JPS6235919A - 移動ステ−ジ - 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、表面粗さプロファイル検査装置ヤレーザ顕Ｗ
繞等の装置に用いられる移動ステージに関し、特に移動
ステージ本体を第１の方向（以下Ｘ方向という）および
または上記第１の方向と直交する第２の方向（１ス下Ｙ
方向という）へ変位駆動する手段の改良に関する。

〔従来の技術〕

表面粗さプロファイル検査装置やレーザ顕微鏡等に用い
られる移動ステージは、試料を載せた状態の移動ステー
ジ本体を、駆動手段によりＸ方向およびＹ方向に周期的
に変位動作させるとともに、ＸＹ画面上各点における情
報を光学的に検出し、これをＣＲＴモニター上に表示す
ることにより、上記情報を観測し得る如く構成されてい
る。

ところで上記移動ステージ本体をＸ方向およびＹ方向に
駆動する手段として、従来は、■ＤＣモータやボイスコ
イル等の電磁式アクチユエータを用いる手段、■積層型
圧電式アクチュエータを用いる手段等が採用されていた
。

〔発明が解決しようとする問題白〕

上記構成の従来の移動ステージにおいては、つぎのよう
な問題があった。すなわち駆動手段として電磁式アクチ
ュエータを用いたものにあっては、アクチコ■−夕が電
！ｉ式であるが故に磁気的ノイズを発生し易いという欠
点がある。そして特にＤＣモータを駆動源としたもので
は、繰返し精度が悪く駆動周波数が低いという欠点を有
しており、ボイスコイルを駆動源としたものでは、負荷
のφ聞に制限があるという欠点を有している。これに対
して積層型圧電式アクチュエータを駆動手段として用い
たものでは、Ｎ１１式アクチュエータを駆動手段とした
ものが有している欠点をもたないことから、特に超Ｍ密
駆動が要求される例えば半導体製造装百の×Ｙ移動ステ
ージ等に利用されつつある。すなわち積層型圧電式アク
チュエータは、他のアクチュエータに比へて位置決め精
度が極めて高く、しかも応答速度が速く、さらに磁気的
ノイズを発生しないうえ、機械内因動部を持たないとい
う長所を有している。しかしその反面、駆動し得るスミ
−ローフが小さく１００−程度の変位量を得るためには
１０馴程度の長さの柱状のものが必要であり大型化する
こと、構造が複雑で製作に手間がかかり安価に製作しが
たいこと、等の欠点を持っている。

したがってこれらのアクチユエータを駆動源とした移動
ステージにも、当然のことながら上聞各穴点が反映され
ることになり、種々不具合を生じることなる。したがっ
て、これらの欠点を除去することが強く望まれていた。

そこで本発明は、応答速度が速く、位置決め精度が高く
、磁気的ノイズがないのは勿論、十分なストロークを確
保できるうえ、構造が簡単で小型かつ安価に製作可能な
圧電式アクチュエータを備゛えた移動ステージを提供す
ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じたことを特徴としている。すなわち
、移動ステージ本体を×方向およびまたはＹ方向へ移動
可能に設け、この移動ステージ本体の移動方向の端部に
、両端部を基台に固定された弾撥体に圧電セラミックス
を接合したバイモルフ構造の圧電素子の中央部を結合し
、この圧電素子に信号電圧印加手段によって信号電圧を
印加することにより、移動ステージ本体を変位駆動する
ようにする。

（作用〕 このような手段を講じたことにより、駆動源が圧電式ア
クチュエータなので電磁式アクチュエータのような欠点
がないのは勿論、弾撥体に圧電セラミックスを接合した
バイモルフ構造の圧電素子を用いているので、積層型圧
電式アクチュエータを駆動源としたものに比べて十分な
大きなストロークを確保できるうえ、構造は極めて簡単
であり、小型かつ安価に製作可能なものとなる。

第１図は本発明の基本的構成を示す図である。

第１図において、１は移動ステージ本体であり、例えば
矢印Ｙ方向へ移動可能に設けられている。

この移動ステージ本体１の移動方向の端部（第１図には
下端部のみが図示されている）中央の山形状突出端の頂
点に、バイモルフ構造の圧電素子３の中央部が点接触状
態で結合している。バイモルフ構造の圧電素子３は、両
端部を基台２に固定された弾性金属部材からなる弾撥体
４に圧電セラミックス５を接合してなるものである。か
くして上記圧電素子３の弾撥体４および圧電セラミック
ス５に対し、信号電圧印加手段（不図示）によって所定
極性および大きさの信号電圧をリード端子６を介して印
加することにより、圧電素子３は破線で示すように変位
動作し、移動ステージ本体１を変位駆動するものとなっ
ている。

ところで、長さＣ１幅Ｗ、厚みｔなるバイモルフ構造の
圧電素子は、その電気歪み係数をｄ３１とし、印加電圧
をＶとすると、変位量ΔＸは、ΔＸ−３・Ｑ２　・ｄ３
１　・ｖ／１２となる。またこのときの圧電素子の変位
端における駆動力Ｆは、バイモルフ幅をＷ、ヤング率を
Ｅｈとすると、 Ｆ＝３Ｗｔ−ｄ３＋　　−Ｅｈ　−Ｖ／４ｎとなる。例
えば Ｑ　＝　１０ｃｒｎ、　Ｗ＝　１　ｃｔｔｒ、　ｔ　＝
　３ｍ。

−〇− Ｅｈ＝６Ｘ１０１０　　（Ｎ／′ｒＩｔ）。

ｄ３１　　＝１０（’）Ｘ１０”　２　（ｍ、、’ｖ）
。

Ｖ＝５００ｖ であれば、 ΔＸ＝１．６７Ｘ１０’ｍ Ｆ＝０．６７５Ｎ となる。かくして第１図に示す圧電素子３に所定の極性
および大きさを有する信号電圧を印加すると、この信号
電圧による電界方向と圧電セラミックス５の分極方向と
の関係において、ΔＸなる変位崩およびＦなる駆動力で
所定方向へ湾曲変形する。なお上記圧電素子３は移動ス
テージ本体１の両端に設けられるので、移動ステージ本
体１には２倍の駆動力Ｆが働くことになる。

〔実施例〕

第２図は本発明の一実施例の構成を示す平面図である。

第２図において、１０は結晶化ガラスのような軽量な部
材にて形成された第１の移動ステージ本体であり、２０
は同じ部材にて形成された第２の移動ステージ本体であ
る。第１の移動ステージ本体１０はテフロンなどの摺動
性のよい部材にて形成された一対のステージガイド１１
．１２に案内されて基台としての第２の移動ステージ本
体２０上を矢印Ｘ方向に摺動づるものどなっている。第
１の移動ステージ本体１０の両端部は山形状に突出して
おり、その山形状突出端の各頂点にはバイモルフ構造の
圧電素子１３Ａ、１３Ｂの各中央部が点接触状態で結合
している。

第３図は上記バイモルフ構造の圧電素子１３Ａ。

１３Ｂの構成を示す斜視図である。第３図に示すように
バイモルフ構造の圧電素子１３Ａ、１３Ｂは、リン青銅
などの弾性金属部材からなる板ばね状の弾撥体１４Ａ、
１４Ｂの背面に対し、それぞれ表面にＡＱなどの電極を
付着されかつ分極処理を施された圧電セラミックス１５
Ａ、１５Ｂを、例えばエポキシ樹脂等の接着剤によりそ
れぞれ接着することにより接合したものとなっている。

なお図示のように弾撥体１４Ａ、１４Ｂの両端近傍には
取付は孔３１．３２が設けられている。

第２図に説明をもどす。圧電素子１３Ａの弾撥体１４Ａ
と圧電セラミックス１５Ａとには、リード端子１６Ａを
介して信号電圧が印加されるものとなっでおり、圧電素
子１３Ｂの弾撥体１４Ｂと圧電セラミックス１５Ｂとに
は、リード端子１６Ａを介して信号電圧が印加されるも
のとなっている。圧電索子１３Ａ、１３Ｂの各両端は、
前記取付は孔３１．３２を介して第２の移動ステージ２
０上に設置されている支柱１７ａ、１７ｂおよび１７Ｃ
，１７ｄにそれぞれ固定されている。

第２の移動ステージ本体２０はテフロンなどの摺動性の
よい部材にて形成された一対のステージガイド２１．２
２に案内されて基台３０上を矢印Ｙ方向に摺動するもの
となっている。第２の移動ステージ本体２０の両端部も
第１の移動ステージ本体１０と同様に山形状に突出して
おり、その山形状突出端の各頂点には前記バイモルフ構
造の圧電素子１３Ａ、１３Ｆ３と同様に構成されたバイ
モルフ構造の圧電素子２３Ａ、２３Ｂの各中央部が点接
触状態で結合している。圧電素子２３Ａの弾撥体２４Ａ
と圧電セラミックス２５Ａとには、リ一ド端子２６Ａを
介して信号電圧が印加されるものとなっており、圧電素
子２３Ｂの弾撥体２４Ｂと圧電セラミックス２５Ｂとに
は、リード端子２６Ｂを介して信号電圧が印加されるも
のとなっている。圧電素子２３Ａ、２３Ｂの各両端は、
基台３０上に設置されている支柱２７ａ、２７ｂおよび
２７ｃ、２７ｄにそれぞれ固定されている。

このように構成された本実施例においては、リード端子
１６Ａと１６Ｂとに、圧電素子１３Ａ。

１３Ｂのばね定数および移動ステージ本体１ｏの質優に
より決定される固有振動数に適合した周波数を有する交
流信号電圧を逆位相で印加すると、圧電素子１３Ａ、１
３Ｂと移動ステージ本体１゜とからなる振動系に固有振
動が生じる。この固有振動の振動数は、移動ステージ１
ｏの重量が小さくなればなる程、また弾撥体１４Ａ、１
４Ｂのばね力が大きい程高くなる。しかるに本実施例で
は、移動ステージ本体１０を結晶化ガラスで形成してい
るので、アルミニウムなどの金属やアルミナなどのセラ
ミックス等の部材にて形成したものに比べて軽石である
。したがって固有振動数を比較的高いものとなし得ると
共に、駆動力が小さくてすむ。固有振動数が高くなれば
、レーザ顕微鏡等に適用した場合において、ビームスキ
ャンのスピードを速くでき、分解能を高め得ることにな
る。

他方、リード端子２６Ａと２６Ｂとに、前記同様の交流
電圧を逆位相で印加すると、前記Ｘ方向の場合と全く同
様の動作原理により、第２の移動ステージ２０が作動す
る。このＹ方向の作動と前記Ｘ方向の作動とを組合せれ
ば、ＸＹ方向の二次元スキャンを行ない得、表面粗さプ
ロファイルやレーザ顕微鏡のように、×Ｙ面のプロファ
イルをＣＲＴ表示するような場合に適用し得るものとな
る。なおこの場合、Ｙ方向スキャン用の第２の移動ステ
ージ２０の上には、Ｘ方向スキャン用の第１の移動ステ
ージ１０が載置されているので、第２の移動ステージ２
０は第１の移動ステージ１０に比べて２倍以上の重さを
有する物体の移動を行なうことになる。したがって応答
速度は第１の移動ステージ１０の１／ｎ−以下となる。

しかるに、一般にレーザビームをＸＹ方向にスキャンし
て１フレームのＸＹ面画像を作成する場合において、Ｙ
方向へのステージ振動周波数は、Ｙ方向走査線をＮｙ、
Ｘ方向へのステージ振動周波数をｆｘとすると、ｆｘ／
ＮＹなる周波数でよいことになる。

例えば、ＮＶ＝５２５本、ｆｘ＝１００Ｈｚとすると、
ＦＶ＝０．１９Ｈｚとなり、かなり低い周波数で移動ス
テージ２０をＹ方向に振動させればよいことになる。し
たがってＹ方向スキャン用の第２の移動ステージ本体２
０の負荷が前記の如くＸ方向スキャン用の第１の移動ス
テージ本体１０の２倍以上になっても十分追従可能であ
る。また本実施例においては、駆動源が圧電式アクチュ
エータなので従来の電磁式アクチュエータのような欠点
がない。そして特に、弾撥体１４Ａ、１４Ｂに圧電セラ
ミックス１５Ａ、１５Ｂをそれぞれ接合したバイモルフ
構造の圧電素子１３Ａ、１３Ｂおよび弾撥体２４Ａ、２
４Ｂに圧電セラミックス２５Ａ、２５Ｂをそれぞれ接合
したバイモルフ構造の圧電素子２３Ａ、２３Ｂを駆動源
として用いているので、積層型圧電式アクチュエータを
駆動源としたものに比べて十分な大きなストロークを確
保できるうえ、その構造は極めて簡単である。したがっ
て小型かつ安価に製作可能なものとなる。なお圧電素子
特有のヒステリシス特性に関しては、ヒステリシス補償
回路を付設することにより、問題を解消できるので、実
用上支障のないものとなし得る。

次に他の実施例について説明する。第４図は本発明の第
２の実施例を示す図である。ただしこの第４図には第１
の移動ステージ側だけを示し第２の移動ステージ側は省
略しである。この第２の実施例が前記第１の実施例と基
本的に異なる点は、移動ステージ本体１０の山形状突出
端に、ＸＹ面上での振動時に際しＺ方向への傾きを生じ
ないように、圧電素子係合用の切込み溝４１．４２を設
けると共に、この切込み満４１．４２に対し、第５図（
ａ）に示す如く構成された圧電素子１３Ａ。

１３Ｂの中央部を係合させて、移動ステージ本体１０と
圧電素子１３Ａ、１３Ｂとの結合を図るようにし、テフ
ロンなどのステージガイドを一切使用しないようにした
点である。第５図＜８）に示す圧電素子１３Ａ、１３Ｂ
は、弾撥体１４Ａ。

１４Ｂの中央部を除いた両側に圧電セラミックス１５Ａ
、１５Ｂをそれぞれ二分割して接合し、両端近傍に取付
は孔５１．５２を設けたものである。

なお、圧電素子１３Ａ、１３Ｂとしては第５図（ｂ）に
示すように弾撥体１４Ａ、１４Ｂの中央部位にねじ止め
孔５３．５４を設けたものを用い、上記ねじ止め孔５３
．５４を利用して圧電素子１３Ａ、１３Ｂを移動ステー
ジ本体１０にねじ止めすることにより、結合をはかるよ
うにしてもよい。

この実施例によれば前記第１の実施例と同様の作用効果
を秦する上、機械的摺動部がほとんど存在しないものと
なるので、第１の実施例よりもさらに駆動力の減少およ
び位闘決め精度の向上を計れる利点がある。

なお本発明は前記実施例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で種々変形実施可能である
のは勿論である。

〔発明の効果） 本発明の振動型移動ステージは、移動ステージ本体をＸ
方向およびまたはＹ方向へ移動可能に設け、この移動ス
テージ本体の移動方向の端部に、両端部を基台に固定さ
れた弾撥体に圧電セラミックスを接合したバイモルフ構
造の圧電素子の中央部を結合し、この圧電素子に電圧印
加手段によって信号電圧を印加Ｊることにより、移動ス
テージ本体を変位駆動するように構成したことを特徴と
している。

したがって本発明によれば、駆動源が圧電式アクチュエ
ータなので電磁式アクチュエータのような欠点がないの
は勿論、弾撥体に圧電セラミックスを接合したバイモル
フ構造の圧電素子を用いているので、積層型圧電式アク
チュエータを駆動源としたものに比べて一１＝分な大き
なストＤ−りを確保できるうえ、構造が簡単で、小型か
つ安価に製作可能な移動ステージを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を示す図、第２図は本発明
の第１の実施例の構成を示す平面図、第３図は同実施例
の圧電素子の構造を示す斜視図、第４図は本発明の第２
の実施例を示す平面図、第５図（ａ）（ｂ）は同実施例
の圧電素子の異なる構造例を示す斜視図である。 １・・・移動ステージ本体、２・・・基台、３．１３Ａ
。 １３Ｂ、２３△、２３Ｂ、・・・圧電素子、４゜１４Ａ
、１４Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ・・・弾撥体、５゜１５Ａ、
１５Ｂ、２５Ａ、２５Ｂ・・・圧電セラミックス、６．
１６Ａ、１６８．２６Ａ、２６Ｂ・・・リード端子、１
０・・・第１の移動ステージ本体、２０・・・第２の移
動ステージ本体、１７８〜１７ｄ。 ２７　ａ　〜２７　ｄ　・・・支柱、１１，１２．２１
．２２・・・ステージガイド、３０・・・基台、４１．
４２・・・切込み溝、３１．３２．’５１．５２・・・
取付は孔、５３．５４・・・ねじ止め孔。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 ３図 １３Ａ（１３Ｂ） 私（１５Ｂ） （ａ）） ５１　　　　岬シ♂ 第４図 ５へ七て一一二（１５Ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の方向およびまたは上記第１の方向と直交す
   る第２の方向へ移動可能に設けられた移動ステージ本体
   と、この移動ステージ本体の移動方向の端部に中央部を
   結合され両端部を基台に固定された弾撥体に圧電セラミ
   ックスを接合したバイモルフ構造の圧電素子と、この圧
   電素子に信号電圧を印加することにより前記移動ステー
   ジ本体を変位駆動する信号電圧印加手段とを具備したこ
   とを特徴とする移動ステージ。
2. （２）信号電圧印加手段は、圧電素子のばね定数および
   移動ステージ本体の質量により決定される固有振動数に
   適合した周波数を有する交流信号電圧を印加するもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の移動
   ステージ。