JPH01178802A - 微細変位機構 - Google Patents

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、半導体の製造や検査、高倍率顕微鏡等の分野
において、微細な変位を調節する微細変位機構に関する
。

〔従来の技術〕

半導体の製造や検査、高倍率顕微鏡等の分野においては
、数ミクロンもしくはそれ以下の微細な変位を正確に得
る微細変位機構が必要である。このような微細変位機構
は、例えば特開昭６１−２０９８４６号公報、特開昭６
１−２４３５１１号公報等により提案されている。以下
、これを図により説明する。

第３図（ａ）、　（ｂ）は従来の微細変位機構の側面図
である。このうち、第３図（ａｌは並進変位用の微細変
位機構を示し、１，２はそれぞれ互いに対向する剛体部
、３は剛体部１．２を連結する２つの平板である。各平
板３は互いに平行に配置されている。

これら２つの剛体部１，２および２つの平板３により可
撓構造体４が構成されている。実際の製造に際しては、
可撓構造体４は１つの剛体ブロックに貫通孔５をあける
ことにより構成される。６は剛体部１，２からそれぞれ
貫通孔５内に突出した２つの突起間に装架された変位発
生素子である。

この変位発生素子５としては多くの場合圧電素子が用い
られるので、以下、変位発生素子を圧電素子で代表させ
る。剛体部１を固定して圧電素子６を励起すると各平板
３が破線で示すように変形しくただし、この変位は誇張
して描かれている）、剛体部１に対して剛体部２を並進
変位させることができる。

第３図（ｂ）は回転変位用の微細変位機構を示し、１１
．１２はそれぞれ剛体部、１３は剛体部１１゜工２を連
結する２つの平板である。各平板１３は紙面に垂直な軸
０に関して放射状に配置されている。２つの剛体部１１
，１２．２つの平板１３により可撓構造体１４が構成さ
れる。１５はこの可撓構造体１４を構成するための台形
の貫通孔である。１６は剛体部１１．１２からそれぞれ
貫通孔１５内に突出した２つの突起間に装架された圧電
素子である。剛体部１１を固定して圧電素子１６を励起
すると各平板１３が破線で示すように変形しく誇張して
描かれている）、剛体部１１に対して剛体部１２を回転
変位させることができる。

上記第３図（ａ）に示す可撓構造体４を複数組合せるこ
とにより任意の方向の並進変位を、又、上記第３図（ｂ
ｌに示す可撓構造体１４を複数組合せることにより任意
の回転変位を、さらに可撓構造体４と可撓構造体１４と
を組合せることにより任意の並進変位と任意の回転変位
を同時に、得ることができる。

第４図ｆａｎ、　（ｂ）は従来の他の微細変位機構の側
面図である。この微細変位機構は、第３図（ａ）、山）
に示す微細変位機構が平板３，１３内体の変形を利用す
る構成であるのに対して、弾性ヒンジの変形を利用する
構成となっている。そこでまず、弾性ヒンジの概略を第
５図（ａ）〜（Ｃ１により説明する。

第５図（ａ）は弾性ヒンジの側面図である。１７は１つ
の剛体部材、１８は剛体部材１７の中間部に対向して形
成されたほぼ円弧状の切欠部である。

両切大部１８により、剛体部材１７に狭隘部１９が形成
され、剛体部材１７は当該狭隘部１９によりこれに連続
する剛体部１７ａ、１７ｂに分けられる。

第５図（ｂ）は他の弾性ヒンジの側面図である。

図で、第５図（ａ）に示す部分と同一部分には同一符号
が付しである。１９′は狭隘部である。狭隘部１９′は
、さきの狭隘部１９が２つの対向する切欠部１８で形成
されているのに対し、１つのほぼ円弧状の切欠部１８で
形成される。

第５図（Ｃ１は弾性ヒンジの動作説明図である。図で、
１７ａ、１７ｂは第５図（ａ）、　（ｂ）に示すものと
同じ剛体部、２０は各剛体部１７ａ、１７ｂを可回動に
連結するヒンジ点を示す。

今、第５図（ａ）、　（ｂ）において、一方の剛体部１
７ａを固定し、他方の剛体部１７ｂに図示矢印方向の力
Ｆを作用させると、剛体部１７ａ、１７ｂはほとんど変
形しないが、狭隘部１９．１９’は微小変形し、これに
より、剛体部１７ｂは破線で示されるように回転変位す
る。しかしながら、上記力Ｆ以外の方向の力成分が作用
した場合、狭隘部１９．１９’はこれらに対して極めて
変形しにくい特性を有する。以上の特性は、狭隘部１９
゜１９′の弾性変形の範囲内においては、恰も第５図（
Ｃ１に示すような２つの剛体部１７ａ、１７ｂをヒンジ
点２０で連結した構成が有する特性と同様の特性を示す
ので、狭隘部１９．１９’を弾性ヒンジと称する。

ところで、第５図（Ｃ）に示すヒンジ点２０は機械的部
品の嵌合により構成されるので、それら機械的部品を最
高の精度で加工しても、ミクロンレベルの隙間の存在剣
融けることはできない。このため、ヒンジ点２０は、非
常に微小な変位を行う場合に誤差のない変位を発生せし
めることは不可能である。これに対して、狭隘部１９．
１９’より成る弾性ヒンジは弾性変形の範囲内において
ほとんど変位誤差を発生せず、理想的なヒンジ特性を示
す。

第４図（ａ）、　（ｂ）に示す微細変位機構は第３図（
ａ）。

（ｂ）に示す微細変位機構の平板３，１３に代えて両端
に弾性ヒンジを有する平板状剛体が用いられる。

第４図（ａ）、　（ｂｌで、第３図（ａ）、　（ｂｌに
示す部分と同一部分には同一符号が付しである。２１．
３１は平板状剛体、２２．３２は切欠部２３，３３によ
り形成される弾性ヒンジを示す。この場合、第５図（ａ
）〜（Ｃ）に示す剛体部１７ａ、１７ｂが、剛体部１゜
１１と平板状剛体部２１．３Ｌ又は剛体部２゜Ｉ２と平
板状剛体２１．３１に相当するのは明らかである。２４
．３４はこのような平板状剛体２１゜３１、弾性ヒンジ
２２，３２を用いた可撓構造体を示す。

これら微細変位機構は圧電素子６．１６を励起すること
により剛体部２．１２にそれぞれ破線で示すように並進
変位２回転変位を生じる。このような変位を生じる理由
はさきに述べた弾性ヒンジの説明から明らかであると考
えるので、その説明は省略する。そして、これら微細変
位機構の複数使用、組合せ使用により任意の変位が得ら
れるのも又明らかである。

なお、第４図（ａ）、　（ｂ）に示す微細変位機構にお
いて、変形は弾性ヒンジ２２，３２にのみ生じ平板剛体
２１．３１には生じない。したがって、平板剛体２１．
３１は平板状である必要はなく、剛体であれば、どのよ
うな形状であっても差支えない。

このような剛体は弾性ヒンジとともにリンク機構を構成
するところから、−船釣に剛体リンクということができ
る。

〔発明が解決しようとする餞題〕訊 上記各微細変位機構は高精度で変位を発生することがで
きる。しかしながら、それらにより得られる変位の大き
さは、圧電素子６，１６に発生する変位と同じレベルで
あり、それはせいぜい数ミクロンから十数ミクロンの範
囲内である。ところで、微細変位機構を使用する装置に
あっては、最大変位として数十ミクロンから数百ミクロ
ンを必要とするものがあり、この場合、上記微細変位機
構ではこのような大きな変位を得ることができない。こ
のため、従来、大きな変位を得るためには適宜の粗動変
位機構により大きな変位を発生させた後、上記微細変位
機構を用いて高精度の変位を得るか、又は同一方向の変
位を発生する上記微細変位機構を複数段積重ねる等の手
段が採用されていた。

しかし、これらの手段は、いずれにしても複数の変位機
構を用いなければならず、このため、装置が大形化、か
つ複雑化し、製造困難で高価になるという問題があった
。

本発明の目的は、上記従来技術のτ粟題残を解決し、単
体で大きな出力変位を得ることができる微細変位機構を
提供するにある。

〔書渫題＼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の剛体部と
、第２の剛体部と、これら各剛体部を弾性ヒンジを介し
て連結する複数の連結用剛体リンクとを備えた微細変位
機構において、前記連結用剛体リンクの対向する弾性ヒ
ンジの回動中心を通る面に垂直な線分に対して所定の角
度で配置され、かつ、一方端が弾性ヒンジを介して前記
第１の剛体部に連結されるとともに他方端が弾性ヒンジ
を介して前記連結用剛体リンクの１つに連結された変位
発生素子を設けたことを特徴とする。

〔作　用〕

変位発生素子を励起すると、この変位発生素子は弾性ヒ
ンジを介して連結用剛体リンクを押す。

このとき、変位発生素子の変位量は連結用剛体リンクの
対向する弾性ヒンジの回動中心を通る面に沿って拡大さ
れて現れる。変位発生素子で押されることにより、連結
用剛体リンクはその弾性ヒンジを中心に回動し、この回
動により変位はさらに拡大される。そして、当該回動に
より第１の剛体部と第２の剛体部との間には相対的に変
位が発生する。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の実施例に係る微細変位機構の側面図で
ある。図で、第４図（ａ）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。１ａは貫通
孔５に連続して剛体部１に形成された穴で平板状剛体２
１の伸長方向に対して所定の角度傾斜している。圧電素
子６は穴１ａに挿入された状態で設置される。２１ａは
一方の平板状剛体２１から貫通孔５内に突出した突出部
であり、圧電素子６を連結する連結面２１ｂを有する。

４０ａ。

４０ｂはそれぞれ弾性ヒンジを示し、これら各符号に付
された括弧内の符号はその弾性ヒンジの変形中心点に付
した名称を示す。４１ａ、４１ｂは圧電素子６０両端に
連結してこれを支持する支持剛体である。圧電素子６は
平板状剛体２１の長さ方向に対して所定の角度（θ）で
設置され、連結面２１ｂは圧電素子６の伸長方向に対し
てほぼ垂直面となっている。圧電素子６の一端は穴ｌａ
内に挿入され、支持剛体４１ｂ、弾性ヒンジ４０ｂを介
して剛体部１に連結され、圧電素子６の他端は支持剛体
４１ａ、弾性ヒンジ４０ａを介して平板状剛体２１の連
結面２１ｂに連結されている。

次に、本実施例の動作を説明する。圧電素子６に電圧が
印加されると、この電圧に比例して圧電素子６が伸長す
る。この伸長は、伸長方向の剛性が高いので、弾性ヒン
ジ４０ｂが反時計方向に回動し、弾性ヒンジ４０ａの点
Ｑが矢印り方向に変位することによってのみ許容される
。ここで、点Ｐを通り平板状剛体２１の長さ方向に平行
な線分（−点鎖線）と、点Ｑを通り平板状剛体２１の長
さ方向に垂直な線分（−点鎖線）との交点をＥとし、線
分１百の長さを！！、Ｉ＋　線分丁百の長さを１２．線
分ＰＱの長さをｌ、とすると次式が成り立つ。

！、′＝β、２＋β２′・・・・・・・・・・・・・・
・・・・（１）（１）式の両辺を微分すると、 ２ｊｌ！ａ　　・ｄｌｌｚ　＝２１．・ｄｌｌ＋２１ｚ
・ｄｌｌｚ　”（２）（２）式で、ｄＩ！３．ｄｉ、、
ｄｉ、は各線分の増加分を意味するが、圧電素子６が伸
長しても線分β、の増加分はＯであるから（２）式は２
１３　・ｄＡ’ｓ＝２＃ｚ・ｄｊ２゜となる。（３）式
で、ｄ２□は点Ｑの矢印り方向の移動量であり、ｄ！！
３は圧電素子６の伸長量を意味する。したがって、圧電
素子６の伸長量をδ、点Ｑの変位量をδ′とすると、（
３）弐がら、となる。即ち、圧電素子６の伸長量は１／
５ｔｙＬθだけ拡大されたことになる。

さらに、点Ｑが矢印り方向に移動すると、平板状剛体２
１は弾性ヒンジ２２の点Ｐ′を中心に反時計方向に回動
し、弾性ヒンジ２２の点Ｑ′は図で下方に変位する。今
、図示のように、平板状剛体２１の長さ方向に沿う点ｐ
　ｒ１点Ｑ間の距離をａ２点Ｑ。

点Ｑ′間の距離をｂとすると、点Ｑ′の変位量δ”は次
式で表わされる。

結局、圧電素子６の変位は（（ａ＋ｂ）／ａ）Ｘ（１／
ｓｉｎθ）倍に拡大され、剛体部２は剛体部１に対して
この拡大倍率をもって図の下方に並進変位することにな
る。

このように、本実施例では、圧電素子を、弾性ヒンジを
介して一方の剛体部と一方の平板状剛体との間に所定の
角度をもって設置したので、簡単な構造で大きな並進変
位を得ることができる。

第２図は本発明の他の実施例に係る微細変位機構の側面
図である。図で、第４図（ｂ）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。ｌｌａ
は貫通孔１５に連続して剛体部１に形成された穴で、対
向する弾性ヒンジ３２．３２の回動中心点を通る面に垂
直な線分に対して所定の角度傾斜している。圧電素子１
６は穴１１ａに挿入された状態で設置される。３１ａは
一方の平板状剛体３１から貫通孔１５内に突出した突出
部であり、圧電素子１６を連結する連結面３１ｂを有す
る。５０ａ。

５０ｂはそれぞれ弾性ヒンジを示し、これら各符号に付
された括弧内の符号はその弾性ヒンジの変形中心点に付
した名称を示す。５１ａ、５１ｂは圧電素子６の両端に
連結してこれを支持する支持剛体である。圧電素子６は
対向する弾性ヒンジ３２．３２の回動中心を通る面に垂
直な線分に対して所定の角度で設置され、連結面３１ｂ
は圧電素子１６の伸長方向に対してほぼ垂直面となって
いる。圧電素子１６の一端は穴１１ａ内に挿入され、支
持剛体５１ｂ、弾性ヒンジ５０ｂを介して剛体部１１に
連結され、圧電素子１６の他端は支持剛体５１ａ、弾性
ヒンジ５０ａを介して平板状剛体３１の連結面３１ｂに
連結されている。

図から明らかなように、本実施例はさきの実施例が並進
変位用の微細変位機構であるのに対して回転変位用の微
細変位機構である点で異なるのみである。即ち、本実施
例の穴１１ａ、突出部３１ａ、連結面３１ｂ、弾性ヒン
ジ５０ａ、５０ｂ、支持剛体５１ａ、５１ｂは、それぞ
れさきの実施例における穴１ａ、突出部２１ａ、連結面
２１ｂ、弾性ヒンジ４０ａ、４０ｂ、支持剛体４１ａ、
４１ｂに相当する。そして、本実施例の動作、変位拡大
機能はさきの実施例の動作、変位拡大機能に準じるのは
明らかであり、これにより、本実施例は、簡単な構造に
より大きな回転変位を得ることができる。

なお、上記各実施例の説明では、各剛体部を連結する部
材として平板状剛体を例示して説明したが、平板に限る
ことはなく、剛体であればどのような形状であっても差
支えない。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、変位発生素子を弾性ヒ
ンジを介して一方の剛体部と一方の連結用剛体リンクと
の間に連結設置し、この設置は、変位発生素子の変位方
向が、連結用剛体リンクの対向する弾性ヒンジの回動中
心を通る面に垂直な線分に対して所定の角度となるよう
にしたので、変位発生素子の変位を２段に拡大すること
ができ、簡素な構成で大きな変位を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ本発明の実施例に係る微
細変位機構の側面図、第３図（ａ）。 （ｂ）、第４図（ａ）、　　（ｂ）はそれぞれ従来の微
細変位機構の側面図、第５図（ａ）、　　（ｂ）はそれ
ぞれ弾性ヒンジの側面図、第５図（ｃ）は弾性ヒンジの
動作説明図である。 １、　２．１１．１２−−−・−剛体部、！　ａ　、　
ｌｌａ　−旧・−穴、６．１６・・・・・・圧電素子、
２１．３１・・・・・・平板状剛体、２２゜３２．４０
ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂ−−−−−−弾性ヒンジ、
４１ａ、４１ｂ・・・・・・支持剛体。 第１図 第２図 第３図 （ｂ） 第４図 （Ｇ） 第５図 （０）　　　　（ｂ）　　　　（ｃ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の剛体部と、第２の剛体部と、これら各剛体
   部を弾性ヒンジを介して連結する複数の連結用剛体リン
   クとを備えた微細変位機構において、前記連結用剛体リ
   ンクの対向する弾性ヒンジの回動中心を通る面に垂直な
   線分に対して所定の角度で配置され、かつ、一方端が弾
   性ヒンジを介して前記第１の剛体部に連結されるととも
   に他方端が弾性ヒンジを介して前記連結用剛体リンクの
   １つに連結された変位発生素子を設けたことを特徴とす
   る微細変位機構
2. （２）特許請求の範囲第（１）項において、前記各連結
   用剛体リンクは、互いに平行に配置されていることを特
   徴とする微細変位機構
3. （３）特許請求の範囲第（１）項において、前記各連結
   用剛体リンクは、所定点に関して放射状に配置されてい
   ることを特徴とする微細変位機構
4. （４）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位発
   生素子は、圧電素子であることを特徴とする微細変位機
   構
5. （５）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位発
   生素子は、前記第１の剛体部、前記第２の剛体部および
   前記各連結用剛体リンクで構成される領域内に配置され
   ていることを特徴とする微細変位機構