JPH04238506A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ナノメータからマイク
ロメータ単位の変位調節を必要とする半導体製造装置、
トンネル顕微鏡、電子顕微鏡等に使用される微動機構に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば超ＬＳＩの製造工程に使用
されるマスクアライナや、トンネル顕微鏡、電子顕微鏡
といった各種顕微鏡の試料ステージの変位調節をナノメ
ートル単位（　　　　　　ｍ）で執り行うことができる
微動機構の開発が要望されている。そのような微動機構
の構造を図４、図５により説明する。図４は従来の微動
機構の側面図である。図中、１は固定側剛体、２は移動
側剛体、３、４はこれら固定側剛体１および移動側剛体
２を結合する平板状の弾性部材、５は固定側剛体１に設
けられた突起部、６は移動側剛体２に設けられた突起部
である。通常、これら固定側剛体１、移動側剛体２、各
弾性部材３、４および各突起部５、６とは一体成形され
ている。７は圧電素子であり、双方の突起部５、６間に
固定されている。８、９はひずみゲージであり、弾性部
材３に貼着されており、弾性部材３の変位量を検出する
。

【０００３】圧電素子７に電圧を印加すると、この圧電
素子７が伸び、弾性部材３、４を変形させながら移動側
剛体２が変位する。図では、この変位が符号δで示され
ている。この変位発生時、前記ひずみゲージ８、９がそ
の変形量（変形量に比例）を取り出す。この微動機構は
圧電素子７が高分解能を有することからナノメートル領
域での移動側剛体２の位置調節が可能であるが、圧電素
子７の電圧−変位特性にはヒステリシスがあるので、ひ
ずみゲージ８、９の出力から得られる変位量信号を圧電
素子７の印加電圧にフィードバックすることにより、正
確な位置決めを可能にしている。

【０００４】図５は従来の他の微動機構の側面図である
。図中、１１は固定側剛体、１２は移動側剛体、１３は
圧電素子である。圧電素子１３は一端が固定側剛体１１
に接着されており、他端が移動側剛体１２に接着されて
いる。１４、１５はひずみゲージであり、圧電素子１３
に直接貼着されており、圧電素子１３の変位量を検出す
る。この微動機構の動作は図４に示す微動機構の動作に
準じる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図４に示す微動機構に
おいては、圧電素子７の長手方向の両端に突起５、６が
設けられ、さらにその両外側に間隔をあけて弾性部材３
、４が設けられており、かつ圧電素子７の両側面側の外
側に間隔をあけて固定側剛体１および移動側剛体２が設
けられている構造であるので、長手方向および断面方向
のいずれの方向においても寸法が大きくなり、小型化を
はかることが困難である。また図５に示す微動機構にお
いては、先例と比較して全体的に寸法が小さくなり、小
型化に適しているが、圧電素子１３と固定側剛体１１お
よび移動側剛体１２との結合には接着剤等が使用される
ことが多いので、構造的に脆弱である圧電素子１３が外
力の作用により破損し易く、実用上の使用に問題がある
。　　　　　　　　本発明の目的は、全体的な寸法を小
さくすることができ、しかも外力によるアクチュエータ
の破損を防止することができる微動機構を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はアクチュエータにより二つの剛体間に相対
変位を発生させる微動機構において、前記アクチュエー
タを二つの剛体間に配置するとともに、当該アクチュエ
ータの変位方向に沿って前記各剛体を結合する弾性部材
を設けたことを特徴とする。また上記構成の微動機構の
複数を各微動機構の一方の剛体を共通にして結合したこ
とをも特徴とする。

【０００７】

【作用】アクチュエータが駆動すると、２つの剛体間に
は、弾性部材を伸長させながら相対的変位が発生する。 この微動機構を例えば３個用い、各一方の剛体を共通と
するとともに各アクチュエータの変位方向が直交するよ
うに組合せ、各アクチュエータを適切に駆動すると、任
意の並進変位、回転変位を得ることができる。

【０００８】

【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動機構の側面図で
ある。図中、２０は本実施例の微動機構を示す。２１は
固定側剛体、２２は移動側剛体、２３、２４は平板状の
弾性部材である。これらの固定側剛体２１、移動側剛体
２２、および弾性部材２３、２４は１つの剛体ブロック
の中央に貫通孔２５を形成することにより一体成形され
ている。２６はアクチュエータとしての圧電素子であり
、前記中央の貫通孔２５内に収容され、一端が固定側剛
体２１の内壁に当接され、他端が移動側剛体２２の内壁
に当接されている。この場合、弾性部材２３、２４は圧
電素子２６の側面側に位置することになる。２７、２８
は変位検出素子としてのひずみゲージであり、一方の弾
性部材２３の外壁に貼着されている。なお、必要に応じ
て双方の弾性部材２３、２４の外壁にさらに多くのひず
みゲージを貼着することができる。

【０００９】固定側剛体２１を動かない部材に連結した
状態で圧電素子２６に電圧を印加すると、この圧電素子
２６が伸長して双方の弾性部材２３、２４を伸長させな
がら移動側剛体２２を例えば図において点線の位置まで
変位させる。このとき各ひずみゲージ２７、２８が対応
する弾性部材２３、２４の伸長に比例して変位し、その
変位量が検出されることになる。この変位量は以下の式
で表される。 　　　　　　　　　　　　　　　　δ＝δ０・ｋｐ／（
ｋｎ＋ｋｐ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　…
（１）ここに、δは移動側剛体２２の変位量、δ０は圧
電素子の無負荷時の変位量（図５に示すδに相当）、ｋ
ｐは圧電素子の剛性、ｋｎは弾性部材の剛性である。な
お、上記式（１）から明らかなように、本実施例では変
位量δは低下するが圧電素子２６の剛性ｋｐと弾性部材
２３、２４の剛性ｋｎを例えばｋｐ＝１０・ｋｎの関係
が成り立つよう容易に設計できるので、この場合には、
δ＝０．９・δ０となり、実用上問題が生じない。また
本実施例でも、ひずみゲージ２７、２８の変位から得ら
れる変位量信号を圧電素子２６の印加電圧にフィードバ
ックすることにより、ナノメートル単位での正確な位置
決めを行うことを可能にしている。

【００１０】このように本実施例の微動機構２０は圧電
素子２６の両側面側に固定側剛体２１および移動側剛体
２２を結合する弾性部材２３、２４を設け、かつこの弾
性部材２３、２４にひずみゲージ２７、２８を設けた構
造であるので、圧電素子２６に作用する外力を防ぎつつ
微動機構全体として小型化をはかることができ、しかも
ナノメートル単位での高精度の位置決めを行うことがで
きる。また、弾性部材２３、２４の剛性を高くすれば、
微動機構全体の剛性を高めることができる。

【００１１】図２は本発明の他の実施例に係る微動機構
の斜視図である。図中、３０は本実施例の微動機構を示
す。微動機構３０は、図１に示す微動機構２０を３つ、
各圧電素子の変位方向が直交軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿うように
組み合わせて構成した微動機構である。これら３つの微
動機構（以下、微動機構ユニットという）が符号３０Ｘ
、３０Ｙ、３０Ｚで示されている。３１、３２、３３は
固定側剛体、３４、３５、３６、３７、３８、３９は弾
性部材、４０は移動側剛体であり、これら固定側剛体３
１〜３３、弾性部材３４〜３９、および移動側剛体４０
は一体成形されている。各微動機構ユニット３０Ｘ〜３
０Ｚの移動側剛体が共通の移動側剛体４０となっている
。微動機構ユニット３０ＸはＸ軸方向に延設され、微動
機構ユニット３０ＹはＹ軸方向に延設され、微動機構ユ
ニット３０ＺはＺ軸方向に延設されている。４４、４５
、４６は圧電素子であり、それぞれ対応する貫通孔４１
、４２、４３内に収容されている。４７、４８、４９…
はひずみゲージであり、対応する弾性部材３４〜３９に
貼着されている。

【００１２】圧電素子４４、４５、４６に単独に電圧を
印加することにより、移動側剛体４０に対して図示のよ
うに変位δｘ、δｙ、δｚを与えることができ、また各
圧電素子４４、４５、４６の印加電圧を適宜選択するこ
とにより、移動側剛体４０に各方向の合成した変位を与
えることができる。なお、例えば圧電素子４４を駆動す
ると、微動機構ユニット３０Ｙ、３０ＺもＸ軸方向に変
位することが必要である。ただし圧電素子４４の発生変
位量は、一般に１〜１０μｍ以下と非常に小さい。した
がって他の微動機構ユニット３０Ｙ、３０ＺにＸ軸方向
の変形を無理な応力が発生することなく生じさせ得るこ
とができる。

【００１３】図３は図２に示す微動機構３０の応用例の
斜視図である。図中、３０ａ、３０ｂ、３０ｃは微動機
構、５０は位置決めテーブルである。各微動機構３０ａ
、３０ｂ、３０ｃの各固定側剛体３１〜３３には図示し
ないが動かない部材が連結されている。また各微動機構
３０ａ〜３０ｃの移動側剛体４０には位置決めテーブル
５０が連結されている。今、例えば各微動機構３０ａ〜
３０ｃをそれぞれＸ、−Ｘ、Ｙ方向に変位させると、位
置決めテーブル５０はＺ軸まわりに左方向に回転する。 その他、各微動機構３０ａ〜３０ｃを適宜選択すれば、
位置決めテーブル５０にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の並進変位、
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位を与えることができる。

【００１４】このように本実施例の微動機構３０は移動
側剛体を共通として各微動機構ユニットの固定側剛体、
弾性部材をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に延設した状態で組み
合わせたので、３軸の並進変位が可能となり、またこの
微動機構を３個用いることにより３軸の並進変位および
回転変位を行うことができる。なお、本実施例の微動機
構は１軸のものと３軸のものとを例にとり説明したが、
本発明はこれに限定されるものではなく、２軸および４
軸、５軸の微動機構を構成することができることは明ら
かであり、また使用されるアクチュエータも圧電素子の
他、起磁歪素子、光歪素子、電磁アクチュエータ等を用
いても良いのは当然である。

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、固定側剛体と移動側剛
体との間に設けられたアクチュエータの両側面側に前記
固定側剛体および移動側剛体を結合する弾性部材を設け
たので、微動機構を小型に構成することができ、しかも
アクチュエータは外力に対して破損しにくいという利点
がある。また上記微動機構を組み合わせることにより、
複数軸方向の並進変位、複数軸まわりの回転変位を得る
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動機構の側面図である
。

【図２】本発明の他の実施例に係る微動機構の斜視図で
ある。

【図３】図２に示す微動機構３０の応用例の斜視図であ
る。

【図４】従来の微動機構の側面図である。

【図５】従来の他の微動機構の側面図である。

【符号の説明】

２１、３１、３２、３３　　固定側剛体２２、４０　　
移動側剛体 ２３、２４、３４、３５、３６、３７、３８、３９　　
弾性部材 ２６、４２、４３、４４　　圧電素子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　アクチュエータにより二つの剛体間に
   相対変位を発生させる微動機構において、前記アクチュ
   エータを二つの剛体間に配置するとともに、当該アクチ
   ュエータの変位方向に沿って前記各剛体を結合する弾性
   部材を設けたことを特徴とする微動機構。
2. 【請求項２】　　前記アクチュエータは、圧電素子であ
   ることを特徴とする請求項１記載の微動機構。
3. 【請求項３】　　前記弾性部材は、平板状であることを
   特徴とする請求項１記載の微動機構。
4. 【請求項４】　　前記各剛体と前記弾性部材とは一体に
   構成されていることを特徴とする請求項１記載の微動機
   構。
5. 【請求項５】　　前記弾性部材には、前記相対変位を検
   出するひずみゲージが備えられていることを特徴とする
   請求項１記載の微動機構。
6. 【請求項６】　　アクチュエータにより二つの剛体間に
   相対変位を発生させる微動機構において、前記アクチュ
   エータを二つの剛体間に配置するとともに、当該アクチ
   ュエータの変位方向に沿って前記各剛体を結合する弾性
   部材を設けた単体の微動機構の複数を、各微動機構の一
   方の剛体を共通にして結合したことを特徴とする多軸用
   の微動機構。