JPH0412838B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、物体の回転を高精度に行わせる回転
微動機構の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、半導体ウエハやマスク基板等の試料に微
細パターンを形成するものとして、電子ビーム描
画装置、縮小投影型転写装置及びＸ線転写装置等
が開発されているが、この種の装置ではサブミク
ロン単位の精度を保持するために微小に駆動する
駆動機構が必要となる。また、上記装置に限らず
測定機器で精密な測定を行う分野等においても、
高精度を有する微動駆動機構が必要である。

微動駆動機構としては、一軸方向に移動させる
ものや回転運動を行わせるもの等があるが、回転
運動を行わせる従来の回転微動機構にあつては次
のような問題がある。即ち、ストロークが長いも
のは微動駆動が困難で、逆に微動駆動が可能なも
のはストロークを長くできない。そこで本発明者
等は、上記のような問題を解決するものとして最
近、第５図ａ〜ｃに示す如き回転微動機構を考案
した（特開昭58−139687号）。この方式では回転
ストロークを大きく取れ、原理的には１回転以上
の駆動が可能であり、且つ微小ステツプ0.005［μ
ｍ］程度の微動移動が可能である。

以下、この回転微動機構について説明する。第
５図ａは平面図で、第５図ｂは同図ａの矢視Ａ−
Ａ断面図、第５図ｃは同図ａの矢視Ｂ−Ｂ断面図
を示している。図中１は回転板であり、この回転
板１は半円板状の第１及び第２の移動部材２，３
を弾性ヒンジ４で接続して構成されている。な
お、実際には円板の中心軸を対称とする該円板の
外周部２箇所をそれぞれ一部切欠すると共に、該
切欠部から中心軸に向かつてそれぞれ切込みを設
けることによつて、上記移動部材２，３及び弾性
ヒンジ４からなる回転板１が形成される。そし
て、回転板１は基台５上に移動自在に載置される
と共に、その中心である弾性ヒンジ４の下面に設
けたピン６によつて回転中心が規定されている。

回転板１の前記切欠部には、第１及び第２の駆
動部材７，８がそれぞれ設けられている。これら
の駆動部材７，８はそれぞれ印加電圧に応じて伸
縮する圧電素子からなるもので、その伸縮方向
（図中に示す矢印方向）の両端に前記第１及び第
２の移動部材２，３がそれぞれ取着固定されてい
る。なお、この固定は接着、ねじ止め或いは圧入
等のいずれであつてもよい。また、第１の駆動部
材７にはスイツチ９ａを介して可変電圧電源１０
ａが接続され、第２の駆動部材８にはスイツチ９
ｂを介して可変電圧電源１０ｂが接続されるもの
となつている。

一方、前記第１の移動部材２の上方には、前記
駆動部材７，８と同様な圧電素子からなれ第１及
び第２の固定部材１１，１２がそれぞれ設けられ
ている。これらの固定部材１１，１２の伸縮方向
は回転板１の主面と直交する方向に定められてお
り、固定部材１１，１２の伸縮方向の一端はそれ
ぞれ固定端に固定されている。さらに、第１の固
定部材１１にはスイツチ１３ａを介して電源１４
ａが接続され、第２の固定部材１２にはスイツチ
１３ｂを介して電源１４ｂが接続されている。そ
して、固定部材１１，１２は電圧を印加されるこ
とにより、その他端（自由端）で前記回転板１を
基台５上に押し付けて固定するものとなつてい
る。

このように構成された回転微動機構では、まず
前記第２の固定部材１２を伸長させて第２の移動
部材３を基台５上に押し付けて固定する。この状
態で第１の駆動部材７を伸長させると共に、第２
の駆動部材８を縮長させる。これにより、第１の
移動部材２は第６図ａに示す如く、弾性ヒンジ４
の歪みにより同ヒンジ４を中心として矢印Ｐ方向
に微小回転する。次に、前記第１の固定部材１１
を伸長させて第１の移動部材２を基台５上に固定
し、その後第２の固定部材１２を縮長させとて第
２の移動部材３の固定を解除する。この状態で第
１の駆動部材７を縮長させると共に第２の駆動部
材８を伸長させると、第２の移動部材３が第６図
ｂに示す如く、弾性ヒンジ４を中心として矢印Ｐ
方向に微小回転する。以上の操作を繰返すことに
よつて、第１及び第２の移動部材２，３からなる
回転板１は、弾性ヒンジ４の歪みによりピン６を
中心として矢印Ｐ方向に回転せしめられることに
なる。

かくして回転板１を微動駆動し得ると共にこの
繰返し操作によつて回転ストロークを長くするこ
とができる。さらに、駆動部材７，８に印加する
電圧を調整することによつて、回転板１の粗動及
び超微動を容易に行うことができる。

ところで、この種の機構では、前記移動部材
２，３が基台５と面接触しているために、例えば
固定部材１２を伸長させて移動部材３を基台５に
押し付けて固定し、駆動部材７を伸長させたと
き、移動部材２と基台５との間に摩擦抵抗が働
く。この摩擦抵抗は、回転微動駆動に対して次の
〜のような障害をもたらす。

摩擦抵抗が反力として働き、十分な負荷トル
クが得られない。

回転板が回転移動すると、回転板と基台との
接触状態が逐次変化するため、位置によつて摩
擦抵抗が変化し、回転ムラを生じる。

摩擦抵抗が増加するような条件（例えば真空
中）において回転する場合に、所望の回転性能
（回転速度、負荷トルク等）が得られなくなる。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、
その目的とするところは、移動部材と基台との摩
擦抵抗を軽減することができ、回転性能及び微動
精度の向上をはかり得、且つ負荷トルクの増大を
はかり得る回転微動機構を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、移動部材と基台との面接触を
避けるために、コロガリ軸受や非接触軸受等のス
ラスト軸受を用いることにある。

即ち本発明は、基台上に移動自在に載置された
平板状の第１及び第２の移動部材と、印加電圧に
応じて基台面に平行な方向に伸縮する圧電素子か
らなり、その伸縮方向両端の一方に第１の移動部
材が、他方に第２の移動部材が取着された駆動部
材と、第１及び第２の移動部材を基台上に交互に
固定する固定部材と、第１及び第２の移動部材に
対し基台面と垂直方向の回転中心を決定する手段
とを具備し、駆動部材の伸縮作用及び固定部材の
固定作用により第１及び第２の移動部材を単一の
軸心を中心として回転せしめる回転微動機構にお
いて、第１及び第２の移動部材と基台との間にス
ラスト軸受を設け、このスラスト軸受により各移
動部材を基台面と平行な方向に移動自在に支持す
るようにしたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、移動部材がコロガリ軸受や非
接触軸受等のスラスト軸受により支持されている
ので、移動部材の回転に際しての該部材と基台と
の間で摩擦抵抗を著しく小さくすることができ
る。このため、負荷トルクが増大し、回転性能が
向上する。また、移動部材と基台との接触状態が
一定であるので、位置によつて摩擦抵抗が変化す
る等の問題もなく、微動精度の向上をはかり得
る。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の詳細を図示の実施例によつて説
明する。

第１図ａ〜ｃは本発明の一実施例に係わる回転
微動機構の概略構成を説明するためのもので、第
１図ａは平面図、第１図ｂ，ｃはそれぞれ同図ａ
の矢視Ａ−Ａ断面図である。なお、前記第５図と
同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明
は省略する。

この実施例は前記第５図に示すものと基本的な
構成は同様であり、第５図に示すものと異なる点
は、移動部材と基台との間にコロガリ軸受を設け
たことにある。即ち、第１及び第２の移動部材
２，３から回転板１が形成され、移動部材２，３
間には第１及び第２の駆動部材７，８が接続され
ている。また、固定端には、第１及び第２の固定
部材１１，１２が設けられている。さらに、スイ
ツチ９，１３及び電源１０，１４等が先と同様に
接続されている。

一方、基台５の上面には前記ピン６の位置を中
心とした円周方向に沿つて案内溝１６が設けられ
ている。そして、この溝１６内にリテーナ１７に
よつて保持された球状の転動体１５が複数個はめ
込まれている。ここで、転動体１５はその上端が
基台５の表面より僅かに突出し、移動部材２，３
の下面と接触するものとなつている。また、上記
案内溝１６は前記固定部材１１，１２の直下に位
置するものとなつている。

このような構成であれば、従来機構と同様に駆
動部材７，８及び固定部材１１，１２の作用によ
り回転微動ができるのは勿論のこと、次のような
効果が得られる。即ち、転動体１５、リテーナ１
７及び案内溝１６からなるコロガリ軸受（スラス
ト軸受）により、移動部材２，３等の荷重を支え
ているので、移動部材２，３の基台５に対する摩
擦抵抗を著しく低減することができる。このた
め、移動部材２，３からなる回転板１の回転性能
及び微動精度の向上をはかり得、且つ負荷トルク
の増大をはかり得る。また、コロガリ軸受は基台
上の任意の位置に任意の構成で配置できるので、
移動部材２，３の固定時の固定位置を回転板１の
回転中心から遠ざけることができ、これにより負
荷トルクのより一層の増大をはかり得る。

また本実施例では、固定部材１１，１２による
移動部材２，３の固定位置が案内溝１６上である
ため、回転板１の回転中心に対する曲げ等に不必
要且つ有害な応力発生を未然に防止することがで
きる。このため、回転中心を規定する弾性ヒンジ
４や軸に対して無理な力が加わらず、耐久性を損
うことなく、また回転部を変形させ微動の精度を
低下させることもない。

なお、上記の説明ではコロガリ軸受を基台５の
上面に設けているが、この軸受を第１図ｃに示す
如く移動部材２，３の下面側に設けるようにして
もよい。この場合も、上記と同様の効果が得られ
るのは、勿論のことである。

第２図ａ，ｂは他の実施例を説明するためのも
ので、第２図ａは平面図、第２図ｂは同図ａの矢
視Ａ−Ａ断面図である。

この実施例は、先に説明した実施例に更にラジ
アル軸受を付加するようにしたものである。即
ち、基台５の表面には、円周上に案内溝１６が設
けられており、この溝１６に先と同様にリテーナ
１７で保持された転動体１５が配置されている。
また、基台５には、軸体１９が突設されており、
この軸体１９にラジアル軸受が設けられている。
ここで、前記第１及び第２の移動部材２，３は回
転部材２０を介して接続されており、各移動部材
２，３と回転部材２０との間には複数の弾性ヒン
ジ４が設けられている。そして、この回転部材２
０の中心部には上記軸体１９が挿通される貫通孔
が設けられており、この孔内で軸体１９と回転部
材２０との間に球状の転動体１８が配置されてい
る。即ち、回転部材２０が軸体１９及び転動体１
８等からなるラジアル軸受によつて支持されてい
る。

このような構成であれば、先の第１の実施例と
同様の効果が得られるのは勿論のこと、次のよう
な効果が得られる。即ち、ラジアル軸受を設けた
ことにより、スラスト方向は勿論ラジアル方向の
摩擦抵抗も小さくすることができ、これにより回
転性能及び負荷トルクのより一層の向上をはかり
得る。

なお、本発明は上述した各実施例に限定される
ものではない。例えば、前記スラスト軸受を構成
する転動体は球体に限るものではなく、第３図に
示す如く転動体としてローラ２１を用いるように
してもよい。さらに、スラスト軸受を構成するた
めに、基台側或いは移動部材側の一方でなく、第
４図に示す如くこれらの両方に案内溝を設けるよ
うにしてもよい。この場合、スラスト軸受がラジ
アル方向の移動も規定することになるので、回転
中心を決定する手段が不要となる。また、スラス
ト軸受はコロガリ軸受に限るものではなく、空気
軸受や磁気軸受等の非接触軸受であつてもよい。
また、固定部材として静電チヤツク、真空チヤツ
ク或いは電磁チヤツク等を用いることも可能であ
る。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｃは本発明の一実施例に係わる回転
微動機構の概略構成を説明するためのもので第１
図ａは平面図、第１図ｂ，ｃはそれぞれ同図ａの
矢視Ａ−Ａ断面図、第２図ａ，ｂは他の実施例を
説明するためのもので第２図ａは平面図、第２図
ｂは同図ａの矢視Ａ−Ａ断面図、第３図及び第４
図はそれぞれ変形例を説明するための断面図、第
５図ａ〜ｃ及び第６図ａ，ｂはそれぞれ従来機構
を説明するための図である。 １……回転板、２，３……移動部材、４……弾
性ヒンジ、５……基台、６……ピン、７，８……
駆動部材、９，１３……スイツチ、１０，１４…
…電源、１１，１２……固定部材、１５，１８，
２１……転動体、１６……案内溝、１７……リテ
ーナ、１９……軸体、２０……回転部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基台上に移動自在に載置された平板状の第１
   及び第２の移動部材と、印加電圧に応じて基台面
   に平行な方向に伸縮する圧電素子からなり、その
   伸縮方向両端の一方に第１の移動部材が、他方に
   第２の移動部材が取着された駆動部材と、前記第
   １及び第２の移動部材を前記基台上に交互に固定
   する固定部材と、前記第１及び第２の移動部材に
   対し基台面と直交する方向の回転中心を決定する
   手段と、前記第１及び第２の移動部材と前記基台
   との間に設けられ上記各移動部材を基台面と平行
   な方向に移動自在に支持するスラスト軸受とを具
   備し、前記駆動部材の伸縮作用及び前記固定部材
   の固定作用により前記第１及び第２の移動部材を
   単一の軸心を中心として回転せしめることを特徴
   とする回転微動機構。 ２ 前記移動部材を支持するスラスト軸受は、コ
   ロガリ軸受からなるものであることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の回転微動機構。 ３ 前記移動部材を支持するスラスト軸受は、非
   接触軸受からなるものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の回転微動機構。 ４ 前記回転中心を決定する手段として前記第１
   及び第２の移動部材を弾性ヒンジで接続した回転
   部材を用い、この回転部材を前記基台との間に設
   けたラジアル軸受によつて支持したことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の回転微動機構。