JPS6044838B2

JPS6044838B2 - 回転微動機構

Info

Publication number: JPS6044838B2
Application number: JP57072423A
Authority: JP
Inventors: 徹東条; 和佳杉原
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-04-28
Filing date: 1982-04-28
Publication date: 1985-10-05
Also published as: JPS58190080A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、物体位置の回転を高精度に行わせるＪ回転微
動機構の改良に関する。

〔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
投影型転写装置およびＸ線転写装ｉ置等が開発されてい
るが、この種の装置ではサブミクロン単位の精度を保持
するために微小に駆動する駆動機構が必要となる。

また、上記装置に限らず測定機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駆動機構が必要で
ある。微動駆動機構としては、一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機構にあつては次のような問題が
あつた。すなわち、ストロークが長いものは微動駆動が
困難で、微動駆動が可能なものはストロークを長くでき
ない等の問題があつた。例えば、公知文献（電動形位置
合せ機構の動作特性、昭和５１年度精機学会秋期大会前
刷、Ｐ３５９）で述べられている回転機構は圧電効果を
持つた材料を歪ませて回転運動に変換しているが、この
場合半径２９〔悶〕の所で±２〔μｍ〕の極めて短いス
トロークしかとれていない。

また、圧電効果を利用したものとして特公昭５１−１２
４９７号公報１ステツプ微動装置ョがあるが、ここで述
べられている内容は直進運動形のステツプ駆動であり、
これを回転運動に変換させるためにはやはり従来の軸受
を用いた回転テーブルを使用しなければならず、さらに
ガタをなくすためには材料の弾性変形を利用した片持梁
のような回転機構を使用しなければならない。そしてこ
の場合、前者では軸受内のガタの発生、回転ストローク
を大きくできない等の問題を招き、後者にあつても以前
として回転ストロークの問題を解決することはできない
。上記のような問題を解決するものとして、最近本発明
者等は、第１図Ａ，ｂに示す如き回転微動．機構を考案
した（特願昭５７−１９３２８号）。

この方式では回転ストロークを大きく取れ、原理的には
１回転以上の駆動が可能であり、かつ微小ステツプ０．
００５〔μｍ〕程度の微動移動が可能である。以下、回
転微動駆動機構について説明する。第１図！ａは平面図
で第１図ｂは同図ａの矢視Ａ−Ａ断面図を示している。
図中１は回転板であり、この回転板１は半円板状の第１
および第２の移動部材２，３を弾性ヒンジ４で接続して
構成されている。なお、実際には円板の中心軸を対称と
する該く円板の外周部２個所をそれぞれ一部切欠すると
共に、該切欠部から中心軸に向つてそれぞれ切り込みを
設けることによつて、上記移動部材２，３および弾性ヒ
ンジ４からなる回転板１が形成される。そして、回転板
１は導電性の基台５上に移動自在に載置されると共に、
その中心である弾性ヒンジ４の下面に設けたピン６によ
つて回転中心が規定されている。回転板１の前記切欠部
には、第１および第２の駆動部材７，８がそれぞれ設け
られている。

これらの駆動部材７，８はそれぞれ印加電圧に応じて伸
縮する圧電素子からなるもので、その伸縮方向（図中に
示す矢印方向）の両端に前記第１および・第２の移動部
材２，３がそれぞれ取着固定されている。なお、この固
定は接着、ねじ止め或いは圧入等のいずれであつてもよ
い。また、第１の駆動部材７にはスイツチ９ａを介して
可変電圧電源１０ａが接続され、第２の駆動部材８には
スイツチ９ｂを介して可変電圧電源１０ｂが接続される
ものとなつている。一方、前記第１の移動部材２の下部
には電極１１ａおよび絶縁物１１ｂ，１１ｃからなる第
１の静電チヤツク（固定部材）１１が設けられており、
上記電極１１ａと前記基台５との間にスイツチ１３ａを
介して電源１４ａを接続することにより第１の移動部材
２が基台５上に吸着固定されるものとなつている。また
、第２の移動部材３の下部には上記静電チヤツク１１と
同様な第２の静電チヤツク１２が設けられており、この
チヤツク１２により第２の移動部材３が基台５上に吸着
固定されるものとなつている。このように構成された回
転微動機構では、まず前記第２の静電チヤツク１２によ
り第２の移動部材３を基台５上に吸着固定する。

この状態で第１の駆動部材７を伸長させると共に、第２
の駆動部材８を縮長させる。これにより、第１の移動部
材２は第２図ａに示す如く、弾性ヒンジ４のひずみによ
り同ヒンジ４を中心として矢印Ｐ方向に微小回転する。
次に、前記第１の静電チヤツク１１により第１の移動部
材２を基台５上に固定し、その後第２の静電チヤツク１
２による第２の移動部材３の固定を解除する。この状態
で第１の駆動部材７を縮長させると共に第２の駆動部材
８を伸長させると、第２の移動部材３が第２図ｂに示す
如く、弾性ヒンジ４を中心として矢印Ｐ方向に微小回転
する。以上の操作を繰り返すことによつて、第１および
第２の移動部材２，３からなる回転板１は、弾性ヒンジ
４のひずみによりピン６を中心として矢印Ｐ方向に回転
せしめられることになる。かくして、回転板１を微動駆
動し得ると共にこの繰返し動作によつて回転ストローク
を長くすることができる。

さらに、駆動部材７，８に印加する電圧を調整すること
によつて、回転板１の粗動および超微動を容易に行うこ
とができる。ところで、このような機構にあつては、そ
の回転中心がほとんどトルクを発生しないので、回転運
動を外部に取り出すためには、第３図ａに平面図、第３
図ｂに同図ａ（７）Ｂ−Ｂ方向矢視図を示す如く移動部
材２，３のいずれか一方に回転テーブル１５を取着し、
この回転テーブル１５を回転させなければならない。

なお、図中１６ａ〜１６ｄはそれぞれローラベアリング
を示している。したがつて、回転テーブル１５の回転は
間欠的となり、例えば移動部材３に回転軸を取り付けた
場合、他方の移動部材２が回転している間は回転テーブ
ル１５は停止することになる。このため、ステツブ移動
で回転調整を行う場合、回転テーブル１５に休止状態が
あるため調整がしずらいと言う問題がある。また、回転
微動調整精度を上げるためには、駆動部材７，８を回転
板１の半径の大きい所に設置すればよいが、この場合全
体構成の大形化を招き好ましくない。〔発明の目的〕本発明の目的は、微動駆動が可能で回転ストロークを十
分長くすることができ、さらに駆動時に伴うガタの発生
をも防止することができ、かつ回転移動を連続的に行わ
せることができる回転微動機構を提供することにある。

〔発明の｛既要〕本発明の骨子は、圧電効果（印加電圧
に応じて伸縮する機能）を有する部材に適当な電界を印
加し、該部材を伸び縮みさせることにより微動運動を行
わせると共に、前記第１図Ａ，ｂに示した機構で移動部
材に弾性構造体を設け、この弾性構造体を介して回動力
を取り出すようにしたものである。

前記第１図Ａ，ｂに示した構造においては、回転板が２
分割されているため、回転が間欠的となつてしまつてい
る。

移動部材を弾性構造体で接続することによつて駆動部材
が伸びた側の弾性構造体も伸び、縮んだ側の弾性構造体
も縮む。したがつて、移動部材のいずれかが動いていれ
ば、この弾性構造体は必ず動くことになる。こうするこ
とによつて回転は休みなく弾性構造体に伝えられる。そ
して、この回転は弾性構造体を介して外部に伝えること
により、前述したように間欠的なものではなく連続して
伝わることになる。しかも、弾性構造体によつて回転角
を減少しているので、第１図Ａ，ｂに示す機構より回転
精度の良いものが得られる。本発明はこのような点に着
目し、基台上に第１および第２の移動部材を移動自在に
載置すると共に、印加電圧に応じて伸縮する駆動部材の
伸縮方向両端に第１および第２の移動部材をそれぞれ取
着し、上記第１および第２の移動部材を上記基台上に交
互に固定すると共にこれらの移動部材の少なくとも一方
を常に固定する固定部材を設け、さらに第１および第２
の移動部材の回転中心を決定する手段、例えば第１およ
び第２の移動部材を接続する弾性ヒンジを設け、上記駆
動部材の伸縮作用と固定部材の固定作用とによつて第１
および第２の移動部材を単一の軸心、例えば上記弾性ヒ
ンジを中心として回転せしめる回転微動機構において、
前記回転を伝達する手段として、前記第１および第２の
移動部材の移動方向に伸縮可能な弾性構造体により上記
各移動部材をその回転中心以外の部分で接続するように
したものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の回転機構のように微動を行わせ
ると回転ストロークが極端に短くなるとノ云う不都合が
なく、原理的には１回転以上の回転が可能となる。

このため、粗動用および微動用の回転機構が不要となる
。しかも、駆動源として圧電素子からなる駆動部材で回
転部（第１および第２の移動部材）を直接駆動している
ので、例えば−１〔〕で０．００５〔μｍ〕と云う超微
動を確実に行うことができる。また、回転中心或いは回
転歪が発生する部分に弾性ヒンジ等を設け回転軸に通常
の軸受を必要としないので、駆動時に伴うガタの発生を
未然に防止することができる。さらに、フ圧電効果を有
する部材は、印加電圧の大きさによつて異なるが数１０
０Ｃｋｇ〕〜数〔ｔ〕の力を発生することが可能であり
、回転を直接駆動しているため、大きなトルクを発生す
る回転機構を提供することができる。この場合、固定部
材で押えた部分のスリツプが考えられるが、これは伝達
するトルクによつて固定部材の押圧力を適当に調整すれ
ばよい。また、本発明によれば、第１図Ａ，ｂに示した
ものと比較して次のような効果が得られる。

すなわち、移動部材のいずれか一方が動いていれば回転
を伝えることが可能となり、間欠的に動いていたものと
は異なり、回転テーブル等の被回転体を連続的に移動さ
せることができる。さらに、前述したように弾性構造体
を介して回転力を伝えているため、回転精度をより向上
させることができる。しかも、駆動部材或いは固定部材
に電圧を加えて移動部材を回転成いは固定させるときに
発生する急激な加速度を弾性構造体によつて吸収するこ
とができ、この回転微動機構の上に乗せられた試料等に
悪影響を与えることを防止できる。また、本発明はその
構成が極めて簡単で故障する部品等も用いていないので
、計測器類や各種半導体製造装置内に組み込んで使用し
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
動によつて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４図は本発明の一実施例に係わる回転微動機構の概略
構成を示す平面図である。

なお、第１図Ａ，ｂ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。この実施例が前記第１図．
Ａ，ｂに示した機構と異なる点は、第１および第２の移
動部材２，３を弾性構造体２１，２２で接続したことに
ある。すなわち、移動部材２，３は弾性ヒンジ４と共に
上記弾性構造体２１，２２により、その中心と駆動部材
７，８との間で接続さ！れている。なお、実際には円板
の中心軸を対称とする該円板の外周部２個所をそれぞれ
切欠すると共に円板の所望部を左右対称に一部切欠する
ことにより、移動部材２，３、弾性ヒンジ４および弾性
構造体２１，２２が一体形成されている。まくた、静電
チヤツク機構１１，１２、各種スイツチ９ａ，９ｂ，１
３ａ，１３ｂおよび電源１０ａ，１０ｂ，１４ａ，１４
ｂは第１図Ａ，ｂと同様に接続されている。このような
構成であれば、先に説明した回転微動機構と同様に第２
の静電チヤツク１２により第２の移動部材３を基台５上
に吸着固定した状態で、第１の駆動部材７を伸長させる
と共に、第２の駆動部材８を縮長させることによつて、
第１の移動部材２は第５図ａに示す如く弾性ヒンジ４を
中心として矢印Ｑ方向に微小回転する。

次に、第１の静電チヤツク１１により第１の移動部材２
を基台５上に吸着固定し、その後第２のノ静電チヤツク
１２による第２の移動部材３の固定を解除する。

この状態で第１の駆動部材７を縮長させると共に第２の
駆動部材８を伸長させると、第２の移動部材３が第５図
ｂに示す如く微小回転する。ここで、弾性構造体２１，
２２は移動部材２，３の間欠的な移動に拘わらず、共に
連続的に伸び縮み移動する。

したがつて、回転運動を上記弾性構造体２１，２２を介
して伝達することにより移動部材２，３が従来と同じ回
転方向角だけ回転し゛ても略半分の回転角て弾性構造体
２１，２２が回転するため、精度のよい回転制御が可能
となる。さらに、第１図Ａ，ｂと全く同じ駆動系を用い
て駆動でき、その回転精度は倍となり、また回転に伴う
振動等も弾性構造体２１，２２によて吸収されることに
なる。かくして、本実施例によれば、回転板１を微動し
得ると共にその回転ストロークを長くすることができる
のは勿論、回転力を連続的に取り出すことができる。

第６図は、他の実施例の要部構成を一部切欠して示す平
面図である。

なお、第４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、回転板１の形状にある。すなわち、円板
の中心軸を対称とする外周部の２個所をそれぞれ切欠す
ると共に、円板の所望部に切り込みを入れて、第６図に
示す如く移動部材２，４弾性ヒンジ４および弾性構造体
３１，３３からなる回転板１が形成されている。なお、
図中３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂは前記駆動部材７
，８を接続するためのねじ穴を示し、３４は前記回転テ
ーブル１５を接続するためにねじ穴を示している。この
ような構成であつても先の実施例と同様な効果を奏する
のは勿論である。

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。

例えば、半導体製造装置の如く試料を回転させ、その後
の停止位置安定性も重要なものとなる場合には、前記弾
性構造体の部分に静電チヤツクを設け、位置合わせ調整
後に弾性構造体をクランプするようにしてもよい。こう
することによつて、外乱からの自由振動によるふらつき
等の防止も可能となる。また、前記実施例では回転の中
心に弾性ヒンジを設けた構造を示しているが、これは回
転中心を確実にし安定させるためにものであり、特に必
要なものではなく取つて去つた構造でも特に問題ではな
い。また、移動部材は差動で動かしているが片側１個で
も十分に回転微勤行なえるようになつている。さらに、
弾性構造体の形状や寸法等は、仕様に応じて適宜変更す
ることが可能である。また、固定部材によつて移動部材
を基台に固定する手段として、実施例では静電チヤツク
を用いたものを説明したが、静電チヤツクの構造、製作
方法としては特開昭５５−１４５３５１号１静電チヤツ
クョ等にも示されているように種々考えられる。

また、静電チヤツクとは別に、真空チヤツク、電磁チヤ
ツクとしてもよく、さらに機械的にクランプする方法で
もよい。また、前記駆動部材を駆動する電源、制御方法
も種々考えられ目的に合せて製作することができる。例
えば、非常に粗く動かして良いときは駆動部材に印加す
る電圧を高くし、超微動を行ないたい時は低電圧を印加
する様に自在に制御を行なうことができる。さらに、こ
の回転機構は一種の微動回転モータとして使用すること
も可能であり、この回転を他の機構に伝えることによつ
て物体の微動を行うこともできる。要するに本発明は、
そ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Ａ，ｂは本発明の基本となる回転微動機構の概略
構成を示すもので第１図ａは平面図、第１図ｂは同図ａ
の矢視Ａ−Ａ断面図、第２図Ａ，ｂはそれぞれ上記機構
の作用を説明するための模式図、第３図Ａ，ｂは上記機
構から回転力を取り出す方法を示すものて第３図ａは平
面図、第３図ｂは同図ａ（７）Ｂ−Ｂ方向矢視図、第４
図は本発明の一実施例に係わる回転微動機構の概略構成
を示す平面図、第５図Ａ，ｂは上記実施例機構の作用を
説明するための模式図、第６図は変形例の要部構成を示
す平面図である。１・・・・・・回転板、２・・・・・・第１の移動部材
、３・・・”第２の移動部材、４・・・・・弾性ヒンジ
、５・・・・・・基台、６：・・・・ゼン、７，８・・
・・・・駆動部材、９ａ，９ｂ，１３ａ，１３ｂ・・・
・・・スイツチ、１０ａ，Ｌ０ｂ，１４ａ，１４ｂ・・
・・・・電源、１１・・・・・・第１の静電チヤツク（
第１の固定部材）、１２・・・・・・第２の門静電チヤ
ツク（第２の固定部材）、１５・・・・・・回転テーブ
ル、２１，２２，３１，３２・・・・・・弾性構造体。

Claims

【特許請求の範囲】１基台上に移動自在に載置された第１および第２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第１および第２の移動部材がそ
れぞれ取着された駆動部材と、上記第１および第２の移
動部材を前記基台上に交互に固定すると共にこれらの移
動部材の少なくとも一方を常に固定する固定部材と、上
記第１および第２の移動部材の回転中心を決定する手段
とを具備し、前記駆動部材の伸縮作用および前記固定部
材の固定作用により前記第１および第２の移動部材を単
一の軸心を中心として回転せしめる回転微動機構におい
て、前記回転中心を決定する手段として、前記第１およ
び第２の移動部材の移動方向に伸縮可能な弾性構造体に
より上記各移動部材をその回転中心以外の部分で接続し
たことを特徴とする回転微動機構。２前記回転中心を決定する手段として、材料の弾性を
利用した弾性ヒンジで前記第１および第２の移動部材の
中心を接続すると共に、上記各移動部材の移動方向に伸
縮可能な弾性構造体により第１および第２の移動部材を
その回転中心以外の部分で接続するようにしたことを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転微動機構。３前記固定部材は、前記駆動部材の伸縮方向と直交す
る方向に伸縮可能な圧電素子を前記第１および第２の移
動部材或いは基台に取着してなり、上記移動部材と基台
とを押し付けることにより移動部材を基台上に密接固定
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
記載の回転微動機構。４前記固定部材は、前記第１および第２の移動部材或
いは基台表面層に、電極および誘電層からなる静電チャ
ックを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項記載の回転微動機構。５前記基台および各部材の全てを非磁性材料で形成す
ると共に、前記伸縮作用を有する圧電素子としてチタン
酸ジルコン酸鉛を用い、かつその他の構成材料としてベ
リリウム銅、アルミニウム或いはチタンを用いたことを
特徴とする特許請求の範囲第１項又は第３項記載の回転
微動機構。