JP2004525780A - 超精密位置決めシステム - Google Patents
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Abstract
超精密位置決めシステムを提供する。このシステムは、ベースと、前記ベースの上部に運動可能に設けられるモーションステージと、前記モーションステージを６自由度運動させる第１〜第６移送機構とを含んでなる。前記第１〜第６移送機構は前記ベース及び前記モーションステージにそれぞれ取り付けられる。第１〜第３移送機構それぞれはピエゾアクチュエータと前記ピエゾアクチュエータの両側に設けられた２つの弾性ヒンジとを有する。第４〜第６移送機構それぞれはピエゾアクチュエータ、３つのヒンジ部材、及びヒンジ部材と連動しノッチ型ヒンジを有するレバー部材を備える。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超精密位置決めシステムに関し、より詳しくは、マイクロメートル以下の多自由度の微細運動を正確に行うことが可能な超精密位置決めシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、産業現場の各分野で超精密級位置決め技術の重要性は日増しに増大しつつある。特に、半導体技術の発展が回路の高集積化を可能にした。その結果、最新マイクロプロセッサの場合、使用される線幅が０.１８μｍ程度であって髪の太さの約１／５００に相当する。この場合、ウェーハを製作するステージに要求される精密度は、線幅の１／１０程度であって２０ｎｍの再現性(Reproducibility)が要求される。また、サブミクロン水準の超精密移送装置の実現は、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ；Atomic Force Microscope)、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope)といった超精密測定分野と情報産業等の産業分野にも活用できるなど、その応用範囲が広範囲である。
【０００３】
リニアモータを用いるか、或いはサーボモータとボールスクリューを用いる通常の位置決め装置は、比較的長い行程距離をもっているが、バックラッシュなどの構造的な限界によって実現可能な位置精密度に限界がある。また、通常の位置決め装置では垂直方向の運動を得るためにアクチュエータ自体を垂直方向に配列することにより、システムの全高が高くなるという欠点がある。これは高い精密度を必要とする作業で垂直方向の位置を制御するのに多くの困難さを伴わせる。
【０００４】
一方、マイクロメートル以下の水準に運動する超精密位置決め装置は、非線形的な要因を除去し或いは最小化するため、摩擦部分が無いように設計しなければならない。その上、アクチュエータ自体もマイクロメートル以下の水準に容易に駆動され、反復性の高い要素を使用しなければならない。また、位置決め装置の高さを出きる限り低く設計する必要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、マイクロメートル以下の多自由度の微細運動を正確に行うことが可能な超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、弾性を有するヒンジ構造によって干渉による磨耗がなく，非常に高い反復精密度を保つことが可能な超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００７】
本発明のさらに他の目的は、連続的且つ円滑な微細運動を行うことが可能な超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、モーションステージ自体の剛性が大きくて全高が低い超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、温度変化又は温度勾配にあまり影響されない超精密位置決めシステムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る超精密位置決めシステムは、ベースと、ベースに対して運動できるようにベースの上部に配置されるモーションステージと、ベースに対してモーションステージをＸ軸並進運動させ、第１アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からある第１移送手段と、ベースに対して前記モーションステージをＹ軸並進運動及びＺ軸回転運動させ、第２アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からなる第２移送手段と、第２移送手段と協同してベースに対してモーションステージをＹ軸並進運動及びＺ軸回転運動させ、第３アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からなる第３移送手段と、ベースに対してモーションステージをＸ軸回転運動させ、第４アクチュエータ、円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ部材、第２ヒンジ部材と連動する第１レバー部材、及び第１レバー部材と連動する第３ヒンジ部材からなる第４移送手段と、第１〜第４移送手段の第１〜第４アクチュエータを制御する制御手段とを含んでなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る超精密位置決めシステムの好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
まず、図１ないし図３を参照すると、本発明の超精密位置決めシステムは、固着されるベース１０と、ベース１０の上部に位置し、ベース１０に対して６自由度運動を行うモーションステージ２０と、ベース１０に対してモーションステージ２０を６自由度運動させる第１移送機構３０、第２移送機構４０、第３移送機構５０、第４移送機構６０、第５移送機構７０及び第６移送機構８０とを備える。第１移送機構３０はベース１０に対してモーションステージ２０を図１に示すようにＸ軸並進運動させる。第２移送機構４０と第３移送機構５０は協同してベース１０に対してモーションステージ２０をＹ軸並進運動とＺ軸回転運動させる。第４〜第６移送機構６０、７０、８０は協同してベース１０に対してモーションステージ２０をＺ軸並進運動、Ｘ軸回転運動及びＹ軸回転運動させる。
【００１２】
図３を参照すると、第１〜第３移送機構３０、４０、５０それぞれは、第１〜第３ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１と、第１〜第３ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１それぞれの両端に固定的に整列されてステージ駆動部を構成する、円弧ヒンジ３２ａ、４２ａ、５２ａを有する第１ヒンジ要素３２、４２、５２と円弧ヒンジ３３ａ、４３ａ、５３ａを有する第２ヒンジ要素３３、４３、５３とを備える。そして、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれは、第４〜第６ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１と、第４〜第６ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１それぞれの両端に固定的に整列されてステージ駆動部を構成する、円弧ヒンジ６２ａ、７２ａ、８２ａを有する第１、第４、第７ヒンジ部材６２、７２、８２と円弧ヒンジ６３ａ、７３ａ、８３ａを有する第２、第５、第８ヒンジ部材６３、７３、８３とを備える。また、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれは第３、第６、第８ヒンジ部材６７、７７、８７と第１、第２、第３レバー部材６８、７８、８８をさらに含んでなる。円弧ヒンジは弾性ヒンジであって、力と変位の関係が線形的で材質自体の弾性変形を用いて変形運動を行う。また、円弧ヒンジは接触面における相対運動がないので、微小変位の駆動が連続的であり、円滑な運動軌跡を提供する。そして、脆性材質は疲労又は過度の力による破壊メカニズムを容易に予測することができるので、ヒンジ構造を弾性−脆性(Elastic-Brittle)材質を用いて製作する場合、非常に高い反復精密度を有するシステムに適用し易い。一方、本実施例では、ピエゾアクチュエータが使用されているが、ピエゾアクチュエータの代りにボイスコイルアクチュエータ又は磁気アクチュエータを適用することができる。
【００１３】
第１移送機構３０はベース１０のＸ軸中心線に整列されており、モーションステージ２０に固定される側に位置する第１移送機構３０の第２ヒンジ要素３３のヒンジ３３ａの中心はモーションステージ２０の中心と一致している。図３には第１移送機構３０のヒンジ３３ａの中心がベース１０又はモーションステージ２０の中心であるＸ軸中心線とＹ軸中心線との交差点と一致していることが良く表れている。第２移送機構４０と第３移送機構５０はベース１０のＹ軸中心線と並んで整列されており、図３に示すように、第２移送機構４０と第３移送機構５０の第２ヒンジ要素４３、５３のヒンジ４３ａ、５３ａはそれぞれＸ軸中心線に整列されている。第４移送機構６０はベース１０のＸ軸中心線の上側にＸ軸中心線と並んで整列されており、モーションベース２０に固定される側に位置する第４移送機構６０のヒンジ６３ａはベース１０のＹ軸中心線に整列されている。第５移送機構７０と第６移送機構８０それぞれはベース１０のＸ軸中心線の下方にＸ軸中心線と並んでＹ軸中心線に対して互いに対称となるように整列されている。第４移送機構６０と第５及び第６移送機構７０、８０は、Ｘ軸中心線に対して後述するように一定の間隔Ｄ（図１参照）をおいて隔設される。
【００１４】
図４は本発明の超精密位置決めシステムを制御するためのブロック図である。図４を参照すると、本発明に係る超精密位置決めシステムは、モーションステージ２０を超精密運動させるために第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１それぞれを駆動させる駆動信号を出力して制御するコントローラ９０と、コントローラ９０からの駆動信号を増幅して第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１それぞれに入力する第１〜第６増幅器９１ａ〜９１ｆと、第１〜第６移送機構３０、４０、５０、６０、７０、８０によって運動するモーションステージ２０の運動位置を感知する第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆとを備える。本実施例において、第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆそれぞれは、モーションステージ２０の上面に付着するミラー（図示せず）と、このミラーにレーザービームを走査するレーザを有するレーザ干渉計（図示せず）によって構成することができる。そして、図２及び図３に示すように、第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１とコントローラ９０はケーブル９３によって電気的に接続されている。
【００１５】
コントローラ９０の制御によって第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１それぞれの駆動信号が出力され、第１〜第６増幅器９１ａ〜９１ｆによって増幅された駆動信号が第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１に入力されると、第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１にはそれぞれ変位が発生する。第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１に発生するそれぞれの変位は、上述した円弧ヒンジ３３ａ、４３ａ、５３ａ、６３ａ、７３ａ、８３ａを介してモーションステージ２０に伝達されることにより、モーションステージ２０は運動する。モーションステージ２０の運動位置は第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆによって感知され、コントローラ９０は第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆそれぞれから入力されるフィードバック信号に基づいてモーションステージ２０の運動位置を補正する。
【００１６】
図５に示すように、ベース１０の上面には、第１〜第６移送機構３０、４０、５０、６０、７０、８０を設置するための第１〜第６取付溝１１ａ〜１１ｆが設けられており、第１〜第３取付溝１１ａ〜１１ｃそれぞれにはスロット１２が設けられている。
【００１７】
図３、図６ａ及び図６ｂを参照すると、第１移送機構３０の第１ピエゾアクチュエータ３１の両端には、第１及び第２ヒンジ要素３２、３３の一端に設けられているネジ３２ｂ、３３ｂがそれぞれ締結される。第１ヒンジ要素３２の他端に設けられている円筒形固定部３２ｃは第１固定ブロック３４の孔３４ａに固定的に挿入される。第１固定ブロック３４はベース１０の第１取付溝１１ａに嵌合され、スロット１２を貫通する固定手段、例えばネジの締結によって固着される。第２ヒンジ要素３３の他端に設けられている円筒形固定部３３ｃは第２固定ブロック３５の孔３５ａに挿入され、第２固定ブロック３５はネジの締結によってモーションステージ２０の底面に固着される。第２固定ブロック３５の孔３５ａに挿入された第２ヒンジ要素３３の固定部３３ｃを支持し得るように支持板３６の中央に孔３６ａが設けられており、サポートプレート３６はネジ３６ｂの締結によって第２固定ブロック３５に固着され、第２ヒンジ要素３３の離脱を防止する。
【００１８】
本発明に係る超精密位置決めシステムにおいて、第２移送機構４０と第３移送機構５０は、第１移送機構３０と同一に構成されている。したがって、第２移送機構４０の第２ピエゾアクチュエータ４１と第１ヒンジ要素４２と第２ヒンジ要素４３、及び第３移送機構５０の第３ピエゾアクチュエータ５１と第１ヒンジ要素５２と第２ヒンジ要素５３の構成及び作用は、第１移送機構３０の第１ピエゾアクチュエータ３１と第１ヒンジ要素３２と第２ヒンジ要素３３の構成及び作用と同一なので、第２移送機構４０と第３移送機構５０に対する詳細な説明は省く。
【００１９】
図３、図７ａ及び図７ｂを参照すると、第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１の両端には、第１及び第２ヒンジ部材６２、６３の一端に設けられているネジ６２ｂ、６３ｂがそれぞれ締結される。第１ヒンジ部材６２の他端に設けられている円筒形固定部６２ｃは固定ブロック６４の孔６４ａに挿入される。固定ブロック６４の孔６４ａに挿入されたヒンジ部材６２の固定部６２ａを支持し得るように支持板６５の中央に孔６５ａが設けられており、支持板６５はネジ６５ｂの締結によって固定ブロック６４に固着され、第１ヒンジ部材６２の離脱を防止する。そして、固定ブロック６４の両側にはスロット６４ｂが設けられており、固定ブロック６４のスロット６４ｂの上部にはパッド６６が配置されている。固定ブロック６４はベース１０の取付溝１１ｄの一側に嵌合され、パッド６６のネジ孔６６ａにはベース１０と固定ブロック６４のスロット６４ｂを貫通してネジ６６ｂが締結される。したがって、固定ブロック６４はベース１０に固着される。
【００２０】
また、第２ヒンジ部材６３のヒンジ６３ａとネジ６３ｂとの間に円筒形延長部６３ｃが設けられており、他端にはジョイントプレート６３ｄが設けられている。第２ヒンジ部材６３の延長部６３ｃは第４ピエゾアクチュエータ６１に対して垂直方向に配置される第３ヒンジ部材６７のボディ部６７ａのの孔６７ｂに挿入される。第３ヒンジ部材６７のボディ部６７ａの上下には円形の第１ヒンジ６７ｃと第２ヒンジ６７ｄがそれぞれ設けられており、第３ヒンジ部材６７の第１ヒンジ６７ｃと第２ヒンジ６７ｄには第１ジョイントプレート６７ｅと第２ジョイントプレート６７ｆがそれぞれ連結されている。第３ヒンジ部材６７の第１ジョイントプレート６７ｅはネジの締結によってモーションステージ２０の底面に固着される。
【００２１】
第４移送機構６０は、第２ヒンジ部材６３及び第３ヒンジ部材６７と連動する第１レバー部材６８を備える。第１レバー部材６８は第１レバー６８ａ、第２レバー６８ｂ、及び第１レバー６８ａと第２レバー６８ｂを一体型に連結するノッチ型ヒンジ６８ｃから構成されている。第１レバー６８ａは水平部６９ａと垂直部６９ｂが設けられており、第２レバー６８ｂは第１レバー６８ａの垂直部６９ｂに対して直角を成すように配置されている。第１レバー６８ａの水平部６９ａには第３ヒンジ部材６７の第２ジョイントプレート６７ｆがネジの締結によって固着され、第１レバー６８ａの垂直部６９ｂには第２ヒンジ部材６３のジョイントプレート６４ｄがネジの締結によって固着される。第１レバー部材６８の第２レバー６８ｂはネジの締結によってベース１０の取付溝１１ｄに固着される。
【００２２】
このような構成を有する本発明に係る超精密位置決めシステムは、ピエゾアクチュエータによって円弧ヒンジが弾性的に変形することにより、ヒンジ構造(Hinge Flexure)がモーションステージの運動方向を制限し、或いは特定方向へのガイドの役割を果たしてモーションステージを運動させる。ヒンジの剛性(Stiffness)値を知ると、ピエゾアクチュエータによってヒンジに力が印加されたとき、モーションステージの移送量を知ることができる。ヒンジの軸方向をｘ軸と仮定したとき、力と変位間の関係式はｘ軸及びせん断方向のｙ、ｚ軸に対して数式１、２及び３のように単純化することができる。この関係式は周知のもので、パロスとワイスボードによって求められた式であり、多くの実験によって検証されている。本発明に係る超精密位置決めシステムにおいて、第５移送機構７０と第６移送機構８０は、第４移送機構６０と同一に構成されている。したがって、第５移送機構７０の第５ピエゾアクチュエータ７１と第４ヒンジ部材７２と第５ヒンジ部材７３と第６ヒンジ部材７７と第２レバー部材７８、及び第６移送機構８０の第６ピエゾアクチュエータ８１と第７ヒンジ部材８２と第８ヒンジ部材８３と第９ヒンジ部材８７と第３レバー部材８８の構成及び作用は、第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１と第１ヒンジ部材６２と第２ヒンジ部材６３と第３ヒンジ部材６７と第１レバー部材６８の構成及び作用と同一なので、第５移送機構７０と第６移送機構８０に対する詳細な説明は省く。
【００２３】
【数１】
【数２】
【数３】
ここで、Ｒとｔは、図８に示すように、円弧ヒンジの半径と厚さをそれぞれ示す。Ｅは弾性係数、Ｇはせん断係数、Ｍはトーションモーメント、αは回転角度を示す。
【００２４】
数式１、２及び３は有限要素解釈(Finite Element Method)結果と比較して１０％誤差範囲内の値を有するので、円弧ヒンジの加工上の誤差及び弾性材質のヒステリシスを考慮しても、充分受け入れることができる。
【００２５】
一方、本発明のヒンジ構造を設計するに際して基本的に考慮されるべきなのはヒンジに加わる応力と変形である。ヒンジを設計する場合、ヒンジの各変位(Angular Displacement)とヒンジの最大応力αｍａｘとの関係は、
【数４】
【数５】
によって線形変位を分ることができる。ここで、θは角変位、Ｋは比例定数、Ｋｔは数式５で定義された定数、δは移送変位、Ｌはヒンジ有効長さを示す。したがって、所望の変位量を得るために適当な材質を選択することにより、最大応力αｍａｘと弾性係数Ｅを知ることができ、数式４及び数式５の反復的な計算によってヒンジの半径Ｒと厚さｔを適切に決定することができる。このように決定された半径Ｒと厚さｔを数式１、２及び３に代入することにより、ヒンジの剛性を決定する。
【００２６】
本発明に係る超精密位置決めシステムでは、モーションステージ自体の剛性を高めながら全高を低くするために、垂直方向と関連して前記レバー部材６８、７８、８８を用いた。モーションステージ２０の垂直運動方向をＺ軸としたとき、超精密位置決めシステムの駆動システムは全体形状の高さを最小化し、システムの剛性を最大化するためにＺ軸方向に対して低い高さ構造を持たなければならない。一般に、ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１の最大膨張はその長さの０.１％程度に過ぎないので、必要とする移送範囲を得るためにはピエゾアクチュエータの長さが長くなければならない。例えば１２５μｍ以上の移送のためには長さ２００ｍｍ以上のピエゾアクチュエータが必要となる。したがって、本発明によってこのようなピエゾアクチュエータの長さを考慮してピエゾアクチュエータ６１、７１、８１を水平に配置し、ピエゾアクチュエータの水平動きをレバー部材６８、７８、８８によって垂直動きで伝達することにより、本発明に係る超精密位置決めシステムの高さを低くすることができる。
【００２７】
第１レバー部材６８を例を挙げて説明すると、レバー部材６８の設計においてピエゾアクチュエータ６１によって伝達される力の作用点であるヒンジ６８ｃの位置を調整して実際動くモーションステージ２０の垂直変位がピエゾアクチュエータ６１の水平変位の２倍と同一になるようにした。すなわち、図１０ａに示すように、第２ヒンジ部材６３のヒンジ６３ａ中心のＸ軸方向の延長線とレバー部材６８のヒンジ６８ｃ中心との垂直距離をａとし、第３ヒンジ部材６７の第１及び第２ヒンジ６７ｃ、６７ｄ中心のＹ軸方向の延長線とレバー部材６８のヒンジ６８ｃ中心との水平距離をｂとすれば、第４ピエゾアクチュエータ６１によって発生する第２ヒンジ部材６３のヒンジ６３ａの微小変位に対するレバー部材６８のヒンジ６８ｃの中心回転角度は一定なので、
【数６】
のような関係が成り立つ。数式６において、θはレバー部材６８のヒンジ６８ｃの中心を軸とした回転値、Δｙは垂直変位、Δｘは水平変位を示す。第４ピエゾアクチュエータ６１によって第２ヒンジ部材６３のジョイントプレート６３ｄに水平変位が発生すると、レバー部材６８のヒンジ６８ｃ中心で数式６によって変位が増幅される。これはレバー部材６８の第１レバー６８ａと第３ヒンジ部材６７の第２ジョイントプレート６７ｆによって垂直方向の変位に伝達される。
【００２８】
本発明のピエゾアクチュエータとヒンジ要素又はヒンジ部材からなるステージ駆動部の軸方向剛性Ｋａは数式７によって求めることができ、半径方向剛性Ｋｒは数式８によって求めることができる。
【００２９】
【数７】
【数８】
式中、Ｋｐｚｔはピエゾアクチュエータの剛性を示し、Ｌはピエゾアクチュエータを含む第１ヒンジ要素と第２ヒンジ要素のヒンジ中心間の距離である。数式７及び数式８にヒンジの半径Ｒと厚さｔを代入することにより、ステージ駆動部全体の剛性を求めることができる。
【００３０】
次に、本発明の超精密位置決めシステムに対する作用を説明する。以下の数式において、Ｘ軸並進運動はＸ、Ｙ軸並進運動はＹ、Ｚ軸並進運動はＺで示し、Ｘ軸回転運動はΘｘ、Ｙ軸回転運動はΘｙ、Ｚ軸回転運動はΘｚで示す。そして、第１ピエゾアクチュエータの駆動信号はＸ１、第２及び第３ピエゾアクチュエータそれぞれの駆動信号はＹ１及びＹ２、第４〜第６ピエゾアクチュエータそれぞれの駆動信号はＺ１、Ｚ２及びＺ３で示す。
【００３１】
まず、図３及び図５を参照して第１移送機構３０の作用を考察する。コントローラ９０の制御によって第１移送機構３０の第１ピエゾアクチュエータ３１に駆動信号Ｘ１が入力されると、数式９から分るように、モーションステージ２０のＸ軸並進運動が行われる。
【数９】
【００３２】
この際、第１ピエゾアクチュエータ３１と第１及び第２ヒンジ要素３２、３３のヒンジ３２ａ、３３ａから構成される第１移送機構３０のステージ駆動部は、軸方向剛性が回転方向の剛性に比べて相当大きい。したがって、第１移送機構３０単独でもモーションステージ２０のＸ軸並進運動を充分行うことができる。
【００３３】
次に、第２移送機構４０と第３移送機構５０の作用によるモーションステージ２０のＹ軸並進運動とＺ軸回転運動について考察する。コントローラ９０の制御によって第２移送機構４０の第２ピエゾアクチュエータ４１と第３移送機構５０の第３ピエゾアクチュエータ５１に同一値の駆動信号Ｙ１＝Ｙ２が入力されると、数式１０から分るように、第２ピエゾアクチュエータ４１と第３ピエゾアクチュエータ５１の駆動によってモーションステージ２０のＹ軸並進運動が行われる。
【数１０】
【００３４】
一方、モーションステージ２０のＺ軸回転運動Θｚは、コントローラ９０の制御によって第２移送機構４０の第２ピエゾアクチュエータ４１と第３移送機構５０の第３ピエゾアクチュエータ５１にそれぞれ異なる値の駆動信号が入力される場合に発生する。第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離をＬ（図１参照）としたとき、Ｚ軸回転運動Θｚ値は数式１１によって求めることができる。
【数１１】
【００３５】
本発明の超精密位置決めシステムにおいて、第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｌは、Ｙ軸並進運動とＺ軸回転運動Θｚとの間に干渉が発生しないように設定しなければならない。２つの方向運動に対する２つの変数に対してラグランジュ法又はニュートンの運動方程式を適用することにより、第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｌが決定される。
Ｔは運動エネルギー、Ｖは位置エネルギー、Ｑは外力とし、
Lagrangian L = T - V とした時、
【数１２】
又はニュートンの運動方程式が適用されると、
【数１３】
【００３６】
このような数式１２又は数式１３によって２自由度に対する運動方程式が行列形態で決定される。２自由度間の干渉を最大限減らすために、運動方程式行列の対角成分を除いた残りの成分が全て「０」となるようにする。これにより、第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｍを決定することができる。
【００３７】
数式１４ａ〜数式１４ｈには第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｍを求める過程を示す。図９を参照すると、ｋは数式７から求めた剛性値であり、質量ｍと質量慣性モーメントＩはモーションステージ２０の物性値である。
数式１２又は数式１３による運動方程式は、
【数１４ａ】
【数１４ｂ】
【数１４ｃ】
で表わされる。
【００３８】
数式１４ａ、数式１４ｂ及び図１４ｃを組み合わせてまとめると、
【数１４ｄ】
【数１４ｅ】
となる。
【００３９】
ここで、数式１４ｄと数式１４ｅは数式１４ｆの行列形態でまとめることができる。
【数１４ｆ】
【００４０】
第２移送機構４０と第３移送機構５０間の干渉を最小化するために、行列の対角成分を除いた残りの成分は全て「０」となるようにする。すなわち、数式１４ｆにおいて、１行２列と２行１列成分が
【数１４ｇ】
となると、第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離（Ｌ）は数式１４ｈとなる。
【数１４ｈ】
【００４１】
最後に、図３、図４、図１０ａ及び図１０ｂを参照して第４〜第６移送機構６０、７０、８０の作用を説明する。本発明の第４〜第６移送機構６０、７０、８０は３自由度、すなわちＺ軸並進運動、Ｘ軸回転運動Θｘ、Ｙ軸回転運動Θｙを実現している。したがって、第４〜第６移送機構６０、７０、８０はそれぞれの運動の間に第２及び第３移送機構４０、５０と同様に干渉が発生しないように配列しなければならない。
【００４２】
一方、コントローラ９０の制御によって第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれの第４〜第６ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１にそれぞれ同一値の駆動信号Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３が入力されると、数式１５によって分ることができるように、モーションステージ２０のＺ軸並進運動が行われる。
【数１５】
【００４３】
モーションステージ２０のＹ軸回転運動Θｙは、コントローラ９０の制御によって第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１には駆動信号が入力されず、第５移送機構７０の第５ピエゾアクチュエータ７１と第６移送機構８０の第６ピエゾアクチュエータ８１にはそれぞれ異なる値の駆動信号が入力される場合に行われる。すなわち、第５移送機構７０と第６移送機構８０間の距離をｄ（図１参照）としたとき、Ｙ軸回転運動Θｙ値は数式１６によって求めることができる。
【数１６】
【００４４】
モーションステージ２０のＸ軸回転運動Θｘは、コントローラ９０の制御によって第５移送機構７０の第５ピエゾアクチュエータ７１と第６移送機構８０の第６ピエゾアクチュエータ８１にはそれぞれ同一値の駆動信号Ｚ２＝Ｚ３が入力され、第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１には異なる値の駆動信号Ｚ１が入力される場合に行われる。すなわち、第４移送機構６０と第５移送機構７０又は第６移送機構８０間の距離をＤとしたとき、Ｘ軸回転運動Θｘ値は数式１７によって求めることができる。
【数１７】
【００４５】
したがって、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれの位置は、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれに相当する変位変数を定めた後、それによる運動エネルギーと位置エネルギーに基づいて数式１２のラグランジュ法又は数式１３のニュートン法によって運動方程式の行列形態で決定される。第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれの自由度の間に干渉が起こることを最小化するために、数式１４ａ〜図１４ｈと類似の方法で運動方程式行列の対角成分を除いた残り成分が全て「０」となるように設定する。その結果、第４移送機構６０と第５移送機構７０又は第６移送機構８０間の距離Ｄを決定することができ、また第５移送機構７０と第６移送機構８０間の距離ｄを決定することができる。
【００４６】
以上の説明は本発明の好適な実施例を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。また、当該分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想と特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更、変形又は置換が可能である。したがって、これらの実施例は本発明の範囲に属するものと理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上述べたように、本発明に係る超精密位置決めシステムによれば、ピエゾアクチュエータ、円弧ヒンジを有するヒンジ要素及びノッチ型ヒンジを有するレバー部材によってマイクロメートル以下の多自由度微細運動を正確に行うことができる。また、弾性を有するヒンジ構造によって干渉による磨耗がなく、非常に高い反復精密度を保つことができるうえ、連続的且つ円滑な微細運動を行うことができる。また、モーションステージ自体の剛性が高く、高さが低く、温度変化又は温度勾配にあまり影響されないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は本発明に係る超精密位置決めシステムの全体構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図２は本発明に係る超精密位置決めシステムを示す平面図である。
【図３】図３は本発明のモーションステージを分離してベースと第１〜第６移送機構の構成を示す平面図である。
【図４】図４は本発明に係る超精密位置決めシステムの制御手段を説明するために示すブロック図である。
【図５】図５は本発明に係るベースの構成を示す斜視図である。
【図６ａ】図６ａは本発明の第１移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図６ｂ】図６ｂは本発明の第１移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図７ａ】図７ａは本発明の第４移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図７ｂ】図７ｂは本発明の第４移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図８】図８は本発明に係る円弧ヒンジの構成を説明するために部分的に示す正面図である。
【図９】図９は本発明に係る第２移送機構と第３移送機構との距離を求めるためのモデルを示す図である。
【図１０ａ】図１０ａは本発明に係る第４移送機構の作用を示す断面図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは本発明に係る第４移送機構の作用を示す断面図である。
【０００１】
本発明は、超精密位置決めシステムに関し、より詳しくは、マイクロメートル以下の多自由度の微細運動を正確に行うことが可能な超精密位置決めシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、産業現場の各分野で超精密級位置決め技術の重要性は日増しに増大しつつある。特に、半導体技術の発展が回路の高集積化を可能にした。その結果、最新マイクロプロセッサの場合、使用される線幅が０.１８μｍ程度であって髪の太さの約１／５００に相当する。この場合、ウェーハを製作するステージに要求される精密度は、線幅の１／１０程度であって２０ｎｍの再現性(Reproducibility)が要求される。また、サブミクロン水準の超精密移送装置の実現は、原子間力顕微鏡(ＡＦＭ；Atomic Force Microscope)、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope)といった超精密測定分野と情報産業等の産業分野にも活用できるなど、その応用範囲が広範囲である。
【０００３】
リニアモータを用いるか、或いはサーボモータとボールスクリューを用いる通常の位置決め装置は、比較的長い行程距離をもっているが、バックラッシュなどの構造的な限界によって実現可能な位置精密度に限界がある。また、通常の位置決め装置では垂直方向の運動を得るためにアクチュエータ自体を垂直方向に配列することにより、システムの全高が高くなるという欠点がある。これは高い精密度を必要とする作業で垂直方向の位置を制御するのに多くの困難さを伴わせる。
【０００４】
一方、マイクロメートル以下の水準に運動する超精密位置決め装置は、非線形的な要因を除去し或いは最小化するため、摩擦部分が無いように設計しなければならない。その上、アクチュエータ自体もマイクロメートル以下の水準に容易に駆動され、反復性の高い要素を使用しなければならない。また、位置決め装置の高さを出きる限り低く設計する必要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
従って、本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、マイクロメートル以下の多自由度の微細運動を正確に行うことが可能な超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、弾性を有するヒンジ構造によって干渉による磨耗がなく，非常に高い反復精密度を保つことが可能な超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００７】
本発明のさらに他の目的は、連続的且つ円滑な微細運動を行うことが可能な超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００８】
本発明のさらに他の目的は、モーションステージ自体の剛性が大きくて全高が低い超精密位置決めシステムを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、温度変化又は温度勾配にあまり影響されない超精密位置決めシステムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係る超精密位置決めシステムは、ベースと、ベースに対して運動できるようにベースの上部に配置されるモーションステージと、ベースに対してモーションステージをＸ軸並進運動させ、第１アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からある第１移送手段と、ベースに対して前記モーションステージをＹ軸並進運動及びＺ軸回転運動させ、第２アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からなる第２移送手段と、第２移送手段と協同してベースに対してモーションステージをＹ軸並進運動及びＺ軸回転運動させ、第３アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からなる第３移送手段と、ベースに対してモーションステージをＸ軸回転運動させ、第４アクチュエータ、円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ部材、第２ヒンジ部材と連動する第１レバー部材、及び第１レバー部材と連動する第３ヒンジ部材からなる第４移送手段と、第１〜第４移送手段の第１〜第４アクチュエータを制御する制御手段とを含んでなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る超精密位置決めシステムの好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
まず、図１ないし図３を参照すると、本発明の超精密位置決めシステムは、固着されるベース１０と、ベース１０の上部に位置し、ベース１０に対して６自由度運動を行うモーションステージ２０と、ベース１０に対してモーションステージ２０を６自由度運動させる第１移送機構３０、第２移送機構４０、第３移送機構５０、第４移送機構６０、第５移送機構７０及び第６移送機構８０とを備える。第１移送機構３０はベース１０に対してモーションステージ２０を図１に示すようにＸ軸並進運動させる。第２移送機構４０と第３移送機構５０は協同してベース１０に対してモーションステージ２０をＹ軸並進運動とＺ軸回転運動させる。第４〜第６移送機構６０、７０、８０は協同してベース１０に対してモーションステージ２０をＺ軸並進運動、Ｘ軸回転運動及びＹ軸回転運動させる。
【００１２】
図３を参照すると、第１〜第３移送機構３０、４０、５０それぞれは、第１〜第３ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１と、第１〜第３ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１それぞれの両端に固定的に整列されてステージ駆動部を構成する、円弧ヒンジ３２ａ、４２ａ、５２ａを有する第１ヒンジ要素３２、４２、５２と円弧ヒンジ３３ａ、４３ａ、５３ａを有する第２ヒンジ要素３３、４３、５３とを備える。そして、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれは、第４〜第６ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１と、第４〜第６ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１それぞれの両端に固定的に整列されてステージ駆動部を構成する、円弧ヒンジ６２ａ、７２ａ、８２ａを有する第１、第４、第７ヒンジ部材６２、７２、８２と円弧ヒンジ６３ａ、７３ａ、８３ａを有する第２、第５、第８ヒンジ部材６３、７３、８３とを備える。また、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれは第３、第６、第８ヒンジ部材６７、７７、８７と第１、第２、第３レバー部材６８、７８、８８をさらに含んでなる。円弧ヒンジは弾性ヒンジであって、力と変位の関係が線形的で材質自体の弾性変形を用いて変形運動を行う。また、円弧ヒンジは接触面における相対運動がないので、微小変位の駆動が連続的であり、円滑な運動軌跡を提供する。そして、脆性材質は疲労又は過度の力による破壊メカニズムを容易に予測することができるので、ヒンジ構造を弾性−脆性(Elastic-Brittle)材質を用いて製作する場合、非常に高い反復精密度を有するシステムに適用し易い。一方、本実施例では、ピエゾアクチュエータが使用されているが、ピエゾアクチュエータの代りにボイスコイルアクチュエータ又は磁気アクチュエータを適用することができる。
【００１３】
第１移送機構３０はベース１０のＸ軸中心線に整列されており、モーションステージ２０に固定される側に位置する第１移送機構３０の第２ヒンジ要素３３のヒンジ３３ａの中心はモーションステージ２０の中心と一致している。図３には第１移送機構３０のヒンジ３３ａの中心がベース１０又はモーションステージ２０の中心であるＸ軸中心線とＹ軸中心線との交差点と一致していることが良く表れている。第２移送機構４０と第３移送機構５０はベース１０のＹ軸中心線と並んで整列されており、図３に示すように、第２移送機構４０と第３移送機構５０の第２ヒンジ要素４３、５３のヒンジ４３ａ、５３ａはそれぞれＸ軸中心線に整列されている。第４移送機構６０はベース１０のＸ軸中心線の上側にＸ軸中心線と並んで整列されており、モーションベース２０に固定される側に位置する第４移送機構６０のヒンジ６３ａはベース１０のＹ軸中心線に整列されている。第５移送機構７０と第６移送機構８０それぞれはベース１０のＸ軸中心線の下方にＸ軸中心線と並んでＹ軸中心線に対して互いに対称となるように整列されている。第４移送機構６０と第５及び第６移送機構７０、８０は、Ｘ軸中心線に対して後述するように一定の間隔Ｄ（図１参照）をおいて隔設される。
【００１４】
図４は本発明の超精密位置決めシステムを制御するためのブロック図である。図４を参照すると、本発明に係る超精密位置決めシステムは、モーションステージ２０を超精密運動させるために第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１それぞれを駆動させる駆動信号を出力して制御するコントローラ９０と、コントローラ９０からの駆動信号を増幅して第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１それぞれに入力する第１〜第６増幅器９１ａ〜９１ｆと、第１〜第６移送機構３０、４０、５０、６０、７０、８０によって運動するモーションステージ２０の運動位置を感知する第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆとを備える。本実施例において、第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆそれぞれは、モーションステージ２０の上面に付着するミラー（図示せず）と、このミラーにレーザービームを走査するレーザを有するレーザ干渉計（図示せず）によって構成することができる。そして、図２及び図３に示すように、第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１とコントローラ９０はケーブル９３によって電気的に接続されている。
【００１５】
コントローラ９０の制御によって第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１それぞれの駆動信号が出力され、第１〜第６増幅器９１ａ〜９１ｆによって増幅された駆動信号が第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１に入力されると、第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１にはそれぞれ変位が発生する。第１〜第６ピエゾアクチュエータ３１、４１、５１、６１、７１、８１に発生するそれぞれの変位は、上述した円弧ヒンジ３３ａ、４３ａ、５３ａ、６３ａ、７３ａ、８３ａを介してモーションステージ２０に伝達されることにより、モーションステージ２０は運動する。モーションステージ２０の運動位置は第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆによって感知され、コントローラ９０は第１〜第６センサ９２ａ〜９２ｆそれぞれから入力されるフィードバック信号に基づいてモーションステージ２０の運動位置を補正する。
【００１６】
図５に示すように、ベース１０の上面には、第１〜第６移送機構３０、４０、５０、６０、７０、８０を設置するための第１〜第６取付溝１１ａ〜１１ｆが設けられており、第１〜第３取付溝１１ａ〜１１ｃそれぞれにはスロット１２が設けられている。
【００１７】
図３、図６ａ及び図６ｂを参照すると、第１移送機構３０の第１ピエゾアクチュエータ３１の両端には、第１及び第２ヒンジ要素３２、３３の一端に設けられているネジ３２ｂ、３３ｂがそれぞれ締結される。第１ヒンジ要素３２の他端に設けられている円筒形固定部３２ｃは第１固定ブロック３４の孔３４ａに固定的に挿入される。第１固定ブロック３４はベース１０の第１取付溝１１ａに嵌合され、スロット１２を貫通する固定手段、例えばネジの締結によって固着される。第２ヒンジ要素３３の他端に設けられている円筒形固定部３３ｃは第２固定ブロック３５の孔３５ａに挿入され、第２固定ブロック３５はネジの締結によってモーションステージ２０の底面に固着される。第２固定ブロック３５の孔３５ａに挿入された第２ヒンジ要素３３の固定部３３ｃを支持し得るように支持板３６の中央に孔３６ａが設けられており、サポートプレート３６はネジ３６ｂの締結によって第２固定ブロック３５に固着され、第２ヒンジ要素３３の離脱を防止する。
【００１８】
本発明に係る超精密位置決めシステムにおいて、第２移送機構４０と第３移送機構５０は、第１移送機構３０と同一に構成されている。したがって、第２移送機構４０の第２ピエゾアクチュエータ４１と第１ヒンジ要素４２と第２ヒンジ要素４３、及び第３移送機構５０の第３ピエゾアクチュエータ５１と第１ヒンジ要素５２と第２ヒンジ要素５３の構成及び作用は、第１移送機構３０の第１ピエゾアクチュエータ３１と第１ヒンジ要素３２と第２ヒンジ要素３３の構成及び作用と同一なので、第２移送機構４０と第３移送機構５０に対する詳細な説明は省く。
【００１９】
図３、図７ａ及び図７ｂを参照すると、第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１の両端には、第１及び第２ヒンジ部材６２、６３の一端に設けられているネジ６２ｂ、６３ｂがそれぞれ締結される。第１ヒンジ部材６２の他端に設けられている円筒形固定部６２ｃは固定ブロック６４の孔６４ａに挿入される。固定ブロック６４の孔６４ａに挿入されたヒンジ部材６２の固定部６２ａを支持し得るように支持板６５の中央に孔６５ａが設けられており、支持板６５はネジ６５ｂの締結によって固定ブロック６４に固着され、第１ヒンジ部材６２の離脱を防止する。そして、固定ブロック６４の両側にはスロット６４ｂが設けられており、固定ブロック６４のスロット６４ｂの上部にはパッド６６が配置されている。固定ブロック６４はベース１０の取付溝１１ｄの一側に嵌合され、パッド６６のネジ孔６６ａにはベース１０と固定ブロック６４のスロット６４ｂを貫通してネジ６６ｂが締結される。したがって、固定ブロック６４はベース１０に固着される。
【００２０】
また、第２ヒンジ部材６３のヒンジ６３ａとネジ６３ｂとの間に円筒形延長部６３ｃが設けられており、他端にはジョイントプレート６３ｄが設けられている。第２ヒンジ部材６３の延長部６３ｃは第４ピエゾアクチュエータ６１に対して垂直方向に配置される第３ヒンジ部材６７のボディ部６７ａのの孔６７ｂに挿入される。第３ヒンジ部材６７のボディ部６７ａの上下には円形の第１ヒンジ６７ｃと第２ヒンジ６７ｄがそれぞれ設けられており、第３ヒンジ部材６７の第１ヒンジ６７ｃと第２ヒンジ６７ｄには第１ジョイントプレート６７ｅと第２ジョイントプレート６７ｆがそれぞれ連結されている。第３ヒンジ部材６７の第１ジョイントプレート６７ｅはネジの締結によってモーションステージ２０の底面に固着される。
【００２１】
第４移送機構６０は、第２ヒンジ部材６３及び第３ヒンジ部材６７と連動する第１レバー部材６８を備える。第１レバー部材６８は第１レバー６８ａ、第２レバー６８ｂ、及び第１レバー６８ａと第２レバー６８ｂを一体型に連結するノッチ型ヒンジ６８ｃから構成されている。第１レバー６８ａは水平部６９ａと垂直部６９ｂが設けられており、第２レバー６８ｂは第１レバー６８ａの垂直部６９ｂに対して直角を成すように配置されている。第１レバー６８ａの水平部６９ａには第３ヒンジ部材６７の第２ジョイントプレート６７ｆがネジの締結によって固着され、第１レバー６８ａの垂直部６９ｂには第２ヒンジ部材６３のジョイントプレート６４ｄがネジの締結によって固着される。第１レバー部材６８の第２レバー６８ｂはネジの締結によってベース１０の取付溝１１ｄに固着される。
【００２２】
このような構成を有する本発明に係る超精密位置決めシステムは、ピエゾアクチュエータによって円弧ヒンジが弾性的に変形することにより、ヒンジ構造(Hinge Flexure)がモーションステージの運動方向を制限し、或いは特定方向へのガイドの役割を果たしてモーションステージを運動させる。ヒンジの剛性(Stiffness)値を知ると、ピエゾアクチュエータによってヒンジに力が印加されたとき、モーションステージの移送量を知ることができる。ヒンジの軸方向をｘ軸と仮定したとき、力と変位間の関係式はｘ軸及びせん断方向のｙ、ｚ軸に対して数式１、２及び３のように単純化することができる。この関係式は周知のもので、パロスとワイスボードによって求められた式であり、多くの実験によって検証されている。本発明に係る超精密位置決めシステムにおいて、第５移送機構７０と第６移送機構８０は、第４移送機構６０と同一に構成されている。したがって、第５移送機構７０の第５ピエゾアクチュエータ７１と第４ヒンジ部材７２と第５ヒンジ部材７３と第６ヒンジ部材７７と第２レバー部材７８、及び第６移送機構８０の第６ピエゾアクチュエータ８１と第７ヒンジ部材８２と第８ヒンジ部材８３と第９ヒンジ部材８７と第３レバー部材８８の構成及び作用は、第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１と第１ヒンジ部材６２と第２ヒンジ部材６３と第３ヒンジ部材６７と第１レバー部材６８の構成及び作用と同一なので、第５移送機構７０と第６移送機構８０に対する詳細な説明は省く。
【００２３】
【数１】
【００２４】
数式１、２及び３は有限要素解釈(Finite Element Method)結果と比較して１０％誤差範囲内の値を有するので、円弧ヒンジの加工上の誤差及び弾性材質のヒステリシスを考慮しても、充分受け入れることができる。
【００２５】
一方、本発明のヒンジ構造を設計するに際して基本的に考慮されるべきなのはヒンジに加わる応力と変形である。ヒンジを設計する場合、ヒンジの各変位(Angular Displacement)とヒンジの最大応力αｍａｘとの関係は、
【数４】
【００２６】
本発明に係る超精密位置決めシステムでは、モーションステージ自体の剛性を高めながら全高を低くするために、垂直方向と関連して前記レバー部材６８、７８、８８を用いた。モーションステージ２０の垂直運動方向をＺ軸としたとき、超精密位置決めシステムの駆動システムは全体形状の高さを最小化し、システムの剛性を最大化するためにＺ軸方向に対して低い高さ構造を持たなければならない。一般に、ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１の最大膨張はその長さの０.１％程度に過ぎないので、必要とする移送範囲を得るためにはピエゾアクチュエータの長さが長くなければならない。例えば１２５μｍ以上の移送のためには長さ２００ｍｍ以上のピエゾアクチュエータが必要となる。したがって、本発明によってこのようなピエゾアクチュエータの長さを考慮してピエゾアクチュエータ６１、７１、８１を水平に配置し、ピエゾアクチュエータの水平動きをレバー部材６８、７８、８８によって垂直動きで伝達することにより、本発明に係る超精密位置決めシステムの高さを低くすることができる。
【００２７】
第１レバー部材６８を例を挙げて説明すると、レバー部材６８の設計においてピエゾアクチュエータ６１によって伝達される力の作用点であるヒンジ６８ｃの位置を調整して実際動くモーションステージ２０の垂直変位がピエゾアクチュエータ６１の水平変位の２倍と同一になるようにした。すなわち、図１０ａに示すように、第２ヒンジ部材６３のヒンジ６３ａ中心のＸ軸方向の延長線とレバー部材６８のヒンジ６８ｃ中心との垂直距離をａとし、第３ヒンジ部材６７の第１及び第２ヒンジ６７ｃ、６７ｄ中心のＹ軸方向の延長線とレバー部材６８のヒンジ６８ｃ中心との水平距離をｂとすれば、第４ピエゾアクチュエータ６１によって発生する第２ヒンジ部材６３のヒンジ６３ａの微小変位に対するレバー部材６８のヒンジ６８ｃの中心回転角度は一定なので、
【数６】
【００２８】
本発明のピエゾアクチュエータとヒンジ要素又はヒンジ部材からなるステージ駆動部の軸方向剛性Ｋａは数式７によって求めることができ、半径方向剛性Ｋｒは数式８によって求めることができる。
【００２９】
【数７】
【００３０】
次に、本発明の超精密位置決めシステムに対する作用を説明する。以下の数式において、Ｘ軸並進運動はＸ、Ｙ軸並進運動はＹ、Ｚ軸並進運動はＺで示し、Ｘ軸回転運動はΘｘ、Ｙ軸回転運動はΘｙ、Ｚ軸回転運動はΘｚで示す。そして、第１ピエゾアクチュエータの駆動信号はＸ１、第２及び第３ピエゾアクチュエータそれぞれの駆動信号はＹ１及びＹ２、第４〜第６ピエゾアクチュエータそれぞれの駆動信号はＺ１、Ｚ２及びＺ３で示す。
【００３１】
まず、図３及び図５を参照して第１移送機構３０の作用を考察する。コントローラ９０の制御によって第１移送機構３０の第１ピエゾアクチュエータ３１に駆動信号Ｘ１が入力されると、数式９から分るように、モーションステージ２０のＸ軸並進運動が行われる。
【数９】
この際、第１ピエゾアクチュエータ３１と第１及び第２ヒンジ要素３２、３３のヒンジ３２ａ、３３ａから構成される第１移送機構３０のステージ駆動部は、軸方向剛性が回転方向の剛性に比べて相当大きい。したがって、第１移送機構３０単独でもモーションステージ２０のＸ軸並進運動を充分行うことができる。
【００３３】
次に、第２移送機構４０と第３移送機構５０の作用によるモーションステージ２０のＹ軸並進運動とＺ軸回転運動について考察する。コントローラ９０の制御によって第２移送機構４０の第２ピエゾアクチュエータ４１と第３移送機構５０の第３ピエゾアクチュエータ５１に同一値の駆動信号Ｙ１＝Ｙ２が入力されると、数式１０から分るように、第２ピエゾアクチュエータ４１と第３ピエゾアクチュエータ５１の駆動によってモーションステージ２０のＹ軸並進運動が行われる。
【数１０】
一方、モーションステージ２０のＺ軸回転運動Θｚは、コントローラ９０の制御によって第２移送機構４０の第２ピエゾアクチュエータ４１と第３移送機構５０の第３ピエゾアクチュエータ５１にそれぞれ異なる値の駆動信号が入力される場合に発生する。第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離をＬ（図１参照）としたとき、Ｚ軸回転運動Θｚ値は数式１１によって求めることができる。
【数１１】
本発明の超精密位置決めシステムにおいて、第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｌは、Ｙ軸並進運動とＺ軸回転運動Θｚとの間に干渉が発生しないように設定しなければならない。２つの方向運動に対する２つの変数に対してラグランジュ法又はニュートンの運動方程式を適用することにより、第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｌが決定される。
Ｔは運動エネルギー、Ｖは位置エネルギー、Ｑは外力とし、
Lagrangian L = T - V とした時、
【数１２】
【数１３】
このような数式１２又は数式１３によって２自由度に対する運動方程式が行列形態で決定される。２自由度間の干渉を最大限減らすために、運動方程式行列の対角成分を除いた残りの成分が全て「０」となるようにする。これにより、第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｍを決定することができる。
【００３７】
数式１４ａ〜数式１４ｈには第２移送機構４０と第３移送機構５０間の距離Ｍを求める過程を示す。図９を参照すると、ｋは数式７から求めた剛性値であり、質量ｍと質量慣性モーメントＩはモーションステージ２０の物性値である。
数式１２又は数式１３による運動方程式は、
【数１４ａ】
【００３８】
数式１４ａ、数式１４ｂ及び図１４ｃを組み合わせてまとめると、
【数１４ｄ】
【００３９】
ここで、数式１４ｄと数式１４ｅは数式１４ｆの行列形態でまとめることができる。
【数１４ｆ】
第２移送機構４０と第３移送機構５０間の干渉を最小化するために、行列の対角成分を除いた残りの成分は全て「０」となるようにする。すなわち、数式１４ｆにおいて、１行２列と２行１列成分が
【数１４ｇ】
【数１４ｈ】
最後に、図３、図４、図１０ａ及び図１０ｂを参照して第４〜第６移送機構６０、７０、８０の作用を説明する。本発明の第４〜第６移送機構６０、７０、８０は３自由度、すなわちＺ軸並進運動、Ｘ軸回転運動Θｘ、Ｙ軸回転運動Θｙを実現している。したがって、第４〜第６移送機構６０、７０、８０はそれぞれの運動の間に第２及び第３移送機構４０、５０と同様に干渉が発生しないように配列しなければならない。
【００４２】
一方、コントローラ９０の制御によって第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれの第４〜第６ピエゾアクチュエータ６１、７１、８１にそれぞれ同一値の駆動信号Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３が入力されると、数式１５によって分ることができるように、モーションステージ２０のＺ軸並進運動が行われる。
【数１５】
モーションステージ２０のＹ軸回転運動Θｙは、コントローラ９０の制御によって第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１には駆動信号が入力されず、第５移送機構７０の第５ピエゾアクチュエータ７１と第６移送機構８０の第６ピエゾアクチュエータ８１にはそれぞれ異なる値の駆動信号が入力される場合に行われる。すなわち、第５移送機構７０と第６移送機構８０間の距離をｄ（図１参照）としたとき、Ｙ軸回転運動Θｙ値は数式１６によって求めることができる。
【数１６】
モーションステージ２０のＸ軸回転運動Θｘは、コントローラ９０の制御によって第５移送機構７０の第５ピエゾアクチュエータ７１と第６移送機構８０の第６ピエゾアクチュエータ８１にはそれぞれ同一値の駆動信号Ｚ２＝Ｚ３が入力され、第４移送機構６０の第４ピエゾアクチュエータ６１には異なる値の駆動信号Ｚ１が入力される場合に行われる。すなわち、第４移送機構６０と第５移送機構７０又は第６移送機構８０間の距離をＤとしたとき、Ｘ軸回転運動Θｘ値は数式１７によって求めることができる。
【数１７】
したがって、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれの位置は、第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれに相当する変位変数を定めた後、それによる運動エネルギーと位置エネルギーに基づいて数式１２のラグランジュ法又は数式１３のニュートン法によって運動方程式の行列形態で決定される。第４〜第６移送機構６０、７０、８０それぞれの自由度の間に干渉が起こることを最小化するために、数式１４ａ〜図１４ｈと類似の方法で運動方程式行列の対角成分を除いた残り成分が全て「０」となるように設定する。その結果、第４移送機構６０と第５移送機構７０又は第６移送機構８０間の距離Ｄを決定することができ、また第５移送機構７０と第６移送機構８０間の距離ｄを決定することができる。
【００４６】
以上の説明は本発明の好適な実施例を説明したものに過ぎず、本発明の権利範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。また、当該分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想と特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更、変形又は置換が可能である。したがって、これらの実施例は本発明の範囲に属するものと理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上述べたように、本発明に係る超精密位置決めシステムによれば、ピエゾアクチュエータ、円弧ヒンジを有するヒンジ要素及びノッチ型ヒンジを有するレバー部材によってマイクロメートル以下の多自由度微細運動を正確に行うことができる。また、弾性を有するヒンジ構造によって干渉による磨耗がなく、非常に高い反復精密度を保つことができるうえ、連続的且つ円滑な微細運動を行うことができる。また、モーションステージ自体の剛性が高く、高さが低く、温度変化又は温度勾配にあまり影響されないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は本発明に係る超精密位置決めシステムの全体構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図２は本発明に係る超精密位置決めシステムを示す平面図である。
【図３】図３は本発明のモーションステージを分離してベースと第１〜第６移送機構の構成を示す平面図である。
【図４】図４は本発明に係る超精密位置決めシステムの制御手段を説明するために示すブロック図である。
【図５】図５は本発明に係るベースの構成を示す斜視図である。
【図６ａ】図６ａは本発明の第１移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図６ｂ】図６ｂは本発明の第１移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図７ａ】図７ａは本発明の第４移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図７ｂ】図７ｂは本発明の第４移送機構の構成を示す斜視図及び分離斜視図である。
【図８】図８は本発明に係る円弧ヒンジの構成を説明するために部分的に示す正面図である。
【図９】図９は本発明に係る第２移送機構と第３移送機構との距離を求めるためのモデルを示す図である。
【図１０ａ】図１０ａは本発明に係る第４移送機構の作用を示す断面図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは本発明に係る第４移送機構の作用を示す断面図である。
Claims (9)
- 超精密位置決めシステムであって、
ベースと、
前記ベースに対して運動できるようにベースの上部に配置されるモーションステージと、
前記ベースに対して前記モーションステージをＸ軸並進運動させ、第１アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からなる第１移送手段と、
前記ベースに対して前記モーションステージをＹ軸並進運動及びＺ軸回転運動させ、第２アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からなる第２移送手段と、
前記第２移送手段と協同してベースに対してモーションステージをＹ軸並進運動及びＺ軸回転運動させ、第３アクチュエータと円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ要素からなる第３移送手段と、
前記ベースに対して前記モーションステージをＸ軸回転運動させ、第４アクチュエータ、円弧ヒンジを有する第１及び第２ヒンジ部材、第２ヒンジ部材と連動する第２レバー部材、及び第１レバー部材と連動する第３ヒンジ部材からなる第４移送手段と、
前記第１〜第４移送手段の第１〜第４アクチュエータを制御する制御手段とを含んでなる超精密位置決めシステム。 - 前記第４移送手段と協同して前記ベースに対して前記モーションステージをＸ軸回転運動及びＹ軸回転運動させ、前記制御手段によって制御される第５アクチュエータ、円弧ヒンジを有する第４及び第５ヒンジ部材、前記第５ヒンジ部材と連動する第２レバー部材、及び前記第２レバー部材と連動する第６ヒンジ部材からなる第５移送手段をさらに含むことを特徴とする請求項１の超精密位置決めシステム。
- 前記第４及び第５移送手段と協同して前記ベースに対して前記モーションステージをＺ軸並進運動、Ｘ軸回転運動及びＹ軸回転運動させ、前記制御手段によって制御される第６アクチュエータ、円弧ヒンジを有する第７及び第８ヒンジ部材、前記第８ヒンジ部材と連動する第３レバー部材、前記第３レバー部材と連動する第９ヒンジ部材からなる第６移送手段をさらに含むことを特徴とする請求項２の超精密位置決めシステム。
- 前記第４移送手段の第２ヒンジ部材、前記第５移送手段の第５ヒンジ部材及び前記第６移送手段の第８ヒンジ部材は、それぞれ前記第３ヒンジ部材、第６ヒンジ部材及び第９ヒンジ部材に挿通され、前記第１レバー部材、第２レバー部材及び第３レバー部材にはノッチ型ヒンジがそれぞれ設けられ、前記第２ヒンジ部材と第３ヒンジ部材、第５ヒンジ部材と第６ヒンジ部材、及び第８ヒンジ部材と第９ヒンジ部材がそれぞれ固着されることを特徴とする請求項３の超精密位置決めシステム。
- 前記第４〜第６移送手段の第１、第４及び第７ヒンジ部材は前記ベースにそれぞれ固定され、前記第４移送手段は前記ベースのＸ軸中心線の上方にＸ軸中心線と並んで整列され、前記第４移送手段の第２ヒンジ部材のヒンジ中心は前記ベースのＹ軸中心線に整列され、前記第５及び第６移送手段は前記ベースのＸ軸中心線の下方にＸ軸中心線と並んでＹ軸中心線に対して互いに対称となるように整列されることを特徴とする請求項３の超精密位置決めシステム。
- 前記第４〜第６移送手段それぞれは、前記第２、第５、第８ヒンジ部材のヒンジ中心のＸ軸方向の延長線と前記第１〜第３レバー部材のヒンジ中心との垂直距離をａとし、前記第３、第６、第９ヒンジ部材のヒンジ中心のＹ軸方向の延長線と前記第１〜第３レバー部材のヒンジ中心との水平距離をｂとするとき、ｂ＝２ａの関係を満足することを特徴とする請求項３の超精密位置決めシステム。
- 前記第１移送手段の第１及び第２ヒンジ要素は、前記ベースと前記モーションステージにそれぞれ固定されるように前記ベースのＸ軸中心線に整列され、前記モーションステージに固定される側に位置する前記第１移送手段の第２ヒンジ要素のヒンジ中心が前記モーションステージの中心と一致することを特徴とする請求項１の超精密位置決めシステム。
- 前記第２及び第３移送手段の第１及び第２ヒンジ要素は、前記ベースと前記モーションステージにそれぞれ固定されるように前記ベースのＹ軸中心線と並んで整列され、前記モーションステージに固定される側に位置する前記第２及び第３移送手段の第２ヒンジ要素のヒンジ中心が前記ベースのＸ軸中心線に整列されることを特徴とする請求項１の超精密位置決めシステム。
- 前記第２移送手段と前記第３移送手段間の距離（Ｌ）は
の関係を満足し、ここで、ｍは前記モーションステージの質量、Ｉは前記モーションステージの質量慣性モーメントであることを特徴とする請求項１の超精密位置決めシステム。
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