JPH0360937A

JPH0360937A - 微動ステージ装置

Info

Publication number: JPH0360937A
Application number: JP19654489A
Authority: JP
Inventors: Tatsuyuki Suyama; 壽山　竜之; Hiroshi Tanemoto; 種本　啓; Yoshinari Kobayashi; 良成小林
Original assignee: Nidec Sankyo Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: Nidec Sankyo Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1991-03-15

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、超精密機器などにおいて超精密位置決めなど
のために使用される微動ステージ装置に関する。更に詳
述すると、本発明はてこの原理を用いた変位拡大機構と
圧電素子もしくは電歪素子とを利用して圧電素子もしく
は電歪素子の微小変位を拡大して微動ステージを移動す
るようにした微動ステージ装置に関すみ。

（従来の技術）超精密位置決め技術の要求は近年益々高くなっている０
例えば超ＬＳＩの回路パターンをウェハに焼き付ける露
光装置のテーブル、電子ビームやイオンビーム加工機あ
るいは検査装置の位置決めテーブル、走査型電子類ｔａ
！１１や走査型トンネル顕微鏡などの超精密機器などの
位置決め装置にあっては、Ｏ，Ｉｎ以下の位置決め精度
が要求される。

このような超精密位置決めテーブルの位置決め方式とし
ては、サーボモータにボールねじを利用したものが一般
的であるが、０．１−以下の位置決め精度を達成するだ
けの機械加工精度を量産ラインに実用化することは現状
の技術水準では困難である。

そこで、圧電素子もしくは電歪素子をアクチュエータと
し、板ばねでステージを案内する方式が従来考えられて
いる。

例えば、第７図（Ａ）、　（Ｂ）に示すように、テーブ
ル１０１の一部に厚さ数面の薄肉部から成る板ばね１０
２を圧電素子もしくは電歪素子１０３．１０３の変位方
向と直交させて設け、全体を平板構造としたものがある
。この微動ステージ装置において、直進ユニットは、微
動テーブル１０１と固定部１０４との間に設けた２個の
圧電素子もしくは電歪素子１０３に電圧をかけて同じ方
向に伸ばすことによって、板ばね１０２部分を変形させ
て仮想線で示すような変位を得るものである。

また、第８図（Ａ）、　（Ｂ）に示すように、微動ステ
ージ２０１の四隅に切欠きばね２０２を形醜し、互いに
直交するＸ＠駆動用圧電素子もしくは電歪素子２０３と
Ｙ軸駆動用圧電素子もしくは電歪素子２０４とによって
駆動するようにしたものであるにのテーブルは微動ステ
ージ２０１と固定部２０５とを連結する架橋部２０６に
３組の縦穴２０７を穿孔してその間で薄肉の切欠きばね
２０２を構成するようにしている。また、切り欠きばね
２０２だけで負荷を支えることは難しいので、微動ステ
ージ２０１の下に配置した４個所の金属球で負荷を支え
るようにしている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、第７図の微動ステージ装置の場合、２つ
の圧電素子もしくは電歪素子１０３，１０３をサブミク
ロン又はサブサブミクロン単位で同じ量だけ変位させる
ことによって移動させるため、その調整が難しく、２つ
の圧電素子もしくは電歪素子１０３．１０３のばらつき
により平行移動とならないこともある。また、第８図の
微動ステージ装置の場合、切り欠きばね２０２を穴あけ
加工によって形成するため、ばね２０２の厚さのむらを
完全に無くすことが難しい、したがって、同一方向の移
動でも両端部では同じ移動量とはならない問題を包含し
ている。

本発明は、小型でしかも精度良く位置決めができるよう
にした微動ステージ装置を提供することを目的としてい
る。

（課題を解決するための手段）かかる目的を達成するため、本発明は、ベースと、この
ベースに対して可動自在に設けられた微動ステージと、
この微動ステージに−＠側が固定され池＠側が印加電圧
の大きさに応じて変位する圧電素子もしくは電歪素子と
、ベースに支持されると共に圧電素子もしくは電歪素子
の変位を拡大して微動ステージに伝達する変位拡大機構
とを備えた微動ステージ装置において、上記変位拡大機
構は微動ステージの中にあり、かつベースに取付けられ
る固定部と、この固定部の両端から微動ステージの移動
方向とほぼ直交する方向にそれぞれ延び微動ステージと
一体に形成された可動部と、この可動部の一部を成し圧
電素子もしくは電歪素子が当接する当接部とから成り、
固定部と可動部及び当接部を微動ステージと一体に形成
するようにしでいる。

また、本発明の微動ステージ装置の上記変位拡大機構は
微動ステージの中にあり、かつベースに取付けられる固
定部と、この固定部の一端に当接し他端が上記微動ステ
ージと一体に形成された一対の可動部と、この可動部の
一部を成し上記圧電素子もしくは電歪素子と当接する当
接部とを有している。

（作用）したがって、いずれか一方の圧電素子もしくは電歪素子
に所定電圧が印加されると、その変位が圧電素子もしく
は電歪素子と当接部との接点たる力点Ａにおいて変位拡
大機構の可動部の前述の変位方向への変位となるが、可
動部の先端はベース開に取付けられている固定部に固定
されているので移動できず、作用反作用の関係からこの
固定部に作用した力と同じ力が反対方向に作用しかつ可
動部の他端側の微動ステージに拡大されて伝達され、微
動ステージ全体を圧電素子もしくは電歪素子の変位方向
とは逆方向に移動させる。

（実施例）以下、本発明の構成を図面に示す実ａ例に基づいて詳細
に説明する。

第１図〜第３図に本発明の微動ステージの実腫例を示す
、この微動ステージ装置は、ベース１と、このベース１
に対して摺動自在に設けられた微動ステージ２と、この
微動ステージ２に一１ｆｌ！ｌが固定され他＠側が印加
電圧の大きさに応じて変位する圧電素子もしくは電歪素
子１１．１２と、ベース１に支持されると共に圧電素子
もしくは電歪素子１１．１２の変位を拡大して微動ステ
ージ２に伝達する変位拡大機構５とから成る。この微動
ステージ２は、第１図において、Ｘ軸方向即ち左右方向
に微動ステージ２を移動可能としている。

前記ベース１は他の部材等に固定され、その上に＠動ス
テージ２がベース１に対して平行に移動可能に搭載され
ている。Ｒ動ステージ２の移動方向は、ガイド３，４よ
って規制され、ベース１に対し平行でかつ一軸方向に設
定されている。ガイド３．４は、例えば微動ステージ２
１１１に固定される雌型ガイド部材２０ａとベースＩｌ
ｌ！Ｉに固定される雄型ガイド部材２０ｂとから成り、
ねじ等を用いて取付けられている。

変位拡大機構５は、ベース１開に固定される固定部６と
、微動ステージ２側に固定されて圧電素子もしくは電歪
素子１１．１２の作動によって変位する１対の可動部７
，８とによって構成されるばね構造である。可動部７．
８の一端に固定部６が、他端に微動ステージ２が夫々配
置され、一体に形成されている。そして、固定部６は２
本のねじ１８によりスペーサ１７を介在させてベース１
に固定されている。また、可動部７．８の微動ステージ
２寄りのところには、圧電素子もしくは電歪素子１１．
１２がそれぞれ当接する当接部９゜１０が設けられてい
る。この当接部９，１０は、圧電素子もしくは電歪素子
１１．１２と当接する面９ａ、１０ａが曲面あるいは球
面とされ、圧電素子もしくは電歪素子１１．１２に変位
が生じても当接面９ａ、１０ａの当たる位置が変化しな
いように設けられている。即ち、最初に当接している軸
上で当接部９，１０と圧電素子もしくは電歪素子１１．
１２とは常に当接し、当たる面積も変化しない。

可動部７．８は、圧電素子もしくは電歪素子１１．１２
の微小変位を拡大するてこの機能を有する。したがって
、微動ステージ２を動かすとき、力のかかる位置（力点
）Ａは圧電素子もしくは電歪素子１１．１２と当接する
当接部９，１０となり、てこの回転運動の中心となる支
点Ｂは可動部７．８の微動ステージ２側となり、力が作
用する位置（作用点）Ｃは固定部６ＩＩ！Ｉとなる。尚
、支点Ｂ及び作用点Ｃの部分は変位しやすいように薄肉
とされている。

固定部６は、位置決めピン１９によってベース１に対し
位置決めされたスペーサ１７上にねじ１８によって固定
されている。

尚、支点Ｂと作用点Ｃとを結ぶ線は、できるだけＸ軸（
微動ステージの変位方向・移動方向）と垂直となるよう
に、即ち支点Ｂに働く力の方向と作用点Ｃに鋤く力の方
向が一致するように設けることが好ましい、力の方向が
一致せず変化すると、力のロスが発生し易＜、ｆｆｉ動
スデステージ２動効率が悪化し、精度よく制御できない
。

圧電素子もしくは電歪素子１１．１２は、ベース１上に
固定された圧電素子もしくは電歪素子用ホルダー１３．
１４に支持され、変位拡大Ｒ構５の可動部７．８と微動
ステージ２との間に設置されている。この圧電素子もし
くは電歪素子１１゜１２は、一端が可動部７，８の当接
部９，１０の当接面９ａ、１０ａに夫々当接され、他端
がねじ１５を介して微動ステージ２に固定されている。

圧電素子もしくは電歪素子用ホルダー１３．１４は圧電
素子もしくは電歪素子１１．１２を支持しつつその側方
をＭＭし、圧電素子らしくは電歪素子１１．１２を変位
する方向即ち軸方向にのみ移動し得るように保持してい
る。また、圧電素子もしくは電歪素子１１．１２を固定
するねじ１５は、ナツト１６によって緩み止めが図られ
ている。

以上のように構成された微動ステージ装置によると、次
のように作動する。

微動ステージ２を移動させたい方向例えば第１図におい
て左から右へ移動させる場合、右側の圧電素子もしくは
電歪素子１１に移動量に対応する電圧を印加させる。こ
のとき、圧電素子もしくは電歪素子１１に印加させる電
圧と変位量とは関連があるので、印加電圧の大きさは圧
電素子もしくは電歪素子１１の特性から決定される。

電圧の印加によって、印加電圧の大きさに応じて圧電素
子もしくは電歪素子１１が右から左に向かって変位する
（伸びる）、これにより、当接部９の当接面９ａ上の力
点Ａには力が働き、支点Ｂを中心にして可動部７を図示
の矢印−の方向に変位させようとする。このとき、圧電
素子もしくは電歪素子１１と当接部９の当接面９ａは面
と線の接触のためスムーズな動きとなり作動中の誤差の
発生がない。

一方、可動部７の作用点Ｃでは、固定部６を右から左に
向けて移動させようと力が働くが、固定部６はベース１
に固定されているので、移動することができない。した
がって、作用反作用の関係から、この固定部６に作用し
た力と同じ力が反対の方向（左から右方向）に可動部７
に鋤＜、この可動部７に働く・→方向の力は、支点Ｂ　
１１１１１の微動ステージ２まで伝達され、微動ステー
ジ２が矢印→方向即ち左から右方向に移動する。

ここで、微動ステージ２の移動量は、アクチュエータが
変位した量のＣＢ／ＡＢだけ移動することになる。（但
し、ＡＢ：力点Ａから支点Ｂまでの間の距離、ＣＢ：作
用点Ｃから支点Ｂまでの間の距離）したがって、上述の
比が同じであれば移動量に違いはなく、可動部７，８の
支点Ｂから作用点Ｃまでの腕の長さは厳密に等しくなく
ても良い、微動ステージ２の移動は図示していないセン
サを用いて検出され、その検出値が圧電素子もしくは電
歪素子１１．１２の駆動回路にフィードバックされ、印
加電圧を制御して微動ステージ２の移動を制御するよう
に設けられている。

また、上述とは反対方向に移動させたいときには、反対
側の圧電素子もしくは電歪素子１２に電圧を印加させる
。

第４図に他の実施例を示す、この実施例は、変位拡大機
構５の固定部６と可動部７．８とを切離し、別体に形成
したものである。固定部６は図示の如く両端に曲面ある
いは球面から成る接触面６ａ、６ｂを有し、ベース１に
直接２本のねじ１８によって固定されている。また、こ
の固定部６に当接する可動部７．８は、変位しようとす
る方向とほぼ直交するように対称的に配置されている。

この可動部７．８は、微動ステージ２と一体成形され、
自由＠測が固定部６を挾みつけるようにして固定部に当
接されている。微動ステージ２は、第１図〜第３図の実
施例のものと同様に、ガイド３．４に取付けられて一軸
方向に移動可能に支持されている。また、固定部６と可
動部７，８との接触箇所は隙間がなく密接していること
が必要である。固定部６の接触面６ａ、６ｂは、固定＃
６と可動部７．８との組立てを容易にするため、中央部
の曲率半径Ｒ１とその周辺の曲率半径Ｒ２とがＲ２＜Ｒ
１の関係に設定されている。しかし、この関係は極端に
大きな違いではなく、Ｒ２−＝Ｒ１程度の違いとされて
いる。半径差が大きいと変位により力の方向が変化して
しまい、力のロスとなるからである。この固定部６によ
ると、組立ての際には、固定部６の端と可動部７．８と
の間には隙間が生ずるためがたつきが生じ微動ステージ
２が移動するが、固定部６の位置決めピン１９を中心に
固定部６を矢印り方向に回転させて接触面６ａ、６ｂの
中心と可動部７．８の作用点Ｃとを接触させたときには
隙間が０となりベース１と微動ステージ２とは動かなく
なる。そこで、ねじ１８によってその位置に固定部６を
ベース１ｆｌｌに固定する。

以上のように構成された微動ステージは第１図の実施例
のものと同様に作動する。尚、固定部６は可動部７．８
と切離され、可動部７．８と当接する面が曲面から構成
されていることから、ピボットの役割を果すため、ベー
ス１と微動ステージ２の平行移動に無理な力は鋤かない
。

第６図に他の実施例を示す、この実施例は２組の微動ス
テージ装置３０．３１を組合せ、Ｘ−Ｙ軸方向くあるい
はＸ−２軸方向）の２軸移動微動ステージ装置としたも
のである０例えば、第４図あるいは第１図の微動ステー
ジ装置を２組用いて、若しくは第１図と第４図の微動ス
テージ装置を組合せて、互いの移動方向を９０°ずらし
て重ね、上側の微動ステージ装置３０のベース１と下関
の微動ステージ装置３１の微動ステージ２とをボルトな
どで連結し、互いに直交するＸ−Ｙ軸方向に上側の微動
ステージ２を移動させるようにしている。

尚、上述の実施例は本発明の好適な実施の一例ではある
がこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱し
ない範囲において種々変形実施可能である０例えば、互
いに移動方向が直交するように３組の微動ステージ装置
を組合せることによって、３軸方向に移動可能な微動ス
テージを構成できる。

（発明の効果）以上の説明より明らかなように、本発明の微動ステージ
装置は、微動ステージの中に変位拡大機構を設け、かつ
その変位拡大機構の固定部を共用化して１つにすること
によって部品点数を少なくしているので、小型であるば
かりでなく、アクチュエータそのものが微動部に内蔵さ
れているために従来のものに比べ汎用性が非常に広い。

また、本発明の微動ステージ装置は、１つの可動部で微
動ステージを移動させるので、ステージの加工のばらつ
きが移動精度に悪影響を及ぼすこともない。

また、本発明の微動ステージ装置は、圧電素子もしくは
電歪素子の変位が変位拡大機構によって拡大され微動ス
テージの移動量を大きくするようにしたので、圧電素子
もしくは電歪素子への印加電圧の変化を効率良く使うこ
ともでるし、微動ステージの移動量を細かく制御するこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の微動ステージ装置の一実施例を示す平
面図、第２図は第１図の■−■線断面図、第３図は同微
動ステージ装置の斜視図、第４図は本発明の他の実施例
を示す平面図、第５図は第４図のｖ−ｖ線断面図、第６
図は２軸移動型とした本発明の他の実施例を示す斜視図
、第７図は従来の微動ステージ装置を示すもので（Ａ）
は平面図、（Ｂ）は斜視図、第８図は従来の他の微動ス
テージ装置を示すもので（Ａ）は斜視図１、（Ｂ）は切
欠きばね部の拡大平面図である。 ■・・・ベース、２・・・微動ステージ、５・・・変位拡大機構、６・・・固定部、７８・・・可動部、９１０・・・当接部、１１２・・・圧電素子もしくは電歪素子、０．３１・・
・微動ステージ装置。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ベースと、このベースに対して可動自在に設けら
れた微動ステージと、この微動ステージに一端側が固定
され他端側が印加電圧の大きさに応じて変位する圧電素
子もしくは電歪素子と、上記ベースに支持されると共に
上記圧電素子もしくは電歪素子の変位を拡大して上記微
動ステージに伝達する変位拡大機構とを備えた微動ステ
ージ装置において、上記変位拡大機構は上記微動ステー
ジの中にあり、かつ上記ベースに取付けられる固定部と
、この固定部の両端から上記微動ステージの移動方向と
ほぼ直交する方向にそれぞれ延び上記微動ステージと一
体に形成された可動部と、この可動部の一部を成し上記
圧電素子もしくは電歪素子が当接する当接部とから成り
、上記固定部と上記可動部及び上記当接部を上記微動ス
テージと一体に形成したことを特徴とする微動ステージ
装置。
（２）ベースと、このベースに対して可動自在に設けら
れた微動ステージと、この微動ステージに一端側が固定
され他端側が印加電圧の大きさに応じて変位する圧電素
子もしくは電歪素子と、上記ベースに支持されると共に
上記圧電素子もしくは電歪素子の変位を拡大して上記微
動ステージに伝達する変位拡大機構とを備えた微動ステ
ージ装置において、上記変位拡大機構は上記微動ステー
ジの中にあり、かつ上記ベースに取付けられる固定部と
、この固定部の一端に当接し他端が上記微動ステージと
一体に形成された一対の可動部と、この可動部の一部を
成し上記圧電素子もしくは電歪素子と当接する当接部と
を有して成ることを特徴とする微動ステージ装置。