JPH0577125A - Ｘｙステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 Ｘ、Ｙ軸への負荷の低減、均一化できる一階
層ＸＹステージを実現することで、ＸＹステージの小
型、軽量化や適用領域の拡大、低価格化を図る。 【構成】 基板４上にＸＹプレート２１を配設する。Ｘ
Ｙプレート２１の各角部を４つの開脚案内２０によって
基板４に連結する。開脚案内２０は、互いに直交し、上
端が互いに結合された２つの板ばね２０ａ、２０ｂとで
構成され、一方の板ばね２０ａの下端がＸＹプレート２
１に、もう一方の板ばねの下端２０ｂが基板４にそれぞ
れ固定されている。ＸＹプレート２１の周囲に同一構成
からなる２つの駆動装置２３Ａ、２３Ｂを互いに直交す
るように配設する。各駆動装置２３Ａ、２３Ｂのモータ
２４の駆動によってリンク２９を回動させ、送りロッド
３０を変位させることによりＸＹプレート２１をＸ、Ｙ
方向に変位させる。送りロッド３０は、送り方向に高剛
性、送り直角方向に低剛性を有するように形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体の微少部分を観察・
選別あるいは加工する際、物体をＸＹ方向の２軸に相対
移動させるために使用される比較的小ストロークのＸＹ
ステージに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のＸＹステージは、図３に
示すように積層配置されそれぞれ矢印Ｘ、Ｙ方向に移動
するＸプレート１およびＹプレート２、Ｘプレート１上
に配置された物体を載せる載置台３、基板４、Ｘプレー
ト１とＹプレート２をそれぞれ案内支持するＸ、Ｙ板ば
ね５、６等を備えている。Ｘ板ばね５は上端をＸプレー
ト１に、下端をＹプレート２にそれぞれ固定されてお
り、Ｘプレート１とＹプレート２との各コーナー部にそ
れぞれ板面がＸ方向に向くように揃えて配設されてい
る。Ｙ板ばね６の構成はＸ板ばね５と略同様であるが、
異なる点は上端がＹプレート２に、下端が基板４に固定
されている点、および４つの板ばねの全ての板面がＸ板
ばね５と直交しＹ方向を向くように揃えて配設されてい
る点である。７（７Ａ，７Ｂ）は圧電効果を利用したピ
エゾ素子であって、このピエゾ素子７はＸプレート１の
駆動用とＹプレート２の駆動用に２本直交して設けら
れ、Ｘ軸用ピエゾ素子７Ａの一端はＸプレート１と一体
の移動ブロック８に、他端はＹプレート２と一体の固定
ブロック９にそれぞれ結合されている。一方、Ｙ軸用ピ
エゾ素子７Ｂの一端はＹプレート２と一体の移動ブロッ
ク１０に、他端は基板４と一体の固定ブロック１１にそ
れぞれ結合されている。

【０００３】このように従来のＸＹステージは、全く同
じ構造の一軸ステージを上下２段に向きを直交させて重
ねた構造を採用したもので、各ピエゾ素子７Ａ、７Ｂに
電位印加してこれらを伸縮させると、Ｘプレート１をＸ
板ばね５の弾性変形によりにＸ方向に、Ｙプレート２を
Ｙ板ばね６の弾性変形によりＹ方向にそれぞれ移動させ
ることができ、これによって載置台３をＸ、Ｙ方向に位
置決めする構造となっている。

【０００４】この構造の特徴は、伸縮方向には高い剛性
であるが伸縮直角方向には低剛性・低強度であるピエゾ
素子７の弱点を、板ばね案内で補っていることにある。
すなわち、低剛性な板ばねの板厚方向を伸縮方向、高剛
性な板ばねの板面方向を伸縮直角方向とすることで、送
り方向および送り直角方向とも高剛性な位置決め機構を
実現している点にある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来のＸＹステージには以下に述べるような欠点があ
った。第１の欠点は、一軸ステージを二階層構造として
いることから生じるものである。すなわち、下層ステー
ジ（この場合はＹプレート２）は上層ステージ（Ｘプレ
ート１）を抱えて移動せざるを得ないので、その分だけ
下層ステージの負担、例えば動力や案内の強度を大きく
しないと、Ｘ、Ｙ軸とも同様な性能が得られないという
問題点がある。特に、駆動装置が大型になれば、これを
抱えて移動する下層ステージの負担増は避けられず、大
型、大重量化してしまう。さらに、２階層分だけステー
ジ全体が高くなり、小型化が難しいという問題もある。
この場合、軽量、小型なピエゾ素子による駆動は、この
構造に有利な選択と言える。第２の欠点は、ピエゾ素子
７の伸縮性である。例えば、ストロークが０．１ｍｍ以
下であれば小型、軽量、高剛性、高分解能等、ピエゾ素
子に特有の利点を生かせるが、ピエゾ素子の全長を伸縮
量で除した比は約１０００と略一定なので、ストローク
を１ｍｍとすると、ピエゾ素子の全長は１ｍとなる。し
たがって、ピエゾ素子駆動は小ストロークでその威力を
発揮できるが、長ストロークではピエゾ素子の設置スペ
ース確保に難が生じる欠点を有している。また、ピエゾ
素子はヒステリシスやドリフトが大きく、高精度な位置
決めを確保するにはピエゾ素子の伸縮量を計測するセン
サを別に付加し、これを基準に制御する高度なサーボが
不可欠となる。これらは機構や制御を複雑化させ、故障
要因の増大を招き、高価になる等の欠点となる。

【０００６】したがって、本発明は上記した従来の問題
点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは
Ｘ、Ｙ軸への負荷の低減、均一化できる一階層構造とす
ることにより、二階層構造による欠点である負荷の不均
一性や背高化を防止し、加えてピエゾ素子駆動は勿論、
適用する駆動系の選択自由度の増加により、従来のＸＹ
ステージに特有の小ストローク性、サーボの高度化、あ
るいは大型化、高価格化といった様々な問題を一挙に解
決し得るＸＹステージを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、その第１の発明は、１軸案
内を直交させて直列に接続して構成した２軸案内を、第
１の剛体と第２の剛体との間に２カ所以上それぞれ案内
方向が平行になるように並列に接続したものである。第
２の発明は、上記第１の発明において、軸方向に十分大
きな剛性を持つ棒状部材の軸直角方向の両側から軸心対
称に入れた切欠きが、棒状部材の軸心方向に２ヵ所以上
存在する送りロッドを介して駆動するものである。

【０００８】

【作用】本発明において、１軸案内を直交させて直列に
接続して構成した２軸案内は、第１の剛体と第２の剛体
との間に２カ所以上それぞれ案内方向が平行になるよう
に並列に接続されて配設され、これら剛体を相対移動可
能に案内保持する。軸直角方向の両側から軸心対称に切
り込まれた切欠きを有する送りロッドは、軸方向に高剛
性で、軸直角方向が低剛性で、直進変位のみを伝達す
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明に係るＸＹステージの一
実施例を示す斜視図である。なお、図中図３と同一構成
部品のものに対しては同一符号を以て示す。２０は載置
台３が設置されたＸＹプレート２１をＸ、Ｙ方向に案内
支持する開脚案内である。開脚案内２０は、従来ステー
ジにおけるＸ板ばね５と、Ｙ板ばね６に相当する２つの
板ばね（Ｘ、Ｙ軸方向案内）２０ａ、２０ｂを互いに直
交するよう配置してその上端を一体的に接続結合した構
成で、ＸＹプレート２１の各コーナー部にそれぞれ位置
するよう配設されている。したがって、開脚案内２０は
４つからなり、板ばね２０ａ、２０ｂの板面同士が対向
して直交するように配置されており、各開脚案内２０の
一方の板ばね、例えば板ばね２０ａの脚（下端）がＸＹ
プレート２１に、これと直交して対向する他方の板ばね
２０ｂの脚が基板４にそれぞれ固定されている。結局、
開脚案内２０は従来のＸ板ばね５とＹ板ばね６とを、４
個に分離したのちＸとＹを直列に折り畳んで結合し一体
化したもので、実施例の一階層ＸＹステージは基板４と
ＸＹプレート２１間を４個の開脚案内２０で並列に接続
した構成である。したがって、ＸＹプレート２１をＸ方
向に押せば各開脚案内２０を構成する一方の板ばね２０
ａはＸ方向が低剛性な板厚方向なので容易にＸ方向に変
形してＸＹプレート２１のＸ方向移動を可能にし、逆に
Ｙ方向に押せば同様に他方の板ばね２０ｂはＹ方向が低
剛性な板厚方向なので容易にＹ方向に変形してＸＹプレ
ート２１のＹ方向移動を可能にする。以上により一階層
ＸＹステージが構成できる。

【００１０】なお、Ｚ方向とＸ、Ｙ、Ｚ軸を中心とする
回転方向は、全て高剛性な板ばねの板面方向となるの
で、強固に支持され、結果としてＸＹプレート２１はＸ
Ｙ方向にのみ自由に移動できる構造であることは説明す
るまでもない。さらに、基板４やＸＹプレート２１は機
構を説明するための名称であって、いずれも単なる語剛
体であればよく、原理上は基板４を第１の剛体、ＸＹプ
レート２１を第２の剛体とし、第１の剛体と第２の剛体
との間が複数個の開脚案内２０で並列に結合されていれ
ばよいことになる。また、開脚案内２０は４個で説明し
たが、図１の適宜な位置にさらに追加しても、また対角
線上の２ヵ所を取り去って２ヵ所としても、そのままで
はバランスが悪くなるが一階層ＸＹステージの機能は維
持される。加えて、開脚案内２０は例として板ばね式で
説明したが、板ばねと同様の案内機構があれば何でもよ
く、板の両端に回転する軸がある蝶つがいやリンク、極
端な例は滑動式やボール式の１軸案内、あるいは静圧浮
上式の非接触案内等を直交させて直列に接続しても構成
できること等は言うまでもない。

【００１１】次に、上記構成からなるＸＹプレート２１
の駆動構造について説明する。ＸＹプレート２１の駆動
装置２３（２３Ａ、２３Ｂ）は、従来のピエゾ素子に代
えてねじ送り方式を採用したもので、モータ２４、モー
タ２４の回転を減速させる変速機２５、モータ２４の回
転が減速伝達される送りねじ２６、送りねじ２６に螺合
された直進ナット２７、直進ナット２７の変位が連結棒
２８を介して伝達されるてこ式のリンク２９、リンク２
９の回転をＸＹプレート２１に伝達する送りロッド３０
等からなり、基板４上の直交する２ヵ所に配設されてい
る。各駆動装置２３Ａ、２３Ｂリンク２９は、ＸＹプレ
ート２１の互いに直交する一辺と略平行に配設されてお
り、一端が前記連結棒２８に連結され、他端が基板４上
に固定されてリンク固定部３１を形成し、またこの固定
部３１の直前にはリンク２９の回動中心を形成する切欠
変形部３２が設けられている。前記送りロッド３０はリ
ンク２９と直交するように配設され、一端がリンク２９
の上面で、該リンクの長手方向中央よりも固定部３１側
に固定され、他端がＸＹプレート２１に固定されてい
る。

【００１２】本発明の一階層ＸＹステージは運動側であ
るＸＹプレート２１をＸ、Ｙ方向にそれぞれ変位させる
２つの駆動装置２３Ｘ、２３Ｙを共に非運動側である基
板４上に位置させている。このため、例えば駆動装置２
３ＸによってＸＹプレート２１をＸ方向に変位させれ
ば、ＸＹプレート２１をＹ方向に移動させる駆動装置２
３Ｙの送りロッド３０のプレート側固定端も変位する。
したがって、ＸＹプレート２１をＸ方向またはＹ方向に
変位させると他方の送りロッド３０に無理な力が作用し
性能に悪影響する。これを避けるため、送りロッド３０
は送り方向に高剛性、送り直角方向には低剛性となるよ
うな工夫をして、送りロッド３０の直進変位のみが伝わ
るようにしてある。以下、これを図２に基づいて説明す
る。

【００１３】図２(a) は送りロッド３０の変位前におけ
る状態を示し、同図(b) は変位後における状態を示すも
のである。送りロッド３０の各固定端３３ａ、３３ｂの
近傍にはそれぞれ２つの切欠き４０が互いに接近して設
けられている。切欠き４０はコの字状の切り込みを送り
ロッド３０の両側から切り込んで軸心に薄板４１を残留
させたもので、また接近する２つの切欠き４０と４０と
は互いに直交して形成されている。この結果、送りロッ
ド３０は切欠き４０の部分に残留した薄板４１の板面方
向は高剛性、板厚方向には低剛性で、特に曲げに弱くな
るため切欠き４０の部分では容易に折れ曲がり変形す
る。したがって、図２(b) に示すように送りロッド３０
の両固定端近傍の切欠き４０の折れ曲がりだけで送りロ
ッド３０の軸直交変位を吸収できる。このため、送りロ
ッド３０の軸直角方向は低剛性となるが、軸方向にはほ
とんど変形せず、きわめて高剛性となる。これら両固定
端３３ａ、３３ｂ間には送りロッド３０の軸方向変位、
すなわち直進変位のみが伝達されることを意味する。加
えて、送りロッド３０の断面形状は丸棒としたが、これ
に限らず矩形や様々な形状の棒部材が使用できること、
送りロッド３０が長く切欠き４０が固定端に近い程、送
りロッド３０の軸方向と軸直角方向の剛性比に差を与え
られること等は言うまでもない。なお、矢寸法４４は送
りロッド３０の両固定端３３ａ、３３ｂ間の軸直角方向
変位量を図示したものである。

【００１４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係るＸＹス
テージは、一階層のＸＹステージを実現できる結果、以
下に列挙する様々な効果を有するものである。 １）従来の二階層ステージに比べて、一階層分だけ高さ
を低くすることができ、且つ駆動系をＸＹステージ上に
搭載する必要がなく、したがってＸＹステージの軽量・
小型化に多大な効果がある。 ２）唯一の一階層ステージをＸＹステージ上でない非運
動側に動力系を置いてＸ、Ｙ方向に駆動できる。これは
Ｘ、Ｙ軸にかかる負荷を同一、且つ最小限とでき、且つ
動力系の大きさや重量がＸＹステージの性能に直接的な
影響を与えないことを意味する。したがって、Ｘ、Ｙ軸
とも小動力の同一の機構や制御で駆動できること、およ
び駆動系の選択自由度が高く、様々な送り機構を適用で
きる効果を生み、結果として低価格化に直結する効果を
生む。 ３）本発明ではねじ送りを例にとって説明したが、これ
はピエゾ素子駆動に比べ容易に長ストローク送りを実現
できること、マイクロメータに代表されるように、ねじ
そのものがスケールなのでサーボ系が無くても位置決め
できること、あるいは位置決めは動力を切っても維持さ
れること等、他の送り装置には無い特徴があり、その効
果を強調するためである。但し、これに限定されるうも
のではなく従来装置で説明したピエゾ素子を用いても、
その小型、軽量、高剛性な利点を更に生かせるし、他に
も電磁力、静電力、あるいは圧力等を利用した駆動系が
応用できることは言うまでもなく、ＸＹステージの用途
に応じて送り系を選択できる。 ４）複数個のコの字状の切欠きを有する送りロッドは、
単に切り込みを適宜に入れるだけで、軸方向と軸直角方
向の剛性比を大幅に低減できるだけでなく、切り込みの
大きさや切り込み間の距離等で剛性比を調整したり、例
えば固定端の近傍に２ヵ所でなく１ヵ所とすれば軸直角
の一定方向だけ低剛性にすることもできる等の様々な効
果が得られる。したがって、切欠きの入れ方で軸方向変
位に限らず軸直角の一定方向変位のみを伝達したい様々
な用途に使用できる。なお、切欠きはコの字状とした
が、Ｕ字状、Ｖ字状等適宜な形状とすることができるも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＸＹステージの一実施例を示す斜
視図である。

【図２】(a) 、(b) は送りロッドの変位前と変位後の斜
視図である。

【図３】ＸＹステージの従来例を示す斜視図である。

【符号の説明】

３ 載置台 ４ 基板 ２０ 開脚案内 ２０ａ、２０ｂ 板ばね ２１ ＸＹプレート ２４ モータ ２９ リンク ３０ 送りロッド ４０ 切欠き

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １軸案内を直交させて直列に接続して構
   成した２軸案内を、第１の剛体と第２の剛体との間に２
   カ所以上それぞれ案内方向が平行になるように並列に接
   続したことを特徴とするＸＹステージ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のＸＹステージにおい
   て、軸方向に十分大ききな剛性を持つ棒状部材の軸直角
   方向の両側から軸心対称に入れた切欠きが、棒状部材の
   軸心方向に２ヵ所以上存在する送りロッドを介して駆動
   することを特徴とするＸＹステージ。