JPH06230827A - Fine positioning device - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To provide a fine positioning device capable of executing multi-axis translation displacement without generating interference displacement. CONSTITUTION:A parallel deflected beam displacing mechanism 22x is constituted of rigid body parts 35, 36 and a straight driving part 50x, a parallel deflected beam displacing mechanism 22y is constituted of rigid body parts 34, 35 and a straight driving part 50y and a parallel deflected beam displacing mechanism 22z is constituted of rigid body parts 33, 34 and a straight driving part 50z. Respective straight driving parts 50x, 50y, 50z are constituted of actuators loaded between both the rigid body parts, and when the actuators are driven, curved deformation is generated in the parallel deflected beams of the mechanisms 22x, 22y, 22z and the mechanisms 22x, 22y, 22z are subjected to translation displacement in their reference directions (x, y and z axial directions).

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は、２つ以上の軸方向に微
小な並進変位を発生するのに用いられる微細位置決め装
置に関する。 【０００２】 【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Ｌ
ＳＩ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、その精度向上により、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。 【０００３】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
位縮小機構が不要であり、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。 【０００４】第５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。 【０００５】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、微動テーブル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。 【０００６】第６図は前述の参考文献に開示された例か
ら想定される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７
ａ，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５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Ｆ
ｘ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。 【０００７】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７
ａ，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１０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。 【０００８】 【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６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。 【０００９】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、干渉変位なく多軸の並進変位を行うことが
できる高精度の微細位置決め装置を提供することにあ
る。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、２つの剛体部と、これら剛体部を連結し
かつ互いに平行に配置された複数のたわみ梁と、前記２
つの剛体部と少なくとも２つの所定の前記たわみ梁とに
よって囲まれた領域内に装架され前記たわみ梁に曲げ変
形を生じさせるアクチュエータとより成る平行たわみ梁
変位機構を複数備え、かつ、それら各平行たわみ梁変位
機構の基準軸の方向が互いに異るようにして微細位置決
め装置を構成したことを特徴とする。 【００１１】 【作用】１つの平行たわみ梁変位機構のアクチュエータ
を駆動するとたわみ梁に曲げ変形が生じ、これにより、
その平行たわみ梁変位機構の基準軸方向に並進変位が発
生する。他の平行たわみ梁変位機構においても同じであ
る。そして、各平行たわみ梁変位機構のアクチュエータ
を個々に駆動するとそれぞれ異なる方向の変位が発生
し、又、２つ以上の平行たわみ梁変位機構のアクチュエ
ータを同時に駆動すると、合成した方向の変位が発生す
る。 【００１２】 【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細位置決め装置の
斜視図である。図で、３３，３４，３５，３６は剛体
部、５０ｘ，５０ｙ，５０ｚは直線駆動部である。ここ
で、剛体部と直線駆動部の詳細な構造および動作を図２
および図３により説明する。 【００１３】図２は剛体部と直線駆動部の詳細構造の側
面図である。図２で、１５ａ，１５ｂはそれぞれ図で左
右に存在する剛体部（図１に示す各剛体部に相当する）
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１
６，１６′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。 【００１４】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１６，１
６′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，１
５ｂとの連結部分に設けられている。 【００１５】上記の構成において、剛体部１５ａ，１５
ｂ、平行たわみ梁１６，１６′、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２
２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の線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。 【００１６】次に、図２に示す構造の動作を図３を参照
しながら説明する。図３は図２に示す平行たわみ梁変位
機構２２の変形後の側面図である。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１６，１６′は図５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。 【００１７】又、上記のように、平行たわみ梁１６，１
６′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、図示の場合、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、
フィードバック制御系の他の構成の図示およびその詳細
な説明は省略する。 【００１８】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は図２に
示す状態に戻り、変位εは０となる。 【００１９】このように、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することにより、
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り、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
衝し、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り、したが
って、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れば、高
精度の多軸積層体による位置決めができる。 【００２０】図４は図２に示す貫通孔１７、突出部１８
ａ，１８ｂおよび圧電アクチュエータ１９をＳ字形状に
略記した図である。そして、このＳ字形状の部分を直線
駆動部と称し、符号５０で表わすことにし、この直線駆
動部５０の変位の方向の座標軸の符号を、符号５０に付
することにする。このような直線駆動部５０ｘ，５０
ｙ，５０ｚが図１に示されている。 【００２１】ここで、図１に示す本実施例を説明する。
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）に沿う変位を発生する装置である。
そして、その構成は図１に示す平行たわみ梁変位機構２
２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、３３，３４，３５，３
６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５０ｚ
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。 【００２２】今、例えば剛体部３３を固定し、この状態
で直線駆動部５０ｚ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。 【００２３】このように、本実施例では、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。 【００２４】なお、、本実施例では３軸（ｘ，ｙ，ｚ）
の微細微細位置決め装置を説明したが、いずれか１軸を
除去して２軸の微細位置決め装置とすることができるの
は明らかである。 【００２５】ところで、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無視でき
る。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るので、その方法について
言及しておく。即ち、本実施例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
る場合も生じ得る。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。 【００２６】なお、本実施例は、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
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。 【００２７】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、そ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。
本実施例ではこの条件も満足している。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。 【００２８】さらに、基準軸について述べると、本実施
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、上記実施例の説明では、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、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、
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。 【００２９】さらに又、上記実施例の説明では、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。 【００３０】又、アクチュエータの設置箇所として、２
つの剛体部とこれらの間を連結する平行たわみ梁とで囲
まれる領域を例示したが、さらに一方の剛体部に凹部を
設け、この凹部内に他方の剛体部から突出する突出部を
挿入し、この挿入した突出部と前記一方の剛体部との間
にアクチュエータを設置することもできる。 【００３１】又、上記実施例の説明では、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。 【００３２】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。 【００３３】 【発明の効果】以上述べたように、本発明では、平行た
わみ梁変位機構を２つ以上用いて微細位置決め装置を構
成したので、干渉のない高精度の多軸の位置決め装置を
容易に構成することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fine positioning device used to generate minute translational displacements in two or more axial directions. [0002] In recent years, in various technical fields, there is a demand for a device capable of fine displacement of the order of μm. Typical examples are LSI (Large Scale Integrated Circuit) and Super L.
It is a semiconductor manufacturing apparatus such as a mask aligner and an electron beam drawing apparatus used in the SI manufacturing process. These devices require fine positioning on the order of μm, and the degree of integration increases as the positioning accuracy improves, and high-performance products can be manufactured. Such fine positioning is necessary not only in the above-mentioned semiconductor device but also in various high-magnification optical devices such as electron microscopes, and by improving its precision, even in advanced technologies such as biotechnology and space development. Will greatly contribute to the development of. Conventionally, such a fine positioning apparatus is of various types as shown, for example, in "Mechanical Design" magazine, Vol. 27, No. 1 (January 1983), pages 32 to 36. Things have been proposed. Among these, since it is considered that the fine positioning device of the type using the parallel spring and the fine movement actuator is the most excellent in that it does not require a particularly troublesome displacement reduction mechanism, and the configuration is simple,
This will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a side view of a conventional fine positioning device. In the figure, 1 is a support base, 2a and 2b are plate-like parallel springs fixed to the support base 1 in parallel with each other, and 3 is a highly rigid fine movement table fixed onto the parallel springs 2a and 2b. Reference numeral 4 denotes a fine movement actuator mounted between the support base 1 and the fine movement table 3. This fine movement actuator 4
A piezoelectric element, an electromagnetic solenoid, or the like is used for this, and by exciting this, a force in the x-axis direction of the coordinate axis shown in the drawing is applied to the fine movement table 3. Due to the structure of the parallel springs 2a and 2b, the rigidity in the x-axis direction is low.
Since the rigidity in the axial direction (direction perpendicular to the paper surface) is high, when the fine movement actuator is excited, the fine movement table 3 is moved to approximately x.
It is displaced only in the axial direction, and almost no displacement in the other direction occurs. FIG. 6 is a perspective view of a fine positioning device assumed from the examples disclosed in the above-mentioned references. In the figure,
6 is a support base, 7a and 7b are plate-shaped parallel springs fixed in parallel to each other on the support base 6, 8 is an intermediate table having high rigidity fixed to the parallel springs 7a and 7b, and 9a and 9b are parallel springs 7a. , 7b are plate-shaped parallel springs fixed to the intermediate table 8 in parallel with each other in a direction orthogonal to the parallel springs 7b, 7b. If the coordinate axes are set as shown in the figure, the parallel spring 7
a and 7b are arranged along the x-axis direction, and parallel springs 9a and
9b is arranged along the y-axis direction. This structure is
Basically, it is a structure in which the structure for one axis (which causes displacement in the x-axis direction) shown in FIG. 5 is laminated in two stages. Arrow F
x represents a force in the x-axis direction applied to the fine motion table 10, and arrow Fy represents a force in the y-axis direction applied to the intermediate table 8. A fine motion actuator (not shown) capable of applying the forces Fx and Fy is a support base 6. And fine movement table 10,
It is provided between the support base 6 and the intermediate table 8, respectively. When a force Fx is applied to the fine movement table 10, the parallel springs 9a and 9b are deformed, while the parallel spring 7
Since a and 7b have high rigidity with respect to the force Fx in the x-axis direction, the fine movement table 10 is displaced substantially only in the x-axis direction. When a force Fy is applied to the intermediate table 8, the parallel springs 7a and 7b are deformed, and the fine movement table 10 is displaced only in the y-axis direction via the parallel springs 9a and 9b. Furthermore, when both forces Fx and Fy are simultaneously applied, the parallel springs 7a, 7b, 9a and 9b are simultaneously deformed, and the fine movement table 10 is two-dimensionally displaced accordingly. As described above, the apparatus shown in FIG. 9 can perform positioning in the biaxial directions, whereas the apparatus shown in FIG. 8 is a positioning apparatus in the uniaxial directions only. However, the method described above has the following problems. That is,
(1) The fine movement actuator that generates the force Fx is rigidly connected between the fine movement table 10 and the support 6. Therefore, when a force Fy is applied to the intermediate table 8 by a fine movement actuator (not shown) rigidly connected between the intermediate table 8 and the support base 6, the fine movement table 10 is displaced in the y-axis direction. This displacement causes a force in the direction orthogonal to the force Fx to act on the fine movement actuator connected to the fine movement table 10, and eventually interference occurs between the fine movement actuators. As a result, there is a problem that the accuracy and durability of the positioning device are adversely affected. (2)
At the same time, in the fine motion positioning device, when the actual fine motion displacement is detected and the positioning accuracy is further improved based on this detection value, when the detection device is incorporated, the displacement in one direction is different from that in the other direction. There is a problem that it interferes with the displacement detection device and reduces its detection accuracy. An object of the present invention is to solve the above problems in the prior art and to provide a highly accurate fine positioning apparatus capable of performing multi-axis translational displacement without interference displacement. In order to achieve the above object, the present invention provides two rigid bodies and a plurality of flexible beams connecting the rigid bodies and arranged in parallel with each other.
A plurality of parallel flexible beam displacement mechanisms, each of which comprises an actuator mounted in a region surrounded by one rigid body portion and at least two predetermined flexible beams, and causing bending deformation of the flexible beam; The fine positioning device is characterized in that the directions of the reference axes of the flexible beam displacement mechanism are different from each other. When the actuator of one parallel flexural beam displacement mechanism is driven, the flexural beam undergoes bending deformation, which causes
A translational displacement occurs in the reference axis direction of the parallel flexible beam displacement mechanism. The same applies to other parallel flexible beam displacement mechanisms. When the actuators of the parallel flexible beam displacement mechanisms are individually driven, displacements in different directions occur, and when the actuators of the two or more parallel flexible beam displacement mechanisms are simultaneously driven, displacements in the combined direction occur. . The present invention will be described below based on the illustrated embodiments. FIG. 1 is a perspective view of a fine positioning device according to an embodiment of the present invention. In the figure, 33, 34, 35 and 36 are rigid parts, and 50x, 50y and 50z are linear drive parts. Here, the detailed structure and operation of the rigid body portion and the linear drive portion are shown in FIG.
And FIG. 3 will be described. FIG. 2 is a side view of the detailed structure of the rigid body portion and the linear drive portion. In FIG. 2, reference numerals 15a and 15b denote rigid body portions existing on the left and right sides (corresponding to the rigid body portions shown in FIG. 1).
Is. 16 and 16 'are rigid portions 15a and 15b, respectively.
It is a plate-shaped parallel flexible beam which is integrally formed with these and is parallel to each other. 17 is a parallel flexible beam 1
6 and 16 'show through holes formed to integrally form each rigid body portion. Reference numeral 18a denotes a projecting portion projecting from the rigid body portion 15a to the through hole 17, and 18b denotes a projecting portion projecting from the rigid body portion 15b to the through hole 17, and these projecting portions 18a and 18b are spaced from each other in the longitudinal direction of the drawing. Are overlapping. Reference numeral 19 denotes a piezoelectric actuator in which piezoelectric elements fixed between the protruding portions 18a and 18b are laminated. The piezoelectric actuator 19 includes parallel flexible beams 16 and 1.
A force is generated in the direction perpendicular to the plane of 6 ', causing bending deformation in them. The magnitude of the force generated in the piezoelectric actuator 19 is controlled by the voltage applied to the piezoelectric actuator 19 by a device (not shown). Reference numeral 20 is another rigid body structure that supports the rigid body portion 15a. Reference numeral 21 is a strain gauge for detecting the strain of the parallel flexible beams 16 and 16 ', and the parallel flexible beams 16 and 16' and the rigid body portions 15a and 1 '.
It is provided at the connecting portion with 5b. In the above structure, the rigid body portions 15a, 15
b, parallel flexible beams 16 and 16 ', protrusions 18a and 18b
Parallel flexure beam displacement mechanism 2 by piezoelectric actuator 19
2 are configured. A line K passing through the rigid body portion 15b and orthogonal to each of the parallel flexible beams is used as a reference axis. This reference axis indicates the installation direction of the parallel flexible beam displacement mechanism. Next, the operation of the structure shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a side view of the parallel flexible beam displacement mechanism 22 shown in FIG. 2 after being deformed. Here, the coordinate axes are defined as shown (the y axis is the direction perpendicular to the paper surface). Now, by applying a voltage to the piezoelectric actuator 19, z of the same size is
Generate an axial force f. When the voltage is applied to the piezoelectric actuator 19, the rigid body portion 15b is pressed in the z-axis direction by the force f. Therefore, the parallel flexible beams 16 and 16 'are bent and deformed like the parallel springs 2a and 2b shown in FIG. 5, and the rigid portion 15b is displaced in the z-axis direction. Further, as described above, the parallel flexible beams 16 and 1
When 6'is stretched and bent, a compressive strain and a stretch strain are generated in each strain gauge 21 depending on the arrangement position. Therefore, if a so-called feedback control system that detects this strain with the strain gauge 21 and controls the voltage applied to the piezoelectric actuator 19 based on this detected value, a more accurate main displacement ε can be obtained. That is, each strain gauge 21 is incorporated in an appropriate electric circuit such as a bridge circuit, and the detected strain is extracted as an electric signal (the main displacement ε is exactly proportional to the strain), and this is equivalent to the target displacement in the comparison calculation unit. The difference signal between the two is calculated by comparing with the signal, and the difference signal is 0 based on this difference signal.
The piezoelectric actuator 19 may be controlled so that In this way, the detected value is compared with the target value, and the difference is 0.
Since a feedback control system for controlling so as to be known is well known, and in the case of the drawing, this well-known feedback control system is simply applied as it is, only the strain gauge 21 which is the detection unit in the feedback control system is shown.
Illustration and detailed description of other components of the feedback control system are omitted. When the voltage applied to the piezoelectric actuator 19 is removed, each of the parallel flexible beams 16 and 16 'returns to the state before the deformation, and the parallel flexible beam displacement mechanism 22 returns to the state shown in FIG. ε becomes 0. As described above, the piezoelectric actuator for generating a force is housed in the region formed by the flexible beam parallel to the rigid portion of the parallel flexible beam displacement mechanism.
It is possible to have a simple shape without a portion protruding to the outside. This feature means that the flow of force generated by the piezoelectric actuator passes very close to each of the parallel flexible beams, and the flow of force generated by the actuator 19 includes the rigid body portion 15a, the flexible beams 16, 16 ', and the rigid body portion 15b. Since it counteracts the reaction force and does not affect the rigid body portion 20, it also solves the problem of interference of the actuator described in the conventional example when stacking such devices. Therefore, it becomes easy to stack the parallel flexible beam displacement mechanism on multiple axes. Furthermore, even when laminated on multiple axes, it is not affected by other effects at all. The output displacement of each axis of the multiple-axis positioning mechanism is accurately detected by the distortion of the parallel flexural beam, and the force generated by the piezoelectric actuator based on this detected value. If it is controlled, it is possible to perform positioning with a highly accurate multiaxial laminated body. FIG. 4 shows the through hole 17 and the protruding portion 18 shown in FIG.
It is the figure which simplified a, 18b and the piezoelectric actuator 19 in S character shape. The S-shaped portion will be referred to as a linear drive unit and will be denoted by reference numeral 50, and the reference numeral 50 will be assigned to the coordinate axis in the direction of displacement of the linear drive portion 50. Such linear drive units 50x, 50
y and 50z are shown in FIG. Now, the present embodiment shown in FIG. 1 will be described.
The device of this embodiment is a device that generates displacement along three axes (x, y, z) when the coordinate axes are set as shown in the figure.
The structure thereof is the parallel flexible beam displacement mechanism 2 shown in FIG.
Three pieces 2 are combined, their reference axes K are arranged in a direction perpendicular to each other, and adjacent rigid body portions are integrated. In the figure, 33, 34, 35, 3
6 is a rigid body portion, 50z is a linear drive portion interposed between the rigid body portions 33 and 34, 50y is a linear drive portion interposed between the rigid body portions 34 and 35, and 50x is a linear drive portion interposed between the rigid body portions 35 and 36. is there. Rigid body parts 33 and 34 and linear drive part 50z
The parallel flexible beam displacement mechanism 22z in the z-axis direction is configured by the rigid body portions 34, 35 and the linear drive unit 50y, and the parallel flexible beam displacement mechanism 22y in the y-axis direction is configured by
Further, the rigid body portions 35 and 36 and the linear drive portion 50x constitute a parallel flexible beam displacement mechanism 22x in the x-axis direction. Now, for example, when the rigid body portion 33 is fixed and the piezoelectric actuator of the linear drive portion 50z is driven in this state, the rigid body portion 34 is displaced in the z-axis direction, as can be seen from the above description, and therefore, the rigid body portion 34 is displaced. The portion 36 also undergoes similar displacement. Similarly, when the linear drive section 50y is driven, the rigid body section 36 is displaced in the y-axis direction, and when the linear drive section 50x is driven, the rigid body section 36 is displaced in the x-axis direction. Since these displacements occur independently of each other, it is possible to arbitrarily generate triaxial displacements by appropriately driving the linear drive units 50x, 50y, 50z. As described above, in this embodiment, since the three parallel flexible beam displacement mechanisms are integrally combined so that their reference axes are orthogonal to each other, each displacement mechanism can be made compact. , Each piezoelectric actuator does not interfere with other drive systems. Further, since the parallel flexible beams in each linear drive unit are not affected by the other axes even if they are laminated on the three axes in this way, it is possible to detect the output displacement of each axis by detecting the strain. By using this for feedback control, highly accurate positioning can be performed. In this embodiment, three axes (x, y, z) are used.
However, it is clear that any one axis can be removed to form a biaxial fine positioning apparatus. By the way, in the case of a parallel flexible beam structure, if calculation is performed assuming a practical size, about 1 / m of the displacement to be generated.
A lateral displacement of about 100 may occur. This value can be ignored because it can be considered as a margin of error in general usage. However, it is necessary to prevent this error for the purpose of requiring higher accuracy, so the method will be mentioned. That is, when a plurality of flexible beam displacement mechanisms are stacked as in this embodiment, the minute error described above is magnified. Therefore, they may occupy a non-negligible proportion. Even in that case, there is an almost linear relationship between the displacement generated by each flexural beam displacement mechanism and the actual displacement on the fine motion table, including interference displacement within the range of small displacement. By compensating the input value in advance, the effect can be easily eliminated, and the positioning accuracy obtained as a result is compared with the case of the above-mentioned embodiment without compensation calculation. It will improve dramatically. It should be noted that the present embodiment relates to a fine positioning device and also corresponds to the name of the present invention. However, the fine positioning device referred to in the present invention means a device that generates a fine translational displacement, and the fine positioning device is exemplified in the description of the embodiment is a positioning device which is a typical example of the field of use of the present invention. This is because it is considered that the content of the present invention is expressed in the simplest and most direct manner. Therefore, the application of the present invention is not limited to the positioning device. That is, in addition to the positioning device, a sample body is deformed by a desired minute displacement to examine the displacement state of the contact surface and the change in physical properties of the sample body, or a precise load is applied in each crystal direction of the single crystal. There is a load device within the fine displacement range. By the way, normally, in the fine positioning device,
In many cases, the fine movement positioning portion is placed or attached with a silicon wafer, an optical fiber, a microscope sample, or the like that is lightweight and does not generate resistance during movement. In this case, the rigid parts of the device and the other driving parts interposed in the middle do not require so much rigidity because no force or torque acts particularly. On the other hand, in the above other devices,
Since a resistance force is generated in association with the minute displacement, each rigid body portion and each other drive portion interposed therebetween need to be rigid with respect to the force or torque in the predetermined displacement direction.
In this embodiment, this condition is also satisfied. Therefore, it is configured to withstand use as a load device. Further, regarding the reference axis, in the present embodiment, an example in which the reference axes are orthogonal to each other has been described.
Of course, the reference axes do not necessarily have to be orthogonal.
Further, in the above description of the embodiment, two parallel flexible beams are used.
Although the description has been given by exemplifying the configuration of a set, these are not limited to two, and it is obvious that a configuration in which a plurality of three or more sheets are set as one set may be used. Further, the parallel flexible beam has been described by exemplifying a flat plate having the same thickness, but the beam is not necessarily limited to a uniform thickness,
The shape of the through hole penetrating the rigid block to form the parallel flexural beam can be variously selected from the viewpoint of processing, and accordingly, the through hole can be made to have a nonuniform thickness. Furthermore, in the description of the above-mentioned embodiments, the piezoelectric actuator has been described as an example of the actuator, but the actuator is not limited to the piezoelectric actuator, and a solenoid or other appropriate one can be used. In addition, as the installation location of the actuator, 2
Although an example of a region surrounded by two rigid body parts and parallel bending beams connecting between them is provided, a recess is further provided in one rigid body part, and a protrusion protruding from the other rigid body part is inserted into this recessed part, An actuator can be installed between the inserted protruding portion and the one rigid body portion. In the above description of the embodiment, the fine positioning device is integrally formed from one rigid block as the most ideal embodiment. However, each part formed separately is bolted. The members may be rigidly contacted with each other by welding or the like. Further, the means for detecting the displacement and stress strain of the flexible beam is not limited to the strain gauge, and other means can be used. Further, it is clear that a feedback control system including such strain detecting means is not always necessary, and fine displacement and fine rotational displacement can be obtained with sufficient accuracy without this. As described above, according to the present invention, since the fine positioning device is constituted by using two or more parallel bending beam displacement mechanisms, it is easy to realize a highly accurate multi-axis positioning device without interference. Can be configured to.

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施例に係る微細位置決め装置の側面
図である。 【図２】図１に示す構造の詳細を説明する側面図であ
る。 【図３】図２に示す構造の動作を説明する側面図であ
る。 【図４】直線駆動部および回転駆動部の記号を説明する
ための説明図である。 【図５】従来の微細位置決め装置の側面図である。 【図６】図５に示す装置から想定される微細位置決め装
置の斜視図である。 【符号の説明】 ２２ｘ，２２ｙ，２２ｚ 平行たわみ変位機構 ３３，３４，３５，３６ 剛体部 ５０ｘ，５０ｙ，５０ｚ 直線駆動部BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a side view of a fine positioning device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side view illustrating details of the structure shown in FIG. FIG. 3 is a side view explaining the operation of the structure shown in FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining symbols of a linear drive unit and a rotary drive unit. FIG. 5 is a side view of a conventional fine positioning device. 6 is a perspective view of a fine positioning device assumed from the device shown in FIG. [Explanation of Codes] 22x, 22y, 22z Parallel flexure displacement mechanism 33, 34, 35, 36 Rigid body part 50x, 50y, 50z Linear drive part

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １． ２つの剛体部と、これら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２つの剛体
部と少なくとも２つの所定の前記たわみ梁とによって囲
まれた領域内に装架され前記たわみ梁に曲げ変形を生じ
させるアクチュエータとより成る平行たわみ梁変位機構
が複数備えられ、かつ、それら各平行たわみ梁変位機構
の基準軸の方向が互いに異るように構成されていること
を特徴とする微細位置決め装置。 ２． 特許請求の範囲１において、前記各平行たわみ梁
変位機構の前記複数のたわみ梁群の所定のたわみ梁は、
前記２つ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。[Claims] 1. Mounted in a region surrounded by two rigid bodies, a plurality of flexible beams that connect the rigid bodies and are arranged in parallel with each other, and the two rigid bodies and at least two predetermined flexible beams. A plurality of parallel flexible beam displacement mechanisms including actuators that cause bending deformation of the flexible beam are provided, and the reference axis directions of the parallel flexible beam displacement mechanisms are different from each other. Fine positioning device. 2. In Claim 1, a predetermined flexible beam of the plurality of flexible beam groups of each of the parallel flexible beam displacement mechanisms is
A fine positioning device comprising a detection means for detecting a relative displacement generated between the two rigid body portions.