JP4059479B2

JP4059479B2 - Micro displacement device

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Publication number: JP4059479B2
Application number: JP2002069191A
Authority: JP
Inventors: 広之山宮; 峯夫水村
Original assignee: SIGMAKOKI Co Ltd
Current assignee: SIGMAKOKI Co Ltd
Priority date: 2002-03-13
Filing date: 2002-03-13
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2022-03-13
Also published as: JP2003274677A

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】
前記圧電アクチュエータの変位量は、一定の微少量からなるため、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６−７７２１７号公報に示されるように、圧電アクチュエータの変位を、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】
前記微小変位装置は、固定側剛体部及び移動側剛体部を、それぞれ薄肉の弾性ヒンジで連結した２個の梁又は全長に亘り可撓性を有する平行平板（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内に前記圧電アクチュエータが、その変位方向が前記撓み梁の長手方向と交差する方向に配置され、前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）を構成している。
【０００５】
従って、従前の微小変位装置に比較して、より大きな変位量を得ることができるようにはなっているが、このような構成の微小変位装置で、前記圧電アクチュエータの変位を拡大しても、前記移動側剛体部の変位量は、数１００μｍ程度であり、移動範囲が狭く、実作業の現場においては使い難いものであった。
【０００６】
そこで、本発明は、微小変位アクチュエータ及び／又は調整スクリューの配置を工夫し、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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は（例えば、図５、図６及び図８参照）、第１の剛体部（３５）と、第２の剛体部（３６）と、これらの剛体部を相対的に変位可能に連結する複数の連結部材（４１ａ、４１ｂ）と、前記第１及び第２の剛体部間に相対的変位を発生する微小変位アクチュエータ（５０）と、を備えてなる微小変位装置において、
前記第１の剛体部（３５）に移動自在に移動部（３７）を連結し、
該移動部（３７）と前記第１の剛体部（３５）との間に調整スクリュー（７）を介在し、
前記移動部（３７）と前記第２の剛体部（３６）との間に、前記微小変位アクチュエータ（５０）をその駆動方向と前記相対的変位方向とが一致しないようにバイアスして、かつ両端部にそれぞれ回動部（５０ａ、５０ｂ）を介して連結してなる、
ことを特徴とする微小変位装置にある。
【０００８】
請求項２に係る本発明は、前記調整スクリュー（７）は、前記第１の剛体部（３５）に、前記微小変位アクチュエータ（５０）の変位方向（例えばＹ方向）と略々等しい方向に進退自在に配置され、
前記移動部（３７）は、前記第１の剛体部（３５）に、略々前記調整スクリュー（７）の進退方向に移動自在に連結され、かつ該移動部（３７）の一側面に前記調整スクリュー（７）の先端（７ｂ）を当接すると共に、他側面に前記微小変位アクチュエータ（５０）の回動部（５０ａ）を連結してなる、
請求項１記載の微小変位装置にある。
【０００９】
請求項３に係る本発明（例えば図５、図６参照）は、前記連結部材（４１ａ、４１ｂ）は、その長手方向略々全長に亘って可撓性を有する薄肉平板からなる、
請求項１又は２記載の微小変位装置にある。
【００１０】
請求項４に係る本発明（例えば図８参照）は、前記連結部材（４１ａ、４１ｂ）は、その長手方向両端部が可撓性を有する薄肉平板（４１ｄ、４１ｄ）からなり、かつその中間部が剛体（４１ｃ、４１ｃ）からなる、
請求項１又は２記載の微小変位装置にある。
【００１１】
請求項５に係る本発明は、前記連結部材（４１ａ、４１ｂ）は、互いに平行に配置された平行梁である、
請求項３又は４記載の微小変位装置にある。
【００１２】
請求項６に係る本発明は、前記移動部（３７）は、前記第１の剛体部（３５）との間に、長手方向略々全長に亘って可撓性を有する薄肉平板（４３ａ、４３ｂ）を複数個平行に配置して支持してなる、
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。
【００１３】
請求項７に係る本発明は、前記移動部（３７）は、前記第１の剛体部（３５）との間に、その長手方向両端部が可撓性を有する薄肉平板（４１ｄ、４１ｄ）からなり、かつその中間部が剛体（４３ｃ、４３ｃ）からなる梁（４３ａ、４３ｂ）を複数個平行に配置して支持してなる、
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。
【００１４】
請求項８に係る本発明は、前記微小変位アクチュエータ（５０）の両端の回動部（５０ａ、５０ｂ）は、面又は線対偶からなる、
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。
【００１５】
請求項９に係る本発明（例えば図４参照）は、固定部（１５）に対してＸ方向に変位するＸ方向移動部（１７）と、該Ｘ方向移動部（１７）に対してＹ方向に変位するＹ方向移動部（２４）と、を備え、
前記第１の剛体部（３５）を前記Ｙ方向移動部（２４）に固定し、前記第２の剛体部（３６）が、前記Ｙ方向移動部（２４）に対してＺ方向に変位するＺ方向移動部を構成してなる、
請求項１ないし８いずれか記載の微小変位装置にある。
【００１６】
なお、前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。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によると、微小変位アクチュエータをバイアス配置した簡単な構成でもって、該微小変位アクチュエータによる高い精度と信頼を有する微小範囲の位置決めを行なうものでありながら、調整スクリューを移動部を介して微小変位アクチュエータの一方の回動部に連結して、微小変位該調整スクリューにより微小変位アクチュエータの位置を移動させて、第２の剛体部の変位量をより大きくすることができ、位置決め範囲を広くして使いやすい微小変位装置を提供することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によると、前記調整スクリューは、前記第１の剛体部に、前記相対変位方向と平行な面に直交する方向に進退自在に配置され、前記移動部は、該第１の剛体部に、略々該調整スクリューの進退方向に移動自在に連結され、かつ該移動部の一側面に該調整スクリューの先端を当接すると共に、他側面に前記微小変位アクチュエータの回動部を連結しているので、高い信頼性及び耐久性を有する合理的な配置構成により、操作しやすい方向に配置された調整スクリューを進退させることにより、該微小変位アクチュエータで調整可能な範囲への粗位置決めを行なうことができ、微小変位装置を用いる作業の作業性を向上させることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によると、前記第１の剛体部と第２の剛体部とを相対的に変位可能に連結する前記複数の連結部材を、その長手方向略々全長に亘って可撓性を有する薄肉平板で構成しているので、微小変位装置の製造を容易にすることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によると、前記連結部材は、その長手方向両端部が可撓性を有する薄肉平板からなり、かつその中間部を剛体としたので、該連結部材で振動を発生させることがなく、より高精度の位置決めを行なうことができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によると、前記連結部材を、互いに平行に配置された平行梁としたので、前記第２の剛体部を揺動させることなく、確実に平行移動させることができ、より高精度の位置決めを行なうことができる。
【００２２】
請求項６に係る発明によると、前記移動部は、前記第１の剛体部との間に、長手方向略々全長に亘って可撓性を有する薄肉平板を複数個平行に配置しているので、該移動部と前記調整スクリューの先端とを常に接触させておくことができ、該調整スクリューの動きを前記微小変位アクチュエータに確実に伝えることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明によると、前記移動部は、前記第１の剛体部との間に、その長手方向両端部が可撓性を有する薄肉平板からなり、かつその中間部が剛体からなる梁を複数個平行に配置して支持するようにしているので、該移動部の振動をなくし、より高精度の位置決めを行なうことができる。
【００２４】
請求項８に係る発明によると、前記微小変位アクチュエータの両端の回動部は、面又は線対偶からなるので、前記移動部の移動あるいは該微小変位アクチュエータの伸縮により、該微小変位アクチュエータと移動部及び第２の剛体部との接続角度の変化に対応することができ、該第２剛体部を円滑に移動させることができる。
【００２５】
請求項９に係る発明によると、前記第２剛体部がＺ方向変位部分のＺ方向移動部を構成しているので、Ｚ方向の移動範囲を大きくすることができ、実作業における使い勝手を向上させることができる。
【００２６】
【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、該移動ステージ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（図２（ａ）参照）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５、６、７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。
【００２７】
図３は、ＸＹ方向の変位部分を示す図で、図１及び２における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１３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。
【００２８】
前記固定部１５は、前記基盤２にネジ（図示せず）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及び前記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、かつ該固定部１５及びＸ方向移動部１７に一体に形成されて連結されている。従って、該Ｘ方向移動部１７は、該固定部１５に対して、平行な該撓み梁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。
【００２９】
前記圧電アクチュエータ収納部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、その一端を該圧電アクチュエータ収納部１５ａの底面に固定して配置されており、また、前記凹部１５ｂには、前記固定部１５とＸ方向移動部１７とに亘って板ばね２１がその両端を固定され、かつ所定量偏倚されて配置されている。また、一体ブロックからなる該固定部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、該固定部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、該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、それぞれ該固定部１５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穴が貫通されて前記Ｘ方向調整スクリュー５が螺合している。該Ｘ方向調整スクリュー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、該圧電アクチュエータ２０の他端に当接している。
【００３０】
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前記固定部１５及びＸ方向移動部１７と、これらを連結する前記撓み梁１９ａ、１９ｂとにより囲まれた空間部の外側に配置されている。また、該Ｘ方向変位拡大部１６は、該一方の撓み梁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、該Ｘ方向変位拡大部１６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、該固定部側連結部２２が支点、該Ｘ方向移動部側連結部２３が作用点、そして、該圧電アクチュエータ２０に当接する前記Ｘ方向調整スクリュー５部分が力点となって、該Ｘ方向変位拡大部１６は、拡大てこ機構を構成している。なお、前記板ばね２１は、該固定部１５に対して該Ｘ方向移動部１７を矢印Ｘ１方向に付勢しており、従って、該作用点連結部２３を介して該Ｘ方向変位拡大部１６を、該支点連結部２２を中心に時計方向に回転付勢し、力点である該Ｘ方向調整スクリュー５の先端５ｂが、常に該圧電アクチュエータ２０に当接するように付勢している。
【００３１】
一方、前記Ｘ方向移動部１７は、前記固定部１５の圧電アクチュエータ収納部１５ａに対して直交する方向に延びて一側面（図中上側面）にて開口する前記圧電アクチュエータ収納部１７ａと、前記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２４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、かつ該Ｘ方向及びＹ方向移動部１７、２４に一体に形成されて連結されており、かつ該撓み梁１９ａ、１９ｂとは直交する方向に延びている。従って、該Ｙ方向移動部２４は、該Ｘ方向移動部１７に対して、平行な該撓み梁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、該Ｘ方向移動部１７は、上述したように、Ｘ方向に対しては、該固定部１５に対する移動部を構成するが、Ｙ方向に対しては、該Ｙ方向移動部２４に対する固定部となる。
【００３２】
前記圧電アクチュエータ収納部１７ａには、前記圧電アクチュエータ２０と同様に、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、その一端を該圧電アクチュエータ収納部１７ａの底面に固定されて配置されており、また前記凹部１７ｂには、前記Ｙ方向移動部２４が配置されている。更に、前記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、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、前記板ばね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該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。
【００３３】
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前記Ｘ方向移動部１７及びＹ方向移動部２４と、これらを連結する前記撓み梁２５ａ、２５ｂとにより囲まれた空間部の外側に配置されている。また、該Ｙ方向変位拡大部１８は、該一方の撓み梁２５ａの外側を覆うように略々平行に配置されており、該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、該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、それぞれ該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Ｙ方向変位拡大部１８の一端部にねじ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Ｙ方向調整スクリュー６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、該圧電アクチュエータ２６の他端に当接している。該薄肉の両連結部２９、３０は、該Ｙ方向変位拡大部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、該Ｘ方向移動部側連結部３０が支点、該Ｙ方向移動部側連結部２９が作用点、そして、該圧電アクチュエータ２６に当接する該Ｙ方向調整スクリュー６部分が力点となって、該Ｙ方向変位拡大部１８は、拡大てこ機構を構成している。
【００３４】
なお、前記板ばね２７は、前記Ｘ方向移動部１７に対して前記Ｙ方向移動部２４を矢印Ｙ１方向に付勢しており、従って、前記作用点連結部２９を介して前記Ｙ方向変位拡大部１８を、前記支点連結部３０を中心に時計方向に回動付勢して、前記Ｙ方向調整スクリュー６の先端６ｂが前記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、一方の前記撓み梁１９ａ、２５ａは、その外側を前記各変位拡大部１６、１８に覆われて保護されているが、他方の前記撓み梁１９ｂ、２５ｂは、前記固定部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。
【００３５】
ついで、前述した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、前記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、前記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、該Ｘ方向調整スクリュー５の進退に基づき、前記Ｘ方向変位拡大部１６が前記支点連結部２２を中心に回動して、前記撓み梁１９ａ、１９ｂにて支持されている前記Ｘ方向移動部１７を、前記作用点連結部２３を介して前記固定部１５に対してＸ方向に移動する。
【００３６】
同様に、Ｙ方向の粗動位置調整（位置決め）は、前記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、その先端６ｂが前記圧電アクチュエータ２６に当接して固定状態にあるので、前記Ｙ方向変位拡大部１８が前記支点連結部３０を中心に回動して、前記撓み梁２５ａ、２５ｂにて支持されている前記Ｙ方向移動部２４を、前記作用点２９を介して前記Ｘ方向移動部１７に対してＹ方向に移動する。これにより、前記固定部１５と一体の前記基盤２に対して、後述するＺ方向変位部を介して該Ｙ方向移動部２４とＸＹ方向に一体の前記移動ステージ３が、前記Ｘ方向及びＹ方向調整スクリュー５、６によりＸ方向及びＹ方向に粗動位置調整される。
【００３７】
該粗動位置調整された状態で、コントローラにより前記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２０、２６は、その供給電圧と変位との間に所定の関係を備えており、前記所定電圧の印加により所定の微小変位を生じる。この状態では、前記Ｘ方向及びＹ方向調整スクリュー５、６は所定螺合状態に保持されており、かつ前述したように、前記板ばね（付勢手段）２１、２７により該Ｘ方向及びＹ方向調整スクリュー５、６の先端５ｂ、６ｂと該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、前述した圧電アクチュエータ２０、２６の微小変位は、それぞれ前記Ｘ方向変位拡大部１６及びＹ方向変位拡大部１８の力点である該Ｘ方向及びＹ方向調整スクリュー５、６部分に作用し、前記変位拡大部１６、１８は、前記支点連結部２２、３０を支点として、前記作用点連結部２３、２９に変位を拡大して作用する。
【００３８】
そして、前述したＸ方向及びＹ方向調整スクリュー５、６による粗動と同様に、前記圧電アクチュエータ２０に基づく前記変位拡大部１６の作用点連結部２３の変位は、平行な２個の前記撓み梁１９ａ、１９ｂにより前記固定部１５に対して平行支持されている前記Ｘ方向移動部１７をＸ方向に移動し、また前記圧電アクチュエータ２６に基づく前記変位拡大部１８の作用点連結部２９の変位は、平行な２個の前記撓み梁２５ａ、２５ｂにより該Ｘ方向移動部１７に対して平行支持されている前記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２４に後述するＺ方向変位部を介して連動されている前記移動ステージ３が、Ｘ方向及びＹ方向に所定量微小変位する。
【００３９】
ついで、図４及び図５に沿って、本発明の要部となる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、１個の金属ブロックから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及び移動部３７を有しており、該各部３５、３６、３７は剛体部からなる。そして、前記固定部３５は、ネジ孔３５ａ、３５ａを介して、前述したＹ方向移動部２４にネジ３９（図２（ｂ）参照、Ｙ方向移動部２４のネジ孔を図３に３９ａ、３９ａで示す）により固定されており、また、Ｚ方向移動部３６は、ネジ孔４０ａ、４０ａを介して、ネジ４０（図２（ｂ）参照、図４、図５にもネジ孔４０ａを示す）により前記移動ステージ３に固定されている。
【００４０】
そして、前記固定部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な２個の撓み梁４１ａ、４１ｂにより互いに連結されている。従って、該Ｚ方向移動部３６は、該固定部３５に対して上下方向、即ち、矢印Ｚ方向に、該互いに平行な２個の該撓み梁４１ａ、４１ｂが撓み変形することにより移動（変位）し得る。また、該固定部３５と移動部３６との間には、両端が固定され、かつ所定量偏倚されて板ばね４４が配置されている。なお、該固定部３５は、前記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、前記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、該Ｚ方向移動部３６に対する固定部となる。
【００４１】
また、前記移動部３７は、前記固定部３５と一体に形成され、かつ矢印Ｙ方向に隔てられて配置された薄肉平板からなる平行な２個の撓み梁４３ａ、４３ｂにより互いに連結されている。従って、該移動部３７は、該固定部３５に対して矢印Ｙ方向に、互いに平行な２個の該撓み梁４３ａ、４３ｂが撓み変形することにより移動（変位）し得る。また、該固定部３５の一端部には、ネジ孔４５が貫通して形成され、該ネジ孔４５には、内周面及び外周面にネジが形成されたナット４６が螺合して固定され、該ナット４６のネジ孔を貫通するように前記Ｚ方向調整スクリュー７が螺合し、該Ｚ方向調整スクリュー７のノブ７ａが外方に突出して位置しており、かつその先端部７ｂが該移動部３７の一端に当接している。
【００４２】
前記固定部３５、Ｚ方向移動部３６、移動部３７及び撓み梁４１ａ、４１ｂで囲まれた空間には、前述と同様な複数個のピエゾ素子を積層し、かつ両端部に回動部となるピボット５０ａ、５０ｂを有して構成される圧電アクチュエータ５０が、その駆動方向と該Ｚ方向移動部３６の相対変位方向が一致しないようにバイアスして配置されている。該圧電アクチュエータ５０のピボット５０ａは、該移動部３７の矢印Ｙ２側の端面に回動自在に連結され、該ピボット５０ｂは、該Ｚ方向移動部３６の矢印Ｙ１側の端面に回動自在に連結されている。なお、該ピボット５０ａ、５０ｂの形状は、球状もしくは円柱状に形成され、該ピボット５０ａと該移動部３７の間、該ピボット５０ｂと該Ｚ方向移動部３６の間に、面もしくは線対偶を構成している。
【００４３】
なお、前記板ばね４４は、前記固定部３５に対して前記Ｚ方向移動部３６を矢印Ｚ１方向に付勢しており、前記圧電アクチュエータ５０を介して前記移動部３７を、前記撓み梁４３ａ、４３ｂを中心として反時計方向に回動付勢している。従って、該移動部３７と前記Ｚ方向調整スクリュー７の先端７ｂの間の当接が常に保持されている。また、該撓み梁４３ａ、４３ｂは、固定部３５の内側に設けられて保護されている。また、前記撓み梁４１ａは、前記Ｘ方向の固定部１５及びＸ方向移動部１７と対向する位置に設けられ、撓み梁４１ｂは、前記移動ステージ３と対向する位置に設けられるので、外からのダメージを受けることはない。
【００４４】
ついで、前記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、前記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、前記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。
【００４５】
粗動調整は、図５に示す状態から、前記Ｚ方向調整スクリュー７をノブ７ａにて回転することにより行われ、この際、前記圧電アクチュエータ５０は、電圧が供給されていない状態で一定の長さに維持されている。該Ｚ方向調整スクリュー７の先端７ｂを矢印Ｙ２方向に移動させると、該先端７ｂが前記移動部３７を押して、図６に示すように、前記撓み梁４３ａ、４３ｂを撓ませながら該移動部３７を矢印Ｙ２方向に移動させる。該移動部３７の矢印Ｙ２方向への移動は、該移動部３７から前記ピボット５０ａを介して該圧電アクチュエータ５０に伝達され、更に前記ピボット５０ｂを介して前記Ｚ方向移動部３６に伝達される。そして、該圧電アクチュエータ５０が一定長さからなり、かつＺ方向移動部３６は、撓み梁４１ａ、４１ｂによりＹ方向に変位し得ないので、前記圧電アクチュエータ５０の傾斜角θに基づき、移動部３７のＹ方向移動量ｙに対して、Ｚ＝ｙｓｉｎθとなるＺ方向移動量にて、該Ｚ方向移動部３６は、前記撓み梁４１ａ、４１ｂ及び板ばね４４を撓ませながら矢印Ｚ１方向に移動して粗動調整される。
【００４６】
該粗動調整された状態で、コントローラにより前記圧電アクチュエータ５０に所定電圧を供給する。該圧電アクチュエータ５０は、その供給電圧と変位との間に所定関係を備えており、前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、前記Ｚ方向調整スクリュー７は、所定螺合状態に保持されており、かつ上述したように、前記板ばね（付勢手段）４４により該Ｚ方向調整スクリュー７の先端７ｂと前記移動部３７とは常に当接した状態にあるので、該圧電アクチュエータ５０の微小変位は、前記Ｚ方向移動部３６に作用する。
【００４７】
そして、前述したＺ方向調整スクリュー７による粗動と同様に、前記圧電アクチュエータ５０に基づく微小変位は、平行な２個の前記撓み梁４１ａ、４１ｂにより前記固定部３５に対して平行支持されている前記Ｚ方向移動部３６をＺ方向に移動させ、該Ｚ方向移動部３６に連結されている前記移動ステージ３がＺ方向に所定量微小変位する。
【００４８】
従って、前述したように、前記基盤２に固定されている前記固定部１５に対して、前記Ｘ方向調整スクリュー５及び／又は前記圧電アクチュエータ２０により前記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、前記Ｙ方向調整スクリュー６及び／又は前記圧電アクチュエータ２６により前記Ｙ方向移動部２４がＹ方向に移動し、前述したように、前記Ｚ方向調整スクリュー７及び／又は前記圧電アクチュエータ５０により前記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に固定されている前記移動ステージ３が、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動する。
【００４９】
なお、前述した各調整スクリュー５、６、７のノブ５ａ、６ａ、７ａによる前記移動ステージ３の移動は、該各ノブ５ａ、６ａ、７ａ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、前記各圧電アクチュエータ２０、２６、５０による微小範囲での該移動ステージ３の移動は、目視で確認することは困難である。
【００５０】
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。前記基盤２に固定されている前記固定部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（前記移動ステージ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（該移動ステージ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傾けて固定部材となる２個の枠６６、６７が固定されている。一方、前記各固定枠６１、６６、６７に対応する該移動ステージ３の側面３ｂ、３ｃには、図２に示すように、それぞれ該各固定枠６１、６６、６７に対向して移動部材となる切欠き窓６９、７０、７１が形成されている。
【００５１】
そして、前記各固定枠６１、６６、６７及び切欠き窓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、互いに対向する該格子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、該格子１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ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、該格子１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂのピッチをＰとし、前記所定角度をθとすると、Ｌ＝Ｐ／θとなり、所定角度θの値を小さく取ることによって、モアレ縞の移動量は、該格子１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ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、前記所定角度θを５度とすると、モアレ縞の移動量は、該格子１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂの移動量の略々１１倍となって目視される。
【００５２】
前記枠６５と切欠き窓６９に配置された前記格子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前記側面３ｂに配置されており、従って、前記移動ステージ３のＸ方向の動きにより、前記モアレ縞が拡大して移動して、Ｘ方向の前記移動確認装置１０を構成し、また、前記枠６６と切欠き窓７０に配置された前記格子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、該移動ステージ３のＹ方向の動きにより、前記モアレ縞が拡大して移動して、Ｙ方向の前記移動確認装置１１を構成する。さらに、前記枠６７と切欠き窓７１に配置された格子１２ａ、１２ｂは、水平方向に設けられており、かつ該移動ステージ３のＺ方向の移動に関しては、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、該Ｙ方向確認装置１１と同じ側面３ｃに配置され、従って、該移動ステージ３のＺ方向の動きにより前記モアレ縞が拡大して移動して、Ｚ方向の前記移動確認装置１２を構成する。
【００５３】
前記構成により、前記圧電アクチュエータ２０、２６、５０に基づき前記移動ステージ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確認できるように拡大して移動し、これにより、前記移動ステージ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、該圧電アクチュエータ２０、２６、５０への電圧印加によっても、該圧電アクチュエータ２０、２６、５０に対応する該移動確認装置１０、１１、１２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２０、２６、５０又はその配線等に異常があることが直ちに確認できる。
【００５４】
ついで、図８に沿って、前記Ｚ方向変位部分IIの一部変更した実施の形態について説明する。なお、本実施の形態は、前記撓み梁４１ａ、４１ｂ、４３ａ、４３ｂの形状が異なり、他の部分は、図５、図６に示したものと実質的に同じなので、同一符号を付して説明を省略する。
【００５５】
本Ｚ方向変位部分IIも、図８に示すように、１個の金属ブロックから放電加工により形成された一体物からなる固定部３５、Ｚ方向移動部３６及び移動部３７を有しており、これら各部３５、３６、３７は、剛体部からなり、かつ該固定部３５とＺ方向移動部３６は、２個の平行な撓み梁４１ａ、４１ｂにより連結され、該固定部３５と移動部３７は、２個の平行な撓み梁４３ａ、４３ｂにより連結されている。また、該Ｚ方向移動部３６と移動部３７との間には、前記圧電アクチュエータ５０が配設されている。
【００５６】
前記撓み梁４１ａ、４１ｂは、中央部が剛体４１ｃ、４１ｃに形成され、前記固定部３５及び移動部３６とに連結される両端部が薄肉平板４１ｄ、４１ｄの弾性ヒンジとして形成されている。同様に、前記撓み梁４３ａ、４３ｂは、中央部が剛体４３ｃ、４３ｃに形成され、前記固定部３６及び移動部３７とに連結される両端部が薄肉平板４３ｄ、４３ｄの弾性ヒンジとして形成されている。
【００５７】
前記の構成としても、前記図５、図６に示す実施の形態と同様に作用を行なうことが出来る。また、本実施の形態によれば、前記撓み梁４１ａ、４１ｂ及び撓み梁４３ａ、４３ｂの中央部を前記剛体４１ｃ、４１ｃ及び剛体４３ｃ、４３ｃとすることにより、該撓み梁４１ａ、４１ｂ及び撓み梁４３ａ、４３ｂの振動を押え、安定した作業を行なうことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る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）は正面図、（ｂ）は側面図。
【図３】ＸＹ方向変位部分を示す平面図。
【図４】移動ステージを取り外した状態の微小変位装置の平面図。
【図５】Ｚ方向変位部分の正面図。
【図６】Ｚ方向変位部分の変位状態を示す正面図。
【図７】移動ステージ及びＺ方向変位部分を取り外した状態の微小変位装置を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は正面図。
【図８】Ｚ方向変位部分の一部を変更した実施の形態を示す正面図。
【符号の説明】
１微小変位装置
７Ｚ方向調整スクリュー
１５固定部
１７Ｘ方向移動部
２４Ｙ方向移動部
３５（一方の）剛体部（固定部）
３６（他方の）剛体部（Ｚ方向移動部）
３７移動部
４１ａ、４１ｂ連結支持部（撓み梁）
５０微小変位（圧電）アクチュエータ
I ＸＹ変位部分
II Ｚ方向変位部分[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a micro-displacement device used in fields requiring semiconductor positioning, optical fiber connection, high-magnification microscope positioning, and the like.
[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 μm order, sub μm 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 consists of a fixed minute amount, a desired displacement amount cannot be obtained with the displacement amount of the piezoelectric actuator. For this reason, for example, as disclosed in Japanese Patent Publication No. 6-77217. In addition, a micro displacement device has been proposed in which the displacement of a piezoelectric actuator is transmitted to a moving part via a displacement enlarging mechanism to obtain a predetermined displacement amount.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The micro-displacement device is composed of two beams in which a fixed-side rigid body part and a movable-side rigid body part are connected by thin elastic hinges, or parallel flat plates (hereinafter referred to as flexure beams) having flexibility over the entire length. And the piezoelectric actuator is disposed in a space surrounded by both the rigid body portions and the two deflecting beams in a direction in which the displacement direction intersects the longitudinal direction of the deflecting beam. And a displacement enlarging mechanism (displacement changing means).
[0005]
Accordingly, it is possible to obtain a larger amount of displacement compared with the conventional micro displacement device, but with the micro displacement device having such a configuration, even if the displacement of the piezoelectric actuator is enlarged, The displacement amount of the moving-side rigid body portion is about several hundreds μm, the moving range is narrow, and it is difficult to use in the actual work site.
[0006]
Therefore, the present invention has an object to provide a micro displacement device that devise the arrangement of the micro displacement actuator and / or the adjusting screw to solve the above-described problems.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 (see, for example, FIGS. 5, 6, and 8), the first rigid body portion (35), the second rigid body portion (36), and these rigid body portions are relatively displaced. In a micro displacement device comprising a plurality of coupling members (41a, 41b) to be coupled to each other and a micro displacement actuator (50) that generates a relative displacement between the first and second rigid bodies,
A movable part (37) is movably connected to the first rigid part (35),
An adjusting screw (7) is interposed between the moving part (37) and the first rigid part (35),
The micro-displacement actuator (50) is biased between the moving part (37) and the second rigid body part (36) so that the driving direction and the relative displacement direction do not coincide with each other, and both ends Connected to each other via rotating parts (50a, 50b),
There is a micro displacement device characterized by the above.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, the adjusting screw (7) advances and retracts in the first rigid body portion (35) in a direction substantially equal to a displacement direction (for example, the Y direction) of the minute displacement actuator (50). Arranged freely,
The moving part (37) is connected to the first rigid body part (35) so as to be movable in the advancing / retreating direction of the adjusting screw (7), and is adjusted to one side surface of the moving part (37). The tip (7b) of the screw (7) is brought into contact, and the rotating portion (50a) of the minute displacement actuator (50) is connected to the other side surface.
It exists in the micro displacement apparatus of Claim 1.
[0009]
In the present invention according to claim 3 (see, for example, FIGS. 5 and 6), the connecting member (41a, 41b) is formed of a thin flat plate having flexibility over substantially the entire length in the longitudinal direction.
It exists in the micro displacement apparatus of Claim 1 or 2.
[0010]
According to the fourth aspect of the present invention (see, for example, FIG. 8), the connecting members (41a, 41b) are formed of thin flat plates (41d, 41d) whose longitudinal ends are flexible, and an intermediate portion thereof. Consists of rigid bodies (41c, 41c),
It exists in the micro displacement apparatus of Claim 1 or 2.
[0011]
In the present invention according to claim 5, the connecting members (41a, 41b) are parallel beams arranged in parallel to each other.
It exists in the micro displacement apparatus of Claim 3 or 4.
[0012]
According to a sixth aspect of the present invention, the moving portion (37) is a thin flat plate (43a, 43b) having flexibility over substantially the entire length in the longitudinal direction between the moving portion (37) and the first rigid body portion (35). ) Are arranged in parallel and supported,
It exists in the micro displacement apparatus in any one of Claim 1 thru | or 5.
[0013]
According to a seventh aspect of the present invention, the moving portion (37) includes a thin flat plate (41d, 41d) whose longitudinal ends are flexible between the moving portion (37) and the first rigid body portion (35). And the middle part is arranged in parallel and supports a plurality of beams (43a, 43b) made of rigid bodies (43c, 43c).
It exists in the micro displacement apparatus in any one of Claim 1 thru | or 5.
[0014]
In the present invention according to claim 8, the rotating portions (50a, 50b) at both ends of the minute displacement actuator (50) are composed of a plane or a line pair.
It exists in the micro displacement apparatus in any one of Claim 1 thru | or 7.
[0015]
The present invention according to claim 9 (see, for example, FIG. 4) includes an X-direction moving portion (17) that is displaced in the X direction with respect to the fixed portion (15), and a Y direction with respect to the X-direction moving portion (17). And a Y-direction moving part (24) that is displaced to
The first rigid body portion (35) is fixed to the Y-direction moving portion (24), and the second rigid body portion (36) is displaced in the Z direction with respect to the Y-direction moving portion (24). Comprising a direction moving part,
It exists in the micro displacement apparatus in any one of Claim 1 thru | or 8.
[0016]
Note that the reference numerals in the parentheses are for comparison with the drawings, but this is for the sake of convenience for facilitating the correspondence with the embodiment and speeding up the understanding. It has no effect on the composition of
[0017]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the adjustment screw is mounted on the moving portion with a simple configuration in which the minute displacement actuator is biased and the minute displacement actuator is positioned with high accuracy and reliability. The displacement of the second rigid body portion can be further increased by moving the position of the micro displacement actuator by the micro displacement and the adjusting screw. It is possible to provide a micro displacement device that is wide and easy to use.
[0018]
According to the invention according to claim 2, the adjusting screw is disposed on the first rigid body portion so as to be movable back and forth in a direction perpendicular to a plane parallel to the relative displacement direction, and the moving portion includes the first screw. The adjustment screw is connected to the rigid body so as to be movable in the advancing / retreating direction of the adjusting screw, and the tip of the adjusting screw is brought into contact with one side surface of the moving unit, and the rotating portion of the micro displacement actuator is connected to the other side surface. Therefore, with a rational arrangement configuration with high reliability and durability, by moving the adjustment screw arranged in an easy-to-operate direction, it is possible to perform rough positioning within the range adjustable by the micro displacement actuator. It is possible to improve the workability of the work using the minute displacement device.
[0019]
According to a third aspect of the present invention, the plurality of connecting members that connect the first rigid body portion and the second rigid body portion so as to be relatively displaceable are flexible over substantially the entire length in the longitudinal direction. Therefore, it is possible to easily manufacture the micro displacement device.
[0020]
According to the invention of claim 4, the connecting member is formed of a thin plate having flexibility at both ends in the longitudinal direction and the intermediate part is a rigid body, so that the connecting member can generate vibration. Therefore, positioning with higher accuracy can be performed.
[0021]
According to the fifth aspect of the present invention, since the connecting members are parallel beams arranged in parallel to each other, the second rigid body portion can be reliably translated without being oscillated. Accurate positioning can be performed.
[0022]
According to the invention which concerns on Claim 6, since the said moving part has arrange | positioned in parallel several thin thin plates which have flexibility over a full length in the longitudinal direction between said 1st rigid body parts. The moving portion and the tip of the adjustment screw can be kept in contact with each other, and the movement of the adjustment screw can be reliably transmitted to the minute displacement actuator.
[0023]
According to the invention of claim 7, the moving portion is a beam in which both longitudinal end portions are flexible thin plates and the intermediate portion is a rigid body between the moving portion and the first rigid portion. Are arranged in parallel and supported, so that the vibration of the moving part can be eliminated and more accurate positioning can be performed.
[0024]
According to the eighth aspect of the present invention, the rotating portions at both ends of the minute displacement actuator are composed of a surface or a line pair, so that the minute displacement actuator and the moving portion are moved by the movement of the moving portion or the expansion / contraction of the minute displacement actuator. And it can respond to the change of a connection angle with a 2nd rigid body part, and can move this 2nd rigid body part smoothly.
[0025]
According to the invention according to claim 9, since the second rigid body portion constitutes the Z-direction moving portion of the Z-direction displacement portion, the moving range in the Z-direction can be increased, and usability in actual work is improved. be able to.
[0026]
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, side surfaces 3b that hang in a direction orthogonal to each side, 3c, 3d, and 3e, the X-direction movement confirmation device 10 (see FIG. 2B) on the side surface 3b, and the Y-direction movement confirmation device 11 and the Z-direction movement confirmation device 12 (FIG. 2A) on the side surface 3c. )) Is provided. 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 5, 6, and 7 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.
[0027]
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 in FIGS. 1 and 2 are removed, and portions unnecessary for the description of the terminal 13 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.
[0028]
The fixing portion 15 is fixed to the base 2 with screws (not shown), and opens to the piezoelectric actuator housing portion 15a that opens on one side surface (right side surface in the drawing) and the X-direction moving portion 17 side. A recess 15b is provided. 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 portion 15 and the X-direction moving portion 17. Accordingly, 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 fixing unit 15.
[0029]
In the piezoelectric actuator accommodating portion 15a, a piezoelectric actuator 20 that constitutes a minute displacement actuator by laminating a predetermined number of piezoelectric elements is disposed with one end fixed to the bottom surface of the piezoelectric actuator accommodating portion 15a. In the recess 15b, the leaf springs 21 are arranged so as to be fixed to both ends of the fixing portion 15 and the X-direction moving portion 17 and biased by a predetermined amount. Further, an X-direction displacement enlarging portion 16 is disposed outside one side (right side of the drawing) of the fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17 formed of an 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. Are connected to the fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17 by a connecting portion 23 made of a similarly thin flat-plate bending beam, and the X-direction adjusting screw 5 is inserted into a screw hole at one end thereof. It is screwed. The operation knob 5 a of the X-direction adjusting screw 5 is positioned so as to protrude outward, and its tip 5 b is in contact with the other end of the piezoelectric actuator 20.
[0030]
Therefore, the piezoelectric actuator 20 and the X-direction displacement enlargement portion 16 are a space surrounded by the fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17 formed of two rigid body portions and the bending beams 19a and 19b connecting them. It is arranged outside the part. Further, the X-direction displacement enlarging portion 16 is arranged substantially in parallel so as to cover the outer side of the one deflecting beam 19a, and the thin-walled connecting portions 22, 23 are arranged in the X-direction displacement enlarging portion. 16 extending in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the motor 16 and constituting a rotation fulcrum. Therefore, the fixed part side connecting part 22 is a fulcrum, the X direction moving part side connecting part 23 is an action point, and the The X-direction adjusting screw 5 that is in contact with the piezoelectric actuator 20 serves as a power point, and the X-direction displacement enlarging portion 16 constitutes an enlarging lever mechanism. The leaf spring 21 urges the X-direction moving portion 17 in the arrow X1 direction with respect to the fixed portion 15, and accordingly, the X-direction displacement enlarging portion 16 via the action point connecting portion 23. The tip 5b of the X-direction adjusting screw 5, which is the power point, is always urged so as to abut against the piezoelectric actuator 20.
[0031]
On the other hand, the X-direction moving part 17 extends in a direction orthogonal to the piezoelectric actuator housing part 15a of the fixed part 15 and opens on one side surface (upper side surface in the figure). The X-direction moving portion 17 and the Y-direction moving portion 24 have two parallel flexures disposed so as to sandwich the Y-direction moving portion 24. The beams 25a and 25b 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 17 and 24, similarly to the bending beam 19a described above, and the bending The beams 19a and 19b extend in a direction perpendicular to the beams 19a and 19b. Therefore, the Y-direction moving unit 24 can move in parallel to the Y direction by bending the deformation beams 25 a and 25 b parallel to the X-direction moving unit 17. As described above, the X-direction moving unit 17 constitutes a moving unit for the fixing unit 15 in the X direction, but a fixing unit for the Y-direction moving unit 24 in the Y direction. It becomes.
[0032]
Similar to the piezoelectric actuator 20, a piezoelectric (micro displacement) actuator 26 in which a predetermined number of piezoelectric elements are stacked is arranged in the piezoelectric actuator housing portion 17a with one end fixed to the bottom surface of the piezoelectric actuator housing portion 17a. The Y-direction moving part 24 is disposed in the recess 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. The spring 21 and its urging direction are arranged in a direction orthogonal to each other. In addition, the Y-direction displacement enlarging unit 18 is disposed 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.
[0033]
Therefore, the piezoelectric actuator 26 and the Y-direction displacement expanding portion 18 are surrounded by the X-direction moving portion 17 and the Y-direction moving portion 24 that are composed of two rigid bodies, and the bending beams 25a and 25b that connect them. Arranged outside the space. The Y-direction displacement enlarged portion 18 is disposed substantially in parallel so as to cover the outer side of the one bending beam 25a, and is a thin wall formed integrally with the X-direction moving portion 17. The connecting 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 threaded hole is passed through one end of the Y-direction displacement enlargement portion 18 so that the Y-direction adjustment screw 6 is screwed, and the operation portion 6a of the Y-direction adjustment screw 6 is positioned to protrude outward. Further, the tip end portion 6 b is in contact with the other end of the piezoelectric actuator 26. The thin connecting portions 29 and 30 extend in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the Y-direction displacement enlarged portion 18 to form a pivot fulcrum, and therefore the X-direction moving portion side connecting portion 30 is a fulcrum. The Y-direction moving portion side connecting portion 29 serves as an operating point, and the Y-direction adjusting screw 6 portion that contacts the piezoelectric actuator 26 serves as a power point, and the Y-direction displacement enlarging portion 18 constitutes an expanding lever mechanism. is doing.
[0034]
The leaf spring 27 urges the Y-direction moving portion 24 in the arrow Y1 direction with respect to the X-direction moving portion 17, and accordingly, the Y-direction displacement enlargement via the action point connecting portion 29. The portion 18 is biased to rotate clockwise about the fulcrum connecting portion 30 so that the tip 6b of the Y-direction adjusting screw 6 is always in contact with the other end of the piezoelectric actuator 26. . Further, 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 protected. Are provided inside the fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17 and are not damaged from the outside.
[0035]
Next, the operation of the aforementioned XY direction portion I will be described. Coarse displacement adjustment (positioning) in the X direction is performed by rotating the X direction adjusting screw 5 with a knob 5a. At this time, the piezoelectric actuator 20 has a constant length when no voltage is supplied. Therefore, the X-direction displacement enlarging portion 16 rotates around the fulcrum connecting portion 22 and is supported by the bending beams 19a and 19b based on the advance and retreat of the X-direction adjusting screw 5. The X direction moving part 17 is moved in the X direction with respect to the fixed part 15 via the action point connecting part 23.
[0036]
Similarly, the coarse movement position adjustment (positioning) in the Y direction is performed by rotating the Y direction adjustment screw 6 with the knob 6a, and the tip 6b is in contact with the piezoelectric actuator 26 and is in a fixed state. Therefore, the Y-direction displacement enlarging part 18 rotates about the fulcrum connecting part 30, and the Y-direction moving part 24 supported by the bending beams 25 a and 25 b is moved via the action point 29. It moves in the Y direction with respect to the X direction moving part 17. As a result, the moving stage 3 integrated in the XY direction with the Y-direction moving part 24 via the Z-direction displacement part to be described later is connected to the base 2 integrated with the fixed part 15 in the X-direction and Y-direction. Coarse movement positions are adjusted in the X and Y directions by the adjusting screws 5 and 6.
[0037]
A predetermined voltage is supplied to the piezoelectric actuators 20 and 26 by the controller with the coarse movement position adjusted. The piezoelectric actuators 20 and 26 have a predetermined relationship between the supply voltage and the displacement, and a predetermined minute displacement is generated by the application of the predetermined voltage. In this state, the X direction and Y direction 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 X direction and Y direction to be adjusted. The tips 5b and 6b of the adjusting screws 5 and 6 and the tips of the piezoelectric actuators 20 and 26 are always in contact with each other. It acts on the X-direction and Y-direction adjusting screws 5 and 6 that are the power points of the Y-direction displacement enlargement portion 18, and the displacement enlargement portions 16 and 18 use the fulcrum connection portions 22 and 30 as fulcrums. The portions 23 and 29 act by enlarging the displacement.
[0038]
Similarly to the coarse movement by the X-direction and Y-direction 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 20 is caused by two parallel bending beams. 19a and 19b move the X direction moving part 17 supported in parallel to the fixed part 15 in the X direction, and the displacement of the action point connecting part 29 of the displacement expanding part 18 based on the piezoelectric actuator 26 is The Y-direction moving portion 24 supported in parallel with the X-direction moving portion 17 by the two parallel bending beams 25a and 25b is moved in the Y-direction so that the Y-direction moving portion 24 will be described later. The moving stage 3 that is interlocked via the Z-direction displacement portion that is moved is slightly displaced by a predetermined amount in the X direction and the Y direction.
[0039]
Next, the Z-direction displacement portion that is the main part of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. As shown in FIG. 4, the Z-direction displacement portion II is disposed at the upper portion of the XY displacement portion I with the longitudinal direction directed in the Y-axis direction. The Z-direction displacement portion II is a single piece processed by electric discharge machining from one metal block. It has the fixed part 35 which consists of a thing, the Z direction moving part 36, and the moving part 37, and each said part 35, 36, 37 consists of a rigid body part. Then, the fixing portion 35 is screwed into the Y-direction moving portion 24 described above via the screw holes 35a and 35a, as shown in FIG. 2 (b), and the screw holes of the Y-direction moving portion 24 are shown in FIG. In addition, the Z-direction moving portion 36 is fixed to the screw 40 (see FIG. 2B, and the screw hole 40a is also shown in FIGS. 4 and 5) through the screw holes 40a and 40a. Is fixed to the moving stage 3.
[0040]
The fixed portion 35 and the Z-direction moving portion 36 are connected to each other by two parallel deflecting beams 41a and 41b that are formed integrally and are separated from each other in the vertical direction. Therefore, the Z-direction moving part 36 moves (displaces) by bending the two bending beams 41a and 41b parallel to each other in the vertical direction with respect to the fixed part 35, that is, in the arrow Z direction. Can do. Further, between the fixed portion 35 and the moving portion 36, a plate spring 44 is disposed with both ends fixed and biased by a predetermined amount. The fixed portion 35 is integrally fixed to the Y-direction moving portion 24. The Y-direction moving portion 24 is a moving portion with respect to the Y direction, with the X-direction moving portion 17 as a fixed portion. However, with respect to the Z direction, it becomes a fixed part for the Z direction moving part 36.
[0041]
The moving part 37 is connected to each other by two parallel deflecting beams 43a and 43b which are formed integrally with the fixed part 35 and are formed of thin flat plates arranged in the direction of the arrow Y. Accordingly, the moving portion 37 can move (displace) by bending the two bending beams 43a and 43b parallel to each other in the arrow Y direction with respect to the fixed portion 35. A screw hole 45 is formed through one end of the fixing portion 35, and a nut 46 having a screw formed on the inner peripheral surface and the outer peripheral surface is screwed into the screw hole 45 and fixed thereto. The Z-direction adjusting screw 7 is screwed so as to pass through the screw hole of the nut 46, the knob 7a of the Z-direction adjusting screw 7 is projected outward, and the tip 7b is It is in contact with one end of the moving part 37.
[0042]
In a space surrounded by the fixed portion 35, the Z-direction moving portion 36, the moving portion 37, and the bending beams 41a and 41b, a plurality of piezo elements similar to those described above are stacked, and turn portions are provided at both ends. A piezoelectric actuator 50 configured with pivots 50a and 50b is disposed with a bias so that the driving direction thereof does not coincide with the relative displacement direction of the Z-direction moving unit 36. The pivot 50a of the piezoelectric actuator 50 is rotatably connected to the end surface on the arrow Y2 side of the moving portion 37, and the pivot 50b is rotatably connected to the end surface on the arrow Y1 side of the Z-direction moving portion 36. Has been. The pivots 50a and 50b are formed in a spherical or cylindrical shape, and form a plane or a line pair between the pivot 50a and the moving part 37 and between the pivot 50b and the Z-direction moving part 36. is doing.
[0043]
The leaf spring 44 biases the Z-direction moving portion 36 in the direction of the arrow Z1 with respect to the fixed portion 35, and the moving portion 37 is connected to the bending beam 43a, via the piezoelectric actuator 50. It is urged to rotate counterclockwise about 43b. Therefore, the contact between the moving portion 37 and the tip 7b of the Z-direction adjusting screw 7 is always maintained. Further, the bending beams 43 a and 43 b are provided and protected inside the fixed portion 35. Further, the bending beam 41a is provided at a position facing the X-direction fixed portion 15 and the X-direction moving portion 17, and the bending beam 41b is provided at a position facing the moving stage 3, so There is no damage.
[0044]
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), as in the XY direction. The adjustment is performed by applying a predetermined voltage to the piezoelectric actuator 50.
[0045]
Coarse motion adjustment is performed by rotating the Z-direction adjusting screw 7 with the knob 7a from the state shown in FIG. 5, and at this time, the piezoelectric actuator 50 has a certain length in a state where no voltage is supplied. Is maintained. When the tip 7b of the Z-direction adjusting screw 7 is moved in the arrow Y2 direction, the tip 7b pushes the moving part 37, and the moving part 37 is bent while bending the bending beams 43a and 43b as shown in FIG. Is moved in the direction of arrow Y2. The movement of the moving part 37 in the direction of the arrow Y2 is transmitted from the moving part 37 to the piezoelectric actuator 50 through the pivot 50a and further to the Z-direction moving part 36 through the pivot 50b. Since the piezoelectric actuator 50 has a fixed length and the Z-direction moving unit 36 cannot be displaced in the Y direction by the bending beams 41a and 41b, the moving unit 37 is based on the inclination angle θ of the piezoelectric actuator 50. The Z-direction moving portion 36 moves in the direction of the arrow Z1 while bending the bending beams 41a and 41b and the leaf spring 44 with a Z-direction moving amount such that Z = ysinθ. Coarse adjustment.
[0046]
A predetermined voltage is supplied to the piezoelectric actuator 50 by the controller in the coarse motion adjusted state. The piezoelectric actuator 50 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 Z-direction adjusting screw 7 is held in a predetermined screwed state, and as described above, the leaf spring (biasing means) 44 and the tip 7b of the Z-direction adjusting screw 7 and the movement are moved. Since the portion 37 is always in contact with the portion 37, the minute displacement of the piezoelectric actuator 50 acts on the Z-direction moving portion 36.
[0047]
Similar to the coarse movement by the Z-direction adjusting screw 7 described above, the minute displacement based on the piezoelectric actuator 50 is supported in parallel to the fixed portion 35 by the two parallel bending beams 41a and 41b. The Z-direction moving unit 36 is moved in the Z direction, and the moving stage 3 connected to the Z-direction moving unit 36 is slightly displaced in the Z direction by a predetermined amount.
[0048]
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 fixing portion 15 fixed to the base 2. Further, with respect to the X direction moving portion 17, the Y direction moving portion 24 is moved in the Y direction by the Y direction adjusting screw 6 and / or the piezoelectric actuator 26, and as described above, the Z direction adjusting screw 7 is moved. 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.
[0049]
The movement of the moving stage 3 by the knobs 5a, 6a, 7a of the adjusting screws 5, 6, 7 described above can be visually confirmed in combination with the manual operation of the knobs 5a, 6a, 7a. Although possible, it is difficult to visually confirm the movement of the moving stage 3 in a very small range by the piezoelectric actuators 20, 26, 50.
[0050]
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 respectively provided on the upper surface of the fixing portion 15 fixed to the base plate 2 in parallel with the two side surfaces. , 63. 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 serve as fixing 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 61, 66 and 67, as shown in FIG. 2, the moving members are respectively opposed to the fixed frames 61, 66 and 67. Notched windows 69, 70, 71 are formed.
[0051]
Each of the fixed frames 61, 66, 67 and the cutout windows 69, 70, 71 has lattices 10a, 10b, 11a, 11b formed by etching or the like at equal intervals, for example, 0.1 [mm]. , 12a, 12b are disposed. Accordingly, the lattices 10a and 10b, 11a and 11b, and 12a and 12b facing each other are arranged to be opposed to each other with a predetermined angle θ, so that they are orthogonal to the lattices 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, and 12b. A sinusoidal moire fringe appears. The wavelength L of the moire fringes is L = P / θ where the pitch of the gratings 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b is P and the predetermined angle is θ, and the value of the predetermined angle θ is small. Accordingly, the movement amount of the moire fringes is visually recognized as a larger movement amount that is larger than the movement amounts of the lattices 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, and 12b. For example, when the predetermined angle θ is 5 degrees, the amount of movement of moire fringes is approximately 11 times the amount of movement of the gratings 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, and 12b.
[0052]
The gratings 10a and 10b arranged in the frame 65 and the cutout window 69 are provided in the vertical direction and are arranged on the side surface 3b on the side moving in the X direction. The movement in the X direction causes the moire fringes to expand and move to form the movement confirmation device 10 in the X direction. Also, the lattices 11a and 11b arranged in the frame 66 and the cutout window 70 also Are arranged in the vertical direction and arranged on the side surface 3c on the side moving in the Y direction. Therefore, the movement of the moving stage 3 in the Y direction causes the moire fringes to expand and move. The movement confirmation device 11 in the direction is configured. Furthermore, the grids 12a and 12b arranged in the frame 67 and the notch window 71 are provided in the horizontal direction, and the movement stage 3 is the same in any side surface in terms of movement in the Z direction. From the viewpoint of efficiency and space efficiency, it is arranged on the same side surface 3c as the Y direction confirmation device 11, and accordingly, the moire fringes are enlarged and moved by the movement of the moving stage 3 in the Z direction, and the movement confirmation in the Z direction is performed. The apparatus 12 is configured.
[0053]
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 each direction are visually observed. It is possible to confirm by visual observation 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 devices 10, 11, 12 corresponding to the piezoelectric actuators 20, 26, 50 is not visible even by applying a voltage to the piezoelectric actuators 20, 26, 50, the movement direction It can be immediately confirmed that there is an abnormality in the piezoelectric actuators 20, 26, 50, or their wiring.
[0054]
Next, an embodiment in which the Z-direction displacement portion II is partially changed will be described with reference to FIG. In this embodiment, the shapes of the bending beams 41a, 41b, 43a, 43b are different, and the other parts are substantially the same as those shown in FIGS. Description is omitted.
[0055]
As shown in FIG. 8, the Z-direction displacement portion II also has a fixed portion 35, a Z-direction moving portion 36, and a moving portion 37 that are formed as a single piece from one metal block by electric discharge machining. Each of these portions 35, 36, and 37 is composed of a rigid portion, and the fixed portion 35 and the Z-direction moving portion 36 are connected by two parallel bending beams 41a and 41b. The fixed portion 35 and the moving portion 37 are It is connected by two parallel bending beams 43a and 43b. Further, the piezoelectric actuator 50 is disposed between the Z direction moving part 36 and the moving part 37.
[0056]
The bending beams 41a and 41b are formed with rigid bodies 41c and 41c at the center, and both ends connected to the fixed part 35 and the moving part 36 are formed as elastic hinges of the thin flat plates 41d and 41d. Similarly, the bending beams 43a and 43b are formed with rigid bodies 43c and 43c at the center, and both ends connected to the fixed portion 36 and the moving portion 37 are formed as elastic hinges of the thin flat plates 43d and 43d. Yes.
[0057]
Also with the above configuration, the same operation as in the embodiment shown in FIGS. 5 and 6 can be performed. In addition, according to the present embodiment, the bending beams 41a and 41b and the bending beams 41a and 41b and the bending beams 43a and 43b are formed as the rigid bodies 41c and 41c and the rigid bodies 43c and 43c. Stable work can be performed by suppressing the vibration of 43a and 43b.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are views showing a 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 same 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 plan view of the minute displacement device with the moving stage removed.
FIG. 5 is a front view of a Z-direction displacement portion.
FIG. 6 is a front view showing a displacement state of a Z-direction displacement portion.
FIGS. 7A and 7B are views showing the minute displacement device with the moving stage and the Z-direction displacement portion removed, where FIG. 7A is a plan view, FIG. 7B is a right side view, and FIG.
FIG. 8 is a front view showing an embodiment in which a part of a Z-direction displacement portion is changed.
[Explanation of symbols]
1 Minute displacement device
7 Z direction adjusting screw
15 Fixed part
17 X direction moving part
24 Y direction moving part
35 (One) rigid part (fixed part)
36 (the other) rigid part (Z-direction moving part)
37 Moving part
41a, 41b Connection support part (flexible beam)
50 Minute displacement (piezoelectric) actuator
I XY displacement part
II Z direction displacement part

Claims

A first rigid body portion, a second rigid body portion, a plurality of connecting members that couple these rigid body portions so as to be relatively displaceable, and a relative displacement between the first and second rigid body portions. In a minute displacement device comprising a minute displacement actuator,
A moving part is movably connected to the first rigid part,
An adjustment screw is interposed between the moving part and the first rigid body part,
Between the moving part and the second rigid body part, the micro-displacement actuator is biased so that its driving direction and the relative displacement direction do not coincide with each other, and both end parts are respectively connected via rotating parts. Concatenated,
A micro displacement device characterized by that.

The adjusting screw is disposed on the first rigid body portion so as to be movable back and forth in a direction substantially equal to a displacement direction of the minute displacement actuator,
The moving part is connected to the first rigid body part so as to be movable in the advancing and retreating direction of the adjusting screw. The moving part abuts the tip of the adjusting screw on one side of the moving part and the other side on the side. Connected to the rotating part of the minute displacement actuator,
The micro displacement device according to claim 1.

The connecting member is a thin flat plate having flexibility over substantially the entire length in the longitudinal direction.
The micro displacement device according to claim 1 or 2.

The connecting member is made of a thin flat plate having both ends in the longitudinal direction thereof having flexibility, and an intermediate portion thereof is made of a rigid body.
The micro displacement device according to claim 1 or 2.

The connecting members are parallel beams arranged in parallel to each other.
The micro displacement device according to claim 3 or 4.

The moving part is arranged in parallel with the first rigid body part to support a plurality of thin thin plates having flexibility over the entire length in the longitudinal direction.
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 5.

The moving part is supported between the first rigid body part by arranging in parallel a plurality of parallel beams made of a thin flat plate having both ends in the longitudinal direction having flexibility and an intermediate part thereof. Become
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 5.

The rotating parts at both ends of the micro displacement actuator are composed of a plane or a line pair
The micro displacement device according to any one of claims 1 to 7.

An X-direction moving portion that is displaced in the X direction with respect to the fixed portion; and a Y-direction moving portion that is displaced in the Y direction with respect to the X-direction moving portion,
The first rigid body part is fixed to the Y direction moving part, and the second rigid body part constitutes a Z direction moving part that is displaced in the Z direction with respect to the Y direction moving part.
The micro displacement device according to claim 1.