JP2000099153A - Displacement expanding mechanism - Google Patents
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- Control Of Position Or Direction (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば走査型プロ
ーブ顕微鏡及び走査型レーザー顕微鏡等に用いられ、移
動対象物(例えば、ステージ)を所定方向に所定量だけ
正確に変位させるための変位拡大機構に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention is used in, for example, a scanning probe microscope and a scanning laser microscope, and is a displacement enlarging mechanism for accurately displacing a moving object (for example, a stage) in a predetermined direction by a predetermined amount. About.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来から、例えば電子顕微鏡や超精密加
工機等には、測定対象や加工対象をセットするためのス
テージと、このステージを所定方向に所定量だけ高精度
に移動させるための弾性ばねガイドとが設けられてい
る。なお、弾性ばねガイドは、他の部品に対する摺動箇
所を持たないため、ステージの移動中、ガタ付いたり、
摩擦や摩耗等の影響を受けることはない。2. Description of the Related Art Conventionally, for example, in an electron microscope or an ultra-precision processing machine, a stage for setting a measurement object or a processing object, and an elasticity for moving the stage in a predetermined direction by a predetermined amount with high precision. A spring guide is provided. Since the elastic spring guide does not have a sliding part with respect to other parts,
It is not affected by friction or wear.
【0003】ステージを移動させるためには、一般的
に、圧電体が多用されているが、圧電体の変位は微小で
あるため、例えば特開平1−219602号公報に開示
されているように、てこ拡大機構を用いて圧電体の変位
を拡大することによって、ステージを移動させている。In order to move the stage, a piezoelectric material is generally used frequently. However, since the displacement of the piezoelectric material is very small, for example, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-219602, The stage is moved by enlarging the displacement of the piezoelectric body using the lever enlarging mechanism.
【0004】図6には、てこ拡大機構を有する従来の変
位拡大機構が示されおり、この変位拡大機構には、固定
ベース2に取り付けられた固定台4と、この固定台4に
ヒンジばね6を介して連結し且つ矢印X方向に延出した
アーム8と、このアーム8に連結ばね10を介して連結
したステージ12と、アーム8の側面を矢印Y方向に押
圧可能に配置された圧電体14と、ステージ12を矢印
Y方向に変位可能に支持した一対の平行ばね16とが設
けられている。FIG. 6 shows a conventional displacement enlarging mechanism having a lever enlarging mechanism. The displacement enlarging mechanism includes a fixed base 4 attached to a fixed base 2 and a hinge spring 6 attached to the fixed base 4. And a stage 12 connected to the arm 8 via a connection spring 10, and a piezoelectric body arranged to be able to press the side surface of the arm 8 in the arrow Y direction. 14 and a pair of parallel springs 16 that support the stage 12 so as to be displaceable in the arrow Y direction.
【0005】ここで、てこ拡大機構の支点Bとなるヒン
ジばね6からアーム8の出力端Aまでの距離をL、支点
Bから圧電体14の押圧点Cまでの距離をbとすると、
距離bに対して距離Lを大きくするに従って(てこ比L
/bを大きくするに従って)出力端Aの変位拡大率が大
きくなり、その結果として、ステージ12の変位(矢印
Y方向への移動量)を拡大することができる。Here, assuming that the distance from the hinge spring 6 serving as the fulcrum B of the lever expanding mechanism to the output end A of the arm 8 is L, and the distance from the fulcrum B to the pressing point C of the piezoelectric body 14 is b.
As the distance L is increased with respect to the distance b (the leverage L
As the value of / b is increased, the displacement enlargement ratio of the output end A is increased, and as a result, the displacement of the stage 12 (the amount of movement in the arrow Y direction) can be increased.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
変位拡大機構では、てこ拡大機構の動作中、ヒンジばね
6が弾性変形して支点Bの位置ずれを生じたり、圧電体
14の押圧力によってアーム8が湾曲状に弾性変形する
ことによって、アーム8の出力端Aの変位拡大率が、て
こ比とは必ずしも一致せずに低い値となってしまう。However, in the conventional displacement enlarging mechanism, during operation of the lever enlarging mechanism, the hinge spring 6 is elastically deformed to cause the position of the fulcrum B to be displaced, or the pressing force of the piezoelectric body 14 causes the arm to be displaced. When the arm 8 is elastically deformed in a curved shape, the displacement enlargement ratio of the output end A of the arm 8 does not always coincide with the leverage and becomes a low value.
【0007】変位拡大率を大きくする場合において、ア
ーム8の矢印X方向の長さを長くすることによって、て
こ比を大きくする方法が考えられるが、その分だけ変位
拡大機構が矢印X方向に大型化してしまう。In order to increase the displacement enlargement ratio, it is conceivable to increase the lever ratio by increasing the length of the arm 8 in the direction of the arrow X. However, the displacement enlargement mechanism is correspondingly increased in size in the direction of the arrow X. It will be.
【0008】これに対して、大型の圧電体14を用いる
ことによって、アーム8の出力端Aの変位を大きくする
方法も考えられる。しかし、この方法では、アーム8の
矢印X方向の長さは短くなるが、圧電体14の矢印Y方
向の長さが長くなり、その分だけ変位拡大機構が矢印Y
方向に大型化してしまう。On the other hand, a method of increasing the displacement of the output end A of the arm 8 by using a large piezoelectric body 14 is also conceivable. However, in this method, although the length of the arm 8 in the direction of the arrow X is reduced, the length of the piezoelectric body 14 in the direction of the arrow Y is increased, and the displacement enlarging mechanism is correspondingly moved by the arrow Y.
It becomes larger in the direction.
【0009】例えば顕微鏡下で使用する小型のステージ
には、小型の変位拡大機構を配設することが必要となる
が、上述したように変位拡大機構が大型化すると、ステ
ージ全体若しくは顕微鏡全体の大型化につながってしま
う。本発明は、このような問題を解決するために成され
ており、その目的は、大きな変位拡大率を有する小型の
変位拡大機構を提供することにある。For example, it is necessary to provide a small displacement magnifying mechanism on a small stage used under a microscope. However, if the displacement magnifying mechanism becomes large as described above, the entire stage or the entire microscope becomes large. It leads to the conversion. The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a small displacement magnifying mechanism having a large displacement magnifying power.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の変位拡大機構は、固定ベースに対し
て一体的に取付可能な固定台と、弾性支持部材を介して
弾性的に支持された移動台と、前記固定台に一端が支持
された第1のアームと、この第1のアームの他端と前記
移動台とを接続する接続ばねと、前記固定台に一端が支
持され且つ前記第1のアームと平行に延出した第2のア
ームと、前記第1のアームと前記第2のアームとを連結
する連結手段と、前記第2のアームの延出方向に対して
直交する方向から前記第2のアームに押圧力を付与する
押圧素子とを備えている。In order to achieve the above object, a displacement enlarging mechanism according to the present invention comprises a fixed base which can be integrally attached to a fixed base, and an elastic support member. , A first arm having one end supported by the fixed base, a connection spring connecting the other end of the first arm and the movable base, and one end supported by the fixed base. A second arm extending in parallel with the first arm, connecting means for connecting the first arm and the second arm, and a second arm extending in a direction in which the second arm extends. A pressing element for applying a pressing force to the second arm from a direction perpendicular to the second arm.
【0011】[0011]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る変位拡大機構について、添付図面を参照して説明す
る。図1には、本実施の形態の変位拡大機構1の構成が
示されており、この変位拡大機構1は、固定ベース18
に対して一体的に取付可能な固定台20と、弾性支持部
材を介して弾性的に支持された移動台22と、固定台2
0に一端が支持され且つ矢印X方向に延出した第1のア
ーム24と、この第1のアーム24の他端と移動台22
とを接続する接続ばね26と、固定台20に一端が支持
され且つ第1のアーム24と平行に延出した第2のアー
ム28と、第1のアーム24と第2のアーム28とを連
結する連結手段と、第2のアーム28の延出方向に対し
て直交する方向(矢印Y方向)から第2のアーム28に
押圧力を付与する押圧素子とを備えている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A displacement magnifying mechanism according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 shows a configuration of a displacement magnifying mechanism 1 according to the present embodiment.
, A movable base 22 elastically supported via an elastic support member, and a fixed base 2
0, one end of which is supported at one end and extends in the direction of the arrow X;
Connecting the first arm 24 and the second arm 28, a second arm 28 having one end supported by the fixed base 20 and extending in parallel with the first arm 24. And a pressing element for applying a pressing force to the second arm 28 in a direction (arrow Y direction) orthogonal to the extending direction of the second arm 28.
【0012】固定台20は、固定ベース18に対して後
から取り付けたり、又は、予め固定ベース18に対して
一体的に取り付けることができるように構成されてい
る。移動台22は、例えば顕微鏡下に配置されるステー
ジとして利用することが可能である。The fixed base 20 is configured to be attached to the fixed base 18 later, or to be integrally attached to the fixed base 18 in advance. The moving table 22 can be used, for example, as a stage arranged under a microscope.
【0013】弾性支持部材として、本実施の形態では、
その一例として、移動台22を矢印Y方向に移動可能に
支持する一対の平行ばね30を適用している。接続ばね
26は、移動台22の移動方向(矢印Y方向)に沿って
平行に延出した二辺26aと、これに直交する方向(矢
印X方向)に沿って平行に延出した二辺26bとから構
成された中抜き矩形状を成しており、各々相対する二辺
26a及び26bは互いに同一の長さを有し、且つ、移
動台22の移動方向に平行な二辺26aの方が他の二辺
26bよりも長くなっている。この接続ばね26の構成
によれば、移動台22の移動方向に剛性が高く、且つ、
移動方向に直交する方向(矢印X方向)に剛性が低くな
る。In the present embodiment, as the elastic support member,
As an example, a pair of parallel springs 30 that support the movable table 22 so as to be movable in the arrow Y direction is applied. The connection spring 26 has two sides 26a extending in parallel along the moving direction of the movable base 22 (arrow Y direction) and two sides 26b extending in parallel in a direction perpendicular to the direction (arrow X direction). And the two sides 26a and 26b facing each other have the same length, and the two sides 26a parallel to the moving direction of the moving table 22 are It is longer than the other two sides 26b. According to the configuration of the connection spring 26, the rigidity is high in the moving direction of the moving table 22, and
Rigidity decreases in a direction perpendicular to the movement direction (arrow X direction).
【0014】第1のアーム24は、その一端が第1のヒ
ンジばね32を介して固定台20に連結されており、そ
の他端が上述した接続ばね26を介して移動台22に連
結されている。また、第2のアーム28は、その一端が
第2のヒンジばね34を介して固定台20に連結されて
おり、その他端が後述する連結手段を介して第1のアー
ム24の他端側に連結されている。この場合、第1のア
ーム24は、第1のヒンジばね32を支点として回転自
在に構成され、第2のアーム28は、第2のヒンジばね
34を支点として回転自在に構成される。なお、第1の
アーム24の他端側とは、第1のアーム24の他端より
も一端側に所定量だけずれた位置を意味する。The first arm 24 has one end connected to the fixed base 20 via a first hinge spring 32 and the other end connected to the movable base 22 via the connection spring 26 described above. . The second arm 28 has one end connected to the fixed base 20 via a second hinge spring 34, and the other end connected to the other end of the first arm 24 via a connecting means described later. Are linked. In this case, the first arm 24 is configured to be rotatable about the first hinge spring 32 as a fulcrum, and the second arm 28 is configured to be rotatable about the second hinge spring 34 as a fulcrum. The other end of the first arm 24 means a position shifted from the other end of the first arm 24 toward the one end by a predetermined amount.
【0015】連結手段は、ヒンジばね36,38を介し
て第1のアーム24の他端側及び第2のアーム28の他
端に接続された剛体の連結部材40を備えている。押圧
素子として、本実施の形態では、その一例として、矢印
Y方向に沿って伸縮可能な積層型の圧電体42を適用し
ている。この圧電体42は、第1のアーム24側から第
2のアーム28方向に向かって矢印Y方向に延出し、第
2のアーム28だけに押圧力を付与することができるよ
うに構成されている。具体的には、第1のアーム24に
は、圧電体42が挿通可能な貫通孔44(図1(b)参
照)又は貫通溝46(図1(c)参照)が形成されてお
り、この貫通孔44又は貫通溝46を介して圧電体42
を配置することによって、圧電体42の押圧力を第2の
アーム28だけに付与させることが可能となる。The connecting means includes a rigid connecting member 40 connected to the other end of the first arm 24 and the other end of the second arm 28 via hinge springs 36, 38. In the present embodiment, as an example, a laminated piezoelectric body 42 that can expand and contract along the arrow Y direction is applied as the pressing element. The piezoelectric body 42 extends from the first arm 24 side toward the second arm 28 in the arrow Y direction, and is configured to apply a pressing force only to the second arm 28. . Specifically, the first arm 24 has a through hole 44 (see FIG. 1B) or a through groove 46 (see FIG. 1C) through which the piezoelectric body 42 can be inserted. Piezoelectric body 42 through through hole 44 or through groove 46
Is arranged, the pressing force of the piezoelectric body 42 can be applied only to the second arm 28.
【0016】移動台22を矢印Y方向に移動させる場
合、圧電体42を伸ばして第2のアーム28の一部(C
点)に押圧力を付与すると、第2のアーム28は、第2
のヒンジばね34を支点(B点)として回転変位する。
このとき、第2のアーム28の他端と連結部材40とを
接続するヒンジばね36の部分(A点)は、圧電体42
の変位量(伸び量)を越えて変位する。これと同時に、
連結部材40がヒンジばね36に引っ張られて変位する
ため、連結部材40と第1のアーム24の他端側とを接
続するヒンジばね38の部分(G点)も連結部材40に
引っ張られて変位する。このとき、第1のアーム24
は、G点の変位量に応じて、第1のヒンジばね32を支
点(E点)として回転変位する。この結果、第1のアー
ム24の他端に接続ばね26を介して連結された移動台
22を矢印Y方向に移動させることができる。この場
合、第1のアーム24と接続ばね26との接合点Dの変
位が、変位拡大機構の出力変位となる。When the moving table 22 is moved in the direction of arrow Y, the piezoelectric body 42 is extended and a part (C) of the second arm 28 is extended.
When a pressing force is applied to (point), the second arm 28
Is rotationally displaced with the hinge spring 34 as a fulcrum (point B).
At this time, the portion (point A) of the hinge spring 36 connecting the other end of the second arm 28 and the connecting member 40 is
Displacement exceeds the displacement (elongation) of. At the same time,
Since the connecting member 40 is pulled and displaced by the hinge spring 36, a portion (point G) of the hinge spring 38 connecting the connecting member 40 and the other end of the first arm 24 is also pulled and displaced by the connecting member 40. I do. At this time, the first arm 24
Is rotationally displaced about the first hinge spring 32 as a fulcrum (point E) in accordance with the amount of displacement at point G. As a result, the movable table 22 connected to the other end of the first arm 24 via the connection spring 26 can be moved in the arrow Y direction. In this case, the displacement at the joint point D between the first arm 24 and the connection spring 26 becomes the output displacement of the displacement enlarging mechanism.
【0017】ここで、図6に示された従来の変位拡大機
構の構成を考察すると、アーム8の上部側には、未使用
空間が広がっている。上述した本実施の形態の変位拡大
機構1では、従来よりも比較的長い圧電体42を変位拡
大機構全体の寸法を変えること無く、従来の未使用空間
に亘って圧電体42を延長配置した。この結果、圧電体
42の出力変位を大きくすることができるため、第1の
アーム24と接続ばね26との接合点Dにおいて、てこ
比が小さい場合であっても、それを補うに充分な大きな
変位拡大率を得ることが可能となる。換言すると、本実
施の形態の変位拡大機構1において、圧電体42は、そ
の一端(C点)が第2のアーム28を押圧し、且つ、そ
の他端が第1のアーム24を基準にして第2のアーム2
8の反対側で固定ベース18に固定されている。このた
め、従来よりも比較的長い圧電体42を構成することが
可能となり、その結果、従来よりも大きな変位拡大率で
移動台22を移動させることができる。Here, considering the configuration of the conventional displacement enlarging mechanism shown in FIG. 6, an unused space is widened on the upper side of the arm 8. In the displacement enlarging mechanism 1 of the present embodiment described above, the piezoelectric body 42 is extended and disposed over the unused space in the related art without changing the size of the piezoelectric body 42 which is relatively longer than the conventional one without changing the dimensions of the entire displacement enlarging mechanism. As a result, the output displacement of the piezoelectric body 42 can be increased, so that even if the leverage ratio is small at the joint point D between the first arm 24 and the connection spring 26, a large enough to compensate for it. It is possible to obtain a displacement magnification. In other words, in the displacement enlarging mechanism 1 of the present embodiment, one end (point C) of the piezoelectric body 42 presses the second arm 28 and the other end of the piezoelectric body 42 2 arm 2
8 is fixed to a fixed base 18 on the opposite side. For this reason, it is possible to configure the piezoelectric body 42 that is relatively longer than before, and as a result, it is possible to move the movable base 22 at a larger displacement magnification than before.
【0018】更に、上述した本実施の形態によれば、第
1及び第2のアーム24,28を短くすることができる
ため、変位拡大機構の小型化を実現することができる。
この結果、てこ比が小さくて済むため、変位拡大効率を
上げることが可能となる。Further, according to the above-described embodiment, since the first and second arms 24 and 28 can be shortened, the size of the displacement enlarging mechanism can be reduced.
As a result, the leverage ratio can be reduced, and the displacement expansion efficiency can be increased.
【0019】次に、変位拡大機構1の出力変位と、変位
拡大機構1の大きさ寸法を決める第1及び第2のアーム
24,28の長さとの関係について、図2を参照して説
明する。なお、図2には、図1の変位拡大機構1の構成
に対応した解析モデルが示されている。この場合、解析
を簡略化するために、各ヒンジばね32,34,36,
38に生じる回転モーメントは無視することとする。ま
た、図2(a)に示した符号A,B,C,D,E,G
は、夫々、図1(a)に示した各部材位置に対応してい
る。Next, the relationship between the output displacement of the displacement magnifying mechanism 1 and the lengths of the first and second arms 24 and 28 that determine the size of the displacement magnifying mechanism 1 will be described with reference to FIG. . FIG. 2 shows an analysis model corresponding to the configuration of the displacement magnifying mechanism 1 of FIG. In this case, in order to simplify the analysis, each hinge spring 32, 34, 36,
The torque generated at 38 is ignored. Also, reference numerals A, B, C, D, E, and G shown in FIG.
Respectively correspond to the position of each member shown in FIG.
【0020】この場合、第2のアーム28のAB間の長
さをL1 とし、第1のアーム24のDE間の長さをL2
とし、第2のアーム28に対する圧電体42の押圧点C
の位置をAから距離aで且つBから距離bに規定する。
そして、押圧点Cに押圧力Fを付与すると、第1及び第
2のアーム24,28は、夫々図2(b)に示すように
変位する。In this case, the length between the AB of the second arm 28 is L 1, and the length between the DE of the first arm 24 is L 2
And the pressing point C of the piezoelectric body 42 against the second arm 28
Is defined as a distance a from A and a distance b from B.
When the pressing force F is applied to the pressing point C, the first and second arms 24 and 28 are displaced as shown in FIG.
【0021】このとき、各部材位置に作用する荷重は、
以下の式で表される。 RA =(b/L1 )・F RB =(b/L1 )・F RD =(b/L1 )・(e/L2 )・F RE =(b/L1 )・(d/L2 )・F 次に、各部材位置におけるY方向剛性をkA 、kB 、k
C 、kD 、kE 、kGとすると(図2(a)参照)、各
部材位置における変位は、図2(b)に示すように、 yA =(RA /kA )+yG …(ヒンジばね36の変位) yB =(RB /kB ) …(第2のヒンジばね34の変位) yC =yC1+yC2 …(第2のアーム28のC点の変位) yD =RD /kD …(第1のアーム24の出力変位) yE =RE /kE …(第1のヒンジばね32の変位) yG =yG1+yG2 …(第1のアーム24とヒンジばね38 の接続部分の変位) となる。At this time, the load acting on each member position is:
It is represented by the following equation. R A = (b / L 1 ) · F R B = (b / L 1) · F R D = (b / L 1) · (e / L 2) · F R E = (b / L 1) · (D / L 2 ) · F Next, the stiffness in the Y direction at each member position is represented by k A , k B , k
Assuming that C , k D , k E , and k G (see FIG. 2A), the displacement at each member position is, as shown in FIG. 2B, y A = (R A / k A ) + y G ... (displacement of the hinge spring 36) y B = (R B / k B) ... ( displacement of point C of the second arm 28) (second displacement of the hinge spring 34) y C = y C1 + y C2 ... y D = R D / k D ... ( output displacement of the first arm 24) (displacement of the first hinge spring 32) y E = R E / k E ... y G = y G1 + y G2 ... ( first arm 24 and the displacement of the connecting portion between the hinge spring 38).
【0022】また、 yC1=yB +{(yA −yB )/L1 }・b yC2=F/kC yG1=yE +{(yD −yE )/L2 }・e yG2=RA /kG であるから、これらをyC について整理すれば、以下の
式が得られる。 Further, y C1 = y B + { (y A -y B) / L 1} · b y C2 = F / k C y G1 = y E + {(y D -y E) / L 2} Since ey G2 = R A / k G , if these are arranged for y C , the following equation is obtained.
【0023】[0023]
【数1】 (Equation 1)
【0024】第2のアーム28に対する圧電体42の押
圧点Cは、圧電体42の変位と一致する。この場合、第
2のアーム28に対して押圧力を付与しない状態におけ
る圧電体42の変位をyPZT とすると、押圧点Cに押圧
力Fを付与したときの圧電体42の変位は、The pressing point C of the piezoelectric body 42 against the second arm 28 coincides with the displacement of the piezoelectric body 42. In this case, assuming that the displacement of the piezoelectric body 42 in a state where the pressing force is not applied to the second arm 28 is y PZT , the displacement of the piezoelectric body 42 when the pressing force F is applied to the pressing point C is:
【0025】[0025]
【数2】 と表される。以上の式(1)及び式(2)から押圧力F
が求められる。(Equation 2) It is expressed as From the above equations (1) and (2), the pressing force F
Is required.
【0026】[0026]
【数3】 このときの変位拡大機構1の出力変位yD (第1のアー
ム24の出力変位)は以下の式から求められる。(Equation 3) At this time, the output displacement y D of the displacement enlarging mechanism 1 (the output displacement of the first arm 24) is obtained from the following equation.
【0027】[0027]
【数4】 (Equation 4)
【0028】図3には、従来の変位拡大機構のアーム8
(図6参照)の長さに対する出力変位の特性S1と、本
実施の形態の変位拡大機構1の第1及び第2のアーム2
4,28の長さに対する出力変位の特性S2との関係が
示されている。FIG. 3 shows an arm 8 of a conventional displacement enlarging mechanism.
(See FIG. 6) The characteristic S1 of the output displacement with respect to the length, and the first and second arms 2 of the displacement magnifying mechanism 1 of the present embodiment.
The relationship between the output displacement characteristics S2 and the lengths of 4, 28 is shown.
【0029】これら特性S1,S2を相互に比べると明
らかなように、本実施の形態の変位拡大機構1によれ
ば、非常に短いアーム長さでも、従来と同様の出力変位
を得ることが可能となる。As is clear from the comparison of these characteristics S1 and S2, according to the displacement enlarging mechanism 1 of the present embodiment, it is possible to obtain the same output displacement as the conventional one even with a very short arm length. Becomes
【0030】上述したように本実施の形態によれば、大
きな変位拡大率を有する小型の変位拡大機構を提供する
ことができる。なお、本発明は、上述した実施の形態に
限定されることは無く、以下のように種々変更すること
が可能である。As described above, according to the present embodiment, a small displacement enlarging mechanism having a large displacement enlarging ratio can be provided. Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be variously modified as follows.
【0031】第1の変形例として、例えば図4に示すよ
うに、第1のヒンジばね32からヒンジばね38までの
距離eと、第1のヒンジばね32から第1のアーム24
の出力変位端(第1のアーム24と接続ばね26との接
合点D)までの距離L2 の比ε=L2 /eを、上述した
実施の形態(特に、図2参照)よりも大きくしても良
い。この場合、圧電体42は、固定台20に形成した貫
通孔(図1(b)参照)又は貫通溝(図1(c)参照)
を介して第2のアーム28に押圧力を付与するように構
成されている。As a first modified example, as shown in FIG. 4, for example, the distance e from the first hinge spring 32 to the hinge spring 38 and the distance e from the first hinge spring 32 to the first arm 24 are changed.
The ratio ε = L 2 / e of the distance L 2 to the output displacement end (joint point D between the first arm 24 and the connection spring 26) is larger than that in the above-described embodiment (particularly, see FIG. 2). You may. In this case, the piezoelectric body 42 has a through hole (see FIG. 1B) or a through groove (see FIG. 1C) formed in the fixed base 20.
The second arm 28 is configured to apply a pressing force through the second arm 28.
【0032】なお、その他の構成は、上述した実施の形
態と同様であるため、同一符号を付して、その説明は省
略する。この変形例の変位拡大機構1によれば、εを大
きくしたことによって、上述した実施の形態よりも更に
大きな出力変位を得ることができる。The other configuration is the same as that of the above-described embodiment, and therefore, the same reference numerals are given and the description is omitted. According to the displacement enlarging mechanism 1 of this modified example, by increasing ε, it is possible to obtain a larger output displacement than in the above-described embodiment.
【0033】また、第2の変形例として、移動台22が
直交するXY方向に移動可能となるように、移動台22
の各移動軸に対して対称位置に一対の変位拡大機構を配
置しても良い。例えば図5に示すように、移動台22の
中心線に対して、4つの変位拡大機構1′,1″を対称
位置に夫々配置しても良い。As a second modified example, the moving table 22 is moved so that the moving table 22 can move in the orthogonal XY directions.
A pair of displacement magnifying mechanisms may be arranged at symmetrical positions with respect to each of the moving axes. For example, as shown in FIG. 5, four displacement magnifying mechanisms 1 'and 1 "may be respectively arranged at symmetrical positions with respect to the center line of the moving table 22.
【0034】この変形例の変位拡大機構1′,1″の構
成は、基本的には上述した実施の形態と同一であるが、
移動台22は、対称に配置された一対の変位拡大機構
1′の各々の接続ばね26′と、対称に配置された一対
の変位拡大機構1″の各々の接続ばね26″によってX
Y方向に移動可能に弾性的に支持されている。The configuration of the displacement enlarging mechanism 1 ', 1 "of this modification is basically the same as that of the above-described embodiment,
The movable table 22 is moved by the connecting springs 26 ′ of a pair of symmetrically arranged displacement magnifying mechanisms 1 ′ and the connecting springs 26 ′ of a pair of symmetrically arranged displacement magnifying mechanisms 1 ″.
It is elastically supported so as to be movable in the Y direction.
【0035】この変形例において、接続ばね26′は、
移動台22の移動方向(矢印X方向)に沿って平行に延
出した二辺26a′と、これに直交する方向(矢印Y方
向)に沿って平行に延出した二辺26b′とから構成さ
れた中抜き矩形状を成しており、各々相対する二辺26
a′及び26b′は互いに同一の長さを有し、且つ、移
動台22の移動方向に平行な二辺26a′の方が他の二
辺26b′よりも長くなっている。この接続ばね26′
の構成によれば、移動台22の移動方向(矢印X方向)
に剛性が高く、且つ、移動方向に直交する方向(矢印Y
方向)に剛性が低くなる。In this modification, the connection spring 26 '
It is composed of two sides 26a 'extending parallel to the moving direction of the moving table 22 (arrow X direction) and two sides 26b' extending parallel to the direction perpendicular to the direction (arrow Y direction). Two sides 26 each facing each other.
a 'and 26b' have the same length as each other, and two sides 26a 'parallel to the moving direction of the moving table 22 are longer than the other two sides 26b'. This connection spring 26 '
According to the configuration, the moving direction of the movable base 22 (the direction of the arrow X)
In the direction perpendicular to the moving direction (arrow Y
Direction), the rigidity decreases.
【0036】また、接続ばね26″は、移動台22の移
動方向(矢印Y方向)に沿って平行に延出した二辺26
a″と、これに直交する方向(矢印X方向)に沿って平
行に延出した二辺26b″とから構成された中抜き矩形
状を成しており、各々相対する二辺26a″及び26
b″は互いに同一の長さを有し、且つ、移動台22の移
動方向に平行な二辺26a″の方が他の二辺26b″よ
りも長くなっている。この接続ばね26″の構成によれ
ば、移動台22の移動方向(矢印Y方向)に剛性が高
く、且つ、移動方向に直交する方向(矢印X方向)に剛
性が低くなる。The connection spring 26 ″ is connected to two sides 26 extending in parallel in the moving direction of the moving table 22 (the direction of arrow Y).
a "and two sides 26b" extending in parallel along a direction (arrow X direction) perpendicular thereto, and form a hollow rectangular shape.
b ″ have the same length as each other, and two sides 26a ″ parallel to the moving direction of the moving table 22 are longer than the other two sides 26b ″. Configuration of this connection spring 26 ″ According to the above, rigidity is high in the moving direction of the moving table 22 (arrow Y direction) and low in the direction perpendicular to the moving direction (arrow X direction).
【0037】また、本変形例において、移動台22を弾
性的に支持する接続ばね26′,26″は、連結部材4
0に接続されているため、各々の変位拡大機構1′,
1″の変位出力位置が、これら連結部材40となる。こ
のため、本変形例に適用した各々の連結部材40は、移
動台22の中心線に対して対称形を成している。In this modification, the connection springs 26 ', 26 "for elastically supporting the movable table 22 are connected to the connecting member 4
0, each displacement magnifying mechanism 1 ′,
The displacement output position of 1 ″ becomes these connecting members 40. Therefore, each connecting member 40 applied to the present modified example is symmetrical with respect to the center line of the movable base 22.
【0038】なお、その他の構成は、上述した実施の形
態と同様であるため、同一符号を付して、その説明は省
略する。このような構成において、移動台22を矢印Y
方向に移動させる場合、一対の変位拡大機構1″の圧電
体42を伸ばして第2のアーム28に押圧力を付与する
と、その結果、圧電体42の変位量(伸び量)を越えて
一対の連結部材40が同時にY方向に変位する。このと
き、一対の連結部材40に接続している接続ばね26″
は、夫々、移動台22の移動方向(矢印Y方向)に剛性
が高くなっているため、殆ど弾性変形すること無く、一
対の連結部材40の変位量に一致した量だけ矢印Y方向
に移動する。この結果、移動台22を矢印Y方向に大き
な変位拡大率で移動させることができる。The other configuration is the same as that of the above-described embodiment, and therefore, the same reference numerals are given and the description is omitted. In such a configuration, the movable base 22 is indicated by an arrow Y
When the piezoelectric elements 42 of the pair of displacement magnifying mechanisms 1 ″ are extended to apply a pressing force to the second arm 28, as a result, the pair of displacement magnifying mechanisms 1 ″ exceeds the amount of displacement (elongation) of the pair of displacement bodies 1 ″. The connecting member 40 is simultaneously displaced in the Y direction, and at this time, the connecting spring 26 ″ connected to the pair of connecting members 40.
Move in the arrow Y direction by an amount corresponding to the amount of displacement of the pair of connecting members 40 with little elastic deformation because the rigidity is increased in the moving direction of the movable table 22 (arrow Y direction). . As a result, the movable base 22 can be moved in the arrow Y direction at a large displacement magnification.
【0039】一方、移動台22を矢印X方向に移動させ
る場合、一対の変位拡大機構1′の圧電体42を伸ばし
て第2のアーム28に押圧力を付与すると、その結果、
圧電体42の変位量(伸び量)を越えて一対の連結部材
40が同時にX方向に変位する。このとき、一対の連結
部材40に接続している接続ばね26′は、夫々、移動
台22の移動方向(矢印X方向)に剛性が高くなってい
るため、殆ど弾性変形すること無く、一対の連結部材4
0の変位量に一致した量だけ矢印X方向に移動する。こ
の結果、移動台22を矢印X方向に大きな変位拡大率で
移動させることができる。On the other hand, when the movable table 22 is moved in the direction of the arrow X, the piezoelectric body 42 of the pair of displacement magnifying mechanisms 1 'is extended to apply a pressing force to the second arm 28. As a result,
The pair of connecting members 40 are simultaneously displaced in the X direction beyond the displacement (elongation) of the piezoelectric body 42. At this time, the connection springs 26 ′ connected to the pair of connecting members 40 have high rigidity in the moving direction of the moving table 22 (in the direction of the arrow X), so that the connection springs 26 ′ are hardly elastically deformed. Connecting member 4
It moves in the direction of the arrow X by an amount corresponding to the displacement amount of zero. As a result, the movable base 22 can be moved in the direction of the arrow X with a large displacement magnification.
【0040】このように本変形例によれば、従来より比
較的長い圧電体42を使用できる小型の変位拡大機構
1′,1″によって大きな変位拡大率で移動台22をX
Y方向に移動させることが可能となる。As described above, according to this modification, the movable base 22 is moved at a large displacement magnification by the small displacement magnification mechanism 1 ', 1 "which can use the piezoelectric member 42 which is relatively long compared to the conventional one.
It can be moved in the Y direction.
【0041】また、上述した実施の形態並びに第1及び
第2の変形例では、各ヒンジばね32,34,36,3
8として図に示すような円弧状のものを適用している
が、同一の効果を奏する弾性部材であれば、例えば板ば
ね等のような形状であっても構わない。In the above-described embodiment and the first and second modified examples, each hinge spring 32, 34, 36, 3
Although an arc-shaped member as shown in the figure is used as 8, any shape such as a leaf spring may be used as long as the member has the same effect.
【0042】なお、本明細書中には、以下の発明が含ま
れる。 (1) 固定ベースに対して一体的に取付可能な固定台
と、弾性支持部材を介して弾性的に支持された移動台
と、前記固定台に一端が支持された第1のアームと、こ
の第1のアームの他端と前記移動台とを接続する接続ば
ねと、前記固定台に一端が支持され且つ前記第1のアー
ムと平行に延出した第2のアームと、前記第1のアーム
と前記第2のアームとを連結する連結手段と、前記第2
のアームの延出方向に対して直交する方向から前記第2
のアームに押圧力を付与する押圧素子とを備えているこ
とを特徴とする変位拡大機構。 (2) 前記押圧素子は、前記第1のアーム側から前記
第2のアーム方向に向かって延出し、前記第2のアーム
だけに押圧力を付与可能に構成されていることを特徴と
する上記(1)に記載の変位拡大機構。 (3) 前記押圧素子は、積層型の圧電体であり、この
圧電体は、前記第1のアーム若しくは前記固定台に形成
された貫通孔又は貫通溝を介して延出し、前記第2のア
ームだけに押圧力を付与可能に構成されていることを特
徴とする上記(1)又は(2)に記載の変位拡大機構。 (4) 上記(1)の変位拡大機構は、直交する二方向
に移動可能な移動台の各移動軸に対して対称位置に一対
設けられていることを特徴とする上記(1)〜(3)の
いずれか1に記載の変位拡大機構。 (5) 前記接続ばねは、前記移動台の移動方向に剛性
が高く、且つ、移動方向に直交する方向に剛性が低くな
っていることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれ
か1に記載の変位拡大機構。 (6) 前記接続ばねは、前記移動台の移動方向に沿っ
て平行に延出した二辺と、これに直交する方向に沿って
平行に延出した二辺とから構成された中抜き矩形状を成
しており、各々相対する二辺は互いに同一の長さを有
し、且つ、前記移動台の移動方向に平行な二辺の方が他
の二辺よりも長くなっていることを特徴とする上記
(5)に記載の変位拡大機構。The present invention includes the following inventions. (1) A fixed base that can be integrally attached to a fixed base, a movable base that is elastically supported via an elastic support member, a first arm that has one end supported by the fixed base, A connection spring for connecting the other end of the first arm to the movable table, a second arm supported at one end by the fixed table and extending in parallel with the first arm; and the first arm Connecting means for connecting the second arm and the second arm;
From the direction perpendicular to the direction in which the arm extends.
And a pressing element for applying a pressing force to the arm. (2) The pressing element extends from the first arm side toward the second arm, and is configured to be capable of applying a pressing force only to the second arm. The displacement enlarging mechanism according to (1). (3) The pressing element is a laminated piezoelectric body, and the piezoelectric body extends through a through hole or a through groove formed in the first arm or the fixed base, and the second arm The displacement enlarging mechanism according to the above (1) or (2), characterized in that it is configured to be able to apply a pressing force only to the pressing force. (4) The displacement enlarging mechanism of (1) is provided in a pair at a symmetrical position with respect to each moving axis of a movable base movable in two orthogonal directions, (1) to (3). The displacement enlarging mechanism according to any one of the first to third aspects. (5) The connection spring has a high rigidity in a moving direction of the moving table and a low rigidity in a direction orthogonal to the moving direction. 2. The displacement enlargement mechanism according to 1. (6) The connection spring has a hollow rectangular shape formed by two sides extending in parallel along the moving direction of the moving table and two sides extending in parallel in a direction orthogonal to the moving spring. The two sides facing each other have the same length as each other, and two sides parallel to the moving direction of the moving table are longer than the other two sides. The displacement enlarging mechanism according to the above (5).
【0043】[0043]
【発明の効果】本発明によれば、大きな変位拡大率を有
する小型の変位拡大機構を提供することができる。According to the present invention, a small displacement magnification mechanism having a large displacement magnification can be provided.
【図1】(a)は、本発明の一実施の形態に係る変位拡
大機構の構成を示す図、(b)は、第1のアームに形成
された貫通孔に圧電体が挿通されている状態を示す斜視
図、(c)は、第1のアームに形成された貫通溝に圧電
体が挿通されている状態を示す斜視図。FIG. 1A is a diagram showing a configuration of a displacement magnifying mechanism according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a diagram in which a piezoelectric body is inserted into a through hole formed in a first arm. FIG. 3C is a perspective view illustrating a state in which a piezoelectric body is inserted into a through groove formed in the first arm.
【図2】(a)は、変位拡大機構の出力変位と、変位拡
大機構の大きさ寸法を決める第1及び第2のアームの長
さとの関係を説明するための解析モデル、(b)は、第
2のアームの押圧点に圧電体の押圧力を付与した状態の
解析モデル。FIG. 2A is an analysis model for explaining a relationship between an output displacement of a displacement magnifying mechanism and lengths of first and second arms for determining a size of the displacement magnifying mechanism; An analysis model in a state where a pressing force of the piezoelectric body is applied to a pressing point of the second arm.
【図3】従来の変位拡大機構のアームの長さに対する出
力変位の特性と、本発明の変位拡大機構の第1及び第2
のアームの長さに対する出力変位の特性との関係を示す
図。FIG. 3 shows characteristics of output displacement with respect to arm length of a conventional displacement magnifying mechanism, and first and second displacement magnifying mechanisms of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between the length of an arm and the characteristic of output displacement.
【図4】本発明の第1の変形例に係る変位拡大機構の構
成を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a displacement enlarging mechanism according to a first modification of the present invention.
【図5】本発明の第2の変形例に係る変位拡大機構の構
成を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a displacement enlarging mechanism according to a second modified example of the present invention.
【図6】従来の変位拡大機構の構成を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional displacement enlarging mechanism.
1 変位拡大機構 18 固定ベース 20 固定台 22 移動台 24 第1のアーム 26 接続ばね 28 第2のアーム 30 平行ばね 42 圧電体 44 貫通孔 46 貫通溝 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Displacement enlargement mechanism 18 Fixed base 20 Fixed base 22 Moving base 24 First arm 26 Connection spring 28 Second arm 30 Parallel spring 42 Piezoelectric body 44 Through hole 46 Through groove
Claims (3)
固定台と、 弾性支持部材を介して弾性的に支持された移動台と、 前記固定台に一端が支持された第1のアームと、 この第1のアームの他端と前記移動台とを接続する接続
ばねと、 前記固定台に一端が支持され且つ前記第1のアームと平
行に延出した第2のアームと、 前記第1のアームと前記第2のアームとを連結する連結
手段と、 前記第2のアームの延出方向に対して直交する方向から
前記第2のアームに押圧力を付与する押圧素子とを備え
ていることを特徴とする変位拡大機構。1. A fixed base that can be integrally attached to a fixed base, a movable base that is elastically supported via an elastic support member, and a first arm that has one end supported by the fixed base. A connection spring for connecting the other end of the first arm and the movable table, a second arm having one end supported by the fixed table and extending parallel to the first arm; Connecting means for connecting the second arm with the second arm; and a pressing element for applying a pressing force to the second arm from a direction perpendicular to the extending direction of the second arm. A displacement enlarging mechanism, characterized in that:
ら前記第2のアーム方向に向かって延出し、前記第2の
アームだけに押圧力を付与可能に構成されていることを
特徴とする請求項1に記載の変位拡大機構。2. The device according to claim 1, wherein the pressing element extends from the first arm side toward the second arm, and is configured to apply a pressing force only to the second arm. The displacement enlarging mechanism according to claim 1.
り、この圧電体は、前記第1のアーム若しくは前記固定
台に形成された貫通孔又は貫通溝を介して延出し、前記
第2のアームだけに押圧力を付与可能に構成されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の変位拡大機
構。3. The pressing element is a laminated piezoelectric body, and the piezoelectric body extends through a through-hole or a through-groove formed in the first arm or the fixed base, and The displacement enlarging mechanism according to claim 1, wherein a pressing force can be applied only to the arm.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10266625A JP2000099153A (en) | 1998-09-21 | 1998-09-21 | Displacement expanding mechanism |
DE19940124A DE19940124C2 (en) | 1998-08-31 | 1999-08-30 | Platform with a displacement enhancement mechanism |
US09/385,560 US6346710B1 (en) | 1998-08-31 | 1999-08-30 | Stage apparatus including displacement amplifying mechanism |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
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JP (1) | JP2000099153A (en) |
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