JPS60118072A

JPS60118072A - 回転微動機構

Info

Publication number: JPS60118072A
Application number: JP58225701A
Authority: JP
Inventors: Toru Tojo; 東条　徹; Kazuyoshi Sugihara; 和佳杉原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1985-06-25
Also published as: EP0143549B1; DE3465837D1; EP0143549A1; US4578607A

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］本発明は、物***置の回転を高精度に行なわせる回転微
動機構に関する。

［発明の技１ｆｊ的背景とその問題点］近年、半導体ウ
ェ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、微小投影形転写装置及
びＸＩ！転写装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、上記装置に限らす
測定機器でＭ密な測定を行な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。

微動駆動としては、−軸方向に直進移動させるものや回
転運動を行わせるもの等があるが、回転運動を行なわせ
る従来の回転微動機構にあっては次のような問題があっ
た。すなわち、スト口−クが長いものは微動が困難で、
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
問題があった。

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　）〜（Ｃ）に示す如ぎ回転微動機構
を考案したく特願昭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、かつ微小ステップ０．
００５　［μｍ］程度の微動移動が可能である。以下、
この回転微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、第１図（Ｃ）は同図（ａ　）の矢視Ｂ−８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ってそれぞ
れ切り込みを設けることによって、上記移動部材２，３
および弾性ヒンジ５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
たビン６によっ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、その伸縮方向く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ってもよい。また、第１の駆動
部材７にはスイッチ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にはスイッチ９ｂを介して
可変電圧！１１０ｂが接続されものどなっている。

一方、前記第１の移動部材２の上部には圧電素子からな
る第１の固定部材１１が設けられており、この固定部材
１１にスイッチ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上に吸着されるもの
となっている。また、第２の移動部材３の上部には上記
固定部材１１と同様な第２の固定部材１２が設けられて
おり、この固定部材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っている。

このように構成された回転微動機構では、まず前記第２
の固定部材１２によりＭ２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の固定部材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の固
定部材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っ
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のひずみによりビン６を中心として矢
印Ｐ方向しこ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
動作によって回転スＩ〜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
とによって、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っては、回転円板１の両
端に固定した圧電素子からなる駆動部材７．８が回転円
板１の回転と共に一緒に回ってしまい、駆動部材７，８
を微小変位させるために印加する高電圧供給コードも、
それにつれて回らなければならない。このために機構と
しては原理的に１回転以上の回転が可能ではあるが、コ
ードがよじれてしまうため数回転も回転できるわけでは
ない。また、回転によってコードが引きずりまわされる
ためコードが固定部材と摺動し、コードの破損や絶縁不
良等が生じ、信頼性が悪い等、種々の欠点がある。

［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
分長くできるのは勿論のこと、回転円板の回転によって
圧電素子からなる駆動部材が回転することのない回転微
動機構を提供することにある。

［発明の概要］本発明の骨子は、ピエゾ素子等の圧電素子からなる駆動
部材で回転部材を直接駆動する代りに、駆動部材と回転
部材との間に可動部材を配置し、駆動部材による可動部
材の駆動によって回転部材を間接的に駆動することにあ
る。

すなわち本発明は、基体に対して回転自在に支持された
回転部材と、この回転部材に対拘して設けられる複数の
可動部材と、これら可動部材と前記基体に固定される固
定部材間にそれぞれ設けられ前記可動部材を前記回転部
材の回転方向に駆動するため印加電圧に応じて伸縮する
圧電素子からなる駆動部材と、前記可動部材と前記回転
部材を選択的に固定する固定用部材とを具備し、前記駆
動部材のイ申綿による前記可動部材の駆動作用及び前記
固定用部材による固定作用により前記回転部材を回転せ
しめるようにしたものである。

［発明の効果コ本発明によれば、圧電素子からなる駆動部材と回転部材
との間に設けた可動部材の作用により、従来の回転微動
機構のように圧Ｎ素子自身が回転部材と同時に回転して
しまうことがなく、このためコードの引き回りがなくな
り、破損や絶縁不良等が防止され信頼性が向上する。ま
た、圧電素子自体の大きさが回転部材の大きさく寸法）
を決定してしまい、小形化が雌かしかったが、本発明で
は回転部材に圧電素子が固定されないため、回転円板の
小形化及び軽量化をはかり得る。したがって、極めて実
用性の高い回転微動＊構を提供できる。

［発明の実゛施例］第３図乃至第５図（ａ　）〜（０）はそれぞれ本発明の
一実施例の概略構成を説明するためのもので第３図は平
面図、第４図は第３図の矢視Ｃ−Ｃ断面図、第５図（ａ
　）〜（Ｃ）は部分平面図を示している。基板（基体）
３１上に可動部材３２゜３３及び固定部材３４．３５を
一体形成してなる本体８０が載置され、固定部材３４．
３５はボルト等により基板３１上に固定されている。本
体８０の中央部は弾性ヒンジ３６構造となっており、可
動部材３２．３３が中心３７を中心として微小回動可能
なものとなっている。可動部材３２゜３３と固定部材３
４．３５との間にはピエゾ素子（圧電素子）からなる駆
動部材４１．４２．４３゜４４が圧入、接着或いはねじ
止め等の手法により固定されている。

一方、前記本体８０には回転板（回転部材）５１が載置
されている。この回転板５１は弾性ヒンジ３６の中央に
設けられた突起５２と回転板５１の下面中央に設けられ
た凹部５３とのかみ合わせによるピボット軸受けによっ
てその回転中心を決定されている。また、可動部材３２
．３３の外周には圧電素子からなる固定用部材５４．５
５が固定されており、この固定用部材５４．５５は図中
の矢印方向に伸縮して回転板５１を可動部材３２．３３
上に押圧固定するものなっている。

なお、前記駆動部材４１〜４４にはスイッチ６１ａ　、
６１ｂ　、６１ｃ　、６１ｄを介して可変電圧電源６２
ａ　、６２ｂ　、６２ｃ　、６２ｄがそれぞれ接続され
ている。同様に、固定用部材５４゜５５にはスイッチ６
３ａ　、６３ｂを介して電源６４ａ　、６４ｂがそれぞ
れ接続されている。

このように構成された回転微動機構の動作について説明
する。

まず、固定用部材５４を縮めて、可動部材３２と回転板
５１とを固定する。この状態で駆動部材４１を伸長させ
ると共に、駆動部材４２を縮長させる。これにより回転
板５１は可動部材３２と共に駆動部材４１．４２の伸縮
に応じた曾だけ回転することになる。この動作を行なっ
ているのと同時に駆動部材４３を縮長し、駆動部材４４
を伸長させ、可動部材３３を他方の可動部材３２とは逆
方向に回動させる。この場合、可動部材３３上に固定さ
れている固定用部材５５は縮長させないため回転板５１
の動きを妨げることはない。

次に固定用部材５５を縮長させ回転板５１を可動部材３
３に固定し、さらに固定用部材５４を伸長し、回転板５
１の固定を解除する。この状態で今度は駆動部材４３を
伸長させると共に駆動部材４４を縮長させる。これによ
り回転板５１は可動部材３３とともに反時計方向にそれ
らの伸縮に応じた量だけ回転することになる。この動作
中に駆動部材４１を縮長し、駆動部材４・２を伸長させ
る。

以上の操作を繰返すことによって回転板５１は可動部材
３２．３３の動きに応じて徐々にピボット軸受を中心に
回転していくことになる。この場合、それぞれの可動部
材３２．３３は、駆動部材４１゜〜、４４の伸縮に応じ
て逆方向に往復運動することになる。この往復運動の方
向と固定用部材５４゜５５の固定する時期とのタイミン
グを変えることによって回転方向を変えることができる
。

かくして本実施例によれば回転板５１を微動駆動し１ｑ
ると共に、何回転の回転をも可能にする。

ざらにピエゾ素子に印加する電圧を調整することによっ
て回転円板の粗微動および超微動−を容易に行なうこと
ができ、可動部の往復運動の周期を短かくすることによ
って回転速度を制御することができる。回転円板１６に
は圧電素子が固定されていなくコードのまきつぎ、信頼
性の低下などは防止される。

第６図及び第７図はそれぞれ他の実施例の概略構成を説
明するためのもので第６図は一部切欠して示す平面図、
第７図は第６図の矢視Ｄ−Ｄ断面図である。なお、第３
図〜第６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。

基体となるハウジング７１に軸受７２によって円板８１
を固定した回転体（回転部材）７３が支承され、回転自
由に支持される。可動部材７４゜７４＝、７５．７５′
は軸受７６．７７によって回転体７３に支持され、この
回転体７３に対して相対的に駆動できる構造となってい
る。可動部材７４．７４＝、７５．７５′には圧電素子
からなる固定用部材５４．５４＝、５５．５５′が（れ
ぞれ固着され、これらの固定用部材５４．５４＝。

５５．５５′の伸縮により可動部材７４．７４−。

７５．７５−は回転体７３に固定される。また、可動部
材７４．７４＝、７５．７５−は伸縮可能な駆動部材４
１．４２．４３．４４を介してハウジング７１に設けた
固定部材９０．９０′、９１゜９１−に固定されている
。

このように構成された回転微動機構の動作について説明
する。まず、固定用部材５５．５５−を伸ばして回転体
７３に対して可動部材７５．７５′を固定する。駆動部
材４１．４２を伸ばして、回転体７３をハウジング７１
に対して回転させる。

次に固定用部材５４．５４”を伸ばして回転体７３に対
して可動部材７４．７４−を固定した後固定用部材５５
．５５′を縮めて、可動部材７５゜７５−の回転体７３
に対する固定を解除する。駆動部材４１．４２を縮める
と同時に駆動部材４３゜４４を縮める。これによって回
転体７３がハウジング７１に対してさらに回転する。こ
の動作を繰り返すことによって回転体７３は反時計回り
に回転することになる。回転方向を逆にするためには、
ピエゾ素子３８．３９の回転体３３の固定のタイミング
を変えておこなう。

かくして本実施例によれば、回転体７３を微動駆動し得
ると共に何回転の回転をも可能となる。

さらに、駆動部材４１．〜，４４に印加する電圧を調整
することによって回転体７３の粗微動及び超微動を容易
に行なうことかでき、駆動部材４１゜〜、４４の伸縮運
動の周期を短かくすることによって回転速度を制御する
ことができる。回転体７３には圧電素子が固定されてお
らず、コードのまきつき、信頼性の低下などは防止され
る。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されものではな
い。例えば前記固定用部材の構造は種々前えられ、静電
チェック構成とすることによっても同様な効果は得られ
る。また、可動部材はそれぞれ最低２個（複数）あれば
よくそれ以上の構成にしても良いし、例えば１個の圧電
素子に対し１個の可動部　材　の割合で構成しても良い
。

また、回転中心を決める手段として実施例ではピボット
軸受を用いたが従来用いられているころがり軸受を用い
ても良く、弾性ヒンジの構造も設計によって種々その構
造を変えることもできる。

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（ａ　）〜（Ｃ）は従来の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（１）
）は同図（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図、第１図（Ｃ）は同
図（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ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
乃至第５図（ａ　）〜（Ｃ）は本発明の一実施例の概略
構成を説明するためのもので第３図は平面図、第４図は
第３図矢視Ｃ−Ｃ断面図、第５図（ａ）〜（ｃ　）は部
分平面図、第６図及び第７図は他の実施例の概略構成を
説明するためのもので、第６図は一部切欠して示す平面
図、第７図は第６図の矢視Ｄ−ＤＩｔＩｉ面図である。３１・・・基板、３２．３３・・・可動部材、３４゜３
５・・・固定部、３６・・・弾性ヒンジ、３７・・・中
心、４１、〜，４４・・・駆動部材、５１・・・回転板
（回転部材＞、５４．５５・・・固定用部材、７１・・
・ハウジング、７２．７６．７７・・・軸受け、７３・
・・回転体く回転部材）、７４．７４′、７５．７５′
・・・可動部材。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図Ｂ（ｂ）第　２　図（ａ）（ｂ）第　３　図第４図第５図（ａ）（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　基体に対して回転自在に支持された回転部材と
、この回転部材に対向して設けられる複数の可動部材と
、これら可動部材と前記基体に固定される固定部材間に
それぞれ設けられ前記可動部材を前記回転部材の回転方
向に駆動するため印加電圧に応じて伸縮する圧電素子か
らなる駆動部材と、前記可動部材と前記回転部材を選択
的に固定する固定用部材とを具備し、前記駆動部材の伸
縮による前記可動部材の駆動作用及び前記固定用部材に
よる固定作用により前記回転部材を回転せしめることを
特徴とする回転微動機構。
（２）　前記可動部材は、弾性ヒンジを介して前記基体
に支持された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。
（３）　前記固定用部材は、印加電圧に応じて伸縮する
圧電素子からなり、前記回転部材をその軸方向に押圧す
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）前記固定用部材は、印加電圧に応じて伸縮する圧
電素子からなり、前記回転部材をその半径方向に押圧す
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。
（５）前記固定部材は前記基体と一体的に形成されるこ
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。