JPS63226708A - 微細位置決め装置 - 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、電子顕微鏡等の微細な変位
調節を必要とするものに使用される微細位置決め装置に
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や、特
公昭５７−５０４３３号公報に記載の型のものが提案さ
れている。前者の微細位置決め装置は、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ことによりこれを
並進変位せしめるように構成されている。又、後者の微
細位置決め装置は、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、このバイモルフ形圧電素子を駆
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号公報には微細位置
決め装置として、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、放射だわみ梁変位機構は、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問題点〕

上記従来の微細位置決め装置は、それぞれ１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細位置決め装置を立体的又は平
面的に複数個組合せねばならない。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、一方のユニット
の荷重が他方の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点があった。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
いう問題点もあった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、組合
せ構造とすることなく２軸以上の並進変位２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とができる
微細位置決め装置を提供するにある。

〔問題点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、固定部にたわみ
部を介して入力部を連結し、さらに、入力部にたわみ部
を介して変位部を連結し、固定部、入力部および変位部
を、各たわみ部を除いてスリットにより分離し、アクチ
ュエータにより入力部を駆動するようにしたことを特徴
とする。

〔作　用〕

アクチュエータを駆動すると入力部が駆動され、これに
応じて固定部に対してたわみ部がたわみ、このたわみは
変位部に伝達されて当該変位部を変位させる。

〔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細位置決め装置の平面
図、第２図は第１図に示す微細位置決め装置に用いられ
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ａ３を形成することにより構
成される。

ａＩ＋３２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ａ。

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ａ２
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す。第１図に示す微細
位置決め装置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、１）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
れる物体が載置される微動テーブルである。微動テーブ
ル１２は固定部材１）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１３１ａ４１．１３１ａ、□。

１３１ａ＝ｓ、で構成されている。１３１ａ＋、　１３
１ａ２はいずれも剛体部であり、角柱ヒンジ１３１ａ、
□からみたとき、それぞれ第２図に示す剛体部１３１ａ
＋、１３１ａｚに相当する。１４は積層形の圧電アクチ
ュエータであり、その駆動により固定部材１）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１３１
ａ　Ｉに加えられるので、この剛体部１３１ａ＋　は微
細位置決め装置１０の入力部となる。他の駆動リンク部
材１３２．１３３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は固
定部材１）．微動テーブル１２．剛体部１３１ａ　＋　
、１３２ａ　１．１３３ａ＋　を分離するスリット、１
６はスリット１５に充填された粘性材料である。

次に、この微細位置決め装置１０の動作を第３図に示す
リンク機構を参照しながら説明する。第３図は、第１図
に示す微細位置決め装置１０のリンク機構の模式図であ
り、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１）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、□、　１３３ａ４ｉ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１３１ａ−Ｉ
の薄肉部を中心に矢印方向に回動し、剛体部１３１ａｚ
は第３図で左方に押される。このため、角柱ヒンジ１３
１ａ４：＋、　１３２ａ４３．１３３ａｎｔ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１３１ａｎ３＋　１３
２ａ４コ。

１３３ａ４ｓのたわみの接線に垂直な線上の点Ｏ′とな
る。

なお、この動作は瞬間的なものであり、中心０′も移動
してゆくことになるが、微細位置決め装置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の変位は、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）成分の並進変位および紙面に垂直な
軸まわり（２軸まわり）の回転変位、即ち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。

次に、上記動作において、スリット１５に充填された粘
性材料１６の機能について説明する。今、仮に当該粘性
材料１６が設けられていない構成について考えると、こ
の構成においては、圧電アクチュエータ１４を駆動した
とき機構に振動が発生するのを避けることはできない。

この振動の発生は次のような好ましくない問題を生じる
。即ち、（１）圧電アクチュエータ１４は、印加電圧と
変位量との間にヒステリシスを有するため、微細位置決
めを行う場合、変位量やひずみ量等をフィードバック量
とする閉ループ制御が必要である。ところが、機構が振
動するとその振動期間は振動に伴う変位量やひずみ量等
の状態量が交番的に変化するので制御性が劣化する。

（２）微細位置決めを行う場合、機構の振動の振幅が、
例えば位置決め仕様として定めた分解能以下になるまで
は精密な位置決めを行うことはできない。

このため、振動の振幅があるレベル以下になるまでは位
置決めを完了することができず、位置決めの時間が長く
なる。

このような問題点は、スリット１５に粘性材料１６を充
填することにより解決される。一般に、円弧切欠きの弾
性ヒンジをもつ一体構造の微動機構においては、弾性ヒ
ンジのばね定数をに、剛体部分の質量をｍ、粘性減衰係
数をＣとすると、粘性減衰が存在するときの自由振動は
次式で表わされる。

ｄ２ｘ　　　　　　ｄｘ 上式において、減衰振動が生じるのは、Ｃ＜２ヅｋｍ　
　−−−−−−−−−−−−・−−ｍ−−−・−・・・
−（２）の場合であり、その場合の振動の減衰率は振動
周回をＴとすると、ｅ　ＣＴ　７２　″である。したが
って、粘性材料１６としては、（２）式を満足するよう
な粘性減衰係数において、減衰率が大きくなるような（
粘性減衰係数Ｃが大きい）材粘を選べばよい。そして、
そのような粘性材料１６をスリット１５に充填すること
により、ばね定数に、質１ｍにより定まる機構の振動を
早急に減衰させることができ、制御性を向上させ、位置
決め時間を短縮させることができる。このような粘性材
料としては、例えばシリコンゴムのようなものがある。

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、スリットにより一
体構造に構成されるので、微動機構単体を組合せ又は積
重ねることなく微細位置決め装置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。さらに又、スリットに粘性材料を充填した
ので、機構の振動を早急に減衰せしめることができ、ひ
いては制御性を向上し、位置決め時間を短縮することが
できる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、固定部、入力部、変位
部をスリットで分離する一体構造としたので、組合せや
積重ねによることなく微細位置決め装置を構成すること
ができ、位置決め精度を向上せしめることができ、かつ
、全体を小形に構成することができ、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細位置決め装置の平面
図、第２図は第１図に示す微細位置決め装置に用いられ
る角柱ヒンジの斜視図、第３図は第１図に示す微細位置
決め装置のリンク機構の模式図である。 １０・・・微細位置決め装置、１）・・・固定部材、１
２・・・微動テーブル、１３１〜１３３・・・駆動リン
ク部材、１５・・・スリット、１６・・・粘性部材。 第１図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）固定部と、この固定部にたわみ部を介して連結さ
   れる入力部と、この入力部にたわみ部を介して連結され
   る変位部と、前記入力部を駆動するアクチュエータと、
   前記固定部、前記入力部および前記変位部相互を前記各
   たわみ部を除いて分離するスリットとで構成されること
   を特徴とする微細位置決め装置。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項において、前記スリッ
   トは、粘性材料で充填されていることを特徴とする微細
   位置決め装置。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項において、前記固定部
   、前記入力部、前記変位部および前記各たわみ部は、平
   面機構を構成していることを特徴とする微細位置決め装
   置。