JPS6182433A

JPS6182433A - 微動機構

Info

Publication number: JPS6182433A
Application number: JP59204821A
Authority: JP
Inventors: Kazuyoshi Sugihara; 和佳杉原; Toru Tojo; 東条　徹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-09-29
Filing date: 1984-09-29
Publication date: 1986-04-26
Also published as: JPH0358855B2

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】〔発明の技術分野〕を発明は、物体位置の回転及び直進を高精度に行わぜる
微動は構に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、半導体ウェーハやマスク基板等の試料に微細パタ
ーンを形成するものとして、電子ビーム描画￥装置、縮
小投影型転写装置及びＸ線転写装首等が開発されている
が、この種のＨｆｌではサブミクロン単位の精度を保持
するために微少変位を駆動する微動医構が必要である。

また、上記装置に限らず測定搬器で精密な測定を行う分
野等においても、高精度を有する微動薇構が必要である
。

微動機構としては、−軸方向に移動させるものや回転運
動を行わせるもの等があるが、回転運動を行わせる従来
の回転微動礪構にあっては次にような問題があった。即
ち、ストロークが長いものでは微動駆動が困難であり、
微動駆動が可能なものはストＯ−りを長くできない等の
問題があった。

また、微動機構として回転及び直進運動の両方を行える
ものが要望されているが、このような顕構で微動駆動が
可能で、且つ長いストロークがとれるものは未だ報告さ
れていない。

上記問題を解決するものとして最近、本発明者等は第７
図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す如きｍｔｌ１ｍ構を提案し
た（特願昭５７−７２４２２号）。なお、（ａ）は平面
図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ
＞の矢視Ｂ−ＢｌｉＦｉ面図であり、図中７１．〜．７
４は移動部材、７５は基台、７６、〜．７９は圧電素子
等の駆動部材、８１ａ、　〜、８２ｃｌはＷＸａ、９１
．〜，９ｉ、を静電チャックをそれぞれ示している。こ
のｉ置では、駆動部材７６、〜．７９の伸縮により移動
部材７１、〜．７４を微少ステップで直進及び回転運動
させることができ、しかもステップを繰返すことにより
十分長いストロークもとることができる。

しかしながらこの種の装置にあっては、次のような問題
があった。即ち、駆動部材の電圧−変位特性と、固定部
材としてのＤ電チャックの電圧−吸引力特性が使用する
全てのものについて一致していないと、所望する方向へ
移動させるのが極めて困難である。このため、各々の駆
動部材及び固定部材について駆動用電源を設は必要とｔ
８電圧を供給しなければならず、全体構成が大型化する
と共に多大な費用がかがった。一方、上記の点を考え電
源を１個とし、制御回路系の小型化・低コスト化をはか
ると、駆動部材の電圧−変位特性、ざらに固定部材の電
圧−吸引力特性を同一としなければならず、これを達成
するには部品の加工誤差を極めて小さくする必要があり
、多大な労力と費用を要することになる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、駆動部材や固定部材等の部品の加工精
度を極限まで上げる必要なく、移１７１部材を所望する
方向へ正確に微動移動させることができ、且つ制御回路
系の小型化及び低コスト化をはかり得る微Ｉｔ国構を提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、圧電素子からなる駆動部材の伸び縮み
により微動運動を行わせることにあり、さらに駆動部材
及び固定部材の電圧−変位特性、電圧−吸引力の異なり
を補償することにある。

即ち本発明は、基台上に移動自在に載置された複数の移
ａ部材と、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子からなり
その伸縮方向両端に上記各移り部材を取着され該移動部
材の隣接するもの同士を接続する駆動部材と、上記各移
動部材をそれぞれ前記基台上に固定する固定部材とを具
備し、駆動部材の伸縮作用及び固定部材の固定作用によ
り前記移動部材を回転及び直進・運動せしめる微動機構
において、前記駆動部材及び固定部材をそれぞれ駆動す
る複数の駆動回路と７Ｉｉ源との間に電源電圧を所定の
電圧に調整する電圧調整回路な設けるようにしたもので
ある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、各々の駆動部材及び固定部材毎に電圧
調整回路を設け、これらの電圧−変位特性及び電圧−吸
引力特性を補償しているので、部品の加工精度を極限ま
で上げる必要なく、その製迄が容易である。しかも、各
々の部材毎に電源を設ける必要もないので、制御回路系
の小型化及び低コスト化をはかり得る。

また、複数（移動部材の個数と同数）の駆動部材による
各伸縮作用と、複数の固定部材による各固定作用とを適
肯に組み合わせることによって、同一駆動源による移動
部材の回転運動及び直進運動が可能となる。そして、従
来探構のように微動を行わせるとストロークが極めて小
さくなると云う欠点がなく、微動で十分長いストローク
がとれ、原理的には無限の回転と直進とが可能である。

このため、駆動用及び微動用の機構が不要となる。

また、駆動源として圧電素子からなる駆動部材で移動部
材を直接駆動しているため、例えば印加電圧１〔ｖ〕で
０．００５　［μ肌］という超微動を確実に旨うことが
できる。さらに、圧電効果を有する部材は、印加電圧の
大きさによって異なるが数１００［υ］〜数Ｃｔ］の力
を発生することが可能であり、大きなトルクを発生する
微動搬構を提供することができる。

また、本発明はその構成が極めてＦ！ｌｉ単で故障する
部品等も用いてないので、計！す器類や各種半導体装置
内に組込んで使用しても十分信頼性のあるものである。

さらに、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子を用い
た装置では磁界の変動によつＳ荷電粒子が影響を受ける
が、本発明では全ての構成材料を非磁性材で形成するこ
とができ、この点から荷電粒子を用いる装置に極めて有
用性が高い。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明の一実施例に係わる微動慨構の概略構成
を示す平面図、第２図（ａ）は第１図の矢視Ａ−ＡＵｎ
面図、第２図（１））第１図の矢視Ｂ−Ｂ断面図である
。図中１１．１２，１３．１４はそれぞれ矩形板状の移
動部材であり、これらの移動部材１１．〜．１４は導電
性の基台１５上に全体として正方形をなすように１！Ｉ
ｉ間して載置されている。移動部材１１．〜．１４の一
接するもの同士は駆動部材１６．１７．１８．１９によ
りそれぞれ接続されている。即ち、移動部材１１゜１２
間には駆動部材１６が、移動部材１２．１３間には駆動
部材１７が、移動部材１３．１４間には駆動部材１８が
、そして移動部材１４．１”ＮＲ］には駆動部材１９が
設けられている。駆動部材１６、〜．１９はそれぞれ印
加電圧に応じて伸縮する圧電素子、例えばチタン酸ジル
コン醪鉛からなるもので、その伸縮方向（図中に示す矢
印方向）両端に前記移動部材１１．〜．１４がそれぞれ
取着固定されている。なお、この固定は長者、ねじ止め
或いは圧入等のいずれであってもよい。

駆動部材１６には駆動回路２１ａが接続され、同様に駆
動部材１７には駆動回路２１ｂが、駆動部材１８には駆
動回路２１Ｃが、駆動部材１９には駆動回路２１ｂが接
続されている。駆動回路２１ａには電圧調整回路２２ａ
が接続され、この電圧調整回路２２ａにより電源２５か
ら分岐回路２６な介して供給された電源電圧が所定の電
圧に調整されて駆動回路２１ａに印加されている。他の
駆動回路２１ｂ、〜、２１ｄについても同様に電圧調整
回路２２ｂ、〜、２２ｄにて調整された電圧が印加され
ている。ここで、電圧調整回路２２ａ、〜、２２ｄは、
電圧印加による駆動部材１６、〜．１９の伸長量がそれ
ぞれ等しくなる電圧に調整するものである。これにより
、電圧調整回路２２ａ、〜、・２２ｄの出力ＶＲをそれ
ぞれｖａ、〜、Ｖ（ｌとすると、ＶＣ印加による駆動部
材１６の伸長量、ｖｂ印加による駆動部材１７の伸長量
、ＶＣ印加による駆動部材１８の伸長量、ＶＣ１印加に
よる駆動部材１９の伸長量がそれぞれ等しいものとなっ
ている。駆動回路２１ａ、〜。

２１ｄはＣＰＵ２７によ・す！ＩＩＩ御され、電圧調整
回路２２ａ、〜、２２ｄの出力電圧Ｖ　Ｒ％その中間電
圧（１／２）ＶＲ及び零の電圧を選択して駆動部材１１
．〜．１４に印加するものとなっている。

一方、前記移ａｍ材１１の下部には電極３１ａ及び絶縁
層３１ｂ、３’１Ｃからなる静電チャック（固定部材）
３１が設けられており、同様に移動部材１２．〜．１４
の下部には静電チャック３２゜３３．３４がそれぞれ設
けられている。これらの静電チャック３１．〜．３４は
電圧印加により移動部材１１．〜．１４を基台１５上に
吸着固定するものであるわなお、静電チャック３１．〜
。

３４には前記移動部材と同様に駆動回路３５ａ。

〜、３５ＣＩ及び電圧調整回路３６ａ、　〜、３６ｄが
接続され、１．ｌ！２５からの電圧が所定の電圧に調整
されて印加されるものとなっている。ここで、電圧調整
回路３６ａ、〜、３６ｄは、電圧印加による静電チッヤ
ック３１．〜，３４の吸引力がそれぞれ等しくなる電圧
に調整するものである。これにより、電圧調整回路２６
ａ、〜、２６ｄの出力電圧ＶｓをそれぞれＶａ、〜、Ｖ
ｄとすると、Ｖａ印加による静電チャック３１の吸引力
、ｖｂ印加による静電チャック３２の吸引力、Ｖｃ印加
による静電チャック３３の吸引力、Ｖｄ印加による静電
チャック３４の吸引力が等しいものとなっている。

次に、このように構成された本実施例機構の作用を説明
する。

まず、電圧調整回路２２ａ、〜、２２ｄにより駆動回路
２１ａ、〜、２１ｄに印加する電圧ＶＲなそれぞれ前述
した如く調整しておき、電圧調整回路３６ａ、　〜、３
６（ＮＣより駆動回路３５ａ。

〜、３５ｄに印加する電圧Ｖｓをそれぞれ前述した如り
ｙ！整しておく。そして、駆動回路２１ａ。

〜、２１ｄは定常時に電圧Ｗ！整回路２２ａ、〜。

２２ｄの出力電圧ＶＲの半分の電圧（１／２）ＶＲを印
加し、ＣＰＵ２７の指示で駆動部材１６゜〜、１９を伸
長させる場合にはＶＲ、Ｉｔｉ長させる場合には零の電
圧を印加するものとしておく。ま・た、駆動回路３５ａ
、〜、３５ｄは静電チャック３１、〜．３４を駆動する
ときに電圧調整回路３６ａ、〜、４６ｄの出力電圧■８
を印加するものとしておく。

さて、回転運動をさせるには、静電チャック３３．３４
により移動部材１３．１４を基台１５上に固定したのち
、第３図（ａ）に示す如く駆動部材１７を伸長させると
共に駆動部材１９を縮長させる。これにより、移動部材
１１．１２が矢印Ｐ方向に微少回転する。次に、ＤＴｊ
チャック３１゜３２により移動部材１コ、コ２を基台１
５上に固定したのち上記静電チャック３３．３４による
移動部材１３．１４の固定を解除する。この状態で第３
図（１））に示す如く駆動部材１７を縮長させると共に
、駆動部材１９を伸長させると、移動部材１３．１４が
矢印Ｐ方向に微少回転する。以上の操作を繰返すことに
よって、移動部材］１゛、〜。

１４は矢印Ｐ方向に回転せしめられることになる。

直進運動をさせるには、′Ｄ電チャック３２゜３３によ
り移動部材１２．１３を基台１５上に固定したのち、第
４図（ａ）に示す如く駆動部材１６．１８を共に伸長さ
せる。これにより、移動部材１１．’！４は矢印Ｑ方向
に微少移Ｄ（直進移Ｄ）　′Ｔｊ８．　次１．：、ＤＷ
チｔツ’７３１．３４によ’）移動部材１１．１４を基
台１５上に固定したのち、上記静電チャック３１．３３
による移ａ部材１２゜１３の固定を解除する。この状態
で第４図（ｂ）に示す如く駆動部材１６．１８を共に縮
長させると、移動部材１２．１３が矢印Ｑ方向に微少移
動する。以上の操作を繰返すことによって移動部材１１
、〜．１４は矢印Ｑ方向に直進せしめられることになる
。

かくして本実施例によれば、移ａπ材１１．〜。

１４を回転成いは直進運動させることができ、ざらに回
転及び直進運動を同時に行わせることも可能である。ま
た、移ｖＪ部材１１．〜，１４の運動方向は駆動部材１
６．〜．１９の各伸縮作用と静電チャック３１．〜．３
４の各固定作用とを適当に選択することによって、自由
に設定することができる。

これに加え、電圧調整回路２２ａ、〜、２２ｄ。

３６ａ、〜、３６ｄを設置÷たことにより、次のような
効果が得られる。即ち、電源が１個で済むので、全体構
成の小型化をはかり得る。しかも、駆動部材１６、〜．
１９及び静電チャック３１．〜。

３４の電圧−変位特性及び電圧−吸引力特注の違いを補
償しているので、部品の加工開度に関係なく、正確な微
動移動を実現することができる。

第５図は他の実施例の腰部構成を示す平面図である。な
お、第１図と同一部分には同一符号を付して、その詳し
い説明は省略する。この実施例が先に説明した実施例と
異なる点は、前記移動部材１つ、〜、１４を材料の弾性
変形を利用した弾性ヒンジ５７でつなげるようにしたこ
とであり、他は先の実施例と同様である。このような構
成であれば先の実施例と同様の効果を秦するのは勿論、
駆動部材１６．〜．１９や静電チャック３１．〜。

３４による駆動時及び固定時等における衝撃を経和する
ことができると云う効果を奏する。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない６前記実施例では移動部材及び駆動部材をそれぞれ
４個用いた場合を説明したが、これらは２個以上の数で
あれば適宜変更することができる。例えば３個とした場
合、第６図に示す如く移動部材６１，６２．６３及び駆
動部材６４゜６５．６６を用い、回転させるには駆動部
材６４゜６５の伸縮を交互に行い、また直進させるには
駆動部材６４．６５の伸縮を同時に行うようにすればよ
い。ざらに、この場合移動部材６１．〜。

６３と駆動部材６４．〜．６６との間に設けた弾性にン
ジ６７により各部材間で発生する歪みを緩雨ざぜること
が可能となる。

また、前記移動部材の形状や寸法等は、仕様に応じて適
宜定めればよい。さらに、前記固定部材に必ずしも静電
チャックに限るものではなく、電磁チャックその他のも
のであってもよい。また、前記駆動部材の伸縮作用及び
固定部材の固定作用を組合わせた移動部材の駆動方法は
、所望とする運動やその方向等の条件に応じて適宜変更
すればよい。ざらに、駆動部材に印加する電圧は、所望
とする運動速度や移ｉｊ１等の条件に応じて適宜定めれ
ばよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる微動機構の概略構成
を示す平面図、第２図（ａ）は第１図の矢視Ａ−Ａ断面
図、第２図（ｂ）は第１図の矢視Ｂ−Ｂ断面図、第３図
（ａ）（ｂ）及び第４図（ａ）（ｂ）はそれぞれ上記実
施例の作用を説明するための模式図、第５図は他の実施
例の要部構成を示す平面図、第６図は変形例を示す平面
図、第７区（ａ）〜（Ｃ）は従来例の概略構成を示す図
である。１１、〜．１４・・・移動部材、１５・・・基台、１６
゜〜、１９・・・駆動部材、２１ａ、　〜、２１ｄ。３５ａ、　〜、３５ｄ−・・駆動回路、２２ａ、　〜。２２ｄ、３６ａ、　〜、　３ｅｄ・・・＝圧調整回路、
２５・・・電源、２６・・・分岐回路、２７・・・ＣＰ
Ｕ、３１、〜．３４・・・静電チャック（固定部材）。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第２図（ａ）（ｂ）第　３　図（ｂ）第４図（ａ）１フ（ｂ）第５図第６図

Claims

【特許請求の範囲】（１）基台上に移動自在に載置された複数の移動部材と
、印加電圧に応じて伸縮する圧電素子からなりその伸縮
方向両端に上記各移動部材を取着され該移動部材の隣接
するもの同士を接続する駆動部材と、上記各移動部材を
それぞれ前記基台上に固定する複数の固定部材と、上記
駆動部材及び固定部材をそれぞれ駆動する複数の駆動回
路と、これらの駆動部材と電源との間にそれぞれ挿入さ
れ電源電圧を所定の電圧に調整して上記駆動回路に与え
る電圧調整回路とを具備し、前記駆動部材の伸縮作用及
び固定部材の固定作用により前記移動部材を回転及び直
進運動せしめることを特徴とする微動機構。（２）前記固定部材は、前記各移動部材の表面層に電極
及び誘電層からなる静電チャックをそれぞれ形成してな
るものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の微動機構。（３）前記駆動部材を駆動する駆動回路に接続された電
圧調整回路は、電圧印加による駆動部材の伸長量若しく
は縮長量がそれぞれ等しくなる電圧に調整するものであ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微動機
構。（４）前記駆動部材を駆動する駆動回路は、前記電圧調
整回路により調整された電圧Ｖ＿Ｒ、その半分の電圧（
１／２）Ｖ＿Ｒ及び零の各電圧を選択して前記駆動部材
に印加するものであることを特徴とする特許請求の範囲
第１項又は第３項記載の微動機構。（４）前記固定部材を駆動する駆動回路に接続された電
圧調整回路は、電圧印加による固定部材の吸引力がそれ
ぞれ等しくなる電圧に調整するものであることを特徴と
する特許請求の範囲第１項又は第２項記載の微動機構。（６）前記電源は、前記駆動部材及び固定部材に独立的
に電圧供給する２個、或いはこれらに共通して電圧供給
する１個からなるものであることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の微動機構。