JP6248350B2 - Precision tilt stage - Google Patents
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Description
本発明はステージを支柱により支持し、当該支柱を別途設けた駆動部材によって屈曲させる精密傾斜ステージに関する。 The present invention relates to a precision tilt stage in which a stage is supported by a support and is bent by a drive member provided separately.
現在、3次元測定等の精密測定分野に於いては被測定物を載せたステージ側を傾斜させる構造が用いられており、測定の自由度増加や測定精度の向上といった効果を付与している。当該構造の多くはヒンジを備えた支柱に圧電素子等の伸縮する駆動部材を組み合わせて構成されており、従来技術のうち代表的なものとして特開平05−304323(以下特許文献1として記載)及び特開平09−285146(以下特許文献2として記載)がそれぞれ出願、公開されている。 Currently, in the precision measurement field such as three-dimensional measurement, a structure in which the stage side on which the object to be measured is placed is tilted is used, which has the effect of increasing the degree of freedom of measurement and improving the measurement accuracy. Many of the structures are configured by combining a support member having a hinge with a drive member that expands and contracts such as a piezoelectric element. As representative examples of the prior art, Japanese Patent Laid-Open No. 05-304323 (hereinafter referred to as Patent Document 1) and Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-285146 (hereinafter referred to as Patent Document 2) has been filed and published.
これら2件のうち、特許文献1記載の構造はステージ中央に支柱を設けた変位拡大機構をその技術的特徴としており、変位調整部の太さを変えることによって角度変位させる際の剛性値を選択可能にしている。また、特許文献2記載の構造では固定部とステージとを2軸方向に変形可能な円筒型圧電素子とヒンジ付剛性支柱部材とで連結した事で走査型プローブ顕微鏡での使用に際して信頼性の向上という効果を得ている。
Of these two cases, the structure described in
上述した効果を有している一方で近年、精密プレス等の分野に於いて、加圧対象に対し微細角度を付与した状態での加圧、成型が要求されている。この様な加工に用いる角度調整機構として用いる際に、特許文献1記載の変位拡大機構はその構造上、単独で3次元方向の角度調整を行うことができないという課題を有しており、支柱の構造についても図面に記載されたヒンジの形状から、当該加工に伴う耐久性及び加工精度を維持することが困難となっている。また、特許文献2記載の構造は剛性支柱材を複数設けている為、前記角度を保った状態での加工時に、特定の支柱に応力が集中し続けてしまうという課題を有しており、耐久性の向上と小型化とを同時に行うことができない。
While having the effects described above, in recent years, in the field of precision press and the like, there is a demand for pressurization and molding in a state where a fine angle is given to a pressurization target. When used as an angle adjusting mechanism used for such processing, the displacement enlarging mechanism described in
上記課題に対して本願記載の発明では、小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージの提供を目的としている。
In order to solve the above-described problems, the invention described in the present application aims to provide a precision tilt stage that is small in size and has a high load resistance, but can be operated with high precision even at high loads.
上記目的のために本願に於ける第1の態様は、ステージ中央部に設けた支柱の側面に横方向の角溝を切り欠いたことを特徴としている。より具体的には、前述した精密傾斜ステージの基本構造として、ステージ中央に設けた支柱側面にステージの変位方向に対して直交する溝を設け、当該溝の底面を対向する反対側の面と平行でかつ前記ステージ表面に垂直に形成した事をその技術的特徴としている。 For the above purpose, the first aspect in the present application is characterized in that a lateral angular groove is cut out on a side surface of a support column provided at the center of the stage. More specifically, as a basic structure of the precision tilt stage described above, a groove perpendicular to the displacement direction of the stage is provided on the side surface of the column provided in the center of the stage, and the bottom surface of the groove is parallel to the opposite surface. In addition, its technical feature is that it is formed perpendicular to the stage surface.
更に、本願に於ける第2の態様では、前記角溝を異なる高さで直交して設けたことをその技術的特徴としている。
Further, the second aspect of the present invention is characterized in that the square grooves are provided at different heights at right angles.
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージを提供することが可能となる。また、当該効果は前記角溝を切り欠いた構造によって付与される。より詳しくは、加工時の応力が集中するステージ中央の支柱に角溝を切り欠いたことで、表裏が平行な一対の壁面を形成し、当該壁面の伸縮によって高精度な傾き測定を行うと共に、5μm以下となる数μm単位での微細な傾きを維持しつつ、前記高負荷での加工を可能にしている。 With the technical features described above, the invention described in the present application can provide a precision tilt stage that is small in size and has a high load resistance, but can be operated with high accuracy even during high loads. Moreover, the said effect is provided by the structure which notched the said square groove. More specifically, by cutting a square groove in the column in the center of the stage where stress during processing is concentrated, a pair of wall surfaces are formed parallel to the front and back, and high-precision tilt measurement is performed by stretching the wall surface, While maintaining a fine inclination in units of several μm, which is 5 μm or less, the processing with the high load is enabled.
即ち、本発明では前記角形の溝部をヒンジ部として機能させている。この為、圧電素子等のアクチュエータによってステージを傾けた際、厚さが均一となる板状のヒンジ部に溝方向に沿った曲げ応力が生じ、前記微細な傾きを高精度で維持することが可能となる。また、前記精密プレス等の加工に際し、前記板状のヒンジ部が荷重を受けることで、当該プレス加工によって支柱にかかる垂直方向の荷重は当該ヒンジ部全体に分散される。これにより、本発明記載の構造は当該荷重による応力の集中を抑えると共に、繰り返し応力を高負荷で加えられる前記加工に際しても、高い耐久性を維持することが可能となる。加えて、ステージ中央部に当該支柱を設けることで前記支柱に沿った垂直方向で作用する高負荷の繰り返し応力のうち、大部分を支柱単体が受け止める構造となり、補助的な支柱を設ける必要のない、小型の構造とすることができる。 That is, in the present invention, the square groove portion functions as a hinge portion. For this reason, when the stage is tilted by an actuator such as a piezoelectric element, a bending stress is generated along the groove direction in the plate-like hinge portion having a uniform thickness, and the fine tilt can be maintained with high accuracy. It becomes. Further, when the plate-like hinge portion receives a load during processing such as the precision press, the vertical load applied to the support column by the press processing is dispersed throughout the hinge portion. As a result, the structure according to the present invention suppresses stress concentration due to the load, and can maintain high durability even during the processing in which repeated stress is applied at a high load. In addition, by providing the support column at the center of the stage, the support column is configured to receive most of the repeated stress of high load acting in the vertical direction along the support column, and there is no need to provide an auxiliary support column. The structure can be small.
更に、本発明では前記支柱にヒンジ部を設ける事で、平行壁面によって形成される板状のヒンジ部が均一に曲がる構造とすることができる。より具体的には、SUS材等の剛性材料によって構成される支柱について、前記ヒンジ部を設けることで当該支柱の一部のみを変形可能な状態にすると共に、当該ヒンジ部を板状に構成する事で、アクチュエータによる曲げ応力を均一に作用させる事を可能にしている。これにより、本発明記載の精密傾斜ステージは支柱の曲げ応力を溝方向に揃え、前記傾けた際の変形方向を高い精度で維持することができる。 Furthermore, in this invention, it can be set as the structure where the plate-shaped hinge part formed of a parallel wall surface curves uniformly by providing a hinge part in the said support | pillar. More specifically, with respect to a support column made of a rigid material such as SUS material, by providing the hinge part, only a part of the support column can be deformed, and the hinge part is configured in a plate shape. This makes it possible to apply the bending stress by the actuator uniformly. As a result, the precision tilt stage according to the present invention can align the bending stress of the column in the groove direction and maintain the deformation direction when tilted with high accuracy.
また、本発明では剛性材料によって支柱を構成することで、ステージの傾きに対して常にヒンジ部が変形する構造となっている。この為、前記一対の壁面に歪みゲージ等のセンサ素子をそれぞれ取り付けることで、前記一部のみ変形可能となったヒンジ部の変位出力により高い精度での傾き制御を可能にしている。加えて、当該センサ素子を各ヒンジ部に設けることでセンサを内蔵した構成となり、省スペース化という効果をも得ている。 Further, in the present invention, the support is made of a rigid material, so that the hinge portion is always deformed with respect to the tilt of the stage. For this reason, by attaching sensor elements such as strain gauges to the pair of wall surfaces, it is possible to control the tilt with high accuracy by the displacement output of the hinge part that is only deformable. In addition, by providing the sensor element in each hinge portion, the sensor is built in, and the effect of saving space is also obtained.
また、本願第2の態様を用いることで本発明記載の精密傾斜ステージは、XY方向での傾きについて上記効果を付与することができる。即ち、本態様では前記ヒンジ部を直交して設けたことで、各ヒンジ部に於いて捻り方向の変形を抑えている。より具体的には、直交方向に各ヒンジ部を設けることで、それぞれの板状ヒンジ部が各ヒンジ部に対応して設けられたアクチュエータから相互に生じる応力は互いの変形方向と直交する。この為、本態様を用いることで回転方向の捻り応力を生じることなく、任意の方向へと前記ステージを傾斜させることが可能となる。尚、本発明記載の精密傾斜ステージは当該支柱を中央に設けている。この為、本態様を用いることで低下する支柱の剛性は、支柱のみの断面積拡大等によって容易に補うことができる。加えて、前記変形方向を揃えたことによってXY方向の各ヒンジ部に設けたセンサは常に一方向の変位のみを検出する構造となり、当該軸の独立性向上による制御の簡易化という効果もまた、付与することができる。 In addition, by using the second aspect of the present application, the precision tilt stage described in the present invention can provide the above-described effect with respect to tilt in the XY directions. That is, in this aspect, the hinge portions are provided orthogonally, so that deformation in the twisting direction is suppressed in each hinge portion. More specifically, by providing the hinge portions in the orthogonal direction, the stresses generated from the actuators in which the respective plate-like hinge portions are provided corresponding to the hinge portions are orthogonal to the deformation directions. For this reason, it becomes possible to incline the said stage to arbitrary directions, without producing the twisting stress of a rotation direction by using this aspect. The precision tilt stage according to the present invention has the support column at the center. For this reason, the rigidity of the support | pillar which reduces by using this aspect can be easily supplemented by the cross-sectional area expansion of a support | pillar only. In addition, by arranging the deformation direction, the sensors provided in the hinge portions in the XY directions always have a structure that detects only displacement in one direction, and the effect of simplification of control by improving the independence of the axis is also achieved. Can be granted.
以上述べたように、本願請求項記載の構造を用いることによって小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージを提供することができる。
As described above, by using the structure described in the claims of the present application, it is possible to provide a precision tilt stage that is small in size and has a high load resistance, but can be operated with high accuracy even during high loads.
以下に、図1、図2、及び図3を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。 Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG. In addition, about the symbol and component number in a figure, the common symbol or number is provided to what functions as the same component.
図1に本実施形態に於いて用いる精密傾斜ステージの全体斜視図を、図2に同分解斜視図を、そして図3に図1の動作説明図を、それぞれ示す。尚、図2中の歪みゲージ、図1、図2及び図3に於けるアクチュエータ及び歪みゲージの配線並びに制御機構については、図中での記載を省略している。 FIG. 1 is an overall perspective view of a precision tilt stage used in the present embodiment, FIG. 2 is an exploded perspective view thereof, and FIG. 3 is an operation explanatory diagram of FIG. Note that the strain gauge in FIG. 2, the wiring of the actuator and strain gauge in FIG. 1, FIG. 2, and FIG. 3, and the control mechanism are not shown in the figure.
図1及び図2から解るように、本実施形態ではステージ1、支柱T、台座BをSUS材にて一体に成形しており、ステージ中央に設けた角柱形状の支柱側面Hに対して、ステージ表面に平行となる横方向の角溝Dを2箇所ずつ、異なる高さに直交して形成している。また、本実施形態ではステージ表面Sを50mm角の平面に構成しており、圧電素子2によって駆動される梃子型構造の変位拡大機構2から出力される縦方向の伸縮力によってステージ表面Sを傾ける構造となっている。尚、当該傾けた際の変位は溝部Dによって形成したヒンジ部Wに固着され、垂直方向の変位を計測する歪みゲージ4の測定値を元に制御される。この様な基本構造を用いたことで本実施形態記載の精密傾斜ステージは、XY軸での各可動範囲3μm、耐荷重500Nでのステージ表面Sを用いた精密プレス加工が可能となった。
As can be seen from FIGS. 1 and 2, in this embodiment, the
即ち、図3に示すように、本実施形態では前記角形の溝部Dを設けることで前記ヒンジ部Wのみの変形を可能にしている。この為、アクチュエータによってステージ表面Sを傾けた際、厚さ均一となる板状のヒンジ部Wに対し、溝方向dに並んだ曲げ応力Fが生じ、前記微細な傾きを高精度で維持することが可能となる。また、前記精密プレス加工に際し、前記板状のヒンジ部Wが荷重を受けることで、支柱にかかる垂直方向の荷重は当該ヒンジ部全体に分散される。ここで、本実施形態ではヒンジ部Wを角溝により構成したことで、丸溝により構成した際に生じる曲げ応力の偏りを防いでいる。この為、本発明記載の構造は当該荷重による応力の集中を抑えると共に、繰り返し応力を高負荷で加えられる前記加工に際しても、高い耐久性を維持することが可能となる。加えて、ステージ中央部にて当該支柱を一体化させたことで、前記支柱Tに沿った垂直方向で作用する高負荷の繰り返し応力のうち、大部分を支柱単体が受け止める構造となり、小型、高耐久での使用が可能な構造とすることができた。 That is, as shown in FIG. 3, in the present embodiment, only the hinge portion W can be deformed by providing the square groove portion D. For this reason, when the stage surface S is tilted by the actuator, a bending stress F aligned in the groove direction d is generated on the plate-like hinge portion W having a uniform thickness, and the fine tilt is maintained with high accuracy. Is possible. Further, when the plate-like hinge portion W receives a load during the precision press working, the vertical load applied to the support is dispersed throughout the hinge portion. Here, in the present embodiment, the hinge portion W is configured by a square groove, thereby preventing an uneven bending stress generated when the hinge portion W is configured by a round groove. For this reason, the structure according to the present invention can suppress the concentration of stress due to the load and maintain high durability even during the processing in which repeated stress is applied at a high load. In addition, by integrating the column at the center of the stage, the column has a structure in which most of the repeated stress of high load acting in the vertical direction along the column T is received by the column alone. The structure can be used for durability.
更に、本実施形態では前記支柱に設けたヒンジ部Wに関し、平行壁面によって形成される板状のヒンジ部Wが均一に曲がる構造となっている。より具体的には、支柱Tに溝部Dを設けたことにより支柱の一部となるヒンジ部Wのみを変形可能な状態にすると共に、前記微細な傾きを加えた際、アクチュエータによる曲げ応力Fをヒンジ部Wに対して均一に作用させる事が可能となった。これに伴い、本実施形態の精密傾斜ステージは支柱の曲げ応力Fを溝方向dに揃え、前記応力下に於いても、傾けた変位を高い精度で維持することができる。また、前述した様に本実施形態ではSUS材によりステージ1に支柱Tと台座Bとを一体に形成したことで、ステージ1の傾きに対して常にヒンジ部Wが変形する構造となっている。この為、当該一対の壁面からなるヒンジ部Wに歪みゲージ4を取り付けることで、前記一部のみ変形可能となったヒンジ部Wの変位出力による高い精度での傾き制御が可能となった。加えて、歪みゲージ4を各ヒンジ部Dに設けたことでセンサを内蔵した構成となり、全体的な省スペース化という効果をも得ている。
Furthermore, in this embodiment, regarding the hinge part W provided on the support column, a plate-like hinge part W formed by parallel wall surfaces is bent uniformly. More specifically, by providing the groove portion D in the support column T, only the hinge portion W that is a part of the support column is made deformable, and when the fine inclination is applied, the bending stress F by the actuator is changed. It has become possible to act uniformly on the hinge W. Accordingly, the precision tilting stage of the present embodiment aligns the bending stress F of the column in the groove direction d, and can maintain the tilted displacement with high accuracy even under the stress. Further, as described above, in the present embodiment, the support T and the base B are integrally formed on the
また、本実施形態記載の精密傾斜ステージでは、XY方向での傾きについて上記効果を付与している。即ち、前記溝部Dを直交して設けたことで、それぞれの溝部Dにより形成されたヒンジ部Wが各アクチュエータから受ける応力Fは、互いの変形方向に対して直交する。この為、本実施形態記載の支柱はヒンジ部Wについて回転方向の捻り応力を生じることなく、任意の方向へとステージ1を傾斜させることが可能となる。尚、本実施形態では当該支柱Tをステージ中央に設けている。この為、更なる高負荷での使用が必要とされた際には、支柱Tの断面積拡大等によって容易に耐荷重性を向上することができる。加えて、前記変形方向を揃えたことによってXY方向の各溝部に設けた歪みゲージ4は常に一方向の変位のみを検出する構造となり、当該軸の独立性向上による制御の簡易化が可能となった。
In the precision tilt stage described in this embodiment, the above-described effect is imparted with respect to tilt in the XY directions. That is, by providing the grooves D orthogonally, the stress F received from each actuator by the hinge W formed by each groove D is orthogonal to the deformation direction. For this reason, the support column described in the present embodiment can tilt the
以上述べたように、本願実施形態記載の構造を用いることによって、小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージを提供することができた。
As described above, by using the structure described in the embodiment of the present application, it is possible to provide a precision tilt stage that is small in size and has a high load resistance, but can be operated with high accuracy even at high loads.
1 ステージ
2 変位拡大機構
3 圧電素子
4 歪みゲージ
B 台座
H 支柱壁面
T 支柱
S ステージ表面
D 溝部
d 溝方向
W ヒンジ部
F 曲げ応力
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