JPH04256534A - Fine movement x-y stage - Google Patents

Fine movement x-y stage

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Publication number
JPH04256534A
JPH04256534A JP3011943A JP1194391A JPH04256534A JP H04256534 A JPH04256534 A JP H04256534A JP 3011943 A JP3011943 A JP 3011943A JP 1194391 A JP1194391 A JP 1194391A JP H04256534 A JPH04256534 A JP H04256534A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
stage
axis direction
axis
fine movement
sub
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP3011943A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Fumio Tabata
文夫 田畑
Hidenori Sekiguchi
英紀 関口
Toru Kamata
徹 鎌田
Yuji Sakata
裕司 阪田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP3011943A priority Critical patent/JPH04256534A/en
Publication of JPH04256534A publication Critical patent/JPH04256534A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Electron Beam Exposure (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Machine Tool Units (AREA)

Abstract

PURPOSE:To heighten natural oscillation frequency by asymmetrically arranging flat springs relative to an axis in the X axial direction or an axis in the Y axial direction. CONSTITUTION:A stage 1A is supported by way of arranging plate type elastic plates 4X, 4Y, 5X, 5Y having flexibility in the bending direction at the angle of 90 deg. on an X axis and Y axis plane so that each of the elastic plates 4X, 4Y, 5X, 5Y respectively shows flexibility in the X axis direction and the Y axis direction, and the X axis elastic plates 4X, 5X having flexibility in the X axis direction are driven in the Y axis direction. Further, the elastic plates 4X, 4Y, 5X, 5Y are asymmetrically arranged relative to at least one of the axes in the Y axis direction and the X axis direction on a fine movement X-Y stage moving to a position for the purpose of a stage by driving the Y axis elastic plates 4Y, 5Y having flexibility in the Y axis direction in the X axis direction.

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、大きい可動範囲を有す
る粗動X−Yステージ上に搭載して精密な位置決めを行
う微動X−Yステージに関する。 【0002】集積回路等の半導体装置を製造する際に、
位置決め用として使用するX−Yステージには、高い位
置決め精度が必要である。 【0003】半導体装置の高集積化・高密度化が進む程
その要求精度は高まり、例えば、0.01μm オーダ
の位置決め精度が必要である。 【0004】このような高い位置決め精度を有するX−
Yステージとして、すでに発明者等は特開平1−107
188号公報に開示された微動X−Yステージを提案し
、優れた結果を得ている。 【0005】本発明は、前記特開平1−107188号
公報に開示された微動X−Yステージの位置決め精度を
、一層高める為に成した発明である。 【0006】 【従来の技術】(1)構成 図7は、微動X−Yステージの構成を説明する図で、(
a) は微動X−Yステージの斜視図、(b) は(a
) の座標を示す図、である。 【0007】すなわち、微動X−Yステージの脚柱2−
1,2−2,2−3,2−4 は、その下部の図に示さ
ない粗動X−Yステージに固定する。 【0008】そして、該脚柱2−1,2−2,2−3,
2−4 は、板バネ4X,4Y を介して副ステージ3
X−1,3X−2,3X−3,3X−4 を支持する。 【0009】さらに、副ステージ3X−1,3X−2,
3X−3,3X−4 は、板バネ5X,5Y を介して
ステージ1を支持する。 【0010】他方、ステージ1を駆動するアクチュエー
タは圧電素子6,7 であり、該圧電素子6,7 の駆
動力(押圧力)を副ステージ3X−2,3X−3 に与
え、板バネ5X,5Y を介してステージ1を駆動・移
動する。 【0011】尚、前記板バネ4X,4Y,5X,5Y 
は曲げ方向に対して可撓性を示すため、図7に示すよう
に、板バネ4X,4Y,5X,5Y をX軸方向および
Y軸方向に揃えて設けることにより、圧電素子6が発生
するY軸方向の駆動力および圧電素子7が発生するX軸
方向の駆動力を、ステージ1に伝達することができる。 【0012】(2)作動 図8は、作動の様子を説明する平面図で、(a) は微
動X−Yステージの定常状態を示す図、(b) はステ
ージをY軸方向に駆動した場合を説明する図、(c) 
はステージをX軸方向に駆動した場合を説明する図、(
d) は(a)(b)(c) の座標を示す図、である
。尚、図上クロスハッチングで示す部分は脚柱およびス
テージ、副ステージを示している。 【0013】すなわち、圧電素子6が延びて駆動力が副
ステージ3X−2に加わると、図8(b) に示すよう
に、板バネ4X,5X は変形しないが板バネ4Y,5
Y が撓み、ステージ1がY軸方向(図上の上方向)に
僅かに移動する。 【0014】また、同様に、圧電素子7が延びて駆動力
が副ステージ3X−3に加わると、図8(c) に示す
ように、板バネ4Y,5Y は変形しないが板バネ4X
,5X が撓み、ステージ1がX軸方向(図上の左方向
)に僅かに移動する。 【0015】したがって、2つの圧電素子6,7 が同
時に延びれば、ステージ1はX軸方向とY軸方向に同時
に移動し、該ステージ1を目的とする位置に移動するこ
とができる。 【0016】尚、ステージ1の位置を高精度で決定する
為には高精度の位置検出器が必要であり、一般的にレー
ザ干渉計等を用いて該ステージ1の位置を測定している
。そして、その測定結果に基づいて圧電素子(アクチュ
エータ)6,7を閉ループ制御(フィードバック制御)
を用いて制御・駆動する。 【0017】 【発明が解決しようとする課題】ところで、閉ループの
位置決め制御において位置決め精度を高める為には、ル
ープゲインを高めると同時に該閉ループ制御系の周波数
帯域を広くする必要がある。 【0018】しかし、微動X−Yステージの最低次の固
有振動周波数が低いと、高周波数領域において位相遅れ
が大きくなり、閉ループ制御系に発振を生じ易くなり、
位置決め制御性が悪くなる。 【0019】すなわち、微動X−Yステージの最低次の
固有振動周波数によって閉ループ制御系の周波数帯域が
制限され、高速の位置決めができないという問題がある
。 【0020】図9は、最低次の固有振動モードを説明す
る平面図である。尚、図上クロスハッチングで示す部分
は脚柱およびステージ、副ステージを示している。 【0021】すなわち、最低次の固有振動モードは、ス
テージ1が回転方向に振動するモードである。つまり、
該モードにおいて示す板バネ4X,4Y,5X,5Y 
のバネ定数が最も小さく、そして、ステージ1を支持す
る該板バネ4X,4Y,5X,5Y によって、該ステ
ージ1に明確な回転中心が形成されることによって発生
する。 【0022】これに対し、ステージ1が圧電素子6,7
 の駆動方向、すなわちX軸方向およびY軸方向に振動
する並進モードも存在するが、該モードにおいて支配的
となるバネ定数は圧電素子6,7 のバネ定数であり、
前記回転モードにおける板バネ4X,4Y,5X,5Y
 のバネ定数よりも遙かに大きく、したがって、共振周
波数(固有振動周波数)も高くなる。 【0023】但し、回転モードの対象とするステージの
イナーシャにより、必ずしも回転モードが最低次とはな
らない場合も存在し得る。 【0024】尚、位置測定用のレーザ干渉計用ミラー等
をステージ1に搭載することによって該ステージ1のイ
ナーシャが増大し、回転モードの固有振動周波数はさら
に低下する。 【0025】本発明の技術的課題は、従来の微動X−Y
ステージにおける以上のような問題を解消し、該微動X
−Yステージの最低次固有振動周波数を高めることによ
って、制御系の周波数帯域を高くとり、高速の位置決め
を行う微動X−Yステージを実現することにある。 【0026】 【課題を解決するための手段】図1は、本発明の基本原
理を説明する図である。尚、図上クロスハッチングで示
す部分は脚柱およびステージ、副ステージを示している
。 【0027】本発明は、板状の弾性板4X,4Y,5X
,5Y の配置位置を、X軸方向の軸線やY軸方向の軸
線に対して、非対称に配置したところに特徴がある。 【0028】本発明は、曲げ方向に可撓性を有する板状
の弾性板4X,4Y,5X,5Y を、それぞれX軸方
向とY軸方向とに可撓性を示すように、X軸Y軸平面に
おいて90°の角度を成して配置してステージを支持し
、X軸方向に可撓性を有するX軸弾性板4X,5X を
Y軸方向に駆動してY軸弾性板4Y,5Y を撓ませ、
また、Y軸方向に可撓性を有するY軸弾性板4Y,5Y
 をX軸方向に駆動してX軸弾性板4X,5X を撓ま
せ、その結果、ステージを目的とする位置へ移動する原
理に基づく微動X−Yステージを前提とする。 【0029】すなわち、具体的には次のように構成する
。■前記X軸方向およびY軸方向に整列しかつ正四角形
の四隅に相当する位置に、固定した脚柱2−1,2−2
,2−3A,2−4を設ける。 【0030】■前記■の正四角形の4つの辺を構成する
ように、隣合う前記脚柱2−1,2−2,2−3A,2
−4間に弾性板4X,4Y を介して4つの副ステージ
3X−1,3X−2A,3X−3A,3X−4 を支持
・配設する。 【0031】■前記■の4つの副ステージ3X−1,3
X−2A,3X−3A,3X−4 が構成する枠内に、
該各副ステージ3X−1,3X−2A,3X−3A,3
X−4 から弾性板5X,5Y を介して主ステージ1
Aを支持・配設する。 【0032】■主ステージ1Aを目的とする位置に駆動
・移動する為に、Y軸弾性板5Yを介して主ステージ1
Aを支持する2つの副ステージ3X−1,3X−3Aの
うち、一方の副ステージ3X−3A をアクチュエータ
7AでX軸方向に駆動し、X軸弾性板5Xを介して主ス
テージ1Aを支持する2つの副ステージ3X−2A,3
X−4のうち、一方の副ステージ3X−2A をアクチ
ュエータ6AでY軸方向に駆動する。 【0033】そして、以上の■〜■で構成する微動X−
Yステージにおいて、Y軸方向の軸線あるいはX軸方向
の軸性に対して弾性板4X,4Y,5X,5Yを非対称
に配置した微動X−Yステージである。 【0034】 【作用】Y軸方向の軸線あるいはX軸方向の軸性に対し
て弾性板4X,4Y,5X,5Y を非対称に配置する
ことによって、主ステージ1Aが回転しようとする際に
、該主ステージ1Aと弾性板4X,4Y,5X,5Yに
よる対称性が崩れ、明確な回転中心を生じることが無く
なる。 【0035】そのため、回転モードによる振動が生じ難
くなり固有振動周波数も高くなる。すなわち、フィード
バック制御系の周波数帯域を高くとることが可能となり
、位置決め時間が短くなる。 【0036】 【実施例】次に、本発明の微動X−Yステージを、実際
上どのように具体化できるかを実施例で説明する。 【0037】(1)実施例−1 1)構成 図2は、実施例−1を説明する図で、(a) は基本構
成を説明する斜視図、(b) は(a) の座標を示す
図、である。 【0038】本実施例において、図7に示す従来の微動
X−Yステージと異なる点は、板バネ4X,4Y,5X
,5Y の配置位置だけである。尚、配置位置を変えた
ことによって、ステージ1aおよび副ステージ3X−2
a,3X−3a 、脚柱2−3aの形状も変えている。 【0039】すなわち、脚柱2−3aに繋がる板バネ4
X,4Y の位置と、副ステージ3X−2a,3X−3
a とステージ1aとに繋がる板バネ5X,5Y の位
置とが異なっている。 【0040】また、本実施例における板バネ4X,4Y
,5X,5Y の配置位置は、X軸およびY軸に対して
非対称である配置・構成である。 【0041】ちなみに、全ての板バネ4X,4Y,5X
,5Y は、X軸方向またはY軸方向に平行である。 【0042】2)作動 図3は、作動の様子を説明する平面図で、(a) は定
常状態を示す図、(b) はY軸方向に駆動した場合を
示す図、(c) は(a)(b)の座標を示す図、であ
る。尚、図上クロスハッチングで示す部分は脚柱および
ステージ、副ステージを示している。 【0043】すなわち、基本的な作動は図8に示す従来
例と同様であり、(a) の状態から圧電素子6が延び
ると、(b) に示すように副ステージ3X−2a と
板バネ5Xを介してステージ1aに駆動力が伝達され、
12本の板バネ4Y,5Y が変形し、該ステージ1a
が僅かにY軸方向へ移動する。 【0044】また、X軸方向の駆動源である圧電素子7
が延びると、同様にしてステージ1aは僅かにX軸へ移
動する。 【0045】その結果、ステージ1aを目的とする位置
へ移動することができる。尚、全ての板バネ4X,4Y
,5X,5Y がX軸方向またはY軸方向に平行である
ので、ステージ1aの駆動に伴って発生する板バネ4X
,4Y,5X,5Y の変形量は、各軸方向毎に同一と
なり、板バネ4X,4Y,5X,5Y の配置位置によ
る相違は発生しない。 【0046】3)解析 図4は、シュミレーションによるモード解析例を説明す
る図で、(a) は従来例を示す図、(b) は本実施
例を示す図、である。尚、図上クロスハッチングで示す
部分は脚柱およびステージ、副ステージを示している。 【0047】すなわち、図4は有限要素法を用いてシュ
ミレーションを行う条件を示しており、図に示す寸法デ
ータL1〜L30 を次のように定めた。 【0048】   a. 従来例の場合      b. 実施例の場
合     L1    20 mm        
   L11   20 mm       L21 
  20 mm     L2    10 mm  
         L12   10 mm     
  L22   10 mm     L3   20
0 mm           L13  200 m
m       L23  140 mm     L
4    10 mm           L14 
  10 mm       L24   10 mm
     L5    20 mm         
  L15   20 mm       L25  
 80 mm     L6    20 mm   
        L16   20 mm      
 L26   20 mm     L7    10
 mm           L17   10 mm
       L27   10 mm     L8
   200 mm           L18  
200 mm       L28  140 mm 
    L9    10 mm          
 L19   10 mm       L29   
10 mm     L10  200 mm    
       L20   20 mm       
L30   80 mm     LXT  260 
mm      LYT  260 mm   尚、板バネ4X,4Y,5X,5Y の厚さは0.
4mm とした。 【0049】すなわち、外形寸法は 260mmの正方
形で同一とし、板バネ4X,4Y,5X,5Y の配置
位置だけを変えた。 【0050】表1.は、シュミレーション結果を示して
いる。 【0051】 【表1】 【0052】表1.からもわかるように、板バネ4X,
4Y,5X,5Y を対称に配置した場合の固有振動周
波数は 426Hzであり、非対称に配置した場合は 
961Hzとなり、優れた結果が得られることを示して
いる。 【0053】ところで、板バネ4X,4Y,5X,5Y
 を非対称に配置した場合は、ステージ1aの回転イナ
ーシャも0.62倍になり、該イナーシャの減少によっ
ても回転モードの固有振動周波数が向上する。 【0054】また、前記イナーシャの減少による固有振
動周波数の向上比率は、該イナーシャ比の 1/2乗に
反比例するので、該イナーシャの減少による固有振動周
波数は次式(1) によって求まる。 【0055】 426×( 1/0.62)1/2≒ 426×1.2
7≒541Hz −−−−−−−−(1)  【0056】つまり、固有振動周波数の向上比率は1.
27である。 【0057】他方、シュミレーションで得られた固有振
動周波数は961Hz であり、その向上比率は2.2
6である。 【0058】すなわち、ステージ1aのイナーシャの減
少によっても固有振動周波数は高くなるが、その影響は
小さく、板バネ4X,4Y,5X,5Y を非対称に配
置したことによって固有振動周波数が大きく向上する。 【0059】(2)実施例−2 図5は、実施例−2を説明する図で、(a) は微動X
−Yステージの斜視図、(b) は(a) の座標を示
す図、である。 【0060】本実施例において、図2に示す実施例−1
と異なる点は、アクチュエータの駆動力伝達方法だけで
ある。 【0061】すなわち、変位方向変換機構8a,8b 
を使用して、圧電素子6a,7a の駆動力の方向を9
0°変え、該駆動力が副ステージ3X−2a,3X−3
a とステージ1aとに加わるようにした構成である。 【0062】このような構成は、圧電素子6a,7a 
の長さが長くなった場合に、装置全体を小さくまとめる
方法として有効である。 【0063】尚、作動は実施例−1と同様である。 (3)その他の実施例 図6は、その他の実施例を説明する図で、(a)(b)
(c) は板バネの配置位置のバリエーションをそれぞ
れ示す図、(d) は(a)(b)(c) の座標を示
す図、である。尚、図上クロスハッチングで示す部分は
脚柱およびステージ、副ステージを示している。 【0064】すなわち、(a) は、Y軸方向の軸線に
対して板バネ4X,4Y,5X,5Y を非対称に配置
し、X軸方向の軸線に対しては対称に配置した例である
。 【0065】また(b)(c)は、Y軸方向およびX軸
方向の軸線に対して板バネ4X,4Y,5X,5Y を
非対称に配置した例である。 【0066】 【発明の効果】以上のように、本発明の微動X−Yステ
ージによれば、板バネ(板状の弾性板)をX軸方向の軸
線やY軸方向の軸線に対して非対称に配置することによ
って、固有振動周波数を高くすることができる。 【0067】したがって、該ステージの位置決め・駆動
制御を行う閉ループ制御系の周波数帯域を高くとること
が可能となり、該制御系の位置決め誤差と位置決め時間
を少なくすることができる。 【0068】その結果、位置決め精度が高く、しかも、
高速で位置決めが可能な安定した微動X−Yステージを
実現することができる。
Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a fine movement X-Y stage that is mounted on a coarse movement X-Y stage having a large movable range to perform precise positioning. [0002] When manufacturing semiconductor devices such as integrated circuits,
An XY stage used for positioning requires high positioning accuracy. The higher the degree of integration and density of semiconductor devices, the higher the required accuracy, and for example, positioning accuracy on the order of 0.01 μm is required. [0004] The X-
As a Y stage, the inventors have already published Unexamined Japanese Patent Publication No. 1-107
We have proposed a fine movement X-Y stage disclosed in Japanese Patent No. 188, and have obtained excellent results. The present invention has been accomplished in order to further improve the positioning accuracy of the fine movement XY stage disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-107188. [Prior Art] (1) Configuration FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of a fine movement XY stage.
(a) is a perspective view of the fine movement X-Y stage, (b) is (a
) is a diagram showing the coordinates of . That is, the pillar 2- of the fine movement X-Y stage
1, 2-2, 2-3, and 2-4 are fixed to a coarse movement X-Y stage (not shown in the figure) below them. [0008]The pillars 2-1, 2-2, 2-3,
2-4 is connected to the sub-stage 3 via leaf springs 4X and 4Y.
Supports X-1, 3X-2, 3X-3, 3X-4. Furthermore, sub-stages 3X-1, 3X-2,
3X-3 and 3X-4 support the stage 1 via leaf springs 5X and 5Y. On the other hand, the actuators that drive the stage 1 are piezoelectric elements 6, 7, and the driving force (pressing force) of the piezoelectric elements 6, 7 is applied to the sub-stages 3X-2, 3X-3, and the plate springs 5X, Stage 1 is driven and moved via 5Y. [0011] Furthermore, the plate springs 4X, 4Y, 5X, 5Y
exhibits flexibility in the bending direction, so the piezoelectric element 6 is generated by aligning the leaf springs 4X, 4Y, 5X, and 5Y in the X-axis direction and the Y-axis direction as shown in FIG. A driving force in the Y-axis direction and a driving force in the X-axis direction generated by the piezoelectric element 7 can be transmitted to the stage 1. (2) Operation Figure 8 is a plan view explaining the operation. (a) is a diagram showing the steady state of the fine movement X-Y stage, and (b) is a diagram when the stage is driven in the Y-axis direction. Diagram explaining (c)
is a diagram explaining the case where the stage is driven in the X-axis direction, (
d) is a diagram showing the coordinates of (a), (b), and (c). Note that the cross-hatched portions in the figure indicate the pillars, the stage, and the sub-stage. That is, when the piezoelectric element 6 extends and a driving force is applied to the sub-stage 3X-2, as shown in FIG. 8(b), the leaf springs 4X, 5X do not deform, but the leaf springs 4Y, 5
Y is bent, and the stage 1 moves slightly in the Y-axis direction (upward in the figure). Similarly, when the piezoelectric element 7 extends and a driving force is applied to the sub-stage 3X-3, as shown in FIG. 8(c), the leaf springs 4Y and 5Y do not deform, but the leaf spring 4X
, 5X are bent, and the stage 1 moves slightly in the X-axis direction (to the left in the figure). Therefore, if the two piezoelectric elements 6 and 7 extend simultaneously, the stage 1 can be moved simultaneously in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the stage 1 can be moved to a desired position. In order to determine the position of the stage 1 with high precision, a high precision position detector is required, and the position of the stage 1 is generally measured using a laser interferometer or the like. Then, based on the measurement results, the piezoelectric elements (actuators) 6 and 7 are controlled in a closed loop (feedback control).
Control and drive using. [0017] Incidentally, in order to improve positioning accuracy in closed-loop positioning control, it is necessary to increase the loop gain and at the same time widen the frequency band of the closed-loop control system. However, when the lowest natural vibration frequency of the fine movement XY stage is low, the phase delay becomes large in the high frequency region, making it easy to cause oscillation in the closed loop control system.
Positioning controllability deteriorates. That is, there is a problem in that the frequency band of the closed loop control system is limited by the lowest order natural vibration frequency of the fine movement XY stage, making it impossible to perform high-speed positioning. FIG. 9 is a plan view illustrating the lowest natural vibration mode. Note that the cross-hatched portions in the figure indicate the pillars, the stage, and the sub-stage. That is, the lowest natural vibration mode is a mode in which the stage 1 vibrates in the rotational direction. In other words,
Leaf springs 4X, 4Y, 5X, 5Y shown in this mode
This occurs because the spring constant of is the smallest, and a clear center of rotation is formed in the stage 1 by the leaf springs 4X, 4Y, 5X, and 5Y that support the stage 1. On the other hand, stage 1 has piezoelectric elements 6 and 7
There is also a translational mode that vibrates in the drive direction of , that is, the X-axis direction and the Y-axis direction, but the dominant spring constant in this mode is the spring constant of the piezoelectric elements 6 and 7.
Leaf springs 4X, 4Y, 5X, 5Y in the rotation mode
is much larger than the spring constant of , and therefore the resonant frequency (natural vibration frequency) is also high. However, depending on the inertia of the stage targeted for the rotation mode, there may be cases where the rotation mode is not necessarily the lowest order. By mounting a mirror for a laser interferometer for position measurement on the stage 1, the inertia of the stage 1 increases, and the natural vibration frequency of the rotation mode further decreases. The technical problem of the present invention is that the conventional fine movement
By solving the above-mentioned problems on the stage,
- By increasing the lowest natural vibration frequency of the Y stage, the frequency band of the control system can be increased to realize a fine movement XY stage that performs high-speed positioning. [Means for Solving the Problems] FIG. 1 is a diagram illustrating the basic principle of the present invention. Note that the cross-hatched portions in the figure indicate the pillars, the stage, and the sub-stage. The present invention provides plate-shaped elastic plates 4X, 4Y, 5X.
, 5Y are arranged asymmetrically with respect to the axis in the X-axis direction and the axis in the Y-axis direction. In the present invention, the elastic plates 4X, 4Y, 5X, and 5Y, which are flexible in the bending direction, are arranged so that they are flexible in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively. The stage is supported by being arranged at an angle of 90° in the axial plane, and the X-axis elastic plates 4X and 5X, which are flexible in the X-axis direction, are driven in the Y-axis direction to form Y-axis elastic plates 4Y and 5Y. bend the
In addition, Y-axis elastic plates 4Y and 5Y having flexibility in the Y-axis direction
The present invention assumes a fine movement X-Y stage based on the principle of driving the X-axis in the X-axis direction to deflect the X-axis elastic plates 4X, 5X, and as a result, move the stage to a target position. Specifically, the configuration is as follows. ■Pillars 2-1 and 2-2 aligned in the X-axis and Y-axis directions and fixed at positions corresponding to the four corners of the square
, 2-3A, and 2-4 are provided. ■ Adjacent said pillars 2-1, 2-2, 2-3A, 2 so as to constitute the four sides of the square of said ■.
Four sub-stages 3X-1, 3X-2A, 3X-3A, and 3X-4 are supported and arranged between the stages 4 and 4 via elastic plates 4X and 4Y. ■Four sub-stages 3X-1, 3 of ■
Within the frame constituted by X-2A, 3X-3A, 3X-4,
Each sub-stage 3X-1, 3X-2A, 3X-3A, 3
Main stage 1 from X-4 via elastic plates 5X, 5Y
Support and arrange A. ■In order to drive and move the main stage 1A to the desired position, the main stage 1A is moved through the Y-axis elastic plate 5Y.
Of the two sub-stages 3X-1 and 3X-3A that support A, one sub-stage 3X-3A is driven in the X-axis direction by the actuator 7A, and supports the main stage 1A via the X-axis elastic plate 5X. Two sub-stages 3X-2A, 3
One sub-stage 3X-2A of X-4 is driven in the Y-axis direction by an actuator 6A. [0033] Then, the slight movement X- consisting of the above ■~■
This is a fine movement X-Y stage in which elastic plates 4X, 4Y, 5X, and 5Y are arranged asymmetrically with respect to the axis in the Y-axis direction or the axis in the X-axis direction. [Operation] By arranging the elastic plates 4X, 4Y, 5X, and 5Y asymmetrically with respect to the axis in the Y-axis direction or the axis in the X-axis direction, when the main stage 1A is about to rotate, the The symmetry between the main stage 1A and the elastic plates 4X, 4Y, 5X, and 5Y is lost, and a clear center of rotation no longer occurs. [0035] Therefore, vibration due to the rotational mode is less likely to occur and the natural vibration frequency becomes high. That is, it becomes possible to increase the frequency band of the feedback control system, and the positioning time becomes shorter. [Example] Next, how the fine movement XY stage of the present invention can be practically implemented will be explained using an example. (1) Example-1 1) Configuration Figure 2 is a diagram explaining Example-1, (a) is a perspective view explaining the basic configuration, and (b) shows the coordinates of (a). Figure. In this embodiment, the difference from the conventional fine movement XY stage shown in FIG. 7 is that the plate springs 4X, 4Y, 5X
, 5Y. Furthermore, by changing the arrangement position, stage 1a and sub-stage 3X-2
a, 3X-3a, and the shape of the pillar 2-3a is also changed. That is, the leaf spring 4 connected to the pillar 2-3a
X, 4Y positions and secondary stages 3X-2a, 3X-3
The positions of leaf springs 5X and 5Y connected to stage 1a are different from that of stage 1a. [0040]Furthermore, the leaf springs 4X, 4Y in this embodiment
, 5X, 5Y are arranged and configured asymmetrically with respect to the X and Y axes. By the way, all leaf springs 4X, 4Y, 5X
, 5Y are parallel to the X-axis direction or the Y-axis direction. 2) Operation Figure 3 is a plan view illustrating the operation. (a) is a diagram showing the steady state, (b) is a diagram showing the case of driving in the Y-axis direction, and (c) is ( It is a figure which shows the coordinate of (a) and (b). Note that the cross-hatched portions in the figure indicate the pillars, the stage, and the sub-stage. That is, the basic operation is the same as that of the conventional example shown in FIG. The driving force is transmitted to the stage 1a via
The 12 leaf springs 4Y, 5Y are deformed, and the stage 1a
moves slightly in the Y-axis direction. [0044] Furthermore, the piezoelectric element 7 which is a drive source in the X-axis direction
When the stage 1a extends, the stage 1a similarly moves slightly toward the X axis. As a result, the stage 1a can be moved to the desired position. In addition, all leaf springs 4X, 4Y
, 5X, 5Y are parallel to the X-axis direction or the Y-axis direction, the leaf spring 4X generated as the stage 1a is driven
, 4Y, 5X, 5Y are the same in each axial direction, and no difference occurs depending on the arrangement position of the leaf springs 4X, 4Y, 5X, 5Y. 3) Analysis FIG. 4 is a diagram illustrating an example of mode analysis by simulation, in which (a) is a diagram showing the conventional example, and (b) is a diagram showing the present embodiment. Note that the cross-hatched portions in the figure indicate the pillars, the stage, and the sub-stage. That is, FIG. 4 shows the conditions for performing a simulation using the finite element method, and the dimensional data L1 to L30 shown in the figure were determined as follows. a. In case of conventional example b. In the case of the example L1 20 mm
L11 20 mm L21
20mm L2 10mm
L12 10mm
L22 10 mm L3 20
0 mm L13 200 m
m L23 140 mm L
4 10mm L14
10 mm L24 10 mm
L5 20mm
L15 20mm L25
80mm L6 20mm
L16 20mm
L26 20 mm L7 10
mm L17 10 mm
L27 10mm L8
200mm L18
200mm L28 140mm
L9 10mm
L19 10mm L29
10 mm L10 200 mm
L20 20mm
L30 80mm LXT 260
mm LYT 260 mm The thickness of leaf springs 4X, 4Y, 5X, 5Y is 0.
It was set to 4mm. That is, the outer dimensions were the same as a 260 mm square, and only the placement positions of the leaf springs 4X, 4Y, 5X, and 5Y were changed. Table 1. shows the simulation results. [Table 1] Table 1. As you can see, the leaf spring 4X,
The natural vibration frequency when 4Y, 5X, and 5Y are arranged symmetrically is 426Hz, and when arranged asymmetrically,
961 Hz, indicating that excellent results can be obtained. By the way, the leaf springs 4X, 4Y, 5X, 5Y
When arranged asymmetrically, the rotational inertia of the stage 1a is also increased by 0.62 times, and the reduction in the inertia also improves the natural vibration frequency of the rotational mode. Furthermore, since the improvement ratio of the natural vibration frequency due to the reduction in inertia is inversely proportional to the 1/2 power of the inertia ratio, the natural vibration frequency due to the reduction in inertia is determined by the following equation (1). 426×(1/0.62)1/2≒426×1.2
7≒541Hz ----------(1) In other words, the improvement ratio of the natural vibration frequency is 1.
It is 27. On the other hand, the natural vibration frequency obtained in the simulation is 961 Hz, and the improvement ratio is 2.2.
It is 6. That is, although the natural vibration frequency increases due to the reduction in the inertia of the stage 1a, its influence is small, and the natural vibration frequency is greatly improved by asymmetrically arranging the leaf springs 4X, 4Y, 5X, and 5Y. (2) Example-2 FIG. 5 is a diagram explaining Example-2, in which (a) shows the fine movement
- A perspective view of the Y stage, (b) is a diagram showing the coordinates of (a). In this example, Example-1 shown in FIG.
The only difference is the method of transmitting the driving force of the actuator. That is, the displacement direction converting mechanisms 8a, 8b
is used to change the direction of the driving force of the piezoelectric elements 6a and 7a to 9
0°, and the driving force is applied to sub-stages 3X-2a and 3X-3.
This configuration is such that it joins stage 1a and stage 1a. [0062] In such a configuration, the piezoelectric elements 6a, 7a
This is an effective way to reduce the size of the entire device when the length of the device becomes long. The operation is the same as in Example-1. (3) Other embodiments Figure 6 is a diagram explaining other embodiments, (a) (b)
(c) is a diagram showing variations in the arrangement position of the leaf spring, and (d) is a diagram showing the coordinates of (a), (b), and (c). Note that the cross-hatched portions in the figure indicate the pillars, the stage, and the sub-stage. That is, (a) is an example in which the leaf springs 4X, 4Y, 5X, and 5Y are arranged asymmetrically with respect to the axis in the Y-axis direction, and symmetrically with respect to the axis in the X-axis direction. Further, (b) and (c) are examples in which the leaf springs 4X, 4Y, 5X, and 5Y are arranged asymmetrically with respect to the axes in the Y-axis direction and the X-axis direction. [0066] As described above, according to the fine movement X-Y stage of the present invention, the leaf spring (plate-like elastic plate) can be moved asymmetrically with respect to the axis in the X-axis direction and the axis in the Y-axis direction. The natural vibration frequency can be increased by arranging it. Therefore, it is possible to increase the frequency band of the closed loop control system that performs positioning and drive control of the stage, and the positioning error and positioning time of the control system can be reduced. As a result, positioning accuracy is high, and
A stable fine-movement X-Y stage capable of high-speed positioning can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

【図1】本発明の基本原理を説明する図である。FIG. 1 is a diagram explaining the basic principle of the present invention.

【図2】実施例−1を説明する図で、(a) は基本構
成を説明する斜視図、(b) は(a) の座標を示す
図、である。
FIG. 2 is a diagram illustrating Example 1, in which (a) is a perspective view illustrating the basic configuration, and (b) is a diagram showing the coordinates of (a).

【図3】作動の様子を説明する平面図で、(a) は定
常状態を示す図、(b) はY軸方向に駆動した場合を
示す図、(c) は(a)(b)の座標を示す図、であ
る。
[Fig. 3] Plan views explaining the operation, (a) is a diagram showing a steady state, (b) is a diagram showing the case of driving in the Y-axis direction, (c) is a diagram of (a) and (b). It is a diagram showing coordinates.

【図4】シュミレーションによるモード解析例を説明す
る図で、(a) は従来例を示す図、(b) は本実施
例を示す図、である。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of mode analysis by simulation, in which (a) is a diagram showing a conventional example, and (b) is a diagram showing the present embodiment.

【図5】実施例−2を説明する図で、(a) は微動X
−Yステージの斜視図、(b) は(a) の座標を示
す図、である。
[Fig. 5] A diagram explaining Example-2, (a) shows the slight tremor
- A perspective view of the Y stage, (b) is a diagram showing the coordinates of (a).

【図6】その他の実施例を説明する図で、(a)(b)
(c) は板バネの配置位置のバリエーションをそれぞ
れ示す図、(d) は(a)(b)(c) の座標を示
す図、である。
FIG. 6 is a diagram explaining other embodiments, (a) and (b)
(c) is a diagram showing variations in the arrangement position of the leaf spring, and (d) is a diagram showing the coordinates of (a), (b), and (c).

【図7】微動X−Yステージの構成を説明する図で、(
a) は微動X−Yステージの斜視図、(b) は(a
) の座標を示す図、である。
[Fig. 7] A diagram explaining the configuration of the fine movement X-Y stage.
(a) is a perspective view of the fine movement X-Y stage, (b) is (a
) is a diagram showing the coordinates of .

【図8】微動の様子を説明する平面図で、(a) は微
動X−Yステージの定常状態を示す図、(b) はステ
ージをY軸方向に駆動した場合を説明する図、(c) 
はステージをX軸方向に駆動した場合を説明する図、(
d) は(a)(b)(c) の座標を示す図、である
。尚、図上クロスハッチングで示す部分は脚柱およびス
テージ、副ステージを示している。
FIG. 8 is a plan view explaining the state of fine movement, (a) is a diagram showing the steady state of the fine movement X-Y stage, (b) is a diagram explaining the case when the stage is driven in the Y-axis direction, (c )
is a diagram explaining the case where the stage is driven in the X-axis direction, (
d) is a diagram showing the coordinates of (a), (b), and (c). Note that the cross-hatched portions in the figure indicate the pillars, the stage, and the sub-stage.

【図9】最低次の固有振動モードを説明する平面図であ
る。
FIG. 9 is a plan view illustrating the lowest-order natural vibration mode.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,1A,1a,1b,1c,1d         
   ステージ(主ステージ)2−1,2−2a   
                 脚柱2−2   
                      脚柱2
−3,2−3A,2−3a,2−3b        
  脚柱2−4,2−4a,2−4b        
       脚柱3X−1,3X−1a      
                   副ステージ3
X−2,3X−2A,3X−2a,3X−2b,3X−
2c       副ステージ3X−3,3X−3A,
3X−3a,3X−3b,3X−3c,3X−3d 副
ステージ3X−4,3X−4a,3X−4b     
               副ステージ4X,4Y
,5X,5Y                 板状
の弾性板(板バネ)6,6a,7,7a       
            圧電素子(圧電アクチュエー
タ)
1, 1A, 1a, 1b, 1c, 1d
Stage (main stage) 2-1, 2-2a
Pillar 2-2
Pillar 2
-3, 2-3A, 2-3a, 2-3b
Pillars 2-4, 2-4a, 2-4b
Pillar 3X-1, 3X-1a
Sub stage 3
X-2, 3X-2A, 3X-2a, 3X-2b, 3X-
2c Secondary stage 3X-3, 3X-3A,
3X-3a, 3X-3b, 3X-3c, 3X-3d Secondary stage 3X-4, 3X-4a, 3X-4b
Secondary stage 4X, 4Y
, 5X, 5Y Elastic plate (plate spring) 6, 6a, 7, 7a
Piezoelectric element (piezoelectric actuator)

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  曲げ方向に可撓性を有する板状の弾性
板(4X,4Y,5X,5Y) を、それぞれX軸方向
とY軸方向とに可撓性を示すように、X軸Y軸平面にお
いて90°の角度を成して配置してステージを支持し、
X軸方向に可撓性を有するX軸弾性板(4X,5X) 
をY軸方向に駆動し、また、Y軸方向に可撓性を有する
Y軸弾性板(4Y,5Y) をX軸方向に駆動し、その
結果ステージを目的とする位置へ移動する微動X−Yス
テージであって、前記X軸方向およびY軸方向に整列し
かつ正四角形の四隅に相当する位置に、固定した脚柱(
2−1,2−2,2−3A,2−4)を設け、前記正四
角形の4つの辺を構成するように、隣合う前記脚柱(2
−1,2−2,2−3A,2−4)間に弾性板(4X,
4Y) を介して4つの副ステージ(3X−1,3X−
2A,3X−3A,3X−4) を支持・配設し、前記
4つの副ステージ(3X−1,3X−2A,3X−3A
,3X−4) が構成する枠内に、該各副ステージ(3
X−1,3X−2A,3X−3A,3X−4) から弾
性板(5X,5Y) を介して主ステージ(1A)を支
持・配設して成り、主ステージ(1A)を駆動するに当
たっては、Y軸方向に可撓性を有する弾性板(5Y)を
介して主ステージ(1A)を支持する2つの副ステージ
(3X−1,3X−3A)のうち、一方の副ステージ(
3X−3A) をアクチュエータ(7A)でX軸方向に
駆動し、X軸方向に可撓性を有する弾性板(5X)を介
して主ステージ(1A)を支持する2つの副ステージ(
3X−2A,3X−4)のうち、一方の副ステージ(3
X−2A) をアクチュエータ(6A)でY軸方向に駆
動し、その結果、副ステージ(3X−1,3X−2A,
3X−3A,3X−4) に支持された主ステージ(1
A)を目的とする位置へ移動する微動X−Yステージに
おいて、Y軸方向の軸線に対して弾性板(4X,4Y,
5X,5Y) を非対称に配置したこと、を特徴とする
微動X−Yステージ。
Claim 1: Plate-shaped elastic plates (4X, 4Y, 5X, 5Y) having flexibility in the bending direction are arranged along the supporting the stage arranged at a 90° angle in the axial plane;
X-axis elastic plate with flexibility in the X-axis direction (4X, 5X)
The fine movement The Y stage has fixed pillars (
2-1, 2-2, 2-3A, 2-4), and the adjacent pillars (2-1, 2-2, 2-3A, 2-4) are provided so as to constitute the four sides of the square.
-1, 2-2, 2-3A, 2-4) between elastic plates (4X,
4Y) through four sub-stages (3X-1, 3X-
2A, 3X-3A, 3X-4), and supports and arranges the four sub-stages (3X-1, 3X-2A, 3X-3A).
, 3X-4), each of the sub-stages (3
The main stage (1A) is supported and arranged from the is one of the two sub-stages (3X-1, 3X-3A) that support the main stage (1A) via an elastic plate (5Y) having flexibility in the Y-axis direction.
3X-3A) in the X-axis direction with an actuator (7A), and two sub-stages (1A) supporting the main stage (1A) via an elastic plate (5X) having flexibility in the X-axis direction.
3X-2A, 3X-4), one of the substages (3X-2A, 3X-4)
X-2A) is driven in the Y-axis direction by the actuator (6A), and as a result, the sub-stages (3X-1, 3X-2A,
The main stage (1
In the fine movement X-Y stage that moves A) to the target position, elastic plates (4X, 4Y,
5X, 5Y) are arranged asymmetrically.
【請求項2】  請求項1記載の微動X−Yステージに
おいて、Y軸方向の軸線およびX軸方向の軸線に対して
弾性板(4X,4Y,5X,5Y) を非対称に配置し
たこと、を特徴とする微動X−Yステージ。
2. In the fine movement X-Y stage according to claim 1, the elastic plates (4X, 4Y, 5X, 5Y) are arranged asymmetrically with respect to the axis in the Y-axis direction and the axis in the X-axis direction. Features fine movement X-Y stage.
【請求項3】  請求項2記載の微動X−Yステージに
おいて、Y軸方向の軸線およびX軸方向の軸線に対して
弾性板(4X,4Y,5X,5Y) を非対称に配置し
、かつ、Y軸およびX軸に45°の角度を成す軸線(α
) に対して該弾性板(4X,4Y,5X,5Y) を
対称に配置し、前記Y軸およびX軸に45°の角度を成
す軸線(α) を挟む副ステージ(3X−2A,3X−
3A) に、アクチュエータ(6A,7A) の駆動力
が加わるように構成したこと、を特徴とする微動X−Y
ステージ。
3. In the fine movement X-Y stage according to claim 2, the elastic plates (4X, 4Y, 5X, 5Y) are arranged asymmetrically with respect to the axis in the Y-axis direction and the axis in the X-axis direction, and The axis (α
) The elastic plates (4X, 4Y, 5X, 5Y) are arranged symmetrically with respect to the secondary stage (3X-2A, 3X-
3A) is configured so that the driving force of the actuator (6A, 7A) is applied to the
stage.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2010092956A1 (en) * 2009-02-10 2010-08-19 秋田県 Planar positioning device and inspection device equipped with same

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