ステージ機構およびその駆動方法
【課題】ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムで、ＸＹ方向、ヨー回転方向の３自由度に関する長ストローク駆動、およびＺ／ピッチ／ロール方向の微細駆動を実現することができるステージ機構およびその駆動方法を提供する。
【解決手段】ステージ１に接触するベース２の表面近傍に、ベース２の表面の熱変形突出用の第一層目のヒータ３をＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、更にベース２の表面から深いところに、第一層目のヒータ３の前後左右を挟み込むように第二層目のヒータ４をＸＹ方向にアレイ状に複数配置する。第二層目のヒータ４が、第一層目のヒータ３による熱変形突出部をＸＹ方向に移動することにより、熱変形突出部に接触するステージ１をＸＹθ方向に駆動する。
【解決手段】ステージ１に接触するベース２の表面近傍に、ベース２の表面の熱変形突出用の第一層目のヒータ３をＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、更にベース２の表面から深いところに、第一層目のヒータ３の前後左右を挟み込むように第二層目のヒータ４をＸＹ方向にアレイ状に複数配置する。第二層目のヒータ４が、第一層目のヒータ３による熱変形突出部をＸＹ方向に移動することにより、熱変形突出部に接触するステージ１をＸＹθ方向に駆動する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密位置決めが要求されるメカトロニクス機器等においては、装置の小型化が進んでおり、用いられるステージにも小型化が要求される。また、小型化と同時に、位置決めの高精度化、多自由化への要求は高まる一方である。
【０００３】
従来、ステージを駆動するアクチュエータとして、一般には回転式電気モータや磁気式リニアモータ等が用いられ、また超精密位置決め用にはＰＺＴ（圧電素子）アクチュエータが用いられることもある。また、最近では、超音波モータステージや弾性表面波リニアモータなど、摩擦駆動力を利用したステージも適用が進んでいる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
回転式電気モータは、ボールねじとの組み合わせで位置決めを実現する。長ストロークの位置決めが可能であるが、その一方、位置決め分解能はあまり高くなく、ＰＺＴアクチュエータと組み合わせて用いられることがある。また、磁気式リニアモータは、平面構成とすることで、２自由度の位置決めが可能である。また、ＰＺＴアクチュエータは、単体のアクチュエータで３軸方向駆動が可能なものもある。位置決め分解能が高い半面、得られるストロークは短い。超音波モータは、ＰＺＴを利用したものが多く、長ストロークで、高い位置決め分解能が得られる（例えば、非特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１７７７６７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T． Yamaguchi et al., "Wear Mode Control of Drive Tip of UltrasonicMotor for Precision Positioning", Wear, 2003, Vol. 256, pp.145-152
【非特許文献２】N.Osakabe et al., "Surface acoustic wave linear motor using siliconslider", Proc. of IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical Systems,Heidelberg, 1998 Jan., p.25-29
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のアクチュエータを用いたステージでは、通常、多自由度のステージ駆動を実現する場合、アクチュエータを複数組み合わせる必要がある。基本的に、空間内において剛体の有する運動自由度は、Ｘ／Ｙ／Ｚ軸方向の並進運動と、これらの軸まわりの回転運動（ピッチ、ロール、ヨー）とを合わせた６自由度である。精密ステージにおいてこの６自由度駆動を実現する場合、アクチュエータによっては多自由度駆動が可能なものも実在するが、一般にはアクチュエータを複数組み合わせることになるため、システムが大掛かりなものになる。
【０００８】
その一方で、例えばディジタルカメラのズームレンズ駆動機構、各種顕微鏡の微動ステージ等においては、装置の空間的制約およびステージ搭載物の重量が小さいことを考慮すると、極力コンパクトな構成で多自由度かつ高精度な位置決めを実現するアクチュエータによる多自由度ステージ機構が望まれる。
【０００９】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムで、ＸＹ方向、ヨー回転方向の３自由度に関する長ストローク駆動、およびＺ／ピッチ／ロール方向の微細駆動を実現することができるステージ機構およびその駆動方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るステージ機構は、固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構において、前記移動ステージに接触する前記固定ベースの表面近傍に、前記固定ベース表面の熱変形突出用の第一層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、更に前記固定ベース表面から深いところに、前記第一層目のヒータの前後左右を挟み込むように第二層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、前記第二層目のヒータが、前記第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸＹθ方向に駆動するよう構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るステージ機構の駆動方法は、本発明に係るステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、前記第一層目のヒータのうち、離間し平行な少なくとも二列の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸまたはＹ方向に移動する第一工程と、前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、離間し平行な少なくとも二列の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動する第二工程とを有し、前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るステージ機構の駆動方法は、本発明に係るステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、前記第一層目のヒータのうち、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第一工程と、前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第二工程とを有し、前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行ってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アレイ状に配置したヒータ群を強調制御することで、ヨー方向の長ストローク回転制御も可能となる。更には、熱突出によって高さ方向に微動調整が可能なので、Ｚ／ピッチ／ロール方向の微動位置決めも可能である。すなわち、マイクロヒータアレイ１式で、６自由度ステージ駆動が可能となる。ステージのベース表面近傍にベース表面の熱変形突出用の第一層目ヒータを配置し、更に深いところに、第一層目ヒータの上下左右を挟み込むように第二層目のヒータを配置し、これを一つのヒータ群とする。第二層目のヒータは第一層目のヒータによる熱変形突出のＸＹ方向駆動用である。このヒータ群をベース表面のＸＹ方向にアレイ状に配置する。ステージ駆動開始時、まず第一層目のヒータで熱変形突出を発生し、ステージに接触させる。この状態で、第二層目のヒータを加熱し、突出を平面方向に動かす。第二層目ヒータは、駆動方向によって加熱するヒータを選択する。ステージは突出と一緒の方向に駆動される。ストロークが限界に達したら、ヒータの加熱を止めて突出を引っ込める。このサイクルを繰り返すことで、ＸＹ方向への長ストローク駆動を実現する。
【００１４】
このように、本発明によれば、ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムで、ＸＹ方向、ヨー回転方向の３自由度に関する長ストローク駆動、およびＺ／ピッチ／ロール方向の微細駆動を実現することができるステージ機構およびその駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる第一の実施形態のステージ機構の（ａ）斜視図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図である。
【図２】図１に示すステージ機構を制御するシステムの概略図である。
【図３】図１に示すステージ機構によりステージをＸ軸方向に移動するときの、第一層目のヒータと第二層目のヒータとの動作を表わした平面図および側面図である。
【図４】図１に示すステージ機構の、第一層目のヒータとベースとをモデル化した有限要素モデルを示す側面図である。
【図５】図４に示す有限要素モデルを用いて算出したベース表面突起の（ａ）３次元形状の斜視図、（ｂ）突起部分の断面形状を表したグラフである。
【図６】図１に示すステージ機構によりステージをＺ軸方向に微細移動するときの、第一層目のヒータの動作を表わした側面図である。
【図７】図１に示すステージ機構によりステージのピッチ・ロール制御を実施するときの、第一層目のヒータの動作を表わした側面図である。
【図８】図１に示すステージ機構によりステージのヨー制御を実施するときの、第一層目および第二層目のヒータの動作を表わした平面図である。
【図９】本発明にかかる第二の実施形態のステージ機構の（ａ）平面図、（ｃ）側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明にかかる第一の実施形態を、図１から図７を用いて説明する。図１は、本発明にかかる第一の実施形態で用いるステージ機構の概略図である。図１（ａ）は、ステージ機構の俯瞰図であり、ステージ機構はベース（固定ベース）２とステージ（移動ステージ）１とから構成される。図１（ｂ）は、ベース２およびその内部を、ステージ１の搭載面から見た模式図である。第一層目のヒータ３をアレイ状に配置し、各々の第一層目のヒータ３を四方から挟み込むように、第二層目のヒータ４をこちらもアレイ状に配置する。なお、第一層目のヒータ３および第二層目のヒータ４はいずれも、ベース２の表層近傍に組み込むものとし、第一層目のヒータ３が第二層目のヒータ４よりもベース２の表層に近くなるよう配置する。図１（ｃ）は、ステージ機構を横から見たときのステージ１、ベース２および各ヒータ３、４の位置関係を示す模式図である。ステージ１の表面およびベース２の表面には、その表面状態によっては固着を防ぐためにバンプ５を設けても良い。
【００１７】
図２は、図１のステージ機構を駆動するステージシステムの概略を示す。本発明においては、アレイ状に配置した各ヒータ３、４を独立に制御することで、ベース２の上に搭載したステージ１を移動する。そのため、各々のヒータ３、４について駆動用アンプ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）８、９を配置する。コントローラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６からのディジタル信号をＤ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）７でアナログ信号に変換し、第一層目のヒータ用アンプ８および第二層目のヒータ用アンプ９を通してベース２内の各ヒータ３、４に電力を供給する。また、ステージ１のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３軸位置、およびピッチ、ロール、ヨーの姿勢位置をステージ位置・姿勢検出用センサ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｘ，Ｙ，Ｚ−ａｘｉｓ、Ｐｉｔｃｈ，Ｒｏｌｌ，Ｙａｗ ｍｏｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）１０で検知し、この信号をフィードバックして制御に用いても構わない。
【００１８】
図３は、図１のステージ機構によりステージ１をＸ軸方向に移動するときの、第一層目のヒータ３と第二層目のヒータ４との動作を表わした模式図である。以下、第一層目のヒータ３を表面突出用ヒータ３と呼び、第二層目のヒータ４を突出移動用ヒータ４と呼ぶことになる。なお、ここでは第一層目のヒータ３を第二層目のヒータ４で囲んだものをヒータ群１組とし、このヒータ群を４組ベース内に配置しているが、ヒータ群内におけるヒータ配置はこれに限るものでもなく、また、ヒータ群の配置および数もこれに限るものではない。
【００１９】
ここでは、ステージ１をＸ軸正の方向に移動する場合を考える。まず、図３に示すように、突出移動用ヒータのうち、表面突出用ヒータ３の右側に配置した突出移動用ヒータ４に電力を与え、その熱膨張により表面突出用ヒータ３をＸ軸負の方向に移動する（ステップＡ）。次に、突出移動用ヒータ４に電力を与えた状態で表面突出用ヒータ３に電力を与えて、第一層目のヒータ３による熱変形突出１１を形成してベース２の表面を突出させ、ステージ１をベース２の表面から持ち上げる（ステップＢ）。この状態で、表面突出用ヒータ３の右側に配置した突出移動用ヒータ４への電力供給を停止し、表面突出用ヒータ３の左側に配置した突出移動用ヒータ４への電力供給を開始する（ステップＣ）。その後、表面突出用ヒータ３の左側に配置した突出移動用ヒータ４へ電力を与えた状態で、表面突出用ヒータ３への電力供給を停止する（ステップＤ）。以上、ステップＡからステップＤまでの一連の動作を１ストロークとして、ベース２の上に搭載したステージ１は、ステージ移動量１２（Δｄ）だけＸ軸正の方向に移動することができる。Δｄよりも大きくステージ１を移動させたい場合には、この動作を繰り返せばよい。また、１ストローク内での微細位置決めを行いたい場合には、ステップＢ〜Ｃの状態で、突出移動用ヒータ４への電力供給を調節すると位置決めが可能となる。なお、ステージ１をＸ軸負の方向に駆動する場合、又はＹ軸方向に駆動したい場合も同様に、突出移動用ヒータ４への電力供給を実施することで、ステージ移動および微細位置決めが可能となる。
【００２０】
本発明では、第一層目のヒータ３によりベース２の表面を突出させてステージ駆動を実施する。そのため、ベース２の表面の突出には少なくとも、ベース２の面およびステージ１の面の表面粗さよりも大きな突出高さが必要となる。そこで、図４に示すような配置で第一層目のヒータ３とベース２とをモデル化した有限要素モデルを用い、伝熱シミュレーションにより第一層目のヒータ３に与える電力量と突出高さの関係を評価した。
【００２１】
簡易シミュレーションによって得られた、第一層目のヒータ３によるベース２の表面の突出形状シミュレーション結果の３次元形状、およびその突出部の断面形状を、図５に示す。このシミュレーションでは、ベース２の表面から第一層目のヒータ３までの距離ｄを１０μｍに設定した。突出高さは第一層目のヒータ３に与える電力により変化し、より大きな電力によってより高い突出形状を得ることが可能であることが分かる。例えば、５０ｍＷ程度の電力を与えた場合、１００ｎｍ以上の突出高さが得られることが分かる。従って、ベース２の表面およびステージ１の表面の粗さを、例えばＲａ＝０．０１μｍ程度に設定することで、ステージ１をベース２の表面から持ち上げることは充分可能であると考えられる。
【００２２】
次に、Ｚ軸方向へのステージ位置決めを実施する場合を考える。図６は、図１のステージ機構によりステージ１をＺ軸方向に微動位置決めするときの、第一層目のヒータ３の動作を表わした模式図である。表面突出用ヒータ３に与える電力量を調整して突出の高さを変更することで、ステージ１のＺ軸方向微動位置決めが可能となる。
【００２３】
このとき、各表面突出用ヒータ３に与える電力量に差を与えることで、ステージ１のピッチ姿勢およびロール姿勢の微動位置決めが可能となる。図７は、図１のステージ機構によりステージ１のピッチ・ロール制御を実施するときの、第一層目のヒータ３の動作を表わした模式図である。Ｘ方向に並べて配置したヒータ群において、表面突出用ヒータ３に与える電力量に差をつけることで、Ｙ軸まわりの姿勢（ロール姿勢）を微調整することが可能となる。同様に、Ｙ方向に並べて配置したヒータ群において、表面突出用ヒータ３に与える電力量に差をつけることで、Ｘ軸まわりの姿勢（ピッチ姿勢）についても微調整が可能である。
【００２４】
次に、Ｚ軸回転方向（ヨー姿勢）へのステージ回転を実施する場合を考える。図８は、図１のステージ機構によりステージ１のヨー制御を実施するときの、第一層目のヒータ３および第二層目のヒータ４の動作を表わした模式図である。ＸＹ方向にアレイ状に配置したヒータ群をＸ軸方向移動と同様に協調制御することで、Ｚ軸まわりに１ステップあたりΔθの微動回転を実現できる。
【００２５】
以上のように、ベース２の表層にアレイ状に配置したヒータ群を協調制御することで、ＸＹθ方向（θ：Ｚ軸まわり回転）へのステージ移動・回転、Ｚ軸方向への微動位置決め、ピッチ・ロール方向への微動回転位置決めが実現できる。
【００２６】
本発明にかかる第二の実施形態を、図９を用いて説明する。図９は、本発明にかかる第二の実施形態で用いるステージ機構の概略図である。第二の実施形態のステージ機構は、基本的な構成は第一の実施形態で示したステージ機構と同様であるが、第一層目のヒータ３を配置した箇所のベース２の上に接触パッド１３を形成することが特徴である。なお、この接触パッド１３の高さは別途ベース上に設けたバンプ５よりも低く設定する。第一層目のヒータ３による表面突出がステージ１に触れた際、ベース２の表面から第一層目のヒータ３までの位置ｄが小さい場合、第一層目のヒータ３での発生熱がステージ１の表面に逃げてしまい、突出形状が保てなくなる恐れがある。この接触パッド１３を第一層目のヒータ３の上に配置することで、ヒータ発生熱がステージ１の表面に逃げるのを防ぐとともに、接触パッド１３の表面粗さを最適化することでステージ１の駆動力バラつきを抑制し、1ストロークあたりのステージ１の移動量１２（Δｄ）を一定にする効果が望める。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明を用いると、移動ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムによって、ＸＹ方向、ヨー回転方向の３自由度に関する長ストローク駆動、およびＺ／ピッチ／ロール方向の微細駆動が可能となる。また本発明の原理を応用することで、同一ベース上に搭載した複数の物体を、同時に別々の方向へ移動させることも可能となり、例えば顕微鏡のステージに応用した場合、顕微鏡の視野内でステージに搭載した個々の細胞を自由に動かして観察するといったことも実現できる可能性がある。
【符号の説明】
【００２８】
１ ステージ
２ ベース
３ 第一層目のヒータ（表面突出用ヒータ）
４ 第二層目のヒータ（突出移動用ヒータ）
５ バンプ
６ コントローラ
７ Ｄ／Ａコンバータ
８ 第一層目のヒータ用アンプ
９ 第二層目のヒータ用アンプ
１０ ステージ位置・姿勢検出用センサ
１１ 第一層目のヒータによる熱変形突出
１２ ステージ移動量
１３ 接触パッド
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構およびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密位置決めが要求されるメカトロニクス機器等においては、装置の小型化が進んでおり、用いられるステージにも小型化が要求される。また、小型化と同時に、位置決めの高精度化、多自由化への要求は高まる一方である。
【０００３】
従来、ステージを駆動するアクチュエータとして、一般には回転式電気モータや磁気式リニアモータ等が用いられ、また超精密位置決め用にはＰＺＴ（圧電素子）アクチュエータが用いられることもある。また、最近では、超音波モータステージや弾性表面波リニアモータなど、摩擦駆動力を利用したステージも適用が進んでいる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
回転式電気モータは、ボールねじとの組み合わせで位置決めを実現する。長ストロークの位置決めが可能であるが、その一方、位置決め分解能はあまり高くなく、ＰＺＴアクチュエータと組み合わせて用いられることがある。また、磁気式リニアモータは、平面構成とすることで、２自由度の位置決めが可能である。また、ＰＺＴアクチュエータは、単体のアクチュエータで３軸方向駆動が可能なものもある。位置決め分解能が高い半面、得られるストロークは短い。超音波モータは、ＰＺＴを利用したものが多く、長ストロークで、高い位置決め分解能が得られる（例えば、非特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１７７７６７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】T． Yamaguchi et al., "Wear Mode Control of Drive Tip of UltrasonicMotor for Precision Positioning", Wear, 2003, Vol. 256, pp.145-152
【非特許文献２】N.Osakabe et al., "Surface acoustic wave linear motor using siliconslider", Proc. of IEEE Workshop on Micro Electro Mechanical Systems,Heidelberg, 1998 Jan., p.25-29
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のアクチュエータを用いたステージでは、通常、多自由度のステージ駆動を実現する場合、アクチュエータを複数組み合わせる必要がある。基本的に、空間内において剛体の有する運動自由度は、Ｘ／Ｙ／Ｚ軸方向の並進運動と、これらの軸まわりの回転運動（ピッチ、ロール、ヨー）とを合わせた６自由度である。精密ステージにおいてこの６自由度駆動を実現する場合、アクチュエータによっては多自由度駆動が可能なものも実在するが、一般にはアクチュエータを複数組み合わせることになるため、システムが大掛かりなものになる。
【０００８】
その一方で、例えばディジタルカメラのズームレンズ駆動機構、各種顕微鏡の微動ステージ等においては、装置の空間的制約およびステージ搭載物の重量が小さいことを考慮すると、極力コンパクトな構成で多自由度かつ高精度な位置決めを実現するアクチュエータによる多自由度ステージ機構が望まれる。
【０００９】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムで、ＸＹ方向、ヨー回転方向の３自由度に関する長ストローク駆動、およびＺ／ピッチ／ロール方向の微細駆動を実現することができるステージ機構およびその駆動方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るステージ機構は、固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構において、前記移動ステージに接触する前記固定ベースの表面近傍に、前記固定ベース表面の熱変形突出用の第一層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、更に前記固定ベース表面から深いところに、前記第一層目のヒータの前後左右を挟み込むように第二層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、前記第二層目のヒータが、前記第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸＹθ方向に駆動するよう構成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るステージ機構の駆動方法は、本発明に係るステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、前記第一層目のヒータのうち、離間し平行な少なくとも二列の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸまたはＹ方向に移動する第一工程と、前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、離間し平行な少なくとも二列の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動する第二工程とを有し、前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るステージ機構の駆動方法は、本発明に係るステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、前記第一層目のヒータのうち、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第一工程と、前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第二工程とを有し、前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行ってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アレイ状に配置したヒータ群を強調制御することで、ヨー方向の長ストローク回転制御も可能となる。更には、熱突出によって高さ方向に微動調整が可能なので、Ｚ／ピッチ／ロール方向の微動位置決めも可能である。すなわち、マイクロヒータアレイ１式で、６自由度ステージ駆動が可能となる。ステージのベース表面近傍にベース表面の熱変形突出用の第一層目ヒータを配置し、更に深いところに、第一層目ヒータの上下左右を挟み込むように第二層目のヒータを配置し、これを一つのヒータ群とする。第二層目のヒータは第一層目のヒータによる熱変形突出のＸＹ方向駆動用である。このヒータ群をベース表面のＸＹ方向にアレイ状に配置する。ステージ駆動開始時、まず第一層目のヒータで熱変形突出を発生し、ステージに接触させる。この状態で、第二層目のヒータを加熱し、突出を平面方向に動かす。第二層目ヒータは、駆動方向によって加熱するヒータを選択する。ステージは突出と一緒の方向に駆動される。ストロークが限界に達したら、ヒータの加熱を止めて突出を引っ込める。このサイクルを繰り返すことで、ＸＹ方向への長ストローク駆動を実現する。
【００１４】
このように、本発明によれば、ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムで、ＸＹ方向、ヨー回転方向の３自由度に関する長ストローク駆動、およびＺ／ピッチ／ロール方向の微細駆動を実現することができるステージ機構およびその駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明にかかる第一の実施形態のステージ機構の（ａ）斜視図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図である。
【図２】図１に示すステージ機構を制御するシステムの概略図である。
【図３】図１に示すステージ機構によりステージをＸ軸方向に移動するときの、第一層目のヒータと第二層目のヒータとの動作を表わした平面図および側面図である。
【図４】図１に示すステージ機構の、第一層目のヒータとベースとをモデル化した有限要素モデルを示す側面図である。
【図５】図４に示す有限要素モデルを用いて算出したベース表面突起の（ａ）３次元形状の斜視図、（ｂ）突起部分の断面形状を表したグラフである。
【図６】図１に示すステージ機構によりステージをＺ軸方向に微細移動するときの、第一層目のヒータの動作を表わした側面図である。
【図７】図１に示すステージ機構によりステージのピッチ・ロール制御を実施するときの、第一層目のヒータの動作を表わした側面図である。
【図８】図１に示すステージ機構によりステージのヨー制御を実施するときの、第一層目および第二層目のヒータの動作を表わした平面図である。
【図９】本発明にかかる第二の実施形態のステージ機構の（ａ）平面図、（ｃ）側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明にかかる第一の実施形態を、図１から図７を用いて説明する。図１は、本発明にかかる第一の実施形態で用いるステージ機構の概略図である。図１（ａ）は、ステージ機構の俯瞰図であり、ステージ機構はベース（固定ベース）２とステージ（移動ステージ）１とから構成される。図１（ｂ）は、ベース２およびその内部を、ステージ１の搭載面から見た模式図である。第一層目のヒータ３をアレイ状に配置し、各々の第一層目のヒータ３を四方から挟み込むように、第二層目のヒータ４をこちらもアレイ状に配置する。なお、第一層目のヒータ３および第二層目のヒータ４はいずれも、ベース２の表層近傍に組み込むものとし、第一層目のヒータ３が第二層目のヒータ４よりもベース２の表層に近くなるよう配置する。図１（ｃ）は、ステージ機構を横から見たときのステージ１、ベース２および各ヒータ３、４の位置関係を示す模式図である。ステージ１の表面およびベース２の表面には、その表面状態によっては固着を防ぐためにバンプ５を設けても良い。
【００１７】
図２は、図１のステージ機構を駆動するステージシステムの概略を示す。本発明においては、アレイ状に配置した各ヒータ３、４を独立に制御することで、ベース２の上に搭載したステージ１を移動する。そのため、各々のヒータ３、４について駆動用アンプ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）８、９を配置する。コントローラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）６からのディジタル信号をＤ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）７でアナログ信号に変換し、第一層目のヒータ用アンプ８および第二層目のヒータ用アンプ９を通してベース２内の各ヒータ３、４に電力を供給する。また、ステージ１のＸ、Ｙ、Ｚ方向の３軸位置、およびピッチ、ロール、ヨーの姿勢位置をステージ位置・姿勢検出用センサ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｘ，Ｙ，Ｚ−ａｘｉｓ、Ｐｉｔｃｈ，Ｒｏｌｌ，Ｙａｗ ｍｏｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ）１０で検知し、この信号をフィードバックして制御に用いても構わない。
【００１８】
図３は、図１のステージ機構によりステージ１をＸ軸方向に移動するときの、第一層目のヒータ３と第二層目のヒータ４との動作を表わした模式図である。以下、第一層目のヒータ３を表面突出用ヒータ３と呼び、第二層目のヒータ４を突出移動用ヒータ４と呼ぶことになる。なお、ここでは第一層目のヒータ３を第二層目のヒータ４で囲んだものをヒータ群１組とし、このヒータ群を４組ベース内に配置しているが、ヒータ群内におけるヒータ配置はこれに限るものでもなく、また、ヒータ群の配置および数もこれに限るものではない。
【００１９】
ここでは、ステージ１をＸ軸正の方向に移動する場合を考える。まず、図３に示すように、突出移動用ヒータのうち、表面突出用ヒータ３の右側に配置した突出移動用ヒータ４に電力を与え、その熱膨張により表面突出用ヒータ３をＸ軸負の方向に移動する（ステップＡ）。次に、突出移動用ヒータ４に電力を与えた状態で表面突出用ヒータ３に電力を与えて、第一層目のヒータ３による熱変形突出１１を形成してベース２の表面を突出させ、ステージ１をベース２の表面から持ち上げる（ステップＢ）。この状態で、表面突出用ヒータ３の右側に配置した突出移動用ヒータ４への電力供給を停止し、表面突出用ヒータ３の左側に配置した突出移動用ヒータ４への電力供給を開始する（ステップＣ）。その後、表面突出用ヒータ３の左側に配置した突出移動用ヒータ４へ電力を与えた状態で、表面突出用ヒータ３への電力供給を停止する（ステップＤ）。以上、ステップＡからステップＤまでの一連の動作を１ストロークとして、ベース２の上に搭載したステージ１は、ステージ移動量１２（Δｄ）だけＸ軸正の方向に移動することができる。Δｄよりも大きくステージ１を移動させたい場合には、この動作を繰り返せばよい。また、１ストローク内での微細位置決めを行いたい場合には、ステップＢ〜Ｃの状態で、突出移動用ヒータ４への電力供給を調節すると位置決めが可能となる。なお、ステージ１をＸ軸負の方向に駆動する場合、又はＹ軸方向に駆動したい場合も同様に、突出移動用ヒータ４への電力供給を実施することで、ステージ移動および微細位置決めが可能となる。
【００２０】
本発明では、第一層目のヒータ３によりベース２の表面を突出させてステージ駆動を実施する。そのため、ベース２の表面の突出には少なくとも、ベース２の面およびステージ１の面の表面粗さよりも大きな突出高さが必要となる。そこで、図４に示すような配置で第一層目のヒータ３とベース２とをモデル化した有限要素モデルを用い、伝熱シミュレーションにより第一層目のヒータ３に与える電力量と突出高さの関係を評価した。
【００２１】
簡易シミュレーションによって得られた、第一層目のヒータ３によるベース２の表面の突出形状シミュレーション結果の３次元形状、およびその突出部の断面形状を、図５に示す。このシミュレーションでは、ベース２の表面から第一層目のヒータ３までの距離ｄを１０μｍに設定した。突出高さは第一層目のヒータ３に与える電力により変化し、より大きな電力によってより高い突出形状を得ることが可能であることが分かる。例えば、５０ｍＷ程度の電力を与えた場合、１００ｎｍ以上の突出高さが得られることが分かる。従って、ベース２の表面およびステージ１の表面の粗さを、例えばＲａ＝０．０１μｍ程度に設定することで、ステージ１をベース２の表面から持ち上げることは充分可能であると考えられる。
【００２２】
次に、Ｚ軸方向へのステージ位置決めを実施する場合を考える。図６は、図１のステージ機構によりステージ１をＺ軸方向に微動位置決めするときの、第一層目のヒータ３の動作を表わした模式図である。表面突出用ヒータ３に与える電力量を調整して突出の高さを変更することで、ステージ１のＺ軸方向微動位置決めが可能となる。
【００２３】
このとき、各表面突出用ヒータ３に与える電力量に差を与えることで、ステージ１のピッチ姿勢およびロール姿勢の微動位置決めが可能となる。図７は、図１のステージ機構によりステージ１のピッチ・ロール制御を実施するときの、第一層目のヒータ３の動作を表わした模式図である。Ｘ方向に並べて配置したヒータ群において、表面突出用ヒータ３に与える電力量に差をつけることで、Ｙ軸まわりの姿勢（ロール姿勢）を微調整することが可能となる。同様に、Ｙ方向に並べて配置したヒータ群において、表面突出用ヒータ３に与える電力量に差をつけることで、Ｘ軸まわりの姿勢（ピッチ姿勢）についても微調整が可能である。
【００２４】
次に、Ｚ軸回転方向（ヨー姿勢）へのステージ回転を実施する場合を考える。図８は、図１のステージ機構によりステージ１のヨー制御を実施するときの、第一層目のヒータ３および第二層目のヒータ４の動作を表わした模式図である。ＸＹ方向にアレイ状に配置したヒータ群をＸ軸方向移動と同様に協調制御することで、Ｚ軸まわりに１ステップあたりΔθの微動回転を実現できる。
【００２５】
以上のように、ベース２の表層にアレイ状に配置したヒータ群を協調制御することで、ＸＹθ方向（θ：Ｚ軸まわり回転）へのステージ移動・回転、Ｚ軸方向への微動位置決め、ピッチ・ロール方向への微動回転位置決めが実現できる。
【００２６】
本発明にかかる第二の実施形態を、図９を用いて説明する。図９は、本発明にかかる第二の実施形態で用いるステージ機構の概略図である。第二の実施形態のステージ機構は、基本的な構成は第一の実施形態で示したステージ機構と同様であるが、第一層目のヒータ３を配置した箇所のベース２の上に接触パッド１３を形成することが特徴である。なお、この接触パッド１３の高さは別途ベース上に設けたバンプ５よりも低く設定する。第一層目のヒータ３による表面突出がステージ１に触れた際、ベース２の表面から第一層目のヒータ３までの位置ｄが小さい場合、第一層目のヒータ３での発生熱がステージ１の表面に逃げてしまい、突出形状が保てなくなる恐れがある。この接触パッド１３を第一層目のヒータ３の上に配置することで、ヒータ発生熱がステージ１の表面に逃げるのを防ぐとともに、接触パッド１３の表面粗さを最適化することでステージ１の駆動力バラつきを抑制し、1ストロークあたりのステージ１の移動量１２（Δｄ）を一定にする効果が望める。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明を用いると、移動ステージを搭載する固定ベース表面に組み込んだマイクロヒータアレイで構成されるコンパクトなアクチュエータシステムによって、ＸＹ方向、ヨー回転方向の３自由度に関する長ストローク駆動、およびＺ／ピッチ／ロール方向の微細駆動が可能となる。また本発明の原理を応用することで、同一ベース上に搭載した複数の物体を、同時に別々の方向へ移動させることも可能となり、例えば顕微鏡のステージに応用した場合、顕微鏡の視野内でステージに搭載した個々の細胞を自由に動かして観察するといったことも実現できる可能性がある。
【符号の説明】
【００２８】
１ ステージ
２ ベース
３ 第一層目のヒータ（表面突出用ヒータ）
４ 第二層目のヒータ（突出移動用ヒータ）
５ バンプ
６ コントローラ
７ Ｄ／Ａコンバータ
８ 第一層目のヒータ用アンプ
９ 第二層目のヒータ用アンプ
１０ ステージ位置・姿勢検出用センサ
１１ 第一層目のヒータによる熱変形突出
１２ ステージ移動量
１３ 接触パッド
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構において、前記移動ステージに接触する前記固定ベースの表面近傍に、前記固定ベース表面の熱変形突出用の第一層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、更に前記固定ベース表面から深いところに、前記第一層目のヒータの前後左右を挟み込むように第二層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、前記第二層目のヒータが、前記第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸＹθ方向に駆動するよう構成されていることを特徴とするステージ機構。
【請求項２】
請求項１記載のステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、
前記第一層目のヒータのうち、離間し平行な少なくとも二列の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸまたはＹ方向に移動する第一工程と、
前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、離間し平行な少なくとも二列の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動する第二工程とを有し、
前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを
特徴とするステージ機構の駆動方法。
【請求項３】
請求項１記載のステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、
前記第一層目のヒータのうち、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第一工程と、
前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第二工程とを有し、
前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを
特徴とするステージ機構の駆動方法。
【請求項１】
固定ベース上に移動ステージが乗ったステージ機構において、前記移動ステージに接触する前記固定ベースの表面近傍に、前記固定ベース表面の熱変形突出用の第一層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、更に前記固定ベース表面から深いところに、前記第一層目のヒータの前後左右を挟み込むように第二層目のヒータをＸＹ方向にアレイ状に複数配置し、前記第二層目のヒータが、前記第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸＹθ方向に駆動するよう構成されていることを特徴とするステージ機構。
【請求項２】
請求項１記載のステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、
前記第一層目のヒータのうち、離間し平行な少なくとも二列の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動し、前記熱変形突出部に接触する前記移動ステージをＸまたはＹ方向に移動する第一工程と、
前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、離間し平行な少なくとも二列の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部をＸまたはＹ方向に移動する第二工程とを有し、
前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを
特徴とするステージ機構の駆動方法。
【請求項３】
請求項１記載のステージ機構を駆動するためのステージ機構の駆動方法であって、
前記第一層目のヒータのうち、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第一群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部で前記移動ステージを持ち上げ、次に、前記第一群の第一層目のヒータを挟み込む第一群の第二層目のヒータを駆動し、前記熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第一工程と、
前記第一群の第一層目のヒータとは異なる、一直線上にない少なくとも３ヶ所以上の第二群の第一層目のヒータを駆動し、その熱変形突出部を前記移動ステージに接触させ、前記第一群の第一層目のヒータをＯＦＦにし、次に、前記第二群の第一層目のヒータを挟み込む第二群の第二層目のヒータを駆動し、前記第二群の第一層目のヒータによる熱変形突出部を前記移動ステージの中心軸周りの回転方向に移動する第二工程とを有し、
前記第一工程と前記第二工程とを繰り返し行うことを
特徴とするステージ機構の駆動方法。
【図４】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０８９３９（Ｐ２０１３−１０８９３９Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６２０２（Ｐ２０１１−２５６２０２）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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