JP3884288B2 - Micro displacement device - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の製造、光ファイバーの接続、高倍率顕微鏡等の微小範囲の位置決めを必要とする分野において用いられる微小変位装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、位置決め装置は、ネジ機構が用いられるが、近時、超精密加工、半導体の製造、バイオテクノロジー、光ファイバーの接続等の分野では、μｍオーダ、サブμｍオーダ、更にはｎｍオーダの微小範囲の位置決めが求められており、該微小範囲の変位装置としては、ピエゾ素子等の圧電アクチュエータが用いられている。
【０００３】
上記圧電アクチュエータの変位量は、一定の微小量からなるため、該圧電アクチュエータの変位量では、所望の変位量を得ることができず、このため、例えば特公平７−１４５７号公報及び特公平７−１４５８号公報に示されるように、圧電アクチュエータの変位を、複数のてこからなる変位拡大機構を介して移動部に伝達し、所定変位量を得る微小変位装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記微小変位装置は、固定側剛体部及び移動側剛体部を、それぞれ薄肉からなる弾性ヒンジに連結された２個の梁又は全長に亘り可撓性を有する薄肉平板（以下これらを撓み梁という）にて連結し、これら両剛体部及び両撓み梁で囲まれた空間に、上記圧電アクチュエータ（微小変位アクチュエータ）及び変位拡大機構（変位変更手段）を配置している。このため、限られた空間にてこからなる変位拡大機構を配置する関係上、てこの長さが規制され、１個当りのてこ倍率を充分にとれず、所望の拡大比（変倍比）を得るためには、てこを何段にも重ねる必要があり、変位拡大機構のヒンジ数が多くなることによる摩擦損の増大により、圧電アクチュエータのエネルギが移動部の移動に有効に用いられない。
【０００５】
また、拡大機構を構成するてこが、上記剛体部及び撓み梁の中に囲われているので、スクリューによる手動粗動機構を組込むためには、剛体部又は撓み梁に貫通孔を形成する等の複雑な構造を必要とすると共に、強度及び動きのバランス上も不利な構成になってしまう。
【０００６】
更に、薄肉平板構造故に外力によるダメージを受け易い撓み梁が、最外側に位置して固定側剛体部と移動側剛体部とを連結する構造となっているので、該撓み梁が外力を受けて変形等のダメージを受け易い構造になっている。
【０００７】
そこで、本発明は、変位変更手段及び微小変位アクチュエータを剛体部及び撓み梁の空間の外側に配置し、もって上述した課題を解決した微小変位装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る本発明は、２個の剛体部（１５と１７）（１７と２４）（１０２と１０３）（１０３と１０５）と、これら剛体部を相対移動可能に連結する少なくとも２個の撓み梁（１９ａ，１９ｂ）（２５ａ，２５ｂ）（１０７ａ，１０７ｂ）（１１９ａ，１１９ｂ）と、前記２個の剛体部に相対変位を生じる微小変位アクチュエータ（２０）（２６）（１０９）（１２０）と、を備えてなる微小変位装置（１）（１０１）において、
前記２個の剛体部にそれぞれ連結されると共に前記微小変位アクチュエータに当接し、前記２個の剛体部の内の一方に連結する連結部（２２）（３０）（１１１）（１２２）を支点とし、他方に連結する連結部（２３）（２９）（１１２）（１２３）を作用点とし、前記微小変位アクチュエータの当接部（５ｂ）（６ｂ）（１１３ａ）（１２５ａ）を力点として、前記一方の剛体部との間で前記微小変位アクチュエータが前記力点に生じる変位を、変倍して前記作用点から前記他方の剛体部へ伝達する変位変更手段（１６）（１８）（１１０）（１２１）を備え、
該変位変更手段及び前記微小変位アクチュエータとが、前記２個の剛体部と２個の撓み梁とで囲まれた空間部（Ｃ）の外側に配置され、
前記微小変位アクチュエータ（２０）（２６）（１０９）（１２０）は、前記一方の剛体部に形成された凹部（１５ａ）（１７ａ）（１０２ｄ）（１０３ｄ）に配置されると共に、その変位方向の端面が前記凹部の開口に開放されて位置し、
前記変位変更手段（１６）（１８）（１１０）（１２１）に調整スクリュー（５）（６）（１１３）（１２５）が貫通して螺合されて、該調整スクリューの先端が前記微小変位アクチュエータの開放側端面に当接し、かつ前記変位変更手段が、前記２個の撓み梁の一方（１９ａ）（２５ａ）（１０７ｂ）（１１９ａ）の外側を覆うように配置されてなる、
ことを特徴とする微小変位装置にある。
【０００９】
なお、上記撓み梁は、略々全長に亘り薄肉平板からなるものに限らず、剛体部との連結部のみが薄肉部からなる、いわゆる弾性ヒンジで連結した梁を含む概念である。
【００１０】
請求項２に係る本発明は、前記撓み梁は、長手方向略々全長に亘る薄肉平板からなる、請求項１記載の微小変位装置にある。
【００１２】
請求項３に係る本発明は、前記２個の剛体部の間に、前記変位変更手段の力点が前記微小変位アクチュエータに常に当接するように付勢する付勢手段（２１）（２７）（１１５）（１２７）を介在してなる、
請求項１又は２記載の微小変位装置にある。
【００１３】
請求項４に係る本発明は、前記支点及び作用点となる連結部は、平行な薄肉平板からなる撓み梁（２２，２３）（３０，３９）（１１１，１１２）（１２２，１２３）である、
請求項１ないし３のいずれか記載の微小変位装置にある。
【００１４】
請求項５に係る本発明は、前記変位変更手段は、前記力点に作用する変位を前記作用点に拡大して伝達する変位拡大手段（１６，１８，１１０，１２１）である、
請求項１ないし４のいずれか記載の微小変位装置にある。
【００１５】
請求項６に係る本発明は（例えば図３参照）、前記２個の剛体部（１５，１７）（１７，２４）を連結する前記２個の撓み梁（１９ａ，１９ｂ）（２５ａ，２５ｂ）は、互いに平行に配置され、前記一方の剛体部（１５又は１７）に対して前記他方の剛体部（１７又は２４）を平行に変位自在に支持してなる、
請求項１ないし５のいずれか記載の微小変位装置にある。
【００１６】
請求項７に係る本発明は（例えば図１０（ａ）（ｂ）参照）、前記２個の剛体部（１０２，１０３）（１０３，１０５）を連結する前記２個の撓み梁（１０７ａ，１０７ｂ）（１１９ａ，１１９ｂ）は、所定の一軸（Ｘ又はＹ）に向くように傾斜（θｘ，θｙ）して配置され、前記一方の剛体部（１０２又は１０３）に対して前記他方の剛体部（１０３又は１０５）を前記一軸を中心に揺動自在に支持してなる、
請求項１ないし５のいずれか記載の微小変位装置にある。
【００１７】
請求項８に係る本発明は（例えば図１２，図１３参照）、前記２個の剛体部（１５，１７）との間の相対変位を、機械式変位変更機構（８０，８２）を介して変倍して伝達される被検出部（８０ｃ，８２ｃ）と、
該被検出部に近接して配置され該被検出部の変位を検出する変位センサ（８１）と、を備え、
該変位センサにて検出された検出値に基づき前記微小変位アクチュエータ（２０）をフィードバック制御してなる、
請求項１ないし７のいずれか記載の微小変位装置にある。
【００１８】
なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これは、実施の形態との対応を容易にして理解の迅速化を図る便宜的なものであり、これにより請求項の構成に何等影響を及ぼすものではない。
【００１９】
【発明の効果】
請求項１に係る本発明によると、変位変更手段及び微小変位アクチュエータが、２個の剛体部及び２個の撓み梁によって囲われる空間部の外側に配置されるので、上記変位変更手段及び微小変位アクチュエータの長さ等が上記空間の面積にて規制されることがなく、所望の変倍比を単純なこて機構で得ることができ、ヒンジ数を少なくして、該ヒンジの摩擦損によるエネルギロスを減少して、微小変位アクチュエータの力を有効に他方の剛体部に作用することができる。
【００２０】
また、変位変更手段及び微小変位アクチュエータが上記空間部の外側に配置するので、微小変位アクチュエータ等の組付けが容易になると共に、該アクチュエータと変位変更手段の連動も容易となり、簡単かつ容易に製造することが可能となる。
更に、変位変更手段に調整スクリューを螺合し、その先端を微小変位アクチュエータの開放側端面に当接するので、調整スクリューを容易に取付けることができ、簡単な構造でもって、該調整スクリューの手動による粗動調整と、微小変位アクチュエータによる微動調整とが相俟って、効率的に微小範囲の位置決め調整を行なうことができる。
また、変位変更手段が、２個の撓み梁の一方の外側を覆っているので、薄肉平板からなり又は薄肉部を連結部に備え、かつ他方の剛体部の軽い滑らかで変位が求められている撓み梁を外力から保護して、信頼性の高い微小変位装置を得ることができる。
【００２１】
請求項２に係る本発明によると、撓み梁が、略々全長に亘る薄肉平板からなるので、該撓み梁全体を薄くして更なるコンパクト化を図ることができる。
【００２４】
請求項３に係る本発明によると、付勢手段の付勢により、変位変更手段の力点が常に微小変位アクチュエータに当接しているので、微小変位アクチュエータのストローク又は調整スクリューの調整位置等に拘ず、常にアクチュエータ及び／又は調整スクリューによる位置決めを正確かつ確実に行うことができる。
【００２５】
請求項４に係る本発明によると、変位変更手段の連結部を撓み梁にて形成するので、２つの剛体を撓み梁で連結することに相俟って、全体を放電加工機等により１つのブロックから形成することが可能となり、組立て誤差等の少ない高い精度の微小変位装置を得ることができる。
【００２６】
請求項５に係る本発明によると、変位変更手段が変位拡大手段であるので、微小変位アクチュエータを例えば積層ピエゾ素子等の圧電アクチュエータで構成し、該アクチュエータのストロークを拡大して実用範囲の微小変位にすることができる。
【００２７】
請求項６に係る本発明によると、一方の剛体部に対して他方の剛体部を平行に移動して、ＸＹ方向又は単軸方向の微小変位装置を提供することができる。
【００２８】
請求項７に係る本発明によると、一方の剛体部に対して他方の剛体部を一軸を中心に揺動自在に支持するので、θｘ方向又はθｙ方向の揺動、更には１点Ｏを中心として球面状の揺動微小変位装置を得ることができる。
【００２９】
請求項８に係る本発明によると、静電容量式又は磁気式変位センサ等の外部に設置する変位センサを用いて、機械式変位変更機構により剛体部の相対移動を適正に変倍して被検出部に伝達するので、上記変位センサの分解能に対応するように被検出部を移動することができ、適正な変位センサの検出値に基づく精度の高いフィードバック制御を行うことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に沿って、本発明の実施の形態について説明する。図１及び図２は、本発明に係るＸＹＺ方向の微小変位装置（位置決め装置）の組立てられた状態での外観を示す図で、該微小変位装置１は、平面視略々正方形からなり、基台に固定又は載置される基盤２と、微細動を要求される移動部材に連結される移動ステージ３とを有しており、該移動ステージ３は、Ｘ，Ｙ，Ｚの３方向に微小変位（位置決め）し得る。なお、移動ステージ３は、平面視（図１（ａ）参照）略々矩形状（角部分が切欠かれている）からなり、上面３ａ、各辺において直交する方向に垂下する各側面３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅを有しており、側面３ｂにＸ方向移動確認装置１０（図２（ｂ）参照）、側面３ｃにＹ方向移動確認装置１１及びＺ方向移動確認装置１２が設けられている。該移動ステージ３を粗動して、大体の位置決めをするＸ方向調整スクリュー５、Ｙ方向調整スクリュー６、Ｚ方向調整スクリュー７がそれぞれ設けられている。なお、これら調整スクリューは、図示のように単純な調整ネジでもよく、また周知のマイクロメータでもよい。また、１３は、コントローラ等に接続する端子である。
【００３１】
図３は、ＸＹ方向の変位部分を示す図で、図１及び２において、Ｚ方向変位部分及び移動ステージ３を取り外した図であり、また端子等の説明に不要な部分は省略してある。該ＸＹ変位部分Ｉは、１個の金属ブロックをワイヤカット放電加工機により加工して構成された固定部１５、Ｘ方向変位拡大部（変位変更手段）１６、Ｘ方向移動部１７、Ｙ方向変位拡大部（変位変更手段）１８、Ｙ方向移動部２４を有しており、これら各部は剛体部からなる。
【００３２】
固定部１５は、前記基盤２にネジ１４（図７（ｂ）参照）にて固定されており、一側面（図中右側面）に開口する圧電アクチュエータ収納部１５ａ及びＸ方向移動部１７側に開口する凹部１５ｂを有している。該固定部１５とＸ方向移動部１７とは、左右側面部に離れて配置された平行な２個の撓み梁１９ａ，１９ｂにて互に連結されており、これら撓み梁１９ａ，１９ｂは、薄肉平板からなりかつ固定部及びＸ方向移動部に一体に形成されて連結されている。従って、Ｘ方向移動部１７は、固定部１５に対して、上記平行な撓み梁１９ａ，１９ｂが撓み変形することによりＸ方向に平行に移動し得る。上記撓み梁１９ａ，１９ｂは、略々全長に亘って薄肉平板からなり、全体に撓んで移動部を移動支持するが、固定部及び移動部との連結部分のみを薄肉部とし、その他は剛体からなる、いわゆる弾性ヒンジからなる梁（例えば特公平７−１４５８号公報参照）でもよく、本発明においては、該弾性ヒンジによる梁も、撓み梁と称する。なお、本発明の他の実施の形態においても同様である。
【００３３】
前記収納部１５ａには、所定数のピエゾ素子を積層して微小変位アクチュエータを構成する圧電アクチュエータ２０がその一端を該収納部の底面に固定して配置されており、また前記凹部１５ｂには、固定部１５とＸ方向移動部１７との亘って板ばね２１がその両端が固定されてかつ所定量偏倚されて配置されている。また、前記一体ブロックからなる固定部１５及びＸ方向移動部１７の一側方（図面右側）の外側には、Ｘ方向変位拡大部１６が配置されている。該Ｘ方向変位拡大部１６は、固定部１５との間で一体に形成されている薄肉平板の撓み梁からなる連結部２２と、Ｘ方向移動部１７との間で一体に形成されている同じく薄肉平板の撓み梁からなる連結部２３とによりそれぞれ固定部及びＸ方向移動部１７に連結されており、かつその一端部にネジ孔が貫通されて前記Ｘ方向調整スクリュー５が螺合している。該スクリュー５の操作ノブ５ａは外方に突出して位置しており、かつその先端５ｂは前記圧電アクチュエータ２０の他端に当接している。
【００３４】
従って、前記圧電アクチュエータ２０及びＸ方向変位拡大部１６は、２個の剛体部からなる固定部１５及びＸ方向移動部１７と、これらを連結する撓み梁１９ａ，１９ｂとにより囲まれた空間部Ｃの外側に配置されている。また、前記Ｘ方向変位拡大部１６は、前記一方の撓み梁１９ａの外側を覆うように略々平行に配置されており、また前記薄肉の両連結部２２，２３は、上記変位拡大部の長手方向と直交する方向に延びて、それぞれ回動支点を構成しており、従って固定部側連結部２２が支点、Ｘ方向移動部側連結部２３が作用点、そして圧電アクチュエータ２０に当接する調整スクリュー５部分が力点となって、上記変位拡大部１６は、拡大てこ機構を構成している。なお、前記板ばね２１は、固定部１５に対してＸ方向移動部１７を矢印Ｘ１方向に付勢しており、従って作用点連結部２３を介してＸ方向変位拡大部１６を、支点連結部２２を中心に時計方向に回転付勢し、力点であるスクリュー５の先端５ｂが、常に圧電アクチュエータ２０に当接するように付勢している。
【００３５】
一方、前記Ｘ方向移動部１７は、前記固定部の収納部１５ａに対して直交する方向に延びて一側面（図中上側面）にて開口する圧電アクチュエータ収納部１７ａと、Ｙ方向移動部２４用の凹部１７ｂを有しており、かつ該Ｘ方向移動部１７とＹ方向移動部２４とは、該Ｙ方向移動部を挟むように配置された平行な２個の撓み梁２５ａ，２５ｂにて互に連結されている。これら撓み梁２５ａ，２５ｂは、先に説明した撓み梁１９ａと同様に、薄肉平板からなりかつＸ方向及びＹ方向移動部に一体に形成されて連結されており、かつ前記撓み梁１９ａ，１９ｂとは直交する方向に延びている。従って、Ｙ方向移動部２４は、Ｘ方向移動部１７に対して、上記平行な撓み梁２５ａ，２５ｂが撓み変形することによりＹ方向に平行に移動し得る。なお、上記Ｘ方向移動部１７は、上述したように、Ｘ方向に対して固定部１５に対して移動部を構成するが、Ｙ方向に対しては、Ｙ方向移動部２４に対する固定部となる。
【００３６】
前記収納部１７ａには、先のＸ方向と同様な所定数のピエゾ素子を積層した圧電（微小変位）アクチュエータ２６がその一端を該収納部の底面に固定されて配置されており、また上記凹部１７ｂにはＹ方向移動部１９が配置されている。更に、Ｘ方向移動部１７とＹ方向移動部２４との間には板ばね２７がその両端が固定されてかつ所定量偏倚されて配置されており、かつ該板ばね２７は先の板ばね２１とその付勢方向が直交する向きに配置されている。また、一体ブロックからなる前記Ｘ方向移動部１７及びＹ方向移動部２４の一側方（図面上側）には前記Ｙ方向変位拡大部１８が配置されている。
【００３７】
従って、前記圧電アクチュエータ２６及びＹ方向変位拡大部１８は、２個の剛体部からなるＸ方向移動部１７及びＹ方向移動部部２４と、これらを連結する撓み梁２５ａ，２５ｂとにより囲まれた空間部Ｃの外側に配置されている。また、該Ｙ方向変位拡大部１８は、前記一方の撓み梁２５ａの外側を覆うように略々平行に配置されており、Ｘ方向移動部１７との間で一体に形成されている薄肉の連結部２９と、Ｙ方向移動部２４との間で一体に形成されている薄肉の連結部３０とによりそれぞれＸ方向移動部１７及びＹ方向移動部２４に連結されている。更に、該変位拡大部１８の一端部にネジ孔が貫通されて前記Ｙ方向調整スクリュー６が螺合しており、該スクリューの操作部６ａが外方に突出して位置しており、かつその先端部６ｂは前記圧電アクチュエータ２６の他端に当接している。前記薄肉の両連結部２９，３０は上記変位拡大部１８の長手方向と直交する方向に延びて回動支点を構成しており、従ってＸ方向移動部側連結部３０が支点、Ｙ方向移動部側連結部２９が作用点、そして圧電アクチュエータ２６に当接する調整スクリュー６部分が力点となって、上記変位拡大部１８は拡大てこ機構を構成している。
【００３８】
なお、上記板ばね２７は、Ｘ方向移動部１７に対してＹ方向移動部２４を矢印Ｙ１方向に付勢しており、従って作用点連結部２９を介して変位拡大部１８を、支点連結部３０を中心に時計方向に回動付勢して、調整スクリュー６の先端６ｂが圧電アクチュエータ２６の他端に常に当接するように付勢している。また、前述したように、ＸＹ方向とも、一方の撓み梁１９ａ，２５ａは、その外側を変位拡大部１６，１８に覆われて保護されているが、他方の撓み梁１９ｂ，２５ｂは、固定部１５、Ｘ方向移動部１７の内部に設けられて、外からのダメージを受けることはない。
【００３９】
ついで、上述したＸＹ方向部分Ｉの作用について説明する。Ｘ方向の粗動変位調整（位置決め）は、Ｘ方向調整スクリュー５をノブ５ａにて回転することにより行われ、この際、圧電アクチュエータ２０は電圧が供給されていない状態では一定長さに維持されているので、上記スクリューの進退に基づき、Ｘ方向変位拡大部１６が支点連結部２２を中心に回動して、平行撓み梁１９ａ，１９ｂにて支持されているＸ方向移動部１７を、作用点連結部２３を介して固定部１５に対してＸ方向に移動する。
【００４０】
同様に、Ｙ方向の粗動位置調整（位置決め）はＹ方向調整スクリュー６をノブ６ａにて回動することにより行われ、先端６ｂが圧電アクチュエータ２６に当接して固定状態にあるので、Ｙ方向変位拡大部１８が支点連結部３０を中心に回動して、平行撓み梁２５ａ，２５ｂにて支持されているＹ方向移動部２４を、作用点２９を介してＸ方向移動部１７に対してＹ方向に移動する。これにより、固定部１５と一体の基盤２に対して、後述するＺ方向変位部を介して前記Ｙ方向移動部２４とＸＹ方向に一体の移動ステージ３が、上記調整スクリュー５，６によりＸ方向及びＹ方向に粗動位置調整される。
【００４１】
該粗動位置調整された状態で、コントローラにより圧電アクチュエータ２０，２６に所定電圧を供給する。該圧電アクチュエータは、その供給電圧と変位との間に所定関係を備えており、上記所定電圧の印加により所定の微小変位を生ずる。この状態では、調整スクリュー５，６は所定螺合状態に保持されており、かつ上述したように、板ばね（付勢手段）２１，２７によりスクリューの先端５ｂ，６ｂと圧電アクチュエータ２０，２６の先端とは常に当接した状態にあり、上述した圧電アクチュエータ２０，２６の微小変位は、それぞれＸ方向変位拡大部１６及びＹ方向変位拡大部１８の力点であるスクリュー部分に作用し、これら変位拡大部１６，１８は、支点連結部２２，３０を支点として、作用点連結部２３，２９に変位を拡大して作用する。一例として、圧電アクチュエータ２０，２６の最大変位が約１７［μｍ］であり、上記変位拡大部１６，１９によるてこ比により、５〜１１倍に拡大されて、作用点での変位は、８５〜１８７［μｍ］となる。
【００４２】
そして、上述した調整スクリュー５，６による粗動と同様に、上記圧電アクチュエータ１６に基づく変位拡大部１６の作用点連結部２３の変位は、平行な２個の撓み梁１９ａ，１９ｂにより固定部１５に対して平行支持されているＸ方向移動部１７をＸ方向に移動し、また上記圧電アクチュエータ２６に基づく変位拡大部１８の作用点連結部２９の変位は、平行な２個の撓み梁２５ａ，２５ｂによりＸ方向移動部に対して平行支持されているＹ方向移動部２４をＹ方向に移動し、これにより該Ｙ方向移動部にＺ方向変位部を介して連動されている移動ステージ３が、Ｘ方向及びＹ方向に所定量微小変位する。
【００４３】
ついで、図４ないし図６に沿って、Ｚ方向変位部分について説明する。該Ｚ方向変位部分IIは、図４に示すように、前記ＸＹ変位部分Ｉの上部において長手方向をＹ軸方向に向けて配置されており、図５（ａ）に示す拡大変位・移動部Ａと、図５（ｂ）に示す駆動部Ｂの２部分からなる。上記拡大変位・移動部Ａは、１個の金属ブロックを放電加工により加工された一体物からなる固定部３５、Ｚ方向移動部３６及びＺ方向変位拡大部（変更手段）３７を有しており、上記各部は剛体部からなる。そして、上記固定部３５は、前述したＹ方向移動部２４にネジ３９（図２（ｂ）参照、ネジ孔を図３に３９ａ，３９ａに示す）により固定されており、またＺ方向移動部３６は、ネジ４０（図２（ｂ）参照、図５（ａ）に１点鎖線でまた図４及び図６（ａ）にネジ孔４０ａ，４０ａを示す）により移動ステージ３に固定されている。
【００４４】
そして、上記固定部３５及びＺ方向移動部３６は、一体に形成されかつ上下方向に隔てられて配置された薄肉平板からなる平行の２個の撓み梁４１ａ，４１ｂにより互に連結されている。従って、Ｚ方向移動部３６は、固定部３５に対して上下方向即ちＺ方向に、上記互に平行な２個の撓み梁４１ａ，４１ｂが撓み変形することにより移動（変位）し得る。また、固定部３５と移動部３６との間には、両端が固定されてかつ所定量偏倚されて板ばね４４が配置されている。なお、上記固定部３５は、Ｙ方向移動部２４に一体に固定されており、該Ｙ方向移動部２４は、Ｙ方向に対してはＸ方向移動部１７を固定部として移動部となるが、Ｚ方向に対しては、Ｚ方向移動部３６に対する固定部となる。
【００４５】
また、前記Ｚ方向変位拡大部３７は、上記固定部３５、移動部３６及び２個の平行撓み梁４１ａ，４１ｂに囲まれて配置されており、かつその両端部がそれぞれ一体に形成されている薄肉からなる連結部４２，４３にて連結されている。一方の連結部４２は上下方向に延びており、従って該連結部４２は、上下方向（Ｚ方向）には一体に移動し、左右方向（Ｙ方向）に対して相対移動を許容する。他方の連結部４３は、短いが水平方向（Ｙ方向）に延びる部分４３ａと、上下方向（Ｚ方向）に延びる部分４３ｂとからなり、従って該連結部４３は、上下方向（Ｚ方向）及び左右方向（Ｙ方向）の移動を許容し、回動支点となる。
【００４６】
一方、駆動部Ｂは、前記固定部３５とネジ４５，４５（図５（ａ）にネジ孔４５ａ，４５ａを示す）により一体に結合されている結合固定部４６と、前記変位拡大部３７にネジ４７，４７（図５（ａ）にネジ孔４７ａ，４７ａを示す）により一体に結合されている結合変位拡大部４９と、を有し、これら各部は剛体部からなる。上記結合固定部４６の一端にて上方に延びている突出部４６ａには、前述と同様な複数個のピエゾ素子を積層して構成される圧電アクチュエータ５０の一端が固定されている。また、上記結合拡大変位部４９の他端にて上方に延びている突出部４９ａには前記Ｚ方向調整スクリュー７がその操作ノブ７ａを前記Ｙ方向調整スクリュー６と同じ側にて外方に突出して螺合されている。該スクリューの先端７ｂは、前記圧電アクチュエータ５０の他端に当接し、かつ前述と同様に、板ばね４４により該当接が常に保持されている。
【００４７】
そして、図６に示すように、上記拡大変位移動部Ａと駆動部Ｂとは、互に並設して一体に結合されている。従って、上記変位拡大部３７は、２方向連結部４３が回動支点となり、他方の連結部４２が作用点となり、これら両連結部４３，４２は同一平面に位置するが、上記回動支点４３と該回動軸方向（Ｘ方向）に対して異なる平面に位置して、上記結合変位拡大部４９（突出部４９ａ）におけるスクリュー７部分が力点となる。即ち、該Ｚ方向拡大変位部３７（４９）は、その回動支点４３と力点７ｂ（４９ａ）とが、回動支点の軸方向に所定量ずれた平面に配置されており、これにより同一平面に位置するものに比して、支点と力点とを近づけて配置することが可能となり、コンパクトな構成にて所定量拡大したてこ比を得ることができる。また、図４に示すように、該一体に組立てられたＺ方向変位部分IIは、ＸＹ方向変位部分Ｉの略々中央部分上部にその長手方向をＹ方向として配置され、かつ移動ステージ３がその上方に被せられている。
【００４８】
ついで、上記Ｚ方向変位部分IIの作用について説明する。Ｚ方向の位置調整（位置決め）は、ＸＹ方向と同様に、大体の調整（粗動調整）に関してはＺ方向調整スクリュー７を人手にて調整することにより行われ、微小範囲の調整（微動調整）に関しては圧電アクチュエータ５０に所定電圧を印加することにより行われる。
【００４９】
調整スクリュー７又は圧電アクチュエータ５０によるＺ方向変位拡大部３７，４９の力点４９ａの移動は、該力点と異なる平面における支点連結部４３を中心に上記変位拡大部３７を回動して、作用点連結部４２に移動量を拡大して作用する。そして、該作用点４２の移動は、２個の平行撓み梁４１ａ，４１ｂにより固定部３５に対して支持されているＺ方向移動部３６をＺ方向に移動する。なお、板ばね４４は、固定部３５に対してＺ方向移動部３６を矢印Ｚ１方向に付勢し、更に連結点４２を介して変位拡大部３７，４９を支点連結部４３を中心に反時計方向（図５（ａ））に付勢し、これによりスクリュー７の先端７ｂが圧電アクチュエータ５０の他端に常に接触するように付勢している。
【００５０】
従って、前述したように、基盤２に固定されている固定部１５に対して、Ｘ方向調整スクリュー５及び／又は圧電アクチュエータ２０によりＸ方向移動部１７がＸ方向に移動し、更に該Ｘ方向移動部１７に対して、Ｙ方向調整スクリュー６及び／又は圧電アクチュエータ２６によりＹ方向移動部２４がＹ方向に移動し、そして該Ｙ方向移動部１９に対して、上述したように、Ｚ方向調整スクリュー７及び／又は圧電アクチュエータ５０によりＺ方向移動部３６がＺ方向に移動する。これにより、該Ｚ方向移動部３６に固定されている移動ステージ３が、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動する。なお、上述した調整スクリュー５，６，７のノブ５ａ，６ａ，７ａによる移動ステージ３の移動は、ノブの手動操作と相俟って目視で確認することは可能であるが、圧電アクチュエータ２０，２６，５０による微小範囲での移動ステージ３の移動は、目視で確認することは困難である。
【００５１】
ついで、目視による移動確認装置について、図７及び図２に沿って説明する。基盤２に固定されている固定部１５の上面には、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、２側面に平行にＬ型ブラケット６０，６１がそれぞれネジ６２，６３により固定されている。Ｘ方向に平行する一方の側面（移動ステージ３の側面３ｂ側）に平行面を有するブラケット６０には、所定角度θ傾けて固定側部材となる枠６５が固定されており、Ｙ方向に平行する一方の側面（移動ステージ３の側面３ｃ側）に平行面６１ａを有するブラケット６１には、同様に、所定角度θ傾けて固定側部材となる２個の枠６６，６７が固定されている。一方、上記各固定枠６５，６６，６７に対応する移動ステージ３の側面３ｂ，３ｃには、図２に示すように、それぞれ各固定枠に対向して移動側部材となる切欠き窓６９，７０，７１が形成されている。
【００５２】
そして、前記各固定枠６５，６６，６７及び窓６９，７０，７１には、それぞれ等間隔、例えば０．１［ｍｍ］にエッチング等にて形成された格子１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂが配設されている。従って、互に対向する各格子１０ａと１０ｂ，１１ａと１１ｂ，１２ａと１２ｂは、所定角度θ傾斜して対向配置されるため、上記格子と直交する方向に正弦波状のモアレ縞を現出する。該モアレ縞の波長Ｌは、上記格子のピッチをＰとし、上記所定角度をθとすると、Ｌ＝Ｐ／θとなり、角度θの値を小さく取ることによって、モアレ縞の移動量は、格子の移動量よりも拡大された大きな移動量となって目視される。例えば、上記角度θを５度とすると、モアレ縞の移動量は、格子の移動量の略々１１倍となって目視される。
【００５３】
上記枠６５と窓６９に配置された格子１０ａ，１０ｂは、垂直方向に設けられていると共に、Ｘ方向に移動する側の側面３ｂに配置されており、従って移動ステージ３のＸ方向の動きにより、上記モアレ縞が拡大して移動して、Ｘ方向の移動確認装置１０を構成し、また上記枠６６と窓７０に配置された格子１１ａ，１１ｂも、垂直方向に設けられていると共に、Ｙ方向に移動する側の側面３ｃに配置されており、従って移動ステージ３のＹ方向の動きにより、上記モアレ縞が拡大して移動して、Ｙ方向の移動確認装置１１を構成する。更に、上記枠６７と窓７１に配置された格子１２ａ，１２ｂは、水平方向に設けられており、かつ移動ステージのＺ方向移動に関してはどの側面でも同じであるが、配置効率及びスペース効率からみて、Ｙ方向確認装置と同じ側面３ｃに配置され、従って移動ステージ３のＺ方向の動きにより上記モアレ縞が拡大して移動して、Ｚ方向の移動確認装置１２を構成する。
【００５４】
上記構成により、圧電アクチュエータ２０，２６，５０に基づき移動ステージ３が微小範囲にてＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動すると、前記各方向の移動確認装置１０，１１，１２のモアレ縞が目視にて充分に確認できるように拡大して移動し、これにより、移動ステージ３が、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向に実際に移動していることを目視により確認できる。もし、圧電アクチュエータへの電圧印加によっても、該圧電アクチュエータに対応する移動確認装置のモアレ縞の移動が目視できない場合、該移動方向の圧電アクチュエータ又はその配線等に異常があることが直ちに確認できる。
【００５５】
ついで、図８ないし図１１に沿って、所定中心点を中心に回動（揺動）する微小変位装置、いわゆるゴニオステージ（メータ）と呼ばれるＸ軸、Ｙ軸廻りのθｘ，θｙ方向に変位する微小変位装置について説明する。
【００５６】
本微小変位装置１０１（ゴニオステージ、ゴニオメータ）は、平面視略々正方形からなり、基台に固定又は載置される基盤（固定部）１０２と、該基盤（固定部）に対してθｘ方向に回動変位可能なθｘ方向移動部１０３と、該θｘ方向移動部に対してθｙ方向に回動変位可能なθｙ方向移動部１０５と、を有しており、これら固定部、両移動部はＺ（上下）方向に３段に重ねられた重層構造からなり、かつ一体ブロックから放電加工機により一体に連結して形成されている剛体部からなる。また、最上部に位置するθｙ方向移動部１０５は、θｘ方向に変位するθｘ方向移動部，１０３の動きに加えてθｙ方向に移動するため、点Ｏを中心にθｘ，θｙ方向に移動する移動ステージ１０６に固定される。
【００５７】
図９ないし図１１は、図８に示す上記移動ステージ１０６を取り除いた状態を示す図であり、上記θｘ方向移動部１０３及びθｙ方向移動部１０５は、平面視略々＋形状からなる。前記固定部１０２の上面には、その中央部においてＸ方向に延びる低突部１０２ａと、Ｙ方向に延びる高突部１０２ｂとが形成されており、これら両突部は、上記θｘ方向及びθｙ方向移動部１０３，１０５と平面視略々重なるように形成されている。また、高突部１０２ｂの中央部分には、上記低突部１０２ａの幅より広い切欠き部１０２ｃが形成されている。
【００５８】
一方、前記θｘ方向移動部１０３は、比較的上下方向に厚くかつＸ方向に延びる下ブロック１０３ａと、該下ブロックの上部にてＹ方向に延びて一体に形成されてかつ比較的上下方向に薄い上ブロック１０３ｂとを有しており、下ブロック１０３ａが上記低突部１０２ａの上方において上記高突部１０２ｂの中央切欠き部１０２ｃを貫通して配置されている。また、前記θｙ方向移動部１０５は、Ｘ方向に延びるＸ方向ブロック１０５ａと、Ｙ方向に延びるＹ方向ブロック１０５ｂとを有し、これらＸ方向及びＹ方向ブロックが同一平面にて＋形状に形成されている。
【００５９】
図１０（ｂ）は、図１１においてＹ−Ｙ平面（Ｙ軸に垂直な平面と平行な平面）が見えるように矢印Ａ方向から見た（正面）図であり、該図１０（ｂ）に詳示するように、前記上ブロック１０３ｂの下面と前記高突部１０１ｂの上面との間に亘って、所定間隔離れた２ヵ所において薄肉平板からなる撓み梁１０７ａ，１０７ｂが連結されており、これら撓み梁は、Ｘ軸の中心Ｏに向かうように所定角度θｘ傾斜して配置されている。従って、θｘ移動部１０３は、固定部１０２に対して、図１１のＹ−Ｙ平面においてＸ軸（Ｏ点）を中心に揺動（θｘ方向）自在になっている。
【００６０】
そして、前記高突条１０２ｂの一方側（図１０（ａ）の右側）に形成された凹部１０２ｄには、前述と同様な積層ピエゾ素子からなる圧電アクチュエータ１０９が設置されており、該アクチュエータ１０９は、長手方向一端が上記凹部の底面に当接すると共に他端が開放されている。該アクチュエータ１０９の開放側の外側に対向してθｘ方向変位拡大部（変位変更手段）１１０が配置されており、該変位拡大部の下端部及び上端部には、略々水平方向に平行に配置された薄肉平板からなる撓み梁１１１，１１２がそれぞれ固定部１０２及びθｘ方向移動部の上ブロック１０３ｂの一端に連結して設けられている。また、該変位拡大部１１０の上記圧電アクチュエータ１０９に対向する部分にはマイクロメータ等からなる調整スクリュー１１３が貫通して螺合されており、該スクリューは、先端１１３ａが前記アクチュエータ１０９の開放側端に当接していると共に他端が本微小変位装置１０１の外方に突出して手動操作ノブ１１３ｂとなっている。
【００６１】
従って、上記圧電アクチュエータ１０９及びθｘ方向変位拡大部１１０は、２個の剛体部からなる固定部１０２及びθｘ方向移動部１０３と、これらを連結している２個の撓み梁１０７ａ，１０７ｂとにより囲まれる空間Ｃの外側に配置されている。また、上記θｘ方向変位拡大部１１０は、圧電アクチュエータ１０９及び一方の撓み梁１０７ｂの外側を覆うように、高突条部１０２ｂ及び上ブロック１０３ｂの一端面に沿って上下方向に配置されており、前記下撓み梁１１１にて構成される連結部が回動支点となり、前記上撓み梁１１２にて構成される連結部が作用点となり、調整スクリュー１１３が力点となって、拡大てこ機構を構成している。
【００６２】
一方、上記ブロック１０３ｂの他端は下方に垂下した鍔部１０３ｄとなっており、該鍔部で囲われた上ブロック１０３ｂと固定部高突条１０２ｂとの間には、高突条に植設されたリテーナ１１５に支持されてコイルスプリング１１６が縮設されている。該コイルスプリングは、上ブロック１０３ｂを図１０（ｂ）において時計方向に付勢し、これにより上連結部１１２を介して、θｘ変位拡大部１１０が下連結部１１１を中心に反時計方向に付勢されて、力点であるスクリュー１１３の先端１１３ａを圧電アクチュエータ１０９に常に当接している。
【００６３】
また、図１０の（ａ）は、図１１においてＸ−Ｘ平面（Ｘ軸に垂直な平面と平行する平面）が見えるように矢印Ｂ方向から見た（側面）図であり、該図１０（ａ）に示すように、θｘ移動部１０３の下ブロック１０３ａの上面と、θｙ移動部１０５のＸ方向ブロック１０５ａとの下面の間に亘って、所定間隔離れた２ヵ所において、薄肉平板からなる撓み梁１１９ａ，１１９ｂが連結されており、これら撓み梁は、Ｙ軸の中心Ｏに向うように所定角度θｙ傾斜して配置されている。従って、θｙ移動部１０５は、θｘ移動部１０３に対して、図１１のＸ−Ｘ平面において、Ｘ軸（Ｏ点）を中心に揺動（θｙ）自在になっている。
【００６４】
そして、前記下ブロック１０３ａの一方側（図１０（ａ）の左側）に形成された凹部１０３ｄには、前述と同様な積層ピエゾ素子からなる圧電アクチュエータ１２０が設置されており、該アクチュエータ１２０は、長手方向一端が上記凹部の底面に当接すると共に他端が開放されている。該アクチュエータ１２０の開放側の外側に対向してθｙ方向変位拡大部（変位変更手段）１２１が配置されており、該変位拡大部の下端部及び上端部には、略々水平方向に平行に配置された薄肉平板からなる撓み梁１２２，１２３がそれぞれ下ブロック１０３ａ及びＸ方向ブロック１０５ａの一端に連結して設けられている。また、該変位拡大部１２１の上記圧電アクチュエータ１２０に対向する部分にはマイクロメータ等からなる調整スクリュー１２５が貫通して螺合されており、該スクリューは、１２５ａが前記アクチュエータ１２０の開放側端に当接していると共に他端が本微小変位装置１０１の外方に突出して手動操作ノブ１２５ｂとなっている。
【００６５】
従って、上記圧電アクチュエータ１２０及びθｙ方向変位拡大部１２１は、２個の剛体部からなるθｘ方向移動部１０３及びθｙ方向移動部１０５と、これらを連結している２個の撓み梁１１９ａ，１１９ｂとにより囲まれる空間Ｃの外側に配置されている。また、上記θｙ方向変位拡大部１２１は、圧電アクチュエータ１２０及び一方の撓み梁１１９ａの外側を覆うように、下ブロック１０３ａ及びＸ方向ブロック１０５ａの一端面に沿って上下方向に配置されており、前記下撓み梁１２２にて構成される連結部が回動支点となり、前記上撓み梁１２３にて構成される連結部が作用点となり、調整スクリュー１２５が力点となって、拡大てこ機構を構成している。
【００６６】
一方、上記Ｘ方向ブロック１０５ａの他端は下方に垂下した鍔部１０５ｄとなっており、該鍔部で囲われた下ブロック１０３ａとＸ方向ブロック１０５ａとの間には、下ブロックに植設されたリテーナ１２６に支持されてコイルスプリング１２７が縮設されている。該コイルスプリングは、Ｘ方向ブロック１０５ａを図１０（ａ）において反時計方向に付勢し、これにより上連結部１２３を介して、θｙ変位拡大部１２１が下連結部１２２を中心に時計方向に付勢されて、力点であるスクリュー１２５の先端１２５ａを圧電アクチュエータ１２０に常に当接している。
【００６７】
ついで、本微小変位装置１０１（ゴニオステージ）の作用について説明するに、まず図１０（ｂ）に沿って、θｘ方向の変位について説明する。操作ノブ１１３ｂの手動操作による粗動調整及び／又は圧電アクチュエータ１０９の微動調整により、θｘ方向変位拡大部１１０は、下部連結部１１１を支点とし、力点となるスクリュー１１３部分の変位を拡大して上部連結部１１２に伝達し、該作用点となる連結部１１２の拡大された変位は、所定角度θｘにて傾斜配置されている２個の撓み梁１０７ａ，１０７ｂにて固定部１０２に支持されている上ブロック１０３ｂに伝達され、これにより該上ブロックを有するθｘ方向移動部１０３は、固定部１０２に対して、Ｘ軸（中心Ｏ）を中心にθｘ方向に揺動される。該上ブロック１０３ｂと一体のθｘ方向移動部１０３を構成する下ブロック１０３ａも、一体にθｘ方向に揺動する。
【００６８】
一方、図１０（ａ）に示すように、操作ノブ１２５ｂの手動操作による粗動調整及び／又は圧電アクチュエータ１２０の微動調整により、θｙ方向変位拡大部１２１は、下部連結部１２２を支点とし、力点となるスクリュー１２５部分の変位を拡大して上部連結部１２３に伝達し、該作用点となる連結部１２３の拡大された変位は、所定角度θｙにて傾斜配置されている２個の撓み梁１１９ａ，１１９ｂにて上記下ブロック１０３ａに支持されているＸ方向ブロック１０５ａに伝達され、これにより該Ｘ方向ブロック１０５ａを含むθｙ方向移動部１０５は、θｙ方向移動部１０３に対して、Ｙ軸（中心Ｏ）を中心にθｙ方向に揺動される。
【００６９】
該θｙ方向移動部１０５は、上述したＸ方向移動部１０３のθｘ方向の揺動に重畳して揺動され、従ってθｘ方向及びθｙ方向の任意の位置に変位・位置決めされる。なお、上記傾斜した撓み梁１０７ａ，１０７ｂ及び１１９ａ，１１９ｂは、固定部（基盤）１０２からＺ方向に同じ長さに位置するＸ軸，Ｙ軸に向うように傾斜角θｘ，θｙが設定されることが望ましく、これにより、本微小変位装置１０１の移動ステージ（１０６）となるθｙ方向移動部１０５ｂは、中心点Ｏを中心とした球面状の任意の位置に変位・位置決めされる。
【００７０】
図１２は他の実施の形態による微小変位装置を示す模式図であり、図中、１５は固定部、１６は変位拡大部、１７は移動部、２０は圧電アクチュエータ、５は調整スクリューであって、前記移動部１７は、固定部１５に対して２個の平行撓み梁１９ａ，１９ｂにて連結されている。
【００７１】
そして、前記移動部１７には、一方の撓み梁１９ｂの外側にて該梁に平行に固定部１５に向けて延びている延出部材１７ｈが一体に設けられている。一方、固定部１５には、薄肉平板の連結部８０ａを介してアーム８０が連結されており、かつ該アーム８０は前記延出部材１７ｈにも薄肉の連結部８０ｂを介して連結している。従って、上記アーム８０は、固定部１５との連結部８０ａを支点として、移動部延出部材１７ｈとの連結部８０ｂを力点として、かつ上記支点連結部８０ａと力点連結部８０ｂとは近接して配置されているので、力点連結部８０ｂの移動量を大きく拡大して先端部８０ｃを移動する拡大てこ機構（機械式変位変更機構）を構成している。
【００７２】
また、上記アームの先端部からなる被検出部８０ｃに近接して、静電容量式変位センサ、ホール素子等の磁気式変位センサ等の変位センサ８１が設けられている。
【００７３】
以上構成に基づき、圧電アクチュエータ２０への電圧印加による移動は、変位拡大部１６を介して拡大されて、平行撓み梁１９ａ，１９ｂにて支持されている移動部１７に伝達されて、基盤に対して移動ステージを移動する。そして、該移動部１７の移動は、力点連結部８０ｂを介してアーム８０に伝達され、該アーム８０は、支点連結部８０ａを中心に回動して、その被検出部８０ｃに拡大した動きとして伝達する。該アーム被検出部８０ｃの拡大した動きは、変位センサ８１により検出され、移動ステージとなる移動部１７の変位量が、上記拡大てこ機構による拡大率を考慮して上記変位センサ８１の検出値に基づき算出される。
【００７４】
また、図１３は、更に変更した実施の形態を示す図であって、拡大てこ機構のみが上記図１２に示すものと相違するので、同一部分は、同一符号を付して説明を省略する。アーム８２は、その一端部にて固定部１５に薄肉平板（撓み梁）からなる連結部８２ａを介して連結しており、またその先端部付近にて移動部１７に薄肉平板からなる連結部８２ｂを介して連結している。従って、該アーム８２は、てこ比の小さいてこ機構を構成し、該アームの中間部に位置する被検出部８２ｃに近接して設けられた位置センサ８１により、移動部１７の変位量を縮小して検出し、上記てこ比に基づき移動部１７の変位が算出される。
【００７５】
従来、圧電アクチュエータに印加される電圧とその変位量との間にはヒステリシスが存在し、印加電圧の制御のみでは、微小変位装置の正確な変位を制御することは困難であり、例えば、特公平４−１５４３５号公報に示すように、撓み梁にひずみゲージを貼付して、該ひずみゲージから電気量に基づき移動部の変位を検出し、これに基づき圧電アクチュエータの印加電圧をフィードバック制御して、正確な位置決めが行われる。
【００７６】
しかし、ひずみゲージ又はその他の変位センサであって、その分解能を充分に発揮し得る測定範囲の制限がある。そこで、上述した図１２及び図１３に示すように、てこ機構等の機械式変位変更機構８０，８２を用いて、アーム８０，８２の被検出部８０ｃ，８２ｃの変位量が各変位センサ８１の分解能の適正範囲となる位置に設定して、アーム８０，８２の変位を変位センサ８１にて正確に検出し、機械式変位変更機構による比により移動部の移動量を算出することにより、移動部の変位を正確に検出して精度の高いフィードバック制御が可能となる。
【００７７】
なお、上記変位センサ８１による移動ステージの変位検出は、Ｘ方向に限らず、Ｙ方向，Ｚ方向，θｘ方向，θｙ方向等の他の方向にも同様に適用可能である。また、上記アームの変位変更機構は、上述した単純てこ機構に限らず、トッグル等のリンク機構、歯車機構等の他の機械式変位変更機構でもよい。
【００７８】
また、上述した実施の形態は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向及びθｘ，θｙ方向の微小変位装置に適用したが、これに限らず、単軸方向のみの変位装置、又はＸＹ方向の変位装置、θｘ又はθｙ方向のみの変位装置にも同様に適用できる。また、前記撓み梁及び圧電アクチュエータの外側に配置される各変位拡大機構は、てこ比を拡大として用いているが、これは、圧電アクチュエータのストロークの増大及び更に微小な変位（サブμｍオーダ、ｎｍオーダ）の位置決めの要求等により、てこ比を縮小するように用いてもよく、要は機械式変位変更機構であればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＸＹＺ方向微小変位装置を示す図で、（ａ）は背面図、（ｂ）は平面図。
【図２】同じく微小変位装置を示す図で、（ａ）正面図、（ｂ）は側面図。
【図３】ＸＹ方向変位部分を示す平面図。
【図４】移動ステージを取外した状態の微小変位装置の正面図。
【図５】Ｚ方向変位部分を示す正面図で、（ａ）は拡大変位・移動部、（ｂ）は駆動部を示す。
【図６】組立てられたＺ変位部分を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は背面図。
【図７】移動ステージ及びＺ方向変位部分を取外した状態の微小変位装置を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は正面図。
【図８】本発明に係るθｘ，θｙ方向微小変位装置（ゴニオステージ）を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図。
【図９】同じく微小変位装置を示す図で、移動ステージを取外した平面図。
【図１０】（ａ）は、図９の側面図で、図１１のＡ方向から見たＸ−Ｘ平面に平行な面での図、（ｂ）は、図９の正面図で、図１１のＢ方向から見たＹ−Ｙ平面に平行な面での図。
【図１１】本微小変位装置の概略斜視図。
【図１２】本発明の他の実施例を示す平面図。
【図１３】図１２の変更例を示す平面図。
【符号の説明】
１，１０１ 微小変位装置
２，１０２ 基盤（固定部、剛体部）
３，１０６ 移動ステージ
５，６，７，１１３，１２５ 調整スクリュー
１５ 剛体部（固定部）
１６，１８，１１０，１２１ 変位変更手段（変位拡大部）
１７ 剛体部（Ｘ方向移動部）
１９ａ，１９ｂ，２５ａ，２５ｂ （平行）撓み梁
２２，２３，２９，３０ 連結部
２４ 剛体部（Ｙ方向移動部）
２０，２６，１０９，１２０ 微小変位アクチュエータ（圧電アクチュエータ）
２１，２７，１１５，１２７ 付勢手段
８０，８２ 機械式変更機構
１１３ 剛体部（θｘ方向移動部）
１１５ 剛体部（θｙ方向移動部）
１０７ａ，１０７ｂ，１１９ａ，１１９ｂ （傾斜）撓み梁
１１１，１１２，１２２，１２３ 連結部
Ｃ 空間部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro-displacement device used in fields that require positioning in a micro range, such as semiconductor manufacturing, optical fiber connection, and high magnification microscope.
[0002]
[Prior art]
Generally, a screw mechanism is used for the positioning device. Recently, in the fields of ultra-precision processing, semiconductor manufacturing, biotechnology, optical fiber connection, etc., a micro range of micrometer order, sub-micrometer order, and even nm order. Positioning is required, and a piezoelectric actuator such as a piezo element is used as the displacement device in the minute range.
[0003]
Since the displacement amount of the piezoelectric actuator is a fixed minute amount, the displacement amount of the piezoelectric actuator cannot obtain a desired displacement amount. For this reason, for example, Japanese Patent Publication No. 7-1457 and Japanese Patent Publication No. 7 As disclosed in Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1458, there has been proposed a micro-displacement device that transmits a displacement of a piezoelectric actuator to a moving unit through a displacement enlarging mechanism including a plurality of levers to obtain a predetermined amount of displacement.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the micro-displacement device, the fixed-side rigid body portion and the movable-side rigid body portion are each composed of two beams connected to an elastic hinge made of a thin wall or a thin flat plate having flexibility over the entire length (hereinafter referred to as a flexure beam). The piezoelectric actuator (micro-displacement actuator) and the displacement magnifying mechanism (displacement changing means) are disposed in a space surrounded by both the rigid body portions and the two bending beams. For this reason, the length of the lever is restricted due to the arrangement of the displacement magnifying mechanism consisting of this in a limited space, and the lever magnification per one can not be taken sufficiently, the desired magnification ratio (magnification ratio) In order to obtain this, it is necessary to stack the levers in many stages, and the energy of the piezoelectric actuator cannot be effectively used for the movement of the moving part due to an increase in friction loss due to an increase in the number of hinges of the displacement enlarging mechanism.
[0005]
Further, since the lever constituting the magnifying mechanism is surrounded by the rigid body part and the bending beam, in order to incorporate a manual coarse movement mechanism by a screw, a through hole is formed in the rigid body part or the bending beam. A complicated structure is required, and the structure is disadvantageous in terms of balance between strength and movement.
[0006]
Furthermore, because the thin flat plate structure is susceptible to damage due to external force, the bending beam is located on the outermost side and has a structure connecting the fixed-side rigid body part and the moving-side rigid body part. It has a structure that is susceptible to damage such as deformation.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a micro displacement device in which the displacement changing means and the micro displacement actuator are arranged outside the space of the rigid body portion and the bending beam, thereby solving the above-described problems.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention according to claim 1 includes at least two rigid body portions (15 and 17) (17 and 24) (102 and 103) (103 and 105) and at least two rigid body portions that are movably connected to each other. Deflection beams (19a, 19b) (25a, 25b) (107a, 107b) (119a, 119b) and minute displacement actuators (20) (26) (109) (120) that cause relative displacement between the two rigid bodies In a micro displacement device (1) (101) comprising:
  The connecting portions (22), (30), (111), and (122) that are connected to the two rigid body portions and abut against the minute displacement actuator and connected to one of the two rigid body portions are used as fulcrums. , With the connecting portions (23), (29), (112), and (123) connected to the other as the action points, and the contact portions (5b), (6b), (113a), and (125a) of the micro displacement actuator as the force points, Displacement changing means (16), (18), (110), (121) for changing the displacement generated at the power point by the micro displacement actuator to the other rigid body portion and transmitting it from the acting point to the other rigid body portion. With
  The displacement changing means and the minute displacement actuator are arranged outside a space portion (C) surrounded by the two rigid body portions and the two bending beams.,
  The micro-displacement actuators (20), (26), (109), and (120) are disposed in the recesses (15a), (17a), (102d), and (103d) formed in the one rigid body part, and in the displacement direction thereof. The end face is located open to the opening of the recess,
  Adjustment screws (5), (6), (113) and (125) are threaded through and screwed into the displacement changing means (16), (18), (110) and (121), and the tip of the adjustment screw is the micro displacement actuator. The displacement changing means is arranged so as to cover the outside of one of the two bending beams (19a) (25a) (107b) (119a).
  There is a micro displacement device characterized by the above.
[0009]
In addition, the said bending beam is a concept containing not only what consists of a thin flat plate over the full length but the beam connected with what is called an elastic hinge only a connection part with a rigid body part consists of a thin part.
[0010]
The present invention according to claim 2 is the micro-displacement device according to claim 1, wherein the bending beam is formed of a thin flat plate extending substantially along the entire length in the longitudinal direction.
[0012]
  Claim3According to the present invention, the urging means (21) (27) (115) (127) for urging so that the force point of the displacement changing means always abuts against the minute displacement actuator between the two rigid body portions. )
  Claim1 or 2It exists in the described micro displacement apparatus.
[0013]
  Claim4In the present invention according to the present invention, the connecting portion serving as the fulcrum and the action point is a bending beam (22, 23) (30, 39) (111, 112) (122, 123) made of parallel thin flat plates.
  Claim 1 to3The micro displacement device according to any one of the above.
[0014]
  Claim5According to the present invention, the displacement changing means is a displacement enlarging means (16, 18, 110, 121) for enlarging and transmitting the displacement acting on the force point to the acting point.
  Claim 1 to4The micro displacement device according to any one of the above.
[0015]
  Claim6According to the present invention (see, for example, FIG. 3), the two bending beams (19a, 19b) (25a, 25b) connecting the two rigid bodies (15, 17) (17, 24) are mutually connected. It is arranged in parallel, and supports the other rigid body part (17 or 24) so as to be displaceable in parallel to the one rigid body part (15 or 17).
  Claim 1 to5The micro displacement device according to any one of the above.
[0016]
  Claim7According to the present invention (see, for example, FIGS. 10A and 10B), the two bending beams (107a, 107b) (119a) connecting the two rigid body portions (102, 103) (103, 105). , 119b) are arranged to be inclined (θx, θy) so as to be directed to a predetermined one axis (X or Y), and the other rigid body portion (103 or 105) with respect to the one rigid body portion (102 or 103). ) In a swingable manner around the one axis,
  Claim 1 to5The micro displacement device according to any one of the above.
[0017]
  Claim8According to the present invention (see, for example, FIGS. 12 and 13), the relative displacement between the two rigid body portions (15, 17) is changed through the mechanical displacement changing mechanism (80, 82). Detected parts (80c, 82c) transmitted through
  A displacement sensor (81) disposed in proximity to the detected portion and detecting the displacement of the detected portion;
  Feedback control of the minute displacement actuator (20) based on a detection value detected by the displacement sensor;
  Claim 1 to7The micro displacement device according to any one of the above.
[0018]
Note that the reference numerals in the parentheses are for comparison with the drawings, but this is for the convenience of facilitating the understanding and speeding up of the correspondence with the embodiment. It has no effect on the composition of
[0019]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the displacement changing means and the minute displacement actuator are disposed outside the space surrounded by the two rigid body portions and the two bending beams. The length of the actuator is not restricted by the area of the space, the desired zoom ratio can be obtained with a simple trowel mechanism, the number of hinges is reduced, and energy loss due to friction loss of the hinges is achieved. Thus, the force of the minute displacement actuator can be effectively applied to the other rigid body portion.
[0020]
  In addition, since the displacement changing means and the minute displacement actuator are arranged outside the space portion, it is easy to assemble the minute displacement actuator and the like, and the interlocking between the actuator and the displacement changing means is facilitated, and the manufacturing is simple and easy. It becomes possible to do.
  Further, the adjusting screw is screwed into the displacement changing means, and the tip of the adjusting screw is brought into contact with the open end surface of the minute displacement actuator, so that the adjusting screw can be easily attached, and the adjusting screw is manually operated with a simple structure. Coarse movement adjustment and fine movement adjustment by a minute displacement actuator can be combined to perform positioning adjustment in a minute range efficiently.
  In addition, since the displacement changing means covers one outer side of the two bending beams, it is made of a thin flat plate or provided with a thin portion in the connecting portion, and the other rigid body portion is required to be light and smooth and displaced. By protecting the bending beam from external force, a highly reliable micro displacement device can be obtained.
[0021]
According to the second aspect of the present invention, since the bending beam is formed of a thin flat plate that extends substantially over the entire length, the entire bending beam can be made thinner to achieve further downsizing.
[0024]
  Claim3According to the present invention, since the force point of the displacement changing means is always in contact with the minute displacement actuator by the biasing of the biasing means, the actuator is always used regardless of the stroke of the minute displacement actuator or the adjustment position of the adjusting screw. And / or positioning with the adjusting screw can be performed accurately and reliably.
[0025]
  Claim4According to the present invention, since the connecting portion of the displacement changing means is formed by the deflecting beam, the whole is formed from one block by an electric discharge machine or the like in conjunction with connecting the two rigid bodies by the deflecting beam. Therefore, it is possible to obtain a highly accurate micro displacement device with few assembling errors.
[0026]
  Claim5According to the present invention, since the displacement changing means is the displacement expanding means, the minute displacement actuator is constituted by a piezoelectric actuator such as a laminated piezo element, and the stroke of the actuator is expanded to a minute displacement within a practical range. Can do.
[0027]
  Claim6According to the present invention, it is possible to provide a micro displacement device in the XY direction or the uniaxial direction by moving the other rigid body part in parallel with respect to one rigid body part.
[0028]
  Claim7According to the present invention, the other rigid body portion is supported so as to be swingable about one axis with respect to one rigid body portion, so that it swings in the θx direction or θy direction, and further has a spherical shape centered on one point O. Can be obtained.
[0029]
  Claim8In accordance with the present invention, the relative displacement of the rigid body portion is appropriately scaled by the mechanical displacement changing mechanism using a displacement sensor installed outside such as a capacitance type or magnetic type displacement sensor, etc. Therefore, the detected portion can be moved so as to correspond to the resolution of the displacement sensor, and highly accurate feedback control based on the detection value of the appropriate displacement sensor can be performed.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 and FIG. 2 are views showing the appearance of the micro displacement device (positioning device) in the XYZ directions according to the present invention in an assembled state. The micro displacement device 1 has a substantially square shape in plan view. It has a base 2 fixed or placed on a table and a moving stage 3 connected to a moving member that requires fine movement. The moving stage 3 is minute in three directions of X, Y, and Z. It can be displaced (positioned). The moving stage 3 has a substantially rectangular shape (corner portions are notched) in plan view (see FIG. 1A), and has an upper surface 3a and side surfaces 3b and 3c that hang in directions orthogonal to each side. 3d, 3e, an X-direction movement confirmation device 10 (see FIG. 2B) is provided on the side surface 3b, and a Y-direction movement confirmation device 11 and a Z-direction movement confirmation device 12 are provided on the side surface 3c. An X-direction adjusting screw 5, a Y-direction adjusting screw 6, and a Z-direction adjusting screw 7 are provided for roughly moving the moving stage 3 and positioning it roughly. These adjustment screws may be simple adjustment screws as shown in the figure, or may be known micrometers. Reference numeral 13 denotes a terminal connected to a controller or the like.
[0031]
FIG. 3 is a view showing a displacement portion in the XY direction, and is a view in which the Z-direction displacement portion and the moving stage 3 are removed from FIGS. 1 and 2, and portions unnecessary for the description of terminals and the like are omitted. The XY displacement portion I includes a fixed portion 15, an X-direction displacement enlargement portion (displacement changing means) 16, an X-direction moving portion 17, and a Y-direction displacement formed by processing one metal block with a wire-cut electric discharge machine. It has an enlarging part (displacement changing means) 18 and a Y-direction moving part 24, each of which consists of a rigid part.
[0032]
The fixing portion 15 is fixed to the base plate 2 with screws 14 (see FIG. 7B). The piezoelectric actuator housing portion 15a opens on one side surface (the right side surface in the drawing) and the X-direction moving portion 17 side. It has a recess 15b that opens. The fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17 are connected to each other by two parallel deflecting beams 19a and 19b that are arranged apart from each other on the left and right side surfaces, and the deflecting beams 19a and 19b are thin-walled. It consists of a flat plate and is integrally formed and connected to the fixed part and the X-direction moving part. Therefore, the X-direction moving unit 17 can move in parallel to the X direction by bending and deforming the parallel bending beams 19 a and 19 b with respect to the fixed unit 15. The bending beams 19a and 19b are formed of a thin flat plate substantially over the entire length, and move and support the moving part by bending as a whole. However, only the connection part between the fixed part and the moving part is a thin part, and the other is a rigid body. The beam may be a so-called elastic hinge (see, for example, Japanese Patent Publication No. 7-1458). In the present invention, the beam by the elastic hinge is also referred to as a bending beam. The same applies to other embodiments of the present invention.
[0033]
In the storage portion 15a, a piezoelectric actuator 20 constituting a minute displacement actuator by laminating a predetermined number of piezoelectric elements is arranged with one end fixed to the bottom surface of the storage portion, and in the recess 15b, A leaf spring 21 is disposed between the fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17 with both ends fixed and biased by a predetermined amount. In addition, an X-direction displacement enlarging unit 16 is disposed outside one side (right side of the drawing) of the fixed unit 15 and the X-direction moving unit 17 formed of the integrated block. The X-direction displacement enlarged portion 16 is integrally formed between the connecting portion 22 formed of a thin flat plate bending beam and the fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17. It is connected to the fixed portion and the X-direction moving portion 17 by a connecting portion 23 made of a thin flat-plate bending beam, and a screw hole is penetrated through one end thereof, and the X-direction adjusting screw 5 is screwed. . The operation knob 5 a of the screw 5 is located so as to protrude outward, and its tip 5 b is in contact with the other end of the piezoelectric actuator 20.
[0034]
Accordingly, the piezoelectric actuator 20 and the X-direction displacement expanding portion 16 are a space portion C surrounded by the fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17 formed of two rigid bodies and the bending beams 19a and 19b connecting them. It is arranged outside. Further, the X-direction displacement enlarging portion 16 is arranged substantially in parallel so as to cover the outer side of the one bending beam 19a, and the thin connecting portions 22 and 23 are formed in the longitudinal direction of the displacement enlarging portion. The adjustment screw that extends in the direction orthogonal to the direction and constitutes a pivot point, respectively, so that the fixed portion side connecting portion 22 is the fulcrum, the X direction moving portion side connecting portion 23 is the working point, and the piezoelectric actuator 20 The displacement enlarging portion 16 constitutes an enlarging lever mechanism with the five portions serving as power points. The leaf spring 21 urges the X-direction moving portion 17 in the direction of the arrow X1 with respect to the fixed portion 15, so that the X-direction displacement enlarged portion 16 is connected to the fulcrum connecting portion via the action point connecting portion 23. The tip 5b of the screw 5, which is the power point, is biased so as to always come into contact with the piezoelectric actuator 20.
[0035]
On the other hand, the X-direction moving unit 17 extends in a direction orthogonal to the storage unit 15a of the fixed unit and opens on one side surface (upper side surface in the figure), and a Y-direction moving unit 24. The X-direction moving portion 17 and the Y-direction moving portion 24 are formed by two parallel bending beams 25a and 25b arranged so as to sandwich the Y-direction moving portion. They are connected to each other. These bending beams 25a and 25b are formed of thin flat plates and are integrally formed and connected to the X-direction and Y-direction moving portions, similarly to the bending beams 19a described above, and are connected to the bending beams 19a and 19b. Extends in the orthogonal direction. Accordingly, the Y-direction moving unit 24 can move in parallel to the Y direction by bending and deforming the parallel bending beams 25a and 25b with respect to the X-direction moving unit 17. As described above, the X direction moving unit 17 constitutes a moving unit with respect to the fixed unit 15 with respect to the X direction, but is a fixed unit with respect to the Y direction moving unit 24 with respect to the Y direction. .
[0036]
A piezoelectric (micro-displacement) actuator 26 in which a predetermined number of piezo elements similar to those in the previous X direction are stacked is disposed in the storage portion 17a, with one end fixed to the bottom surface of the storage portion, and the concave portion. A Y-direction moving unit 19 is disposed at 17b. Further, a leaf spring 27 is disposed between the X-direction moving portion 17 and the Y-direction moving portion 24 with both ends thereof being fixed and biased by a predetermined amount. And the urging directions thereof are arranged so as to be orthogonal to each other. Further, the Y-direction displacement enlarging unit 18 is arranged on one side (upper side in the drawing) of the X-direction moving unit 17 and the Y-direction moving unit 24 that are formed of an integrated block.
[0037]
Therefore, the piezoelectric actuator 26 and the Y-direction displacement enlarged portion 18 are surrounded by the X-direction moving portion 17 and the Y-direction moving portion 24 that are formed of two rigid bodies, and the bending beams 25a and 25b that connect them. It is arranged outside the space C. Further, the Y-direction displacement enlarged portion 18 is arranged substantially in parallel so as to cover the outer side of the one bending beam 25a, and is a thin-walled connection formed integrally with the X-direction moving portion 17. The portion 29 and the thin connecting portion 30 formed integrally with the Y direction moving portion 24 are connected to the X direction moving portion 17 and the Y direction moving portion 24, respectively. Further, a screw hole is passed through one end portion of the displacement magnifying portion 18 so that the Y-direction adjusting screw 6 is screwed, the operation portion 6a of the screw is located to protrude outward, and its tip The part 6 b is in contact with the other end of the piezoelectric actuator 26. The two thin connecting portions 29 and 30 extend in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the displacement expanding portion 18 to form a rotation fulcrum. Therefore, the X direction moving portion side connecting portion 30 is a fulcrum, and the Y direction moving portion. The displacement connecting portion 18 constitutes an expanding lever mechanism, with the side connecting portion 29 acting as an action point and the adjusting screw 6 portion contacting the piezoelectric actuator 26 serving as a power point.
[0038]
  The leaf spring 27Urges the Y-direction moving portion 24 in the direction of the arrow Y1 with respect to the X-direction moving portion 17, so that the displacement expanding portion 18 is rotated clockwise around the fulcrum connecting portion 30 via the action point connecting portion 29. The tip 6b of the adjusting screw 6 is urged so as to always come into contact with the other end of the piezoelectric actuator 26. As described above, in the XY direction, one of the bending beams 19a and 25a is covered and protected by the displacement expanding portions 16 and 18 on the outside, but the other bending beams 19b and 25b are fixed portions. 15. X direction moving part 17ofIt is provided inside and will not receive damage from outside.
[0039]
Next, the operation of the above-described XY direction portion I will be described. The coarse displacement adjustment (positioning) in the X direction is performed by rotating the X direction adjusting screw 5 with the knob 5a. At this time, the piezoelectric actuator 20 is maintained at a certain length when no voltage is supplied. Therefore, based on the advancement / retraction of the screw, the X-direction displacement enlargement portion 16 rotates about the fulcrum connection portion 22 to act on the X-direction movement portion 17 supported by the parallel bending beams 19a, 19b. It moves in the X direction with respect to the fixed portion 15 via the point connecting portion 23.
[0040]
Similarly, the coarse movement position adjustment (positioning) in the Y direction is performed by rotating the Y direction adjusting screw 6 with the knob 6a, and the tip 6b is in contact with the piezoelectric actuator 26 and is in a fixed state. The displacement magnifying part 18 rotates around the fulcrum connecting part 30, and the Y-direction moving part 24 supported by the parallel bending beams 25 a and 25 b is moved with respect to the X-direction moving part 17 via the action point 29. Move in the Y direction. As a result, the moving stage 3 integrated in the XY direction with the Y-direction moving portion 24 is moved in the X direction by the adjusting screws 5 and 6 with respect to the base 2 integrated with the fixed portion 15 through a Z-direction displacement portion described later. The coarse movement position is adjusted in the Y direction.
[0041]
A predetermined voltage is supplied to the piezoelectric actuators 20 and 26 by the controller with the coarse movement position adjusted. The piezoelectric actuator has a predetermined relationship between its supply voltage and displacement, and a predetermined minute displacement is generated by the application of the predetermined voltage. In this state, the adjusting screws 5 and 6 are held in a predetermined screwed state, and as described above, the leaf springs (biasing means) 21 and 27 cause the screw tips 5b and 6b and the piezoelectric actuators 20 and 26 to move. The tip is always in contact with the tip, and the minute displacements of the piezoelectric actuators 20 and 26 described above act on the screw portions that are the power points of the X-direction displacement enlargement portion 16 and the Y-direction displacement enlargement portion 18 respectively. The parts 16 and 18 act on the action point connection parts 23 and 29 with the displacement being enlarged with the fulcrum connection parts 22 and 30 as fulcrums. As an example, the maximum displacement of the piezoelectric actuators 20 and 26 is about 17 [μm], and is enlarged 5 to 11 times by the lever ratio by the displacement enlarging portions 16 and 19, and the displacement at the point of action is 85 to 85 times. 187 [μm].
[0042]
Similarly to the coarse movement by the adjusting screws 5 and 6 described above, the displacement of the action point connecting portion 23 of the displacement expanding portion 16 based on the piezoelectric actuator 16 is fixed by the parallel bending beams 19a and 19b. The X-direction moving portion 17 supported in parallel to the X-direction is moved in the X direction, and the displacement of the action point connecting portion 29 of the displacement expanding portion 18 based on the piezoelectric actuator 26 is caused by two parallel bending beams 25a, The Y-direction moving unit 24 supported in parallel with the X-direction moving unit by 25b is moved in the Y-direction, whereby the moving stage 3 linked to the Y-direction moving unit via the Z-direction displacing unit is Small displacement by a predetermined amount in the X and Y directions.
[0043]
Next, the Z-direction displacement portion will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 4, the Z-direction displacement portion II is arranged with the longitudinal direction directed in the Y-axis direction at the upper portion of the XY displacement portion I, and the enlarged displacement / moving portion A shown in FIG. And two parts of the drive part B shown in FIG. The enlarged displacement / moving part A has a fixed part 35, a Z-direction moving part 36, and a Z-direction displacement enlarged part (changing means) 37, each of which is a single metal block processed by electric discharge machining. Each of the above parts consists of a rigid part. The fixing portion 35 is fixed to the Y-direction moving portion 24 by screws 39 (see FIG. 2B, screw holes are indicated by 39a and 39a in FIG. 3), and the Z-direction moving portion 36 is fixed. Is fixed to the moving stage 3 by a screw 40 (see FIG. 2B, shown by a one-dot chain line in FIG. 5A and screw holes 40a and 40a in FIGS. 4 and 6A).
[0044]
The fixed portion 35 and the Z-direction moving portion 36 are connected to each other by two parallel deflecting beams 41a and 41b formed of a thin flat plate formed integrally and spaced apart in the vertical direction. Therefore, the Z-direction moving part 36 can move (displace) in the up-down direction, that is, the Z direction with respect to the fixed part 35 as the two bending beams 41a and 41b parallel to each other are bent and deformed. A leaf spring 44 is disposed between the fixed portion 35 and the moving portion 36 with both ends fixed and biased by a predetermined amount. The fixed portion 35 is integrally fixed to the Y-direction moving portion 24, and the Y-direction moving portion 24 becomes a moving portion with the X-direction moving portion 17 as a fixed portion in the Y direction. For the Z direction, this is a fixed part for the Z direction moving part 36.
[0045]
The Z-direction displacement enlarged portion 37 is disposed so as to be surrounded by the fixed portion 35, the moving portion 36, and the two parallel bending beams 41a and 41b, and both end portions thereof are integrally formed. It is connected by connecting portions 42 and 43 made of thin wall. One connecting portion 42 extends in the up-down direction, and thus the connecting portion 42 moves integrally in the up-down direction (Z direction) and allows relative movement in the left-right direction (Y direction). The other connecting portion 43 is composed of a portion 43a that is short but extends in the horizontal direction (Y direction) and a portion 43b that extends in the up and down direction (Z direction). It is allowed to move in the direction (Y direction) and serves as a pivot point.
[0046]
On the other hand, the drive part B is connected to the fixed part 35 and screws 45, 45 (screw holes 45a, 45a are shown in FIG. And a joint displacement enlarged portion 49 integrally coupled by screws 47 and 47 (screw holes 47a and 47a are shown in FIG. 5A), each of which is a rigid body portion. One end of a piezoelectric actuator 50 formed by laminating a plurality of piezo elements similar to the above is fixed to a protruding portion 46a extending upward at one end of the coupling fixing portion 46. The Z-direction adjusting screw 7 projects the operation knob 7a outwardly on the same side as the Y-direction adjusting screw 6 in the protruding portion 49a that extends upward at the other end of the coupling expansion displacement portion 49. Are screwed together. The tip 7b of the screw is in contact with the other end of the piezoelectric actuator 50, and the corresponding contact is always held by the leaf spring 44 as described above.
[0047]
And as shown in FIG. 6, the said expansion displacement moving part A and the drive part B are arranged in parallel mutually, and are couple | bonded together. Accordingly, in the displacement magnifying portion 37, the two-way connecting portion 43 serves as a rotation fulcrum and the other connecting portion 42 serves as an action point, and both the connecting portions 43 and 42 are located on the same plane. And the screw 7 part in the said joint displacement expansion part 49 (projection part 49a) located in a different plane with respect to this rotation-axis direction (X direction) becomes a power point. That is, the Z-direction expansion displacement portion 37 (49) has its rotation fulcrum 43 and force point 7b (49a) arranged on a plane that is displaced by a predetermined amount in the axial direction of the rotation fulcrum, and thereby the same plane. It is possible to place the fulcrum and the power point closer to each other as compared with the one located at the position, and it is possible to obtain a leverage that is enlarged by a predetermined amount with a compact configuration. Further, as shown in FIG. 4, the integrally assembled Z-direction displacement portion II is disposed substantially at the upper portion of the center portion of the XY-direction displacement portion I with the longitudinal direction being the Y direction, and the moving stage 3 is It is put on top.
[0048]
Next, the operation of the Z-direction displacement portion II will be described. Position adjustment (positioning) in the Z direction is performed by manually adjusting the Z direction adjusting screw 7 for manual adjustment (coarse movement adjustment) in the same manner as the XY direction. Is performed by applying a predetermined voltage to the piezoelectric actuator 50.
[0049]
When the adjustment screw 7 or the piezoelectric actuator 50 moves the force point 49a of the Z-direction displacement enlargement portions 37, 49, the displacement enlargement portion 37 is rotated around the fulcrum connection portion 43 in a plane different from the force point, thereby connecting the action points. It acts on the part 42 by enlarging the amount of movement. And the movement of this action point 42 moves the Z direction moving part 36 currently supported with respect to the fixing | fixed part 35 by two parallel bending beams 41a and 41b to a Z direction. The leaf spring 44 urges the Z-direction moving portion 36 in the direction of the arrow Z1 with respect to the fixed portion 35, and further displaces the displacement expanding portions 37 and 49 via the connection point 42 around the fulcrum connection portion 43. The direction (FIG. 5A) is urged so that the tip 7b of the screw 7 is always in contact with the other end of the piezoelectric actuator 50.
[0050]
Therefore, as described above, the X-direction moving portion 17 is moved in the X direction by the X-direction adjusting screw 5 and / or the piezoelectric actuator 20 with respect to the fixed portion 15 fixed to the base 2, and the X-direction moving is further performed. With respect to the portion 17, the Y-direction adjusting screw 6 and / or the piezoelectric actuator 26 causes the Y-direction moving portion 24 to move in the Y-direction, and with respect to the Y-direction moving portion 19, as described above, the Z-direction adjusting screw 7 and / or the piezoelectric actuator 50 moves the Z-direction moving part 36 in the Z direction. As a result, the moving stage 3 fixed to the Z-direction moving unit 36 moves in the X, Y, and Z directions. The movement of the moving stage 3 by the knobs 5a, 6a and 7a of the adjusting screws 5, 6, and 7 can be visually confirmed in combination with the manual operation of the knob. It is difficult to visually confirm the movement of the moving stage 3 in a very small range by 26 and 50.
[0051]
Next, the visual movement confirmation device will be described with reference to FIGS. As shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C, L-shaped brackets 60 and 61 are provided on the upper surface of the fixing portion 15 fixed to the base board 2 in parallel to the two side surfaces, respectively. It is fixed by. The bracket 60 having a parallel surface on one side surface parallel to the X direction (the side surface 3b side of the moving stage 3) is fixed with a frame 65 serving as a fixed side member inclined at a predetermined angle θ and parallel to the Y direction. Similarly, two frames 66 and 67 that are fixed side members are fixed to the bracket 61 having the parallel surface 61a on one side surface (the side surface 3c side of the moving stage 3). On the other hand, on the side surfaces 3b and 3c of the moving stage 3 corresponding to the fixed frames 65, 66 and 67, respectively, as shown in FIG. 70 and 71 are formed.
[0052]
The fixed frames 65, 66, and 67 and the windows 69, 70, and 71 have lattices 10a, 10b, 11a, 11b, and 12a formed by etching or the like at equal intervals, for example, 0.1 [mm]. , 12b are arranged. Accordingly, the respective gratings 10a and 10b, 11a and 11b, and 12a and 12b facing each other are arranged to be inclined at a predetermined angle θ, so that sinusoidal moire fringes appear in a direction orthogonal to the grating. The wavelength L of the moire fringes is L = P / θ, where P is the pitch of the grating and θ is the predetermined angle, and the amount of movement of the moire fringes can be reduced by reducing the value of the angle θ. It is visually observed as a large movement amount that is larger than the movement amount. For example, when the angle θ is 5 degrees, the amount of movement of moire fringes is approximately 11 times the amount of movement of the grating and is visually observed.
[0053]
The gratings 10a and 10b arranged in the frame 65 and the window 69 are provided in the vertical direction and are arranged on the side surface 3b on the side moving in the X direction. Therefore, the movement stage 3 is moved by the movement in the X direction. The moiré fringes are enlarged and moved to constitute the movement confirmation device 10 in the X direction, and the frames 11a and 11b arranged in the frame 66 and the window 70 are also provided in the vertical direction, and Y Accordingly, the moire fringes are enlarged and moved by the movement of the moving stage 3 in the Y direction, thereby constituting the movement confirmation device 11 in the Y direction. Further, the lattices 12a and 12b arranged in the frame 67 and the window 71 are provided in the horizontal direction, and the movement stage in the Z direction is the same on any side, but from the viewpoint of arrangement efficiency and space efficiency. The moire fringes are enlarged and moved by the movement of the moving stage 3 in the Z direction, thereby constituting the Z direction movement checking device 12.
[0054]
With the above configuration, when the moving stage 3 moves in the X, Y, and Z directions within a minute range based on the piezoelectric actuators 20, 26, and 50, the moire fringes of the movement confirmation devices 10, 11, and 12 in the respective directions are visually observed. It is enlarged and moved so that it can be sufficiently confirmed, and it can be visually confirmed that the moving stage 3 is actually moving in the X direction, the Y direction, and the Z direction. If the movement of the moiré fringes of the movement confirmation device corresponding to the piezoelectric actuator cannot be visually observed even by applying a voltage to the piezoelectric actuator, it can be immediately confirmed that there is an abnormality in the piezoelectric actuator or its wiring in the movement direction.
[0055]
Next, along FIG. 8 to FIG. 11, a minute displacement device that rotates (swings) about a predetermined center point, that is, a so-called goniostage (meter), is displaced in the θx and θy directions around the X axis and Y axis. A micro displacement device will be described.
[0056]
The micro displacement device 101 (gonio stage, goniometer) has a substantially square shape in plan view, and has a base (fixed part) 102 fixed or placed on a base and a θx direction with respect to the base (fixed part). There is a θx direction moving unit 103 that can be rotated and displaced, and a θy direction moving unit 105 that can be rotated and displaced in the θy direction with respect to the θx direction moving unit. It has a multi-layered structure that is stacked in three stages in the (up and down) direction, and a rigid body part that is integrally connected from an integrated block by an electric discharge machine. Further, the θy direction moving unit 105 located at the uppermost part moves in the θy direction in addition to the movement of the θx direction moving unit 103 that displaces in the θx direction, and therefore moves in the θx and θy directions around the point O. It is fixed to the stage 106.
[0057]
9 to 11 are views showing a state in which the moving stage 106 shown in FIG. 8 is removed, and the θx direction moving unit 103 and the θy direction moving unit 105 have a substantially + shape in plan view. On the upper surface of the fixed portion 102, a low protrusion 102a extending in the X direction and a high protrusion 102b extending in the Y direction are formed at the center, and these protrusions are in the θx direction and the θy direction. The moving parts 103 and 105 are formed so as to substantially overlap in plan view. Further, a notch 102c wider than the width of the low protrusion 102a is formed at the center of the high protrusion 102b.
[0058]
On the other hand, the θx-direction moving portion 103 is relatively thick in the vertical direction and is integrally formed with the lower block 103a extending in the X direction and extending in the Y direction at the upper portion of the lower block and relatively thin in the vertical direction. An upper block 103b is provided, and a lower block 103a is disposed above the low protrusion 102a and penetrates the central notch 102c of the high protrusion 102b. The θy direction moving unit 105 includes an X direction block 105a extending in the X direction and a Y direction block 105b extending in the Y direction, and these X direction and Y direction blocks are formed in a + shape on the same plane. ing.
[0059]
FIG. 10B is a (front) view seen from the direction of arrow A so that the YY plane (a plane parallel to the plane perpendicular to the Y axis) can be seen in FIG. As shown in detail, between the lower surface of the upper block 103b and the upper surface of the high protrusion 101b, flexural beams 107a and 107b made of thin flat plates are connected at two points apart by a predetermined distance. The deflecting beam is disposed so as to be inclined by a predetermined angle θx toward the center O of the X axis. Accordingly, the θx moving unit 103 is swingable (θx direction) about the X axis (point O) in the YY plane of FIG. 11 with respect to the fixed unit 102.
[0060]
A piezoelectric actuator 109 made of a laminated piezo element similar to that described above is installed in the recess 102d formed on one side of the high protrusion 102b (on the right side of FIG. 10A). One end in the longitudinal direction is in contact with the bottom surface of the recess and the other end is open. A θx-direction displacement enlarging part (displacement changing means) 110 is arranged facing the outside of the actuator 109 on the open side, and is arranged substantially in parallel in the horizontal direction at the lower end and the upper end of the displacement enlarging part. The bent beams 111 and 112 made of thin flat plates are connected to one end of the upper block 103b of the fixed portion 102 and the θx direction moving portion, respectively. Further, an adjustment screw 113 made of a micrometer or the like is passed through and screwed into a portion of the displacement enlarging portion 110 facing the piezoelectric actuator 109, and the tip 113 a of the screw has an open end on the opening side of the actuator 109. And the other end protrudes outward from the micro displacement device 101 to form a manual operation knob 113b.
[0061]
Therefore, the piezoelectric actuator 109 and the θx direction displacement expanding portion 110 are surrounded by the fixed portion 102 and the θx direction moving portion 103 formed of two rigid bodies, and the two bending beams 107a and 107b connecting them. It is arranged outside the space C. Further, the θx direction displacement enlarged portion 110 is arranged in the vertical direction along one end face of the high protrusion 102b and the upper block 103b so as to cover the outside of the piezoelectric actuator 109 and the one bending beam 107b. The connecting portion formed by the lower bending beam 111 serves as a rotation fulcrum, the connecting portion formed from the upper bending beam 112 serves as an action point, and the adjusting screw 113 serves as a power point to form an enlarged lever mechanism. ing.
[0062]
On the other hand, the other end of the block 103b is a flange portion 103d that hangs downward, and a high protrusion is planted between the upper block 103b surrounded by the flange portion and the fixed portion high protrusion 102b. A coil spring 116 is contracted and supported by the retainer 115 formed. The coil spring urges the upper block 103b in the clockwise direction in FIG. 10B, so that the θx displacement enlarged portion 110 is applied counterclockwise around the lower connecting portion 111 via the upper connecting portion 112. The tip 113a of the screw 113, which is the power point, is always in contact with the piezoelectric actuator 109.
[0063]
FIG. 10A is a (side view) seen from the direction of the arrow B so that the XX plane (a plane parallel to the plane perpendicular to the X axis) can be seen in FIG. As shown in a), the flexure formed of a thin flat plate at two predetermined distances between the upper surface of the lower block 103a of the θx moving unit 103 and the lower surface of the X direction block 105a of the θy moving unit 105. Beams 119a and 119b are connected, and these deflected beams are arranged with a predetermined angle θy inclined toward the center O of the Y axis. Accordingly, the θy moving unit 105 can swing (θy) about the X axis (point O) in the XX plane of FIG. 11 with respect to the θx moving unit 103.
[0064]
A piezoelectric actuator 120 made of a laminated piezoelectric element similar to that described above is installed in the recess 103d formed on one side of the lower block 103a (left side of FIG. 10A). One end in the longitudinal direction is in contact with the bottom surface of the recess and the other end is opened. A θy-direction displacement enlarging part (displacement changing means) 121 is disposed opposite to the outside of the actuator 120 on the open side, and is arranged substantially in parallel in the horizontal direction at the lower end and upper end of the displacement enlarging part. The bent beams 122 and 123 made of thin flat plates are connected to one end of the lower block 103a and the X-direction block 105a, respectively. Further, an adjustment screw 125 made of a micrometer or the like is passed through and screwed into a portion of the displacement enlarging portion 121 facing the piezoelectric actuator 120, and the screw 125 a is attached to the open end of the actuator 120. While being in contact, the other end protrudes outward from the minute displacement device 101 to form a manual operation knob 125b.
[0065]
Therefore, the piezoelectric actuator 120 and the θy direction displacement expanding portion 121 are composed of two rigid body portions θx direction moving portion 103 and θy direction moving portion 105, and two bending beams 119a and 119b connecting them. It is arrange | positioned outside the space C enclosed by. Further, the θy direction displacement enlarging portion 121 is arranged in the vertical direction along one end face of the lower block 103a and the X direction block 105a so as to cover the outside of the piezoelectric actuator 120 and one of the bending beams 119a. The connecting portion formed by the lower bending beam 122 serves as a rotation fulcrum, the connecting portion formed from the upper bending beam 123 serves as an action point, and the adjustment screw 125 serves as a power point to form an enlarged lever mechanism. Yes.
[0066]
On the other hand, the other end of the X-direction block 105a is a flange portion 105d that hangs downward. Between the lower block 103a and the X-direction block 105a surrounded by the flange portion, a lower block is implanted. The coil spring 127 is contracted by being supported by the retainer 126. The coil spring urges the X-direction block 105a counterclockwise in FIG. 10A, whereby the θy displacement enlargement portion 121 is rotated clockwise about the lower connection portion 122 via the upper connection portion 123. The tip 125a of the screw 125, which is the power point, is always in contact with the piezoelectric actuator 120 by being biased.
[0067]
Next, in order to describe the operation of the micro displacement device 101 (gonio stage), first, displacement in the θx direction will be described with reference to FIG. By the coarse adjustment by manual operation of the operation knob 113b and / or the fine adjustment of the piezoelectric actuator 109, the θx-direction displacement enlargement unit 110 uses the lower connecting portion 111 as a fulcrum and enlarges the displacement of the screw 113 portion serving as a power point. The enlarged displacement of the connecting portion 112 transmitted to the connecting portion 112 and serving as the action point is supported by the fixed portion 102 by two bending beams 107a and 107b that are inclined at a predetermined angle θx. The θx direction moving unit 103 having the upper block is transmitted to the upper block 103b, and is thus swung in the θx direction about the X axis (center O) with respect to the fixed unit 102. The lower block 103a constituting the θx direction moving unit 103 integrated with the upper block 103b also swings integrally in the θx direction.
[0068]
On the other hand, as shown in FIG. 10A, by the coarse adjustment by manual operation of the operation knob 125b and / or the fine adjustment of the piezoelectric actuator 120, the θy direction displacement enlargement part 121 uses the lower connecting part 122 as a fulcrum, and the power point The displacement of the screw 125 portion to be enlarged is transmitted to the upper connecting portion 123, and the enlarged displacement of the connecting portion 123 serving as the action point is the two bending beams 119a inclined at a predetermined angle θy. , 119b is transmitted to the X-direction block 105a supported by the lower block 103a, so that the θy-direction moving unit 105 including the X-direction block 105a has a Y axis (center) with respect to the θy-direction moving unit 103. O) is swung in the θy direction around the center.
[0069]
The θy-direction moving unit 105 is swung in superposition with the above-described swinging of the X-direction moving unit 103 in the θx direction, and is thus displaced and positioned at any position in the θx direction and the θy direction. The inclined bending beams 107a, 107b and 119a, 119b have inclination angles θx, θy so as to be directed from the fixed portion (base) 102 to the X axis and the Y axis that are located at the same length in the Z direction. Accordingly, the θy-direction moving unit 105b serving as the moving stage (106) of the minute displacement device 101 is displaced and positioned at an arbitrary spherical position with the center point O as the center.
[0070]
FIG. 12 is a schematic diagram showing a micro-displacement device according to another embodiment, in which 15 is a fixed portion, 16 is a displacement expanding portion, 17 is a moving portion, 20 is a piezoelectric actuator, and 5 is an adjusting screw. The moving part 17 is connected to the fixed part 15 by two parallel bending beams 19a and 19b.
[0071]
The moving portion 17 is integrally provided with an extending member 17h that extends toward the fixed portion 15 in parallel with the outer side of the one bending beam 19b. On the other hand, an arm 80 is connected to the fixed portion 15 via a thin flat plate connecting portion 80a, and the arm 80 is also connected to the extending member 17h via a thin connecting portion 80b. Therefore, the arm 80 has the connecting portion 80a to the fixed portion 15 as a fulcrum, the connecting portion 80b to the moving portion extending member 17h as a power point, and the fulcrum connecting portion 80a and the force point connecting portion 80b are close to each other. Since they are arranged, an enlargement lever mechanism (mechanical displacement changing mechanism) that moves the tip end portion 80c by enlarging the amount of movement of the force point connecting portion 80b is configured.
[0072]
In addition, a displacement sensor 81 such as a capacitance displacement sensor, a magnetic displacement sensor such as a Hall element, or the like is provided in the vicinity of the detected portion 80c formed of the tip of the arm.
[0073]
Based on the above configuration, the movement due to the voltage application to the piezoelectric actuator 20 is enlarged via the displacement enlargement part 16 and transmitted to the movement part 17 supported by the parallel bending beams 19a and 19b, and to the base. To move the moving stage. The movement of the moving part 17 is transmitted to the arm 80 via the force point connecting part 80b, and the arm 80 rotates around the fulcrum connecting part 80a and expands to the detected part 80c. introduce. The enlarged movement of the arm detected portion 80c is detected by the displacement sensor 81, and the displacement amount of the moving portion 17 serving as the moving stage becomes the detection value of the displacement sensor 81 in consideration of the enlargement rate by the enlargement lever mechanism. Calculated based on
[0074]
FIG. 13 is a diagram showing a further modified embodiment. Since only the enlarged lever mechanism is different from that shown in FIG. 12, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The arm 82 is connected to the fixed portion 15 at one end portion thereof via a connecting portion 82a made of a thin flat plate (flexible beam), and is connected to the moving portion 17 near the tip portion of the connecting portion 82b made of a thin flat plate. It is connected through. Therefore, the arm 82 constitutes a lever mechanism having a small lever ratio, and the displacement amount of the moving part 17 is reduced by the position sensor 81 provided in the vicinity of the detected part 82c located in the middle part of the arm. The displacement of the moving unit 17 is calculated based on the lever ratio.
[0075]
Conventionally, there is hysteresis between the voltage applied to the piezoelectric actuator and the amount of displacement thereof, and it is difficult to control the exact displacement of the micro-displacement device only by controlling the applied voltage. As shown in Japanese Patent No. 4-15435, a strain gauge is affixed to the bending beam, the displacement of the moving part is detected from the strain gauge based on the amount of electricity, and the applied voltage of the piezoelectric actuator is feedback controlled based on this, Accurate positioning is performed.
[0076]
However, it is a strain gauge or other displacement sensor, and there is a limitation on the measurement range in which the resolution can be sufficiently exhibited. Therefore, as shown in FIGS. 12 and 13 described above, the displacement amounts of the detected portions 80c and 82c of the arms 80 and 82 are determined by the displacement sensors 81 using mechanical displacement changing mechanisms 80 and 82 such as a lever mechanism. By setting the position within the appropriate range of resolution, the displacement of the arms 80 and 82 is accurately detected by the displacement sensor 81, and the amount of movement of the moving unit is calculated by the ratio of the mechanical displacement changing mechanism. It is possible to accurately detect the displacement and to perform highly accurate feedback control.
[0077]
The displacement detection of the moving stage by the displacement sensor 81 is not limited to the X direction, and can be similarly applied to other directions such as the Y direction, the Z direction, the θx direction, and the θy direction. Further, the displacement changing mechanism of the arm is not limited to the above-described simple lever mechanism, and may be another mechanical displacement changing mechanism such as a link mechanism such as a toggle or a gear mechanism.
[0078]
Further, the above-described embodiment is applied to the minute displacement device in the X, Y, Z direction and θx, θy direction, but is not limited thereto, the displacement device only in the single axis direction, or the displacement device in the XY direction, θx Alternatively, it can be similarly applied to a displacement device only in the θy direction. In addition, each displacement magnifying mechanism disposed outside the bending beam and the piezoelectric actuator uses the lever ratio as an enlargement, which is an increase in the stroke of the piezoelectric actuator and a further minute displacement (sub-μm order, nm It may be used so as to reduce the lever ratio in accordance with a request for positioning of the order), and any mechanical displacement changing mechanism may be used.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams showing an XYZ direction micro displacement device according to the present invention, in which FIG. 1A is a rear view, and FIG.
FIGS. 2A and 2B are views showing the minute displacement device, in which FIG. 2A is a front view, and FIG. 2B is a side view.
FIG. 3 is a plan view showing an XY direction displacement portion.
FIG. 4 is a front view of the minute displacement device with the moving stage removed.
5A and 5B are front views showing a Z-direction displacement portion, in which FIG. 5A shows an enlarged displacement / moving unit, and FIG. 5B shows a driving unit.
6A and 6B show an assembled Z displacement portion, where FIG. 6A is a plan view, FIG. 6B is a plan view, and FIG. 6C is a rear view.
7A and 7B are diagrams showing the minute displacement device in a state in which the moving stage and the Z-direction displacement portion are removed, in which FIG. 7A is a front view, FIG. 7B is a right side view, and FIG.
8A and 8B are diagrams showing a θx, θy direction micro displacement device (gonio stage) according to the present invention, where FIG. 8A is a plan view and FIG. 8B is a front view.
FIG. 9 is a plan view of the same displacement device, with the moving stage removed.
10A is a side view of FIG. 9, and is a view in a plane parallel to the XX plane viewed from the direction A of FIG. 11, and FIG. 10B is a front view of FIG. The figure in the surface parallel to the YY plane seen from the B direction.
FIG. 11 is a schematic perspective view of the minute displacement device.
FIG. 12 is a plan view showing another embodiment of the present invention.
13 is a plan view showing a modified example of FIG.
[Explanation of symbols]
1,101 Micro displacement device
2,102 base (fixed part, rigid part)
3,106 moving stage
5, 6, 7, 113, 125 Adjusting screw
15 Rigid part (fixed part)
16, 18, 110, 121 Displacement changing means (displacement expanding part)
17 Rigid part (X direction moving part)
19a, 19b, 25a, 25b (parallel) flexible beams
22, 23, 29, 30 connecting part
24 Rigid part (Y direction moving part)
20, 26, 109, 120 Minute displacement actuator (piezoelectric actuator)
21, 27, 115, 127 Energizing means
80,82 Mechanical change mechanism
113 Rigid body (θx direction moving part)
115 Rigid part (θy direction moving part)
107a, 107b, 119a, 119b (Inclined) bending beam
111, 112, 122, 123 connecting part
C space

Claims (8)

２個の剛体部と、これら剛体部を相対移動可能に連結する少なくとも２個の撓み梁と、前記２個の剛体部に相対変位を生じる微小変位アクチュエータと、を備えてなる微小変位装置において、
前記２個の剛体部にそれぞれ連結されると共に前記微小変位アクチュエータに当接し、前記２個の剛体部の内の一方に連結する連結部を支点とし、他方に連結する連結部を作用点とし、前記微小変位アクチュエータの当接部を力点として、前記一方の剛体部との間で前記微小変位アクチュエータが前記力点に生じる変位を、変倍して前記作用点から前記他方の剛体部へ伝達する変位変更手段を備え、
該変位変更手段及び前記微小変位アクチュエータとが、前記２個の剛体部と２個の撓み梁とで囲まれた空間部の外側に配置され、
前記微小変位アクチュエータは、前記一方の剛体部に形成された凹部に配置されると共に、その変位方向の端面が前記凹部の開口に開放されて位置し、
前記変位変更手段に調整スクリューが貫通して螺合されて、該調整スクリューの先端が前記微小変位アクチュエータの開放側端面に当接し、かつ前記変位変更手段が、前記２個の撓み梁の一方の外側を覆うように配置されてなる、
ことを特徴とする微小変位装置。In a micro displacement device comprising two rigid body portions, at least two bending beams that connect the rigid body portions so as to be relatively movable, and a micro displacement actuator that causes relative displacement in the two rigid body portions,
Each of the two rigid body portions is connected to the micro displacement actuator, and is connected to one of the two rigid body portions as a fulcrum, and the connection portion connected to the other is an action point. Displacement in which the displacement generated by the minute displacement actuator between the one rigid body portion and the one rigid body portion is scaled and transmitted from the acting point to the other rigid body portion with the contact portion of the minute displacement actuator as the force point. With changing means,
The displacement changing means and the minute displacement actuator are disposed outside a space portion surrounded by the two rigid body portions and the two bending beams ,
The micro displacement actuator is disposed in a concave portion formed in the one rigid body portion, and an end surface in a displacement direction thereof is opened to an opening of the concave portion, and is positioned.
An adjustment screw is passed through and screwed into the displacement changing means, the tip of the adjustment screw abuts on the open end surface of the minute displacement actuator, and the displacement changing means is one of the two bending beams. Arranged to cover the outside,
A micro displacement device characterized by that. 前記撓み梁は、長手方向略々全長に亘る薄肉平板からなる、
請求項１記載の微小変位装置。The bending beam is formed of a thin flat plate extending substantially in the longitudinal direction.
The micro displacement device according to claim 1. 前記２個の剛体部の間に、前記変位変更手段の力点が前記微小変位アクチュエータに常に当接するように付勢する付勢手段を介在してなる、
請求項１又は２記載の微小変位装置。Between the two rigid body parts, an urging means for urging the force point of the displacement changing means so as to always abut against the minute displacement actuator is interposed.
The micro displacement device according to claim 1 or 2 . 前記支点及び作用点となる連結部は、平行な薄肉平板からなる撓み梁である、
請求項１ないし３のいずれか記載の微小変位装置。The connecting portion serving as the fulcrum and the action point is a bending beam formed of parallel thin flat plates.
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 3 . 前記変位変更手段は、前記力点に作用する変位を前記作用点に拡大して伝達する変位拡大手段である、
請求項１ないし４のいずれか記載の微小変位装置。The displacement changing means is a displacement enlarging means for enlarging and transmitting a displacement acting on the force point to the acting point.
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 4 . 前記２個の剛体部を連結する前記２個の撓み梁は、互いに平行に配置され、前記一方の剛体部に対して前記他方の剛体部を平行に変位自在に支持してなる、
請求項１ないし５のいずれか記載の微小変位装置。The two bending beams connecting the two rigid body portions are arranged in parallel to each other, and support the other rigid body portion so as to be displaceable in parallel to the one rigid body portion,
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 5 . 前記２個の剛体部を連結する前記２個の撓み梁は、所定の一軸に向くように傾斜して配置され、前記一方の剛体部に対して前記他方の剛体部を前記一軸を中心に揺動自在に支持してなる、
請求項１ないし５のいずれか記載の微小変位装置。The two bending beams that connect the two rigid body portions are arranged so as to be inclined toward a predetermined axis, and the other rigid body portion is swung around the one axis with respect to the one rigid body portion. Supporting freely,
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 5 . 前記２個の剛体部との間の相対変位を、機械式変位変更機構を介して変倍して伝達される被検出部と、
該被検出部に近接して配置され該被検出部の変位を検出する変位センサと、を備え、
該変位センサにて検出された検出値に基づき前記微小変位アクチュエータをフィードバック制御してなる、
請求項１ないし７のいずれか記載の微小変位装置。A detected portion that is transmitted by scaling the relative displacement between the two rigid body portions via a mechanical displacement changing mechanism;
A displacement sensor disposed in proximity to the detected part and detecting the displacement of the detected part,
Feedback control of the minute displacement actuator based on a detection value detected by the displacement sensor;
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 7 .
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