JPH0746909B2 - Positioning device - Google Patents
Positioning deviceInfo
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- JPH0746909B2 JPH0746909B2 JP63183466A JP18346688A JPH0746909B2 JP H0746909 B2 JPH0746909 B2 JP H0746909B2 JP 63183466 A JP63183466 A JP 63183466A JP 18346688 A JP18346688 A JP 18346688A JP H0746909 B2 JPH0746909 B2 JP H0746909B2
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- type piezoelectric
- displacement
- piezoelectric element
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明はバイモルフ型圧電素子を使用して微小変位を
高精度に制御する位置決め装置に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Object of the Invention (Industrial field of application) The present invention relates to a positioning device that uses a bimorph type piezoelectric element to control minute displacement with high accuracy.
(従来の技術) 一般に、例えば電子顕微鏡等の微調整機構等のように微
小変位を高精度に制御する位置決め装置のアクチュエー
タとして電気量を変位量に変換する圧電素子を使用した
ものが考えられている。この圧電素子を使用したアクチ
ュエータは変換効率が高いうえ、発熱が小さく、熱変形
によるドリフトが小さいという利点がある反面、変位量
が小さいという欠点がある。(Prior Art) Generally, an actuator using a piezoelectric element that converts an electric quantity into a displacement quantity is considered as an actuator of a positioning apparatus that controls a minute displacement with high accuracy such as a fine adjustment mechanism of an electron microscope. There is. An actuator using this piezoelectric element has the advantages of high conversion efficiency, small heat generation, and small drift due to thermal deformation, but has the drawback of small displacement.
そこで、従来から電圧を印加すると長さ方向に伸縮する
2枚の圧電素子を貼り合せ、一方を伸ばすと同時に他方
を縮めることにより、屈曲変位を発生させるバイモルフ
型圧電素子を片持ち梁として使用したり、或いはこのバ
イモルフ型圧電素子とてこ等の変位拡大機構とを組合わ
せて使用する構成にしていた。Therefore, conventionally, a bimorph-type piezoelectric element that causes bending displacement by bonding two piezoelectric elements that expand and contract in the lengthwise direction when a voltage is applied and expanding one side and simultaneously contracting the other side is used as a cantilever. Alternatively, the bimorph type piezoelectric element is used in combination with a displacement magnifying mechanism such as a lever.
しかしながら、バイモルフ型圧電素子を片持ち梁として
使用した場合には機械的強度が弱く、動作が不安定にな
る問題があるとともに、バイモルフ型圧電素子の自由端
側が固定端を中心とする円弧運動を行なうので、被駆動
体を直線性よく変位させるためには複雑な機構が必要に
なる問題があった。また、従来のように圧電素子とてこ
等の変位拡大機構とを組合わせた場合には数10μm程度
の微小量しか変位させることができず、変位量の増大を
図ることが難しい問題があった。However, when the bimorph type piezoelectric element is used as a cantilever, the mechanical strength is weak and there is a problem that the operation becomes unstable, and the free end side of the bimorph type piezoelectric element causes an arc motion centered on the fixed end. Therefore, there is a problem that a complicated mechanism is required to displace the driven body with good linearity. Further, when a piezoelectric element and a displacement magnifying mechanism such as a lever are combined as in the prior art, only a minute amount of about several tens of μm can be displaced, and it is difficult to increase the displacement amount. .
(発明が解決使用とする課題) 従来構成のものにあってはバイモルフ型圧電素子を片持
ち梁として使用した場合には機械的強度が弱く、動作が
不安定になる問題があるとともに、被駆動体を直線性よ
く変位させるためには複雑な機構が必要になる問題があ
り、また圧電素子とてこ等の変位拡大機構とを組合わせ
た場合には数10μm程度の微小量しか変位させることが
できず、変位量の増大を図ることが難しい問題があっ
た。(Problems to be solved and used by the invention) In the conventional structure, when the bimorph type piezoelectric element is used as a cantilever, the mechanical strength is weak and the operation becomes unstable. There is a problem that a complicated mechanism is required to displace the body with good linearity, and when a piezoelectric element and a displacement magnifying mechanism such as a lever are combined, only a small amount of about several tens of μm can be displaced. However, there is a problem that it is difficult to increase the amount of displacement.
この発明は上記事情に着目してなされたもので、機械的
強度が強く、動作の安定化を図ることができ、かつ直交
するXYの2方向にそれぞれ大きな変位量を高精度に得る
ことができ、加えて装置全体を小形化することができる
位置決め装置を提供することを目的とするものである。The present invention has been made in view of the above circumstances, has a high mechanical strength, can stabilize the operation, and can obtain a large amount of displacement in each of two orthogonal XY directions with high accuracy. In addition, it is an object of the present invention to provide a positioning device capable of downsizing the entire device.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) この発明は被駆動体搭載用のステージを直交するXYの2
方向にそれぞれ微小変位させて位置決めするX方向微小
変位機構およびY方向微小変位機構を備えた位置決め装
置において、X方向微小変位機構およびY方向微小変位
機構のアクチュエータを前記ステージの両側にそれぞれ
平行に離間対向配置させたX方向およびY方向の複数段
のバイモルフ型圧電素子によって形成するとともに、前
記ステージの周囲を囲む状態で同一平面上に複数段に積
層された矩形枠状の支持フレームをX方向の一対のフレ
ーム壁の中央部位に前記アクチュエータの取付け用開口
部が形成されたX方向アクチュエータ支持枠と、Y方向
の一対のフレーム壁の中央に前記アクチュエータの取付
け用開口部が形成されたY方向アクチュエータ支持枠と
によって形成して前記X方向アクチュエータ支持枠にお
ける前記アクチュエータの取付け用開口部の両端部に前
記X方向アクチュエータのバイモルフ型圧電素子の両端
部を、また前記Y方向アクチュエータ支持枠における前
記アクチュエータの取付け用開口部の両端部に前記Y方
向アクチュエータのバイモルフ型圧電素子の両端部をそ
れぞれ固定させ、さらに外側段のX方向およびY方向の
前記バイモルフ型圧電素子の両端固定部間の可動部の中
央部位と内側段の前記支持フレームの前記バイモルフ型
圧電素子取付け用の開口部の両端部側とを接続するX方
向およびY方向の変位量伝達アームを備え、X方向の各
段の前記バイモルフ型圧電素子の両端固定部間の可動部
の変位動作を前記X方向変位量伝達アームを介して順次
加えてその変位量を拡大しながら前記ステージ側に伝達
するX方向変位量拡大機構およびY方向の各段の前記バ
イモルフ型圧電素子の両端固定部間の可動部の変位動作
を前記Y方向変位量伝達アームを介して順次加えてその
変位量を拡大しながら前記ステージ側に伝達するY方向
変位量拡大機構をそれぞれ設けたものである。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The present invention is directed to two XY axes which are orthogonal to a stage for mounting a driven body.
In a positioning device equipped with an X-direction micro-displacement mechanism and a Y-direction micro-displacement mechanism that perform micro-displacement in each direction, the actuators of the X-direction micro-displacement mechanism and the Y-direction micro-displacement mechanism are separated in parallel on both sides of the stage. A rectangular frame-shaped support frame is formed by a plurality of bimorph type piezoelectric elements in the X direction and the Y direction which are arranged to face each other and is stacked in a plurality of stages on the same plane so as to surround the periphery of the stage. An X-direction actuator support frame in which an opening for mounting the actuator is formed in a central portion of a pair of frame walls, and a Y-direction actuator in which an opening for mounting the actuator is formed in the center of a pair of frame walls in the Y direction. A support frame to form the actuator in the X-direction actuator support frame. Both ends of the bimorph type piezoelectric element of the X-direction actuator at both ends of the mounting opening of the actuator, and the bimorph of the Y-direction actuator at both ends of the mounting opening of the actuator in the Y-direction actuator support frame. Type piezoelectric element is fixed at both ends thereof, and further, a central portion of a movable portion between both end fixing portions of the bimorph type piezoelectric element in the outer stage and the bimorph type piezoelectric element of the support frame in the inner stage. Displacement amount transmission arms in the X and Y directions connecting the both ends of the mounting opening are provided, and the displacement operation of the movable portion between the both end fixed portions of the bimorph type piezoelectric element at each stage in the X direction is performed. An X-direction displacement amount enlargement mechanism for sequentially transmitting the displacement amount to the stage side while increasing the displacement amount through the X-direction displacement amount transmission arm, and Y The displacement direction of the movable part between the fixed parts on both ends of the bimorph type piezoelectric element in each direction in the opposite direction is sequentially applied through the Y direction displacement amount transmission arm to increase the displacement amount and transmit it to the stage side in the Y direction. Displacement amount expansion mechanisms are provided respectively.
(作用) X方向微小変位機構の変位量拡大機構の各段のバイモル
フ型圧電素子にそれぞれ所定電圧を印加することによ
り、各段のバイモルフ型圧電素子における両端固定部間
の可動部を略円弧状に変形させ、このときの各段のバイ
モルフ型圧電素子の可動部の変位動作をX方向変位量拡
大機構のX方向変位量伝達アームを介して順次加えてそ
の変位量を拡大しながらステージをX方向に変位させて
位置決めするとともに、X方向と直交するY方向微小変
位機構の変位量拡大機構の各段のバイモルフ型圧電素子
にそれぞれ所定電圧を印加することにより、各段のバイ
モルフ型圧電素子における両端固定部間の可動部を略円
弧状に変形させ、このときの各段のバイモルフ型圧電素
子の可動部の変位動作をY方向変位量拡大機構のY方向
変位量伝達アームを介して順次加えてその変位量を拡大
しながらステージをY方向に変位させて位置決めするよ
うにしたものである。(Operation) By applying a predetermined voltage to each bimorph-type piezoelectric element of each stage of the displacement amount enlarging mechanism of the X-direction micro-displacement mechanism, the movable part between the fixed ends of the bimorph-type piezoelectric element of each stage is formed into a substantially arc shape. And the displacement operation of the movable part of the bimorph type piezoelectric element at each stage at this time is sequentially applied via the X-direction displacement amount transmission arm of the X-direction displacement amount expansion mechanism to expand the displacement amount and move the stage to the X-axis. In the bimorph type piezoelectric element of each stage by applying a predetermined voltage to the bimorph type piezoelectric element of each stage of the displacement amount enlarging mechanism of the Y direction minute displacement mechanism orthogonal to the X direction. The movable portion between the fixed portions at both ends is deformed into a substantially arc shape, and the displacement operation of the movable portion of the bimorph type piezoelectric element at each stage at this time is transmitted in the Y-direction displacement amount of the Y-direction displacement amount expansion mechanism. The stage is displaced in the Y direction and positioned while sequentially adding through the arms to increase the displacement amount.
(実施例) 以下、この発明の一実施例を第1図乃至第4図を参照し
て説明する。第1図および第2図は微小変位を高精度に
制御する位置決め装置全体の概略構成を示すもので、11
は位置決め装置本体である。この位置決め装置本体11に
は中央に被駆動体搭載用の略矩形状のステージ12、この
ステージ12の周囲には互いに所定間隔離間させた状態で
4層に積層された略矩形枠状の枠体(支持フレーム)1
3,14,15,16がそれぞれ配設されている。この場合、ステ
ージ12は直交する二方向(X方向およびY方向)にそれ
ぞれ移動可能な可動部材によって形成されている。(Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 4. 1 and 2 show the schematic configuration of the entire positioning device for controlling minute displacement with high accuracy.
Is the main body of the positioning device. The positioning device main body 11 has a substantially rectangular stage 12 for mounting a driven body at the center thereof, and a substantially rectangular frame-shaped frame body in which four stages are stacked around the stage 12 with a predetermined gap therebetween. (Support frame) 1
3, 14, 15, 16 are arranged respectively. In this case, the stage 12 is formed by a movable member that is movable in two orthogonal directions (X direction and Y direction).
また、外側の第1の枠体13にはX方向に沿う一対の対向
壁面に圧電素子取付け用開口部17a,17bがそれぞれ形成
されている。これらの圧電素子取付け用開口部17a,17b
にはステージ12のX方向両側に平行に離間対向配置させ
た一対のバイモルフ型圧電素子18a,18bがそれぞれ配設
されている。この場合、バイモルフ型圧電素子18a,18b
はその両端部が開口部17a,17bの両端部位にそれぞれ固
定されており、バイモルフ型圧電素子18a,18bは各開口
部17a、17bの両端部間に架設状態で装着されている。そ
して、この第1の枠体13によって一対のバイモルフ型圧
電素子18a,18bの両端部間を連結させる第1の支持フレ
ームが形成されている。Further, on the outer first frame 13, piezoelectric element mounting openings 17a and 17b are formed on a pair of opposing wall surfaces along the X direction. These piezoelectric element mounting openings 17a, 17b
Is provided with a pair of bimorph type piezoelectric elements 18a and 18b which are arranged in parallel on both sides of the stage 12 in the X direction so as to be spaced apart and face each other. In this case, the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b
Both ends thereof are fixed to both end portions of the openings 17a, 17b, respectively, and the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b are mounted in a erected state between the both ends of the openings 17a, 17b. Then, the first frame 13 forms a first support frame for connecting the both ends of the pair of bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b.
また、バイモルフ型圧電素子18a,18bは第4図に示すよ
うに電圧を印加すると長さ方向に伸縮する2枚の圧電素
子1,2を貼り合せて形成されており、一方を伸ばすと同
時に他方を縮めることにより、屈曲変位を発生させるも
のである。なお、第3図および第4図はバイモルフ型圧
電素子18a,18bの電極構造を示すもので、第4図中の各
圧電素子1,2の矢印は分極方向を示し、また図全体は片
持ち支持のバイモルフ型圧電素子機構を示している。さ
らに、第3図は第1図の一部を拡大した図である。The bimorph type piezoelectric elements 18a and 18b are formed by bonding two piezoelectric elements 1 and 2 which expand and contract in the length direction when a voltage is applied, as shown in FIG. Bending displacement is generated by contracting. 3 and 4 show the electrode structure of the bimorph type piezoelectric elements 18a and 18b. The arrows of each piezoelectric element 1 and 2 in FIG. 4 indicate the polarization direction, and the entire figure is cantilevered. 6 shows a supporting bimorph piezoelectric element mechanism. Further, FIG. 3 is an enlarged view of a part of FIG.
また、第1の枠体13の内側の第2の枠体14にはX方向に
沿う一対の対向壁面の略中央部位にバイモルフ型圧電素
子18a,18b側に向けて突設された突起部19a,19bが形成さ
れている。これらの突起部19a,19bにはバイモルフ型圧
電素子18a,18bにおける長手方向略中央部位が固定され
ている。そして、これらの突起部19a,19bによって両バ
イモルフ型圧電素子18a,18bのX方向の変位動作をステ
ージ12側に伝達する第1の変位量伝達アームが形成され
ており、バイモルフ型圧電素子18a,18b、第1の枠体13
および突起部19a,19bによってステージ12をX方向に移
動する第1のステージ変位機構20が形成されている。Further, on the second frame body 14 inside the first frame body 13, a projection portion 19a is provided at a substantially central portion of a pair of opposing wall surfaces along the X direction so as to project toward the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b side. , 19b are formed. The projections 19a and 19b are fixed to the bimorph type piezoelectric elements 18a and 18b, respectively, at substantially central portions in the longitudinal direction. A first displacement amount transmission arm for transmitting the displacement operation of the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b in the X direction to the stage 12 side is formed by these protrusions 19a, 19b, and the bimorph type piezoelectric element 18a, 18b, first frame 13
A first stage displacement mechanism 20 that moves the stage 12 in the X direction is formed by the projections 19a and 19b.
さらに、第2の枠体14の内側には前述したバイモルフ型
圧電素子18a,18bと同一構成のバイモルフ型圧電素子21
a,21bがステージ12のX方向両側に平行に離間対向状態
で配設されている。この場合、第2の枠体14のY方向に
沿う一対の対向壁面には内側に向けて突設された一対の
支持突起22,22がステージ12のX方向両側にそれぞれ配
設されており、これらの支持突起22,22間にバイモルフ
型圧電素子21a,21bがそれぞれ架設状態で装着されてい
る。そして、そして、この第2の枠体14によって一対の
バイモルフ型圧電素子21a,21bの両端部間を連結させる
第2の支持フレームが形成されている。Further, inside the second frame body 14, a bimorph type piezoelectric element 21 having the same configuration as the bimorph type piezoelectric elements 18a and 18b described above.
The a and 21b are arranged parallel to each other on both sides of the stage 12 in the X direction in a spaced-apart and opposed state. In this case, a pair of support projections 22, 22 protruding inward are provided on the pair of opposed wall surfaces along the Y direction of the second frame 14 on both sides of the stage 12 in the X direction, respectively. Bimorph-type piezoelectric elements 21a and 21b are mounted between the support protrusions 22 and 22 in a erected state. Then, the second frame 14 forms a second support frame for connecting the both ends of the pair of bimorph type piezoelectric elements 21a, 21b.
また、第2の枠体14の内側の第3の枠体15にはX方向に
沿う一対の対向壁面の略中央部位にバイモルフ型圧電素
子21a,21b側に向けて突設された突起部23a,23bが形成さ
れている。これらの突起部23a,23bにはバイモルフ型圧
電素子21a,21bにおける長手方向略中央部位が固定され
ており、これらの突起部23a,23bによって両バイモルフ
型圧電素子21a,21bのX方向の変位動作をステージ12側
に伝達する第2の変位量伝達アームが形成されている。
そして、バイモルフ型圧電素子21a,21b、第2の枠体14
および突起部23a,23bによってステージ12をX方向に移
動する第2のステージ変位機構24が形成されている。こ
の場合、第2のステージ変位機構24のX方向の変位量は
第1のステージ変位機構20のX方向の変位量に加えられ
た状態でステージ12側に伝達されるようになっており、
これらの第1のステージ変位機構20および第2のステー
ジ変位機構24によってステージ12をX方向に微小変位さ
せて位置決めするX方向微小変位機構の変位量拡大機構
Aが形成されている。Further, on the third frame body 15 inside the second frame body 14, a projection portion 23a projecting toward the bimorph type piezoelectric elements 21a, 21b side is provided at substantially central portions of a pair of opposing wall surfaces along the X direction. , 23b are formed. The protrusions 23a, 23b are fixed to the substantially central portion in the longitudinal direction of the bimorph type piezoelectric elements 21a, 21b, and these protrusions 23a, 23b displace the bimorph type piezoelectric elements 21a, 21b in the X direction. A second displacement amount transmitting arm that transmits the force to the stage 12 side is formed.
Then, the bimorph type piezoelectric elements 21a and 21b, the second frame 14
A second stage displacement mechanism 24 that moves the stage 12 in the X direction is formed by the projections 23a and 23b. In this case, the displacement amount of the second stage displacement mechanism 24 in the X direction is transmitted to the stage 12 side while being added to the displacement amount of the first stage displacement mechanism 20 in the X direction,
The first stage displacement mechanism 20 and the second stage displacement mechanism 24 form a displacement amount enlarging mechanism A of an X-direction minute displacement mechanism for minutely displacing and positioning the stage 12 in the X direction.
さらに、第3の枠体15の内側には前述したバイモルフ型
圧電素子18a,18bと同一構成のバイモルフ型圧電素子25
a,25bがステージ12のY方向両側に平行に離間対向状態
で配設されている。この場合、第3の枠体15のX方向に
沿う一対の対向壁面には内側に向けて突設された一対の
支持突起26,26がステージ12のY方向両側にそれぞれ配
設されており、これらの支持突起26,26間にバイモルフ
型圧電素子25a,25bがそれぞれ架設状態で装着されてい
る。そして、この第3の枠体15によって一対のバイモル
フ型圧電素子25a,25bの両端部間を連結させる第3の支
持フレームが形成されている。Further, inside the third frame 15, a bimorph type piezoelectric element 25 having the same configuration as the above-described bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b.
The a and 25b are arranged parallel to each other on both sides of the stage 12 in the Y direction in a spaced-apart and opposed state. In this case, a pair of opposing wall surfaces along the X direction of the third frame 15 are provided with a pair of support projections 26, 26 projecting inwardly on both sides of the stage 12 in the Y direction. Bimorph-type piezoelectric elements 25a and 25b are mounted between the support protrusions 26 and 26 in a erected state. The third frame 15 forms a third support frame that connects the two ends of the pair of bimorph piezoelectric elements 25a and 25b.
また、第3の枠体15の内側の第4の枠体16にはY方向に
沿う一対の対向壁面の略中央部位にバイモルフ型圧電素
子25a,25b側に向けて突設された突起部27a、27bが形成
されている。これらの突起部27a、27bにはバイモルフ型
圧電素子25a,25bにおける長手方向略中央部位が固定さ
れており、これらの突起部27a、27bによって両バイモル
フ型圧電素子25a,25bのY方向の変位動作をステージ12
側に伝達する第3の変位量伝達アームが形成されてい
る。そして、バイモルフ型圧電素子25a,25b、第3の枠
体15および突起部27a、27bによってステージ12をY方向
に移動する第3のステージ変位機構28が形成されてい
る。Further, on the fourth frame body 16 inside the third frame body 15, a protruding portion 27a projecting toward the bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b side is formed at substantially central portions of a pair of opposing wall surfaces along the Y direction. , 27b are formed. The protrusions 27a, 27b are fixed to the substantially central portion in the longitudinal direction of the bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b, and these protrusions 27a, 27b displace both bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b in the Y direction. The stage 12
A third displacement amount transmitting arm that transmits to the side is formed. A third stage displacement mechanism 28 that moves the stage 12 in the Y direction is formed by the bimorph type piezoelectric elements 25a and 25b, the third frame 15 and the protrusions 27a and 27b.
さらに、第4の枠体16の内側には前述したバイモルフ型
圧電素子25a,25bと同一構成のバイモルフ型圧電素子29
a,29bがステージ12のY方向両側に平行に離間対向状態
で配設されている。この場合、第4の枠体16のX方向に
沿う一対の対向壁面には内側に向けて突設された一対の
支持突起30,30がステージ12のY方向両側にそれぞれ配
設されており、これらの支持突起30,30間にバイモルフ
型圧電素子29a,29bがそれぞれ架設状態で装着されてい
る。そして、この第4の枠体16によって一対のバイモル
フ型圧電素子29a,29bの両端部間を連結させる第4の支
持フレームが形成されている。Further, inside the fourth frame body 16, a bimorph type piezoelectric element 29 having the same structure as the above-mentioned bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b.
The a and 29b are arranged parallel to each other on both sides of the stage 12 in the Y direction in a spaced-apart and opposed state. In this case, a pair of support projections 30, 30 protruding inward are provided on the pair of opposing wall surfaces along the X direction of the fourth frame 16 on both sides of the stage 12 in the Y direction, respectively. Bimorph type piezoelectric elements 29a and 29b are mounted between the support protrusions 30 and 30 in a erected state. The fourth frame 16 forms a fourth support frame for connecting the two ends of the pair of bimorph piezoelectric elements 29a, 29b.
一方、第4の枠体16の内側のステージ12にはY方向に沿
う一対の対向壁面の略中央部位にバイモルフ型圧電素子
29a.29b側に向けて突設された突起部31a,31bが形成され
ている。これらの突起部31a,31bにはバイモルフ型圧電
素子29a.29bにおける長手方向略中央部位が固定されて
おり、これらの突起部31a,31bによって両バイモルフ型
圧電素子29a.29bのY方向に変位動作をステージ12側に
伝達する第4の変位量伝達アームが形成されている。そ
して、バイモルフ型圧電素子29a.29b、第4の枠体16お
よび突起部31a,31bによってステージ12をY方向に移動
する第4のステージ変位機構32が形成されている。この
場合、第4のステージ変位機構32のY方向の変位量は第
3のステージ変位機構28のY方向の変位量に加えられた
状態でステージ12側に伝達されるようになっており、こ
れらの第3のステージ変位機構28および第4のステージ
変位機構32によってステージ12をY方向に微小変位させ
て位置決めするY方向微小変位機構の変位量拡大機構B
が形成されている。On the other hand, on the stage 12 inside the fourth frame 16, a bimorph type piezoelectric element is provided at a substantially central portion of a pair of opposing wall surfaces along the Y direction.
Protrusions 31a and 31b are formed so as to protrude toward the 29a.29b side. The protrusions 31a, 31b are fixed to the substantially central portion in the longitudinal direction of the bimorph type piezoelectric elements 29a.29b, and the protrusions 31a, 31b displace the bimorph type piezoelectric elements 29a.29b in the Y direction. And a fourth displacement amount transmission arm for transmitting the signal to the stage 12 side. A fourth stage displacement mechanism 32 for moving the stage 12 in the Y direction is formed by the bimorph type piezoelectric elements 29a and 29b, the fourth frame body 16 and the protrusions 31a and 31b. In this case, the displacement amount of the fourth stage displacement mechanism 32 in the Y direction is transmitted to the stage 12 side while being added to the displacement amount of the third stage displacement mechanism 28 in the Y direction. The displacement amount enlarging mechanism B of the Y direction minute displacement mechanism for positioning the stage 12 by slightly displacing the stage 12 in the Y direction by the third stage displacement mechanism 28 and the fourth stage displacement mechanism 32.
Are formed.
次に、上記構成の作用について説明する。まず、各バイ
モルフ型圧電素子18a,18b、21a,21b、25a,25b、29a,29b
にそれぞれ電圧が印加されない不動作状態では各バイモ
ルフ型圧電素子18a,18b、21a,21b、25a,25b、29a,29bは
それぞれ略直線状の通常状態で保持されるので、この状
態では被駆動体搭載用のステージ12も所定の不動作位置
で保持される。Next, the operation of the above configuration will be described. First, each bimorph type piezoelectric element 18a, 18b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a, 29b
In a non-operating state in which no voltage is applied to each of the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a, 29b are held in a substantially linear normal state, the driven body is kept in this state. The mounting stage 12 is also held in a predetermined inoperative position.
そして、第1のステージ変位機構20の各バイモルフ型圧
電素子18a,18bにそれぞれ所定電圧V1が印加されると第
3図および第4図中に仮想線で示すようにこれらのバイ
モルフ型圧電素子18a,18bを構成している一方の圧電素
子1側が長さ方向に縮み、他方の圧電素子2側が伸びる
状態で変形する。そのため、バイモルフ型圧電素子18a,
18bが両端固定部分に対し、長手方向中央部分をステー
ジ12のX方向に沿ってx1だけ変位させる状態で略円弧状
に変形するので、バイモルフ型圧電素子18a,18bの変形
と同時に第1の枠体13の内側の各構成部材が第1の枠体
13に対してステージ12のX方向に沿ってx1だけそれぞれ
平行移動する。When a predetermined voltage V 1 is applied to each of the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b of the first stage displacement mechanism 20, these bimorph type piezoelectric elements are indicated by phantom lines in FIGS. 3 and 4. One piezoelectric element 1 side forming 18a, 18b contracts in the length direction, and the other piezoelectric element 2 side deforms in a state of extending. Therefore, the bimorph type piezoelectric element 18a,
Since 18b is deformed into a substantially arc shape in a state in which the central portion in the longitudinal direction is displaced by x 1 along the X direction of the stage 12 with respect to the fixed portions at both ends, the bimorph piezoelectric elements 18a and 18b are deformed at the same time as the first portion. Each component inside the frame 13 is a first frame
Each translation only x 1 along the X-direction of the stage 12 with respect to 13.
さらに、この状態で続けて第2のステージ変位機構24の
各バイモルフ型圧電素子21a,21bにそれぞれ所定電圧V2
が印加されるとバイモルフ型圧電素子21a,21bが両端固
定部分に対し、長手方向中央部分をステージ12のX方向
に沿ってx2だけ変位させる状態で略円弧状に変形する。
そのため、バイモルフ型圧電素子21a,21bの変形と同時
に第2の枠体14の内側の各構成部材が第2の枠体14に対
してステージ12のX方向に沿ってx2だけそれぞれ平行移
動する。したがって、第2の枠体14の内側の各構成部材
は第1の枠体13に対してステージ12のX方向に沿ってx1
+x2だけ平行移動するよになっている。Further, in this state, the bimorph type piezoelectric elements 21a and 21b of the second stage displacement mechanism 24 are continuously supplied with a predetermined voltage V 2 respectively.
Is applied, the bimorph type piezoelectric elements 21a and 21b are deformed into a substantially arc shape in a state where the longitudinal center portion is displaced by x 2 along the X direction of the stage 12 with respect to the fixed portions at both ends.
Therefore, at the same time when the bimorph type piezoelectric elements 21a and 21b are deformed, the respective constituent members inside the second frame body 14 move in parallel by x 2 along the X direction of the stage 12 with respect to the second frame body 14. . Therefore, each of the components inside the second frame body 14 is separated from the first frame body 13 by x 1 along the X direction of the stage 12.
It translates by + x 2 .
また、この状態で続けて第3のステージ変位機構28の各
バイモルフ型圧電素子25a,25bにそれぞれ所定電圧V3が
印加されるとバイモルフ型圧電素子25a,25bが両端固定
部分に対し、長手方向中央部分をステージ12のY方向に
沿ってy1だけ変位させる状態で略円弧状に変形する。そ
のため、バイモルフ型圧電素子25a,25bの変形と同時に
第3の枠体15の内側の各構成部材が第3の枠体15に対し
てステージ12のY方向に沿ってy1だけそれぞれ平行移動
する。Further, in this state, when a predetermined voltage V 3 is continuously applied to each bimorph type piezoelectric element 25a, 25b of the third stage displacement mechanism 28, the bimorph type piezoelectric element 25a, 25b is moved in the longitudinal direction with respect to the fixed portions at both ends. The center portion is deformed into a substantially arc shape while being displaced by y 1 along the Y direction of the stage 12. Therefore, at the same time as the bimorph type piezoelectric elements 25a and 25b are deformed, the respective constituent members inside the third frame body 15 are moved in parallel with the third frame body 15 by y 1 along the Y direction of the stage 12. .
さらに、続けて第4のステージ変位機構32の各バイモル
フ型圧電素子29a.29bにそれぞれ所定電圧V4が印加され
るとバイモルフ型圧電素子29a.29bが両端固定部分に対
し、長手方向中央部分をステージ12のY方向に沿ってy2
だけ変位させる状態で略円弧状に変形する。そのため、
バイモルフ型圧電素子29a.29bの変形と同時に第4の枠
体16の内側のステージ12が第4の枠体16に対してステー
ジ12のY方向に沿ってy2だけそれぞれ平行移動する。し
たがって、第4の枠体16の内側のステージ12は第3の枠
体15に対してステージ12のY方向に沿ってy1+y2だけ平
行移動するようになっており、このステージ12は第1の
枠体13に対してステージ12のX方向に沿ってx1+x2、さ
らにY方向に沿ってy1+y2だけそれぞれ平行移動するよ
うになっている。Further, when a predetermined voltage V 4 is continuously applied to each bimorph type piezoelectric element 29a.29b of the fourth stage displacement mechanism 32, the bimorph type piezoelectric element 29a.29b moves the central portion in the longitudinal direction with respect to the fixed portions at both ends. Y 2 along the Y direction of stage 12
It deforms into a substantially arc shape while being displaced. for that reason,
Simultaneously with the deformation of the bimorph type piezoelectric elements 29a and 29b, the stage 12 inside the fourth frame body 16 moves in parallel with the fourth frame body 16 by y 2 along the Y direction of the stage 12. Therefore, the stage 12 inside the fourth frame body 16 is adapted to move parallel to the third frame body 15 by y 1 + y 2 along the Y direction of the stage 12. With respect to the first frame 13, the stage 12 is translated by x 1 + x 2 along the X direction and further by y 1 + y 2 along the Y direction.
そこで、上記構成のものにあっては次の効果を奏する。
すなわち、ステージ12をX方向に移動する場合にはX方
向微小変位機構の変位量拡大機構Aの各段のバイモルフ
型圧電素子18a,18b、21a,21bにそれぞれ所定電圧を印加
することにより、各段のバイモルフ型圧電素子18a,18
b、21a,21bにおける両端固定部間の可動部を略円弧状に
変形させ、このときの各段のバイモルフ型圧電素子18a,
18b、21a,21bの可動部の変位動作を第1のステージ変位
機構20および第2のステージ変位機構24の各段の突起部
19a.19b、23a,23bを介して順次加えてその変位量を拡大
しながらステージ12をX方向に変位させて位置決めする
ようにしたので、ステージ12のX方向の移動時に従来に
比べてステージ12の変位量の増大を図ることができる。Therefore, the following effects are obtained with the above-mentioned configuration.
That is, when the stage 12 is moved in the X direction, by applying a predetermined voltage to each of the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b, 21a, 21b of each stage of the displacement amount magnifying mechanism A of the X direction minute displacement mechanism, Stepped Bimorph Piezoelectric Elements 18a, 18
b, 21a, 21b, the movable portion between the both fixed portions is deformed into a substantially arc shape, at this time the bimorph type piezoelectric element 18a of each stage,
The displacement operation of the movable parts of 18b, 21a, and 21b is performed by projecting parts of each stage of the first stage displacement mechanism 20 and the second stage displacement mechanism 24.
19a. 19b, 23a, and 23b are sequentially applied to increase the amount of displacement, and the stage 12 is displaced and positioned in the X direction. Therefore, when the stage 12 is moved in the X direction, the stage 12 is moved more than before. The displacement amount can be increased.
同様に、ステージ12をX方向と直交するY方向に移動す
る場合にはY方向微小変位機構の変位量拡大機構Bの各
段のバイモルフ型圧電素子25a,25b、29a,29bにそれぞれ
所定電圧を印加することにより、各段のバイモルフ型圧
電素子25a,25b、29a,29bにおける両端固定部間の可動部
を略円弧状に変形させ、このときの各段のバイモルフ型
圧電素子25a,25b、29a,29bの可動部の変位動作を第3の
ステージ変位機構28および第4のステージ変位機構32の
各段の突起部27a,27b、31a,31bを介して順次加えてその
変位量を拡大しながらステージ12をY方向に変位させて
位置決めするようにしたので、ステージ12のY方向の移
動時にも従来に比べてステージ12の変位量の増大を図る
ことができる。Similarly, when moving the stage 12 in the Y direction orthogonal to the X direction, a predetermined voltage is applied to the bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b, 29a, 29b of the respective stages of the displacement amount increasing mechanism B of the Y direction minute displacement mechanism. By applying, by applying a deformed piezoelectric element 25a, 25b, 29a, 29b in each stage the movable portion between the fixed portions at both ends is deformed into a substantially arc shape, at this time the bimorph piezoelectric element 25a, 25b, 29a of each stage , 29b of the movable part is sequentially added through the protrusions 27a, 27b, 31a, 31b of the respective stages of the third stage displacement mechanism 28 and the fourth stage displacement mechanism 32 to increase the displacement amount. Since the stage 12 is displaced in the Y direction and positioned, the displacement amount of the stage 12 can be increased compared to the conventional case even when the stage 12 moves in the Y direction.
さらに、X方向微小変位機構の変位量拡大機構Aの各段
のバイモルフ型圧電素子18a,18b、21a,21bおよびY方向
微小変位機構の変位量拡大機構Bの各段のバイモルフ型
圧電素子25a,25b、29a,29bの可動部の変位動作は印加電
圧の大きさに比例するので、各段のバイモルフ型圧電素
子18a,18b、21a,21b、25a,25b、29a,29bの印加電圧を適
正に制御することにより、ステージ12のX方向およびY
方向の変位をそれぞれ高精度に位置決めすることができ
る。Further, the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b, 21a, 21b of the respective stages of the displacement amount enlarging mechanism A of the X-direction micro displacement mechanism and the bimorph type piezoelectric elements 25a of the respective stages of the displacement amount enlarging mechanism B of the Y direction micro displacement mechanism. Since the displacement operation of the movable part of 25b, 29a, 29b is proportional to the magnitude of the applied voltage, the applied voltage of the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a, 29b of each stage should be properly adjusted. By controlling, the X direction and the Y direction of the stage 12 can be controlled.
The displacement in each direction can be positioned with high accuracy.
また、バイモルフ型圧電素子18a,18bの両端部を第1の
枠体13の開口部17a,17bの両端部位、またバイモルフ型
圧電素子21a,21bの両端部を第2の枠体14の支持突起22,
22の両端部位、バイモルフ型圧電素子25a,25bの両端部
を第3の枠体15の支持突起26,26の両端部位、バイモル
フ型圧電素子29a.29bの両端部を第4の枠体16の支持突
起30,30の両端部位にそれぞれ固定させたので、被駆動
体搭載用ステージ12の固有振動数(剛性)を高めること
ができる。そのため、バイモルフ型圧電素子を片持ち梁
として使用する場合に比べて位置決め装置本体11全体の
機械的強度を高めることができ、位置決め装置本体11全
体の動作の安定化を図ることができる。Further, both end portions of the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b are provided at both end portions of the openings 17a, 17b of the first frame body 13, and both end portions of the bimorph type piezoelectric elements 21a, 21b are provided as support projections of the second frame body 14. twenty two,
22 both end portions, both end portions of the bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b are both end portions of the support protrusions 26, 26 of the third frame body 15, and both end portions of the bimorph type piezoelectric elements 29a. 29b are the fourth frame body 16 respectively. Since the support protrusions 30 and 30 are fixed to both end portions, respectively, the natural frequency (rigidity) of the driven body mounting stage 12 can be increased. Therefore, the mechanical strength of the entire positioning device main body 11 can be increased as compared to the case where the bimorph type piezoelectric element is used as a cantilever, and the operation of the entire positioning device main body 11 can be stabilized.
さらに、ステージ12の周囲を囲む状態で4段に積層され
た略矩形枠状の第1〜第4の各枠体13,14,15,16を設
け、各段のバイモルフ型圧電素子18a,18b、21a,21b、25
a,25b、29a,29bを各枠体13,14,15,16に両端固定状態で
固定させるとともに、第1のステージ変位機構20および
第2のステージ変位機構24の各バイモルフ型圧電素子18
a,18b、21a,21bのX方向の変位動作を各段の突起部19a.
19b、23a,23bを介して順次加えてその変位量を拡大しな
がらステージ12側に伝達させ、さらに第3のステージ変
位機構28および第4のステージ変位機構32の各バイモル
フ型圧電素子25a,25b、29a.29bのY方向の変位動作を各
段の突起部27a,27b、31a,31bを介して順次加えてその変
位量を拡大しながらステージ12側に伝達させるようにし
たので、位置決め装置本体11内にX方向微小変位機構の
変位量拡大機構Aの各段のバイモルフ型圧電素子18a,18
b、21a,21bおよびY方向微小変位機構の変位量拡大機構
Bの各段のバイモルフ型圧電素子25a,25b、29a,29bをコ
ンパクトに組み込むことができる。そのため、位置決め
装置本体11全体を小形化することができるので、例えば
電子顕微鏡等の微調整機構等のように電子顕微鏡等の試
料を搭載するステージ12の微小変位を直交するXYの2方
向に高精度に制御するアクチュエータとして本装置を使
用する場合に本装置を電子顕微鏡等の本体側に効率よく
組み込むことができる。Further, the first to fourth frame bodies 13, 14, 15, 16 each having a substantially rectangular frame shape and stacked in four stages surrounding the stage 12 are provided, and the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b at each stage are provided. , 21a, 21b, 25
The a, 25b, 29a, 29b are fixed to the frame bodies 13, 14, 15, 16 with both ends fixed, and the bimorph type piezoelectric elements 18 of the first stage displacement mechanism 20 and the second stage displacement mechanism 24 are fixed.
Displacement movement of a, 18b, 21a, and 21b in the X direction is performed by the protruding portion 19a of each step.
19b, 23a, and 23b, 23b, and 23b, and the displacement amount is expanded and transmitted to the stage 12 side. Further, the bimorph type piezoelectric elements 25a and 25b of the third stage displacement mechanism 28 and the fourth stage displacement mechanism 32 are transmitted. , 29a.29b in the Y direction are sequentially applied via the protrusions 27a, 27b, 31a, 31b of the respective stages, and the displacement amount is enlarged and transmitted to the stage 12 side. The bimorph type piezoelectric elements 18a, 18 of the respective stages of the displacement increasing mechanism A of the X direction minute displacement mechanism
The bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b, 29a, 29b of the stages b, 21a, 21b and the displacement amount enlargement mechanism B of the Y direction minute displacement mechanism can be compactly incorporated. Therefore, the positioning device main body 11 as a whole can be downsized, so that a minute displacement of the stage 12 on which a sample such as an electron microscope is mounted, such as a fine adjustment mechanism such as an electron microscope, can be increased in two directions of XY orthogonal to each other. When this device is used as an actuator that controls with high accuracy, this device can be efficiently incorporated into the main body side of an electron microscope or the like.
なお、この発明は上記実施例に限定されるものではな
い。The present invention is not limited to the above embodiment.
例えば、各ステージ変位機構20,24,28,32のバイモルフ
型圧電素子18a,18b、21a,21b、25a,25b、29a.29bの変位
特性はそれぞれ異なるものであってもよく、各バイモル
フ型圧電素子18a,18b、21a,21b、25a,25b、29a,29bの印
加電圧もそれぞれ異なるものであってもよい。この場
合、例えば各バイモルフ型圧電素子18a,18b、21a,21b、
25a,25b、29a.29bの変位量をx1,x2,x3,x4、y5,y6,y7,y8
にそれぞれ設定した場合にはステージ12は第1の枠体13
に対してX方向に (x3+x4)/2+(x3+x4)/2、 またY方向に (y5+y6)/2+(y7+y8)/2 だけそれぞれ変位するようになっている。For example, the displacement characteristics of the bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a.29b of each stage displacement mechanism 20, 24, 28, 32 may be different, and each bimorph type piezoelectric element. The applied voltages to the elements 18a, 18b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a, 29b may be different from each other. In this case, for example, each bimorph type piezoelectric element 18a, 18b, 21a, 21b,
25a, 25b, x 1 the displacement of the 29a.29b, x 2, x 3, x 4, y 5, y 6, y 7, y 8
When set to each, the stage 12 is the first frame 13
Respectively in the X direction (x 3 + x 4) / 2 + (x 3 + x 4) / 2, also in the Y-direction (y 5 + y 6) / 2 + (y 7 + y 8) / 2 only so displaced relative ing.
また、上記実施例では各バイモルフ型圧電素子18a,18
b、21a,21b、25a,25b、29a.29bを構成する圧電素子1,2
の外面にそれぞれ単一の電極を設けた構成のものを示し
たが、第5図に示すように各バイモルフ型圧電素子18a,
18b、21a,21b、25a,25b、29a.29bを構成する圧電素子1,
2の外面にそれぞれ複数の電極41a,42a,43a,44a,41b,42
b,43b,44bを並設させた電極構造にしてもよい。Further, in the above embodiment, each bimorph type piezoelectric element 18a, 18
b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a.29b piezoelectric elements 1, 2 constituting
Although a structure in which a single electrode is provided on the outer surface of each of the bimorph type piezoelectric elements 18a,
Piezoelectric elements 1, 18b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a.29b
A plurality of electrodes 41a, 42a, 43a, 44a, 41b, 42 respectively on the outer surface of 2.
An electrode structure in which b, 43b, 44b are arranged in parallel may be used.
さらに、上記実施例ではX,Y方向の各ステージ変位機構2
0,24,28,32を2段に積層させ、2段の各ステージ変位機
構20,24,28,32の変位量を順次加えてステージ12側に伝
達する2段式の変位量拡大機構A,Bを設けた場合につい
て示したが、直交する二方向にそれぞれ3段以上の複数
段のステージ変位機構を積層させる構成にしてもよい。Further, in the above embodiment, each stage displacement mechanism 2 in the X and Y directions is used.
A two-stage displacement amount enlargement mechanism A in which 0, 24, 28, 32 are stacked in two layers and the displacement amounts of the two stage displacement mechanisms 20, 24, 28, 32 are sequentially added and transmitted to the stage 12 side. Although the case where B and B are provided has been described, a configuration in which a plurality of stages of stage displacement mechanisms each having three or more stages are laminated in two orthogonal directions may be adopted.
また、X方向の各ステージ変位機構の積層段数とY方向
の各ステージ変位機構の積層段数とを変化させてもよ
い。Further, the number of stacked stages of each stage displacement mechanism in the X direction and the number of stacked stages of each stage displacement mechanism in the Y direction may be changed.
また、上記実施例ではステージ12の周囲に互いに所定間
隔離間させた状態で4層に積層された略矩形枠状の枠体
13,14,15,16をそれぞれ配設し、外側の枠体13,14によっ
てステージ12のX方向に沿って離間対向状態で2段に配
置させたバイモルフ型圧電素子18a,18b、21a,21bの両端
をそれぞれ保持させるとともに、内側の枠体15,16によ
ってステージ12のY方向に沿って離間対向状態で2段に
配置させたバイモルフ型圧電素子25a,25b、29a.29bの両
端をそれぞれ保持させ、ステージ12のX方向に沿う2段
のバイモルフ型圧電素子18a,18b、21a,21bによるX方向
の変位量およびステージ12のY方向に沿う2段のバイモ
ルフ型圧電素子25a,25b、29a.29bによるY方向の変位量
をそれぞれ連続的に積層させた状態でステージ12側に伝
達させる構成のものを示したが、第6図に示すようにス
テージ12の周囲に互いに所定間隔離間させた状態で6層
に積層された略矩形枠状の枠体51,52,53,54,55,56をそ
れぞれ配設し、枠体52,54,56によってステージ12のX方
向に沿って離間対向状態で3段階に配置させたバイモル
フ型圧電素子61a,61b、62a,62b、63a,63bの両端をそれ
ぞれ保持させ、同様に枠体51,53,55によってステージ12
のY方向に沿って離間対向状態で3段に配置させたバイ
モルフ型圧電素子71a,71b、72a,72b、73a,73bの両端を
それぞれ保持させ、ステージ12のY方向に沿う各段のバ
イモルフ型圧電素子71a,71b、72a,72b、73a,73bによる
Y方向の変位量とステージ12のX方向に沿う各段のバイ
モルフ型圧電素子61a,61b、62a,62b、63a,63bによるX
方向の変位量とを交互に積層させた状態でステージ12側
に伝達させる構成にしてもよい。Further, in the above-mentioned embodiment, a frame body having a substantially rectangular frame shape, which is laminated in four layers around the stage 12 at a predetermined distance from each other.
Bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b, 21a, 21b in which 13, 14, 15, 16 are respectively arranged and are arranged in two stages in a state of being opposed to each other along the X direction of the stage 12 by the outer frame bodies 13, 14 And both ends of the bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b, 29a.29b which are arranged in two stages by the inner frame bodies 15 and 16 in the state of being spaced apart and facing each other along the Y direction of the stage 12, respectively. Then, the displacement amount in the X direction by the two stages of bimorph type piezoelectric elements 18a, 18b, 21a, 21b along the X direction of the stage 12 and the two stages of bimorph type piezoelectric elements 25a, 25b, 29a along the Y direction of the stage 12. Although the displacement amount in the Y direction by 29b is transmitted to the stage 12 side in a continuously laminated state, it is shown in FIG. The frame bodies 51,52,53,54,55,56 each having a substantially rectangular frame shape laminated in six layers Both ends of the bimorph type piezoelectric elements 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b, which are arranged and arranged in three stages with the frames 52, 54, 56 spaced apart and facing each other along the X direction of the stage 12, respectively. Hold the stage 12 in the same way with the frames 51, 53, 55.
Of the bimorph type piezoelectric elements 71a, 71b, 72a, 72b, 73a, 73b arranged in three stages in a spaced-apart and opposed state along the Y direction of FIG. The amount of displacement in the Y direction by the piezoelectric elements 71a, 71b, 72a, 72b, 73a, 73b and the X by the bimorph type piezoelectric elements 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b of the stages along the X direction of the stage 12.
The displacement amount in the direction may be transmitted to the stage 12 side while being alternately stacked.
この場合には枠体51,52,53,54,55,56の形状を第1図お
よび第2図の場合に比べて簡略化することができるの
で、製作の容易化および位置決め装置本体11全体の小形
化を図ることができる。そのため、位置決め装置本体11
全体の軽量化を図ることができるので、機械的共振周波
数を高くすることができ、位置決め装置本体11全体の安
定性を高めることができる。さらに、位置決め装置本体
11全体の軽量化にともないバイモルフ型圧電素子61a,61
b、62a,62b、63a,63b、71a,71b、72a,72b、73a,73bへの
負荷を減少させることができるので、ステージ12上の負
荷を大きくすることができる。In this case, the shape of the frame bodies 51, 52, 53, 54, 55, 56 can be simplified as compared with the case of FIGS. 1 and 2, facilitating manufacture and positioning device main body 11 as a whole. Can be miniaturized. Therefore, the positioning device body 11
Since the overall weight can be reduced, the mechanical resonance frequency can be increased, and the stability of the entire positioning device body 11 can be increased. In addition, the positioning device body
11 Bimorph type piezoelectric elements 61a, 61 due to overall weight reduction
Since the load on b, 62a, 62b, 63a, 63b, 71a, 71b, 72a, 72b, 73a, 73b can be reduced, the load on the stage 12 can be increased.
さらに、その他のこの発明の要旨を逸脱しない範囲で種
々変形実施できることは勿論である。Further, it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[発明の効果] この発明によれば被駆動体搭載用ステージを直交するXY
の2方向にそれぞれ微小変位させて位置決めするX方向
微小変位機構およびY方向微小変位機構を備えた位置決
め装置において、X方向微小変位機構およびY方向微小
変位機構のアクチュエータを前記ステージの両側にそれ
ぞれ平行に離間対向配置させたX方向およびY方向の複
数段のバイモルフ型圧電素子によって形成するととも
に、前記ステージの周囲を囲む状態で同一平面上に複数
段に積層された矩形枠状の支持フレームをX方向の一対
のフレーム壁の中央部位に前記アクチュエータの取付け
用開口部が形成されたX方向アクチュエータ支持枠と、
Y方向の一対のフレーム壁の中央に前記アクチュエータ
の取付け用開口部が形成されたY方向アクチュエータ支
持枠とによって形成して前記X方向アクチュエータ支持
枠における前記アクチュエータの取付け用開口部の両端
部に前記X方向アクチュエータのバイモルフ型圧電素子
の両端部を、また前記Y方向アクチュエータ支持枠にお
ける前記アクチュエータの取付け用開口部の両端部に前
記Y方向アクチュエータのバイモルフ型圧電素子の両端
部をそれぞれ固定させ、さらに外側段のX方向およびY
方向の前記バイモルフ型圧電素子の両端固定部間の可動
部の中央部位と内側段の前記支持フレームの前記バイモ
ルフ型圧電素子取付け用の開口部の両端部側とを接続す
るX方向およびY方向の変位量伝達アームを備え、X方
向の各段の前記バイモルフ型圧電素子の両端固定部間の
可動部の変位動作を前記X方向変位量伝達アームを介し
て順次加えてその変位量を拡大しながら前記ステージ側
に伝達するX方向変位量拡大機構およびY方向の各段の
前記バイモルフ型圧電素子の両端固定部間の可動部の変
位動作を前記Y方向変位量伝達アームを介して順次加え
てその変位量を拡大しながら前記ステージ側に伝達する
Y方向変位量拡大機構をそれぞれ設けたので、ステージ
を直交するXYの2方向にそれぞれ移動させる際に大きな
変位量を高精度に得ることができるとともに、機械的強
度が強く、動作の安定化を図ることができ、かつ装置全
体を小形化することができる。[Effects of the Invention] According to the present invention, the XY that intersects the driven body mounting stage at right angles
In a positioning device equipped with an X-direction micro-displacement mechanism and a Y-direction micro-displacement mechanism that perform micro-displacement in each of two directions, the actuators of the X-direction micro-displacement mechanism and the Y-direction micro-displacement mechanism are parallel to both sides of the stage, respectively. A rectangular frame-shaped support frame is formed by a plurality of bimorph type piezoelectric elements in the X and Y directions, which are spaced apart and opposed to each other, and is stacked in a plurality of stages on the same plane so as to surround the periphery of the stage. An X-direction actuator support frame in which an opening for mounting the actuator is formed at the central portion of a pair of frame walls in the direction of
And a Y-direction actuator support frame in which an opening for mounting the actuator is formed in the center of a pair of frame walls in the Y-direction, and the opening is formed at both ends of the opening for mounting the actuator in the X-direction actuator support frame. Both ends of the bimorph-type piezoelectric element of the X-direction actuator are fixed, and both ends of the bimorph-type piezoelectric element of the Y-direction actuator are fixed to both ends of the mounting opening of the actuator in the Y-direction actuator support frame, respectively. Outer X direction and Y
In the X direction and the Y direction connecting the central portion of the movable portion between the fixed portions of both ends of the bimorph type piezoelectric element and the both end sides of the opening for mounting the bimorph type piezoelectric element of the support frame in the inner stage. A displacement amount transmission arm is provided, and the displacement operation of the movable portion between the fixed portions at both ends of the bimorph type piezoelectric element at each stage in the X direction is sequentially applied via the X direction displacement amount transmission arm to increase the displacement amount. The X-direction displacement magnifying mechanism for transmitting to the stage side and the displacement operation of the movable portion between the fixed portions at both ends of the bimorph type piezoelectric element at each stage in the Y direction are sequentially added via the Y-direction displacement amount transmitting arm. Since the Y-direction displacement amount enlargement mechanism that transmits the displacement amount to the stage side while increasing the displacement amount is provided, a large displacement amount can be accurately adjusted when the stage is moved in each of the two XY directions orthogonal to each other. It is Rukoto, high mechanical strength, it is possible to stabilize the operation, and it is possible to compact the entire device.
第1図乃至第4図はこの発明の一実施例を示すもので、
第1図は位置決め装置全体の平面図、第2図は同斜視
図、第3図はバイモルフ型圧電素子の取付け状態を示す
平面図、第4図は第3図の一部を拡大した状態を示す要
部の平面図、第5図は別の実施例を示す要部の平面図、
第6図はさらに別の実施例を示す位置決め装置全体の平
面図である。 12……ステージ、13,14,15,16、51,52,53,54,55,56……
枠体(支持フレーム)、18a,18b,21a,21b,25a,25b,29a.
29b,61a,61b,62a,62b,63a,63b,71a,71b,72a,72b,73a,73
b……バイモルフ型圧電素子、19a.19b,23a,23b,27a,27
b,31a,31b……突起部(変位量伝達アーム)、20……第
1のステージ変位機構、24……第2のステージ変位機
構、28……第3のステージ変位機構、32……第4のステ
ージ変位機構、A,B……変位量拡大機構。1 to 4 show an embodiment of the present invention.
1 is a plan view of the entire positioning device, FIG. 2 is a perspective view of the same, FIG. 3 is a plan view showing a mounting state of a bimorph type piezoelectric element, and FIG. 4 is a partially enlarged view of FIG. FIG. 5 is a plan view of an essential part shown in FIG. 5, FIG. 5 is a plan view of an essential part showing another embodiment,
FIG. 6 is a plan view of the entire positioning device showing still another embodiment. 12 …… Stage, 13,14,15,16,51,52,53,54,55,56 ……
Frame (supporting frame), 18a, 18b, 21a, 21b, 25a, 25b, 29a.
29b, 61a, 61b, 62a, 62b, 63a, 63b, 71a, 71b, 72a, 72b, 73a, 73
b ... Bimorph type piezoelectric element, 19a.19b, 23a, 23b, 27a, 27
b, 31a, 31b ... Protrusion (displacement transmission arm), 20 ... first stage displacement mechanism, 24 ... second stage displacement mechanism, 28 ... third stage displacement mechanism, 32 ... third 4 stage displacement mechanism, A, B ... Displacement amount expansion mechanism.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 正和 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 内田 順三 静岡県富士市蓼原336番地 株式会社東芝 富士工場内 (72)発明者 石田 文彦 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 審査官 及川 泰嘉 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Masakazu Hayashi Inventor Masakazu Hayashi 8 Shinsita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Incorporated Research Institute of Industrial Technology, Toshiba Corporation (72) Junzo Uchida 336 Tatehara, Fuji-shi, Shizuoka Toshiba Corporation Fuji Factory (72) Inventor Fumihiko Ishida 8 Shinsita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Examiner, Yasuyoshi Oikawa, Corporate Engineering Research Laboratories, Toshiba Corporation
Claims (1)
2方向にそれぞれ微小変位させて位置決めするX方向微
小変位機構およびY方向微小変位機構を備えた位置決め
装置において、 X方向微小変位機構およびY方向微小変位機構のアクチ
ュエータを前記ステージの両側にそれぞれ平行に離間対
向配置させたX方向およびY方向の複数段のバイモルフ
型圧電素子によって形成するとともに、 前記ステージの周囲を囲む状態で同一平面上に複数段に
積層された矩形枠状の支持フレームをX方向の一対のフ
レーム壁の中央部位に前記アクチュエータの取付け用開
口部が形成されたX方向アクチュエータ支持枠と、Y方
向の一対のフレーム壁の中央に前記アクチュエータの取
付け用開口部が形成されたY方向アクチュエータ支持枠
とによって形成して前記X方向アクチュエータ支持枠に
おける前記アクチュエータの取付け用開口部の両端部に
前記X方向アクチュエータのバイモルフ型圧電素子の両
端部を、また前記Y方向アクチュエータ支持枠における
前記アクチュエータの取付け用開口部の両端部に前記Y
方向アクチュエータのバイモルフ型圧電素子の両端部を
それぞれ固定させ、 さらに外側段のX方向およびY方向の前記バイモルフ型
圧電素子の両端固定部間の可動部の中央部位と内側段の
前記支持フレームの前記バイモルフ型圧電素子取付け用
の開口部の両端部側とを接続するX方向およびY方向の
変位量伝達アームを備え、X方向の各段の前記バイモル
フ型圧電素子の両端固定部間の可動部の変位動作を前記
X方向変位量伝達アームを介して順次加えてその変位量
を拡大しながら前記ステージ側に伝達するX方向変位量
拡大機構およびY方向の各段の前記バイモルフ型圧電素
子の両端固定部間の可動部の変位動作を前記Y方向変位
量伝達アームを介して順次加えてその変位量を拡大しな
がら前記ステージ側に伝達するY方向変位量拡大機構を
それぞれ設けたことを特徴とする位置決め装置。1. A positioning device comprising an X-direction micro-displacement mechanism and a Y-direction micro-displacement mechanism for micro-displacement and positioning a stage for mounting a driven body in two directions of XY orthogonal to each other. And actuators of the Y-direction micro-displacement mechanism are formed by a plurality of bimorph-type piezoelectric elements in the X-direction and the Y-direction, which are arranged parallel to each other on both sides of the stage and are opposed to each other, and are in the same plane in a state of surrounding the periphery of the stage. A rectangular frame-shaped support frame stacked in a plurality of stages is provided on the X-direction actuator support frame in which an opening for mounting the actuator is formed at a central portion of a pair of X-direction frame walls, and a pair of Y-direction frame. It is formed by a Y-direction actuator support frame in which an opening for mounting the actuator is formed in the center of the wall. At both ends of the actuator mounting opening in the X-direction actuator support frame, and both ends of the bimorph type piezoelectric element of the X-direction actuator, and both ends of the actuator mounting opening in the Y-direction actuator support frame. Y in the section
Both ends of the bimorph type piezoelectric element of the directional actuator are fixed respectively, and further, the central portion of the movable part between the both end fixed portions of the bimorph type piezoelectric element in the outer stage in the X direction and the Y direction and the support frame of the inner stage. An X-direction and Y-direction displacement amount transmission arm that connects both ends of the opening for mounting the bimorph-type piezoelectric element is provided, and the movable portion between the both-end fixed portions of the bimorph-type piezoelectric element at each stage in the X-direction is provided. Displacement operation is sequentially applied via the X-direction displacement amount transmission arm to transmit the displacement amount to the stage side while enlarging the displacement amount and fixation of both ends of the bimorph type piezoelectric element at each stage in the Y direction. A Y-direction displacement amount enlarging mechanism that sequentially applies displacement movement of a movable part between the parts via the Y-direction displacement amount transmission arm to transmit the displacement amount to the stage side while enlarging the displacement amount. Positioning device characterized in that each is provided.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63183466A JPH0746909B2 (en) | 1988-07-25 | 1988-07-25 | Positioning device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63183466A JPH0746909B2 (en) | 1988-07-25 | 1988-07-25 | Positioning device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0236771A JPH0236771A (en) | 1990-02-06 |
| JPH0746909B2 true JPH0746909B2 (en) | 1995-05-17 |
Family
ID=16136283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63183466A Expired - Lifetime JPH0746909B2 (en) | 1988-07-25 | 1988-07-25 | Positioning device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0746909B2 (en) |
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|---|---|---|---|---|
| EP3570045A4 (en) * | 2017-01-10 | 2020-01-29 | Osaka University | SCANNING DEVICE AND SCANNING PROBE MICROSCOPE |
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| JPS62105488A (en) * | 1985-11-01 | 1987-05-15 | Ogura Houseki Seiki Kogyo Kk | Multilayer piezoelectric actuator element |
| JPS62138071A (en) * | 1985-12-11 | 1987-06-20 | Nec Corp | Linear motor |
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1988
- 1988-07-25 JP JP63183466A patent/JPH0746909B2/en not_active Expired - Lifetime
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| JPWO2018131343A1 (en) * | 2017-01-10 | 2020-02-06 | 国立大学法人大阪大学 | Scanner and scanning probe microscope |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0236771A (en) | 1990-02-06 |
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