JP2007154965A

JP2007154965A - 変位拡大機構

Info

Publication number: JP2007154965A
Application number: JP2005349386A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Tomita; 司冨田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】機構全体を大型化させることなく大きなストロークを確保でき且つ制御精度に優れた変位拡大機構を提供する。
【解決手段】本発明に係る変位拡大機構は、固定部１と、固定部１に弾性ヒンジ３を介して一端を接続されたアーム５と、固定部１に弾性ヒンジ３１を介して一端を接続され他端を弾性ヒンジ３２を介してアーム５に接続され且つアーム５の長軸方向と略平行に配設されたアクチュエータ２とから構成される。この構成によれば、大きな変位量を確保するためにアクチュエータの長さを長くしても、アクチュエータはアームと略並行に構成されているので、変位方向への大型化を招くことがない。特にアクチュエータの全長がアームの長さ以内である場合には、アームの長軸方向に対しても一切大型化させることなく変位量を大きくすることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密で微小な変位機能を有する変位機構の変位量を拡大させるための変位拡大機構に関する。特に、走査型プローブ顕微鏡等のステージ駆動機構などの精密で微小な変位を実現させるものに好適に利用される。

従来、走査型プローブ顕微鏡等のステージのように、微小な位置調整機構を有する移動ステージを駆動させる場合には、変位量が精密に制御可能な圧電素子や磁歪素子等のアクチュエータを用い、その変位量でもってステージを移動させるようにしている。しかし、圧電素子等のアクチュエータの変位量は微小であり、例えば一般的な積層型圧電素子の最大伸縮量は、素子の全長に対して１／１０００程度しかない。よって、圧電素子等のアクチュエータによる被移動物であるステージのストローク量もこうしたアクチュエータの最大伸縮量に制限されるため、より大きなストローク量を確保するためには、移動方向により長いアクチュエータを用いたり必要数のアクチュエータを連結伸張することになり、移動方向への機構全体の長さを大型化させていた。

そこで近年、図５に示すような「てこの原理」を利用した変位拡大機構によってステージのストローク量を確保するものが提案されている（特許文献１）。この変位拡大機構は、図５（ａ）に示すように、基端側（図左側）がヒンジ３を介して固定台１に支持されたアーム５を備えており、アーム５は直交座標ＸＹのＸ軸方向に平行な水平軸Ｈに沿って延出している。そして、アーム５の先端側（図右端側）には、変位拡大機構の出力変位端５ａが構成されており、出力変位端５ａは水平軸Ｈ上に位置付けられている。このような変位拡大機構において、圧電素子等の図外のアクチュエータによってアーム５の一部を荷重Ｆで押し上げると、図５（ｂ）に示すように、アーム５はヒンジ３を支点として角度θだけ傾き、出力変位端５ａに拡大された変位量を与える。この変位拡大機構における出力変位量Ｙは次式に基いて決定される。

Ｙ＝ｙ×Ｌ／ｂ（但しｂ＜Ｌ）・・・式（１）
なお、Ｙは出力変位端５ａの出力変位量、ｙはアクチュエータの変位量、Ｌはアーム５の長さ（ヒンジ３から出力変位端５ａに亘る長さ）、ｂはアーム５へのアクチュエータの作用点とヒンジ３までの距離（ｂ＜Ｌ）である。

この式から明らかなように、より大きな出力変位量Ｙを得るためには、アクチュエータの変位量ｙを大きくするか、アーム５の長さＬを大きくするか、あるいはアクチュエータの作用点とヒンジ３との距離ｂを小さくする必要がある。

特開２００１−０２２４４５号公報

しかしながら、アーム５の長さＬを大きくすれば、機構全体がｘ軸方向に大型化してしまい、またアクチュエータの作用点とヒンジ３との距離ｂはアクチュエータの幅によって制限されるため、極端に小さくすることは困難である。
アクチュエータの変位量ｙを大きくするにも、前述したように、圧電素子や磁歪素子などのアクチュエータの変位量ｙは、アクチュエータの長さによってほぼ決まってしまうため、アクチュエータの変位量ｙを大きくするためには、アクチュエータの長さを長くする必要があり、出力変位方向に対して機構が大型化するという問題があり、顕微鏡等のステージ駆動機構にこの変位拡大機構を搭載する場合にもＹ軸方向に大型化するなど不利益な点が多い。

本発明はこうした問題を鑑みて為されたものであり、機構全体を大型化させることなく大きなストロークを確保できる制御精度に優れた変位拡大機構を提供するものである。

上記の目的を達成するため、本発明に係る変位拡大機構は、固定部と、該固定部に一端を接続されたアームと、該固定部に一端を接続され他端を前記アームに接続され且つ前記アームの長軸方向と略平行に配設されたアクチュエータとを備えてなる。

前記アームと固定部との接続は、そのまま固着しても、ヒンジを介して接続するようにしても良いが、ヒンジを介したものとすると、点で屈曲させることによる変位精度の確保、アームやアクチュエータ自身による変位量吸収による出力変位量の減少防止、応力による剛性低下防止などの面から望ましい。

前記アクチュエータは、電気エネルギーを供給すると運動エネルギーに変換する公知のものを指し、例えば、圧電素子、磁歪素子、ジュール熱による物体の熱膨張を利用したものなどが挙げられる。

本願発明構成によれば、大きな変位量を確保するためにアクチュエータの長さを長くしても、アクチュエータはアームと略並行に構成されているので、変位方向への大型化を招くことがない。特にアクチュエータの全長がアームの長さ以内である場合には、アームの長軸方向に対しても一切大型化させることなく変位量を大きくすることが可能となる。

以下、図を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る変位拡大機構の一構成例を示す説明図である。図右側の固定部１に対して、アーム５がヒンジ３を介して接続されている。図においてアーム５の左上端が出力変位端５ａとなる。２はアクチュエータであり、ヒンジ３１、３２を介して固定部１およびアーム５の屈曲部５ｂと接続されている。

図１に示すような固定部１、アーム５及びヒンジは別異の材料から作製したものを組み立てても良いが、同一材料から一体加工とすることが望ましい。加工には一つの材料からフライス盤などで外形加工した後に、ワイヤ放電加工でヒンジ部を精密加工する他、公知の加工手法を用いることができる。材質としては、ＳＵＳ、チタン、インバー、アルミなどの公知の材料を用いることができ、機構として必要とされる変位量や掛かる力などによって適宜選択される。

アクチュエータとしては、前記アクチュエータは、電気エネルギーの供給により変位量を制御できるものであれば良く、例えば、圧電素子、磁歪素子、ジュール熱による物体の熱膨張を利用したものなど公知の手段が利用できる。

今、アーム５の長軸方向をＸ方向とすると、アクチュエータ２の変位方向もまたＸ方向となる。アクチュエータ２を伸張駆動させると、アクチュエータ２はヒンジ３１、３２を介して固定部１およびアーム５の屈曲部５ｂに接続されているため、アーム５を伸ばす方向に働こうとするが、アーム５が伸縮や屈曲が無視できる程度に充分に強固であれば、アーム５はヒンジ３を支点として回転し、出力変位端５ａはＹ方向へ変位する（図２）。
このとき、出力変位端５ａの出力変位量をＹ、アクチュエータ２の変位量をｘ、アーム５の長さ（ヒンジ３から出力変位端５ａに亘る長さ）をＬ、ヒンジ３とヒンジ３１との距離（固定部１に対するアクチュエータ２とアーム５との作用点間距離）をｂとすると、図３に示す三角形の相似の関係から

ｘ／ｂ＝Ｙ／Ｌ

となり、これを変形することにより、アクチュエータ２の変位量に対する、出力変位端５ａの変位量は次式に示すように拡大されたものとなる。

Ｙ＝ｘ×Ｌ／ｂ・・・式（２）
（Ｙは出力変位端５ａの出力変位量、ｘはアクチュエータの変位量、Ｌはアーム５の長さ（ヒンジ３から出力変位端５ａに亘る長さ）、ｂはヒンジ３とヒンジ３１との距離（固定部１に対するアクチュエータ２とアーム５との作用点間距離））

別の実施例を図４に示す。上式から明らかなように、アクチュエータ２の変位量ｘが同じである場合でも、アクチュエータ２の変位を固定部１に作用させる点であるヒンジ３１と、アーム５の固定部１への作用点であるヒンジ３’との距離ｂ’を小さくする、即ちヒンジ３’の位置を下方向へ設けるようにしたことにより、得られる出力変位量を大きくすることができる。

なお上述した実施例においては、各部の接続を弾性ヒンジを介して行うように構成したが、これに限らず公知の機械ヒンジ、例えば回転摺動機構などでも実現することができる。あるいは、ヒンジ機構なしで各部材を直接固着することでも実現は可能である。この場合には、アームやアクチュエータが出力変位時の角度差を緩和するだけ湾曲することにより実現される。但し、十分な部材間の固着力が必要となり、また変位拡大量も部材の湾曲に吸収されてやや小さくなることが予想され、さらには変位量を精密に制御するためにも各部材が一定の箇所で接続されるようヒンジを介した構成とすることが望ましい。

本発明に係る変位拡大機構は、走査型プローブ顕微鏡等のステージ駆動機構などに好適に利用される他、電子顕微鏡の駆動機構、超精密加工機、ナノマニピュレーションシステムなどにも利用できる。

本発明に係る変位拡大機構の一実施例を示す説明図である。本発明に係る変位拡大機構の変位後の状態を示す説明図である。本発明に係る変位拡大機構の拡大原理の説明図である。本発明に係る変位拡大機構の他の実施例を示す説明図である。従来の変位拡大機構の説明図である。

符号の説明

１・・・固定部
２・・・アクチュエータ
３、３’、３１、３２・・・ヒンジ
５・・・アーム
５ａ・・変位出力端

Claims

固定部と、
該固定部に一端を接続されたアームと、
該固定部に一端を接続され他端を前記アームに接続され且つ前記アームの長軸方向と略平行に配設されたアクチュエータと、
を備えてなる変位拡大機構。
固定部と、
該固定部にヒンジを介して一端を接続されたアームと、
該固定部にヒンジを介して一端を接続され他端を前記アームに接続され且つ前記アームの長軸方向と略平行に配設されたアクチュエータと、
を備えてなる変位拡大機構。