JPH01224815A - 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０−Ｑ　ｍ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５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５図（ａ）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ｉ！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、この変形は誇
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５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１１．１２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Ｕ！ｉ、ａｉｌ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５図（ａ）に示す可撓構造体４を複雑組合せるこ
とにより任意の方向の並進変位を、又、上記第５図（ｂ
）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６図（ａ）、　　（ｂ）は従来の他の微細変位機構の
側面図である。この＠細変位機樽は、第５図（ａ）、　
　（ｂ）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７図（ａ）〜（ｃ）により説明する。

第７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７図（ｂ）は他の弾性ヒンジの側面図である。

図で、第７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７図（ｃ）は弾性ヒンジの動作説明図である。

図で、Ｌ７ａ、１７ｂは第７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７図（ａ）、　　（ｂ）において、一方の剛体部
１７ａ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７図（Ｃ）に示すような２つの剛体部１７
ａ、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７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を
避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６図（ａ）、　　＜ｂ＞に示す微細変位機構は第５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存する平板状剛体が用いら
れる。第６図（ａ）、（ｂ）で、第５図（ａ）、　　（
ｂ）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２３．３
３により形成される弾性ヒンジを示す、この場合、第７
図（ａ）〜（ｃ）に示す剛体部１７　ａ、　　ｌ　７　
ｂが、剛体部１．１１と平板状剛体部２１．３１、又は
剛体部２．１２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部２
１゜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４位９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６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ＩＩｉ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課題〕

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！！！題を解決し、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。

〔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
て連結する複数のたわみ梁又は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、前記第１の剛体部に
弾性ヒンジを介して連結された第１の変位拡大用剛体リ
ンクと、両端が前記第１の剛体部および前記第１の変位
拡大用剛体リンクに連結された変位発生素子と、前記第
１の変位拡大用剛体リンクに対して所定の角度を有し当
該筒１の変位拡大用剛体リンクおよび前記第２の剛体部
に弾性ヒンジを介して連結された第２の変位拡大用剛体
リンクとを設けたことを特徴とする。

〔作　用〕

第１の剛体部に設けられた変位発生素子を励起すると、
この変位発生素子は第１の変位拡大用剛体リンクを押す
。これにより第１の変位拡大用剛体リンクは第１の剛体
部との間に介在する弾性ヒンジを中心に回動し、変位発
生素子の変位は第２の変位拡大用剛体リンクに連結する
弾性ヒンジに拡大して現れる。第１の変位拡大用剛体リ
ンクが回動すると第２の変位拡大用剛体リンクも回動し
、前記弾性ヒンジに拡大して現れた変位は第２の剛体部
を変位させる。

〔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図は本発明の第１の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第５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。２ａ
は剛体部２に形成された凹みである。５′は剛体部１に
形成された貫通孔であり、この貫通孔５′内に圧電素子
６が配置される。４０ａ、４０ｂ、４０ｃ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。４
２は弾性ヒンジ４０ｂを介して第１の剛体部１に連結さ
れた第１の変位拡大用剛体リンクであり、一部に圧電素
子６が連結されている。４３は第２の変位拡大用剛体リ
ンクであり、その一端は弾性ヒンジ４０ａを介して第１
の変位拡大用剛体リンク４２と連結され、他端は凹み２
ａに挿入されるとともに弾性ヒンジ４０Ｃを介して剛体
部２に連結されている。この第２の変位拡大用剛体リン
ク４３の軸（点ＱＲを結ぶ線）は、第１の変位拡大用剛
体リンク４２の軸（点ＰＱを結ぶ線）に対して所定の角
度を有する。なお、図示の例では点Ｑが圧電素子６の延
長線上にあるので、第１の変位拡大用剛体リンク４２の
拡大率は１である。

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。この伸長により第１の変位拡大用剛体リンク４２は
図で左方に押され、弾性ヒンジ４０ｂの点Ｐを中心に時
計方向に回動する。

この回動により第２の変位拡大用剛体リンク４３との連
結部の弾性ヒンジ４０ａの点Ｑは図の矢印Ｂ方向へ移動
する。第２の変位拡大用剛体リンク４３のこの方向の剛
性は高いので、弾性ヒンジ４０ａは点Ｑを中心に反時計
方向に回動し、同時に弾性ヒンジ４０ｃは点Ｒを中心に
時計方向に回動する。この結果、点Ｑは左方へ変位する
と同時に点Ｒは図の矢印り方向に変位する。点Ｒが矢印
り方向に変位することにより剛体部２は剛体部ｌに対し
て図で下方へ並進変位することになる。

ここで、剛体部２の変位量について考える。今、δ　：
圧電素子６の伸長量 δ′：弾性ヒンジ４０ｃの点Ｒに生じる変位量Ｅ　：矢
印Ｂ、Ｄの延長線の交点 １１　；線分−σＩ−の長さ ｌｚ　：線分Ｈの長さ ｌ、二線分百での長さ θ　：線分Ｗπ、百■のなす角 とすると、次式゛が成立する。

１、”＝１−＋１．”　　　　　　・・・・・・・・自
・・・旧・・　（１）（１）式の両辺を微分すると ２１ａ・ｄＩｌｚ−２１１’ｄ１１＋２１ｚ−ｄｌｚ・
・・（２）（２）式に示される値ｄ１３．ｄ／＋　、ｄ
Ｉｌｚはそれぞれ長さｊ２：ｌ、！！、、Ａ２の増加分
であるが、第２の変位拡大用剛体リンク４３は剛体であ
るからｄ７！３−Ｑである。したがって（２）式はとな
る、（３）弐で、値ｄＩｌｔは点Ｒの移動量、（Ｉｉｄ
　１　ｔ　は点Ｑの移動量を表し、それぞれ値δ′。

δである。それ故（３）式は次式で表わされる。

・・・・・・・・・・・・・・・（４）（４）式で右辺
の負号は長さｌ、が伸びると長さ１２が縮み、長さ！、
が縮むと長さｈが伸びるという両者の関係を示している
。

なお、圧電素子６の位置を図で上方に位置せしめると第
１の変位拡大用剛体リンク４２の拡大機能が働き、拡大
率がさらに増大するのは明らかである。

このように、本実施例では、一方の剛体部に固定された
圧電素子の変位を、第１の変位拡大用剛体リンクおよび
これと所定の角度をもって弾性ヒンジを介して連結され
た第２の変位拡大用剛体リンクにより他方の剛体部に伝
達するようにしたので、簡単な構造で大きな並進変位を
得ることができる。

第２図は本発明の第２の実施例に係る微細変位機構の側
面図である０図で、第１図および第６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０本実施例がさきの第１の実施例と異なるのは、
第１の実施例のものが第５図（ａ）に示す平板３より成
る可撓構造体であるのに対し、本実施例のものは第６図
（ａ）に示す弾性ヒンジ２２）平板状剛体２１より成る
可撓構造体である点のみである。そして、本実施例の並
進変位の動作および効果は第１の実施例のものと同じで
ある。なお、平板状剛体２１は剛体であればどのような
形状のものであっても使用可能である。

第３図は本発明の第３の実施例に係る微ＩＩＩ変位機構
の側面図である。図で、第５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た説明を省略する。

１２ａは剛体部１２に形成された凹みである。１５′は
剛体部１１に形成された貫通孔であり、この貫通孔１５
′内に圧電素子１６が配置される＊　５ｏａ、５０ｂ、
５０ｃ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。５２は弾性ヒンジ５０ｂを介して第１
の剛体部１１に連結された第１の変位拡大用剛体リンク
であり、一部に圧電素子１６が連結されている。５３は
第２の変位拡大用剛体リンクであり、その一端は弾性ヒ
ンジ５０ａを介して第１の変位拡大用剛体リンク５２と
連結され、他端は凹み１２ａに挿入されるとともに弾性
ヒンジ５０Ｃを介して剛体部１２に連結されている。こ
の第２の変位拡大用剛体リンク５３の軸（点ＱＲを結ぶ
線）は、第１の変位拡大用剛体リンク５２の軸（点ＰＱ
を結ふ線）に対して所定の角度を有する。

図から明らかなように、本実施例はさきの第１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、
本実施例の凹み１２）貫通孔１５′、弾性ヒンジ５０　
ａ、　　５０　ｂ、　　５０　ｃ。

第１の変位拡大用剛体リンク５２）および第２の変位拡
大機能体リンク５３は、それぞれ第１の実施例の凹み２
ａ、貫通孔５′、弾性ヒンジ４０ａ。

４０ｂ、ａｏｃ、第１の変位拡大用剛体リンク４２）お
よび第２の変位拡大用剛体リンク４３に相当する。そし
て、本実施例の動作、変位拡大機能は第１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。

第４図は本発明の第４の実施例に係る微細変位機構の側
面図である０図で、第３図および第６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０本実施例がさきの第３の実施例と異なるのは、
第３の実施例のものが第５図（ｂ）に示す平板１３より
成る可撓構造体であるのに対し、本実施例のものは第６
図（ｂ）に示す弾性ヒンジ３２）平板状剛体３１より成
る可撓構造体である点のみである。そして、本実施例の
回転変位の動作および効果は第３の実施例のものと同じ
である。なお、平板状剛体３１は剛体であればどのよう
な形状のものであっても使用可能である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、一方の剛体部に設けら
れた変位発生素子の変位を、第１の変位拡大用剛体リン
ク、この第１の変位拡大用剛体リンクに対して所定の角
度を有して弾性ヒンジを介して連結された第２の変位拡
大用剛体リンク、およびこの第２の変位拡大用剛体リン
クに弾性ヒンジを介して連結された他方の剛体部に順次
伝達するようにしたので、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、第２図、第３図および第４図はそれぞれ本発明
の第１．第２．第３．第４の実施例に係る微細変位機構
の側面図、第５図（ａ）、　　（ｂ）、第６図（ａ）、
　　（ｂ）はそれぞれ従来の微細変位機構の側面図、第
７図（ａ）、　　（ｂ）はそれぞれ弾性ヒンジの側面図
、第７図（Ｃ）は弾性ヒンジの動作説明図である。 １．２，１１．１２・・・・旧・・剛体部、５’　１５
’・・・・・・・・・貫通孔、３，１３・・・・・・・
・・平板、６．１６’・・・・・・・・・圧電素子、２
１．３１・・・・・・・・・平板状剛体、２２．３２．
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、５０ａ。 ５０ｂ、５０Ｃ・・・・・・・・・弾性ヒンジ、４２．
５２・・・・・・・・・第１の変位拡大用剛体リンク、
４３．５３・・・・・・・・・第２の変位拡大用剛体リ
ンク。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 （ａ） （ｂ） 第６図 （ａ） 第７図 （Ｑ）　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）（Ｃ）

Claims (7)

【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たわみ梁とを備
   えた微細変位機構において、前記第１の剛体部に弾性ヒ
   ンジを介して連結された第１の変位拡大用剛体リンクと
   、両端が前記第１の剛体部および前記第１の変位拡大用
   剛体リンクに連結された変位発生素子と、前記第１の変
   位拡大用剛体リンクに対して所定の角度を有し当該第１
   の変位拡大用剛体リンクおよび前記第２の剛体部に弾性
   ヒンジを介して連結された第２の変位拡大用剛体リンク
   と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、前記各たわ
   み梁は、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、前記各たわ
   み梁は、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）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、前記第１の剛体部
   に弾性ヒンジを介して連結された第１の変位拡大用剛体
   リンクと、両端が前記第１の剛体部および前記第１の変
   位拡大用剛体リンクに連結された変位発生素子と、前記
   第１の変位拡大用剛体リンクに対して所定の角度を有し
   当該第１の変位拡大用剛体リンクおよび前記第２の剛体
   部に弾性ヒンジを介して連結された第２の変位拡大用剛
   体リンクとを設けたことを特徴とする微細変位機構。
5. （５）特許請求の範囲第（４）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。
6. （６）特許請求の範囲第（４）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。
7. （７）特許請求の範囲第（１）項又は第（４）項におい
   て、前記変位発生素子は、前記第１の剛体部および前記
   第１の変位拡大用剛体リンクで形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。