JP2013108939A - Stage mechanism and driving method thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stage mechanism capable of achieving a long stroke drive relating to three degrees of freedom of XY directions and a yaw rotation direction and a fine drive in Z/pitch/roll directions by a compact actuator system constituted of a micro heater array built in a fixed base surface for mounting a stage, and to provide a driving method thereof.SOLUTION: A plurality of first-layer heaters 3 for protruding the surface of a base 2 by thermal deformation are disposed in an XY-directional array state, near the surface of the base 2 that comes into contact with a stage 1. At a part deeper from the surface of the base 2, a plurality of second-layer heaters 4 are disposed in an XY-directional array state so as to sandwich the front/rear/left/right of the first-layer heaters 3. A stage mechanism drives the stage 1 that comes into contact with thermal deformation protrusion parts protruded by the first-layer heaters 3, in an XYθ direction by causing the second-layer heaters 4 to move the thermal deformation protrusion parts in the XY direction.

Description

本発明は、固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構およびその駆動方法に関する。   The present invention relates to a stage mechanism in which a moving stage is mounted on a fixed base and a driving method thereof.

精密位置決めが要求されるメカトロニクス機器等においては、装置の小型化が進んでおり、用いられるステージにも小型化が要求される。また、小型化と同時に、位置決めの高精度化、多自由化への要求は高まる一方である。   In mechatronics equipment and the like that require precise positioning, the size of the apparatus is being reduced, and the stage used is also required to be downsized. In addition to the downsizing, demands for higher positioning accuracy and more freedom are increasing.

従来、ステージを駆動するアクチュエータとして、一般には回転式電気モータや磁気式リニアモータ等が用いられ、また超精密位置決め用にはPZT(圧電素子)アクチュエータが用いられることもある。また、最近では、超音波モータステージや弾性表面波リニアモータなど、摩擦駆動力を利用したステージも適用が進んでいる(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a rotary electric motor, a magnetic linear motor, or the like is generally used as an actuator for driving a stage, and a PZT (piezoelectric element) actuator is sometimes used for ultra-precision positioning. Further, recently, application of a stage using a frictional driving force such as an ultrasonic motor stage and a surface acoustic wave linear motor has been advanced (for example, see Patent Document 1).

回転式電気モータは、ボールねじとの組み合わせで位置決めを実現する。長ストロークの位置決めが可能であるが、その一方、位置決め分解能はあまり高くなく、PZTアクチュエータと組み合わせて用いられることがある。また、磁気式リニアモータは、平面構成とすることで、2自由度の位置決めが可能である。また、PZTアクチュエータは、単体のアクチュエータで3軸方向駆動が可能なものもある。位置決め分解能が高い半面、得られるストロークは短い。超音波モータは、PZTを利用したものが多く、長ストロークで、高い位置決め分解能が得られる(例えば、非特許文献1、2参照)。   A rotary electric motor achieves positioning in combination with a ball screw. While long stroke positioning is possible, the positioning resolution is not very high and may be used in combination with PZT actuators. In addition, the magnetic linear motor can be positioned with two degrees of freedom by adopting a planar configuration. Some PZT actuators can be driven in three axial directions by a single actuator. While the positioning resolution is high, the resulting stroke is short. Many ultrasonic motors use PZT, and a high positioning resolution is obtained with a long stroke (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).

特開平7−177767号公報JP-A-7-177767

T. Yamaguchi et al., "Wear Mode Control of Drive Tip of UltrasonicMotor for Precision Positioning", Wear, 2003, Vol. 256, pp.145-152T. Yamaguchi et al., "Wear Mode Control of Drive Tip of Ultrasonic Motor for Precision Positioning", Wear, 2003, Vol. 256, pp.145-152 N.Osakabe et al., "Surface acoustic wave linear motor using siliconslider", Proc. of IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical Systems,Heidelberg, 1998 Jan., p.25-29N. Osakabe et al., "Surface acoustic wave linear motor using siliconslider", Proc. Of IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical Systems, Heidelberg, 1998 Jan., p.25-29

従来のアクチュエータを用いたステージでは、通常、多自由度のステージ駆動を実現する場合、アクチュエータを複数組み合わせる必要がある。基本的に、空間内において剛体の有する運動自由度は、X/Y/Z軸方向の並進運動と、これらの軸まわりの回転運動(ピッチ、ロール、ヨー)とを合わせた6自由度である。精密ステージにおいてこの6自由度駆動を実現する場合、アクチュエータによっては多自由度駆動が可能なものも実在するが、一般にはアクチュエータを複数組み合わせることになるため、システムが大掛かりなものになる。   In a stage using a conventional actuator, it is usually necessary to combine a plurality of actuators in order to realize stage driving with multiple degrees of freedom. Basically, the degree of freedom of motion of a rigid body in space is 6 degrees of freedom that combines translational motion in the X / Y / Z axis direction and rotational motion (pitch, roll, yaw) around these axes. . When realizing this 6-degree-of-freedom drive on a precision stage, some actuators can be driven with multiple degrees of freedom, but generally a plurality of actuators are combined, so that the system becomes large.

その一方で、例えばディジタルカメラのズームレンズ駆動機構、各種顕微鏡の微動ステージ等においては、装置の空間的制約およびステージ搭載物の重量が小さいことを考慮すると、極力コンパクトな構成で多自由度かつ高精度な位置決めを実現するアクチュエータによる多自由度ステージ機構が望まれる。   On the other hand, for example, in a zoom lens driving mechanism of a digital camera and a fine movement stage of various microscopes, considering the spatial restrictions of the apparatus and the weight of the stage mounted product being small, the configuration is as compact as possible and has a high degree of freedom and high flexibility. A multi-degree-of-freedom stage mechanism using an actuator that realizes accurate positioning is desired.

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムで、XY方向、ヨー回転方向の3自由度に関する長ストローク駆動、およびZ/ピッチ/ロール方向の微細駆動を実現することができるステージ機構およびその駆動方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made paying attention to such problems, and is a compact actuator system composed of a microheater array incorporated on the surface of a fixed base on which a stage is mounted, and has three degrees of freedom in the XY direction and the yaw rotation direction. It is an object of the present invention to provide a stage mechanism capable of realizing long stroke driving and fine driving in the Z / pitch / roll direction, and a driving method thereof.

本発明に係るステージ機構は、固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構において、前記移動ステージに接触する前記固定ベースの表面近傍に、前記固定ベース表面の熱変形突出用の第一層目のヒータをXY方向にアレイ状に複数配置し、更に前記固定ベース表面から深いところに、前記第一層目のヒータの前後左右を挟み込むように第二層目のヒータをXY方向にアレイ状に複数配置し、前記第二層目のヒータが、前記第一層目のヒータによる熱変形突出部をXY方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをXYθ方向に駆動するよう構成されていることを特徴とする。   The stage mechanism according to the present invention is a stage mechanism in which a moving stage is mounted on a fixed base, and a first layer for thermal deformation protrusion of the surface of the fixed base in the vicinity of the surface of the fixed base that contacts the moving stage. A plurality of heaters are arranged in an array in the X and Y directions, and a plurality of heaters in the second layer are arranged in an X and Y direction so as to sandwich the front, rear, left and right of the first layer heater deep from the fixed base surface. And the second layer heater is configured to move the thermal deformation protrusion by the first layer heater in the XY direction and drive the moving stage in contact with the thermal deformation protrusion in the XYθ direction. It is characterized by being.

また、本発明に係るステージ機構の駆動方法は、本発明に係るステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、前記第一層目のヒータのうち、離間し平行な少なくとも二列の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部をXまたはY方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをXまたはY方向に移動する第一工程と、前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、離間し平行な少なくとも二列の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをOFFにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部をXまたはY方向に移動する第二工程とを有し、前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを特徴とする。   Further, the stage mechanism driving method according to the present invention is a stage mechanism driving method for driving the stage mechanism according to the present invention, wherein at least two rows of the first layer heaters that are spaced apart and parallel to each other. The first layer heater of the first group is driven, the moving stage is lifted by the thermal deformation protrusion, and then the second layer of the first group sandwiching the first layer heater of the first group A first step of driving an eye heater, moving the thermal deformation protrusion in the X or Y direction, and moving the moving stage in contact with the thermal deformation protrusion in the X or Y direction; Driving at least two rows of the second group of first group heaters, which are different from the first layer heaters, in parallel and spaced apart from each other, bringing the thermal deformation protrusions into contact with the moving stage, Turn off the heater of the first layer, and then the first layer of the second group Driving the second group of second layer heaters sandwiching the heater of the second group, and moving the heat deformation protrusions by the second group of first layer heaters in the X or Y direction, The first step and the second step are repeated.

本発明に係るステージ機構の駆動方法は、本発明に係るステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、前記第一層目のヒータのうち、一直線上にない少なくとも3ヶ所以上の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第一工程と、前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、一直線上にない少なくとも3ヶ所以上の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをOFFにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第二工程とを有し、前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行ってもよい。   The stage mechanism driving method according to the present invention is a stage mechanism driving method for driving the stage mechanism according to the present invention, wherein at least three of the heaters of the first layer that are not in a straight line are provided. The first layer heater of the first group is driven, the moving stage is lifted by the thermal deformation protrusion, and then the second layer of the first group sandwiching the first layer heater of the first group And the first step of moving the thermal deformation protrusion in the rotational direction around the central axis of the moving stage, and the first group of first layer heaters different from each other, at least not in a straight line Drive the heaters of the first layer of the second group at three or more locations, bring the thermal deformation protrusions into contact with the moving stage, turn off the heaters of the first layer of the first group, Second group second layer sandwiching second group first layer heater And a second step of moving the thermal deformation protrusion by the first layer heater of the second group in a rotational direction around the central axis of the moving stage, and the first step and The second step may be repeated.

本発明によれば、アレイ状に配置したヒータ群を強調制御することで、ヨー方向の長ストローク回転制御も可能となる。更には、熱突出によって高さ方向に微動調整が可能なので、Z/ピッチ/ロール方向の微動位置決めも可能である。すなわち、マイクロヒータアレイ1式で、6自由度ステージ駆動が可能となる。ステージのベース表面近傍にベース表面の熱変形突出用の第一層目ヒータを配置し、更に深いところに、第一層目ヒータの上下左右を挟み込むように第二層目のヒータを配置し、これを一つのヒータ群とする。第二層目のヒータは第一層目のヒータによる熱変形突出のXY方向駆動用である。このヒータ群をベース表面のXY方向にアレイ状に配置する。ステージ駆動開始時、まず第一層目のヒータで熱変形突出を発生し、ステージに接触させる。この状態で、第二層目のヒータを加熱し、突出を平面方向に動かす。第二層目ヒータは、駆動方向によって加熱するヒータを選択する。ステージは突出と一緒の方向に駆動される。ストロークが限界に達したら、ヒータの加熱を止めて突出を引っ込める。このサイクルを繰り返すことで、XY方向への長ストローク駆動を実現する。   According to the present invention, long stroke rotation control in the yaw direction is also possible by emphasizing control of the heater groups arranged in an array. Furthermore, since fine movement adjustment in the height direction is possible by thermal protrusion, fine movement positioning in the Z / pitch / roll direction is also possible. That is, a 6-degree-of-freedom stage drive is possible with one microheater array. The first layer heater for thermal deformation protrusion of the base surface is arranged near the base surface of the stage, and the second layer heater is arranged so as to sandwich the top, bottom, left and right of the first layer heater in a deeper place, Let this be one heater group. The second layer heater is for driving in the X and Y directions of the thermal deformation protrusion by the first layer heater. This heater group is arranged in an array in the XY direction of the base surface. At the start of driving the stage, first, the first layer heater generates a thermal deformation protrusion, which is brought into contact with the stage. In this state, the heater of the second layer is heated and the protrusion is moved in the plane direction. As the second layer heater, a heater to be heated is selected depending on the driving direction. The stage is driven in the direction along with the protrusion. When the stroke reaches the limit, stop heating the heater and retract the protrusion. By repeating this cycle, long stroke driving in the XY directions is realized.

このように、本発明によれば、ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムで、XY方向、ヨー回転方向の3自由度に関する長ストローク駆動、およびZ/ピッチ/ロール方向の微細駆動を実現することができるステージ機構およびその駆動方法を提供することができる。   Thus, according to the present invention, in a compact actuator system composed of a microheater array incorporated on the surface of a fixed base on which a stage is mounted, a long stroke drive for three degrees of freedom in the XY direction and the yaw rotation direction, and Z A stage mechanism capable of realizing fine driving in the / pitch / roll direction and its driving method can be provided.

本発明にかかる第一の実施形態のステージ機構の(a)斜視図、(b)平面図、(c)側面図である。It is (a) perspective view, (b) top view, (c) side view of the stage mechanism of 1st embodiment concerning this invention. 図1に示すステージ機構を制御するシステムの概略図である。It is the schematic of the system which controls the stage mechanism shown in FIG. 図1に示すステージ機構によりステージをX軸方向に移動するときの、第一層目のヒータと第二層目のヒータとの動作を表わした平面図および側面図である。FIG. 6 is a plan view and a side view showing operations of a first layer heater and a second layer heater when the stage is moved in the X-axis direction by the stage mechanism shown in FIG. 1. 図1に示すステージ機構の、第一層目のヒータとベースとをモデル化した有限要素モデルを示す側面図である。It is a side view which shows the finite element model which modeled the heater and base of the 1st layer of the stage mechanism shown in FIG. 図4に示す有限要素モデルを用いて算出したベース表面突起の(a)3次元形状の斜視図、(b)突起部分の断面形状を表したグラフである。5A is a perspective view of a three-dimensional shape of a base surface protrusion calculated using the finite element model shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a graph showing a cross-sectional shape of the protrusion portion. 図1に示すステージ機構によりステージをZ軸方向に微細移動するときの、第一層目のヒータの動作を表わした側面図である。It is a side view showing operation | movement of the heater of the 1st layer when a stage is finely moved to a Z-axis direction by the stage mechanism shown in FIG. 図1に示すステージ機構によりステージのピッチ・ロール制御を実施するときの、第一層目のヒータの動作を表わした側面図である。It is a side view showing operation | movement of the heater of the 1st layer when implementing the pitch and roll control of a stage with the stage mechanism shown in FIG. 図1に示すステージ機構によりステージのヨー制御を実施するときの、第一層目および第二層目のヒータの動作を表わした平面図である。It is a top view showing operation | movement of the heater of the 1st layer and the 2nd layer when implementing the yaw control of a stage by the stage mechanism shown in FIG. 本発明にかかる第二の実施形態のステージ機構の(a)平面図、(c)側面図である。It is (a) top view of the stage mechanism of 2nd embodiment concerning this invention, (c) It is a side view.

本発明にかかる第一の実施形態を、図1から図7を用いて説明する。図1は、本発明にかかる第一の実施形態で用いるステージ機構の概略図である。図1(a)は、ステージ機構の俯瞰図であり、ステージ機構はベース(固定ベース)2とステージ(移動ステージ)1とから構成される。図1(b)は、ベース2およびその内部を、ステージ1の搭載面から見た模式図である。第一層目のヒータ3をアレイ状に配置し、各々の第一層目のヒータ3を四方から挟み込むように、第二層目のヒータ4をこちらもアレイ状に配置する。なお、第一層目のヒータ3および第二層目のヒータ4はいずれも、ベース2の表層近傍に組み込むものとし、第一層目のヒータ3が第二層目のヒータ4よりもベース2の表層に近くなるよう配置する。図1(c)は、ステージ機構を横から見たときのステージ1、ベース2および各ヒータ3、4の位置関係を示す模式図である。ステージ1の表面およびベース2の表面には、その表面状態によっては固着を防ぐためにバンプ5を設けても良い。   A first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic view of a stage mechanism used in the first embodiment according to the present invention. FIG. 1A is an overhead view of the stage mechanism, and the stage mechanism includes a base (fixed base) 2 and a stage (moving stage) 1. FIG. 1B is a schematic view of the base 2 and the inside thereof as seen from the mounting surface of the stage 1. The first-layer heaters 3 are arranged in an array, and the second-layer heaters 4 are also arranged in an array so that the first-layer heaters 3 are sandwiched from four sides. The first layer heater 3 and the second layer heater 4 are both incorporated in the vicinity of the surface layer of the base 2, and the first layer heater 3 is more base 2 than the second layer heater 4. Place it so that it is close to the surface. FIG. 1C is a schematic diagram showing the positional relationship between the stage 1, the base 2, and the heaters 3 and 4 when the stage mechanism is viewed from the side. Bumps 5 may be provided on the surface of the stage 1 and the surface of the base 2 in order to prevent sticking depending on the surface state.

図2は、図1のステージ機構を駆動するステージシステムの概略を示す。本発明においては、アレイ状に配置した各ヒータ3、4を独立に制御することで、ベース2の上に搭載したステージ1を移動する。そのため、各々のヒータ3、4について駆動用アンプ(Amplifier)8、9を配置する。コントローラ(Controller)6からのディジタル信号をD/Aコンバータ(D/A converter)7でアナログ信号に変換し、第一層目のヒータ用アンプ8および第二層目のヒータ用アンプ9を通してベース2内の各ヒータ3、4に電力を供給する。また、ステージ1のX、Y、Z方向の3軸位置、およびピッチ、ロール、ヨーの姿勢位置をステージ位置・姿勢検出用センサ(Position sensor for X,Y,Z−axis、Pitch,Roll,Yaw motion sensor)10で検知し、この信号をフィードバックして制御に用いても構わない。   FIG. 2 shows an outline of a stage system for driving the stage mechanism of FIG. In the present invention, the stage 1 mounted on the base 2 is moved by independently controlling the heaters 3 and 4 arranged in an array. Therefore, driving amplifiers (Amplifiers) 8 and 9 are arranged for the respective heaters 3 and 4. A digital signal from a controller (Controller) 6 is converted into an analog signal by a D / A converter (D / A converter) 7, and the base 2 passes through a heater amplifier 8 for the first layer and a heater amplifier 9 for the second layer. Electric power is supplied to each of the heaters 3 and 4. Also, the position of the three axes in the X, Y, and Z directions of the stage 1 and the posture positions of the pitch, roll, and yaw are detected by the position sensor / position detection sensors X, Y, Z-axis, Pitch, Roll, Yaw. (motion sensor) 10 may be used, and this signal may be fed back and used for control.

図3は、図1のステージ機構によりステージ1をX軸方向に移動するときの、第一層目のヒータ3と第二層目のヒータ4との動作を表わした模式図である。以下、第一層目のヒータ3を表面突出用ヒータ3と呼び、第二層目のヒータ4を突出移動用ヒータ4と呼ぶことになる。なお、ここでは第一層目のヒータ3を第二層目のヒータ4で囲んだものをヒータ群1組とし、このヒータ群を4組ベース内に配置しているが、ヒータ群内におけるヒータ配置はこれに限るものでもなく、また、ヒータ群の配置および数もこれに限るものではない。   FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation of the first layer heater 3 and the second layer heater 4 when the stage 1 is moved in the X-axis direction by the stage mechanism of FIG. Hereinafter, the heater 3 in the first layer is referred to as a surface protrusion heater 3, and the heater 4 in the second layer is referred to as a protrusion movement heater 4. Here, a heater group in which the first layer heater 3 is surrounded by the second layer heater 4 is defined as one heater group, and this heater group is arranged in the four group base. The arrangement is not limited to this, and the arrangement and number of heater groups are not limited to this.

ここでは、ステージ1をX軸正の方向に移動する場合を考える。まず、図3に示すように、突出移動用ヒータのうち、表面突出用ヒータ3の右側に配置した突出移動用ヒータ4に電力を与え、その熱膨張により表面突出用ヒータ3をX軸負の方向に移動する(ステップA)。次に、突出移動用ヒータ4に電力を与えた状態で表面突出用ヒータ3に電力を与えて、第一層目のヒータ3による熱変形突出11を形成してベース2の表面を突出させ、ステージ1をベース2の表面から持ち上げる(ステップB)。この状態で、表面突出用ヒータ3の右側に配置した突出移動用ヒータ4への電力供給を停止し、表面突出用ヒータ3の左側に配置した突出移動用ヒータ4への電力供給を開始する(ステップC)。その後、表面突出用ヒータ3の左側に配置した突出移動用ヒータ4へ電力を与えた状態で、表面突出用ヒータ3への電力供給を停止する(ステップD)。以上、ステップAからステップDまでの一連の動作を1ストロークとして、ベース2の上に搭載したステージ1は、ステージ移動量12(Δd)だけX軸正の方向に移動することができる。Δdよりも大きくステージ1を移動させたい場合には、この動作を繰り返せばよい。また、1ストローク内での微細位置決めを行いたい場合には、ステップB〜Cの状態で、突出移動用ヒータ4への電力供給を調節すると位置決めが可能となる。なお、ステージ1をX軸負の方向に駆動する場合、又はY軸方向に駆動したい場合も同様に、突出移動用ヒータ4への電力供給を実施することで、ステージ移動および微細位置決めが可能となる。   Here, consider a case where the stage 1 is moved in the positive X-axis direction. First, as shown in FIG. 3, among the protrusion movement heaters, electric power is applied to the protrusion movement heater 4 arranged on the right side of the surface protrusion heater 3, and the surface expansion heater 3 is made negative in the X-axis by its thermal expansion. Move in the direction (step A). Next, in a state where electric power is applied to the protrusion moving heater 4, electric power is applied to the surface protrusion heater 3 to form the heat deformation protrusion 11 by the first layer heater 3 to protrude the surface of the base 2, The stage 1 is lifted from the surface of the base 2 (step B). In this state, power supply to the protrusion movement heater 4 disposed on the right side of the front surface protrusion heater 3 is stopped, and power supply to the protrusion movement heater 4 disposed on the left side of the surface protrusion heater 3 is started ( Step C). Thereafter, the power supply to the surface protrusion heater 3 is stopped in a state where electric power is applied to the protrusion movement heater 4 arranged on the left side of the surface protrusion heater 3 (step D). As described above, the stage 1 mounted on the base 2 can move in the positive direction of the X-axis by the stage movement amount 12 (Δd), with a series of operations from Step A to Step D as one stroke. If it is desired to move the stage 1 larger than Δd, this operation may be repeated. When fine positioning within one stroke is desired, positioning can be performed by adjusting the power supply to the protrusion moving heater 4 in the state of Steps B to C. Similarly, when the stage 1 is driven in the negative X-axis direction or when it is desired to drive in the Y-axis direction, the stage movement and fine positioning can be performed by supplying power to the protrusion moving heater 4. Become.

本発明では、第一層目のヒータ3によりベース2の表面を突出させてステージ駆動を実施する。そのため、ベース2の表面の突出には少なくとも、ベース2の面およびステージ1の面の表面粗さよりも大きな突出高さが必要となる。そこで、図4に示すような配置で第一層目のヒータ3とベース2とをモデル化した有限要素モデルを用い、伝熱シミュレーションにより第一層目のヒータ3に与える電力量と突出高さの関係を評価した。   In the present invention, the stage is driven by causing the surface of the base 2 to protrude by the heater 3 of the first layer. For this reason, the protrusion of the surface of the base 2 requires at least a protrusion height larger than the surface roughness of the surface of the base 2 and the surface of the stage 1. Therefore, using a finite element model in which the first layer heater 3 and the base 2 are modeled in the arrangement shown in FIG. 4, the amount of electric power and the protrusion height given to the first layer heater 3 by heat transfer simulation are used. Evaluated the relationship.

簡易シミュレーションによって得られた、第一層目のヒータ3によるベース2の表面の突出形状シミュレーション結果の3次元形状、およびその突出部の断面形状を、図5に示す。このシミュレーションでは、ベース2の表面から第一層目のヒータ3までの距離dを10μmに設定した。突出高さは第一層目のヒータ3に与える電力により変化し、より大きな電力によってより高い突出形状を得ることが可能であることが分かる。例えば、50mW程度の電力を与えた場合、100nm以上の突出高さが得られることが分かる。従って、ベース2の表面およびステージ1の表面の粗さを、例えばRa=0.01μm程度に設定することで、ステージ1をベース2の表面から持ち上げることは充分可能であると考えられる。   FIG. 5 shows the three-dimensional shape of the protruding shape simulation result of the surface of the base 2 by the first layer heater 3 and the cross-sectional shape of the protruding portion obtained by the simple simulation. In this simulation, the distance d from the surface of the base 2 to the first layer heater 3 was set to 10 μm. It can be seen that the protrusion height changes depending on the electric power applied to the heater 3 of the first layer, and it is possible to obtain a higher protrusion shape with a larger electric power. For example, it is understood that a protrusion height of 100 nm or more can be obtained when power of about 50 mW is applied. Therefore, it is considered that the stage 1 can be sufficiently lifted from the surface of the base 2 by setting the roughness of the surface of the base 2 and the surface of the stage 1 to, for example, Ra = 0.01 μm.

次に、Z軸方向へのステージ位置決めを実施する場合を考える。図6は、図1のステージ機構によりステージ1をZ軸方向に微動位置決めするときの、第一層目のヒータ3の動作を表わした模式図である。表面突出用ヒータ3に与える電力量を調整して突出の高さを変更することで、ステージ1のZ軸方向微動位置決めが可能となる。   Next, consider a case where stage positioning is performed in the Z-axis direction. FIG. 6 is a schematic diagram showing the operation of the first layer heater 3 when the stage 1 is finely positioned in the Z-axis direction by the stage mechanism of FIG. By adjusting the amount of electric power applied to the surface protrusion heater 3 and changing the height of the protrusion, the stage 1 can be finely positioned in the Z-axis direction.

このとき、各表面突出用ヒータ3に与える電力量に差を与えることで、ステージ1のピッチ姿勢およびロール姿勢の微動位置決めが可能となる。図7は、図1のステージ機構によりステージ1のピッチ・ロール制御を実施するときの、第一層目のヒータ3の動作を表わした模式図である。X方向に並べて配置したヒータ群において、表面突出用ヒータ3に与える電力量に差をつけることで、Y軸まわりの姿勢(ロール姿勢)を微調整することが可能となる。同様に、Y方向に並べて配置したヒータ群において、表面突出用ヒータ3に与える電力量に差をつけることで、X軸まわりの姿勢(ピッチ姿勢)についても微調整が可能である。   At this time, a fine movement positioning of the pitch posture and roll posture of the stage 1 becomes possible by giving a difference in the amount of electric power given to each surface protrusion heater 3. FIG. 7 is a schematic diagram showing the operation of the heater 3 of the first layer when the pitch / roll control of the stage 1 is performed by the stage mechanism of FIG. In the group of heaters arranged side by side in the X direction, the posture (roll posture) around the Y axis can be finely adjusted by making a difference in the amount of electric power applied to the surface protrusion heater 3. Similarly, in the heater group arranged side by side in the Y direction, the attitude around the X axis (pitch attitude) can be finely adjusted by making a difference in the amount of electric power applied to the surface protrusion heater 3.

次に、Z軸回転方向(ヨー姿勢)へのステージ回転を実施する場合を考える。図8は、図1のステージ機構によりステージ1のヨー制御を実施するときの、第一層目のヒータ3および第二層目のヒータ4の動作を表わした模式図である。XY方向にアレイ状に配置したヒータ群をX軸方向移動と同様に協調制御することで、Z軸まわりに1ステップあたりΔθの微動回転を実現できる。   Next, consider a case where the stage is rotated in the Z-axis rotation direction (yaw attitude). FIG. 8 is a schematic diagram showing the operation of the first layer heater 3 and the second layer heater 4 when the yaw control of the stage 1 is performed by the stage mechanism of FIG. By performing cooperative control of the heater groups arranged in an array in the XY direction in the same manner as the movement in the X-axis direction, a fine rotation of Δθ per step about the Z-axis can be realized.

以上のように、ベース2の表層にアレイ状に配置したヒータ群を協調制御することで、XYθ方向(θ:Z軸まわり回転)へのステージ移動・回転、Z軸方向への微動位置決め、ピッチ・ロール方向への微動回転位置決めが実現できる。   As described above, coordinated control of the heater groups arranged in an array on the surface of the base 2 allows stage movement / rotation in the XYθ direction (θ: rotation around the Z axis), fine positioning in the Z axis direction, pitch -Fine rotation positioning in the roll direction can be realized.

本発明にかかる第二の実施形態を、図9を用いて説明する。図9は、本発明にかかる第二の実施形態で用いるステージ機構の概略図である。第二の実施形態のステージ機構は、基本的な構成は第一の実施形態で示したステージ機構と同様であるが、第一層目のヒータ3を配置した箇所のベース2の上に接触パッド13を形成することが特徴である。なお、この接触パッド13の高さは別途ベース上に設けたバンプ5よりも低く設定する。第一層目のヒータ3による表面突出がステージ1に触れた際、ベース2の表面から第一層目のヒータ3までの位置dが小さい場合、第一層目のヒータ3での発生熱がステージ1の表面に逃げてしまい、突出形状が保てなくなる恐れがある。この接触パッド13を第一層目のヒータ3の上に配置することで、ヒータ発生熱がステージ1の表面に逃げるのを防ぐとともに、接触パッド13の表面粗さを最適化することでステージ1の駆動力バラつきを抑制し、1ストロークあたりのステージ1の移動量12(Δd)を一定にする効果が望める。   A second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic view of a stage mechanism used in the second embodiment according to the present invention. The stage mechanism of the second embodiment is basically the same as the stage mechanism shown in the first embodiment, but the contact pad is placed on the base 2 where the first layer heater 3 is disposed. 13 is characteristic. The height of the contact pad 13 is set to be lower than that of the bump 5 separately provided on the base. When the position d from the surface of the base 2 to the first layer heater 3 is small when the surface protrusion by the first layer heater 3 touches the stage 1, the heat generated by the first layer heater 3 is reduced. There is a risk that it will escape to the surface of the stage 1 and the protruding shape cannot be maintained. By disposing the contact pad 13 on the heater 3 of the first layer, the heat generated by the heater is prevented from escaping to the surface of the stage 1 and the surface roughness of the contact pad 13 is optimized. It is possible to suppress the variation in the driving force and to make the movement amount 12 (Δd) of the stage 1 per stroke constant.

本発明を用いると、移動ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムによって、XY方向、ヨー回転方向の3自由度に関する長ストローク駆動、およびZ/ピッチ/ロール方向の微細駆動が可能となる。また本発明の原理を応用することで、同一ベース上に搭載した複数の物体を、同時に別々の方向へ移動させることも可能となり、例えば顕微鏡のステージに応用した場合、顕微鏡の視野内でステージに搭載した個々の細胞を自由に動かして観察するといったことも実現できる可能性がある。   By using the present invention, a compact actuator system composed of a micro heater array incorporated on the surface of a fixed base on which a moving stage is mounted allows a long stroke drive for three degrees of freedom in the XY direction and the yaw rotation direction, and Z / pitch / Fine driving in the roll direction is possible. In addition, by applying the principle of the present invention, it is possible to simultaneously move a plurality of objects mounted on the same base in different directions. For example, when applied to a stage of a microscope, the object is placed on the stage within the field of view of the microscope. There is a possibility that it can be realized to move and observe individual cells.

1 ステージ
2 ベース
3 第一層目のヒータ(表面突出用ヒータ)
4 第二層目のヒータ(突出移動用ヒータ)
5 バンプ
6 コントローラ
7 D/Aコンバータ
8 第一層目のヒータ用アンプ
9 第二層目のヒータ用アンプ
10 ステージ位置・姿勢検出用センサ
11 第一層目のヒータによる熱変形突出
12 ステージ移動量
13 接触パッド
1 Stage 2 Base 3 1st layer heater (heater for surface protrusion)
4 Second layer heater (protruding movement heater)
5 Bump 6 Controller 7 D / A converter 8 First layer heater amplifier 9 Second layer heater amplifier 10 Stage position / orientation detection sensor 11 Thermal deformation protrusion by first layer heater 12 Stage movement amount 13 Contact pad

Claims (3)

固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構において、前記移動ステージに接触する前記固定ベースの表面近傍に、前記固定ベース表面の熱変形突出用の第一層目のヒータをXY方向にアレイ状に複数配置し、更に前記固定ベース表面から深いところに、前記第一層目のヒータの前後左右を挟み込むように第二層目のヒータをXY方向にアレイ状に複数配置し、前記第二層目のヒータが、前記第一層目のヒータによる熱変形突出部をXY方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをXYθ方向に駆動するよう構成されていることを特徴とするステージ機構。   In a stage mechanism in which a moving stage is mounted on a fixed base, a first layer heater for protruding heat deformation on the surface of the fixed base is arranged in an XY direction in the vicinity of the surface of the fixed base that contacts the moving stage. A plurality of second layer heaters are arranged in an array in the XY direction so as to sandwich the front, rear, left and right of the first layer heater deeply from the surface of the fixed base, and the second layer The heater is configured to move in the XY direction the thermal deformation protrusion by the first layer heater and to drive the moving stage in contact with the thermal deformation protrusion in the XYθ direction. Stage mechanism. 請求項1記載のステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、
前記第一層目のヒータのうち、離間し平行な少なくとも二列の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部をXまたはY方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをXまたはY方向に移動する第一工程と、
前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、離間し平行な少なくとも二列の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをOFFにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部をXまたはY方向に移動する第二工程とを有し、
前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを
特徴とするステージ機構の駆動方法。
A stage mechanism driving method for driving the stage mechanism according to claim 1,
Among the first layer heaters, at least two rows of first group heaters that are spaced apart and parallel to each other are driven, and the moving stage is lifted by the thermal deformation protrusions, Driving the first-layer second layer heater sandwiching the first-layer heater of the group, moving the thermal deformation protrusion in the X or Y direction, and contacting the moving stage in contact with the heat deformation protrusion A first step of moving in the X or Y direction;
Driving at least two rows of the second group of first group heaters, which are different from the first group of first layer heaters, in contact with each other, bringing the thermal deformation protrusions into contact with the moving stage, Turn off the first layer heater of the first group, and then drive the second group of second layer heaters sandwiching the second group of first layer heaters, A second step of moving the thermal deformation protrusion by the first layer heater in the X or Y direction,
A method for driving a stage mechanism, wherein the first step and the second step are repeated.
請求項1記載のステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、
前記第一層目のヒータのうち、一直線上にない少なくとも3ヶ所以上の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第一工程と、
前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、一直線上にない少なくとも3ヶ所以上の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをOFFにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第二工程とを有し、
前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを
特徴とするステージ機構の駆動方法。
A stage mechanism driving method for driving the stage mechanism according to claim 1,
Among the heaters of the first layer, drive at least three first layer heaters of the first group that are not in a straight line, lift the moving stage by the thermal deformation protrusions, Driving a first group of second layer heaters sandwiching a group of first layer heaters, and moving the thermal deformation protrusion in a rotational direction around a central axis of the moving stage;
Different from the first-layer heater of the first group, at least three or more second-layer first-layer heaters that are not in a straight line are driven, and the thermal deformation protrusions are brought into contact with the moving stage. The first group heater of the first group is turned off, and then the second group heater of the second group sandwiching the first group heater of the second group is driven, and the second group of heaters is driven. A second step of moving the thermal deformation protrusion by the heater of the first layer in the rotational direction around the central axis of the moving stage,
A method for driving a stage mechanism, wherein the first step and the second step are repeated.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017155560A1 (en) * 2016-03-10 2017-09-14 Tokitae Llc Thermal expansion actuators, microscopes including the same, and related methods

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