微動機構
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ナノメートルのオーダーの微小な変位を発生させる微動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、超ＬＳＩの製造工程に使用されるマスクアライナ、トンネル顕微鏡、電子顕微鏡等の試料ステージの変位調節をナノメートル（１／１０9 メートル）単位で行うことができる微動機構が要求されている。このような微動機構のアクチュエータには、ナノメートル、サブナノメートルの分解能を有する圧電素子が用いられる。
【０００３】ところで、圧電素子は、良く知られているように、印加電圧と発生変位との間に約１０％のヒステリシスを有し、このため、圧電素子を用いた微動機構による高精度の位置決めは困難である。さらに、圧電素子には分極に伴うドリフトが発生するので、微動機構を一定位置で静止させることも困難である。しかしながら、高精度の位置決めが必要な分野では、絶対的な位置決め精度が要求されると同時に、安定した位置保持が要求される。
【０００４】このような要求を満足させるため、従来、圧電素子を用いた微動機構においては、圧電素子の変位を正確に検出し、この検出信号を用いて正確かつ安定した位置決めを行う手段が採用されていた。圧電素子の変位を正確に検出する手段としては、レーザ変位計、静電容量型変位計、ひずみゲージ等が用いられるが、構成が小型、簡素で、かつ、安価なひずみゲージを用いることが好ましい。このようなひずみゲージを用いた微動機構を図５により説明する。
【０００５】図５は従来の微動機構の側面図である。図で、１ａは固定側剛体、１ｂは移動側剛体、２は両剛体１ａ、１ｂ間に装架された圧電素子である。Ｓ1 〜Ｓ4 は圧電素子２に装着されたひずみゲージであり、ひずみゲージＳ1 、Ｓ3 は圧電素子２の伸長方向（長手方向）のひずみを検出し、ひずみゲージＳ2 、Ｓ4 は圧電素子２の伸長方向と直交する方向（横方向）のひずみを検出する。
【０００６】圧電素子２に任意の電圧が印加されると、これに応じて圧電素子２が伸長し、移動側剛体１ｂが点線で示すように変位する。図ではこの変位を極端に誇張して描いてある。図中、δは変位量、即ち圧電素子の伸び量を示す。伸び量δは各ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 を構成要素とする検出回路により検出される。
【０００７】図６は当該検出回路の回路図である。図で、ｒ1 、ｒ2 、ｒ3 、ｒ4 はそれぞれひずみゲージＳ1 、Ｓ2 、Ｓ3 、Ｓ4 の抵抗値を示す。Ｅは直流電源、４は増幅器である。圧電素子２に電圧が印加されると、圧電素子２は伸びてひずみを生じ、このひずみは各ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 により検出され、この結果、図６に示す回路により圧電素子２の伸び量δに比例した信号Ｖを得ることができる。この信号Ｖを用いて正確な位置決めを行い、微動機構を当該位置に静止させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ひずみゲージによる変位検出の分解能は、単位変位量当りのひずみ量が大きいほど向上する。しかし、上記ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 による伸び量δの検出は、圧電素子２の伸びに伴うひずみの計測であるため単位変位量当りのひずみ量が小さく、満足する分解能を得ることはできない。
【０００９】例えば、圧電素子２の長さを５ｍｍとすると、この圧電素子２の最大発生変位量は、５／１０3 （５μｍ）となり、そのときのひずみ量は、１／１０3 である。今、１ナノメートルの変位を検出する必要が生じた場合、計測すべきひずみは、（１／１０3 ）×（１／５×１０3 ）＝２／１０7 のレベルとなり、上記従来の微動機構では、検出するのは困難である。
【００１０】本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、高い変位検出精度を得ることができ、ひいては、ナノメートル、サブナノメートルの位置決めを正確、かつ、安定して行うことができる微動機構を提供することにある。
【００１１】
【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、圧電素子と、この圧電素子の一端に固定された第１の剛体と、前記圧電素子の他端に固定された第２の剛体とで構成された微動機構において、前記第１の剛体と前記第２の剛体との間に配置され、前記圧電素子の伸長方向に平行で、かつ、当該圧電素子の長さより短い弾性部材と、この弾性部材に生じるひずみを検出する検出手段とを設けたことを特徴とする。
【００１２】
【作用】圧電素子に電圧が印加されると圧電素子が伸び、これとともに弾性部材も伸びる。このとき、弾性部材には圧電素子に生じるひずみより大きなひずみが生じ、検出手段から出力される検出信号も大きくなる。この結果、変位検出の分解能は向上し、高い変位検出精度を得ることができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例に係る微動機構の側面図である。図で、図５に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号が付してある。５ａは凹字形状の固定側剛体、５ｂは凹字形状の移動側剛体であり、両者の凹部間に圧電素子２が装架される。６は固定側剛体５ａにおける凹字形状の端部および移動側剛体５ｂにおける凹字形状の２つの端部相互間に連結された平板状の弾性部材である。ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 がそれぞれ弾性部材６の表面の所定個所に設けられる。圧電素子２、固定側剛体５ａ、移動側剛体５ｂ、弾性部材６、およびひずみゲージＳ1 〜Ｓ4により微動機構Ａが構成される。なお、固定側剛体５ａ、移動側剛体５ｂおよび弾性部材６は１つの剛体部材から成形加工により一体に形成される。又、ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 には金属ゲージ、半導体ゲージ等が用いられる。
【００１４】圧電素子２に電圧が印加されると、圧電素子２が伸びて移動側剛体５ｂに変位δを生じる。同時に両弾性部材６にはひずみが発生する。ここで、Ｌ：圧電素子２の長さＬk ：弾性部材６の長さεp ：圧電素子２に生じるひずみεk ：弾性部材６に生じるひずみとすると、εp はεp ＝δ／Ｌ …‥…‥…‥…‥（１）
で表され、εk はεk ＝δ／Ｌk …‥…‥…‥…‥（２）
で表される。
【００１５】ところで、圧電素子２のひずみεp は、約 １／１０3 であり、これ以上のひずみを得ることは困難である。これに対して、（２）式から明らかなように、弾性部材６のひずみεk は、長さＬk を短くすればそれに反比例して大きくなる。即ち、本実施例のように弾性部材６を設けることにより、単位変位量当りのひずみを増大させることができる。例えば、弾性部材６の長さを圧電素子２の長さの１／３（Ｌk ＝Ｌ／３）とすれば、ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 を圧電素子２に設けた場合に比較して３倍のひずみを得ることができる。なお、弾性部材６に発生するひずみは、後述するように弾性部材６に使用する材料の強度以下に抑えることが必要となるが、これを考慮しても、圧電素子２自身のひずみに比較して２〜５倍のひずみ量を確保するように弾性部材６を設計することは容易である。
【００１６】次に、本実施例の微動機構の一具体例を述べる。今、各数値を次のように定める。
Ｌk ：弾性部材６の長さ（２．５ｍｍ）
Ｔk ：弾性部材６の板厚（０．３ｍｍ）
Ｂk ：弾性部材６の幅（３．０ｍｍ）
Ｅ：弾性部材６のヤング率（２１０００ｋｇ／ｍｍ2 ）
Ｋp ：圧電素子２の長手方向剛性（２００００ｋｇ／ｍｍ）
ここで、δp ：圧電素子２の無負荷時の変位Ｋk ：弾性部材６の長手方向剛性とすると、移動側剛体５ｂの変位量δは、δ＝Ｋp ・δp ／（Ｋp ＋Ｋk ）…‥…‥…‥…‥（３）
となる。一方、弾性部材６の長手方向剛性Ｋk は、Ｋk ＝Ｅ・Ｂk ・Ｔk ／Ｌk …‥…‥…‥…‥（４）
であるから、上記数値例を用いると、移動側剛体５ｂの変位量δは、δ＝０．７δpとなる。そこで、例えば、無負荷時の変位量δp が約７μｍの圧電素子２を使用すると、移動側剛体５ｂの変位量δは５μｍとなり、このとき弾性部材６に前述のように大きなひずみが発生し、これがひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 で検出されることになる。
【００１７】次に、弾性部材６に使用する材料について考える。弾性部材６に生じる応力σは、σ＝Ｅ・δ／Ｌk …‥…‥…‥…‥（５）
で表されるので、変位量δが５μｍの場合の応力σは４２ｋｇ／ｍｍ2 となり、この値は弾性部材６の材料を選定する場合、実用的な値である。したがって、本実施例の弾性部材６は、例えば、微動機構が変位量５μｍの機構に対して何等の支障なく使用できることとなる。
【００１８】次に、本実施例の計測可能な変位についてみると、使用するひずみゲージが金属ゲージである場合、０．４／１０6 程度のひずみは容易に検出することができる。そこで、上記の変位量５μｍの機構に金属ゲージを使用した場合、上記（２）式から得られるフルストローク時のひずみは（５／２．５×１０3 ）であるので、 ５×（０．４×１／１０6 ）／（５／２．５×１０3 ）＝０．００１μｍ ＝１ｎｍの変位計測が可能となる。又、近年、半導体ゲージが薄膜プロセスにより容易に形成することができるようになり、かつ、この半導体ゲージは従来の金属ゲージに比較して１０〜５０倍の感度を有する。したがって、このような半導体ゲージを使用すれば、少なくとも０．１ｎｍレベルの変位計測も可能となる。
【００１９】このように、本実施例では、圧電素子２の固定側剛体５ａおよび移動側剛体５ｂの間に、圧電素子２の長さより短い長さの弾性部材６を設け、この弾性部材６に生じるひずみを検出するようにしたので、高い変位検出精度を得ることができ、ひいては、ナノメートル、サブナノメートルの位置決めを正確、かつ、安定して行うことができる。
【００２０】図２は図１に示す微動機構を用いた２軸微動機構の側面図である。図で、Ｘ、Ｙは座標軸を示す。Ａx はＸ軸方向の変位を発生する第１の微動機構、ＡY はＹ軸方向の変位を発生させる第２の微動機構であり、これら微動機構の構成は、図１に示す微動機構Ａと同一である。１１は移動部、１２は各軸方向に３つずつ平行に配置された弾性平板である。この２軸微動機構は、圧電素子およびひずみゲージを除き１つの剛体部材１０から成形加工により一体に形成される。この場合、各弾性平板１２は各貫通孔Ｈにより形成される。
【００２１】第１の微動機構ＡX の圧電素子に電圧が印加されると、Ｙ軸方向に伸びる各弾性平板１２にたわみ変形（曲げ変形）が生じ、これにより、移動部１１がＸ軸方向に変位する。同様に、第２の微動機構ＡY の圧電素子に電圧が印加されると、Ｘ軸方向に伸びる各弾性平板１２に曲げ変形が生じ、移動部１１がＹ軸方向に変位する。この２軸微動機構は、図１に示す微動機構と同一の効果を有するとともに、簡素な構成でＸ軸およびＹ軸の位置決めを行うことができる。
【００２２】図３は本発明の他の実施例に係る微動機構の側面図である。図で、図１に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。１５ａ1 、１５ａ2 は剛体部、１６ａは各剛体部１５ａ1 、１５ａ2 の間に形成された弾性ヒンジである。剛体部１５ａ1 は固定側剛体５ａに連結している。１５ｂ1 、１５ｂ2 は剛体部、１６ｂは各剛体部１５ｂ1 、１５ｂ2 の間に形成された弾性ヒンジである。剛体部１５ｂ1 は移動側剛体５ｂに連結している。圧電素子２およびひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 を除き、他の部分は１つの剛体部材から成形加工により一体に形成される。Ｂはこのような微動機構を示す。微動機構Ｂは、図１に示す微動機構Ａと同一の効果を有するとともに、圧電素子２の長手方向以外の方向には自由に変形できる機能を備えている。
【００２３】図４は図３に示す微動機構を用いた６軸微動機構の側面図である。図で、Ｘ、Ｙ、Ｚは座標軸を示す。ＢX は図示位置にＸ軸方向の変位を発生する方向に設けられた微動機構、ＢY1、ＢY2は図示位置にＹ軸方向の変位を発生する方向に設けられた微動機構、ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3は図示位置にＺ軸方向の変位を発生する方向に設けられた微動機構であり、いずれも図３に示す微動機構Ｂと同一構造の微動機構である。２０はベース、２１はテーブルであり、このテーブル２１はベース２０上に微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3により支持される。テーブル２１上には位置決め対象物が載置される。
【００２４】次に、この６軸微動機構によりテーブル２１を変位させるための動作を各軸毎に説明する。
Ｘ軸方向の並進変位：微動機構ＢX を並進変位量に応じて駆動する。
Ｙ軸方向の並進変位：微動機構ＢY1、ＢY2を並進変位量に応じて同時に同量駆動する。
Ｚ軸方向の並進変位：微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3を並進変位量に応じて同時に同量駆動する。
Ｘ軸まわりの回転変位：微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3を回転変位量に応じてそれぞれ適切な量だけ駆動する。
Ｙ軸まわりの回転変位：微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3を回転変位量に応じてそれぞれ適切な量だけ駆動する。
Ｚ軸まわりの回転変位：微動機構ＢY1、ＢY2を回転変位量に応じて逆方向に適切な量だけ駆動する。
この６軸微動機構は図３に示す微動機構Ｂと同じ効果を有するとともに、簡素な構成で６軸の変位を発生させることができる。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明では、第１の剛体と第２の剛体との間に、圧電素子の伸長方向に平行で、かつ、当該圧電素子の長さより短い弾性部材を設け、この弾性部材に生じるひずみを検出するようにしたので、高い変位検出精度を得ることができ、ひいては、ナノメートル、サブナノメートルの位置決めを正確、かつ、安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る微動機構の側面図である。
【図２】図１に示す微動機構を用いた２軸微動機構の側面図である。
【図３】本発明の他の実施例に係る微動機構の側面図である。
【図４】図３に示す微動機構を用いた６軸微動機構の側面図である。
【図５】従来の微動機構の側面図である。
【図６】ひずみ検出回路の回路図である。
【符号の説明】
２ 圧電素子
５ａ 固定側剛体
５ｂ 移動側剛体
６ 弾性部材
Ａ 微動機構
Ｓ1 〜Ｓ4 ひずみゲージ
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ナノメートルのオーダーの微小な変位を発生させる微動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、超ＬＳＩの製造工程に使用されるマスクアライナ、トンネル顕微鏡、電子顕微鏡等の試料ステージの変位調節をナノメートル（１／１０9 メートル）単位で行うことができる微動機構が要求されている。このような微動機構のアクチュエータには、ナノメートル、サブナノメートルの分解能を有する圧電素子が用いられる。
【０００３】ところで、圧電素子は、良く知られているように、印加電圧と発生変位との間に約１０％のヒステリシスを有し、このため、圧電素子を用いた微動機構による高精度の位置決めは困難である。さらに、圧電素子には分極に伴うドリフトが発生するので、微動機構を一定位置で静止させることも困難である。しかしながら、高精度の位置決めが必要な分野では、絶対的な位置決め精度が要求されると同時に、安定した位置保持が要求される。
【０００４】このような要求を満足させるため、従来、圧電素子を用いた微動機構においては、圧電素子の変位を正確に検出し、この検出信号を用いて正確かつ安定した位置決めを行う手段が採用されていた。圧電素子の変位を正確に検出する手段としては、レーザ変位計、静電容量型変位計、ひずみゲージ等が用いられるが、構成が小型、簡素で、かつ、安価なひずみゲージを用いることが好ましい。このようなひずみゲージを用いた微動機構を図５により説明する。
【０００５】図５は従来の微動機構の側面図である。図で、１ａは固定側剛体、１ｂは移動側剛体、２は両剛体１ａ、１ｂ間に装架された圧電素子である。Ｓ1 〜Ｓ4 は圧電素子２に装着されたひずみゲージであり、ひずみゲージＳ1 、Ｓ3 は圧電素子２の伸長方向（長手方向）のひずみを検出し、ひずみゲージＳ2 、Ｓ4 は圧電素子２の伸長方向と直交する方向（横方向）のひずみを検出する。
【０００６】圧電素子２に任意の電圧が印加されると、これに応じて圧電素子２が伸長し、移動側剛体１ｂが点線で示すように変位する。図ではこの変位を極端に誇張して描いてある。図中、δは変位量、即ち圧電素子の伸び量を示す。伸び量δは各ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 を構成要素とする検出回路により検出される。
【０００７】図６は当該検出回路の回路図である。図で、ｒ1 、ｒ2 、ｒ3 、ｒ4 はそれぞれひずみゲージＳ1 、Ｓ2 、Ｓ3 、Ｓ4 の抵抗値を示す。Ｅは直流電源、４は増幅器である。圧電素子２に電圧が印加されると、圧電素子２は伸びてひずみを生じ、このひずみは各ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 により検出され、この結果、図６に示す回路により圧電素子２の伸び量δに比例した信号Ｖを得ることができる。この信号Ｖを用いて正確な位置決めを行い、微動機構を当該位置に静止させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ひずみゲージによる変位検出の分解能は、単位変位量当りのひずみ量が大きいほど向上する。しかし、上記ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 による伸び量δの検出は、圧電素子２の伸びに伴うひずみの計測であるため単位変位量当りのひずみ量が小さく、満足する分解能を得ることはできない。
【０００９】例えば、圧電素子２の長さを５ｍｍとすると、この圧電素子２の最大発生変位量は、５／１０3 （５μｍ）となり、そのときのひずみ量は、１／１０3 である。今、１ナノメートルの変位を検出する必要が生じた場合、計測すべきひずみは、（１／１０3 ）×（１／５×１０3 ）＝２／１０7 のレベルとなり、上記従来の微動機構では、検出するのは困難である。
【００１０】本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、高い変位検出精度を得ることができ、ひいては、ナノメートル、サブナノメートルの位置決めを正確、かつ、安定して行うことができる微動機構を提供することにある。
【００１１】
【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、圧電素子と、この圧電素子の一端に固定された第１の剛体と、前記圧電素子の他端に固定された第２の剛体とで構成された微動機構において、前記第１の剛体と前記第２の剛体との間に配置され、前記圧電素子の伸長方向に平行で、かつ、当該圧電素子の長さより短い弾性部材と、この弾性部材に生じるひずみを検出する検出手段とを設けたことを特徴とする。
【００１２】
【作用】圧電素子に電圧が印加されると圧電素子が伸び、これとともに弾性部材も伸びる。このとき、弾性部材には圧電素子に生じるひずみより大きなひずみが生じ、検出手段から出力される検出信号も大きくなる。この結果、変位検出の分解能は向上し、高い変位検出精度を得ることができる。
【００１３】
【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。図１は本発明の実施例に係る微動機構の側面図である。図で、図５に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号が付してある。５ａは凹字形状の固定側剛体、５ｂは凹字形状の移動側剛体であり、両者の凹部間に圧電素子２が装架される。６は固定側剛体５ａにおける凹字形状の端部および移動側剛体５ｂにおける凹字形状の２つの端部相互間に連結された平板状の弾性部材である。ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 がそれぞれ弾性部材６の表面の所定個所に設けられる。圧電素子２、固定側剛体５ａ、移動側剛体５ｂ、弾性部材６、およびひずみゲージＳ1 〜Ｓ4により微動機構Ａが構成される。なお、固定側剛体５ａ、移動側剛体５ｂおよび弾性部材６は１つの剛体部材から成形加工により一体に形成される。又、ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 には金属ゲージ、半導体ゲージ等が用いられる。
【００１４】圧電素子２に電圧が印加されると、圧電素子２が伸びて移動側剛体５ｂに変位δを生じる。同時に両弾性部材６にはひずみが発生する。ここで、Ｌ：圧電素子２の長さＬk ：弾性部材６の長さεp ：圧電素子２に生じるひずみεk ：弾性部材６に生じるひずみとすると、εp はεp ＝δ／Ｌ …‥…‥…‥…‥（１）
で表され、εk はεk ＝δ／Ｌk …‥…‥…‥…‥（２）
で表される。
【００１５】ところで、圧電素子２のひずみεp は、約 １／１０3 であり、これ以上のひずみを得ることは困難である。これに対して、（２）式から明らかなように、弾性部材６のひずみεk は、長さＬk を短くすればそれに反比例して大きくなる。即ち、本実施例のように弾性部材６を設けることにより、単位変位量当りのひずみを増大させることができる。例えば、弾性部材６の長さを圧電素子２の長さの１／３（Ｌk ＝Ｌ／３）とすれば、ひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 を圧電素子２に設けた場合に比較して３倍のひずみを得ることができる。なお、弾性部材６に発生するひずみは、後述するように弾性部材６に使用する材料の強度以下に抑えることが必要となるが、これを考慮しても、圧電素子２自身のひずみに比較して２〜５倍のひずみ量を確保するように弾性部材６を設計することは容易である。
【００１６】次に、本実施例の微動機構の一具体例を述べる。今、各数値を次のように定める。
Ｌk ：弾性部材６の長さ（２．５ｍｍ）
Ｔk ：弾性部材６の板厚（０．３ｍｍ）
Ｂk ：弾性部材６の幅（３．０ｍｍ）
Ｅ：弾性部材６のヤング率（２１０００ｋｇ／ｍｍ2 ）
Ｋp ：圧電素子２の長手方向剛性（２００００ｋｇ／ｍｍ）
ここで、δp ：圧電素子２の無負荷時の変位Ｋk ：弾性部材６の長手方向剛性とすると、移動側剛体５ｂの変位量δは、δ＝Ｋp ・δp ／（Ｋp ＋Ｋk ）…‥…‥…‥…‥（３）
となる。一方、弾性部材６の長手方向剛性Ｋk は、Ｋk ＝Ｅ・Ｂk ・Ｔk ／Ｌk …‥…‥…‥…‥（４）
であるから、上記数値例を用いると、移動側剛体５ｂの変位量δは、δ＝０．７δpとなる。そこで、例えば、無負荷時の変位量δp が約７μｍの圧電素子２を使用すると、移動側剛体５ｂの変位量δは５μｍとなり、このとき弾性部材６に前述のように大きなひずみが発生し、これがひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 で検出されることになる。
【００１７】次に、弾性部材６に使用する材料について考える。弾性部材６に生じる応力σは、σ＝Ｅ・δ／Ｌk …‥…‥…‥…‥（５）
で表されるので、変位量δが５μｍの場合の応力σは４２ｋｇ／ｍｍ2 となり、この値は弾性部材６の材料を選定する場合、実用的な値である。したがって、本実施例の弾性部材６は、例えば、微動機構が変位量５μｍの機構に対して何等の支障なく使用できることとなる。
【００１８】次に、本実施例の計測可能な変位についてみると、使用するひずみゲージが金属ゲージである場合、０．４／１０6 程度のひずみは容易に検出することができる。そこで、上記の変位量５μｍの機構に金属ゲージを使用した場合、上記（２）式から得られるフルストローク時のひずみは（５／２．５×１０3 ）であるので、 ５×（０．４×１／１０6 ）／（５／２．５×１０3 ）＝０．００１μｍ ＝１ｎｍの変位計測が可能となる。又、近年、半導体ゲージが薄膜プロセスにより容易に形成することができるようになり、かつ、この半導体ゲージは従来の金属ゲージに比較して１０〜５０倍の感度を有する。したがって、このような半導体ゲージを使用すれば、少なくとも０．１ｎｍレベルの変位計測も可能となる。
【００１９】このように、本実施例では、圧電素子２の固定側剛体５ａおよび移動側剛体５ｂの間に、圧電素子２の長さより短い長さの弾性部材６を設け、この弾性部材６に生じるひずみを検出するようにしたので、高い変位検出精度を得ることができ、ひいては、ナノメートル、サブナノメートルの位置決めを正確、かつ、安定して行うことができる。
【００２０】図２は図１に示す微動機構を用いた２軸微動機構の側面図である。図で、Ｘ、Ｙは座標軸を示す。Ａx はＸ軸方向の変位を発生する第１の微動機構、ＡY はＹ軸方向の変位を発生させる第２の微動機構であり、これら微動機構の構成は、図１に示す微動機構Ａと同一である。１１は移動部、１２は各軸方向に３つずつ平行に配置された弾性平板である。この２軸微動機構は、圧電素子およびひずみゲージを除き１つの剛体部材１０から成形加工により一体に形成される。この場合、各弾性平板１２は各貫通孔Ｈにより形成される。
【００２１】第１の微動機構ＡX の圧電素子に電圧が印加されると、Ｙ軸方向に伸びる各弾性平板１２にたわみ変形（曲げ変形）が生じ、これにより、移動部１１がＸ軸方向に変位する。同様に、第２の微動機構ＡY の圧電素子に電圧が印加されると、Ｘ軸方向に伸びる各弾性平板１２に曲げ変形が生じ、移動部１１がＹ軸方向に変位する。この２軸微動機構は、図１に示す微動機構と同一の効果を有するとともに、簡素な構成でＸ軸およびＹ軸の位置決めを行うことができる。
【００２２】図３は本発明の他の実施例に係る微動機構の側面図である。図で、図１に示す部分と同一又は等価な部分には同一符号を付して説明を省略する。１５ａ1 、１５ａ2 は剛体部、１６ａは各剛体部１５ａ1 、１５ａ2 の間に形成された弾性ヒンジである。剛体部１５ａ1 は固定側剛体５ａに連結している。１５ｂ1 、１５ｂ2 は剛体部、１６ｂは各剛体部１５ｂ1 、１５ｂ2 の間に形成された弾性ヒンジである。剛体部１５ｂ1 は移動側剛体５ｂに連結している。圧電素子２およびひずみゲージＳ1 〜Ｓ4 を除き、他の部分は１つの剛体部材から成形加工により一体に形成される。Ｂはこのような微動機構を示す。微動機構Ｂは、図１に示す微動機構Ａと同一の効果を有するとともに、圧電素子２の長手方向以外の方向には自由に変形できる機能を備えている。
【００２３】図４は図３に示す微動機構を用いた６軸微動機構の側面図である。図で、Ｘ、Ｙ、Ｚは座標軸を示す。ＢX は図示位置にＸ軸方向の変位を発生する方向に設けられた微動機構、ＢY1、ＢY2は図示位置にＹ軸方向の変位を発生する方向に設けられた微動機構、ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3は図示位置にＺ軸方向の変位を発生する方向に設けられた微動機構であり、いずれも図３に示す微動機構Ｂと同一構造の微動機構である。２０はベース、２１はテーブルであり、このテーブル２１はベース２０上に微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3により支持される。テーブル２１上には位置決め対象物が載置される。
【００２４】次に、この６軸微動機構によりテーブル２１を変位させるための動作を各軸毎に説明する。
Ｘ軸方向の並進変位：微動機構ＢX を並進変位量に応じて駆動する。
Ｙ軸方向の並進変位：微動機構ＢY1、ＢY2を並進変位量に応じて同時に同量駆動する。
Ｚ軸方向の並進変位：微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3を並進変位量に応じて同時に同量駆動する。
Ｘ軸まわりの回転変位：微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3を回転変位量に応じてそれぞれ適切な量だけ駆動する。
Ｙ軸まわりの回転変位：微動機構ＢZ1、ＢZ2、ＢZ3を回転変位量に応じてそれぞれ適切な量だけ駆動する。
Ｚ軸まわりの回転変位：微動機構ＢY1、ＢY2を回転変位量に応じて逆方向に適切な量だけ駆動する。
この６軸微動機構は図３に示す微動機構Ｂと同じ効果を有するとともに、簡素な構成で６軸の変位を発生させることができる。
【００２５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明では、第１の剛体と第２の剛体との間に、圧電素子の伸長方向に平行で、かつ、当該圧電素子の長さより短い弾性部材を設け、この弾性部材に生じるひずみを検出するようにしたので、高い変位検出精度を得ることができ、ひいては、ナノメートル、サブナノメートルの位置決めを正確、かつ、安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る微動機構の側面図である。
【図２】図１に示す微動機構を用いた２軸微動機構の側面図である。
【図３】本発明の他の実施例に係る微動機構の側面図である。
【図４】図３に示す微動機構を用いた６軸微動機構の側面図である。
【図５】従来の微動機構の側面図である。
【図６】ひずみ検出回路の回路図である。
【符号の説明】
２ 圧電素子
５ａ 固定側剛体
５ｂ 移動側剛体
６ 弾性部材
Ａ 微動機構
Ｓ1 〜Ｓ4 ひずみゲージ
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧電素子と、この圧電素子の一端に固定された第１の剛体と、前記圧電素子の他端に固定された第２の剛体とで構成された微動機構において、前記第１の剛体と前記第２の剛体との間に配置され、前記圧電素子の伸長方向に平行で、かつ、当該圧電素子の長さより短い弾性部材と、この弾性部材に生じるひずみを検出する検出手段とを設けたことを特徴とする微動機構。
【請求項２】 請求項１において、前記弾性部材は、複数配置されていることを特徴とする微動機構。
【請求項３】 請求項１において、前記検出手段は、ひずみゲージであることを特徴とする微動機構。
【請求項４】 請求項１において、前記第１の剛体および前記第２の剛体は、それぞれ弾性ヒンジを備えていることを特徴とする微動機構。
【請求項１】 圧電素子と、この圧電素子の一端に固定された第１の剛体と、前記圧電素子の他端に固定された第２の剛体とで構成された微動機構において、前記第１の剛体と前記第２の剛体との間に配置され、前記圧電素子の伸長方向に平行で、かつ、当該圧電素子の長さより短い弾性部材と、この弾性部材に生じるひずみを検出する検出手段とを設けたことを特徴とする微動機構。
【請求項２】 請求項１において、前記弾性部材は、複数配置されていることを特徴とする微動機構。
【請求項３】 請求項１において、前記検出手段は、ひずみゲージであることを特徴とする微動機構。
【請求項４】 請求項１において、前記第１の剛体および前記第２の剛体は、それぞれ弾性ヒンジを備えていることを特徴とする微動機構。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【特許番号】特許第３１３０６４７号（Ｐ３１３０６４７）
【登録日】平成１２年１１月１７日（２０００．１１．１７）
【発行日】平成１３年１月３１日（２００１．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−１４４４７７
【出願日】平成４年６月４日（１９９２．６．４）
【公開番号】特開平５−３３３９３０
【公開日】平成５年１２月１７日（１９９３．１２．１７）
【審査請求日】平成１０年１０月９日（１９９８．１０．９）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【参考文献】
【文献】特開 平４−２３８５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−６３３１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６１−１５９３４９（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１２年１１月１７日（２０００．１１．１７）
【発行日】平成１３年１月３１日（２００１．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成４年６月４日（１９９２．６．４）
【公開番号】特開平５−３３３９３０
【公開日】平成５年１２月１７日（１９９３．１２．１７）
【審査請求日】平成１０年１０月９日（１９９８．１０．９）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【参考文献】
【文献】特開 平４−２３８５０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−６３３１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６１−１５９３４９（ＪＰ，Ａ）
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