JP2006082181A - 微動ステージ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サブナノメートルで移動させることを可能としつつ、大ストロークで変位させることも可能とする微動ステージ装置を提供すること。
【解決手段】 少なくとも一次元方向に移動可能に支持されたステージ２と、ステージ２に設けられた支点Ｃを中心として回動自在に支持されたテコ５と、テコ５の一端部分に設けられた第１のアクチュエータ６と、支点Ｃに対して第１のアクチュエータ６と反対方向の回転モーメントを付与する第２のアクチュエータ７と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高精度な位置決めを必要とする微動ステージ装置に関する。

ナノメートルの分解能で高精度に位置決めできる微動ステージの技術として、例えば、特許文献１には微小幅スリットを作成する際の技術が開示されている。当該文献においては、相対移動可能な取付けステージを有する治具に材料を取付け、取付けステージをねじ機構によって相対移動させることで、ステージの相対移動量の差を用いてねじ機構の変位を縮小して材料のスリット幅を微調整する変位縮小機構が開示されている。
特開平９−１４５８９７号公報

ところで、マイクロマシン、半導体デバイス等の加工においては、数十μｍの構造体をナノメートルの精度で構成することが必要となることから、位置決めステージにはさらに高い分解能が要求されている。
しかしながら、上記特許文献１のような技術を用いてサブナノメートルの分解能で駆動させる場合、単に変位を縮小しただけではストロークも減少してしまうため、移動範囲が大幅に減少するという問題があった。
また、粗動ステージと微動ステージとを組み合わせて大ストロークと高い分解能とを両立した移動機構もあるが、構造が複雑になってしまうという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、簡易な構成でありつつも、サブナノメートルでの移動と、大ストロークでの変位とを可能とする微動ステージ装置を提供することを目的とする。

本発明においては上記の課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に記載の微動ステージ装置は、少なくとも一次元方向に移動可能に支持されたステージと、該ステージに設けられた支点を中心として回動自在に支持されたテコと、該テコの一端部分に設けられた第１のアクチュエータと、前記支点に対して前記第１のアクチュエータと反対方向の回転モーメントを付与する第２のアクチュエータと、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、テコの支点が、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとの間に設けられているので、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとの移動量の相対的な関係で支点の移動位置が決定され、その移動に伴いステージを移動させる。これにより、ステージを任意の位置に移動できる。
また、例えば第２のアクチュエータを固定した場合、第１のアクチュエータの変位量より支点の移動量は縮小されるので、精度よくステージを微動できる。
さらに、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを同時に伸縮させると、テコの支点がその伸縮量だけ伸縮するので、ステージは大ストロークの変位が可能となる。
なお、ステージを２次元、３次元に移動可能に支持し、本発明の機構を複数組み合わせて２次元、３次元の微動ステージ装置とすることもできる。

請求項２に記載の微動ステージ装置は、前記第１のアクチュエータと前記支点との間の距離が、前記第２のアクチュエータと前記支点との間の距離よりも大きくしたことを特徴とする。
本発明によれば、第１のアクチュエータの移動量はテコを介することで支点での変位がその半分以下に縮小されるので、ステージを精度よく微動させることができる。

請求項３に記載の微動ステージ装置では、前記テコは、直線状に配置されていることを特徴とする。
本発明によれば、構造が簡素化され、製造コストが安価にすることができる。

請求項４に記載の微動ステージ装置は、前記第１のアクチュエータの最大変位量は前記第２のアクチュエータの最大変位量より大きくしたことを特徴とする。
本発明によれば、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとでステージを大ストローク移動させた後でも、第１のアクチュエータに変位する余地が残されている。このように、第２のアクチュエータが最大変位量となっても第１のアクチュエータを変位させることによって、ステージを高精度で微動調整できるので、ステージを高精細でありつつ大きな範囲で変位させることができる。

請求項５に記載の発明では、前記テコは、Ｌ字形状をし、前記ステージの側方で取り囲むように配置されたことを特徴とする。
本発明によれば、第１のアクチュエータ、第２のアクチュエータおよびテコがステージを覆うように配置されることになるので、ステージを微動ステージ装置の中心付近に配置させることができる。

本発明においては以下の効果を得ることができる。
本発明の微動ステージ装置は簡易な構成であるとともに、サブナノメートルで移動させることを可能としつつ大ストロークで変位させることも可能となる。したがって、数μｍのデバイスをサブナノメートルの精度で製造することが可能となる。

次に、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１において、符号１は微動ステージ装置である。微動ステージ装置１は、ステージ２、ステージ２を一次元方向に移動可能に支持する架台３、ステージ２を架台３に微動可能に固定するヒンジばね４、およびステージ２を駆動させる直線状をしたテコ５を備えている。
さらに、テコ５の位置Ａにてテコ５に駆動力を作用させる圧電素子（第１のアクチュエータ）６およびテコ５の位置Ｂにて駆動力をテコ５に与える圧電素子（第２のアクチュエータ）７を備える。圧電素子６，７は、バックラッシを除くためテコ５に対して他側に設けられた予圧ねじ８，９によりそれぞれテコ５にガタ無く固定されている。各圧電素子６，７は、電圧を印加すると長手方向に変位する構成となっている。

また、テコ５は位置（支点）Ｃにてステージ２に固定され、圧電素子６，７の駆動力がステージ２に作用するようになっている。位置Ａと位置Ｃとの距離は、位置Ｂと位置Ｃとの間の距離よりも長く構成されている。また、圧電素子６は圧電素子７よりも長く、すなわち圧電素子６の最大変位量は圧電素子７の最大変位量よりも大きく構成されている。これらの寸法設定は、後述する微動と粗動のバランスに応じて適宜設定すればよい。

このように構成された微動ステージ装置１では、ステージ２を粗動させる際には圧電素子６と圧電素子７とを同じ変位量となるように駆動させる。テコ５は図の上下方向に大ストロークで平行移動し、位置Ｃにて駆動力がステージ２に伝達される。
ステージ２を微動させる際には例えば圧電素子６のみを駆動させる。テコ５は圧電素子７が固定された位置Ｂを中心としてわずかに回動し、位置Ｃにて駆動力がステージ２に伝達される。
位置ＢＣ間は位置ＡＣ間より短く構成されていることで、圧電素子６の変位量は縮小されてステージ２に伝達される。したがってステージ２を高精細で微動させることができる。ここで、前述の粗動が圧電素子７の最大変位量まで行われていた場合でも、圧電素子６は圧電素子６よりも変位量の許容量が大きいので、その位置でステージの微動を行える。したがって、本実施形態では、ステージ２を高精細でありつつ大きな範囲で変位させることができる。

このように、本実施形態においては簡易な構成で以て圧電素子６によってステージ２をサブナノメートルで移動させることを可能としつつ、圧電素子７によって大ストロークで変位させることも可能となる。したがって、本ステージを例えばマイクロマシン製造装置に適用すると数μｍのデバイスをサブナノメートルの精度で製造することが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態について図２を参照して説明する。
本実施形態に係る微動ステージ装置１０は、ステージ１２、ステージ１２を一次元方向に移動可能に支持する架台１３、ステージ１２を架台１３に微動可能に固定するヒンジばね１４、および、ステージ１２を駆動させるベルクランク（Ｌ字形状をしたテコ）１５を備える。ベルクランク１５は位置Ａにおいて圧電素子（第１のアクチュエータ）１６により駆動力が作用され、位置Ｂにおいて圧電素子（第２のアクチュエータ）１７により駆動力が作用される。またベルクランク１５は位置（支点）Ｃにおいてステージ１２に固定されて駆動力を与える。

ベルクランク１５は互いに直交する長手部１５ａと短手部１５ｂとを備え、ステージ１２は鈎状のベルクランク１５の長手部１５ａおよび短手部１５ｂに挟まれた領域に配置されている。圧電素子１６はベルクランク１５の長手部１５ａに対してステージ１２と同じ側に位置し、長手部１５ａの先端に位置する位置Ａに固定されている。圧電素子１７はベルクランク１５の短手部１５ｂ側であって、ベルクランク１５を挟んでステージ１２と反対側に設けられ、位置Ｂに固定されている。圧電素子１６，１７は、バックラッシを除くためベルクランク１５に対して他側に設けられた予圧ねじ１８，１９によりそれぞれベルクランク１５にガタ無く固定されている。また各圧電素子１６，１７は、電圧を印加すると長手方向に変位する構成となっている。

圧電素子１６の駆動方向は図２の左右方向であるが、圧電素子１７が変位なく位置Ｂが固定の場合、位置Ｂが支点となり、位置Ｃはベルクランク１５によって図の上下方向に駆動方向が変換されてステージ１２に伝達される。圧電素子１６の変位がなく位置Ａの左右方向位置が固定の場合、圧電素子１７がステージ１２に与える駆動力の方向は、ベルクランク１５が圧電素子１６の駆動力をステージ１２に与える方向（図の上下方向）と同じ向きである。

このように構成された微動ステージ装置１０では、ステージ１２を粗動させる際には圧電素子１７のみを駆動させる。この場合、位置Ａと位置Ｃとは、相対位置が固定されているので、圧電素子１７によって、位置Ｂが上下される。それに伴ってステージ１２が圧電素子１７の変位量だけ上下動するので、ステージ１２は大ストロークで駆動される。
微動させる際には例えば圧電素子１６のみを駆動させる。圧電素子１６を駆動させると圧電素子１７が固定されたベルクランク１５の位置Ｂを中心としてベルクランク１５はわずかに回動し、位置Ｃにて駆動力がステージ１２に伝達される。圧電素子１６の変位は、ベルクランク１５により縮小されてステージ１２に伝達する。

このように、本実施形態においては圧電素子１６によってステージ１２をサブナノメートルで移動させることを可能としつつ、圧電素子１７によって大ストロークで変位させることも可能となる。したがって、本ステージを例えばマイクロマシン製造装置に適用すると数μｍのデバイスをサブナノメートルの精度で製造することが可能となる。
また本実施形態では第１実施形態と比較してステージ１２を微動ステージ装置１０の略中央に配置することが可能となる。

なお、上記の各実施形態では一次元に移動するステージ２，１２について示したが、上記の機構を複数組み合わせることで、２次元、３次元の微動ステージ装置を実現することができる。
また、上記の各例ではアクチュエータとして圧電素子を用いたが、他には磁歪素子、形状記憶合金等を用いることも可能である。

本発明の第１実施形態として示した微動ステージ装置を模式的に示した平面図である。 本発明の第２実施形態として示した微動ステージ装置を模式的に示した平面図である。

符号の説明

１ 微動ステージ装置
２ ステージ
５ テコ
６ 圧電素子（第１のアクチュエータ）
７ 圧電素子（第２のアクチュエータ）
１０ 微動ステージ装置
１２ ステージ
１５ ベルクランク
１６ 圧電素子（第１のアクチュエータ）
１７ 圧電素子（第２のアクチュエータ）

Claims (5)

1. 少なくとも一次元方向に移動可能に支持されたステージと、
   該ステージに設けられた支点を中心として回動自在に支持されたテコと、
   該テコの一端部分に設けられた第１のアクチュエータと、
   前記支点に対して前記第１のアクチュエータと反対方向の回転モーメントを付与する第２のアクチュエータと、
   を備えることを特徴とする微動ステージ装置。
2. 前記第１のアクチュエータと前記支点との間の距離が、前記第２のアクチュエータと前記支点との間の距離よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の微動ステージ装置。
3. 前記テコは、直線状に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微動ステージ装置。
4. 前記第１のアクチュエータの最大変位量は前記第２のアクチュエータの最大変位量より大きくしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の微動ステージ装置。
5. 前記テコは、Ｌ字形状をし、前記ステージの側方で取り囲むように配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微動ステージ装置。
   

Images