JP5190154B2

JP5190154B2 - 平面３自由度ステージ

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Publication number: JP5190154B2
Application number: JP2012510734A
Authority: JP
Inventors: ヒュンウォン，ドン; グリー，モン; ファンヨー，ヨン; ファジョン，ジャ
Original assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Ajou University
Current assignee: Industry Academic Cooperation Foundation of Ajou University
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2013-04-24
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: EP2529882A1; US9069109B2; US20120279344A1; KR100979539B1; JP2012527033A; WO2011093553A1; EP2529882A4

Description

本発明は、超精密ステージに関するもので、より詳細には、並進運動機構部と、独立的に運動する回転運動機構部とを備える平面３自由度ステージに関するものである。

一般に、圧電駆動機と柔軟ヒンジで具現される超精密ステージは、走査探針顕微鏡、石版印刷機、マイクロ整列機、精密加工機、マイクロ組立機、ナノ測定器、分光器、平板ディスプレイ及び半導体検査装備などの多様な分野で活用されている。

特に、圧電駆動機と柔軟ヒンジで構成された位置決定機構の場合、移送精密性、設計及び加工の容易性を有することから多くの開発が先行しており、その一つとしては、並進２自由度と回転１自由度の運動をする位置決定機構があり、これについては、ロボティクス分野の発展と共に多くの研究が行われている実情にある。

前記のような技術構成は、本発明の理解を促進するための背景技術であって、本発明の属する技術分野で広く知られた従来技術を意味するものではない。

従来の並進２自由度と回転１自由度の運動をするステージは、並列構造からなる。したがって、従来のステージによると、並進運動の駆動機と回転運動の駆動機が互いに連結されており、前記運動を案内する案内機構なども互いに連結されているので、並進運動又は回転運動のうちいずれか一つの運動のみを意図する場合にも、意図していない他の運動も同時に行うようになり、運動誤差が発生する。このような運動誤差を制御するためには、追加的な制御メカニズムが必要になるが、この場合、構造がより複雑になり、精密度がより低下するという問題がある。

したがって、これを改善する必要性が要請される。

本発明は、前記のような問題を改善するためになされたもので、構造を単純化しながら精密度を向上できる平面３自由度ステージを提供することを目的とする。

本発明に係る平面３自由度ステージは、並進２自由度を有する並進運動機構部；前記並進運動機構部と独立的に運動する回転１自由度を有する回転運動機構部；及び前記並進運動機構部と前記回転運動機構部が設置され、内側の固定部及び外側の駆動部を備えるステージベースを含む。

望ましくは、前記並進運動機構部は、前記固定部と前記駆動部との間に配置され、一側は前記固定部と連結され、他側は前記駆動部と連結されるシンバル機構部を含み、前記回転運動機構部は、前記固定部に配置されるスコット―ラッセルリンク部を含む。

より望ましくは、前記シンバル機構部は、前記ステージベース上に左右対称に複数設置される。

より望ましくは、前記シンバル機構部は、前記ステージベースの上部と下部に配置される一対の第１のシンバル機構組；及び前記ステージベースの両側部に配置される一対の第２のシンバル機構組を含む。

より望ましくは、前記第１のシンバル機構組と前記第２のシンバル機構組は、互いに直交するように配置され、前記第１のシンバル機構組に変位が発生する場合、前記第２のシンバル機構組は、前記第１のシンバル機構組による駆動部の並進運動を案内する。

より望ましくは、前記シンバル機構部は、前記固定部と連結される内側端部；前記内側端部の向かい側に配置され、前記駆動部と連結される外側端部；前記駆動部と固定部との間に配置される一側端部；前記一側端部の向かい側に配置される他側端部；前記一側端部と前記外側端部とを連結する第１の柔軟ヒンジリンク；前記外側端部と前記他側端部とを連結する第２の柔軟ヒンジリンク；前記他側端部と前記内側端部とを連結する第３の柔軟ヒンジリンク；及び前記内側端部と前記一側端部とを連結する第４の柔軟ヒンジリンクを含み、前記一側端部と前記他側端部との間には、前記一側端部と前記他側端部との間の距離を可変させる第１の作動部材が介在する。

より望ましくは、スコット―ラッセルリンク部は、一側が前記固定部に結合される第２の作動部材の他側と結合される第１のリンク；一側が前記第１のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結され、前記第１のリンクの移動によって回転しながら前記固定部を回転させる第２のリンク；及び一側が前記第２のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結される第３のリンクを含む。

より望ましくは、前記回転運動機構部は、前記スコット―ラッセルリンク部の外側に配置されて前記固定部の回転をガイドする板バネをさらに含む。

より望ましくは、前記板バネは、前記固定部の中心を基準にして同一の回転間隔で複数配列される。

望ましくは、前記並進運動機構部と前記回転運動機構部は、前記ステージベースの同一平面上に設置される。

本発明に係る平面３自由度ステージによると、並進運動と回転運動が独立的に行われるので、運動誤差を減少できるとともに、制御及び設計を容易にすることができる。

また、本発明に係る平面３自由度ステージによると、並進運動機構部と回転運動機構部が同一平面上に配列されるので、構造を単純化できるとともに、運動中心を低くすることができ、慣性モーメントに対する対応力を高めることができる。

本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの斜視図である。本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの平面図である。本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの並進運動機構部を示した平面図である。本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの回転運動機構部を示した平面図である。本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージのシンバル機構部を示した図である。本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの並進運動が行われる状態を示した図である。本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの回転運動が行われる状態を示した図である。

以下、添付の各図面を参照して本発明に係る平面３自由度ステージの一実施例を説明する。この過程で、図面に示した各線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性と便宜上、誇張して示すことがある。

また、後述する各用語は、本発明での機能を考慮して定義された用語であって、これは、ユーザー、運用者の意図又は慣例によって変わり得る。したがって、これら各用語は、本明細書全般にわたった内容に基づいて定義しなければならない。

図１は、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの斜視図で、図２は、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの平面図である。図３は、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの並進運動機構部を示した平面図で、図４は、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの回転運動機構部を示した平面図で、図５は、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージのシンバル機構部を示した図である。図６は、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの並進運動が行われる状態を示した図で、図７は、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの回転運動が行われる状態を示した図である。

図１〜図７を参照すると、本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージ１は、並進運動機構部１００、回転運動機構部２００、及びステージベース３００を含んで構成される。

ステージベース３００は、固定部３１０及び駆動部３２０を備えている。固定部３１０には回転運動機構部２００が設置され、固定部３１０と駆動部３２０との間には並進運動機構部１００が配置される。

固定部３１０はステージベース３００の内側に形成され、駆動部３２０はステージベース３００の外側に形成される。固定部３１０と駆動部３２０との間にはシンバル機構部１１０が介在し、このシンバル機構部１１０は固定部３１０と駆動部３２０を区画する。

固定部３１０は、シンバル機構部１１０によって取り囲まれており、並進運動機構部１００の作動時に並進運動を行わずに固定状態を維持する。また、固定部３１０は、回転運動機構部２００の作動時、一部分は時計方向又は反時計方向に回転運動をするが、残りの部分は回転せずに固定状態を維持する。すなわち、固定部３１０の外郭部３１０ａは、回転運動機構部２００の作動時、後述するスコット―ラッセルリンク部２１０によって回転するが、固定部３１０の内側部３１０ｂは、後述する板バネ２２０によって回転せずに固定状態を維持するようになる。

駆動部３２０は、シンバル機構部１１０の外側に配置され、並進運動機構部１００の作動時に一軸又は前記一軸と直交する他軸に沿って並進運動をする。また、駆動部３２０は、回転運動機構部２００の作動時に時計方向又は反時計方向に回転運動をする。

並進運動機構部１００は並進２自由度を有する。すなわち、並進運動機構部１００は、一軸とこれと直交する他軸の２方向に並進運動をする。このような並進運動機構部１００は、回転運動機構部２００と機構学的に分離されているので、並進運動機構部１００の作動が回転運動機構部２００の作動に影響を及ぼさなくなる。

これと同様に、回転運動機構部２００の作動も並進運動機構部１００の作動に影響を及ぼさないことは当然である。このように並進運動機構部１００と回転運動機構部２００が互いの運動に影響を及ぼさずに独立的に運動するので、意図していない運動の実行による誤差を未然に遮断できるようになる。

並進運動機構部１００は、シンバル機構部１１０を含んで構成される。

シンバル機構部１１０は、固定部３１０と駆動部３２０との間に配置される。シンバル機構部１１０の一側は固定部３１０と柔軟ヒンジ（ｆｌｅｘｕｒａｌｈｉｎｇｅ）によって連結され、他側は駆動部３２０と柔軟ヒンジによって連結される。一方、柔軟ヒンジの構造は、当業者間で自明な事項と言えるので、これについての具体的な説明は省略する。

シンバル機構部１１０は、ステージベース３００上に左右対称に複数設置される。本実施例で、シンバル機構部１１０は、図２を基準にして上部、下部、左側部及び右側部に合計４個が左右対称に設置されているが、これに限定されることはなく、それ以上又はその以下の個数で左右対称に設置されてもよいことは当然である。

以下では、ステージベース３００の中心に９０度の回転間隔で４個配置されるシンバル機構部１１０を例に挙げて説明する。

シンバル機構部１１０は、ステージベース３００の上部と下部に配置される一対の第１のシンバル機構組１２０と、ステージベース３００の左側部と右側部に配置される一対の第２のシンバル機構組１３０とを含む。

このような第１のシンバル機構組１２０と第２のシンバル機構組１３０は互いに直交するように配置される。したがって、第１のシンバル機構組１２０のうちいずれか一つで変位が発生する場合、第１のシンバル機構組１２０による駆動部３２０の移動方向に対して水平に配置される第２のシンバル機構組１３０は、駆動部３２０が揺れずに移動するように駆動部３２０の並進運動を案内する。

すなわち、第１のシンバル機構組１２０のうち上部に配置される第１のシンバル機構１１１の作動によって駆動部３２０が下方に移動する場合、左側部と右側部に配置される第２のシンバル機構組１３０は、駆動部３２０が下方に揺れずに移動するように駆動部３２０を案内する。

これと同様に、第２のシンバル機構組１３０のうちいずれか一つで変位が発生する場合、第２のシンバル機構組１３０による駆動部３２０の移動方向に対して水平に配置される第１のシンバル機構組１２０は、駆動部３２０の左右移動が揺れずに行われるように駆動部３２０の左右並進運動を案内する。

その結果、本発明によると、シンバル機構部１１０は、変位の増幅を達成できるとともに、駆動部３２０の並進運動時にこれを案内する役割も行えるようになる。

一方、上述したように、並進運動機構部１００の運動時、並進運動機構部１００と機構学的に分離されている回転運動機構部２００は駆動部３２０の回転を発生させない。

シンバル機構部１１０をなす一つのシンバル機構１１１は、内側端部１４１、外側端部１４２、一側端部１４３、他側端部１４４、第１の柔軟ヒンジリンク１５１、第２の柔軟ヒンジリンク１５２、第３の柔軟ヒンジリンク１５３及び第４の柔軟ヒンジリンク１５４を含んで構成される。

内側端部１４１は、固定部３１０と柔軟ヒンジによって連結されるように内側に配置され、外側端部１４２は、内側端部１４１の向かい側に配置され、駆動部３２０と柔軟ヒンジによって連結される。

シンバル機構部１１０の作動による駆動部３２０の並進運動は、内側端部１４１が固定部３１０によって固定された状態で外側端部１４２が、発生した変位によって移動しながら行われる。

一側端部１４３は、固定部３１０と駆動部３２０との間に配置され、第１の作動部材４１０の一端部と結合される。ここで、第１の作動部材４１０としては圧電駆動機が適用される。このような圧電駆動機は、圧電駆動機の両側に圧力を加えると、圧力に比例する正負の電荷が表れる圧電現象を逆に利用したものである。具体的に、圧電駆動機の両端に電圧を加えると、圧電駆動機が変形するが、このとき、一方向には伸張が起こり、その方向に対して垂直な方向には収縮が起こるようになる。このような現象に基づいて、超精密運動を生成するステージには、圧電駆動機を駆動源として使用する。

他側端部１４４は、固定部３１０と駆動部３２０との間に配置され、第１の作動部材４１０の他端部と結合される。このような他側端部１４４は一側端部１４３の向かい側に位置する。

一側端部１４３と他側端部１４４との間には第１の作動部材４１０が介在する。第１の作動部材４１０は、圧入などの多様な結合方法で一側端部１４３と他側端部１４４との間に介在し得る。

上述した内側端部１４１、外側端部１４２、一側端部１４３及び他側端部１４４は、隣接した構成が柔軟ヒンジリンクによって互いに連結される。具体的に、第１の柔軟ヒンジリンク１５１は一側端部１４３と外側端部１４２とを連結し、第２の柔軟ヒンジリンク１５２は外側端部１４２と他側端部１４４とを連結し、第３の柔軟ヒンジリンク１５３は他側端部１４４と内側端部１４１とを連結し、第４の柔軟ヒンジリンク１５４は内側端部１４１と一側端部１４３とを連結する。

このように内側端部１４１、外側端部１４２、一側端部１４３、他側端部１４４、及びこれらを互いに連結する柔軟ヒンジリンクからなるシンバル機構１１１は、第１の作動部材４１０の作動によって一側端部１４３と他側端部１４４との間の距離が遠くなると、逆に内側端部１４１と外側端部１４２との間の距離は近くなる。

このとき、内側端部１４１が固定部３１０に連結されて固定されているので、内側端部１４１と外側端部１４２の相互近接は、外側端部１４２の移動によって主導的に行われるようになる。

このように、外側端部１４２が移動すると、外側端部１４２と柔軟ヒンジで連結されている駆動部３２０も移動するので、結局、第１の作動部材４１０が作動すると、駆動部３２０は、外側端部１４２が内側端部１４１に向かう方向に並進運動をするようになる。

回転運動機構部２００は、並進運動機構部１００と独立的に運動を行い、回転１自由度を有する。このような回転運動機構部２００は、スコット―ラッセルリンク部２１０を含んで構成される。

スコット―ラッセルリンク部２１０は、第１のリンク２１１、第２のリンク２１２及び第３のリンク２１３を備えており、固定部３１０の内側部３１０ｂに設置される。このようなスコット―ラッセルリンク部２１０は、各構成の作動によってスコット―ラッセル機構（Ｓｃｏｔｔ―ＲｕｓｓｅｌｌＭｅｃｈａｎｉｓｍ）をなす。

第１のリンク２１１は、一端が固定部３１０に結合される第２の作動部材４２０の他端と結合される。ここで、第２の作動部材４２０としては、第１の作動部材４１０と同様に圧電駆動機が適用される。

第２のリンク２１２は、一側が第１のリンク２１１と柔軟ヒンジで連結され、他側が固定部３１０の外郭部３１０ａと柔軟ヒンジで連結される。これによって、第２の作動部材４２０の作動によって第１のリンク２１１が第２のリンク２１２側に移動する場合、第２のリンク２１２は、第２のリンク２１２と第３のリンク２１３の連結部位を基準にして時計方向に回転するようになる。

第２のリンク２１２が時計方向に回転すると、第２のリンク２１２と柔軟ヒンジによって連結されている固定部３１０の外郭部３１０ａも時計方向に回転するようになる。

第３のリンク２１３は、一側が第２のリンク２１２と柔軟ヒンジで連結され、他側が固定部３１０の内側部３１０ｂと柔軟ヒンジで連結される。したがって、第２のリンク２１２が時計方向に回転するとき、第３のリンク２１３は、第２のリンク２１２と第３のリンク２１３の連結部位を基準にして相対的に反時計方向に回転するようになる。

回転運動機構部２００は板バネ２２０をさらに含む。板バネ２２０は、スコット―ラッセルリンク部２１０の外側に配置されるように固定部３１０上に設置され、第２の作動部材４２０の作動による固定部３１０の回転をガイドする。

具体的に、板バネ２２０は、固定部３１０の中心を基準にして同一の回転間隔で複数配列され、固定部３１０の外郭部３１０ａが回転するとき、固定部３１０の内側部３１０ｂが回転せずに固定状態を維持できるようにする。これによって、固定部３１０の内側部３１０ｂは、固定部３１０の外郭部３１０ａ及び駆動部３２０の回転をガイドするようになる。

一方、本実施例で、板バネ２２０は、固定部３１０の中心を基準にして９０度の回転間隔で４個設置されているが、これに限定されることはなく、１８０度の回転間隔で２個、１２０度の回転間隔で３個などにも設置可能であることは当然である。

上述したように、並進運動機構部１００と回転運動機構部２００は、ステージベース３００の同一平面上に設置されるので、運動中心を低くすることができ、慣性モーメントに対する対抗力を向上できるようになる。

以下、図面を参照して本発明の一実施例に係る平面３自由度ステージの作動原理を説明する。

まず、平面３自由度ステージ１の並進運動について説明する。

第１のシンバル機構組１２０の上部シンバル機構１１１に設置される第１の作動部材４１０に電圧が加えられると、第１の作動部材４１０は、両側方向に伸張し、第１の作動部材４１０と結合されている一側端部１４３と他側端部１４４を加圧するようになる。その結果、一側端部１４３は左側に移動し、他側端部１４４は右側に移動しながら、一側端部１４３と他側端部１４４との間の距離が遠くなる。

これによって、一側端部１４３及び他側端部１４４と柔軟ヒンジリンクで連結されている内側端部１４１と外側端部１４２との間の距離が近くなるが、内側端部１４１が固定部３１０に固定されているので、内側端部１４１と外側端部１４２の相互近接は、外側端部１４２の移動によって主導的に行われるようになる。

外側端部１４２が移動すると、外側端部１４２と柔軟ヒンジで連結されている駆動部３２０は、外側端部１４２が内側端部１４１に向かって移動する距離だけ移動するようになる。このような駆動部３２０の移動は、駆動部３２０の移動方向に対して水平に配置される第２のシンバル機構組１３０によって案内されるので、駆動部３２０の並進運動は揺れずに行われるようになる。

次に、平面３自由度ステージ１の回転運動について説明する。

回転運動機構部２００に設置される第２の作動部材４２０に電圧が加えられると、第２の作動部材４２０は両側方向に伸張する。このとき、第２の作動部材４２０の一端が固定部３１０に固定結合されているので、第２の作動部材４２０は他端方向のみに伸張するようになる。このような第２の作動部材４２０の伸張により、第１のリンク２１１は、第２のリンク２１２の方向に移動しながら第２のリンク２１２を加圧するようになる。

その結果、第２のリンク２１２は、第２のリンク２１２と第３のリンク２１３の連結部位を基準にして時計方向に回転するようになり、第２のリンク２１２と柔軟ヒンジによって連結されている固定部３１０の外郭部３１０ａも時計方向に回転するようになる。このとき、スコット―ラッセルリンク部２１０の外側に外郭部３１０ａの回転をガイドする板バネ２２０が配列されているので、固定部３１０の内側部３１０ｂは、外郭部３１０ａの回転をガイドしながら固定状態を維持するようになる。

このように、スコット―ラッセルリンク部２１０及び板バネ２２０によって内側部３１０ｂが固定状態を維持し、外郭部３１０ａは時計方向に回転するようになるので、結局、外郭部３１０ａと連結されている駆動部３２０が時計方向に回転運動を行えるようになる。

本発明は、図面に示した一実施例を参考にして説明したが、これは例示的なものに過ぎなく、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施例が可能であることを理解できるだろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、下記の特許請求の範囲によって定めなければならない。

Claims

並進２自由度を有する並進運動機構部；
前記並進運動機構部と独立的に運動する回転１自由度を有する回転運動機構部；及び
前記並進運動機構部と前記回転運動機構部が設置され、内側の固定部及び外側の駆動部を備えるステージベースを含むことを特徴とする平面３自由度ステージ。
前記並進運動機構部は、前記固定部と前記駆動部との間に配置され、一側は前記固定部と連結され、他側は前記駆動部と連結されるシンバル機構部を含み、
前記回転運動機構部は、前記固定部に配置されるスコット―ラッセルリンク部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の平面３自由度ステージ。
前記シンバル機構部は、前記ステージベース上に左右対称に複数設置されることを特徴とする、請求項２に記載の平面３自由度ステージ。
前記シンバル機構部は、前記ステージベースの上部と下部に配置される一対の第１のシンバル機構組；及び
前記ステージベースの両側部に配置される一対の第２のシンバル機構組を含むことを特徴とする、請求項３に記載の平面３自由度ステージ。
前記第１のシンバル機構組と前記第２のシンバル機構組は、互いに直交するように配置され、
前記第１のシンバル機構組に変位が発生する場合、前記第２のシンバル機構組は、前記第１のシンバル機構組による駆動部の並進運動を案内することを特徴とする、請求項４に記載の平面３自由度ステージ。
前記シンバル機構部は、
前記固定部と連結される内側端部；
前記内側端部の向かい側に配置され、前記駆動部と連結される外側端部；
前記駆動部と固定部との間に配置される一側端部；
前記一側端部の向かい側に配置される他側端部；
前記一側端部と前記外側端部とを連結する第１の柔軟ヒンジリンク；
前記外側端部と前記他側端部とを連結する第２の柔軟ヒンジリンク；
前記他側端部と前記内側端部とを連結する第３の柔軟ヒンジリンク；及び
前記内側端部と前記一側端部とを連結する第４の柔軟ヒンジリンクを含み、
前記一側端部と前記他側端部との間には、前記一側端部と前記他側端部との間の距離を可変させる第１の作動部材が介在することを特徴とする、請求項５に記載の平面３自由度ステージ。
前記スコット―ラッセルリンク部は、一側が前記固定部に結合される第２の作動部材の他側と結合される第１のリンク；
一側が前記第１のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結され、前記第１のリンクの移動によって回転しながら前記固定部を回転させる第２のリンク；及び
一側が前記第２のリンクと連結され、他側が前記固定部と連結される第３のリンクを含むことを特徴とする、請求項２に記載の平面３自由度ステージ。
前記回転運動機構部は、前記スコット―ラッセルリンク部の外側に配置されて前記固定部の回転をガイドする板バネをさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の平面３自由度ステージ。
前記板バネは、前記固定部の中心を基準にして同一の回転間隔で複数配列されることを特徴とする、請求項８に記載の平面３自由度ステージ。
前記並進運動機構部と前記回転運動機構部は前記ステージベースの同一平面上に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の平面３自由度ステージ。