JPH0351791A

JPH0351791A - 微動機構

Info

Publication number: JPH0351791A
Application number: JP18603089A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Murayama; 健村山; Kojiro Ogata; 緒方　浩二郎; Kiyoshi Nagasawa; 潔長澤; Yoshihiro Hoshino; 星野　吉弘
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1989-07-20
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1991-03-06
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JP2614662B2

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】［産業上の利用分野］本発明は、超精密加工、半導体製造装置、電子顕微鏡等
のサブμｍオーダーの調節を必要とする装置に使用され
る微動機構に関する。

［従来の技術］近年、各種技術分野においては、サブμｍのオーダのｆ
Ｉａ細な変位調節が可能である装置が要望されている。

その典型的な例がＬＳＩ（大規模集積置である。これら
の装置においては、サブμｍオーダーの微細な位置決め
が必要であり１位置決めの精度が向上するにしたがって
その集積度も増大し、高性能の製品を製造することがで
きる。このような微細な位置決めは上記半導体装置に限
らず、電子顕微鏡をはじめとする各種の高倍率光学装置
や超精密加工装置等においても必要であり、その精度向
上により、バイオテクノロジ、宇宙開発等の先端技術に
おいてもそれらの発展に大きく寄与するものである。以
下、このような微細な位置決めを行なう微動機構を図に
より説明する。

第６図は従来の微動機構の側面図である０図で、１は適
宜な手段で固定された固定側剛体、２は固定側剛体１と
対向する移動側剛体、３，４はそれぞれ各剛体１，２を
それらの左右端で連結する平板状の弾性部材である。各
弾性部材３，４は互いに平行な関係にある。５は剛体部
ｌから突出した突起、６は剛体部２から突出した突起、
７は突起５．６間に装着された圧電アクチュエータであ
る。

圧電アクチュエータ７は突起５，６に例えば接着剤により固着される。

８は弾性部材４の所定個所に貼着されたひずみゲージで
ある。

圧電アクチュエータフに電圧を印加すると、圧電アクチ
ュエータ７が伸長して突起６を押圧する。

これにより、弾性部材３，４は破線のように変形しく弾
性部材４の変形のみ示されているが、弾性部材３にも同
一の変形が生じる。）、移動側剛体２は固定側剛体１に
対して図で左方に長さＵだけ並進変位する。この変位量
Ｕは圧電アクチュエータ７に印加される電圧により、サ
ブミクロンオーダで調節することができる。又、変位量
Ｕはひずみゲージ８のひずみ量により知ることができる
。

このような微細な位置決めを行なう微動機構およびその
動作の詳細は特開昭６１−２０９８４６号公報に提示さ
れている。

第７図は他の従来の微動機構の側面図である。

図で、第６図に示す部分と同一部分又は等価な部分には
同一符号が付しである。この微動機構では、第６図の微
動機構における弾性部材３，４の代りに剛体リンク１０
．１１が用いられる。剛体リンク１０は、剛体１０ａ、
この剛体１０ａと固定側剛体１を連結する弾性ヒンジ１
０ｂ、および剛体１０ａと移動側剛体１を連結する弾性
ヒンジ１０ｃとで構成される。又、剛体リンク１１は、
同様に剛体１１ａ、および２つの弾性ヒンジ１１　ｂ　
、１１　ｃで構成される０弾性ヒンジｌｌｂ、ｌｌｃは
、例えば断面径が中心に近付くにしたがって減少してゆ
く形状に構成されている。この微動機構の動作も第６図
に示す微動機構の動作と同じであり、圧電アクチュエー
タフに電圧が印加されると、剛体リンク１０．１１が弾
性ヒンジの部分で変形し、移動側剛体２が固定側剛体１
に対して図で左方に変位量りだけ変位する。

ところで、上記各微動機構において、圧電アクチュエー
タ７に電圧を印加したときの変位量Ｕは圧電アクチュエ
ータ長の１／１０００程度の微量である０例えば、圧電
アクチュエータ長１０〜２０ｍでは、発生変位量Ｕは１
０〜２０μｍと極めて小さく、広い範囲での位置決めを
行なうことはできない、このため、変位量を拡大する機
構を備えた微動機構が提案されている。これを第８図に
より説明する。

第８図は従来の微動機構の側面図である６図で、第７図
に示す部分と同−又は等価な部分には同一符号が付しで
ある。１３は剛体であり、その上端部１３ａは弾性ヒン
ジ１４により突起６と連結され、その下端部１３ｂは圧
電アクチュエータ７と結合されている。１５は固定側剛
体１がら上方に突出した剛体であり１弾性ヒンジ１６を
介して剛体１３と連結されている。圧電アクチュエータ
７および剛体１３の下端部１３ｂの結合点と弾性ヒンジ
１６との間隔が寸法ａで示され、又、弾性ヒンジ１６と
弾性ヒンジ１３ａとの間隔が寸法すで示されている。

圧電アクチュエータフに電圧が印加されると、剛体１３
の下端部１３ｂが押され、剛体１３は弾性ヒンジ１６を
支点として時計回り方向へ回動し、上端部１３ａは右方
へ変位し、したがって移動側剛体２も右方へ変位する。

ここで、圧電アクチュエータフの発生変位量をｕｏとす
ると、移動側剛体２の変位量Ｕは、Ｕ＝−・ｕｏ　・・・・・・・・・・・・　（１）とな
り、変位量はテコの原理によりｂ　／　ａ倍に拡大され
たこととなる。

［発明が解決しようとする課題］第８図に示す微動機構は、寸法ａ、ｂを適宜の値とする
ことにより、その位置決めの範囲を拡大することができ
る。しかしながら、その構造は複雑となり、又、例えば
当該微動機構を１つの剛体ブロックで成形加工すること
により製造する場合。

その加工も極めて複雑となる。そして、加工を容易にす
るためには、微動機構の形状寸法を大形化しなければな
らず、これは、微動機構を対ネ装置に組込む場合の障害
となる。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
小形でしかも製造容易な微動機構を提供するにある。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するため、本発明は、第１の剛体と、
この第１の剛体と対向する第２の剛体と、前記第１の剛
体および前記第２の剛体を連結する複数の変形部材と、
前記第１の剛体および前記第２の剛体間に相対変位を与
える変位発生素子とを備えた微動機構において、前記変
形部材の１つを、前記第１の剛体および前記第２の剛体
にそれぞれ弾性ヒンジを介して連結された第３の剛体で
構成するとともに、前記変位発生素子の一端をほぼ前記
各弾性ヒンジを結ぶ線上に位置する他の弾性ヒンジを介
して前記第３の剛体に連結したことを特徴とする。

［作用］変位発生素子を駆動すると、発生した変位により第３の
剛体が押される。これにより、第３の剛体は第１の剛体
との間の弾性ヒンジを支点として回動し、第３の剛体の
第２の剛体側端部に拡大された変位が現れる。この変位
は弾性ヒンジを介して第２の剛体に伝えられる。

［実施例コ以下１本発明を図示の各実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係る微動機構の側面図
である。図で、第６図に示す部分と同−又は等価な部分
には同一符号を付して説明を省略する。Ｘ、Ｙ、Ｚは座
標軸を示す。１７は圧電アクチュエータ７に結合された
剛体である０本実施例では、第６図に示す弾性部材４に
代えて剛体リンク１８が用いられる。剛体リンク１８は
、剛体１８ａ、この剛体１８ａと固定側剛体１とを連結
する弾性ヒンジ１８ｂ、剛体１８ａと圧電アクチュエー
タ７に結合される剛体１７とを連結する弾性ヒンジ１８
ｃ、および剛体１８ａと移動側剛体２とを連結する弾性
ヒンジ１８ｄにより構成される。このような剛体リンク
１８において１弾性ヒンジ１８ｃは、弾性ヒンジ１８ｂ
、１８ｄを結ぶ直線とほぼ一致する線上に位置せしめら
れる。又。

各弾性ヒンジ１８ｂ、１８ｃの間隔は寸法ａで示され、
各弾性ヒンジ１８ｃ、１８ｄの間隔は寸法すで示されて
いる。

圧電アクチュエータフに電圧を印加すると、剛体１７に
Ｘ軸方向の力が作用し剛体１８ａがＸ軸方向に押される
。これにより剛体１８ａは弾性ヒンジ１８ｂを支点とし
て回動し、弾性ヒンジ１８ｄを介して移動側剛体２をＸ
軸方向に変位量Ｕだけ変位させる。この変位量Ｕは、（
］）式と同様に圧電アクチュエータ７の変位量Ｕ、のｂ
　／　ａ倍となり、変位が拡大される。

第２図は変位量の特性図であり、横軸には圧電アクチュ
エータフに印加される電圧Ｖが、縦軸には変位量Ｕがと
っである０図中、Ａは圧電アクチュエータ７の変位量、
Ｂは本実施例の移動側剛体２の変位量を示す。図から明
らかなように、第１図に示す剛体リンク１８の機能によ
り、変位量が大きく拡大されているのが判る。なお、曲
線Ａ。

Ｂとも図示のようなヒステリシス特性を有し、圧電アク
チュエータ７に電圧を印加しただけでは精度の良い位置
決めは困難であるが、ひずみゲージ８で変位量を検出し
、この検出値をフィードバックして圧電アクチュエータ
７への印加電圧を制御することにより、高精度の位置決
めが可能となる。

このように、本実施例では、３つの弾性ヒンジがほぼ一
直線上にあるように剛体リンクを構成したので、弾性ヒ
ンジ１８ｃ、１８ｄの変位は弾性ヒンジ１８ｂを中心と
した回転運動の接線方向と一致し、この結果、伝達され
る変位に無駄を生じることなく、効率の良い変位拡大を
行なうことができる。又、剛体リンク自体が変位拡大機
構となっているので、全体構造が第８図に示す従来の微
動機構に比較して著しく簡素化され、製造容易となり、
かつ、小形に構成することができる。

第３図は本発明の第２の実施例に係る微動機構の側面図
である。図で、第１図に示す部分と同−部分又は等価な
部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施例は
、第１の実施例における弾性部材３に代えて剛体リンク
２０を用いる構成となっている。この剛体リンク２ｏは
、剛体２０ａ、この剛体２０ａと固定側剛体ｌとを連結
する弾性ヒンジ２０ｂ、および剛体２０ａと移動側剛体
２とを連結する弾性ヒンジ２０ｃとで構成されている。

弾性ヒンジ２０ｂ、２０ｃの外側にはひずみゲージ８が
貼着されている。本実施例の動作および効果は第１の実
施例の動作および効果と同じである。

第４図は本発明の第３の実施例に係る微動機構の側面図
である。図で、第３図に示す部分と同−又は等価な部分
には同一符号が付しである。１８′は第３図に示す剛体
リンク１８と同様に剛体１８ａ、弾性ヒンジ１８ｂ、１
８ｃ、１８ｄより成る剛体リンクであり、又、２０’は
第３図に示す剛体リンク２０と同様に剛体２０ａ、弾性
ヒンジ２Ｑｂ。

２０ｃより成る剛体リンクである。これら剛体リンク１
８’　、２０’は、第３図に示す各剛体リンク１８．２
０が互いに平行関係にあるのに対し、−点鎖線に示すよ
うに、点０に関して互いに放射関係に配置されている。

圧電アクチュエータ７に電圧が印加されると、その変位
量ｕ０はｂ　／　ａ倍に拡大された変位量り（変位量ｕ
、、　ｕの変位方向は図中に矢印で示されている）とな
って弾性ヒンジ１８ｄに現れる。

これにより、移動側剛体２は点０を中心に変位量Ｕに応
じた角度θだけ回転変位する。回転変位後の状態の一部
が破線で示されている。本実施例の効果も、さきの各実
施例の効果と同じである。

第５図は本発明の第４の実施例に係る微動機構の側面図
である６図で、第１図に示す部分と同−又は等価な部分
には同一符号を付して説明を省略する。本実施例の微動
機構は、第１図に示す微動機構を２つ、−点鎖線Ｃ−Ｃ
を通る紙面に垂直な面で移動側剛体２を一体として対称
に合体した構成となっている。本実施例の動作は第１の
実施例の動作に準じる。又、本実施例の効果は、第１の
実施例の効果に加えて次のような効果をも有する。

即ち、第１の実施例の微動機構においては、圧電アクチ
ュエータフの駆動によりＸ軸方向に変位を発生するが、
このとき、極く微小ながらＹ軸方向にも干渉変位が生じ
る。しかしながら、本実施例の微動機構は対象構造とな
っているので、Ｙ軸方向の干渉変位の発生が相互に阻止
され、より一層精度の高い変位を得ることができる。

なお、上記各上記の説明では、変位発生素子として圧電
アクチュエータを例示して説明したが、例えば、電磁式
モータ等を用いることもできる。

又、第４図に示す微動機構を２つ、第５図に示すように
対称に結合することにより１回転変位を発生する対称型
の微動機構を構成することも可能である。

［発明の効果］以上述べたように、本発明では、変形部材として第１の
剛体と第２の剛体を弾性ヒンジで連結する剛体リンクを
用い、各弾性ヒンジおよび当該剛体リンクを変位発生素
子と連結する弾性ヒンジが、はぼ−直線上にあるように
位置せしめたので、無駄のない変位拡大を行なうことが
できるとともに、全体構造が著しく簡素化され、製造容
易となり、かつ、小形化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係る微動機構の側面図
、第２図は第１図に示す微動機構の変位量特性図、第３
図、第４図および第５図はそれぞれ本発明の第２、第３
、第４の実施例に係る微動機構の側面図、第６ｒＪ！ｉ
、第７図および第８図はそれぞれ従来の微動機構の側面
図である。１・・・・・・固定側剛体、２・・・・・・移動側剛体
、３・・・・・−弾性部材、１８．１８’　、２０．２
０’・・・・・・剛体リンク、１７゜１８ａ。２０ａ・・・・・・剛体、１８ｂ。１８ｃ。１８ｄ。２０ｂ。２０ｃ・・・・・・弾性ヒンジ。第図ワ第図１！１足（Ｖ）第図第図

Claims

【特許請求の範囲】（１）第１の剛体と、この第１の剛体と対向する第２の
剛体と、前記第１の剛体および前記第２の剛体を連結す
る複数の変形部材と、前記第１の剛体および前記第２の
剛体間に相対変位を与える変位発生素子とを備えた微動
機構において、前記変形部材の１つを、前記第１の剛体
および前記第２の剛体にそれぞれ弾性ヒンジを介して連
結された第３の剛体で構成するとともに、前記変位発生
素子の一端をほぼ前記各弾性ヒンジを結ぶ線上に位置す
る他の弾性ヒンジを介して前記第３の剛体に連結したこ
とを特徴とする微動機構。（２）請求項（１）において、前記変形部材は、平板状
弾性部材であることを特徴とする微動機構（３）請求項
（１）において、前記変形部材は、剛体リンクであるこ
とを特徴とする微動機構（４）請求項（１）において、
前記変形部材は、互いに平行に設けられていることを特
徴とする微動機構。（５）請求項（１）において、前記変形部材は、所定点
に関して互いに放射状に設けられていることを特徴とす
る微動機構。