JPH07109566B2

JPH07109566B2 - 微細位置決め装置

Info

Publication number: JPH07109566B2
Application number: JP60083605A
Authority: JP
Inventors: 洋太郎畑村; 耕三小野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1985-04-20
Filing date: 1985-04-20
Publication date: 1995-11-22
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: JPS61243511A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、極微小な変位を発生させるために用いられる
微細位置決め装置に関する。

［従来の技術］近年、各種技術分野においては、μｍオーダーの微細な
変位が可能である装置が要望されている。その典型的な
例がLSI（大規模集積回路）、超LSIの製造工程において
使用されるマスクアライナ、電子線描画装置等の半導体
製造装置である。これらの装置においては、μｍオーダ
ーの微細な位置決めが必要であり、位置決めの精度が向
上するにしたがってその集積度も増大し、高性能の製品
を製造することができる。このような微細な位置決めは
上記半導体装置に限らず、電子顕微鏡をはじめとする各
種の高倍率光学装置等においても必要であり、の精度向
上により、バイオテクノロジ、宇宙開発等の先端技術に
おいてもそれらの発展に大きく寄与するものである。

従来、このような微細位置決め装置は、例えば「機械設
計」誌、第27巻第１号（1983年１月号）の第32頁乃至第
36頁に示されるような種々の型のものが提案されてい
る。これらのうち、特に面倒な変位縮小機構が必要であ
り、かつ、構成が簡単である点で、平行ばねと微動アク
チュエータを用いた型の微細位置決め装置が最も優れて
いると考えられるので、以下、これを図に基づいて説明
する。

第８図は従来の微細位置決め装置の側面図である。図
で、１は支持台、2a,2bは支持台１上に互いに平行に固
定された板状の平行ばね、３は平行ばね2a,2b上に固定
された剛性の高い微動テーブルである。４は支持台１と
微動テーブル３との間に装架された微動アクチュエータ
である。この微動アクチュエータ４には、圧電素子、電
磁ソレノイド等が用いられ、これを励起することによ
り、微動テーブル３に図中に示す座標軸のｘ軸方向の力
が加えられる。

ここで、平行ばね2a,2bはその構造上、ｘ軸方向の剛性
は低く、これに対してｚ軸方向、ｙ軸方向（紙面に垂直
な方向）の剛性が高いので、微動アクチュエータが励起
されると、微動テープル３はほぼｘ軸方向にのみ変位
し、他方向の変位はほとんど発生しない。

第９図は前述の参考文献に開示された例から想定される
他の微細位置決め装置の斜視図である。図で、６は支持
台、7a,7bは支持台６上に互いに平行に固定された板状
の平行ばね、８は平行ばね7a,7bに固定された剛性の高
い中間テーブル、9a,9bは平行ばね7a,7bと直交する方向
において互いに平行に中間テーブル８に固定された板状
の平行ばね、10は平行ばね9a,9b上に固定された剛性の
高い微動テーブルである。座標軸を図中に示すように定
めると、平行ばね7a,7bはｘ軸方向に沿って配置され、
平行ばね9a,9bはｙ軸方向に沿って配置されている。こ
の構造は、基本的には第８図に示す１軸（ｘ軸方向の変
位を生じる）の場合の構造を２段に積層した構造であ
る。矢印Fxは微動テーブル10に加えられるｘ軸方向の
力、矢印Fyは中間テーブル８に加えられるｙ軸方向の力
を示し、力Fx,Fyを加えることができる図示されていな
い微動アクチュエータが支持台６と微動テーブル10、支
持台６と中間テーブル８との間にそれぞれ設けられる。

微動テーブル10に力Fxが加えられると、平行ばね9a,9b
が変形し、一方、平行ばね7a,7bはｘ軸方向の力Fxに対
しては高い剛性を有するので、微動テーブル10はほぼｘ
軸方向にのみ変位する。また、中間テーブル８に力Fyが
加えられると、平行ばね7a,7bが変形し、微動テーブル1
0は平行ばね9a,9bを介してほぼｙ軸方向にのみ変位す
る。さらに、両方の力Fx,Fyが同時に加えられると、各
平行ばね7a,7b,9a,9bは同時に変形し、微動テーブル10
はこれに応じて２次元的に変位する。

このように、第９図に示す装置は、第８図に示す装置が
１軸方向のみの位置決め装置であるのに対して２軸方向
の位置決めを行なうことができることとなる。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、以上述べた方法は次のような問題点を有
している。即ち、（１）力Fxを発生する微動アクチュエ
ータは、微動テーブル10と支持台６との間に剛に連結さ
れている。そこで、今、中間テーブル８と支持台との間
に剛に連結された図示されない微動アクチュエータによ
り、中間テーブル８に力Fyを加えると、微動テーブル10
はｙ軸方向に変位する。この変位は、微動テーブル10に
連結されている微動アクチュエータに力Fxとは直交方向
の力を作用させることになり、結局、微動アクチュエー
タ間に干渉が発生する。この結果、位置決め装置の精度
および耐久性に悪影響を生じるという問題がある。
（２）前述の現象は同時に微動位置決め装置において、
実際の微動変位を検出しこの検出値に基づいて位置決め
精度をさらに向上させようとする場合、検出装置を組み
込んだとき、ある方向の変位が他の方向の変位検出装置
に干渉してその検出精度を低下させてしまうという問題
がある。

このように、従来の微細位置決め装置には干渉変位を生
じるという好ましくない問題があるが、そのうえ、その
位置決めは第９図に示す装置のように、１次元および２
次元の位置決めができるのみであり、ｚ軸方向の変位ε
ｚや、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸まわりの回転変位δx,δy,δｚ
を与えることができるように構成するのは容易ではない
という問題があり、又、そのような微細位置決め装置は
実現されていなかった。なお、第９図に示す装置は各軸
駆動系が互いに干渉するという現象の説明を最も簡単な
例によって説明するため２軸の例を用いたものである。
この例だけをみると前述（１），（２）の問題は容易に
解決できるように見える。しかしながら、上記のように
３軸以上の位置決めにおいてはこの問題は解決が一挙に
困難となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、上記従来技術の課題を解決し、干渉変
位の発生を防止することができて極めて高度な精度を有
し、かつ、多軸構成も容易である微細位置決め装置を提
供することにある。

［課題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、これら第１の剛体部と第２の剛体
部を連結しかつ１つの軸に関して放射状に配置された複
数のたわみ梁と、前記第１の剛体部、前記第２の剛体
部、および前記たわみ梁のうちの２つによって囲まれた
領域内に前記第１の剛体部から突出する剛体の第１の突
出部と、前記領域内に前記第２の剛体部から突出する剛
体の第２の突出部と、前記第１の突出部と前記第２の突
出部との間に装架され前記各たわみ梁に曲げ変形を生じ
させるアクチュエータとから成る放射たわみ梁変位機構
を用いて微細位置決め装置を構成したことを特徴とす
る。

又、本発明は、上記放射たわみ梁変位機構の少なくとも
１つに対して、第３の剛体部と、第４の剛体部と、これ
ら第３の剛体部と第４の剛体部を連結しかつ互いに平行
に配置された複数のたわみ梁と、前記第３の剛体部、前
記第４の剛体部、および前記たわみ梁のうちの２つによ
って囲まれた領域内に前記第３の剛体部から突出する剛
体の第３の突出部と、前記領域に前記第４の剛体部から
突出する剛体の第４の突出部と、前記第３の突出部と前
記第４の突出部との間に装架され前記各たわみ梁に曲げ
変形を生じさせる第２のアクチュエータとから成る平行
たわみ梁変位機構を少なくとも１つ有し、前記第１の剛
体部および前記第２の剛体部のうち一方と、前記第３の
剛体部および前記第４の剛体部のうちの一方とを連結し
て微細位置決め装置を構成したことも特徴とする。

［作用］放射たわみ梁変位機構のアクチュエータを駆動すると、
各たわみ梁が変形し、この変形により上記１つの軸まわ
りに回転変位が発生する。

さらに、平行たわみ梁変位機構のアクチュエータを駆動
すると、各たわみ梁が変形して、上記軸に平行に並進変
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位置決め装置
の側面図である。図で、25a,25bはそれぞれ図で、左右
に存在する剛体部である。26,26′はそれぞれ剛体部25
a,25bの間にこれらと一体に形成され、かつ定点Ｏより
放射状に配置された平板状の放射たわみ梁である。27は
放射たわみ梁26,26′と各剛体部とを一体形成するため
に生じた貫通孔である。28aは剛体部25aから貫通孔27に
突出する突出部、28bは剛体部25bから貫通孔27に突出す
る突出部であり、これら突出部28a,28bは互いに図の縦
方向において、間隔を有して重なっている。29は突出部
28aと突出部28bとの間に固定された圧電アクチュエータ
である。圧電アクチュエータ29は、点Ｏを中心として圧
電アクチュエータ29を通る円を描いた場合、その円の接
線方向の力ｆ（点Ｏに関するトルクに相当する）を発生
し、各放射たわみ梁に曲げ変形を生ぜしめる。これら力
の大きさは、圧電アクチュエータ29に印加される電圧に
よって制御される。30は剛体部25aを支持する剛体構造
を示す。31は放射たわみ梁26,26′の歪を検出するスト
レーンゲージであり、放射たわみ梁26,26′と剛体部25
a,25bとの連結部分に設けられている。

上記の構成において、剛体部25a,25b、放射たわみ梁26,
26′、突出部28a,28b、圧電アクチュエータ29により放
射たわみ梁変位機構32が構成されている。点Ｏを通る紙
面に垂直な線を、この放射たわみ梁変位機構32の位置と
設置方向を示す基準軸とする。

次に、本実施例の動作を第２図を参照しながら説明す
る。第２図は第１図に示す放射たわみ梁変位機構32の変
形後の側面図である。今、圧電アクチュエータ29に電圧
を印加して上記接線方向の力ｆを発生させる。そうする
と、突出部28bは圧電アクチュエータ29に発生した力に
より上記接線に沿って上向きに押される。剛体部25bは
剛体部25aに放射たわみ梁26,26′で連結された形となっ
ているので、上記の力を受けた結果、放射たわみ梁26,2
6′の剛体部25aに連結されている部分は点Ｏから放射状
に延びる直線L₁,L₂と、剛体部25bに連結されている部分
に点Ｏから放射状に延びる直線L₁′,L₂′とが僅かにず
れる微小変位を生じる。このため、剛体部25bは図で時
計方向に微小角度δだけ回動する。この回転変位δの大
きさは、放射たわみ梁26,26′の曲げに対する剛性によ
り定まるので、力ｆを正確に制御すれば、回転変位δも
それと同じ精度で制御できることになる。

微動テーブルを平行移動させる装置は第８図、第９図に
示すように種々考えられるが、回転移動に関して同図に
示したような簡単な構造であるにもかかわらず良い特徴
を備えた装置は未だ提案されていなかった。しかし、本
実施例によりこれが可能となるのである。

なお、ストレンゲージ31を用いるフィードバック制御系
により回転変位δの制御を行うことができる。この場合
においても、ストレンゲージ31が放射たわみ梁26,26′
と剛体部25a,25bとの連結部分に設けられることによ
り、放射たわみ梁変位機構を多軸に組み合わせた場合に
も、互いに他からの影響を受けない形で正確な歪みの検
出が可能である。

圧電アクチュエータ29に印加されている電圧が除かれる
と、各放射たわみ梁26,26′は変形前の形状に復帰し、
放射たわみ梁変位機構32は第１図に示す状態に戻り、回
転変位δは０になる。

このように、本実施例では、力を発生させる圧電アクチ
ュエータを放射たわみ梁変位機構の剛体部と放射たわみ
梁で形成される領域内の各剛体部の各突出部間に装架す
る構成としたので、アクチュエータの装架が容易であ
り、かつ、外部へ突出する部分がなく、単純な形状の構
成とすることができる。この特徴は圧電アクチュエータ
が発した力の流れが各放射たわみ梁変位機構の極く近傍
を通ることになるために、このような装置を積層する際
に、従来例で述べたアクチュエータどうしが干渉する問
題を解決していることにもなるので、たわみ梁変位機構
を多軸に積層することが容易に実施できる。さらに、多
軸に積層した場合に全く他の軸の影響を受けない部分で
ある放射たわみ梁の歪によって出力変位を正確に検出
し、この検出値に基づいて圧電アクチュエータに発生さ
せる力を制御するようにしたので、多軸積層体による位
置決め精度をより一層向上させることができる。

第３図は後述する本発明の第３の実施例に係る微細位置
決め装置の側面図である。図で15a,15bはそれぞれ図で
左右に存在する剛体部である。16,16′はそれぞれ剛体
部15a,15bの間にこれらと一体に形成され、かつ、互い
に平行である平板状の平行たわみ梁である。17は平行た
わみ梁16,16′と各剛体部とを一体形成するために生じ
た貫通孔を示す。18aは剛体部15aから貫通孔17に突出す
る突出部、18bは剛体部15bから貫通孔17に突出する突出
部であり、これら突出部18a,18bは互いに図の縦方向に
おいて、間隔を有して重なっている。19は突出部18aと
突出部18bとの間に固定された圧電素子を積層した圧電
アクチュエータである。圧電アクチュエータ19は平行た
わみ梁16,16′の面に垂直な方向の力を発生し、それら
に曲げ変形を生ぜしめる。圧電アクチュエータ19に発生
する力の大きさは、図示しない装置により、当該圧電ア
クチュエータ19に印加される電圧によって制御される。
20は剛体部15aを支持する他の剛体構造である。21は平
行たわみ梁16,16′の歪を検出するストレンゲージであ
り、平行たわみ梁16,16′と剛体部15a,15bとの連結部分
に設けられている。

上記の構成において、剛体部15a,15b、平行のたわみ梁1
6,16′突出部18a,18b、圧電アクチュエータ19により平
行たわみ梁変位機構22が構成されている。

なお、剛体部15bを通り、各平行たわみ梁に直角方向で
ある線Ｋを基準軸とする。この基準軸は平行たわみ梁変
位機構の設置方向を示すものである。

次に、第３図に示す装置の動作を第４図を参照しながら
説明する。第４図は第３図に示す平行たわみ梁変位機構
22の変位後の側面図である。ここで、座標軸を図示のよ
うに定める（ｙ軸は紙面に垂直な方向）。今、圧電アク
チュエータ19に電圧を印加して同一大きさのｚ軸方向の
力ｆを発生させる。圧電アクチュエータ19に電圧が印加
されることにより、剛体部15bは力ｆによりｚ軸方向に
押圧されることになる。このため、平行たわみ梁16,1
6′は第８図に示す平行ばね2a,2bと同じように曲げ変形
を生じ、剛体部15bはｚ軸方向に変位する。

又、上記のように、平行たわみ梁16,16′が伸長してた
わむと、ストレンゲージ21のそれぞれには、その配置位
置により圧縮歪および伸長歪を生じる。そこで、この歪
をストレンゲージ21で検出し、この検出値に基づき圧電
アクチュエータ19の印加電圧を制御する、いわゆるフィ
ードバック制御系を構成すれば、より一層正確な主変位
εを得ることができる。即ち、上記各ストレンゲージ21
をブリッジ回路等適宜の電気回路に組み込んで検出した
歪を電気信号として取り出し（主変位εは歪と正確に比
例する）、これを比較演算部において目標変位に相当す
る信号と比較して両者の差信号を算出し、この差信号に
基づいて当該差信号が０になるように圧電アクチュエー
タ19を制御すればよい。このように、検出値を目標値と
比較し、その差が０になるように制御するフィードバッ
ク制御系は周知であり、本実施例ではこの周知のフィー
ドバック制御系をそのまま適用するだけであるので、フ
ィードバック制御系における検出部であるストレンゲー
ジ21のみを示し、他の構成の図示およびその詳細な説明
は省略する。

圧電アクチュエータ19に印加されている電圧が除かれる
と。各平行たわみ梁16,16′は変形前の状態に復帰し、
平行たわみ梁変位機構22は第３図に示す状態に戻り、変
位εは０となる。

このように、第３図に示す装置では、力を発生させる圧
電アクチュエータを平行たわみ梁変位機構の剛体部と平
行たわみ梁で形成される領域内に収容する構成としたの
で、外部へ突出する部分がなく単純な形状の構成とする
ことができる。この特徴は圧電アクチュエータが発した
力の流れが各平行たわみ梁の極く近傍を通ることにな
る。即ち、アクチュエータ19が発した力の流れは剛体部
15a、たわみ梁16,16′および剛体部15bの中で反力と均
衡し、剛体部20には影響を及ぼさないために、このよう
な装置を積層する際に従来例で述べたアクチュエータが
干渉する問題点を解決していることにもなるので、平行
たわみ梁変位機構を多軸に積層することが容易になる。
さらに、多軸に積層した場合も他の影響を全く受けない
平行たわみ梁の歪によって多軸位置決め機構の各軸の出
力変位を正確に検出し、この検出値に基づいて圧電アク
チュエータに発生させる力を制御するようにしたので、
多軸積層体による位置決め精度をより一層向上させるこ
とができる。

以上、放射たわみ梁変位機構および平行たわみ梁変位機
構の機能について詳述したが、これらは３つの座標軸
（x,y,z）のうちの１つの座標軸まわりの回転変位およ
び１つの座標軸方向の並進変位を発生する装置である。
そして、放射たわみ梁変位機構をその基準軸が一致もし
くは平行でない形で複数組み合わせれば２つ又は３つの
座標軸方向の微細位置決めを１つの装置で行なうことが
でき、又、平行たわみ梁変位機構をその基準軸が一致も
しくは平行でない形で複数組み合わせれば２つ又は３つ
の座標軸まわりの回転変位に関する微細位置決めを１つ
の装置で行なうことができ、さらに、放射たわみ梁変位
機構と平行たわみ梁変位機構とをそれぞれ適宜組み合わ
せれば１つ乃至３つの座標軸についての回転変位および
並進変位に関する微細位置決めを１つの装置で行なうこ
とができるのは明らかである。

ところで、このような組み合わせを考える場合、１つの
装置により第９図に示すように２つの座標軸についての
並進変位を得るのが限度であり、それ以上の組み合わせ
は困難であって、仮に考え得ることができても複雑な構
造となり実用に適さなくなる。又、第８図に示す構造に
四敵するような簡単な回転変位を得る装置は提案されて
いない。これに対して、本実施例の放射たわみ梁変位機
構および平行たわみ梁変位機構を用いれば、さきに述べ
たように上記の組み合わせを容易に実施することがで
き、加うるに各軸の放射たわみ梁変位機構、平行たわみ
梁変位機構相互間の回転変位、並進変位に干渉を生じな
いという大きな特徴を備えることができる。

以下、上記組み合わせ構造の実施例について説明する
が、第１図および第３図に示す各放射たわみ梁、平行た
わみ梁、各剛体部から突出する突出部、およびこれら突
出部間に固定される圧電アクチュエータについては、こ
れを１つの駆動部として考える方が煩らわしくなく理解
が容易に思われる。そこで、以下の実施例においては、
放射たわみ梁変位機構の上記駆動部を回転駆動部60と称
し、これにその回転駆動部60による変位の方向の座標軸
の符号を付することにし、又、平行たわみ梁変位機構の
上記駆動部を直線駆動部50と称し、これにその直線駆動
部50による回転変位の回転軸となる座標軸の符号を付す
ることにする。さらに、回転駆動部60および直線駆動部
50の図示も上記の考えにしたがって略記することとし、
この略記を第５図（ａ），（ｂ）に示すように、ほぼＳ
字形、又はほぼ逆Ｓ字形とする。なお、このＳ字形又は
逆Ｓ字形は関連する剛体部の突出部の突出方向と合致す
る形とされている。以下に上記組合わせの実施例を説明
する。

第６図は本発明の第２の実施例に係る微細位置決め装置
の斜視図である。本実施例の装置は座標軸を図示のよう
に設定したときの３軸（x,y,z）まわりの回転変位を発
生する装置である。そして、その構成は第１の実施例に
おける放射たわみ梁変位機構32を３つ組合わせ、それら
の各基準軸Ｋどうしが互いに他と直交し、かつ、隣接す
る各剛体部が一体化した形となっている。又、３つの軸
x,y,zの交点Ｐは剛体５の表面上にある。図で37,38,39,
40は剛体部、60zは剛体部37,38間に介在する回転駆動
部、60yは剛体部38,39間に介在する回転駆動部、60xは
剛体部39,40間に介在する回転駆動部である。剛体部37,
38および回転駆動部60zによりｚ軸まわりの放射たわみ
梁変位機構32zが構成され、又、剛体部38,39および回転
駆動部60yによりｙ軸まわりの放射たわみ梁変位機構32y
が構成され、さらに、剛体部39,40および回転駆動部60x
によりｘ軸まわりの放射たわみ梁変位機構32xが構成さ
れる。

今、例えば剛体部37を固定し、この状態で回転駆動部60
zの圧電アクチュエータを駆動すると、さきに説明から
判るように、剛体部38はｚ軸まわりに回転変位を生じ、
したがって、剛体部40もｚ軸まわりに同じ回転変位を生
じる。同様に、回転駆動部60yを駆動すると剛体部40は
ｙ軸まわりに回転変位を生じ、回転駆動部60xを駆動す
ると剛体部40はｘ軸まわりに回転変位を生じる。これら
の回転変位はそれぞれ他とは独立に発生するので、各回
転駆動部60x,60y,60zを適宜駆動することにより任意に
３軸まわりの回転変位を発生することができる。

このように、本実施例では、３つの放射たわみ梁変位機
構をその基準軸が互いに他と直角方向に配置されるよう
に一体化して組合わせたので、各変位機構を小形に構成
することができ、各圧電アクチュエータは他の駆動系に
対して干渉することはない。又、各回転駆動部における
放射たわみ梁は、このように３軸に積層しても他軸から
の影響を全く受けないので、その歪を検出することによ
り各軸の出力回転変位を検出することができ、これをフ
ィードバック制御に用いることにより高精度な位置決め
ができる。

さらに、本実施例では、３つの軸x,y,zが互いに直角方
向に配置されているだけでなく、それらがすべて剛体部
40の表面上の点Ｐを通っていることにより、以下説明す
る効果をも有する。剛体部40を微動テーブルと考えた場
合、各放射たわみ梁変位機構32x,32y,32zを作動させた
とき、すべての回転変位出力が点Ｐのまわりの回転変位
となるという効果を有するものである。この効果は、各
軸x,y,zが点Ｐについての上記条件を満たしていない場
合を想定すればよりよく理解し得る。今、仮にｘ軸まわ
りの放射変位機構32xの基準軸Ｋが点Ｐからｚ軸の方向
にずれているとすると、ｘ軸まわりの回転変位を発生さ
せたとき、これに伴って点Ｐのｙ軸方向およびｚ軸方向
の並進変位が生じてしまうのは明らかであり、位置決め
において好ましくない影響を生じる。したがって、点Ｐ
が剛体部40の表面上にあることは、このような影響を避
けることができるという大きな効果を有するものであ
る。もっともこれらの並進変位は各部寸法が既知である
ので、予め計算により正確に求め得る性格のものではあ
るが、何らかの手段でこれを補償してやらねばならない
という大きな不利を免れることはできない。

第７図は第６図に示す装置と同様、第３図に示す単体の
装置を組み合わせた微細位置決め装置の斜視図である。
この装置は座標軸を図示のように設定したとき３軸（x,
y,z）の変位を発生する装置である。そして、その構成
は第２の実施例における平行たわみ梁変位機構22を３つ
組合わせ、それらの各基準軸Ｋどうしが互いに他と直角
方向に配置され、かつ、隣接する各剛体部が一体化した
形となっている。図で、33,34,35,36は剛体部、50zは剛
体部33,34間に介在する直線駆動部、50yは剛体部34,35
間に介在する直線駆動部、50xは剛体部35,36間に介在す
る直線駆動部である。剛体部33,34および直線駆動部50
z、によりｚ軸方向の平行たわみ梁変位機構22zが構成さ
れ、又、剛体部34,35および直線駆動部50yによりｙ軸方
向の平行たわみ梁変位機構22yが構成され、さらに、剛
体部35,36および直線駆動部50xによりｘ軸方向の平行た
わみ梁変位機構22xが構成される。

今、例えば剛体部33を固定し、この状態で直線駆動部50
zの圧電アクチュエータを駆動すると、さきの説明から
判るように、剛体部34はｚ軸方向に変位を生じ、したが
って、剛体部36も同様の変位を生じる。同じく、直線駆
動部50yを駆動すると剛体部36はｙ軸方向に変位を生
じ、直線駆動部50xを駆動すると剛体部36はｘ軸方向に
変位を生じる。これらの変位はそれぞれ他とは独立に発
生するので、各直線駆動部50x,50y,50zを適宜駆動する
ことにより任意に３軸の変位を発生することができる。

このように、第７図に示す装置では、３つの平行たわみ
梁変位機構をその基準軸が互いに他と直交するように一
体化して組合わせたので、各変位機構を小形に構成する
ことができ、各圧電アクチュエータは他の駆動系に対し
て干渉することはない。又、各直線駆動部における平行
たわみ梁は、このように３軸に積層しても他軸からの影
響を全く受けないので、その歪を検出することにより各
軸の出力変位を検出することができ、これをフィードバ
ック制御に用いることにより高精度な位置決めができ
る。

次に、本発明の第３の実施例について述べる。この第３
の実施例では、直行する３軸x,y,zについてそれら各軸
方向の並進変位およびそれら各軸まわりの回転変位を発
生する６軸の位置決め装置である。この６軸の位置決め
装置は、第６図および第７図に示す装置を単に連結する
だけで得られ、第６図および第７図に示す構成から容易
に想定し得るので図示は省略する。

上記連結は、例えば次のようにして実施する。即ち、第
７図に示す剛体部36と第６図に示す剛体部37とを、各た
わみ梁変位機構の同一座標軸方向の基準軸Ｋが平行にな
るような位置関係で一体化するだけである。このように
して得られた構成において、例えば剛体部33を固定し、
剛体部40を微動テーブルとすれば、３軸Ｘ、y,zについ
ての並進、回転の６成分の変位を発生する微細位置決め
装置が得られる。

なお、上記実施例では６成分の変位を発生する構成例を
説明したが、放射たわみ梁変位機構の数と平行たわみ梁
変位機構の数は任意に選定する子とができるのは明らか
である。

本実施例の効果が、第６図に示す装置の効果と第７図に
示す装置の効果を併せもつものであることはあらためて
説明するまでもなく明らかである。なお、第６図に示す
装置の効果の説明において、点Ｐが剛体部40の表面から
ずれている場合、何らかの手段で並進変位を補償する必
要があることを述べたが、仮に本実施例においてそのよ
うなずれが存在しているとすれば当該手段はとりもなお
さず第７図に示す構成部分に該当する。そして、上記補
償のためには、所要の演算を実行したうえ、その演算結
果に応じて第７図に示す構成を作動させねばならないの
であるから両側で余分の手間を要するものであり、この
点から考えて点Ｐが剛体部40の表面上に存在する構成の
優れた効果が明瞭である。

以上、第１乃至第３の実施例について述べたが、特に第
６図、第７図に示す装置および第３の実施例について特
に考慮されるべき点があるので、ここで、この点につい
て触れておく。

放射たわみ梁構造、平行たわみ梁構造にはそれぞれ純粋
な回転および並進変位のみ発生するという特性に基づい
て本発明が成り立っている。より厳密な精度を追求する
場合にはこの前提が必らずしも絶対的とは言えない。例
えば平行たわみ梁構造に於いて実用的な寸法を仮定して
計算すると発生すべき変位の約1/100くらいの横変位が
生じることがある。この値は一般的使い方では誤差の範
囲と考えてもよいので本発明では無視して来た。しかし
ながらより高い精度が要求される目的のためにはこの誤
差を防ぐ必要があり、そのための方法を、ここではその
影響が拡大される恐れのある第６図、第７図に示す装置
および第３の実施例について言及しておく。

すなわち、これら装置のように複数のたわみ梁変位機構
を積層するとき、前述の微小な誤差が拡大される。そこ
でそれらが無視できない割合を占めるようになる場合も
おこり得る。その場合でも各たわみ梁変位機構で発生し
た変位と微動テーブルでの実際の変位との間には微小変
位の範囲では干渉変位をも含めてほとんど線形な関係が
成り立つので、それらの係数を求めておいて予め入力値
を補償演算しておけば、その影響を容易に除くことがで
きるとともに、その結果得られる位置決め精度は今迄述
べてきた実施例のものを上記補償演算なしですました場
合に比べて格段に向上する。

以上、本発明の実施例を説明した。そして、これらの実
施例はすべて微細位置決め装置についてのものであり、
又、本発明の名称とも一致する。しかしながら、本発明
でいう微細位置決め装置は、微細な回転変位、微細な並
進変位を発生させる装置の意味であり、実施例の説明で
微細位置決め装置を例示したのは本発明の使用分野の典
型例が位置決め装置であることを考慮したものであり、
本発明の内容を最も簡明かつ直載に表現するものである
と考えられるからである。したがって、本発明の適用は
位置決め装置に限定されるものではない。即ち、位置決
め装置以外にもある試料体を所望の微小変位だけ変形さ
せて接触面の変位状況や試料体の物性変化を調べる装置
や、単結晶の各結晶方向に精密な荷重を作用させるよう
な微細変位範囲内での荷重装置等がある。

ところで、通常、微細位置決め装置では、微動位置決め
部にはシリコンウエハー、光ファイバ、顕微鏡の試料等
の軽量かつ移動に際して抵抗力の発生しないものが置か
れ、もしくは取付けられることが多い。この場合、装置
の各剛性体部および中間に介在する他の駆動部は、特に
力やトルクが作用しないのでそれほど大きな剛性を必要
としない。一方、いれ以外の上記装置では、微小変位に
伴なって抵抗力が生じるので、各剛体部およびその中間
に介在する他の各駆動部は、所定変位方向に対する力も
しくはトルクに対して剛である必要がある。本発明の各
実施例では全てこの条件をも満足している。したがっ
て、荷重装置としての使用にも耐えられる構成になって
いる。

さらに、基準軸について述べると、第６図、第７図に示
す装置および第３の実施例の積層形状の実施例では、基
準軸が直交している例について説明したが、必ずしも基
準軸が直交しなくてもよいのは当然である。

又、上記各実施例の説明では、放射たわみ梁や平行たわ
み梁として２枚１組になった構成を例示して説明した
が、これらは２枚に限定されることはなく、３枚以上の
複数枚を１組とする構成であってもよいのは明らかであ
る。さらに、放射たわみ梁や平行たわみ梁として同一厚
みの平板状のものを例示して説明したが、必ずしも均一
厚みのものに限定されることなく、放射たわみ梁や平行
たわみ梁を形成するために剛体ブロックに貫通する貫通
孔の形状を加工等の観点から種々選定することができ、
これに応じて不均一厚みのものとすることもできる。

さらに又、上記各実施例の説明では、アクチュエータと
して圧電アクチュエータを例示して説明したが、圧電ア
クチュエータに限ることはなく、ソレノイドその他適宜
のものを用いることができる。

又、上記各実施例の説明では、微細位置決め装置を、最
も理想的な実施例として１つの剛体ブロックから一体に
形成する構成を例示して説明したが、別体に形成した各
部をボルトなどの部材を用いるか又は溶接などによって
互いに剛接する構成としてもよい。

又、たわみ梁の変位、応力歪を検出する手段はストレン
ゲージに限ることはなく、他の手段を用いることもでき
る。そして又、このような歪の検出手段を含むフィード
バック制御系は必ずしも必要ではなく、これがなくても
充分に精度よく微細変位、微細回転変位を得ることがで
きるのは明らかである。

［発明の効果］以上述べたように、本発明では、放射たわみ梁変位機構
で微細位置決め装置を構成したので、精度の良い微細回
転変位を得ることができる。さらに、本発明は、放射た
わみ梁変位機構に平行たわみ梁変位機構を結合したの
で、微細回転変位と微細並進変位とを１つの装置で得る
ことができる。又、多軸の位置決め装置を容易に構成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１の実施例に係る微細
位置決め装置の側面図、第３図および第４図は本発明の
第３の実施例に用いられる微細位置決め装置の側面図、
第５図（ａ），（ｂ）は回転駆動部および直線駆動部の
記号を説明するための説明図、第６図は本発明の第２の
実施例に係る微細位置決め装置の斜視図、第７図は本発
明の第３の実施例に用いられる微細位置決め装置の斜視
図、第８図は従来の微細位置決め装置の側面図、第９図
は第８図の装置から想定される微細位置決め装置の斜視
図である。 15a,15b,25a,25b,33,34,35,36,37,38,39,40,101,102…
…剛体部、16,16′……平行たわみ梁、19,29……圧電ア
クチュエータ、21,31……ストレンゲージ、22……平行
たわみ梁変位機構、26,26′……放射たわみ梁、32……
放射たわみ梁変位機構、50x,50y,50z……直線駆動部、6
0x,60y,60z……回転駆動部。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−94103（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−96880（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−259347（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−209846（ＪＰ，Ａ) 米国特許3786332（ＵＳ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の剛体部と、第２の剛体部と、これら
第１の剛体部と第２の剛体部を連結しかつ１つの軸に関
して放射状に配置された複数のたわみ梁と、前記第１の
剛体部、前記第２の剛体部、および前記たわみ梁のうち
の２つによって囲まれた領域内に前記第１の剛体部から
突出する剛体の第１の突出部と、前記領域内に前記第２
の剛体部から突出する剛体の第２の突出部と、前記第１
の突出部と前記第２の突出部との間に装架され前記各た
わみ梁に曲げ変形を生じさせるアクチュエータとから成
る放射たわみ梁変位機構で構成されていることを特徴と
する微細位置決め装置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において、前記放射
たわみ梁変位機構は、前記軸の軸方向を異にして複数個
設けられ、これら各放射たわみ梁変位機構は、その一方
の前記第１の剛体部と他方の前記第２の剛体部とが連結
されていることを特徴とする微細位置決め装置。
【請求項３】第１の剛体部と、第２の剛体部と、これら
第１の剛体部と第２の剛体部を連結しかつ１つの軸に関
して放射状に配置された複数のたわみ梁と、前記第１の
剛体部、前記第２の剛体部、および前記たわみ梁のうち
の２つによって囲まれた領域内に前記第１の剛体部から
突出する剛体の第１の突出部と、前記領域内に前記第２
の剛体部から突出する剛体の第２の突出部と、前記第１
の突出部と前記第２の突出部との間に装架され前記各た
わみ梁に曲げ変形を生じさせる第１のアクチュエータと
から成る放射たわみ梁変位機構を少なくとも１つ、およ
び、第３の剛体部と、第４の剛体部と、これら第３の剛
体部と第４の剛体部を連結しかつ互いに平行に配置され
た複数のたわみ梁と、前記第３の剛体部、前記第４の剛
体部、および前記たわみ梁のうちの２つによって囲まれ
た領域内に前記第３の剛体部から突出する剛体の第３の
突出部と、前記領域に前記第４の剛体部から突出する剛
体の第４の突出部と、前記第３の突出部と前記第４の突
出部との間に装架され前記各たわみ梁に曲げ変形を生じ
させる第２のアクチュエータとから成る平行たわみ梁変
位機構を少なくとも１つ有し、前記第１の剛体部および
前記第２の剛体部のうち一方と、前記第３の剛体部およ
び前記第４の剛体部のうちの一方とを連結して構成され
ていることを特徴とする微細位置決め装置。
【請求項４】特許請求の範囲第３項において、前記平行
たわみ梁変位機構は、前記第３の剛体部を通り前記各た
わみ梁に垂直な軸の軸方向を異にして複数個設けられ、
これら各平行たわみ梁変位機構は、その一方の前記第３
の剛体部と他方の前記第４の剛体部とが連結されている
ことを特徴とする微細位置決め装置。
【請求項５】特許請求の範囲第３項において、前記放射
たわみ梁変位機構は、前記軸の軸方向を異にして複数個
設けられ、これら各放射たわみ梁変位機構は、その一方
の前記第１の剛体部と他方の前記第２の剛体部とが連結
されていることを特徴とする微細位置決め装置。
【請求項６】特許請求の範囲第１項又は第３項におい
て、前記たわみ梁のうちの所定のたわみ梁は、前記第１
の剛体部と前記第２の剛体部間に発生する相対変位又は
前記第３の剛体部と前記第４の剛体部間に発生する相対
変位を検出する検出手段を備えていることを特徴とする
微細位置決め装置。