JPH02136074A - 微動機構の残留振動抑制装置 - Google Patents

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〕 本発明は、超精密加工、半導体製造装置、電子顕微鏡等
のサブμｍオーダーの調節を必要とする装置に使用され
る微動機構において、その残留振動を抑制する微動機構
の残留振動抑制装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、各種技術分野においては、サブμｍオーダの微細
な変位調節が可能である装置が要望されている。その典
型的な例がＬＳＩ（大規模集積回路）、超ＬＳＩの製造
工程において使用されるマクスアライナ、電子線描画装
置等の半導体製造装置である。これらの装置においては
、サブμｍオーダーの微細な位置決めが必要であり、位
置決めの精度が向上するにしたがってその集積度も増大
し、高性能の製品を製造することができる。このような
微細な位置決めは上記半導体装置に限らず、電子顕微鏡
をはじめとする各種の高倍率光学装置や超精密加工装置
等においても必要であり、その精度向上により、バイオ
テクノロジ、宇宙開発等の先端技術においてもそれらの
発展に大きく寄与するものである。以下、このような微
細な位置決めを行なう微動機構を図により説明する。

第３図は従来の微動機構の側面図である。図で、１は適
宜な手段で固定された固定側剛体、２は固定側剛体１と
対向する移動側剛体、３，４はそれぞれ各剛体１，２を
それらの左右端で連結する弾性を有する平板である。各
平板３．４は互いに平行な関係にある。５は剛体１から
突出した突起、６は剛体２から突出した突起、７は突起
５，６間に装着された圧電アクチュエータである。圧電
アクチュエータ７は突起５．６に適宜の手段（後述する
）により固定される。８は平板４の所定個所に貼着され
たひずみゲージである。

圧電アクチュエータフに電圧を印加すると、圧電アクチ
ュエータ７が伸長して突起６を押圧する。

これにより、平板３．４は破線のように変形し、剛体２
は剛体１に対して図で右方に長さＵだけ並進変位する。

この変位量Ｕは圧電アクチュエータフに印加される電圧
により、サブミクロンオーダで調節することができる。

又、変位ｉｕはひずめゲージ８のひずみ量により知るこ
とができる。このような微細な位置決めを行なう微動機
構およびその動作の詳細は特開昭６１−２０９８４６号
公報に提示されている。

第４図は上記微動機構の制御装置のブロック図である０
図で、７は第３図に示す圧電アクチュエータを示す。９
は増幅器、１０は変位変換器、１１は減算器、１２は積
分補償回路、１３．１４は比例補償回路、１５は加算器
である。変位変換器１０は第３図に示すひずみゲージ８
を含んで構成され、第３図に示すように平板３．４が変
形したときのひずみゲージ８の抵抗値の変化を変位量ｕ
に相当する信号に変換する機能を備えている。

今、目標変位ｕ０に対応する信号が入力されると、この
信号は増幅器９で増幅され、圧電素子７に電圧が印加さ
れる。これにより、微動機構は第３図に示すように並進
変位Ｕを生じ、変位変換器１０からは変位ｉｕに相当す
る信号が出力される。

この信号は減算器１１に入力され目標変位ｕ０の信号と
の偏差が演算され、この偏差は積分補償回路１２、比例
補償回路１４を経て、比例補償回路１３を経た目標変位
と加算器１５で加算され、増幅器９に入力される。この
ようなフィードバック制御を行なうことにより、微動機
構の変位を目標変位ｕ０とすることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記のような微動機構においては、圧電アク
チュエータ７が約２００ＫＨｚの固有振動周波数を有す
るのに対して、その他の機構の固有振動周波数は約ＩＫ
Ｈｚであり、両者に大きな差が存在する。したがって、
圧電アクチュエータ７が作動したとき、その他の機構は
これに追従することができず、自身の重量による慣性力
が作用して残留振動を発生する。このため、いつまでも
機構が振動していて位置決めを行なうことができないと
いう問題があった。この問題を解決するため第５図に示
すような制御回路が提案されている。

第５図は残留振動を抑制する制御回路の回路図である。

図で、第４図に示す部分と同一部分には同一符号を付し
て説明を省略する。１６は微分補償回路、１７はローパ
スフィルタである。これら微分補償回路１６およびロー
パスフィルタ１７の機能について説明する。今、圧電ア
クチュエータ７に電圧を印加すると、剛体２はこれに応
じて変位し、その変位位置を中心として残留振動を発生
する。したかつて、変位変換器１０の出力信号Ｕも当該
残留振動に応じた正弦波状の信号となる。

この信号は減算器１１に人力されるとともに微分補償回
路１６にも入力され、微分補償回路１６においてその変
化分がとり出されるとともにその位相が９０＠進んだ信
号とされる。この信号はローパスフィルタ１７によりノ
イズを含む高周波信号が除去されて加算器１５に入力さ
れる。一方、積分補償回路１２の出力は出力信号Ｕに対
して位相が９０°遅れた出力となり、加算器１５に入力
される。このため、増幅器９に入力される信号は出力信
号Ｕの振動分が除去された平坦なレベル信号となる。し
たがって、この信号が圧電アクチュエータフに印加され
ると、圧電アクチュエータ７は、残留振動に対して、そ
の正方向の振動に対してはこれを引戻す力、負方向の振
動に対してはこれを押す力を発生していることになり、
これにより、残留振動を速やかに終息させることができ
る。

しかしながら、上記微動機構においては、圧電アクチュ
エータ７は突起５．６に接着固定されているのではなく
、くさびやばね等により圧力を加えて突起５．６間に挟
着されているに過ぎない（接着固定しない理由について
は後述する。）。

したがって、上記制御回路による制御中、機構の振動が
変位を大きくする方向（正方向）の振動の場合、圧電ア
クチュエータフにより突起６を引戻すことはできず、上
記制御回路による残留振動の抑制効果は半減してしまう
という問題が生じていた。このような問題は、圧電アク
チュエータ７を突起５．６に接着固定すれば解決できる
が、接着剤は以下の理由により使用することはできなか
った。

即ち、変位を発生させるための力の伝達経路中に接着剤
が介在すると、ミクロン又はサブミクロンオーダの変位
を行なわせる微動機構にとっては好ましくない影響を生
じることになる。これを第６図（ａ）、　　（ｂ、）に
より説明する。

第６図（ａ）、　　（ｂ）は圧電アクチュエータを作動
させたときのひずみゲージの出力を示す特性図であり、
横軸に圧電アクチュエータの印加電圧（■）、縦軸にひ
ずみゲージ出力（μｓｔ）がとっである。第６図（ａ）
は接着剤を使用せず、圧電アクチュエータ７を突起５．
６間に圧力を与えて挟着した場合の特性図である。圧電
アクチュエータフに電圧を印加すると圧電アクチュエー
タ７が伸長し平板３，４が変形して剛体２が変位し、ひ
ずみゲージ８にはこの変位に比例したひずみを生じ、変
位変換器１０にひずみゲージ出力が発生する。この状態
から圧電アクチュエータ７の印加電圧をＯまで減少させ
てゆくと、図示のようなヒステリシス特性を示す（この
ようなヒステリシス特性を有するため、第４図に示す制
御回路が不可欠のものとなる。）。これに対して第６図
（ｂ）は圧電アクチュエータ７を接着剤により突起５゜
６に固着した場合の特性図である。このように接着剤を
使用する場合も、圧電アクチュエータ７と突起５．６と
の間には予め圧力が与えられる。図示のように、圧電ア
クチュエータフに電圧を印加した後電圧を０に減少する
と、ひずみゲージ出力は、第６図（ａ）に示す特性とは
異なり、初期値に戻らず初期値以下となり、その後相当
時間経過して初期値に戻る。これは、圧電アクチュエー
タ７に電圧を印加したとき、圧電アクチュエータ７が延
びる過程で、突起５．６と圧電アクチュエータ７間の接
着剤が力を受けて圧縮され変形を生じていることであり
、この圧縮分だけ、予圧力が解除され、ひずみゲージ出
力が低下することに起因する。即ち、第６図（ａ）、　
　（ｂ）に示すように、たとえば電圧１００■時に生ず
る第６図（ａ）に示す場合の最大ひずみ出力２２００μ
ｓｔに比べて第６図（ｂ）に示す場合の最大ひずみ出力
は１８００μｓｔと小さくなる。そして、この状態から
電圧をＯに減少すると、接着剤の変形が生じていること
に起因して、ひずみゲージ出力は初期値より小さい値に
戻り、接着剤の変形が除々に解除された後、当初の初期
値に戻ることになる。このような現象は、°ミクロン又
はサブミクロンオーダの変位を行なう微動機構にとって
は、電圧Ｏのときのひずみ出力が一定とならないので、
その精度を著るしく低下させ、制御を困難にするという
許容し得ない欠陥となる。

又、圧電アクチュエータフに電圧を印加して微動機構を
駆動する場合、圧電アクチュエータ７と突起５．６との
間には大きな力が発生し、この力の大きさは最大で約１
００Ｋｇ／ｃｍ”に達する。

したがって、圧電アクチュエータフの固定に接着剤を用
いると、この接着剤が破壊されるおそれもある。

このように、圧電アクチュエータ７を接着剤で固定する
手段には大きな欠点があるため、通常、接着剤は使用さ
れず、圧電アクチュエータ７を突起５，６間にくさび等
により圧力を加えて挟着する手段が採用されている。こ
の手段によると、前述のようにひずみゲージ出力特性も
第６図（ａ）に示す特性となり、かつ、接着剤の破壊と
いう問題も生じないが、一方、前述のように残留振動を
充分に抑制し得ないという問題を生じるのである。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
残留振動を充分に抑制することができる微動機構の残留
振動抑制装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため、本発明は、固定側剛体と、
移動側剛体と、これら２つの剛体を連結する複数の弾性
部材と、この弾性部材に設けられたひずみゲージと、前
記２つの剛体間に装着された圧電アクチュエータとを備
え、前記ひずみゲージの出力と目標変位との間の偏差に
基づくフィードバック制御回路に、積分回路および微分
回路を介在させて前記移動側間す体の変位時における振
動を抑制する微動機構の残留振動抑制装置において、前
記圧電アクチュエータと前記２つの剛体とをそれぞれセ
メントで固着し、このセメントは、接着剤中に多数の弾
性充填材をこれら弾性充填材が前記圧電アクチュエータ
と前記２つの剛体のそれぞれとの間を実質的につないだ
状態で充填して構成したことを特徴とする。

〔作　用〕

圧電アクチュエータに電圧を印加すると圧電アクチュエ
ータは伸長する。この伸長による力は接着剤中の充填材
に順次伝達されて移動側剛体を押し、これを所定量だけ
変位させる。圧電アクチュエータに印加された電圧をＯ
にすると、機構も復帰するが、その場合充填材は機構の
復帰力によって圧縮されることはなく、機構は初期位置
に停止する。このような変位動作における変位時、ひず
みゲージからは機構の残留振動に応じた振動信号が出力
されるが、フィードバック制御回路中の積分回路および
微分回路の機能により振動分が除かれ、圧電アクチュエ
ータには所定レベルの電圧が印加されたままとなる。機
構と圧電アクチュエータとは上記充填材を有するセメン
トにより接着されているので、機構の振動に対して、変
位が大きくなる方向の振動の場合には機構は圧電アクチ
ュエータにより引戻され、変位が小さくなる方向の振動
の場合には機構は圧電アクチュエータにより逆方向の押
圧力を受け、振動は速かに消滅する。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る微動機構の残留振動抑制
装置における微動機構の側面図である。

図で、第３図に示す部分と同一部分には同一符号を付し
て説明を省略する。２０は圧電アクチュエータ７と各突
起５．６との間に介在して両者を固着するセメントであ
る。これらセメント２０による固着以外の構成は従来の
ものと同じであり、かつ、残留振動抑制の回路も同じで
ある。したがって、当該回路の図示は省略する。ここで
、センメト２０の詳細を第２図に示す。

第２図は第１図に示すセメントの一部の拡大図である。

セメント２０は接着剤２１およびその中に充填された多
数の充填材２２で構成されている。

接着剤２１としては、例えばヱポキシ系のものが用いら
れる。又、充填材２２としては大きな弾性を有する合成
樹脂で作られた種々の微小径の球形状のものが用いられ
る。これら充填材２２の混入量は、それらが混入された
状態において、接着剤２１の中で薄い接着剤層を介して
それらが圧電アクチュエータ７と突起５．６の配列方向
で実質的につながることができる程度に選定される。

このようなセメント２０で突起５，６に固着した圧電ア
クチュエータフに対して、剛体２を変位させるべ（電圧
を印加すると、圧電アクチュエータ７は伸長し、その伸
長による力は接着剤２１中の各充填材２２に順次伝達さ
れてゆき、最終的に突起５，６間にその力が作用して剛
体２を変位させる６次に、圧電アクチュエータフの電圧
を除くと、圧電アクチュエータ７は直ちに伸長前の状態
に戻り、又、剛体２、突起６も平板３，４のばね力によ
り初期位置に戻る。ここで、セメント２０における力の
伝達経路内に介在する接着剤層（隣接する充填材２２の
接触する部分に存在する接着剤層）の層厚は極めて薄く
、それらによる塑性変形は無視することができる。そし
て、剛体２、突起６が初期位置に戻ったとき、そのとき
機構に生じる圧縮力の大部分は弾性体である充填材２２
が受けもつこととなり、セメント２０に塑性変形を生じ
ることなく、これにより剛体２、突起６は初期位置に留
まる。即ち、第６図（ａ）に示す特性と同じ特性に沿っ
た動作となる。これにより、通常の接着剤を用いた場合
に生じる微動機構の精度低下は防止され、所期の制？ｆ
ｆ１ｌを実施することができる。一方、圧電アクチュエ
ータ７と機構とはセメント２０で固着されているので、
残留振動が生じても、それが変位を大きくする方向の振
動の場合には機構は圧電アクチュエータ７により引戻さ
れ、逆に変位を小さくする方向の振動の場合には機構は
圧電アクチュエータフにより押圧される。

これにより残留振動のｔｒｎ制効果は充分に発揮される
ことになり、残留振動を急速に消滅せしめることができ
る。

このように、本実施例は、圧電アクチュエータ７を挟着
手段によらずセメント２０で固定したことにより残留振
動を充分に抑制することができるが、挟着手段を用いな
いことにより、次のような効果も生じる。即ち、挟着手
段においては、その挟着は圧電アクチュエータ７の端面
と突起５，６の端面における多数の微小な突片との接触
によりなされるが、使用中、圧電アクチュエータフの大
きな力によりこれら突片が塑性変形又は摩滅し、挟着圧
力が低下する。このような挟着圧力の低下は微動機構に
不感帯が生じたことを意味し、当然ながら微動機構の変
位精度は低下し、制御も困難になる。しかし、本実施例
では、セメント２０を用いることにより挟着手段を用い
たことによる上記欠点を回避することができる。

なお、上記実施例の説明では、接着剤としてエポキシ系
接着剤を例示して説明したがこれに限ることはなく、種
々の接着剤の中から適宜選択することができる。又、充
填材として種々の微小径の球状の合成樹脂材料のものを
例示したが、適宜の同一径のものであつもよく、材料も
適宜の弾性を有する材料から選択することができ、さら
に形状も球形に限ることはなく、接着剤中で充填材が実
質的につながった状態にあればよい。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、接着剤中に、弾性を有
する充填材を実質的につながった状態で充填して成るセ
メントを用いて圧電アクチュエータと両１５１体とを固
着したので、変位時における機構の残留振動を充分に抑
制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１凹は本発明の実施例に係る微動機構の残留振動抑制
装置における微動機構の側面図、第２図は第１０に示す
セメントの一部の拡大図、第３図は従来の微動機構の側
面図、第４図は第３図に示す微動機構の制御装置のブロ
ック図、第５図は残留振動抑制の制御回路の回路図、第
６図（ａ）。 （ｂ）は圧電アクチュエータの特性図である。 １．２・・・・・・・・・剛体、３．４・・・・・・・
・・平板、５．６・・・・・・・・・突起、７・・・・
・・・・・圧電アクチュエータ、１２・・・・・・・・
・積分補償回路、１６・・・・・・・・・微分補償回路
、２０・・・・・・・・・セメント 第　１　図 錦 ３図 典 図 電ｒｆ（Ｖ） ＠圧（Ｖ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　固定側剛体と、移動側剛体と、これら２つの剛体を連
   結する複数の弾性部材と、この弾性部材に設けられたひ
   ずみゲージと、前記２つの剛体間に装着された圧電アク
   チユエータとを備え、前記ひずみゲージの出力と目標変
   位との間の偏差に基づくフイードバツク制御回路に積分
   回路および微分回路を介在させて前記移動側剛体の変位
   時における振動を抑制する微動機構の残留振動抑制装置
   において、前記圧電アクチユエータと前記２つの剛体と
   をそれぞれセメントで固着し、このセメントは、接着剤
   中に多数の弾性充填材をこれら弾性充填材が前記圧電ア
   クチユエータと前記２つの剛体のそれぞれとの間を実質
   的につないだ状態で充填して構成したことを特徴とする
   微動機構の残留振動抑制装置。