JPH07104723B2

JPH07104723B2 - 微細位置決め装置

Info

Publication number: JPH07104723B2
Application number: JP5225832A
Authority: JP
Inventors: 洋太郎畑村; 耕三小野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1993-09-10
Filing date: 1993-09-10
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH06230827A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２つ以上の軸方向に微
小な並進変位を発生するのに用いられる微細位置決め装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種技術分野においては、μｍオ
ーダーの微細な変位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Ｌ
ＳＩ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。

【０００３】従来、このような微細位置決め装置は、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
のものが提案されている。これらのうち、特に面倒な変
位縮小機構が不要であり、かつ、構成が簡単である点
で、平行ばねと微動アクチュエータを用いた型の微細位
置決め装置が最も優れていると考えられるので、以下、
これを図に基づいて説明する。

【０００４】図５は従来の微細位置決め装置の側面図
である。図で、１は支持台、２ａ，２ｂは支持台１上に
互いに平行に固定された板状の平行ばね、３は平行ばね
２ａ，２ｂ上に固定された剛性の高い微動テーブルであ
る。４は支持台１と微動テーブル３との間に装架された
微動アクチュエータである。この微動アクチュエータ４
には、圧電素子、電磁ソレノイド等が用いられ、これを
励起することにより、微動テーブル３に図中に示す座標
軸のｘ軸方向の力が加えられる。

【０００５】ここで、平行ばね２ａ，２ｂはその構造
上、ｘ軸方向の剛性は低く、これに対してｚ軸方向、ｙ
軸方向（紙面に垂直な方向）の剛性が高いので、微動ア
クチュエータが励起されると、微動テーブル３はほぼｘ
軸方向にのみ変位し、他方向の変位はほとんど発生しな
い。

【０００６】図６は前述の参考文献に開示された例か
ら想定される微細位置決め装置の斜視図である。図で、
６は支持台、７ａ，７ｂは支持台６上に互いに平行に固
定された板状の平行ばね、８は平行ばね７ａ，７ｂに固
定された剛性の高い中間テーブル、９ａ，９ｂは平行ば
ね７ａ，７ｂと直交する方向において互いに平行に中間
テーブル８に固定された板状の平行ばね、１０は平行ば
ね９ａ，９ｂ上に固定された剛性の高い微動テーブルで
ある。座標軸を図中に示すように定めると、平行ばね７
ａ，７ｂはｘ軸方向に沿って配置され、平行ばね９ａ，
９ｂはｙ軸方向に沿って配置されている。この構造は、
基本的には図５に示す１軸（ｘ軸方向の変位を生じる）
の場合の構造を２段に積層した構造である。矢印Ｆｘは
微動テーブル１０に加えられるｘ軸方向の力、矢印Ｆｙ
は中間テーブル８に加えられるｙ軸方向の力を示し、力
Ｆｘ，Ｆｙを加えることができる図示されていない微動
アクチュエータが支持台６と微動テーブル１０、支持台
６と中間テーブル８との間にそれぞれ設けられる。

【０００７】微動テーブル１０に力Ｆｘが加えられる
と、平行ばね９ａ，９ｂが変形し、一方、平行ばね７
ａ，７ｂはｘ軸方向の力Ｆｘに対しては高い剛性を有す
るので、微動テーブル１０はほぼｘ軸方向にのみ変位す
る。また、中間テーブル８に力Ｆｙが加えられると、平
行ばね７ａ，７ｂが変形し、微動テーブル１０は平行ば
ね９ａ，９ｂを介してほぼｙ軸方向にのみ変位する。さ
らに、両方の力Ｆｘ，Ｆｙが同時に加えられると、各平
行ばね７ａ，７ｂ，９ａ，９ｂは同時に変形し、微動テ
ーブル１０はこれに応じて２次元的に変位する。このよ
うに、図６に示す装置は、図５に示す装置が１軸方向の
みの位置決め装置であるのに対して２軸方向の位置決め
を行なうことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べた方法は次のような問題点を有している。即ち、
（１）力Ｆｘを発生する微動アクチュエータは、微動テ
ーブル１０と支持台６との間に剛に連結されている。そ
こで、今、中間テーブル８と支持台６との間に剛に連結
された図示されない微動アクチュエータにより、中間テ
ーブル８に力Ｆｙを加えると、微動テーブル１０はｙ軸
方向に変位する。この変位は、微動テーブル１０に連結
されている微動アクチュエータに力Ｆｘとは直交方向の
力を作用させることになり、結局、微動アクチュエータ
間に干渉が発生する。この結果、位置決め装置の精度お
よび耐久性に悪影響を生じるという問題がある。（２）
前述の現象は同時に微動位置決め装置において、実際の
微動変位を検出しこの検出値に基づいて位置決め精度を
さらに向上させようとする場合、検出装置を組み込んだ
とき、ある方向の変位が他の方向の変位検出装置に干渉
してその検出精度を低下させてしまうという問題があ
る。

【０００９】本発明の目的は、上記従来技術における
課題を解決し、全体構造を小形に構成することができ、
かつ、干渉変位なく多軸の並進変位を行うことができる
高精度の微細位置決め装置を提供することにある。

【００１０】

【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、２つの剛体部と、これら剛体部を連結し
かつ変位方向において対向する互いに平行に配置された
複数のたわみ梁と、前記２つの剛体部と少なくとも２つ
の所定の前記たわみ梁とによって囲まれた領域内に装架
され前記たわみ梁に曲げ変形を生じさせるアクチュエー
タとより成る平行たわみ梁変位機構が複数備えられ、そ
れぞれの平行たわみ梁変位機構を形成する前記２つの剛
体部のうちの少なくとも一方が他の平行たわみ梁変位機
構を形成する前記２つの剛体部の一方と一体的に形成さ
れ、かつ、それら各平行たわみ梁変位機構の基準軸の方
向が互いに異るようにして微細位置決め装置を構成した
ことを特徴とする。

【００１１】

【作用】１つの平行たわみ梁変位機構のアクチュエータ
を駆動するとたわみ梁に曲げ変形が生じ、これにより、
その平行たわみ梁変位機構の基準軸方向に並進変位が発
生する。他の平行たわみ梁変位機構においても同じであ
る。そして、各平行たわみ梁変位機構のアクチュエータ
を個々に駆動するとそれぞれ異なる方向の変位が発生
し、又、２つ以上の平行たわみ梁変位機構のアクチュエ
ータを同時に駆動すると、合成した方向の変位が発生す
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。図１は本発明の実施例に係る微細位置決め装置の
斜視図である。図で、３３，３４，３５，３６は剛体
部、５０ｘ，５０ｙ，５０ｚは直線駆動部である。ここ
で、剛体部と直線駆動部の詳細な構造および動作を図２
および図３により説明する。

【００１３】図２は剛体部と直線駆動部の詳細構造の側
面図である。図２で、１５ａ，１５ｂはそれぞれ図で左
右に存在する剛体部（図１に示す各剛体部に相当する）
である。１６，１６′はそれぞれ剛体部１５ａ，１５ｂ
の間にこれらと一体に形成され、かつ、互いに平行であ
る平板状の平行たわみ梁である。１７は平行たわみ梁１
６，１６′と各剛体部とを一体形成するために生じた貫
通孔を示す。１８ａは剛体部１５ａから貫通孔１７に突
出する突出部、１８ｂは剛体部１５ｂから貫通孔１７に
突出する突出部であり、これら突出部１８ａ，１８ｂは
互いに図の縦方向において、間隔を有して重なってい
る。

【００１４】１９は突出部１８ａと突出部１８ｂとの間
に固定された圧電素子を積層した圧電アクチュエータで
ある。圧電アクチュエータ１９は平行たわみ梁１６，１
６′の面に垂直な方向の力を発生し、それらに曲げ変形
を生ぜしめる。圧電アクチュエータ１９に発生する力の
大きさは、図示しない装置により、当該圧電アクチュエ
ータ１９に印加される電圧によって制御される。２０は
剛体部１５ａを支持する他の剛体構造である。２１は平
行たわみ梁１６，１６′の歪を検出するストレンゲージ
であり、平行たわみ梁１６，１６′と剛体部１５ａ，１
５ｂとの連結部分に設けられている。

【００１５】上記の構成において、剛体部１５ａ，１５
ｂ、平行たわみ梁１６，１６′、突出部１８ａ，１８ｂ
圧電アクチュエータ１９により平行たわみ梁変位機構２
２が構成されている。なお、剛体部１５ｂを通り、各平
行たわみ梁に直角方向の線Ｋを基準軸とする。この基準
軸は平行たわみ梁変位機構の設置方向を示すものであ
る。

【００１６】次に、図２に示す構造の動作を図３を参照
しながら説明する。図３は図２に示す平行たわみ梁変位
機構２２の変形後の側面図である。ここで、座標軸を図
示のように定める（ｙ軸は紙面に垂直な方向）。今、圧
電アクチュエータ１９に電圧を印加して同一大きさのｚ
軸方向の力ｆを発生させる。圧電アクチュエータ１９に
電圧が印加されることにより、剛体部１５ｂは力ｆによ
りｚ軸方向に押圧されることになる。このため、平行た
わみ梁１６，１６′は図５に示す平行ばね２ａ，２ｂと
同じように曲げ変形を生じ、剛体部１５ｂはｚ軸方向に
変位する。

【００１７】又、上記のように、平行たわみ梁１６，１
６′が伸長してたわむと、ストレンゲージ２１のそれぞ
れには、その配置位置により圧縮歪および伸長歪を生じ
る。そこで、この歪をストレンゲージ２１で検出し、こ
の検出値に基づき圧電アクチュエータ１９の印加電圧を
制御する、いわゆるフィードバック制御系を構成すれ
ば、より一層正確な主変位εを得ることができる。即
ち、上記各ストレンゲージ２１をブリッジ回路等適宜の
電気回路に組み込んで検出した歪を電気信号として取り
出し（主変位εは歪と正確に比例する）、これを比較演
算部において目標変位に相当する信号と比較して両者の
差信号を算出し、この差信号に基づいて当該差信号が０
になるように圧電アクチュエータ１９を制御すればよ
い。このように、検出値を目標値と比較し、その差が０
になるように制御するフィードバック制御系は周知であ
り、図示の場合、この周知のフィードバック制御系をそ
のまま適用するだけであるので、フィードバック制御系
における検出部であるストレンゲージ２１のみを示し、
フィードバック制御系の他の構成の図示およびその詳細
な説明は省略する。

【００１８】圧電アクチュエータ１９に印加されている
電圧が除かれると、各平行たわみ梁１６，１６′は変形
前の状態に復帰し、平行たわみ梁変位機構２２は図２に
示す状態に戻り、変位εは０となる。

【００１９】このように、力を発生させる圧電アクチュ
エータを平行たわみ梁変位機構の剛体部と平行たわみ梁
で形成される領域内に収容する構成とすることにより、
外部へ突出する部分がなく単純な形状の構成とすること
ができる。この特徴は圧電アクチュエータが発した力の
流れが各平行たわみ梁の極く近傍を通ることになり、ア
クチュエータ１９が発した力の流れは剛体部１５ａ、た
わみ梁１６，１６′および剛体部１５ｂの中で反力と均
衝し、剛体部２０には影響を及ぼさないために、このよ
うな装置を積層する際に従来例で述べたアクチュエータ
が干渉する問題点を解決していることにもなり、したが
って、平行たわみ梁変位機構を多軸に積層することが容
易になる。さらに、多軸に積層した場合も他の影響を全
く受けない平行たわみ梁の歪によって多軸位置決め機構
の各軸の出力変位を正確に検出し、この検出値に基づい
て圧電アクチュエータに発生させる力を制御すれば、高
精度の多軸積層体による位置決めができる。

【００２０】図４は図２に示す貫通孔１７、突出部１８
ａ，１８ｂおよび圧電アクチュエータ１９をＳ字形状に
略記した図である。そして、このＳ字形状の部分を直線
駆動部と称し、符号５０で表わすことにし、この直線駆
動部５０の変位の方向の座標軸の符号を、符号５０に付
することにする。このような直線駆動部５０ｘ，５０
ｙ，５０ｚが図１に示されている。

【００２１】ここで、図１に示す本実施例を説明する。
本実施例の装置は座標軸を図示のように設定したときの
３軸（ｘ，ｙ，ｚ）に沿う変位を発生する装置である。
そして、その構成は図１に示す平行たわみ梁変位機構２
２を３つ組合わせ、それらの各基準軸Ｋどうしが互いに
他と直角方向に配置され、かつ、隣接する各剛体部が一
体化した形となっている。図で、３３，３４，３５，３
６は剛体部、５０ｚは剛体部３３，３４間に介在する直
線駆動部、５０ｙは剛体部３４，３５間に介在する直線
駆動部、５０ｘは剛体部３５，３６間に介在する直線駆
動部である。剛体部３３，３４および直線駆動部５０ｚ
によりｚ軸方向の平行たわみ梁変位機構２２ｚが構成さ
れ、又、剛体部３４，３５および直線駆動部５０ｙによ
りｙ軸方向の平行たわみ梁変位機構２２ｙが構成され、
さらに、剛体部３５，３６および直線駆動部５０ｘによ
りｘ軸方向の平行たわみ梁変位機構２２ｘが構成され
る。

【００２２】今、例えば剛体部３３を固定し、この状態
で直線駆動部５０ｚの圧電アクチュエータを駆動する
と、さきの説明から判るように、剛体部３４はｚ軸方向
に変位を生じ、したがって、剛体部３６も同様の変位を
生じる。同じく、直線駆動部５０ｙを駆動すると剛体部
３６はｙ軸方向に変位を生じ、直線駆動部５０ｘを駆動
すると剛体部３６はｘ軸方向に変位を生じる。これらの
変位はそれぞれ他とは独立に発生するので、各直線駆動
部５０ｘ，５０ｙ，５０ｚを適宜駆動することにより任
意に３軸の変位を発生することができる。

【００２３】このように、本実施例では、３つの平行た
わみ梁変位機構をその基準軸が互いに他と直交するよう
に一体化して組合わせたので、３軸の変位機構であって
も、全体の形状寸法を極めて小形に構成することがで
き、又、各圧電アクチュエータは他の駆動系に対して干
渉することはない。さらに、各直線駆動部における平行
たわみ梁は、このように３軸に積層しても他軸からの影
響を全く受けないので、その歪を検出することにより各
軸の出力変位を検出することができ、これをフィードバ
ック制御に用いることにより高精度な位置決めができ
る。

【００２４】なお、、本実施例では３軸（ｘ，ｙ，ｚ）
の微細微細位置決め装置を説明したが、いずれか１軸を
除去して２軸の微細位置決め装置とすることができるの
は明らかである。

【００２５】ところで、平行たわみ梁構造に於いて実用
的な寸法を仮定して計算すると発生すべき変位の約１／
１００くらいの横変位が生じることがある。この値は一
般的使い方では誤差の範囲と考えてもよいので無視でき
る。しかしながらより高い精度が要求される目的のため
にはこの誤差を防ぐ必要があるので、その方法について
言及しておく。即ち、本実施例のように複数のたわみ梁
変位機構を積層するとき、前述の微小な誤差が拡大され
る。そこでそれらが無視できない割合を占めるようにな
る場合も生じ得る。その場合でも各たわみ梁変位機構で
発生した変位と微動テーブルでの実際の変位との間には
微小変位の範囲では干渉変位を含めてほとんど線形な関
係が成り立つので、それらの係数を求めておいて予め入
力値を補償演算しておけば、その影響を容易に除くこと
ができるとともに、その結果得られる位置決め精度は今
迄述べてきた実施例のものを上記補償演算なしですまし
た場合に比べて格段に向上する。

【００２６】なお、本実施例は、微細位置決め装置につ
いてのものであり、又、本発明の名称とも一致する。し
かしながら、本発明でいう微細位置決め装置は、微細な
並進変位を発生させる装置の意味であり、実施例の説明
で微細位置決め装置を例示したのは本発明の使用分野の
典型例が位置決め装置であることを考慮したものであ
り、本発明の内容を最も簡明かつ直載に表現するもので
あると考えられるからである。したがって、本発明の適
用は位置決め装置に限定されるものではない。即ち、位
置決め装置以外にもある試料体を所望の微小変位だけ変
形させて接触面の変位状況や試料体の物性変化を調べる
装置や、単結晶の各結晶方向に精密な荷重を作用させる
ような微細変位範囲内での荷重装置等がある。

【００２７】ところで、通常、微細位置決め装置では、
微動位置決め部にはシリコンウエハー、光ファイバ、顕
微鏡の試料等の軽量かつ移動に際して抵抗力の発生しな
いものが置かれ、もしくは取付けられることが多い。こ
の場合、装置の各剛体部および中間に介在する他の駆動
部は、特に力やトルクが作用しないのでそれほど大きな
剛性を必要としない。一方、それ以外の上記装置では、
微小変位に伴なって抵抗力が生じるので、各剛体部およ
びその中間に介在する他の各駆動部は、所定変位方向に
対する力もしくはトルクに対して剛である必要がある。
本実施例ではこの条件も満足している。したがって、荷
重装置としての使用にも耐えられる構成になっている。

【００２８】さらに、基準軸について述べると、本実施
例では、基準軸が直交している例について説明したが、
必ずしも基準軸が直交しなくてもよいのは当然である。
又、上記実施例の説明では、平行たわみ梁として２枚１
組になった構成を例示して説明したが、これらは２枚に
限定されることはなく、３枚以上の複数枚を１組とする
構成であってもよいのは明らかである。さらに、平行た
わみ梁として同一厚みの平板状のものを例示して説明し
たが、必ずしも均一厚みのものに限定されることなく、
平行たわみ梁を形成するために剛体ブロックに貫通する
貫通孔の形状を加工等の観点から種々選定することがで
き、これに応じて不均一厚みのものとすることもでき
る。

【００２９】さらに又、上記実施例の説明では、アクチ
ュエータとして圧電アクチュエータを例示して説明した
が、圧電アクチュエータに限ることはなく、ソレノイド
その他適宜のものを用いることができる。

【００３０】又、アクチュエータの設置箇所として、２
つの剛体部とこれらの間を連結する平行たわみ梁とで囲
まれる領域を例示したが、さらに一方の剛体部に凹部を
設け、この凹部内に他方の剛体部から突出する突出部を
挿入し、この挿入した突出部と前記一方の剛体部との間
にアクチュエータを設置することもできる。

【００３１】又、上記実施例の説明では、微細位置決め
装置を、最も理想的な実施例として１つの剛体ブロック
から一体に形成する構成を例示して説明したが、別体に
形成した各部をボルトなどの部材を用いるか又は溶接な
どによって互いに剛接する構成としてもよい。

【００３２】又、たわみ梁の変位、応力歪を検出する手
段はストレンゲージに限ることはなく、他の手段を用い
ることもできる。そして又、このような歪の検出手段を
含むフィードバック制御系は必ずしも必要ではなく、こ
れがなくても充分に精度よく微細変位、微細回転変位を
得ることができるのは明らかである。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、平行た
わみ梁変位機構を２つ以上用いて微細位置決め装置を構
成したので、２軸又は３軸の変位機構であっても、全体
の形状寸法を極めて小形に構成することができ、かつ、
干渉のない高精度の多軸の位置決め装置を容易に構成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る微細位置決め装置の側面
図である。

【図２】図１に示す構造の詳細を説明する側面図であ
る。

【図３】図２に示す構造の動作を説明する側面図であ
る。

【図４】直線駆動部および回転駆動部の記号を説明する
ための説明図である。

【図５】従来の微細位置決め装置の側面図である。

【図６】図５に示す装置から想定される微細位置決め装
置の斜視図である。

【符号の説明】

２２ｘ，２２ｙ，２２ｚ平行たわみ変位機構３３，３４，３５，３６剛体部５０ｘ，５０ｙ，５０ｚ直線駆動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−25284（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−259347（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−209846（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−94103（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−96880（ＪＰ，Ａ) 米国特許3786332（ＵＳ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの剛体部と、これら剛体部を連結し
かつ変位方向において対向する互いに平行に配置された
複数のたわみ梁と、前記２つの剛体部と少なくとも２つ
の所定の前記たわみ梁とによって囲まれた領域内に装架
され前記たわみ梁に曲げ変形を生じさせるアクチュエー
タとより成る平行たわみ梁変位機構が複数備えられ、そ
れぞれの平行たわみ梁変位機構を形成する前記２つの剛
体部のうちの少なくとも一方が他の平行たわみ梁変位機
構を形成する前記２つの剛体部の一方と一体的に形成さ
れ、かつ、それら各平行たわみ梁変位機構の基準軸の方
向が互いに異るように構成されていることを特徴とする
微細位置決め装置。
【請求項２】請求項１において、前記各平行たわみ梁
変位機構の前記複数のたわみ梁群の所定のたわみ梁は、
前記２つの剛体部間に発生する相対変位を検出する検出
手段を備えていることを特徴とする微細位置決め装置。