移動ステージ装置
【課題】 Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のアクチュエータを取り付けた構造全体として、精度よい位置調整を行うことができるようにした移動ステージ装置を提供する。
【解決手段】
ステージテーブル１１から分離され、Ｘ方向のみに変位することができるとともに、Ｘ方向の変位をステージテーブルに伝達することができるＸ方向主動中間ステージ１２に、Ｘ方向アクチュエータ３７を接続するようにし、同様に、ステージテーブル１１から分離され、Ｙ方向のみに変位することができるとともに、Ｙ方向の変位をステージテーブル１１に伝達することができるＹ方向主動中間ステージ１４に、Ｙ方向アクチュエータを接続するようにして、Ｘ方向アクチュエータ３７およびＹ方向アクチュエータ３８がステージテーブルに接続されることに起因して発生するクロストークを回避する。
【解決手段】
ステージテーブル１１から分離され、Ｘ方向のみに変位することができるとともに、Ｘ方向の変位をステージテーブルに伝達することができるＸ方向主動中間ステージ１２に、Ｘ方向アクチュエータ３７を接続するようにし、同様に、ステージテーブル１１から分離され、Ｙ方向のみに変位することができるとともに、Ｙ方向の変位をステージテーブル１１に伝達することができるＹ方向主動中間ステージ１４に、Ｙ方向アクチュエータを接続するようにして、Ｘ方向アクチュエータ３７およびＹ方向アクチュエータ３８がステージテーブルに接続されることに起因して発生するクロストークを回避する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置が固定されたベースに支持されるステージテーブルの位置調整を行う移動ステージ装置に関し、さらに詳細には、ステージテーブルを互いに直交するＸＹ方向にナノスケールレベルで位置調整を行う移動ステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料を載置したステージテーブルを、二次元平面内で互いに直交するＸ方向およびＹ方向に沿って移動させる移動ステージ装置（Ｘ−Ｙステージ装置ともいう）は、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料ステージや各種工作機械等に利用されている。
二次元平面内を移動させる移動ステージ装置では、Ｘ軸制御機構、Ｙ軸制御機構が必要であり、これら２軸を制御する際に互いの軸方向のクロストーク（一方の軸を変位させた時に他方の軸が僅かに変位する現象）を回避する必要がある。そのため、従来、Ｘ軸ステージとＹ軸ステージとを積み重ねた２段構造にすることがなされている。Ｘ軸ステージとＹ軸ステージとを積み重ねた２段構造の装置では、下側のステージは上側のステージの重量を支持することとなり、移動動作に大きな負荷が掛かることとなって、最高移動速度を低下したり、駆動機構を大型にしたりする必要がある等の問題がある。
【０００３】
これに対し、ベースと外枠フレーム（ステージ）との間に中間部材（中間フレーム）を配設し、さらに、ベースと中間部材との間にＸ方向に変位可能な弾性ヒンジを配置し、中間部材と外枠フレーム（ステージ）との間にＹ方向に変位可能な弾性ヒンジを配置し、コンパクトな構成で、高速かつ高精度の制御を可能としたＸ−Ｙステージの支持構造が開示されている（特許文献１参照）。これによれば、Ｘ方向及びＹ方向へ外枠フレーム（ステージ）を駆動するリニアモータなどの適宜の駆動手段を設けることにより、外枠フレーム（ステージ）をＸ−Ｙ平面内における任意の方向へ微小駆動することができる。
【特許文献１】特開２００２−２２８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたＸ−Ｙステージの支持構造は、弾性ヒンジを用いるとともに、ベースに対して、中間部材や弾性ヒンジが左右前後対称あるいは点対称となるように取り付けられており、その結果、Ｚ方向、Ｘ軸回転（θｘ）、Ｙ軸回転（θｙ）、Ｚ軸回転（θｚ）については、「剛体」として機能するようにして、クロストークが発生しないようにしてある。
一方、Ｘ方向及びＹ方向へ外枠フレームを駆動するリニアモータなどの適宜の駆動手段を設けることが記載されているが、これら駆動手段の外枠フレームへの取り付け位置についても、外枠フレームの重量バランスがＸ軸方向に左右対称、Ｙ軸方向に前後対称になるように配慮して取り付けることが、クロストークを生じないようにするためには必要となる。しかしながら、実際には、Ｘ方向に１つの駆動手段が左右いずれか一辺に取り付けられ、Ｙ方向に１つの駆動手段が前後いずれか一辺に取り付けられることにより重量バランスが非対称になる。
駆動手段が非対称に取り付けられる結果、Ｘ方向またはＹ方向のリニアモータが駆動されると、Ｚ軸回転が生じてクロストークが発生することとなる。
【０００５】
駆動手段が非対称に取り付けられていることによりクロストークが発生することを、図を用いて説明する。図５は、対称な形状のＸステージ、Ｙステージを、入れ子構造に配置した移動ステージ装置の構成を示す平面図である。すなわち、この移動ステージ装置は、外側にベース５０が配置してあり、ベースの内側にＸ軸ステージ５２、さらにその内側にＹ軸ステージ５５が配置してある。ベース５０、Ｘ軸ステージ５２、Ｙ軸ステージ５５は、いずれもＸ方向、Ｙ方向に左右前後対称な方形枠あるいは方形をなしている。
Ｘ軸ステージ５２は、左辺と右辺それぞれ対称な二箇所で、Ｘ軸弾性ヒンジ５３ａ〜５３ｄによってベースと結合しており、さらに左辺中央には、Ｘ方向に押圧するためのＸ軸アクチュエータ５１が取り付けられている。
Ｙ軸ステージ５５は、前辺と後辺それぞれ対称な二箇所でＹ軸弾性ヒンジ５６ａ〜５６ｄによってＸ軸ステージ５２と結合しており、さらに前辺中央には、Ｙ方向に押圧するためのＹ軸アクチュエータ５４が取り付けられている。
【０００６】
このような構造の移動ステージ装置では、Ｙ軸アクチュエータ５４の配置が、Ｘ軸アクチュエータ５１に対して非対称な配置になっていることに起因して重量バランスが崩れ、クロストークが発生することになる。すなわち、Ｘ軸アクチュエータ５１を駆動したときにＺ軸回転方向のねじれが発生し、微小な変位が発生して、精度よく位置調整ができないという問題があった。
そこで、本発明は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のアクチュエータを取り付けた構造全体として、精度よい位置調整を行うことができるようにした移動ステージ装置を提供するとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明の移動ステージ装置は、ステージテーブルから分離され、Ｘ方向のみに変位することができるとともに、Ｘ方向の変位をステージテーブルに伝達することができるＸ方向主動中間ステージに、Ｘ方向アクチュエータを接続するようにし、同様に、ステージテーブルから分離され、Ｙ方向のみに変位することができるとともに、Ｙ方向の変位をステージテーブルに伝達することができるＹ方向主動中間ステージに、Ｙ方向アクチュエータを接続するようにして、Ｘ方向アクチュエータおよびＹ方向アクチュエータがステージテーブルに接続されることに起因して発生するクロストークを回避するようにしている。
すなわち、本発明にかかる移動ステージ装置は、ベースに対して移動可能に支持され、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に駆動するＸ方向アクチュエータとＹ方向アクチュエータとによりＸＹ平面内で位置を移動するステージテーブルを備えた移動ステージ装置において、ベースとステージテーブルとの間には、Ｘ方向アクチュエータに接続されＸ方向にのみ駆動されるＸ方向主動中間ステージと、Ｘ方向主動中間ステージと対をなしＸ方向にのみ従動するＸ方向従動中間ステージと、Ｙ方向アクチュエータに接続されＹ方向にのみ駆動されるＹ方向主動中間ステージと、Ｙ方向主動中間ステージと対をなしＹ方向にのみ従動するＹ方向従動中間ステージとの４つの中間ステージが介在し、Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージについてはベースに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有し、Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージについてはベースに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有するようにしている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ステージテーブルを駆動するＸ軸アクチュエータ、Ｙ軸アクチュエータは、ステージテーブルから分離された中間ステージに接続されており、Ｘ軸アクチュエータが駆動されるときには、Ｙ軸アクチュエータについてはステージテーブルから切り離されており、Ｙ軸アクチュエータが駆動されるときは、Ｘ軸アクチュエータについては切り離されているので、アクチュエータに起因する重量バランスの非対称性から発生したねじれが問題にならなくなり、ステージ構造全体として、精度よい位置調整を行うことができる。
【０００９】
（その他の課題を解決するための手段および効果）
上記発明において、Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージは、それぞれＸ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＸ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＹ方向変位支持手段によりステージテーブルに対して支持され、Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージは、それぞれＹ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＹ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＸ方向変位支持手段によりステージテーブルに対して支持されるようにしてもよい。
これによれば、Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージは、Ｘ方向の中心軸に対して、対称な形状にしてあり、かつ、対称な位置に支持されているので、Ｘ方向の中心軸に沿ってＸ方向の荷重を加える（力点が中心軸上）と中間ステージはねじれたり回転したりすることなく正確にＸ方向に移動するようになる。同様に、Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージは、Ｙ方向の中心軸に対して対称な形状にしてあり、かつ、対称な位置に支持されているので、Ｙ方向の中心軸に沿ってＹ方向の荷重を加えるとねじれたり回転したりすることなく正確にＹ方向に移動するようになる。
【００１０】
上記発明において、Ｘ方向変位支持手段およびＹ方向変位支持手段は、ベースと中間ステージとの間、および、ステージテーブルと中間ステージとの間に介在する副従動ステージと、副従動ステージとベース、副従動ステージと中間ステージ、副従動ステージとステージテーブルとの部材間を接続する弾性ヒンジ機構とから構成されるようにしてもよい。
ここで、弾性ヒンジ機構とは、荷重が加えられる方向を軸方向（この軸をヒンジ軸という）として、ヒンジ軸方向に対しては、ヒンジ自体は伸縮や曲がり等の変形が生じず、加えられた荷重をそのままヒンジ軸方向に伝達することができ、ヒンジ軸方向と垂直方向に対しては弾性的に変形する構造を有しているヒンジを用いた機構をいう。
この発明によれば、ベースと中間ステージとの間、あるいはステージテーブルと中間ステージとの間を、直接、弾性ヒンジで接続するのではなく、副従動ステージを介在させて接続する。すなわち、ベースと中間ステージとの間は、ベース、弾性ヒンジ機構、副従動ステージ、弾性ヒンジ機構、中間ステージの順で接続するようにし、また、ステージテーブルと中間ステージとの間は、ステージテーブル、弾性ヒンジ機構、副従動ステージ、弾性ヒンジ機構、中間ステージの順で接続するようにする。これにより、ベースと中間ステージ、ステージテーブルと中間ステージとの間では、中間ステージが変形することなく、また、弾性ヒンジ機構自体が軸方向に伸縮することなく、中間ステージを動かすことができるようになる（ベースと中間ステージとの間、ステージテーブルと中間ステージとの間を直接、弾性ヒンジ機構で接続した場合、中間ステージが変形するかヒンジ自体がヒンジ軸方向に伸縮するかいずれかの変形部分を設けなければ、中間ステージを動かすことができない）。
【００１１】
また、上記発明において、弾性ヒンジ機構は、部材間を接続する一対の平行に配置された弾性ヒンジ対により構成されるようにしてもよい。
すなわち、弾性ヒンジ機構を一対の平行な弾性ヒンジを用いた弾性ヒンジ機構とすることにより、中間ステージを常に中心軸方向に平行に移動させることができる。これにより、中間ステージへ荷重を与える位置が中心軸から外れた場合（力点が中心軸上でない）でも、中間ステージはねじれたり回転したりすることなく中心軸方向に移動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態である移動ステージ装置の構成を示す平面図であり、図２はその一部拡大図である。図３は弾性ヒンジの一例を示す斜視図である。
この移動ステージ装置１０は、主に、ステージテーブル１１、４つの中間ステージ１２〜１５、ベース１６ａ〜１６ｄ、Ｘ方向アクチュエータ３７、Ｙ方向アクチュエータ３８により構成される。
【００１４】
ステージテーブル１１は、Ｘ方向となる左右方向、および、Ｙ方向となる前後方向にそれぞれＸ方向中心軸Ｘｃ、Ｙ方向中心軸Ｙｃを有し、これら中心軸Ｘｃ、Ｙｃに対して対称な形状である正方形を有している。なお、ステージテーブル１１の形状は、正方形以外に長方形、ひし形、円形等でもよい。ステージテーブル１１のＸ方向中心軸Ｘｃ、Ｙ方向中心軸Ｙｃの延長線上に沿って、四つの中間ステージ１２〜１５が配置される。
【００１５】
４つの中間ステージ１２〜１５は、Ｘ方向アクチュエータ３７に接続されＸ方向アクチュエータ３７のＸ方向の変位をステージテーブル１１に伝達するＸ方向主動中間ステージ１２と、Ｘ方向主動中間ステージ１２の動きに従動するＸ方向従動中間ステージ１３と、Ｙ方向アクチュエータ３８に接続されＹ方向アクチュエータ３８のＹ方向の変位をステージテーブル１１に伝達するＹ方向主動中間ステージ１４と、Ｙ方向主動中間ステージ１４の動きに従動するＹ方向従動中間ステージ１５とからなる。これらの中間ステージ１２〜１５はアクチュエータに接続しているか否かの点を除いていずれも同じ形状であり、また、力が加わっても変形が生じないブロック状部材で構成される。
【００１６】
ベース１６ａ〜１６ｄは、Ｙ方向従動中間ステージ１５とＸ方向主動中間ステージ１２とに隣接する位置にベース１６ａ、Ｘ方向主動中間ステージ１２とＹ方向主動中間ステージ１４とに隣接する位置にベース１６ｂ、Ｙ方向主動中間ステージ１４とＸ方向従動中間ステージ１３とに隣接する位置にベース１６ｃ、Ｘ方向従動中間ステージ１３とＹ方向従動中間ステージ１５とに隣接する位置にベース１６ｄが取り付けてあり、それぞれ位置が固定されている。これらは同じ形状をしており、Ｘ方向中心軸Ｘｃ、Ｙ方向中心軸Ｙｃに対して対称に配置されている。また、ステージテーブル１１の裏面側（紙面奥側）で一体に組み付けてあり、１つのベース１６（不図示）を構成している。
【００１７】
Ｘ方向主動中間ステージ１２は、ステージテーブル１１とは反対側にＸ方向アクチュエータ３７が接続され、Ｙ方向主動中間ステージ１４は、ステージテーブル１１とは反対側にＹ方向アクチュエータ３８が接続される。Ｘ方向アクチュエータ３７、Ｙ方向アクチュエータ３８には、ピエゾ素子を用いている。
【００１８】
次に、ベース１６と中間ステージ１２〜１５とステージテーブル１１との支持構造について説明する。
図２に示すように、Ｘ方向主動中間ステージ１２は、ベース１６ａとベース１６ｂとに支持され、かつ、ステージテーブル１１の一端を支持する。
Ｘ方向主動中間ステージ１２とベース１６ａとの間は、一対の平行な弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂと、副従動ステージ１７と、一対の平行な弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂとにより接続される。ここで用いる弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、図３に示すように、長手方向をヒンジ軸とし、その両端近傍においてヒンジ軸と垂直方向に削られた薄肉部Ａ、Ｂを有するロッド状部材で構成される。したがってヒンジ軸方向には変形や伸縮が起きず、ヒンジ軸に垂直方向に曲がることができるようになっている。弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂのヒンジ軸方向は、Ｙ方向に向けられており、薄肉部Ａ、Ｂの削り面がＸ方向に向けられている。したがって、これらの弾性ヒンジはＸ方向に変位することができるようにしてある。一方、副従動ステージ１７は力が加わっても変形が生じないブロック状部材で構成されている。
【００１９】
また、弾性ヒンジ２１ａ、２２ｂや弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂのように、弾性ヒンジを平行に配置した一対の平行リンク構造とすることにより、弾性ヒンジで結合する部材間の回転変位をなくし、平行に移動するようにしてある。
【００２０】
同様に、Ｘ方向主動中間ステージ１２とベース１６ｂとの間は、一対の平行な弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂと、副従動ステージ１８と、一対の平行な弾性ヒンジ２４ａ、２４ｂとにより接続される。弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは図３に示すものと同じであり、副従動ステージ１８は副従動ステージ１７と同じである。弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂについてもヒンジ軸方向がＹ方向に向けられ、Ｘ方向に変位することができるようにしてある。副従動ステージ１８は変形が生じないブロック状部材で構成されている。
【００２１】
また、Ｘ方向主動中間ステージ１２に対して、副従動ステージ１７、１８と、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂとは、Ｘ方向中心軸Ｘｃに対して対称に配置してある。その結果、Ｘ方向アクチュエータ３７の駆動によりＸ方向主動中間ステージ１２にＸ方向の力Ｆｘが作用すると、Ｘ方向主動中間ステージ１２は、図４（ａ）に示した平衡状態から図４（ｂ）に示すように右方向に変位する。このときＸ方向主動中間ステージ１２自体のＹ方向への変位は、中心軸に対して対称な構造を有していることから互いに打ち消され、Ｘ方向のみに移動するようになる。すなわち、副従動ステージ１７、１８がＸ方向に移動するとともに、Ｙ方向にも変位することにより、Ｘ方向主動中間ステージ１２は、Ｘ方向のみに移動するようになる。
【００２２】
一方、Ｘ方向主動中間ステージ１２とステージテーブル１１との間は、一対の平行な弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂと、副従動ステージ１９と、一対の平行な弾性ヒンジ２６ａ、２６ｂとにより接続してある。弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂは図３に示すものと同じである。副従動ステージ１９は副従動ステージ１７と同じく変形しないブロック状部材で構成される。弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂのヒンジ軸方向は、Ｘ方向に向けられており、したがって、これらの弾性ヒンジはＹ方向に変位することができるとともに、Ｘ方向には変形や伸縮ができないようにしてある。
【００２３】
上述したように、Ｘ方向アクチュエータ３７の駆動により、Ｘ方向主動ステージ１２がＸ方向のみに移動すると、Ｘ方向主動ステージ１２は弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂを引っ張るが、引張力がヒンジ軸方向であるので、弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂは変形することなくＸ方向のみへの変位を、正確に副従動ステージ１９に伝達するようになる。同様に、Ｘ方向のみへの変位が生じた副従動ステージ１９は、弾性ヒンジ２６ａ、２６ｂをＸ方向のみに正確に押す。この押圧力は弾性ヒンジ２６ａ、２６ｂのヒンジ軸方向であるので、変形することなくＸ方向のみの変位を、正確にステージテーブル１１に伝達するようになっている。ステージテーブル１１自体もＸ方向中心軸Ｘｃに対して対称な形状であるので、ステージテーブル１１はＺ軸回転することなく正確にＸ方向に変位するようになっている。
【００２４】
また、ステージテーブル１１を挟んでＸ方向主動中間ステージ１２と反対側には、Ｘ方向従動中間ステージ１３が取り付けられている。Ｘ方向従動中間ステージ１３は、Ｘ方向主動中間ステージ１２と対をなすものであり、形状が同じであるとともに、副従動ステージ１７、１８、１９と、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂとによるステージテーブル１１やベース１６ｃ、１６ｄとの間の支持構造についても同じである（但しＸ方向アクチュエータ３７が接続されていない点が異なる）。
【００２５】
Ｙ方向主動中間ステージ１４とＹ方向従動中間ステージ１５とについて説明する。
これらは、それぞれＸ方向主動中間ステージ１２とＸ方向従動中間ステージ１３についての支持構造と基本的に同じであり、副従動ステージ２７、２８、２９は、それぞれ副従動ステージ１７、１８、１９に対応しており、これらと同じ機能、動作を行う。また、弾性ヒンジ３１ａ、３１ｂ、〜、３６ａ、３６ｂは、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂに対応しており、これらと同じ機能、動作を行う。
【００２６】
次に、移動ステージ装置１０の動作について説明する。図示しない制御機構により、Ｘ方向アクチュエータ３７、Ｙ方向アクチュエータ３８を駆動する。
Ｘ方向アクチュエータ３７が駆動されると、Ｘ方向主動中間ステージ１２がＸ方向に押圧され、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２４ａ、２４ｂが変形するとともに、副従動ステージ１７、１８が変位することにより、Ｘ方向主動中間ステージ１２はＸ方向のみに移動する。Ｘ方向主動中間ステージ１２の動きは、ヒンジ軸がＸ方向に向いている弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂと副従動ステージ１９とにより、正確にステージテーブル１１に伝達され、ステージテーブル１１は、Ｘ方向のみに移動する。ステージテーブル１１を挟んで反対側に位置するＸ方向従動中間ステージ１３は、ステージテーブル１１のＸ方向の動きを受け、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂと副従動ステージ１７〜１９とにより、Ｘ方向主動中間ステージ１２の動きに従動した動きをする。これにより、ステージテーブル１１は、Ｘ方向主動中間ステージ１２、Ｘ方向従動中間ステージ１３による支持構造を保ちながら、Ｘ方向に移動する。
【００２７】
ステージテーブル１１がＸ方向に動くときのＹ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５との関係について説明する。
Ｙ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５は、ベース１６ａ〜１６ｄに対して、副従動ステージ２７、２８と、弾性ヒンジ３１ａ、３１ｂ、〜、３４ａ、３４ｂとを介して支持されているが、これら弾性ヒンジ３１ａ、３１ｂ、〜、３４ａ、３４ｂのヒンジ軸がＸ方向を向いているので、Ｙ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５はＸ方向には動けない。
【００２８】
一方、Ｙ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５は、ステージテーブル１１を、副従動ステージ２９、弾性ヒンジ３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂを介して支持している。弾性ヒンジ３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂのヒンジ軸はＹ方向を向いているので、Ｘ方向に変形することができる。したがって、ステージテーブル１１のＸ方向の動きを、副従動ステージ２９、弾性ヒンジ３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂで吸収することができる。
このため、Ｘ方向の力が働いてステージテーブル１１が動くときに、ステージテーブル１１とＹ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５とは分離されており、それゆえＹ方向アクチュエータ３８もステージテーブル１１から分離されているので、これによる影響を受けない。
【００２９】
Ｙ方向アクチュエータ３８が駆動された場合についても同様であり、Ｙ方向の力が働いてステージテーブル１１が動くときに、Ｘ方向主動中間ステージ１２、Ｘ方向従動中間ステージ１３は分離されており、それゆえＸ方向アクチュエータ３７もステージテーブル１１から分離されているので、これによる影響を受けない。
よって、Ｘ方向、Ｙ方向アクチュエータの非対称的な配置による影響を受けることなく、精度の高い位置調整を行うことができる。
【００３０】
本実施形態では、弾性ヒンジをロッド状部材で構成し、ステージテーブル、中間ステージ、副従動ステージと接続することとしたが、ステージテーブル、中間ステージ、副従動ステージ、弾性ヒンジをひとつのブロック材をくり抜くことにより（ワイヤカット加工等）、本発明の構成を実現するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、精度の高い位置調整を行う移動ステージ装置に適用することができ、例えば、走査型プローブ顕微鏡、工作機械の試料ステージとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態で移動ステージ装置の構成を示す平面図。
【図２】図１の一部拡大図。
【図３】弾性ヒンジの一例を示す図。
【図４】アクチュエータを駆動したときの中間ステージとベースとの位置関係を説明する図。
【図５】従来の移動ステージ装置の構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０：移動ステージ装置
１１：ステージテーブル
１２：Ｘ方向主動中間ステージ
１３：Ｘ方向従動中間ステージ
１４：Ｙ方向主動中間ステージ
１５：Ｙ方向従動中間ステージ
１６ａ〜１６ｄ： ベース
１７〜１９： 副従動ステージ
２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂ： 弾性ヒンジ
３１ａ、３１ｂ、〜、３６ａ、３６ｂ： 弾性ヒンジ
３７： Ｘ方向アクチュエータ
３８： Ｙ方法アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置が固定されたベースに支持されるステージテーブルの位置調整を行う移動ステージ装置に関し、さらに詳細には、ステージテーブルを互いに直交するＸＹ方向にナノスケールレベルで位置調整を行う移動ステージ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料を載置したステージテーブルを、二次元平面内で互いに直交するＸ方向およびＹ方向に沿って移動させる移動ステージ装置（Ｘ−Ｙステージ装置ともいう）は、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の試料ステージや各種工作機械等に利用されている。
二次元平面内を移動させる移動ステージ装置では、Ｘ軸制御機構、Ｙ軸制御機構が必要であり、これら２軸を制御する際に互いの軸方向のクロストーク（一方の軸を変位させた時に他方の軸が僅かに変位する現象）を回避する必要がある。そのため、従来、Ｘ軸ステージとＹ軸ステージとを積み重ねた２段構造にすることがなされている。Ｘ軸ステージとＹ軸ステージとを積み重ねた２段構造の装置では、下側のステージは上側のステージの重量を支持することとなり、移動動作に大きな負荷が掛かることとなって、最高移動速度を低下したり、駆動機構を大型にしたりする必要がある等の問題がある。
【０００３】
これに対し、ベースと外枠フレーム（ステージ）との間に中間部材（中間フレーム）を配設し、さらに、ベースと中間部材との間にＸ方向に変位可能な弾性ヒンジを配置し、中間部材と外枠フレーム（ステージ）との間にＹ方向に変位可能な弾性ヒンジを配置し、コンパクトな構成で、高速かつ高精度の制御を可能としたＸ−Ｙステージの支持構造が開示されている（特許文献１参照）。これによれば、Ｘ方向及びＹ方向へ外枠フレーム（ステージ）を駆動するリニアモータなどの適宜の駆動手段を設けることにより、外枠フレーム（ステージ）をＸ−Ｙ平面内における任意の方向へ微小駆動することができる。
【特許文献１】特開２００２−２２８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたＸ−Ｙステージの支持構造は、弾性ヒンジを用いるとともに、ベースに対して、中間部材や弾性ヒンジが左右前後対称あるいは点対称となるように取り付けられており、その結果、Ｚ方向、Ｘ軸回転（θｘ）、Ｙ軸回転（θｙ）、Ｚ軸回転（θｚ）については、「剛体」として機能するようにして、クロストークが発生しないようにしてある。
一方、Ｘ方向及びＹ方向へ外枠フレームを駆動するリニアモータなどの適宜の駆動手段を設けることが記載されているが、これら駆動手段の外枠フレームへの取り付け位置についても、外枠フレームの重量バランスがＸ軸方向に左右対称、Ｙ軸方向に前後対称になるように配慮して取り付けることが、クロストークを生じないようにするためには必要となる。しかしながら、実際には、Ｘ方向に１つの駆動手段が左右いずれか一辺に取り付けられ、Ｙ方向に１つの駆動手段が前後いずれか一辺に取り付けられることにより重量バランスが非対称になる。
駆動手段が非対称に取り付けられる結果、Ｘ方向またはＹ方向のリニアモータが駆動されると、Ｚ軸回転が生じてクロストークが発生することとなる。
【０００５】
駆動手段が非対称に取り付けられていることによりクロストークが発生することを、図を用いて説明する。図５は、対称な形状のＸステージ、Ｙステージを、入れ子構造に配置した移動ステージ装置の構成を示す平面図である。すなわち、この移動ステージ装置は、外側にベース５０が配置してあり、ベースの内側にＸ軸ステージ５２、さらにその内側にＹ軸ステージ５５が配置してある。ベース５０、Ｘ軸ステージ５２、Ｙ軸ステージ５５は、いずれもＸ方向、Ｙ方向に左右前後対称な方形枠あるいは方形をなしている。
Ｘ軸ステージ５２は、左辺と右辺それぞれ対称な二箇所で、Ｘ軸弾性ヒンジ５３ａ〜５３ｄによってベースと結合しており、さらに左辺中央には、Ｘ方向に押圧するためのＸ軸アクチュエータ５１が取り付けられている。
Ｙ軸ステージ５５は、前辺と後辺それぞれ対称な二箇所でＹ軸弾性ヒンジ５６ａ〜５６ｄによってＸ軸ステージ５２と結合しており、さらに前辺中央には、Ｙ方向に押圧するためのＹ軸アクチュエータ５４が取り付けられている。
【０００６】
このような構造の移動ステージ装置では、Ｙ軸アクチュエータ５４の配置が、Ｘ軸アクチュエータ５１に対して非対称な配置になっていることに起因して重量バランスが崩れ、クロストークが発生することになる。すなわち、Ｘ軸アクチュエータ５１を駆動したときにＺ軸回転方向のねじれが発生し、微小な変位が発生して、精度よく位置調整ができないという問題があった。
そこで、本発明は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のアクチュエータを取り付けた構造全体として、精度よい位置調整を行うことができるようにした移動ステージ装置を提供するとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明の移動ステージ装置は、ステージテーブルから分離され、Ｘ方向のみに変位することができるとともに、Ｘ方向の変位をステージテーブルに伝達することができるＸ方向主動中間ステージに、Ｘ方向アクチュエータを接続するようにし、同様に、ステージテーブルから分離され、Ｙ方向のみに変位することができるとともに、Ｙ方向の変位をステージテーブルに伝達することができるＹ方向主動中間ステージに、Ｙ方向アクチュエータを接続するようにして、Ｘ方向アクチュエータおよびＹ方向アクチュエータがステージテーブルに接続されることに起因して発生するクロストークを回避するようにしている。
すなわち、本発明にかかる移動ステージ装置は、ベースに対して移動可能に支持され、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に駆動するＸ方向アクチュエータとＹ方向アクチュエータとによりＸＹ平面内で位置を移動するステージテーブルを備えた移動ステージ装置において、ベースとステージテーブルとの間には、Ｘ方向アクチュエータに接続されＸ方向にのみ駆動されるＸ方向主動中間ステージと、Ｘ方向主動中間ステージと対をなしＸ方向にのみ従動するＸ方向従動中間ステージと、Ｙ方向アクチュエータに接続されＹ方向にのみ駆動されるＹ方向主動中間ステージと、Ｙ方向主動中間ステージと対をなしＹ方向にのみ従動するＹ方向従動中間ステージとの４つの中間ステージが介在し、Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージについてはベースに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有し、Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージについてはベースに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有するようにしている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ステージテーブルを駆動するＸ軸アクチュエータ、Ｙ軸アクチュエータは、ステージテーブルから分離された中間ステージに接続されており、Ｘ軸アクチュエータが駆動されるときには、Ｙ軸アクチュエータについてはステージテーブルから切り離されており、Ｙ軸アクチュエータが駆動されるときは、Ｘ軸アクチュエータについては切り離されているので、アクチュエータに起因する重量バランスの非対称性から発生したねじれが問題にならなくなり、ステージ構造全体として、精度よい位置調整を行うことができる。
【０００９】
（その他の課題を解決するための手段および効果）
上記発明において、Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージは、それぞれＸ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＸ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＹ方向変位支持手段によりステージテーブルに対して支持され、Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージは、それぞれＹ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＹ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＸ方向変位支持手段によりステージテーブルに対して支持されるようにしてもよい。
これによれば、Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージは、Ｘ方向の中心軸に対して、対称な形状にしてあり、かつ、対称な位置に支持されているので、Ｘ方向の中心軸に沿ってＸ方向の荷重を加える（力点が中心軸上）と中間ステージはねじれたり回転したりすることなく正確にＸ方向に移動するようになる。同様に、Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージは、Ｙ方向の中心軸に対して対称な形状にしてあり、かつ、対称な位置に支持されているので、Ｙ方向の中心軸に沿ってＹ方向の荷重を加えるとねじれたり回転したりすることなく正確にＹ方向に移動するようになる。
【００１０】
上記発明において、Ｘ方向変位支持手段およびＹ方向変位支持手段は、ベースと中間ステージとの間、および、ステージテーブルと中間ステージとの間に介在する副従動ステージと、副従動ステージとベース、副従動ステージと中間ステージ、副従動ステージとステージテーブルとの部材間を接続する弾性ヒンジ機構とから構成されるようにしてもよい。
ここで、弾性ヒンジ機構とは、荷重が加えられる方向を軸方向（この軸をヒンジ軸という）として、ヒンジ軸方向に対しては、ヒンジ自体は伸縮や曲がり等の変形が生じず、加えられた荷重をそのままヒンジ軸方向に伝達することができ、ヒンジ軸方向と垂直方向に対しては弾性的に変形する構造を有しているヒンジを用いた機構をいう。
この発明によれば、ベースと中間ステージとの間、あるいはステージテーブルと中間ステージとの間を、直接、弾性ヒンジで接続するのではなく、副従動ステージを介在させて接続する。すなわち、ベースと中間ステージとの間は、ベース、弾性ヒンジ機構、副従動ステージ、弾性ヒンジ機構、中間ステージの順で接続するようにし、また、ステージテーブルと中間ステージとの間は、ステージテーブル、弾性ヒンジ機構、副従動ステージ、弾性ヒンジ機構、中間ステージの順で接続するようにする。これにより、ベースと中間ステージ、ステージテーブルと中間ステージとの間では、中間ステージが変形することなく、また、弾性ヒンジ機構自体が軸方向に伸縮することなく、中間ステージを動かすことができるようになる（ベースと中間ステージとの間、ステージテーブルと中間ステージとの間を直接、弾性ヒンジ機構で接続した場合、中間ステージが変形するかヒンジ自体がヒンジ軸方向に伸縮するかいずれかの変形部分を設けなければ、中間ステージを動かすことができない）。
【００１１】
また、上記発明において、弾性ヒンジ機構は、部材間を接続する一対の平行に配置された弾性ヒンジ対により構成されるようにしてもよい。
すなわち、弾性ヒンジ機構を一対の平行な弾性ヒンジを用いた弾性ヒンジ機構とすることにより、中間ステージを常に中心軸方向に平行に移動させることができる。これにより、中間ステージへ荷重を与える位置が中心軸から外れた場合（力点が中心軸上でない）でも、中間ステージはねじれたり回転したりすることなく中心軸方向に移動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態である移動ステージ装置の構成を示す平面図であり、図２はその一部拡大図である。図３は弾性ヒンジの一例を示す斜視図である。
この移動ステージ装置１０は、主に、ステージテーブル１１、４つの中間ステージ１２〜１５、ベース１６ａ〜１６ｄ、Ｘ方向アクチュエータ３７、Ｙ方向アクチュエータ３８により構成される。
【００１４】
ステージテーブル１１は、Ｘ方向となる左右方向、および、Ｙ方向となる前後方向にそれぞれＸ方向中心軸Ｘｃ、Ｙ方向中心軸Ｙｃを有し、これら中心軸Ｘｃ、Ｙｃに対して対称な形状である正方形を有している。なお、ステージテーブル１１の形状は、正方形以外に長方形、ひし形、円形等でもよい。ステージテーブル１１のＸ方向中心軸Ｘｃ、Ｙ方向中心軸Ｙｃの延長線上に沿って、四つの中間ステージ１２〜１５が配置される。
【００１５】
４つの中間ステージ１２〜１５は、Ｘ方向アクチュエータ３７に接続されＸ方向アクチュエータ３７のＸ方向の変位をステージテーブル１１に伝達するＸ方向主動中間ステージ１２と、Ｘ方向主動中間ステージ１２の動きに従動するＸ方向従動中間ステージ１３と、Ｙ方向アクチュエータ３８に接続されＹ方向アクチュエータ３８のＹ方向の変位をステージテーブル１１に伝達するＹ方向主動中間ステージ１４と、Ｙ方向主動中間ステージ１４の動きに従動するＹ方向従動中間ステージ１５とからなる。これらの中間ステージ１２〜１５はアクチュエータに接続しているか否かの点を除いていずれも同じ形状であり、また、力が加わっても変形が生じないブロック状部材で構成される。
【００１６】
ベース１６ａ〜１６ｄは、Ｙ方向従動中間ステージ１５とＸ方向主動中間ステージ１２とに隣接する位置にベース１６ａ、Ｘ方向主動中間ステージ１２とＹ方向主動中間ステージ１４とに隣接する位置にベース１６ｂ、Ｙ方向主動中間ステージ１４とＸ方向従動中間ステージ１３とに隣接する位置にベース１６ｃ、Ｘ方向従動中間ステージ１３とＹ方向従動中間ステージ１５とに隣接する位置にベース１６ｄが取り付けてあり、それぞれ位置が固定されている。これらは同じ形状をしており、Ｘ方向中心軸Ｘｃ、Ｙ方向中心軸Ｙｃに対して対称に配置されている。また、ステージテーブル１１の裏面側（紙面奥側）で一体に組み付けてあり、１つのベース１６（不図示）を構成している。
【００１７】
Ｘ方向主動中間ステージ１２は、ステージテーブル１１とは反対側にＸ方向アクチュエータ３７が接続され、Ｙ方向主動中間ステージ１４は、ステージテーブル１１とは反対側にＹ方向アクチュエータ３８が接続される。Ｘ方向アクチュエータ３７、Ｙ方向アクチュエータ３８には、ピエゾ素子を用いている。
【００１８】
次に、ベース１６と中間ステージ１２〜１５とステージテーブル１１との支持構造について説明する。
図２に示すように、Ｘ方向主動中間ステージ１２は、ベース１６ａとベース１６ｂとに支持され、かつ、ステージテーブル１１の一端を支持する。
Ｘ方向主動中間ステージ１２とベース１６ａとの間は、一対の平行な弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂと、副従動ステージ１７と、一対の平行な弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂとにより接続される。ここで用いる弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂは、図３に示すように、長手方向をヒンジ軸とし、その両端近傍においてヒンジ軸と垂直方向に削られた薄肉部Ａ、Ｂを有するロッド状部材で構成される。したがってヒンジ軸方向には変形や伸縮が起きず、ヒンジ軸に垂直方向に曲がることができるようになっている。弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂのヒンジ軸方向は、Ｙ方向に向けられており、薄肉部Ａ、Ｂの削り面がＸ方向に向けられている。したがって、これらの弾性ヒンジはＸ方向に変位することができるようにしてある。一方、副従動ステージ１７は力が加わっても変形が生じないブロック状部材で構成されている。
【００１９】
また、弾性ヒンジ２１ａ、２２ｂや弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂのように、弾性ヒンジを平行に配置した一対の平行リンク構造とすることにより、弾性ヒンジで結合する部材間の回転変位をなくし、平行に移動するようにしてある。
【００２０】
同様に、Ｘ方向主動中間ステージ１２とベース１６ｂとの間は、一対の平行な弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂと、副従動ステージ１８と、一対の平行な弾性ヒンジ２４ａ、２４ｂとにより接続される。弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂは図３に示すものと同じであり、副従動ステージ１８は副従動ステージ１７と同じである。弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂについてもヒンジ軸方向がＹ方向に向けられ、Ｘ方向に変位することができるようにしてある。副従動ステージ１８は変形が生じないブロック状部材で構成されている。
【００２１】
また、Ｘ方向主動中間ステージ１２に対して、副従動ステージ１７、１８と、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂとは、Ｘ方向中心軸Ｘｃに対して対称に配置してある。その結果、Ｘ方向アクチュエータ３７の駆動によりＸ方向主動中間ステージ１２にＸ方向の力Ｆｘが作用すると、Ｘ方向主動中間ステージ１２は、図４（ａ）に示した平衡状態から図４（ｂ）に示すように右方向に変位する。このときＸ方向主動中間ステージ１２自体のＹ方向への変位は、中心軸に対して対称な構造を有していることから互いに打ち消され、Ｘ方向のみに移動するようになる。すなわち、副従動ステージ１７、１８がＸ方向に移動するとともに、Ｙ方向にも変位することにより、Ｘ方向主動中間ステージ１２は、Ｘ方向のみに移動するようになる。
【００２２】
一方、Ｘ方向主動中間ステージ１２とステージテーブル１１との間は、一対の平行な弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂと、副従動ステージ１９と、一対の平行な弾性ヒンジ２６ａ、２６ｂとにより接続してある。弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂは図３に示すものと同じである。副従動ステージ１９は副従動ステージ１７と同じく変形しないブロック状部材で構成される。弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂのヒンジ軸方向は、Ｘ方向に向けられており、したがって、これらの弾性ヒンジはＹ方向に変位することができるとともに、Ｘ方向には変形や伸縮ができないようにしてある。
【００２３】
上述したように、Ｘ方向アクチュエータ３７の駆動により、Ｘ方向主動ステージ１２がＸ方向のみに移動すると、Ｘ方向主動ステージ１２は弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂを引っ張るが、引張力がヒンジ軸方向であるので、弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂは変形することなくＸ方向のみへの変位を、正確に副従動ステージ１９に伝達するようになる。同様に、Ｘ方向のみへの変位が生じた副従動ステージ１９は、弾性ヒンジ２６ａ、２６ｂをＸ方向のみに正確に押す。この押圧力は弾性ヒンジ２６ａ、２６ｂのヒンジ軸方向であるので、変形することなくＸ方向のみの変位を、正確にステージテーブル１１に伝達するようになっている。ステージテーブル１１自体もＸ方向中心軸Ｘｃに対して対称な形状であるので、ステージテーブル１１はＺ軸回転することなく正確にＸ方向に変位するようになっている。
【００２４】
また、ステージテーブル１１を挟んでＸ方向主動中間ステージ１２と反対側には、Ｘ方向従動中間ステージ１３が取り付けられている。Ｘ方向従動中間ステージ１３は、Ｘ方向主動中間ステージ１２と対をなすものであり、形状が同じであるとともに、副従動ステージ１７、１８、１９と、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂとによるステージテーブル１１やベース１６ｃ、１６ｄとの間の支持構造についても同じである（但しＸ方向アクチュエータ３７が接続されていない点が異なる）。
【００２５】
Ｙ方向主動中間ステージ１４とＹ方向従動中間ステージ１５とについて説明する。
これらは、それぞれＸ方向主動中間ステージ１２とＸ方向従動中間ステージ１３についての支持構造と基本的に同じであり、副従動ステージ２７、２８、２９は、それぞれ副従動ステージ１７、１８、１９に対応しており、これらと同じ機能、動作を行う。また、弾性ヒンジ３１ａ、３１ｂ、〜、３６ａ、３６ｂは、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂに対応しており、これらと同じ機能、動作を行う。
【００２６】
次に、移動ステージ装置１０の動作について説明する。図示しない制御機構により、Ｘ方向アクチュエータ３７、Ｙ方向アクチュエータ３８を駆動する。
Ｘ方向アクチュエータ３７が駆動されると、Ｘ方向主動中間ステージ１２がＸ方向に押圧され、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２４ａ、２４ｂが変形するとともに、副従動ステージ１７、１８が変位することにより、Ｘ方向主動中間ステージ１２はＸ方向のみに移動する。Ｘ方向主動中間ステージ１２の動きは、ヒンジ軸がＸ方向に向いている弾性ヒンジ２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂと副従動ステージ１９とにより、正確にステージテーブル１１に伝達され、ステージテーブル１１は、Ｘ方向のみに移動する。ステージテーブル１１を挟んで反対側に位置するＸ方向従動中間ステージ１３は、ステージテーブル１１のＸ方向の動きを受け、弾性ヒンジ２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂと副従動ステージ１７〜１９とにより、Ｘ方向主動中間ステージ１２の動きに従動した動きをする。これにより、ステージテーブル１１は、Ｘ方向主動中間ステージ１２、Ｘ方向従動中間ステージ１３による支持構造を保ちながら、Ｘ方向に移動する。
【００２７】
ステージテーブル１１がＸ方向に動くときのＹ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５との関係について説明する。
Ｙ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５は、ベース１６ａ〜１６ｄに対して、副従動ステージ２７、２８と、弾性ヒンジ３１ａ、３１ｂ、〜、３４ａ、３４ｂとを介して支持されているが、これら弾性ヒンジ３１ａ、３１ｂ、〜、３４ａ、３４ｂのヒンジ軸がＸ方向を向いているので、Ｙ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５はＸ方向には動けない。
【００２８】
一方、Ｙ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５は、ステージテーブル１１を、副従動ステージ２９、弾性ヒンジ３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂを介して支持している。弾性ヒンジ３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂのヒンジ軸はＹ方向を向いているので、Ｘ方向に変形することができる。したがって、ステージテーブル１１のＸ方向の動きを、副従動ステージ２９、弾性ヒンジ３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂで吸収することができる。
このため、Ｘ方向の力が働いてステージテーブル１１が動くときに、ステージテーブル１１とＹ方向主動中間ステージ１４、Ｙ方向従動中間ステージ１５とは分離されており、それゆえＹ方向アクチュエータ３８もステージテーブル１１から分離されているので、これによる影響を受けない。
【００２９】
Ｙ方向アクチュエータ３８が駆動された場合についても同様であり、Ｙ方向の力が働いてステージテーブル１１が動くときに、Ｘ方向主動中間ステージ１２、Ｘ方向従動中間ステージ１３は分離されており、それゆえＸ方向アクチュエータ３７もステージテーブル１１から分離されているので、これによる影響を受けない。
よって、Ｘ方向、Ｙ方向アクチュエータの非対称的な配置による影響を受けることなく、精度の高い位置調整を行うことができる。
【００３０】
本実施形態では、弾性ヒンジをロッド状部材で構成し、ステージテーブル、中間ステージ、副従動ステージと接続することとしたが、ステージテーブル、中間ステージ、副従動ステージ、弾性ヒンジをひとつのブロック材をくり抜くことにより（ワイヤカット加工等）、本発明の構成を実現するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、精度の高い位置調整を行う移動ステージ装置に適用することができ、例えば、走査型プローブ顕微鏡、工作機械の試料ステージとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態で移動ステージ装置の構成を示す平面図。
【図２】図１の一部拡大図。
【図３】弾性ヒンジの一例を示す図。
【図４】アクチュエータを駆動したときの中間ステージとベースとの位置関係を説明する図。
【図５】従来の移動ステージ装置の構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０：移動ステージ装置
１１：ステージテーブル
１２：Ｘ方向主動中間ステージ
１３：Ｘ方向従動中間ステージ
１４：Ｙ方向主動中間ステージ
１５：Ｙ方向従動中間ステージ
１６ａ〜１６ｄ： ベース
１７〜１９： 副従動ステージ
２１ａ、２１ｂ、〜、２６ａ、２６ｂ： 弾性ヒンジ
３１ａ、３１ｂ、〜、３６ａ、３６ｂ： 弾性ヒンジ
３７： Ｘ方向アクチュエータ
３８： Ｙ方法アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースに対して移動可能に支持され、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に駆動するＸ方向アクチュエータとＹ方向アクチュエータとによりＸＹ平面内で位置を移動するステージテーブルを備えた移動ステージ装置において、
ベースとステージテーブルとの間には、Ｘ方向アクチュエータに接続されＸ方向にのみ駆動されるＸ方向主動中間ステージと、Ｘ方向主動中間ステージと対をなしＸ方向にのみ従動するＸ方向従動中間ステージと、Ｙ方向アクチュエータに接続されＹ方向にのみ駆動されるＹ方向主動中間ステージと、Ｙ方向主動中間ステージと対をなしＹ方向にのみ従動するＹ方向従動中間ステージとの４つの中間ステージが介在し、
Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージについてはベースに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有し、
Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージについてはベースに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有することを特徴とする移動ステージ装置。
【請求項２】
Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージは、それぞれＸ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＸ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＹ方向変位支持手段によりステージテーブルを支持し、
Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージは、それぞれＹ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＹ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＸ方向変位支持手段によりステージテーブルを支持することを特徴とする請求項１に記載の移動ステージ装置。
【請求項３】
Ｘ方向変位支持手段およびＹ方向変位支持手段は、ベースと中間ステージとの間、ステージテーブルと中間ステージとの間に介在する副従動ステージと、
副従動ステージとベース、副従動ステージと中間ステージ、副従動ステージとステージテーブルとの部材間を接続する弾性ヒンジ機構とから構成されることを特徴とする請求項２に記載の移動ステージ装置。
【請求項４】
弾性ヒンジ機構は、部材間を接続する一対の平行に配置された弾性ヒンジ対により構成されることを特徴とする請求項３に記載の移動ステージ装置。
【請求項１】
ベースに対して移動可能に支持され、互いに直交するＸ方向およびＹ方向に駆動するＸ方向アクチュエータとＹ方向アクチュエータとによりＸＹ平面内で位置を移動するステージテーブルを備えた移動ステージ装置において、
ベースとステージテーブルとの間には、Ｘ方向アクチュエータに接続されＸ方向にのみ駆動されるＸ方向主動中間ステージと、Ｘ方向主動中間ステージと対をなしＸ方向にのみ従動するＸ方向従動中間ステージと、Ｙ方向アクチュエータに接続されＹ方向にのみ駆動されるＹ方向主動中間ステージと、Ｙ方向主動中間ステージと対をなしＹ方向にのみ従動するＹ方向従動中間ステージとの４つの中間ステージが介在し、
Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージについてはベースに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有し、
Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージについてはベースに対してＹ方向のみに変位可能に支持するＹ方向変位支持手段を有するとともに、ステージテーブルに対してＸ方向のみに変位可能に支持するＸ方向変位支持手段を有することを特徴とする移動ステージ装置。
【請求項２】
Ｘ方向主動中間ステージおよびＸ方向従動中間ステージは、それぞれＸ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＸ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｘ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＹ方向変位支持手段によりステージテーブルを支持し、
Ｙ方向主動中間ステージおよびＹ方向従動中間ステージは、それぞれＹ方向の中心軸に対して左右対称な形状であり、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された一対のＹ方向変位支持手段によりベースに対して支持され、かつ、Ｙ方向の中心軸に対して対称な位置に形成された１つのＸ方向変位支持手段によりステージテーブルを支持することを特徴とする請求項１に記載の移動ステージ装置。
【請求項３】
Ｘ方向変位支持手段およびＹ方向変位支持手段は、ベースと中間ステージとの間、ステージテーブルと中間ステージとの間に介在する副従動ステージと、
副従動ステージとベース、副従動ステージと中間ステージ、副従動ステージとステージテーブルとの部材間を接続する弾性ヒンジ機構とから構成されることを特徴とする請求項２に記載の移動ステージ装置。
【請求項４】
弾性ヒンジ機構は、部材間を接続する一対の平行に配置された弾性ヒンジ対により構成されることを特徴とする請求項３に記載の移動ステージ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−３２２７１４（Ｐ２００６−３２２７１４Ａ）
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４３５６２（Ｐ２００５−１４３５６２）
【出願日】平成１７年５月１７日（２００５．５．１７）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１１月３０日（２００６．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１７日（２００５．５．１７）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]