JPH02190793A

JPH02190793A - 微動載物台

Info

Publication number: JPH02190793A
Application number: JP1087089A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Takada; 高田　元弘
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-01-19
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1990-07-26
Anticipated expiration: 2013-05-28
Also published as: JP2758185B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、表面形状測定装置やレーザ！！Ｊｉ？ＩＩ
鏡などに用いられる微動載物台に係り、特に平行板ばね
を用いた微動載物台の可動範囲の改良に関する。

〔従来の技術〕

近年、高集積半導体素子の表面構造や、高密度焼結体、
ガラス、金属の材料表面の欠陥構造などを、微少領域ご
とに高分解能で観測するといったニーズが増加している
。

このような観測に用いられる微動載物台は、ステージが
移動に伴う姿勢の変化やヒステリシスの少ない高精度の
変位運動をするものであることが要求され、特開昭６０
−２１９５８４号公報などに示されるように、平行板ば
ねによりステージを弾性的に支持した構造が用いられて
いる。

この平行板ばねを用いた微動載物台は、第７８図に示す
ような構造が一般的である。すなわち、基台ｌ上に固定
された２個の固定ブロック２．３の両端部に厚みの薄い
長方形の２枚の板ばね４．５を橋渡しするように架設固
定して平行板ばね４．５が形成され、この平行板ばね４
゜５のそれぞれの中央部を橋渡しするようにステージ６
を架設固定して、ステージ６が２個の固定ブロック２．
３に対して２組の平行板ばねａ１，ａ２により弾性的に
支持固定されるようにしたものである。このステージ６
は、基台ｌに固定された積層形圧電素子などのアクチエ
エタフにより、平行板ばねａ１，ａ２に対して垂直な方
向、すなわちＹ方向に付勢され変位させられる。このス
テージ６上に載置した測定物は、アクチエエータ７の付
勢力の変化に伴ない２組の平行板ばねａ１，ａ２が弾性
変形することで、ステージ６とともに再現性のよい高精
度な変位連動を行なうことができるものである。

なお、このような微動載物台でＸ方向とＹ方向の移動を
行うときは、ステージ上に移動方向が直交するようにも
う一台の微動載物台が設置される。

（発明が解決しようとする課題〕だが、平行板ばねａ１，ａ２を用いた従来の微動載物台
は、平行板ばねに働く垂直方向の付勢力に応じて平行板
ばね自身の弾性変形（曲げとわずかな伸び）によりステ
ージの移動を許すものであるから、平行板ばねに永久歪
やヒステリシスの生じない領域内でステージを移動させ
る必要があり、ステージの可能範囲が大きくとれないと
いう問題点があった。

たとえば、平行板ばねａ１，ａ２の弾性変形部の長さを
ｌＯ鵬としたとき、板ばねの変形のうちイ申びに着目し
ただけでも、ステージを５０μｍ移動させるには板ばね
は０．１２μｍの伸びが必要であり、ステージを１００
μｍ移動させるには板ばねは０．５０μｍの伸びが必要
となる。だがこの伸びを確保するには過大な張力が平行
板ばねａ１，ａ２にｆ肋くことになり、基台ｌがたわむ
ことなどにより固定ブロック２．３が内側に引きこまれ
てステージ６の動きが直線状でなく円弧状になり、かつ
移動につれて沈んでしまうという問題点が生ずる。第９
図は、実際の測定例を示し、横軸にステージの移動量（
ａｍ）縦軸に移動によるステージの高さ方向の変位量（
μｍ）を示している。この例では、１１００ＩＩのステ
ージ移動において、ステージは高さＤ＝０．１μｍの円
弧状に移動してＨ−０，３９μｍだけ沈みこむものとな
っていることが示されている。

これらの事情からステージの可動端域は、高精度の変位
運動が要求される場合、きわめて狭い範囲でしか用いる
ことができないものとなっている。

この発明は、上記の問題点を克服し、高精度な変位運動
が維持される可動範囲のより広い微動載物台を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、次のような手段によって上記課題を解決し
目的を達成し・たちのである。

すなわら、基台と、基台に対して移動可能に設けられた
ステージと、基台に固定されステージに移動力を与える
ごとく設けられたアクチュエータとを有する微動載物台
において、ステージはステージの移動方向に平行に引い
た仮想の中心線に対して左右対象に設けられた４個の弾
性支持部材を介して基台上に支持され、これらの弾性支
持部材は、ステージの移動とともに曲げ弾性変形するこ
とにより、ステージの移動方向に平行な方向に変位する
部分と曲げ弾性変形によりステージの移動方向に直交す
る方向に変位する部分とをそれぞれ有するものである。

前記弾性支持部材において、曲げ弾性変形により前記ス
テージの移動方向に直交する方向に変位する部分は、前
記ステージの移動方向に平行な方向に変位する部分が取
りつけられているステージ側または基台側の部材に切込
みを入れることにより形成されていることが好ましい。

また、ステージの移動方向に直交する方向に配設された
２ｍの平行板ばね（ａ１，ａ２）のそれぞれの１端とス
テー、ジの移動方向に平行な方向に配設された２組の平
行板ばね（ｂ１，ｂ２）のそれぞれの１４とを互いに１
対１に連結させて、これらの平行板ばねの他端をそれぞ
れステージまたは基台に固定することにより、ステージ
を基台に対して弾性的に支持固定するようにしてもよい
。

（作用）このような手段を講じることにより、アクチュエータに
よるステージの移動とともにこのステージを支持する弾
性支持部材は、曲げ弾性変形することによりステージの
移動方向に変位する部分が変位するにしたがって張力が
発生し、ステージの移動方向に直交する方向に変位する
部分が曲げ弾性変形により変位するので、弾性支持部材
の伸び量はきわめてわずかとなる。したがってステージ
を支持する４個の弾性支持部材に過大な張力をかけるこ
となくステージを移動することができるので、広範囲の
移動においても直線性にすぐれかつ沈みこみのすくない
ステージ移動となる。

さらに、この弾性支持部材のうちステージの移動方向に
直交する方向に変位する部分を、弾性支持部が取付けら
れているステージ側または基台側の部材に切込みを入れ
ることにより形成すれば、ステージや基台との取付部と
弾性支持部材の少くとも一部を一体に形成することにな
るので、ステージ移動による沈みこみのより少くないよ
り高精度なステージ移動となる。

また、互いに直交するように配設された平行ばねの組を
それぞれ連結して基台に対してステージを弾性的に支持
するようにした場合は、ステージの移動とともに、その
移動方向に直交する方向に配設された平行板ばねが必要
な伸び量は、ステージの移動方向に平行な方向に配設さ
れた平行板ばねの曲げ変形によって充分に補償されるた
め、きわめてわずかとなる、したがってステージを支持
する４組の平行板ばねに過大な張力をかけることなくス
テージを移動することができ、きわめて直線性のよいか
つ沈みこみのすくないステージ移動が広範囲にわたって
可能となる。

【実施例〕

以下、実施例に基いてこの発明の詳細な説明する。

第１．２図は、この発明による微動載物台の第１実施例
を示す平面図とその正面図である。

従来の技術に記載した第７．８図の例と同一の部材には
同一の符号を付している。

図に示すように、基台１の上面には、ステンレス製の直
方体状の２個の固定ブロック２．３が間隔をあけて平行
にねじ固定されており、この２個の固定ブロック２．３
の両端部には、それぞれＴ字状のスリット８，８９．９
’をワイヤソーなとで形成することにより弾性変形部１
０．１０’　、１１．１１’およびその先端に設けられ
た板ばね取付は部１２．１２’　、１３．１３’がそれ
ぞれの固定ブロック２．３に対して一体に設けられてい
る。なお、基板１への固定ブロック２，３の取付は面は
、図において点線で示す形状をしており、弾性変形部と
板ばね取付は部が基台ｌに接触しないようにされている
。

そして、この板ばね取付は部１２．１２’間に板ばね４
を橋渡しするように架設固定し、板ばね取付は部１３．
１３’間に板ばね５を架設固定することで平行板ばね４
，５を形成している。なおこの例では、板ばね４．５と
して燐青銅板を用いている。この平行板ばね４，５のそ
れぞれの中央部を橋渡しするようにステージ６の両端部
を架設固定して、ステージ６が４個の板ばね取付は部１
２．１２’　、１３．１３’に対して２組みの平行板ば
ねａｌ、ｊ２により弾性的に支持固定されるようにして
いる。

この板ばね４．５を板ばね取付は部やステージに取付は
固定することは、押え板１４．１４’　。

１５．１５’　、１６．１７で板ばね４．５を上からは
さみこんでネジ１８で締めつけることにより行なわれて
いる。また、ステージ６には下側に開口した凹部１９が
形成されており、この凹部１９内に積層型圧電アクチュ
エータ７が配置され、ｌ端を基台にとめ板２０によって
固定され、他端をステージ６の側壁に螺着された調整用
接触子２１に当接している。

このアクチエニータフによるステージ６の移動方向（Ｙ
方向）に対して板ばね４，５は直交する方向に配設され
ており、ステージ６と板ばね取付は部１２．１２　’と
は板ばね４の２個の等しい長さの弾性変形部４−１．４
−２を介して、またステージ６と板ばね取付は部１３．
１３　’　とは板ばね５の２個の等しい長さの弾性変形
部５−１．５−２を介して、互いに支持結合されている
。そして固定ブロック２．３に設けられた弾性変形部１
０．１０’　、１１．１１’はステージ６の移動方向に
ほぼ平行な方向に配設されている。

別の表現をすれば、ステージ６は、ステージの移動方向
に平行でかつ基台１に対して垂直な方向に設けた架空の
中心面に対して、左右対称な支持構造により支持されて
いるということができる。

次に、この第１実施例の動作を説明する。

ステージ６がアクチエニータフの作動によりＹ方向に移
動すると、このステージ６の移動にともなってＸ方向に
配設された平行ばねａｌ。

ａ２には曲げ変形とともに張力が発生することになる。

この張力に応じて、固定ブロック２．３に設けられた弾
性変形部１０．１０’　、１１．１１’がそれぞれ内側
に曲げ弾性変形することにより、板ばね取付は部１２．
１２’　、１３．１３’を内側方向すなわちＸ方向に変
位させるので、平行ばねａｌ。

ａ２にかかる張力が過大になることなく適切な値に維持
される。

また、ステージ６の支持構造は移動方向（Ｙ方向）に引
いた中心線に対して左右対称であるために、板ばね４の
弾性変形部４−１と弾性変形部４−２にかかる張力は互
いに反対向きで等しく、また板ばね５の弾性変形部５−
１と弾性変形部５−２にかかる張力も同様であるから、
弾性変形部１０．１１と弾性変形部１０’　、　１１’
の左右の変位量も互いに反対向きに等しくなるから、ス
テージ６にはＹ方向への移動にともなうＸ方向へのプレ
は生じない。

この実施例の微動載物台について、実際の測定例を第３
図に示す、横軸はＹ方向のステージの移動量（μｍ）を
示し、縦軸はステージの移動によるステージの高さ方向
の変位量（ｐｍ）を示している。この例では、１００μ
ｍのステージの移動において、ステージは直線的に移動
し、ステージの沈みごみ量Ｈも０．０５μｍと極めて低
い値、！：ｆＸ９ており、第９図に示す従来例の測定結
果と比較して大幅に改善されていることがわかる。

このように、平行板ばねａ１，ａ２を取りつける固定ブ
ロックの板ばね取付は部にスリットを入れることにより
弾性変形部を一体に設けて平行板ばねにかかる張力を緩
和することの効果はいちじるしい、これは固定ブロック
と一体に形成された弾性変形部１０．１０’　、１１．
１１’が、ステージ６を支持している板ばね４．５の弾
性変形部４−１．４−２．５−１．５−２よりも弾性定
数が大きくて剛性があり、他のノイズを発生することな
く板ばねの弾性変形部にかかる張力を緩和するという役
割のみを忠実に果しているためと考えられる。

したがって、固定ブロックに形成するスリットの形状や
弾性変形部の形状はこの実施例に限定されることなく、
ステージを支持している平行板ばねにかかる張力を緩和
するように弾性変形するものであればよい、また、固定
ブロックの側に弾性変形部を設けずに、ステージ６にス
リットを入れて平行板ばねａ１，ａ２の取付は部を弾性
的に支持するようにすることもできる。

第４図は、この発明における第２実施例を示す平面図で
ある。第１図の例と同一の部材には同一の符号を付して
説明を省略する。

この第２実施例は、固定ブロック２２．２３と板ばね取
付は部材２４．２４’　、２５．２５’との間をそれぞ
れ連結する弾性変形部材２６．２６’　、２７．２７’
を押え板でネジとめすることにより外付けとした点のみ
が第１実施例と異なっている。この弾性変形部材２６．
２６’　、２７．２７’は、平行板ばねａｌ。

ａ２よりも弾性定数の大きな剛性のある板ばねが用いら
れており、アクチュエータの移動方向に平行な方向に配
設された平行板ばねｂ１，ｂ２を形成している。

第５図は、この発明の第３実施例を示す平面図である。

これまでの例と同一の部材には同一の符号を付して説明
を省略する。

この例は、第２実施例の変形例であるが基本的にはほぼ
同一の構造をなしている。

基台ｌ上に設けられた固定ブロック２８．２９の側面に
それぞれ板ばね３０．３１の中央部分を取付けて仮ばね
の両端を外方に延在させ、この板ばね３０．３１の端部
にそれぞれ板ばね取付は部材３２．３２’　、３３．３
３’が取付けられている。そしてステージ６の端面に中
央部を取付けられた板ばね４，５の外方に延在する端部
がそれぞれ対応する板ばね取付は部在３２．３２’　、
３３．３３’にｌ：ｌに取付けられている。

なお板ばね３０，３１は、板ばね４，５よりも弾性係数
が大きく、したがって剛性のあるものが用いられる。

これによりステージ６は、ステージの移動方向に平行に
引いた仮想の中心線に対して左右対象に設けられた４個
の弾性支持部材、たとえばそのうちの１個は板ばね４の
弾性変形部４−１と板ばね３０の弾性変形部３０−１と
を板ばね取付は部材３２で連結してなるもの、により支
持されていることになる。

また、別の表現をすれば、ステージ６の移動方向に直交
する方向に配設された２組の平行板ばねａ１，ａ２と、
ステージ６の移動方向に平行な方向に配設された２組の
平行板ばねｂｌ。

ｂ２とにより、ステージ６が基台１に対して弾性的に支
持されている。

いま、図示されていないアクチエエータを作動させるこ
とによりステージ６がＹ方向に移動すると、これに直交
する方向に配設された板ばね４．５の弾性変形部４−１
．４−２．５−１．５−２に曲げ弾性変形が生じるとと
もに張力が発生する。この張力により、ステージの移動
方向に平行な方向に配設された板ばね３０．３１の弾性
変形部３０−１．３１−１．３０−２．３１−２に曲げ
弾性変形が生じて板ばね取付部材３２．３２’　、３３
．３３’をそれぞれ内側に移動させる。

したがって、板ばね４，５の弾性変形部に生じる張力が
過大になることがなく、ステージ６の＋ｉｕ度な移動が
安定に維持され、その可動範囲が拡大される。

第６図は、この発明の第４実施例を示す平面図である。

この例は、これまでの実施例とは反対に、ステージ３３
の移動方向に平行な方向に配設された平行板ばねｂ１，
ｂ２によってステージ３４と仮ばね取付は部材３５．３
５’　、３６．３６’　との間を連結し、ステージの移
動方向に直交する方向に配設された平行板ばねａ１，ａ
２によって基台ｌ上に設けられた固定ブロック３７．３
８と板ばね取付は部材３５．３５’　、３６．３６’　
との間を連結しているものである。

この例においても、平行板ばねｂ１，ｂ２は平行板ばね
ａ１，ａ２よりも弾性係数の大きい剛性のあるものが用
いられる。

この実施例の動作は次のようになる。

ステージ３４がＹ方向に移動すると、平行板ばねｂ１，
ｂ２を介して板ばね取付は部材３５．３５’３６．３６
’がＹ方向に移動させられるから、平行板ばねａ１，ａ
２には曲げ弾性変形が生ずるとともに張力が発生する。

この張力により、平行板ばねｂ１，ｂ２に曲げ弾性変形
が生じて、板ばね取付は部材をそれぞれ外方に変位させ
るので、板ばねａ１，ａ２に生ずる張力が過大になるこ
とがなく、ステージ３４の移動が高精度に維持される。

したがってこの例は、第５図に示された微動載物台にお
いてステージをＸ方向に移動させた時の構成９作用とほ
ぼ同様の構成５作用をなすものということができる。

この発明は、これまでに示した実施例に限定されるもの
ではなく、多くの変形、変更を含むものである。

たとえば、ステージの支持構造はステージの移動方向に
平行かつ基台に対して垂直な仮想の中心面に対して左右
対称な構造１配置であれば（移動方向に直交する方向す
なわちＸ方向の分力は互いに相殺されるので）、平行板
ばねａｌ。

ａ２．ｂ１，ｂ２はそれぞれ厳格に移動方向に対して直
交１平行でなくてもよく、またそれぞれにおける平行度
や弾性変形部の長さにちがいがあってもよい。

また第３．第４実施例において平行板ばねａ１，ａ２の
端部と平行板ばねｂｌ、、ｂ２の端部とを板ばね取付は
部材を介さずに直接連結した一体の板ばねで構成するこ
ともできる。

更にまたステージをＹ方向に付勢する主アクチユエータ
の他にＸ方向に付勢するアクチュエータを設ければ、Ｘ
方向については広い可動範囲は得られないがＸ、Ｙ可動
ステージとすることができる。

〔発明の効果〕

この発明によれば、ステージと基台の間を支持している
弾性支持部材あるいは平行板ばねにおいて、ステージの
移動にともなって、ステージの移動方向に直交する方向
に変位する部分に発生する張力の増加が、ステージの移
動方向に平行な方向に変位する部分に生ずる変形により
防出されるので、過大な負荷のないステージ移動が可能
となり、高精度な移動を安定に維持することができ、可
動範囲の拡大ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明の微動載物台の第１実施例を
示す平面図と正面図、第３図は第１実施例におけるステ
ージの移動精度を示すグラフ、第４図はこの発明の微動
載物台の第２実施例を示す平面図、第５図はこの発明の
微動載物台の第３実施例を示す平面図、第６図はこの発
明の第４実施例を示す平面図、第７図、第８Ｕ！Ｊは従
来の微動載物台を示す平面図と正面図、第９図はこの従
来例におけるステージの移動精度を示すグラフである。１−・・−−一−−−・−・−基台６．３４　　　−・ステージ７　−−一−−−−−−−−−−・　　　　アクチュエ
ータａ　１．　　ａ　２．　　ｂ　１．　　ｂ２−−−
平行板ばね４−１．４−２．５−１．５−２．１０．　
ｔｏ’　、１１．１１’　、３０−１゜３０−２．３１
−１．３１−１−　　　−−・−弾性変形部２６．２６
’　、２７．２７’　　−・・・・−・−・−・・・・
−弾性変形部材８．８’、９．９’　　−・−・・−・
・・−・−スリット１２、１２’　、１３．１３’　　
−・・−・・−・−・−・−・・・・−板ばね取付は部
２４、　２４’　　、２５．２５’　　、３２．３２’
　　、３３．３３’　　、３５．３５’３６、３６’　
　−−−−・・・・・・−・−−−−−−−・・・・−
・・板ばね取付は部材″′［ステージ移動ｆ（Ｊｔｔｒｎ〕第　３　ヌ２ｏＯ［ステージ移動量（ｆｉ”）第　９　図第２　図慎５　図第６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基台と、基台に対して移動可能に設けられたステ
ージと、基台に固定され前記ステージに移動力を与える
ごとく設けられたアクチュエータとを有する微動載物台
において、前記ステージは、ステージの移動方向に平行に引いた仮
想の中心線に対して左右対象に設けられた４個の弾性支
持部材を介して、基台上に支持され、これらの弾性支持
部材は、ステージの移動とともに曲げ弾性変形すること
により、ステージの移動方向に平行な方向に変位する部
分とステージの移動方向に直交する方向に変位する部分
とをそれぞれ有することを特徴とする微動載物台。
（２）前記弾性支持部材の曲げ弾性変形により前記ステ
ージの移動方向に直交する方向に変位する部分は、前記
弾性支持部材における前記ステージの移動方向に平行な
方向に変位する部分が取付けられているステージ側また
は基台側の部材に切込みを入れることにより形成されて
いることを特徴とする請求項１に記載の微動載物台。
（３）基台と、基台に対して移動可能に設けられたステ
ージと、基台に固定され前記ステージに移動力を与える
ごとく設けられたアクチュエータとを有する微動載物台
において、ステージの移動方向に直交する方向に配設された２組の
平行板ばね（ａ１，ａ２）のそれぞれの１端が前記ステ
ージに固定され、ステージの移動方向に平行な方向に配
設された２組の平行板ばね（ｂ１，ｂ２）のそれぞれの
１端が前記基台に固定され、前記２組の平行板ばね（ａ
１，ａ２）のそれぞれの他端と前記２組の平行板ばね（
ｂ１，ｂ２）のそれぞれの他端とが互いに１対１に連結
されていることにより、前記ステージが前記基台に対し
て弾性的に支持固定されていることを特徴とする微動載
物台。
（４）基台と、基台に対して移動可能に設けられたステ
ージと、基台に固定され前記ステージに移動力を与える
ごとく設けられたアクチュエータとを有する微動載物台
において、ステージの移動方向に平行な方向に配設された２組の平
行板ばね（ｂ１，ｂ２）のそれぞれの１端が前記ステー
ジに固定され、ステージの移動方向に直交する方向に配
設された２組の平行板ばね（ａ１，ａ２）のそれぞれの
１端が前記基台に固定され、前記２組の平行板ばね（ａ
１，ａ２）のそれぞれの他端と前記２組の平行板ばね（
ｂ１，ｂ２）のそれぞれの他端とが互いに１対１に連結
されていることにより、前記ステージが前記基台に対し
て弾性的に支持固定されていることを特徴とする微動載
物台。
（５）前記２組の平行板ばね（ａ１，ａ２）のそれぞれ
の他端と前記２組の平行板ばね（ａ１，ａ２）のそれぞ
れの他端とを互いに１対１に連結する４個の連結部材を
有することを特徴とする請求項３または４に記載の微動
載物台。