JP2004528190A - 超高精度供給装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】超高精度供給装置を提供する。
【解決手段】供給装置は、ベースおよびベースの上部に移動可能なように配置される動作ステージの間に水平に配置されるアクチュエータと、ベースおよびアクチュエータの一端に固定される第１ヒンジ部材と、アクチュエータの他端に固定される第２ヒンジ部材と、２つのヒンジを有し、動作ステージに固定されている第３ヒンジ部材と、ノッチ・ヒンジを有し、ベースに固定されて第２ヒンジ部材および第３ヒンジ部材と協同するレバー部材とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】供給装置は、ベースおよびベースの上部に移動可能なように配置される動作ステージの間に水平に配置されるアクチュエータと、ベースおよびアクチュエータの一端に固定される第１ヒンジ部材と、アクチュエータの他端に固定される第２ヒンジ部材と、２つのヒンジを有し、動作ステージに固定されている第３ヒンジ部材と、ノッチ・ヒンジを有し、ベースに固定されて第２ヒンジ部材および第３ヒンジ部材と協同するレバー部材とを備える。
【選択図】図１
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高精度供給装置に関し、より詳細には、ミクロン以下のオーダーの微細な動きを正確に行うことの出来る超精密供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高精度ポジショニング技術の重要性は様々な産業分野で徐々に増加している事は広く知られている。特に、半導体技術の発達によって高密度の回路が実現されており、従って、最新のマイクロプロセッサーで使用される線幅は０．１８μｍのオーダーであり、これは髪の毛の直径の１／５００倍である。この場合、ウエハー製造段階において必要となる精度は、線幅の１／１０倍の２０ｎｍの繰返し精度の要求を満たさなければならない。さらに、ミクロン以下のオーダーに適用される超高精度供給装置は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）および走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような超高精度測定分野で、および情報産業を含む各種産業分野で利用することが出来る。また、従って、それは広い適用範囲を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
リニアモータまたはサーボモータおよびボールねじを使用する一般的なポジショニング装置は、比較的長いストロークを有する。しかしながら、該ポジショニング装置は、バックラッシのような構造上の制限により、実現可能な位置精度に限界がある。さらに、一般的なポジショニング装置は、上下動を可能にするためにアクチュエータが垂直に配置されるので、全システムの高さが増加すると言う点において不利である。従って、高い精度を要求される作業における垂直方向の制御の際に多大な困難を伴う。
【０００４】
一方、ミクロン以下のオーダーの動作を達成するための超高精度ポジショニング装置は、非線形の要因を除去するか最小限にするために、摩擦接触部分が存在しないように設計されるべきである。さらに、該超高精度ポジショニング装置において、アクチュエータは、ミクロン以下のオーダーで容易に動作することができ、高い繰返し精度を持つ部品によって構成されるべきである。さらに、超高精度ポジショニング装置は、その高さができるだけ低くなるように設計されることが必要である。
【０００５】
本発明の目的は、従来技術の上述した課題を解決するために考案される。本発明の一つの目的は、ミクロン以下のオーダーの微細な動作を正確に行うことが出来る超高精度供給装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、装置全体の高さを非常に低くし、動作ステージ自体のの剛性を増加させる事を可能にする超高精度供給装置を提供することである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、非常に高い繰返し精度を維持し、連続的で滑らかな微細動作を行うことが出来る超高精度供給装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明における超高精度供給装置は、ベースおよびベースの上部に移動可能なように配置される動作ステージの間に水平に配置されるアクチュエータと、円弧ヒンジを有し、ベースおよびアクチュエータの一端に固定される第１ヒンジ部材と、円弧ヒンジを有し、アクチュエータの他端に固定される第２ヒンジ部材と、第１ヒンジおよび第２ヒンジを有し、動作ステージに固定されている第３ヒンジ部材と、ノッチ・ヒンジを有し、ベースに固定されて第２ヒンジ部材および第３ヒンジ部材と協同するレバー部材とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明における超精密供給装置の好ましい実施形態は、添付の図面に関して詳細に記述される。
【００１０】
まず、図１および図２を参照して、本発明における超高精度供給装置は、移動しないベース１０と動作ステージ２０の間に設置される。動作ステージ２０はベース１０の上部に設置され、ベース１０に対して移動可能なように設置される。ピエゾ・アクチュエーター３０は、ベース１０と動作ステージ２０の間に水平に設置される。本実施形態においてはピエゾ・アクチュエーターが用いられているが、ピエゾ・アクチュエーターの代わりにボイスコイル・アクチュエータあるいは磁気アクチュエータを使用しても良い。
【００１１】
図１、図３および図４を参照して、本発明における超高精度供給装置は、円弧ヒンジ４１を備えた第１ヒンジ部材４０および円弧ヒンジ５１を備えた第２ヒンジ部材５０を備える。第１ヒンジ部材４０および第２ヒンジ部材５０はピエゾ・アクチュエーター３０の両端に固定的に配置され、ステージ駆動部分を構成する。第１ヒンジ部材の円弧ヒンジ４１および第２ヒンジ部材の円弧ヒンジ５１は、力と変位の関係が線形であり、ヒンジの材料自体の弾性変形によって変形動作がなされる弾性のヒンジである。さらに、円弧ヒンジ４１、５１は、接触面における相対運動が無いので、微細な変形よる駆動は連続的になり、また、滑らかな動作の軌跡が得られる。さらに、もろい材料においては、疲労または過度の力によって破壊する事が容易に予想されるので、弾性のもろい材料によって製作されたヒンジ構造物が、非常に高い繰返し精度を有するシステムに容易に適用し得る。
【００１２】
ヒンジ部材４０、５０の各端部にそれぞれ形成されるねじ部４２、５２が、ピエゾ・アクチュエーター３０の両端にそれぞれ固定される。第１ヒンジ部材４０の他端に形成された円筒状の固定部分４３は、固定ブロック６０の穴６１に嵌入する。固定ブロック６０の両辺にスロット６２が形成され、スロット６２はベース１０内に形成されたスロット１１と整列する。パッド６３は、固定ブロック６０のスロット６２の上部に位置する。スクリュー６５は、ベース１０のスロット１１、固定ブロック６０のスロット６２を貫通し、パッド６３のねじ穴６４に係合する。したがって、固定ブロック６０は、ベース１０へ固定的に取り付けられる。固定ブロック６０の穴６１に嵌入した第１ヒンジ部材４０の固定部分４３を支持するために、サポートプレート６６の中心に穴６７が形成される。第１のヒンジ部材４０の離脱を防ぐために、サポートプレート６６は、スクリュー６８によって固定ブロック６０に締結される。
【００１３】
一方、円筒状の延長部分５３が、円筒状のヒンジ５１と第２ヒンジ部材５０のねじ部５２の間に形成される。また、ジョイントプレート５４は第２のヒンジ部材の他端に形成される。図７に示されるように、第２ヒンジ部材５０の延長部分５３は、ピエゾ・アクチュエーター３０と垂直に配置された第３ヒンジ部材７０の本体７１の穴７２に嵌入する。第３のヒンジ部材７０の本体７１の上端および下端に、第１円弧ヒンジ７３および第２円弧ヒンジ７４がそれぞれ形成される。第１ジョイントプレート７５および第２ジョイントプレート７６が、第１円弧ヒンジ７３および第２円弧ヒンジ７４にそれぞれ接続される。第３ヒンジ部材７０の第１ジョイントプレート７５は、動作ステージ２０の底にスクリューによって固定的に取り付けられる。本実施形態において、第２ヒンジ部材５０は、第３ヒンジ部材７０を介してアクチュエータ３０に固定される。しかしながら、第２ヒンジ部材５０は、第３ヒンジ部材７０を介さずに、ピエゾ・アクチュエーター３０に固定されても良い。
【００１４】
図３、図４、および図７を参照して、本発明における超高精度供給装置は、第２ヒンジ部材５０および第３ヒンジ部材７０と協同するレバー部材８０を備える。レバー部材８０は、第１レバー８１、第２レバー８２、および第１レバー８１と第２レバー８２を一体として接続するためのノッチ・ヒンジ８３を備える。第１レバー８１は水平部分８１ａおよび垂直部分８１ｂを備える。また、第２レバー８２は、垂直部分８１ｂと垂直になるように配置される。第２ヒンジ部材５０のジョイントプレート５４が、第１レバー８１の垂直部分にスクリューによって固定的に取り付けられる一方、第３ヒンジ部材７０の第２ジョイントプレート７６は、第１レバー８１の水平部分８１ａにスクリュー８４によって固定的に取り付けられる。レバー部材８０の第２レバー８２は、ベース１０の上部へスクリューによって固定的に取り付けられる。
【００１５】
図１および図２を再び参照して、本発明における超高精度供給装置のピエゾ・アクチュエーター３０、第１ヒンジ部材４０、第２ヒンジ部材５０、固定ブロック６０、第３ヒンジ部材７０、レバー部材８０の全てが、ベース１０に対する動作ステージのｘ軸方向およびｙ軸方向の回転運動に加えて、動作ステージ２０を垂直に動かすｚ軸方向の並進運動を行わせるための第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００のそれぞれを構成する。一方、ベース１０に対して動作ステージ２０が自由度６で動作するように、本発明における第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００は、ｘ軸方向の並進運動、ｙ軸方向の並進運動、およびｚ軸方向の回転運動を行わせるための第４および第６供給機構４００、５００、６００と協同する。
【００１６】
図１に示されるように、第４の供給機構４００はベース１０に対する動作ステージ２０のｘ軸並進運動を行う。第５供給機構５００および第６供給機構６００は、ベース１０に対する動作ステージ２０のｙ軸並進運動およびｚ軸回転運動を行うために相互に協同する。第４供給機構４００、第５供給機構５００および第６供給機構６００のそれぞれはピエゾ・アクチュエーターを備え、ステージ駆動部分を構成するために、円弧ヒンジを備えた第１ヒンジ部材および第２ヒンジ部材がピエゾ・アクチュエーター３０の両端に固定的に配置される。第４供給機構４００、第５供給機構５００および第６供給機構６００のピエゾ・アクチュエーターおよび第１、第２ヒンジ部材の構成および操作は、ピエゾ・アクチュエーター３０および第１、第２ヒンジ部材４０、５０と同じであるので、詳述を省略する。
【００１７】
図６は、本発明における超高精度供給装置の制御を示すブロック図である。図６を参照して、動作ステージ２０の超高精度動作を行うために、本発明における超高精度供給装置は、ピエゾ・アクチュエーター３０の駆動用に使用される駆動信号を出力・制御するためのコントローラ９０と、コントローラ９０からの駆動信号を増幅し、ピエゾ・アクチュエーター３０に増幅された信号を入力するためのアンプ９１と、動作ステージ２０の動作位置を検知するためのセンサ９２とを備える。本実施形態において、センサ９２は、動作ステージの上部へ付けられたミラー（図示せず）、および、レーザービームでミラーを走査するためのレーザーを有するレーザー干渉計（図示せず）を備えても良い。さらに、図２に示されるように、ピエゾ・アクチュエーター３０およびコントローラ９０はケーブル９３を介して電気的に接続される。
【００１８】
ピエゾ・アクチュエーター３０のための駆動信号は、コントローラ９０の制御手段によって出力される。アンプ９１によって増幅された信号がピエゾ・アクチュエーター３０に入力されると、ピエゾ・アクチュエーター３０の各々の中で変位が生成される。動作ステージ２０が動くために、ピエゾ・アクチュエーター３０の各変位は、円弧ヒンジ４１、５１、７３および７４によって動作ステージ２０に伝達される。動作ステージ２０の動作位置はセンサ９２によって検知される。また、コントローラ９０は、センサ９２から入力されたフィードバック信号に基づいて、動作ステージ２０の動作ポジションを修正する。
【００１９】
このように構築された本発明における超高精度供給装置において、円弧ヒンジがピエゾ・アクチュエーターによって弾性変形させられるので、ヒンジのたわみによって動作ステージを移動させる一方、動作ステージはある一定の方向にしか動かないように制限される。ヒンジの剛性値が既知の場合、ピエゾ・アクチュエーターによって力がヒンジに加えられた場合の動作ステージの送りを得る事が可能である。ヒンジの軸の方向をｘ軸と仮定した場合、力と変位との間の関係の方程式は、ｘ軸、およびｘ軸に対して剪断方向であるｙ軸およびｚ軸に関しての数式（１）、数式（２）および数式（３）のように単純化される得る。これらはパロスおよびワイズボードによって得られた周知の式であり、多くの実験によって確認されている。
【００２０】
【数１】
【００２１】
【数２】
【００２２】
【数３】
【００２３】
ここで、Ｒおよびｔはそれぞれ図５に示される円弧ヒンジの半径および厚さであり、Ｅは縦弾性係数、Ｇは横弾性係数、Ｍはねじりモーメント、αは回転角である。
【００２４】
有限要素法の結果と比較して、数式（１）、数式（２）および数式（３）の値の誤差は１０％以内であり、円弧ヒンジの機械加工公差および弾性材料のヒステリシスを考慮に入れたとしても、この結果は十分に許容する事が出来る。
【００２５】
一方、ヒンジ中に生成される応力および歪みは、本発明のヒンジのたわみの設計において原則的に考慮に入れられるべきである。ヒンジを設計するにあたって、ヒンジの角変位と最大応力σｍａｘの関係は次式によって示される。
【００２６】
【数４】
【００２７】
線形の変位は次式から得られる。
【００２８】
【数５】
【００２９】
ここで、θは角変位であり、Ｋは比例定数であり、Ｋｔは数式（５）によって定義される定数であり、δは送りの変位であり、Ｌはヒンジの実効長である。したがって、最大応力σｍａｘおよび縦弾性係数Ｅは所望の変位を得るのに適切な材料を選択することによって得られ、ヒンジの半径Ｒおよび厚さｔは、数式（４）および数式（５）の反復計算によって適切に決定することができる。ヒンジの剛性を決定するために、このような方法で決定された半径Ｒおよび厚さｔが、数式（１）、（２）および（３）へ代入される。
【００３０】
本発明による超高精度供給装置において、レバー部材８０は、動作ステージ自体の剛性を増強しつつ装置の全高さを縮小するために垂直の方向に関して利用される。動作ステージ２０の上下動方向がｚ軸として定義される場合、超高精度供給装置の駆動装置は、構造全体の高さを最小限にし、かつ同時に駆動装置の剛性を最大限にするために、ｚ軸方向の高さの低い構造を有するべきである。一般に、ピエゾ・アクチュエーター３０の最大の伸張は全体の長さの約０．１％に過ぎないので、ピエゾ・アクチュエーターは、所望の送り長さを得るために十分長いことが必要である。例えば、１２５μｍ以上の送りを得るためには、２００ｍｍ以上の長さを有するピエゾ・アクチュエーターが必要である。したがって、本発明においては、ピエゾ・アクチュエーター３０は、その長さを考慮して水平に配置される。また、ピエゾ・アクチュエーター３０の水平動はレバー部材８０によって上下動に変換され、それによって、本発明による超高精度供給装置の高さを縮小する。
【００３１】
レバー部材８０は、ピエゾ・アクチュエーター３０によって伝達された力の作用点であるノッチ・ヒンジ８３の位置を調節することによって、動作ステージ２０の実際の垂直の変位がピエゾ・アクチュエーター３０の水平の変位の２倍となるように設計されている。すなわち、図７（ａ）に示されるように、第２ヒンジ部材５０のヒンジ５１の中心からｘ軸方向に延長する直線と、レバー部材８０のヒンジ８３の中心との間の垂直距離をａと仮定し、ヒンジ部材７０の第１ヒンジ７３および第２ヒンジ７４の中心からｙ軸方向に延長する直線と、レバー部材８０のヒンジ８３の中心との間の水平距離をｂと仮定した場合、ピエゾ・アクチュエーター３０によって生成される第２ヒンジ部材５０のヒンジ５１の微小変位に対するレバー部材８０のヒンジ８３を中心とする回転角は一定なので、次の数式が得られる。
【００３２】
【数６】
【００３３】
ここで、θはレバー部材８０のヒンジ８３を中心とする回転角であり、Δｙは垂直の変位であり、Δｘは水平の変位である。ピエゾ・アクチュエーター３０によって、水平の変位が第２ヒンジ部材５０のジョイントプレート５４に生成される場合、該変位はレバー部材８０のヒンジ８３の中心において、数式（６）に基づいて増幅される。増幅された変位は、レバー部材８０の第１レバー８１および第３ヒンジ部材７０の第２ジョイントプレート７６によって垂直の変位に変換される。
【００３４】
本発明におけるピエゾ・アクチュエーターおよびヒンジ部材によって構築されたステージ駆動部分の軸方向の剛性Ｋａは、数式（７）より得られ、また、半径方向の剛性Ｋｒは数式（８）より得られる。
【００３５】
【数７】
【００３６】
【数８】
【００３７】
ここで、Ｋｐｔｚはピエゾ・アクチュエーターの剛性であり、Ｌは、ピエゾ・アクチュエーターを含んだ、第１および第２ヒンジ部材のヒンジの中心間の距離である。ステージ駆動部分全体の剛性は、数式（７）および数式（８）に半径Ｒおよび厚さｔを代入することによって得られる。
【００３８】
次に、本発明における超高精度供給装置の操作について記述する。後述する数式において、ｚ軸並進運動はＺとして表され、Ｘ軸回転運動はΘｘとして表され、ｙ軸回転運動はΘｙとして表される。また、第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００のピエゾ・アクチュエーターの駆動信号は、それぞれＺ１、Ｚ２およびＺ３として表される。
【００３９】
本発明における第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００は自由度３、即ち、ｚ軸並進運動、ｘ軸回転運動Θｘ、ｙ軸回転運動Θｙを与える。
【００４０】
同一の駆動信号（Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３）がコントローラ９０の制御の下で、第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００にのそれぞれのピエゾ・アクチュエーターに入力される場合、動作ステージ２０のｚ軸並進運動は、数式（９）に示されるように行われる。
【００４１】
Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３ ∴Ｚ＝Ｚ１（＝Ｚ２＝Ｚ３） ・・・（９）
【００４２】
コントローラ９０の制御の下で、駆動信号が第１供給機構１００のピエゾ・アクチュエーターに入力されず、相互に異なる駆動信号が、第２供給機構２００および第３供給機構３００のそれぞれのピエゾ・アクチュエーターに入力される場合、動作ステージ２０のｙ軸回転運動Θｙが生成される。すなわち、第２供給機構２００および第３供給機構３００の間の距離がｄ（図１を参照）として定義される場合、ｙ軸回転運動Θｙの値は次の数式（１０）から得られる。
【００４３】
Θｙ＝（Ｚ２−Ｚ３）／ｄ ・・・（１０）
【００４４】
コントローラ９０の制御の下で、同一の駆動信号（Ｚ２＝Ｚ３）が、第２供給機構２００および第３供給機構３００のピエゾ・アクチュエーターに入力され、それと異なる駆動信号（Ｚ１）が第１供給機構１００のピエゾ・アクチュエーターに入力される場合、動作ステージ２０のｘ軸回転運動Θｘが生成される。すなわち、第１供給機構１００および第２供給機構２００または第３供給機構３００の間の距離がＤとして定義される場合、ｘ軸回転運動Θｘの値は次の数式（１１）から得られる。
【００４５】
Θｘ＝（Ｚ１−Ｚ２）／Ｄ ・・・（１１）
【００４６】
上記の説明は本発明の好ましい実施例の詳細な説明に過ぎず、本発明の範囲は図面と共に説明された実施形態に限定されない。当業者は、添付の請求の範囲によって定義される本発明の技術的な精神および本発明の範囲内において、さまざまな修正、変更および代替をする事が出来る。この種の実施形態が本発明の範囲内である事が理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上に記述された本発明における超高精度供給装置によれば、ミクロン以下のオーダーの微細な動作が、ピエゾ・アクチュエーター、円弧ヒンジを備えたヒンジ部材およびノッチ・ヒンジを備えたレバー部材によって正確に行うことが出来、装置全体の高さを非常に減じる事が出来、動作ステージ自体の剛性を増強することができる。更に、ヒンジ構造物は弾性を有するので、接触による摩耗が無く、非常に高い繰返し精度を維持し、同時に、連続的で滑らかな微細動作を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明における超高精度供給装置が適用された超高精度ポジショニングシステムの一例を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示した超高精度ポジショニングシステムから動作ステージを除いた平面図である。
【図３】本発明における超高精度供給装置の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明における超高精度供給装置の構成を示す分解組立図である。
【図５】本発明における超高精度供給装置中の円弧ヒンジの構成を示す部分正面図である。
【図６】本発明における超高精度供給装置の制御手段を示すブロック図である。
【図７】本発明における超高精度供給装置の動作を示す断面図である。
【０００１】
本発明は、超高精度供給装置に関し、より詳細には、ミクロン以下のオーダーの微細な動きを正確に行うことの出来る超精密供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高精度ポジショニング技術の重要性は様々な産業分野で徐々に増加している事は広く知られている。特に、半導体技術の発達によって高密度の回路が実現されており、従って、最新のマイクロプロセッサーで使用される線幅は０．１８μｍのオーダーであり、これは髪の毛の直径の１／５００倍である。この場合、ウエハー製造段階において必要となる精度は、線幅の１／１０倍の２０ｎｍの繰返し精度の要求を満たさなければならない。さらに、ミクロン以下のオーダーに適用される超高精度供給装置は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）および走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような超高精度測定分野で、および情報産業を含む各種産業分野で利用することが出来る。また、従って、それは広い適用範囲を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
リニアモータまたはサーボモータおよびボールねじを使用する一般的なポジショニング装置は、比較的長いストロークを有する。しかしながら、該ポジショニング装置は、バックラッシのような構造上の制限により、実現可能な位置精度に限界がある。さらに、一般的なポジショニング装置は、上下動を可能にするためにアクチュエータが垂直に配置されるので、全システムの高さが増加すると言う点において不利である。従って、高い精度を要求される作業における垂直方向の制御の際に多大な困難を伴う。
【０００４】
一方、ミクロン以下のオーダーの動作を達成するための超高精度ポジショニング装置は、非線形の要因を除去するか最小限にするために、摩擦接触部分が存在しないように設計されるべきである。さらに、該超高精度ポジショニング装置において、アクチュエータは、ミクロン以下のオーダーで容易に動作することができ、高い繰返し精度を持つ部品によって構成されるべきである。さらに、超高精度ポジショニング装置は、その高さができるだけ低くなるように設計されることが必要である。
【０００５】
本発明の目的は、従来技術の上述した課題を解決するために考案される。本発明の一つの目的は、ミクロン以下のオーダーの微細な動作を正確に行うことが出来る超高精度供給装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、装置全体の高さを非常に低くし、動作ステージ自体のの剛性を増加させる事を可能にする超高精度供給装置を提供することである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、非常に高い繰返し精度を維持し、連続的で滑らかな微細動作を行うことが出来る超高精度供給装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明における超高精度供給装置は、ベースおよびベースの上部に移動可能なように配置される動作ステージの間に水平に配置されるアクチュエータと、円弧ヒンジを有し、ベースおよびアクチュエータの一端に固定される第１ヒンジ部材と、円弧ヒンジを有し、アクチュエータの他端に固定される第２ヒンジ部材と、第１ヒンジおよび第２ヒンジを有し、動作ステージに固定されている第３ヒンジ部材と、ノッチ・ヒンジを有し、ベースに固定されて第２ヒンジ部材および第３ヒンジ部材と協同するレバー部材とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、本発明における超精密供給装置の好ましい実施形態は、添付の図面に関して詳細に記述される。
【００１０】
まず、図１および図２を参照して、本発明における超高精度供給装置は、移動しないベース１０と動作ステージ２０の間に設置される。動作ステージ２０はベース１０の上部に設置され、ベース１０に対して移動可能なように設置される。ピエゾ・アクチュエーター３０は、ベース１０と動作ステージ２０の間に水平に設置される。本実施形態においてはピエゾ・アクチュエーターが用いられているが、ピエゾ・アクチュエーターの代わりにボイスコイル・アクチュエータあるいは磁気アクチュエータを使用しても良い。
【００１１】
図１、図３および図４を参照して、本発明における超高精度供給装置は、円弧ヒンジ４１を備えた第１ヒンジ部材４０および円弧ヒンジ５１を備えた第２ヒンジ部材５０を備える。第１ヒンジ部材４０および第２ヒンジ部材５０はピエゾ・アクチュエーター３０の両端に固定的に配置され、ステージ駆動部分を構成する。第１ヒンジ部材の円弧ヒンジ４１および第２ヒンジ部材の円弧ヒンジ５１は、力と変位の関係が線形であり、ヒンジの材料自体の弾性変形によって変形動作がなされる弾性のヒンジである。さらに、円弧ヒンジ４１、５１は、接触面における相対運動が無いので、微細な変形よる駆動は連続的になり、また、滑らかな動作の軌跡が得られる。さらに、もろい材料においては、疲労または過度の力によって破壊する事が容易に予想されるので、弾性のもろい材料によって製作されたヒンジ構造物が、非常に高い繰返し精度を有するシステムに容易に適用し得る。
【００１２】
ヒンジ部材４０、５０の各端部にそれぞれ形成されるねじ部４２、５２が、ピエゾ・アクチュエーター３０の両端にそれぞれ固定される。第１ヒンジ部材４０の他端に形成された円筒状の固定部分４３は、固定ブロック６０の穴６１に嵌入する。固定ブロック６０の両辺にスロット６２が形成され、スロット６２はベース１０内に形成されたスロット１１と整列する。パッド６３は、固定ブロック６０のスロット６２の上部に位置する。スクリュー６５は、ベース１０のスロット１１、固定ブロック６０のスロット６２を貫通し、パッド６３のねじ穴６４に係合する。したがって、固定ブロック６０は、ベース１０へ固定的に取り付けられる。固定ブロック６０の穴６１に嵌入した第１ヒンジ部材４０の固定部分４３を支持するために、サポートプレート６６の中心に穴６７が形成される。第１のヒンジ部材４０の離脱を防ぐために、サポートプレート６６は、スクリュー６８によって固定ブロック６０に締結される。
【００１３】
一方、円筒状の延長部分５３が、円筒状のヒンジ５１と第２ヒンジ部材５０のねじ部５２の間に形成される。また、ジョイントプレート５４は第２のヒンジ部材の他端に形成される。図７に示されるように、第２ヒンジ部材５０の延長部分５３は、ピエゾ・アクチュエーター３０と垂直に配置された第３ヒンジ部材７０の本体７１の穴７２に嵌入する。第３のヒンジ部材７０の本体７１の上端および下端に、第１円弧ヒンジ７３および第２円弧ヒンジ７４がそれぞれ形成される。第１ジョイントプレート７５および第２ジョイントプレート７６が、第１円弧ヒンジ７３および第２円弧ヒンジ７４にそれぞれ接続される。第３ヒンジ部材７０の第１ジョイントプレート７５は、動作ステージ２０の底にスクリューによって固定的に取り付けられる。本実施形態において、第２ヒンジ部材５０は、第３ヒンジ部材７０を介してアクチュエータ３０に固定される。しかしながら、第２ヒンジ部材５０は、第３ヒンジ部材７０を介さずに、ピエゾ・アクチュエーター３０に固定されても良い。
【００１４】
図３、図４、および図７を参照して、本発明における超高精度供給装置は、第２ヒンジ部材５０および第３ヒンジ部材７０と協同するレバー部材８０を備える。レバー部材８０は、第１レバー８１、第２レバー８２、および第１レバー８１と第２レバー８２を一体として接続するためのノッチ・ヒンジ８３を備える。第１レバー８１は水平部分８１ａおよび垂直部分８１ｂを備える。また、第２レバー８２は、垂直部分８１ｂと垂直になるように配置される。第２ヒンジ部材５０のジョイントプレート５４が、第１レバー８１の垂直部分にスクリューによって固定的に取り付けられる一方、第３ヒンジ部材７０の第２ジョイントプレート７６は、第１レバー８１の水平部分８１ａにスクリュー８４によって固定的に取り付けられる。レバー部材８０の第２レバー８２は、ベース１０の上部へスクリューによって固定的に取り付けられる。
【００１５】
図１および図２を再び参照して、本発明における超高精度供給装置のピエゾ・アクチュエーター３０、第１ヒンジ部材４０、第２ヒンジ部材５０、固定ブロック６０、第３ヒンジ部材７０、レバー部材８０の全てが、ベース１０に対する動作ステージのｘ軸方向およびｙ軸方向の回転運動に加えて、動作ステージ２０を垂直に動かすｚ軸方向の並進運動を行わせるための第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００のそれぞれを構成する。一方、ベース１０に対して動作ステージ２０が自由度６で動作するように、本発明における第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００は、ｘ軸方向の並進運動、ｙ軸方向の並進運動、およびｚ軸方向の回転運動を行わせるための第４および第６供給機構４００、５００、６００と協同する。
【００１６】
図１に示されるように、第４の供給機構４００はベース１０に対する動作ステージ２０のｘ軸並進運動を行う。第５供給機構５００および第６供給機構６００は、ベース１０に対する動作ステージ２０のｙ軸並進運動およびｚ軸回転運動を行うために相互に協同する。第４供給機構４００、第５供給機構５００および第６供給機構６００のそれぞれはピエゾ・アクチュエーターを備え、ステージ駆動部分を構成するために、円弧ヒンジを備えた第１ヒンジ部材および第２ヒンジ部材がピエゾ・アクチュエーター３０の両端に固定的に配置される。第４供給機構４００、第５供給機構５００および第６供給機構６００のピエゾ・アクチュエーターおよび第１、第２ヒンジ部材の構成および操作は、ピエゾ・アクチュエーター３０および第１、第２ヒンジ部材４０、５０と同じであるので、詳述を省略する。
【００１７】
図６は、本発明における超高精度供給装置の制御を示すブロック図である。図６を参照して、動作ステージ２０の超高精度動作を行うために、本発明における超高精度供給装置は、ピエゾ・アクチュエーター３０の駆動用に使用される駆動信号を出力・制御するためのコントローラ９０と、コントローラ９０からの駆動信号を増幅し、ピエゾ・アクチュエーター３０に増幅された信号を入力するためのアンプ９１と、動作ステージ２０の動作位置を検知するためのセンサ９２とを備える。本実施形態において、センサ９２は、動作ステージの上部へ付けられたミラー（図示せず）、および、レーザービームでミラーを走査するためのレーザーを有するレーザー干渉計（図示せず）を備えても良い。さらに、図２に示されるように、ピエゾ・アクチュエーター３０およびコントローラ９０はケーブル９３を介して電気的に接続される。
【００１８】
ピエゾ・アクチュエーター３０のための駆動信号は、コントローラ９０の制御手段によって出力される。アンプ９１によって増幅された信号がピエゾ・アクチュエーター３０に入力されると、ピエゾ・アクチュエーター３０の各々の中で変位が生成される。動作ステージ２０が動くために、ピエゾ・アクチュエーター３０の各変位は、円弧ヒンジ４１、５１、７３および７４によって動作ステージ２０に伝達される。動作ステージ２０の動作位置はセンサ９２によって検知される。また、コントローラ９０は、センサ９２から入力されたフィードバック信号に基づいて、動作ステージ２０の動作ポジションを修正する。
【００１９】
このように構築された本発明における超高精度供給装置において、円弧ヒンジがピエゾ・アクチュエーターによって弾性変形させられるので、ヒンジのたわみによって動作ステージを移動させる一方、動作ステージはある一定の方向にしか動かないように制限される。ヒンジの剛性値が既知の場合、ピエゾ・アクチュエーターによって力がヒンジに加えられた場合の動作ステージの送りを得る事が可能である。ヒンジの軸の方向をｘ軸と仮定した場合、力と変位との間の関係の方程式は、ｘ軸、およびｘ軸に対して剪断方向であるｙ軸およびｚ軸に関しての数式（１）、数式（２）および数式（３）のように単純化される得る。これらはパロスおよびワイズボードによって得られた周知の式であり、多くの実験によって確認されている。
【００２０】
【数１】
【数２】
【数３】
ここで、Ｒおよびｔはそれぞれ図５に示される円弧ヒンジの半径および厚さであり、Ｅは縦弾性係数、Ｇは横弾性係数、Ｍはねじりモーメント、αは回転角である。
【００２４】
有限要素法の結果と比較して、数式（１）、数式（２）および数式（３）の値の誤差は１０％以内であり、円弧ヒンジの機械加工公差および弾性材料のヒステリシスを考慮に入れたとしても、この結果は十分に許容する事が出来る。
【００２５】
一方、ヒンジ中に生成される応力および歪みは、本発明のヒンジのたわみの設計において原則的に考慮に入れられるべきである。ヒンジを設計するにあたって、ヒンジの角変位と最大応力σｍａｘの関係は次式によって示される。
【００２６】
【数４】
線形の変位は次式から得られる。
【００２８】
【数５】
ここで、θは角変位であり、Ｋは比例定数であり、Ｋｔは数式（５）によって定義される定数であり、δは送りの変位であり、Ｌはヒンジの実効長である。したがって、最大応力σｍａｘおよび縦弾性係数Ｅは所望の変位を得るのに適切な材料を選択することによって得られ、ヒンジの半径Ｒおよび厚さｔは、数式（４）および数式（５）の反復計算によって適切に決定することができる。ヒンジの剛性を決定するために、このような方法で決定された半径Ｒおよび厚さｔが、数式（１）、（２）および（３）へ代入される。
【００３０】
本発明による超高精度供給装置において、レバー部材８０は、動作ステージ自体の剛性を増強しつつ装置の全高さを縮小するために垂直の方向に関して利用される。動作ステージ２０の上下動方向がｚ軸として定義される場合、超高精度供給装置の駆動装置は、構造全体の高さを最小限にし、かつ同時に駆動装置の剛性を最大限にするために、ｚ軸方向の高さの低い構造を有するべきである。一般に、ピエゾ・アクチュエーター３０の最大の伸張は全体の長さの約０．１％に過ぎないので、ピエゾ・アクチュエーターは、所望の送り長さを得るために十分長いことが必要である。例えば、１２５μｍ以上の送りを得るためには、２００ｍｍ以上の長さを有するピエゾ・アクチュエーターが必要である。したがって、本発明においては、ピエゾ・アクチュエーター３０は、その長さを考慮して水平に配置される。また、ピエゾ・アクチュエーター３０の水平動はレバー部材８０によって上下動に変換され、それによって、本発明による超高精度供給装置の高さを縮小する。
【００３１】
レバー部材８０は、ピエゾ・アクチュエーター３０によって伝達された力の作用点であるノッチ・ヒンジ８３の位置を調節することによって、動作ステージ２０の実際の垂直の変位がピエゾ・アクチュエーター３０の水平の変位の２倍となるように設計されている。すなわち、図７（ａ）に示されるように、第２ヒンジ部材５０のヒンジ５１の中心からｘ軸方向に延長する直線と、レバー部材８０のヒンジ８３の中心との間の垂直距離をａと仮定し、ヒンジ部材７０の第１ヒンジ７３および第２ヒンジ７４の中心からｙ軸方向に延長する直線と、レバー部材８０のヒンジ８３の中心との間の水平距離をｂと仮定した場合、ピエゾ・アクチュエーター３０によって生成される第２ヒンジ部材５０のヒンジ５１の微小変位に対するレバー部材８０のヒンジ８３を中心とする回転角は一定なので、次の数式が得られる。
【００３２】
【数６】
ここで、θはレバー部材８０のヒンジ８３を中心とする回転角であり、Δｙは垂直の変位であり、Δｘは水平の変位である。ピエゾ・アクチュエーター３０によって、水平の変位が第２ヒンジ部材５０のジョイントプレート５４に生成される場合、該変位はレバー部材８０のヒンジ８３の中心において、数式（６）に基づいて増幅される。増幅された変位は、レバー部材８０の第１レバー８１および第３ヒンジ部材７０の第２ジョイントプレート７６によって垂直の変位に変換される。
【００３４】
本発明におけるピエゾ・アクチュエーターおよびヒンジ部材によって構築されたステージ駆動部分の軸方向の剛性Ｋａは、数式（７）より得られ、また、半径方向の剛性Ｋｒは数式（８）より得られる。
【００３５】
【数７】
【数８】
ここで、Ｋｐｔｚはピエゾ・アクチュエーターの剛性であり、Ｌは、ピエゾ・アクチュエーターを含んだ、第１および第２ヒンジ部材のヒンジの中心間の距離である。ステージ駆動部分全体の剛性は、数式（７）および数式（８）に半径Ｒおよび厚さｔを代入することによって得られる。
【００３８】
次に、本発明における超高精度供給装置の操作について記述する。後述する数式において、ｚ軸並進運動はＺとして表され、Ｘ軸回転運動はΘｘとして表され、ｙ軸回転運動はΘｙとして表される。また、第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００のピエゾ・アクチュエーターの駆動信号は、それぞれＺ１、Ｚ２およびＺ３として表される。
【００３９】
本発明における第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００は自由度３、即ち、ｚ軸並進運動、ｘ軸回転運動Θｘ、ｙ軸回転運動Θｙを与える。
【００４０】
同一の駆動信号（Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３）がコントローラ９０の制御の下で、第１供給機構１００、第２供給機構２００および第３供給機構３００にのそれぞれのピエゾ・アクチュエーターに入力される場合、動作ステージ２０のｚ軸並進運動は、数式（９）に示されるように行われる。
【００４１】
Ｚ１＝Ｚ２＝Ｚ３ ∴Ｚ＝Ｚ１（＝Ｚ２＝Ｚ３） ・・・（９）
【００４２】
コントローラ９０の制御の下で、駆動信号が第１供給機構１００のピエゾ・アクチュエーターに入力されず、相互に異なる駆動信号が、第２供給機構２００および第３供給機構３００のそれぞれのピエゾ・アクチュエーターに入力される場合、動作ステージ２０のｙ軸回転運動Θｙが生成される。すなわち、第２供給機構２００および第３供給機構３００の間の距離がｄ（図１を参照）として定義される場合、ｙ軸回転運動Θｙの値は次の数式（１０）から得られる。
【００４３】
Θｙ＝（Ｚ２−Ｚ３）／ｄ ・・・（１０）
【００４４】
コントローラ９０の制御の下で、同一の駆動信号（Ｚ２＝Ｚ３）が、第２供給機構２００および第３供給機構３００のピエゾ・アクチュエーターに入力され、それと異なる駆動信号（Ｚ１）が第１供給機構１００のピエゾ・アクチュエーターに入力される場合、動作ステージ２０のｘ軸回転運動Θｘが生成される。すなわち、第１供給機構１００および第２供給機構２００または第３供給機構３００の間の距離がＤとして定義される場合、ｘ軸回転運動Θｘの値は次の数式（１１）から得られる。
【００４５】
Θｘ＝（Ｚ１−Ｚ２）／Ｄ ・・・（１１）
【００４６】
上記の説明は本発明の好ましい実施例の詳細な説明に過ぎず、本発明の範囲は図面と共に説明された実施形態に限定されない。当業者は、添付の請求の範囲によって定義される本発明の技術的な精神および本発明の範囲内において、さまざまな修正、変更および代替をする事が出来る。この種の実施形態が本発明の範囲内である事が理解されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
以上に記述された本発明における超高精度供給装置によれば、ミクロン以下のオーダーの微細な動作が、ピエゾ・アクチュエーター、円弧ヒンジを備えたヒンジ部材およびノッチ・ヒンジを備えたレバー部材によって正確に行うことが出来、装置全体の高さを非常に減じる事が出来、動作ステージ自体の剛性を増強することができる。更に、ヒンジ構造物は弾性を有するので、接触による摩耗が無く、非常に高い繰返し精度を維持し、同時に、連続的で滑らかな微細動作を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明における超高精度供給装置が適用された超高精度ポジショニングシステムの一例を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１に示した超高精度ポジショニングシステムから動作ステージを除いた平面図である。
【図３】本発明における超高精度供給装置の構成を示す斜視図である。
【図４】本発明における超高精度供給装置の構成を示す分解組立図である。
【図５】本発明における超高精度供給装置中の円弧ヒンジの構成を示す部分正面図である。
【図６】本発明における超高精度供給装置の制御手段を示すブロック図である。
【図７】本発明における超高精度供給装置の動作を示す断面図である。
Claims (5)
- 超高精度供給装置であって、
ベースおよび前記ベースの上部に移動可能なように配置される動作ステージの間に水平に配置されるアクチュエータと、
円弧ヒンジを有し、前記ベースおよび前記アクチュエータの一端に固定される第１ヒンジ部材と、
円弧ヒンジを有し、前記アクチュエータの他端に固定される第２ヒンジ部材と、
第１円弧ヒンジおよび第２円弧ヒンジを有し、動作ステージに固定されている第３ヒンジ部材と、
ノッチ・ヒンジを有し、ベースに固定されて前記第２ヒンジ部材および前記第３ヒンジ部材と協同するレバー部材と
を備える、超高精度供給装置。 - 前記第１ヒンジ部材は、前記第１ヒンジ部材および前記ベースの間に設置された固定ブロックによって前記ベースに固定され、前記第２ヒンジ部材および前記第３ヒンジ部材はそれぞれ前記レバー部材に固定される、請求項１に記載の装置。
- 前記第２のヒンジ部材は、前記第３ヒンジ部材を貫通して嵌入する、請求項１に記載の装置。
- 前記第２ヒンジ部材のヒンジの中心を通りｘ軸方向に延長する直線、および前記レバー部材のヒンジの中心との間の垂直距離をａとし、前記第３ヒンジ部材の前記第１ヒンジおよび前記第２ヒンジの中心を通りｙ軸方向に延長する直線、および前記レバー部材のヒンジの中心との間の水平距離をｂとした場合、ｂ＝２ａの数式を満たすように構成される、請求項２に記載の装置。
- 前記レバー部材は、
前記第２ヒンジ部材および前記第３ヒンジ部材がそれぞれ固定される水平の部分および垂直の部分を有する第１レバーと
前記ノッチ・ヒンジを介して前記第１レバーに接続され、前記ベースへ固定された、第２レバーと
を備える、請求項３に記載の装置。
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