変位拡大機構及び研磨装置
【課題】 作用部を自在に動かすことができる変位拡大機構であって、かつ、この変位拡大機構を研磨装置として使用しやすいように、コンパクトでシンプルな構造としたものを提供する。
【解決手段】 互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、その伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、すべての前記ヒンジ部が接続する基部１２と、すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部１４と、を有し、それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とする変位拡大機構１０であり、また、この作用部にポリッシングツール又は被研磨物を取り付けた研磨装置とする。
【解決手段】 互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、その伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、すべての前記ヒンジ部が接続する基部１２と、すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部１４と、を有し、それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とする変位拡大機構１０であり、また、この作用部にポリッシングツール又は被研磨物を取り付けた研磨装置とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伸縮部材の変位拡大機構及びその変位拡大機構を用いてレンズ等を成形するための金型等を研磨する研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電効果によって電気エネルギーから機械エネルギーへのエネルギー変換を行う圧電素子は、変換効率が高く、小型で、微小変位の制御に優れていることから、位置決め装置等に広く用いられている。なお、歪量や応答速度に若干の違いはあるものの、磁歪や形状記憶合金といった伸縮部材も、同様に広く用いられている。
【０００３】
特許文献１（特開２００４−２８０３５５号公報）には、圧電素子を利用した位置決め装置が記載されている。そして、特許文献１において、圧電素子を利用した位置決め装置は超精密な位置決めには適しているものの、圧電素子そのものの変位量があまり大きくはないことから、変位拡大機構を用いることが提案されている。
【０００４】
一方、圧電素子は応答性に優れているという特性も有していることから、圧電素子を振動子として用いることもある。例えば、特許文献２（特開平５−１６２０６４号公報）では、圧電素子（ピエゾ素子）による微小運動を研磨装置に利用している。しかし、ここでも位置決め装置と同様に、圧電素子の変位は相当小さいものであるから、変位拡大機構を用いなければ、広い範囲を研磨するために相当な時間を要すると考えられる。
【０００５】
このように、位置決め装置や研磨装置に圧電素子を用いるときは、変位拡大機構を利用することが多くなると考えられる。特許文献３（特開２００８−９９３９９号公報）には、変位拡大機構の一例が開示されている。図７は特許文献３に記載された従来の変位拡大機構を示す図である。この変位拡大機構１０１は、圧電素子５０が長さ方向の一端部に当接する第１の当接部材５２と他端部に当接する第２の当接部材５３の間に取り付けられており、電気端子５１，５１間に電圧が印加されることにより、圧電素子５０に軸方向の変位が生じ、その発生変位がヒンジ部５４，５５を介してアーム５６に伝達され、さらにアーム５６の先端に取り付けられた板ばね５７を介し、対象物に当接するセンターピース５８に拡大した変位を与えることができる構成になっている。
【０００６】
しかし、このような変位拡大機構１０１は、構造が複雑で、かつ、圧電素子５０が複数あるときはそれぞれの圧電素子５０に設けなければならず、圧電素子５０そのものに比べてかなり大きな構造となることから、位置決め装置や研磨装置に用いるときには、変位拡大機構１０１同士や他の部材と接触しないように、設置するためのある程度の空間が必要になると考えられる。
【０００７】
また、特許文献４（特開２００８−５４４９２号公報）には、図７とは別の変位拡大機構が記載されている。図８は特許文献４に記載された変位拡大機構を簡略化した図である。この変位拡大機構１０２は、圧電素子５０が伸縮したときに、ヒンジ部５４，５５を介して、押圧部材５９に圧電素子５０の伸縮方向と直角方向の拡大された変位が発生する構成になっている。
【０００８】
特許文献４には、このような機構を複数備え、それぞれの押圧部材５９を制御する液体吐出装置が記載されている。しかし、この機構では、押圧部材５９を押し引きするだけの１次元の動きしかできない。変位拡大機構を研磨装置などで用いる場合は、変位拡大機構の作用部に取り付けて被研磨物に直接又は遊離砥粒を介して当接するポリッシングツールが、所要の軌跡を描くような２次元又は３次元の動きが求められるので、特許文献４のような変位拡大機構１０２をそのまま利用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２８０３５５号公報
【特許文献２】特開平５−１６２０６４号公報
【特許文献３】特開２００８−９９３９９号公報
【特許文献４】特開２００８−５４４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、斯かる事情に鑑み、作用部を自在に動かすことができる変位拡大機構であって、かつ、この変位拡大機構を研磨装置として使用しやすいように、シンプルかつコンパクトな構造としたものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の変位拡大機構は、互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、その伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、を有し、それぞれの前記ヒンジ部から前記作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべてのヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、伸縮部材が３本、かつヒンジ部が３箇所のとき、基部においてヒンジ部がＬ字型に並んでいることにしたり、伸縮部材が４本、かつヒンジ部が４箇所のときは、基部においてヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることにしたり、伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであることにすると良い。また、伸縮部材に圧縮力が作用するように、ヒンジ部と作用部とを連結する与圧機構を設けても良い。
【００１３】
また、本発明の研磨装置は、ポリッシングツールと被研磨物との相対的な動きにより被研磨物の表面を研磨する研磨装置であって、互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、その伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、その作用部に取り付けられるポリッシングツール又は被研磨物と、を有し、それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とするものである。研磨装置のときも、伸縮部材が３本、かつヒンジ部が３箇所のときに、基部において３箇所のヒンジ部がＬ字型に並んでいることにしたり、伸縮部材が４本、かつヒンジ部が４箇所のときは、基部においてヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることにしたり、伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであることにしたり、伸縮部材に圧縮力が作用するように、ヒンジ部と作用部とを連結する与圧機構を設けたりすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、伸縮部材の変位を拡大して作用部に変位を生じさせることができる。そして、３本以上の伸縮部材のそれぞれに所要の電圧又は電流を供給することで、作用部を自在に、かつ３次元に動かすことができる。また、それぞれの伸縮部材に変位拡大機構を設ける構造ではなく、全体として変位拡大機構となっているので、シンプルかつコンパクトな構造である。
【００１５】
さらに、与圧機構を設ければ、伸縮部材に引張力が作用しない、若しくは、作用しても小さな値にすることができるので、伸縮部材が壊れるのを防ぐ効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の変位拡大機構の実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明の変位拡大機構をＸ方向から見た正面図である。
【図３】本発明の変位拡大機構の説明図である。
【図４】与圧機構を設けた変位拡大機構の実施例の斜視図である。
【図５】変位拡大機構を用いた研磨装置の正面図である。
【図６】伸縮部材が４本の場合の実施例を示す斜視図である。
【図７】従来の変位拡大機構を示す図である。
【図８】特許文献４に記載された変位拡大機構を簡略化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の変位拡大機構の実施例を示す斜視図である。３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃが互いに平行に配置され、それぞれの一端がヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを介して基部１２に接続されている。そして、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの他端は、作用部１４に結合している。この作用部１４にポリッシングツールや被研磨物を取り付けて、研磨装置として用いることができる。
【００１９】
伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃとしては、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金等を用いれば良い。積層圧電素子の場合には、それぞれの伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに電圧を印加させて伸縮させれば良く、磁歪や形状記憶合金の場合には、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃにコイル等を巻き付け、そのコイル等に電流を供給することで伸縮させることができる。なお、磁歪であれば、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、基部１２及び作用部１４を一体で製造することができ、この場合は接続部がなくなることから、積層圧電素子や形状記憶合金を用いるよりも壊れ難いという利点がある。
【００２０】
図２は、本発明の変位拡大機構をＸ方向から見た正面図である。図２のように、基部１２にヒンジ部１３ａを介して接続された伸縮部材１１ａに電圧や電流を供給して伸縮させると、伸縮に応じて全体的に傾斜し、作用部１４にＹ方向の変位が生じる。当然、２本の伸縮部材１１ｂ，１１ｃを同位相で伸縮させても同様にＹ方向の変位を生じさせることが可能である。また、３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃのすべてを同位相で伸縮させれば、作用部１４をＺ方向に動かすことも可能である。
【００２１】
同様に、作用部１４をＸ方向に動かしたいときは、伸縮部材１１ｃ（又は２本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ）に電圧や電流を供給して伸縮させれば良い。そうすると、これらの動きを組み合わせて、３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃにそれぞれ所要の電圧や電流を供給すれば、作用部１４を自在に、かつ三次元に動かすことができるので、研磨装置に用いる場合などに、所要の軌跡を描いて研磨することが可能となる。
【００２２】
なお、ここでは３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの位置、つまり基部１２に接続しているヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、ヒンジ部１３ｂから見てヒンジ部１３ａ方向とヒンジ部１３ｃ方向とが直角になるようにＬ字型に配置されている。このような、Ｌ字型に配置すれば、Ｘ方向とＹ方向を直交させることができ、２本の伸縮部材１１ａ，１１ｃの伸縮だけで、作用部１４に２次元の自在な動きを与えることが可能である。Ｌ字型に配置しない場合には、Ｘ方向とＹ方向は直交しないことになるが、それでも作用部１４に２次元の動きを与えることは可能なので、特にＬ字型の配置に限定する必要はない。ただし、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを一直線上に並べて配置することはできない。一直線上に並べた場合は、自立できず、また、前述したような所要の軌跡を描くこともできないためである。
【００２３】
次に、本発明が、変位拡大機構を構成する条件を説明する。図３は、本発明の変位拡大機構の説明図である。ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃから作用部１４までの長さをｒとし、ヒンジ部１３ａと１３ｂ及びヒンジ部１３ｂと１３ｃの間隔をｄとする。そして、伸縮部材１１ａが１１ｂと１１ｃに対し、相対的にΔｒだけ伸びたときに、又は、伸縮部材１１ｃが１１ａと１１ｂに対し、相対的にΔｒだけ伸びたときに、変位拡大機構１０が角度θ傾斜し、作用部１４にΔｘの変位が生じたとする。
【００２４】
このとき、図３より、Δｘ及びΔｒは、
Δｘ＝ｒθ （１）
Δｒ＝ｄθ （２）
と表せるから、式（１）、（２）より、
Δｘ＝ｒ／ｄ・Δｒ （３）
という関係式が得られる。
なお、伸縮部材１１ｂが１１ａと１１ｃに対し、相対的にΔｒだけ伸びたときには、ヒンジ部１３ｂから、ヒンジ部１３ａとヒンジ部１３ｃとを結ぶ直線に対して引いた垂線の長さ（ｄ／√２）が作用部１４の変位に影響し、このとき作用部１４に生じる変位Δｘ'は、Δｘ'＝√２×Δｘになる。
【００２５】
ここで、変位拡大機構１０を構成するためには、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの変位量よりも作用部１４での変位量の方が大きくなければならないから、Δｘ＞Δｒでなければならない。つまり、式（３）より、ｒ／ｄ＞１でなければならないことになる。また、ｒ／ｄの値が大きいほど、変位拡大機構１０としての拡大率が大きくなることから、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの長さを長くしたり、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ同士の間隔を狭くしたりすることで、より効率の良い変位拡大機構１０とすることができ、研磨装置として用いる場合には、広範囲を短時間に研磨することが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の変位拡大機構に与圧機構を設けた実施例を示す。図４は、与圧機構を設けた変位拡大機構の実施例の斜視図である。このような与圧機構１５は、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに引張力が作用すると、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃそのものの破壊や接続部の剥離等を引き起こすことがあるため、予め圧縮力を与えておき、引張力が作用しない、若しくは、作用しても小さな値になるように設けられる。
【００２７】
与圧機構１５は、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４との間の距離が、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの自然状態での長さよりも短くなるように、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４とを接続するものである。そして、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４との間に伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃをこじ入れることにより、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに圧縮力を与える構造になっている。図の実施例では、２本の伸縮部材１１ａ，１１ｃについてのみ与圧機構１５を設けた構成にしているが、特にこのような構成に限定するものではない。また、与圧機構１５の形状も特に限定するものではなく、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４を繋ぎ、板バネ等の弾性体を用いて圧縮力を与えられるものであれば良い。
【００２８】
次に、本発明の変位拡大機構を研磨装置に用いる場合について説明する。図５は、変位拡大機構を用いた研磨装置の正面図である。変位拡大機構１０の作用部１４に取り付けられたポリッシングツール２０は、その先端を被研磨物２１に当接し、もしくは遊離砥粒２２を介した状態で被研磨物２１と接している。ここで例示する研磨方法は、研磨位置に液体に混ぜた遊離砥粒２２を備え、所要の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃを伸縮させることでポリッシングツール２０が被研磨物２１の面上を摺動し、被研磨物２１を研磨するものとしているが、ポリッシングツール２０に直接ダイヤモンド砥粒等を固定したもので研磨する場合もある。
【００２９】
また、図５とは逆に作用部１４に被研磨物２１を取り付け、ポリッシングツール２０を固定するという構成にしても、ポリッシングツール２０と被研磨物２１との相対的な動きには変わりはないので、同様な研磨を行うことができる。
【００３０】
このような構成の研磨装置にすることで、それぞれの伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに所要の電圧又は電流が供給されると、拡大した変位が作用部１４に発生する。そして、それぞれの伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに供給する電圧や電流を制御すれば、直線的な動きだけでなく、複雑な軌道を自在に描くことが可能であり、また、３次元で動作させることも可能である。つまり、広範囲を短時間で研磨することが可能であり、また、溝幅に比べて溝深さが大きいような研磨も可能である。なお、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかにすると良く、応答性に優れる伸縮部材を用いれば、より高精度な制御が可能となる。
【００３１】
ここまでに示した実施例は、伸縮部材が３本のものであるが、伸縮部材を４本若しくはそれ以上にすることも可能である。伸縮部材の本数を増やし過ぎると制御が複雑になるものの、ヒンジ部の配置が基部上で一直線上に並んでいなければ、変位拡大機構及び研磨装置としての機能は果たすことができる。図６は、伸縮部材が４本の場合の実施例を示す斜視図である。このように、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが４本の場合は、基部１２の面上において、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを正方形などのロの字の四隅に配置すれば良く、そのときの正面図は図２と同様（ただし、１１ａと１１ｄ及び１３ａと１３ｄは重なっているものとする）になるので、隣接する２本の伸縮部材（１１ａと１１ｂ、１１ａと１１ｄ、１１ｂと１１ｃ、１１ｃと１１ｄ）を同位相で伸縮させれば、Ｘ方向やＹ方向の動きを与えることができる。そうすると、電圧又は電流を供給する伸縮部材の組合せによって、自在な動きを与えることが可能になるので、変位拡大機構や研磨装置として使用することができる。
【００３２】
従来の変位拡大機構は、伸縮部材ごとに設けられていたため、研磨装置等に変位拡大機構を設けると、互いの変位拡大機構が衝突したり、研磨装置全体が大きくなったりするという問題があった。しかし、実施例に示したように、本発明の変位拡大機構は、すべての伸縮部材を使って全体として一つの変位拡大機構を構成しているため、研磨装置として構造をシンプルかつコンパクトにすることが可能となった。
【００３３】
また、本発明の研磨装置では、ポリッシングツールを３次元で動かすことができるので、アスペック比（溝深さ／溝幅）の高い溝を有する微細構造のような被研磨物を研磨することも可能である。
【００３４】
なお、本発明の変位拡大機構は、アクチュエータとして使用しても良い。その際に、複数の変位拡大機構を直列に接続するような使い方、つまり、変位拡大機構の基部と別の変位拡大機構の作用部とを接続することも可能であり、それによって、変位をより大きくすることもできる。特に、スペースの制約が厳しい箇所では、このような使い方は、有効である。また、２台の変位拡大機構を、その接続角度が９０゜になるように結合する等の接続方法のバリエーションも考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 変位拡大機構
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、１１ｄ 伸縮部材
１２ 基部
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、１３ｄ ヒンジ部
１４ 作用部
１５ 与圧機構
２０ ポリッシングツール
２１ 被研磨物
２２ 遊離砥粒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、伸縮部材の変位拡大機構及びその変位拡大機構を用いてレンズ等を成形するための金型等を研磨する研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電効果によって電気エネルギーから機械エネルギーへのエネルギー変換を行う圧電素子は、変換効率が高く、小型で、微小変位の制御に優れていることから、位置決め装置等に広く用いられている。なお、歪量や応答速度に若干の違いはあるものの、磁歪や形状記憶合金といった伸縮部材も、同様に広く用いられている。
【０００３】
特許文献１（特開２００４−２８０３５５号公報）には、圧電素子を利用した位置決め装置が記載されている。そして、特許文献１において、圧電素子を利用した位置決め装置は超精密な位置決めには適しているものの、圧電素子そのものの変位量があまり大きくはないことから、変位拡大機構を用いることが提案されている。
【０００４】
一方、圧電素子は応答性に優れているという特性も有していることから、圧電素子を振動子として用いることもある。例えば、特許文献２（特開平５−１６２０６４号公報）では、圧電素子（ピエゾ素子）による微小運動を研磨装置に利用している。しかし、ここでも位置決め装置と同様に、圧電素子の変位は相当小さいものであるから、変位拡大機構を用いなければ、広い範囲を研磨するために相当な時間を要すると考えられる。
【０００５】
このように、位置決め装置や研磨装置に圧電素子を用いるときは、変位拡大機構を利用することが多くなると考えられる。特許文献３（特開２００８−９９３９９号公報）には、変位拡大機構の一例が開示されている。図７は特許文献３に記載された従来の変位拡大機構を示す図である。この変位拡大機構１０１は、圧電素子５０が長さ方向の一端部に当接する第１の当接部材５２と他端部に当接する第２の当接部材５３の間に取り付けられており、電気端子５１，５１間に電圧が印加されることにより、圧電素子５０に軸方向の変位が生じ、その発生変位がヒンジ部５４，５５を介してアーム５６に伝達され、さらにアーム５６の先端に取り付けられた板ばね５７を介し、対象物に当接するセンターピース５８に拡大した変位を与えることができる構成になっている。
【０００６】
しかし、このような変位拡大機構１０１は、構造が複雑で、かつ、圧電素子５０が複数あるときはそれぞれの圧電素子５０に設けなければならず、圧電素子５０そのものに比べてかなり大きな構造となることから、位置決め装置や研磨装置に用いるときには、変位拡大機構１０１同士や他の部材と接触しないように、設置するためのある程度の空間が必要になると考えられる。
【０００７】
また、特許文献４（特開２００８−５４４９２号公報）には、図７とは別の変位拡大機構が記載されている。図８は特許文献４に記載された変位拡大機構を簡略化した図である。この変位拡大機構１０２は、圧電素子５０が伸縮したときに、ヒンジ部５４，５５を介して、押圧部材５９に圧電素子５０の伸縮方向と直角方向の拡大された変位が発生する構成になっている。
【０００８】
特許文献４には、このような機構を複数備え、それぞれの押圧部材５９を制御する液体吐出装置が記載されている。しかし、この機構では、押圧部材５９を押し引きするだけの１次元の動きしかできない。変位拡大機構を研磨装置などで用いる場合は、変位拡大機構の作用部に取り付けて被研磨物に直接又は遊離砥粒を介して当接するポリッシングツールが、所要の軌跡を描くような２次元又は３次元の動きが求められるので、特許文献４のような変位拡大機構１０２をそのまま利用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２８０３５５号公報
【特許文献２】特開平５−１６２０６４号公報
【特許文献３】特開２００８−９９３９９号公報
【特許文献４】特開２００８−５４４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、斯かる事情に鑑み、作用部を自在に動かすことができる変位拡大機構であって、かつ、この変位拡大機構を研磨装置として使用しやすいように、シンプルかつコンパクトな構造としたものを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の変位拡大機構は、互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、その伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、を有し、それぞれの前記ヒンジ部から前記作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべてのヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とするものである。
【００１２】
ここで、伸縮部材が３本、かつヒンジ部が３箇所のとき、基部においてヒンジ部がＬ字型に並んでいることにしたり、伸縮部材が４本、かつヒンジ部が４箇所のときは、基部においてヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることにしたり、伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであることにすると良い。また、伸縮部材に圧縮力が作用するように、ヒンジ部と作用部とを連結する与圧機構を設けても良い。
【００１３】
また、本発明の研磨装置は、ポリッシングツールと被研磨物との相対的な動きにより被研磨物の表面を研磨する研磨装置であって、互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、その伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、その作用部に取り付けられるポリッシングツール又は被研磨物と、を有し、それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とするものである。研磨装置のときも、伸縮部材が３本、かつヒンジ部が３箇所のときに、基部において３箇所のヒンジ部がＬ字型に並んでいることにしたり、伸縮部材が４本、かつヒンジ部が４箇所のときは、基部においてヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることにしたり、伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであることにしたり、伸縮部材に圧縮力が作用するように、ヒンジ部と作用部とを連結する与圧機構を設けたりすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、伸縮部材の変位を拡大して作用部に変位を生じさせることができる。そして、３本以上の伸縮部材のそれぞれに所要の電圧又は電流を供給することで、作用部を自在に、かつ３次元に動かすことができる。また、それぞれの伸縮部材に変位拡大機構を設ける構造ではなく、全体として変位拡大機構となっているので、シンプルかつコンパクトな構造である。
【００１５】
さらに、与圧機構を設ければ、伸縮部材に引張力が作用しない、若しくは、作用しても小さな値にすることができるので、伸縮部材が壊れるのを防ぐ効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の変位拡大機構の実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明の変位拡大機構をＸ方向から見た正面図である。
【図３】本発明の変位拡大機構の説明図である。
【図４】与圧機構を設けた変位拡大機構の実施例の斜視図である。
【図５】変位拡大機構を用いた研磨装置の正面図である。
【図６】伸縮部材が４本の場合の実施例を示す斜視図である。
【図７】従来の変位拡大機構を示す図である。
【図８】特許文献４に記載された変位拡大機構を簡略化した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。
【００１８】
図１は、本発明の変位拡大機構の実施例を示す斜視図である。３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃが互いに平行に配置され、それぞれの一端がヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを介して基部１２に接続されている。そして、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの他端は、作用部１４に結合している。この作用部１４にポリッシングツールや被研磨物を取り付けて、研磨装置として用いることができる。
【００１９】
伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃとしては、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金等を用いれば良い。積層圧電素子の場合には、それぞれの伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに電圧を印加させて伸縮させれば良く、磁歪や形状記憶合金の場合には、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃにコイル等を巻き付け、そのコイル等に電流を供給することで伸縮させることができる。なお、磁歪であれば、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、基部１２及び作用部１４を一体で製造することができ、この場合は接続部がなくなることから、積層圧電素子や形状記憶合金を用いるよりも壊れ難いという利点がある。
【００２０】
図２は、本発明の変位拡大機構をＸ方向から見た正面図である。図２のように、基部１２にヒンジ部１３ａを介して接続された伸縮部材１１ａに電圧や電流を供給して伸縮させると、伸縮に応じて全体的に傾斜し、作用部１４にＹ方向の変位が生じる。当然、２本の伸縮部材１１ｂ，１１ｃを同位相で伸縮させても同様にＹ方向の変位を生じさせることが可能である。また、３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃのすべてを同位相で伸縮させれば、作用部１４をＺ方向に動かすことも可能である。
【００２１】
同様に、作用部１４をＸ方向に動かしたいときは、伸縮部材１１ｃ（又は２本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ）に電圧や電流を供給して伸縮させれば良い。そうすると、これらの動きを組み合わせて、３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃにそれぞれ所要の電圧や電流を供給すれば、作用部１４を自在に、かつ三次元に動かすことができるので、研磨装置に用いる場合などに、所要の軌跡を描いて研磨することが可能となる。
【００２２】
なお、ここでは３本の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの位置、つまり基部１２に接続しているヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、ヒンジ部１３ｂから見てヒンジ部１３ａ方向とヒンジ部１３ｃ方向とが直角になるようにＬ字型に配置されている。このような、Ｌ字型に配置すれば、Ｘ方向とＹ方向を直交させることができ、２本の伸縮部材１１ａ，１１ｃの伸縮だけで、作用部１４に２次元の自在な動きを与えることが可能である。Ｌ字型に配置しない場合には、Ｘ方向とＹ方向は直交しないことになるが、それでも作用部１４に２次元の動きを与えることは可能なので、特にＬ字型の配置に限定する必要はない。ただし、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを一直線上に並べて配置することはできない。一直線上に並べた場合は、自立できず、また、前述したような所要の軌跡を描くこともできないためである。
【００２３】
次に、本発明が、変位拡大機構を構成する条件を説明する。図３は、本発明の変位拡大機構の説明図である。ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃから作用部１４までの長さをｒとし、ヒンジ部１３ａと１３ｂ及びヒンジ部１３ｂと１３ｃの間隔をｄとする。そして、伸縮部材１１ａが１１ｂと１１ｃに対し、相対的にΔｒだけ伸びたときに、又は、伸縮部材１１ｃが１１ａと１１ｂに対し、相対的にΔｒだけ伸びたときに、変位拡大機構１０が角度θ傾斜し、作用部１４にΔｘの変位が生じたとする。
【００２４】
このとき、図３より、Δｘ及びΔｒは、
Δｘ＝ｒθ （１）
Δｒ＝ｄθ （２）
と表せるから、式（１）、（２）より、
Δｘ＝ｒ／ｄ・Δｒ （３）
という関係式が得られる。
なお、伸縮部材１１ｂが１１ａと１１ｃに対し、相対的にΔｒだけ伸びたときには、ヒンジ部１３ｂから、ヒンジ部１３ａとヒンジ部１３ｃとを結ぶ直線に対して引いた垂線の長さ（ｄ／√２）が作用部１４の変位に影響し、このとき作用部１４に生じる変位Δｘ'は、Δｘ'＝√２×Δｘになる。
【００２５】
ここで、変位拡大機構１０を構成するためには、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの変位量よりも作用部１４での変位量の方が大きくなければならないから、Δｘ＞Δｒでなければならない。つまり、式（３）より、ｒ／ｄ＞１でなければならないことになる。また、ｒ／ｄの値が大きいほど、変位拡大機構１０としての拡大率が大きくなることから、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの長さを長くしたり、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ同士の間隔を狭くしたりすることで、より効率の良い変位拡大機構１０とすることができ、研磨装置として用いる場合には、広範囲を短時間に研磨することが可能となる。
【００２６】
次に、本発明の変位拡大機構に与圧機構を設けた実施例を示す。図４は、与圧機構を設けた変位拡大機構の実施例の斜視図である。このような与圧機構１５は、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに引張力が作用すると、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃそのものの破壊や接続部の剥離等を引き起こすことがあるため、予め圧縮力を与えておき、引張力が作用しない、若しくは、作用しても小さな値になるように設けられる。
【００２７】
与圧機構１５は、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４との間の距離が、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃの自然状態での長さよりも短くなるように、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４とを接続するものである。そして、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４との間に伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃをこじ入れることにより、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに圧縮力を与える構造になっている。図の実施例では、２本の伸縮部材１１ａ，１１ｃについてのみ与圧機構１５を設けた構成にしているが、特にこのような構成に限定するものではない。また、与圧機構１５の形状も特に限定するものではなく、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと作用部１４を繋ぎ、板バネ等の弾性体を用いて圧縮力を与えられるものであれば良い。
【００２８】
次に、本発明の変位拡大機構を研磨装置に用いる場合について説明する。図５は、変位拡大機構を用いた研磨装置の正面図である。変位拡大機構１０の作用部１４に取り付けられたポリッシングツール２０は、その先端を被研磨物２１に当接し、もしくは遊離砥粒２２を介した状態で被研磨物２１と接している。ここで例示する研磨方法は、研磨位置に液体に混ぜた遊離砥粒２２を備え、所要の伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃを伸縮させることでポリッシングツール２０が被研磨物２１の面上を摺動し、被研磨物２１を研磨するものとしているが、ポリッシングツール２０に直接ダイヤモンド砥粒等を固定したもので研磨する場合もある。
【００２９】
また、図５とは逆に作用部１４に被研磨物２１を取り付け、ポリッシングツール２０を固定するという構成にしても、ポリッシングツール２０と被研磨物２１との相対的な動きには変わりはないので、同様な研磨を行うことができる。
【００３０】
このような構成の研磨装置にすることで、それぞれの伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに所要の電圧又は電流が供給されると、拡大した変位が作用部１４に発生する。そして、それぞれの伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃに供給する電圧や電流を制御すれば、直線的な動きだけでなく、複雑な軌道を自在に描くことが可能であり、また、３次元で動作させることも可能である。つまり、広範囲を短時間で研磨することが可能であり、また、溝幅に比べて溝深さが大きいような研磨も可能である。なお、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかにすると良く、応答性に優れる伸縮部材を用いれば、より高精度な制御が可能となる。
【００３１】
ここまでに示した実施例は、伸縮部材が３本のものであるが、伸縮部材を４本若しくはそれ以上にすることも可能である。伸縮部材の本数を増やし過ぎると制御が複雑になるものの、ヒンジ部の配置が基部上で一直線上に並んでいなければ、変位拡大機構及び研磨装置としての機能は果たすことができる。図６は、伸縮部材が４本の場合の実施例を示す斜視図である。このように、伸縮部材１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄが４本の場合は、基部１２の面上において、ヒンジ部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを正方形などのロの字の四隅に配置すれば良く、そのときの正面図は図２と同様（ただし、１１ａと１１ｄ及び１３ａと１３ｄは重なっているものとする）になるので、隣接する２本の伸縮部材（１１ａと１１ｂ、１１ａと１１ｄ、１１ｂと１１ｃ、１１ｃと１１ｄ）を同位相で伸縮させれば、Ｘ方向やＹ方向の動きを与えることができる。そうすると、電圧又は電流を供給する伸縮部材の組合せによって、自在な動きを与えることが可能になるので、変位拡大機構や研磨装置として使用することができる。
【００３２】
従来の変位拡大機構は、伸縮部材ごとに設けられていたため、研磨装置等に変位拡大機構を設けると、互いの変位拡大機構が衝突したり、研磨装置全体が大きくなったりするという問題があった。しかし、実施例に示したように、本発明の変位拡大機構は、すべての伸縮部材を使って全体として一つの変位拡大機構を構成しているため、研磨装置として構造をシンプルかつコンパクトにすることが可能となった。
【００３３】
また、本発明の研磨装置では、ポリッシングツールを３次元で動かすことができるので、アスペック比（溝深さ／溝幅）の高い溝を有する微細構造のような被研磨物を研磨することも可能である。
【００３４】
なお、本発明の変位拡大機構は、アクチュエータとして使用しても良い。その際に、複数の変位拡大機構を直列に接続するような使い方、つまり、変位拡大機構の基部と別の変位拡大機構の作用部とを接続することも可能であり、それによって、変位をより大きくすることもできる。特に、スペースの制約が厳しい箇所では、このような使い方は、有効である。また、２台の変位拡大機構を、その接続角度が９０゜になるように結合する等の接続方法のバリエーションも考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１０ 変位拡大機構
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ、１１ｄ 伸縮部材
１２ 基部
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、１３ｄ ヒンジ部
１４ 作用部
１５ 与圧機構
２０ ポリッシングツール
２１ 被研磨物
２２ 遊離砥粒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、
前記伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、
すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、
すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、を有し、
それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とする変位拡大機構。
【請求項２】
前記伸縮部材が３本、かつ前記ヒンジ部が３箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がＬ字型に並んでいることを特徴とする請求項１に記載の変位拡大機構。
【請求項３】
前記伸縮部材が４本、かつ前記ヒンジ部が４箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の変位拡大機構。
【請求項４】
前記伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであ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変位拡大機構。
【請求項５】
前記伸縮部材に圧縮力が作用するように、前記ヒンジ部と前記作用部とを連結する与圧機構を設けることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の変位拡大機構。
【請求項６】
ポリッシングツールと被研磨物との相対的な動きにより被研磨物の表面を研磨する研磨装置であって、
互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、
前記伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、
すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、
すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、
前記作用部に取り付けられるポリッシングツール又は被研磨物と、を有し、
それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
前記伸縮部材が３本、かつ前記ヒンジ部が３箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がＬ字型に並んでいることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記伸縮部材が４本、かつ前記ヒンジ部が４箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記伸縮部材に圧縮力が作用するように、前記ヒンジ部と前記作用部とを連結する与圧機構を設けることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項１】
互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、
前記伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、
すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、
すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、を有し、
それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とする変位拡大機構。
【請求項２】
前記伸縮部材が３本、かつ前記ヒンジ部が３箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がＬ字型に並んでいることを特徴とする請求項１に記載の変位拡大機構。
【請求項３】
前記伸縮部材が４本、かつ前記ヒンジ部が４箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の変位拡大機構。
【請求項４】
前記伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであ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変位拡大機構。
【請求項５】
前記伸縮部材に圧縮力が作用するように、前記ヒンジ部と前記作用部とを連結する与圧機構を設けることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の変位拡大機構。
【請求項６】
ポリッシングツールと被研磨物との相対的な動きにより被研磨物の表面を研磨する研磨装置であって、
互いに平行に配置され電圧又は電流を供給することで各々伸縮自在の３本以上の伸縮部材と、
前記伸縮部材のそれぞれの一端に接続する３箇所以上のヒンジ部と、
すべての前記ヒンジ部が接続する基部と、
すべての前記伸縮部材の他端で結合し前記伸縮部材の伸縮により変位を生じる作用部と、
前記作用部に取り付けられるポリッシングツール又は被研磨物と、を有し、
それぞれの前記ヒンジ部から作用部までの長さが前記ヒンジ部同士の間の距離よりも長く、かつ、すべての前記ヒンジ部が一直線上に並んでいないことを特徴とする研磨装置。
【請求項７】
前記伸縮部材が３本、かつ前記ヒンジ部が３箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がＬ字型に並んでいることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項８】
前記伸縮部材が４本、かつ前記ヒンジ部が４箇所であって、前記基部において前記ヒンジ部がロの字の四隅に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
【請求項９】
前記伸縮部材が、積層圧電素子、磁歪又は形状記憶合金のいずれかであることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の研磨装置。
【請求項１０】
前記伸縮部材に圧縮力が作用するように、前記ヒンジ部と前記作用部とを連結する与圧機構を設けることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の研磨装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１７５７４６（Ｐ２０１２−１７５７４６Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３３０３３（Ｐ２０１１−３３０３３）
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、経済産業省、戦略的基盤技術高度化支援事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３３４３６１３）株式会社長津製作所 (2)
【出願人】（５０２２５４７９６）有限会社メカノトランスフォーマ (22)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１８日（２０１１．２．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、経済産業省、戦略的基盤技術高度化支援事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０３３４３６１３）株式会社長津製作所 (2)
【出願人】（５０２２５４７９６）有限会社メカノトランスフォーマ (22)
【Ｆターム（参考）】
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