JP2004025360A - Three-dimensional operation mechanism for minute work - Google Patents
Three-dimensional operation mechanism for minute work Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004025360A JP2004025360A JP2002185163A JP2002185163A JP2004025360A JP 2004025360 A JP2004025360 A JP 2004025360A JP 2002185163 A JP2002185163 A JP 2002185163A JP 2002185163 A JP2002185163 A JP 2002185163A JP 2004025360 A JP2004025360 A JP 2004025360A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- base
- piezoelectric elements
- piezoelectric element
- operated
- passive member
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
- Springs (AREA)
Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、精密位置決めや微細加工に用いる微少動作装置に関するもので、圧電素子を用いて動作対象物を3次元的に微少動作させる装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
圧電素子を駆動源とする3次元微少動作機構として、特開平6−170761号公報に開示されたものがある。この公報記載のものは、フィンガ等の被動作物を固定する受台と基台とを両端をピボット結合した6本の圧電素子で連結し、これら6本の圧電素子にそれぞれ異なる動作電圧を加えることによって、被動作物の3次元動作を実現している。
【0003】
圧電素子は、電圧制御によって微少な変形量を制御できるため、微少動作を正確に制御することが可能であるが、動作反力が圧電素子に曲げ応力や引張応力として作用すると、圧電素子を破損するおそれがあるので、動作反力が圧電素子の軸方向に圧縮力として作用するように配慮する必要がある。また、被動作物に所望の動作をさせるのに要する圧電素子の数は、少なければ少ないほどよく、駆動制御系も簡略化されて、装置全体を安価にできる。また、圧電素子の軸方向の伸縮動作を被動作物の自由な3次元動作に変換するための機構は、できるだけ単純でかつ誤差の原因となるような遊隙を有しない構造とすることが必要である。従って、例えば軸と孔による枢着構造や球体と凹球面によるピボット構造を用いると、それらの摺動面に不可避的に存在する遊隙が誤差の原因となる。微少動作装置では、被動作物の所望の動作自体が非常に小さいので、これらの遊隙による誤差がたとえ小さくても、本来の動作量に対する誤差量の割合は非常に大きくなる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記のような種々の制約条件の中で圧電素子を駆動源として被動作物に3次元的な微少動作を行わせる動作機構を得ることを課題としており、少ない本数の圧電素子で被動作物の3次元動作を実現でき、動作反力で圧電素子を破損するおそれがなく、かつ動作機構を構成する部材相互の間に誤差の原因となる遊隙や摺動部を有していない3次元微少動作機構を提供することを課題としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この出願の請求項1の発明に係る微細作業用3次元動作機構は、放射状に配置された3本以上の支持脚5で基台2に支持された受台4を備えている。各支持脚5は、それぞれの圧電素子3で当該それぞれの圧電素子の軸方向に押動される受動部材12を備え、各受動部材は基台2より放射方向外側に位置している。各受動部材12と基台2とは、放射方向に間隔を隔てて配置した軸方向に撓む平行板バネ群20で一体に連結され、各受動部材12と受台4とは、放射方向及び接線方向に撓む撓み部材21で一体に連結されている。3次元方向に動作して微細作業を行なうフィンガ、ニードル、フォークなどの被動作物1は、受台4に固定して装着される。
【0006】
平行板バネ群20は、好ましくは、放射方向に間隔を隔てて配置した板バネと、圧電素子3の押動位置を挟んで対称に配置した板バネとを含む、3枚以上の板バネによって形成される。
【0007】
請求項2の発明は、上記微細作業用3次元動作機構の撓み部材21が、直列に連結された放射方向に撓む板バネ37と接線方向に撓む板バネ38、39とを含む板バネ群で形成されている3次元動作機構である。
【0008】
受台4は、放射方向に配置した3本以上の支持脚5で支持されており、その支持脚のそれぞれが圧電素子3で軸方向に個別駆動されている。従って、3本の圧電素子3の印加電圧を個別に制御することにより、受台4の自由な方向への傾斜移動が可能であり、これによって受台4に固定されたフィンガや工具の先端を軸直角方向の2次元面内で自由に揺動させることができる。そして、3本以上の圧電素子に同電圧を加えることによって、受台4の軸方向移動が可能であり、これらの組み合わせによって受台4に固定したフィンガや工具やワークの先端を3次元的に任意に運動させることができる。
【0009】
基台2と各支持脚の受動部材12とを連結する平行板バネ群20は、平行リンク機構を構成しており、圧電素子3で受動部材12が押動されたとき、受動部材12は主として軸方向に移動し、圧電素子に曲げ力を作用させない。圧電素子3の移動ストロークは、最大でも数十ミクロン程度であり、平行板バネ群20の延在方向を放射方向ないし軸方向に傾斜した放射方向とすることにより、受動部材12が軸方向に移動した際の放射方向移動量を十分に小さくすることができ、この微少な放射方向移動は、圧電素子と受動部材とを固定する繋ぎ部材23、24や接着剤層の剪断変形によって吸収できる。従って、受動部材12を押動駆動する圧電素子の両端を接着剤等によって受動部材12と基台2とに固定することができ、受動部材12と圧電素子3との間に摺動部やピン結合部部などの誤差が入り込むおそれのある連結構造を介在させない構造とすることができる。
【0010】
受動部材12と受台4とは、撓み部材(実施例の複合板バネ群)21で一体的に連結されており、この受動部材12と受台4との間にも摺動部やピン結合部などの不可避的な遊隙を有する連結構造を有していないので、受動部材12の動きが正確に受台4に固定したフィンガ1や工具などに伝達される。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施例を参照して、この発明を更に説明する。図1は、この発明の構造でニードルフィンガ1を支持した例を示しており、各部の詳細が図1ないし6に示されている。
【0012】
図中2は基台で、この基台は、微小物品を搬送ないし操作するハンドリング装置のアーム先端や移動台、あるいは微細加工機械のテーブルや加工ヘッドなどに取付られる部材である。3は互いに平行に配置した3本の圧電素子、4は動作対象物を取付ける受台、5は各圧電素子3の軸方向(伸縮方向)延長上に位置して基台2と受台4とを連結している支持脚であり、被動作物であるニードルフィンガ1は、受台4に固定されている。基台2はコラム6の両端に基フランジ7と先フランジ8とを一体に備えた構造で、円周を3等分する位置に3本の圧電素子3が、その基端を基フランジ7に固定して、コラム6と平行に装着されている。以下、この明細書ではコラム6の中心軸方向を軸方向、この中心軸を中心として広がる方向を放射方向、中心軸の軸直角平面内で放射方向と直交する方向を接線方向という(図4参照)。
【0013】
各圧電素子には、変位をフィードバックするための歪ゲージ9が貼着されている。先フランジ8には、圧電素子3の延長部分に放射方向の切欠10が設けられている。
【0014】
各支持脚5は、図5ないし6に示すように、基台2に固定される基板11と、この基板に斜め放射方向の平行板バネ群20で一体に連結した受動部材12と、この受動部材12に第1及び第2繋ぎ板23、24を介在させた複合板バネ群21で一体に連結した台ブラケット13とを備えている。基板11は、ボルト26で前記基台の先フランジ8に固定されており、圧電素子3の延長上部分には、先フランジ8に設けたと同様な放射方向の切欠14が設けられている。
【0015】
圧電素子3は、両端に取付ブロック28、29が接着剤により固定され、基端の取付ブロック28はボルト31で基フランジ7に固定されている。先端の取付ブロック29は、ねじブロック32を介して植込みねじ33で受動部材12に固定されている。ねじブロック32には、これを回動させるための十字孔34が設けられている。
【0016】
基板11と受動部材12とを連結する平行板バネ群20は、互いに平行な4枚の帯板バネ36からなる。各帯板バネは、両端を基板11及び受動部材12に斜めに削り出した溝に両端を嵌め込んで接着されている。4枚の帯板バネは、放射方向に間隔を隔てて外側と内側とに平行に配置されると共に、圧電素子3の連結部を挟んで接線方向に対称に配置されている。各帯板バネ36の撓み方向は、軸方向ないし放射方向内側に傾いた軸方向である。
【0017】
この4枚の帯板バネ36は、放射方向外側と内側のものが平行リンク機構を構成しており、圧電素子3で受動部材12が軸方向に押動されたとき、内側と外側の帯板バネ36が同じ形状で撓んで受動部材12を平行移動させる。帯板バネ36の延在方向が正確に放射方向であれば、この軸方向移動のときに受動部材12は放射方向には変位しないが、図示実施例に示すように、帯板バネ36が傾斜しているときは、受動部材12は軸方向移動に伴って放射方向にも移動する。この放射方向移動は、前述したように圧電素子3と取付ブロック28、29との間の接着剤層やねじブロック32の剪断変形によって吸収できる大きさとすることができる。すなわち、帯板バネ36の方向を放射方向に近付けることにより、受動部材12の軸方向移動に伴う放射方向移動を無視できる程度に小さくすることができる。
【0018】
受動部材12と複合板バネ群の第1繋ぎ板23とは、面を接線方向にして放射方向に間隔を隔てて設けた2枚の短板バネ38によって連結されている。第1繋ぎ板23と第2繋ぎ板24とは、面を斜め放射方向にした互いに平行な4枚の帯板バネ37で連結されている。第2繋ぎ板24と台ブラケット13とは、面を接線方向にして放射方向に間隔を隔てて設けた2枚の短板バネ39で連結されている。これらの板バネ37、38、39の両端は、受動部材12と第1繋ぎ板23、第1繋ぎ板23と第2繋ぎ板24、第2繋ぎ板24と台ブラケット13に削り出された溝に両端を嵌め込んで接着してある。なお、第1繋ぎ板23と第2繋ぎ板24を連結する4枚の帯板バネ37の配置は、前記平行板バネ群20の帯板バネ36の配置と略同一で、その傾斜方向が反対である。
【0019】
この板バネ37、38、39を介した連結により、受動部材12の軸方向移動が台ブラケット13に伝達される一方、台ブラケット13の各方向の傾きが複合板バネ群21で吸収される。
【0020】
上記した構造の支持脚5の3本が、基台2の中心軸を中心とする円周を3等分する位置に、受動部材12が基板11より放射方向外側に位置するようにして配置されている。そして、3本の支持脚の3個の台ブラケット13に1個の受台4がねじ41によって固定されている。受台4には適宜な固定構造により、フィンガ、工具、ワークなどの被動作物が固定される。図1に示した例では、尖った先端を有するニードルフィンガ1が受台と一体の固定ブラケット40に螺合した固定ねじ41で固定されている。
【0021】
上記構造において、基台2の中心軸回りの円周を3等分する位置に配置した3本の圧電素子3に等しい電圧を印可することにより、ニードルフィンガ1の先端を軸方向に進退させることができる。そして、1個の圧電素子にのみ高い電圧を印加すると、ニードルフィンガ1の先端は、放射方向反対側に振れ、この放射方向の振れ動作は、3本の圧電素子3に印可する電圧を制御することにより、その振れ方向と振れ量とを制御できる。従って、上記動作の組み合わせにより、ニードルフィンガ1の先端を3次元的に動作させることができる。
【0022】
そして、圧電素子3に固定された受動部材12が平行リンク機構を構成する平行板バネ群20で支持されているため、圧電素子3に曲げ応力や大きな剪断応力を作用させない。そして、受動部材12と圧電素子3及び基台2と受台4とは、摺動部やピン連結部が存在しない接着ないしねじ締結構造により連結されているので、微少運動の誤差となる遊隙が存在せず、従って圧電素子3の制御により、受台4に装着したフィンガ、工具、ワークなどの被動作物を所望の3次元空間内で正確に運動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例の全体構成を示す斜視図
【図2】図1の装置の縦断面図
【図3】図1の装置の支持構造部の縦断面図
【図4】図2の支持構造部の正面図
【図5】1本の支持脚を示す側面図
【図6】1本の支持脚を示す平面図
【符号の説明】
1 ニードルフィンガ
2 基台
3 圧電素子
4 受台
5 支持脚
12 受動部材
20 平行板バネ群
21 複合板バネ群
37 帯板バネ
38 短板バネ
39 短板バネ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE
[0002]
[Prior art]
As a three-dimensional minute operation mechanism using a piezoelectric element as a driving source, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H6-170761. In this publication, a receiving base for fixing an object to be operated, such as a finger, and a base are connected by six piezoelectric elements whose both ends are pivotally connected, and different operating voltages are applied to these six piezoelectric elements. This realizes a three-dimensional operation of the object.
[0003]
Since the piezoelectric element can control minute deformation by voltage control, it is possible to accurately control the micro operation.However, when the reaction force acts on the piezoelectric element as bending stress or tensile stress, the piezoelectric element is damaged. Therefore, it is necessary to consider that the reaction force acts as a compressive force in the axial direction of the piezoelectric element. In addition, the number of piezoelectric elements required for causing the object to perform a desired operation is preferably as small as possible, and the drive control system is simplified, so that the entire apparatus can be manufactured at low cost. Also, the mechanism for converting the axial expansion and contraction movement of the piezoelectric element into a free three-dimensional movement of the object to be operated must have a structure that is as simple as possible and has no play space that causes an error. It is. Therefore, for example, when a pivot structure using a shaft and a hole or a pivot structure using a sphere and a concave spherical surface is used, an unavoidable play space on the sliding surfaces causes an error. In the micro operation device, the desired operation itself of the object to be operated is very small. Therefore, even if the error due to these play gaps is small, the ratio of the error amount to the original operation amount becomes very large.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an operation mechanism for performing a three-dimensional micro operation on an object to be operated by using a piezoelectric element as a drive source under the above-described various constraint conditions. A three-dimensional operation of the object to be operated can be realized, there is no risk of damaging the piezoelectric element due to an operation reaction force, and there are play gaps and sliding parts between members constituting the operation mechanism, which cause errors. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional micro operation mechanism.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The three-dimensional operation mechanism for fine work according to the invention of
[0006]
The parallel
[0007]
According to a second aspect of the present invention, the
[0008]
The
[0009]
The group of
[0010]
The
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be further described with reference to embodiments shown in the drawings. FIG. 1 shows an example in which a
[0012]
In the drawing,
[0013]
A
[0014]
As shown in FIGS. 5 and 6, each support leg 5 includes a
[0015]
The mounting blocks 28 and 29 are fixed to both ends of the
[0016]
The parallel
[0017]
The four band springs 36 constitute a parallel link mechanism in the radially outer and inner directions. When the
[0018]
The
[0019]
By the connection via the
[0020]
The three supporting legs 5 having the above-described structure are arranged at positions where the circumference around the center axis of the
[0021]
In the above structure, the tip of the
[0022]
Since the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of an embodiment. FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the apparatus of FIG. 1. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a support structure of the apparatus of FIG. 1. FIG. FIG. 5 is a side view showing one support leg. FIG. 6 is a plan view showing one support leg.
DESCRIPTION OF
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002185163A JP2004025360A (en) | 2002-06-25 | 2002-06-25 | Three-dimensional operation mechanism for minute work |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002185163A JP2004025360A (en) | 2002-06-25 | 2002-06-25 | Three-dimensional operation mechanism for minute work |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004025360A true JP2004025360A (en) | 2004-01-29 |
Family
ID=31180892
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002185163A Pending JP2004025360A (en) | 2002-06-25 | 2002-06-25 | Three-dimensional operation mechanism for minute work |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004025360A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7994023B2 (en) | 2007-08-10 | 2011-08-09 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Manufacturing methods of SOI substrate and semiconductor device |
CN103950027A (en) * | 2014-04-24 | 2014-07-30 | 南京航空航天大学 | Linear supersonic motor-based two-finger parallel connection micro operation hand and operation method |
CN105881505A (en) * | 2016-05-16 | 2016-08-24 | 安庆米锐智能科技有限公司 | Special inspection robot for electric power distribution cabinet |
CN107720691A (en) * | 2017-11-02 | 2018-02-23 | 南京航空航天大学 | Six degree of freedom is double to refer to micro-/nano operating device in parallel and its operating method |
-
2002
- 2002-06-25 JP JP2002185163A patent/JP2004025360A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7994023B2 (en) | 2007-08-10 | 2011-08-09 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Manufacturing methods of SOI substrate and semiconductor device |
CN103950027A (en) * | 2014-04-24 | 2014-07-30 | 南京航空航天大学 | Linear supersonic motor-based two-finger parallel connection micro operation hand and operation method |
CN105881505A (en) * | 2016-05-16 | 2016-08-24 | 安庆米锐智能科技有限公司 | Special inspection robot for electric power distribution cabinet |
CN107720691A (en) * | 2017-11-02 | 2018-02-23 | 南京航空航天大学 | Six degree of freedom is double to refer to micro-/nano operating device in parallel and its operating method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR970010616B1 (en) | Micro manipulator | |
CN100533799C (en) | Positioner device | |
JP2005268760A (en) | Stage apparatus | |
CN102446563A (en) | Three-degree-of-freedom microoperation orthogonal parallel operating platform used for ultraprecise location | |
US4600854A (en) | Piezoelectric stepping rotator | |
JP2005511333A (en) | Micromanipulator including piezoelectric bender | |
CN109514594A (en) | A kind of piezo mechanical hand and its control method based on spherical joint | |
JP4838865B2 (en) | Piezoelectric motor and electronic device with piezoelectric motor | |
JP2006322714A (en) | Motion stage | |
JP2004506529A (en) | Device for multi-axially and precisely adjustable support of components | |
JP2004025360A (en) | Three-dimensional operation mechanism for minute work | |
JP2013052487A (en) | Parallel mechanism and positioning device using parallel mechanism | |
JP3434709B2 (en) | Table mechanism | |
US7284459B2 (en) | Remote center of rotation positioning device | |
JP2021013991A (en) | Needle gripper and actuator | |
JP2003062773A (en) | Micromanipulator | |
JPH0386434A (en) | Precision stage device | |
JP4946770B2 (en) | Adjustment stage and adjustment stage apparatus | |
JP3772005B2 (en) | Moving device and scanning probe microscope having the moving device | |
JP2000009867A (en) | Stage moving device | |
JP7547173B2 (en) | Vibration actuator, multi-axis stage, multi-joint robot and device | |
JP4803462B2 (en) | manipulator | |
JP2019170079A (en) | Vibration type actuator and device | |
JPH08318482A (en) | Hinge mechanism and micro manipulator using it | |
JP2773781B2 (en) | Precision fine movement stage device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050613 |
|
A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20061107 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20061128 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20070619 |