JP4409986B2

JP4409986B2 - 変位縮小機構

Info

Publication number: JP4409986B2
Application number: JP2004045868A
Authority: JP
Inventors: 靖夫吉村; 洋介室
Original assignee: 靖夫吉村; 有限会社第一ゲージ製作所; 小林泉
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: JP2005233365A

Description

本発明は、変位縮小機構に関し、詳しくは、超精密な位置決めを必要とする半導体製造装置、３次元測定器、走査型トンネル顕微鏡、遺伝子組み換え装置等におけるマイクロステージ等を微動させる際に用いられる変位縮小機構であって、特に、弾性ヒンジの弾性変形を利用した一体型変位縮小機構に関する。

工学的に入力変位を拡大したり、縮小したりする変位の拡大機構・縮小機構は、基本的には機械的てこを利用している。入出力変位の大小は相対的なものであって絶対的な数値を指すものではないが、精密位置決め機構又は超精密位置決め機構を論ずる場合は数ナノメートルから数百ミクロン程度の範囲の大きさと考えられる。

変位拡大機構の場合、入力変位は一般に積層型圧電素子（ＰＺＴ）によって与えられる。それ自体の入力変位量は、その長さに比例し、凡そ数μｍ〜十数μｍ程度である。精密位置決め機構では、この程度の駆動距離では実用にならないことが多いため、機械てこによって変位量を拡大し、数十μｍ〜数百μｍの出力変位を得て移動ステージを駆動する。このような位置決め機構は、半導体製造装置や光学顕微鏡等の各種精密機器のＸ，ＸＹ、ＸＹＺステージ用として広く応用されており、数多くの変位拡大機構が国内外において開発されてきている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、変位縮小機構の場合は、入力変位を数ｎｍ〜数百ｎｍの変位に変換することが求められており、ねじ機構と弾性ヒンジとを組み合わせたものが、微小幅スリットを作製するための治具として提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に配置した複数の弾性ヒンジと中間フレームとを組み合わせることにより、ＸＹステージをＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ独立して高精度に案内するとともに、Ｘ軸周り及びＹ軸周りの回転運動を有効に防止するようにしたＸＹステージが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
特開２０００−２４９２０７号公報特開平９−１４５８９７号公報特開２００２−２２８６７号公報

従来の変位縮小機構では、変位縮小率が低かったり、出力変位の再現性が低いという問題があり、特に、遺伝子工学、微生物工学等のバイオメカトロニクスの分野で必要とされる超精密位置決めステージへの適用が困難であり、ＸＹ二軸ステージへの適用も極めて難しかった。

本発明は、弾性ヒンジを効果的に組み合わせることにより、高い変位縮小率が得られるとともに、出力変位の再現性が極めて高く、ＸＹ二軸ステージやＸＹＺ三軸ステージへの応用も可能な変位縮小機構を提供することを目的としている。

本発明の変位縮小機構における第１の構成は、平面状で直交するＸ軸基準線とＹ軸基準線とに対してそれぞれ線対称に一体成形された変位縮小機構であって、前記Ｘ軸基準線とＹ軸基準線との交点を中心として配置された出力点と、前記Ｘ軸基準線上に配置された一対のＸ軸入力点と、前記Ｙ軸基準線上に配置された一対のＹ軸入力点と、前記Ｘ軸基準線及びＹ軸基準線の両側にそれぞれ設けられた各一対の固定点と、各固定点にそれぞれ基端が固定され、先端が前記出力点にそれぞれ連結された第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｘ軸基準線に対して前記Ｘ軸入力点で直交し、両端が前記第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材と、前記Ｙ軸基準線に対して前記Ｙ軸入力点で直交し、両端が前記第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材とを備え、前記Ｘ軸入力点に入力された前記Ｘ軸基準線方向のＸ軸側変位を、前記Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＸ軸方向に縮小して出力し、前記Ｙ軸入力点に入力された前記Ｙ軸基準線方向のＹ軸側変位を、前記Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＹ軸方向に縮小して出力するように形成したことを特徴とし、加えて、前記第１弾性ヒンジ部材は、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材及びＹ軸側第２弾性ヒンジ部材の両ヒンジ部材の端部が同一位置で連結されていることを特徴としている。

さらに、本発明の変位縮小機構における第２の構成は、互いに直交し、一点で交わるＸ軸基準線、Ｙ軸基準線及びＺ軸基準線に対してそれぞれ線対称に一体成形された変位縮小機構であって、前記Ｘ軸基準線、Ｙ軸基準線及びＺ軸基準線の交点を中心として配置された出力点と、前記Ｘ軸基準線上に配置された一対のＸ軸入力点と、前記Ｙ軸基準線上に配置された一対のＹ軸入力点と、前記Ｚ軸基準線上に配置された一対のＺ軸入力点と、前記Ｘ軸基準線と直交し、Ｚ軸基準線に平行な直線上に配置された各一対のＸ軸固定点と、前記Ｙ軸基準線と直交し、Ｘ軸基準線に平行な直線上に配置された各一対のＹ軸固定点と、前記Ｚ軸基準線と直交し、Ｙ軸基準線に平行な直線上に配置された各一対のＺ軸固定点と、各Ｘ軸固定点に基端が固定され、先端が前記出力点に連結された一対のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｘ軸基準線に対して前記Ｘ軸入力点で直交し、両端が前記Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材と、各Ｙ軸固定点に基端が固定され、先端が前記出力点に連結された一対のＹ軸側第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｙ軸基準線に対して前記Ｙ軸入力点で直交し、両端が前記Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材と、各Ｚ軸固定点に基端が固定され、先端が前記出力点に連結された一対のＺ軸側第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｚ軸基準線に対して前記Ｚ軸入力点で直交し、両端が前記Ｚ軸側第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＺ軸側第２弾性ヒンジ部材とを備え、前記Ｘ軸入力点に入力された前記Ｘ軸基準線方向のＸ軸側変位を、前記Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＸ軸方向に縮小して出力し、前記Ｙ軸入力点に入力された前記Ｙ軸基準線方向のＹ軸側変位を、前記Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＹ軸方向に縮小して出力し、前記Ｚ軸入力点に入力された前記Ｚ軸基準線方向のＺ軸側変位を、前記Ｚ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記Ｚ軸側第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＺ軸方向に縮小して出力するように形成したことを特徴としている。

本発明の変位縮小機構によれば、入力点、出力点及び弾性ヒンジ部材を含む全体を、その作動方向の基準線を基準にして線対称に一体で製作し、複数の弾性ヒンジ部材を効果的に組み合わせているので、高い変位縮小率が得られるとともに、弾性ヒンジ部材の弾性変形のみを利用して変位を縮小するので、摩擦やすべりが生じないため、出力変位の再現性が極めて高く、ステージの運動の再現性に強く寄与することができる。

図１は、本発明の第１形態例を示すもので、本発明の変位縮小機構をＸ軸一軸方向の変位縮小機構に適用した例を示しており、図１（ａ）は作動前の状態を、図１（ｂ）は作動時の状態をそれぞれ示す正面図である。この変位縮小機構は、入力点１１と出力点１２とを有し、該入力点１１と出力点１２とを通る基準線１３に対して線対称に一体で製作されており、前記基準線１３の両側にそれぞれ設けられて固定部材１４に固定される固定点１５，１５と、両固定点１５，１５に基端１６ａがそれぞれ固定され、先端１６ｂが前記出力点１２を有する出力部材（ステージ）１７の両端にそれぞれ連結された一対の第１弾性ヒンジ部材１６，１６と、前記基準線１３に対して前記入力点１１で直交するとともに、両端１８ａが前記第１弾性ヒンジ部材１６，１６の中間部にそれぞれ連結された第２弾性ヒンジ部材１８とで形成されている。

各部材は、金属、例えばアルミ合金や中硬鋼のブロックから必要部分を削り出して一体成形されるものであって、固定点１５が固定される固定部材１４及び出力点１２を有する出力部材１７は、弾性変形を生じない肉厚の剛体として形成され、第１弾性ヒンジ部材１６及び第２弾性ヒンジ部材１８は、所定の入力によって弾性変形する、いわゆる弾性ヒンジを構成する寸法（長さ、幅、肉厚）の板状又は棒状に形成されている。

このように形成した変位縮小機構は、前記入力点１１に基準線１３方向の外力Ｆｉが図１において下方から加わると、図１（ｂ）に示すように、第２弾性ヒンジ部材１８が基準線１３に対して線対称に弾性変形して上方に向かって突出した湾曲状態となり、この第２弾性ヒンジ部材１８の湾曲変形に伴い、両第１弾性ヒンジ部材１６の中間部が第２弾性ヒンジ部材１８の両端１８ａから曲げモーメントＭ及び上方への引っ張り力Ｐとを受ける。これにより、第１弾性ヒンジ部材１６は、基準線１３に対して線対称に第２弾性ヒンジ部材１８の両端１８ａの連結点Ｃから上方は外側に向かって、下方は内側に向かってそれぞれ突出した湾曲状態、すなわち、略Ｓ字状に弾性変形するとともに、連結点Ｃが上方に引き上げられる状態になる。このとき、引っ張り力Ｐよりも曲げモーメントＭが大きく作用すれば、第１弾性ヒンジ部材１６の基端１６ａと先端１６ｂとの距離が図１（ａ）の直線状態のときに比べて短くなるので、出力部材１７は、第１弾性ヒンジ部材１６の弾性変形に伴って下方に、すなわち、入力方向と逆方向に変位することになる。逆に、曲げモーメントＭよりも引っ張り力Ｐが大きく作用すれば、第１弾性ヒンジ部材１６が伸びることにより、出力部材１７は入力方向と同方向に変位することになる。

入力点１１の変位量（入力変位）をｄＹｉ、出力点の変位量（出力変位）をｄＹｏ、この変位縮小機構における変位縮小率をＲｅｄとすると、
Ｒｅｄ＝ｄＹｏ／ｄＹｉ
となる。さらに、第１弾性ヒンジ部材１６の長さ方向中央に第２弾性ヒンジ部材１８の両端１８ａが連結していて、この両端１８ａの連結点から基端１６ａ及び先端１６ｂまでのそれぞれ長さをＬ、第１弾性ヒンジ部材１６の曲げ剛性をＥＩ、伸縮剛性をＥＡとすると、
ｄＹｉ＝Ｆｉ・Ｌ^３／１８ＥＩ
ｄＹｏ＝（Ｌ^５／９７２０）（Ｆｉ／ＥＩ）^２−ＦｉＬ／（２ＥＡ）
となる。

図２は、図１に示した第１形態例の変位縮小機構における入出力変位の関係を示す図であって、材料及び諸寸法は図中に示した通りである。この図２を検討すると、理論解析結果と有限要素法解析（ＦＥＭ）結果と略完全に一致しており、この図２から、以下に記載するような性能評価が行える。

まず、入出力の関係が非線形である。これは、駆動力（入力点１１に加わる外力）Ｆｉの大きさが変化すると縮小率Ｒｅｄが変化すること（図中＊１の範囲）を意味し、実用上問題が残る。しかし、入力変位が８００μｍ以上（ｄＹｉ＞８００、図中＊２の範囲）において、縮小率Ｒｅｄは、
Ｒｅｄ＝ｄＹｏ／ｄＹｉ＝約０．５［μｍ］／約４００［μｍ］＝１／８００
と略一定になるので、この範囲では実用に供することができる。

また、入力変位の大きさによって出力点１２の変位方向が変化する。すなわち、入力変位が６００μｍ未満の範囲（０＜ｄＹｉ＜６００）ではｄＹｏ＜０であり、入出力変位の向きが反対であるのに対して、入力変位が６００μｍを超える範囲（ｄＹｉ＞６００）ではｄＹｏ＞０となり、入出力変位の向きが同じとなる。このように入出力変位のお互いの向きが入力変位の大きさによって変わることも実用上問題が残るが、縮小率Ｒｅｄが略一定となるｄＹｉ＞８００では、入出力変位の向きが同じとなるので、実用に供することが可能である。すなわち、８００μｍ以上の変位をあらかじめ入力点１１に与えておけば問題がなく、縮小率が１／８００の変位縮小機構として利用することができる。

図３乃至図５は、本発明の第２形態例を示すもので、Ｘ軸一軸方向の変位縮小機構の他の形状例であって、図３は正面図、図４は斜視図、図５は作動状態を誇張して示す説明図である。なお、本形態例の説明において、前記第１形態例で示した変位縮小機構における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例に示す変位縮小機構は、第１弾性ヒンジ部材１６を、剛体ブロック２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、各剛体ブロック間及び基端１６ａ、先端１６ｂに形成された弾性ヒンジ部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとで形成し、基端１６ａの弾性ヒンジ部２２ａを固定部材１４にそれぞれ連結するとともに、先端１６ｂのヒンジ部２２ｄを出力部材１７の両端にそれぞれ連結している。また、第２弾性ヒンジ部材１８も、剛体ブロック２３ａ，２３ｂ，２３ｃと、各剛体ブロック間及び両端１８ａに形成された弾性ヒンジ部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄとで形成し、中央の剛体ブロック２３ｂに入力点１１を設けるとともに、両端１８ａの弾性ヒンジ部２４ａ，２４ｄを、第１弾性ヒンジ部材１６の中央の剛体ブロック２１ｂにそれぞれ連結させている。

この変位縮小機構も、前記第１形態例と同様に、入力点１１に基準線１３方向の外力Ｆｉが加わると、各弾性ヒンジ部の弾性変形により、出力点１２が所定の縮小率で変位する。このときも、第１弾性ヒンジ部材１６の各弾性ヒンジ部２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄには、外力Ｆｉにより弾性変形した第２弾性ヒンジ部材１８から加わる引っ張り力による伸び変形と曲げモーメントによる縮み変形とが発生し、伸び変形が縮み変形より大きければ出力点１２は入力点１１と同方向に変位し、縮み変形が伸び変形より大きければ出力点１２は入力点１１と逆方向に変位する。

図６は、本形態例に示す変位縮小機構を中硬鋼により一体で製作したものの入出力変位の関係を示す図である。各剛体ブロックの幅は５ｍｍ、各弾性ヒンジ部の長さは２ｍｍ、板厚は０．５ｍｍ、奥行きは８ｍｍである。アクチュエータには、マイクロメータのスピンドルの直線移動時の軸力を利用した。図から明らかなように、実験結果と有限要素法解析（ＦＥＭ）結果とが略完全に一致しており、入出力の関係が略線形であることがわかる。すなわち、入力点１１の変位（入力変位）は外力（駆動力）Ｆｉの大きさに比例し、出力点１２の変位（出力変位）は入力変位に略比例することがわかる。このことは、一定の縮小率Ｒｅｄが得られることを意味する。このときの縮小率Ｒｅｄは、
Ｒｅｄ＝ｄＹｏ／ｄＹｉ＝約０．２５［μｍ］／２２５［μｍ］＝１／９００
となった。

また、入力変位の向きと出力変位の向きが同じで、ｄＹｉ＞０及びｄＹｏ＞０である。すなわち、入出力変位の向きが常に同じとなる。これは、各ヒンジに剛体ブロックを結合していることによる効果と考えられる。したがって、この縮小機構は十分実用に供することができる。

図７及び図８は、本発明の第３形態例を示すもので、本発明の変位縮小機構をＸＹ二軸方向の変位縮小機構に適用した例を示しており、図７は正面図、図８は斜視図である。この変位縮小機構は、平面上で直交するＸ軸基準線３１とＹ軸基準線３２とに対してそれぞれ線対称に一体で製作するものであって、前記Ｘ軸基準線３１とＹ軸基準線３２との交点を中心として配置された出力点（ステージ）３３と、前記Ｘ軸基準線３１上の対称位置に配置された一対のＸ軸入力点３４，３４と、前記Ｙ軸基準線３２上の対称位置に配置された一対のＹ軸入力点３５，３５と、前記Ｘ軸基準線３１及びＹ軸基準線３２の両側で各入力点よりも出力点３３から離れた対称位置にそれぞれ設けられた各一対の固定点３６，３６と、各固定点３６に基端３７ａが固定され、先端３７ｂが前記ステージ３３にそれぞれ連結された４つの第１弾性ヒンジ部材３７と、前記Ｘ軸基準線３１に対して前記Ｘ軸入力点３４で直交するとともに両端３８ａが前記第１弾性ヒンジ部材３７の中間部にそれぞれ連結された一対のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材３８と、前記Ｙ軸基準線３２に対して前記Ｙ軸入力点３５で直交するとともに両端３９ａが前記第１弾性ヒンジ部材３７の中間部にそれぞれ連結された一対のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材３９とで形成されており、各固定点３６は、正方形の固定枠４０にそれぞれ固定されている。

このように一体で製作したＸＹ二軸方向の変位縮小機構においても、基本的に前記Ｘ軸一軸方向の変位縮小機構と同様に、Ｘ軸入力点３４に加えられたＸ軸基準線３１方向のＸ軸側変位が、前記Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材３８及び前記第１弾性ヒンジ部材３７のＸ軸基準線３１に対する線対称の弾性変形によって前記ステージ３３にＸ軸方向に縮小して出力され、Ｙ軸入力点３５，３５に加えられたＹ軸基準線３２方向のＹ軸側変位が、前記Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材３９及び前記第１弾性ヒンジ部材３６のＹ軸基準線３２に対する線対称の弾性変形によって前記ステージ３３にＹ軸方向に縮小して出力される。さらに、Ｘ軸入力点３４とＹ軸入力点３５とに同時に外力が加えられたときには、Ｘ軸入力点３４のＸ軸方向の変位とＹ軸入力点３５のＹ軸方向の変位とが合成された状態で各弾性ヒンジ部材が弾性変形することにより、ステージ３３がＸ軸方向及びＹ軸方向に縮小変位する。

固定点３６から第１弾性ヒンジ部材３７とステージ３３との連結点までのＸ軸方向及びＹ軸方向の寸法がそれぞれ４０ｍｍ、固定点３６から第１弾性ヒンジ部材３７とＸ軸側第２弾性ヒンジ部材３８及びＹ軸側第２弾性ヒンジ部材３９との連結点までのＸ軸方向及びＹ軸方向の寸法が１０ｍｍ、すなわち、第１弾性ヒンジ部材３７におけるステージ３３との連結点から各第２弾性ヒンジ部材３８，３９との連結点までの長さが４２．４ｍｍで、各ヒンジ部材の板厚を０．５ｍｍ、奥行きを１０ｍｍとしたアルミニウム製の変位縮小機構をモデル化してＦＥＭ解析したところ、縮小率Ｒｅｄは、１／１３３となった。

なお、第１弾性ヒンジ部材３７は、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材３８及びＹ軸側第２弾性ヒンジ部材３９の両端３８ａ，３９ａが同一位置に連結されており、Ｘ軸とＹ軸との方向性を持たせないようにしているが、両端３８ａ，３９ａの連結位置が異なっていてもよい。

図９及び図１０は、本発明の第４形態例を示すもので、前記第３形態例の変形例であって、図９は正面図、図１０は斜視図である。なお、本形態例の説明において、前記第３形態例で示した変位縮小機構における構成要素と同一の構成要素には、それぞれ同一符号を付して詳細な説明は省略する。

本形態例は、第３形態例における第１弾性ヒンジ部材を二重構造としたものであって、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材３８を連結するＸ軸側第１弾性ヒンジ部材４１と、Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材３９を連結するＹ軸側第１弾性ヒンジ部材４２とで形成している。Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材４１及びＹ軸側第１弾性ヒンジ部材４２は、互いに平行であって、両者の弾性変形を互いに妨害しない程度の間隔で設けられている。

Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材４１とＹ軸側第１弾性ヒンジ部材４２との間隔を５ｍｍとし、その他の基本寸法を第３形態例と同一にして形成したアルミニウム製の変位縮小機構をモデル化してＦＥＭ解析したところ、縮小率Ｒｅｄは、１／１０２７８５と非常に大きな値が得られた。したがって、この構造の変位縮小機構は、縮小率が高いにもかかわらず簡単な構造なので、ＸＹ二軸縮小機構として理想的な構造といえる。

なお、Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材４１とＹ軸側第１弾性ヒンジ部材４２とは、互いに平行とする必要はなく、対称形状を維持していれば、例えば、固定点３６側が開いた状態となっていてもよい。

図１１及び図１２は、本発明の第５形態例を示すもので、ＸＹ二軸方向の変位縮小機構の他の形態例であって、図１１は正面図、図１２は斜視図である。

この変位縮小機構は、直交するＸ軸基準線５１とＹ軸基準線５２とに対してそれぞれ線対称に一体成形したものであって、前記Ｘ軸基準線５１とＹ軸基準線５２との交点を中心として配置された出力点（ステージ）５３と、前記Ｘ軸基準線５１上に配置された一対のＸ軸入力点５４，５４と、前記Ｙ軸基準線５２上に配置された一対のＹ軸入力点５５，５５と、前記Ｘ軸基準線５１の両側にそれぞれ設けられたＸ軸側固定点５６，５６と、Ｙ軸基準線５２の両側にそれぞれ設けられたＹ軸側固定点５７，５７と、Ｘ軸側固定点５６に基端が固定され、Ｘ軸基準線５１に平行なＸ軸側第１弾性ヒンジ部材５８，５８と、Ｘ軸基準線５１に対してＸ軸入力点５４で直交するとともに両端がＸ軸側第１弾性ヒンジ部材５８の中間部にそれぞれ連結されたＸ軸側第２弾性ヒンジ部材５９，５９と、Ｙ軸側固定点５７に基端が固定され、Ｙ軸基準線５２に平行なＹ軸側第１弾性ヒンジ部材６０，６０と、Ｙ軸基準線５２に対してＹ軸入力点５５で直交するとともに両端がＹ軸側第１弾性ヒンジ部材６０の中間部にそれぞれ連結されたＹ軸側第２弾性ヒンジ部材６１，６１と、対向するＸ軸側第１弾性ヒンジ部材５８の先端をＹ軸側第１弾性ヒンジ部材６０との交点Ｃから延長した形状で配置されたＸ軸側第３弾性ヒンジ部材６２と、このＸ軸側第３弾性ヒンジ部材６２の中間部と前記ステージ５３とを接続する一対のＸ軸側第４弾性ヒンジ部材６３と、対向するＹ軸側第１弾性ヒンジ部材６０をＸ軸側第１弾性ヒンジ部材５８との交点Ｃから延長した形状で配置されたＹ軸側第３弾性ヒンジ部材６４と、このＹ軸側第３弾性ヒンジ部材６４の中間部と前記ステージ５３とを接続する一対のＹ軸側第４弾性ヒンジ部材６５とを有しており、各固定点５６，５７は、正方形の固定枠６６にそれぞれ固定されている。

このように形成したＸＹ二軸方向の変位縮小機構においても、基本的に前記Ｘ軸一軸方向の変位縮小機構と同様に作動し、各入力点に与えられた各軸線方向の変位を各弾性ヒンジ部材の弾性変形を介してステージ５３に縮小して出力する。すなわち、一つの入力点、例えば、一方のＸ軸入力点５４に加えられたＸ軸基準線５１方向のＸ軸側変位は、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材５９が弾性変形することにより、その両端から両側のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材５８に伝達され、両Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材５８が弾性変形する。さらに、このＸ軸側第１弾性ヒンジ部材５８の弾性変形は、前記交点Ｃを介してＹ軸側第１弾性ヒンジ部材６０、Ｘ軸側第３弾性ヒンジ部材６２、Ｙ軸側第３弾性ヒンジ部材６４に伝達されてこれらを弾性変形させる。これらの各弾性ヒンジ部材６０，６２，６４の弾性変形は、各弾性ヒンジ部材６０，６２，６４から、これらに連結されているＹ軸側第２弾性ヒンジ部材６１、Ｘ軸側第４弾性ヒンジ部材６３、Ｙ軸側第４弾性ヒンジ部材６５にそれぞれ伝達される。ステージ５３は、各弾性ヒンジ部材の弾性変形によって移動するが、各弾性変形がＸ軸基準線５１に対してそれぞれ線対称となる状態で発生し、変位方向がＸ軸入力点５４にＸ軸基準線５１方向に加えられているため、Ｙ軸基準線５２の方向の変位はＸ軸基準線５１を挟んで逆方向（対称）となり、ステージ５３はＹ軸基準線５２の方向には変位せず、Ｘ軸基準線５１の方向にのみ変位することになる。

他方のＸ軸入力点５４や両Ｙ軸入力点５５に加えられた変位も、この変位縮小機構が直交するＸ軸基準線５１とＹ軸基準線５２とに対してそれぞれ線対称に一体で製作されているので、前記同様に各弾性ヒンジ部材が弾性変形することにより、所定の縮小率でステージ５３に伝達される。なお、出力点（ステージ）５３と固定点５６，５７を固定した固定枠６６とは、入力点５４，５５に加えられた変位に対して相対的に移動する状態であるから、出力点５３を適当な支持部材で固定し、固定枠６６を移動可能な状態に形成すれば、入力点５４，５５に加えられた変位に対して固定枠６６が所定の縮小率で移動することになる。

ここで、各第１弾性ヒンジ部材５８，６０の長さを３０ｍｍ、両端を各第１弾性ヒンジ部材５８，６０の中点に連結した第２弾性ヒンジ部材５９，６１の長さ及び第３弾性ヒンジ部材６２，６４の長さを５８ｍｍ、第４弾性ヒンジ部材６３，６５の間隔を１５ｍｍ、第３弾性ヒンジ部材６２，６４とこれらに平行に配置した第４弾性ヒンジ部材６３，６５との間隔を２１ｍｍ、各板厚を０．５ｍｍ、奥行きを１０ｍｍとしたアルミニウム製の変位縮小機構を作製して実験したところ、出力変位は入力変位に対して逆方向となり、その縮小率Ｒｅｄは、１／２３７となった。

図１３及び図１４は、本発明の第６形態例を示すもので、本発明の変位縮小機構をＸＹＺ三軸方向の変位縮小機構に適用した例を示しており、図１３は正面側から見た斜視図、図１４は背面側から見た斜視図である。

この変位縮小機構は、互いに直交し、一点で交わるＸ軸基準線７１、Ｙ軸基準線７２及びＺ軸基準線７３に対してそれぞれ線対称に一体成形された変位縮小機構であって、前記Ｘ軸基準線７１、Ｙ軸基準線７２及びＺ軸基準線７３の交点を中心として配置された立方体形状の出力点（ステージ）７４と、前記Ｘ軸基準線７１上に配置された一対のＸ軸入力点７５，７５と、前記Ｙ軸基準線７２上に配置された一対のＹ軸入力点７６，７６と、前記Ｚ軸基準線７３上に配置された一対のＺ軸入力点７７，７７と、前記Ｘ軸基準線７１と直交し、Ｚ軸基準線７３に平行な直線上に配置された各一対のＸ軸固定点７８，７８と、前記Ｙ軸基準線７２と直交し、Ｘ軸基準線７１に平行な直線上に配置された各一対のＹ軸固定点７９，７９と、前記Ｚ軸基準線７３と直交し、Ｙ軸基準線７２に平行な直線上に配置された各一対のＺ軸固定点８０，８０と、各Ｘ軸固定点７８に基端が固定され、先端が前記ステージ７４に連結された各一対のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材８１，８１と、前記Ｘ軸基準線７１に対して前記Ｘ軸入力点７５で直交し、両端が前記Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材８１の中間部にそれぞれ連結された一対のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材８２，８２と、各Ｙ軸固定点７９に基端が固定され、先端が前記ステージ７４に連結された各一対のＹ軸側第１弾性ヒンジ部材８３，８３と、前記Ｙ軸基準線７２に対して前記Ｙ軸入力点７６で直交し、両端が前記Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材８３の中間部にそれぞれ連結された一対のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材８４，８４と、各Ｚ軸固定点８０に基端が固定され、先端が前記ステージ７４に連結された各一対のＺ軸側第１弾性ヒンジ部材８５，８５と、前記Ｚ軸基準線７３に対して前記Ｚ軸入力点７７で直交し、両端が前記Ｚ軸側第１弾性ヒンジ部材８５の中間部にそれぞれ連結された一対のＺ軸側第２弾性ヒンジ部材８６，８６とを有しており、前記各固定点７８，７９，８０は、図示しない固定部材にそれぞれ一体的に固定されている。

このように形成したＸＹＺ三軸方向の変位縮小機構においても、基本的に前記Ｘ軸一軸方向の変位縮小機構と同様に作動し、各入力点に与えられた各軸線方向の変位を各弾性ヒンジ部材の弾性変形を介してステージ７４に縮小して出力する。

すなわち、一つの入力点、例えば、一方のＸ軸入力点７５に加えられたＸ軸基準線７１方向のＸ軸側変位は、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材８２が弾性変形することにより、その両端から両側のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材８１に伝達され、両Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材８１が弾性変形する。そして、このＸ軸側第１弾性ヒンジ部材８１の弾性変形により、Ｘ軸入力点７５に加えられたＸ軸側変位がステージ７４にＸ軸方向に縮小して出力される。このとき、ステージ７４の移動（変位）に伴ってＹ軸側及びＺ軸側の各弾性ヒンジ部材も弾性変形するが、これらの弾性ヒンジ部材は、Ｙ軸基準線７２及びＺ軸基準線７３に対して線対称に一体となっているので、ステージ７４は、Ｙ軸方向及びＺ軸方向には変位することはなく、Ｙ軸側及びＺ軸側の各弾性ヒンジ部材の弾性変形によってステージ７４の移動量が抑えられ、入力変位量に対してより縮小された状態でステージ７４が移動することになる、この変位縮小作用は、他のＹ軸入力点７６及びＺ軸入力点７７に加えられた変位に対しても同様であり、各入力点７５，７６，７７に加えられた変位が縮小されてステージ７４に伝達され、三次元方向の変位縮小が可能となっている。

ここで、立方体形状のステージ７４の一辺の長さを３０ｍｍ、各第１弾性ヒンジ部材は、２ｍｍ角の角棒状で長さ（ステージ７４の面からの突出量）が１０ｍｍ、各第２弾性ヒンジ部材は、２ｍｍ角の角棒状で長さは２６ｍｍとし、各第２弾性ヒンジ部材の両端は各第１弾性ヒンジ部材の中央に連結した形状のものをアルミニウムブロック材料からワイヤカッターで一体に切り出して作製した。

この変位縮小機構におけるＸ軸入力点７５にＸ軸方向の駆動力Ｆｉ＝１０［Ｎ］を加えたところ、Ｘ軸入力点７５の入力変位はｄ_ｉｘ＝１３．７５［μｍ］となり、ステージ７４の出力変位はｄ_ｏｘ＝０．０２３５［μｍ］となった。このときの縮小率はＲｅｄ＝０．０２３５／１３．７５＝１／５８５となり、大きな縮小率が得られた。

図１５乃至図１７は、本発明の第７形態例を示すもので、本発明の変位縮小機構をＸＹＺ三軸方向の変位縮小機構に適用した他の形態例を示しており、図１５は正面側から見た斜視図、図１６は左側面側から見た斜視図、図１７は縦断面図である。

本形態例は、立方体形状の枠組み１０１の内部に、Ｘ軸方向のヒンジ機構、Ｙ軸方向のヒンジ機構及びＺ軸方向のヒンジ機構を、それぞれが線対称となるように配置したものであって、枠組み１０１の中心に固定点１０２を設けるとともに、一体形成した枠組み１０１を出力点（ステージ）として使用するようにしている。固定点１０２と枠組み１０１の各辺中央との間には、１２本の第１弾性ヒンジ部材が放射状に設けられている。ここで、図１５において、固定点１０２を中心として、上部の４本の枠組み辺１１１，１１２，１１３，１１４に囲まれた正方形の中心と、下部の４本の枠組み辺１１５，１１６，１１７，１１８に囲まれた正方形の中心とを通る直線をＸ軸、図１５の手前側に示す４本の枠組み辺１１４，１１８，１１９，１２０に囲まれた正方形の中心と、奥側の４本の枠組み辺１１２，１１６，１２１，１２２に囲まれた正方形の中心とを通る直線をＹ軸、図１５の左手前側に示す４本の枠組み辺１１３，１１７，１２０，１２２に囲まれた正方形の中心と、右奥側の４本の枠組み辺１１１，１１５，１１９，１２１に囲まれた正方形の中心とを通る直線をＺ軸にそれぞれ設定すると、枠組み辺１１１，１１３，１１５，１１７の中点と固定点１０２との間には、４本のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材１３１，１３２，１３３，１３４がそれぞれ設けられるとともに、図において上部側のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材１３１，１３２の中間部には一方のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材１３５の両端が連結され、図において下部側のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材１３３，１３４の中間部には他方のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材１３６の両端が連結されている。

同様に、枠組み辺１１２，１１４，１１６，１１８の中点と固定点１０２との間には、４本のＹ軸側第１弾性ヒンジ部材１４１，１４２，１４３，１４４がそれぞれ設けられるとともに、図において奥側のＹ軸側第１弾性ヒンジ部材１４１，１４２の中間部には一方のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材１４５の両端が連結され、図において手前側のＹ軸側第１弾性ヒンジ部材１４３，１４４の中間部には他方のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材１４６の両端が連結されている。

さらに、枠組み辺１１９，１２０，１２１，１２２の中点と固定点１０２との間には、４本のＺ軸側第１弾性ヒンジ部材１５１，１５２，１５３，１５４が設けられるとともに、図において右側のＺ軸側第１弾性ヒンジ部材１５１，１５２の中間部には一方のＺ軸側第２弾性ヒンジ部材１５５の両端が連結され、図において左側のＺ軸側第１弾性ヒンジ部材１５３，１５４の中間部には他方のＺ軸側第２弾性ヒンジ部材１５６の両端が連結されている。

そして、各第２弾性ヒンジ部材の中央には、各軸方向の入力点が設けられている。このように形成したＸＹＺ三軸方向の変位縮小機構において、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材１３５の入力点に、図１７に矢印Ａで示す方向に変位を加えると、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材１３５の弾性変形に伴い、その両端が連結しているＸ軸側第１弾性ヒンジ部材１３１，１３２が弾性変形することにより、固定点１０２に対して相対的に枠組み１０１、即ちステージがＸ軸方向に僅かに変位する。このとき、各弾性ヒンジ部材が線対称の状態で弾性変形することによって枠組み１０１の変位量が抑えられ、入力変位量に対してより縮小された状態で枠組み（ステージ）１０１が変位することになる。

本形態例に示す変位縮小機構においても、各軸に対して線対称になるように各弾性ヒンジ部材を配置しているので、ＸＹＺ三軸のいずれの方向からの変位入力に対しても、加えられた変位量を縮小してステージ（枠組み１０１）に伝達することができるので、三次元方向の変位縮小が可能となる。

なお、各形態例において、各弾性ヒンジ部材の配置や形状は、基準線（Ｘ軸基準線、Ｙ軸基準線、Ｚ軸基準線を含む）に対して線対称になっていれば、任意に設定することが可能であり、入力点を変位させる駆動エネルギーは、サーボモータ、超音波モータ、圧電効果、電歪効果、磁歪効果等を利用したいわゆる固体アクチュエータと呼ばれるものなどから任意に選択することができる。

本発明の第１形態例を示す変位縮小機構の正面図である。第１形態例の変位縮小機構における入出力変位の関係を示す図である。本発明の第２形態例を示す変位縮小機構の正面図である。同じく斜視図である。作動状態を誇張して示す説明図である。第２形態例の変位縮小機構における入出力変位の関係を示す図である。本発明の第３形態例を示す変位縮小機構の正面図である。同じく斜視図である。本発明の第４形態例を示す変位縮小機構の正面図である。同じく斜視図である。本発明の第５形態例を示す変位縮小機構の正面図である。同じく斜視図である。本発明の第６形態例を示す変位縮小機構の正面側から見た斜視図である。同じく背面側から見た斜視図である。本発明の第７形態例を示す変位縮小機構の正面側から見た斜視図である。同じく左側面側から見た斜視図である。同じく縦断面図である。

符号の説明

１１…入力点、１２…出力点、１３…基準線、１４…固定部材、１５…固定点、１６…第１弾性ヒンジ部材、１７…出力部材、１８…第２弾性ヒンジ部材、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…剛体ブロック、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…弾性ヒンジ部、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ…剛体ブロック、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ…弾性ヒンジ部、３１…Ｘ軸基準線、３２…Ｙ軸基準線、３３…出力点（ステージ）、３４…Ｘ軸入力点、３５…Ｙ軸入力点、３６…固定点、３７…第１弾性ヒンジ部材、３８…Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材、３９…Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材、４０…固定枠、４１…Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材、４２…Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材、５１…Ｘ軸基準線、５２…Ｙ軸基準線、５３…出力点（ステージ）、５４…Ｘ軸入力点、５５…Ｙ軸入力点、５６…Ｘ軸側固定点、５７…Ｙ軸側固定点、５８…Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材、５９…Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材、６０…Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材、６１…Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材、６２…Ｘ軸側第３弾性ヒンジ部材、６３…Ｘ軸側第４弾性ヒンジ部材、６４…Ｙ軸側第３弾性ヒンジ部材、６５…Ｙ軸側第４弾性ヒンジ部材、６６…固定枠、７１…Ｘ軸基準線、７２…Ｙ軸基準線、７３…Ｚ軸基準線、７４…出力点（ステージ）、７５…Ｘ軸入力点、７６…Ｙ軸入力点、７７…Ｚ軸入力点、７８…Ｘ軸固定点、７９…Ｙ軸固定点、８０…Ｚ軸固定点、８１…Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材、８２…Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材、８３…Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材、８４…Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材、８５…Ｚ軸側第１弾性ヒンジ部材、８６…Ｚ軸側第２弾性ヒンジ部材、１０１…枠組み、１０２…固定点、１１１〜１２２…枠組み辺、１３１〜１３４…Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材、１３５，１３６…Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材、１４１〜１４４…Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材、１４５，１４６…Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材、１５１〜１５４…Ｚ軸側第１弾性ヒンジ部材、１５５，１５６…Ｚ軸側第２弾性ヒンジ部材、Ｃ…交点、Ｆｉ…外力、ｄＹｉ…入力変位、ｄＹｏ…出力変位、Ｍ…曲げモーメント、Ｐ…引っ張り力

Claims

平面状で直交するＸ軸基準線とＹ軸基準線とに対してそれぞれ線対称に一体成形された変位縮小機構であって、前記Ｘ軸基準線とＹ軸基準線との交点を中心として配置された出力点と、前記Ｘ軸基準線上に配置された一対のＸ軸入力点と、前記Ｙ軸基準線上に配置された一対のＹ軸入力点と、前記Ｘ軸基準線及びＹ軸基準線の両側にそれぞれ設けられた各一対の固定点と、各固定点にそれぞれ基端が固定され、先端が前記出力点にそれぞれ連結された第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｘ軸基準線に対して前記Ｘ軸入力点で直交し、両端が前記第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材と、前記Ｙ軸基準線に対して前記Ｙ軸入力点で直交し、両端が前記第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材とを備え、前記Ｘ軸入力点に入力された前記Ｘ軸基準線方向のＸ軸側変位を、前記Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＸ軸方向に縮小して出力し、前記Ｙ軸入力点に入力された前記Ｙ軸基準線方向のＹ軸側変位を、前記Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＹ軸方向に縮小して出力するように形成したことを特徴とする変位縮小機構。
前記第１弾性ヒンジ部材は、Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材及びＹ軸側第２弾性ヒンジ部材の両ヒンジ部材の端部が同一位置で連結されていることを特徴とする請求項１記載の変位縮小機構。
互いに直交し、一点で交わるＸ軸基準線、Ｙ軸基準線及びＺ軸基準線に対してそれぞれ線対称に一体成形された変位縮小機構であって、前記Ｘ軸基準線、Ｙ軸基準線及びＺ軸基準線の交点を中心として配置された出力点と、前記Ｘ軸基準線上に配置された一対のＸ軸入力点と、前記Ｙ軸基準線上に配置された一対のＹ軸入力点と、前記Ｚ軸基準線上に配置された一対のＺ軸入力点と、前記Ｘ軸基準線と直交し、Ｚ軸基準線に平行な直線上に配置された各一対のＸ軸固定点と、前記Ｙ軸基準線と直交し、Ｘ軸基準線に平行な直線上に配置された各一対のＹ軸固定点と、前記Ｚ軸基準線と直交し、Ｙ軸基準線に平行な直線上に配置された各一対のＺ軸固定点と、各Ｘ軸固定点に基端が固定され、先端が前記出力点に連結された一対のＸ軸側第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｘ軸基準線に対して前記Ｘ軸入力点で直交し、両端が前記Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＸ軸側第２弾性ヒンジ部材と、各Ｙ軸固定点に基端が固定され、先端が前記出力点に連結された一対のＹ軸側第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｙ軸基準線に対して前記Ｙ軸入力点で直交し、両端が前記Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＹ軸側第２弾性ヒンジ部材と、各Ｚ軸固定点に基端が固定され、先端が前記出力点に連結された一対のＺ軸側第１弾性ヒンジ部材と、前記Ｚ軸基準線に対して前記Ｚ軸入力点で直交し、両端が前記Ｚ軸側第１弾性ヒンジ部材の中間部にそれぞれ連結された一対のＺ軸側第２弾性ヒンジ部材とを備え、前記Ｘ軸入力点に入力された前記Ｘ軸基準線方向のＸ軸側変位を、前記Ｘ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記Ｘ軸側第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＸ軸方向に縮小して出力し、前記Ｙ軸入力点に入力された前記Ｙ軸基準線方向のＹ軸側変位を、前記Ｙ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記Ｙ軸側第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＹ軸方向に縮小して出力し、前記Ｚ軸入力点に入力された前記Ｚ軸基準線方向のＺ軸側変位を、前記Ｚ軸側第２弾性ヒンジ部材及び前記Ｚ軸側第１弾性ヒンジ部材の弾性変形を介して前記出力点にＺ軸方向に縮小して出力するように形成したことを特徴とする変位縮小機構。