JPH0665906B2

JPH0665906B2 - 位置決め用リンク機構

Info

Publication number: JPH0665906B2
Application number: JP60155913A
Authority: JP
Inventors: 久明平林; 浩一杉本; 知幸増井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-07-17
Filing date: 1985-07-17
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: JPS6217460A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、空間内の微細な回転運動を行う機構に係り、
半導体関連製品の加工、組立に必要とされる精密位置決
めに供される空間微調機構に関する。具体的には、例え
ば露光装置におけるウエハの位置決めを行う保持部に用
いられる機構に関する。

〔発明の背景〕

一体構造の微動機構の一例として、精密機械、４８巻６
号（１９８２）「一体構造の縮小機構つき複合平行ば
ね」第４９頁に記載されている。即ち第２１図に示すよ
うに切り欠き２３を設け、部材２１と２２に分ける。切
り欠き部の厚さを十分に薄くすると、部材２１に対して
部材２２は、第２１図の如くＸ軸を中心に回転する。こ
れを組み合せた例が第２２図である。切り欠き部を４ケ
所設けた、平行四辺形構造であり、矢印２６または２７
の如く、力を加えると部材２４に対して部材２５は第２
２図の破線の如く変形する。この時、切り欠き部は回転
対偶として働くので、部材２５は、部材２４に対する姿
勢を維持したままで変形する。また第２２図のｄ₄ ²／ｌ
の長さが無視できるとすれば、上記変形時の、両部材間
の距離は不変とみなせる。しかし、サブミクロンオーダ
の精度を本機能に要求するとｄ₄ ²／ｌは無視できず、並
進運動を妨げる誤差となる。ここでｄ₄は矢印２６また
は２７の力によって、部材２５が矢印方向に変形する変
形量を示し、ｌは部材の回転対偶間の距離すなわちリン
クの長さを表わす。

次に回転運動の微動機構の公知例としてコンピュータコ
ントロールドアセンブリ・サイエンティフィックアメリ
カン（Computer-controlled Assembly,Scientific Amer
ican）第２３８巻，第２号、第７頁（１９７８）があ
る。即ち第２３図及び第２４図に示すように部材２６，
２７，２８，２９と回転対偶Ｒ１〜Ｒ４で構成されてい
る。部材２６，２８の延長破線の交点が回転中心である
ことを利用して、部材２６または２８が部材２９に対し
て回転すると、部材２６は、上記の回転中心を中心とし
て回転する。しかし回転中心が上記の如く定まることか
らも明らかなように、微小たりとも回転すれば、回転中
心は移動する。つまり、本機構は近似的回転機構であ
る。しかし、サブミクロンオーダの精度を本機構に要求
すると、この回転中心の移動は無視できず、回転運動を
妨げる誤差となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、精密な位置決めが要求されるワーク又
は加工或いは組立ての対象物を支持する位置決め用リン
ク機構に係り、リンクの回転中心がワーク等の作業平面
上でない場合に問題となるワークをある方向に位置決め
するとき他の方向に生じるずれを防止するため、ワーク
等の作業平面上の点を回転中心とした位置決め用リンク
機構を提供することにある。

また、本願発明の他の目的は、機構誤差がなく、高分解
能を実現することができ、製作が容易な小型の位置決め
用リンク機構を提供することにある。さらに、本願発明
の他の目的は、ワーク等を支持する機構の回転中心をワ
ーク等の作業平面上とした多自由度位置決めリンク機構
を提供することにある。

〔発明の概要〕

即ち、上記目的を達成するため本発明は第１５図に示す
ように、リンクの回転中心（１６）を精密な位置決めが
要求されるワーク又は加工或いは組立ての対象物の作業
平面の上に存在する任意の１点を回転中心とし、該作業
平面と同一平面上に存在する該回転中心と一致しない２
点を第１の点（７）及び第１の点と一致しない第２の点
（８）とし、該第１及び第２の点は、該回転中心を中心
とした同一円形軌跡上に存在し、該第１及び第２の点を
部材上に有する支持部材２と、該第１の点の近傍に一端
を第１の回転対偶（Ｒ１０）により回転自在に連結され
た第１の部材（１１）と、前記第１の部材（１１）の中
間部に一端を第２の回転対偶（Ｒ９）により回転自在に
連結され、前記第１の点（７）と前記回転中心とを結ぶ
線分と平行かつ等長の第２の部材（１０）と、前記第１
の部材（１１）の他端に一端を第３の回転対偶（Ｒ８）
により回転自在に連結され、前記第１の点（７）と前記
回転中心とを結ぶ線分と平行かつ等長の第３の部材
（９）と、前記第１、２及び第３の部材と共に平行四辺
形リンクを構成するよう前記第２及び第３の部材の他端
がそれぞれ第４の回転対偶（Ｒ７）、第５の回転対偶
（Ｒ６）により回転自在に連結されたベース（１５）
と、前記第２の点（８）の近傍に一端を第６の回転対偶
（Ｒ１１）により回転自在に連結された第４の部材（１
２）と、前記第４の部材の中間部に一端を第７の回転対
偶（Ｒ１２）により回転自在に連結され、前記第２の点
（８）と前記回転中心とを結ぶ線分と平行かつ等長の第
５の部材（１３）と、前記第４の部材（１２）の他端に
一端を第８の回転対偶（Ｒ１３）により回転自在に連結
され、前記第２の点（８）と前記回転中心とを結ぶ線分
と平行かつ等長の第６の部材（１４）と、前記第４、５
及び第６の部材と前記ベースとで平行四辺形リンクを構
成するよう前記第５及び第６の部材の他端をそれぞれ第
９の回転対偶（Ｒ１４）、第１０の回転対偶（Ｒ１５）
により前記ベースに回転自在に連結したことを特徴と
し、ワーク等を支持する機構をその回転中心がワーク等
の作業平面上に位置するように構成した。

また、精密な位置決めを可能とするためリンク機構を構
成する回転対偶を部材と一体構造の円形又は楕円形のヒ
ンジとしてリンク機構全体を一体構造とした。

また、リンクの駆動はピエゾ素子を用い、各ヒンジ部に
センサを取付け、閉ループ制御するようにした。

さらに、多自由度の位置決め用であっても複雑な補完を
することなく行うことができるよう、ワーク等を支持す
るリンク機構の多軸の回転中心をワーク等の作業平面上
の一点に一致させるようにした。

〔発明の実施例〕

以下本発明について図に示す実施例にもとづいて説明す
る。

発明の背景の項で挙げた従来技術の嵌合機構を示した第
２３図の機構が回転すると誤差を生じる原因を第２０図
を用いて説明する。

部材２７が部材２７の先端３０で回転するためには、部
材２７の左下点（回転対偶Ｒ２）３３及び部材２７の右
下点（回転対偶Ｒ３）３４がそれぞれ点線で示すように
回転中心３０を中心とする円形跡道上を動くことが必要
である。しかし実際には点３３及び３４が実線の如く動
くため、回転するほど両者（実線と点線）の差が広が
り、誤差も広がる。

この誤差を無くすには、最も単純な方法は、第１９図に
示される。つまり、部材２７の先端３０に回転対偶をつ
ければ、部材２７の左下点３３、右下点３４は、点線の
ように動く。しかし、部材２７の先端３０は、回転の中
心であり、ここは、多くのツールを付加したり、加工又
は組立の対象物を保持することが必要となるため、対偶
を付加することは、実用上望ましくない。

そこで回転中心３０に回転対偶を付加せずに、３０を回
転中心とする機構を第１５図に示す。

第１５図において、支持部材２の先端４が回転中心１６
を中心として回転するためには、支持部材２の左下点７
及び支持部材２の右下点８が、第２０図の点線の如く動
くことが必要である。

第１５図に示す、部材１５と部材９と、部材１０と部材
１１とは平行四辺形をなす４つの部材と４つの回転対偶
で構成される機構（平行四辺形リンク機構）である。こ
のとき支持部材２の先端４と支持部材２の左下点７を結
ぶ線分を、部材９または部材１０と同じ長さで、しかも
平行にする。さらに、部材１５と部材１３と部材１２と
部材１４とは平行四辺形をなす４つの部材と４つの回転
対偶で構成される機構（平行四辺形リンク機構）であ
る。支持部材２の先端４と支持部材２の右下点８を結ぶ
線分と部材１３または部材１４との関係も同様にする。

すると支持部材２は支持部材２の先端４を中心に回転す
る機構となる。なお、Ｒ６〜Ｒ１５は部材間を回転でき
るように連結した回転対偶である。この機構と第１６図
に示した機構とは、同じ様に支持部材２は、回転中心
（この点は部材１５に対して固定された位置関係を有す
る。）１６を中心に回転する。

第１図は第１５図を円形にまとめたものである。符号
も、第１５図の符号に対し′で示す。円筒部材２′と部
材１５′が回転中心１６′を中心として回転運動をする
機構である。第１図の場合は、外側の円形の輪２′（後
述するが、これは円筒の断面である）をベースとして、
部材１５′が回転するのでその意味では後述する第１８
図と原理的に同一である。９′〜１５′は部材である。
Ｒ６′〜Ｒ１５′は回転対偶である。よって駆動源が、
第１図の白抜きの矢印のように円筒部材２′から部材１
５′に対して力（または変位）を与えれば部材１５′は
回転中心１６を中心に回転する。

力を与える対象は部材１５′に限らず、第１図に記述さ
れている、どの対偶でもよい。但しベースは除く。また
力の作用線は、回転中心１６′を通過してはならない。

駆動源は、矢印の方向に微小の力を与えることが制御で
きればよい。本実施例では、白抜き矢印の位置、即ちベ
ース２′と部材１５′の間に並進するピエゾ素子をベー
ス２′、部材１５′にそれぞれ係合させて設ける。

第４図は第１図を加工図面として表わしたものである。
符号は、第１図と共通である。

材料は、弾性変形をし、繰り返し荷重（変形）に耐えら
れるものであれば良い。本実施例では、バネ材を用い
た。

また、第４図の中で、円筒部材２′以外は、１枚の円形
板（円筒部材２′の内側に位置する）から、グライン
ダ、放電加工、ワイヤソー等で容易に精度良く加工可能
である。このことは、本発明の特徴である。つまり、加
工が容易であり、比較的低価格で作ることもできるため
大量生産への可能性を持つ。

これにより、ｘｙ平面回転機構の１つであるｚ軸回りの
回転機構が可能となる。

次に部材１５′に直結するｙｚ平面回転機構を第２図に
もとづいて説明する。

第１図と第２図で共通に用いられている円筒部材２′と
部材１５′は同一のものである。

また、第２図で示される符号の″は、第１図に示された
符号の′のものに対応し、同じような動作をするように
構成してある。

第２図では第１図を用いて説明した円筒部材（ベース）
２′と部材１５′の関係が、部材１５′と支持部材２″
の間において成立し、部材１５′が第１図の円筒部材
２′に対応し、支持部材２″が第１図の部材１５′に対
応する。ここでは、部材１５′を動かないベースと考
え、白抜き矢印のように部材１５′より支持部材２″に
力を加えると支持部材２″は、回転中心１６″を中心に
回転する。

また第１７図の如く変形しても、支持部材２は回転中心
１６を中心として回転することに変わりない。

以上第１５図，第１６図，第１７図で示した以外にも回
転中心１６を中心に回転する機構が考えられる。例え
ば、前記のように平行四辺形をなす４つの部材と４つの
回転対偶で構成される機構（平行四辺形リンク機構）を
２組設ければ、第１５図，第１６図，第１７図に示す様
に線対称にする必要はない。また、第１５図で示す角度
∠７４８も必ずしも図で示した角度にする必要はない。

第１７図は、部材１５をベースとして部材１２が回転中
心１６を中心として回転運動を行ったが、次に、第１８
図に示す如く第１７図と同一機構で、部材１２をベース
として、部材１５を動かせば、同一の回転中心１６を中
心として回転することができる。第５図に第２図に示す
ものを具体的な形で示した一例を示す。部材２′及び１
５′と２″の１部を除いて、同一の平板より加工される
ことも、第４図の場合と同じである。

次にｚｘ平面運動を第３図及び第６図に示す。第３図に
示す支持部材２″は第２図に示す支持部材２″と同一で
ある。

また第３図に示す符号のは、第１図に示す符号′のも
のと同じ機能を持つ。第３図では支持部材２″が第１図
の円筒部材（ベース）２′、第２図の部材１５′と同様
に動かないベースの役割をはたし、部材１５が第１図
の部材１５′、第２図の２″のように回転中心を中心と
して回転する部材の役割をはたす。即ち支持部材２″よ
り部材１１に対して矢印の如く（または変位）を加え
ると、部材１５は回転中心１６を中心に回転する。
これら具体的な形状の一例を第６図に示す。第３図の回
転中心１６（１６″）は、ｙ軸にしてある。

よって、直交する３個の回転軸はｘ，ｙ，ｚ軸であり、
同一点で交わり、第３図では１６（１６″）で示され
る。第３図では、この点には、回転対偶もなく、この点
からｚ軸方向には、何も回転対偶はない。このように構
成することによって、部材１５上の１６（１６″）
付近に、微調すべき対象物を把持するツールを設置し、
対象物がこの１６（１６″）の点に位置するよう構成
すると、対象物を、直交する３軸方向の微調回転運動を
させることができる。例えば、本発明の位置決め用リン
ク機構を半導体製造工程で用いられる露光装置に適用す
る場合、部材１５に把持ツールを設置し、把持対象物
としてウエハを把持させれば、ウエハは回転中心上１６
に設置することができるので、ウエハ面を露光装置の焦
点位置に精度良く一致させることができる。例えばレー
ザ加工機等の光学装置の焦点を被加工物である対象物上
で走査する場合、走査したい線への位置合わせはＺ軸を
中心として回転させれば傾きの補正をすることができ、
対象物の加工面が光軸に垂直に位置決めされていなけれ
ば、Ｘ軸又はＹ軸、もしくはその両軸を中心として回転
させれば位置決めすることができる。

また、ｚ軸方向に何も回転対偶がないことから、この部
分に、対象物の相手を、置くことも可能である。第４図
乃至第６図に示す機構を立体的に示したものを第７図乃
至第９図に示す。ｘ，ｙ，ｚ軸は同じ意味で用いてい
る。部材１５′は円筒部材２′で示すベースに対して回
転中心（ｚ軸）１６′を中心としてＺ軸まわりに回転す
る。支持部材２″は部材１５′に対して１６″を回転中
心としてＸ軸まわりに回転する。部材１５は支持部材
２″をベースとして１６を回転中心としてＹ軸まわり
に回転する。

以上の機構は、３軸直交回転機構であり、各３軸の駆動
源の設置場所は図中の白抜き矢印の位置に、係る力が得
られるように設ければよい。

しかし、駆動源にピエゾ素子を使用した場合もそうであ
るが、ピエゾに加える電圧とピエゾが変位する量とが、
必ずしも線形でなく、ドリフト、ヒステリシス等を生じ
るので、位置のフィードバックをかけることによって、
より位置制御の性能を高めることができる。

ここでの位置フィードバックに必要な位置を検出する検
出器は、微小量を検出することが必要なため、歪ゲージ
等に限られる。歪ゲージ１８を貼付けるためには、表面
が平坦であることが必要である。その時は、回転対偶と
しては第４図まで示した両側からの切欠き構造より第１
０図及び第１１図のように片側からの切欠きである方
が、片面が平面となり望ましい。

また、切欠部が長くなる第１２図及び第１３図のような
時は、最も多く歪が出る所に歪ゲージ１８を貼付けるこ
とが必要となる。

これ迄は、回転機構について述べたが、並進機構も付加
した方が有用な場合があるので、１実施例を第１４図に
示す。即ち部材３０１をベースとし、矢印の如く力（ま
たは変位）を加えると部材３０７は、ベース３０１に対
して並進運動を行う。このとき部材３０２と部材３０３
は平行で長さは等しい。また部材３０４と部材３０５は
平行で長さが等しいものとする。これは一軸の並進機構
であるが、これを回転機構での所で詳述したように、組
合せると、直交する３軸の並進機構ができる。Ｒ３０１
〜Ｒ３０８は回転できるように支持された回転対偶であ
る。

前記実施例によれば、各要素の製作において、単純な円
形及びスリット形状の組合せで構成しているため、放電
加工、研磨、ワイヤソー等で加工が容易にでき、製造し
やすい構造が得られる。また各要素の歪部に歪ゲージ等
の変位検出手段（変位計ないしは力計としての機能を持
つ手段）を貼付けることによって、高精度に変位を検出
することができるので、この検出信号をフィードバック
制御することが可能となり、ピエゾ等の微小駆動要素の
制御系を閉ループに構成でき、高精度の位置制御を実現
させることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、原理的に誤差のな
い（近似でない）回転微動の基本要素を小形に作ること
ができるので、この基本要素を応用し、組み合わせるこ
とによって全体として小形、高分解能の位置決め用リン
ク機構が簡単な製作により実現できる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るｘ−ｙ平面の空間微調機構の一実
施例を示した平面図、第２図はｙ−ｚ平面の空間微調機
構を主に示す第１図のｙ−ｚ平面断面図、第３図はｚ−
ｘ平面の空間微調機構を主に示す第１図のｚ−ｘ平面断
面図、第４図は第１図に示す実施例を具体化して示した
平面図、第５図は第４図のII−II矢視断面図、第６図は
第４図のIII−III矢視断面図、第７図は第４図乃至第６
図に示す実施例の全体を示す外観斜視図、第８図は第５
図に示すｙ−ｚ平面微調機構を示す斜視図、第９図は第
６図に示すｚ−ｘの平面微調機構を示す斜視図、第１０
図及び第１１図は歪ゲージを貼付けた一実施例を示した
図、第１２図及び第１３図は歪ゲージを貼付けた他の一
実施例を示した図、第１４図は本発明に係る空間微調機
構の他の一実施例である並進機構を示した図、第１５
図，第１６図，第１７図及び第１８図は本発明に係る空
間微調機構の原理を示した図、第１９図は本発明を説明
するための回転機構を示す図、第２０図は従来の近似回
転機構の問題点を説明するための図、第２１図，第２２
図及び第２３図は各々従来の近似回転機構を説明するた
めの図、第２４図は第２３図に示す近似回転機構を回転
動作させた状態を示す図である。２，２″…支持部材、２′…円筒部材９，９′，９″，９…部材、１０，１０′，１０″，１０…部材、１１，１１′，１１″，１１…部材、１２，１２′，１２″，１２…部材、１３，１３′，１３″，１３…部材、１４，１４′，１４″，１４…部材、１５，１５′，１５″，１５…部材、Ｒ６，Ｒ６′，Ｒ６″，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ７′，Ｒ
７″，Ｒ７，Ｒ８，Ｒ８′，Ｒ８″，Ｒ８，Ｒ９，
Ｒ９′，Ｒ９″，Ｒ９，Ｒ１０，Ｒ１０′，Ｒ１
０″，Ｒ１０，Ｒ１１，Ｒ１１′，Ｒ１１″，Ｒ１１
，Ｒ１２，Ｒ１２′，Ｒ１２″，Ｒ１２，Ｒ１３，
Ｒ１３′，Ｒ１３″，Ｒ１３，Ｒ１４，Ｒ１４′，Ｒ
１４″，Ｒ１４，Ｒ１５，Ｒ１５′，Ｒ１５″，Ｒ１
５…回転対偶。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者増井知幸神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献特公昭53−19147（ＪＰ，Ｂ２)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ワーク又は加工或いは組立ての対象物の作
業平面の上に存在する任意の１点を回転中心とし、該作
業平面と同一平面上に存在する該回転中心と一致しない
２点を第１の点（７）及び第１の点と一致しない第２の
点（８）とし、該第１及び第２の点は、該回転中心を中
心とした同一円形軌跡上に存在し、該第１及び第２の点を部材上に有する支持部材２と、該第１の点の近傍に一端を第１の回転対偶（Ｒ１０）に
より回転自在に連結された第１の部材（１１）と、前記第１の部材（１１）の中間部に一端を第２の回転対
偶（Ｒ９）により回転自在に連結され、前記第１の点
（７）と前記回転中心とを結ぶ線分と平行かつ等長の第
２の部材（１０）と、前記第１の部材（１１）の他端に一端を第３の回転対偶
（Ｒ８）により回転自在に連結され、前記第１の点
（７）と前記回転中心とを結ぶ線分と平行かつ等長の第
３の部材（９）と、前記第１、２及び第３の部材と共に平行四辺形リンクを
構成するよう前記第２及び第３の部材の他端がそれぞれ
第４の回転対偶（Ｒ７）、第５の回転対偶（Ｒ６）によ
り回転自在に連結されたベース（１５）と、前記第２の点（８）の近傍に一端を第６の回転対偶（Ｒ
１１）により回転自在に連結された第４の部材（１２）
と、前記第４の部材の中間部に一端を第７の回転対偶（Ｒ１
２）により回転自在に連結され、前記第２の点（８）と
前記回転中心とを結ぶ線分と平行かつ等長の第５の部材
（１３）と、前記第４の部材（１２）の他端に一端を第８の回転対偶
（Ｒ１３）により回転自在に連結され、前記第２の点
（８）と前記回転中心とを結ぶ線分と平行かつ等長の第
６の部材（１４）と、前記第４、５及び第６の部材と前記ベースとで平行四辺
形リンクを構成するよう前記第５及び第６の部材の他端
をそれぞれ第９の回転対偶（Ｒ１４）、第１０の回転対
偶（Ｒ１５）により前記ベースに回転自在に連結したこ
とを特徴とする位置決め用リンク機構。
【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の位置決め用リ
ンク機構において、前記第１から第１０の回転対偶が円
弧形又は楕円形の一体構造のヒンジで構成され、これに
よりリンク機構全体を一体構造としたことを特徴とする
位置決め用リンク機構。
【請求項３】特許請求の範囲第１項記載の位置決め用リ
ンク機構は、前記２個の平行四辺形リンク機構の運動面
は互いに平行であり、前記２個の平行四辺形リンクを構
成するリンク機構と同一構造のリンク機構を、その運動
面がそれぞれ直交し、それぞれの回転中心が一点で一致
するように３個設けて空間内で３自由度を得るようにし
たことを特徴とする特徴とする位置決め用リンク機構。
【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の位置決め用リ
ンク機構において、前記ベースと少なくとも前記第１か
ら第６の部材の何れかの部材との間に設けられたピエゾ
素子と、前記各部材の回転角の微小変位を変位又は力と
して検出するセンサと、該センサからの変位信号をフィ
ードバックして閉ループ系を構成した制御手段とからな
る駆動手段を有することを特徴とする位置決め用リンク
機構。