JPH071459B2 - 微細変位機構 - Google Patents

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61−2435
11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４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４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
ブロツクに貫通孔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６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（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４図（ｂ）は回転変位用の微細変位機構を示し、11,1
2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Ｏ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1
3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
（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４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４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５図（ａ），（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４図（ａ），（ｂ）
に示す微細変位機構が平板3,13自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
となつている。そこでまず、弾性ヒンジの概略を第６図
（ａ）〜（ｃ）により説明する。

第６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。両切欠部18により、剛体
部材17には挾隘部19が形成され、剛体部材17は当該挾隘
部19によりこれに連続する剛体部17a,17bに分けられ
る。

第６図（ｂ）は他の弾性ヒンジの側面図である。図で、
第６図（ａ）に示す部分と同一部分には同一符号が付し
てある。19′は挾隘部である。挾隘部19′は、さきの挾
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６図（ｃ）は弾性ヒンジの動作説明図である。図で、
17a,17bは第６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６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、
挾隘部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動変位する。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、挾隘部19,1
9′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、挾隘部19,19′の弾性変形の範囲内
においては、恰も第６図（ｃ）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、挾隘部19,19′を弾性ヒンジと
称する。

ところで、第６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、挾隘部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５図（ａ），（ｂ）に示す微細変位機構は第４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
５図（ａ），（ｂ）で、第４図（ａ），（ｂ）に示す部
分と同一部分には同一符号が付してある。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６図（ａ）〜（ｃ）に示す剛体
部17a,17bが、剛体部1,11と平板状剛体部21,31、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21,31、弾性ヒンジ2
2,32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，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５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。したがつて、平板状剛体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つ
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、一般的に剛体リンク
とことができる。

〔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
つては、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つ
た。

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
単体でしかも全体構造を大形にすることなく大きな変位
を得ることができ、かつ、複数の結合を容易に行なうこ
とができる微細変位機構を提供することにある。

［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、これら第１の剛体部と第２の剛体
部を連結する少なくとも２つ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、前記第
２の剛体部、および２つの前記連結用剛体リンクで囲ま
れる領域内に、前記第１の剛体部に連結用弾性ヒンジを
介して連結された変位拡大用剛体リンクと、前記第１の
剛体部と前記第２の剛体部間に位置するとともに前記変
位拡大用剛体リンク上の第１の点と前記第１の剛体部と
の間に連結された変位発生素子と、前記連結用弾性ヒン
ジの変位中心点からの距離が前記第１の点までの距離よ
り長い前記変位拡大用剛体リンク上の第２の点の変位を
前記連結用剛体リンクの１つに伝達する変位伝達部材と
を設けたことを特徴とする。

〔作用〕

変位発生素子が励起されると、変位拡大用剛体リンク上
の第１の点が、当該変位拡大用剛体リンクと連結してい
る連結用弾性ヒンジの変形により変位し、この変位は当
該変位拡大用剛体リンク上の第２の点に拡大されて現れ
る。この第２の点の変位は変位伝達部材により１つの連
結用剛体リンクの中間部分に伝達されてこの連結用剛体
リンクを変位させる。この変位は、当該連結用剛体リン
クにより第２の剛体部に拡大されて伝達され、これを変
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平
面図である。図で、第５図（ａ）に示す部分と同一部分
には同一符号を付して説明を省略する。40a,40b,40c,40
d,40eは弾性ヒンジを示し、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。41は変位拡大用の剛体リンクであり、弾性ヒン
ジ40aを介して剛体部１に連結されている。42a,42bはそ
れぞれ圧電素子６の各端部と結合しこれを支持する支持
剛体であり、支持剛体42aは弾性ヒンジ40bを介して剛体
リンク41と連結され、支持剛体42bは弾性ヒンジ40cを介
して剛体部１と連結されている。各弾性ヒンジ40b,40c
の点A₁,Q₁を結ぶ線が一点鎖線Ｌで示されている。43は
剛体リンク41の変位を一方の平板状剛体21に伝達する変
位伝達部材である。この変位伝達部材43は、一端が弾性
ヒンジ40dを介して剛体リンク41に連結され、他端が弾
性ヒンジ40eを介して一方の平板状剛体21に連結されて
いる。このような構成において、点P₁は直線Ｌ上にはな
く、又点P₁と点B₁との距離は、点P₁から直線Ｌと直線 との交点までの距離より大である。

次に、本実施例の動作を説明する。圧電素子６を励起す
ると支持剛体42aを介して剛体リンク41が点A₁において
押され、剛体リンク41は弾性ヒンジ40aの点P₁を中心に
回動する。この回動により点B₁が変位し、この変位は変
位伝達部材43を経て点A₂に伝達される。このため、平板
状剛体21は弾性ヒンジ22の点P₂を中心に回動し、これに
より平板状剛体21の他方の弾性ヒンジ22の点Q₂が変位す
る。この結果、剛体部２は剛体部１に対して並進変位す
ることになる。

以上の動作において、圧電素子６の変位は点A₁の変位と
なつて現れるが、この変位は剛体リンク41と弾性ヒンジ
40aとにより、剛体リンク41の他方端の点B₁に拡大され
て現れる。この拡大された変位は点A₂に伝達され、この
点A₂の変位は平板状剛体21と一方の弾性ヒンジ22とによ
り、他方の弾性ヒンジの点Q₂においてさらに拡大されて
現れる。結局、圧電素子６の変位は２度拡大され、その
拡大された変位が点Q₂に現れることになる。

ところで、本実施例においては、剛体リンク41と弾性ヒ
ンジ40aとが１つの拡大機構を構成しているので、仮に
剛体リンク41の他端（弾性ヒンジ40aとは反対端）を剛
体部２に連結すれば当該拡大機構により剛体部２に拡大
された変位を得ることができる。そして、この拡大の倍
率点は、P₁からＬと線 との交点までの距離を小さくし、点P₁から点B₁までの距
離を大きくすれば大きくなることは明らかである。しか
しながら、上記各距離は微細変位機構を構成する際に設
計上の制約を受けるのは当然であり、このため、上記の
ように剛体リンク41と弾性ヒンジ40aによる１つの拡大
機構を用いた場合、その変位拡大の倍率はせいぜい数倍
程度であつて数百ミクロンの変位を得ることは到底不可
能である。これに対し、本実施例は既存の平板状剛体21
と弾性ヒンジ22を第２の拡大機構として利用し、さきの
拡大機構により拡大された変位を上記第２の拡大機構に
よりさらに拡大するような構成としたので、拡大倍率を
飛躍的に増大させることができ、数百ミクロンの変位も
可能となるものである。

なお、第１図に示す構成において弾性ヒンジ40b,40c
は、圧電素子６が励起されて剛体リンク41が微小回転し
たとき、剛体リンク41と圧電素子６との間に生じる相対
角の微小変位を吸収するとともに、圧電素子６の作用点
を点A₁,Q₁に限定して本実施例の構成における変位拡大
倍率を一定に保持する機能を有する。さらに弾性ヒンジ
40d,40eの存在により、変位伝達時において剛体リンク4
1と変位伝達部材43との間、および平板状剛体21と変位
伝達部材43との間に生じる相対角の微小変化を吸収する
ことができるので、点A₂の位置に制限を受けることはな
く、これにより点P₂,A₂間の距離を短くして拡大倍率を
向上させることができる。又、本実施例の構造はその形
状が複雑であるため製造が困難であるかのようにみえる
が、放電加工の一種であるワイヤカツト加工により１つ
の剛体ブロツクから容易に製造することができる。

このように、本実施例では、剛体リンクと弾性ヒンジに
よる拡大機構を構成し、かつ、既存の平板状剛体とその
弾性ヒンジを他の拡大機構として利用し、圧電素子の変
位を上記２つの拡大機構で拡大するようにしたので、単
体の微細変位機構より極めて大きな変位を得ることがで
きる。又、変位拡大のため新たに付加される部材はすべ
て貫通孔内に配置することにより、全体構造を小形に構
成することができる。さらに、上記貫通孔内に収納する
構成により、拡大変位機構の外部への突出をなくすこと
ができるので、全体構造が小形であることと相って、複
数軸の変位を得るために単体の微細変位機構を複数組み
合わせる場合、その組合せを容易に構成することができ
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。図で、第１図に示す部分と等しい機能を有
する部分には同一符号が付してある。43aは変位伝達部
材43にあけられた貫通孔もしくは切り欠き部であり、圧
電素子６が挿通される。44は貫通孔５内に突出した剛体
部１の突出部である。45は剛体部１に形成された凹部で
あり、凹部45の開口は貫通孔５に面している。本実施例
がさきの実施例と異なる点は、さきの実施例が圧電素子
６を貫通孔５の長手方向（平板状剛体21と垂直な方向）
に沿つて配置したのに対して、本実施例は圧電素子６を
貫通孔５を斜めに横切る方向に配置した点にある。この
ように圧電素子６の配置位置を変更したため、別途突出
部44と凹部45とが設けられ、かつ、弾性ヒンジ40a,40b,
40d,および変位伝達部材43の配置位置が変化している。
しかしながら、その動作はさきの実施例と同じであり、
又、効果も同じであるので、それらの説明は省略する。
なお、圧電素子６と変位伝達部材43は紙面の垂直方向に
おいて互いにずれをもつて配置することができ、その場
合、貫通孔もしくは切り欠き部43aは不要となる。

第３図は本発明の第３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（ｂ）に示す部分と同一部分
には同一符号が付してある。50a,50b,50c,50d,50eはそ
れぞれ第１図に示す弾性ヒンジ40a,40b,40c,40d,40eと
同じ弾性ヒンジであり、これら各弾性ヒンジ50a〜50eの
変形中心点に対しては、第１図に示す対応する弾性ヒン
ジ40a〜40eの変形中心点と同一符号が括弧内に付されて
いる。51は剛体リンク、52a,52bは支持剛体、53は変位
伝達部材であり、これらはそれぞれ第１図に示す剛体リ
ンク41、支持剛体42a,42bおよび変位伝達部材43に相当
する。

圧電素子16が励起されると、その変位は剛体リンク51と
弾性ヒンジ50aとで構成される変位拡大機構により拡大
されて点B₁に現れ、この拡大された変位は変位伝達部材
53により点A₂に伝達され、この伝達された変位は平板状
剛体部31と弾性ヒンジ32とで構成される変位拡大機構に
よりさらに拡大されて点Q₂に現れる。これにより、剛体
部12は剛体部11に対して回転変位することになる。

このような動作は第１図に示す微細変位機構の動作と同
じであり、又、その効果も同じであるので、それらの詳
細な説明は省略する。さらに、本実施例に第２図に示す
構成を適用することができるが、これは一見して明らか
であるので、その図示および説明も省略する。

なお、上記各実施例の説明では、２つの剛体部を連結す
る部材として平板状剛体を例示し、又、変位発生素子と
して圧電素子を例示して説明したが、これらがそれぞれ
平板状剛体、圧電素子に限るものでないことは既に述べ
た。又、上記各実施例の説明では、変位発生素子を支持
する支持剛体を、弾性ヒンジを介して他と連結する例を
説明したが、このような弾性ヒンジは、本発明の変位対
象となる微小変位の範囲では省いても実質的に何等の不
都合をも生じない場合があり、この場合には当然上記支
持剛体を直接他へ連結することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、変位拡大用剛体リンク
とこれに連結された連結用弾性ヒンジとにより構成され
る変位拡大機構、および既存の連結用剛体リンクと弾性
ヒンジを利用した変位拡大機構により、変位発生素子に
発生する変位を２段に拡大するようにしたので、単体の
微細変位機構により極めて大きな変位を得ることができ
る。又、第１の剛体部、第２の剛体部、および２つの連
結用剛体リンクで囲まれる領域内に変位拡大機構を配置
することにより、全体構造を小形に構成することができ
る。さらに、上記領域内への変位拡大機構の配置によ
り、拡大変位機構の外部への突出をなくすことができる
ので、全体構造が小形であることと相って、複数軸の変
位を得るために単体の微細変位機構を複数組み合わせる
場合、その組合せを容易に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図，第３図はそれぞれ本発明の第1,第2,第
３の実施例に係る微細変位機構の側面図、第４図
（ａ），（ｂ）、第５図（ａ），（ｂ）はそれぞれ従来
の微細変位機構の側面図、第６図（ａ），（ｂ），
（ｃ）は弾性ヒンジの側面図および動作説明図である。 1,2,11,12……剛体部、6,16……圧電素子、21,31……平
板状剛体、22,32,40a〜40e,50a〜50e……弾性ヒンジ、4
1,51……剛体リンク、43,53……変位伝達部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村山 健 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 星野 吉弘 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭61−243511（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−175387（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−81606（ＪＰ，Ｕ)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の剛体部と、第２の剛体部と、これら
   第１の剛体部と第２の剛体部を連結する少なくとも２つ
   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、前記第２の剛体部、および２つの前
   記連結用剛体リンクで囲まれる領域内に、前記第１の剛
   体部に連結用弾性ヒンジを介して連結された変位拡大用
   剛体リンクと、前記第１の剛体部と前記第２の剛体部間
   に位置するとともに前記変位拡大用剛体リンク上の第１
   の点と前記第１の剛体部との間に連結された変位発生素
   子と、前記連結用弾性ヒンジの変位中心点からの距離が
   前記第１の点までの距離より長い前記変位拡大用剛体リ
   ンク上の第２の点の変位を前記連結用剛体リンクの１つ
   に伝達する変位伝達部材とを設けたことを特徴とする微
   細変位機構。
2. 【請求項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. 【請求項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、所定軸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. 【請求項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. 【請求項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の剛体部および前記変位拡大
   用剛体リンクに弾性ヒンジを介して連結されていること
   を特徴とする微細変位機構。