JP6437884B2 - 平面移動装置 - Google Patents

Description

本発明は、平面移動装置に関する。

現在、テーブルの側方にピエゾ素子を配置し、これらピエゾ素子の駆動力により水平方向（Ｘ方向及びＹ方向）におけるテーブルの位置を微調整する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２０１０−１９０６５７号公報 特開昭５９−１０１８３４号公報 実開昭６３−１０３９２５号公報

しかし、特許文献１〜３に記載されたような従来の技術においては、Ｘ方向及びＹ方向に沿って各々複数個のピエゾ素子を配置し、かつ、それらピエゾ素子を相互に同期させる必要があるため、ピエゾ素子の組付けや制御が複雑となり、製作コストが嵩むという問題があった。また、かかる技術を採用すると、ピエゾ素子をテーブルの側方に配置することから、占有スペースが大きくなるという問題もある。

これらの問題を解決するために、近年においては、平面視矩形枠状の基部と、この基部の内側に配置された移動部と、を備え、ピエゾ素子の駆動力により移動部が基部に対して水平移動するように構成されたピエゾステージが提案され、実用化されている。かかるピエゾステージは比較的小型で安価なものであるが、鉛直方向における耐荷重がきわめて小さく、積載可能な対象物の重量が大きく制約されてしまうという問題がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、水平方向においてピエゾ素子による対象物の高精度な位置合わせを実現させることができ、かつ、鉛直方向において高い耐荷重性能を有する平面移動装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る平面移動装置は、第一テーブルと、第一テーブルの上方に配置された基部及び移動部を有し移動部はピエゾ素子の駆動力により基部に対して水平移動するように構成されるピエゾステージと、ピエゾステージの上方に配置された第二テーブルと、第一テーブルと第二テーブルとを連結するとともに第一テーブルに対する第二テーブルの水平移動を許容するように構成される連結部材と、ピエゾステージのピエゾ素子の駆動力を第二テーブルに伝達して第二テーブルをピエゾステージの移動部に連動させる駆動力伝達手段と、を備え、ピエゾステージの上面と第二テーブルの下面との間に間隙が形成されているものである。

かかる構成を採用すると、ピエゾステージの下方に配置された第一テーブルとピエゾステージの上方に配置された第二テーブルとが連結部材で連結されており、ピエゾステージの上面と第二テーブルの下面との間に間隙が形成されているため、第二テーブルに載置された対象物による鉛直荷重を連結部材で受けることができ、鉛直荷重が直接的にピエゾステージに作用することを防ぐことができる。一方、連結部材は、第一テーブルに対する第二テーブルの水平移動を許容するように構成されており、駆動力伝達手段によりピエゾステージのピエゾ素子の駆動力を第二テーブルに伝達して、第二テーブルをピエゾステージの移動部に連動させることができるため、水平方向においてはピエゾ素子による対象物の高精度な位置合わせを実現させることができる。

本発明に係る平面移動装置において、基部の上面と移動部の上面とが略面一になるように構成されたピエゾステージを採用することができる。かかる場合において、ピエゾステージの移動部の上面に固定されかつ第二テーブルの下方に配置された板状部材と、第二テーブルの下面に固定されかつ板状部材の側面に係止するように構成された係止部材と、を有する駆動力伝達手段を採用し、板状部材の上面と第二テーブルの下面との間に間隙を形成することができる。

かかる構成を採用すると、駆動力伝達手段の板状部材及び係止部材を介してピエゾ素子の駆動力を第二テーブルに伝達して、第二テーブルをピエゾステージの移動部に連動させることができる。この際、板状部材の上面と、板状部材の上方に配置された第二テーブルの下面と、の間に間隙が形成されているため、第二テーブルに載置された対象物による鉛直荷重が板状部材を介してピエゾステージに作用することを防ぐことができる。

本発明に係る平面移動装置において、鉛直方向に延在するように立設された柱状部材を連結部材として採用することができる。

かかる構成を採用すると、連結部材は、鉛直方向に延在するように立設された柱状部材であるため、鉛直方向においては荷重を充分に受けることができ、水平方向においてはピエゾ素子の駆動力により容易に撓むことができるものとなる。

本発明に係る平面移動装置において、柱状部材を、軸方向中央部の断面形状が円形又は四角形以上の多角形とすることができる。

かかる構成を採用すると、材料の切削加工により柱状部材（連結部材）を製作することができる。特に、断面形状が四角形（又はそれ以上の多角形）の柱状部材は、比較的高精度で切削加工を行うことができるため好ましい。また、真円度が高精度に実現できれば、断面円形の柱状部材（円柱）が最適である。

本発明に係る平面移動装置において、球状部材を連結部材として採用することができる。

かかる構成を採用すると、球状部材（連結部材）の転がりを利用して、ピエゾ素子の動作に容易に追従することができる。また、球状部材を連結部材として採用すると、第一テーブルや第二テーブルに対するボルト締結等が不要となるため、微小な捩れ等を気にすることなく容易に組み付けることが可能となるという利点がある。

本発明に係る平面移動装置において、連結部材を、銅合金で構成することができる。

かかる構成を採用すると、連結部材が、バネ材に好適な比較的高い強度を有する銅合金（ベリリウム銅やリン青銅）で構成されているため、常時作用する鉛直荷重や繰り返しの撓みにも耐えることができる。

本発明に係る平面移動装置において、連結部材を、制振合金で構成することができる。

かかる構成を採用すると、連結部材が制振合金で構成されているため、振動を効果的に低減させることができ、ステージ移動開始から停止までの時間を大幅に短縮することができる。

本発明によれば、水平方向においてピエゾ素子による対象物の高精度な位置合わせを実現させることができ、かつ、鉛直方向において高い耐荷重性能を有する平面移動装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る平面移動装置の構成を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る平面移動装置の動きを説明するための説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまでも好適な適用例であって、本発明の適用範囲がこれに限定されるものではない。

まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る平面移動装置１の構成について説明する。

本実施形態に係る平面移動装置１は、図１に示すように、ボトムテーブル１０と、ボトムテーブル１０の上方に配置されたピエゾステージ２０と、ピエゾステージ２０の上方に配置されたトップテーブル３０と、ボトムテーブル１０とトップテーブル３０とを連結する連結部材４０と、ピエゾステージ２０のピエゾ素子の駆動力をトップテーブル３０に伝達する駆動力伝達手段５０と、を備えている。

ボトムテーブル１０は、本発明における第一テーブルに相当するものであり、所定の場所に配置される。ボトムテーブル１０は、他の構成（ピエゾステージ２０や連結部材４０等）をその上に取り付けることができる構成であればよく、所定厚さを有する板状体等を採用することができる。ボトムテーブル１０の材料としては、金属材料や合成樹脂材料等を採用することができる。

ピエゾステージ２０は、ボトムテーブル１０の上方に配置された基部２１と、ピエゾ素子の駆動力により基部２１に対して水平移動するように構成された移動部２２と、を有しており、基部２１の上面と移動部２２の上面とが略面一になるように構成されている。本実施形態においては、ボルト等の固定手段を用いて、基部２１がボトムテーブル１０に固定されている。このため、基部２１及びボトムテーブル１０に対して移動部２２が水平移動するようになっている。

ピエゾステージ２０の平面形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、平面視矩形枠状の基部２１と、この基部２１の内側に配置された一回り小さい平面視矩形枠状の移動部２２と、を採用している。ピエゾステージ２０の一辺の長さや高さは、対象物の大きさ等によって適宜設定することができる。ピエゾステージ２０としては、例えばピーアイ・ジャパン株式会社の製品（商品名Ｐ−５４２．２ＣＤ等）を採用することができる。

トップテーブル３０は、本発明における第二テーブルに相当するものであり、連結部材４０を介してボトムテーブル１０に連結された状態で、ピエゾステージ２０の上方に配置される。トップテーブル３０としては、ボトムテーブル１０と同様に所定厚さを有する板状体等を採用することができ、その材料としては金属材料や合成樹脂材料等を採用することができる。本実施形態では、平面視において、トップテーブル３０の面積及び形状をボトムテーブル１０の面積及び形状と一致させている。

連結部材４０は、ボトムテーブル１０とトップテーブル３０とを連結するとともに、ボトムテーブル１０に対するトップテーブル３０の水平移動を許容するように構成される部材である。本実施形態における連結部材４０は、図１に示すように、鉛直方向に延在するように立設された柱状部材である。また、本実施形態においては、連結部材４０を銅合金（ベリリウム銅やリン青銅）で構成している。銅合金は、バネ材に好適な比較的高い強度を有するものであるため、常時作用する鉛直荷重や繰り返しの撓みにも耐えることができる。

連結部材（柱状部材）４０は、軸方向中央部の断面形状を円形又は四角形以上の多角形とすることができる。このようにすると、材料の切削加工により連結部材（柱状部材）４０を製作することができる。特に、断面形状が四角形（又はそれ以上の多角形）の柱状部材は、比較的高精度で切削加工を行うことができるため好ましい。また、真円度が高精度に実現できれば、断面円形の柱状部材（円柱）が最適である。

駆動力伝達手段５０は、ピエゾステージ２０のピエゾ素子の駆動力をトップテーブル３０に伝達して、トップテーブル３０をピエゾステージ２０の移動部２２に連動させるものである。本実施形態における駆動力伝達手段５０は、ピエゾ駆動伝達プレート５１と、ストッパ５２と、を有している。

ピエゾ駆動伝達プレート５１は、本発明における板状部材に相当するものであり、ピエゾステージ２０の移動部２２の上面に（ボルト等の固定手段を介して）固定され、かつ、トップテーブル３０の下方に配置されており、トップテーブル３０の下方においてピエゾステージ２０の移動部２２と連動するように構成されている。ピエゾ駆動伝達プレート５１は、金属材料や合成樹脂材料で構成することができる。本実施形態においては、ピエゾステージ２０の移動部２２の平面形状に対応するように、平面視矩形状のピエゾ駆動伝達プレート５１を採用しており、その面積は、ピエゾステージ２０の移動部２２の面積（移動部２２に中空部がある場合は中空部の面積も含む）よりも若干小さくなるように設定されている。

ストッパ５２は、本発明における係止部材に相当するものであり、トップテーブル３０の下面に（ボルト等の固定手段を介して）固定され、かつ、ピエゾ駆動伝達プレート５１の側面に係止するように構成されている。本実施形態においては、図１に示すように、ピエゾ駆動伝達プレート５１の対向する一組の側面を一対のストッパ５２で挟み込み、一対のストッパ５２の一方に設けられた締結ボルト５３を締めることにより、ストッパ５２をピエゾ伝達プレート５１の側面に係止させている。

ピエゾ駆動伝達プレート５１の上面とトップテーブル３０の下面との間には、図１に示すように、間隙Ｇが形成されている。このため、トップテーブル３０に載置された対象物Ｏ（図１）による鉛直荷重がピエゾ伝達プレート５１を介してピエゾステージ２０に作用することを防ぐことができる。

次に、本発明の実施形態に係る平面移動装置１の動作（位置調整機能）について説明する。

本実施形態に係る平面移動装置１を用いて対象物Ｏの位置調整を行う場合には、まず、図１に示すようにトップテーブル３０の上面に対象物Ｏを載置する。次いで、図示していないコントローラでピエゾ素子を駆動することにより、ピエゾステージ２０の移動部２２を所定方向（例えば図２において矢印で示す方向）に移動させる。すると、駆動力伝達手段５０により、ピエゾ素子の駆動力がトップテーブル３０に伝達され、トップテーブル３０がピエゾステージ２０の移動部２２に連動する。この際、連結部材４０は、図２に示すように撓むことにより、トップテーブル３０の水平方向の移動を許容する。この結果、トップテーブル３０の上面に載置された対象物Ｏの位置調整が実現される。

以上説明した実施形態に係る平面移動装置１においては、ピエゾステージ２０の下方に配置されたボトムテーブル１０とピエゾステージ２０の上方に配置されたトップテーブル３０とが連結部材４０で連結されており、ピエゾステージ２０の上面に固定されたピエゾ駆動伝達プレート５１の上面と、トップテーブル３０の下面と、の間に間隙Ｇが形成されているため、トップテーブル３０に載置された対象物Ｏによる鉛直荷重を連結部材４０で受けることができ、鉛直荷重が直接的にピエゾステージ２０に作用することを防ぐことができる。一方、連結部材４０は、ボトムテーブル１０に対するトップテーブル３０の水平移動を許容するように構成されており、駆動力伝達手段５０によりピエゾステージ２０のピエゾ素子の駆動力をトップテーブル３０に伝達して、トップテーブル３０をピエゾステージ２０の移動部２２に連動させることができるため、水平方向においてはピエゾ素子による対象物Ｏの高精度な位置合わせ（例えば、±５ｎｍ程度の位置決め精度）を実現させることができる。

また、以上説明した実施形態に係る平面移動装置１においては、駆動力伝達手段５０のピエゾ駆動伝達プレート５１及びストッパ５２を介してピエゾ素子の駆動力をトップテーブル３０に伝達して、トップテーブル３０をピエゾステージ２０の移動部２２に連動させることができる。この際、ピエゾ駆動伝達プレート５１の上面と、ピエゾ駆動伝達プレート５１の上方に配置されたトップテーブル３０の下面と、の間に間隙Ｇが形成されているため、トップテーブル３０に載置された対象物Ｏによる鉛直荷重がピエゾ駆動伝達プレート５１を介してピエゾステージ２０に作用することを防ぐことができる。

また、以上説明した実施形態に係る平面移動装置１においては、連結部材４０として、鉛直方向に延在するように立設された柱状部材を採用している。このため、連結部材４０は、鉛直方向においては荷重を充分に受けることができ、水平方向においてはピエゾ素子の駆動力により容易に撓むことができるものとなる。

なお、以上の実施形態においては、連結部材４０として柱状部材（円柱や角柱）を採用した例を示したが、連結部材として球状部材を採用することもできる。このようにすると、球状部材の転がりを利用して、ピエゾ素子の動作に容易に追従することができる。また、球状部材を連結部材として採用すると、ボトムテーブル１０やトップテーブル３０に対するボルト締結等が不要となるため、微小な捩れ等を気にすることなく容易に組み付けることが可能となるという利点がある。

また、以上の実施形態においては、連結部材４０を銅合金（ベリリウム銅やリン青銅）で構成した例を示したが、大同特殊鋼株式会社の製品（商品名スターサイレントＤ２０５２）やリックス株式会社の製品（商品名ＷＡＶＬＥＳ１、ＷＡＶＬＥＳ２）等の制振合金で連結部材を構成することもできる。このように連結部材を制振合金で構成すると、振動を効果的に低減させることができる。振動要因のひとつとしては、連結部材４０とピエゾステージ２０の共振が挙げられるが、上記のような制振合金は、外部から加わる力を金属組織内で運動エネルギとして消費することにより振動を低減させるものであり、かかる特性により、一般的に振動低減への対応で考えられるような構造体の高剛性化を施す必要がなくなり、連結部材４０の撓み能力を損なうことなく低振動化を図ることが可能となる。実施例として、大同特殊鋼社製の制振合金（商品名スターサイレントＤ２０５２）を使用して、ベリリウム銅製の連結部材と同等の剛性を有する連絡部材を構成したところ、ベリリウム銅製の連結部材と比較すると振動継続時間が約１／２に短縮された。

また、以上の実施形態においては、ピエゾ駆動伝達プレート５１及びストッパ５２から駆動伝達手段５０を構成し、ピエゾ駆動伝達プレート５１の上面とトップテーブル３０の下面との間に間隙Ｇを形成した例を示したが、駆動伝達手段の構成はこれに限られるものではなく、ピエゾ素子の駆動力をトップテーブル３０に伝達してトップテーブル３０をピエゾステージ２０の移動部２２に連動させることができるような構成であればいかなる構成を採用してもよい。但し、どのような構成を採用する場合においても、駆動伝達手段を構成する部材とトップテーブル３０との間に間隙を形成して、鉛直荷重が直接的にピエゾステージ２０に作用することを防ぐようにする。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、かかる実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

本発明に係る平面移動装置は、例えば、走査電子顕微鏡観察用の微動ＸＹステージや半導体露光装置用の微動ＸＹステージとして好適に使用することができる。

１…平面移動装置
１０…ボトムテーブル（第一テーブル）
２０…ピエゾステージ
２１…基部
２２…移動部
３０…トップテーブル（第二テーブル）
４０…連結部材
５０…駆動力伝達手段
５１…ピエゾ駆動伝達プレート（板状部材）
５２…ストッパ（係止部材）
Ｇ…間隙

Claims (7)

1. 第一テーブルと、
   前記第一テーブルの上方に配置された基部及び移動部を有し、前記移動部は、ピエゾ素子の駆動力により前記基部に対して水平移動するように構成されるピエゾステージと、
   前記ピエゾステージの上方に配置された第二テーブルと、
   前記第一テーブルと前記第二テーブルとを連結するとともに、前記第一テーブルに対する前記第二テーブルの水平移動を許容するように構成される連結部材と、
   前記ピエゾステージの前記ピエゾ素子の駆動力を前記第二テーブルに伝達して、前記第二テーブルを前記ピエゾステージの前記移動部に連動させる駆動力伝達手段と、を備え、
   前記ピエゾステージの上面と前記第二テーブルの下面との間に、間隙が形成されている、
   平面移動装置。
2. 前記ピエゾステージは、前記基部の上面と前記移動部の上面とが略面一になるように構成されており、
   前記駆動力伝達手段は、前記ピエゾステージの前記移動部の上面に固定されかつ前記第二テーブルの下方に配置された板状部材と、前記第二テーブルの下面に固定されかつ前記板状部材の側面に係止するように構成された係止部材と、を有し、
   前記板状部材の上面と前記第二テーブルの下面との間に、間隙が形成されている、請求項１に記載の平面移動装置。
3. 前記連結部材は、鉛直方向に延在するように立設された柱状部材である、請求項１又は２に記載の平面移動装置。
4. 前記柱状部材は、軸方向中央部の断面形状が円形又は四角形以上の多角形とされている、請求項３に記載の平面移動装置。
5. 前記連結部材は、球状部材である、請求項１又は２に記載の平面移動装置。
6. 前記連結部材は、銅合金で構成されている、請求項１から５の何れか一項に記載の平面移動装置。
7. 前記連結部材は、制振合金で構成されている、請求項１から５の何れか一項に記載の平面移動装置。