JPH03115892A - 微動機構 - 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、半導体製造装置、を子顕微鏡等の微細な変位
調節を必要とするものに使用される微動機構に関する。

〔従来の技術〕

近年、各種技術分野においては、サブμｍのオーダーの
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スクアライナ、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。

従来、このような徽細な位置決めを行なう微動機構は、
例えば「機械設計」誌、第２７巻第１号（１９８３年１
月号）の第３２頁乃至第３６頁に示されるような種々の
型のものや、特公昭５７一５０４３３号公報に記載の型
のものが提案されている。前者の微動機構は支持台に２
つの平行な板状ばねにより微動テーブルを連結し、アク
チュエータで微動テーブルを押圧駆動する、：とにより
これを並進変位せしめるように構成されている。又、後
者の微動機構は、円柱状の中央固定部とこれを囲むリン
グ状のステージとの間に、放射状に複数のバイモルフ形
圧電素子が設けられ、このバイモルフ膨圧！素子を駆動
することによりステージを回転変位せしめるように構成
されている。

さらに、特開昭６１−２０９８４６号公報には微動機構
として、並進変位を発生させる平行たわみ梁変位機構お
よび回転変位を発生させる放射たわみ梁変位機構が提案
されている。平行たわみ梁変位機構は、中央の剛体部と
その両側の剛体部とをそれぞれ互いに平行なたわみ梁で
連結し、中央の剛体部と両側の剛体部との間にアクチュ
エータを設け、このアクチュエータを駆動することによ
り中央の剛体部を並進変位させるように構成されている
。又、放射たわみ梁変位機構は、中央の剛体部とその両
側の剛体部とをそれぞれ放射状に延びたたわみ梁で連結
し、中央の剛体部と両側の剛体部との間にアクチュエー
タを設け、このアクチュエータを駆動することにより中
央の剛体部を回転変位させるように構成されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の微動機構は、それぞれｌ軸方向の並進変位や
１軸まわりの回転変位を得ることはできるが、２軸以上
の並進変位や回転変位を得ることはできず、それを得る
ためには上記微動機構を立体的に複数個組合せねばなら
ｆ、ｆい。ところが、このように複数のユニットを組合
せた場合には、被位置決め部材の荷重が、それが載置さ
れている側のユニットの板状ばねやたわみ梁に変形を生
ぜしめ、又、被位置決め部材と当該ユニットの荷重が他
方のユニットの板状ばねやたわみ梁に変形を生ぜしめ、
このためそれらユニットの変位に影響を及ぼし、位置決
めの精度が低下するという問題があった。さらに、ユニ
ットの組合せにより全体構造が複雑かつ大形化するとい
う問題もあった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、立体的
な組合せ１遣とすることな（２軸の並進変位、および回
転変位を得ることができ、ひいては位置決め精度を向上
せしめることができ、さらに全体を小形に構成するこ止
ができる微動機構を提供するにある３ 〔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、内部に空間を有
する平板状の１つの固定部材と、前記空間のほぼ中央に
位置し微動対象部材が！！置される平板状の１つの出力
部材と、アクチュエータにより駆動されかつ互いに位置
をずらして配置された３つの入力部材と、これら各入力
部材と前記出力部材との間に介在する３つの中間部材と
、前記出力部材の垂直軸に平行な軸を有するとともに前
記固定部材、前記各入力部材、前記各中間部材および前
記出力部材を同一平面内でそれぞれ順次連結する角柱ヒ
ンジとにより微動機構を構成したことを特徴とする。

〔作　用〕

アクチュエータを励起すると、入力部材が固定部材との
間の角柱ヒンジにより回動し、その変位は、他の角柱ヒ
ンジ、中間部材、角柱ヒンジを順に介して出力部材に伝
達される。各アクチュエータの励起を制御することによ
り、出力部材に１つの平面内での並進変位および当該平
面内での回転変位を与えることができる。

〔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平面図、第２
図は第１図に示す微動機構に用いられる角柱ヒンジの斜
視図である。第２図において、角柱ヒンジａは、高い剛
性を有する角柱部材のほぼ中央部分の両側に、Ｕ字状の
切欠き部ａ、を形成することにより構成される。ａｌ＋
　　ａ！は切欠き部ａ、の両側の剛体部、ａ４は切欠き
部ａ、により形成される薄肉部である。Ａは薄肉部ａ４
の中心を通り切欠き部ａ、の壁面に平行な軸を示す。

このような角柱ヒンジａにおいて、剛体部ａ１を固定し
、剛体部ａ２に軸Ａと直交する矢印Ｂ方向の力が作用す
ると、薄肉部ａ４は容易にたわみ、剛体部ａｔは軸Ａの
まわりに回動する。しかし、他の方向の力やモーメント
に対しては高い剛性を示しほとんど変形を生じない。第
１図に示す微動機構１０はこのような角柱ヒンジａを用
いて構成される。

第１図で、１１は高い剛性を有する平板状の固定部材、
１２は高い剛性を有する平板状部材より成り位置決めさ
れる物体がｉ！置されろ微動テーブルであり、この微動
テーブル１２が所望の変位の出力部となる。微動テーブ
ル１２は固定部材１１に囲まれた位置にあり、かつ、両
者は同一平面上にある。１３は駆動リンク部材であり、
３つの駆動リンク部材１３１，１３２，１３３より成る
。

駆動リンク部材１３１は、第２図に示すものと同様の角
柱ヒンジ１３１　ａ４１＋　　１３１３ａｔ、１３１ａ
ａｓで構成されている。１３１ａ、、１３１ａｔはいず
れも剛体部であり、角柱ヒンジ１３１ａ、！がらみたと
き、それぞれ第２図に示す剛体部ａｌｏａｆに相当する
。１４は積層形の圧電アクチュエータであり、その駆動
により剛体部１３１　ａｔが押され、固定部材１１に連
結されている角柱ヒンジ１３１ａ、、がたわむ。なお、
この場合、圧電アクチュエータ１４の力は前記剛体部１
３１ａ＋に加えられるので、この剛体部１３ｔａ＋　は
微動機構ｌＯの入力部となる。他の駆動リンク部材１３
２゜１３３の構成はこの駆動リンク部材１３１の構成と
同じであるので、その説明は省略する。１５は１つの剛
体部材から、固定部材１１．微動テーブル１２．剛体部
１３１ａ＋　、１３１ａｚ、１３２”Ｉ＋　　１３２ａ
ｚ、１３３ａ１．１３３ａｔを分離成形する多くのスリ
ットである。これらのスリット１５は放電加工により容
易に形成することができる。１６ａ、１６ｂ、１６ｃは
固定部材１１に設けられたねじ穴、１７ａ、１７ｂ、１
７ｃは微動テーブルＩ２に設けられたねじ穴である。ね
じ穴１７ａ〜１７ｃは微動テーブル１２上に被位置決め
部材を固定するためのものである。なお、”＋　　Ｙｒ
　　ｚは座標軸を示す。

第３図は第１図に示す微動機構の側面図である。

図で、１１．１６ａ〜１６ｃは第１図に示す固定部材お
よび各ねじ穴である。１８は微動機構１０を固定する固
定ベース、１９ａ、１９ｂ、１９ｃは固定部材１１と固
定ベース１８間に介在するスペーサである。微動機構１
０は、固定部材１１をその各ねじ穴１６ａ〜１６Ｃを用
いて固定ベース１８に図示のようにねじ市めすることに
より固定される。この場合、スペーサ１９ａ〜１９ｃが
介在することにより固定部材１１以外の部分の動きは自
由となる。

次に、この微動機構１０の動作を第４図に示すリンク機
構を参照しながら説明する。第４図は、第１図に示す微
動機構１０のリンク機構の模式図であり、第１図の各部
に対応する部分には同一符号が付しである。図中、丸印
は各角柱ヒンジの薄肉部、直線は剛体部を示し、又、小
さな三角は固定部材１１を示す。

今、駆動リンク部材１３１を駆動する圧電アクチュエー
タ１４のみが伸びる方向に駆動されたとする。この場合
、駆動リンク部材１３２，１３３の角柱ヒンジ１３２ａ
４．．１３３ａ、、は固定された状態にあると考えられ
る。圧電アクチュエータ１４が上記のように駆動された
ときの瞬間的な動きをみると、駆動リンク部材１３１の
剛体部１３１ａ、は角柱ヒンジ１３１ａ４Ｉの薄肉部を
中心に矢印方向に回動し、剛体部１３１　ａｔは第４図
で左方に押される。このため、角柱ヒンジ１３１ａｎｉ
。

１３２ａａ３，１３３ａｎｓの薄肉部はそれぞれ矢印方
向にたわみ、結局、微動テーブル１２は回動する。この
回動の中心は、各角柱ヒンジ１３１ａ、ｘ。

１３２ａ４３，１３３ａｎｔのたわみの接線に垂直な線
上の点０′となる。

なお、この動作は瞬間的なものであり、中心Ｏ′も移動
してゆくことになるが、微動機構１０がμｍ、又はサブ
μｍの変位を行うものであるので、微動テーブル１２の
変化は、その瞬間的運動を考えれば充分である。

上記の例では、１つの圧電アクチュエータ１４のみを駆
動したときの微動テーブル１２の動きを例示した。しか
し、各圧電アクチュエータ１４を選択的に適宜量駆動す
れば、微動テーブル１２に対して、紙面上の直交軸方向
（Ｘ軸、ｙ軸方向）成分の並進変位をも与えることがで
き、前述の紙面に垂直な軸まわり（ｚ軸まわり）の回転
変位と併せて３自由度の変位を与えることができるのは
明らかである。これを数式により以下に示す。

各圧電アクチュエータ１４により駆動される各角柱ヒン
ジ１３１ａ、、１３２ａ４．．１３３ａ、。

の単位速度モータ［Ｍ）、Ｍｆ、Ｍｌ　（ヒンジが回動
したときの微動テーブル１２上のある点が移動する瞬間
的な速度であり、第３番目の駆動リンク部材の第す番目
のヒンジの回動により生じる速度をＪで表わす。）を３
次元ベクトルとして表示すると次式となる。

なお、 （１）式は、 ［Ｍ干ｍ＋εｍ。を （ｔｍ　。

ｍ、） のように表わす表わし方にしたがう（εはデュアル演算
子）。

ここで、ｄ、ｊは第４図に示すリンク機構において座標
軸を図示のように定めた場合の各角柱ヒンジと微動テー
ブル１２上の所定点との間の距離をベクトルで表わした
ものである。又、Ｉｋｆ；を紙面に垂直な準位ベクトル
（−ｊｘａ）であって、各角柱ヒンジの回転軸方向の単
位ベクトルである。

さらに、（）ｔは転置行列を表す。

又、圧電アクチュエータ１４で駆動される角柱ヒンジ以
外の従属する角柱ヒンジは、各駆動リンク部材１３１，
１３２，１３３毎に第４図に２重矢印で示す力方向に高
い剛性を有する。これらの各力ｆは次式で表わされる。

」 これらの各カゴにより微動テーブル１２上の前記所定点
に作用するモーメント１は、前記単位速度モータの位置
ベクトルとカゴの外積であり、次式％式％ （３） （２）式および（３）式から各駆動リンク部材１３１．
１３２，１３３の送速度モータのベクトル部とデュアル
部とを入れ換えた速度モータをＦ　、ｙ、　ｌ）　！”
ｌ　Ｆ　！’とすると、これらは３次元ベクトルとして
次式で表わされる。

したがって、逆ヤコビ行列Ｊ−１は次式のようになる。

なお、逆ヤコビ行列Ｊ−１とは、微動テーブル１２のあ
る基準点の速度モータを所望の値とするには、圧電アク
チュエータで駆動されるヒンジにどのような変位（Δθ
）を与えればよいかを定める行列式である。

Ｊ−’−（ＰＩ’／Ｍｔ・Ｐ　＋”＋　ｉｐ　ｔＴ／　
Ｍ　ｆ・ＩＰ２ＴＩＰ　３Ｔ／　［Ｍ　ｌ　１１１Ｐ　
ｉ”）　’・・・・・・・・・　（５） この（５）式から、圧電アクチュエータ１４により駆動
される角柱ヒンジの変位Δθと、微動テープル１ ２の所定点の変位の関係は次式となる。

なお、（６）弐で（ΔＷ、ΔＸ、Δｙ）ｔは微動テーブ
ル１２の運動を表わす速度モータ（Δｗ　ｎｃ＋ε　（
Δｘ　＋ｉ＋Δｙｊ＞）である、 このように、本実施例では、固定部材、微動テーブル、
それらの中間の剛体部、たわみ部が、スリットにより同
一平面内に一体構造に構成されるので、微動ユニットを
組合せ又は積重ねることなく微動機構を構成することが
でき、被位置決め部材や微動ユニットの重量による影響
を除（ことができ、したがって位置決め精度を向上せし
めることができる。又、全体を小形に構成することがで
きる。さらに、加工も、１つの剛体に放電加工によりス
リットを施すだけであるので容易である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、固定部材、複数の入力
部材、複数の中間部材および出力部材を同一平面内で順
次ヒンジにより結合したので、組合せや積重ねによるこ
となく微動機構を構成することができ、位置決め精度を
向上せしめることができ、加工も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る微動機構の平面図、第２
図は第１図に示す微動機構に用いられる角柱ヒンジの斜
視図、第３図は第１図に示す微動機構の側面図、第４図
は第１図に示す微動機構のリンク機構の模式図である。 １０・・・・・・・・・微動機構、１１・・・・・・・
・・固定部材、。 １２・・・・・・・・・微動テーブル、１３１〜１３３
・・・・・・・・・駆動リンク部材、１５・・・・・・
・・・スリット、１３１ａ４＋〜１３１ａａｓ、１３２
ａ−１〜１３２ａ４３，１３３ａ４１〜１３３ａ４ｔ・
・・・・・・・・角柱ヒンジ。 第１図 第２図 第３園 第４胃

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内部に空間を有する平板状の１つの固定部材と、前記空
   間のほぼ中央に位置し微動対象部材が載置される平板状
   の１つの出力部材と、アクチュエータにより駆動されか
   つ互いに位置をずらして配置された３つの入力部材と、
   これら各入力部材と前記出力部材との間に介在する３つ
   の中間部材と、前記出力部材の垂直軸に平行な軸を有す
   るとともに前記固定部材、前記各入力部材、前記各中間
   部材および前記出力部材を同一平面内でそれぞれ順次連
   結する角柱ヒンジとにより構成されることを特徴とする
   微動機構。