JPH07136888A - 精密位置決め装置の変位拡大機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 実用上要請のあるｍｍオーダの範囲に渡って
位置決めできるように拡大比を大きくできる精密位置決
め装置の変位拡大機構を提供する。 【構成】 互いに対向する一対の第１出力リンク５とこ
れらの第１出力リンク５に連結されるとともに互いに対
向する一対の第１梃用リンク６とから平行リンク機構２
を形成し、前記一対の第１梃用リンク６を互いに離れる
方向に変位させる変位発生素子（圧電素子４）を一対の
第１梃用リンク６の間に配置し、第１梃用リンク６上の
力点である弾性ヒンジ９を一対の第１梃用リンク６の各
々の長手方向を２等分する中心であるＹ軸から互いに反
対側に距離αだけ離れた位置に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子、磁歪素子等
の変位発生素子を利用して被位置決め部材の微小変位の
位置決めをする精密位置決め装置の変位拡大機構に係
り、例えば半導体素子等の製造、検査に使用される位置
決め装置や走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）並びに原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）のアクチュエータに利用できる。

【０００２】

【背景技術】従来より、高分解能でかつ発熱量が微小等
の利点のため精密位置決め装置に圧電素子や磁歪素子等
が利用されている。例えば、走査型トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ）では、探針の位置合わせのために探針に取り付け
られた圧電素子が利用されている（特開平3-252506号、
特開平3-257302号）。この圧電素子や磁歪素子の最大発
生変位量は一般に10μｍ程度と小さく、これらを直接的
に利用する限りにおいては実用上の要請であるｍｍオー
ダの範囲に渡っての位置決めをすることは極めて困難で
ある。また、圧電素子は、ヒステリシス特性において直
線的な変化を期待できない。そこで、圧電素子の微小な
変位量を拡大するため、２個の入力リンク、２個の出力
リンク及び４個の連結リンクからなる平面８節リンクを
利用し、２個の入力リンクの中心の間に圧電素子を入力
リンクの長手方向と直交する方向に配置した変位拡大機
構が提案されている（精密工学会誌56，10（1990）1823
〜1828）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来例は、入力リンクの間の寸法を圧電素子により変位
させ、この変位を連結リンクを介して２個の出力リンク
の相対的変位に置換するため、十分な拡大比を実現でき
ず、実用上の要請であるｍｍオーダの範囲に渡っての位
置決めには不足であるという問題点がある。

【０００４】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、拡大比を大きくできる精密位置決
め装置の変位拡大機構を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、平行リンク機
構の中に変位発生素子を配置するとともに互いに対向す
る一対のリンクに相互にずらした力点を形成して前記目
的を達成しようとするものである。具体的には、本発明
の精密位置決め装置の変位拡大機構は、互いに対向する
一対の出力リンクとこれらの出力リンクに連結されると
ともに互いに対向する一対の梃用リンクとから平行リン
ク機構を形成し、前記一対の梃用リンクを互いに離れる
方向に変位させる圧電素子、磁歪素子等の変位発生素子
を一対の梃用リンクの間に配置し、梃用リンク上の力点
を一対の梃用リンクの各々の長手方向を２等分する中心
線あるいはこの中心線と平行な基準線から互いに反対側
に離れた位置に形成したことを特徴とする。

【０００６】ここで、前記平行リンク機構を第１平行リ
ンク機構と第２平行リンク機構とで構成し、前記第１平
行リンク機構を、互いに対向する一対の第１出力リンク
とこれらの第１出力リンクに連結されるとともに互いに
対向する一対の第１梃用リンクとから形成し、前記変位
発生素子を一対の第１梃用リンクの間に配置し、第１梃
用リンク上の力点を一対の第１梃用リンクの各々の長手
方向を２等分する中心線あるいはこの中心線と平行な基
準線から互いに反対側に離れた位置に形成し、前記第２
平行リンク機構を、互いに対向する一対の第２出力リン
クとこれらの第２出力リンクに連結されるとともに互い
に対向する一対の第２梃用リンクとから形成し、これら
の一対の第２梃用リンクの間に前記第１平行リンク機構
を配置するとともに少なくとも第２梃用リンクの一方と
第１出力リンクの一方及び第２梃用リンクの他方と第１
出力リンクの他方とを連結し、これらの連結点である第
２梃用リンク上の力点を一対の第２梃用リンクの各々の
長手方向を２等分する中心線あるいはこの中心線と平行
な基準線から互いに反対側に離れた位置に形成した構造
としてもよい。さらに、前記平行リンク機構を弾性素材
から構成するとともに平行リンク機構のヒンジを弾性ヒ
ンジから形成してもよい。

【０００７】

【作用】本発明では、一方の出力リンクを精密位置決め
装置のベース等に固定するとともに他方の出力リンクに
探針等の被位置決め部材を取り付ける。この状態で変位
発生素子により一対の梃用リンクを互いに離れる方向に
変位させると、梃用リンク上の力点が相互にずれている
から、梃用リンクに連結された一対の出力リンクは互い
に反対側に変位する。この時の変位発生素子の変位量と
一対の出力リンクの相対変位量との比は、梃用リンク上
の力点間の寸法と梃用リンク上の作用点の間の寸法、つ
まり梃用リンク上の出力リンク間の寸法の比に等しい。

【０００８】

【実施例】次に、本発明に係る精密位置決め装置の変位
拡大機構の好適な実施例を挙げ、添付の図面を参照しな
がら詳細に説明する。図１は本実施例に係る変位拡大機
構を示す断面図、図２は本実施例の原理を説明するため
の概略図である。図１において、変位拡大機構１は、第
１平行リンク機構２、第２平行リンク機構３及び変位発
生素子としての圧電素子４を備えて構成され、この圧電
素子４はアクチュエータとして機能する。変位拡大機構
１は、図１中、ＸＹ座標原点に関して点対称である。第
１平行リンク機構２及び第２平行リンク機構３は、ベリ
リウム銅、ばね用ステンレス鋼、ジュラルミン等の弾性
材料から形成された縦横の寸法がＬとＭの板材をワイヤ
カットすることにより形成されている。

【０００９】第１平行リンク機構２は、互いに対向する
一対の第１出力リンク５とこれらの第１出力リンク５に
連結されるとともに互いに対向する一対の第１梃用リン
ク６とから形成されている。第１出力リンク５は、それ
ぞれ第１梃用リンク６を囲うように略コ字型に形成され
ている。この第１出力リンク５の変形を阻止する当板７
が第１出力リンク５に取り付けられている。なお、図
中、符号７Ａは当板７を第１出力リンク５に図示しない
ねじで取り付けるために必要なねじ孔である。

【００１０】一対の第１梃用リンク６には、それぞれア
クチュエータ保持部８が一体形成され、これらのアクチ
ュエータ保持部８の間には前記圧電素子４が配置されて
いる。この圧電素子４は、複数枚が積層されて形成され
ているもので、その変位方向は第１出力リンク５の長手
方向と平行なＹ軸方向である。第１梃用リンク６とアク
チュエータ保持部８との連結部分及び第１出力リンク５
と第１梃用リンク６との連結部分には、それぞれＸＹ平
面内のみで可動する弾性ヒンジ９，１０が形成され、こ
のうち、第１梃用リンク６とアクチュエータ保持部８と
の間の弾性ヒンジ９は第１梃用リンク６上の力点とさ
れ、この力点は、一対の第１梃用リンク６の各々の長手
方向を２等分するとともに圧電素子４の中心であるＹ軸
から互いに反対側に距離α離れた位置に形成されてい
る。また、第１出力リンク５と第１梃用リンク６との連
結部分の弾性ヒンジ１０は作用点であり、この弾性ヒン
ジ１０とＹ軸との間の距離はεである。

【００１１】前記第２リンク機構３は、互いに対向する
一対の第２出力リンク１１とこれらの第２出力リンク１
１に連結されるとともに互いに対向する一対の第２梃用
リンク１２とから略長方形に形成されている。一方の第
２出力リンク１１は精密位置決め装置（図示せず）のベ
ース１３に固定されている。他方の第２出力リンク１１
には図示しない被位置決め部材が固定されている。これ
らの一対の第２梃用リンク１２の間には前記第１リンク
機構２が配置され、第１リンク機構２の第１出力リンク
５と第２梃用リンク１２とは連結されている。第２梃用
リンク１２と第１出力リンク５との連結部分及び第２出
力リンク１１と第２梃用リンク１２との連結部分には、
それぞれＸＹ平面内のみで可動する弾性ヒンジ１４，１
５が形成され、このうち、第２梃用リンク１２と第１出
力リンク５との間の弾性ヒンジ１４は第２梃用リンク１
２上の力点とされ、この力点は、一対の第２梃用リンク
１２の各々の長手方向を２等分するＹ軸から互いに反対
側に距離β離れた位置に形成されている。また、第２出
力リンク１１と第２梃用リンク１２との連結部分の弾性
ヒンジ１５は作用点であり、この弾性ヒンジ１５とＹ軸
との間の距離はηである。

【００１２】次に、図２に基づいて本実施例の作用を説
明する。図２では、本実施例の作用を分かりやすくする
ため、図１のものに比べ、構成要素の形状及び力点間、
作用点間の寸法比を変えて示している。図２に示される
通り、変位拡大機構１では、前記圧電素子４に電圧をか
けると、圧電素子４は伸長して両端でδ／２づつ、合計
δだけ変位する。すると、アクチュエータ保持部８及び
弾性ヒンジ９を介して一対の第１梃用リンク６が互いに
離れる方向に変位されるが、第１梃用リンク６上の力点
である弾性ヒンジ９が第１梃用リンク６の中心であるＹ
軸から互いに反対側にαだけ離れているから、第１梃用
リンク６は角度arctan（δ／２α）だけ反時計方向へ回
転し、第１梃用リンク６に連結された一対の第１出力リ
ンク５は互いに反対側に変位する。ここで、第１出力リ
ンク５のＹ軸における弾性ヒンジ１０間の相対変位量を
νとすると、この変位量νと圧電素子４の変位量δとの
比は、第１梃用リンク６上の作用点の間の寸法、つまり
第１出力リンク５の弾性ヒンジ１０間の寸法２εと第１
梃用リンク６上の力点間、つまり弾性ヒンジ９間の寸法
２αとの比に等しく、よって、変位量νは（ε／α）δ
である。

【００１３】一対の第１出力リンク５が相対的に変位す
ると、第２梃用リンク１２上の力点である弾性ヒンジ１
４を介して一対の第２梃用リンク１２が互いに離れる方
向に変位されるが、弾性ヒンジ１４が第２梃用リンク１
２の中心であるＹ軸から互いに反対側にβだけ離れてい
るから、第２梃用リンク１２は角度arctan（ν／２β）
だけ反時計方向へ回転し、第２梃用リンク１２に連結さ
れた一対の第２出力リンク１１は互いに反対側に変位す
る。ここで、第２出力リンク１１のＹ軸における弾性ヒ
ンジ１５間の相対変位量をΔとすると、この変位量Δと
第１出力リンク５の相対変位量νとの比は、第２梃用リ
ンク１２上の作用点の間の寸法、つまり第２出力リンク
１１の弾性ヒンジ１５間の寸法２ηと第２梃用リンク１
２上の力点間、つまり弾性ヒンジ１４間の寸法２βとの
比に等しく、よって、変位量Δは（η／β）νであり、
ν＝（ε／α）δであるから、Δ＝（η／β）・（ε／
α）δである。

【００１４】従って、本実施例によれば、互いに対向す
る一対の第１出力リンク５とこれらの第１出力リンク５
に連結されるとともに互いに対向する一対の第１梃用リ
ンク６とから第１平行リンク機構２を形成し、前記一対
の第１梃用リンク６を互いに離れる方向に変位させる圧
電素子４を一対の第１梃用リンク６の間に配置し、第１
梃用リンク６上の力点である弾性ヒンジ９を一対の第１
梃用リンク６の各々の長手方向を２等分する中心である
Ｙ軸から互いに反対側に寸法αだけ離れた位置に形成し
たから、拡大比を大きくできる。しかも、本実施例で
は、第１平行リンク機構２に加えて第２平行リンク機構
３を設け、この第２平行リンク機構３を、互いに対向す
る一対の第２出力リンク１１とこれらの第２出力リンク
１１に連結されるとともに互いに対向する一対の第２梃
用リンク１２とから形成し、これらの一対の第２梃用リ
ンク１２の間に前記第１平行リンク機構２を配置すると
ともに第２梃用リンク１２と第１出力リンク５とを連結
し、第２梃用リンク１２上の力点である弾性ヒンジ１４
を一対の第２梃用リンク１２の各々の長手方向を２等分
する中心であるＹ軸から互いに反対側に寸法βだけ離れ
た位置に形成したから、拡大比をより大きくできる。例
えば、第１梃用リンク６の作用点間の寸法２εの第１梃
用リンク６の力点間の寸法２αに対する比（ε／α）を
10とし、第２梃用リンク１２の作用点間の寸法２ηの第
２梃用リンク１２の力点間の寸法２βに対する比（η／
β）を10とすると、本実施例の変位拡大機構１では拡大
率が100 倍となり、圧電素子４自体の最大発生変位量が
10μｍとすると、実用上の要請である１ｍｍ程度の変位
の発生が可能となる。

【００１５】また、本実施例では、第１及び第２平行リ
ンク機構２，３を弾性素材から構成するとともに第１及
び第２平行リンク機構２，３のヒンジを弾性ヒンジ９，
１０，１４，１５から形成したので、第１及び第２平行
リンク機構２，３をβ＜εとしてコンパクトに形成して
も、弾性ヒンジ１０，１４でのＸ方向歪みの吸収により
ε＝βでなくとも第１及び第２平行リンク機構２，３が
確実に作動できる。換言すれば、第２平行リンク機構３
の第２梃用リンク１２上の力点とＹ軸との間の寸法βを
小さくできるから、大きな拡大比を確保しつつ変位拡大
機構１を小型化できる。

【００１６】さらに、第１平行リンク機構２の第１出力
リンク５に当板７を取り付けたから、第１出力リンク５
の変形を阻止して第１平行リンク機構２の適正な作動を
期待できる。

【００１７】以上、本発明について好適な実施例を挙げ
て説明したが、本発明はこの実施例に限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の
改良並びに設計の変更が可能なことは勿論である。例え
ば、前記実施例では、第１及び第２平行リンク機構２，
３を弾性素材から構成するとともに第１及び第２平行リ
ンク機構２，３のヒンジを弾性ヒンジ９，１０，１４，
１５から形成したが、本発明では、図３に示される通
り、変位拡大機構２１を第１及び第２平行リンク機構２
２，２３から構成し、この第１及び第２平行リンク機構
２２，２３を剛性部材の第１及び第２出力リンク２５，
３１及び第１及び第２梃用リンク２６，３２から構成す
るとともに第１及び第２平行リンク機構２２，２３のヒ
ンジをε＝βとなるようにピン２９，３０，３４，３５
から形成し、第２梃用リンク３２の一方と第１出力リン
ク２５の一方及び第２梃用リンク３２の他方と第１出力
リンク２５の他方とを連結してもよい。

【００１８】また、前記実施例では、第１及び第２平行
リンク機構２，３から２段の平行リンク機構を構成した
が、本発明では、第１平行リンク機構２の１段のみ、あ
るいは、３段以上の平行リンク機構でもよい。３段以上
平行リンク機構を設けた場合では、前記実施例に準じて
３段以後の平行リンク機構を組み立てる。さらに、前記
実施例及び図３の変形例では、梃用リンク６，１２，２
６，３２上の力点を梃用リンク６，１２，２６，３２の
長手方向を２等分する中心線Ｙから互いに反対側に離れ
た位置に形成したが、この力点は中心線Ｙと平行な基準
線から互いに反対側に離れた位置に形成してもよい。

【００１９】さらに、変位発生素子を圧電素子４とした
が圧電素子４に代えて磁歪素子を用いてもよい。また、
当板７は必ずしも用いることを要しない。また、本発明
の原理をブロックゲージに応用することができる。即
ち、ブロックゲージに本発明の機構を組み込み、ブロッ
クゲージの基準寸法を可変とすることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
互いに対向する一対の出力リンクとこれらの出力リンク
に連結されるとともに互いに対向する一対の梃用リンク
とから平行リンク機構を形成し、前記一対の梃用リンク
を互いに離れる方向に変位させる変位発生素子を一対の
梃用リンクの間に配置し、梃用リンク上の力点を一対の
梃用リンクの各々の長手方向を２等分する中心から互い
に反対側に離れた位置に形成したから、拡大比を大きく
できる。また、平行リンク機構を第１平行リンク機構と
第２平行リンク機構とで構成し、この第２平行リンク機
構を、互いに対向する一対の第２出力リンクとこれらの
第２出力リンクに連結されるとともに互いに対向する一
対の第２梃用リンクとから形成し、これらの一対の第２
梃用リンクの間に前記第１平行リンク機構を配置すると
ともに第２梃用リンクと第１平行リンク機構の第１出力
リンクとを連結し、第２梃用リンク上の力点を一対の第
２梃用リンクの各々の長手方向を２等分する中心から互
いに反対側に離れた位置に形成したから、拡大比をより
大きくできる。さらに、平行リンク機構を弾性素材から
構成するとともに平行リンク機構のヒンジを弾性ヒンジ
から形成すれば、平行リンク機構をコンパクトに形成し
ても、弾性ヒンジにより平行リンク機構を確実に作動で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る変位拡大機構を示す断
面図である。

【図２】本実施例の原理を説明するための概略図であ
る。

【図３】本発明の変形例に係る変位拡大機構を示す正面
図である。

【符号の説明】

１，21 変位拡大機構 ２，22 第１平行リンク機構 ３，23 第２平行リンク機構 ４ 変位発生素子である圧電素子 ５，25 第１出力リンク ６，26 第１梃用リンク 11，31 第２出力リンク 12，32 第２梃用リンク ９，29 ヒンジ（力点） 10，30 ヒンジ（作用点） 14，34 ヒンジ（力点） 15，35 ヒンジ（作用点）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日高 和彦 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株 式会社ミツトヨ内 (72)発明者 西村 国俊 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株 式会社ミツトヨ内 (72)発明者 岡本 清和 神奈川県川崎市高津区坂戸１−20−１ 株 式会社ミツトヨ内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに対向する一対の出力リンクとこれ
   らの出力リンクに連結されるとともに互いに対向する一
   対の梃用リンクとから平行リンク機構を形成し、前記一
   対の梃用リンクを互いに離れる方向に変位させる変位発
   生素子を一対の梃用リンクの間に配置し、梃用リンク上
   の力点を一対の梃用リンクの各々の長手方向を２等分す
   る中心線あるいはこの中心線と平行な基準線から互いに
   反対側に離れた位置に形成したことを特徴とする精密位
   置決め装置の変位拡大機構。
2. 【請求項２】 請求項１記載の精密位置決め装置の変位
   拡大機構において、前記平行リンク機構を第１平行リン
   ク機構と第２平行リンク機構とで構成し、前記第１平行
   リンク機構を、互いに対向する一対の第１出力リンクと
   これらの第１出力リンクに連結されるとともに互いに対
   向する一対の第１梃用リンクとから形成し、前記変位発
   生素子を一対の第１梃用リンクの間に配置し、第１梃用
   リンク上の力点を一対の第１梃用リンクの各々の長手方
   向を２等分する中心線あるいはこの中心線と平行な基準
   線から互いに反対側に離れた位置に形成し、前記第２平
   行リンク機構を、互いに対向する一対の第２出力リンク
   とこれらの第２出力リンクに連結されるとともに互いに
   対向する一対の第２梃用リンクとから形成し、これらの
   一対の第２梃用リンクの間に前記第１平行リンク機構を
   配置するとともに少なくとも第２梃用リンクの一方と第
   １出力リンクの一方及び第２梃用リンクの他方と第１出
   力リンクの他方とを連結し、これらの連結点である第２
   梃用リンク上の力点を一対の第２梃用リンクの各々の長
   手方向を２等分する中心線あるいはこの中心線と平行な
   基準線から互いに反対側に離れた位置に形成したことを
   特徴とする精密位置決め装置の変位拡大機構。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の精密位置決め装置
   の変位拡大機構において、前記平行リンク機構を弾性素
   材から構成するとともに平行リンク機構のヒンジを弾性
   ヒンジから形成したことを特徴とする精密位置決め装置
   の変位拡大機構。