JP4213690B2 - 超精密位置制御システム - Google Patents

Description

本発明は超精密位置制御システムに係り、より詳細には、Ｚ方向移動、Ｘ軸回転、及びＹ軸回転の３自由度運動をさらに正確に制御できる超精密位置制御システムに関する。

周知の如く、産業現場の各分野で超精密級位置制御技術の重要性はだんだんと増大している。特に、半導体技術の発展は、回路の高集積化を要求した結果、最新のマイクロプロセッサの場合、使われる線幅が０．１８［μｍ］程度であり、この場合、ウェーハを製作するモーションステージに要求される精密度は、線幅の１／１０程度で２０［ｎｍ］の再現性（Ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙ）が要求される。また、サブミクロン級の超精密移送装置の具現は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等の超精密測定分野と情報産業などの産業分野でも活用できるなど、その応用範囲が広範囲である。

リニアモーターを用いるか、サーボモーターとボールスクリューとを利用する一般的な位置制御装置は、比較的長い行程距離を有しているが、バックラッシュなどの構造的な限界によって具現しうる位置精密度に限界がある。また、一般的な位置制御装置では垂直方向の運動を得るためにアクチュエータ自体を垂直方向に配列することによって、システム全体が高まる短所がある。これは高精度を必要とする作業で垂直方向への位置制御に多くの難点を伴う。

一方、“μｍ”以下級に運動する超精密位置制御装置は、非線形的な要因を除去するか、最小化するために摩擦部分がないように設計されねばならない。のみならず、アクチュエータ自体も“μｍ”以下級で容易に駆動され、反復性の高い要素を使用せねばならない。

したがって、一般的に超精密位置制御技術分野では、圧電効果（ｐｉｅｚｏ ｅｆｆｅｃｔ）を用いて位置を制御する技術を使用している。このような圧電効果とは、圧電素子の特殊な結晶に外力を加えて変形させれば、その表面に電圧が発生し、逆に、結晶に電圧を掛けると、変位や力が発生する現象をいう。このような圧電現象を示す素子としては、水晶、電気石、チタン、酸バリウムなどがあり、圧電現象は超精密位置制御技術、電気音響変換器、圧電浄化、超音波加湿器、魚群探知機、超音波診断装置などに応用されている。

このような圧電効果を用いた位置制御システムに関する従来の技術のうち、特許文献１に記載された技術は、図１に示されたような構造を有する。図１において第１移送機構３０、第２移送機構４０、及び第３移送機構５０はＸ方向、Ｙ方向、及びＺ軸に対して回転する方向の動きを作れる。また、第４移送機構６０、第５移送機構７０、及び第６移送機構８０は、圧電素子に電圧を掛けて変形すれば、図２の挺子構造によってＺ方向に動きが発生するようになる。このように圧電素子を用いる６個の移送機構を組合わせると、６個の自由度を有するモーションステージ２０が形成される。

前記モーションステージ２０の場合、比較的単純な形で６個の自由度を有するように製作されたが、それぞれのヒンジ部分が何れも円形により製作され、構造的に１つの移動物体に６個の自由度のヒンジが同時に取り付けられている。

図１及び図２を参照すれば、圧電素子アクチュエータ６１と、第１ヒンジ部材６２と、第２ヒンジ部材６３と、固定ブロック６４と、第３ヒンジ部材６７と、レバー部材６８とは何れもベース１０に対してモーションステージ２０を垂直方向に移動させるＺ軸並進運動だけでなく、Ｘ軸回転運動及びＹ軸回転運動をさせる第１移送機構３０、第２移送機構４０、第３移送機構５０を構成する。一方、第１から第３移送機構３０、４０、５０は、Ｘ軸並進運動、Ｙ軸並進運動、及びＺ軸回転運動を行う第４移送機構６０、第５移送機構７０、及び第６移送機構８０と連動してベース１０に対してモーションステージ２０の６個の自由度による運動を可能ならしめる。

上記の特許文献１は、第１に、円形に細く製作されたヒンジ部分が、撓み変形以外のあらゆる方向に変形が発生して捻れるようになる。したがって、全体システムの剛性及び安定性が非常に落ちる。

第２に、あらゆる圧電素子の終端が同時にモーションステージ２０に固定されているので、それぞれの方向に対する運動が相互影響を受けて（ｃｏｕｐｌｅｄ ｍｏｔｉｏｎ、ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｍｏｔｉｏｎ）精密な駆動が難しい構造である。言い換えれば、特定方向にモーションステージを動かすためには、あらゆるアクチュエータへの入力を同時に計算するか、フィードバック制御を通じて入力を計算せねばならないので、制御し難くなる。

第３に、圧電素子の大きな力を薄いヒンジ部分が直接受けるために、小さい外力でも壊れるか、塑性変形が起こる恐れが大きい。

第４に、図２に示されたレバー構造は、完壁な垂直方向への運動ではなく、ヒンジ６３ａに対して回動されるので、所望しない方向への運動を起こすことになる。最後に、圧電素子の最大膨脹はその長さの０．１［％］程度に過ぎないが、前記メカニズムは変位増幅設計がなされていないために、モーションステージ２０の移動範囲が圧電素子の変形範囲と同一に制限されている。

既存の超精密位置制御システムで使用する弾性ヒンジメカニズムの製作特性上、Ｘ方向並進、Ｙ方向並進、Ｚ軸回転の自由度を有する平面モーションステージの製作は容易であるが、相対的にＺ方向並進、Ｘ軸回転、及びＹ軸回転の自由度を有する平面モーションステージの製作は容易ではない。なぜなら、弾性ヒンジの製作方法は、一般的にワイヤー放電加工（Ｗｉｒｅ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ−Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）であるが、この方法が、平面上の加工でない、３次元的な加工は難しいからである。

また、超精密駆動メカニズムの駆動源として頻繁に使われる積層型圧電素子は、大きな駆動力及び数［ｎｍ］以下の優れた分解能を有するが、変形範囲が全長の約０．１［％］に制限される短所があり、Ｚ方向の駆動が必要な場合にモーションステージが高まる。したがって、全体モーションステージを低めつつ、同時にＺ方向に大きな変位を発生させうる弾性ヒンジメカニズムが要求されている。
韓国特許第３９６，０２０号明細書

本発明は前記問題点を考慮して創案されたものであって、ブリッジ構造を有する弾性ヒンジメカニズムを使用して全体高さを一定範囲（例えば、２５［ｍｍ］）以内に保持しつつ、圧電素子の変形量を機構的に増幅して広い運動範囲を有する位置制御システムを提供することを目的とする。

また、本発明は、Ｚ方向並進、Ｘ方向回転、及びＹ方向回転の自由度に対してさらに精密な制御が可能な位置制御システムを提供することを他の目的とする。

前記目的を達成するために本発明に係る超精密位置制御システムは、中心に向かって等角度で配置され、前記配置された方向と平行した方向に圧電素子を収容する複数のベースユニットによって構成されるベースと、前記ベースユニット各々に対応する位置に備えられて圧電素子の長手方向の変位を前記ベースの底面に垂直な方向の変位に変換する複数のブリッジユニットと、前記変換された変位の関係によって前記垂直方向並進運動、前記垂直方向と直角をなす第１軸に対する回転運動、または前記垂直方向及び前記第１軸と何れも直角をなす第２軸に対する回転運動のうちの少なくとも１つの運動を行うモーションステージと、前記圧電素子を制御する制御手段と、を含むことを特徴とする。

前記ベースユニットは、圧電素子の長手方向に弾性復元力を提供するヒンジバネを備えることが望ましい。

前記ヒンジバネは、前記ベースユニットに直線状貫通スロットと、左右対称形状を有する‘コ’状貫通スロットとの対が長手方向に沿って交互に配置されることによって形成されることが望ましい。

前記ベースユニットは、前記圧電素子に長手方向の変位が発生する時、前記ヒンジバネの作用によって前記圧電素子の長手方向に移動する移動ホールと、前記圧電素子の変位発生に関係なく固定される固定ホールと、を含み、前記移動ホールを通じて前記ブリッジユニットの一方の側と結合され、前記固定ホールを通じて前記ブリッジユニットの他方の側と結合されることが望ましい。

前記ブリッジユニットは、六面体の形状を有する複数のブリッジブロックが前記圧電素子の長手方向に一列に配列され、前記配列される複数のブリッジブロック間は弾性ヒンジによって連結されることが望ましい。

前記ベースユニットは、前記圧電素子に長手方向の変位が発生する時、前記ヒンジバネの作用によって前記圧電素子の長手方向に移動する移動ホールと、前記圧電素子の変位発生に関係なく固定される固定ホールと、を含み、前記移動ホールを通じて一列に配列されたブリッジブロックの一端に存在するブリッジブロックの下面と結合され、前記固定ホールを通じて前記一端の他方の端に存在するブリッジブロックの下面と結合されることが望ましい。

前記一列に配列されるブリッジブロックのうち中央ブロックの上面と前記モーションステージとが結合されることが望ましい。

前記弾性ヒンジは、前記ブリッジブロックと一体に形成され、前記一列に配列されるブリッジブロックのうち中央ブロックから遠ざかるものほど低い位置を有することが望ましい。

前記ブリッジユニットの長さと前記弾性ヒンジの高さの差とを用いて前記圧電素子の長手方向変化に対する前記ブリッジユニットの高さ変化の比を調節することが望ましい。

前記弾性ヒンジは、ブリッジユニットの長手方向に対して一定の厚さを有するか、または、前記弾性ヒンジはブリッジユニットの長手方向に対して中央が凹状を有することが望ましい。

前記圧電素子が長くなれば、前記ブリッジユニットは高さ方向に変位が発生し、前記圧電素子が短くなれば、前記ブリッジユニットは高さ方向の逆方向に変位が発生することが望ましい。

前記垂直方向並進運動は、前記複数のブリッジの垂直方向変位を同一にすることによってなされることが望ましい。

前記第１軸に対する回転運動及び前記第２軸に対する回転運動は、前記複数のブリッジの垂直方向変位を異ならせることによってなされることが望ましい。

本発明によれば、圧電素子の長所である連続的な運動を保持して高い分解能を得られ、全体の形態を修正せず、中段のブリッジ構造の微細な設計変更だけでも、モーションステージの駆動範囲と動き特性を変えられる。

また本発明によれば、さらに小型の超精密位置制御システムを製作しうる。

また本発明によれば、変位測定を行うための空間が用意されているので、キャパシタタイプの超精密変位測定装置を取り付けて自体的な閉回路制御が可能である。

また、本発明によるブリッジユニットは、対称的に配置されて互いに力学的均衡を保持するので、熱変形によるエラーを最小化し、所望しない方向の運動を最大限減らせる。

以下、添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野で当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亙って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。

図３は、本発明の一実施例による超精密位置制御システム１０００の構成を示す図面である。超精密位置制御システム１０００は、モーションステージ１００と、ブリッジ結合体２００と、ベース３００と、圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃ、及び圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃに加える電圧を調節して圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃの変位を制御する制御手段（図示せず）と、を含んで構成されうる。

モーションステージ１００と、ブリッジ結合体２００と、ベース３００とは何れも微小変位に対して弾性及び復元力を有する金属材料、その他の弾性材料を用いて製作されうる。

圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃは、電気的エネルギーが加えられれば変位を発生する素子であって、その発生した変位によってベースユニット３１０、３２０、３３０内の固定ホール３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃと移動ホール３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃとの間の距離を変化させる。

ベース３００は、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０の数に対応する数のベースユニット３１０、３２０、３３０を含む。それぞれのベースユニット３１０、３２０、３３０は地面に対して相対的な動きのない固定ホール３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃと、地面に対して相対的な動きを有する移動ホール３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃと、圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃを収容する圧電素子収容溝３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃと、複数の貫通スロットを用いて板バネの効果を示すヒンジバネ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃとを含んで構成されうる。

ヒンジバネ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃは、圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃに変位が発生すれば、弾性変形されつつ、前記圧電素子に反発力を提供して前記圧電素子の変位が除去された時、最初の位置及び形状に復元する役割をする。またヒンジバネ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃは摩擦を減らし、圧電素子の変形時に運動連続性を保持する役割も有する。

ブリッジ２００は、複数のブリッジユニット２１０、２３０、２５０よりなり、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０はその数によってステージ中心を基準に等角度を形成する。ブリッジユニット２１０、２３０、２５０は、複数のブリッジブロックと、ブリッジブロック間を連結する弾性ヒンジとよりなるが、前記複数のブリッジブロックのうち特定ブロックには、上部のモーションステージ１００との固定のための第１スクリューホール２１２、２３２、２５２が備えられ、前記複数のブリッジブロックのうち他の特定ブロックには下部ベース３００の固定ホール３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃとの固定のための第２スクリューホール２１１、２３１、２５１と、ベース３００の移動ホール３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃとの固定のための第３スクリューホール２１３、２３３、２５３とが備えられる。

ブリッジユニット２１０、２３０、２５０は、移動ホール３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃの水平移動によって、第３スクリューホール２１３、２２３、２３３を有するブロックが水平移動するようになり、したがって、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０に水平変位が発生する。そして、弾性ヒンジの作用によって前記水平変位は、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０に垂直変位を発生させる。したがって、第１スクリューホールを有するブリッジブロックは、垂直変位をモーションステージ１００に伝達するようになる。水平変位によって垂直変位が発生するメカニズムについてのさらに詳細な説明は、図１１の説明で述べる。

モーションステージ１００は、ブリッジ結合体２００から運動を伝達されてＺ軸（鉛直方向）並進運動、Ｘ軸（鉛直方向と垂直である任意の軸）回転運動、またはＹ軸（Ｚ軸及びＸ軸何れにも垂直である軸）回転運動、すなわち超精密な３個の自由度運動を行う。モーションステージ１００は、所定の厚さを有するプレートであって、プレートの形状は、円形、多角形、他に如何なる形状よりなってもよく、モーションステージ１００上には半導体測定プローブ、超精密光学装置によるミラーの自動駆動装置など、超精密運動が必要な物体を取り付けうる。本発明では、円形プレートを使用することとする。モーションステージ１００には、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０と各々１つずつ結合可能に正三角形の頂点に各々位置するモーションステージホール１０１、１０２、１０３が備えられる。

本発明で、各種ホール間の締結方式は、螺合方式、ピン結合方式、溶接方式、接着方式などいかなる固定方式でも具現できるということは当業者には自明な事実である。そして、ヒンジバネ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ及び弾性ヒンジの変形は、弾性領域内でだけなされることとする。超精密位置制御システムでの変位は、微小であるために弾性領域内でだけ運動を行うと仮定しても十分であるためである。

図４を参照すれば、本発明による超精密位置制御システム１０００はモーションステージ１００を超精密運動させるための制御手段５００を含む。

制御手段５００は、ユーザ命令によって圧電素子駆動信号を出力して制御するコントローラ５１０と、コントローラ５１０からの駆動信号を増幅して第１から第３圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃ各々に入力する第１から第３増幅器５１２、５２２、５３２と、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０によって３個の自由度運動を伝達されるモーションステージ１００の運動位置を感知する第１から第３センサー５１３、５２３、５３３を備える。モーションステージ１００の運動位置は第１から第３センサー５１３、５２３、５３３によって感知され、コントローラ５１０は第１から第３センサー５１３、５２３、５３３各々から入力されるフィードバック信号によってモーションステージ１００の運動位置を補正する。

本実施例において第１から第３センサー５１３、５２３、５３３各々は、モーションステージ１００の上面に取り付けられるミラー（図示せず）とこのミラーにレーザービームを走査するレーザーを有する外部レーザーインターフェロメータ（図示せず）によって構成されうる。またはキャパシタタイプの超精密変位測定装置をモーションステージ１００とベース３００との間に取り付けて構成しうる。そして、第１から第３圧電素子４００ａ、４００ｂ、４００ｃと第１から第３増幅器５１２、５２２、５３２とは各々ケーブルによって電気的に接続されている。

図５は、本発明の一実施例による超精密位置制御システム１０００で、モーションステージ１００とブリッジ結合体２００とベース３００とが組立された外形を示す図面である。モーションステージ１００の直径は９０［ｍｍ］、システム１０００の高さは約２５［ｍｍ］のスケールを有しうる。

このように、ベースユニット３１０、３２０、３３０とブリッジユニット２１０、２３０、２５０とは、その数によって等角度で配置される。本実施例では、その数が３であるために、ベースユニット３１０、３２０、３３０が１２０°間隔で配置され、これにより、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０も同じく１２０°間隔で配置される。これはモーションステージ１００の超精密運動を実現するために過拘束を避けて３点支持方式を採択したものである。しかし、３点以上の支持方式を使用しても本発明を具現できるということは言うまでもない。

図６は、ベースユニット３１０の構成を示す図面である。これ以外のベースユニット３２０、３３０も同様な構成を有する。このようにベースユニット３１０は、圧電素子収容溝３０１ａ、固定ホール３０３ａ、移動ホール３０２ａ、及びヒンジバネ３０４ａを含んで構成されるが、ヒンジバネ３０４ａは複数の貫通スロット３０４ａ−１、３０４ａ−２、３０４ａ−３、３０４ａ−４、３０４ａ−５、３０４ａ−６を含む。ここで、陰影で彩色された部分は地面に垂直方向に貫通されていることを示す。

このようにヒンジバネ３０４ａで貫通スロットが交互に配置されれば、機能上板バネと同じ構造が形成され、圧電素子の長手方向に変位が発生する時、ヒンジバネ３０４ａが反発力を作用させて変位が除去されれば、再び元の位置に戻す。このようにヒンジバネ３０４ａが圧縮膨脹されることによって、移動ホール３０２ａは圧電素子の長手方向に動くが、固定ホール３０３ａはヒンジバネ３０４ａの動作とは関係なく固定された位置に存在する。

変位が除去される時、正確な原点（原位置）に戻すということは、超精密位置システムで非常に重要な部分の１つである。超精密位置システムで使われる変位は微小なので、ベースユニット３１０の弾性領域内でのヒンジバネ３０４ａの変形を起こして原点に正確に復元されうるものである。

ヒンジバネ３０４ａは、本発明の実施例では直線状貫通スロット３０４ａ−５、３０４ａ−６と、左右対称形状を有する‘コ’状貫通スロットの対（３０４ａ−１及び３０４ａ−２、または、３０４ａ−３及び３０４ａ−４）が長手方向に沿って交互に配置される構造を有する。当業者ならばこれ以外にも異なる形状の貫通スロットを使用してヒンジバネを具現でき、貫通スロットの数も必要によって調整できるであろう。

圧電素子収容溝３０１ａには、圧電素子４００ａが実装されるが、商用の多階層圧電素子（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｐｉｅｚｏ ａｃｔｕａｔｏｒｓ）は、“ｃｍ”当たり約１０［μｍ］の変形範囲を有する。したがって、多様な適用分野において、柔軟性のあるヒンジを使用して圧電素子の小さな変位を増幅させる。柔軟性のあるヒンジは、ギアやピンジョイントに比べてバックラッシュがなく、潤滑の必要がなく、かつ簡素なデザインを有する長所がある。

一般的に、変位増幅メカニズムは、２つの方法に分けられうる。１つは、図７の（ａ）に示されたような挺子方式の柔軟性ヒンジメカニズムである。挺子方式の装置で、増幅比はピボットヒンジ間の距離によって決定される。そして、横方向リンクが高剛性を有することを要求する。この方式は、相対的に小さな数の柔軟性ピボットヒンジを必要とするが、リンクの大きさとヒンジの変形とは、増幅比によって比例するので、高い効率を期待することは難しい。

他のヒンジメカニズムとしては、図７の（ｂ）のようなブリッジ方式の柔軟性ヒンジメカニズムがある。この方式は、簡素で、かつ対称的な構造を有するので相対的にデザインしやすい。但し、挺子方式よりはヒンジの柔軟性がさらに高いことを要求する。本発明は概念上、このようなブリッジ方式のメカニズムを使用する。

本発明の一実施例によるブリッジ２００は、３つのブリッジユニット２１０、２３０、２５０よりなることとする。しかし、これは１つの実施例に過ぎず、複数のブリッジユニットを３６０上に等角度で配置することによって、本発明の技術的思想を具現できるということは当業者ならば十分に理解しうる。

図８は、本発明の一実施例によるブリッジユニット２１０の外形を示す斜視図である。本ブリッジユニット２１０以外に他のブリッジユニット２３０、２５０も同様な構造を有する。ブリッジユニット２１０は、六面体形状を有する所定数のブリッジブロック２１４からブリッジブロック２１８と、各ブリッジブロックの間を連結する弾性ヒンジ２１９から弾性ヒンジ２２２を含むが、弾性ヒンジ２１９から弾性ヒンジ２２２とブリッジブロック２１４からブリッジブロック２１８は一体に製作される。ブリッジブロックのうちモーションステージ中心方向に位置するブリッジブロック、すなわち第１ブリッジブロック２１４には第２スクリューホール２１６が下部のベースユニット３１０の固定ホール３０１ａと結合可能に備えられ、モーションステージ中心の逆方向に位置するブリッジブロック、すなわち、第５ブリッジブロック２１８には第３スクリューホール２１３が下部のベースユニット３１０の移動ホール３０２ａと結合可能に備えられる。そして、中央ブリッジブロック、すなわち第３ブリッジブロック２１２には第１スクリューホール２１７が上部のモーションステージと結合可能に備えられる。

本実施例では、ブリッジブロックの数が５つである場合を例としたが、これに限定されず、ブリッジブロックの数が３つ以上であれば、本発明の技術的思想を適用しうる。

図９は、図８のブリッジユニット２１０をＡ方向から見た形状を示す図面である。ブリッジブロック２１４からブリッジブロック２１８の間を連結する弾性ヒンジ２１９から弾性ヒンジ２２２は所定の厚さを有し、Ａ方向に沿って一定の形状を有する。また左右方向にも一定の厚さを有すると設計する。しかし、弾性ヒンジの厚さが、必ずしも一定している必要はなく、図１０での弾性ヒンジ２１９のように中央部が凹状を有しても、その他に異なる厚さを有しても良い。図１０のような弾性ヒンジ形状は相対的に製作し難いが、力学構造を考慮する時、このような形状を有することがさらに安定的である。

一方、それぞれの弾性ヒンジ２１９から弾性ヒンジ２２２は何れも同じ形状を有するようにも、相異なる形状を有するようにも設計できるが、力学的均衡などを考慮する時、何れも同じ形状（及び厚さ）を有するものとして説明する。弾性ヒンジ２１９から弾性ヒンジ２２２の形状は何れも同一であるとしても、その位置には多少の差がある。図９に示されたように、第１弾性ヒンジ２１９と第４弾性ヒンジ２２２とは、ｚ軸方向に同じ高さｈ１を有し、第２弾性ヒンジ２２０と第３弾性ヒンジ２２１とは同じ高さｈ２を有するが、ｈ１とｈ２とは一致せず、ｈ２とｈ１との間には所定のオフセットｔ_ｏｆｆほどの高さの差が存在する。このようなオフセットｔ_ｏｆｆの差によって水平変位に対する垂直変位の比率が変わる。

第１ブリッジブロック２１４は、その下面がベースユニット３１０の固定ホール３０３ａと固定されねばならず、第５ブリッジブロック２１５は、その下面がベースユニット３１０の移動ホール３０２ａと固定されねばならないので、他のブリッジブロック２１５、２１６、２１７より下面がｔ２ほど低く設計される。そして、第３ブリッジブロック２１６は、その上面がモーションステージ１００に固定されねばならないので、他のブリッジブロック２１４、２１５、２１７、２１８に比べて上面がｔ１だけ高く設計される。このような設計変数ｔ１及びｔ２は、当業者ならば実際の設計環境によって適切に選択されうるので、その具体的な寸法については説明しない。

図１１は、圧電素子４００ａの長さ変化による水平変位ｕによってブリッジユニット２１０に垂直変位ｚが発生するメカニズムを示す図面である。圧電素子には、作動前にあらかじめ初期電圧（作動範囲の中間程度の電圧）を掛けることが一般的である。次いで、作動時に初期電圧より高い電圧を掛ければ、圧電素子は長手方向に延び、初期電圧より低い電圧を掛ければ、圧電素子は長手方向に縮まる。したがって、圧電素子の長さを延ばすか、縮める制御が行える。

圧電素子４００ａに初期電圧より高い電圧を加えれば、圧電素子４００ａが長手方向に延び、これにより移動ホール３０２ａ及び第５ブリッジブロック２１６はモーションステージ中心の逆方向に移動して負の水平変位−ｕを発生させ、これは再びブリッジブロック２１６の負の垂直変位−ｚを発生させる。

圧電素子４００ａに初期電圧より低い電圧を加えれば、圧電素子４００ａの長さが縮まり、これにより、移動ホール３０２ａ及び第５ブリッジブロック２１８がモーションステージの中心方向に移動して正の水平変位ｕを発生させ、これにより、第３ブリッジブロック２１６には垂直変位ｚが発生する。このように水平変位ｕによって垂直変位ｚが発生することは、弾性ヒンジ２１９から弾性ヒンジ２２２間の高さ方向オフセットｔ_ｏｆｆが存在するためであり、オフセットの大きさ及びブリッジユニット２１０の長さによって増幅比、すなわち、垂直変位ｚ／水平変位ｕ値が決まる。オフセットｔ_ｏｆｆが大きいほど相対的に増幅比が小さくなり、オフセットｔ_ｏｆｆが小さいほど相対的に増幅比が大きくなる。したがって、ユーザは、オフセットｔ_ｏｆｆを調節することによって、モーションステージの運動大きさを調節しうる。通常、増幅比は５〜１０倍程度の比が得られる。

オフセットｔ_ｏｆｆが決まれば、弾性領域において水平変位ｕと垂直変位ｚとの間にはｚ＝ｆ（ｕ）のように表現される関数関係（一対一関数）がなされ、このような関数関係は機構的な関係によって決定され、数値解釈プログラムを用いたシミュレーションまたは実験を通じて探し出せる。

図１２から図１４は、位置制御システム１０００が各々Ｚ方向並進運動、Ｘ軸回転運動、Ｙ軸回転運動を制御する方法を説明する図面である。図１２のように変位がｚ１であるＺ方向並進運動が必要であれば、ブリッジユニット２１０、２３０、２５０は各々Ｚ方向にｚ１だけの変位を発生させればよい。このために必要な水平変位はｚ＝ｆ（ｕ）の関係式より求められ、該求められた水平変位だけ圧電素子の長さを減少させれば、つまり図１２のようなＺ方向並進運動を具現しうる。もちろん、前記水平変位だけ圧電素子の長さを増加させれば、負のＺ方向並進運動をも具現しうる。

図１３のように、Ｘ軸を中心としてθ_ｘだけ回転運動をしようとする場合があると仮定する。モーションステージ平面でＺ軸方向は一義的に決定されるが、Ｘ軸とＹ軸方向はそうではない。したがって、Ｘ軸をまず特定する必要があり、それにより、Ｙ軸方向が決定される。もし、正三角形をなすモーションステージホール１０１、１０２、１０３のうち第１モーションステージホール１０１と第３モーションステージホール１０３とを連結する直線をＸ軸とすれば、Ｘ軸回転運動は第２モーションステージホール１０２のＺ方向変位を調節することによって、Ｘ軸回転運動を起こせる。但し、第１モーションステージホール１０１及び第３モーションステージホール１０３も変位は発生しないが、回転角度によって回転される。

もし、前記直線と第２モーションステージホール１０２との距離がｄ２であれば、ｘ軸を中心にθ_ｘだけ回転運動をするための第２モーションステージホール１０２のＺ軸変位ｚ２は次の数式（１）のように求められる。ここで、θ_ｘは超精密位置制御システムでは、ほぼ“０”に近い値であるために、ｚ２はｄ２とθ_ｘとの積に近似しうる。

［数１］
ｚ２＝ｄ２×ｔａｎ^−１（θ_ｘ）≒ｄ２×θ_ｘ ・・・（１）

この式からＺ軸変位ｚ２を求められ、ブリッジユニット２２０はＺ方向にｚ１だけ変位を発生させればよい。これにより、必要な水平変位は、またｚ＝ｆ（ｕ）の関係式より求められる。

同様に、負のＸ軸回転方向にθｘだけ回転しようとすれば、前記必要な水平変位だけ圧電素子の長さを延ばせば良い。

図１４は、負のＹ軸回転方向にθ_ｙだけ回転運動をしようとする例を示す図面である。モーションステージ平面で、この場合には第１モーションステージホール１０１は固定され、第２モーションステージホール１０２と第３モーションステージホール１０３とは相異なる変位を有する。幾何学上、第１モーションステージホール１０１を通る回転軸と、第２モーションステージホール１０２との距離ｄ４は前記回転軸と第３モーションステージホール１０３との距離ｄ３の１／２となる。

ここで、数式（１）のような方法でｄ３とθ_ｙより第３モーションステージホール１０３のＺ方向変位ｚ３を決定し、ｄ４とθ_ｙより第２モーションステージホール１０２のＺ方向変位ｚ４を決定しうる。ｚ３及びｚ４は、各々ブリッジユニット２５０が伝達するＺ方向変位と、ブリッジユニット２３０が伝達するＺ方向変位と同一なので、これにより各ブリッジユニット２５０、２３０に伝達されねばならない水平変位を決定しうる。

同様に、正のＹ軸回転方向にθ_ｙだけ回転しようとすれば、前記決定される水平変位だけ圧電素子の長さを延ばせば良い。

以上、本発明による超精密位置制御システムは、Ｚ軸方向並進運動、Ｘ軸回転運動、及びＹ軸回転運動を支援することを説明した。それ以外の残りの３個の自由度運動は既存の発明を用いて相対的に精密に具現できるので、本発明による超精密位置決定システムを残りの３個の自由度運動を支援する既存のモーションステージ（例えば、特許文献１）位置に取り付けるならば、結局６個の自由度運動を何れも支援可能となる。

以上、添付図を参照して本発明の実施例を説明したが、 本発明が属する技術分野で当業者ならば本発明がその技術的思想や必須特徴を変更せずとも他の具体的な形に実施されうるということが理解できるであろう。したがって、前述した実施例は全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないと理解せねばならない。

本発明は、超精密位置制御技術分野に幅広く適用されうる。

従来の技術による位置制御システムの構造を示す図面である。 図１の位置制御システムでＺ方向の動きを発生させる原理を説明する図面である。 本発明の一実施例による超精密位置制御システムの構成を示す図面である。 モーションステージを超精密運動させるための制御手段の構成を示すブロック図である。 図３の位置制御システムでモーションステージ、ブリッジ結合体、及びベースが組立てられた外形を示す図面である。 ベースユニットの構成を示す図面である。 変位増幅メカニズムの２つのケースを説明する図面である。 本発明の一実施例によるブリッジユニットの外形を示す斜視図である。 図８のブリッジユニットをＡ方向から見た形状を示す図面である。 異なる形状を有する弾性ヒンジの例を示す図面である。 圧電素子の長さ変化による水平変位によってブリッジユニットに垂直変位が発生するメカニズムを示す図面である。 位置制御システムがＺ方向並進運動を制御する方法を説明する図面である。 位置制御システムがＸ軸回転運動を制御する方法を説明する図面である。 位置制御システムがＹ軸回転運動を制御する方法を説明する図面である。

符号の説明

１００ モーションステージ
２００ ブリッジ結合体
２１０、２３０、２５０ ブリッジユニット
３００ ベース
３１０、３２０、３３０ ベースユニット
３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ 圧電素子収容溝
３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ 移動ホール
３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ 固定ホール
３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ 貫通スロット
４００ａ、４００ｂ、４００ｃ 圧電素子

Claims (12)

1. ベースであって、該ベースの中心に向かって等角度で配置され、前記配置された方向と平行な方向に圧電素子を収容する複数のベースユニットによって構成されるベースと、
   前記ベースユニット各々の上面に前記圧電素子を覆うように備えられ、圧電素子の長手方向の変位を前記ベースの底面に垂直な方向の変位に変換する複数のブリッジユニットと、
   前記変換された変位の関係によって前記垂直方向並進運動、前記垂直方向と直角をなす第１軸に対する回転運動、または前記垂直方向及び前記第１軸と何れも直角をなす第２軸に対する回転運動のうちの少なくとも１つの運動を行うモーションステージと、
   前記圧電素子を制御する制御手段と、を含み、
   前記ブリッジユニットは、六面体の形状を有する複数のブリッジブロックが前記圧電素子の長手方向と平行な方向に並列に配列され、前記配列される複数のブリッジブロックは弾性ヒンジによって連結され、
   前記弾性ヒンジは、前記ブリッジブロックと一体に形成され、前記一列に配列されるブリッジブロックのうち中央ブロックは他のブリッジブロックに比べて上面が高く、両端のブリッジブロックは他のブリッジブロックより下面が低いことを特徴とする超精密位置制御システム。
2. 前記ベースユニットは、圧電素子の長手方向に前記ベースユニット自身の弾性復元力を提供するヒンジバネを、前記圧電素子の周囲の前記ベースユニット自身に形成していることを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。
3. 前記ヒンジバネは、前記ベースユニットに、圧電素子の長手方向と直交する方向に延在する直線状貫通スロットと、左右対称形状を有する‘コ’状の貫通スロットの対とが長手方向に沿って交互に配置されることによって形成されることを特徴とする請求項２に記載の超精密位置制御システム。
4. 前記ベースユニットは、前記圧電素子の長手方向に沿って前記圧電素子の前後に配置された移動ホール及び固定ホールであって、
   前記圧電素子に対してベース中心と反対側かつ前記ヒンジバネの内側に配置され、前記圧電素子に長手方向の変位が発生する時、前記圧電素子が、前記ベースユニットを内部から押圧することによる前記ヒンジバネの作用によって、前記圧電素子の長手方向に移動する移動ホールと、前記圧電素子及び前記ヒンジバネに対してベース中心側に配置され、前記圧電素子の変位発生に関係なく固定される固定ホールと、を含み、
   前記移動ホールを通じて前記ブリッジユニットの一方の側と結合され、前記固定ホールを通じて前記ブリッジユニットの他方の側と結合されることを特徴とする請求項２に記載の超精密位置制御システム。
5. 前記ベースユニットは、圧電素子の長手方向に沿って前記圧電素子の前後に配置された移動ホール及び固定ホールであって、
   前記圧電素子に対してベース中心と反対側かつ前記ヒンジバネの内側に配置され、前記圧電素子に長手方向の変位が発生する時、前記圧電素子が、前記ベースユニットを内部から押圧することによる前記ヒンジバネの作用によって、前記圧電素子の長手方向に移動する移動ホールと、前記圧電素子及び前記ヒンジバネに対してベース中心側に配置され、前記圧電素子の変位発生に関係なく固定される固定ホールと、を含み、
   前記ベースユニットは、一列に配列されたブリッジブロックのうちの一端に存在するブリッジブロックの下面と、前記移動ホールを通じて結合され、前記固定ホールを通じて前記一端の他方の端に存在するブリッジブロックの下面と結合されることを特徴とする請求項２に記載の超精密位置制御システム。
6. 前記一列に配列されるブリッジブロックのうち中央ブロックの上面と前記モーションステージとが結合されることを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。
7. 前記弾性ヒンジの高さとの差を用いて前記圧電素子の長手方向変化に対する前記ブリッジユニットの高さ変化の比を調節することを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。
8. 前記弾性ヒンジは、ブリッジユニットの長手方向に対して一定の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。
9. 前記弾性ヒンジは、ブリッジユニットの長手方向に対して中央に凹状を有することを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。
10. 前記圧電素子が長くなれば、前記ブリッジユニットは垂直方向に変位が発生し、前記圧電素子が短くなれば、前記ブリッジユニットは垂直方向の逆方向に変位が発生することを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。
11. 前記垂直方向並進運動は、前記複数のブリッジユニットの垂直方向変位を同一にすることによってなることを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。
12. 前記第１軸に対する回転運動及び前記第２軸に対する回転運動は、前記複数のブリッジユニットの垂直方向変位を異ならせることによってなることを特徴とする請求項１に記載の超精密位置制御システム。

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