(57)【要約】【課題】より単純な構造で、多軸方向への高精度な位置決めが容易な、多自由度微動位置決め装置を提供する。【解決手段】基台２上に縦横移動旋回支持機構３によって平面上で縦横に且つ旋回可能に支持されるステージ４を、ステージ４中心Ｏを通り、ステージに直交する中心軸Ｚを中心に揺動する揺動支持機構５を介して支持する構成とする。揺動支持機構５は、基台２、支持台６およびステージ４の中心Ｏを鉛直方向に貫く中心軸Ｚを中心に、略１２０°毎に前記基台２上に配設した第１、第２、第３直動アクチュエータ１３〜１５と、これら第１〜第３直動アクチュエータ１３〜１５の駆動軸１３ａ〜１５ａに、駆動軸１３ａ〜１５ａに対して直交する軸周りに回動する軸受１６を介して揺動腕１７を連結し、揺動腕１７先端を球面軸受１８を介して前記支持台６に取り付ける。この際、前記揺動腕１７は、所定の仰角をもって保持する。【選択図】              図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台上にステージを、ステージに直交する中心軸を中心に縦横移動可能に且つ旋回可能に構成した縦横移動旋回支持機構と、前記中心軸を中心に揺動する揺動支持機構とを介して支持する構成としたことを特徴とする多自由度微動位置決め装置。
【請求項２】
ステージを、支持台に、縦横移動旋回支持機構を介し前記ステージに直交する中心軸を中心に縦横移動可能に且つ旋回可能に支持すると共に、前記支持台を基台上に、前記中心軸を中心に揺動する揺動支持機構を介して支持する構成としたことを特徴とする多自由度微動位置決め装置。
【請求項３】
前記縦横移動旋回支持機構は、平面上で相対的に自由運動可能な支持ユニットと、前記支持台と相対的に平面上で駆動させる構成とした複数の駆動手段とにより、前記ステージを縦横移動可能に、且つ旋回可能に支持する構成としたことを特徴とする請求項２記載の多自由度微動位置決め装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、前記支持台側に取り付け、駆動方向が前記平面と平行に駆動する直動軸を備えた直動アクチュエータと、前記ステージ側に取り付け、前記直動軸の駆動方向と直交する方向に配設した案内部材とこの案内部材に移動可能に配置した移動子と、この移動子と前記直動軸とを、前記平面と直交する軸周りに回動可能に連結する構成としたことを特徴とする請求項３記載の多自由度微動位置決め装置。
【請求項５】
前記揺動支持機構は、前記中心軸を中心とする軸周りに所定間隔ごとに配設した第１、第２、第３の直動アクチュエータと、これら第１〜第３直動アクチュエータの駆動軸に、駆動軸に対して直交する軸周りに回動する軸受を介して揺動腕を連結し、この揺動腕先端に球面軸受を設けてこの球面軸受を介して前記支持台と共にステージを支持する構成としたことを特徴とする請求項２ないし４記載のうち、いずれか１記載の多自由度微動位置決め装置。
【請求項６】
前記第１〜第３直動アクチュエータにおける駆動軸の軸方向を、前記ステージに直交する中心軸に指向させる設定としたことを特徴とする請求項５記載の多自由度微動位置決め装置。
【請求項７】
前記球面軸受は、揺動腕の先端を球状先端部として、この球状先端部を、保持器に多数の鋼球を介して支持すると共に、前記保持器を第１の外周部と第２の外周部とによって狭持して締結部材によって、一体的に固定する構成とし、これら第１外周部と第２外周部とは、前記支持台下面に突設した傾斜突部に取り付ける構成としたことを特徴とする請求項５記載の多自由度微動位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、より単純な構造で、多軸方向への高精度な位置決めが容易な、多自由度微動位置決め装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ステージを縦横方向に移動可能に構成した、ＸＹステージにおいては、左右一対の直動案内軸受と一つの送りねじ機構により一方向に移動可能に構成した一軸移動機構の２組を、その移動方向が直交するように、上下に重ねて組み合わせることにより、上述した移動を可能に構成しており、これに旋回機構を組み合わせることにより、縦横移動と旋回を可能としている。
しかしながら、かかる方式では部品点数が多くなると共に装置に対する機構の占める容積比率は増大する。また、積み重ねによる高さが高く不安定になり、上のステージは下のステージの精度の影響を受ける。さらに、それぞれの位置決め軸方向を組み合わせるときの組立て精度の確保が困難となる。
【０００３】
そこで近年、縦横移動機構、及び旋回機構を上下に組み合わせた構成でない機構で、ステージの中央部分を機構部分が専有しない構成の縦横旋回機構を提案している（例えば特開平９−１５５６６６号公報）。
かかる縦横旋回機構によれば、縦、横移動機構と旋回支持機構を上下に重ねて組み合わせずに構成することができ、しかも、枠状のステージにより、縦横移動旋回可能な支持部材や駆動部材に邪魔されない貫通空間を構成することができ、この貫通空間を通した露光等、貫通空間を有効に利用することができるようになった。さらには、精密加工を必要とする支持ユニットの小型化が図れる等、数々の有効な効果を奏するものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、最近では、かかる方式の縦横旋回機構の特質を生かし、例えばステージに直交する軸周辺に対して旋回可能とする機構を付加するなど、ステージのさらなる自在な位置決めを可能とするべく、開発が進められている。
本発明はかかる背景から提案されたものであって、より単純な構造で、多軸方向への高精度な位置決めが容易な、多自由度微動位置決め装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記した課題を解決するために、本発明では、請求項１において、基台上にステージを、ステージに直交する中心軸を中心に縦横移動可能に且つ旋回可能に構成した縦横移動旋回支持機構と、前記中心軸を中心に揺動する揺動支持機構とを介して支持する構成とした多自由度微動位置決め装置を提案する。
また本発明では、請求項２において、ステージを、支持台に、縦横移動旋回支持機構を介し前記ステージに直交する中心軸を中心に縦横移動可能に且つ旋回可能に支持すると共に、前記支持台を基台上に、前記中心軸を中心に揺動する揺動支持機構を介して支持する構成とした多自由度微動位置決め装置を提案する。
また本発明では、請求項３において、前記縦横移動旋回支持機構は、平面上で相対的に自由運動可能な支持ユニットと、前記支持台と相対的に平面上で駆動させる構成とした複数の駆動手段とにより、前記ステージを縦横移動可能に、且つ旋回可能に支持する構成とした多自由度微動位置決め装置を提案する。
また本発明では、請求項４において、前記駆動手段は、前記支持台側に取り付け、駆動方向が前記平面と平行に駆動する直動軸を備えた直動アクチュエータと、前記ステージ側に取り付け、前記直動軸の駆動方向と直交する方向に配設した案内部材とこの案内部材に移動可能に配置した移動子と、この移動子と前記直動軸とを、前記平面と直交する軸周りに回動可能に連結する構成とした多自由度微動位置決め装置を提案する。
また本発明では、請求項５において、前記揺動支持機構は、前記中心軸を中心とする軸周りに所定間隔ごとに配設した第１、第２、第３の直動アクチュエータと、これら第１〜第３直動アクチュエータの駆動軸に、駆動軸に対して直交する軸周りに回動する軸受を介して揺動腕を連結し、この揺動腕先端に球面軸受を設けてこの球面軸受を介して前記支持台と共にステージを支持する構成とした多自由度微動位置決め装置を提案する。
また本発明では、請求項６において、前記第１〜第３直動アクチュエータにおける駆動軸の軸方向を、前記ステージに直交する中心軸に指向させる設定とした多自由度微動位置決め装置を提案する。
さらに本発明では、請求項７において、前記球面軸受は、揺動腕の先端を球状先端部として、この球状先端部を、保持器に多数の鋼球を介して支持すると共に、前記保持器を第１の外周部と第２の外周部とによって狭持して締結部材によって、一体的に固定する構成とし、これら第１外周部と第２外周部とは、前記支持台下面に突設した傾斜突部に取り付ける構成とした多自由度微動位置決め装置を提案する。
【０００６】
請求項１によれば、基台上でステージは、縦横移動旋回支持機構により縦横移動調節可能であり、且つ旋回可能であり、さらに、揺動支持機構により、ステージに直交する中心軸を中心に揺動調節可能であるので、より単純な構造で、多軸方向への位置決めが可能となる。
【０００７】
請求項２によれば、支持台上でステージは、縦横移動旋回支持機構により縦横移動調節可能であり、且つ旋回可能であり、さらに前記支持台は基台上で、揺動支持機構により、ステージに直交する中心軸を中心に揺動調節可能であり、多軸方向への位置決めが可能となる。
【０００８】
請求項３によれば、支持台側に配設した支持ユニットにより平面上の運動が阻害されることなく、複数の駆動手段により、ステージを縦横移動調節することができ、且つ旋回調節することができる。
【０００９】
請求項４によれば、支持台側に取り付けた直動アクチュエータを、選択的に、あるいは組み合わせて起動することで、直動軸を介して案内部材に保持した移動子を移動させて、ステージを調節することができる。
【００１０】
請求項５によれば、第１、第２、第３直動アクチュエータを、選択的に、あるいは組み合わせて起動することで、駆動軸を介して、揺動腕を変位させ、揺動腕先端の球面軸受を介して縦横移動旋回支持機構における支持台を、ステージに直交する中心軸を中心に揺動させて、ステージを揺動調節することができる。
【００１１】
請求項６によれば、第１〜第３直動アクチュエータによるステージの揺動調節の中心が決まり、調節手順の設定が容易となる。
【００１２】
請求項７によれば、球面軸受によって揺動支持機構の運動が阻害されることなく、縦横移動旋回支持機構における支持台を、ステージに直交する中心軸を中心に揺動させて、ステージを揺動調節することができる。
【００１３】
【発明の実施の態様】
以下、本発明にかかる多自由度微動位置決め装置につき、一つの実施の態様を挙げ、添付の図面に基づいて説明する。
図１、図２に多自由度微動位置決め装置１を示す。この多自由度微動位置決め装置１は、基台２上に縦横移動旋回支持機構３によって平面上で縦横に且つ旋回可能に支持されるステージ４を、ステージ４中心Ｏを通り、ステージに直交する中心軸Ｚを中心に揺動する揺動支持機構５を介して支持する構成としている。
【００１４】
前記基台２は、中央部を切り欠いて窓部２ａを形成している。また、前記ステージ４も、枠状に形成して、中央部を切り欠いて窓部４ａを形成している。
【００１５】
前記縦横移動旋回支持機構３は、図２に示すように支持台６に、支持台６の四隅近傍に配設した支持ユニット７により前記ステージ４を支持するようにし、支持台６の三方の縁近傍に沿って配設した駆動手段８により、ステージ４を縦横移動可能に、且つ旋回可能に支持する構成としている。
前記支持台６には、中央部を切り欠いて窓部６ａを形成している。かかる支持台６を、基台２上に前記揺動支持機構５を介して支持した際に、前記支持台６とステージ４における窓部６ａ，４ａと、基台２における窓部２ａが一致するように設定している。こうすることで基台２から支持台６、ステージ４に至るまで貫通空間を確保し、例えば光学機器の露光部を配置するスペースとして供するようにしている。
【００１６】
また前記支持ユニット７は、図３に示すように前記支持台６にステージ４を平面上で縦横移動可能に、且つ旋回可能に支持するために、詳細には図示しないが、例えば特開平９−１５５６６６号公報にて開示される支持ユニットと同等の構造を採用することができる。この場合の支持ユニットでは、例えば内側支持部材と、この内側支持部材を挟んで一体に結合した２つの外側支持板とを備え、内側支持板とそれぞれの外側支持板間に、保持部材に保持したボールを介装して、内側支持板と外側支持板を平面上で相対的に自由運動可能としている。
【００１７】
また前記駆動手段８は、前記支持台６側に取り付け、駆動方向が前記支持台６と平行に駆動する直動軸９ａを備えた直動アクチュエータ９と、前記ステージ４側に取り付け、前記直動軸９ａの駆動方向と直交する方向に配設した案内部材１０とこの案内部材１０に移動可能に配置した移動子１１と、この移動子１１と前記直動軸９ａとを、前記平面と直交する軸周りに回動変位するヒンジ部１２を介して連結する構成としている。
【００１８】
次に、以上のような縦横移動旋回支持機構３を介してステージ４を支持した支持台６を、基台２上に揺動可能に支持するための揺動支持機構５について説明する。
すなわち前記揺動支持機構５は、図１に示すように基台２、支持台６およびステージ４の中心Ｏを鉛直方向に貫く中心軸Ｚを中心に、略１２０°毎に前記基台２上に配設した第１、第２、第３の直動アクチュエータ１３、１４、１５と、これら第１〜第３直動アクチュエータ１３〜１５の駆動軸１３ａ、１４ａ、１５ａに、駆動軸１３ａ、１４ａ、１５ａに対して直交する軸周りに回動する軸受１６を介して揺動腕１７を連結し、揺動腕１７先端を球面軸受１８を介して前記支持台６に取り付けている。この際、前記揺動腕１７は、所定の仰角をもって保持されている（図５参照）。
【００１９】
前記第１〜第３直動アクチュエータ１３〜１５における駆動軸１３ａ、１４ａ、１５ａの軸方向は、前記基台２、支持台６およびステージ４の中心Ｏを鉛直方向に貫く中心軸Ｚで合流するように設定している。
前記軸受１６は、基台２の枠部に設けた案内リブ１９に移動可能に装着した軸受本体２０と一体構造である。かかる軸受本体２０を前記駆動軸１３ａ、１４ａ、１５ａ先端と連結している。
【００２０】
前記球面軸受１８は、例えば特開平８−３３８４２２号公報で開示する構成のものを採用することができる。すなわち、球面軸受１８は、揺動腕１７の先端を球状先端部２１として、この球状先端部２１を、保持器（図示省略）に多数の鋼球（図示省略）を介して支持すると共に、保持器を第１外周部２２ａと第２外周部２２ｂとによって狭持して締結部材（図示省略）によって、一体的に固定する構造としている。前記第１外周部２２ａと第２外周部２２ｂとは、前記支持台６下面に突設した傾斜突部２３に取り付けている。
かかる構成の揺動支持機構５により、前記第１〜第３直動アクチュエータ１３〜１５を起動することで、駆動軸１３ａ、１４ａ、１５ａを作動して、軸受本体２０を案内リブ１９上で動かし、揺動腕１７を介して前記縦横移動旋回支持機構３における支持台６を押し上げ変動させ、支持台６を介してステージ４を揺動変位させるようにしている。
なお、前記縦横移動旋回支持機構３における駆動手段８、揺動支持機構５における前記第１〜第３直動アクチュエータ１３〜１５は、コントロール装置（図示省略）におけるソフトウェアに基づき、適宜選択したり、組み合わせたりして動作させ、ステージ４を所望の位置に調節するようにしている。
【００２１】
以上のような多自由度微動位置決め装置１において、ステージ４は、縦横移動旋回支持機構３により、ステージ中央部の窓部４ａの中心Ｏを貫く中心軸Ｚを変位中心として、ステージ４と同平面上にて縦横に移動調節したり、旋回調節することができる。
また、揺動支持機構５における第１〜第３直動アクチュエータ１３〜１５を起動することで、駆動軸１３ａ、１４ａ、１５ａを作動して、軸受本体２０を案内リブ１９上で動かし、揺動腕１７を介して前記支持台６を押し上げ変動させ、前記ステージ４を、中心軸Ｚを中心に揺動調節することができる。
【００２２】
先ず前記縦横移動旋回支持機構３において、支持台６の三方の縁近傍に沿って配設した駆動手段８を個々に、選択的に、または組み合わせて、駆動することで、ステージ４を、ステージ中央部の窓部４ａの中心Ｏを貫く中心軸Ｚを変位中心として、同平面上にて縦横に移動調節したり、旋回調節することができる。
すなわち、直動アクチュエータ９を起動して、直動軸９ａを進退駆動させれば、移動子１１は案内部材１０上で移動し、支持台６の四隅近傍に配設した支持ユニット７の支えによって、一面上を、ステージ４が縦横に移動させ、また旋回させることができる（図７参照）。
【００２３】
そして、前記揺動支持機構５において、第１〜第３直動アクチュエータ１３〜１５を適宜、選択的にまたは組み合わせて起動することで、駆動軸１３ａ、１４ａ、１５ａを作動して、軸受本体２０を案内リブ１９上で動かし、揺動腕１７を介して前記支持台６を押し上げ変動させ、前記ステージ４を、中心軸Ｚを中心に揺動調節することができる（図２，図８参照）。
【００２４】
このように、多自由度微動位置決め装置１において、ステージ４は、一平面上において、縦横に移動調節したり、旋回調節するだけでなく、中心軸Ｚを中心に揺動調節することができるので、より単純な構造で、多軸方向への高精度な位置決めが容易となり、精密測定器具、精密加工機械、精密位置決め装置等、広範な利用が期待できる。
【００２５】
以上、本発明にかかる多自由度微動位置決め装置１について、一つの実施態様を示し、説明したが、前記多自由度微動位置決め装置１は、基台２に縦横移動旋回支持機構３を介して縦横に移動調節、旋回調節可能に支持台６を支持すると共に、前記支持台６に揺動支持機構５を介してステージ４を揺動調節可能に支持する構成とすることもできる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、縦横移動旋回支持機構と揺動支持機構の組み合わせで、より単純な構造で、多軸方向への高精度な位置決めが容易となり、精密測定器具、精密加工機械、精密位置決め装置等、広範な利用が期待できる。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる多自由度微動位置決め装置の一つの実施の形態を示す、概略平面図である。
【図２】図１に示す多自由度微動位置決め装置の側面説明図である。
【図３】図１に示す多自由度微動位置決め装置における縦横移動旋回支持機構の側面説明図である。
【図４】図１に示す多自由度微動位置決め装置における揺動支持機構の、要部側面説明図である。
【図５】図４に示す揺動支持機構の要部作用説明図である。
【図６】図４に示す揺動支持機構の要部作用説明図である。
【図７】本発明にかかる多自由度微動位置決め装置における縦横移動旋回支持機構による作用説明図である。
【図８】本発明にかかる多自由度微動位置決め装置における揺動支持機構による作用説明図である。
【符号の説明】
１                            多自由度微動位置決め装置
２                            基台
３                            縦横移動旋回支持機構
４                            揺動支持機構
５                            支持台
６                            ステージ
２ａ，５ａ，６ａ              窓部
７                            支持ユニット
８                            駆動手段
９                            直動アクチュエータ
９ａ                          直動軸
１０                          案内部材
１１                          移動子
１２                          ヒンジ部
１３                          第１直動アクチュエータ
１４                          第２直動アクチュエータ
１５                          第３直動アクチュエータ
１３ａ，１４ａ，１５ａ        駆動軸
１６                          軸受
１７                          揺動腕
１８                          球面軸受
１９                          案内リブ
２０                          軸受本体
２１                          球状先端部
２２ａ                        第１外周部
２２ｂ                        第２外周部
２３                          傾斜突部
【図１】
2004156679.tif 000003
【図２】
2004156679.tif 000004
【図３】
2004156679.tif 000005
【図４】
2004156679.tif 000006
【図５】
2004156679.tif 000007
【図６】
2004156679.tif 000008
【図７】
2004156679.tif 000009
【図８】
2004156679.tif 000010