JP2006024050A

JP2006024050A - 微小位置決め装置

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Publication number: JP2006024050A
Application number: JP2004202532A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Fukuyama; 寛正福山
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2004-07-09
Filing date: 2004-07-09
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】真空雰囲気の劣化を防止しかつ位置決め精度が良好な微小位置決め装置を提供する。
【解決手段】位置決め対象部４と、位置決め対象部４を変位可能に支持する基部２，３と、位置決め対象部４と基部２，３との間に設けられ、温度変化に応じて伸縮する熱伸縮部１０と、熱伸縮部１０を加熱又は冷却する温度調節部１１とを備える微小位置決め装置とし、熱伸縮部１０を加熱又は伸縮したときの熱膨張又は熱収縮によって位置決めを行なう。
【選択図】図３

Description

本発明は、位置決め対象部に微小な変位を与えることによって位置決めをする微小位置決め装置に関するものである。

微小位置決め装置は、精密加工装置のテーブル（ステージ）等の対象物を微小に移動させて位置決めをするものであり、精密位置決め装置又はナノ位置決め装置とも称されている。このような精密加工装置として、例えば半導体装置の回路パターンを半導体ウェハ上に露光するステッパや、ナノメータオーダの精度でワークの切削加工を行うマシニングセンタ等が挙げられる。
従来の微小位置決め装置として、ステッパのテーブルを、スリップスティック現象が発生しない空気軸受によって支持し、これをリニアモータで駆動するものがある（例えば、特許文献１を参照。）。

しかし、微小位置決め装置が真空雰囲気中で用いられる場合、空気軸受はその真空度を劣化させるおそれがある。
また、リニアモータ駆動の精度を、熱環境の面から考慮すると、例えば、厚さ１ｍｍの鉄材の温度が１℃上がったときに、１０ｎｍの熱膨張が生ずることから、リニアモータ駆動によってナノメータオーダの位置決めをすることは困難である。
特開平６−１６３３５９

本発明の課題は、真空雰囲気の劣化を防止しかつ位置決め精度が良好な微小位置決め装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

請求項１の発明は、位置決め対象部（４）と、前記位置決め対象部（４）を変位可能に支持する基部（２）と、前記位置決め対象部（４）と前記基部（２）との間に設けられ、温度変化に応じて伸縮する熱伸縮部（１０）と、前記熱伸縮部（１０）を加熱又は冷却する温度調節部（１１）とを備える微小位置決め装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の微小位置決め装置において、前記位置決め対象部（４）の前記基部（２）に対する位置を検出する位置検出部（７）と、前記位置検出部（７）の出力に基づいて前記温度調節部（１１）を制御する制御部（９）とを備えることを特徴とする微小位置決め装置である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の微小位置決め装置において、前記制御部（９）は、前記位置検出部（７）によって検出された前記位置決め対象部（４）の位置が、予め設定された目標位置であるときに、前記熱伸縮部（１０）がその寸法を維持する熱量の加熱又は冷却を行うことを特徴とする微小位置決め装置である。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、前記熱伸縮部（１０）は、この熱伸縮部（１０）の材料よりも熱伝導率の低い材料を有する断熱部材（１２）を介して前記位置決め対象部（４）、前記基部（２）の少なくとも一方と接続されていることを特徴とする微小位置決め装置である。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、前記位置決め対象部（４）を、前記熱伸縮部（１０）の伸縮方向の一方に付勢する付勢部（６）を備えることを特徴とする微小位置決め装置である。

請求項６の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、前記温度調節部（１１）は、前記熱伸縮部（１０）に備えられた電気ヒータを有することを特徴とする微小位置決め装置である。

請求項７の発明は、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、前記温度調節部は、前記熱伸縮部（１０）に電磁波（２０）を照射する電磁波発生部（１３）を有することを特徴とする微小位置決め装置である。

本発明によれば、熱伸縮部によって位置決め対象物を支持するとともに、その熱伸縮を位置決め対象物の駆動に用いているから、空気軸受等の支持手段を別に設ける必要がなく、真空雰囲気を劣化させることがない。また、その位置決めは、熱伸縮部の温度を制御することによって、良好な精度で行うことができる。

本発明は、真空雰囲気の劣化を防止しかつ位置決め精度を良好にするという課題を、可動テーブルと粗動基板との間に、温度変化に応じて伸縮する熱伸縮部と、熱伸縮部を加熱する加熱コイルとを設けることによって解決する。

以下、図面等を参照して、本発明の実施例をあげて、さらに詳しく説明する。
図１は、本発明を適用した微小位置決め装置の実施例１の平面図である。図２は、図１のII−II部矢視断面図である。

微小位置決め装置１は、粗動基板２と、粗動固定壁部３と、可動ステージ４と、アクチュエータ部５と、ばね部６とを備えおり、位置決め対象物である可動ステージ４を、直交座標系を構成するＸ，Ｙ，Ｚ方向へそれぞれ微小に移動して位置決めを行うものである。

粗動基板２は、Ｘ，Ｙ方向に延在する矩形の平板状に形成され、図示しない周知の粗動駆動部によって、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向にそれぞれ移動可能に保持されている。
粗動固定壁部３は、粗動基板２の表面上に矩形断面の突条状に形成され、Ｘ方向に延在する部分と、Ｙ方向に延在する部分とを備えている。これらの部分は、それぞれの一端側で接続され、Ｌ字状に形成されている。
可動ステージ４は、Ｘ，Ｙ方向に延在する矩形の平板状に形成され、その隣り合った２辺が、粗動固定壁部３のＸ方向に延在する部分と、Ｙ方向に延在する部分とにそれぞれ対向している。
また、可動ステージ４は、その粗動基板２に対する位置を検出する位置センサ７が備えられている。このような位置センサ７として、例えば、レーザー変位計測装置、静電容量方式の変位センサ等を用いることができる。

アクチュエータ部５は、複数個が可動テーブル４と、粗動基板２又は粗動固定壁３との間にわたしてそれぞれ設けられ、可動テーブル４を支持しかつその伸縮によって可動テーブル４を移動させるものである。アクチュエータ部５は、Ｘ方向アクチュエータ５Ｘと、Ｙ方向アクチュエータ５Ｙと、Ｚ方向アクチュエータ５Ｚとを有し、それぞれ対応する方向に伸縮するものである。
Ｘ方向アクチュエータ５Ｘ及びＹ方向アクチュエータ５Ｙは、可動テーブル４の周縁部と、これに対向する粗動固定壁部３との間にわたして設けられ、それぞれ例えば２つずつ、分散して配置されている。
Ｚ方向アクチュエータ５Ｚは、図２に示すように、粗動基板２と可動テーブル４の相互に対向する面間にわたして設けられ、図１に示すように、Ｘ−Ｙ平面視において、例えば３つが可動テーブル４の周辺部に分散して配置されている。
また、アクチュエータ部５には、駆動電力を供給する電源部８が接続されている。
また、アクチュエータ部５を制御する制御装置９が備えられ、この制御装置９は、上述した位置センサ７及び電源部８と接続されている。

図３は、Ｘ方向アクチュエータ５Ｘの拡大図である。なお、Ｙ方向アクチュエータ５Ｙ、Ｚ方向アクチュエータ５Ｚも同様の構成となっている。
Ｘ方向アクチュエータ５Ｘは、熱伸縮部１０と、加熱コイル１１と、断熱部１２とを備えている。
熱伸縮部１０は、例えば、炭素鋼によって形成され、加熱コイル１１は、その周囲に設けられている。加熱コイル１１は、電源部８に接続されて通電時に発熱するものであり、その電力は制御装置９によって制御されている。
断熱部１２は、熱伸縮部１０を挟んで、可動ステージ４側及び粗動固定壁部３側にそれぞれ設けられ、熱伸縮部１０の材料よりも熱伝導率が小さい熱不良導体によって形成されている。熱伸縮部１０は、これらの断熱部１２を介して、可動テーブル４、粗動基板２、粗動固定壁部３とそれぞれ接続されている。
熱伸縮部１０と、その両端の断熱部１２とは、そのＹ−Ｚ平面と並行な横断面積が略同じに形成され、柱状に形成されている。

ばね部６は、可動テーブル４を、粗動基板２又は粗動固定壁部３側に付勢するコイルばねを備え、Ｘ方向付勢ばね６Ｘ，Ｙ方向付勢ばね６Ｙ、Ｚ方向付勢ばね６Ｚを有する。
これらはそれぞれ対応する方向に可動テーブル４を付勢するものであり、Ｘ方向付勢ばね６Ｘ、Ｙ方向付勢ばね６Ｙはそれぞれ可動テーブル４の外縁部と、これに対向する粗動固定壁部３との間にわたして設けられ、Ｚ方向付勢ばね６Ｚは、可動テーブル４の粗動基板２側の面における略中央部と、粗動基板２のこれに対向する面部との間にわたして設けられている。

次に、上述した微小位置決め装置１の動作について説明する。
まず、制御装置９は、図示しない入力部からの入力によって設定された位置決め目標位置を、位置センサ７が検出した可動テーブル４の実際の位置と比較し、各アクチュエータ部５の必要な変位量を算出する。
制御装置９は、各アクチュエータ毎に、算出された変位を得るために必要な熱量を算出し、この熱量を熱伸縮部１０に与えるように加熱コイル１１へ通電する電力量を算出し、電源部８に制御命令を発して電力を加熱コイル１１に供給させる。

ここで、例えば、Ｘ方向アクチュエータ５Ｘの熱伸縮部１０が、Ｘ方向の厚み１ｍｍ、Ｘ方向に対し垂直な横断面における断面積０．０７５ｍ²の炭素鋼（比重７．８、比熱０．１１ｋｃａｌ／ｋｇ℃）である場合、熱伸縮部１０の温度を１℃向上すると、Ｘ方向の熱膨張量は１０ｎｍとなる。
また、この熱伸縮部１０の温度を１℃上げるために必要な熱量は、０．２７Ｊ（６．４×１０^-5ｋｃａｌ）であり、これは０．２７Ωの抵抗値を有する加熱コイル１１に、１Ａの電流を流すことによって得られる。したがって、抵抗値が０．５４Ωの加熱コイル１１に、１Ａの電流を流すと、２０ｎｍの変位量を得ることができる。
上述した制御装置９は、位置センサ７によって検出された可動ステージ４の位置と位置決め目標位置とを随時比較しながら、加熱コイル１１に供給する電力のフィードバック制御を行う。

また、可動ステージ４の質量が１０ｋｇ、可動ステージ４と、固定部である粗動基板２及び粗動固定壁部３との間の摩擦係数を０．３とすると、その摩擦力は約３０Ｎであるから、可動ステージ４を１０ｎｍ変位させる場合に必要なエネルギーは、３０Ｎ×１０ｎｍ＝３０×１０^-7Ｊである。
また、運動エネルギーに着目すると、可動ステージ４が１０ｎｍの変位を１０ｍｓｅｃで行う場合、１０ｋｇ×１０^-12（ｍ／ｓｅｃ）２＝１０^-11Ｊである。
以上のように、可動ステージ４の位置決めは、微小なエネルギーによって行なうことができる。

ここで、可動テーブル４が予め設定された目標位置に到達した後、加熱コイル１１から熱伸縮部１０への熱の供給を停止すると、熱伸縮部１０から断熱部１２や、雰囲気への伝熱によって熱伸縮部１０の温度が低下して収縮し、可動テーブル４の位置が変化してしまう。そこで、制御装置９は、加熱コイル１１が、熱伸縮部１０から放熱される熱量を補償し、その温度を維持するのに必要な熱量を熱伸縮部１０に与えるように、バイアス電流を定常的に流す制御をする。したがって、変位が要求されるときには、このバイアス電流に重畳して、熱膨張を生じさせる変位制御電流を加熱コイル１１に流すことによって位置決めが行われる。

以上のように、実施例１によれば、熱伸縮部１０の熱膨張を用いて可動テーブル４の位置決めを行うことによって、簡潔な構造によって精度良くナノメータオーダでの位置決めを行うことができ、また真空雰囲気を劣化させない効果がある。
また、位置決めに要するエネルギーは微小であるから、装置への蓄熱も小さく抑えられる。

図４は、本発明を適用した微小位置決め装置の実施例２の平面図である。図５は、図４のV−V部矢視断面図である。図６は、実施例２におけるＸ方向アクチュエータ５’Ｘの拡大図である。
実施例２は、上述した実施例１と類似するので、同様の部分については同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。

実施例２の微小位置決め装置は、アクチュエータ部５’の熱伸縮部１０を加熱する熱源として、加熱コイル１１に代えて、レーザー発生器１３を用い、熱伸縮部１０にレーザー光線２０を照射してこれを加熱している。
また、実施例２の微小位置決め装置は、ばね部６に変えて、磁力を制御可能な電磁石を有する磁石部６’によって可動ステージ４を粗動基板２又は粗動固定壁部３側に付勢している。
実施例２においても、上述した実施例１と同様の効果が得られ、さらに加熱コイル及びこれに電力を供給する配線が不要となるから、装置をシンプルにすることができる。
また、ばね部に代えて磁力を調節可能な電磁石を有する磁石部６’によって可動ステージ４を付勢しているから、磁力を弱くして可動ステージ４の駆動に要するエネルギーを低減し、又は、磁力を強くしてことによって、可動ステージ４が粗動基板２又は粗動固定壁部３側に戻るスピードを向上することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
（１）各実施例は、熱伸縮部を加熱し、熱膨張を利用して位置決めを行うものであるが、熱伸縮部を冷却し、熱収縮を利用して位置決めを行うようにしてもよい。この場合、付勢部は、可動ステージを粗動基板又は粗動固定壁部から遠ざける方向に付勢するものであるとよい。
（２）各実施例は、可動ステージを３次元方向に位置決めするものであるが、２次元又は１次元方向の位置決めにのみ本発明を適用してもよい。
（３）実施例２は、熱伸縮部１０を加熱するためにレーザー光線を用いているが、これに代えて、例えばマイクロ波等の他の電磁波を用いてもよい。

本発明を適用した微小位置決め装置の実施例１の平面図である。図１のII−II部矢視断面図である。図１の微小位置決め装置のＸ方向アクチュエータの拡大図である。本発明を適用した微小位置決め装置の実施例２の平面図である。図４のV−V部矢視断面図である。図４の微小位置決め装置のＹ方向アクチュエータの拡大図である。

符号の説明

１微小位置決め装置
２粗動基板
３粗動固定壁部
４可動テーブル
５アクチュエータ部
５ＸＸ方向アクチュエータ
５ＹＹ方向アクチュエータ
５ＺＺ方向アクチュエータ
６ばね部
６ＸＸ方向付勢ばね
６ＹＹ方向付勢ばね
６ＺＺ方向付勢ばね
７位置センサ
８電源部
９制御装置
１０熱伸縮部
１１加熱コイル
１２断熱部

Claims

位置決め対象部と、
前記位置決め対象部を変位可能に支持する基部と、
前記位置決め対象部と前記基部との間に設けられ、温度変化に応じて伸縮する熱伸縮部と、
前記熱伸縮部を加熱又は冷却する温度調節部と
を備える微小位置決め装置。
請求項１に記載の微小位置決め装置において、
前記位置決め対象部の前記基部に対する位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部の出力に基づいて前記温度調節部を制御する制御部と
を備えること
を特徴とする微小位置決め装置。
請求項１又は請求項２に記載の微小位置決め装置において、
前記制御部は、前記位置検出部によって検出された前記位置決め対象部の位置が、予め設定された目標位置であるときに、前記熱伸縮部がその寸法を維持する熱量の加熱又は冷却を行なうこと
を特徴とする微小位置決め装置。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、
前記熱伸縮部は、この熱伸縮部の材料よりも熱伝導率の低い材料を有する断熱部材を介して前記位置決め対象部、前記基部の少なくとも一方と接続されていること
を特徴とする微小位置決め装置。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、
前記位置決め対象部を、前記熱伸縮部の伸縮方向の一方に付勢する付勢部を備えること
を特徴とする微小位置決め装置。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、
前記温度調節部は、前記熱伸縮部に備えられた電気ヒータを有すること
を特徴とする微小位置決め装置。
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の微小位置決め装置において、
前記温度調節部は、前記熱伸縮部に電磁波を照射する電磁波発生部を有すること
を特徴とする微小位置決め装置。