JPH1138164A - Three-dimensional fine movement table - Google Patents
Three-dimensional fine movement tableInfo
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- JPH1138164A JPH1138164A JP19585797A JP19585797A JPH1138164A JP H1138164 A JPH1138164 A JP H1138164A JP 19585797 A JP19585797 A JP 19585797A JP 19585797 A JP19585797 A JP 19585797A JP H1138164 A JPH1138164 A JP H1138164A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、直交するX−Y
−Z3軸方向のそれぞれに変位可能な三次元微動台に関
するものである。The present invention relates to an orthogonal XY
The present invention relates to a three-dimensional fine table that can be displaced in each of the -Z3 axis directions.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の三次元微動台を実現する最も一般
的な構成方法は、 (a)1軸ごとに変位する微動台を単純にX/Y/Zに
積み重ねる方法である。また、材料の弾性変形によるば
ね機能を利用した三次元微動台を実現する構成方法とし
ては、次の2つの方法(b)(c)がある。 (b)各軸の微動機能を単純にX/Y/Zに積み重ねつ
つ、一体構造型とする方法(文献名:尾坂、津田、「精
密移動台のナノメートル精度真直度特性」、精密工学会
誌、Vol.61,No.2(1995))。 (c)一枚の基板で作られたX/Yの二次元微動台の上
にZ軸の微動台を付加して組み立てる方法(文献名:
西村、「小型X−Yステージの開発」、昭和61年度精
密工学会春季大会学術講演会論文集(講演番号21
0)、 63/64(1986)。西村、「小型X−Yステージの
開発(3軸の場合)」、昭和62年度精密工学会春季大
会学術講演会論文集(講演番号F31)、491/492(198
7)。畑村、小野、長澤、村山、「平行平板・放射平板
構造を用いた多軸微細位置決め機構」、昭和62年度精
密工学会春季大会学術講演会論文集(講演番号F3
3)、495/496(1987)。初澤、豊田、谷村、「マイク
ロパターン絶対測長装置の開発」、計測自動制御学会論
文集、Vol.26,No.9,983/988(1990))。2. Description of the Related Art The most general configuration method for realizing a conventional three-dimensional fine moving table is (a) a method of simply stacking fine moving tables displaced for each axis in X / Y / Z. Further, there are the following two methods (b) and (c) as a configuration method for realizing a three-dimensional fine movement table using a spring function by elastic deformation of a material. (B) A method in which the fine movement function of each axis is simply stacked in X / Y / Z and made into an integrated structure (literature name: Osaka, Tsuda, "Nanometer accuracy straightness characteristics of precision moving table", Journal of Precision Engineering Society) Vol.61, No.2 (1995)). (C) A method of assembling by adding a Z-axis fine table on an X / Y two-dimensional fine table made of one substrate (literature name:
Nishimura, "Development of a Small XY Stage", Proc. Of the Spring Meeting of the Japan Society of Precision Engineering, 1986 (lecture number 21)
0), 63/64 (1986). Nishimura, "Development of a small XY stage (for three axes)", Proc. Of the Spring Meeting of the Japan Society of Precision Engineering, 1987 (lecture number F31), 491/492 (198)
7). Hatamura, Ono, Nagasawa, Murayama, "Multi-axis fine positioning mechanism using parallel-plate / radial-plate structure", Proc. Of the 1987 JSPE Spring Conference (lecture number F3)
3), 495/496 (1987). Hatsuzawa, Toyota, Tanimura, "Development of Absolute Micropattern Measurement System", Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, Vol.26, No.9, 983/988 (1990)).
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の三
次元微動台のうち、(a)や(b)の方法で三次元微動
台を構成すると、必然的に背丈の高い構造の微動台とな
り、微妙な動きを不安定な状態で行わざるを得ない、と
いう欠点がある。また微動運動させる場合、駆動軸が互
いに空間で離れた位置に配置されるため、予期しないモ
ーメントが構造上作用し、互いの微動台の運動の干渉も
生じやすくなるという欠点がある。However, among the above-described conventional three-dimensional fine movement tables, if the three-dimensional fine movement table is formed by the method (a) or (b), the fine movement table necessarily has a tall structure. However, there is a disadvantage that a delicate movement must be performed in an unstable state. Further, in the case of fine movement, since the drive shafts are arranged at positions separated from each other in space, an unexpected moment acts on the structure, and there is a disadvantage that the movement of the fine movement table easily interferes with each other.
【0004】一方、(c)の構成方法では、平面的に直
交するX/Yの二次元微動台を一枚の基板に製作するの
で、背丈を低く押さえることはできるが、剛性を得るた
め面積を大きく取った構造となりやすく、コンパクトな
微動台にまとめることができないという欠点がある。ま
た、X/Yの二次元微動台の板ばねの変位方向は直交し
ているが、変位面が互いに直交した配置となっていな
い。On the other hand, in the configuration method (c), a two-dimensional X / Y fine moving table that is orthogonal to the plane is manufactured on a single substrate, so that the height can be kept low. However, there is a drawback that the structure cannot easily be integrated into a compact fine movement table. The directions of displacement of the leaf springs of the X / Y two-dimensional fine moving table are orthogonal, but the displacement surfaces are not arranged so as to be orthogonal to each other.
【0005】この発明は上記従来の三次元微動台の欠点
であるところの、イ)全体構造が完全対称形でない、
ロ)駆動軸が空間で離れている、ハ)構造上、全体がコ
ンパクトにならない、ニ)各軸の板ばねの変位方向は直
交しているが、変位面が互いに直交した対称形の配置構
造となっていない、などの欠点を全て解決した完全対称
形で一体構造型の三次元微動台を提供することを目的と
する。[0005] The present invention is a disadvantage of the above-mentioned conventional three-dimensional fine table, a) the entire structure is not perfectly symmetrical,
B) the drive shafts are separated in space; c) the overall structure is not compact; d) the displacement direction of the leaf springs of each shaft is orthogonal, but the displacement surfaces are orthogonal to each other, symmetrical arrangement structure It is an object of the present invention to provide a three-dimensional fine moving table having a completely symmetrical shape and an integral structure, which solves all the drawbacks such as the following.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の三次元微動台は、直交するX−Y−Z3
軸方向のそれぞれに変位可能な三次元微動台において、
立方体ブロックを母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の立方体ブロックとは間隙を保
持すると共に、Z軸方向に対して面が直交する弾性部材
を介しその外殻状立方体ブロックに支持されてZ軸方向
に変位可能となる第1変位体と、上記第1変位体を母体
としてその内部に同心上にかつ立方状に画成され、外殻
状の第1変位体とは間隙を保持すると共に、Y軸方向に
対して面が直交する弾性部材を介しその外殻状第1変位
体に支持されてY軸方向に変位可能となる第2変位体
と、上記第2変位体を母体としてその内部に同心上にか
つ立方状に画成され、外殻状の第2変位体とは間隙を保
持すると共に、X軸方向に対して面が直交する弾性部材
を介しその外殻状第2変位体に支持されてX軸方向に変
位可能となる第3変位体と、を有している。In order to achieve the above-mentioned object, a three-dimensional fine moving table according to the present invention comprises an orthogonal XYZ-3
In a three-dimensional fine table that can be displaced in each of the axial directions,
The cubic block is defined as a matrix and concentrically and cubically defined inside the cubic block. The cubic block has an outer shell through an elastic member whose surface is orthogonal to the Z axis direction while maintaining a gap with the outer cubic block. A first displacement body supported by the cubic block and capable of being displaced in the Z-axis direction; and a first displacement in an outer shell shape defined concentrically and cubically inside the first displacement body as a base body. A second displacement body that holds a gap with the body, is supported by the outer shell-shaped first displacement body via an elastic member having a surface orthogonal to the Y-axis direction, and is displaceable in the Y-axis direction; An elastic member which is concentrically and cubically defined inside the second displacement body as a mother body, maintains a gap with the outer shell-shaped second displacement body, and has a surface orthogonal to the X-axis direction. A third displacement which is displaceable in the X-axis direction by being supported by the outer shell-shaped second displacement body through Has a body, the.
【0007】[0007]
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。図1はこの発明の三次元
微動台の外観を示す斜視図、図2は断面図作成の際の切
断面を示す図、図3は図2の切断面A,B,Cで切断し
たときの各々の切り口に現れる構造を示す図、図4は三
次元微動台の分解斜視図である。これらの図において、
この発明の三次元微動台100は、立方体ブロック1の
内奥に向けて順次、第1変位体6、第2変位体5、およ
び第3変位体4を形成して成るものである。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a three-dimensional fine moving table according to the present invention, FIG. 2 is a view showing a cut surface when a cross-sectional view is created, and FIG. 3 is a view when cut along cut surfaces A, B, and C in FIG. FIG. 4 is an exploded perspective view of a three-dimensional fine movement table, showing a structure appearing at each cut. In these figures,
The three-dimensional fine movement table 100 of the present invention is formed by sequentially forming a first displacement body 6, a second displacement body 5, and a third displacement body 4 toward the inside of the cubic block 1.
【0008】上記の立方体ブロック1は、例えば導電性
弾性材料から成っており、その直交する3面a,b,c
には、先ずドリル加工により、他部品取付のためのねじ
下穴が開けられ、またワイヤーカット加工のための貫通
穴2…が4箇所ずつ、合計12個開けられる。貫通孔2
…は、例えばc面ではその各周辺中央から10mm入っ
た位置で、b面ではその各周辺中央から20mm入った
位置で、a面ではその各周辺中央から30mm入った位
置で、それぞれドリルによりその各面に垂直に掘り進む
ことにより、そのまま対向面まで貫通して開けられる。The cubic block 1 is made of, for example, a conductive elastic material, and has three orthogonal surfaces a, b, and c.
First, a drill hole is formed by drilling to attach another component, and a total of twelve through holes 2 are formed at four locations for wire cutting. Through hole 2
.. Are, for example, a position at 10 mm from the center of each periphery on the c-plane, a position at 20 mm from the center of the periphery on the b-plane, and a position 30 mm from the center of the periphery on the a-plane, respectively. By digging perpendicular to each surface, it can be penetrated and opened to the opposite surface as it is.
【0009】また、a、b、c面およびその対向する各
面は、形削り加工で所定形状に彫り込まれ、不要な部分
が除去される。例えば、c面とその対向面とには、その
各周辺から20mm入った位置に深さ20mmの凹部が
設けられ、またb面とその対向面とには、その各周辺か
ら20mm入った位置に深さ10mmの凹部と、各周辺
から30mm入った位置に深さ30mmの凹部とが段状
に設けられる。さらに、a面とその対向面とには、その
各周辺から10mm入った位置に深さ10mmの凹部
と、各周辺から30mm入った位置に深さ20mmの凹
部とが段状に設けられる。The a, b, and c surfaces and their opposing surfaces are carved into a predetermined shape by shaping, and unnecessary portions are removed. For example, the c-plane and its opposing surface are provided with a 20 mm-depth recess at a position 20 mm from each periphery thereof, and the b-surface and its opposing surface are provided at a position 20 mm from each periphery thereof. A concave portion having a depth of 10 mm and a concave portion having a depth of 30 mm are provided stepwise at a position 30 mm from each periphery. Further, the surface a and the opposing surface are provided with a stepped recess having a depth of 10 mm at a position 10 mm from each periphery and a recess 20 mm at a position 30 mm from each periphery.
【0010】そして、上記の貫通穴2…にワイヤが通さ
れ、放電ワイヤカット加工が行われる。すなわち、貫通
穴2からその貫通穴2に対応する周辺に対して平行とな
るように削り進むことにより、a、b、c各面につい
て、2本ずつの直線溝7,7とコ字形溝8,8とがそれ
ぞれ対向して、立方体ブロック1を貫通して設けられ
る。[0010] Then, a wire is passed through the above-mentioned through holes 2, and a discharge wire cutting process is performed. That is, by cutting from the through hole 2 so as to be parallel to the periphery corresponding to the through hole 2, two straight grooves 7, 7 and a U-shaped groove 8 are provided for each of the a, b, and c surfaces. , 8 are provided so as to face each other and penetrate the cubic block 1.
【0011】各面a、b、cの直線溝7,7とコ字形溝
8,8とは正面視略正方形を成しているが、コ字形溝
8,8は、その折り曲がり部分8a,8aが、一組の直
線溝7,7間の内側に位置している。このため、直線溝
7の一端部分7aと、コ字形溝8の折り曲がり部分8a
との間には、立方体ブロック1の素材がそのまま薄板状
に残存し、その薄板3a…、3b…、3c…は長さ方向
の両端が固定され、かつ厚さ方向には少なくともワイヤ
の線径で空隙が形成され、したがって、その弾性により
板ばね3a…、3b…、3c…を構成することとなる。The straight grooves 7, 7 and the U-shaped grooves 8, 8 on each of the surfaces a, b, c form a substantially square shape when viewed from the front, but the U-shaped grooves 8, 8 have bent portions 8a, 8a is located inside the pair of straight grooves 7,7. Therefore, one end portion 7a of the linear groove 7 and the bent portion 8a of the U-shaped groove 8
, The material of the cubic block 1 remains in a thin plate shape, and the thin plates 3a, 3b, 3c are fixed at both ends in the length direction, and at least the wire diameter in the thickness direction. , 3b... Are formed by the elasticity.
【0012】上記手順での放電ワイヤカット加工の結
果、立方体ブロック1には、その立方体ブロック1を母
体として内部に同心上にかつ立方状に、図4に示すよう
な第1変位体6が画成される。この第1変位体6の画成
により、立方体ブロック1は外殻状となり、第1変位体
6は、その外殻状の立方体ブロック1とは間隙を保持す
ると共に、板ばね3a…を介しその外殻状の立方体ブロ
ック1に支持される。そして、板ばね3a…は、その板
面がZ軸方向(c面に平行な方向)に対して直交してお
り、第1変位体6をZ軸方向にのみ変位可能とする。As a result of the discharge wire cutting in the above procedure, the cubic block 1 has a first displacement body 6 as shown in FIG. Is done. Due to the definition of the first displacement body 6, the cubic block 1 has an outer shell shape. The first displacement body 6 maintains a gap with the outer shell cubic block 1 and at the same time through a leaf spring 3a. It is supported by a shell-shaped cubic block 1. The leaf surfaces of the leaf springs 3a are orthogonal to the Z-axis direction (direction parallel to the c-plane), and the first displacement body 6 can be displaced only in the Z-axis direction.
【0013】また、第1変位体6には、その第1変位体
6を母体として内部に同心上にかつ立方状に、第2変位
体5が画成される。この第2変位体5の画成により、第
1変位体6は外殻状となり、第2変位体5は、その外殻
状の第1変位体6とは間隙を保持すると共に、板ばね3
b…を介しその外殻状の第1変位体6に支持される。そ
して、板ばね3b…は、その板面がY軸方向(b面に平
行な方向)に対して直交しており、第2変位体5をY軸
方向にのみ変位可能とする。The first displacement member 6 has a second displacement member 5 defined concentrically and cubically inside the first displacement member 6 as a mother body. Due to the definition of the second displacement body 5, the first displacement body 6 has an outer shell shape, and the second displacement body 5 maintains a gap with the outer shell-shaped first displacement body 6 and has a leaf spring 3
b are supported by the outer shell-shaped first displacement body 6. The plate surfaces of the leaf springs 3b are orthogonal to the Y-axis direction (direction parallel to the b-plane), and the second displacement body 5 can be displaced only in the Y-axis direction.
【0014】さらに、第2変位体5には、その第2変位
体5を母体として内部に同心上にかつ立方状に、第3変
位体4が画成される。この第3変位体4の画成により、
第2変位体5は外殻状となり、第3変位体4は、その外
殻状の第2変位体5とは間隙を保持すると共に、板ばね
3c…を介しその外殻状の第2変位体5に支持される。
そして、板ばね3c…は、その板面がX軸方向(a面に
平行な方向)に対して直交しており、第3変位体4をX
軸方向にのみ変位可能とする。Further, the third displacement body 4 is formed concentrically and cubically inside the second displacement body 5 using the second displacement body 5 as a mother body. By the definition of the third displacement body 4,
The second displacement body 5 has an outer shell shape, and the third displacement body 4 maintains a gap with the outer shell second displacement body 5 and has the outer shell second displacement through leaf springs 3c. It is supported by the body 5.
The leaf surfaces of the leaf springs 3c are orthogonal to the X-axis direction (a direction parallel to the a-plane).
It can be displaced only in the axial direction.
【0015】図4に示すように、板ばね3a…は、第1
変位体6の対向する2つの面61,62の各隅部に設け
られ、対向面側の板ばねとは板面同士が平行となって組
を成し、全体で4組の平行板ばね機構を構成している。
板ばね3b…,3c…についても同様に、それぞれ4組
の平行板ばね機構を構成している。As shown in FIG. 4, the leaf springs 3a.
It is provided at each corner of the two opposing surfaces 61 and 62 of the displacement body 6, and the plate surfaces on the opposing surface side are parallel to each other to form a set, and a total of four sets of parallel leaf spring mechanisms are provided. Is composed.
Similarly, each of the leaf springs 3b..., 3c.
【0016】上記構成の結果、立方体ブロック1の中央
に位置する第3変位体4は、図5にモデル化して示すよ
うに、8枚の板ばね3c…を介して、この第3変位体4
を包んでいる第2変位体5側に支えられ、X軸方向の外
力Fxを加えると、その8枚の板ばね3c…が、図6に
示すようにそれぞれ変曲点Mを対称に変形して撓み、X
軸方向に距離δだけ直進微動し、X軸微動体として機能
する。As a result of the above construction, the third displacement body 4 located at the center of the cubic block 1 is provided via eight leaf springs 3c as shown in FIG.
When an external force Fx in the X-axis direction is applied, the eight leaf springs 3c... Respectively deform the inflection points M symmetrically as shown in FIG. Deflected, X
It finely moves straight in the axial direction by a distance δ and functions as an X-axis fine moving body.
【0017】同様に、第2変位体5は、8枚の板ばね3
b…を介して、この第2変位体5を包んでいる第1変位
体6側に支えられ、Y軸方向の外力Fyを加えると、そ
の8枚の板ばね3b…はそれぞれ撓んで、Y軸方向に直
進微動し、Y軸微動体として機能する。Similarly, the second displacement member 5 includes eight leaf springs 3.
b, supported by the first displacement body 6 enclosing the second displacement body 5, and when an external force Fy in the Y-axis direction is applied, the eight leaf springs 3b are bent, and Finely moves straight in the axial direction and functions as a Y-axis fine moving body.
【0018】また、第1変位体6は、8枚の板ばね3a
…を介して、この第1変位体6を包んでいる立方体ブロ
ック1側に支えられ、Z軸方向の外力Fzを加えると、
その8枚の板ばね3a…がそれぞれ撓んで、Z軸方向に
直進微動し、Z軸微動体として機能する。そして、固定
体としての立方体ブロック1から見ると、中央の第3変
位体4は、X,Y,Zの3軸方向に微動可能となる。The first displacement body 6 includes eight leaf springs 3a.
Are supported by the cubic block 1 surrounding the first displacement body 6 via... And an external force Fz in the Z-axis direction is applied.
Each of the eight leaf springs 3a bends and slightly moves straight in the Z-axis direction to function as a Z-axis fine moving body. Then, when viewed from the cubic block 1 as a fixed body, the central third displacement body 4 can be finely moved in the X, Y and Z axes.
【0019】各変位体6,5,4の直進微動範囲は板ば
ね3a…,3b…,3c…の厚みによって大きく左右さ
れるが、用いる材料の弾性係数や放電ワイヤカットの加
工能力との兼ね合いから、板ばね3a…,3b…,3c
…の厚みは数十μm〜1mmの範囲を目安に製作され
る。また、各板ばね3a…,3b…,3c…の幅と長さ
は、ほぼ正方形に設計・製作されている。The range of fine movement of each of the displacement members 6, 5, and 4 is greatly affected by the thickness of the leaf springs 3a, 3b, 3c, but it depends on the elastic coefficient of the material used and the machining ability of the discharge wire cutting. , 3b ..., 3c
Are manufactured with a thickness of several tens μm to 1 mm as a guide. The width and length of each of the leaf springs 3a, 3b, 3c are designed and manufactured to be substantially square.
【0020】ここで、上記構成の三次元微動台100と
従来の三次元微動台との比較を行う。Here, a comparison will be made between the three-dimensional fine moving table 100 having the above configuration and a conventional three-dimensional fine moving table.
【0021】従来の三次元微動台は、単に二次元微動台
に残りの一軸を付加して三次元微動台としているため、
全体の機能として均衡のとれた運動機能を発揮させるこ
とができない。すなわち、図11のように一軸ごとに微
動台を積み重ねるにしろ、図12のように直交した平面
的な構成とするにしろ、X/Yの二次元微動台の板ばね
の変位面は同一方向を向いた構造である。したがって、
X軸に力を加え微動させた場合、応力の伝搬で他のY軸
の板ばねも変形し易い状態となる。そのため、直交する
X軸とY軸の運動の独立性には限界がある。In the conventional three-dimensional fine movement table, since the remaining one axis is simply added to the two-dimensional fine movement table to form a three-dimensional fine movement table,
A balanced motor function cannot be exhibited as a whole function. That is, regardless of whether the fine motion tables are stacked for each axis as shown in FIG. 11 or the plane configuration is orthogonal as shown in FIG. 12, the displacement surfaces of the leaf springs of the X / Y two-dimensional fine motion table are in the same direction. It is a structure that faces. Therefore,
When a slight motion is applied by applying a force to the X-axis, the other leaf springs of the Y-axis are easily deformed by the propagation of the stress. Therefore, there is a limit to the independence of the X-axis and Y-axis motions that are orthogonal to each other.
【0022】これに対し、本発明の場合、図1に示す通
り、全体がコンパクトな立方体ブロック1の直交する三
面a,b,cについて板ばね機構を実現していることか
ら、各変位体4,5,6の板ばねの配置方向のみを強調
して示した図7のような模式図が画ける。すなわち、必
然的に各変位体4,5,6の板ばねの配置は、その変位
方向16ばかりでなく変位面17も互いに直交する配置
で製作される。この配置構造で、例えばX軸方向に外力
を加え、板ばねを変形させても、X軸の直進微動運動は
Y軸やZ軸の微動運動に影響をほとんど与えず、互いの
運動の独立性を保つことができる。微動運動の同様の独
立性は完全対称形の構造であることから、Y軸やZ軸方
向の直進微動運動においても保つことができる。On the other hand, in the case of the present invention, as shown in FIG. 1, since the leaf spring mechanism is realized on three orthogonal surfaces a, b, c of the cubic block 1 which is compact as a whole, , 5 and 6 can be drawn as shown in FIG. 7 in which only the arrangement direction of the leaf springs is emphasized. In other words, the leaf springs of each of the displacement bodies 4, 5, and 6 are necessarily manufactured so that not only the displacement direction 16 but also the displacement surface 17 are orthogonal to each other. In this arrangement, for example, even if an external force is applied in the X-axis direction to deform the leaf spring, the X-axis linear fine movement has almost no effect on the Y-axis or Z-axis fine movement, and the movements are independent of each other. Can be kept. The similar independence of the fine movement can be maintained even in the linear fine movement in the Y-axis direction or the Z-axis direction because of the completely symmetrical structure.
【0023】さらに本発明の三次元微動台100は、図
1に示す通り、立方体ブロック1に基づく完全な対称形
であることから、各軸に与える駆動力を相互に直交さ
せ、空間の一点で交差させることができる、という特長
がある。従って、各軸を微動させる駆動力によってモー
メントが発生したり、それによって三次元微動台100
が回転/変形すると言う悪影響は極力抑えられる。この
特長は、従来の単純に微動台を積み上げた図11のよう
な積み上げ型の三次元微動台では構造上不可能で、実現
できなかったことである。Further, as shown in FIG. 1, the three-dimensional fine moving table 100 of the present invention is a perfect symmetrical shape based on the cubic block 1, so that the driving forces applied to the respective axes are made orthogonal to each other, so that one point in space can be obtained. The feature is that they can cross. Therefore, a moment is generated by a driving force for finely moving each axis, and the three-dimensional fine
The adverse effect of rotation / deformation is minimized. This feature is impossible with a conventional three-dimensional fine moving table of a stacked type as shown in FIG.
【0024】上記の三次元微動台100の具体的な適用
例の主なものを大きく分けると、次の図8,図9,図1
0に示す三つがあげられる。The main examples of the specific application examples of the three-dimensional fine moving table 100 can be roughly divided into the following FIGS. 8, 9, and 1.
There are three shown as 0.
【0025】図8は測定対象物の微動台として用いた場
合を示す図である。この適用例では、各種の顕微鏡12
の下で測定対象物10をサブナノメートルの安定性で操
作または測定したい場合の三次元微動台11として用い
ている。測定対象物10、例えばリソグラフィー技術で
加工した表面に微細形状をもつ三次元パターンの試料
を、本発明による三次元微動台101に載せ、SEMや
STMなどの顕微鏡12を位置決めセンサとして用いる
ことで、測定対象物10のX/Y/Z軸方向の寸法測定
を行うことができる。すなわち、三次元微動台101の
X/Y/Z軸のそれぞれの変位体の一側面にピエゾアク
チュエータXa,Ya,Zaを駆動装置として取り付
け、また各軸の微動量を、高分解能レーザ干渉測長器X
d,Yd,Zdと反射鏡Xm,Ym,ZmとをX/Y/
Z軸の動きと一致する方向にそれぞれ配置する。ピエゾ
アクチュエータXa,Ya,Zaの駆動に応じて各変位
体が微動しそれに応じて測定対象物10も微動するの
で、その測定対象物10の各軸方向での微動量は高分解
能レーザ干渉測長器Xd,Yd,Zdで測定可能とな
る。FIG. 8 is a view showing a case where the apparatus is used as a fine movement table for an object to be measured. In this application example, various microscopes 12
It is used as a three-dimensional fine table 11 when it is desired to operate or measure the measurement object 10 with a sub-nanometer stability under. A measurement object 10, for example, a sample of a three-dimensional pattern having a fine shape on a surface processed by lithography technology is placed on a three-dimensional fine moving table 101 according to the present invention, and a microscope 12 such as an SEM or STM is used as a positioning sensor. The dimension of the measurement object 10 in the X / Y / Z-axis directions can be measured. That is, the piezo actuators Xa, Ya, and Za are mounted as driving devices on one side surface of each of the X / Y / Z axes of the three-dimensional fine moving table 101, and the amount of fine movement of each axis is measured with a high-resolution laser interferometer. Vessel X
d, Yd, Zd and the reflecting mirrors Xm, Ym, Zm are X / Y /
They are arranged in directions that match the movement of the Z axis. Since each displacement body moves finely in response to the driving of the piezo actuators Xa, Ya, and Za, and the measuring object 10 also finely moves in response thereto, the amount of fine movement of the measuring object 10 in each axial direction is high-resolution laser interferometer. It becomes possible to measure with the devices Xd, Yd, Zd.
【0026】図9は三軸微動刃物台として用いた場合を
示す図である。本発明による三次元微動台102のX/
Y/Z軸のそれぞれの変位体の一側面に、コンピュータ
制御された減速機付パルスモータ及びピエゾアクチュエ
ータXp、Yp、Zpの駆動装置を取り付け、さらにX
軸の駆動方向と合致させてダイヤモンドバイトなどの刃
物13を取り付ける。この刃物13には、Y/Z方向の
粗動台15の一側面にセッティングされた試料14の試
料表面140が臨んでいる。減速機付パルスモータ及び
ピエゾアクチュエータXp、Yp、Zpの駆動に応じて
各変位体が微動するとそれに応じて刃物13も微動する
ので、試料表面140に三次元の微細形状を加工するこ
とができる。FIG. 9 is a view showing a case where the apparatus is used as a three-axis fine moving tool rest. X / of three-dimensional fine moving table 102 according to the present invention.
A computer-controlled pulse motor with a reduction gear and a driving device for piezo actuators Xp, Yp, and Zp are attached to one side surface of each of the Y / Z-axis displacement bodies.
A cutting tool 13 such as a diamond cutting tool is mounted in accordance with the driving direction of the shaft. The sample surface 140 of the sample 14 set on one side surface of the coarse moving table 15 in the Y / Z direction faces the blade 13. When each displacement body moves slightly in response to the drive of the pulse motor with reduction gear and the piezo actuators Xp, Yp, and Zp, the blade 13 also moves slightly in response to the movement, so that a three-dimensional fine shape can be machined on the sample surface 140.
【0027】図10は振動や加速度を検出する場合の三
次元センサの本体機構部として用いた場合を示す図であ
る。本発明の三次元微動台103を利用すれば、X/Y
/Zの3軸の交点である空間の1点の振動や加速度を3
方向に検出できるという特長が発揮できる。X/Y/Z
軸方向の振動や加速度の検出に、例えばコンデンサータ
イプの検出器Xc、Yc、Zcを、測定対象としたい変
位体の両側で相対的に固定体の働きをする各変位体の対
向する2つの面に取り付け、差動式コンデンサーとして
利用すれば、感度を2倍にできると同時に、安定度を高
めることができる。例えば、X軸の変位体の振動や加速
度を検出する場合には、Y軸の変位体の対向する2つの
面に固定極として取り付け、X軸の変位体が微動すると
きのコンデンサ容量の変化を検出し、その検出結果から
振動や加速度を検出する。そのほか、検出手段としてそ
れぞれの軸方向に独立の差動式レーザ干渉計を配置して
振動や加速度を検出することもできる。FIG. 10 is a diagram showing a case where the present invention is used as a main body mechanism of a three-dimensional sensor for detecting vibration and acceleration. If the three-dimensional fine movement table 103 of the present invention is used, X / Y
The vibration and acceleration at one point in the space that is the intersection of the three axes
The feature of being able to detect in the direction can be exhibited. X / Y / Z
For detecting the vibration and acceleration in the axial direction, for example, condenser type detectors Xc, Yc, and Zc are used as the measurement target. If used as a differential capacitor, the sensitivity can be doubled and the stability can be increased. For example, when detecting the vibration or acceleration of the X-axis displacement body, it is attached as fixed poles to two opposing surfaces of the Y-axis displacement body, and the change in the capacitance of the capacitor when the X-axis displacement body moves slightly. Detect and detect vibration and acceleration from the detection result. In addition, independent differential laser interferometers may be arranged in the respective axial directions as detecting means to detect vibration and acceleration.
【0028】[0028]
【発明の効果】以上説明したように、この発明の三次元
微動台によれば、立方体ブロックを母体としてその内部
に完全に対称形となる変位体を構築したので、全体をコ
ンパクトに構成できる。As described above, according to the three-dimensional fine movement table of the present invention, a completely symmetrical displacement body is constructed inside a cubic block as a base, so that the whole can be made compact.
【0029】また、各変位体を、各軸方向に対して面が
直交する弾性部材を介して支持するようにしたので、例
えばX軸方向に外力を加え、弾性部材を変形させても、
X軸の直進微動運動はY軸やZ軸の微動運動に影響をほ
とんど与えず、互いの直進微動運動の独立性を保つこと
ができる。したがって、SEM、STM、触針式表面粗
さ測定器、各種光学顕微鏡などにおいて載物台として用
いたとき、測定対象物をサブナノメートルの分解能と安
定性で数μmから100μmの範囲で調整、操作または
測定することができる。また、三次元微動刃物台として
用いたとき、表面への微細な幾何学的三次元形状を加工
することも可能となる。Further, since each displacement body is supported via an elastic member whose surface is orthogonal to each axis direction, for example, even if an external force is applied in the X-axis direction to deform the elastic member,
The X-axis linear fine movement has almost no effect on the Y-axis or Z-axis fine movement, and can maintain the mutual linear fine movement. Therefore, when used as a stage in SEM, STM, stylus type surface roughness measuring instrument, various optical microscopes, etc., the measuring object can be adjusted and operated in the range of several μm to 100 μm with sub-nanometer resolution and stability. Or can be measured. Further, when used as a three-dimensional fine moving tool post, it becomes possible to process a fine geometric three-dimensional shape on the surface.
【0030】さらに、各軸に与える駆動力を相互に直交
させ、空間の一点で交差させることができるので、各軸
を微動させる駆動力によってモーメントが発生したり、
それによって回転/変形すると言う悪影響は極力抑える
ことができる。また、空間の一点での振動や加速度を検
出する場合の三次元センシング本体機構部としても、広
く利用・応用することができる。Further, since the driving forces applied to the respective axes can be made orthogonal to each other and intersect at one point in space, a moment is generated by the driving force for slightly moving each axis,
Thereby, the adverse effect of rotation / deformation can be minimized. Further, it can be widely used and applied as a three-dimensional sensing main body mechanism for detecting vibration or acceleration at one point in space.
【図1】この発明の三次元微動台の外観を示す斜視図で
ある。FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a three-dimensional fine movement table according to the present invention.
【図2】断面図作成の際の切断面を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a cut surface when a cross-sectional view is created.
【図3】図2の切断面A,B,Cで切断したときの各々
の切り口に現れる構造を示す図である。FIG. 3 is a view showing a structure that appears at each of the cut edges when cut along cutting planes A, B, and C in FIG. 2;
【図4】三次元微動台の分解斜視図である。FIG. 4 is an exploded perspective view of the three-dimensional fine movement table.
【図5】図1に示す本発明の三次元微動台において、X
軸微動台を支える8枚の板ばねの位置と構造をモデル化
して示す図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the three-dimensional fine table of the present invention shown in FIG. 1;
It is a figure modeling and showing the position and structure of eight leaf springs which support a shaft fine adjustment stand.
【図6】図5に示すX軸微動台に外力Fxを与えたと
き、1枚の板ばねが変曲点Mを対称に変形し微動する状
態を示す図である。FIG. 6 is a view showing a state in which one leaf spring symmetrically deforms an inflection point M and finely moves when an external force Fx is applied to the X-axis fine movement table shown in FIG. 5;
【図7】図1に示す本発明の三次元微動台の板ばねの変
位方向と変位面の位置関係を強調して示した模式図であ
る。FIG. 7 is a schematic diagram in which the displacement direction of the leaf spring and the positional relationship between the displacement surfaces of the three-dimensional fine moving table of the present invention shown in FIG. 1 are emphasized.
【図8】三次元微動台の具体的な適用例で、測定対象物
の微動台として用いた場合を示す図である。FIG. 8 is a view showing a specific application example of a three-dimensional fine movement table when used as a fine movement table for a measurement object.
【図9】三次元微動台の具体的な適用例で、三軸微動刃
物台として用いた場合を示す図である。FIG. 9 is a view showing a specific application example of the three-dimensional fine moving table, which is used as a three-axis fine moving tool post.
【図10】三次元微動台の具体的な適用例で、振動や加
速度を検出する場合の三次元センサの本体機構部として
用いた場合を示す図である。FIG. 10 is a view showing a specific application example of the three-dimensional fine moving table, which is used as a main body mechanism of a three-dimensional sensor for detecting vibration and acceleration.
【図11】従来の積み上げ型構成の三次元微動台を示す
図である。FIG. 11 is a view showing a conventional three-dimensional fine moving table having a stacked type configuration.
【図12】従来の平面型構成の三次元微動台を示す図で
ある。FIG. 12 is a view showing a conventional three-dimensional fine moving table having a planar configuration.
1 立方体ブロック 2 貫通穴 3a,3b,3c 板ばね 4 第1変位体(Z軸微動体) 5 第2変位体(Y軸微動体) 6 第3変位体(X軸微動体) 7 直線溝 7a 直線溝の一端部分 8 コ字形溝 8a コ字形溝の折り曲がり部分 10 測定対象物 12 顕微鏡 13 刃物 14 試料 15 粗動台 100,101,102,103 三次元微動台 140 試料表面 Xa,Xb,Xc ピエゾアクチュエータ Xd,Yd,Zd 高分解能レーザ干渉測長器 Xm,Ym,Zm 反射鏡 Xp,Yp,Zp 減速機付パルスモータ及びピエゾア
クチュエータ Xc,Yc,Zc コンデンサータイプの検出器DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cube block 2 Through-hole 3a, 3b, 3c Leaf spring 4 1st displacement body (Z-axis fine moving body) 5 2nd displacement body (Y-axis fine moving body) 6 3rd displacement body (X-axis fine moving body) 7 Linear groove 7a One end of straight groove 8 U-shaped groove 8a Bent part of U-shaped groove 10 Measurement object 12 Microscope 13 Cutting tool 14 Sample 15 Coarse table 100, 101, 102, 103 Three-dimensional fine table 140 Sample surface Xa, Xb, Xc Piezo actuator Xd, Yd, Zd High resolution laser interferometer Xm, Ym, Zm Reflector Xp, Yp, Zp Pulse motor with reduction gear and piezo actuator Xc, Yc, Zc Capacitor type detector
Claims (4)
に変位可能な三次元微動台において、 立方体ブロックを母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の立方体ブロックとは間隙を保
持すると共に、Z軸方向に対して面が直交する弾性部材
を介しその外殻状立方体ブロックに支持されてZ軸方向
に変位可能となる第1変位体と、 上記第1変位体を母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の第1変位体とは間隙を保持す
ると共に、Y軸方向に対して面が直交する弾性部材を介
しその外殻状第1変位体に支持されてY軸方向に変位可
能となる第2変位体と、 上記第2変位体を母体としてその内部に同心上にかつ立
方状に画成され、外殻状の第2変位体とは間隙を保持す
ると共に、X軸方向に対して面が直交する弾性部材を介
しその外殻状第2変位体に支持されてX軸方向に変位可
能となる第3変位体と、 を有することを特徴とする三次元微動台。1. A three-dimensional fine movement table which can be displaced in each of three orthogonal X, Y, and Z axes, wherein a cubic block is defined as a base and concentrically and cubically defined inside the cubic block, and a shell-shaped cubic is provided. A first displacement body that holds a gap with the block, is supported by the outer shell-shaped cubic block via an elastic member whose surface is orthogonal to the Z-axis direction, and is displaceable in the Z-axis direction; The displacement body is defined as a mother body and concentrically and cubically defined therein, while maintaining a gap with the outer shell-shaped first displacement body, and through an elastic member whose surface is orthogonal to the Y-axis direction. A second displacement body supported by the first outer displacement body and capable of being displaced in the Y-axis direction; and the second displacement body being defined as a mother and concentrically and cubically formed therein. While maintaining a gap with the second displacement body, the surface is in the X-axis direction. And a third displacement body which is supported by the outer shell-shaped second displacement body via an orthogonal elastic member and is capable of being displaced in the X-axis direction.
体の変位可能方向に直交し互いに対向する当該変位体の
2つの面の各隅部に設けられ、対向面側の板ばねとは板
面同士が平行となって、全体で4組の平行板ばね機構を
構成している、 ことを特徴とする請求項1に記載の三次元微動台。2. The elastic member is a leaf spring, which is provided at each corner of two surfaces of the displaceable body which are orthogonal to the displaceable direction of each displaceable body and oppose each other. 3. The three-dimensional fine moving table according to claim 1, wherein the plate surfaces are parallel to each other to constitute a total of four sets of parallel leaf spring mechanisms. 4.
定箇所に貫通穴を穿設し、 上記貫通孔にワイヤを通し放電ワイヤカット加工を施す
ことにより、上記3面の各々に、1組の対向する直線状
溝と1組の対向するコ字状溝とをそれぞれ貫通させて形
成し、 上記コ字状溝は、その折り曲がり部分が互いに対向して
いる直線状溝間の内側に位置するようにし、 上記直線状溝の一端部分と、上記コ字状溝の折り曲がり
部分との間の介在体で上記弾性部材を構成するようにし
た、 ことを特徴とする請求項1または2に記載の三次元微動
台。3. A through hole is formed at a predetermined position on three orthogonal surfaces of the cubic block, and a wire is cut through the through hole to perform a discharge wire cutting process. An opposing linear groove and a pair of opposing U-shaped grooves are formed so as to penetrate each other, and the U-shaped groove is located inside the linear grooves whose bent portions oppose each other. The elastic member is constituted by an intervening body between one end portion of the linear groove and a bent portion of the U-shaped groove. Three-dimensional tremor table.
ら成る、 ことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の三
次元微動台。4. The three-dimensional fine moving table according to claim 1, wherein the cubic block is made of a conductive elastic material.
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- 1997-07-22 JP JP9195857A patent/JP3044294B2/en not_active Expired - Lifetime
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