(57)【要約】【課題】一枚のＸＹステージに対して、ＸあるいはＹ方向に入力した変位を縮小させた微小な変位を与え、かつ入力方向と直交する方向に与える変位を小さくすることができる位置決め機構を提供する。【解決手段】ＸＹステージ２の対角線Ｄ２を中心とした線対称となるようにスリット５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ及び連結部２ｂを、中心点付近２ａを除いて設ける。スリット５ａ，５ｃは対角線Ｄ２，Ｄ１に沿って設け、スリット５ｂ，５ｄは入力点３，４を有する辺に沿って設け、連結部２ｂはスリット５ｃに設ける。【選択図】  図１
2005010033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＸＹ軸平面上において位置合わせを行うＸＹステージを用いる位置決め機構において、
上記ＸＹステージは、上面形状が四角形の平板一枚で構成され、上記四角形の中心点付近を除いて第一乃至第三のスリットが形成され、
上記第一のスリットは、上記四角形の一方の対角線に沿って形成され、
上記第二のスリットは、上記四角形の他方の対角線を挟んで隣り合う各二辺とそれぞれ平行するように形成され、
上記第三のスリットは、上記他方の対角線において中心点よりも上記第二のスリットに近い側に形成され、
上記他方の対角線を挟んで隣り合う二辺にＸ方向及びＹ方向の入力点が設けられていることを特徴とする位置決め機構。
【請求項２】
前記第二のスリットと平行するように第四のスリットがそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１記載の位置決め機構。
【請求項３】
前記第三のスリットに連結部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置決め機構。
【請求項４】
前記ＸＹステージは上面形状が正方形の平板で構成され、
前記第一乃至第四のスリットは、前記他方の対角線を中心として線対称となるように設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の位置決め機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＸＹ軸平面上において位置合わせを行う位置決め機構に関し、特に、入力変位に対して出力変位が縮小される高精度かつ設計が容易な薄型の位置決め機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロマシン技術を応用した研究開発が活発に行われ、それに伴って微細加工機や検査装置の開発が活発に行われている。それらに用いられる顕微鏡や部品搭載機等のステージには、微小な位置決め機構が必要とされ、位置決め機構に関する従来技術として、特許文献１が挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−９９２２７号公報
【０００４】
この文献の段落番号「００１９」において、「ＸＹステージ機構７１は、加工槽７の内部底面にガイド取付台６１を取り付けるべく、Ｘ方向移動ステージ７３及びＹ方向移動ステージ７５を組み合わせた装置であって、両移動ステージ７３、７５は、図４に平面的に示したように、所定寸法の方形板７７の一回り内側に入った周部分に各２つのコ字状スリット７９及び直線状スリット８１を対向穿設して、板バネ的なヒンジ部８３によって四隅を支持される可動ブロック８５を形成し、この可動ブロック８５の対向側面に位置調整ボルト８７を螺着して成る、摩擦や遊びのない厳密な直線案内である。このＸＹステージ機構７１により、上記ガイド部材のＸ，Ｙ方向の位置調整、従って、ワイヤ電極２１（のストレート部）のＸ，Ｙ位置決め（心出し）を精度良く行うことができる。」と記載されている。すなわち、上記コ字状スリット７９と直線状スリット８１とを組み合わせることによって位置調整を行うことが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記特許文献１の図２及び図４から、このＸＹステージ機構７１は、Ｘ方向移動ステージ７３とＹ方向移動ステージ７５とを上下方向に重ね合わせてボルト等の部品（図中符号なし）で留めたものである。したがって、微小な位置合わせを行うためには、これらのステージ７３，７５を非常に高精度に重ね合わせる必要があるが、ボルト等の部品は遊びが大きく、高精度な位置合わせ（重ね合わせ）には不向きである。さらに、ボルト等の部品を用いて２枚のステージ７３，７５を組み合わせることにより、ボルト等の部品の遊びにより、一方のステージの変位が他方のステージの変位に少なからぬ影響を与えることとなる。また、一方向に対する位置調整機能を実現させるために、一枚のステージ上にてコ字状スリット７９と直線状スリット８１とを組み合わせるため、一枚のステージにつき一方向の位置調整機能しか持たせることができない。すなわち、このような形状のスリットによっては、一枚のステージにてＸ方向とＹ方向の両方向について位置調整機能を持たせることができない。また、複数枚のステージを組み合わせることにより厚さが増大し、位置決め機構が大型なものとなってしまっていた。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するものであり、設計が容易であり、一枚のＸＹステージに対して、ＸあるいはＹ方向に入力した変位を縮小させた微小な変位を与え、かつ入力方向と直交する方向に与える変位を小さくすることができる薄型の位置決め機構を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の位置決め機構は、ＸＹ軸平面上において位置合わせを行うＸＹステージを用いる位置決め機構において、上記ＸＹステージは、上面形状が四角形の平板一枚で構成され、上記四角形の中心点付近を除いて第一乃至第三のスリットが形成され、上記第一のスリットは上記四角形の一方の対角線に沿って形成され、上記第二のスリットは上記四角形の他方の対角線を挟んで隣り合う各二辺と平行するように形成され、上記第三のスリットは上記他方の対角線において中心点よりも上記第二のスリットに近い側に形成され、上記他方の対角線を挟んで隣り合う二辺にＸ方向及びＹ方向の入力点が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、入力点がＸ方向又はＹ方向に押されることで変位エネルギーが入力されると、第一のスリット及び第三のスリットにより、中心点の変位において入力方向と並行な成分に対する直交する成分の比を抑制し、第二のスリットにより入力変位に対する中心点の変位の割合を縮小させることとなる。また、一枚のＸＹステージによってＸ軸及びＹ軸の両方向についての位置決めを実現することができる。
【０００９】
また、本発明の請求項２記載の位置決め機構は、請求項１記載の発明を前提として、前記第二のスリットと平行するように第四のスリットがそれぞれ形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項３記載の位置決め機構は、請求項１又は請求項２記載の発明を前提として、前記第三のスリットに連結部が形成されていることを特徴とする。ここで、連結部とは、第三のスリットが他方の対角線上に並ぶ複数のスリットから成るときの各スリット間の板部分をいう。
【００１１】
これらの発明によれば、第四のスリットを形成したり第三のスリットに連結部を形成することにより、中心点の変位において入力方向と並行な成分に対する直交する成分の比をさらに抑制することとなる。
【００１２】
また、本発明の請求項４記載の位置決め機構は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発明を前提として、前記ＸＹステージは上面形状が正方形の平板で構成され、前記第一乃至第四のスリットは、前記他方の対角線を中心として線対称となるように設けられていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、ＸＹステージの上面が正方形状であり、スリットが線対称となるように設けられているため、位置決め機構の設計時において、Ｘ軸方向についての動作とＹ軸方向についての動作とを同様に考えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を引用しながら説明する。
【００１５】
本実施の形態の位置決め機構の概観図を図１に示す。位置決め機構１は、ＸＹステージ２、Ｘ方向入力点３及びＹ方向入力点４とからなり、中心点付近２ａに部品等の目的物を配して使用される。入力点３，４をＸ方向あるいはＹ方向に所定の力で押圧することにより、ＸＹステージ２に変位エネルギーが入力されて中心点付近２ａが変位し、目的物の位置が変わる。この変位エネルギーを任意に制御することにより、位置決めが行われる。入力点３，４への押圧手段の例としては、アクチュエータ等が挙げられる。ＸＹステージ２は、上面形状が正方形の平板１枚からなり、他方の対角線Ｄ２を中心として線対称となるようにかつ正方形の中心点付近２ａを除いて、複数のスリット５が設けられている。本実施の形態において、ＸＹステージ２はアルミニウム製であり、上面形状の正方形は一辺の長さが１００ｍｍ、厚みは２．５ｍｍである。第一のスリット５ａは一方の対角線Ｄ１に沿って形成され、第二のスリット５ｂは他方の対角線Ｄ２を挟んで隣り合う二辺と平行するように各二辺に沿って形成され、他方の対角線Ｄ２において中心点Ｏよりも第二のスリット５ｂに近い側に第三のスリット５ｃが形成され、第三のスリット５ｃに連結部２ｂが形成され、第四のスリット５ｄは第二のスリット５ｂに平行するように形成されている。第三のスリット５ｃは、他方の対角線Ｄ２上に並ぶ複数のスリット５ｃ１，５ｃ２の間（間の板部分）が連結部２ｂとなっている。第三のスリット５ｃは、ＸＹステージ２の角部まで及んで切り欠かれている。他方の対角線Ｄ２を挟んで隣り合う二辺のうち第二のスリット５ｂが形成される側の二辺には、Ｘ方向およびＹ方向の入力点３，４が設けられている。すなわち、平板状のＸＹステージ２において、図１の上下二辺に平行する方向をＸ方向とし、左右二辺に平行する方向をＹ方向とし、入力方向がＸ方向及びＹ方向に平行し、かつ中心点Ｏにおいて入力方向が直交するように、入力点３，４が設けられている。
【００１６】
このＸＹステージは図示しない固定手段により固定されて使用される。中心点Ｏは、Ｘ方向及びＹ方向の入力によるＸＹステージの変形（歪みやたわみ）により入力方向に変位し、入力の解除又は減少によるＸＹステージの形状復元（歪みやたわみの復元）により入力方向とは逆方向に変位する。図１中のＸＹステージ２の右下端、左下端及び左上端の３点を固定とし、ＸＹステージ２に対するＸ方向の入力変位をδｘｉ、Ｙ方向の入力変位をδｙｉとし、中心点ＯのＸ方向の変位（出力変位）をδｘｏ、Ｙ方向の変位（出力変位）をδｙｏとする。また、変位縮小率αｘ、αｙを数１及び数２に定義する。微小な位置決めを行うためには、外部からの入力変位δｘｉ，δｙｉに対し、出力される中心点Ｏの変位δｘｏ，δｙｏができるだけ抑制されることが望ましいため、変位縮小率αｘ，αｙの値は小さいほうが望ましい。
【００１７】
【数１】
2005010033.tif 000003
【００１８】
【数２】
2005010033.tif 000004
【００１９】
本実施の形態のＸＹステージ２は、上面形状が正方形でありかつスリット５の位置が他方の対角線Ｄ２を軸とする線対称となるように形成されているため、Ｙ方向に関する動作はＸ方向に関する動作を９０°回転させたものと考えることができる。すなわち、一枚のＸＹステージ２によってＸ方向とＹ方向との２方向についての位置合わせを実現させるためには、どちらか１方向についてのみ検討すれば足りることとなるため、設計が容易に行われる。また、以降の議論においては、変位縮小率αを数３にて定義し、Ｘ方向に関する動作についてのみ述べることとする。
【００２０】
【数３】
2005010033.tif 000005
【００２１】
一方、Ｙ方向の入力変位δｙｉによるＸ方向の変位δｘｏへの影響が大きい場合、Ｘ方向とＹ方向とでそれぞれの独立性が損なわれることとなり、位置合わせ作業が著しく煩雑なものとなる。ここで、Ｘ方向の出力変位δｘｏに対するＹ方向の出力変位δｙｏの変位比βを数４で定義する。
【００２２】
【数４】
2005010033.tif 000006
【００２３】
数１、数２及び数４から、変位比βの値を小さくすることにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向をそれぞれ独立して変位制御することが可能になる。
【００２４】
以下に、第一乃至第四のスリット５ａ，５ｂ，５ｃ（５ｃ１，５ｃ２），５ｄ及び連結部２ｂの機能及びそれらの最適化について説明する。
【００２５】
（第一のスリット及び第三のスリット）
本実施の形態のスリット５ａ，５ｂ，５ｃ（５ｃ１，５ｃ２），５ｄにおいて、第一のスリット５ａ及び第三のスリット５ｃ（５ｃ１，５ｃ２）は、入力変位δｘｉが中心点Ｏに対して直接的に機能する目的で設けられている。図２（ａ）に示されるような第一のスリット５ａ及び第三のスリット５ｃ（５ｃ１，５ｃ２）が設けられたＸＹステージ１０２と、図２（ｂ）に示されるようなスリット５ａ，５ｂ，５ｃ（５ｃ１，５ｃ２），５ｄが設けられていないＸＹステージ２０２とに対してＦＥＭ解析を行った結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】
2005010033.tif 000007
【００２７】
表１から、スリット５が設けられていないＸＹステージ２０２に比べて、第一のスリット５ａ及び第三のスリット５ｃ（５ｃ１，５ｃ２）が設けられたＸＹステージ１０２は、変位縮小率αの値が若干増加しているものの、変位比βの値が大幅に減少していることがわかる。すなわち、第一のスリット５ａ及び第三のスリット５ｃ（５ｃ１，５ｃ２）は、直交方向の変位を抑制するのに有効であると言える。
【００２８】
（第二のスリット）
第二のスリット５ｂは、変位縮小率αを減少させる目的で設けられている。図３に示される第一のスリット５ａと第二のスリット５ｂと第三のスリット５ｃとが設けられているＸＹステージ３０２について、第二のスリット５ｂとＹ軸との距離Ｓａを変数としてＦＥＭ解析を行った。その結果を図４に示す。なお、Ｘ軸に平行に形成される第二のスリット５ｂとＸ軸との距離は、上記距離Ｓａと常に同じ値であることとし、第二のスリット５ｂの長さＬｂは、数５で定義した。
【００２９】
【数５】
2005010033.tif 000008
【００３０】
図４及び表１から、第二のスリット５ｂがないＸＹステージ１０２の変位縮小率α（表１より０．５１４）に比較して、第二のスリット５ｂが形成されたＸＹステージ３０２の変位縮小率α（図４より０．４未満）が低減されていることが確認される。また、図４から、第二のスリット５ｂとＹ軸との距離Ｓａの増加に伴って変位縮小率αは単純減少し、Ｙ軸との距離Ｓａが大きいほど好ましいことが確認される。また、変位比βは、距離Ｓａが４０ｍｍ以下の領域においては増加するが、距離Ｓａが４０ｍｍ以上の領域においては逆に減少する傾向が示されている。したがって、変位縮小率αを減少させかつ変位比βをできるだけ増加させないようにするためには、距離Ｓａを４０ｍｍ以上とすることが望ましいと考えられる。
【００３１】
（第四のスリット）
第四のスリット５ｄは、主に、変位比βをさらに減少させる目的で設けられている。図５に示される第一乃至第四のスリット５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが設けられているＸＹステージ４０２について、第四のスリット５ｄとＹ軸との距離Ｓｂを変数として、変位縮小率α及び変位比βをＦＥＭ解析にて検証した。その結果を図６に示す。なお、第二のスリット５ｂとＹ軸との距離ＳａあるいはＸ軸との距離は４５ｍｍとし、第二のスリット５ｂの長さは数５により７８ｍｍとした。第四のスリットが無い場合（図４のＳａ＝４５）と比較して、第四のスリット５ｄによる変位縮小率αへの影響はほとんどないことが確認される。また、図６において、変位縮小率αはほぼ一定の値を示していることから、距離Ｓｂによる変位縮小率αへの影響もほとんどないことが確認される。一方、変位比βは、距離Ｓｂが２０ｍｍのときの値をピークとした複雑な挙動を示しているが、第四のスリット５ｄが無い場合（図４のＳａ＝４５）と比較すると、第四のスリット５ｄが第二のスリット５ｂに近い位置のときに変位比βが減少しており、直交方向の変位を抑制する機能を果たしていることが分かる。したがって、第四のスリット５ｄは第二のスリット５ｂに近接して設けられることが望ましい。
【００３２】
（連結部）
連結部２ｂは、直交方向への影響を中心点Ｏに対して二重に干渉させることによって、変位比βを減少させる目的で設けられている。この連結部２ｂとＹ軸との距離Ｓｃを変数として、変位縮小率α及び変位比βをＦＥＭ解析にて検証した。その結果を図７に示す。なお、第二のスリット５ｂとＹ軸との距離ＳａあるいはＸ軸との距離は４５ｍｍとし、第四のスリット５ｄとＹ軸との距離ＳｂあるいはＸ軸との距離は４０ｍｍとし、各スリット５ｂの長さは数５によって定義されるものとした。また、比較のために、図８（ａ），（ｂ）に示すような第一のスリット５ａに連結部２ｂを設けたＸＹステージ５０２，６０２についても、同様の検証を行った。その結果を図９，図１０に示す。図７，図９，図１０より、変位縮小率αは連結部２ｂの位置に関わらずほぼ一定値を示すことが分かる。一方、変位比βは、連結部２ｂを設けるスリット５ａ，５ｃによってそれぞれ異なるグラフ形状を呈する。連結部２ｂ無しの場合（図６）と図７との比較において、距離Ｓｃが約２９ｍｍ以上約３８ｍｍ以下の範囲では小さい値となっており、スリット５ｃに設けた連結部２ｂが有効に機能していることが分かる。特に、Ｙ軸との距離Ｓｃが３５ｍｍ付近において極小値を示している。また、連結部２ｂ無しの場合（図６）と図９及び図１０との比較において、連結部２ｂを形成することにより変位比βが大きな値をとっており、連結部２ｂは有効に機能しておらず、連結部２ｂは第三のスリット５ｃに設けると有効であることが分かる。
【００３３】
（最適化）
以上において、各スリット５ａ，５ｂ，５ｃ（５ｃ１，５ｃ２），５ｄ及び連結部２ｂのそれぞれの機能が確認された。次に、各スリット５ａ，５ｂ，５ｃ（５ｃ１，５ｃ２），５ｄの位置及び連結部２ｂの位置について最適化を行う。最適化問題は、表２で表される。
【００３４】
【表２】
2005010033.tif 000009
【００３５】
まず、変位縮小率αと変位比βに関して実験計画法にて効率の良い設計点を選択する。ここで、要因３、水準３、選択基準はＤ最適基準とした。次に、求められた各設計点に対してＦＥＭ解析を行う。このようにして採取されたデータを基に応答曲面法を用いて変位縮小率αと変位比βの近似式を作成した。なお、応答曲面の型は数６に示す２次多項式とした。次に、上記問題に対して遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いて最適化を行う。ＧＡのパラメータは、人口５０、交叉率７０％、突然変異率１．０％と設定した。この手法によって得られた応答曲面を表３に示し、また、求められた近似解を表４に示す。
【００３６】
【数６】
2005010033.tif 000010
【００３７】
【表３】
2005010033.tif 000011
【００３８】
【表４】
2005010033.tif 000012
【００３９】
この解を基にして図１１の要素分割にて再度ＦＥＭ解析を行った結果、距離Ｓａ＝４５ｍｍ，距離Ｓｂ＝３９．９ｍｍ，距離Ｓｃ＝３７．２ｍｍの場合において、変位縮小率αは０．００８９９、変位比βは０．０００２４３となった（表５）。したがって、表２において示した目的は達成されたといえる。
【００４０】
【表５】
2005010033.tif 000013
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態におけるＸＹステージ２は、変位縮小率αすなわち入力変位δｘｉ，δｙｉに対する中心点Ｏの変位δｘｏ，δｙｏの比を百分の一以下にし、かつ変位比βすなわち直交方向への影響を千分の一以下にすることができる。
【００４２】
本発明は、本実施の形態におけるＸＹステージ２の大きさや形状を限定するものではなく、各スリット５ａ，５ｂ，５ｃ（５ｃ１，５ｃ２），５ｄの本数を変更したものや、各スリット５ａ，５ｂ，５ｃ（５ｃ１，５ｃ２），５ｄ及び連結部２ａ等の構成が相似形状であるものは本発明に含むものとする。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、一枚の平板にスリットや連結部を設けることにより、入力した変位を縮小させた微小な変位を与え、かつ入力方向と直交する方向に与える変位を小さくすることができる。したがって、部品等の目的物をＸＹステージの中心付近に配することで、目的物の高精度な位置合わせを行うことができる。また、それぞれのスリットが持つ機能が明らかであるため、効率のよい設計あるいは設計変更を行うことができる。また、一枚の平板にてＸ軸方向とＹ軸方向との位置合わせを行うことが可能であるため、位置決め機構の薄型化を図ることができる。
【００４４】
また、位置決め機構のＸＹステージの上面形状が正方形で、ＸＹステージに設けられたスリットが、ＸＹステージの上面を形成する正方形の一本の対角線（上記実施の形態では他方の対角線）を中心として線対称となるように設けられた場合は、位置決め機構の設計時において、Ｘ軸方向についての動作とＹ軸方向についての動作とを同様に考えることができる。したがって、一枚の平板にてＸ軸方向とＹ軸方向との位置合わせを行う位置決め機構の設計において、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向のどちらかについて設計を行えばすむこととなり、設計の簡略化を図ることができる。
【００４５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の位置決め機構の概観図
【図２】（ａ）は第一のスリット及び第三のスリットが設けられたＸＹステージの上面図、（ｂ）はスリットが設けられていないＸＹステージ
【図３】第一のスリットと第二のスリットと第三のスリットとが設けられているＸＹステージの上面図
【図４】第二のスリットの機能解析結果を示すグラフ
【図５】第一乃至第三のスリットが設けられているＸＹステージの上面図
【図６】第四のスリットの機能解析結果を示すグラフ
【図７】連結部の機能解析結果を示すグラフ
【図８】（ａ）は第一のスリットの上方側に連結部を設けたＸＹステージの上面図、（ｂ）は第一のスリットの下方側に連結部を設けたＸＹステージの上面図
【図９】比較例として設けた連結部の機能解析結果を示すグラフ
【図１０】他の比較例として設けた連結部の機能解析結果を示すグラフ
【図１１】要素分割を示す図
【符号の説明】
１    位置決め機構
２    ＸＹステージ
２ａ  中心点付近
２ｂ  連結部
３    Ｘ方向の入力点
４    Ｙ方向の入力点
５ａ  第一のスリット
５ｂ  第二のスリット
５ｃ，５ｃ１，５ｃ２  第三のスリット
５ｄ  第四のスリット
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２    ＸＹステージ
δｘｉ  Ｘ方向の入力変位
δｘｏ  中心点のＸ方向の変位
δｙｉ  Ｙ方向の入力変位
δｙｏ  中心点のＹ方向の変位
Ｄ１  一方の対角線
Ｄ２  他方の対角線
α，αｘ，αｙ  変位縮小率
β    変位比
Ｏ    中心点
Ｓａ  第二のスリットとＹ軸との距離
Ｓｂ  第四のスリットとＹ軸との距離
Ｓｃ  連結部とＹ軸との距離
【図１】
2005010033.tif 000014
【図２】
2005010033.tif 000015
【図３】
2005010033.tif 000016
【図４】
2005010033.tif 000017
【図５】
2005010033.tif 000018
【図６】
2005010033.tif 000019
【図７】
2005010033.tif 000020
【図８】
2005010033.tif 000021
【図９】
2005010033.tif 000022
【図１０】
2005010033.tif 000023
【図１１】
2005010033.tif 000024