JPH0466895A - Fine adjustment stage with six degrees of freedom - Google Patents

Fine adjustment stage with six degrees of freedom

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JPH0466895A
JPH0466895A JP2179180A JP17918090A JPH0466895A JP H0466895 A JPH0466895 A JP H0466895A JP 2179180 A JP2179180 A JP 2179180A JP 17918090 A JP17918090 A JP 17918090A JP H0466895 A JPH0466895 A JP H0466895A
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JP
Japan
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stage
actuator
actuators
freedom
displacement
Prior art date
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Application number
JP2179180A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshiyuki Tomita
良幸 冨田
Fumiaki Sato
文昭 佐藤
Kazuhiro Ito
一博 伊藤
Yasushi Kobarigawa
靖 小梁川
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.)
Sumitomo Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0466895A publication Critical patent/JPH0466895A/en
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Abstract

PURPOSE:To attain high response and high accuracy by fastening each actuator to a stage member through hinges having high rigidity to mono-axis direction and enabling elastic deformation to other directions. CONSTITUTION:For a stage member 10 having enough high rigidity, main axes of inertia are coordinates XYZ and gravity center is the original point of the coordinates. 6 actuators 1 to 6 are provided to drive the member 10 and are fastened to P1(alpha1,beta1,gamma1) to P6(alpha6,beta6,gamma6), respectively. An X actuator 1 lets X directional force work to the member 10 at a fastening point P1. Two Y actuators 2 and 3 let Y directional force work to the member 10 at points P2 and P3, respectively. Also, three Z actuators 4 to 6 let Z directional force work to the member 10 at points P4 to P6, respectively. By these 6 forces, the member 10 undergoes a displacement with 6 degrees of freedom, x to z, and phix to phiz. This stage with multiple degrees of freedom can satisfy all the equations.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はステージ装置に関し、特に高精度、多自由度の
ステージ装置に間する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Field of Application] The present invention relates to a stage device, and particularly to a stage device with high precision and multiple degrees of freedom.

「従来の技術」 従来、多自由度のステージ装置の多くは低自由度のステ
ージの積み重ねによって構成されていた。
"Prior Art" Conventionally, many stage devices with multiple degrees of freedom have been constructed by stacking stages with low degrees of freedom.

たとえば、Xステージの上にYステージを載せ、さらに
その上にθ2ステージを載せてXYθ2ステージ装置を
構成する。これに、さらにZ−θX−θyの自由度を追
加する時は、たとえばXステージを3ケ所で2方向のア
クチュエータで保持する。
For example, an XYθ2 stage device is configured by placing a Y stage on an X stage and further placing a θ2 stage on top of the Y stage. When adding the degree of freedom of Z-θX-θy to this, for example, the X stage is held at three locations by actuators in two directions.

これら各ステージの駆動は、たとえば、DCモータとポ
ールネジを組合わせたアクチュエータによって行なわれ
る。
Each of these stages is driven by, for example, an actuator that is a combination of a DC motor and a pole screw.

近年、たとえば半導体装置の分野において集積度の向上
と共に益々高い加工精度が要求されている。たとえば、
半導体露光装置のステージは、約0.1μm以上の精度
が要求されるようになった。
In recent years, for example, in the field of semiconductor devices, as the degree of integration has improved, higher processing precision has been required. for example,
The stage of a semiconductor exposure apparatus is now required to have an accuracy of about 0.1 μm or more.

このような高精度のステージを、上述のような構成のス
テージで実現することは極で難しい、動力伝達機構を用
いると、力りやバックラッシュを避けることが難しく、
約0.1μmが精度限界となってしまう。
It is extremely difficult to realize such a high-precision stage with the stage configuration described above.If a power transmission mechanism is used, it is difficult to avoid force and backlash.
Approximately 0.1 μm becomes the accuracy limit.

たとえば、0.01μm以上という超高精度を実現する
には、たとえば、粗動ステージの上に微動ステージを重
h−m動ステージの精度を向上することか必要となる。
For example, to achieve ultra-high precision of 0.01 μm or more, it is necessary to improve the accuracy of the heavy hm-movement stage by placing a fine-movement stage on top of the coarse-movement stage.

このような微動ステージとしても、上述のような積み上
げ式の構成を用いると、各段の間にバックラッシュか生
じたり、摩擦による歪が生じたりする。
Even with such a fine movement stage, if a stacked structure as described above is used, backlash may occur between each stage or distortion due to friction may occur.

微動ステージとして高精度を達成しゃすい構成の1つと
して、ステージに直接多数のアクチュエータを結合する
パラレルリンク式ステージかある。
One configuration that can easily achieve high accuracy as a fine movement stage is a parallel link stage in which a large number of actuators are directly coupled to the stage.

たとえば、十分剛性の高い1つのステージに6つのアク
チュエータを結合し、6自由度の運動を行なうものであ
る。各アクチュエータを直接ステージと結合することに
より、ステージの運動をモニタし、各アクチュエータに
フィードバックすることによって、ステージの位置を高
精度に制御することかできる6 ε発明が解決しようとする課題] しかしながら、1つのステージを複数のアクチュエータ
で駆動する場合、自由度間の干渉が問題となる。たとえ
ば、ステージをX方向に駆動した時、ステージのY方向
にも変位してしまうという問題である。X方向の駆動で
あるから、X方向位置のみをモニタし、X方向アクチュ
エータにフィードバックをしていても、Y方向の変位な
いし振動はなかなか滅哀しないこともある。このような
干渉は低周波領域では、制御的手段により、それを補正
することは容易であるなめ、さほど問題ではないか、高
周波領域になるにしたかって問題となり、ステージ自体
の安定化か困難となり、精度劣化につながるようになる
。ステージを高速で移動しようとすると、高周波領域を
用いることを避ける訳にはいかず、多モード間の干渉を
解決する必要か生じる。 本発明の目的は、高応答、高
精度な多自由度微動ステージを提供することである。
For example, six actuators are connected to one sufficiently rigid stage to perform movement with six degrees of freedom. By directly coupling each actuator to the stage, the position of the stage can be controlled with high precision by monitoring the movement of the stage and providing feedback to each actuator.6 εProblems to be Solved by the Invention] However, When driving one stage with multiple actuators, interference between degrees of freedom becomes a problem. For example, when the stage is driven in the X direction, the stage is also displaced in the Y direction. Since the drive is in the X direction, even if only the X direction position is monitored and feedback is provided to the X direction actuator, displacement or vibration in the Y direction may not be completely eliminated. This kind of interference may not be a big problem in the low frequency range, as it is easy to correct it using control means, but it becomes a problem in the high frequency range, making it difficult to stabilize the stage itself. , which leads to deterioration of accuracy. When attempting to move the stage at high speed, it is impossible to avoid using a high frequency region, and it becomes necessary to solve interference between multiple modes. An object of the present invention is to provide a multi-degree-of-freedom fine movement stage with high response and high precision.

「課題を解決するための手段] 本発明は、多自由度ステージ装置の振動モード間の干渉
を低減する。
"Means for Solving the Problems" The present invention reduces interference between vibration modes of a multi-degree-of-freedom stage device.

本発明のステージは、6自由度のステージ部材に6組の
アクチュエータを直接結合して駆動する6自由度微動ス
テージであって、各アクチュエータは、1軸方向の削性
が窩く、他の方向には弾性変形が可能なヒンジを介して
ステージ部材に結合され、ステージ部材の慣性主軸方向
をX、Y、Zとした時、1つのアクチュエータかX方向
の変位を(α1、β1、γ1)に配置されたヒンジを介
してステージ部材に与え、2つのアクチュエータかY方
向の変位を(α2、β2、γ2)、−(α3、β3、γ
3)に配置されなヒンジを介してステージ部材に与え、
3つのアクチュエータか2方向の変位を(α4−β4、
γ4)、(α5、β5、γ5)、(α6、β6、γ6)
に配置されたヒンジを介してステージ部材に与え、 γ1=γ2=γ3=0 β1=0 α2+α3=0 (α5+α6)(β5+β6) (α6β5+α5β6)/2 を満足する。
The stage of the present invention is a 6-degree-of-freedom fine movement stage in which 6 sets of actuators are directly connected to and driven by a 6-degree-of-freedom stage member, and each actuator has machinability in one axis direction and machinability in the other direction. is connected to the stage member via a hinge that can be elastically deformed, and when the principal axes of inertia of the stage member are X, Y, and Z, one actuator has a displacement in the X direction of (α1, β1, γ1). The two actuators apply displacement in the Y direction to the stage member through the arranged hinges (α2, β2, γ2), -(α3, β3, γ
3) applied to the stage member via a hinge disposed in;
The displacement of three actuators in two directions (α4-β4,
γ4), (α5, β5, γ5), (α6, β6, γ6)
is applied to the stage member via a hinge located at , and satisfies the following: γ1=γ2=γ3=0 β1=0 α2+α3=0 (α5+α6)(β5+β6) (α6β5+α5β6)/2.

F作用〕 1つのステージに多数のアクチュエータを直接結合し、
多自由度の運動をさせるために、各アクチュエータは1
軸方向に剛性が高く、他の方向には弾性変形が可能なヒ
ンジを有する。このような構成とすることにより、1つ
のステージに多数のアクチュエータを結合しても、各ア
クチュエータはそれぞれ所定の駆動を行なうことか可能
となる。
F action] Directly connect multiple actuators to one stage,
Each actuator has one
It has a hinge that is highly rigid in the axial direction and can be elastically deformed in other directions. With such a configuration, even if a large number of actuators are connected to one stage, each actuator can perform a predetermined drive.

さらに、各アクチュエータの特性を、変位に比例する弾
性特性と、変位の時間微分に比例する減衰特性とによっ
て近似し、アクチュエータ変位とステージ変位との干渉
を低減する条件を求めることにより得られた上述の条件
を満足するようにすると、各自由度についての運動方程
式かそれぞれ独立のものとなり、干渉か防止される。
Furthermore, the above-mentioned results were obtained by approximating the characteristics of each actuator by elastic characteristics proportional to displacement and damping characteristics proportional to the time derivative of displacement, and finding conditions for reducing interference between actuator displacement and stage displacement. If the condition is satisfied, the equations of motion for each degree of freedom become independent, and interference is prevented.

[実施例] 第1図に本発明によるステージのモデルを示す。[Example] FIG. 1 shows a model of the stage according to the invention.

十分同性の高いステージ部材10は、たとえば、図示の
ように直方体状の形状を有する。このステージ部材の重
心Gを図示のようにとり、この重心を原点として座標形
XYZを慣性主軸の方向にとる。このステージ部材lを
駆動するために6つのアクチュエータ1〜6か設けられ
、それぞれ、Pl (α1、β1、γ1)ゝP6(α6
、β6、γ6)の点でステージ部材10に結合されてい
る。
The sufficiently homogeneous stage member 10 has, for example, a rectangular parallelepiped shape as shown in the figure. The center of gravity G of this stage member is taken as shown, and the coordinate form XYZ is taken in the direction of the principal axis of inertia with this center of gravity as the origin. Six actuators 1 to 6 are provided to drive this stage member l, and each actuator is Pl (α1, β1, γ1), P6 (α6
, β6, γ6) to the stage member 10.

Xアクチュエータ1は、結合点P1でX方向の力をステ
ージ部材10に作用させる。2つのYアクチュエータ2
.3は、それぞれ点P2、P3でY方向の力をステージ
部材10に作用させる。′iな、3つのZアクチュエー
タ4.5.6は、それぞれ点Pa−Ps、P6て゛ステ
ージ10にX方向の力を作用させる。これらの6つの力
により、ステージ部材10はx−y、z、φX、φy、
φZの6自由度の変位を行なう。
The X actuator 1 applies a force in the X direction to the stage member 10 at the coupling point P1. Two Y actuators 2
.. 3 applies a force in the Y direction to the stage member 10 at points P2 and P3, respectively. The three Z actuators 4.5.6 apply forces in the X direction to the stage 10 at points Pa-Ps and P6, respectively. These six forces cause the stage member 10 to move xy, z, φX, φy,
Displacement of φZ with 6 degrees of freedom is performed.

各アクチュエータの特性を、第2図(A)に示すように
、変位発生源11にバネ13とダッシュボット14との
並列接続系か結合された構造で近似する。すなわち、ア
クチュエータが与える力は、バネ13の変位に比例する
量と、ダッシュボット14における変位の時間微分に比
例する量との和になる。
The characteristics of each actuator are approximated by a structure in which the displacement source 11 is connected to a spring 13 and a dashbot 14 in parallel, as shown in FIG. 2(A). That is, the force applied by the actuator is the sum of an amount proportional to the displacement of the spring 13 and an amount proportional to the time derivative of the displacement in the dashbot 14.

このようなアクチュエータモデルは、たとえば第2図(
B)に示すような構造例で実現される。
Such an actuator model is, for example, shown in Figure 2 (
This is realized by a structural example as shown in B).

すなわち、積層ピエゾ素子16の両端に球面ヒンジ18
.19が結合され、積層ピエゾ素子16の与える軸方向
の変位を球面ヒンジ両側に伝達する。
That is, spherical hinges 18 are provided at both ends of the laminated piezo element 16.
.. 19 are coupled to transmit the axial displacement given by the laminated piezo element 16 to both sides of the spherical hinge.

球面ヒンジ18.19は、両側から次第に半径を絞り込
んだ構造を有し、軸方向に高い剛性を有するか、それに
直交する方向、あるいはヒンジ中心に対する曲げには弾
性変形か可能なヒンジである。
The spherical hinges 18, 19 have a structure in which the radius is gradually narrowed from both sides, and have high rigidity in the axial direction, or are hinges that can be elastically deformed in a direction perpendicular to the axial direction, or in bending with respect to the hinge center.

第1図のステージ系の運動方程式を以下のように表わす
The equation of motion of the stage system in FIG. 1 is expressed as follows.

IM x+ ID x + IK X = IK JT
 IA IE + ID JT IA +aここで、X
はステージ部材10中心の並進、回転変位ベクトルであ
り、 X= (x+y+z+dzx、φy1φ2)で表わされ
る。また、ドツトは時間微分を表わす。
IM x+ ID x + IK X = IK JT
IA IE + ID JT IA +a where X
is a translational and rotational displacement vector at the center of the stage member 10, and is expressed as: X=(x+y+z+dzx, φy1φ2). Also, dots represent time differentiation.

IEは、アクチュエータへの入力ベクトルを表わし、l
E= (e 1 、e 2−e 6 )で表わされる。
IE represents the input vector to the actuator, l
E=(e 1 , e 2−e 6 ).

 IMは、ステージ部材10の慣性マトリクスであり、 1M=d i  ag  (m、m、m、  I  x
、 I、y、Iz)て表わされる。:iな、IDはアク
チュエータとステージ系の減衰マトリクスであり、IK
はアクチュエータとステージ系の剛性マトリクスであり
、Jはアクチュエータ変位量とステージ変位量のヤコし
アンマトリクスであり、IAは単位入力当りのアクチュ
エータ変位量のゲインマトリクスである。
IM is an inertia matrix of the stage member 10, and 1M=d i ag (m, m, m, I x
, I, y, Iz). :i, ID is the attenuation matrix of the actuator and stage system, and IK
is a stiffness matrix of the actuator and stage system, J is a cross-sectional matrix of the actuator displacement amount and stage displacement amount, and IA is a gain matrix of the actuator displacement amount per unit input.

ここで各アクチュエータ1〜6の機械特性である剛性お
よび減衰係数が、全アクチュエータについてそれぞれ等
しいとすると、IKおよびIDはそれぞれ次式によって
表わされる。
Assuming that the mechanical properties of each actuator 1 to 6, such as rigidity and damping coefficient, are equal for all actuators, IK and ID are respectively expressed by the following equations.

1K = k・IR・・・(2) lD=d・IR・・・(3) ここでkはアクチュエータ剛性、dはアクチュエータ減
衰係数である。
1K = k·IR (2) 1D = d·IR (3) where k is the actuator stiffness and d is the actuator damping coefficient.

IRは、アクチュエータの配置位置(駆動点座標)によ
って定まるマトリクスであり、式(4)で表わされる。
IR is a matrix determined by the arrangement position (driving point coordinates) of the actuator, and is expressed by equation (4).

なお、各アクチュエータの作用点Pi  い=1〜6)
の座標を(α1、βi、γ1)とすると、式(4)の中
の係数RI」は、次のように表わされる。
In addition, the point of action Pi of each actuator = 1 to 6)
When the coordinates of are (α1, βi, γ1), the coefficient RI in equation (4) is expressed as follows.

R42=−(γ2+γ3) R43−β4士β5+β6 R51=γ 1 R53=−(αd十αδ十α6) R54=−(α4β4+α5β5+α6β6)R61=
−β 1 R62=α2+α3 R64=−(α2γ2+α3γ3 ) R65=−β 1 γ 1 R44=γ22+γ32+β42+β52+β 62 R55−γ12+α42+α52+α62R66−β1
2+α22+α32 式(1)において、ヤコビアンマトリクスJは一般に非
対角行列である。このため、各アクチュエータ変位量と
ステージ変位量間には干渉か存在する。すなわち、アク
チュエータが与えた変位と異なる自由度に変位か生じる
。このような干渉を避けるなめに、まず次のようにアク
チュエータへの入力を制御する。
R42 = - (γ2 + γ3) R43 - β4 + β5 + β6 R51 = γ 1 R53 = - (αd + αδ + α6) R54 = - (α4β4 + α5β5 + α6β6) R61 =
-β1 R62=α2+α3 R64=-(α2γ2+α3γ3) R65=-β1 γ1 R44=γ22+γ32+β42+β52+β62 R55-γ12+α42+α52+α62R66-β1
2+α22+α32 In equation (1), the Jacobian matrix J is generally a non-diagonal matrix. Therefore, interference exists between each actuator displacement amount and the stage displacement amount. That is, displacement occurs in a degree of freedom different from the displacement given by the actuator. To avoid such interference, first control the input to the actuator as follows.

1E−IA−IJr−1y、r          −
(5)ここで、xrはoxyz座標系の目標変位量であ
る。式(5)を式(1)に代入すると、IM 父+ I
D x + IK X = IKJr IAIA−I Jr −I X r+ 
ID JT IA IA−1JT −’ x r=lK
Xr+lDgr ・・・ (6) となる。
1E-IA-IJr-1y, r -
(5) Here, xr is the target displacement amount in the oxyz coordinate system. Substituting equation (5) into equation (1), IM father + I
D x + IK X = IKJr IAIA-I Jr -I X r+
ID JT IA IA-1JT -' x r=lK
Xr+lDgr (6)

ステージの運動は広い周波数領域において、Xを各成分
ごとに独立に駆動制御できることか望ましい0式(6)
の定常解は、時間微分を含まない項として、 IKX=lKX r 、 X=X r        
−(7)を含む。時間微分かOとみなせる低い周波数領
域では、上記の式を満足するように設定すればよい。
It is desirable to be able to control the movement of the stage independently for each component in a wide frequency range using equation 0 (6).
The steady-state solution of IKX=lKX r , X=X r as terms that do not include time derivatives
- Contains (7). In a low frequency region that can be regarded as time differential or O, the above equation may be set to satisfy.

しかしながら、高い周波数領域ではこ゛の条件のみでは
不十分である。すなわち、速い応答を行なう場合には、
変位の時間微分が無視できない量となる。この時、慣性
の存在によって振動モードの影響がでるか、各運動方向
(x−y−z、φX、φy、φZ)間に干渉か存在する
と、その干渉を含めて補償制御することは非常に困誼と
なる。そこで各自由度間に干渉か生じない条件を求める
However, in a high frequency region, this condition alone is insufficient. In other words, when performing a fast response,
The time derivative of displacement becomes a non-negligible amount. At this time, if there is an influence of the vibration mode due to the presence of inertia, or if there is interference between the motion directions (x-y-z, φX, φy, φZ), it is extremely difficult to perform compensation control that includes that interference. It becomes difficult. Therefore, we will find conditions under which no interference will occur between each degree of freedom.

式(6)において、IMは対角マトリクスであり、Kお
よびIDは式(2)〜(4)により表わされる。
In equation (6), IM is a diagonal matrix, and K and ID are expressed by equations (2) to (4).

すなわち、非対角項はIRの非対角項を考慮すればよい
、非対角項をOとする必要十分条件を求めると、以下の
ようになる。
That is, the off-diagonal terms of the IR may be considered, and the necessary and sufficient conditions for the off-diagonal terms to be O are determined as follows.

γ1−γ2−γ3−0          ・・・ (
8)β 1−0                  
 ・・・ (9)α2+α3=0          
・・・(10)(α5+α6) (β5+β6 ) (α6β5+α5β6)/2   ・・・ (11)非
対角項かOとなると、マトリクスで表記した式が簡単に
表わせ、式(6)は次のような独立した方程式に分離で
きる。
γ1-γ2-γ3-0... (
8) β 1-0
... (9) α2+α3=0
...(10) (α5+α6) (β5+β6) (α6β5+α5β6)/2 ... (11) When the off-diagonal term is O, the equation written in a matrix can be easily expressed, and equation (6) becomes as follows. can be separated into independent equations.

mM+d 1大十に1x=kixr+dI大rm9±d
2y+に2y=に2yr+d2yrm2+da之+ka
z=に3zr十d3之rIxix+d4#x+に4φx
=に4φxr+d4るxr I yiy+d5 #y+ksφ3’=に5φyr+a
5委yr Iziz+dsiz+kaφz=kaφzr+a6ゐz
r ・・・ (12) すなわち、第1図に示す構成において、図中下方に示す
4つの条件を満足する時1図示の6つのアクチュエータ
はそれぞれ干渉のない独立したアクチュエータとして取
り扱うことかできる。
mm+d 1×=kixr+dI rm9±d
2y+ to 2y=to 2yr+d2yrm2+da之+ka
z=to 3zr+d3之rIxix+d4#x+to4φx
= 4φxr+d4 xr I yiy+d5 #y+ksφ3'=5φyr+a
5 commission Iziz+dsiz+kaφz=kaφzr+a6ゐz
r... (12) That is, in the configuration shown in FIG. 1, when the four conditions shown in the lower part of the figure are satisfied, the six actuators shown in FIG. 1 can be treated as independent actuators without interference.

上述の式(8)は、XアクチュエータおよびYアクチュ
エータのそれぞれのZ座標か0であることを示し、3つ
のアクチュエータか重心と同一のX7面に配置されるこ
とを表わす、また、式(9)はXアクチュエータのY座
標か0であることを表わし、Xアクチュエータは慣性座
標のY軸と同一軸上に配置されることを示す、また、式
(10)は、2つのYアクチュエータのX座標が符号か
逆で大きさか等しいことを示し、2つのYアクチュエー
タは慣性主軸のY軸に対して対称位置に配置されること
を示す。
Equation (8) above indicates that the Z coordinate of each of the X actuator and Y actuator is 0, indicating that the three actuators are arranged on the same X7 plane as the center of gravity, and Equation (9) represents that the Y coordinate of the X actuator is 0, which indicates that the X actuator is arranged on the same axis as the Y axis of the inertial coordinate.Furthermore, equation (10) shows that the X coordinate of the two Y actuators is 0. The opposite sign indicates that the magnitude is equal, and the two Y actuators are arranged at symmetrical positions with respect to the Y axis of the principal axis of inertia.

式(11)は、上述の3つの式と比べ、幾何学的な意味
を簡明に表現することはできないか、この関係を満足す
る配置の一例は、第3図に示す実施例のように、3つの
Xアクチュエータを正三角形の頂点に配置する構成であ
る。
Equation (11) may not be able to express the geometrical meaning more simply than the above three equations.An example of an arrangement that satisfies this relationship is as shown in the embodiment shown in FIG. This is a configuration in which three X actuators are arranged at the vertices of an equilateral triangle.

第3図は本発明の実施例によるステージ装置を示す斜視
図である。第4図は、第3図の微動ステージ装置のY方
向からの側面図を示す。
FIG. 3 is a perspective view showing a stage device according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a side view of the fine movement stage device of FIG. 3 from the Y direction.

ステージ部材27は鉄等で形成され、十分高い剛性を有
する。このステージ部材21の重心の位置を原点とし、
慣性主軸の方向にXYZ軸をとる。
The stage member 27 is made of iron or the like and has sufficiently high rigidity. With the position of the center of gravity of this stage member 21 as the origin,
Take the XYZ axes in the direction of the principal axis of inertia.

Y軸に沿ってXアクチュエータ21か配置され、ステー
ジ部材21と点P1で結合する0図示の構成においては
、ステージ部材21に取付けた固定部材28に球面ヒン
ジの一端か結合されている。
In the illustrated configuration in which the X actuator 21 is arranged along the Y axis and is coupled to the stage member 21 at a point P1, one end of the spherical hinge is coupled to a fixing member 28 attached to the stage member 21.

アクチュエータ21は両端に球面ヒンジを有する。The actuator 21 has spherical hinges at both ends.

この固定部材28に一方のYアクチュエータ23か結合
されている。Yアクチュエータ23も両端に球面ヒンジ
を有し、その一方の球面ヒンジの中心点P3か結合部材
28側に配置されている。
One Y actuator 23 is coupled to this fixing member 28 . The Y actuator 23 also has spherical hinges at both ends, and the center point P3 of one of the spherical hinges is located on the coupling member 28 side.

Y軸に対照的な位置に、固定部材28と対照的な固定部
材29か配置され、この固定部材29にアクチュエータ
22の球面ヒンジの中心点P2が結合されている。また
、ステージ部材27の下面において、原点0の射影を重
心に配置した正三角形か想定され、その頂点に3つのX
アクチュエータ24.25.26一端の球面ヒンジが結
合される。
A fixing member 29, which is symmetrical to the fixing member 28, is arranged at a position symmetrical to the Y axis, and the center point P2 of the spherical hinge of the actuator 22 is coupled to this fixing member 29. In addition, on the lower surface of the stage member 27, an equilateral triangle is assumed with the projection of the origin 0 placed at the center of gravity, and three
A spherical hinge at one end of the actuator 24, 25, 26 is coupled.

すなわち、球面ヒンジの中心点Pa−P5、P6は、Z
軸を重心に配置した正三角形の頂点に配置される。
That is, the center points Pa-P5 and P6 of the spherical hinge are Z
It is placed at the vertex of an equilateral triangle with the axis at the center of gravity.

ここで用いた6つのアクチュエータはそれぞれ第2図(
B)に示すような、積層ピエゾ素子両端に球面ヒンジを
設けたもので構成できる。
The six actuators used here are shown in Figure 2 (
It can be constructed of a laminated piezo element with spherical hinges provided at both ends, as shown in B).

第4図は、第3図の微動ステージ装置のY方向からの側
面図を示す。
FIG. 4 shows a side view of the fine movement stage device of FIG. 3 from the Y direction.

一方向に伸縮するアクチュエータの両端にその伸び方向
以外の同性の低い構造を設けると、各アクチュエータの
伸び量の組合わせによってステージの変位量か決定され
る。たとえば、第3図および第4図に示す構成において
、Xアクチュエータ21の伸縮により、ステージ27は
X軸方向に並進運動を行なう、また、2つのYアクチュ
エータ22.23を同一方向に同一量伸縮させることに
よって、Y軸方向に並進させることができる。また、2
つのYアクチュエータを逆方向に伸縮させると、Z軸回
りの回転運動θZを行なう、また、3つのXアクチュエ
ータ24.25.26を同一方向に同一量伸縮させるこ
とによって、Z方向並進運動を行なうことかできる。ま
た、Xアクチュエータを適当な組合わせによって、異な
る量駆動すると−X軸回り、Y軸回りの回転運動を行な
うことかできる。
When an actuator that expands and contracts in one direction is provided with a structure having low homogeneity in a direction other than the direction of expansion at both ends of the actuator, the amount of displacement of the stage is determined by the combination of the amounts of expansion of each actuator. For example, in the configurations shown in FIGS. 3 and 4, the stage 27 performs a translational movement in the X-axis direction by the expansion and contraction of the X actuator 21, and the two Y actuators 22 and 23 are expanded and contracted by the same amount in the same direction. This allows translation in the Y-axis direction. Also, 2
When the two Y actuators are extended and contracted in opposite directions, a rotational movement θZ is performed around the Z axis, and when the three X actuators 24, 25, and 26 are extended and contracted by the same amount in the same direction, a translational movement in the Z direction is performed. I can do it. Furthermore, by driving the X actuators by different amounts using appropriate combinations, it is possible to perform rotational movements around the -X axis and the Y axis.

ステージ部材27(およびそれに固定された部品を含む
)の重心Gと、各アクチュエータの駆動点P1〜P6を
前述の条件に適合するように選択することにより、振動
モード間の干渉がなくなり、各自由度について独立の運
動を行なわせることかできる。このため、各自由度につ
いてモニタを行ないフィードバックすることにより、有
効な制御を行なうことができる。このようにして高精度
、高応答のステージ装置か得られる。各自由度ごとに独
立の制御とすることができるため、制御装置全体の構成
か簡単になり、かつ精度、応答性を確保することができ
る。
By selecting the center of gravity G of the stage member 27 (including parts fixed thereto) and the drive points P1 to P6 of each actuator to meet the above-mentioned conditions, interference between vibration modes is eliminated and each free It is possible to make independent movements occur with respect to degrees. Therefore, effective control can be performed by monitoring each degree of freedom and providing feedback. In this way, a stage device with high precision and high response can be obtained. Since each degree of freedom can be controlled independently, the configuration of the entire control device can be simplified, and accuracy and responsiveness can be ensured.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれ
らに制限されるものではない、たとえば、半導体製遣装
置のみでなく、工作機械等、広く精度を要するステージ
装置に適用することかできる。  を概略的に示す斜視
図、その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能 
  第4図は、第3図のステージ装置をY方向がらなこ
とは当業者に自明であろう、          見た
時の側面図である。
Although the present invention has been described above in accordance with the embodiments, the present invention is not limited to these. For example, the present invention can be applied not only to semiconductor manufacturing equipment, but also to a wide range of stage equipment that requires precision, such as machine tools. can. A schematic perspective view, and various other changes, improvements, and combinations are possible.
FIG. 4 is a side view of the stage apparatus shown in FIG. 3 as viewed in the Y direction, as will be obvious to those skilled in the art.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、ステージ装置に
直接6自由度のアクチュエータを結合したパラレルリン
ク式微動ステージにおいて、各振動モード間の干渉を低
減することかできる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, interference between vibration modes can be reduced in a parallel link type fine movement stage in which an actuator with six degrees of freedom is directly coupled to a stage device.

干渉の低減により、系全体の安定度が増大し、精度を向
上することができる。
Reducing interference can increase the stability of the entire system and improve accuracy.

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

第1図は、本発明によるステージのモデルを示す概略斜
視図、 第2図(A)、(B)は、アクチュエータを説明するた
めの図であり、第2図(A)はアクチュエータの機械的
モデルを示す概略図、第2図(B)は構造例を示す概略
図、 第3図は、本発明の実施例によるステージ装置図におい
て、 1〜6 18.19 21〜26 28.29 アクチュエータ ステージ部材 変位発生源 バネ ダッシュポット 積層ピエゾ素子 球面ヒンジ アクチュエータ ステージ部材 固定部材 ヒンジの中心位置 特許出願人  住友重機械工業株式会社復代理人 弁理
士 高橋 敬四部 F=kx+d (dx/dt) (A)モデル Pi(αl、β1γ1) γl:γ22γ3=0 β1−0 ’2+t!コ=O (α5+α6)・(β5+β6)−(α6β5+α5β
6)/21〜6;アクチュエータ  10:ステージ部
材本発明によるステージのモデル 第1図 <Be1t造例 アクチュエータ 第2図 第3図のステージ装置の側面図 第4図
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a model of the stage according to the present invention, FIGS. 2(A) and (B) are diagrams for explaining the actuator, and FIG. 1 to 6 18.19 21 to 26 28.29 Actuator stage Member displacement source Spring Dashpot Laminated piezo element Spherical hinge Actuator Stage Member fixing member Hinge center position Patent applicant Sumitomo Heavy Industries, Ltd. Sub-agent Patent attorney Keishibu Takahashi F=kx+d (dx/dt) (A) Model Pi (αl, β1γ1) γl:γ22γ3=0 β1−0 '2+t! Co=O (α5+α6)・(β5+β6)−(α6β5+α5β
6)/21~6; Actuator 10: Stage member Model of the stage according to the present invention FIG. 1 <Belt example actuator FIG. 2 Side view of the stage device of FIG. 3 FIG.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)、6自由度のステージ部材に6組のアクチュエー
タを直接結合して駆動する6自由度微動ステージであっ
て、 各アクチュエータは、1軸方向の剛性が高く、他の方向
には弾性変形が可能なヒンジを介してステージ部材に結
合され、 ステージ部材の慣性主軸方向をX、Y、Zとした時、1
つのアクチュエータがX方向の変位を(α_1、β_1
、γ_1)に配置されたヒンジを介してステージ部材に
与え、2つのアクチュエータがY方向の変位を(α_2
、β_2、γ_2)、(α_3、β_3、γ_3)に配
置されたヒンジを介してステージ部材に与え、3つのア
クチュエータがZ方向の変位を(α_4、β_4、γ_
4)、(α_5、β_5、γ_5)、(α_6、β_6
、γ_6)に配置されたヒンジを介してステージ部材に
与え、 γ_1=γ_2=γ_3=0 β_1=0 α_2+α_3=0 (α_5+α_6)(β_5+β_6) =(α_6β_5+α_5β_6)/2 を満足する6自由度微動ステージ装置。
(1) A 6-degree-of-freedom fine movement stage in which six sets of actuators are directly connected to and driven by a 6-degree-of-freedom stage member, each actuator having high rigidity in one axis direction and elastic deformation in other directions. is connected to the stage member via a hinge that allows
two actuators move the displacement in the X direction (α_1, β_1
, γ_1) to the stage member, and the two actuators apply displacement in the Y direction to (α_2
, β_2, γ_2), (α_3, β_3, γ_3) to the stage member, and the three actuators apply displacement in the Z direction to (α_4, β_4, γ_3).
4), (α_5, β_5, γ_5), (α_6, β_6
, γ_6) to the stage member through hinges placed at .
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