JPH0413995A - 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、微細な位置決め等を行う場合に使用される微
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オーダの微細
な変位調節が可能な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、ザ
ブμｍオーダの微細な位置決めか必要であり、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かできる。このような微細な
位置決めは、上記半導体製造装置に限らず、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］二により、バイオテクノロジ、宇
宙開発等の先端技術の発展にも大きく寄与するものであ
る。

従来、上記のような微細な位置決めを行う装置に微小な
変位を与える機構（以下、微動機構という）として、い
わゆる対偶構造を使用したものが提案されている。この
ような微動機構を第６図により説明する。

第６図は従来の微動機構の側面図である。閣で、ｘ、ｙ
、ｚば座標軸を示す。１は下部剛体、２は上部剛体、３
は下部剛体１と上部剛体２とを連結する複数の回転対偶
である。これら回転対偶については後述する。４は下部
剛体１と一体構成された突出部、５は突出部４に支持さ
れたアクチュエータである。アクチュエータ５としては
通常、積層形の圧電素子が用いられる。６は下部剛体１
と上部剛体２とに回転対偶を介して連結された作動体、
７はアクチュエータ５と作動体６との接点を示す。

ここで、回転対偶３を第７図を参照して説明する。第７
図は回転対偶の斜視図である。図で、３は回転対偶を示
し、角柱形状の剛体で形成されている。３ａはＵ字状ま
たは半円形状の切欠部であり、対向して２つ形成される
。３ｂ、３Ｃは切欠部３ａの両側の剛体部、３ｄは２つ
の切欠部３ａにより形成される薄肉部を示す。Ａは薄肉
部３ｄの最も薄い部分の中央を通り、薄肉部３ｄの壁に
平行な軸を示す。この回転対偶３は、剛体部３ｂ、３Ｃ
の一方、例えば剛体部３ｂを固定し、他方の剛体部３Ｃ
に軸Ａと直交する矢印Ｂ方向の力成分を加えると、軸Ａ
を中心として回転（微小回転）を生じる。しかし、その
他の力成分およびモーメント成分に対しては高い剛性を
有する。

次に、第６図に示す微動機構の動作を説明する。

下部剛体１を固定した状態でアクチュエータ５を励起し
、これをＸ軸方向（図で左方）へ伸長させると、作動体
６は接点７を作用点として時計方向へ微小回転する。こ
のため、上部剛体２にＸ軸方向（右方）の力が作用し、
各回転対偶３はこの力により上述のように微小回転する
。この結果、上部剛体２は当該力成分に応じてＸ軸方向
く右方）へ並進変位することとなる。したがって、上部
剛体２に物体を載せたテーブルを固定し、または上部剛
体２自体に直接物体を載せることにより、その物体の位
置決めを行うことができる。また、その並進変位の大き
さはアクチュエータ５の伸長の度合いを制御することに
より任意に選定することができる。さらに、２軸方向ま
たは３軸方向の並進は、図示の微動機構を２つまたは３
つ重ねて連結した構成とすることにより得ることができ
る。

上記微動機構のように、回転対偶３を用いてこれを構成
すると、並進対偶を用いた場合に比較し顕著な利点があ
る。この利点を明確にするため、並進対偶の構成を節単
に説明する。

第８図は並進対偶の斜視図である。図で、９は並進対偶
を示し、角柱形状の剛体で形成されている。９ａは凹状
の切欠部であり、対向して２つ形成される。９ｂ、９ｃ
は切欠部９ａの両側の剛体部、９ｄは２つの切欠部９ａ
により形成される薄肉部を示す。Ａは薄肉部９ｄの厚み
の中央を通り、薄肉部９ｄの壁に平行な軸、Ｂは薄肉部
９ｄの中心を通り軸Ａと直交する軸を示す。この並進対
偶９は、剛体部９ｂ、９ｃの一方、例えば剛体部９ｂを
固定し、他方の剛体部９ｃに軸Ａおよび軸Ｂと直交する
方向の力成分を加えると、軸Ａを中心としてたわみを生
じ、また、軸Ｂ方向の力成分を加えると薄肉部９ｄが僅
かに伸縮する。しかし、その他の力成分およびモーメン
ト成分に対しては高い剛性を有する。

第７図に示す回転対偶３と第８図に示す並進対偶９とを
比較すると、それらの切欠部３ａ、９ｄの構成が異なる
。そして、前者は後者に比べて遥かに容易に形成するこ
とができるのは明らかである。さらに、回転対偶３は並
進対偶９に比較して次のような利点も有する。即ち、こ
れら各対偶は力成分が作用することにより変形を生じる
が、この変形が繰返されることにより変形部から微小な
粉塵が発生する。このような粉塵は、例えば半導体製造
装置等においては大きな問題となる。このため、粉塵発
生部分にはカバーを設けるのが通常である。ここで、回
転対偶３と並進対偶９にカバーを設ける場合、前者の薄
肉部３ｄが後者の薄肉部９ｄよりその長さが短かく、か
つ、変形も小さいので、回転対偶３の方が並進対偶９よ
りもカバーの設置が容易となる。

〔発明が解決しようとする課題〕 回転対偶は並進対偶に比べて上記のような利点があるの
で、微動機構を構成する場合、第６図に示すもののよう
に回転対偶を用いることが望ましい。しかし、当然なが
ら回転対偶は回転変位を行うため、これを並進変位に用
いた場合、並進変位に悪影響を及ばず。即ち、第６図に
示す微動機構において、アクチュエータ５を励起して上
部剛体２を変位させたとき、Ｘ軸方向の変位とともに、
微小ではあるがＸ軸方向の変位を含むのを避けることば
できない。この結果、位置決めに誤差を生じ、位置決め
精度に限界が存在することとなり、したがって高精度の
並進変位を要求される装置の微動機構には回転対偶を使
用し得ない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
、回転対偶のみで構成することができる微動ｍ１４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、対偶構造を用い
、この対偶構造をアクチュエータにより変形させて所定
方向の並進変位を発生させる微動機構において、回転対
偶のみを順次１つずつ複数個連結して成る連結連鎖で構
成されるブロックを複数結合し、前記各プロ・ツクにお
ける前記連結連鎖を、前記各ブロックに発生させる変位
に少な（とも１つ共通な並進変位が存在するように構成
したことを特徴とする。

〔作用〕

アクチュエータを励起すると、これに応じて各ブロック
の連結連鎖は変形運動をしようとする。

この変形運動は、全ての連結連鎖に共通する方向の並進
変位を生じるものに対してのみ許容され、共通しない方
向の並進変位を生しる変形運動は他のブロックの連結連
鎖に抑制されて発生しない。

この結果、予め選定された共通する方向の並進変位のみ
を得ることができる。

〔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図は本発明の第１の実施例に係る微動機構の分解斜
視図である。図で、ｘ、ｙ、ｚは座標軸を示す。１０は
第１のブロック、１１は第２のブロックであり、いずれ
も剛体部材により構成されている。ブロック１０には、
ベース１０１、連結部１０２およびこの連結部１０２に
設げられたねじ穴１０３が備えられ、また、放電加工等
により複数の回転対偶３が形成されている。回転対偶３
は両側に３つずつ形成され、これら３つの回転対偶によ
りそれぞれ連結連鎖を構成している。ブロック１０に形
成された回転対偶は、全てＸ軸方向の回転軸を有する。

１０４は回転対偶の１つの薄肉部に貼付けられたひずみ
ゲージである。

ブロック１１には、四角形のフレーム１１１、中央の連
結部１１２、およびこの連結部１１２に設けられたねじ
穴１１３が備えられている。１１４ａ〜１１４ｄは３つ
の回転対偶で構成される連結連鎖を示し、各連結連鎖１
１４ａ〜１１４ｄはフレーム１１１と連結部１１２との
間に装架されている。これら連結連鎖１１４ａ〜１１４
ｄを構成する回転対偶ば、全て２４ＩＩ１１方向の回転
軸を有する。１１５はフレーム１１１と連結部１１２と
の間に装着されたアクチュエータである。ブロック１０
．１１は破線矢印で示すように、ねし穴１０３．１１３
を用いて結合される。

上記微動機構の動作の説明に先立ち、先ず、ブロック１
０．１１の動作を図により説明する。第２図（ａ）〜（
ｄ）はブロック１０の動作説明図である。図で、ｘ、ｙ
、ｚは第１図に示すものと同じ座標軸を示し、また、第
１図と等価な部分には同一符号が付しである。図では、
回転対偶３は直線と小円で表されており、直線は剛体部
、小円は微小回転する薄肉部を示す。第２図＜ａ＞　は
非変形状態を示す図であり、これによりベース１０１と
連結部１０２との間に、３つの回転対偶より成る連結連
鎖が２つ構成されていることが示されている。第２図（
ｂ）〜（ｄ）は変形状態を示す図であり、この図におい
て、破線は第２図（ａ）と同し非変形状態を示すもので
ある。なお、ベース１０１は図示のように固定されてい
る。

第２図（ａ）に示す非変形状態からブロック１０にＸ軸
まわりのモーメントを作用させると、各連結連鎖は第２
図（ｂ）に実線で示すように変形し、連結部１０２はＸ
軸まわりに角度Ｏだけ回転変位する。なお、図示の場合
、理解を容易にするため、変形を極端に誇張して描いで
ある（以下の図について同し）。また、非変形状態から
プロソり１０に２軸方向の力を作用させると、各連結連
鎖は第２図（ｃ）に実線で示すように変形し、Ｘ軸方向
に距離ｄ、だけ並進変位する。さらに、非変形状態から
ブロック１０にｙ軸方向の力を作用させると、各連結連
鎖は第２図（ｄ）に実線で示すように変形し、ｙ軸方向
に距離ｄ２だけ並進変位する。一方、これらの変位とは
異なり、プロ・７り１０はｙ軸および２軸まわりの回転
変位とＸ軸方向の並進変位は不可能である。

第３図（ａ）〜（ｄ）はブロック１１の動作説明図であ
る。図で、ｘ、ｙ、ｚは第１図に示すものと同じ座標軸
を示し、また、第１図と等価な部分には同一符号が付し
である。第３図（ａ）〜（ｄ）においても、各回転対偶
は第２図（ａ）〜（ｄ）と同じ態様で示されている。第
３図（ａ）は非変形状態を示す図である。第３図（ｂ）
〜（ｄ）は変形状態を示す図であり、この図において、
破線は第３図（ａ）と同じ非変形状態を示すものである
。なお、この場合、連結部１１２は固定状態にあるもの
と考える。

第３図（ａ）に示す非変形状態から、ブロック１１のフ
レーム１−１１に２軸まわりのモーメントを作用させる
と、各連結連鎖１１４ａ〜１１４ｄは第３図（ｂ）に実
線で示すように変形し、フレーム１１１は２軸まわりに
角度Ｏだけ回転変位する。また、非変形状態から、フレ
ーム１１１にｙ軸方向の力を作用させると、各連結連鎖
は第３図（Ｃ）に実線で示すように変形し、フレーム１
１１はｙ軸方向に距離ｄ、たけ並進変位する。さらに、
非変形状態から、フレーム１１１にＸ軸方向の力を作用
させると、各連結連鎖は第３図（ｄ）に実線で示すよう
に変形し、フレーム１１１はＸ軸方向に距離ｄ２だけ並
進変位する。一方、これらの変位とは異なり、ブロック
１１はＸ軸およびｙ軸まわりの回転変位と２軸方向の並
進変位は不可能である。

次に、第１図に示す本実施例の微動機構の動作を説明す
る。第２図（ａ）〜（ｄ）および第３図（ａ）〜（ｄ）
の説明から、ブロックｌＯの連結連鎖はＸ軸まわりの回
転変位、ｚ軸方向の並進変位、およびｙ軸方向の並進変
位のみが可能であり、また、ブロック１１の連結連鎖は
２軸まわりの回転変位、ｙ軸方向の並進変位、およびＸ
軸方向の並進変位のみが可能であることが判る。

上記のことを連結連鎖の運動式により表すと次式のよう
になる。

Ｓ＋ｏ−（Ｘ、εｙ、εｚ　　：ｌ　・−・−＝　（１
）Ｓ、−〔εＸ、εｙ、ｚ）・・・・・・（２）ここで
、 ＳＩＯはブロック１０の運動式、Ｓｌ＋はブロック１１
の運動式、εＸ、εｙ、ε２はそれぞれｘ３ｙ、ｚ軸方
向の並進変位、ｘ、ｚはそれぞれＸ、２軸まわりの回転
変位を表す。

本実施例の微動機構は、ブロック１０とブロック１１と
を結合した構成であるので、その運動式は上記（１）、
（２）式の合成となる。したがって、（１）式における
運動成分Ｘ、ε２は（２）式に含まれていないので、こ
れら運動成分はブロック１１の連結連鎖に拘束され、同
様に、（２）式における運動成分εｘ、ｚは（１）式に
含まれていないので、それら運動成分はブロック１０の
連結連鎖に拘束されることとなる。結局、何ら拘束を受
けない運動成分は、（１）、（２）式に共通な運動成分
εｙのみである。

以上の結果、本実施例の微動機構は、運動成分εｙ、即
ちｙ軸方向の並進変位のみが可能となり、ベース１０１
を固定した状態でアクチュエータ１１５を伸縮すると、
その伸縮に応じてフレーム１１１がｙ軸方向に並進変位
することとなる。

なお、ひずみゲージ１０４は並進変位の大きさを検出す
るために用いられ、その検出値に基づいて並進変位の制
御が実施される。

このように、本実施例では、結合された２つのブロック
のそれぞれに、回転対偶のみで構成される連結連鎖を設
け、各ブロックの連結連鎖の変位のうち１つの共通の並
進変位を存在させるようにしたので、当該共通の並進変
位以外の変位は各ブロックにより相互に拘束され、回転
対偶を用いているにもかかわらず、精度の高い並進変位
を行うことができる。また、当然回転対偶のみを使用し
でいることによる前述の利点、即ち、製造容易、かつ、
粉塵の有効な防止を確保することができる。

また、回転成分を考慮する必要がないので、微動機構の
制御を、容易かつ著しく簡素化することができる。

上記第１図に示す微動機構は一軸方向（ｙ軸方向）の並
進変位を行う機構であるが、所定のプロ・ツクを選択し
て結合することにより二輪方向、三軸方向の並進変位を
行う微動機構を構成することができる。以下、これらの
微動機構を図により説明する。

第４図は本発明の第２の実施例に係る微動機構の分解斜
視図である。図で、１１は第１図に示すブロック１１と
等価のブロックである。このブロック１１が第１図に示
すブロック１１と異なる点は、本実施例の連結部１１２
が十文字形状となっていて、アクチュエータ１１６がア
クチュエータ１１５と角度が９０度異なる位置に設けら
れている点にある。本実施例では、第１図に示すブロッ
ク１０に代えて、図示のブロック１２が用いられる。フ
ロック１２は、３つの回転対偶より成る連結連鎖１２ａ
と２つの連結連鎖１２ｂとで構成されている。連結連鎖
１２ａの回転対偶は全てＸ軸方向の回転軸を有し、また
、連結連鎖１２ｂの回転対偶は全てｙ軸方向の回転軸を
有する。

さらに、ブロック１２は、ベース１２１、第１の連結部
１２２、連結連鎖１２ａの１つの回転対偶の薄肉部に貼
付けられたひずみケージ１２３、第１の連結部１２２と
連結される第２の連結部１２４、第３の連結部１２５、
ねし穴１２６、および、連結連鎖１２ｂの１つの回転対
偶の薄肉部に貼付げられたひずみケージ１２７を備えて
いるー。

第３の連結部１２５はブロック１１の連結部１１２とね
し穴１１３．１２６により結合される。

本実施例においても、さきの実施例と同じく、連結連鎖
の運動式を用いてそめ動作を説明する。

ブロック１１の運動式をＳｌ＋、連結連鎖１２ａ、１２
ｂの運動式をそれぞれＳ＋ｚａ、ｓ、２ｂとし、また各
軸の変位をさきの運動式と同し符号を用いて表現すると
、 Ｓ、、＝ｔ：　　εＸ、εｙ、ｚ）　　・・・・・・　
（３）Ｓ１２ａ＝　　（ｘ、ｔ：　ｙ、　　εｚ　　〕
　−−（４）’Ｅｘｚｂ＝　　Ｃεｘ、　　ｙ、　　ε
ｚ）−（５）が成立する。

ごごで、ブロック１２の運動式をＳＩ２とすると、ＳＩ
２は次式で表される。

Ｓ＋ｚ＝Ｓ＋ｚａ　＋Ｓ＋ｚｂ −〔ｘｌ　εｘ、ｙ、　　εｙ〜　ε２〕・・・・・・
（６） 本実施例の微動機構は、ブロック１１とブロック１２と
を結合した構成であるので、その運動式は上記（３）、
（６）式の合成となる。したがって、（３）式における
運動成分２ば（６）式に含まれていないので、この運動
成分はブロック１２の連結連鎖に拘束され、同様に、（
６）式における運動成分ｘ、ｙ、ε２は（３）式に含ま
れていないので、それら運動成分はブロック１１の連結
連鎖に拘束されることとなり、何ら拘束を受けない運動
成分は、（３）、（６）式に共通な運動成分εＸ、εｙ
のみとなる。

以上の結果、本実施例の微動機構は、運動成分εＸ、ε
ｙ、即ちｘ、ｙ軸方向の二軸の並進変位のみが可能とな
り、ベース１２１を固定した状態でアクチュエータ１１
５を伸縮すると、その伸縮に応じてフレーム１１１がｙ
軸方向に並進変位し、アクチュエータ１１６を伸縮する
と、その伸縮に応じてフレーム１１１がＸ軸方向に並進
変位することとなる。本実施例の効果は、二軸の並進変
位が可能である点板外は、さきの実施例の効果と同じで
ある。

第５図は本発明の第３の実施例に係る微動機構の分解斜
視図である。図で、Ｘ、ｙ、ｚは第１．４図に示すもの
と同じ座標軸であり、また、１３．１４．１５はそれぞ
れ連結連鎖で構成されるブロックである。１３１．１３
２はブロック１３の両端の連結部、１４１．１４２はブ
ロック１４の両端の連結部、１５１．１５２はブロック
１５の両端の連結部である。ブロック１３は、連結部ｇ
１３ａ、１３ｂて構成されている。この構成は、第４図
に示すブロック１２の構成と同しである。ブロック１４
．１５はいずれも連結連鎖１３ａ、１３ｂと同じ連結連
鎖で構成されているが、各連結連鎖の方向が異なる。

ここで、ブロック１３．１４．１５の運動式をそれぞれ
Ｓ１３．３１４、ＳＩＳとすると、５１３−〔ｘ１ｙ１
εＸ１　εＸ１εｚ〕ＳＩ４＝　　（Ｘ、、ｚ、　　ε
Ｘ１　εＸ１　ε２〕Ｓ＋ｓ＝　　（ｙ、ｚ、ｓ　ｘ、
ｔ　ｙ、ｔ　ｚ）で表される−０ したがって、本実施例の微動機構は、（７）、（８）、
（９）式の共通変位εＸ、εｙ、ε２、即ち、ｘ、ｙ、
ｚ軸の三軸方向の並進変位が可能である。この三軸の並
進変位は、例えば、ブロック１３の連結部１３１を固定
部に固定し、ブロック１５の連結部１５２の適宜箇所と
前記固定部との間に、ｘ、ｙ、ｚ軸方向に伸縮するアク
チュエータを装架配置することにより得られる。物体、
の位置決めの場合、当該物体を載置するテーブルは連結
部１５２に固定されることになる。本実施例の効果は、
三軸の並進変位が可能である点板外は、さきの各実施例
の効果と同じである。

なお、上記各実施例におけるアクチュエータはその両端
を剛体と接して装架されるが、この装架は、回転対偶を
介して行うと、より一層円滑な動作を期待することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明は、回転対偶のみから成る連
結連鎖で構成されるブロックを複数結合して微動機構を
構成したので、製造容易、かつ粉塵防止容易という回転
対偶の利点を保ちながら、誤差のない高精度の微動を行
うことができる。また、回転成分を考慮する必要がない
ので、微動機構の制御装置を簡素に構成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る微動機構の分解斜
視図、第２図′（ａ）〜（ｄ）および第３図（ａ）〜（
ｄ）は第１図に示す微動機構の動作を説明する動作説明
図、第４図および第５図はそれぞれ本発明の第２および
第３の実施例に係る微動機構の分解斜視図、第６図は従
来の微動機構の側面図、第７図および第８図はそれぞれ
回転対偶および並進対偶の斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 対偶構造を用い、この対偶構造をアクチュエータにより
   変形させて所定方向の並進変位を発生させる微動機構に
   おいて、回転対偶のみを順次１つずつ複数個連結して成
   る連結連鎖で構成されるブロックを複数結合し、前記各
   ブロックにおける前記連結連鎖を、前記各ブロックに発
   生させる変位に少なくとも１つ共通な並進変位が存在す
   るように構成したことを特徴とする微動機構。