JPH01178801A

JPH01178801A - 微細変位機構

Info

Publication number: JPH01178801A
Application number: JP63000765A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Hoshino; 星野　吉弘; Kozo Ono; 耕三小野; Kojiro Ogata; 緒方　浩二郎; Kiyoshi Nagasawa; 潔長澤; Takeshi Murayama; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1988-01-07
Filing date: 1988-01-07
Publication date: 1989-07-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体の製造や検査、高倍率顕微鏡等の分野
において、微細な変位を調節する微細変位機構に関する
。

〔従来の技術〕

半導体の製造や検査、高倍率顕微鏡等の分野においては
、数ミクロンもしくはそれ以下の微細な変位を正確に得
る微細変位機構が必要である。このような微細変位機構
は、例えば特開昭６１−２０９８４６号公報、特開昭６
１−２４３５１１号公報等により提案されている。以下
、これを図により説明する。

第９図（ａｌ、　（ｂ）は従来の微細変位機構の側面図
である。このうち、第９図（ａ）は並進変位用の微細変
位機構を示し、１．２はそれぞれ互いに対向する剛体部
、３は剛体部１，２を連結する２つの平板である。各平
板３は互いに平行に配置されている。

これら２つの剛体部１，２および２つの平板３により可
撓構造体４が構成されている。実際の製造に際しては、
可撓構造体４は１つの剛体ブロックに貫通孔５をあける
ことにより構成される。６は剛体部１，２からそれぞれ
貫通孔５内に突出した２つの突起間に装架された変位発
生素子である。

この変位発生素子５としては多（の場合圧電素子が用い
られるので、以下、変位発生素子を圧電素子で代表させ
る。剛体部１を固定して圧電素子６を励起すると各平板
３が破線で示すように変形しくただし、この変位は誇張
して描かれている）、剛体部１に対して剛体部２を並進
変位させることができる。

第９図（ｂ）は回転変位用の微細変位機構を示し、１１
１２はそれぞれ剛体部、１３は剛体部１１゜１２を連結
する２つの平板である。各平板１３は紙面に垂直な軸０
に関して放射状に配置されている。２つの剛体部１１，
１２．２つの平板１３により可撓構造体１４が構成され
る。１５はこの可撓構造体１４を構成するための台形の
貫通孔である。１６は剛体部１１．１２からそれぞれ貫
通孔１５内に突出した２つの突起間に装架された圧電素
子である。剛体部１１を固定して圧電素子１６を励起す
ると各平板１３が破線で示すように変形しく誇張して描
かれている）、剛体部１１に対して剛体部１２を回転変
位させることができる。

上記第９図（ａ）に示す可撓構造体４を複数組合せるこ
とにより任意の方向の並進変位を、又、上記第９図（ｂ
）に示す可撓構造体１４を複数組合せることにより任意
の回転変位を、さらに可撓構造体４と可撓構造体１４と
を組合せることにより任意の並進変位と任意の回転変位
を同時に、得ることができる。

第１０図（ａｌ、　（ｂ）は従来の他の微細変位機構の
側面図である。この微細変位機構は、第９図（ａｌ、　
（ｂｌに示す微細変位機構が平板３，１３自体の変形を
利用する構成であるのに対して、弾性ヒンジの変形を利
用する構成となっている。そこでまず、弾性ヒンジの概
略を第１１図ｆａ）〜（Ｃ）により説明する。

第１１図（ａ）は弾性ヒンジの側面図である。１７は１
つの剛体部材、１８は剛体部材１７の中間部に対向して
形成されたほぼ円弧状の切欠部である。

両切大部１８により、剛体部材１７に狭隘部１９が形成
され、剛体部材１７は当該狭隘部１９によりこれに連続
する剛体部１７ａ、１７ｂに分けられる。

第１１図（ｂｌは他の弾性ヒンジの側面図である。

図で、第１１図（ａ）に示す部分と同一部分には同一符
号が付しである。１９′は狭隘部である。狭隘部１９′
は、さきの狭隘部１９が２つの対向する切欠部１８で形
成されているのに対し、１つのほぼ円弧状の切欠部１８
で形成される。

第１１図（Ｃ１は弾性ヒンジの動作説明図である。図で
、１７ａ、１７ｂは第１１図（ａ）、　（ｂ）に示すも
のと同じ剛体部、２０は各剛体部１７ａ、１７ｂを可回
動に連結するヒンジ点を示す。

今、第１１図（ａｌ、　（ｂ）において、一方の剛体部
１７ａを固定し、他方の剛体部１７ｂに図示矢印方向の
力Ｆを作用させると、剛体部１７ａ、１７ｂはほとんど
変形しないが、狭隘部１９．１９’は微小変形し、これ
により、剛体部１７ｂは破線で示されるように回転変位
する。しかしながら、上記力Ｆ以外の方向の力成分が作
用した場合、狭隘部１９．１９’はこれらに対して極め
て変形しにくい特性を有する。以上の特性は、狭隘部１
９゜１９′の弾性変形の範囲内においては、恰も第１１
図（Ｃ）に示すような２つの剛体部１７ａ、１７ｂをヒ
ンジ点２０で連結した構成が有する特性と同様の特性を
示すので、狭隘部１９．１９’を弾性ヒンジと称する。

ところで、第１１図ｆｃ）に示すヒンジ点２０は機械的
部品の嵌合により構成されるので、それら機械的部品を
最高の精度で加工しても、ミクロンレベルの隙間の存在
５硅けることはできない。このため、ヒンジ点２０は、
非常に微小な変位を行う場合に誤差のない変位を発生せ
しめることは不可能である。これに対して、狭隘部１９
．１９’より成る弾性ヒンジは弾性変形の範囲内におい
てほとんど変位誤差を発生せず、理想的なヒンジ特性を
示す。

第１０図（ａ）、　（ｂｌに示す微細変位機構は第９図
（ａ）。

（ｂ）に示す微細変位機構の平板３．１３に代えて両端
に弾性ヒンジを有する平板状剛体が用いられる。

第１Ｏ図（８１，（ｂ）で、第９図（ａ）、　（ｂ）に
示す部分と同一部分には同一符号が付しである。２１．
３１は平板状剛体、２２．３２は切欠部２３．３３によ
り形成される弾性ヒンジを示す。この場合、第１１図（
ａ）〜（Ｃ）に示す剛体部１７ａ、１７ｂが、剛体部１
゜１１と平板状剛体部２１，３Ｌ又は剛体部２゜１２と
平板状剛体２１．３１に相当するのは明らかである。２
４．３４はこのような平板状剛体２１゜３１、弾性ヒン
ジ２２，３２を用いた可撓構造体を示す。

これら微細変位機構は圧電素子６，１６を励起すること
により剛体部２．１２にそれぞれ破線で示すように並進
変位２回転変位を生じる。このような変位を生じる理由
はさきに述べた弾性ヒンジの説明から明らかであると考
えるので、その説明は省略する。そして、これら微細変
位機構の複数使用、組合せ使用により任意の変位が得ら
れるのも又明らかである。

なお、第１０図（ａ）、　（ｂ）に示す微細変位機構に
おいて、変形は弾性ヒンジ２２，３２にのみ生じ平板剛
体２１．３１には生じない。したがって、平板剛体２１
．３１は平板状である必要はなく、剛体であれば、どの
ような形状であっても差支えない。

このような剛体は弾性ヒンジとともにリンク機構を構成
するところから、−船釣に剛体リンクということができ
る。

〔発明が解決しようとする７４題ン上記各微細変位機構は高精度で変位を発生することがで
きる。しかしながら、それらにより得られる変位の大き
さは、圧電素子６，１６に発生する変位と同じレベルで
あり、それはせいぜい数ミクロンから十数ミクロンの範
囲内である。ところで、微細変位機構を使用する装置に
あっては、最大変位として数十ミクロンから数百ミクロ
ンを必要とするものがあり、この場合、上記微細変位機
構ではこのような大きな変位を得ることができない。こ
のため、従来、大きな変位を得るためには適宜の粗動変
位機構により大きな変位を発生させた後、上記微細変位
機構を用いて高精度の変位を得るか、又は同一方向の変
位を発生する上記微細変位機構を複数段積重ねる等の手
段が採用されていた。

しかし、これらの手段は、いずれにしても複数の変位機
構を用いなければならず、このため、装置が大形化、か
つ複雑化し、製造困難で高価になるという問題があった
。

本発明の目的は、上記従来技術のｎ面＼を解決し、単体
で大きな出力変位を得ることができる微細変位機構を提
供するにある。

（？、！題寡を解決するための手段〕上記の目的を達成するため、本発明は、第１の剛体部と
、第２の剛体部と、これら各剛体部を弾性ヒンジを介し
て連結する複数の連結用剛体リンクとを備えた微細変位
機構において、前記第１の剛体部に一端が連結された変
位発生素子と、前記第１の剛体部に支点となる弾性ヒン
ジを介して連結されるとともに前記変位発生素子の他端
および前記連結用剛体リンクの１つが連結された変位拡
大用剛体リンクとを設けたことを特徴とする。

〔作　用〕

変位発生素子を励起すると、この変位発生素子が連結さ
れている変位拡大用剛体リンクが押され、支点となる弾
性ヒンジを中心に回動する。これにより、変位発生素子
の変位は拡大されて変位拡大用剛体リンクの連結用剛体
リンクとの連結点に現れる。この変位拡大用剛体リンク
の変位は当該連結用剛体リンクに伝達され、これを弾性
ヒンジを中心に回動変位させる。この回動変位の際、変
位拡大用剛体リンクから伝達された変位はさらに拡大さ
れる。連結用剛体リンクの回動変位により、第１の剛体
部と第２の剛体部との間には相対的に変位が発生する。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図は本発明の第１の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第１Ｏ図（ａ）に示す部分と同−又
は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。４
０　ａ　、　４０　ｂ　、　４０　ｃはそれぞれ弾性ヒ
ンジを示し、これら各符号に付された括弧内の符号はそ
の弾性ヒンジの変形中心点に付した名称を示す。４１は
圧電素子６の一端部と連結しこれを支持する支持剛体、
４２は剛体部１の突出部に弾性ヒンジ４０ｂを介して連
結された変位拡大用剛体リンク、４３は平板状剛体２１
から突出した突出部である。支持剛体４１は弾性ヒンジ
４０ａを介して変位拡大用剛体リンク４２と連結され、
突出部４３は弾性ヒンジ４０ｃを介して変位拡大用剛体
リンク４２と連結されている。

次に、本実施例の動作を説明する。圧電素子６に電圧が
印加されると、この電圧に比例して圧電素子６が伸長す
る。これにより、変位拡大用剛体リンク４２における圧
電素子６との連結点（弾性ヒンジ４０ａとの連結点）が
図で下方に押される。このため、変位拡大用剛体リンク
４２は弾性ヒンジ４０ｂの点Ｐを中心に時計方向に回動
せしめられる。

なお、圧電素子６の伸長、変位拡大用剛体リンク４２の
回動は極めて微小範囲内での動作であり、以下の各部の
動作も同じである。

変位拡大用剛体リンク４２の上記回動により、弾性ヒン
ジ４０Ｃを介してこれと連結されている突出部４３が図
で上方に引かれる。このため、平板状剛体２１は剛体部
１と連結されている弾性ヒンジ２２の点Ｐ′を中心とし
て時計方向に回動せしめられる。

この回動は剛体部２を介して他方の平板状剛体２１へも
伝達され、両平板状剛体２１は図で上方に引かれ、これ
により剛体部２も上方に変位する。

ここで、剛体部２の変位量について考える。今、δ　：
圧電素子６の伸長量 δ′：弾性ヒンジ４０ｃの点Ｑに生じる変位量δ”：弾
性ヒンジ２２の点Ｑ′に生じる変位量ａ　：弾性ヒンジ
４０ａの点Ａと弾性ヒンジ４０ｂの点Ｐとの間の水平方
向（平板状剛体２１の長さ方向）の距離ｂ　：弾性ヒンジ４０ｂの点Ｐと弾性ヒンジ４０ｃの点
Ｑとの間の水平方向の距離Ｃ：弾性ヒンジ２２の点Ｐ′と弾性ヒンジ４０ｃの点Ｑ
との間の水平方向の距離ｄ　：弾性ヒンジ２２の点Ｐ’Ｑ’間の距離とすると次
の各式が成り立つ。

δ′−□δ　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・（１）ｄ　　　　　　　　　　
ｄｂ δ”−□δ′＝−・□・δ・・・（２）ＣＣａ即ち、距離ａ、ｂを（ｂａａ）に選定すると、圧電素子
６の伸長量は、変位拡大用剛体リンク４２および平板状
剛体２１により２段に拡大されて剛体部２に伝達され、
これを並進変位せしめる。

なお、上記実施例の説明では、突出部４３を設ける例に
ついて説明したが、平板状剛体２１を突出部４３の突出
寸法まで厚くして突出部を除くこともできるのは明らか
である。

このように、本実施例は、圧電素子の変位を、変位拡大
用剛体リンクを介して平板状剛体に伝達するようにした
ので、簡単な構造で大きな並進変位を得ることができる
、第２図は本発明の第２の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第１０図（ｂ）に示す部分と同−又
は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。５
０ａ、５０ｂ、５０ｃはそれぞれ弾性ヒンジを示す。各
弾性ヒンジの括弧内の符号はその弾性ヒンジの変形中心
点に付した名称を示す。

５１は圧電素子１６の一端部と連結しこれを支持する支
持剛体、５２は剛体部１１に弾性ヒンジ５０ｂを介して
連結された変位拡大用剛体リンクである。支持剛体５１
は弾性ヒンジ５０ａを介して変位拡大用剛体リンクに連
結され、変位拡大用剛体リンク５２は弾性ヒンジ５０ｃ
を介して平板状剛体３１と連結されている。

図から明らかなように、本実施例はさきの実施例が並進
変位用の微細変位機構であるのに対し、回転変位用の微
細変位機構である点で異なるのみである。即ち、各弾性
ヒンジ５０　ａ　、　５０　ｂ　、　５０　ｃはさきの
実施例の弾性ヒンジ４０　ａ　、　４０　ｂ　、　４０
　ｃに相当し、又、変位拡大用剛体リンク５２はさきの
実施例の変位拡大用剛体リンク４２に相当する。そして
、本実施例の動作、変位拡大機能はさきの実施例の動作
、変位拡大機能に準じるのは明らかであり、これにより
、本実施例は簡単な構造により大きな回転変位を得るこ
とができる。

第３図は本発明の第３の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第１図に示す部分と同−又は等価な
部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施例で
は、第１の実施例が突出部４３および弾性ヒンジ４０ｃ
を介して変位拡大用剛体リンク４２と変位拡大用剛体リ
ンクとを連結する構成であるのに対して、突出部４３が
除かれている。

さらに本実施例では、第１の実施例の変位拡大用剛体リ
ンク４２における弾性ヒンジ４０ａ、４０ｃの連結点が
弾性ヒンジ４０ｂの両側に存在するのに対して、弾性ヒ
ンジ４０ａ、４０ｃの連結点は同一側に存在するように
構成されている。

圧電素子６が伸長すると、変位拡大用剛体リンク４２が
押され、弾性ヒンジ２２の点Ｑ′は図で下方に変位し、
剛体部２は下方に並進変位する。このように、本実施例
では第１の実施例とは変位方向が異なるのみであり、そ
の動作、変位拡大機能および効果は第１の実施例のもの
と同じである。

第４図は本発明の第４の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第２図に示す部分と同一部分又は等
価な部分には同一符号を付して説明を省略する。本実施
例では、第２の実施例の変位拡大用剛体リンク５２にお
ける弾性ヒンジ５０ａ。

５０ｃの連結点が弾性ヒンジ５０ｂの両側に存在するの
に対して、弾性ヒンジ５０ａ、５０ｃの連結点は同一側
に存在するように構成されている。

圧電素子１６が伸長すると変位拡大用剛体リンク５２が
押され、弾性ヒンジ３２の点Ｑ′は図で下方に変位し、
剛体部１２は図で反時計方向に回転変位する。このよう
に、本実施例では、第２の実施例とは変位方向が異なる
のみであり、その動作、変位拡大機能および効果は第２
の実施例のものと同じである。

第５図は本発明の第５の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第１図に示す部分と同−又は等価な
部分には同一符号を付して説明を省略する。４２′は第
１図に示す変位拡大用剛体リンク４２に相当する変位拡
大用剛体リンクである。

第１の実施例の変位拡大用剛体リンク４２が剛体部１．
２および平板状剛体２１で囲まれた領域（貫通孔５）内
に配置されるのに対し、本実施例の変位拡大用剛体リン
グ４２′は当該領域外に配置されている。本実施例の動
作、変位拡大機能および効果は第１の実施例と同じであ
り、拡大された並進変位を得ることができる。

第６図は本発明の第６の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第２図に示す部分と同−又は等価な
部分には同一符号を付して説明を省略する。５２′は第
１図に示す変位拡大用剛体リンク５２に相当する変位拡
大用剛体リンクである。

第２の実施例の変位拡大用剛体リンク５２が剛体部１１
、１２および平板状剛体３１で囲まれた領域（貫通孔１
５）内に配置されるのに対し、本実施例の変位拡大用剛
体リンク５２′は当該領域外に配置されている。

本実施例の動作、変位拡大機能および効果は第２の実施
例と同じであり、拡大された回転変位を得ることができ
る。

第７図は本発明の第７の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第５図に示す部分と同−又は等価な
部分には同一符号を付して説明を省略する。４２”は第
５図に示す変位拡大用剛体リンク４２′に相当する変位
拡大用剛体リンクである。

本実施例の変位拡大用剛体リンク４２”は平板状剛体２
１と平行な部分４２ａ″およびこの部分４２ａ”から垂
直に伸びる部分４２ｂ”より成り、全体構成がほぼＬ字
状の形状を有する。弾性ヒンジ４０ａは部分４２ｂ”に
連結され、弾性ヒンジ４０ｂ、４０Ｃは部分４２ａ”に
連結されている。なお、第５の実施例とは圧電素子６の
設置方向が異なる。

圧電素子６を伸長すると、変位拡大用剛体リンク４２”
および平板状剛体２１はそれぞれＰ、Ｐ’を中心に時計
方向に回動し、剛体部２は図で上方に並進変位する。本
実施例の動作および変位拡大機能は第５の実施例に準じ
、その効果は第５の実施例と同じである。

第８図は本発明の第８の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第６図に示す部分と同−又は等価な
部分には同一符号を付して説明を省略する。５２”は第
６図に示す変位拡大用剛体リンク５２′に相当する変位
拡大用剛体リンクである。

本実施例の変位拡大用剛体リンク５２”は、平板状剛体
３１と平行な部分５−２　ａ″およびこの部分５２３′
″から垂直に伸びる部分５２ｂ″より成り、全体構成が
ほぼＬ字状の形状を有する。弾性ヒンジ５０ａは部分５
２ｂ”に連結され、弾性ヒンジ５Ｑｂ、５０Ｃは部分５
２ａ”に連結されている。なお、第６の実施例とは圧電
素子１６の設置方向が異なる。

圧電素子１６を伸長すると、変位拡大用剛体リンク５２
”および平板状剛体３１はそれぞれ点Ｐ、Ｐ’を中心に
時計方向に回動し、剛体部１２は図で時計方向に回転変
位する。本実施例の動作および変位拡大機能は第６の実
施例に準じ、その効果は第６の実施例と同じである。

以上、本発明の各実施例について述べた。そして、これ
ら各実施例の説明では、圧電素子を変位拡大用剛体リン
クに対して弾性ヒンジを介して連結する例について説明
したが、これら弾性ヒンジは必ずしも必要ではない。又
、平板状剛体は平板に限ることはなく、剛体であればよ
い。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明では、変位発生素子の変位を
、変位拡大用剛体リンクを介して連結用剛体リンクに伝
達し、剛体部を変位させるように１、だので、変位発生
素子の変位を２段に拡大することができ、簡素な構成で
大きな変位を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
７図および第８図はそれぞれ本発明の第１、第２）第３
、第４、第５、第６、第７、第８の実施例に係る微細変
位機構の側面図、第９図（ａ）、　　（ｂ）、第１０図
（ａ）、　　（ｂ）はそれぞれ従来の微細変位機構の側
面図、第１１図（ａ）。（ｂ）はそれぞれ弾性ヒンジの側面図、第１１図（ｃ）
は弾性ヒンジの動作説明図である。１、　２．　ＩＬ　１２・・・・・・剛体部、６．１６
・・・・・・圧電素子、２１．３１−−−−・−平板状
剛体、２２．３２．４０　ａ　、　４０　ｂ　。４０ｃ、５０ａ、５０ｂ、５０ｃｍ弾性ヒンジ、４２．
４２’。４２”、　　５２．　５２　’、５２”・・・・・・変
位拡大用剛体リンク第１図第２図第３図第４図第５図第６図第７図第８図５２″ 第９図（Ｇ）（ｂ）第１０図（Ｇ）（ｂ）（ａ）１１図（ｂ）　　　　　　　（Ｃ）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の剛体部と、第２の剛体部と、これら各剛体
部を弾性ヒンジを介して連結する複数の連結用剛体リン
クとを備えた微細変位機構において、前記第１の剛体部
に一端が連結された変位発生素子と、前記第１の剛体部
に支点となる弾性ヒンジを介して連結されるとともに前
記変位発生素子の他端および前記連結用剛体リンクの１
つが連結された変位拡大用剛体リンクとを設けたことを
特徴とする微細変位機構
（２）特許請求の範囲第（１）項において、前記各連結
用剛体リンクは、互いに平行に配置されていることを特
徴とする微細変位機構
（３）特許請求の範囲第（１）項において、前記各連結
用剛体リンクは、所定点に関して放射状に配置されてい
ることを特徴とする微細変位機構
（４）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位発
生素子は、圧電素子であることを特徴とする微細変位機
構
（５）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位発
生素子の他端および前記連結用剛体リンクの１つは、弾
性ヒンジを介して前記変位拡大用剛体リンクと連結され
ていることを特徴とする微細変位機構
（６）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位発
生素子および前記変位拡大用剛体リンクは、前記第１の
剛体部、前記第２の剛体部および前記各連結用剛体リン
クで形成される領域の内側に配置されていることを特徴
とする微細変位機構
（７）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位発
生素子および前記変位拡大用剛体リンクは、前記第１の
剛体部、前記第２の剛体部および前記各連結用剛体リン
クで形成される領域の外側に配置されていることを特徴
とする微細変位機構
（８）特許請求の範囲第（７）項において、前記変位拡
大用剛体リンクは、Ｌ字状剛体リンクであり、前記変位
発生素子の他端および前記連結用剛体リンクの１つがそ
れぞれ前記Ｌ字状剛体リンクの異なる辺に連結されてい
ることを特徴とする微細変位機構
（９）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位発
生素子の他端および前記連結用剛体リンクの１つは、前
記変位拡大用剛体リンクに対して前記支点となる弾性ヒ
ンジの両端に連結されていることを特徴とする微細変位
機構
（１０）特許請求の範囲第（１）項において、前記変位
発生素子の他端および前記連結用剛体リンクの１つは、
前記変位拡大用剛体リンクに対して前記支点となる弾性
ヒンジの一方側に連結されていることを特徴とする微細
変位機構