添付の図面は、開示された方法が、他の方法とともに使用され得る様々な方法を示さないことがある。加えて、説明は、開示された方法を説明するために、「提供する（ｐｒｏｖｉｄｅ）」および「達成する（ａｃｈｉｅｖｅ）」などの用語を使用することがある。これらの用語は、実施される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実装態様に応じて、様々であり、当業者には容易に認識できる。
【0128】
本明細書に記載のすべての特徴は、互いに独立しており、構造的に不可能な場合を除いて、本明細書に記載の他の任意の特徴と組み合わせて使用することができる。
【0129】
本出願および特許請求の範囲において使用される、「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単数形は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数形も含む。さらに、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」という用語は「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」を意味する。さらに、「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」および「関連する（ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ）」という用語は、一般に、電気的、電磁的、かつ／または物理的に（例えば、機械的または化学的に）結合されるか、またはリンクされていることを意味し、特定の反対の文言がない結合された、または関連付けられたアイテム間の中間要素の存在を排除しない。
【0130】
以下の説明では、「上（ｕｐ）」、「下（ｄｏｗｎ）」、「上部（ｕｐｐｅｒ）」、「下部（ｌｏｗｅｒ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」などの特定の用語が使用され得る。これらの用語は、該当する場合、相対的な関係を扱うときに説明を明確にするために使用される。ただし、これらの用語は、絶対的な関係、位置、および／または方向を意味することを意図したものではない。例えば、オブジェクトに関しては、オブジェクトを裏返すだけで「上部」の表面を「下部」の表面にすることができる。それにもかかわらず、それはまだ同じオブジェクトである。
【0131】
本開示の技術の原理が適用できる多数の可能な実施形態の観点では、図示された実施形態は好ましい実施例のみであり、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないと認識すべきである。むしろ、開示の範囲は、少なくとも以下の請求項と同じくらい広い。したがって、私たちはこれらの主張の範囲および趣旨に含まれるすべてのものを主張する。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図19A】
【図19B】
【図20A】
【図20B】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
