JP2014502343A - ナノポジショナーのための平行度維持装置 - Google Patents

Abstract

平行度を維持するための機械装置は，第１，第２，第３，および，第４のバーを含む。第１のバーの第１の側面と第２のバーの第１の側面とが第１の屈曲部によって架橋され，第１の屈曲部は，第１のバーの下面と第２のバーの上面との間に隙間を設け，第２のバーの第２の側面と第３のバーの第２の側面とが第２の屈曲部によって架橋され，第２の屈曲部は，第２のバーの下面と第３のバーの上面との間に隙間を設け，第３のバーの第１の側面と第４のバーの第１の側面とが第３の屈曲部によって架橋され，第３の屈曲部は，第３のバーの下面と第４のバーの上面との間に隙間を設ける。

Description

関連出願の相互参照
本願は，その内容が参照により本願に組み入れられる２０１０年１０月２１日に出願された米国特許出願第６１／４０５，３９１号明細書の利益を主張する。

本発明は，一実施形態では，ナノ位置決めステージなどの並進装置の上面と下面との間の平行度を維持するための固有の機械的装置に関する。重要な態様は，非対称作動の用途の場合であっても，移動領域と固定領域との間で平行度が維持されることである。そのような固有の平行維持装置は，複雑な複数の作動および位置フィードバック要素の必要性を排除する。

ナノ位置決め装置またはステージは，ナノメートル範囲で優れた位置決め精度および再現性を必要とする装置である。また，ナノ位置決め装置またはステージは，一般に，位置を正確に決定するための自動モードまたはプログラマブルモードで使用されるように，類似のナノメートル分解能を有するフィードバックセンサおよびアクチュエータも配置する。アクチュエータおよびフィードバックセンサは，しばしば，位置安定性に影響を及ぼす機械的な横滑りおよび他の現象を補填することにより正確な位置を維持するために，制御ループを使用して閉じられる。位置されているサンプルまたは装置が微視的な長さまたは面積（サンプルまたは装置に対して垂直な動作軸に沿う移動範囲と比べて微視的）にわたって及ぶ場合には，しばしば，サンプルまたは装置が移動軸に沿って並進されるときにサンプルまたは装置が固定領域基準面と平行に微視的に保持されることも要件である。説明される発明の目的は，固有の機械的手段によって移動大面積プラットフォーム（例えば，サンプルまたは装置を保持するもの）が微視的に平行に維持されるようにすることである。これは，説明される発明の多種多様な使用の一実施形態である。

この目的のため，概念的レベルでは，２つの平面，すなわち，基準固定平面および移動平面が必要である。移動平面は，並進する際に基準と平行であることが必要とされる。これを達成するための従来の解決策は，基準平面と固定平面との間に配置される複数のアクチュエータを配備する。各アクチュエータは，ストロークを検出するためのそれ自体のセンサを有する。アクチュエータとセンサとの複数の対を有することにより，多くの場合に各アクチュエータ／センサの組み合わせに関してクローズドループ制御を伴うマルチチャネル制御システムを使用して平行度を維持することができる。しかしながら，コストおよび制御の複雑さの観点から，これらのシステムにおいては，固有の態様で平行度を維持するのに１つのセンサと共に１つのアクチュエータだけが必要であれば好ましい。

これは，アクチュエータと位置センサの更なる対を本明細書中に記載される本発明の一実施形態の主題である平行維持装置（ＰＣＭ）に置き換えることによって可能である。ＰＣＭ１２０は，図６または図７に示される１００ａ，１００ｂの例のように，基準ベースプレート１３０（平面）とトッププレート１１０（平面）の間に配置される。ベースプレート１３０とトッププレート１１０との間の傾斜角または起こり得る平行度の不足は，これらのプレート間に取り付けられるＰＣＭ１２０によって補填される。４つのＰＣＭ１２０と上側／下側プレート１１０，１３０とを備える図７に示される構造１００ｂは側方へ全く移動せず，唯一の自由度は一軸の並進（Ｚ軸）に限られる。この概念は，付随的側方移動を何ら伴うことなく，ベースプレートと移動プレートとの間で高精度な平行度をもって，非常に正確な移動をＺ軸で達成することが操作で絶対に不可欠であるＺ軸顕微鏡ステージに特に適用できる。顕微鏡Ｚステージは単なる一例にすぎない。ＰＣＭと複数のＰＣＭを任意の組み合わせで備える構造とを，前述した平行度が必要な任意の用途で使用できる。

本開示の平行度維持装置（ＰＣＭ）は，必要とされるアクチュエータ／センサの数を減少させる。理論的に，特定数のＰＣＭを用いてシステムを構成することにより，基準平面と移動平面との間に平行度を有するシステムを達成するために１つのアクチュエータおよび１つの位置決めセンサだけが必要である。使用されるセンサは，静電容量センサ，歪みゲージセンサ，または，ナノメートル範囲の動きを検出できる任意な他のタイプのセンサであってもよい。アクチュエータは圧電タイプであり得ることが好ましいが，センサと同じ分解能範囲の動きを与えることができる任意な他のタイプのアクチュエータを使用できる。

そのようなシステムのためにＰＣＭを使用すると，システム剛性を調整する選択肢も与えられ，したがって，アクチュエータの設計を変更することなく固有振動数が変えられる。より多くのＰＣＭを加え，或いは，既に使用されたＰＣＭの剛性を高めると，組み合わされるアセンブリの固有振動数を上げることができる。

図１に示される一実施形態では，平行度を維持するための機械装置１２０が提供されている。機械装置１２０は，第１のバー１２２，第２のバー１２４，第３のバー１２６，および，第４のバー１２８を含むことが好ましく，各バーは，上面，下面，第１の側面，および，第２の側面を有し，第１のバー１２２の上面が装置１２０の上面を形成し，第４のバー１２８の下面が装置の下面を形成し，第１のバーの第１の側面と第２のバーの第１の側面とが第１の屈曲部１２３によって架橋され，第１の屈曲部１２３は，第１のバー１２２の下面と第２のバー１２４の上面との間に隙間を設け，第２のバー１２４の第２の側面と第３のバー１２６の第２の側面とが第２の屈曲部１２５によって架橋され，第２の屈曲部１２５は，第２のバー１２４の下面と第３のバー１２６の上面との間に隙間を設け，第３のバー１２６の第１の側面と第４のバー１２８の第１の側面とが第３の屈曲部１２７によって架橋され，第３の屈曲部１２７は，第３のバー１２６の下面と第４のバー１２８の上面との間に隙間を設ける。

装置は，押圧力を直接受けるポイントにかかわらず，装置自体の全長にわたって，異なるポイント間で平行度を維持することができる。装置１２０の簡単な図を図１で見ることができる。本図はモノリシックタイプの構造１２０を示すが，用途の要件に応じて，装置を異なる構成要素から異なるサイズで形成することができる。装置は，選択される材料が使用される際の用途に応じた要求を満たすことができる限り，任意の材料または複合材料から製造することができる。

ＰＣＭの一実施形態の斜視図である。

ＰＣＭの一実施形態の正面図（同様に断面）を示し，また，押圧力Ｆが印加されるときにＰＣＭが撓む態様を示している。 ＰＣＭの一実施形態の側面図を示し，また，押圧力Ｆが印加されるときにＰＣＭが撓む態様を示している。

ＰＣＭの特徴的な寸法を示す一実施形態の正面図を示している。 ＰＣＭの特徴的な寸法を示す一実施形態の側面図を示している。

ＰＣＭ断面の等価な運動学的表示の一実施形態を表している。 ＰＣＭ断面の等価な運動学的表示の一実施形態を表している。

ステンレス鋼屈曲を伴うアセンブリとしてのＰＣＭの構造例の一実施形態を示している。

２つのプレートが２つのＰＣＭにより平行に維持される一例の一実施形態を示している。

２つのプレートが４つのＰＣＭにより平行に維持される一実施形態の一例を示している。

２つのプレートが４つのＰＣＭにより平行に維持される一特定の実施形態を示す圧電作動されるＺ屈曲顕微鏡ステージの分解図を示している。

本発明の一実施形態に係るＴ形状設計の一例の等角図を示している。

本発明の一実施形態に係るＴ形状設計の一例の正投影図を示している。 本発明の一実施形態に係るＴ形状設計の一例の正投影図を示している。 本発明の一実施形態に係るＴ形状設計の一例の正投影図を示している。

本発明の原理にしたがった例示的な実施形態の説明は，添付図面と関連して読み取られるように意図されており，添付図面は記載された説明全体の一部と見なされるべきである。本明細書中に開示される本発明の実施形態の説明では，方向または配向へのいかなる言及も，単に説明の便宜のためのものであり，決して本発明の範囲を限定しようとするものではない。「下側」，「上側」，「水平」，「垂直」，「上側」，「下側」，「上方」，「下方」，「上端」，「下端」，および，その派生語（例えば，「水平に」，「下方に」，「上方に」など）などの相対的な用語は，そのときに説明中の図面に記載され又は示される方向を示すものであると解釈されるべきである。これらの相対的な用語は，説明の便宜上のためのものにすぎず，明確な示唆がされなければ，機器が特定の方向で構成され或いは操作されることを強いるものではない。「取り付けられ」，「付設され」，「接続され」，「結合され」，「相互接続され」などの用語，および，類似の用語は，他に明確な記載がなければ，構造体が，直接的にまたは介在する構造体を介して間接的に，相互に固定され或いは取り付けられる関係，および，移動可能な或いは固定した取り付け或いは関係の両方を示す。また，本発明の特徴および利点は，典型的に示される実施形態を参照することにより示される。したがって，本発明は明らかに，単独で或いは他の特徴との組み合わせで存在し得る幾つかの想定し得る非限定的な特徴の組み合わせを示す模範的な実施形態に限定されるべきでない。本発明の範囲は本明細書に添付された特許請求の範囲によって規定される。

本開示は，最良の形態及び現在考えられる本発明を実施する複数の形態について説明する。この説明は，限定的な意味で理解されることを意図されておらず，本発明の利点および構成を当業者に知らせる添付図面を参照することにより，単なる例示目的で示される本発明の一例を提供する。図面の様々な面において，同様の参照符号は同様の或いは類似の部分を示す。

図示のＰＣＭ装置は，例えばナノ位置決めステージ，または屈曲装置の全長に沿って一様な撓みを必要とする任意な他の用途で使用され得る，屈曲型装置である。ＰＣＭの１つの特徴および利点は，図１に示されるように両方のポイント１２２ａ，１２２ｂにおいてこれらの２つのポイントのうちの一方だけが力Ｆで押圧される場合に同じ撓み値を維持することである。同様に，押圧力が牽引力に置き換えられる場合でも，両方のポイント１２２ａ，１２２ｂで同じ撓み値が等しく維持される。これは，図４Ａおよび図４Ｂの等価な運動学的形態により示される３つの回転ジョイント１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃによって達成される。これらの回転ジョイント１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃは，一実施形態では，ＰＣＭ設計の断面図（図２Ａ）に見られる屈曲により表される。屈曲型構造は，力Ｆが印加されるときにこれらの３つの屈曲部１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃが回転ジョイントのごとく振る舞うようにする。長さＬにわたって屈曲材料の断面を薄くする（図３Ｂ）と，同じ長さにわたって一様な撓みが達成される。

長さＬ（図２Ｂまたは図３Ｂ参照）にわたって１つのアクチュエータとＰＣＭとの対が使用されれば，全ストロークにわたって平行度が満たされ，それにより，複数のアクチュエータとフィードバックセンサとを配置して平行度を制御する必要性が排除される。ＰＣＭの他の利点は，ＰＣＭがその全長にわたって高剛性システムを備えるという点であり，このようにして，固有振動数がより高い値に維持される。前記利点の全てを１つのＰＣＭに関して説明してきた。多数のＰＣＭを使用して，他方のプレートに対して平行な一方の移動プレートの機械的な動きを抑制できる（例えば，図６，７，８の実施形態参照）。

これらを使用される用途の特殊性に応じて構成することができ，また，その構成は，使用されるＰＣＭの数，それらの剛性，および，質量に関して任意の形状およびサイズを有することができる。剛性および質量は，それらの比率によってもたらされる固有振動数を考えると重要である。ＰＣＭを使用するシステムで用いられるアクチュエータは，ナノメートル精度のために圧電性であり得ることが好ましいが，任意の他のタイプのアクチュエータを使用して所望の動きを達成することもできる。

製造に関して，目的がモノリシック構造（図１参照）を有することである場合には，ワイヤエロージョン（ｗｉｒｅ ｅｒｏｓｉｏｎ），型成形，または任意な他の適した製造プロセスなどのプロセスによって，ＰＣＭを形成することができる。さもなければ，図５の場合のように，屈曲部２４０，ネジ２３０から圧縮力の一様な分布を得るための屈曲保持ストリップ２２０，および，屈曲部２４０に接続する主構造要素２１０を使用することによってＰＣＭをアセンブリとして構成することができる。

ＰＣＭ１２０の質量および剛性は，図３Ａの幾何学的パラメータ１２２ｗ，１２２ｈ，１２３ｔを変化させることにより変えることができる。幅１２２ｗを減少させると，質量が減少するとともに，屈曲ジョイントにより受けられる応力および歪みが更に高くなるため，ＰＣＭアセンブリ１２０の剛性（反力）が高まる。幅１２２ｗが更に小さくなるにつれて，得られる同じ撓みにおいて，同じ押圧力Ｆにより与えられるモーメントアームが更に高くなり，したがって，得られる同じ撓みにおけるＰＣＭの反力が更に高くなる。厚さ１２３ｔを大きくすると，ＰＣＭの剛性が高くなるが，更なる質量の付加を伴う。高さ１２２ｈを増大させると，ＰＣＭ剛性が低下し，反力が更に小さくなる。特定のシステム設計にとって望ましい質量および剛性，したがって固有振動数を得るために，これらのパラメータの全てを変えることができる。

一体のアセンブリを成すＰＣＭを配置することに関しては，無限の数の組み合わせが存在する。図６および図７の実施形態１００ａ，１００ｂのそれぞれには２つの例が示される。図６は，力Ｆが中心線ポイントのうちの一方１１０ａまたは１１０ｂに印加されるときに２つのプレート１１０，１３０が２つのＰＣＭ１２０により平行に維持される一例の一実施形態を示している（力が１１０ａに印加されれば，１１０ｂが同じ量だけ撓み，逆もまた同様である）。図７は，ポイント１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ，１１０ｆにより表される角のうちの１つに力Ｆが印加されるときに２つのプレート１１０，１３０が４つのＰＣＭ１２０により平行に維持される一実施形態の一例を示している。図８は，ナノ位置決め顕微鏡Ｚステージの形態を成すアセンブリ３００の特定の実施形態，特に２つのプレートが４つのＰＣＭ３４０により平行に維持されている例を示している。図８に示される例の製品は，上端ケース３１０，圧電増幅アクチュエータ３２０，プリント制御基板（ＰＣＢ）サブアセンブリ３３０，電気パネル３５０，ウェルプレート３６０，ウェルプレートホルダ（移動領域）３７０，ＰＣＢ実装用のスペーサ３８０，および，サンプルウェルプレートクランプシステム３９０を備える。他の単一の多軸ステージおよびアセンブリも想定し得る。多軸システムでは，動作のために必要な自由度を与えるために，複数のＰＣＭ構造体を互いに直交して積み重ねることができると想定される。

ＰＣＭ概念の拡張においては，複合的なマルチＰＣＭアーム構造を想起できる。このように，図６，７，８に示されるような位置決めステージまたはアセンブリ３００の固定プレート３１０と移動プレート３７０との間に固定される複数の別個の直線状のＰＣＭ３４０を使用するのではなく，例えば，複数のアーム４１０，４２０，４３０がそれらの間に角度方向を有する単一の複合的なＰＣＭアセンブリ４００が考慮される。これが，モノリシックＴ形状構造ＰＣＭ４００を示す図９Ａ〜図９Ｄの特定の例に図示されている。Ｌ形状構造およびＨ形状構造などの他の複合的なマルチアームＰＣＭ形態が想起される。なお，そのような複合形態の全てにおいて，各ＰＣＭアームは，単一の直線状のＰＣＭアームアセンブリとしての構成および動作の基本原理を保持する。図９Ａ〜図９Ｄの実施形態では，複合マルチＰＣＭアーム装置が必要な自由度を有するように，中央屈曲支持のために必要な隙間４４０も示されている。この隙間４００は，例えば，一方のＰＣＭの他方のＰＣＭに対する角度方向が存在する任意の複合的なマルチＰＣＭ形態において必要である。

本発明を幾つかの前述した実施形態に関してかなり詳細に説明してきたが，本発明が任意のそのような特定の事項または実施形態または任意の特定の実施形態に限定されるべきことは意図されておらず，本発明は，添付の特許請求の範囲を参照して，従来技術を考慮してそのような特許請求の範囲の最も広い可能な解釈を与えるように，したがって，本発明の意図される範囲を効果的に包含するように解釈されるべきである。また，前述したものは，現在予見されない本発明の実体のない変更が本発明の等価物を表し得るにもかかわらず，本発明者らにより予見される実施形態に関して，実施可能な記述が入手できた本発明を説明する。

Claims (16)

1. 平行度を維持するための機械装置であって，
   第１のバー，第２のバー，第３のバー，および，第４のバーを備え，前記各バーが，上面，下面，第１の側面，および，第２の側面を有し，前記第１のバーの上面が装置の上面を形成し，前記第４のバーの下面が装置の下面を形成し，
   前記第１のバーの第１の側面と前記第２のバーの第１の側面とが第１の屈曲部によって架橋され，前記第１の屈曲部は，前記第１のバーの下面と前記第２のバーの上面との間に隙間を設け，
   前記第２のバーの第２の側面と前記第３のバーの第２の側面とが第２の屈曲部によって架橋され，前記第２の屈曲部は，前記第２のバーの下面と前記第３のバーの上面との間に隙間を設け，
   前記第３のバーの第１の側面と前記第４のバーの第１の側面とが第３の屈曲部によって架橋され，前記第３の屈曲部は，前記第３のバーの下面と前記第４のバーの上面との間に隙間を設ける，
   機械装置。
2. 前記装置の表面動作（ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を検出するためのセンサを更に備える，請求項１に記載の装置。
3. 前記装置の表面位置を調整するためのアクチュエータを更に備える，請求項１に記載の装置。
4. 前記センサが静電容量センサまたは歪みゲージセンサである，請求項２に記載の装置。
5. 前記アクチュエータが圧電アクチュエータである，請求項３に記載の装置。
6. 前記屈曲部と前記バーとが締結手段により接続される，請求項１に記載の装置。
7. 前記装置がモノリシック構造である，請求項１に記載の装置。
8. 前記モノリシック構造がワイヤエロージョン（ｗｉｒｅ ｅｒｏｓｉｏｎ）または型成形により形成される，請求項７に記載の装置。
9. 前記第１，第２，および，第３の屈曲部は，それぞれ架橋された前記第１，第２，第３，および，第４のバーの全長にわたって延びる，請求項１に記載の装置。
10. 第１のプレート，第２のプレート，および，複数の平行度維持装置を備える機械装置であって，
    前記複数の平行度維持装置はそれぞれ，第１のバー，第２のバー，第３のバー，および，第４のバーを備え，前記各バーが，上面，下面，第１の側面，および，第２の側面を有し，前記第１のバーの上面が装置の上面を形成し，前記第４のバーの下面が装置の下面を形成し，
    前記第１のバーの第１の側面と前記第２のバーの第１の側面とが第１の屈曲部によって架橋され，前記第１の屈曲部は，前記第１のバーの下面と前記第２のバーの上面との間に隙間を設け，
    前記第２のバーの第２の側面と前記第３のバーの第２の側面とが第２の屈曲部によって架橋され，前記第２の屈曲部は，前記第２のバーの下面と前記第３のバーの上面との間に隙間を設け，
    前記第３のバーの第１の側面と前記第４のバーの第１の側面とが第３の屈曲部によって架橋され，前記第３の屈曲部は，前記第３のバーの下面と前記第４のバーの上面との間に隙間を設け，
    前記第１のプレート及び前記第２のプレートは，これらのプレート間に位置される前記複数の平行度維持装置によって平行に維持される，
    機械装置。
11. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間の距離を調整するためのアクチュエータを更に備える，請求項１０の機械装置。
12. 前記第１のプレートと前記第２のプレートとの間の相対的な動きを検出してフィードバックを前記アクチュエータへ供給するためのセンサを更に備える，請求項１１に記載の機械装置。
13. 前記アクチュエータが圧電アクチュエータである，請求項１１に記載の機械装置。
14. 前記センサが静電容量センサまたは歪みゲージセンサである，請求項１２に記載の機械装置。
15. 角度をもって接続された複数の平行度維持装置を備える機械装置であって，
    前記複数の平行度維持装置はそれぞれ，第１のバー，第２のバー，第３のバー，および，第４のバーを備え，前記各バーが，上面，下面，第１の側面，および，第２の側面を有し，前記第１のバーの上面が装置の上面を形成し，前記第４のバーの下面が装置の下面を形成し，
    前記第１のバーの第１の側面と前記第２のバーの第１の側面とが第１の屈曲部によって架橋され，前記第１の屈曲部は，前記第１のバーの下面と前記第２のバーの上面との間に隙間を設け，
    前記第２のバーの第２の側面と前記第３のバーの第２の側面とが第２の屈曲部によって架橋され，前記第２の屈曲部は，前記第２のバーの下面と前記第３のバーの上面との間に隙間を設け，
    前記第３のバーの第１の側面と前記第４のバーの第１の側面とが第３の屈曲部によって架橋され，前記第３の屈曲部は，前記第３のバーの下面と前記第４のバーの上面との間に隙間を設ける，
    機械装置。
16. 前記複数の平行度維持装置間のジョイントで前記屈曲部に隙間が存在し，この結果自由度を供給する，請求項１５に記載の機械装置。

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