JP2758185B2 - 微動載物台 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、表面形状測定装置やレーザ顕微鏡などに
用いられる微動載物台に係り、特に平行板ばねを用いた
微動載物台の可動範囲の改良に関する。

〔従来の技術〕

近年、高集積半導体素子の表面構造や、高密度焼結
体，ガラス，金属の材料表面の欠陥構造などを、微少領
域ごとに高分解能で観測するといったニーズが増加して
いる。

このような観測に用いられる微動載物台は、ステージ
が移動に伴う姿勢の変化やヒステリシスの少ない高精度
の変位運動をするものであることが要求され、特開昭60
−219584号公報などに示されるように、平行板ばねによ
りステージを弾性的に支持した構造が用いられている。

この平行板ばねを用いた微動載物台は、第7,8図に示
すような構造が一般的である。すなわち、基台１上に固
定された２個の固定ブロック2,3の両端部に厚みの薄い
長方形の２枚の板ばね4,5を橋渡しするように架設固定
して平行板ばね4,5が形成され、この平行板ばね4,5のそ
れぞれの中央部を橋渡しするようにステージ６を架設固
定して、ステージ６が２個の固定ブロック2,3に対して
２組の平行板ばねa1,a2により弾性的に支持固定される
ようにしたものである。このステージ６は、基台１に固
定された積層形圧電素子などのアクチュエータ７によ
り、平行板ばねa1,a2に対して垂直な方向、すなわちＹ
方向に付勢され変位させられる。このステージ６上に載
置した測定物は、アクチュエータ７の付勢力の変化に伴
ない２組の平行板ばねa1,a2が弾性変形することで、ス
テージ６とともに再現性のよい高精度な変位運動を行な
うことができるものである。

なお、このような微動載物台でＸ方向とＹ方向の移動
を行うときは、ステージ上に移動方向が直交するように
もう一台の微動載物台が設置される。

〔発明が解決しようとする課題〕

だが、平行板ばねa1,a2を用いた従来の微動載物台
は、平行板ばねに働く垂直方向の付勢力に応じて平行板
ばね自身の弾性変形（曲げとわずかな伸び）によりステ
ージの移動を許すものであるから、平行板ばねに永久歪
やヒステリシスの生じない領域内でステージを移動させ
る必要があり、ステージの可能範囲が大きくとれないと
いう問題点があった。

たとえば、平行板ばねa1,a2の弾性変形部の長さを10m
mとしたとき、板ばねの変形のうち伸びに着目しただけ
でも、ステージを50μｍ移動させるには板ばねは0.12μ
ｍの伸びが必要であり、ステージを100μｍ移動させる
には板ばねは0.50μｍの伸びが必要となる。だがこの伸
びを確保するには過大な張力が平行板ばねa1,a2に働く
ことになり、基台１がたわむことなどにより固定ブロッ
ク2,3が内側に引きこまれてステージ６の動きが直線状
でなく円弧状になり、かつ移動につれて沈んでしまうと
いう問題点が生ずる。第９図は、実際の測定例を示し、
横軸にステージの移動量（μｍ）縦軸に移動によるステ
ージの高さ方向の変位量（μｍ）を示している。この例
では、100μｍのステージ移動において、ステージは高
さＤ＝0.1μｍの円弧状に移動してＨ＝0.39μｍだけ沈
みこむものとなっていることが示されている。これらの
事情からステージの可動領域は、高精度の変位運動が要
求される場合、きわめて狭い範囲でしか用いることがで
きないものとなっている。

この発明は、上記の問題点を克服し、高精度な変位運
動が維持される可動範囲のより広い微動載物台を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、次のような手段によって上記課題を解決
し目的を達成したものである。

すなわち、基台と、前記基台に対して移動可能に設け
られたステージと、前記基台に固定され、前記ステージ
に移動力を与えるごとく設けられたアクチュエータと、
少なくともステージの移動方向を含む方向に弾性変形す
る第１の弾性部材と、少なくとも前記ステージの移動方
向に垂直な方向を含む方向に弾性変形する第２の弾性部
材とを備えた微動載物台において、 前記ステージは、前記第１の弾性部材を介して前記第
２の弾性部材に支持固定され、また、前記第２の弾性部
材は前記ステージの移動方向に平行に引いた仮想の中心
線の左右に設けられた４カ所の弾性変形部を含み、この
弾性変形部は前記第２の弾性変形部材に切込みを入れる
ことで形成されている。

また、基台と、前記基台に対して移動可能に設けられ
たステージと、前記基台に固定され、前記ステージに移
動力を与えるごとく設けられたアクチュエータと、少な
くともステージの移動方向を含む方向に弾性変形する第
１の弾性部材と、少なくとも前記ステージの移動方向に
垂直な方向を含む方向に弾性変形する第２の弾性部材と
を備えた微動載物台において、前記ステージは、前記第
１の弾性部材を介して前記第２の弾性部材に支持固定さ
れ、また、前記第２の弾性部材は前記ステージの移動方
向に平行に引いた仮想の中心線の左右に設けられた４カ
所の弾性変形部を含み、この弾性変形部は、前記第１の
弾性変形部材を支持する支持部材と、前記基台に固定さ
れた固定部材と、前記支持手段と前記固定部材とを結合
すると共に弾性変形する結合弾性変形部とから形成され
ている。

〔作用〕

このような手段を講じることで、次のような作用が生
じる。

アクチュエータに与えられた移動力の作用により、第
１の弾性部材がステージの移動方向を含む方向に変形す
る。これに伴ってステージが移動する。このとき第１の
弾性部材には張力が発生するが、第２の弾性部材が弾性
変形することで第１の弾性部材に発生する張力が軽減さ
れる。従って、ステージを移動させたときの第１の弾性
部材に過大な張力をかけることなくステージを移動する
ことができる。また、第１の弾性部材及び第２の弾性部
材の変形により広範囲の移動においても直線性に優れ、
且つ、沈み込みの少ないステージ移動となる。

〔実施例〕

以下、実施例に基いてこの発明を詳細に説明する。

第1,2図は、この発明による微動載物台の第１実施例
を示す平面図とその正面図である。従来の技術に記載し
た第7,8図の例と同一の部材には同一の符号を付してい
る。

図に示すように、基台１の上面には、ステンレス製の
直方体状の２個の固定ブロック2,3が間隔をあけて平行
にねじ固定されており、この２個の固定ブロック2,3の
両端部には、それぞれＴ字状のスリット8,8 9,9′をワ
イヤソーなどで形成することにより弾性変形部10,10′,
11,11′およびその先端に設けられた板ばね取付け部12,
12′,13,13′がそれぞれの固定ブロック2,3に対して一
体に設けられている。なお、基板１への固定ブロック2,
3の取付け面は、図において点線で示す形状をしてお
り、弾性変形部と板ばね取付け部が基台１に接触しない
ようにされている。

そして、この板ばね取付け部12,12′間に板ばね４を
橋渡しするように架設固定し、板ばね取付け部13,13′
間に板ばね５を架設固定することで平行板ばね4,5を形
成している。なおこの例では、板ばね4,5として燐青銅
板を用いている。この平行板ばね4,5のそれぞれの中央
部を橋渡しするようにステージ６の両端部を架設固定し
て、ステージ６が４個の板ばね取り付け部12,12′,13,1
3′に対して２組みの平行板ばねa1,a2により弾性的に支
持固定されるようにしている。

この板ばね4,5を板ばね取付け部やステージに取付け
固定することは、押え板14,14′,15,15′,16,17で板ば
ね4,5を上からはさみこんでネジ18で締めつけることに
より行なわれている。また、ステージ６には下側に開口
した凹部19が形成されており、この凹部19内に積層型圧
電アクチュエータ７が配置され、１端を基台にとめ板20
によって固定され、他端をステージ６の側壁に螺着され
た調整用接触子21に当接している。

このアクチュエータ７によるステージ６の移動方向
（Ｙ方向）に対して板ばね4,5は直交する方向に配設さ
れており、ステージ６と板ばね取付け部12,12′とは板
ばね４の２個の等しい長さの弾性変形部４−1,4−２を
介して、またステージ６と板ばね取付け部13,13′とは
板ばね５の２個の等しい長さの弾性変形部５−1,5−２
を介して、互いに支持結合されている。そして固定ブロ
ック2,3に固定された弾性変形部10,10′,11,11′はステ
ージ６の移動方向にほぼ平行な方向に配設されている。

別の表現をすれば、ステージ６は、ステージの移動方
向に平行にかつ基台１に対して垂直な方向に設けた架空
の中心面に対して、左右対称な支持構造により支持され
ているということができる。

次に、この第１実施例の動作を説明する。

ステージ６がアクチュエータ７の作動によりＹ方向に
移動すると、このステージ６の移動にともなってＸ方向
に配設された平行ばねa1,a2には曲げ変形とともに張力
が発生することになる。この張力に応じて、固定ブロッ
ク2,3に設けられた弾性変形部10,10′,11,11′がそれぞ
れ内側に曲げ弾性変形することにより、板ばね取付け部
12,12′,13,13′を内側方向すなわちＸ方向に変位させ
るので、平行ばねa1,a2にかかる張力が過大になること
なく適切な値に維持される。

また、ステージ６の支持構造は移動方向（Ｙ方向）に
引いた中心線に対して左右対称であるために、板ばね４
の弾性変形部４−１と弾性変形部４−２にかかる張力は
互いに反対向きで等しく、また板ばね５の弾性変形部５
−１と弾性変形部５−２にかかる張力も同様であるか
ら、弾性変形部10,11と弾性変形部10′,11′の左右の変
位量も互いに反対向きに等しくなるから、ステージ６に
はＹ方向への移動にともなうＸ方向へのブレは生じな
い。

この実施例の微動載物台について、実際の測定例を第
３図に示す。横軸はＹ方向のステージの移動量（μｍ）
を示し、縦軸はステージの移動によるステージの高さ方
向の変位量（μｍ）を示している。この例では、100μ
ｍのステージの移動において、ステージは直線的に移動
し、ステージの沈みこみ量Ｈも0.05μｍと極めて低い値
となっており、第９図に示す従来例の測定結果と比較し
て大幅に改善されていることがわかる。

このように、平行板ばねa1,a2を取りつける固定ブロ
ックの板ばね取付け部にスリットを入れることにより弾
性変形部を一体に設けて平行板ばねにかかる張力を緩和
することの効果はいちじるしい。これは固定ブロックと
一体に形成された弾性変形部10,10′,11,11′が、ステ
ージ６を支持している板ばね4,5の弾性変形部４−1,4−
2,5−1,5−２よりも弾性定数が大きくて剛性があり、他
のノイズを発生することなく板ばねの弾性変形部にかか
る張力を緩和するという役割のみを忠実に果しているた
めと考えられる。

したがって、固定ブロックに形成するスリットの形状
や弾性変形部の形状はこの実施例に限定されることな
く、ステージを支持している平行板ばねにかかる張力を
緩和するように弾性変形するものであればよい。また、
固定ブロックの側に弾性変形部を設けずに、ステージ６
にスリットを入れて平行板ばねa1,a2の取付け部を弾性
的に支持するようにすることもできる。

第４図は、この発明における第２実施例を示す平面図
である。第１図の例と同一の部材には同一の符号を付し
て説明を省略する。

この第２実施例は、固定ブロック22,23と板ばね取付
け部材24,24′25,25′との間をそれぞれ連結する弾性変
形部材26,26′,27,27′を押え板でネジどめすることに
より外付けとした点のみが第１実施例と異なっている。
この弾性変形部材26,26′,27,27′は、平行板ばねa1,a2
よりも弾性定数の大きな剛性のある板ばねが用いられて
おり、アクチュエータの移動方向に平行な方向に配設さ
れた平行板ばねb1,b2を形成している。

第５図は、この発明の第３実施例を示す平面図であ
る。これまでの例と同一の部材には同一の符号を付して
説明を省略する。

この例は、第２実施例の変形例であるが基本的にはほ
ぼ同一の構造をなしている。

基台１上に設けられた固定ブロック28,29の側面にそ
れぞれ板ばね30,31の中央部分を取付けて板ばねの両端
を外方に延在させ、この板ばね30,31の端部にそれぞれ
板ばね取付け部材32,32′,33,33′が取付けられてい
る。そしてステージ６の端面に中央部を取付けられた板
ばね4,5の外方に延在する端部がそれぞれ対応する板ば
ね取付け部材32,32′,33,33′に1:1に取付けられてい
る。

なお板ばね30,31は、板ばね4,5よりも弾性係数が大き
く、したがって剛性のあるものが用いられる。

これによりステージ６は、ステージの移動方向に平行
に引いた仮想の中心線に対して左右対象に設けられた４
個の弾性支持部材、たとえばそのうちの１個は板ばね４
の弾性変形部４−１と板ばね30の弾性変形部30−１とを
板ばね取付け部材32で連結してなるもの、により支持さ
れていることになる。

また、別の表現をすれば、ステージ６の移動方向に直
交する方向に配設された２組の平行板ばねa1,a2と、ス
テージ６の移動方向に平行な方向に配設された２組の平
行板ばねb1,b2とにより、ステージ６が基台１に対して
弾性的に支持されている。

いま、図示されていないアクチュエータを作動させる
ことによりステージ６がＹ方向に移動すると、これに直
交する方向に配設された板ばね4,5の弾性変形部４−1,4
−2,5−1,5−２に曲げ弾性変形が生じるとともに張力が
発生する。この張力により、ステージの移動方向に平行
な方向に配設された板ばね30,31の弾性変形部30−1,31
−1,30−2,31−２に曲げ弾性変形が生じて板ばね取付部
材32,32′,33,33′をそれぞれ内側に移動させる。

したがって、板ばね4,5の弾性変形部に生じる張力が
過大になることがなく、ステージ６の高精度な移動が安
定に維持され、この可動範囲が拡大される。

第６図は、この発明の第４実施例を示す平面図であ
る。

この例は、これまでの実施例とは反対に、ステージ33
の移動方向に平行な方向に配設された平行板ばねb1,b2
によってステージ34と板ばね取付け部材35,35′,36,3
6′との間を連結し、ステージの移動方向に直交する方
向に配設された平行板ばねa1,a2によって基台１上に設
けられた固定ブロック37,38と板ばね取付け部材35,3
5′,36,36′との間を連結しているものである。

この例においても、平行板ばねb1,b2は平行板ばねa1,
a2よりも弾性係数の大きい剛性のあるものが用いられ
る。

この実施例の動作は次のようになる。

ステージ34がＹ方向に移動すると、平行板ばねb1,b2
を介して板ばね取付け部材35,35′,36,36′がＹ方向に
移動させられるから、平行板ばねa1,a2には曲げ弾性変
形が生ずるとともに張力が発生する。この張力により、
平行板ばねb1,b2に曲げ弾性変形が生じて、板ばね取付
け部材をそれぞれ外方に変位させるので、板ばねa1,a2
に生ずる張力が過大になることがなく、ステージ34の移
動が高精度に維持される。

したがってこの例は、第５図を示された微動載物台に
おいてステージをＸ方向に移動させた時の構成，作用と
ほぼ同様の構成，作用をなすものということができる。

この発明は、これまでに示した実施例に限定されるも
のではなく、多くの変形，変更を含むものである。

たとえば、ステージの支持構造はステージの移動方向
に平行かつ基台に対して垂直な仮想の移動方向に対して
左右対称な構造，装置であれば（移動方向に直交する方
向すなわちＸ方向の分力は互いに相殺されるので）、平
行板ばねa1,a2,b1,b2はそれぞれ厳格に移動方向に直
交，平行でなくてもよく、またそれぞれにおける平行度
や弾性変形部の長さにちがいがあってもよい。

また第3,第４実施例において平行板ばねa1,a2の端部
と平行板ばねb1,b2の端部とを板ばね取付け部材を介さ
ずに直接連結した一体の板ばねで構成することもでき
る。

更にまたステージをＹ方向に付勢する主アクチュエー
タの他にＸ方向に付勢するアクチュエータを設ければ、
Ｘ方向については広い可動範囲は得られないがX,Y可動
ステージとすることができる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、ステージの高精度な移動が可能と
なり、また、可動範囲のより広い微動載物台を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図はこの発明の微動載物台の第１実施例を
示す平面図と正面図，第３図は第１実施例におけるステ
ージの移動精度を示すグラフ、第４図はこの発明の微動
載物台の第２実施例を示す平面図，第５図はこの発明の
微動載物台の第３実施例を示す平面図，第６図はこの発
明の第４実施例を示す平面図，第７図，第８図は従来の
微動載物台を示す平面図と正面図，第９図はこの従来例
におけるステージの移動精度を示すグラフである。 １……基台 6,34……ステージ ７……アクチュエータ a1,a2,b1,b2……平行板ばね ４−1,4−2,5−1,5−2,10,10′,11,11′,30−1,30−2,3
1−1,31−２……弾性変形部 26,26′,27,27′……弾性変形部材 8,8′,9,9′……スリット 12,12′,13,13′……板ばね取付け部 24,24′,25,25′,32,32′,33,33′,35,35′,36,36′…
…板ばね取付け部材

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基台と、 前記基台に対して移動可能に設けられたステージと、 前記基台に固定され、前記ステージに移動力を与えるご
   とく設けられたアクチュエータと、 少なくともステージの移動方向を含む方向に弾性変形す
   る第１の弾性部材と、 少なくとも前記ステージの移動方向に垂直な方向を含む
   方向に弾性変形する第２の弾性部材とを備えた微動載物
   台において、 前記ステージは、前記第１の弾性部材を介して前記第２
   の弾性部材に支持固定され、また、前記第２の弾性部材
   は前記ステージの移動方向に平行に引いた仮想の中心線
   の左右に設けられた４カ所の弾性変形部を含み、この弾
   性変形部は前記第２の弾性変形部材に切込みを入れるこ
   とで形成されていることを特徴とする微動載物台。
2. 【請求項２】基台と、 前記基台に対して移動可能に設けられたステージと、 前記基台に固定され、前記ステージに移動力を与えるご
   とく設けられたアクチュエータと、 少なくともステージの移動方向を含む方向に弾性変形す
   る第１の弾性部材と、 少なくとも前記ステージの移動方向に垂直な方向を含む
   方向に弾性変形する第２の弾性部材とを備えた微動載物
   台において、 前記ステージは、前記第１の弾性部材を介して前記第２
   の弾性部材に支持固定され、また、前記第２の弾性部材
   は前記ステージの移動方向に平行に引いた仮想の中心線
   の左右に設けられた４カ所の弾性変形部を含み、この弾
   性変形部は、前記第１の弾性部材を支持する支持手段
   と、前記基台に固定された固定部材と、前記支持手段と
   前記固定部材とを結合すると共に弾性変形する結合弾性
   変形部とから形成されていることを特徴とする微動載物
   台。
3. 【請求項３】前記第１の弾性部材は２組の板ばねである
   ことを特徴とする請求項１または２に記載された微動載
   物台。
4. 【請求項４】前記結合弾性変形部は、４ケ所の弾性変形
   部にそれぞれ設けられた板ばねであることを特徴とする
   請求項２または３に記載された微動載物台。