JP2849158B2 - Fine movement mechanism - Google Patents

Fine movement mechanism

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JP2849158B2 JP11674190A JP11674190A JP2849158B2 JP 2849158 B2 JP2849158 B2 JP 2849158B2 JP 11674190 A JP11674190 A JP 11674190A JP 11674190 A JP11674190 A JP 11674190A JP 2849158 B2 JP2849158 B2 JP 2849158B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、微細な位置決め等を行う場合に使用される
微動機構に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fine movement mechanism used for performing fine positioning or the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、各種技術分野においては、サブμmオーダの微
細な変位調節が可能な装置が要望されている。その典型
的な例がLSI(大規模集積回路)、超LSIの製造工程にお
いて使用されるマスクアライナ、電子線描画装置等の半
導体製造装置である。これらの装置においては、サブμ
mオーダの微細な位置決めが必要であり、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、上記半導体製造装置に限らず、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
等の先端技術の発展にも大きく寄与するものである。
In recent years, in various technical fields, devices capable of finely adjusting displacement on the order of sub-μm have been demanded. A typical example is a semiconductor manufacturing apparatus such as an LSI (Large Scale Integrated Circuit), a mask aligner used in a manufacturing process of an VLSI, and an electron beam lithography apparatus. In these devices, the sub-μ
Fine positioning on the order of m is required, and as the positioning accuracy increases, the degree of integration increases, and a high-performance product can be manufactured. Such fine positioning is necessary not only in the above-described semiconductor manufacturing apparatus but also in various high-magnification optical devices such as an electron microscope, and by improving the accuracy thereof, advanced technologies such as biotechnology and space development can be used. It greatly contributes to development.

従来、上記のような微細な位置決めを行う装置に微小
な変位を与える機構(以下、微動機構という)として、
いわゆる対偶構造を使用したものが提案されている。こ
のような微動機構を第6図により説明する。
Conventionally, as a mechanism (hereinafter, referred to as a fine movement mechanism) for giving a minute displacement to a device for performing the above-described fine positioning,
One using a so-called pair structure has been proposed. Such a fine movement mechanism will be described with reference to FIG.

第6図は従来の微動機構の側面図である。図で、x、
y、zは座標軸を示す。1は下部剛体、2は上部剛体、
3は下部剛体と上部剛体2とを連結する複数の回転対偶
である。これら回転対偶については後述する。4は下部
剛体1と一体構成された突出部、5は突出部4に支持さ
れたアクチュエータである。アクチュエータ5としては
通常、積層形の圧電素子が用いられる。6は下部剛体1
と上部剛体2とに回転対偶を介して連結された作動体、
7はアクチュエータ5と作動体6との接点を示す。
FIG. 6 is a side view of a conventional fine movement mechanism. In the figure, x,
y and z indicate coordinate axes. 1 is lower rigid body, 2 is upper rigid body,
Reference numeral 3 denotes a plurality of rotating pairs connecting the lower rigid body and the upper rigid body 2. These rotating pairs will be described later. Reference numeral 4 denotes a projection integrally formed with the lower rigid body 1, and reference numeral 5 denotes an actuator supported by the projection 4. Usually, a laminated piezoelectric element is used as the actuator 5. 6 is the lower rigid body 1
Operating body connected to the upper rigid body 2 via a rotating pair,
Reference numeral 7 denotes a contact point between the actuator 5 and the operating body 6.

ここで、回転対偶3を第7図を参照して説明する。第
7図は回転対偶の斜視図である。図で、3は回転対偶を
示し、角柱形状の剛体で形成されている。3aはU字状ま
たは半円形状の切欠部であり、対向して2つ形成され
る。3b、3cは切欠部3aの両側の剛体部、3dは2つの切欠
部3aにより形成される薄肉部を示す。Aは薄肉部3dの最
も薄い部分の中央を通り、薄肉部3dの壁に平行な軸を示
す。この回転対偶3は、剛体部3b、3cの一方、例えば剛
体部3bを固定し、他方の剛体部3cに軸Aと直交する矢印
B方向の力成分を加えると、軸Aを中心として回転(微
小回転)を生じる。しかし、その他の力成分およびモー
メント成分に対しては高い剛性を有する。
Here, the rotating pair 3 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a perspective view of a rotating pair. In the figure, reference numeral 3 denotes a rotating pair, which is formed of a prismatic rigid body. Reference numeral 3a denotes a U-shaped or semi-circular cutout portion, two of which are formed to face each other. 3b and 3c denote rigid portions on both sides of the notch 3a, and 3d denotes a thin portion formed by the two notches 3a. A indicates an axis that passes through the center of the thinnest portion of the thin portion 3d and is parallel to the wall of the thin portion 3d. When the rotation pair 3 fixes one of the rigid portions 3b and 3c, for example, the rigid portion 3b, and applies a force component in the direction of arrow B perpendicular to the axis A to the other rigid portion 3c, the rotation pair 3 rotates around the axis A ( (Small rotation). However, it has high rigidity against other force components and moment components.

次に、第6図に示す微動機構の動作を説明する。下部
剛体1を固定した状態でアクチュエータ5を励起し、こ
れをx軸方向(図で左方)へ伸長させると、作動体6は
接点7を作用点として時計方向へ微小回転する。このた
め、上部剛体2にx軸方向(右方)の力が作用し、各回
転対偶3はこの力により上述のように微小回転する。こ
の結果、上部剛体2は当該力成分に応じてx軸方向(右
方)へ並進変位することとなる。したがって、上部剛体
2に物体を載せたテーブルを固定し、または上部剛体2
自体に直接物体を載せることにより、その物体の位置決
めを行うことができる。また、その並進変位の大きさは
アクチュエータ5の伸長の度合いを制御することにより
任意に選定することができる。さらに、2軸方向または
3軸方向の並進は、図示の微動機構を2つまたは3つ重
ねて連結した構成とすることにより得ることができる。
Next, the operation of the fine movement mechanism shown in FIG. 6 will be described. When the actuator 5 is excited in a state where the lower rigid body 1 is fixed and is extended in the x-axis direction (leftward in the figure), the operating body 6 slightly rotates clockwise with the contact point 7 as an operation point. For this reason, a force in the x-axis direction (rightward) acts on the upper rigid body 2, and each rotating pair 3 is minutely rotated by this force as described above. As a result, the upper rigid body 2 is translated in the x-axis direction (rightward) in accordance with the force component. Therefore, the table on which the object is placed is fixed on the upper rigid body 2 or the upper rigid body 2
By directly placing an object on itself, the object can be positioned. The magnitude of the translational displacement can be arbitrarily selected by controlling the degree of extension of the actuator 5. Further, the translation in the two-axis direction or the three-axis direction can be obtained by a configuration in which two or three of the illustrated fine movement mechanisms are overlapped and connected.

上記微動機構のように、回転対偶3を用いてこれを構
成すると、並進対偶を用いた場合に比較し顕著な利点が
ある。この利点を明確にするため、並進対偶の構成を簡
単に説明する。
When this is configured using the rotating pair 3 as in the fine movement mechanism, there is a remarkable advantage as compared with the case using the translation pair. To clarify this advantage, the translation even configuration is briefly described.

第8図は並進対偶の斜視図である。図で、9は並進対
偶を示し、角柱形状の剛体で形成されている。9aは凹状
の切欠部であり、対向して2つ形成される。9b、9cは切
欠部9aの両側の剛体部、9dは2つの切欠部9aにより形成
される薄肉部を示す。Aは薄肉部9dの厚みの中央を通
り、薄肉部9dの壁に平行な軸、Bは薄肉部9dの中心を通
り軸Aと直交する軸を示す。この並進対偶9は、剛体部
9b、9cの一方、例えば剛体部9bを固定し、他方の剛体部
9cに軸Aおよび軸Bと直交する方向の力成分を加える
と、軸Aを中心としてたわみを生じ、また、軸B方向の
力成分を加えると薄肉部9dが僅かに伸縮する。しかし、
その他の力成分およびモーメント成分に対しては高い剛
性を有する。
FIG. 8 is a perspective view of a translation pair. In the figure, reference numeral 9 denotes a translation pair, which is formed of a prismatic rigid body. 9a is a concave notch, and two notches are formed to face each other. 9b and 9c are rigid portions on both sides of the cutout 9a, and 9d is a thin portion formed by the two cutouts 9a. A denotes an axis passing through the center of the thickness of the thin portion 9d and parallel to the wall of the thin portion 9d, and B denotes an axis passing through the center of the thin portion 9d and orthogonal to the axis A. This translation pair 9 is a rigid body
One of the rigid parts 9b and 9c is fixed, for example, and the other rigid part is fixed.
When a force component in the direction orthogonal to the axes A and B is applied to 9c, deflection occurs around the axis A, and when a force component in the direction of the axis B is applied, the thin portion 9d expands and contracts slightly. But,
It has high rigidity against other force components and moment components.

第7図に示す回転対偶3と第8図に示す並進対偶9と
を比較すると、それらの切欠部3a、9dの構成が異なる。
そして、前者は後者に比べて遥かに容易に形成すること
ができるのは明らかである。さらに、回転対偶3は並進
対偶9に比較して次のような利点も有する。即ち、これ
ら各対偶は力成分が作用することにより変形を生じる
が、この変形が繰返されることにより変形部から微小な
粉塵が発生する。このような粉塵は、例えば半導体製造
装置等においては大きな問題となる。このため、粉塵発
生部分にはカバーを設けるのが通常である。ここで、回
転対偶3と並進対偶9にカバーを設ける場合、前者の薄
肉部3dが後者の薄肉部9dよりその長さが短かく、かつ、
変形も小さいので、回転対偶3の方が並進対偶9よりも
カバーの設置が容易となる。
A comparison between the rotating pair 3 shown in FIG. 7 and the translation pair 9 shown in FIG. 8 shows that the configurations of the cutout portions 3a and 9d are different.
And it is clear that the former can be formed much easier than the latter. Further, the rotating pair 3 also has the following advantages as compared with the translation pair 9. That is, each of these couples is deformed by the action of a force component, and by repeating this deformation, minute dust is generated from the deformed portion. Such dust poses a serious problem in, for example, semiconductor manufacturing equipment. For this reason, it is usual to provide a cover on the dust generating portion. Here, when providing a cover to the rotation pair 3 and the translation pair 9, the former thin portion 3d is shorter in length than the latter thin portion 9d, and
Since the deformation is also small, the cover is easier to install in the rotating pair 3 than in the translation pair 9.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

回転対偶は並進対偶に比べて上記のような利点がある
ので、微動機構を構成する場合、第6図に示すもののよ
うに回転対偶を用いることが望ましい。しかし、当然な
がら回転対偶は回転変位を行うため、これを並進変位に
用いた場合、並進変位に悪影響を及ぼす。即ち、第6図
に示す微動機構において、アクチュエータ5を励起して
上部剛体2を変位させたとき、x軸方向の変位ととも
に、微小ではあるがz軸方向の変位を含むのを避けるこ
とはできない。この結果、位置決めに誤差を生じ、位置
決め精度に限界が存在することとなり、したがって高精
度の並進変位を要求される装置の微動機構には回転対偶
を使用し得ないという問題があった。
Since a rotating pair has the above advantages as compared with a translation pair, it is desirable to use a rotating pair as shown in FIG. 6 when configuring a fine movement mechanism. However, since the rotation pair naturally performs a rotational displacement, when this is used for the translational displacement, it adversely affects the translational displacement. That is, in the fine movement mechanism shown in FIG. 6, when the actuator 5 is excited to displace the upper rigid body 2, it is inevitable to include a small but z-axis displacement together with the x-axis displacement. . As a result, an error occurs in the positioning, and there is a limit in the positioning accuracy. Therefore, there is a problem that the rotating couple cannot be used for the fine movement mechanism of the device that requires high-precision translational displacement.

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決
し、回転対偶のみで構成することができる微動機構を提
供するにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the prior art and to provide a fine movement mechanism that can be constituted only by a rotating pair.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記の目的を達成するために、本発明は、対偶構造を
用い、この対偶構造をアクチュエータにより変形させて
所定方向の並進変位を発生させる微動機構において、少
なくとも、略口状に形成されたフレームと、このフレー
ム内に配置され、略十字状に形成された連結部と、前記
フレームと前記連結部によって形成される各空間部に配
置され、これらの空間部の前記フレームと前記連結部間
にそれぞれ接続された略L字状の連結連鎖と、前記フレ
ームと前記連結部端部間に装着され、前記連結部を互い
に略直角な第1の方向と第2の方向にそれぞれ変位させ
るアクチュエータと、からなるブロックから構成すると
ともに、前記第1の方向および前記第2の方向以外の方
向および回転方向に変位させないことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention uses a pair structure, and in a fine movement mechanism that generates a translational displacement in a predetermined direction by deforming the pair structure by an actuator, at least a frame formed in a substantially mouth shape. A connecting portion that is disposed in this frame and is formed in a substantially cross shape, and is disposed in each space formed by the frame and the connecting portion, and between the frame and the connecting portion of these spaces, respectively. A connected L-shaped connection chain, and an actuator mounted between the frame and the end of the connection portion for displacing the connection portion in a first direction and a second direction substantially perpendicular to each other. And is not displaced in directions other than the first direction and the second direction and in the rotation direction.

また、請求項1に記載の微動機構において、前記第1
の方向および前記第2の方向と平行な2つの軸の周りを
それぞれ回転する方向、および前記各軸と平行となる3
次元の3方向に変位可能な第2のブロックを前記ブロッ
クに結合したことを特徴とする。
The fine movement mechanism according to claim 1, wherein
Direction and the direction of rotation about two axes parallel to the second direction, respectively, and 3
A second block displaceable in three dimensional directions is connected to the block.

〔作用〕[Action]

アクチュエータを励起すると、これに応じて各ブロッ
クの連結連鎖は変形運動をしようとする。この変形運動
は、全ての連結連鎖に共通する方向の並進変位を生じる
ものに対してのみ許容され、共通しない方向の並進変位
を生じる変形運動は他のブロックの連結連鎖に抑制され
て発生しない。この結果、予め選定された共通する方向
の並進変位のみを得ることができる。
When the actuator is energized, the connecting chains of each block will attempt to deform accordingly. This deformation movement is allowed only for a movement that causes a translational displacement in a direction common to all connection chains, and a deformation movement that causes a translational displacement in a direction that is not common is suppressed by the connection chain of other blocks and does not occur. As a result, it is possible to obtain only translational displacement in a common direction selected in advance.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the illustrated embodiments.

第1図は本発明の第1の実施例に係る微動機構の分解
斜視図である。図で、x、y、zは座標軸を示す。10は
第1のブロック、11は第2のブロックであり、いずれも
剛体部材により構成されている。ブロック10には、ベー
ス101、連結部102およびこの連結部102に設けられたね
じ穴103が備えられ、また、放電加工等により複数の回
転対偶3が形成されている。回転対偶3は両側に3つず
つ形成され、これら3つの回転対偶によりそれぞれ連結
連鎖を構成している。ブロック10に形成された回転対偶
は、全てx軸方向の回転軸を有する。104は回転対偶の
1つの薄肉部に貼付けられたひずみゲージである。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a fine movement mechanism according to a first embodiment of the present invention. In the figure, x, y, and z indicate coordinate axes. Reference numeral 10 denotes a first block, and reference numeral 11 denotes a second block, both of which are constituted by rigid members. The block 10 includes a base 101, a connecting portion 102, and a screw hole 103 provided in the connecting portion 102, and a plurality of rotating pairs 3 are formed by electric discharge machining or the like. Three rotating pairs 3 are formed on both sides, and these three rotating pairs form a connection chain. All of the rotating pairs formed in the block 10 have a rotation axis in the x-axis direction. 104 is a strain gauge attached to one thin portion of the rotating pair.

ブロック11には、四角形のフレーム111、中央の連結
部112、およびこの連結部112に設けられたねじ穴113が
備えられている。114a〜114dは3つの回転対偶で構成さ
れる連結連鎖を示し、各連結連鎖114a〜114dはフレーム
111と連結部112との間に装架されている。これら連結連
鎖114a〜114dを構成する回転対偶は、全てz軸方向の回
転軸を有する。115はフレーム111と連結部112との間に
装着されたアクチュエータである。ブロック10、11は破
線矢印で示すように、ねじ穴103、113を用いて結合され
る。
The block 11 includes a rectangular frame 111, a central connecting portion 112, and a screw hole 113 provided in the connecting portion 112. Reference numerals 114a to 114d denote connected chains composed of three rotating pairs, and each connected chain 114a to 114d is a frame.
It is mounted between 111 and the connecting portion 112. The rotating pairs forming the connecting chains 114a to 114d all have a rotating axis in the z-axis direction. Reference numeral 115 denotes an actuator mounted between the frame 111 and the connecting portion 112. Blocks 10 and 11 are connected using screw holes 103 and 113 as indicated by dashed arrows.

上記微動機構の動作の説明に先立ち、先ず、ブロック
10、11の動作を図により説明する。第2図(a)〜
(d)はブロック10の動作説明図である。図で、x、
y、zは第1図に示すものと同じ座標軸を示し、また、
第1図と等価な部分には同一符号が付してある。図で
は、回転対偶3は直線と小円で表されており、直線は剛
体部、小円は微小回転する薄肉部を示す。第2図(a)
は非変形状態を示す図であり、これによりベース101と
連結部102との間に、3つの回転対偶より成る連結連鎖
が2つ構成されていることが示されている。第2図
(b)〜(d)は変形状態を示す図であり、この図にお
いて、破線は第2図(a)と同じ非変形状態を示すもの
である。なお、ベース101は図示のように固定されてい
る。
Before explaining the operation of the fine movement mechanism, first,
The operations of 10 and 11 will be described with reference to the drawings. Fig. 2 (a)-
(D) is an explanatory diagram of the operation of the block 10. In the figure, x,
y and z indicate the same coordinate axes as those shown in FIG.
Parts equivalent to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In the figure, the rotating pair 3 is represented by a straight line and a small circle, and the straight line indicates a rigid body portion, and the small circle indicates a thinly rotating thin portion. Fig. 2 (a)
Is a view showing a non-deformed state, which shows that two connection chains composed of three rotating pairs are formed between the base 101 and the connection portion 102. FIG. 2 (b) to 2 (d) are views showing a deformed state, in which broken lines show the same non-deformed state as in FIG. 2 (a). The base 101 is fixed as shown.

第2図(a)に示す非変形状態からブロック10にx軸
まわりのモーメントを作用させると、各連結連鎖は第2
図(b)に実線で示すように変形し、連結部102はx軸
まわりに角度Θだけ回転変位する。なお、図示の場合、
理解を容易にするため、変形を極端に誇張して描いてあ
る(以下の図について同じ)。また、非変形状態からブ
ロック10にz軸方向の力を作用させると、各連結連鎖は
第2図(c)に実線で示すように変形し、z軸方向に距
離d1だけ並進変位する。さらに、非変形状態からブロッ
ク10にy軸方向の力を作用させると、各連結連鎖は第2
図(d)に実線で示すように変形し、y軸方向に距離d2
だけ並進変位する。一方、これらの変位とは異なり、ブ
ロック10はy軸およびz軸まわりの回転変位とx軸方向
の並進変位は不可能である。
When a moment about the x-axis is applied to the block 10 from the undeformed state shown in FIG.
The connecting portion 102 is deformed as shown by a solid line in FIG. In the case shown,
The deformations are exaggerated for ease of understanding (the same applies to the following figures). Further, when the non-deformed state exerting a z-axis direction of the force on the block 10, the connecting linkage is deformed as shown by the solid line in FIG. 2 (c), to translational displacement in the z-axis direction by a distance d 1. Further, when a force in the y-axis direction is applied to the block 10 from the non-deformed state, each connection chain becomes the second
FIG deformed as shown by the solid line (d), the distance d 2 in the y-axis direction
Only translational displacement. On the other hand, unlike these displacements, the block 10 cannot perform rotational displacement about the y-axis and z-axis and translational displacement in the x-axis direction.

第3図(a)〜(d)はブロック11の動作説明図であ
る。図で、x、y、zは第1図に示すものと同じ座標軸
を示し、また、第1図と等価な部分には同一符号が付し
てある。第3図(a)〜(d)においても、各回転対偶
は第2図(a)〜(d)と同じ態様で示されている。第
3図(a)は非変形状態を示す図である。第3図(b)
〜(d)は変形状態を示す図であり、この図において、
破線は第3図(a)と同じ非変形状態を示すものであ
る。なお、この場合、連結部112は固定状態にあるもの
と考える。
3 (a) to 3 (d) are diagrams for explaining the operation of the block 11. In the figure, x, y, and z indicate the same coordinate axes as those shown in FIG. 1, and portions equivalent to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. 3 (a) to 3 (d), each rotating pair is shown in the same manner as FIGS. 2 (a) to 2 (d). FIG. 3A shows a non-deformed state. FIG. 3 (b)
(D) is a diagram showing a deformed state, in which FIG.
The broken line shows the same undeformed state as in FIG. 3 (a). In this case, it is assumed that the connecting portion 112 is in a fixed state.

第3図(a)に示す非変形状態から、ブロック11のフ
レーム111にz軸まわりのモーメントを作用させると、
各連結連鎖114a〜114dは第3図(b)に実線で示すよう
に変形し、フレーム111はz軸まわりに角度Θだけ回転
変位する。また、非変形状態から、フレーム111にy軸
方向の力を作用させると、各連結連鎖は第3図(c)に
実線で示すように変形し、フレーム111はy軸方向に距
離d1だけ並進変位する。さらに、非変形状態から、フレ
ーム111にx軸方向の力を作用させると、各連結連鎖は
第3図(d)に実線で示すように変形し、フレーム111
はx軸方向に距離d2だけ並進変位する。一方、これらの
変位とは異なり、ブロック11はx軸およびy軸まわりの
回転変位とz軸方向の並進変位は不可能である。
When a moment about the z-axis is applied to the frame 111 of the block 11 from the non-deformed state shown in FIG.
Each of the connecting chains 114a to 114d is deformed as shown by a solid line in FIG. 3 (b), and the frame 111 is rotationally displaced around the z axis by an angle Θ. Further, from the non-deformed state, the frame 111 when the action of the y-axis direction force, the connecting linkage is deformed as shown by the solid line in FIG. 3 (c), the frame 111 by a distance d 1 in the y-axis direction Translates. Further, when a force in the x-axis direction is applied to the frame 111 from the non-deformed state, each connecting chain is deformed as shown by a solid line in FIG.
Is translational displacement in the x-axis direction by a distance d 2. On the other hand, unlike these displacements, the block 11 cannot perform rotational displacement about the x-axis and y-axis and translational displacement in the z-axis direction.

次に、第1図に示す本実施例の微動機構の動作を説明
する。第2図(a)〜(d)および第3図(a)〜
(d)の説明から、ブロック10の連結連鎖はx軸まわり
の回転変位、z軸方向の並進変位、およびy軸方向の並
進変位のみが可能であり、また、ブロック11の連結連鎖
はz軸まわりの回転変位、y軸方向の並進変位、および
x軸方向の並進変位のみが可能であることが判る。
Next, the operation of the fine movement mechanism of this embodiment shown in FIG. 1 will be described. 2 (a)-(d) and 3 (a)-
From the description of (d), the connection chain of the block 10 can only perform rotational displacement about the x-axis, translational displacement in the z-axis direction, and translational displacement in the y-axis direction. It can be seen that only rotational displacement around, translational displacement in the y-axis direction, and translational displacement in the x-axis direction are possible.

上記のことを連結連鎖の運動式により表すと次式のよ
うになる。
The above can be expressed by the following equation when expressed by the kinematic equation of the connection chain.

S10=〔x、εy、εz〕 ……(1) S11=〔εx、εy、z〕 ……(2) ここで、 S10はブロック10の運動式、S11はブロック11の運動
式、εx、εy、εzはそれぞれx、y、z軸方向の並
進変位、x、zはそれぞれx、z軸まわりの回転変位を
表す。
S 10 = [x, εy, εz] (1) S 11 = [εx, εy, z] (2) where S 10 is the motion equation of the block 10, and S 11 is the motion equation of the block 11 , Εx, εy, εz represent translational displacements in the x, y, and z-axis directions, respectively, and x, z represent rotational displacements about the x, z-axes, respectively.

本実施例の微動機構は、ブロック10とブロック11とを
結合した構成であるので、その運動式は上記(1)、
(2)式の合成となる。したがって、(1)式における
運動成分x、εzは(2)式に含まれていないので、こ
れら運動成分はブロック11の連結連鎖に拘束され、同様
に、(2)式における運動成分εx、zは(1)式に含
まれていないので、それら運動成分はブロック10の連結
連鎖に拘束されることとなる。結局、何ら拘束を受けな
い運動成分は、(1)、(2)式に共通な運動成分εy
のみである。
Since the fine movement mechanism of the present embodiment has a configuration in which the block 10 and the block 11 are connected, the kinematic expression is as described in the above (1),
The expression (2) is synthesized. Therefore, since the motion components x and εz in the equation (1) are not included in the equation (2), these motion components are restricted by the connection chain of the block 11, and similarly, the motion components εx and z in the equation (2). Are not included in the equation (1), the motion components are constrained by the connection chain of the block 10. As a result, the motion component which is not restricted at all is the motion component εy common to the equations (1) and (2).
Only.

以上の結果、本実施例の微動機構は、運動成分εy、
即ちy軸方向の並進変位のみが可能となり、ベース101
を固定した状態でアクチュエータ115を伸縮すると、そ
の伸縮に応じてフレーム111がy軸方向に並進変位する
こととなる。
As a result, the fine movement mechanism of the present embodiment has a motion component εy,
That is, only translational displacement in the y-axis direction is possible, and the base 101
When the actuator 115 is expanded and contracted in a state where is fixed, the frame 111 is translated and displaced in the y-axis direction according to the expansion and contraction.

なお、ひずみゲージ104は並進変位の大きさを検出す
るために用いられ、その検出値に基づいて並進変位の制
御が実施される。
Note that the strain gauge 104 is used for detecting the magnitude of the translational displacement, and the translational displacement is controlled based on the detected value.

このように、本実施例では、結合された2つのブロッ
クのそれぞれに、回転対偶のみで構成される連結連鎖を
設け、各ブロックの連結連鎖の変位のうち1つの共通の
並進変位を存在させるようにしたので、当該共通の並進
変位以外の変位は各ブロックにより相互に拘束され、回
転対偶を用いているにもかかわらず、精度の高い並進変
位を行うことができる。また、当然回転対偶のみを使用
していることによる前述の利点、即ち、製造容易、か
つ、粉塵の有効な防止を確保することができる。また、
回転成分を考慮する必要がないので、微動機構の制御
を、容易かつ著しく簡素化することができる。
As described above, in the present embodiment, a connection chain composed of only a rotating pair is provided in each of the two coupled blocks, and one common translational displacement among the displacements of the connection chain of each block is made to exist. Therefore, displacements other than the common translation displacement are mutually restricted by each block, and high-precision translation displacement can be performed despite the use of a rotating pair. In addition, the above-mentioned advantage of using only the rotating pair can be ensured, that is, easy production and effective prevention of dust can be ensured. Also,
Since there is no need to consider the rotation component, control of the fine movement mechanism can be easily and significantly simplified.

上記第1図に示す微動機構は一軸方向(y軸方向)の
並進変位を行う機構であるが、所定のブロックを選択し
て結合することにより二軸方向、三軸方向の並進変位を
行う微動機構を構成することができる。以下、これらの
微動機構を図により説明する。
The fine movement mechanism shown in FIG. 1 is a mechanism that performs a translational displacement in a uniaxial direction (y-axis direction), but a fine movement that performs a translational displacement in a biaxial direction or a triaxial direction by selecting and combining predetermined blocks. A mechanism can be configured. Hereinafter, these fine movement mechanisms will be described with reference to the drawings.

第4図は本発明の第2の実施例に係る微動機構の分解
斜視図である。図で、11は第1図に示すブロック11と等
価のブロックである。このブロック11が第1図に示すブ
ロック11と異なる点は、本実施例の連結部112が十文字
形状となっていて、アクチュエータ116がアクチュエー
タ115と角度が90度異なる位置に設けられている点にあ
る。本実施例では、第1図に示すブロック10に代えて、
図示のブロック12が用いられる。ブロック12は、3つの
回転対偶より成る連結連鎖12aと2つの連結連鎖12bとで
構成されている。連結連鎖12aの回転対偶は全てx軸方
向の回転軸を有し、また、連結連鎖12bの回転対偶は全
てy軸方向の回転軸を有する。
FIG. 4 is an exploded perspective view of a fine movement mechanism according to a second embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 11 is a block equivalent to the block 11 shown in FIG. This block 11 is different from the block 11 shown in FIG. 1 in that the connecting portion 112 of this embodiment has a cross shape and the actuator 116 is provided at a position where the angle of the actuator 116 is different from that of the actuator 115 by 90 degrees. is there. In this embodiment, instead of the block 10 shown in FIG.
The illustrated block 12 is used. The block 12 includes a connecting chain 12a composed of three rotating pairs and two connecting chains 12b. The rotating pairs of the connecting chains 12a all have a rotating axis in the x-axis direction, and the rotating pairs of the connecting chain 12b all have a rotating axis in the y-axis direction.

さらに、ブロック12は、ベース121、第1の連結部12
2、連結連鎖12aの1つの回転対偶の薄肉部に貼付けられ
たひずみゲージ123、第1の連結部122と連結される第2
の連結部124、第3の連結部125、ねじ穴126、および、
連結連鎖12bの1つの回転対偶の薄肉部に貼付けられた
ひずみゲージ127を備えている。第3の連結部125はブロ
ック11の連結部112とねじ穴113、126により結合され
る。
Further, the block 12 includes a base 121 and a first connecting portion 12.
2. A strain gauge 123 attached to a thin portion of one rotating pair of the connecting chain 12a, and a second connected to the first connecting portion 122.
Connecting portion 124, third connecting portion 125, screw hole 126, and
It has a strain gauge 127 attached to a thin portion of one rotating pair of the connecting chain 12b. The third connecting portion 125 is connected to the connecting portion 112 of the block 11 by screw holes 113 and 126.

本実施例においても、さきの実施例と同じく、連結連
鎖の運動式を用いてその動作を説明する。ブロック11の
運動式をS11、連結連鎖12a、12bの運動式をそれぞれS12
a、S12bとし、また各軸の変位をさきの運動式と同じ符
号を用いて表現すると、 S11=〔εx、εy、z〕 ……(3) S12a=〔x、εy、εz〕 ……(4) S12b=〔εx、y、εz〕 ……(5) が成立する。
In this embodiment as well, the operation will be described using the kinematic expression of the connection chain, as in the previous embodiment. S 11 motion equation of block 11, ligation chain 12a, S 12 12b equations of motion, respectively
a, S 12 b, and the displacement of each axis is expressed using the same sign as the previous equation of motion. S 11 = [εx, εy, z] (3) S 12 a = [x, εy, εz] (4) S 12 b = [εx, y, εz] (5)

ここで、ブロック12の運動式をS12とすると、S12は次
式で表される。
Here, the motion equation of the block 12 and S 12, S 12 is expressed by the following equation.

S12=S12a+S12b =〔x、εx、y、εy、εz〕 ……(6) 本実施例の微動機構は、ブロック11とブロック12とを
結合した構成であるので、その運動式は上記(3)、
(6)式の合成となる。したがって、(3)式における
運動成分zは(6)式に含まれていないので、この運動
成分はブロック12の連結連鎖に拘束され、同様に、
(6)式における運動成分x、y、εzは(3)式に含
まれていないので、それら運動成分はブロック11の連結
連鎖に拘束されることとなり、何ら拘束を受けない運動
成分は、(3)、(6)式に共通な運動成分εx、εy
のみとなる。
S 12 = S 12 a + S 12 b = [x, εx, y, εy, εz] (6) Since the fine movement mechanism of the present embodiment has a configuration in which the block 11 and the block 12 are combined, Is the above (3),
Expression (6) is synthesized. Therefore, since the motion component z in the equation (3) is not included in the equation (6), this motion component is constrained by the connection chain of the block 12, and similarly,
Since the motion components x, y, and εz in the equation (6) are not included in the equation (3), the motion components are constrained by the connection chain of the block 11, and the motion components that are not constrained at all are ( Motion components εx, εy common to equations 3) and (6)
Only.

以上の結果、本実施例の微動機構は、運動成分εx、
εy、即ちx、y軸方向の二軸の並進変位のみが可能と
なり、ベース121を固定した状態でアクチュエータ115を
伸縮すると、その伸縮に応じてフレーム111がy軸方向
に並進変位し、アクチュエータ116を伸縮すると、その
伸縮に応じてフレーム111がx軸方向に並進変位するこ
ととなる。本実施例の効果は、二軸の並進変位が可能で
ある点以外は、さきの実施例の効果と同じである。
As a result, the fine movement mechanism of the present embodiment has the motion component εx,
εy, that is, only translational displacement in two axes in the x- and y-axis directions is possible. When the actuator 115 is expanded and contracted while the base 121 is fixed, the frame 111 is translated and displaced in the y-axis direction in accordance with the expansion and contraction. When the frame 111 expands and contracts, the frame 111 is translated and displaced in the x-axis direction according to the expansion and contraction. The effect of this embodiment is the same as the effect of the previous embodiment except that biaxial translational displacement is possible.

第5図は本発明の第3の実施例に係る微動機構の分解
斜視図である。図で、x、y、zは第1、4図に示すも
のと同じ座標軸であり、また、13、14、15はそれぞれ連
結連鎖で構成されるブロックである。131、132はブロッ
ク13の両端の連結部、141、142はブロック14の両端の連
結部、151、152はブロック15の両端の連結部である。ブ
ロック13は、連結連鎖13a、13bで構成されている。この
構成は、第4図に示すブロック12の構成と同じである。
ブロック14、15はいずれも連結連鎖13a、13bと同じ連結
連鎖で構成されているが、各連結連鎖の方向が異なる。
FIG. 5 is an exploded perspective view of a fine movement mechanism according to a third embodiment of the present invention. In the figure, x, y, and z are the same coordinate axes as those shown in FIGS. 1 and 4, and 13, 14, and 15 are blocks each formed by a connection chain. 131 and 132 are connecting portions at both ends of the block 13, 141 and 142 are connecting portions at both ends of the block 14, and 151 and 152 are connecting portions at both ends of the block 15. The block 13 is composed of connecting chains 13a and 13b. This configuration is the same as the configuration of the block 12 shown in FIG.
Each of the blocks 14 and 15 is composed of the same connection chain as the connection chains 13a and 13b, but the direction of each connection chain is different.

ここで、ブロック13、14、15の運動式をそれぞれ
S13、S14、S15とすると、 S13=〔x、y、εx、εy、εz〕 ……(7) S14=〔x、z、εx、εy、εz〕 ……(8) S15=〔y、z、εx、εy、εz〕 ……(9) で表される。
Here, the motion equations of blocks 13, 14, and 15 are respectively
Assuming that S 13 , S 14 , and S 15 , S 13 = [x, y, εx, εy, εz] (7) S 14 = [x, z, εx, εy, εz] (8) S 15 = [y, z, εx, εy, εz] (9)

したがって、本実施例の微動機構は、(7)、
(8)、(9)式の共通変位εx、εy、εz、即ち、
x、y、z軸の三軸方向の並進変位が可能である。この
三軸の並進変位は、例えば、ブロック13の連結部131を
固定部に固定し、ブロック15の連結部152の適宜箇所と
前記固定部との間に、x、y、z軸方向に伸縮するアク
チュエータを装架配置することにより得られる。物体の
位置決めの場合、当該物体を載置するテーブルは連結部
152に固定されることになる。本実施例の効果は、三軸
の並進変位が可能である点以外は、さきの各実施例の効
果と同じである。
Therefore, the fine movement mechanism of the present embodiment is (7)
The common displacements εx, εy, εz in equations (8) and (9), that is,
Translational displacements in three x, y, and z axes are possible. This three-axis translational displacement is achieved, for example, by fixing the connecting portion 131 of the block 13 to the fixed portion, and expanding and contracting in the x, y, and z-axis directions between the appropriate portion of the connecting portion 152 of the block 15 and the fixed portion. It is obtained by mounting and disposing an actuator to be mounted. When positioning an object, the table on which the object is placed
It will be fixed at 152. The effect of this embodiment is the same as that of each embodiment except that a three-axis translational displacement is possible.

なお、上記各実施例におけるアクチュエータはその両
端を剛体と接して装架されるが、この装架は、回転対偶
を介して行うと、より一層円滑な動作を期待することが
できる。
The actuator in each of the above embodiments is mounted with its both ends in contact with a rigid body. If this mounting is performed via a rotating pair, a smoother operation can be expected.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように、本発明は、回転対偶のみから成る
連結連鎖で構成されるブロックを複数結合して微動機構
を構成したので、製造容易、かつ粉塵防止容易という回
転対偶の利点を保ちながら、誤差のない高精度の微動を
行うことができる。また、回転成分を考慮する必要がな
いので、微動機構の制御装置を簡素に構成することがで
きる。
As described above, in the present invention, since the fine movement mechanism is configured by connecting a plurality of blocks formed of a connection chain consisting of only a rotating pair, it is easy to manufacture, and while maintaining the advantage of the rotating pair that dust prevention is easy, High-precision fine movement without errors can be performed. Further, since there is no need to consider the rotation component, the control device of the fine movement mechanism can be simply configured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1の実施例に係る微動機構の分解斜
視図、第2図(a)〜(d)および第3図(a)〜
(d)は第1図に示す微動機構の動作を説明する動作説
明図、第4図および第5図はそれぞれ本発明の第2およ
び第3の実施例に係る微動機構の分解斜視図、第6図は
従来の微動機構の側面図、第7図および第8図はそれぞ
れ回転対偶および並進対偶の斜視図である。 3……回転対偶、10、11、12、13、14、15……ブロッ
ク、114a〜114c……連結連鎖、115、116……アクチュエ
ータ
FIG. 1 is an exploded perspective view of a fine movement mechanism according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 (a) to (d) and FIGS. 3 (a) to 3 (a).
(D) is an operation explanatory view for explaining the operation of the fine movement mechanism shown in FIG. 1, and FIGS. 4 and 5 are exploded perspective views of the fine movement mechanism according to the second and third embodiments of the present invention, respectively. FIG. 6 is a side view of a conventional fine movement mechanism, and FIGS. 7 and 8 are perspective views of a rotation pair and a translation pair, respectively. 3 ... rotating pair, 10, 11, 12, 13, 14, 15 ... block, 114a to 114c ... connecting chain, 115, 116 ... actuator

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】対偶構造を用い、この対偶構造をアクチュ
エータにより変形させて所定方向の並進変位を発生させ
る微動機構において、 少なくとも、略口状に形成されたフレームと、このフレ
ーム内に配置され、略十字状に形成された連結部と、前
記フレームと前記連結部によって形成される各空間部に
配置され、これらの空間部の前記フレームと前記連結部
間にそれぞれ接続された略L字状の連結連鎖と、前記フ
レームと前記連結部端部間に装着され、前記連結部を互
いに略直角な第1の方向と第2の方向にそれぞれ変位さ
せるアクチュエータと、からなるブロックから構成する
とともに、前記第1の方向および前記第2の方向以外の
方向および回転方向に変位させないことを特徴とする微
動機構。
1. A fine movement mechanism using a pair structure and deforming the pair structure by an actuator to generate a translational displacement in a predetermined direction, comprising: a frame formed at least in a substantially mouth shape; A connection part formed in a substantially cross shape, a substantially L-shaped connection part disposed in each space formed by the frame and the connection part, and connected between the frame and the connection part in these space parts, respectively. A block comprising: a connection chain; and an actuator mounted between the frame and the end of the connection portion, the actuator being configured to displace the connection portion in a first direction and a second direction substantially perpendicular to each other. A fine movement mechanism that does not displace in a direction other than the first direction and the second direction and in a rotation direction.
【請求項2】請求項1において、 前記第1の方向および前記第2の方向と平行な2つの軸
の周りをそれぞれ回転する方向、および前記各軸と平行
となる3次元の3方向に変位可能な第2のブロックを前
記ブロックに結合したことを特徴とする微動機構。
2. The displacement according to claim 1, wherein said first direction and said second direction are respectively rotated around two axes parallel to said first direction and said second direction, and three-dimensional directions are parallel to said respective axes. A fine movement mechanism, wherein a possible second block is connected to said block.
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