JP3044294B2

JP3044294B2 - 三次元微動台

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Publication number: JP3044294B2
Application number: JP9195857A
Authority: JP
Inventors: 吉久谷村; 聡権太; 富蔵黒沢
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2000-05-22
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH1138164A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、直交するＸ−Ｙ
−Ｚ３軸方向のそれぞれに変位可能な三次元微動台に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の三次元微動台を実現する最も一般
的な構成方法は、（ａ）１軸ごとに変位する微動台を単純にＸ／Ｙ／Ｚに
積み重ねる方法である。また、材料の弾性変形によるば
ね機能を利用した三次元微動台を実現する構成方法とし
ては、次の２つの方法（ｂ）（ｃ）がある。（ｂ）各軸の微動機能を単純にＸ／Ｙ／Ｚに積み重ねつ
つ、一体構造型とする方法（文献名：尾坂、津田、「精
密移動台のナノメートル精度真直度特性」、精密工学会
誌、Vol.61,No.2(1995)）。（ｃ）一枚の基板で作られたＸ／Ｙの二次元微動台の上
にＺ軸の微動台を付加して組み立てる方法（文献名：
西村、「小型Ｘ−Ｙステージの開発」、昭和６１年度精
密工学会春季大会学術講演会論文集（講演番号２１
０）、 63/64(1986)。西村、「小型Ｘ−Ｙステージの
開発（３軸の場合）」、昭和６２年度精密工学会春季大
会学術講演会論文集（講演番号Ｆ３１）、491/492(198
7)。畑村、小野、長澤、村山、「平行平板・放射平板
構造を用いた多軸微細位置決め機構」、昭和６２年度精
密工学会春季大会学術講演会論文集（講演番号Ｆ３
３）、495/496(1987)。初澤、豊田、谷村、「マイク
ロパターン絶対測長装置の開発」、計測自動制御学会論
文集、Vol.26,No.9,983/988(1990)）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の三
次元微動台のうち、（ａ）や（ｂ）の方法で三次元微動
台を構成すると、必然的に背丈の高い構造の微動台とな
り、微妙な動きを不安定な状態で行わざるを得ない、と
いう欠点がある。また微動運動させる場合、駆動軸が互
いに空間で離れた位置に配置されるため、予期しないモ
ーメントが構造上作用し、互いの微動台の運動の干渉も
生じやすくなるという欠点がある。

【０００４】一方、（ｃ）の構成方法では、平面的に直
交するＸ／Ｙの二次元微動台を一枚の基板に製作するの
で、背丈を低く押さえることはできるが、剛性を得るた
め面積を大きく取った構造となりやすく、コンパクトな
微動台にまとめることができないという欠点がある。ま
た、Ｘ／Ｙの二次元微動台の板ばねの変位方向は直交し
ているが、変位面が互いに直交した配置となっていな
い。

【０００５】この発明は上記従来の三次元微動台の欠点
であるところの、イ）全体構造が完全対称形でない、
ロ）駆動軸が空間で離れている、ハ）構造上、全体がコ
ンパクトにならない、ニ）各軸の板ばねの変位方向は直
交しているが、変位面が互いに直交した対称形の配置構
造となっていない、などの欠点を全て解決した完全対称
形で一体構造型の三次元微動台を提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の三次元微動台は、直交するＸ−Ｙ−Ｚ３
軸方向のそれぞれに変位可能な三次元微動台において、
立方体ブロックを母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の立方体ブロックとは間隙を保
持すると共に、Ｚ軸方向に対して面が直交する弾性部材
を介しその外殻状立方体ブロックに支持されてＺ軸方向
に変位可能となる第１変位体と、上記第１変位体を母体
としてその内部に同心上にかつ立方状に画成され、外殻
状の第１変位体とは間隙を保持すると共に、Ｙ軸方向に
対して面が直交する弾性部材を介しその外殻状第１変位
体に支持されてＹ軸方向に変位可能となる第２変位体
と、上記第２変位体を母体としてその内部に同心上にか
つ立方状に画成され、外殻状の第２変位体とは間隙を保
持すると共に、Ｘ軸方向に対して面が直交する弾性部材
を介しその外殻状第２変位体に支持されてＸ軸方向に変
位可能となる第３変位体と、を有している。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明の三次元
微動台の外観を示す斜視図、図２は断面図作成の際の切
断面を示す図、図３は図２の切断面Ａ，Ｂ，Ｃで切断し
たときの各々の切り口に現れる構造を示す図、図４は三
次元微動台の分解斜視図である。これらの図において、
この発明の三次元微動台１００は、立方体ブロック１の
内奥に向けて順次、第１変位体６、第２変位体５、およ
び第３変位体４を形成して成るものである。

【０００８】上記の立方体ブロック１は、例えば導電性
弾性材料から成っており、その直交する３面ａ，ｂ，ｃ
には、先ずドリル加工により、他部品取付のためのねじ
下穴が開けられ、またワイヤーカット加工のための貫通
穴２…が４箇所ずつ、合計１２個開けられる。貫通孔２
…は、例えばｃ面ではその各周辺中央から１０ｍｍ入っ
た位置で、ｂ面ではその各周辺中央から２０ｍｍ入った
位置で、ａ面ではその各周辺中央から３０ｍｍ入った位
置で、それぞれドリルによりその各面に垂直に掘り進む
ことにより、そのまま対向面まで貫通して開けられる。

【０００９】また、ａ、ｂ、ｃ面およびその対向する各
面は、形削り加工で所定形状に彫り込まれ、不要な部分
が除去される。例えば、ｃ面とその対向面とには、その
各周辺から２０ｍｍ入った位置に深さ２０ｍｍの凹部が
設けられ、またｂ面とその対向面とには、その各周辺か
ら２０ｍｍ入った位置に深さ１０ｍｍの凹部と、各周辺
から３０ｍｍ入った位置に深さ３０ｍｍの凹部とが段状
に設けられる。さらに、ａ面とその対向面とには、その
各周辺から１０ｍｍ入った位置に深さ１０ｍｍの凹部
と、各周辺から３０ｍｍ入った位置に深さ２０ｍｍの凹
部とが段状に設けられる。

【００１０】そして、上記の貫通穴２…にワイヤが通さ
れ、放電ワイヤカット加工が行われる。すなわち、貫通
穴２からその貫通穴２に対応する周辺に対して平行とな
るように削り進むことにより、ａ、ｂ、ｃ各面につい
て、２本ずつの直線溝７，７とコ字形溝８，８とがそれ
ぞれ対向して、立方体ブロック１を貫通して設けられ
る。

【００１１】各面ａ、ｂ、ｃの直線溝７，７とコ字形溝
８，８とは正面視略正方形を成しているが、コ字形溝
８，８は、その折り曲がり部分８ａ，８ａが、一組の直
線溝７，７間の内側に位置している。このため、直線溝
７の一端部分７ａと、コ字形溝８の折り曲がり部分８ａ
との間には、立方体ブロック１の素材がそのまま薄板状
に残存し、その薄板３ａ…、３ｂ…、３ｃ…は長さ方向
の両端が固定され、かつ厚さ方向には少なくともワイヤ
の線径で空隙が形成され、したがって、その弾性により
板ばね３ａ…、３ｂ…、３ｃ…を構成することとなる。

【００１２】上記手順での放電ワイヤカット加工の結
果、立方体ブロック１には、その立方体ブロック１を母
体として内部に同心上にかつ立方状に、図４に示すよう
な第１変位体６が画成される。この第１変位体６の画成
により、立方体ブロック１は外殻状となり、第１変位体
６は、その外殻状の立方体ブロック１とは間隙を保持す
ると共に、板ばね３ａ…を介しその外殻状の立方体ブロ
ック１に支持される。そして、板ばね３ａ…は、その板
面がＺ軸方向（ｃ面に平行な方向）に対して直交してお
り、第１変位体６をＺ軸方向にのみ変位可能とする。

【００１３】また、第１変位体６には、その第１変位体
６を母体として内部に同心上にかつ立方状に、第２変位
体５が画成される。この第２変位体５の画成により、第
１変位体６は外殻状となり、第２変位体５は、その外殻
状の第１変位体６とは間隙を保持すると共に、板ばね３
ｂ…を介しその外殻状の第１変位体６に支持される。そ
して、板ばね３ｂ…は、その板面がＹ軸方向（ｂ面に平
行な方向）に対して直交しており、第２変位体５をＹ軸
方向にのみ変位可能とする。

【００１４】さらに、第２変位体５には、その第２変位
体５を母体として内部に同心上にかつ立方状に、第３変
位体４が画成される。この第３変位体４の画成により、
第２変位体５は外殻状となり、第３変位体４は、その外
殻状の第２変位体５とは間隙を保持すると共に、板ばね
３ｃ…を介しその外殻状の第２変位体５に支持される。
そして、板ばね３ｃ…は、その板面がＸ軸方向（ａ面に
平行な方向）に対して直交しており、第３変位体４をＸ
軸方向にのみ変位可能とする。

【００１５】図４に示すように、板ばね３ａ…は、第１
変位体６の対向する２つの面６１，６２の各隅部に設け
られ、対向面側の板ばねとは板面同士が平行となって組
を成し、全体で４組の平行板ばね機構を構成している。
板ばね３ｂ…，３ｃ…についても同様に、それぞれ４組
の平行板ばね機構を構成している。

【００１６】上記構成の結果、立方体ブロック１の中央
に位置する第３変位体４は、図５にモデル化して示すよ
うに、８枚の板ばね３ｃ…を介して、この第３変位体４
を包んでいる第２変位体５側に支えられ、Ｘ軸方向の外
力Ｆｘを加えると、その８枚の板ばね３ｃ…が、図６に
示すようにそれぞれ変曲点Ｍを対称に変形して撓み、Ｘ
軸方向に距離δだけ直進微動し、Ｘ軸微動体として機能
する。

【００１７】同様に、第２変位体５は、８枚の板ばね３
ｂ…を介して、この第２変位体５を包んでいる第１変位
体６側に支えられ、Ｙ軸方向の外力Ｆｙを加えると、そ
の８枚の板ばね３ｂ…はそれぞれ撓んで、Ｙ軸方向に直
進微動し、Ｙ軸微動体として機能する。

【００１８】また、第１変位体６は、８枚の板ばね３ａ
…を介して、この第１変位体６を包んでいる立方体ブロ
ック１側に支えられ、Ｚ軸方向の外力Ｆｚを加えると、
その８枚の板ばね３ａ…がそれぞれ撓んで、Ｚ軸方向に
直進微動し、Ｚ軸微動体として機能する。そして、固定
体としての立方体ブロック１から見ると、中央の第３変
位体４は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向に微動可能となる。

【００１９】各変位体６，５，４の直進微動範囲は板ば
ね３ａ…，３ｂ…，３ｃ…の厚みによって大きく左右さ
れるが、用いる材料の弾性係数や放電ワイヤカットの加
工能力との兼ね合いから、板ばね３ａ…，３ｂ…，３ｃ
…の厚みは数十μｍ〜１ｍｍの範囲を目安に製作され
る。また、各板ばね３ａ…，３ｂ…，３ｃ…の幅と長さ
は、ほぼ正方形に設計・製作されている。

【００２０】ここで、上記構成の三次元微動台１００と
従来の三次元微動台との比較を行う。

【００２１】従来の三次元微動台は、単に二次元微動台
に残りの一軸を付加して三次元微動台としているため、
全体の機能として均衡のとれた運動機能を発揮させるこ
とができない。すなわち、図１１のように一軸ごとに微
動台を積み重ねるにしろ、図１２のように直交した平面
的な構成とするにしろ、Ｘ／Ｙの二次元微動台の板ばね
の変位面は同一方向を向いた構造である。したがって、
Ｘ軸に力を加え微動させた場合、応力の伝搬で他のＹ軸
の板ばねも変形し易い状態となる。そのため、直交する
Ｘ軸とＹ軸の運動の独立性には限界がある。

【００２２】これに対し、本発明の場合、図１に示す通
り、全体がコンパクトな立方体ブロック１の直交する三
面ａ，ｂ，ｃについて板ばね機構を実現していることか
ら、各変位体４，５，６の板ばねの配置方向のみを強調
して示した図７のような模式図が画ける。すなわち、必
然的に各変位体４，５，６の板ばねの配置は、その変位
方向１６ばかりでなく変位面１７も互いに直交する配置
で製作される。この配置構造で、例えばＸ軸方向に外力
を加え、板ばねを変形させても、Ｘ軸の直進微動運動は
Ｙ軸やＺ軸の微動運動に影響をほとんど与えず、互いの
運動の独立性を保つことができる。微動運動の同様の独
立性は完全対称形の構造であることから、Ｙ軸やＺ軸方
向の直進微動運動においても保つことができる。

【００２３】さらに本発明の三次元微動台１００は、図
１に示す通り、立方体ブロック１に基づく完全な対称形
であることから、各軸に与える駆動力を相互に直交さ
せ、空間の一点で交差させることができる、という特長
がある。従って、各軸を微動させる駆動力によってモー
メントが発生したり、それによって三次元微動台１００
が回転／変形すると言う悪影響は極力抑えられる。この
特長は、従来の単純に微動台を積み上げた図１１のよう
な積み上げ型の三次元微動台では構造上不可能で、実現
できなかったことである。

【００２４】上記の三次元微動台１００の具体的な適用
例の主なものを大きく分けると、次の図８，図９，図１
０に示す三つがあげられる。

【００２５】図８は測定対象物の微動台として用いた場
合を示す図である。この適用例では、各種の顕微鏡１２
の下で測定対象物１０をサブナノメートルの安定性で操
作または測定したい場合の三次元微動台１１として用い
ている。測定対象物１０、例えばリソグラフィー技術で
加工した表面に微細形状をもつ三次元パターンの試料
を、本発明による三次元微動台１０１に載せ、ＳＥＭや
ＳＴＭなどの顕微鏡１２を位置決めセンサとして用いる
ことで、測定対象物１０のＸ／Ｙ／Ｚ軸方向の寸法測定
を行うことができる。すなわち、三次元微動台１０１の
Ｘ／Ｙ／Ｚ軸のそれぞれの変位体の一側面にピエゾアク
チュエータＸａ，Ｙａ，Ｚａを駆動装置として取り付
け、また各軸の微動量を、高分解能レーザ干渉測長器Ｘ
ｄ，Ｙｄ，Ｚｄと反射鏡Ｘｍ，Ｙｍ，ＺｍとをＸ／Ｙ／
Ｚ軸の動きと一致する方向にそれぞれ配置する。ピエゾ
アクチュエータＸａ，Ｙａ，Ｚａの駆動に応じて各変位
体が微動しそれに応じて測定対象物１０も微動するの
で、その測定対象物１０の各軸方向での微動量は高分解
能レーザ干渉測長器Ｘｄ，Ｙｄ，Ｚｄで測定可能とな
る。

【００２６】図９は三軸微動刃物台として用いた場合を
示す図である。本発明による三次元微動台１０２のＸ／
Ｙ／Ｚ軸のそれぞれの変位体の一側面に、コンピュータ
制御された減速機付パルスモータ及びピエゾアクチュエ
ータＸｐ、Ｙｐ、Ｚｐの駆動装置を取り付け、さらにＸ
軸の駆動方向と合致させてダイヤモンドバイトなどの刃
物１３を取り付ける。この刃物１３には、Ｙ／Ｚ方向の
粗動台１５の一側面にセッティングされた試料１４の試
料表面１４０が臨んでいる。減速機付パルスモータ及び
ピエゾアクチュエータＸｐ、Ｙｐ、Ｚｐの駆動に応じて
各変位体が微動するとそれに応じて刃物１３も微動する
ので、試料表面１４０に三次元の微細形状を加工するこ
とができる。

【００２７】図１０は振動や加速度を検出する場合の三
次元センサの本体機構部として用いた場合を示す図であ
る。本発明の三次元微動台１０３を利用すれば、Ｘ／Ｙ
／Ｚの３軸の交点である空間の１点の振動や加速度を３
方向に検出できるという特長が発揮できる。Ｘ／Ｙ／Ｚ
軸方向の振動や加速度の検出に、例えばコンデンサータ
イプの検出器Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃを、測定対象としたい変
位体の両側で相対的に固定体の働きをする各変位体の対
向する２つの面に取り付け、差動式コンデンサーとして
利用すれば、感度を２倍にできると同時に、安定度を高
めることができる。例えば、Ｘ軸の変位体の振動や加速
度を検出する場合には、Ｙ軸の変位体の対向する２つの
面に固定極として取り付け、Ｘ軸の変位体が微動すると
きのコンデンサ容量の変化を検出し、その検出結果から
振動や加速度を検出する。そのほか、検出手段としてそ
れぞれの軸方向に独立の差動式レーザ干渉計を配置して
振動や加速度を検出することもできる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の三次元
微動台によれば、立方体ブロックを母体としてその内部
に完全に対称形となる変位体を構築したので、全体をコ
ンパクトに構成できる。

【００２９】また、各変位体を、各軸方向に対して面が
直交する弾性部材を介して支持するようにしたので、例
えばＸ軸方向に外力を加え、弾性部材を変形させても、
Ｘ軸の直進微動運動はＹ軸やＺ軸の微動運動に影響をほ
とんど与えず、互いの直進微動運動の独立性を保つこと
ができる。したがって、ＳＥＭ、ＳＴＭ、触針式表面粗
さ測定器、各種光学顕微鏡などにおいて載物台として用
いたとき、測定対象物をサブナノメートルの分解能と安
定性で数μｍから１００μｍの範囲で調整、操作または
測定することができる。また、三次元微動刃物台として
用いたとき、表面への微細な幾何学的三次元形状を加工
することも可能となる。

【００３０】さらに、各軸に与える駆動力を相互に直交
させ、空間の一点で交差させることができるので、各軸
を微動させる駆動力によってモーメントが発生したり、
それによって回転／変形すると言う悪影響は極力抑える
ことができる。また、空間の一点での振動や加速度を検
出する場合の三次元センシング本体機構部としても、広
く利用・応用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の三次元微動台の外観を示す斜視図で
ある。

【図２】断面図作成の際の切断面を示す図である。

【図３】図２の切断面Ａ，Ｂ，Ｃで切断したときの各々
の切り口に現れる構造を示す図である。

【図４】三次元微動台の分解斜視図である。

【図５】図１に示す本発明の三次元微動台において、Ｘ
軸微動台を支える８枚の板ばねの位置と構造をモデル化
して示す図である。

【図６】図５に示すＸ軸微動台に外力Ｆｘを与えたと
き、１枚の板ばねが変曲点Ｍを対称に変形し微動する状
態を示す図である。

【図７】図１に示す本発明の三次元微動台の板ばねの変
位方向と変位面の位置関係を強調して示した模式図であ
る。

【図８】三次元微動台の具体的な適用例で、測定対象物
の微動台として用いた場合を示す図である。

【図９】三次元微動台の具体的な適用例で、三軸微動刃
物台として用いた場合を示す図である。

【図１０】三次元微動台の具体的な適用例で、振動や加
速度を検出する場合の三次元センサの本体機構部として
用いた場合を示す図である。

【図１１】従来の積み上げ型構成の三次元微動台を示す
図である。

【図１２】従来の平面型構成の三次元微動台を示す図で
ある。

【符号の説明】

１立方体ブロック２貫通穴３ａ，３ｂ，３ｃ板ばね４第１変位体（Ｚ軸微動体）５第２変位体（Ｙ軸微動体）６第３変位体（Ｘ軸微動体）７直線溝７ａ直線溝の一端部分８コ字形溝８ａコ字形溝の折り曲がり部分１０測定対象物１２顕微鏡１３刃物１４試料１５粗動台１００，１０１，１０２，１０３三次元微動台１４０試料表面Ｘａ，Ｘｂ，ＸｃピエゾアクチュエータＸｄ，Ｙｄ，Ｚｄ高分解能レーザ干渉測長器Ｘｍ，Ｙｍ，Ｚｍ反射鏡Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ減速機付パルスモータ及びピエゾア
クチュエータＸｃ，Ｙｃ，Ｚｃコンデンサータイプの検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−128467（ＪＰ，Ａ) 特開平５−307092（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−217290（ＪＰ，Ａ) 実開昭63−105336（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G12B 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直交するＸ−Ｙ−Ｚ３軸方向のそれぞれ
に変位可能な三次元微動台において、立方体ブロックを母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の立方体ブロックとは間隙を保
持すると共に、Ｚ軸方向に対して面が直交する弾性部材
を介しその外殻状立方体ブロックに支持されてＺ軸方向
に変位可能となる第１変位体と、上記第１変位体を母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の第１変位体とは間隙を保持す
ると共に、Ｙ軸方向に対して面が直交する弾性部材を介
しその外殻状第１変位体に支持されてＹ軸方向に変位可
能となる第２変位体と、上記第２変位体を母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の第２変位体とは間隙を保持す
ると共に、Ｘ軸方向に対して面が直交する弾性部材を介
しその外殻状第２変位体に支持されてＸ軸方向に変位可
能となる第３変位体と、を有することを特徴とする三次元微動台。
【請求項２】上記弾性部材は板ばねであって、各変位
体の変位可能方向に直交し互いに対向する当該変位体の
２つの面の各隅部に設けられ、対向面側の板ばねとは板
面同士が平行となって、全体で４組の平行板ばね機構を
構成している、ことを特徴とする請求項１に記載の三次元微動台。
【請求項３】上記立方体ブロックの直交する３面の所
定箇所に貫通穴を穿設し、上記貫通孔にワイヤを通し放電ワイヤカット加工を施す
ことにより、上記３面の各々に、１組の対向する直線状
溝と１組の対向するコ字状溝とをそれぞれ貫通させて形
成し、上記コ字状溝は、その折り曲がり部分が互いに対向して
いる直線状溝間の内側に位置するようにし、上記直線状溝の一端部分と、上記コ字状溝の折り曲がり
部分との間の介在体で上記弾性部材を構成するようにし
た、ことを特徴とする請求項１または２に記載の三次元微動
台。
【請求項４】上記立方体ブロックは導電性弾性材料か
ら成る、ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の三
次元微動台。