JP2921915B2 - ロック機構 - Google Patents

ロック機構

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JP2921915B2
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和則 山崎
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はロック機構に関し、特に可動部材の位置決め
を行った後その位置で可動部材をロックするのに適した
ロック機構に関する。
制限的ではないが、微動機構を有する位置決めの機構
において、微動機構の調節可能範囲内まで対象物を移動
させた後、ロックするのに適した中程度の運動機構に用
いるのに適したロック機構である。
[従来の技術] 精密加工装置等において、加工対象物を受け取った
後、その位置を調整して固定したい場合がある。このよ
うな場合ロック装置が用いられる。
たとえば、半導体装置の製造において、半導体ウエハ
を露光装置に装架する場合は、半導体ウエハを空圧等に
よって搬送し、ウエハチャック上に配置し、真空チャッ
ク等で半導体ウエハをウエハチャックに固定する。とこ
ろが、この半導体ウエハの搬送、装着の間に、半導体ウ
エハがその所望位置からある程度ずれることはやむを得
ない。たとえば±1度弱の回転誤差が発生する。この露
光装置の位置決め精度が極めて高精度である場合、微動
調整装置ではこのようなずれを修正しきれない場合があ
る。たとえば秒以下の精度を持つ回転機構で何度という
回転を行なわせるのは無理が生じる。そこで、ある程度
粗い調整装置によって半導体ウエハを載せたウエハチャ
ックの位置を予備調整し、その位置でウエハチャックを
ロックすることが望まれる。また、半導体ウエハはその
規格によって厚さが400μm程度から800μm程度と変化
する。このように厚さの異なる半導体ウエハを装着した
状態でその表面を所定の高さにするためには、やはり数
百μm程度の調整を必要とし、調整後はロックするのが
好ましい。
このような位置調整は、一旦行った後は露光工程終了
まで固定しておけばよいので、ロック機構を設けるのが
便宜である。
このようなロック機構を構成する形式として、空圧・
液圧を利用したもの、電磁的力を利用したもの等が考え
られる。ところが、空気圧を利用したものは、法規制上
扱える圧力範囲が10kg/cm2以下と低く、結果として生じ
る力が1cm2で10kg以下と小さい。液圧を利用したもの
は1cm2で数百kgと十分高い力を発生することができる
が、液体の配管を必要とし、それに伴う液洩れの可能性
が生じる。半導体装置の製造工程等においては、油等に
よる汚染は厳重に管理しなければならないので、液圧駆
動ロック装置は用い難い。電磁的力を利用するものとし
て、たとえばボイスコイルモータ等があるが、力を発生
させている間、コイル等に電流を流す必要があり、電流
に伴って発熱を伴う。高精度の位置決め装置に発熱源を
配置すると温度変化を生じさせることになる。温度が変
化すると熱膨張により位置決め精度が変化してしまう。
すなわち、温度変化を生じると、望みの精度を得にくい
ことになる。
[発明が解決しようとする課題] 以上説明したように、従来の技術によれば、雰囲気を
汚染する心配なしに、十分高い力を発生することがで
き、かつ実質的な発熱を伴わない高精度のロック装置は
得られなかった。
本発明の目的は、汚染や発熱の問題を生じることなし
に、十分高い力を発生することのできるロック装置を提
供することである。
[課題を解決するための手段] 本発明のロック装置は互いに嵌合した状態で相対的に
運動可能な一対の部材と、前記一対の部材の一方に固定
され、電気的信号によって伸縮する圧電アクチュエータ
と、前記圧電アクチュエータに取り付けられ、圧電アク
チュエータが励起された時前記一対の部材の他方に当接
して摩擦によって前記一対の部材の相対的運動をロック
する接触部材を有する。
[作用] 圧電アクチュエータは、基本的には伸び縮みする瞬間
しか電流を必要とせず、静止した状態では積層間のリー
ク電流がわずかに流れるが、発熱はほとんど生じない。
圧電アクチュエータの発生する力は十分大きいので、確
実なロックができる。
[実施例] 第1図、第2図に本発明の実施例による、回転・並進
ロック装置を示す。第1図は平面図、第2図は断面図で
ある。十分高い剛性を有する円筒状のハウジング6の内
に、ロック機構を含んだ円板状プレートベース7が配置
されている。プレートベース7は、対象物を載置する構
造を有し、図示しないアクチュエータによって駆動さ
れ、第2図により明確に示されるように、円筒の軸方向
(Z方向)と円周方向(θ方向)とに移動できる構造で
ある。プレートベース7には4つの圧電アクチュエータ
1が90度間隔で取り付けられている。圧電アクチュエー
タはたとえば6mm角の積層型で数十kg程度の力を発生で
きるものである。各圧電アクチュエータ1は、その一端
をプレートベース7に固定され、他端を半径方向外側に
向かって駆動できる構造となっている。圧電アクチュエ
ータ1の他端側には、プレートベース7に固定された弾
性ヒンジ2が形成されている。
弾性ヒンジ2は、第3図に簡略化し、かつ拡大して示
すように、平行な薄板2aと2bが厚さ方向に弾性変形可能
に形成されており、対向する2辺の長さは等しく形成さ
れている。従って、対向辺は平行であり、矢印で示す一
方向にのみ弾性変形が容易に構成されている。従って、
圧電アクチュエータ1が矢印の方向に伸びようとする
と、弾性ヒンジ2a、2bが矢印方向に弾性変形し、シュー
5を押す構造となっている。なお、弾性ヒンジ2は矢印
方向以外には剛性が高く、ほとんど変形しない。このた
め圧電アクチュエータ1に横方向の力が印加されること
が防止されている。
第1図の構造では、シュー5と圧電アクチュエータ1
の中間に、距離を調整するための一対のウェッジ3、4
が設けられている。すなわち、圧電アクチュエータ1の
自由端に、第2ウェッジ4が結合され、その上にネジ8
によって直角方向に移動可能な第1ウェッジ3が係合し
ている。第2ウェッジ4は、弾性ヒンジ2の可動側に固
定され、圧電アクチュエータ1によって軸方向に駆動さ
れる。そして第2ウェッジ4の長面は軸と垂直な面に対
して傾いて形成されている。第1ウェッジ3は軸と垂直
な面に対して傾いた係合面を有し、第2ウェッジ4の面
を係合する。第1ウェッジがネジ8で移動されると、ウ
ェッジ4を圧電アクチュエータ1の軸方向に押す、また
はそれと逆の運動を行なう構造となっている。圧電アク
チュエータ1として、積層圧電素子等を用いた場合、長
さがばらついたり、層間の遊び等のため低電圧での特性
がばらつくことが多い。第1ウェッジ3を調整して圧電
アクチュエータ1に適度の予圧を与えると層間の遊びが
なくなり、特性を線形化することができる。また、与え
る電圧変化に対して得れる変位量、応力が均質化する。
シュー5はハウジング6の内壁に押し付けられる部材で
あるが、移動可能な状態ではハウジング6の内壁との間
に、数十μm程度のギャップを形成する。ロックする際
には、圧電アクチュエータ1を駆動して、弾性ヒンジ2
を変形させ、シュー5をハウジング6の内壁に押し付け
る。この動作に必要な電圧の絶対値は各電圧アクチュエ
ータによって異なるが、ウェッジ3、4によって所定の
与圧を生じさせた後に電圧駆動させれば特性のばらつき
は均質化される。
圧電アクチュエータ1は電圧駆動されることにより、
たとえば数十kg程度の十分高い力を発生し、摩擦力によ
ってハウジング6とプレートベース7とを固定する。
第1図、第2図に示す回転・並進ロック装置が、半導
体露光装置の一部を構成する場合の操作を以下に説明す
る。先ず、ネジ8によって第1ウェッジ3を圧電アクチ
ュエータの軸と垂直方向に動かし、その力を第2ウェッ
ジ4に伝えて、圧電アクチュエータ1の軸方向に第2ウ
ェッジ4を移動させ、圧電アクチュエータ1に所定の予
圧を与える。与える与圧を一定範囲に納めることによ
り、平行リンク構造の弾性ヒンジ2も一定範囲の変形を
生じる。このようにしてシュー5とハウジング6との隙
間を調整しておく。
次に、半導体ウエハをプレートベース7上のウエハチ
ャックに装填する。この際、半導体ウエハのオリエンテ
ーションフラットが円周方向に1度程度の位置ずれを生
じるとする。また、半導体ウエハの厚さは、その径等に
より数百μm異なる。この円周方向のずれと厚さ方向の
バラツキを所定の規格に合うように調整する。この調整
は図示しない2軸方向のアクチュエータ等によって実行
される。
位置決めがなされた後、圧電アクチュエータ1の駆動
電源をオンにする。圧電アクチュエータ1が伸び、その
伸びが弾性ヒンジ2に伝えられる。弾性ヒンジ2は平行
リンク構造を有し、圧電アクチュエータの軸方向以外の
移動は拘束されているが、圧電アクチュエータの軸方向
には弾性変形する。最終的に、弾性ヒンジ2に固定され
ているシュー5がハウジング6の内壁に達し、摩擦力で
接触点を不動のものとしてθとzの2方向をロックす
る。
圧電アクチュエータは、基本的には伸び縮みする間
は、電流が流れ電力を消費するが、変形を終えた後は、
積層間のリーク電流が流れる以外電流を要さない。この
ため発熱がほとんど発生しない。ロック装置の温度を変
化させないので、高い精度を実現しやすい。圧電アクチ
ュエータは、発生する力が大きいので、摩擦により確実
なロックを行うことができる。
以上、円筒状のハウジング内に円盤状のプレートベー
スが納められ、4方向に圧電アクチュエータが設けられ
た構造を説明したが、その他種々の構造を取ることもで
きる。
第4図(A)、(B)、(C)は、本発明の他の実施
例を概略的に示す。
第4図(A)は、円筒状のハウジング12内に円盤状の
可動部材11を配置し、可動部材11の3方向からハウジン
グ12に向かって圧電アクチュエータ1が突出する構造を
示す。3点で可動部材11をハウジング12に対してロック
することにより、可動部材11を固定化し、θ、Z方向等
に固定することができる。このようにロックする場所は
2軸方向以上あれば安定なロックが行なえる。
第4図(B)は、円形断面でなく、矩形断面を有する
ハウジングと可動部材の場合を示す。矩形平面上の可動
部材13が中空の角柱形状ハウジング14内に納められ、そ
の4辺上に圧電アクチュエータが設けられている。xy方
向の調整に適した構造である。動作はほぼ第1図の場合
と同様である。
第4図(C)は、軸方向の調整は行なわず、平面内方
向の位置合わせを行う場合を示す。平面状可動部材15
は、その面内方向に位置を調整し、ハウジング16の下面
に圧電アクチュエータ1によって押し付けられてロック
される。平面内の運動は1軸方向でも2軸方向でもよ
い。
以上微小変位を行なうステージ装置と結合されたロッ
ク装置を説明したが、本発明は微小変位に限られない。
たとえば円周方向に360度の調整を行なう場合であって
もよい。線形変位についても同様である。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明は
これらに制限されるものではない。たとえば、種々の変
更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明で
あろう。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、発熱を伴わ
ず、十分な力でロックすることができ、雰囲気を汚染す
る可能性の少ないロック装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
第1図は、回転・並進ロック装置を示す平面図、 第2図は、第1図に示す回転、並進ロック装置の断面
図、 第3図は圧電アクチュエータと弾性ヒンジを説明するた
めの概略図、 第4図(A)、(B)、(C)は、本発明の他の実施例
を示す概略図である。 図において、 1……圧電アクチュエータ 2……弾性ヒンジ 3……第1ウェッジ 4……第2ウェッジ 5……シュー 6……ハウジング 7……プレートベース 8……ネジ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−129578(JP,A) 実開 昭62−181389(JP,U) 実開 昭58−132630(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23Q 3/06 B23B 31/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに嵌合した状態で相対的に運動可能な
    一対の部材と、 前記一対の部材の一方に第1の端部が固定され、電気的
    信号によって伸縮する圧電アクチュエータと、 前記圧電アクチュエータの第2の端部と前記一対の部材
    の他方との中間に配置され、第1及び第2のウェッジを
    有するウェッジ構造体であって、該第2のウェッジは、
    前記圧電アクチュエータの第2の端部に結合され、該圧
    電アクチュエータの伸縮によってその伸縮方向に駆動さ
    れ、該伸縮方向に対して傾いた長面を有し、該第1のウ
    ェッジは、前記第2のウェッジの長面に係合する係合面
    を有する前記ウェッジ構造体と、 前記第1のウェッジに結合し、前記圧電アクチュエータ
    が励起された時前記一対の部材の他方に当接して摩擦に
    よって前記一対の部材の相対的運動をロックする接触部
    材と、 前記接触部材を、前記圧電アクチュエータの伸縮方向に
    変位可能に弾性的に支持し、伸縮方向以外の方向への移
    動を拘束する弾性ヒンジと を有するロック機構。
  2. 【請求項2】前記一対の部材が空洞を有する第1部材と
    前記空洞内に挿入された第2部材であり、前記相対的運
    動は所定方向の並進運動と前記所定方向の周りの回転運
    動であり、前記アクチュエータは少なくとも二軸方向に
    設けられている請求項1記載のロック機構。
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