JPH03175507A - 多軸位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、超精密加工、半導体製造装置等の微細な位置
調整を必要とする装置に使用される多軸位置決め装置に
関する。

［従来の技術］ レーザ加工等の超精密加工や半導体製造装置等において
は１μｍオーダ以下の微細な位置決めや位置合わせが必
要であると同時に、それらの前段における冊オーダの比
較的大きな移動も要求される。このような条件を満たす
ものとして、粗動ステージ上に微動機構を載置した多軸
位置決め機構が提案されている。これを図により説明す
る。

第６図は従来の多軸位置決め装置の側面図である。図で
、ｘ、ｙ、ｚは座標軸を示す。１は大きな移動量を担当
する粗動ステージ、２はＸ軸移動機構１ＸおよびＹ軸移
動機構ＩＹにより駆動されるプレー１〜，３はプレート
２上に載置された微動機構である。微動機４１！３は微
細変位を担当し、Ｘ。

Ｙ、Ｚ軸方向の並進変位およびｘ、ｙ、ｚ軸まわりの回
転変位を発生する。このような微動機構３は例えば特開
昭６１−２０９８４６号公報等により提示されていて公
知である。４は微動機構３に固定されたテーブルであり
、位置決めの対象となる物体が載置される。５はテーブ
ル４の隣接する２つの辺に固定されたＬ型ミラーである
。以上の構成において、粗動ステージ１、テーブル４お
よびＬ型ミラー５については図を用いてさらに詳述する
。７はテーブル４の変位検出信号を入力しこれに応じて
粗動ステージ■や微動機構３の制御信号を出力する制御
装置、８は粗動ステージ１の開動を制御するステージコ
ントローラ、９は微動機構３の開動を制御する微動コン
トローラである。

第７図は第６図に示す多軸位置決め装置の平面図である
。図で、４はテーブル、５Ｘ、５ＹはそれぞれＬ型ミラ
ー５の各辺のミラーを示す、１０Ｘはミラー５Ｘと対向
して設置されテーブル４のＸ軸方向の変位を検出するレ
ーザ変位計、ＩＯＹはミラー５Ｙと対向して設置されテ
ーブル４のＹ軸方向の変位を検出するレーザ変位計であ
る。各レーザ変位計↓ＯＸ、ＩＯＹは検出した変位をそ
れに相当する電気信号に変換して出力する。１１はレー
ザ変位計１０Ｘ、ＩＯＹの出力信号を増幅する増幅器で
あり、増幅された信号は制御装置７に出力される。なお
、破線で示される１３はＸ。

Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位を検出しこれに相当する電気
信号を出力する検出器、１４は増幅器を示すが、これら
については後述する。

第８図は第６図に示す粗動ステージの斜視図である。図
で、１６Ｘはベース、１７Ｘは移動プレート、１８Ｘは
移動プレート１７Ｘに取付けられたねじ部（図には現れ
ていない）と係合するボールねじ、１９Ｘはボールねじ
１８Ｘを回転開動させるモータ、２０Ｘは移動プレート
１７Ｘを案内する案内面を示す。これらによりＸ軸移動
機構１Ｘが構成される。同じく、Ｙ軸移動機構↓Ｙは、
移動プレート１７Ｘ上に固定されたベース１６Ｙ、移動
プレート１７Ｙ（第６図に示すプレート２に相当する）
、ボールねじ１８Ｙ、モータ１９Ｙ。

案内面２０Ｙにより構成される。移動プレート１７Ｙ上
に微ｔ）Ｊ機構３が載置固定されることになる。

上記第６図〜第８図に示す従来の多軸位置決め装置にお
いて、制御装置７の指令により、ステージコントローラ
８がモータ１９Ｘを開動すると、ボールねじ１８Ｘが回
転し移動プレート１７Ｘが案内面２０Ｘに案内されてＸ
軸方向へ移動し、これによりテーブル４もＸ軸方向に同
ストロークだけ移動する。同様に、モータ１９Ｙの駆動
によりテーブル４はＹ軸方向に同ストロークだけ移動す
乙。又、制御装置７の指令により微動コントローラ９が
微動機構３を開動すると、テーブル４はこれに応じて変
位する。Ｘ軸方向の移動量や変位量はレーザ変位計１０
Ｘで検出され、Ｙ軸方向の移＄ＪＪｔや変位量はレーザ
変位計１０Ｙで検出され。

制御装置７によりフィードバック制御が行なわれる。な
お、微ｌＩＪ機構３のＺ軸方向の位進変位およびｘ、ｙ
、ｚ軸まわりの回転変位の大きさは微動機構３の各軸毎
に設けられた変位検出器（ひずみゲージを用いたブリッ
ジ回路）により検出され、これにより制御装置７のフィ
ードバック制御が行なわれる。通常、粗動ステージ１は
数百ｍ〜数μｍのストローク範囲を担当し、微動機構３
は数十μｍ〜１／１００μｍのストローク範囲を担当す
る。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、第８図に示す粗動ステージにおいては、ボー
ルねじ１８Ｘ、１８Ｙ、および案内面２０Ｘ、２０Ｙの
加工の加工精度に限度があること、さらに、ボールねじ
１８Ｘ、１８Ｙには自重によるたわみが存在することに
より、粗動ステージ１が開動されたとき、移動プレート
１７Ｘ。

１７Ｙ、ひいてはテーブル４に極く僅かではあるが、Ｘ
軸まわりの傾き（ローリング）、Ｙ軸まわりの傾き（ピ
ッチング）、Ｚ軸まわりのブレ（ヨーイング）、Ｚ軸方
向の変位が生じるのを避けることはできない。そして、
これら傾き、ブレ、変位は、当然位置決め誤差となって
現れ、１／１０μｍ、１／１００μｍの超高精度の位置
決めに支障を生じることになる。

もつとも、これら傾き、ブレ、変位は、第７図に破線で
示す検出器１３１例えば静電容量型変位検出器を用いて
検出することができ、この検出値に基づいてそれらを修
正する手段も考えられるが、これら静電容量型変位検出
器１３は外部に固定されていて、テーブル４の長ストロ
ークの移動範囲をカバーすることはできず、したがって
、長ストロークの移動が行なわれる位置決め装置に適用
することはできない。又、テーブル４の周辺および上部
に設置位置を必要とするので、位置決め装置の占有面積
を大幅に増大するという不都合も生じる。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
移動量の大きなステージで発生する誤差を外部の測定器
を用いることなく補正することができる多軸位置決め装
置を提供するにある。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため１本発明は、第１の軸方向へ
移動する第１のステージおよびこの第１のステージと連
結され前記第１の軸方向に直交する方向に移動する第２
のステージで構成される粗動機構と、前記第２のステー
ジと連結され前記第１の軸方向、前記第２の部方向およ
びこれら各軸方向に直交する第３の軸方向にそれぞれ並
進変位するとともに前記３つの軸方向の軸まわりに回転
変位する微動機構と、この微動機構上に備えられたテー
ブルとで構成される多軸位置決め装置において、前記テ
ーブル上の基準点の移動範囲内の多数の所定位置につい
て予め測定された変位誤差を各所定位置毎に記憶する記
憶装置と、前記粗動機構を用いた位置決め毎に前記記憶
装置に記憶された誤差データに基づいて前記微動機構を
邸動して誤差修正を行なう修正手段とを設けたことを特
？ｌｌとする。

［作用］ 第１のステージおよび第２のステージのうちの一方また
は両方を使用する位置決めが行なわれたとき、記憶装置
から当該位置決めされた位置における変位誤差がとり出
される。この変位誤差に基づいて微動機構が除動され、
誤差が修正されて超高精度の位置決めがなされる。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る多軸位置決め装置の側面
図である。図で、第６図に示す部分と同一または等価な
部分には同一符号を付して説明を省略する。７′は第６
図に示す制御装置に相当する制御装置であるが、第６図
に示すものとはその制御態様を異にする。２２はさきに
述べた粗動ステージ１を用いた移動により生じる変位誤
差を記憶する記憶装置である。この記憶装置２２につい
ではさらに後述する。３０は微動機構を示し、Ｘ。

Ｙ軸方向の並進変位を生じる変位機構３１、変位機構３
１に取付けられるプレート３２、このプレート３２の隣
接する２辺に設けられたＬ型ミラー３３、およびプレー
ト３２に取付けられＺ軸方向の並進変位とｘ、ｙ、ｚ軸
まわりの回転変位を発生する変位機構３４で構成されて
いる。なお、Ｌ内 型ミラー３３に対応するレーザ変位計および増幅器の図
示は省略されている。

第２図は第１図に示す微動機構の分解斜視図である。変
位機構３１は中心剛体部ＣからＸ、Ｙ軸方向に張出した
４つの張出し部を有し、Ｘ軸方向の２つの張出し部はプ
レート２に固定され、Ｙ！ｌｆｔ方向の張出し部はリン
グＦに固定されている。圧電素子Ｐ工＋Ｐ２に電圧を印
加してこれを乱動することによりリングＦはＹ軸方向に
、又、圧電素子ｐ、、ｐ、に電圧を印加してこれを腫動
することによりリングＦはＸ軸方向に変位する。Ｓはひ
ずみゲージであり、変位の大きさを検出する。プレート
３２は変位機構３１のリングＦに固定される。

変位機構３４は、Ｚ軸まわりの回転変位θ２を発生する
変位機構３４ａおよびＺ軸方向の並進変位とＸ、Ｙ軸ま
わりの回転変位θ８．θ、を発生する変位機Ｊａ３４ｂ
で構成されている。変位機構３４ａは中心剛体部Ｃとリ
ングＦとを複数のたわみ梁で連結して構成され、中心剛
体部ＣとリングＦとの間に装架された圧電素子Ｐに電圧
を印加してこれを乱動することにより２軸まわりの回転
変位θ２を発生する。リングＦはプレート３２に固定さ
れている。又、たわみ梁には図示されていないがひずみ
ゲージＳが貼着されている。

変位機構３４ｂは、２つの剛体部３４ｂ１．３４ｂ２お
よびこれら剛体部３４ｂ□、３４ｂ２に等間隔で連結さ
れた３つの変位発生部３４ｂうで構成されている。各変
位発生部３４ｂ、の圧電素子Ｐに印加する電圧の大きさ
により、剛体部３４ｂ４に。

Ｚ軸方向の並進変位、ｘ、ｙａ＋まわりの回転変位θ工
、θ、が発生する。剛体部３４ｂ２は変位機構３４ａの
中心剛体部Ｃに固定され、又、剛体部３４ｂ０にはテー
ブル４が固定される。このような微動機構は、例えば平
或元年２月５日１株式会社新技術］ミュニケーションズ
発行「ＯプラスＥＪ誌２月号通巻１１１号、９９頁〜１
０６頁に詳細に記載されている。

ここで、第１図に示す記憶装置２２について説明する。

前述のように、変位誤差（ローリング、ピッチング、ヨ
ーイング、Ｚ軸方向の誤差）が生じる原因は、粗動ステ
ージ１のボールねじ１８Ｘ。

１８Ｙや案内筒２０Ｘ、２０Ｙの加工精度、ボールねじ
１８Ｘ、１８Ｙの自重によるたわみにある。

したがって、変位誤差の大きさは位置によって異なる値
となる。本実施例では、移動範囲内における多数の位置
を定め、予めこれら各位置毎に変位誤差を測定してその
データを記憶装置２２に記憶させる。これを第３図を用
いてさらに説明する。

第３図はテーブル４上に定められた基準点の移動範囲内
における座標を示す図である。図では。

横軸にＸ軸、縦軸にＹ軸がとられ、１２個所の移動位置
のＸ−Ｙ座標がＯ印で示されている。Ｘ工〜Ｘ４．Ｙ□
〜Ｙ４は等間隔のＸ座標値およびＹ座標値を示す。本実
施例では、第１図に示す機構を用いて、予め基準点をこ
れらＸ−Ｙ座標のＯ印で示される定められたすべての位
置に移動させ、各位置において検出器（例えば、静電容
量型検出器、オートコリメータ等）によりθＸ（主にロ
ーリング）、θ１（主にピッチング）、θ２（主にヨー
イング）およびＺ軸方向の変位誤差（Δ２）を測定し、
これら測定した４つの値をそれぞれの位置に対応させて
記憶装置２２に記憶しておく。さらに。

Ｘ、Ｙ軸方向の誤差についても記憶されるが、この誤差
については後述する。

次に、本実施例の動作を説明する。外部からの指令に応
じて制御装置７′はステージコントローラ８および微動
コントローラ９に信号を出力し、ｘ−Ｙ位置決めを行な
う。次いで、制御装置７′はこの位置決めにおける基準
点の座標における変位誤差Ｏｘ、θ、θ２．Δ２を記憶
装置２２からとり出し、これら変位誤差に応じて微動コ
ントローラ９に信号を出力し、微動コントローラ９は変
位機構３４ａ、３４ｂの圧電素子Ｐの所要のものに所要
の電圧を印加する。これにより、変位誤差は修正されて
正確な位置決めを行なうことができる。

また、基準点の座標が記憶装置２２に記憶されている座
標以外の座標である場合には、制御装置７′は、基準点
の座標の両側にある記憶されている座標のデータをとり
出し、直線近似を用いた演算を行なうことにより当該基
準点の座標の変位誤差を算出し、この値を用いて上記修
正を行なう。

ところで、上記変位誤差の修正において、誤差ＯＸ＋　
θア、θ２を修正した場合、Ｘ軸方向やＹ軸方向に極め
て微小ではあるがずれを生じる場合がある。これを第４
図（ａ）、（ｂ）および第５図（ａ）、（ｂ）を参照し
て説明する。各図で、２，４はそれぞれ第１図に示すプ
レートおよびテーブル、Ｏはテーブル４上にある微動機
構３０の回転中心である。

今、第４図に示すように、ある座標において、プレート
２上の点○、を中心にＸ軸まわりに破線のように回転し
ている変位誤差θ工が生じているものとする。なお、以
下述べる変位誤差は理解を容易にするため極度に誇張し
て描いであるが、実際には数十μｒａｄ程度である。こ
の場合、微動機構３０により逆方向に値θ工の回転変位
を発生させ、次いでＺ軸方向上方に値Δｚ１だけ並進変
位を発生させる（回転変位と並進変位の発生は逆にして
もよいし同時でもよい）。しかし、これだけでは、点Ｏ
は本来位置すべき個所からＹ軸方向に値Δｙ１だけずれ
た個所に位置することになる６したがって、本実施例で
は、このずれの値Δｙ１も測定して、値ＯＸｒ　ΔＺ１
とともに記憶装置２２に記憶しておき、変位誤差修正時
にこのずれの修正をも行なうようにする。

一方、他の座標においては、第４図（ｂ）に示すように
、点０２を中心にＸ軸まわりに破線のように回転してい
る変位誤差θ工が生じているものとする。この場合の変
位誤差の修正は、微動機構３０により逆方向に値θ工の
回転変位を発生させた後、Ｚ軸方向において下方に値Δ
２だけ並進変位を発生させる。このような修正を行なっ
たとき、点ＯはＸ軸方向に値Δｙ２だけずれる。したが
って、この値Δｙ２も記憶装置２２に記憶され、変位誤
差修正時に使用される。以上、変位誤差θ、が発生して
いる場合のずれについて説明したが、変位誤差θ１が発
生しているときのずれΔＸについても同様に記憶装置２
２に記憶され変位誤差修正に使用される。

第５図（ａ）、（ｂ）は変位誤差θ２が発生している場
合のテーブル４の平面図で、第５図（ａ）は変位誤差θ
２の回転中心が微動機構３０の回転中心０と−ｍしてい
る場合を示す図であり、又、第５図（ｂ）は変位誤差θ
２の回転中心０２が微動機構３０の回転中心Ｏと異なる
場合を示す図である。第５図（ａ）に示す場合は単に変
位誤差θ２の修正のみでよいが、第５図（ｂ）に示す場
合には、微動機構３０により逆方向に回転変位０２を発
生しただけではＸ軸方向およびＹ軸方向に、図に２つの
点○で示すようにずれが生じるのは明らかである。した
がって、この場合も、ずれΔＸ、Δｙが記憶装置に記憶
され、変位誤差修正時に使用されることになる。

このように、本実施例では、予め各座標における変位誤
差およびそれに伴なうＸ軸およびＹ軸方向のずれの値を
記憶装置に記憶させ、記憶されたデータに基づいて微動
機構により位置の修正を行なうようにしたので、超高精
度の位置決めを行なうことができる。又、微動機構のＸ
−Ｙ並進変位機構にＬ型ミラーを結合するようにしたの
で、微動機構上部に取付けられるテーブルの重量と大き
さを小さくすることができ、テーブルの微動機構に対す
る悪影響を減少することができ、さらに、Ｌ型ミラーの
長さを長くしても微動機構には悪影響を与えないので、
長さを長くして粗動ステージのどのような長ストローク
にも対応せしめることができる。

なお、上記実施例の説明では、変位誤差を修正したとき
のずれをも記憶装置に記憶し、このずれの補正も行なう
例について説明したが、前述のように、このずれは極め
て微小な値であるので、無視しても差支えない場合がし
ばしばあり、そのような場合には、当該ずれを記憶装置
に記憶させる必要はない。

［発明の効果コ 以上述べたように、本発明では、粗動ステージの移動に
よって生じる変位誤差を、定められた多数の位置毎に予
め測定し、その測定された変位誤差を記憶装置に記憶し
、これに基づき微動機構により変位誤差を修正するよう
にしたので、外部に測定装置を設けなくても変位誤差を
修正することができ、ひいては超高精度の位置決めを行
なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第■図は本発明の実施例に係る多軸位置決め装置の側面
図、第２図は第１図に示す微動機構の分解斜視図、第３
図はＸ−Ｙ座標を示す図、第４図（ａ）、（ｂ）は変位
誤差発生の説明図、第５図（ａ）、（ｂ）はテーブルの
平面図、第６図および第７図はそれぞれ従来の多軸位置
決め装置の側面図および平面図、第８図は第６図に示す
粗動ステージの斜視図である。 １・・・・・粗動ステージ、４・・・・・・テーブル、
３０・・・・・微動機構、３１．３４・・・・・・変位
機構、３２・・・プレート、３３・・・・・・Ｌ型ミラ
ー第 １ 図 第 図 第 図 （ａ） （ｂ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の軸方向へ移動する第１のステージおよびこの第１
   のステージと連結され前記第１の軸方向に直交する方向
   に移動する第２のステージで構成される粗動機構と、前
   記第２のステージと連結され前記第１の軸方向、前記第
   ２の軸方向およびこれら各軸方向に直交する第３の軸方
   向にそれぞれ並進変位するとともに前記３つの軸方向の
   軸まわりに回転変位する微動機構と、この微動機構上に
   備えられたテーブルとで構成される多軸位置決め装置に
   おいて、前記テーブル上の基準点の移動範囲内の多数の
   所定位置について予め測定された変位誤差を各所定位置
   毎に記憶する記憶装置と、前記粗動機構を用いた位置決
   め毎に前記記憶装置に記憶された誤差データに基づいて
   前記微動機構を駆動して誤差修正を行なう修正手段とを
   設けたことを特徴とする多軸位置決め装置。