JPH0743430B2 - 微細送り装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、例えば半導体製造装置に組込まれて、ウェ
ハステージ側を直線方向に微細送りする、あるいは光学
機器においてミラーホルダーの位置決めをする等の超微
細な位置決めをおこなうための微細送り装置に関する。

［従来の技術］ 従来の微細送り装置として、いわゆる駆動源が圧電素子
であるリニアモータを用いたものがあり、圧電素子を作
動させ、その伸長力を直進方向で取出して微細送りをお
こなう構成の装置が知られている。

又、回転移動を直進移動に変換するマイクロメータヘッ
ドの入力回転軸に、ステップモータを連結させ、ステッ
プモータを微細に回転させることにより微細な直進送り
を得るという構成の微細送り装置が知られている。

更に、マイクロメータヘッドの入力軸に、回転駆動源が
圧電素子である圧電式モータを連結させてなる微細送り
装置が知られている。

［発明が解決しようとする課題］ 駆動源が圧電素子であるリニアモータを用いた微細送り
装置では、最小作動単位である１ステップだけ駆動源を
作動させると、移動部材が数十nm〜数μｍだけ微細送り
される。しかし、半導体製造装置のウェハステージの微
細送りでは最小の送り距離が10〜20nm程度であることが
求められ、圧電式リニアモータを用いた微細送り装置で
は十分に微細な送りが得られないという問題があった。

又、マイクロメータヘッドとステップモータを組合せて
なる微細送り装置では、ステップモータは一回転に対す
るステップの数を大きくすることができる。しかし、ス
テップの数を大きくすると電圧印加のコントロールが難
しくなり、結果的に直進送りの最小距離はせいぜい50nm
程度しか得られないという問題があった。

更に、マイクロメータヘッドと圧電式モータを組合せて
なる微細送り装置において、圧電式モータとして例えば
特開昭63−39477号公報、特開昭61−224886号公報等で
示されたものが挙げられる。特開昭63−39477号公報で
示された圧電式モータでは、８個の圧電素子を備えてい
てコスト高になると共に圧電素子への電圧印加のコント
ロールが煩雑であるという問題があった。又、固定子と
移動子が円状周面を有しており、製造が難しいという問
題もあった。

他方、特開昭61−224886号公報で示された圧電式モータ
では、ハウジングの形状が複雑であることより製造が難
しく、又部材点数が多く製造と組立が煩雑であるという
問題があった。

この発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、十
分に微細な距離の送りが可能であり、又送りの制御が煩
雑にならず、加えて使用部材の点数が少なく、且つ部材
の製造が簡便であり、従ってコストダウンを計ることが
できる微細送り装置を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ この発明は、回転体の特定部を筒体の内側円周面に当接
させ、圧電素子に伸長作用をおこなわせることによって
回転体に与えられる、変位量が微細な回転モーメントを
直進方向の送りに変換して微細送りをおこなう微細送り
装置である。

その詳細な構成は、内側面が円形である筒体と、その筒
体の軸線と軸線を共通にする回転軸部を有し、且つ前記
筒体の内側円周面に当接する当接部を有する回転体と、
その回転体の回転軸部への方向に対する伸長方向が略直
交する方向で回転体に配設固定される圧電素子と、その
圧電素子に隣接して設けられ、圧電素子の伸長作動を回
転体の回転駆動力に変えるための慣性体と、圧電素子に
所望の電圧を印加する電圧印加手段と、前記回転体の回
転軸部と連結し、回転移動を直進移動に変換する変換手
段が備えられてなる微細送り装置である。

尚、回転体の当接部と筒体内側円周面の間に生じる、い
わゆるガタを吸収する、或いは筒体内側円周面の加工精
度が不十分である場合等に対するものとして、回転体
が、回転体本体と当接部の間に、当接部の筒体内側円周
囲への押圧力を調整し得る手段を備えて構成された微細
送り装置が挙げられ、その手段の具体例としてスプリン
グが挙げられる。

又、回転体の回転に滑らかさを確保させる等に対して、
回転体の当接部材が、回転体本体側に支持された回転部
材である微細送り装置が挙げられる。

［作用］ 圧電素子を数万ステップ作動すると、回転体が筒体に対
して相対的に一回転する。

作動の制御は、使用圧電素子への電圧印加の制御のみで
ある。

微細送り装置は、内側面が円形である一個の筒体、一個
の回転体、圧電素子、慣性体、電圧印加手段、回転移動
を直進移動に変換する手段から構成されている。

［実施例］ この発明を、第１〜６図に示す実施例に基づき詳述す
る。しかし、この実施例によって、この発明が限定され
るものではない。

微細送り装置１は第１〜３図に示すように、筒体２と、
回転体３と、圧電素子4,5と、慣性体6,7と、電圧印加手
段８と、変換手段９から構成されている。

筒体２は、滑らかな内側円周面10が備えられると共に、
後部が平板状の壁11で閉塞されている。壁11は、変換手
段９を嵌入させて固定保持すると共に、筒体２の形状の
保持をおこなっている。

回転体３は、回転体本体12と、回転軸部13と、筒体２の
内側円周面10に当接する当接部14が備えられている。回
転軸部13は、当接部14が内側円周面10に当接するように
回転体３を筒体２に対して所定の位置に配置すると、軸
線が内側円周面10の軸線と一致するように形成されてい
る。

尚、当接部14は、具体的にはベアリング（図示省略）で
支持された回転部材である。又、回転体本体12と当接部
14である回転部材との間には、当接部14内側円周面10に
当接して押圧する力を調整する手段15が設けられてい
る。つまり、回転体本体12に凹部16が形成されると共
に、当接部14を支持する支持体17が凹部16に嵌合され、
更に凹部16と支持体17の間にコイルばね18が配設されて
いる。19は、回転体本体12に螺合して、回転体本体12に
対して支持体17が回転することを防ぐためのビスであ
る。

圧電素子4,5は、回転体３であって回転軸部13と当接部1
4と共に三角形を形成する部位、つまり回転軸部13と当
接部14を結ぶ線上から外れた部位に配設固定されてい
る。又、圧電素子4,5は、配設されている部位から回転
軸部13に向う方向と直交する方向に伸長するように、伸
長方向が決められている。圧電素子4,5は、印加される
電圧に対して第４図に示すように伸長（変位）を生じる
ものである。

慣性体６及び７はそれぞれ、圧電素子４及び５が伸長作
用を行った際に回転体３に回転モーメントを与えるため
のものである。

電圧印加手段８は第５図に示すように15V〜85Vの間で、
最低印加電圧と最大印加電圧の間で移動が互いに逆向き
となるように、圧電素子４及び５に電圧印加するもので
ある。電圧印加手段８の前面は、カウンタ21及び22を備
えた操作パネル23となっている。操作者は、操作パネル
23から圧電素子4,5に所望の伸長作動回数を操作するこ
とができる。カウンタ21は、圧電素子4,5の伸長作動し
ている回数をカウント表示する。カウンタ22は、カウン
タ21のカウント数に基づき出力部材20の直進移動距離を
表示するためのものである。

変換手段９は、回転体３の回転移動（矢印Ａ方向）を回
転軸部13から受取り、直進移動（矢印Ｂ方向）に変換す
るものである。変換手段９は、具体的には直動式のマイ
クロメータヘッドであり、一回転の回転移動を0.5mmの
直進移動に変換する。

微細送り装置１は、上述したように構成されている。以
下において、微細送り装置１の作動を説明する。

電圧印加手段８を操作して、圧電素子４及び５にそれぞ
れ第５図に示すように、15〜85Vの間で互いに印加する
電圧の変化が逆向きの電圧を印加する。この電圧印加を
受けた圧電素子４は、最初に第６図に示した点ＣからＤ
までの距離だけ急激に伸長し、この急激な伸長によって
慣性体６と回転体３の間に矢印Ｅ方向の反撥力が生じ
る。この反撥力のうち回転体３に作用する反撥力は、回
転駆動力となって回転体３を矢印Ａ方向にごく僅かだけ
回転する。

次に、第６図に示した点Ｄから点Ｆまでの距離だけゆっ
くりと圧電素子４の前記の伸長を解除すると、当接部14
が筒体２の内側円周面10に当接していて摩擦力が働き、
回転体３は筒体２に対してそのままの位置を保持する。

更に、点Ｆで圧電素子４の前記伸長の解除を急激に停止
すると、慣性体６が圧電素子４を介して回転体３に衝突
したと同じ力が回転体３に作用し、この力は回転体３を
更にごく僅かだけ矢印Ａ方向に回転する。

他方、圧電素子５、慣性体７及び回転体３については、
回転体３の圧電素子５の取付け部位において、圧電素子
４とは大きさが全く同じで且つ逆向きの力が作用する。
圧電素子５によって回転体３に作用する力は、圧電素子
４によって回転体３に作用する回転体３の部位と回転軸
部13に関して対称の位置にあるから、圧電素子４によっ
て回転体３に作用する力と全く同じとなる。

つまり、圧電素子４及び５は、回転体３に同じ大きさで
あって回転方向が同じ回転力を回転体３に同時に与え
る。そうして、圧電素子４及び５の伸長によって回転体
３が回転すると、回転軸部13から変換手段９に回転移動
の力が送られる。

変換手段９は、回転軸部13からの入力を受けて、出力部
材20を矢印Ｂ方向に直進移動させる。

一方、圧電素子４及び５にそれぞれ上記とは逆向きの電
圧を印加すると、結果的に回転体３は矢印Ａ方向と逆方
向に回転し、出力部材20は矢印Ｂ方向と逆方向に前記の
場合と同じ距離だけ直進する。つまり、微細送り装置１
は、正逆両方向の微細送りが可能である。

ここで、圧電素子４及び５の伸長作動の一周期を１ステ
ップとすると、圧電素子４及び５が約50000ステップの
伸長作動することによって回転体３が一回転する。つま
り、圧電素子４及び５の伸長作動を約50000ステップお
こなわせて、出力部材20が0.5mmだけ直進移動すること
になる。そうして、圧電素子４及び５は最小で１ステッ
プ毎に制御が可能であるから、回転体３の回転は圧電素
子４及び５の１ステップムに対応する回転量である約５
万分の１回転が制御可能であり、更には出力部材20の直
進移動距離は回転体３の約５万分の１回転に対応する約
10nmが制御可能となる。

微細送り装置１は、二つの圧電素子４及び５への電圧印
加の制御をおこなうだけでよく、複雑なコントローラを
必要としない。又、微細送り装置は、構成部材が筒体
２、回転体３、圧電素子4,5、慣性体6,7、電圧印加手段
８、及び変換手段９であって部品点数も少なく、更に製
造の煩雑となる部材を必要としない。従って、微細送り
装置１は、コストの低減化が可能である。殊に、上述し
た微細送り装置１ではより大きな回転駆動力を得るため
に二つの圧電素子4,5を用いているが、本発明は唯一つ
の圧電素子を用いてなるものでもよい。従って、本発明
は、使用圧電素子の電圧印加の制御の簡便化及び使用部
品点数のより減少化が可能であり、より一層のコストダ
ウン化を計ることができる。

更に、微細送り装置１には回転体３の回転体本体12と当
接部14との間に当接部14の内側円周面10への押圧力を調
整する手段15が設けられていることにより、前記押圧力
を調整できると共に、当接部14と内側円周面10との間に
生じるガタを吸収し、更には内側円周面10の加工精度が
不十分な場合であっても、圧電素子4,5の伸長作動を確
実に回転体３の回転力に変えることができ、このことに
よって回転体３の回転にムラのない構成となっている。

加えて、微細送り装置１では回転体３の当接部14をベア
リングで支持された回転部材としていることより、上記
の調整手段15とも共働して、回転体３が筒体２に当接し
ながらの回転がより滑らかになっている。

微細送り装置１では、圧電素子４及び５の出力の大きさ
を相等しい構成としているが、出力時期が一致していれ
ばよく、出力の大きさが相等しい構成でなくともよい。
又、本発明は、回転体３の回転駆動力が小さくてよい場
合には既述したように使用する圧電素子を一個とした構
成であってもよく、大きな回転駆動力を得たい場合には
三個以上の圧電素子を用いた構成とすることもできる。

微細送り装置１では変換手段９が直動式のマイクロメー
タヘッドを挙げているが、出力部材が直進移動と共に回
転する転動式のマイクロメータヘッドといったものであ
ってもよい。

微細送り装置１は、粗動送り装置と組合せることによっ
て、送り距離の大きな送り装置を構成することができ
る。

微細送り装置１は、送り距離を検出する手段と共に、自
動送り装置を構成することができる。

［発明の効果］ この発明は、送り距離が十分に微細であって、装置の制
御が簡便であり、使用する部品の点数が少なく、且つ各
部材の製造が簡便であり、更にはこのことによりコスト
ダウンを計ることができる微細送り装置である。

又、本発明は回転体の筒体内側円周面への当接する押圧
力を調整する手段を備えることができ、その手段を備え
ることによって回転体と筒体との間に生じるガタを吸
収、筒体内側円周面の加工精度が低い場合に生じる回転
駆動力のムラの排除を得ることができる。

更に、本発明は回転体の筒体に当接する部材を回転部材
にして構成することができ、この構成によって回転体の
回転をより滑らかにさせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の斜視図、第２図は一部省
略及び一部切欠きを含む、前記実施例の正面図、第３図
は第２のＩ−Ｉ断面図、第４図はこの実施例に用いられ
る圧電素子の特性を示す特性説明図、第５図はこの実施
例の圧電素子に印加する電圧と時間との関係を示す関係
説明図、第６図はこの実施例の圧電素子の変位量と時間
との関係を示す関係説明図である。 １……微細送り装置、２……筒体、３……回転体、4,5
……圧電素子、6,7……慣性体、８……電圧印加手段、
９……変換手段、10……内側円周面、13……回転軸部、
14……当接部、20……出力部材。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内側面が円形である筒体と、その筒体の軸
   線と軸線を共通にする回転軸部を有し、且つ前記筒体の
   内側円周面に当接する当接部を有する回転体と、その回
   転体の回転軸部への方向に対する伸長方向が略直交する
   方向で回転体に配設固定される圧電素子と、その圧電素
   子に隣接して設けられ、圧電素子の伸長作動を回転体の
   回転駆動力に変えるための慣性体と、圧電素子に所望の
   電圧を印加する電圧印加手段と、前記回転体の回転軸部
   と連結し、回転移動を直進移動に変換する変換手段が備
   えられてなる微細送り装置。
2. 【請求項２】回転体の回転体本体と当接部の間に、当接
   部の筒体の内側円周面への押圧力を調整し得る手段が備
   えられてなる請求の範囲１に記載の微細送り装置。
3. 【請求項３】回転体の当接部が回転体本体側に支持され
   た回転部材である請求の範囲１又は２に記載の微細送り
   装置。