JPH03126106A - 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、電子顕微鏡等の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、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のアラインメント
工程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。

このような変位調節においては、サブμｍのオーダー分
解能をもちながら、併せて長ストローク、例えば１〜３
００ｍｍの変位が可能である装置がしばしば要望される
。このような装置を図により説明する。

第３図（ａ）は従来の微動機構の断面図、第３図（ｂ）
〜（ｈ）はその駆動状態図である。第３図（ａ）で、１
は変位対象となるロッドであり、図示しない固定部に対
して図で左右に移動可能に支持されている。２は全体が
ほぼ中空円筒形状の圧電アクチュエータの複合体であり
、前記ロッド１はこの複合体２の中空円筒内に位置せし
められる。２ａ、２ｂ、２ｃはそれぞれ複合体２を構成
する圧電アクチュエータであり、これらのうち圧電アク
チュエータ２ａ、２ｂは電圧の印加により全体が円周方
向に伸縮する。又、圧電アクチュエータ２Ｃはその中央
部が図示しない固定部に固定されており、電圧の印加に
より全体が左右方向（軸方向）に伸縮する。

次にこの微動機構の動作を第３図（ｂ）〜（ｈ）に示す
駆動状態図を参照しながら説明する。なお、第３図（ａ
）〜（ｈ）において、圧電アクチュエータ２Ｃの中央の
固定部分は各図揃えて描かれている。今、第３図（ａ）
に示す状態から、圧電アクチュエータ２ａに所定の電圧
を印加すると、圧電アクチュエータ２ａは円筒中心方向
に縮んでロッド１をクランプする。この状態が第３図（
ｂ）に示されている。この図で、上記クランプ状態を表
わすため圧電アクチュエータ２ａの厚みが大きく描かれ
ている（以下の図で同じ、）次いで、圧電アクチュエー
タ２Ｃにその最大ストロークＵを発生させる電圧を印加
すると、圧電アクチュエータ２ｃはその中央固定部を中
心として軸方向の両側にｕ　／　２ずつ伸びる。このと
き、ロッドｌも圧電アクチュエータ２ａによりクランプ
されているのでｕ　／　２だけ変位する。この変位した
状態が第３図（Ｃ）に示されている。

次いで、第３図（ｄ）に示すように圧電アクチュエータ
２ｂを励起してロッド１をクランプした後、第３図（ｅ
）に示すように圧電アクチュエータ２ａの電圧を除いて
そのクランプを解放する。

この状態で圧電アクチュエータ２Ｃを第３図（ａ）に示
す状態に復帰させるとロッド１は圧電アクチュエータ２
ｂにクランプされているため図の左方へｕ　／　２だけ
変位する。この状態が第３図（ｆ）に示されている。結
局、ロッド１は圧電アクチュエータ２ｃの最大ストロー
クＵだけ左方へ変位したことになる。次いで第３図（ｇ
）、　　（ｈ）に示すように圧電アクチュエータ２ａで
ロッド１をクランプした後、圧電アクチュエータ２ｂの
クランプを解放する。これにより第３図（ｂ）に示す状
態に戻り、再び上記の動作が繰返される。

このように、上記微動機構は、圧電アクチュエータ２Ｃ
のサブμｍのオーダーの分解能を保持しつつ、しかも大
きなストロークを得ることが可能である。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記従来の微動機構において、各アクチュエ
ータ２ａ、２ｂおよびロッド１のクランプ面は一様では
な（、したがって各クランプ時の接触状態にバラツキが
生じるのを避けることはできない。このため、クランプ
した瞬間においてロッド１に微小なすべりが生じたり、
又は移動状態から停止したとき、ロッド１の慣性力で微
小なすべりが生じ、充分な精度を確保することはできな
い。それ故、上記従来の微動機構においては、外部に高
精度の変位計を配置して実際の変位を計測する手段が採
用されていた。しかしながら、このような手段は、変位
計の配置個所を考慮しなければならず、又、装置全体が
大形化し、かつ、高価になるという問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
外部変位計を不要とすることができる微動機構を提供す
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、第１の剛体部と
、第２の剛体部と、これら各剛体部とそれらの両端にお
いて第１の弾性部材群で結合される第３の剛体部および
第４の剛体部と、これら第３の剛体部および第４の剛体
部にそれぞれ連結されアクチュエータの駆動制御により
前記第１の剛体部および前記第２の剛体部と圧接開離可
能な２つのクランプ部と、これら２つのクランプ部に連
結されアクチュエータおよび第２の弾性部材群より成り
変位を発生させる微動部とで微動機構を構成し、かつ、
前記第１の弾性部材群および前記第２の弾性部材群の所
定の弾性部材に変位検出手段を設けたことを特徴とする
。

〔作用〕

最初、一方のクランプ部のアクチュエータを駆動してそ
のクランプ部を第１、第２の剛体部に圧接する。この状
態で、微動部のアクチュエータを駆動して第２の弾性部
材群を変形させることにより変位を発生させる。この変
位は、他方のクランプ部およびこれと連結する第３の剛
体部を、第１の弾性部材群のうち第３の剛体部に連結す
る弾性部材を変形させながら変位させる。次いで、他方
のクランプ部のアクチュエータを駆動してそのクランプ
部を第１、第２の剛体部に圧接させ、この状態で前記一
方のクランプ部のクランプを解放し、かつ、微動部のア
クチュエータの駆動を停止する。

これにより、第２の弾性部材群の変形が復帰し、微動部
、前記一方のクランプ部および第４の剛体部は、第１の
弾性部材群のうちの第４の剛体部に連結されている弾性
部材を変形させながら上記の変位量だけ変位する。この
状態で、再び前記一方のクランプ部のクランプを行ない
、他方のクランプ部のクランプを解放し、上記の動作を
繰返えすと、大きなストロークを得ることができる。又
、微小な変位は微動部の駆動で得られる。上記動作中、
第１の弾性部材群に設けられた変位検出手段により長ス
トローク変位が、又、第２の弾性部材群に設けられた変
位検出手段により微小変位が検出される。

〔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図は本発明の微動機構の側面図である０図で、５．
６はそれぞれ対向配置された剛体部、７゜８はそれぞれ
剛体部５．６の中間上下端部に位置する剛体部である。

９ａ、９ｂは剛体部７と剛体部５，６とを連結する弾性
部材、９ｃ、９ｄは剛体部８と剛体部５，６とを連結す
る弾性部材、１０ａ、１０ｂは弾性部材９ａ、９ｂに貼
着された４つのひずみゲージである。

１１は剛体部７に連結されたクランプ部であり、対向す
る２つの剛体部１１ａ、Ｉｌｂ、これら剛体１１ａ、ｌ
ｌｂの対向する面間に装架された圧電素子１１Ｃおよび
各剛体部１１ａ、ｌｌｂの両端（図で上下端）に設けら
れた４つの弾性部材（１つのみに符号が付しである）で
構成されている。１２は剛体部８に連結された他のクラ
ンプ部であり、上記クランプ部１１と同じく、２つの剛
体部１２ａ、１２ｂ、圧電素子１２Ｃ１および４つの弾
性部材１２ｄで構成されている。１３．１４はクランプ
部１１．１２と連結する剛体部である。

１５は剛体部１３．１４間に連結された微動部である。

この微動部１５は、対向配置された剛体部１５ａ、１５
ｂ、剛体部１３．１４と連結された剛体部ｔｓｃ、　　
１５ｄ、剛体部１５ｃ、１５ｄと剛体部１５ａ、１５ｂ
とを連結する４つの弾性部材１５ｅ（１つのみに符号が
付しである）、および剛体部１５ｃ、１５ｄの対向する
面間に装架された圧電素子１５ｆにより構成される０弾
性部材１５ｅの剛性は弾性部材９ａ〜９ｄの剛性より高
い、１６は微動部１５の弾性部材１５ｅに貼着された４
つのひずみゲージ（１つのみに符号が付しである）であ
る。

上記微動機構において、各圧電素子および各ひずみゲー
ジ以外の構成は、１つの剛体ブロックから放電加工等に
より形成することができる。なお、上記微動機構は、斜
線で示すように剛体部５，６により固定部に固定されて
いる。

次に、本実施例の動作を説明する。第１図に示す状態は
、各圧電素子１１ｃ、１２ｃ、１５ｆが駆動されていな
い場合の状態である。この状態で、クランプ部１２の圧
電素子１２ｃを駆動すると、圧電素子１２ｃは図で左右
に伸長し、剛体部１２ａ、１２ｂが各弾性部材１２ｄを
変形しながら剛体部５．６に圧着せしめられクランプ部
１２がクランプ状態となる。

次に、微動部１５の圧電素子１５ｆを駆動すると、この
圧電素子１５ｆはクランプ部１２がクランプされている
ため、印加電圧に応じて各弾性部材１５ｅを変形させな
がら図で上方に伸長する。

この結果、剛体部１３、クランプ部１１および剛体部７
は弾性部材９ａ、９ｂを変形させながら上方に変位する
。即ち、剛体部７に変位が発生する。

ここで、目標変位が微小変位である場合には、微動部１
５の圧電素子１５ｆに当該目標変位に応じた電圧を印加
することにより、剛体部７に所望の微小変位を生じさせ
ることができる。このとき、実際に生じた微小変位は微
動部１５の各ひずみゲージ１６により検出される。この
ひずみゲージ１６による微小変位の検出は、きわめて高
い分解能（例えば０．００１　μｍ−０，０１μｍ）を
もッテ行なう４二とができる。

一方、目標変位が長ストロークである場合には、微動部
１５の圧電素子１５ｆには、最大変位量に相当する電圧
が印加され、これにより、剛体部１３、クランプ部１１
および剛体部７には最大変位が発生する。この状態で、
クランプ部１１の圧電素子１１Ｃを駆動すると、剛体部
１１ａ、Ｉｌｂが各弾性部材ｌｉｄを変形させながら剛
体部５．６に圧着され、クランプ部１１がクランプされ
る。次いで、クランプ部１２の圧電素子１２ｃおよび微
動部１５の圧電素子１５ｆの印加電圧を除くと、微動部
１５の各弾性部材１５ｅの変形が元に戻ることにより、
微動部１５、剛体部１４、クランプ部１２および剛体部
８が、弾性部材９ｃ、９ｄを変形させながら図で上方に
変位する。この変位は、既に剛体部７に発生している変
位と同一変位量となる。即ち、剛体部７から剛体部８ま
での間の構造が、弾性部材９ａ〜９ｄを変形させながら
最大変位（１ストローク）変位したこととなる。さらに
、この状態から、クランプ部１２をクランプすることか
ら始まる上記一連の動作を繰返して行なうと、長ストロ
ークの変位を得ることができる。

そして、この変位は、弾性部材９ａ、９ｂに貼着された
４つのひずみゲージ１０ａ、１０ｂにより検出される。

この場合、変位量は１〜３ｍｍが可能であり、かつ、そ
の変位はひずみゲージ１０ａ。

１０ｂにより、例えば１μｍ〜３μｍの分解能で検出す
ることができる。

このように、本実施例では、１つの機構で長ストローク
変位と微小ストローク変位を発生させることができ、し
かも、外部における変位計の設置を不要とすることがで
きる。

第２図は本発明の他の実施例に係る微動機構の側面図で
ある。図で、第１図に示す部分と同−又は等価な部分に
は同一符号を付して説明を省略する。１８は微動部を示
す。微動部１８はコ字状の剛体部１８ａ、これと対向す
る剛体部１８ｂ、これら各剛体部１８ａ、１８ｂを連結
する４つの弾性部材１８ｃ、〜１８Ｃ４および圧電素子
１８ｄｌ。

１８ｄｚで構成されている。上記剛体部１８ａは剛体部
１４に連結され、又、剛体部１８ｂは剛体部１３に連結
され、さらに、各圧電素子１８ｄ、。

１８ｄ２は剛体部１８ａに形成された突起と剛体部２８
ｂに形成された突起との間に装架される。

１９は弾性部材１８ｃ＋、１８Ｃｚに貼着された４つの
ひずみゲージ（１つのみに符号が付しである）である。

本実施例がさきの実施例と異なるのは微動部の構造のみ
であり、他の構造は同じである。なお、本実施例の構造
も１つの剛体ブロックから放電加工等により形成するこ
とができるのは明らかである。

次に、本実施例の動作を説明する。さきの実施例と同じ
く、まずクランプ部１２によるクランプが行なわれる。

次いで、微動部１８の圧電素子１８ｄ＋、１８ｄｔに電
圧が印加されるとこれら圧電素子１８（１１，１８ｄｔ
は図で下方に伸長し、これにより剛体部１８ｂは弾性部
材１８ｃ＋〜１８ｃ４を変形させながら下方へ変位し、
これに伴って剛体部１３、クランプ部１１および剛体部
７も弾性部材９ａ、９ｂを変形させながら下方へ変位す
る。

さきの実施例と同じ（、剛体部７に微小変位を発生させ
る場合には、圧電素子１８ｄｌ、１８ｄ２に当該微小変
位に応じた電圧を印加する。この場合、当該微小変位の
変位量はひずみゲージ１９により高分解能で検出される
。

一方、長ストローク変位を発生させる場合には、圧電素
子１８ｄ＋、１８ａ、に、それらに最大変位を発生させ
る電圧が印加され、これにより、剛体部７に下方への最
大変位量が発生する。この状態で、クランプ部１１を剛
体部５，６にクランプせしめ、次いで、微動部１８の圧
電素子１８ｄ、。

１８ｄｔおよびクランプ部１２の圧電素子１２ｃの電圧
を除去すると、微動部１８の各弾性部材１８Ｃ０〜１８
ｃ４の変形が元に戻り、これにより、剛体部１８ａ、剛
体部１４、クランプ部１２および剛体部８が弾性部材９
ｃ、９ｄを変形させながら上記最大変位量と同量だけ下
方に変位する。

即ち、剛体部７から剛体部８までの間の構造が、弾性部
材９ａ〜９ｄを変形させながら最大変位（１ストローク
）だけ変位したこととなる。以下、上記一連の動作を繰
返し行なうことにより、長ストロークの変位を得ること
ができる。そして、この変位は弾性部材９ａ、９ｂに貼
着された４つのひずみゲージ１０ａ、１０ｂにより検出
することができる。本実施例の効果もさきの実施例の効
果と同じである。

〔発明の効果〕

上述のように、本発明では、２つのクランプ部と１つの
微動部を適切に駆動し、第１の弾性部材群と第２の弾性
部材群を変形させて変位を得るようにし、かつ、第１の
弾性部材群の所定の弾性部材と第２の弾性部材群の所定
の弾性部材とに変位検出手段を設けたので、微動機構の
外部に変位計を設置しな（でも、微小変位および長スト
ローク変位のいずれをも正確に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の実施例に係る微
動機構の側面図、第３図（ａ）は従来の微動機構の断面
図、第３図（ｂ）〜（ｈ）はその駆動状態図である。 ５．６．７．８・・・・・・・・・剛体部、９ａ〜９ｄ
、１５ｅ、１８　ｃ　、　〜ｌ　１３　ｃ　４−・−・
・−・弾性部材、１０ａ。 １０ｂ、１６．１９・・・・・・・・・ひずみゲージ、
１１．１２・・・・・・・・・クランプ部、１５．１８
・・・・・・・・・微動部、１５ｆ、’１８ｄｌ　、１
８ｄｔ・・・・・・・・・アクチュエータ。 第１図 ３５ 第 ２ 図 ／２（７ ２ｃ 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の剛体部と、第２の剛体部と、これら各剛体
   部とそれらの両端において第１の弾性部材群で結合され
   る第３の剛体部および第４の剛体部と、これら第３の剛
   体部および第４の剛体部にそれぞれ連結されアクチュエ
   ータの駆動制御により前記第１の剛体部および前記第２
   の剛体部と圧接開離可能な２つのクランプ部と、これら
   ２つのクランプ部に連結されアクチュエータおよび第２
   の弾性部材群より成り変位を発生させる微動部とで構成
   され、かつ、前記第１の弾性部材群および前記第２の弾
   性部材群の所定の弾性部材に変位検出手段を設けたこと
   を特徴とする微動機構。
2. （２）請求項（１）において、前記各アクチュエータは
   、圧電素子であることを特徴とする微動機構。
3. （３）請求項（１）において、前記各変位検出手段は、
   ひずみゲージであることを特徴とする微動機構。