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JPH071459B2 - Fine displacement mechanism - Google Patents
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JPH071459B2 - Fine displacement mechanism - Google Patents

Fine displacement mechanism

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JPH071459B2
JPH071459B2 JP62210191A JP21019187A JPH071459B2 JP H071459 B2 JPH071459 B2 JP H071459B2 JP 62210191 A JP62210191 A JP 62210191A JP 21019187 A JP21019187 A JP 21019187A JP H071459 B2 JPH071459 B2 JP H071459B2
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rigid
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耕三 小野
浩二郎 緒方
潔 長澤
健 村山
吉弘 星野
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23QDETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B23Q1/34Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
    • B23Q1/36Springs

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体の製造や検査、高倍率顕微鏡等の分野
において、微細な変位を調節する微細変位機構に関す
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fine displacement mechanism for adjusting fine displacement in the fields of semiconductor manufacturing and inspection, high magnification microscopes and the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体の製造や検査、高倍率顕微鏡等の分野において
は、数ミクロンもしくはそれ以下の微細な変位を正確に
得る微細変位機構が必要である。このような微細変位機
構は、例えば特開昭61−209846号公報、特開昭61−2435
11号公報等により提案されている。以下、これを図によ
り説明する。
In the fields of semiconductor manufacturing and inspection, high-power microscopes, and the like, a fine displacement mechanism that accurately obtains a fine displacement of several microns or less is necessary. Such a fine displacement mechanism is disclosed in, for example, JP-A-61-209846 and JP-A-61-2435.
It is proposed by the publication No. 11, etc. This will be described below with reference to the drawings.

第4図(a),(b)は従来の微細変位機構の側面図で
ある。このうち、第4図(a)は並進変位用の微細変位
機構を示し、1,2はそれぞれ互いに対向する剛体部、3
は剛体部1,2を連結する2つの平板である。各平板3は
互いに平行に配置されている。これら2つの剛体部1,2
および2つの平板3により可撓構造体4が構成されてい
る。実際の製造に際しては、可撓構造体4は1つの剛体
ブロツクに貫通孔5をあけることにより構成される。6
は剛体部1,2からそれぞれ貫通孔5内に突出した2つの
突起間に装架された変位発生素子である。この変位発生
素子6としては多くの場合圧電素子が用いられるので、
以下、変位発生素子を圧電素子で代表させる。剛体部1
を固定して圧電素子6を励起すると各平板3が破線で示
すように変形し(ただし、この変位は誇張して描かれて
いる)、剛体部1に対して剛体部2を並進変位させるこ
とができる。
4 (a) and 4 (b) are side views of a conventional fine displacement mechanism. Of these, FIG. 4 (a) shows a fine displacement mechanism for translational displacement, and 1 and 2 are rigid body parts facing each other and 3
Are two flat plates connecting the rigid bodies 1 and 2. The flat plates 3 are arranged in parallel with each other. These two rigid parts 1,2
The flexible structure 4 is composed of the two flat plates 3. In the actual manufacturing, the flexible structure 4 is constructed by forming a through hole 5 in one rigid block. 6
Is a displacement generating element mounted between two protrusions protruding from the rigid body portions 1 and 2 into the through hole 5, respectively. Since a piezoelectric element is often used as the displacement generating element 6,
Hereinafter, the displacement generating element is represented by a piezoelectric element. Rigid part 1
When the piezoelectric element 6 is excited by fixing the flat plate 3, each flat plate 3 is deformed as shown by a broken line (however, this displacement is exaggeratedly drawn), and the rigid body portion 2 is translationally displaced with respect to the rigid body portion 1. You can

第4図(b)は回転変位用の微細変位機構を示し、11,1
2はそれぞれ剛体部、13は剛体部11,12を連結する2つの
平板である。各平板13は紙面に垂直な軸Oに関して放射
状に配置されている。2つの剛体部11,12、2つの平板1
3により可撓構造体14が構成される。15はこの可撓構造
体14を構成するための台形の貫通孔である。16は剛体部
11,12からそれぞれ貫通孔15内に突出した2つの突起間
に装架された圧電素子である。剛体部11を固定して圧電
素子16を励起すると各平板13が破線で示すように変形し
(誇張して描かれている)、剛体部11に対して剛体部12
を回転変位させることができる。
FIG. 4 (b) shows a fine displacement mechanism for rotational displacement.
Reference numeral 2 is a rigid body portion, and 13 is two flat plates connecting the rigid body portions 11 and 12. The flat plates 13 are arranged radially with respect to an axis O perpendicular to the plane of the drawing. Two rigid parts 11,12, two flat plates 1
The flexible structure 14 is composed of 3. Reference numeral 15 is a trapezoidal through hole for forming the flexible structure 14. 16 is a rigid body part
The piezoelectric element is mounted between two protrusions protruding from the insides of the through holes 15 from 11, 12 respectively. When the rigid body portion 11 is fixed and the piezoelectric element 16 is excited, each flat plate 13 is deformed as shown by the broken line (exaggeratedly drawn), and the rigid body portion 12 is deformed with respect to the rigid body portion 11.
Can be rotationally displaced.

上記第4図(a)に示す可撓構造体4を複数組合せるこ
とにより任意の方向の並進変位を、又、上記第4図
(b)に示す可撓構造体14を複数組合せることにより任
意の回転変位を、さらに可撓構造体4と可撓構造体14と
を組合せることにより任意の並進変位と任意の回転変位
を同時に、得ることができる。
By combining a plurality of flexible structures 4 shown in FIG. 4 (a), translational displacement in an arbitrary direction, and by combining a plurality of flexible structures 14 shown in FIG. 4 (b). An arbitrary translational displacement and an arbitrary rotational displacement can be simultaneously obtained by further combining the arbitrary rotational displacement and the flexible structure 4 and the flexible structure 14.

第5図(a),(b)は従来の他の微細変位機構の側面
図である。この微細変位機構は、第4図(a),(b)
に示す微細変位機構が平板3,13自体の変形を利用する構
成であるのに対して、弾性ヒンジの変形を利用する構成
となつている。そこでまず、弾性ヒンジの概略を第6図
(a)〜(c)により説明する。
5A and 5B are side views of another conventional fine displacement mechanism. This fine displacement mechanism is shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).
While the fine displacement mechanism shown in (1) has a configuration that utilizes the deformation of the flat plates 3 and 13 itself, it has a configuration that utilizes the deformation of the elastic hinge. Therefore, first, the outline of the elastic hinge will be described with reference to FIGS.

第6図(a)は弾性ヒンジの側面図である。17は1つの
剛体部材、18は剛体部材17の中間部に対向して形成され
たほぼ円弧状の切欠部である。両切欠部18により、剛体
部材17には挾隘部19が形成され、剛体部材17は当該挾隘
部19によりこれに連続する剛体部17a,17bに分けられ
る。
FIG. 6 (a) is a side view of the elastic hinge. Reference numeral 17 is one rigid member, and 18 is a substantially arcuate notch formed facing the intermediate portion of the rigid member 17. A rigid portion 17 is formed with a rigid portion 17 by the notches 18, and the rigid member 17 is divided by the rigid portion 19 into rigid portions 17a and 17b continuous with the rigid portion 17.

第6図(b)は他の弾性ヒンジの側面図である。図で、
第6図(a)に示す部分と同一部分には同一符号が付し
てある。19′は挾隘部である。挾隘部19′は、さきの挾
隘部19が2つの対向する切欠部18で形成されているのに
対し、1つのほぼ円弧状の切欠部18で形成される。
FIG. 6 (b) is a side view of another elastic hinge. In the figure,
The same parts as those shown in FIG. 6 (a) are designated by the same reference numerals. 19 'is a head office. The claw portion 19 ′ is formed by one substantially arcuate notch portion 18, while the previous claw portion 19 is formed by two facing notch portions 18.

第6図(c)は弾性ヒンジの動作説明図である。図で、
17a,17bは第6図(a),(b)に示すものと同じ剛体
部、20は各剛体部17a,17bを可回動に連結するヒンジ点
を示す。
FIG. 6 (c) is an operation explanatory view of the elastic hinge. In the figure,
Reference numerals 17a and 17b denote the same rigid body portions as shown in FIGS. 6A and 6B, and 20 denotes a hinge point that rotatably connects the rigid body portions 17a and 17b.

今、第6図(a),(b)において、一方の剛体部17a
を固定し、他方の剛体部17bに図示矢印方向の力Fを作
用させると、剛体部17a,17bはほとんど変形しないが、
挾隘部19,19′は微小変形し、これにより、剛体部17bは
破線で示されるように回動変位する。しかしながら、上
記力F以外の方向の力成分が作用した場合、挾隘部19,1
9′はこれらに対して極めて変形しにくい特性を有す
る。以上の特性は、挾隘部19,19′の弾性変形の範囲内
においては、恰も第6図(c)に示すような2つの剛体
部17a,17bをヒンジ点20で連結した構成が有する特性と
同様の特性を示すので、挾隘部19,19′を弾性ヒンジと
称する。
Now, referring to FIGS. 6A and 6B, one rigid body portion 17a
Is fixed and a force F in the direction of the arrow in the figure is applied to the other rigid body portion 17b, the rigid body portions 17a and 17b are hardly deformed,
The claws 19 and 19 'are slightly deformed, whereby the rigid portion 17b is rotationally displaced as shown by the broken line. However, when a force component in a direction other than the force F acts, the claws 19,1
9'has the characteristic of being extremely resistant to deformation. The above characteristics are characteristics of a structure in which two rigid body portions 17a and 17b are connected at a hinge point 20 as shown in FIG. 6C, within the range of elastic deformation of the claw portions 19 and 19 '. Since the same characteristic is exhibited, the claw portions 19 and 19 'are referred to as elastic hinges.

ところで、第6図(c)に示すヒンジ点20は機械的部品
の嵌合により構成されるので、それら機械的部品を最高
の精度で加工しても、ミクロンレベルの隙間の存在を避
けることはできない。このため、ヒンジ点20は、非常に
微小な変位を行う場合に誤差のない変位を発生せしめる
ことは不可能である。これに対して、挾隘部19,19′よ
り成る弾性ヒンジは弾性変形の範囲内においてほとんど
変位誤差を発生せず、理想的なヒンジ特性を示す。
By the way, since the hinge point 20 shown in FIG. 6 (c) is formed by fitting of mechanical parts, even if these mechanical parts are processed with the highest precision, it is not possible to avoid the existence of micron-level gaps. Can not. Therefore, it is impossible for the hinge point 20 to generate an error-free displacement when performing a very small displacement. On the other hand, the elastic hinge composed of the claws 19 and 19 'shows almost no displacement error within the range of elastic deformation and exhibits an ideal hinge characteristic.

第5図(a),(b)に示す微細変位機構は第4図
(a),(b)に示す微細変位機構の平板3,13に代えて
両端に弾性ヒンジを有する平板状剛体が用いられる。第
5図(a),(b)で、第4図(a),(b)に示す部
分と同一部分には同一符号が付してある。21,31は平板
状剛体、22,32は切欠部23,33により形成される弾性ヒン
ジを示す。この場合、第6図(a)〜(c)に示す剛体
部17a,17bが、剛体部1,11と平板状剛体部21,31、又は剛
体部2,12と平板状剛体21,31に相当するのは明らかであ
る。24,34はこのような平板状剛体21,31、弾性ヒンジ2
2,32を用いた可撓構造体を示す。
In the fine displacement mechanism shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), a flat plate rigid body having elastic hinges at both ends is used instead of the flat plates 3 and 13 of the fine displacement mechanism shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). To be 5 (a) and 5 (b), the same parts as those shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b) are designated by the same reference numerals. Reference numerals 21 and 31 denote rigid plates, and reference numerals 22 and 32 denote elastic hinges formed by the notches 23 and 33. In this case, the rigid body portions 17a and 17b shown in FIGS. 6 (a) to (c) become rigid body portions 1 and 11 and flat plate-like rigid body portions 21 and 31, or rigid body portions 2 and 12 and flat plate-like rigid body bodies 21 and 31, respectively. Clearly the equivalent. 24 and 34 are such plate-like rigid bodies 21 and 31, elastic hinges 2
A flexible structure using 2,32 is shown.

これら微細変位機構は圧電素子6,16を励起することによ
り剛体部2,12にそれぞれ破線で示すように並進変位,回
転変位を生じる。このような変位を生じる理由はさきに
述べた弾性ヒンジの説明から明らかであると考えるの
で、その説明は省略する。そして、これら微細変位機構
の複数使用、組合せ使用により任意の変位が得られるの
も又明らかである。
These fine displacement mechanisms excite the piezoelectric elements 6 and 16 to cause translational displacement and rotational displacement in the rigid portions 2 and 12, respectively, as shown by the broken lines. The reason why such displacement occurs is considered to be clear from the description of the elastic hinge described above, and thus the description thereof is omitted. It is also clear that any desired displacement can be obtained by using a plurality of these fine displacement mechanisms or using them in combination.

なお、第5図(a),(b)に示す微細変位機構におい
て、変形は弾性ヒンジ22,32にのみ生じ平板剛体21,31に
は生じない。したがつて、平板状剛体21,31は平板状で
ある必要はなく、剛体であれば、どのような形状であつ
ても差支えない。このような剛体は弾性ヒンジとともに
リンク機構を構成するところから、一般的に剛体リンク
とことができる。
In the fine displacement mechanism shown in FIGS. 5A and 5B, the deformation occurs only in the elastic hinges 22 and 32, and not in the flat plate rigid bodies 21 and 31. Therefore, the plate-shaped rigid bodies 21 and 31 do not have to be plate-shaped, and any shape may be used as long as they are rigid bodies. Since such a rigid body constitutes a link mechanism together with an elastic hinge, it can generally be a rigid body link.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

上記各微細変位機構は高精度で変位を発生することがで
きる。しかしながら、それらにより得られる変位の大き
さは、圧電素子6,16に発生する変位と同じレベルであ
り、それはせいぜい数ミクロンから十数ミクロンの範囲
内である。ところで、微細変位機構を使用する装置にあ
つては、最大変位として数十ミクロンから数百ミクロン
を必要とするものがあり、この場合、上記微細変位機構
ではこのような大きな変位を得ることができない。この
ため、従来、大きな変位を得るためには適宜の粗動変位
機構により大きな変位を発生させた後、上記微細変位機
構を用いて高精度の変位を得るか、又は同一方向の変位
を発生する上記微細変位機構を複数段積重ねる等の手段
が採用されていた。
Each of the fine displacement mechanisms described above can generate displacement with high accuracy. However, the magnitude of the displacement obtained by them is at the same level as the displacement generated in the piezoelectric elements 6 and 16, and it is in the range of several microns to ten and several microns at most. Incidentally, some devices using the fine displacement mechanism require a maximum displacement of several tens of microns to several hundreds of microns. In this case, the above-mentioned fine displacement mechanism cannot obtain such a large displacement. . Therefore, conventionally, in order to obtain a large displacement, after a large displacement is generated by an appropriate coarse displacement mechanism, a highly accurate displacement is obtained using the fine displacement mechanism, or a displacement in the same direction is generated. Means such as stacking the fine displacement mechanisms in a plurality of stages has been adopted.

しかし、これらの手段は、いずれにしても複数の変位機
構を用いなければならず、このため、装置が大形化、か
つ複雑化し、製造困難で高価になるという問題があつ
た。
However, these means have to use a plurality of displacement mechanisms in any case, which causes a problem that the device becomes large and complicated, and it is difficult and expensive to manufacture.

本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、
単体でしかも全体構造を大形にすることなく大きな変位
を得ることができ、かつ、複数の結合を容易に行なうこ
とができる微細変位機構を提供することにある。
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in the conventional technology,
It is an object of the present invention to provide a fine displacement mechanism that can obtain a large displacement by itself and can make a plurality of couplings easily without enlarging the entire structure.

[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、第1の剛体部
と、第2の剛体部と、これら第1の剛体部と第2の剛体
部を連結する少なくとも2つの連結用剛体リンクとを備
えた微細変位機構において、前記第1の剛体部、前記第
2の剛体部、および2つの前記連結用剛体リンクで囲ま
れる領域内に、前記第1の剛体部に連結用弾性ヒンジを
介して連結された変位拡大用剛体リンクと、前記第1の
剛体部と前記第2の剛体部間に位置するとともに前記変
位拡大用剛体リンク上の第1の点と前記第1の剛体部と
の間に連結された変位発生素子と、前記連結用弾性ヒン
ジの変位中心点からの距離が前記第1の点までの距離よ
り長い前記変位拡大用剛体リンク上の第2の点の変位を
前記連結用剛体リンクの1つに伝達する変位伝達部材と
を設けたことを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention connects a first rigid body portion, a second rigid body portion, and the first rigid body portion and the second rigid body portion. In a fine displacement mechanism including at least two connecting rigid links, the first rigid body is provided in a region surrounded by the first rigid body portion, the second rigid body portion, and two connecting rigid body links. A displacement magnifying rigid link connected to the portion via a coupling elastic hinge, and a first point on the displacement magnifying rigid link located between the first rigid body portion and the second rigid body portion. The displacement generating element connected between the first rigid body portion and the displacement enlargement rigid link on the displacement enlarging rigid link whose distance from the displacement center point of the connecting elastic hinge is longer than the distance to the first point. Displacement for transmitting displacement of two points to one of the connecting rigid links And a transmission member.

〔作用〕[Action]

変位発生素子が励起されると、変位拡大用剛体リンク上
の第1の点が、当該変位拡大用剛体リンクと連結してい
る連結用弾性ヒンジの変形により変位し、この変位は当
該変位拡大用剛体リンク上の第2の点に拡大されて現れ
る。この第2の点の変位は変位伝達部材により1つの連
結用剛体リンクの中間部分に伝達されてこの連結用剛体
リンクを変位させる。この変位は、当該連結用剛体リン
クにより第2の剛体部に拡大されて伝達され、これを変
位させる。
When the displacement generating element is excited, the first point on the displacement magnifying rigid link is displaced by the deformation of the connecting elastic hinge coupled to the displacement magnifying rigid link, and this displacement is for the displacement magnifying. It appears magnified at the second point on the rigid link. The displacement of the second point is transmitted to the intermediate portion of one connecting rigid link by the displacement transmitting member to displace the connecting rigid link. This displacement is expanded and transmitted to the second rigid body portion by the connecting rigid body link to displace it.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

第1図は本発明の第1の実施例に係る微細変位機構の平
面図である。図で、第5図(a)に示す部分と同一部分
には同一符号を付して説明を省略する。40a,40b,40c,40
d,40eは弾性ヒンジを示し、これら各符号に付された括
弧内の符号はその弾性ヒンジの変形中心点に付した名称
を示す。41は変位拡大用の剛体リンクであり、弾性ヒン
ジ40aを介して剛体部1に連結されている。42a,42bはそ
れぞれ圧電素子6の各端部と結合しこれを支持する支持
剛体であり、支持剛体42aは弾性ヒンジ40bを介して剛体
リンク41と連結され、支持剛体42bは弾性ヒンジ40cを介
して剛体部1と連結されている。各弾性ヒンジ40b,40c
の点A1,Q1を結ぶ線が一点鎖線Lで示されている。43は
剛体リンク41の変位を一方の平板状剛体21に伝達する変
位伝達部材である。この変位伝達部材43は、一端が弾性
ヒンジ40dを介して剛体リンク41に連結され、他端が弾
性ヒンジ40eを介して一方の平板状剛体21に連結されて
いる。このような構成において、点P1は直線L上にはな
く、又点P1と点B1との距離は、点P1から直線Lと直線 との交点までの距離より大である。
FIG. 1 is a plan view of a fine displacement mechanism according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those shown in FIG. 40a, 40b, 40c, 40
Reference numerals d and 40e indicate elastic hinges, and the reference numerals in parentheses attached to the reference numerals indicate the names attached to the deformation center points of the elastic hinges. Reference numeral 41 denotes a rigid link for expanding displacement, which is connected to the rigid part 1 via an elastic hinge 40a. Reference numerals 42a and 42b denote supporting rigid bodies that are coupled to and support the respective ends of the piezoelectric element 6, the supporting rigid body 42a being connected to the rigid body link 41 via an elastic hinge 40b, and the supporting rigid body 42b being via an elastic hinge 40c. And is connected to the rigid body portion 1. Each elastic hinge 40b, 40c
A line connecting the points A 1 and Q 1 is indicated by a one-dot chain line L. Reference numeral 43 denotes a displacement transmission member that transmits the displacement of the rigid link 41 to the one plate-shaped rigid body 21. The displacement transmitting member 43 has one end connected to the rigid link 41 via the elastic hinge 40d and the other end connected to the one plate-shaped rigid body 21 via the elastic hinge 40e. In such a configuration, the point P 1 is not on the straight line L, and the distance between the point P 1 and the point B 1 is from the point P 1 to the straight line L and the straight line. Greater than the distance to the intersection with.

次に、本実施例の動作を説明する。圧電素子6を励起す
ると支持剛体42aを介して剛体リンク41が点A1において
押され、剛体リンク41は弾性ヒンジ40aの点P1を中心に
回動する。この回動により点B1が変位し、この変位は変
位伝達部材43を経て点A2に伝達される。このため、平板
状剛体21は弾性ヒンジ22の点P2を中心に回動し、これに
より平板状剛体21の他方の弾性ヒンジ22の点Q2が変位す
る。この結果、剛体部2は剛体部1に対して並進変位す
ることになる。
Next, the operation of this embodiment will be described. When the piezoelectric element 6 is excited, the rigid link 41 is pushed at the point A 1 via the supporting rigid body 42a, and the rigid link 41 rotates about the point P 1 of the elastic hinge 40a. This rotation causes the point B 1 to be displaced, and this displacement is transmitted to the point A 2 via the displacement transmitting member 43. Therefore, the plate-shaped rigid body 21 rotates around the point P 2 of the elastic hinge 22, and thereby the point Q 2 of the other elastic hinge 22 of the plate-shaped rigid body 21 is displaced. As a result, the rigid body portion 2 is translationally displaced with respect to the rigid body portion 1.

以上の動作において、圧電素子6の変位は点A1の変位と
なつて現れるが、この変位は剛体リンク41と弾性ヒンジ
40aとにより、剛体リンク41の他方端の点B1に拡大され
て現れる。この拡大された変位は点A2に伝達され、この
点A2の変位は平板状剛体21と一方の弾性ヒンジ22とによ
り、他方の弾性ヒンジの点Q2においてさらに拡大されて
現れる。結局、圧電素子6の変位は2度拡大され、その
拡大された変位が点Q2に現れることになる。
In the above operation, the displacement of the piezoelectric element 6 appears as the displacement of the point A 1 , but this displacement is caused by the rigid link 41 and the elastic hinge.
With 40a, it appears enlarged at point B 1 at the other end of rigid link 41. The enlarged displacement is transmitted to the point A 2, the the one of the elastic hinge 22 displaced a flat rigid body 21 of the point A 2, appears is further expanded in terms Q 2 of the other elastic hinge. Eventually, the displacement of the piezoelectric element 6 is magnified twice, and the magnified displacement appears at the point Q 2 .

ところで、本実施例においては、剛体リンク41と弾性ヒ
ンジ40aとが1つの拡大機構を構成しているので、仮に
剛体リンク41の他端(弾性ヒンジ40aとは反対端)を剛
体部2に連結すれば当該拡大機構により剛体部2に拡大
された変位を得ることができる。そして、この拡大の倍
率点は、P1からLと線 との交点までの距離を小さくし、点P1から点B1までの距
離を大きくすれば大きくなることは明らかである。しか
しながら、上記各距離は微細変位機構を構成する際に設
計上の制約を受けるのは当然であり、このため、上記の
ように剛体リンク41と弾性ヒンジ40aによる1つの拡大
機構を用いた場合、その変位拡大の倍率はせいぜい数倍
程度であつて数百ミクロンの変位を得ることは到底不可
能である。これに対し、本実施例は既存の平板状剛体21
と弾性ヒンジ22を第2の拡大機構として利用し、さきの
拡大機構により拡大された変位を上記第2の拡大機構に
よりさらに拡大するような構成としたので、拡大倍率を
飛躍的に増大させることができ、数百ミクロンの変位も
可能となるものである。
By the way, in this embodiment, since the rigid link 41 and the elastic hinge 40a constitute one expansion mechanism, the other end of the rigid link 41 (the end opposite to the elastic hinge 40a) is temporarily connected to the rigid portion 2. Then, the displacement enlarged in the rigid body portion 2 can be obtained by the enlargement mechanism. And the magnification point of this expansion is the line from P 1 to L. It is clear that the distance becomes larger by decreasing the distance to the intersection with and increasing the distance from the point P 1 to the point B 1 . However, each of the above distances is naturally subject to design restrictions when constructing the fine displacement mechanism. Therefore, when one expanding mechanism including the rigid link 41 and the elastic hinge 40a is used as described above, The magnification of displacement displacement is several times at most, and it is impossible to obtain displacement of several hundreds of microns. On the other hand, in this embodiment, the existing plate-shaped rigid body 21
Since the elastic hinge 22 and the elastic hinge 22 are used as the second enlargement mechanism and the displacement enlarged by the previous enlargement mechanism is further enlarged by the second enlargement mechanism, the enlargement ratio is dramatically increased. It is possible to make a displacement of several hundreds of microns.

なお、第1図に示す構成において弾性ヒンジ40b,40c
は、圧電素子6が励起されて剛体リンク41が微小回転し
たとき、剛体リンク41と圧電素子6との間に生じる相対
角の微小変位を吸収するとともに、圧電素子6の作用点
を点A1,Q1に限定して本実施例の構成における変位拡大
倍率を一定に保持する機能を有する。さらに弾性ヒンジ
40d,40eの存在により、変位伝達時において剛体リンク4
1と変位伝達部材43との間、および平板状剛体21と変位
伝達部材43との間に生じる相対角の微小変化を吸収する
ことができるので、点A2の位置に制限を受けることはな
く、これにより点P2,A2間の距離を短くして拡大倍率を
向上させることができる。又、本実施例の構造はその形
状が複雑であるため製造が困難であるかのようにみえる
が、放電加工の一種であるワイヤカツト加工により1つ
の剛体ブロツクから容易に製造することができる。
The elastic hinges 40b, 40c in the configuration shown in FIG.
Absorbs the small displacement of the relative angle generated between the rigid link 41 and the piezoelectric element 6 when the piezoelectric element 6 is excited and the rigid link 41 makes a minute rotation, and the point of action of the piezoelectric element 6 is set to the point A 1 , Q 1 , which has a function of holding the displacement magnification ratio constant in the configuration of the present embodiment. More elastic hinge
Due to the existence of 40d and 40e, rigid link 4
Since it is possible to absorb a minute change in the relative angle between the 1 and the displacement transmitting member 43 and between the flat rigid body 21 and the displacement transmitting member 43, the position of the point A 2 is not limited. As a result, the distance between the points P 2 and A 2 can be shortened to improve the magnification. Further, the structure of the present embodiment seems to be difficult to manufacture because of its complicated shape, but it can be easily manufactured from one rigid block by wire cutting, which is a kind of electric discharge machining.

このように、本実施例では、剛体リンクと弾性ヒンジに
よる拡大機構を構成し、かつ、既存の平板状剛体とその
弾性ヒンジを他の拡大機構として利用し、圧電素子の変
位を上記2つの拡大機構で拡大するようにしたので、単
体の微細変位機構より極めて大きな変位を得ることがで
きる。又、変位拡大のため新たに付加される部材はすべ
て貫通孔内に配置することにより、全体構造を小形に構
成することができる。さらに、上記貫通孔内に収納する
構成により、拡大変位機構の外部への突出をなくすこと
ができるので、全体構造が小形であることと相って、複
数軸の変位を得るために単体の微細変位機構を複数組み
合わせる場合、その組合せを容易に構成することができ
る。
As described above, in this embodiment, the expansion mechanism including the rigid link and the elastic hinge is configured, and the existing plate-shaped rigid body and the elastic hinge are used as another expansion mechanism, and the displacement of the piezoelectric element is increased by the above two expansions. Since the mechanism is used for enlarging, an extremely large displacement can be obtained as compared with a single fine displacement mechanism. Further, by arranging all the members newly added for expanding the displacement in the through holes, the entire structure can be made compact. Further, since the structure for accommodating in the through hole can eliminate the protrusion of the expansion displacement mechanism to the outside, the whole structure is small, and in order to obtain the displacement of multiple axes, a single fine When a plurality of displacement mechanisms are combined, the combination can be easily configured.

第2図は本発明の第2の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第1図に示す部分と等しい機能を有
する部分には同一符号が付してある。43aは変位伝達部
材43にあけられた貫通孔もしくは切り欠き部であり、圧
電素子6が挿通される。44は貫通孔5内に突出した剛体
部1の突出部である。45は剛体部1に形成された凹部で
あり、凹部45の開口は貫通孔5に面している。本実施例
がさきの実施例と異なる点は、さきの実施例が圧電素子
6を貫通孔5の長手方向(平板状剛体21と垂直な方向)
に沿つて配置したのに対して、本実施例は圧電素子6を
貫通孔5を斜めに横切る方向に配置した点にある。この
ように圧電素子6の配置位置を変更したため、別途突出
部44と凹部45とが設けられ、かつ、弾性ヒンジ40a,40b,
40d,および変位伝達部材43の配置位置が変化している。
しかしながら、その動作はさきの実施例と同じであり、
又、効果も同じであるので、それらの説明は省略する。
なお、圧電素子6と変位伝達部材43は紙面の垂直方向に
おいて互いにずれをもつて配置することができ、その場
合、貫通孔もしくは切り欠き部43aは不要となる。
FIG. 2 is a side view of the fine displacement mechanism according to the second embodiment of the present invention. In the figure, parts having the same functions as those shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. Reference numeral 43a denotes a through hole or a notch formed in the displacement transmitting member 43, into which the piezoelectric element 6 is inserted. Reference numeral 44 denotes a protruding portion of the rigid body portion 1 protruding into the through hole 5. Reference numeral 45 denotes a recess formed in the rigid body portion 1, and the opening of the recess 45 faces the through hole 5. The present embodiment differs from the previous embodiment in that the previous embodiment uses the piezoelectric element 6 in the longitudinal direction of the through hole 5 (direction perpendicular to the plate-shaped rigid body 21).
However, in the present embodiment, the piezoelectric element 6 is arranged diagonally across the through hole 5. Since the arrangement position of the piezoelectric element 6 is changed in this way, the protrusion 44 and the recess 45 are separately provided, and the elastic hinges 40a, 40b,
The arrangement positions of 40d and the displacement transmitting member 43 have changed.
However, the operation is the same as the previous embodiment,
Also, since the effects are the same, their explanations are omitted.
The piezoelectric element 6 and the displacement transmitting member 43 can be arranged so as to be displaced from each other in the direction perpendicular to the paper surface, and in that case, the through hole or the cutout portion 43a is unnecessary.

第3図は本発明の第3の実施例に係る微細変位機構の側
面図である。図で、第5図(b)に示す部分と同一部分
には同一符号が付してある。50a,50b,50c,50d,50eはそ
れぞれ第1図に示す弾性ヒンジ40a,40b,40c,40d,40eと
同じ弾性ヒンジであり、これら各弾性ヒンジ50a〜50eの
変形中心点に対しては、第1図に示す対応する弾性ヒン
ジ40a〜40eの変形中心点と同一符号が括弧内に付されて
いる。51は剛体リンク、52a,52bは支持剛体、53は変位
伝達部材であり、これらはそれぞれ第1図に示す剛体リ
ンク41、支持剛体42a,42bおよび変位伝達部材43に相当
する。
FIG. 3 is a side view of the fine displacement mechanism according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those shown in FIG. 5 (b) are designated by the same reference numerals. 50a, 50b, 50c, 50d, 50e are the same elastic hinges as the elastic hinges 40a, 40b, 40c, 40d, 40e shown in FIG. 1, respectively, with respect to the deformation center points of these elastic hinges 50a-50e, The same symbols as the deformation center points of the corresponding elastic hinges 40a to 40e shown in FIG. 1 are given in parentheses. Reference numeral 51 is a rigid link, 52a and 52b are support rigid bodies, and 53 is a displacement transmitting member, which correspond to the rigid link 41, supporting rigid bodies 42a and 42b, and displacement transmitting member 43 shown in FIG. 1, respectively.

圧電素子16が励起されると、その変位は剛体リンク51と
弾性ヒンジ50aとで構成される変位拡大機構により拡大
されて点B1に現れ、この拡大された変位は変位伝達部材
53により点A2に伝達され、この伝達された変位は平板状
剛体部31と弾性ヒンジ32とで構成される変位拡大機構に
よりさらに拡大されて点Q2に現れる。これにより、剛体
部12は剛体部11に対して回転変位することになる。
When the piezoelectric element 16 is excited, its displacement is magnified by the displacement magnifying mechanism composed of the rigid link 51 and the elastic hinge 50a to appear at the point B 1 , and the magnified displacement is the displacement transmitting member.
It is transmitted to the point A 2 by 53, and the transmitted displacement is further magnified by the displacement magnifying mechanism composed of the flat plate rigid body portion 31 and the elastic hinge 32 and appears at the point Q 2 . As a result, the rigid body portion 12 is rotationally displaced with respect to the rigid body portion 11.

このような動作は第1図に示す微細変位機構の動作と同
じであり、又、その効果も同じであるので、それらの詳
細な説明は省略する。さらに、本実施例に第2図に示す
構成を適用することができるが、これは一見して明らか
であるので、その図示および説明も省略する。
Since such an operation is the same as the operation of the fine displacement mechanism shown in FIG. 1 and the effect is also the same, detailed description thereof will be omitted. Further, the configuration shown in FIG. 2 can be applied to the present embodiment, but since this is apparent at a glance, its illustration and description will be omitted.

なお、上記各実施例の説明では、2つの剛体部を連結す
る部材として平板状剛体を例示し、又、変位発生素子と
して圧電素子を例示して説明したが、これらがそれぞれ
平板状剛体、圧電素子に限るものでないことは既に述べ
た。又、上記各実施例の説明では、変位発生素子を支持
する支持剛体を、弾性ヒンジを介して他と連結する例を
説明したが、このような弾性ヒンジは、本発明の変位対
象となる微小変位の範囲では省いても実質的に何等の不
都合をも生じない場合があり、この場合には当然上記支
持剛体を直接他へ連結することができる。
In the description of each of the above embodiments, a plate-shaped rigid body is illustrated as a member that connects two rigid body portions, and a piezoelectric element is illustrated as a displacement generation element. It has already been mentioned that it is not limited to the element. Further, in the description of each of the above-described embodiments, an example in which the supporting rigid body that supports the displacement generating element is connected to another via an elastic hinge has been described. However, such an elastic hinge serves as a displacement target of the present invention. Even if it is omitted in the range of displacement, there may be substantially no inconvenience. In this case, the supporting rigid body can be directly connected to another.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように、本発明では、変位拡大用剛体リンク
とこれに連結された連結用弾性ヒンジとにより構成され
る変位拡大機構、および既存の連結用剛体リンクと弾性
ヒンジを利用した変位拡大機構により、変位発生素子に
発生する変位を2段に拡大するようにしたので、単体の
微細変位機構により極めて大きな変位を得ることができ
る。又、第1の剛体部、第2の剛体部、および2つの連
結用剛体リンクで囲まれる領域内に変位拡大機構を配置
することにより、全体構造を小形に構成することができ
る。さらに、上記領域内への変位拡大機構の配置によ
り、拡大変位機構の外部への突出をなくすことができる
ので、全体構造が小形であることと相って、複数軸の変
位を得るために単体の微細変位機構を複数組み合わせる
場合、その組合せを容易に構成することができる。
As described above, according to the present invention, the displacement magnifying mechanism configured by the displacement magnifying rigid link and the coupling elastic hinge coupled thereto, and the displacement magnifying mechanism using the existing coupling rigid link and the elastic hinge. As a result, the displacement generated in the displacement generating element is expanded to two stages, so that an extremely large displacement can be obtained by the single fine displacement mechanism. Further, by disposing the displacement magnifying mechanism in a region surrounded by the first rigid body portion, the second rigid body portion, and the two rigid body links for connection, the entire structure can be made compact. Furthermore, by arranging the displacement magnifying mechanism in the above area, it is possible to eliminate the protrusion of the magnifying displacement mechanism to the outside. When a plurality of the fine displacement mechanisms of 1 are combined, the combination can be easily configured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図,第2図,第3図はそれぞれ本発明の第1,第2,第
3の実施例に係る微細変位機構の側面図、第4図
(a),(b)、第5図(a),(b)はそれぞれ従来
の微細変位機構の側面図、第6図(a),(b),
(c)は弾性ヒンジの側面図および動作説明図である。 1,2,11,12……剛体部、6,16……圧電素子、21,31……平
板状剛体、22,32,40a〜40e,50a〜50e……弾性ヒンジ、4
1,51……剛体リンク、43,53……変位伝達部材。
1, 2, and 3 are side views of the fine displacement mechanism according to the first, second, and third embodiments of the present invention, respectively, and FIGS. 4 (a), (b), and FIG. (A), (b) is a side view of the conventional fine displacement mechanism, FIG. 6 (a), (b),
(C) is a side view and an operation explanatory view of the elastic hinge. 1,2,11,12 …… Rigid body part, 6,16 …… Piezoelectric element, 21,31 …… Plate-like rigid body, 22,32,40a to 40e, 50a to 50e …… Elastic hinge, 4
1,51 …… Rigid link, 43,53 …… Displacement transmission member.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村山 健 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (72)発明者 星野 吉弘 茨城県土浦市神立町650番地 日立建機株 式会社土浦工場内 (56)参考文献 特開 昭61−243511(JP,A) 特開 昭59−175387(JP,A) 実開 昭58−81606(JP,U) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Ken Murayama, 650 Jinrachicho, Tsuchiura, Ibaraki Prefecture Tsuchiura Plant, Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. (56) References JP 61-243511 (JP, A) JP 59-175387 (JP, A) JP 58-81606 (JP, U)

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の剛体部と、第2の剛体部と、これら
第1の剛体部と第2の剛体部を連結する少なくとも2つ
の連結用剛体リンクとを備えた微細変位機構において、
前記第1の剛体部、前記第2の剛体部、および2つの前
記連結用剛体リンクで囲まれる領域内に、前記第1の剛
体部に連結用弾性ヒンジを介して連結された変位拡大用
剛体リンクと、前記第1の剛体部と前記第2の剛体部間
に位置するとともに前記変位拡大用剛体リンク上の第1
の点と前記第1の剛体部との間に連結された変位発生素
子と、前記連結用弾性ヒンジの変位中心点からの距離が
前記第1の点までの距離より長い前記変位拡大用剛体リ
ンク上の第2の点の変位を前記連結用剛体リンクの1つ
に伝達する変位伝達部材とを設けたことを特徴とする微
細変位機構。
1. A fine displacement mechanism including a first rigid body portion, a second rigid body portion, and at least two coupling rigid body links coupling the first rigid body portion and the second rigid body portion,
A displacement magnifying rigid body coupled to the first rigid body portion via a coupling elastic hinge in a region surrounded by the first rigid body portion, the second rigid body portion, and the two coupling rigid body links. A link, and a first link located between the first rigid part and the second rigid part and located on the displacement magnifying rigid link.
And the displacement generating element connected between the first rigid body portion and the displacement generating element, and the distance from the displacement center point of the connecting elastic hinge is longer than the distance to the first point. A fine displacement mechanism, comprising: a displacement transmitting member that transmits the displacement of the second upper point to one of the connecting rigid links.
【請求項2】特許請求の範囲第(1)項において、前記
各連結用剛体リンクは、互いに平行に配置されているこ
とを特徴とする微細変位機構。
2. A fine displacement mechanism according to claim (1), characterized in that the rigid links for connection are arranged in parallel with each other.
【請求項3】特許請求の範囲第(1)項において、前記
各連結用剛体リンクは、所定軸に関して放射状に配置さ
れていることを特徴とする微細変位機構。
3. The fine displacement mechanism according to claim (1), wherein the connecting rigid links are arranged radially with respect to a predetermined axis.
【請求項4】特許請求の範囲第(1)項において、前記
変位発生素子は、圧電素子であることを特徴とする微細
変位機構。
4. A fine displacement mechanism according to claim 1, wherein the displacement generating element is a piezoelectric element.
【請求項5】特許請求の範囲第(1)項において、前記
変位発生素子は、前記第1の剛体部および前記変位拡大
用剛体リンクに弾性ヒンジを介して連結されていること
を特徴とする微細変位機構。
5. The displacement generating element according to claim 1, wherein the displacement generating element is connected to the first rigid body portion and the displacement expanding rigid body link via an elastic hinge. Fine displacement mechanism.
JP62210191A 1987-08-26 1987-08-26 Fine displacement mechanism Expired - Lifetime JPH071459B2 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5881606U (en) * 1981-11-27 1983-06-02 株式会社日立製作所 Micro displacement drive device
JPS59175387A (en) * 1983-03-24 1984-10-04 Nec Corp Mechanical amplifying mechanism
JPH07109566B2 (en) * 1985-04-20 1995-11-22 洋太郎 畑村 Fine positioning device

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