ステージ機構
【課題】長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構を提供する。
【解決手段】第１と第２の弾性支点平行リンクは、それぞれ両端部に弾性ヒンジ部を備え、連結機構の中心線に対称に配置された４個の平行リンクを有し、第１の弾性支点平行リンクの１つの頂点は、可動部の一端と結合し、第１の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に結合され、第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、フレームに結合され、少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンク機構部は、モータの軸の回転に応じて連結機構を介して可動部を所定の距離だけ一方向に適宜移動させると共に前記モータの軸の回転に基づく軸周りの回転に対しては、剛性を保持する。
【解決手段】第１と第２の弾性支点平行リンクは、それぞれ両端部に弾性ヒンジ部を備え、連結機構の中心線に対称に配置された４個の平行リンクを有し、第１の弾性支点平行リンクの１つの頂点は、可動部の一端と結合し、第１の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に結合され、第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、フレームに結合され、少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンク機構部は、モータの軸の回転に応じて連結機構を介して可動部を所定の距離だけ一方向に適宜移動させると共に前記モータの軸の回転に基づく軸周りの回転に対しては、剛性を保持する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ機構に関し、特に、ＬＣＤ基板やウエハ等に形成される配線パターンの線幅及び、高さ（厚み）等を測定する測定装置のオートフォーカス用のステージ機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶基板やウエハのパターン測定等の高精度２次元測定には、テレビ顕微鏡で被測定点を計測する測定装置が使用される。この測定装置は、被測定点がテレビ顕微鏡の視野内に来るように、被測定物またはテレビ顕微鏡を位置決めするＸＹステージ機構と、被測定物を合焦点下に位置決めするためのＺステージ機構と、合焦点制御のためのオートフォーカス装置と、テレビ顕微鏡の視野内の被測定物の位置を算出するための画像処理装置と、ＸＹステージの移動量と視野内の被測定位置とを合算して被測定寸法を算出するコンピュータ装置等で構成されている。例えば、後述する図１、図２に示すような測定装置である。
【０００３】
このような液晶基板や液晶基板用マスク、薄膜磁気ヘッド焼付ウエハ等の高精度２次元測定では、形成されたパターンを数１０ｍｍから１０００ｍｍ程度の長さにわたって、例えば、０．２μｍ以内の測定再現性をもって測定することが求められている。このような測定には、被測定物または顕微鏡をＸＹＺステージで位置決めし、被測定物をテレビ顕微鏡で撮像し、撮像視野内の被測定点の位置と、レーザ干渉計等で読み取ったＸＹステージの位置とから、被測定点間の距離を測定する方式の２次元測定器が使用されている。２次元測定器において、ＸＹステージで位置決めした被測定物をテレビ顕微鏡で撮像する際、フォーカス状態を最良にするためオートフォーカス制御を行うが、オートフォーカス制御時に被測定点または対物レンズを顕微鏡の光軸に沿って遠近（Ｚ軸）方向に移動させて最適フォーカス点に位置決めする。オートフォーカス時のＺ軸方向の移動時に真直移動の再現誤差があると、測定対象となる範囲が広い（あるいは長い）場合に、測定位置の誤差となる。つまり、Ｚ軸方向の移動時に真直移動の再現誤差があると、フォーカス調整をする場合に、毎回、測定すべく指定されたＸ−Ｙ座標の位置で正確に合わないことになる。このため、測定対象物が広い（あるいは長い）場合、高い真直案内精度のＺステージが必要になる。この一例として、特許文献１及び２には、２重平行リンク機構（詳細は後述）で構成したＺ軸方向の微動ステージに関する技術が記載されている。
【０００４】
さて、従来の高精度２次元測定器のＺ軸方向のオートフォーカス用微動機構は、被測定物の段差やソリを含んだ長寸法を測定するために、移動量が１００〜４００μｍ前後で、位置決め精度０．０２μｍ、真直案内精度０．１μｍ、真直案内に再現性０．０５μｍ以内の精度を有する微動機構が使われてきた。このような精度及び移動量を得るために、種々検討され、駆動源は圧電素子の伸縮を拡大して移動量を得る方法が用いられた。
【０００５】
しかしながら、最近では、例えば、地上波デジタルＴＶのＬＣＤ基板のように被測定物の大型化によりソリ等が大きくなり、微動機構に要求される変位量が数倍、例えば、１５００μｍと大きくなってきている。このような長寸法の測定において、従来の技術で用いられた圧電素子を駆動源とする微動機構では変位拡大率が２０〜３０倍となる。しかし、変位拡大率が２０〜３０倍の圧電素子は、ヒステリシスの影響が顕著に表れ、必要な位置決め精度が得られないという問題がある。また、ヒステリシスの影響を除去するために変位計を設け、圧電素子の駆動結果、即ち、変位量を検出し、その変位量検出結果に基づいて圧電素子を再駆動して位置決めする方法を用いているが、高速、高精度にオートフォーカスするためには、フォーカス信号を基に、圧電素子を駆動して合焦点位置に変位させる必要がある。しかし、フォーカス信号と共に変位信号を用いて制御するにしても圧電素子のヒステリシスは、高速、高精度位置決めの阻害要因となっている。
【０００６】
また、他の方法として、大きな変位を得るために、モータの回転をネジに伝えネジの回転によって変位を得る方法があるが、この方法ではネジの振れ回り（中心軸に対する振れや回転）の影響で、変位時の真直案内精度が得られない。従って、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構の実現が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−４７９３１
【特許文献２】特開２００１−２８１３７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上、上述したように変位量を得るための従来技術の圧電素子は、ヒステリシスの影響が顕著にあらわれ、必要な位置決め精度が得られない。
【０００９】
また、大きな変位量を得るための他の方法として、モータの回転をネジに伝え、ネジの回転によって変位を得る方法がある。しかし、この方法では、ネジの振れ回りの影響で、変位時の真直案内精度が得られず、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構の実現が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、移動量１５００μｍ、移動分解能８ｎｍ、真直案内精度０．０１μｍ以内、真直案内の再現性０．０５μｍ以内の精度を有するステージ機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のステージ機構は、フレームと、該フレームに固定されたモータの軸の回転により一方向に移動する可動部と、該可動部と前記モータの軸とを連結する連結機構および前記フレームと前記可動部を結合する少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンクを有し、前記第１と第２の弾性支点平行リンクは、それぞれ両端部に弾性ヒンジ部を備え、前記連結機構の中心線に対称に配置された４個の平行リンクを有し、前記第１の弾性支点平行リンクの１つの頂点は、前記可動部の一端と結合し、前記第１の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対向する他の１つの頂点は、前記第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に結合され、前記第２の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対向する他の１つの頂点は、前記フレームに結合され、前記少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンク機構部は、前記モータの軸の回転に応じて前記連結機構を介して前記可動部を所定の距離だけ一方向に適宜移動させると共に前記モータの軸の回転に基づく軸周りの回転に対しては、剛性を保持するように構成されている。
【００１３】
また、本発明のステージ機構は、前記可動部と前記モータの軸とを連結する連結機構は、更に、前記連結機構の中心線に対称に配置された二重平行板バネ案内機構と、直交する２組の切り欠き部を有するように構成されている。
【００１４】
また、本発明のステージ機構は、前記フレームと、前記少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンクおよび前記可動部は、鋼製の厚板により切り出された一体構造で構成されている。
【００１５】
また、本発明のステージ機構は、更に、前記可動部の移動方向に平行でかつ可動部の中心を通る中心線に対称に可動部の外側の両脇に配置された第１と第２の２組の鋼体部を有し、前記第１の１組の鋼体部は、前記第１の弾性支点平行リンクの残りの２つの頂点と前記可動部の他端を結合し、前記第２の１組の鋼体部は、前記第２の弾性支点平行リンクの残りの２つの頂点を結合するように構成されている。
【発明の効果】
【００１６】
以上、説明したように本発明によれば、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構を実現することができる。また、本発明のステージ機構は、移動量１５００μｍ以上、移動分解能８ｎｍ、真直案内精度０．０１μｍ以内、真直案内の再現性０．０５μｍ以内の精度を有する極めて高精度のステージ機構を実現できるので、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例の２次元測定器の概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施例の２次元測定器の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施例のステージ機構の概略構成を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施例のステージ機構の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施例のステージ機構の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の他の一実施例のステージ機構の概略構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明を実施するための一実施例を、以下の実施例に基づき図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
まず、図１及び図２を用いて、本発明の全体構成を説明する。図１は、本発明の一実施例の２次元測定器の概略構成を示す正面図であり、図２はその平面図である。図１及び図２の２次元測定器は、テレビ顕微鏡１、Ｚ軸方向微動機構２、Ｚ軸粗動ステージ３、Ｚ軸コラム４、ベース５、ＸＹステージ６、ワークテーブル７、Ｘ軸反射鏡９、Ｙ軸反射鏡１０、レーザ測長器１１、１２から構成されている。
【００２０】
テレビ顕微鏡１はＺ軸方向微動機構２に取り付けられ、Ｚ軸方向微動機構２はＺ軸粗動ステージ３に取り付けられている。Ｚ軸粗動ステージ３はＺ軸コラム４に取り付けられており、Ｚ軸コラム４はベース５に取り付けられている。ベース５には、ＸＹステージ６が設けられており、ＸＹステージ６にはワークテーブル７が固定されている。ワークテーブル７には、被測定物８が取り付けられる。ワークテーブル７の被測定物の外側には、Ｚ軸方向位置が被測定面と同じ位置にＸ軸反射鏡９及びＹ軸反射鏡１０が設けられている。また、ベース５には、Ｘ軸測定用レーザ測長器１１及びＹ軸測定用レーザ測長器１２が設けられている。
【００２１】
動作を説明する。コンピュータ（図示せず）によって被測定物８の所定の測定位置が指定され、指定された被測定物８の所定の測定位置がテレビ顕微鏡１の視野内に入るようにＸＹステージが被測定物８を位置決めし、被測定物８が位置決めされると、オートフォーカス装置（図示せず）によって、Ｚ軸方向微動機構２がテレビ顕微鏡１をＺ軸方向に位置決めし、テレビ顕微鏡１にコントラストのよい被測定物８の画像を得る。なお、Ｚ軸粗動ステージ３は、前もって大まかなフォーカス位置を調節する。
【００２２】
次に、図３〜６を用いて、本発明の一実施例のＺ軸方向微動機構２（以下、ステージ機構２と称す。）を説明する。
【００２３】
図３は、本発明の一実施例のステージ機構２の概略構成を示す平面図であり、図４は、図３の中心軸上の断面図である。図３のステージ機構２は、顕微鏡等が搭載される可動部１０１、フレーム３０、ボールネジ６０、ボールネジナット６１、ネジ軸６２、連結棒８０、モータ９０、カップリング１１０、弾性支点平行リンク３４０、３５０、３６０、３７０、２重平行板バネ７２０、７４０を有する。ステージ機構２は、顕微鏡１等を取り付ける可動部１０１、Ｚ軸粗動ステージ３に取り付けられる歪低減用プレート４０２、可動部１００とフレーム３０を連結する弾性支点平行リンク３４０、３５０、３６０、３７０、ボールネジ６０の軸ブレを低減させる２重平行板バネ案内機構（２重平行板バネ７２０、７４０）、ボールネジ６０の移動を可動部１００に伝える連結棒８０から構成されており、中心線１００に対して軸対称の構造である。
【００２４】
弾性支点平行リンク３４０、３５０の構成について説明する。まず、弾性支点平行リンク３４０について詳細に説明する。弾性支点平行リンク３４０（以下、第１の弾性支点平行リンクと称する。）は、リンク３４１ａ、リンク３４２ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ｂで構成され、各リンクの両端部は、弾性ヒンジ部を構成している。これら弾性ヒンジ部は、各リンクが薄くなっている部分であり、薄くなっている方向には、バネ機構を備え、厚み方向には、剛性を有している。なお、リンク３４１ａ、リンク３４２ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ｂは、略平行四辺形の各辺を構成している。以下に説明する他の弾性支点平行リンクについても同様である。この第１の弾性支点平行リンク３４０の詳細を後述する図５に示す。そして、第１の弾性支点平行リンク３４０のリンク３４１ａは、可動部１０１の一端と結合されると共に、鋼体部３４１ｃ（これについては後述する。）を介してリンク３４１ｂに連結されている。同様に、第１の弾性支点平行リンク３４０のリンク３４２ａも可動部１０１の一端と結合されると共に、鋼体部３４２ｃ（これについても後述する。）を介してリンク３４２ｂに連結されている。ここで、第１の弾性支点平行リンク３４０が可動部１０１の一端と結合される部分を第１の頂点と称することにする。また、リンク３４１ｂとリンク３４２ｂは、鋼体部１０２で結合されている。この鋼体部１０２と結合されている部分を第１の弾性支点平行リンク３４０の第２の頂点と称することにする。この第１の弾性支点平行リンク３４０は、後述するように可動部１０１の軸方向の動きに連動して、軸方向に第１の弾性支点平行リンク３４０の第１の頂点と第２の頂点との距離が伸縮する構成になっている。
【００２５】
次に、弾性支点平行リンク３５０について詳細に説明する。弾性支点平行リンク３５０（以下、第２の弾性支点平行リンクと称する。）は、リンク３５１ａ、リンク３５２ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ｂで構成され、各リンクの両端部は、弾性ヒンジ部を構成している。これら弾性ヒンジ部の構成は、前述の第１の弾性支点平行リンクと同様である。そして、第２の弾性支点平行リンクのリンク３５１ａは、鋼体部３５１ｃを介してリンク３５１ｂと連結されている。さらに、リンク３５１ｂは、フレーム３０に連結されている。同様に、第２の弾性支点平行リンク３５０のリンク３５２ａは、鋼体部１０２に結合されると共に、鋼体部３５２ｃを介してリンク３５２ｂと連結されている。さらに、リンク３５２ｂは、フレーム３０に連結されている。ここで、第２の弾性支点平行リンク３５０が第１の弾性支点平行リンク３４０の第２の頂点と結合される部分を第１の頂点と称することにする。また、第２の弾性支点平行リンク３５０がフレーム３０と結合されている部分を第２の弾性支点平行リンク３５０の第２の頂点と称することにする。
【００２６】
次に、弾性支点平行リンク３６０（以下、第３の弾性支点平行リンクと称する。）、３７０（以下、第４の弾性支点平行リンクと称する。）について説明する。まず、第３の弾性支点平行リンク３６０は、リンク３６１ａ、リンク３６２ａ、リンク３６１ｂ、リンク３６２ｂで構成され、各リンクの両端部は、前述と同様に弾性ヒンジ部を構成している。この第３の弾性支点平行リンク３６０の詳細を後述する図５に示す。そして、第３の弾性支点平行リンク３６０のリンク３６１ａは、可動部１０１の他端と結合されると共に、鋼体部３４１ｃを介してリンク３６１ｂに連結されている。同様に、第３の弾性支点平行リンク３６０のリンク３６２ａも可動部１０１の他端と結合されると共に、鋼体部３４２ｃを介してリンク３６２ｂに連結されている。そして、リンク３６１ｂとリンク３６２ｂは、鋼体部１０３で結合されている。即ち、可動部１０１は、前述した第１の弾性支点平行リンク３４０と第３の弾性支点平行リンク３６０および鋼体部３４１ｃ、３４２ｃ、１０２および１０３により保持され、軸１００の案内方向には真直案内精度が確保される構成となされている。しかも、可動部１０１は、連結棒８０の移動により適宜移動し得るように保持されている。
【００２７】
次に、第４の弾性支点平行リンク３７０について説明する。第４の弾性支点平行リンク３７０は、リンク３７１ａ、リンク３７２ａ、リンク３７１ｂ、リンク３７２ｂで構成されている。そして、各リンクは、それぞれ鋼体部３５１ｃ、３５２ｃと鋼体部１０４とを結合している。この第４の弾性支点平行リンク３７０は、鋼体部３５１ｃ、３５２ｃを介して第２の弾性支点平行リンク３５０と結合し、第２の弾性支点平行リンク３５０の真直案内精度を確保している。なお、本実施例では、第４の弾性支点平行リンク３７０は、それぞれリンク３７１ａ、リンク３７２ａ、リンク３７１ｂ、リンク３７２ｂで構成するとして説明したが、鋼体部３５１ｃ、３５２ｃと鋼体部１０４を一体に構成したコ字状の鋼体部で構成する。
【００２８】
次に、ボールネジ６０は、ボールネジナット６１が２重平行板バネ案内機構７２０、７４０に取り付けられ、ボールネジ６０が回転すると、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０が移動する。ここで２重平行板バネ案内機構７２０、７４０の構造について、簡単に説明する。２重平行板バネ案内機構７２０、７４０は、フレーム３と鋼体部７０１、７０２、７０３、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２で構成されている。そして、連結棒８０の一端は、鋼体部７０３に固定されている。また、鋼体部７０３は、ボールネジナット６１に固定されている。即ち、鋼体部７０１、７０２は、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２を介してフレーム３と結合している。また、鋼体部７０３は、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２を介してそれぞれ鋼体部７０１、７０２に結合している。そして、フレーム３、鋼体部７０１、７０２、７０３、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２は、鋼材の厚板を切削することにより一体形成で構成されている。このように構成されているので、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０は、中心線１００に対して左右対称構造になっているので、移動方向の真直案内精度を確保することができる。
【００２９】
また、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０と可動部１０１は、連結棒８０で連結されており、連結棒８０の上端及び下端近くには、図３の平面図で、垂直な方向と、これに対して９０°交差する方向の切り欠き部が設けてある。これによって２重平行板バネ案内機構７２０、７４０で除去しきれない、ボールネジ６の軸からの振れや軸回りの影響及び、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０と可動部１０１を連結する際の組み立て誤差の影響を除去する。
【００３０】
更に、フレーム３０には、歪低減用プレート４０２（図４に示す。）が固定ボルト４０３で固定されている。
【００３１】
次に、本発明の一実施例の動作について説明する。図５は、本発明の一実施例の動作を説明するための図である。本発明は、弾性支点平行リンク、モータによるネジ駆動等を採用することにより、高精度真直案内精度や大きな変位量を得るステージ機構を実現している。
【００３２】
まず、図示しない制御部からのオートフォーカス信号に基づいて、図示しないマイクロステップモータドライバにパルス列が印加され、マイクロステップモータドライバからモータ９０にパルス列が与えられる。モータ９０は、このパルス列にしたがって回転し、カップリング１１０を介してボールネジ６０のネジ軸６２を回転させる。この時、１０μｍ程度の軸からの振れや軸回り（以下、振れ回りと称する。）が発生する。ネジ軸６２が回転すると、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０に固定されたボールネジナット６１にねじ込まれるため、回転に伴ってボールネジナット６１が軸１００に沿って移動するが、このとき、左右対称配置された２重平行板バネ案内機構７２０、７４０により軸１００方向に案内され、ボールネジ６０の回転に伴う軸ブレに起因するボールネジナット６１の振れ回りは殆ど無くなるまで押さえられる。さらに、残った振れ回りや２重平行板バネ案内機構７２０、７４０と可動部１０１を連結する際の組み立て誤差の影響等を９０度交差する切欠きを設けた連結棒８０によって除去される。
【００３３】
さて、ネジ軸６２の回転による軸１００方向の移動は、連結棒８０を介して可動部１０１に伝えられ、可動部１０１が移動する。次に、可動部１０１は、連結棒８０を介して移動するが、中心線１００に沿って前述した第１の弾性支点平行リンク３４０、第２の弾性支点平行リンク３５０、第３の弾性支点平行リンク３６０、第４の弾性支点平行リンク３７０により案内される。これによって可動部１０１は、長寸法で、真直案内精度の高い変位を実現していることについて以下説明する。
【００３４】
可動部１０１が矢印方向（図５に示す。）に移動すると、第１の弾性支点平行リンク３４０のリンク３４１ａおよびリンク３４２ａは、可動部１０１に結合しているそれぞれの端部がネジ軸６２から離れる方向に移動し、それぞれの他端が剛体部３４１ｃおよび剛体部３４２ｃに結合しているため、剛体部３４１ｃおよび剛体部３４２ｃもネジ軸６２から離れる方向に移動する。また、剛体部３４１ｃおよび剛体部３４２ｃに結合しているリンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂも同様にネジ軸６２から離れる方向に移動し、リンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂに結合している剛体部１０２も同様にネジ軸６２から離れる方向に移動する。そして、リンク３４１ａ、リンク３４２ａ、リンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂは、それぞれ同一寸法で作られており、また、中心線１００に対して軸対称の平行四辺形を構成している。このため、第１の弾性支点平行リンク３４０を構成するリンク３４１ａ、３４１ｂ、３４２ａ、３４２ｂは、それぞれ変形量が等しく、真直案内精度を高く保持しながら軸１００方向に変位する。本実施例では、この場合、リンク３４１ａおよびリンク３４２ａは、図５に示すように約２００μｍ移動する。同様にリンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂも図５に示すように約２００μｍ移動する。従って、第１の弾性支点平行リンク３４０は、軸１００方向に４００μｍ移動することができる。
【００３５】
同様に、第２の弾性支点平行リンク３５０のリンク３５１ａ、リンク３５２ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ｂについても、第１の弾性支点平行リンク３４０と同様に変形し、軸１００方向に４００μｍ移動することができる。
【００３６】
従って、可動部１０１が８００μｍの距離を軸１００方向（矢印方向）に可動した場合、リンク３４１ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ａ、リンク３４２ｂ、リンク３５１ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ａ、リンク３５２ｂのヒンジ部分（くびれ部分）のたわみによってそれぞれ２００μｍの変位を生じ、可動部１０１側が８００μｍ移動する。このように、同一寸法のリンク３４１ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ａ、リンク３４２ｂ、リンク３５１ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ａ、リンク３５２ｂが等量かつ中心線１００に対して対称に変位する。そして、これら第１と第２の弾性支点平行リンク３４０、３５０は、フレーム３０の垂直方向には剛性を有している。従って、これに案内される可動部１０１は中心線１００に沿って真直案内精度を高く保持しながら移動する。
【００３７】
なお、上記実施例では、第１の弾性支点平行リンク３４０および第２の弾性支点平行リンク３５０について説明したが、可動部１０１の他端に結合された第３の弾性支点平行リンク３６０は、可動部１０１が矢印方向に移動する時、可動部１０１の他端を真直案内精度高く保持する機能を有している。また、第４の弾性支点平行リンク３７０は、鋼体部３５１ｃ、３５２ｃを介して第２の弾性支点平行リンク３５０と結合し、第２の弾性支点平行リンク３５０の真直案内精度を確保している。
【００３８】
一方、可動部１０１が８００μｍ矢印（図５に示す。）の反対方向に可動した場合も、前述と同様にリンク３４１ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ａ、リンク３４２ｂ、リンク３５１ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ａ、リンク３５２ｂは、逆方向（矢印の反対方向）に動くことは勿論である。
【００３９】
さて、先に説明したように、近年、被測定物は大型化しており、これに伴いステージ機構に要求される変位量も益々大きくなっている。本発明は、大きな変位量を得ることが特徴である。前述した実施例では、可動部１０１の変位量は８００μｍであるが、さらに大きな変位量を得る場合について、図６及び７を用いて説明する。
【００４０】
図６は、本発明の他の一実施例のステージ機構の概略構成を示す図である。図６のステージ機構は、図３に示したステージ機構を構成する弾性支点平行リンクがｎ個で構成されている。尚、弾性支点平行リンク以外の構成については、図３に示したステージ機構と同じであるので、ここでは、詳細な説明は省略する。
【００４１】
図６に示すステージ機構は、可動部１０１とフレーム３０とをｎ個の弾性支点平行リンク７５０−１、７５０−２、・・・７５０−ｎをシリーズに結合して構成されている。ここで、弾性支点平行リンク７５０−１は、前述の第２の弾性支点平行リンク３５０と同様に、第２の頂点は、フレーム３０と結合されている。そして、弾性支点平行リンク７５０−ｎは、前述した第１の弾性支点平行リンク３４０と同様に、第１の頂点は、可動部１０１の一端と結合されている。そして、弾性支点平行リンク７５０−１と弾性支点平行リンク７５０−ｎとの間に弾性支点平行リンク７５０−２、・・・７５０−（ｎ−１）個の弾性支点平行リンク７５０がシリーズに結合される。このようにすると前述したように、弾性支点平行リンクは、リンクのヒンジ部分のたわみによってリンク１個当たり、例えば、２００μｍの変位を得ることができる。したがって、弾性支点平行リンク７５０の１個当たりの変位は、リンク２個分に相当する４００μｍとなる。図６のように弾性支点平行リンクの数がｎ個の場合、４００μｍ×ｎの変位を得ることができる。そこで、例えば、１６００μｍの変位が必要な場合では、弾性支点平行リンク７５０を４個で構成すればよい。
なお、図６において、弾性支点平行リンク７６０、７７０−１、７７０−２、・・・７７０−（ｎ−１）は、可動部１０１の他端に位置する弾性支点平行リンクを示す。ここで、弾性支点平行リンク７６０は、前述の第３の弾性支点平行リンク３６０に対応し、弾性支点平行リンク７７０−１、７７０−２、・・・７７０−（ｎ−１）は、前述の第４の弾性支点平行リンク３７０に対応する。
【００４２】
以上、説明したように、弾性支点平行リンクの数を増やすことによって、変位量を増加させることができる。したがって、液晶基板、マスク、磁気ヘッド等、特に被測定物が長い寸法を有し、かつ、被測定点が微細な寸法測定器のオートフォーカス用微動Ｚ軸に最適なステージ機構を提供することができる。また、必要とされる変位量に応じて、弾性支点平行リンクの数を調整することにより、所望の変位量を得ることのできるステージ機構を実現できる。
【００４３】
また、可動部１０１、フレーム３０、弾性支点平行リンク３４０、３５０、３６０、３７０及び２重平行板バネ７２０、７４０等は、鋼製の厚板から切り出した一体構造で構成すると、より真直案内精度の高いステージ機構を実現することができる。また、可動部１０１が可動した際、フレーム３０に例えば、約２０μｍ程度の歪みが発生するような場合、十分な精度を得られない。そのような場合、フレーム３０と歪低減用プレート４０２を複数の固定ボルトで固定し、歪の低減を図ることができる。
【００４４】
上記のようにして、例えば、鋼材の板厚を２０ｍｍで製作した場合、ヒンジ部分の曲げ応力は、４４Ｎ／ｍｍ２であり、許容曲げ応力が８０〜１２０Ｎ／ｍｍ２のため、ステージ機構として十分な精度を得ることができる。
【００４５】
以上、説明したように本発明によれば、移動量１６００μｍあるいはそれ以上、移動分解能８ｎｍ、真直案内精度０．０１μｍ以内、真直案内の再現性０．０５μｍ以内の精度を有する微動ステージ機構を実現することができる。
【００４６】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載された微動ステージ機構の実施例に限定されるものではなく、他の微動ステージ機構にも適用できることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４７】
１：テレビ顕微鏡、 ２：Ｚ軸方向微動機構、 ３：Ｚ軸粗動ステージ３、 ４：Ｚ軸コラム、 ５：ベース、 ６：ＸＹステージ、 ７：ワークテーブル、 ９：Ｘ軸反射鏡、 １０：Ｙ軸反射鏡、 １１、１２：レーザ測長器、 ３０：フレーム、 ６０：ボールネジ、 ６１：ボールネジナット６１、 ６２：ネジ軸、 ８０：連結棒、 ９０：モータ、 １０１：可動部、 １１０：カップリング、 ３４０、３５０、３６０、３７０、７５０：弾性支点平行リンク、 ４０２：歪低減用プレート、 ７２０、７４０：２重平行板バネ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージ機構に関し、特に、ＬＣＤ基板やウエハ等に形成される配線パターンの線幅及び、高さ（厚み）等を測定する測定装置のオートフォーカス用のステージ機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶基板やウエハのパターン測定等の高精度２次元測定には、テレビ顕微鏡で被測定点を計測する測定装置が使用される。この測定装置は、被測定点がテレビ顕微鏡の視野内に来るように、被測定物またはテレビ顕微鏡を位置決めするＸＹステージ機構と、被測定物を合焦点下に位置決めするためのＺステージ機構と、合焦点制御のためのオートフォーカス装置と、テレビ顕微鏡の視野内の被測定物の位置を算出するための画像処理装置と、ＸＹステージの移動量と視野内の被測定位置とを合算して被測定寸法を算出するコンピュータ装置等で構成されている。例えば、後述する図１、図２に示すような測定装置である。
【０００３】
このような液晶基板や液晶基板用マスク、薄膜磁気ヘッド焼付ウエハ等の高精度２次元測定では、形成されたパターンを数１０ｍｍから１０００ｍｍ程度の長さにわたって、例えば、０．２μｍ以内の測定再現性をもって測定することが求められている。このような測定には、被測定物または顕微鏡をＸＹＺステージで位置決めし、被測定物をテレビ顕微鏡で撮像し、撮像視野内の被測定点の位置と、レーザ干渉計等で読み取ったＸＹステージの位置とから、被測定点間の距離を測定する方式の２次元測定器が使用されている。２次元測定器において、ＸＹステージで位置決めした被測定物をテレビ顕微鏡で撮像する際、フォーカス状態を最良にするためオートフォーカス制御を行うが、オートフォーカス制御時に被測定点または対物レンズを顕微鏡の光軸に沿って遠近（Ｚ軸）方向に移動させて最適フォーカス点に位置決めする。オートフォーカス時のＺ軸方向の移動時に真直移動の再現誤差があると、測定対象となる範囲が広い（あるいは長い）場合に、測定位置の誤差となる。つまり、Ｚ軸方向の移動時に真直移動の再現誤差があると、フォーカス調整をする場合に、毎回、測定すべく指定されたＸ−Ｙ座標の位置で正確に合わないことになる。このため、測定対象物が広い（あるいは長い）場合、高い真直案内精度のＺステージが必要になる。この一例として、特許文献１及び２には、２重平行リンク機構（詳細は後述）で構成したＺ軸方向の微動ステージに関する技術が記載されている。
【０００４】
さて、従来の高精度２次元測定器のＺ軸方向のオートフォーカス用微動機構は、被測定物の段差やソリを含んだ長寸法を測定するために、移動量が１００〜４００μｍ前後で、位置決め精度０．０２μｍ、真直案内精度０．１μｍ、真直案内に再現性０．０５μｍ以内の精度を有する微動機構が使われてきた。このような精度及び移動量を得るために、種々検討され、駆動源は圧電素子の伸縮を拡大して移動量を得る方法が用いられた。
【０００５】
しかしながら、最近では、例えば、地上波デジタルＴＶのＬＣＤ基板のように被測定物の大型化によりソリ等が大きくなり、微動機構に要求される変位量が数倍、例えば、１５００μｍと大きくなってきている。このような長寸法の測定において、従来の技術で用いられた圧電素子を駆動源とする微動機構では変位拡大率が２０〜３０倍となる。しかし、変位拡大率が２０〜３０倍の圧電素子は、ヒステリシスの影響が顕著に表れ、必要な位置決め精度が得られないという問題がある。また、ヒステリシスの影響を除去するために変位計を設け、圧電素子の駆動結果、即ち、変位量を検出し、その変位量検出結果に基づいて圧電素子を再駆動して位置決めする方法を用いているが、高速、高精度にオートフォーカスするためには、フォーカス信号を基に、圧電素子を駆動して合焦点位置に変位させる必要がある。しかし、フォーカス信号と共に変位信号を用いて制御するにしても圧電素子のヒステリシスは、高速、高精度位置決めの阻害要因となっている。
【０００６】
また、他の方法として、大きな変位を得るために、モータの回転をネジに伝えネジの回転によって変位を得る方法があるが、この方法ではネジの振れ回り（中心軸に対する振れや回転）の影響で、変位時の真直案内精度が得られない。従って、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構の実現が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−４７９３１
【特許文献２】特開２００１−２８１３７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上、上述したように変位量を得るための従来技術の圧電素子は、ヒステリシスの影響が顕著にあらわれ、必要な位置決め精度が得られない。
【０００９】
また、大きな変位量を得るための他の方法として、モータの回転をネジに伝え、ネジの回転によって変位を得る方法がある。しかし、この方法では、ネジの振れ回りの影響で、変位時の真直案内精度が得られず、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構の実現が望まれている。
【００１０】
本発明の目的は、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、移動量１５００μｍ、移動分解能８ｎｍ、真直案内精度０．０１μｍ以内、真直案内の再現性０．０５μｍ以内の精度を有するステージ機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のステージ機構は、フレームと、該フレームに固定されたモータの軸の回転により一方向に移動する可動部と、該可動部と前記モータの軸とを連結する連結機構および前記フレームと前記可動部を結合する少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンクを有し、前記第１と第２の弾性支点平行リンクは、それぞれ両端部に弾性ヒンジ部を備え、前記連結機構の中心線に対称に配置された４個の平行リンクを有し、前記第１の弾性支点平行リンクの１つの頂点は、前記可動部の一端と結合し、前記第１の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対向する他の１つの頂点は、前記第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に結合され、前記第２の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対向する他の１つの頂点は、前記フレームに結合され、前記少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンク機構部は、前記モータの軸の回転に応じて前記連結機構を介して前記可動部を所定の距離だけ一方向に適宜移動させると共に前記モータの軸の回転に基づく軸周りの回転に対しては、剛性を保持するように構成されている。
【００１３】
また、本発明のステージ機構は、前記可動部と前記モータの軸とを連結する連結機構は、更に、前記連結機構の中心線に対称に配置された二重平行板バネ案内機構と、直交する２組の切り欠き部を有するように構成されている。
【００１４】
また、本発明のステージ機構は、前記フレームと、前記少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンクおよび前記可動部は、鋼製の厚板により切り出された一体構造で構成されている。
【００１５】
また、本発明のステージ機構は、更に、前記可動部の移動方向に平行でかつ可動部の中心を通る中心線に対称に可動部の外側の両脇に配置された第１と第２の２組の鋼体部を有し、前記第１の１組の鋼体部は、前記第１の弾性支点平行リンクの残りの２つの頂点と前記可動部の他端を結合し、前記第２の１組の鋼体部は、前記第２の弾性支点平行リンクの残りの２つの頂点を結合するように構成されている。
【発明の効果】
【００１６】
以上、説明したように本発明によれば、長寸法で、真直案内精度の高いステージ機構を実現することができる。また、本発明のステージ機構は、移動量１５００μｍ以上、移動分解能８ｎｍ、真直案内精度０．０１μｍ以内、真直案内の再現性０．０５μｍ以内の精度を有する極めて高精度のステージ機構を実現できるので、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例の２次元測定器の概略構成を示す正面図である。
【図２】本発明の一実施例の２次元測定器の概略構成を示す平面図である。
【図３】本発明の一実施例のステージ機構の概略構成を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施例のステージ機構の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施例のステージ機構の動作を説明するための図である。
【図６】本発明の他の一実施例のステージ機構の概略構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明を実施するための一実施例を、以下の実施例に基づき図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
まず、図１及び図２を用いて、本発明の全体構成を説明する。図１は、本発明の一実施例の２次元測定器の概略構成を示す正面図であり、図２はその平面図である。図１及び図２の２次元測定器は、テレビ顕微鏡１、Ｚ軸方向微動機構２、Ｚ軸粗動ステージ３、Ｚ軸コラム４、ベース５、ＸＹステージ６、ワークテーブル７、Ｘ軸反射鏡９、Ｙ軸反射鏡１０、レーザ測長器１１、１２から構成されている。
【００２０】
テレビ顕微鏡１はＺ軸方向微動機構２に取り付けられ、Ｚ軸方向微動機構２はＺ軸粗動ステージ３に取り付けられている。Ｚ軸粗動ステージ３はＺ軸コラム４に取り付けられており、Ｚ軸コラム４はベース５に取り付けられている。ベース５には、ＸＹステージ６が設けられており、ＸＹステージ６にはワークテーブル７が固定されている。ワークテーブル７には、被測定物８が取り付けられる。ワークテーブル７の被測定物の外側には、Ｚ軸方向位置が被測定面と同じ位置にＸ軸反射鏡９及びＹ軸反射鏡１０が設けられている。また、ベース５には、Ｘ軸測定用レーザ測長器１１及びＹ軸測定用レーザ測長器１２が設けられている。
【００２１】
動作を説明する。コンピュータ（図示せず）によって被測定物８の所定の測定位置が指定され、指定された被測定物８の所定の測定位置がテレビ顕微鏡１の視野内に入るようにＸＹステージが被測定物８を位置決めし、被測定物８が位置決めされると、オートフォーカス装置（図示せず）によって、Ｚ軸方向微動機構２がテレビ顕微鏡１をＺ軸方向に位置決めし、テレビ顕微鏡１にコントラストのよい被測定物８の画像を得る。なお、Ｚ軸粗動ステージ３は、前もって大まかなフォーカス位置を調節する。
【００２２】
次に、図３〜６を用いて、本発明の一実施例のＺ軸方向微動機構２（以下、ステージ機構２と称す。）を説明する。
【００２３】
図３は、本発明の一実施例のステージ機構２の概略構成を示す平面図であり、図４は、図３の中心軸上の断面図である。図３のステージ機構２は、顕微鏡等が搭載される可動部１０１、フレーム３０、ボールネジ６０、ボールネジナット６１、ネジ軸６２、連結棒８０、モータ９０、カップリング１１０、弾性支点平行リンク３４０、３５０、３６０、３７０、２重平行板バネ７２０、７４０を有する。ステージ機構２は、顕微鏡１等を取り付ける可動部１０１、Ｚ軸粗動ステージ３に取り付けられる歪低減用プレート４０２、可動部１００とフレーム３０を連結する弾性支点平行リンク３４０、３５０、３６０、３７０、ボールネジ６０の軸ブレを低減させる２重平行板バネ案内機構（２重平行板バネ７２０、７４０）、ボールネジ６０の移動を可動部１００に伝える連結棒８０から構成されており、中心線１００に対して軸対称の構造である。
【００２４】
弾性支点平行リンク３４０、３５０の構成について説明する。まず、弾性支点平行リンク３４０について詳細に説明する。弾性支点平行リンク３４０（以下、第１の弾性支点平行リンクと称する。）は、リンク３４１ａ、リンク３４２ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ｂで構成され、各リンクの両端部は、弾性ヒンジ部を構成している。これら弾性ヒンジ部は、各リンクが薄くなっている部分であり、薄くなっている方向には、バネ機構を備え、厚み方向には、剛性を有している。なお、リンク３４１ａ、リンク３４２ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ｂは、略平行四辺形の各辺を構成している。以下に説明する他の弾性支点平行リンクについても同様である。この第１の弾性支点平行リンク３４０の詳細を後述する図５に示す。そして、第１の弾性支点平行リンク３４０のリンク３４１ａは、可動部１０１の一端と結合されると共に、鋼体部３４１ｃ（これについては後述する。）を介してリンク３４１ｂに連結されている。同様に、第１の弾性支点平行リンク３４０のリンク３４２ａも可動部１０１の一端と結合されると共に、鋼体部３４２ｃ（これについても後述する。）を介してリンク３４２ｂに連結されている。ここで、第１の弾性支点平行リンク３４０が可動部１０１の一端と結合される部分を第１の頂点と称することにする。また、リンク３４１ｂとリンク３４２ｂは、鋼体部１０２で結合されている。この鋼体部１０２と結合されている部分を第１の弾性支点平行リンク３４０の第２の頂点と称することにする。この第１の弾性支点平行リンク３４０は、後述するように可動部１０１の軸方向の動きに連動して、軸方向に第１の弾性支点平行リンク３４０の第１の頂点と第２の頂点との距離が伸縮する構成になっている。
【００２５】
次に、弾性支点平行リンク３５０について詳細に説明する。弾性支点平行リンク３５０（以下、第２の弾性支点平行リンクと称する。）は、リンク３５１ａ、リンク３５２ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ｂで構成され、各リンクの両端部は、弾性ヒンジ部を構成している。これら弾性ヒンジ部の構成は、前述の第１の弾性支点平行リンクと同様である。そして、第２の弾性支点平行リンクのリンク３５１ａは、鋼体部３５１ｃを介してリンク３５１ｂと連結されている。さらに、リンク３５１ｂは、フレーム３０に連結されている。同様に、第２の弾性支点平行リンク３５０のリンク３５２ａは、鋼体部１０２に結合されると共に、鋼体部３５２ｃを介してリンク３５２ｂと連結されている。さらに、リンク３５２ｂは、フレーム３０に連結されている。ここで、第２の弾性支点平行リンク３５０が第１の弾性支点平行リンク３４０の第２の頂点と結合される部分を第１の頂点と称することにする。また、第２の弾性支点平行リンク３５０がフレーム３０と結合されている部分を第２の弾性支点平行リンク３５０の第２の頂点と称することにする。
【００２６】
次に、弾性支点平行リンク３６０（以下、第３の弾性支点平行リンクと称する。）、３７０（以下、第４の弾性支点平行リンクと称する。）について説明する。まず、第３の弾性支点平行リンク３６０は、リンク３６１ａ、リンク３６２ａ、リンク３６１ｂ、リンク３６２ｂで構成され、各リンクの両端部は、前述と同様に弾性ヒンジ部を構成している。この第３の弾性支点平行リンク３６０の詳細を後述する図５に示す。そして、第３の弾性支点平行リンク３６０のリンク３６１ａは、可動部１０１の他端と結合されると共に、鋼体部３４１ｃを介してリンク３６１ｂに連結されている。同様に、第３の弾性支点平行リンク３６０のリンク３６２ａも可動部１０１の他端と結合されると共に、鋼体部３４２ｃを介してリンク３６２ｂに連結されている。そして、リンク３６１ｂとリンク３６２ｂは、鋼体部１０３で結合されている。即ち、可動部１０１は、前述した第１の弾性支点平行リンク３４０と第３の弾性支点平行リンク３６０および鋼体部３４１ｃ、３４２ｃ、１０２および１０３により保持され、軸１００の案内方向には真直案内精度が確保される構成となされている。しかも、可動部１０１は、連結棒８０の移動により適宜移動し得るように保持されている。
【００２７】
次に、第４の弾性支点平行リンク３７０について説明する。第４の弾性支点平行リンク３７０は、リンク３７１ａ、リンク３７２ａ、リンク３７１ｂ、リンク３７２ｂで構成されている。そして、各リンクは、それぞれ鋼体部３５１ｃ、３５２ｃと鋼体部１０４とを結合している。この第４の弾性支点平行リンク３７０は、鋼体部３５１ｃ、３５２ｃを介して第２の弾性支点平行リンク３５０と結合し、第２の弾性支点平行リンク３５０の真直案内精度を確保している。なお、本実施例では、第４の弾性支点平行リンク３７０は、それぞれリンク３７１ａ、リンク３７２ａ、リンク３７１ｂ、リンク３７２ｂで構成するとして説明したが、鋼体部３５１ｃ、３５２ｃと鋼体部１０４を一体に構成したコ字状の鋼体部で構成する。
【００２８】
次に、ボールネジ６０は、ボールネジナット６１が２重平行板バネ案内機構７２０、７４０に取り付けられ、ボールネジ６０が回転すると、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０が移動する。ここで２重平行板バネ案内機構７２０、７４０の構造について、簡単に説明する。２重平行板バネ案内機構７２０、７４０は、フレーム３と鋼体部７０１、７０２、７０３、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２で構成されている。そして、連結棒８０の一端は、鋼体部７０３に固定されている。また、鋼体部７０３は、ボールネジナット６１に固定されている。即ち、鋼体部７０１、７０２は、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２を介してフレーム３と結合している。また、鋼体部７０３は、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２を介してそれぞれ鋼体部７０１、７０２に結合している。そして、フレーム３、鋼体部７０１、７０２、７０３、バネ部７２１、７２２、７４１、７４２は、鋼材の厚板を切削することにより一体形成で構成されている。このように構成されているので、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０は、中心線１００に対して左右対称構造になっているので、移動方向の真直案内精度を確保することができる。
【００２９】
また、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０と可動部１０１は、連結棒８０で連結されており、連結棒８０の上端及び下端近くには、図３の平面図で、垂直な方向と、これに対して９０°交差する方向の切り欠き部が設けてある。これによって２重平行板バネ案内機構７２０、７４０で除去しきれない、ボールネジ６の軸からの振れや軸回りの影響及び、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０と可動部１０１を連結する際の組み立て誤差の影響を除去する。
【００３０】
更に、フレーム３０には、歪低減用プレート４０２（図４に示す。）が固定ボルト４０３で固定されている。
【００３１】
次に、本発明の一実施例の動作について説明する。図５は、本発明の一実施例の動作を説明するための図である。本発明は、弾性支点平行リンク、モータによるネジ駆動等を採用することにより、高精度真直案内精度や大きな変位量を得るステージ機構を実現している。
【００３２】
まず、図示しない制御部からのオートフォーカス信号に基づいて、図示しないマイクロステップモータドライバにパルス列が印加され、マイクロステップモータドライバからモータ９０にパルス列が与えられる。モータ９０は、このパルス列にしたがって回転し、カップリング１１０を介してボールネジ６０のネジ軸６２を回転させる。この時、１０μｍ程度の軸からの振れや軸回り（以下、振れ回りと称する。）が発生する。ネジ軸６２が回転すると、２重平行板バネ案内機構７２０、７４０に固定されたボールネジナット６１にねじ込まれるため、回転に伴ってボールネジナット６１が軸１００に沿って移動するが、このとき、左右対称配置された２重平行板バネ案内機構７２０、７４０により軸１００方向に案内され、ボールネジ６０の回転に伴う軸ブレに起因するボールネジナット６１の振れ回りは殆ど無くなるまで押さえられる。さらに、残った振れ回りや２重平行板バネ案内機構７２０、７４０と可動部１０１を連結する際の組み立て誤差の影響等を９０度交差する切欠きを設けた連結棒８０によって除去される。
【００３３】
さて、ネジ軸６２の回転による軸１００方向の移動は、連結棒８０を介して可動部１０１に伝えられ、可動部１０１が移動する。次に、可動部１０１は、連結棒８０を介して移動するが、中心線１００に沿って前述した第１の弾性支点平行リンク３４０、第２の弾性支点平行リンク３５０、第３の弾性支点平行リンク３６０、第４の弾性支点平行リンク３７０により案内される。これによって可動部１０１は、長寸法で、真直案内精度の高い変位を実現していることについて以下説明する。
【００３４】
可動部１０１が矢印方向（図５に示す。）に移動すると、第１の弾性支点平行リンク３４０のリンク３４１ａおよびリンク３４２ａは、可動部１０１に結合しているそれぞれの端部がネジ軸６２から離れる方向に移動し、それぞれの他端が剛体部３４１ｃおよび剛体部３４２ｃに結合しているため、剛体部３４１ｃおよび剛体部３４２ｃもネジ軸６２から離れる方向に移動する。また、剛体部３４１ｃおよび剛体部３４２ｃに結合しているリンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂも同様にネジ軸６２から離れる方向に移動し、リンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂに結合している剛体部１０２も同様にネジ軸６２から離れる方向に移動する。そして、リンク３４１ａ、リンク３４２ａ、リンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂは、それぞれ同一寸法で作られており、また、中心線１００に対して軸対称の平行四辺形を構成している。このため、第１の弾性支点平行リンク３４０を構成するリンク３４１ａ、３４１ｂ、３４２ａ、３４２ｂは、それぞれ変形量が等しく、真直案内精度を高く保持しながら軸１００方向に変位する。本実施例では、この場合、リンク３４１ａおよびリンク３４２ａは、図５に示すように約２００μｍ移動する。同様にリンク３４１ｂおよびリンク３４２ｂも図５に示すように約２００μｍ移動する。従って、第１の弾性支点平行リンク３４０は、軸１００方向に４００μｍ移動することができる。
【００３５】
同様に、第２の弾性支点平行リンク３５０のリンク３５１ａ、リンク３５２ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ｂについても、第１の弾性支点平行リンク３４０と同様に変形し、軸１００方向に４００μｍ移動することができる。
【００３６】
従って、可動部１０１が８００μｍの距離を軸１００方向（矢印方向）に可動した場合、リンク３４１ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ａ、リンク３４２ｂ、リンク３５１ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ａ、リンク３５２ｂのヒンジ部分（くびれ部分）のたわみによってそれぞれ２００μｍの変位を生じ、可動部１０１側が８００μｍ移動する。このように、同一寸法のリンク３４１ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ａ、リンク３４２ｂ、リンク３５１ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ａ、リンク３５２ｂが等量かつ中心線１００に対して対称に変位する。そして、これら第１と第２の弾性支点平行リンク３４０、３５０は、フレーム３０の垂直方向には剛性を有している。従って、これに案内される可動部１０１は中心線１００に沿って真直案内精度を高く保持しながら移動する。
【００３７】
なお、上記実施例では、第１の弾性支点平行リンク３４０および第２の弾性支点平行リンク３５０について説明したが、可動部１０１の他端に結合された第３の弾性支点平行リンク３６０は、可動部１０１が矢印方向に移動する時、可動部１０１の他端を真直案内精度高く保持する機能を有している。また、第４の弾性支点平行リンク３７０は、鋼体部３５１ｃ、３５２ｃを介して第２の弾性支点平行リンク３５０と結合し、第２の弾性支点平行リンク３５０の真直案内精度を確保している。
【００３８】
一方、可動部１０１が８００μｍ矢印（図５に示す。）の反対方向に可動した場合も、前述と同様にリンク３４１ａ、リンク３４１ｂ、リンク３４２ａ、リンク３４２ｂ、リンク３５１ａ、リンク３５１ｂ、リンク３５２ａ、リンク３５２ｂは、逆方向（矢印の反対方向）に動くことは勿論である。
【００３９】
さて、先に説明したように、近年、被測定物は大型化しており、これに伴いステージ機構に要求される変位量も益々大きくなっている。本発明は、大きな変位量を得ることが特徴である。前述した実施例では、可動部１０１の変位量は８００μｍであるが、さらに大きな変位量を得る場合について、図６及び７を用いて説明する。
【００４０】
図６は、本発明の他の一実施例のステージ機構の概略構成を示す図である。図６のステージ機構は、図３に示したステージ機構を構成する弾性支点平行リンクがｎ個で構成されている。尚、弾性支点平行リンク以外の構成については、図３に示したステージ機構と同じであるので、ここでは、詳細な説明は省略する。
【００４１】
図６に示すステージ機構は、可動部１０１とフレーム３０とをｎ個の弾性支点平行リンク７５０−１、７５０−２、・・・７５０−ｎをシリーズに結合して構成されている。ここで、弾性支点平行リンク７５０−１は、前述の第２の弾性支点平行リンク３５０と同様に、第２の頂点は、フレーム３０と結合されている。そして、弾性支点平行リンク７５０−ｎは、前述した第１の弾性支点平行リンク３４０と同様に、第１の頂点は、可動部１０１の一端と結合されている。そして、弾性支点平行リンク７５０−１と弾性支点平行リンク７５０−ｎとの間に弾性支点平行リンク７５０−２、・・・７５０−（ｎ−１）個の弾性支点平行リンク７５０がシリーズに結合される。このようにすると前述したように、弾性支点平行リンクは、リンクのヒンジ部分のたわみによってリンク１個当たり、例えば、２００μｍの変位を得ることができる。したがって、弾性支点平行リンク７５０の１個当たりの変位は、リンク２個分に相当する４００μｍとなる。図６のように弾性支点平行リンクの数がｎ個の場合、４００μｍ×ｎの変位を得ることができる。そこで、例えば、１６００μｍの変位が必要な場合では、弾性支点平行リンク７５０を４個で構成すればよい。
なお、図６において、弾性支点平行リンク７６０、７７０−１、７７０−２、・・・７７０−（ｎ−１）は、可動部１０１の他端に位置する弾性支点平行リンクを示す。ここで、弾性支点平行リンク７６０は、前述の第３の弾性支点平行リンク３６０に対応し、弾性支点平行リンク７７０−１、７７０−２、・・・７７０−（ｎ−１）は、前述の第４の弾性支点平行リンク３７０に対応する。
【００４２】
以上、説明したように、弾性支点平行リンクの数を増やすことによって、変位量を増加させることができる。したがって、液晶基板、マスク、磁気ヘッド等、特に被測定物が長い寸法を有し、かつ、被測定点が微細な寸法測定器のオートフォーカス用微動Ｚ軸に最適なステージ機構を提供することができる。また、必要とされる変位量に応じて、弾性支点平行リンクの数を調整することにより、所望の変位量を得ることのできるステージ機構を実現できる。
【００４３】
また、可動部１０１、フレーム３０、弾性支点平行リンク３４０、３５０、３６０、３７０及び２重平行板バネ７２０、７４０等は、鋼製の厚板から切り出した一体構造で構成すると、より真直案内精度の高いステージ機構を実現することができる。また、可動部１０１が可動した際、フレーム３０に例えば、約２０μｍ程度の歪みが発生するような場合、十分な精度を得られない。そのような場合、フレーム３０と歪低減用プレート４０２を複数の固定ボルトで固定し、歪の低減を図ることができる。
【００４４】
上記のようにして、例えば、鋼材の板厚を２０ｍｍで製作した場合、ヒンジ部分の曲げ応力は、４４Ｎ／ｍｍ２であり、許容曲げ応力が８０〜１２０Ｎ／ｍｍ２のため、ステージ機構として十分な精度を得ることができる。
【００４５】
以上、説明したように本発明によれば、移動量１６００μｍあるいはそれ以上、移動分解能８ｎｍ、真直案内精度０．０１μｍ以内、真直案内の再現性０．０５μｍ以内の精度を有する微動ステージ機構を実現することができる。
【００４６】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載された微動ステージ機構の実施例に限定されるものではなく、他の微動ステージ機構にも適用できることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４７】
１：テレビ顕微鏡、 ２：Ｚ軸方向微動機構、 ３：Ｚ軸粗動ステージ３、 ４：Ｚ軸コラム、 ５：ベース、 ６：ＸＹステージ、 ７：ワークテーブル、 ９：Ｘ軸反射鏡、 １０：Ｙ軸反射鏡、 １１、１２：レーザ測長器、 ３０：フレーム、 ６０：ボールネジ、 ６１：ボールネジナット６１、 ６２：ネジ軸、 ８０：連結棒、 ９０：モータ、 １０１：可動部、 １１０：カップリング、 ３４０、３５０、３６０、３７０、７５０：弾性支点平行リンク、 ４０２：歪低減用プレート、 ７２０、７４０：２重平行板バネ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、該フレームに固定されたモータの軸の回転により一方向に移動する可動部と、該可動部と前記モータの軸とを連結する連結機構および前記フレームと前記可動部を結合する少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンクを有し、前記第１と第２の弾性支点平行リンクは、それぞれ両端部に弾性ヒンジ部を備え、前記連結機構の中心線に対称に配置された４個の平行リンクを有し、前記第１の弾性支点平行リンクの１つの頂点は、前記可動部の一端と結合し、前記第１の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、前記第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に結合され、前記第２の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、前記フレームに結合され、前記少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンク機構部は、前記モータの軸の回転に応じて前記連結機構を介して前記可動部を所定の距離だけ一方向に適宜移動させると共に前記モータの軸の回転に基づく軸周りの回転に対しては、剛性を保持することを特徴とするステージ機構。
【請求項１】
フレームと、該フレームに固定されたモータの軸の回転により一方向に移動する可動部と、該可動部と前記モータの軸とを連結する連結機構および前記フレームと前記可動部を結合する少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンクを有し、前記第１と第２の弾性支点平行リンクは、それぞれ両端部に弾性ヒンジ部を備え、前記連結機構の中心線に対称に配置された４個の平行リンクを有し、前記第１の弾性支点平行リンクの１つの頂点は、前記可動部の一端と結合し、前記第１の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、前記第２の弾性支点平行リンクの１つの頂点に結合され、前記第２の弾性支点平行リンクの前記１つの頂点に対抗する他の１つの頂点は、前記フレームに結合され、前記少なくとも２組の第１と第２の弾性支点平行リンク機構部は、前記モータの軸の回転に応じて前記連結機構を介して前記可動部を所定の距離だけ一方向に適宜移動させると共に前記モータの軸の回転に基づく軸周りの回転に対しては、剛性を保持することを特徴とするステージ機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−２５６０７４（Ｐ２０１０−２５６０７４Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０３９９６（Ｐ２００９−１０３９９６）
【出願日】平成２１年４月２２日（２００９．４．２２）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２２日（２００９．４．２２）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
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