JPS63238493A - Moving mechanism - Google Patents

Moving mechanism

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JPS63238493A
JPS63238493A JP62071389A JP7138987A JPS63238493A JP S63238493 A JPS63238493 A JP S63238493A JP 62071389 A JP62071389 A JP 62071389A JP 7138987 A JP7138987 A JP 7138987A JP S63238493 A JPS63238493 A JP S63238493A
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section
clamp
piezoelectric actuator
clamping
displacement
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洋志 徳本
寛 阪東
紀生 鈴木
貞夫 河島
修 水口
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Kobe Steel Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
Kobe Steel Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば、走査型トンネル顕微鏡の探針の初
期設定を行うため等に使用して好適な移動機構に関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a moving mechanism suitable for use, for example, in initializing the probe of a scanning tunneling microscope.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

例えば、走査型トンネル顕微鏡においては、探針を試料
に対して超微少距離(略10Aのオーダ)まで近接させ
る必要があるが、そのための移動機構としては、従来、
圧電アクチュエータを用いた移動機構が使用されている
。第4図(a)と(′b)は、例えば、米国特許4.3
43.993号に示されているこの種の移動機構を示し
たものであって、Aは移動体、Bは移動体のガイド部で
ある。移動体Aは平行する2本の水平な下アーム1と上
アーム2及び垂直方向(2方向とする)の中央アーム3
を有するH体をなしており、このH体に、上アーム2か
ら上方に伸びるヘッドアーム4を設けて該ヘッドアーム
4の先端に探針5を取着しである。これら各アーム1〜
4は圧電アクチュエータで構成された伸縮アームである
。ガイド部Bは平行する2本のガイド溝6.7を有し、
ガイド溝6にアームlと2の一端脚部が係合され1.ガ
イド溝7にアーム1と2の他端脚部が係合される。
For example, in a scanning tunneling microscope, it is necessary to bring the probe close to the sample at an extremely small distance (approximately 10A order), but the movement mechanism for this purpose has conventionally been
A movement mechanism using a piezoelectric actuator is used. Figures 4(a) and ('b) are, for example, U.S. Pat.
43.993, in which A is a moving body and B is a guide portion of the moving body. The moving body A has two parallel horizontal lower arms 1 and upper arms 2, and a vertical (two directions) central arm 3.
This H-body is provided with a head arm 4 extending upward from the upper arm 2, and a probe 5 is attached to the tip of the head arm 4. Each of these arms 1~
4 is a telescoping arm made up of a piezoelectric actuator. The guide part B has two parallel guide grooves 6.7,
One end leg portions of arms l and 2 are engaged with guide groove 6, and 1. The other end legs of the arms 1 and 2 are engaged with the guide groove 7.

この構成においては、下アーム1の圧電アクチュエータ
に負の電圧、上アーム2の圧電アクチュエータに正の電
圧を印加すると、上アーム2は伸張して左右の脚がガイ
ド溝6.7の底に押圧力により固定され、下アーム1は
縮んで左右の脚とガイド溝6.7との係合が弛む。次い
で、中央アーム3の圧電アクチュエータに負の電圧を印
加して縮ませたのち、下アーム1と上アーム2の圧電ア
クチュエータに上記とは逆の電圧をタイミングを少しず
らせて印加すると下アーム1の脚がガイド溝6.7に固
定され、上アーム2の脚は固定を解かれる。次いで、中
央アーム3の圧電アクチュエータを無負荷にすると、移
動体Aは中央アーム3の上記縮み量分だけ図示矢印の向
きに微少移動することになる。このシーケンスを繰り返
すことにより移動体Aを尺取虫状に移動させることがで
きる。ヘッドアーム4は探針5の超微少種動用であって
、探針5の試料に対する距離を初期設定する場合には、
このヘッドアーム4を伸張させた状態で、移動体Aを試
料へ向けて粗移動し、トンネル電流を検知すると移動体
Aの粗移動を停止させて行う。〔発明が解決しようとす
る問題点〕このように移動体Aは3個の圧電アクチュエ
ータを所定のシーケンスに従い伸縮させて移動させるが
、市販されている圧電アクチュエータの最大変位量は2
0μm程度であるので、上記ガイド溝の機械加工精度を
極めて高精度なものにする必要がある上、移動時に移動
するアームの上記脚が上記溝内を摺動する状態となるの
で、移動サイクルを高くして高速移動を行うとした場合
に移動量が一定に安定しなくなるといった問題があった
。更に、移動体Aは探針5に対して一方側にあるため、
圧電アクチュエータの発生熱による熱膨張歪(変位)が
直接探針5に作用するという問題があった。
In this configuration, when a negative voltage is applied to the piezoelectric actuator of the lower arm 1 and a positive voltage is applied to the piezoelectric actuator of the upper arm 2, the upper arm 2 is extended and the left and right legs are pushed to the bottom of the guide groove 6.7. Fixed by pressure, the lower arm 1 is contracted and the engagement between the left and right legs and the guide grooves 6.7 is loosened. Next, a negative voltage is applied to the piezoelectric actuator of the center arm 3 to cause it to contract, and then a voltage opposite to the above is applied to the piezoelectric actuators of the lower arm 1 and the upper arm 2 with a slightly different timing. The legs are fixed in the guide grooves 6.7 and the legs of the upper arm 2 are released. Next, when the piezoelectric actuator of the central arm 3 is unloaded, the movable body A slightly moves in the direction of the illustrated arrow by the amount of contraction of the central arm 3 described above. By repeating this sequence, the moving body A can be moved in the shape of an inchworm. The head arm 4 is used for ultra-fine seed motion of the probe 5, and when initially setting the distance of the probe 5 to the sample,
With this head arm 4 extended, the movable body A is roughly moved toward the sample, and when a tunnel current is detected, the coarse movement of the movable body A is stopped. [Problem to be solved by the invention] In this way, the moving body A moves by expanding and contracting the three piezoelectric actuators according to a predetermined sequence, but the maximum displacement of commercially available piezoelectric actuators is 2.
Since the diameter is approximately 0 μm, the machining accuracy of the guide groove must be extremely high, and the leg of the arm that moves during movement will be in a state of sliding within the groove, so the movement cycle will be shortened. There is a problem in that when the height is increased to move at high speed, the amount of movement becomes unstable. Furthermore, since the moving body A is on one side of the probe 5,
There is a problem in that thermal expansion strain (displacement) due to heat generated by the piezoelectric actuator directly acts on the probe 5.

この発明は上記問題を解消するためになされたもので、
機械加工精度としては現在技術で容易に得られる精度で
済み、しかも、安定した高速移動が可能で、上記探針等
の移動対象に対する圧電アクチュエータの発生熱による
熱膨張歪の影響を除去可能な移動機構を提供することを
目的とする。
This invention was made to solve the above problem.
The machining accuracy is one that can be easily obtained with current technology, and it is also capable of stable high-speed movement, and can eliminate the effects of thermal expansion distortion caused by the heat generated by the piezoelectric actuator on the object to be moved, such as the above-mentioned probe. The purpose is to provide a mechanism.

〔問題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

この発明は上記目的を達成するため、ガイド面を対向し
て基台上に平行に立設された2本のガイド板、水平向き
に平行する上下板ばねを有し上記基台上に固定された平
行ばね機構で支持されたうえ移動対象を支持して上記ガ
イド板の上記ガイド面間に該両ガイド面に対して所定の
隙間を隔てて垂直向きに配置された1次元インチワーム
とを有し、該1次元インチワームが、左右対称構造であ
って、移動用圧電アクチュエータが上下向きに圧入され
る伸縮部と該伸縮部に上下に連続しクランプ用圧電アク
チュエータが上下向きに圧入される上下のクランプ部と
を有し、該クランプ部は、対応する上記ガイド板にクラ
ンプ係合可能な所定面積のクランプ面部を有するクラン
プ子と該クランプ子に上記クランプ用圧電アクチュエー
タの伸張変位を増幅して伝達して上記クランプ子を外方
へ弾性駆動する部分からなるようにしたものである。
In order to achieve the above object, this invention has two guide plates erected in parallel on a base with their guide surfaces facing each other, upper and lower leaf springs horizontally parallel, and fixed on the base. a one-dimensional inch worm supported by a parallel spring mechanism and arranged perpendicularly between the guide surfaces of the guide plate with a predetermined gap between the two guide surfaces to support the moving object; The one-dimensional inch worm has a left-right symmetrical structure, including an extensible part into which a moving piezoelectric actuator is press-fitted in an upward and downward direction, and an upper and lower part which continues vertically into the elastic part and into which a piezoelectric actuator for clamping is press-fitted upwardly and downwardly. The clamp part has a clamp element having a clamp surface part of a predetermined area that can be clamped to the corresponding guide plate, and a clamp element that amplifies the extensional displacement of the piezoelectric actuator for clamping to the clamp element. The clamp element is configured to include a portion that elastically drives the clamp element outward by transmitting the signal.

〔作用〕[Effect]

この発明では、クランプ用圧電アクチュエータの伸張変
位が大幅に増幅されるので、必要な機械加工精度は通常
容易に達成し得る精度で済む、また、移動時、移動部分
はガイド板とは非接触状態で移動するので、移動サイク
ルを高めても、1回当たりの移動量を小さくしても再現
性よく微少量づつの移動ができ、高速移動を達成するこ
とができる。また、クランプ部が伸縮部の上下に連続し
ているので、中央部では、圧電アクチュエータの発生熱
による熱膨張歪が相殺されることにより該中央部に移動
対象の支持体を連結すれば、移動対象には上記熱膨張歪
が作用しない。
In this invention, since the extension displacement of the piezoelectric actuator for clamping is greatly amplified, the required machining accuracy is normally easily achievable, and the moving part is not in contact with the guide plate during movement. Therefore, even if the movement cycle is increased or the amount of movement per time is reduced, the movement can be performed minute by minute with good reproducibility, and high-speed movement can be achieved. In addition, since the clamp part is continuous above and below the expandable part, the thermal expansion strain caused by the heat generated by the piezoelectric actuator is canceled out in the central part, so that if the support to be moved is connected to the central part, the movement can be made. The above thermal expansion strain does not act on the object.

〔実施例〕〔Example〕

以下、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図及び第2図は、この発明をSTMの探針の粗動機
構に適用した場合の実施例である。両図において、10
は振動を吸収する除振台、21.21は所定間隔を隔て
て平行するガイド板であって、ガイド面を対向して除振
台10の水平をなす台面上に垂直に立設されている。3
0は所定厚さの板状をなす1次元インチワーム(以下、
移動体と云い、第2図に拡大して示す)であって、平行
ばね機構22により垂直向きに支持されて、平行するガ
イド板21.21のガイド面間に、両側面がそれぞれガ
イド面と微少な所定クリアランスδを隔てるように保持
されている。この平行ばね機構22は、2枚の水平向き
の板ばね22A、22Aと両者の一端部同士を連絡して
除振台10に垂直向きに立設される基板部23Aと他端
同士を連絡する連絡板部23Bからなる形状を有し連絡
板部23Bを移動体30の後面の適所に取付部材24を
介して固定されている。また、移動体30の前面には取
付部材24と対をなす「字型の取付台26の台面が水平
になるようにして固定されており、該台面の先端部に、
探針25を下向き垂直に把持してなる3次元微動駆動機
構27が載置・固定されている。
FIGS. 1 and 2 show an embodiment in which the present invention is applied to a coarse movement mechanism of an STM probe. In both figures, 10
21.21 is a vibration isolation table that absorbs vibrations, and 21.21 is a guide plate that runs parallel to the vibration isolation table 10 at a predetermined interval. . 3
0 is a one-dimensional inchworm (hereinafter referred to as
The movable body (shown enlarged in FIG. 2) is vertically supported by a parallel spring mechanism 22, and is placed between the guide surfaces of parallel guide plates 21 and 21, with both sides thereof being a guide surface. They are held so as to be separated by a small predetermined clearance δ. This parallel spring mechanism 22 connects two horizontally oriented leaf springs 22A, 22A with one end of each, and connects the other end with a base plate 23A vertically erected on the vibration isolating table 10. It has a shape consisting of a connecting plate portion 23B, and the connecting plate portion 23B is fixed to a proper position on the rear surface of the movable body 30 via a mounting member 24. Furthermore, a "shaped mounting base 26 that pairs with the mounting member 24 is fixed to the front surface of the movable body 30 so that its base surface is horizontal, and at the tip of the base surface,
A three-dimensional fine movement drive mechanism 27 that holds the probe 25 vertically downward is mounted and fixed.

移動体30は左右対称構造の切欠きブロック状体であっ
て、放電加工技術(精度5μm程度)を用いて形成され
、第3図に示すように、伸縮部40と該伸縮部の上下に
境界部50を介して連続するクランプ部60からなる。
The movable body 30 is a cutout block-like body with a bilaterally symmetrical structure, and is formed using electrical discharge machining technology (accuracy of about 5 μm), and as shown in FIG. It consists of a clamp part 60 that is continuous with a part 50 in between.

なお、第3図では、説明の便宜上、移動体30が非クラ
ンプ状態にあって宙に浮いた状態で示しである。
In addition, in FIG. 3, for convenience of explanation, the movable body 30 is shown in an unclamped state and floating in the air.

伸縮部40は上下の境界部50を橋絡する2本の平行す
る弾性伸縮部41.41からなり、該弾性伸縮部41.
41は移動用圧電アクチュエータ42を収納する収納部
43を画成しており、圧電アクチュエータ42は下側の
境界部50から突出する受圧部50Aの上面に一端面を
当接し上側の境界部50を螺入・貫通する固定用ねじ4
4により他端面に係合されたボール45を介し押圧力を
受けて上記収納部 43に収納されている。弾性伸縮部
41は一方端部に有する縦向きの平行ばね部46を介し
て上側の境界部50に一体に連続し、他方端部に有する
横向きの平行ばね部47を介して下側の境界部 50の
上記受圧部50Aの側面に一体に連続している。下側の
クランプ部60は、底側か間隙を介して下側の境界部5
0に対向する内側コ字部62と該内側コ字部62の開口
部を覆う外側コ字部 63からなる変位伝達部61を有
しており、両コ字部62.63はクランプ用圧電アクチ
ュエータ66の変位力を受ける受圧部64と該受圧部6
4の両端から平行して伸びる伝達部65.65からなり
、圧電アクチュエータ66は両受圧部64間に圧入され
ている。67は固定用ねじ、6日はボールである。内側
コ字部62と外側コ字部63の伝達部65端部は、コ字
形をなし互いに平行する外側ヒンジ部69と内側ヒンジ
部70とを有する弾性ヒンジ機構部71の・外側ヒンジ
部69、内側ヒンジ部70に一体に連続している。この
弾性ヒンジ機構部71には弾性増幅機構部(ヒンジ部)
72が一体に連続している、73はクランプ子であって
、外面側に他部より若干突出する所定面積のクランプ面
部73aを有し、自由端を弾性ヒンジ機構部71に近接
対向して上記ヒンジ部72に並列に設けられており、該
ヒンジ部72とともに縦向き平行ばね部74を介して境
界部50に一体に連続している。外側ヒンジ部69、内
側ヒンジ部70及びヒンジ部72は内外面を円弧凹面に
することにより形成した弾性ヒンジ(最薄南部)を有し
ている。上側のクランプ部60も上記下側のクランプ部
60と同一構造を有している。なお、75は取付部材2
4と取付台26を取付けるための取付は用ねじのねじ孔
であって下側の境界部50に形成されている。また、3
次元微動機構27はX軸方向に伸縮する圧電アクチュエ
ータ、Y軸方向に伸縮する圧電アクチュエータ、Z軸方
向に伸縮する圧電アクチュエータにより駆動される探針
保持体を有し探針25を、例えば0.5μm単位で変位
させろうるものである。
The stretchable part 40 consists of two parallel elastic stretchable parts 41.41 bridging the upper and lower boundary parts 50.
Reference numeral 41 defines a storage portion 43 that stores a piezoelectric actuator 42 for movement, and the piezoelectric actuator 42 has one end surface in contact with the upper surface of the pressure receiving portion 50A protruding from the lower boundary portion 50, and Fixing screw 4 that screws in and penetrates
4 is housed in the storage section 43 under a pressing force via a ball 45 engaged with the other end surface. The elastic expansion/contraction part 41 is integrally continuous with the upper boundary part 50 via a vertically oriented parallel spring part 46 provided at one end, and continues integrally with the upper boundary part 50 via a horizontally oriented parallel spring part 47 provided at the other end. 50 and is integrally continuous with the side surface of the pressure receiving portion 50A. The lower clamp part 60 is connected to the lower boundary part 5 via the bottom side or a gap.
0, and an outer U-shaped portion 63 that covers the opening of the inner U-shaped portion 62. Both U-shaped portions 62 and 63 act as piezoelectric actuators for clamping. The pressure receiving portion 64 receives the displacement force of 66 and the pressure receiving portion 6
The piezoelectric actuator 66 is press-fitted between both pressure receiving parts 64. 67 is a fixing screw, and 6th is a ball. The ends of the transmission portion 65 of the inner U-shaped portion 62 and the outer U-shaped portion 63 are U-shaped, and the outer hinge portion 69 of the elastic hinge mechanism portion 71 has an outer hinge portion 69 and an inner hinge portion 70 that are parallel to each other. It is integrally continuous with the inner hinge part 70. This elastic hinge mechanism section 71 has an elastic amplification mechanism section (hinge section).
72 are integrally continuous, and 73 is a clamp element, which has a clamp surface part 73a of a predetermined area slightly protruding from the other parts on the outer surface side, and has a free end close to and opposite to the elastic hinge mechanism part 71, It is provided in parallel with the hinge portion 72 and integrally continues with the hinge portion 72 to the boundary portion 50 via a vertical parallel spring portion 74 . The outer hinge portion 69, the inner hinge portion 70, and the hinge portion 72 have elastic hinges (the thinnest southern parts) formed by making the inner and outer surfaces arc concave. The upper clamp part 60 also has the same structure as the lower clamp part 60. In addition, 75 is the mounting member 2
4 and the mounting base 26 are screw holes formed in the lower boundary portion 50. Also, 3
The dimensional fine movement mechanism 27 has a probe holder driven by a piezoelectric actuator that expands and contracts in the X-axis direction, a piezoelectric actuator that expands and contracts in the Y-axis direction, and a piezoelectric actuator that expands and contracts in the Z-axis direction. It can be displaced in units of 5 μm.

次に、この実施例の動作について説明する。Next, the operation of this embodiment will be explained.

先づ、クランプ動作を上側のクランプ部60について説
明する。クランプ用圧電アクチュエータ66に所定の正
の電圧を印加すると、該圧電アクチュエータ66は電圧
値に応じた量だけ上下方向(Z軸方向)に伸張する。こ
の圧電アクチュエータ66の伸張によりコ字部62と6
3の受圧脚64に両者を相対的に離間させる向きの押圧
力が作用し両者の伝達脚65にZ軸方向で相反する向き
の引張力が作用する。今、説明の便宜上、コ字部63が
図に対して下方に変位したとすると、外側ヒンジ部69
の最薄内部α部分が内側ヒンジ部70の弾性ヒンジHを
中心に回動し該回動に伴いヒンジ部72の最薄南部β部
分が回動してクランプ子73にはこれを図示矢印向きに
回動させようとする回動力が作用する。該回動力により
り゛ランプ子73は回動変位しようとするが、平行ばね
部74の作用によって2軸方向の成分は消され横方向(
Y軸方向)の成分だけが作用することになり、左右のク
ランプ子73はそのクランプ面73aがZ軸方向に平行
した姿勢のままでそれぞれガイド+7i21.21に向
かって変位しガイド板21.21に圧接係合(クランプ
)することになる。この時のクランプ子73の変位量は
、距離IJcxと距離Hβとの比で決まり、圧電アクチ
ュエータ66の変位量の3倍程度の変位量が容易に得ら
れる。
First, the clamping operation of the upper clamp section 60 will be explained. When a predetermined positive voltage is applied to the clamping piezoelectric actuator 66, the piezoelectric actuator 66 expands in the vertical direction (Z-axis direction) by an amount corresponding to the voltage value. Due to the expansion of the piezoelectric actuator 66, the U-shaped portions 62 and 6
A pressing force is applied to the pressure receiving legs 64 of No. 3 in a direction to relatively separate them, and a tensile force is applied to both transmission legs 65 in opposite directions in the Z-axis direction. For convenience of explanation, suppose that the U-shaped portion 63 is displaced downward with respect to the figure, and the outer hinge portion 69
The thinnest inner α portion rotates around the elastic hinge H of the inner hinge portion 70, and along with this rotation, the thinnest southern β portion of the hinge portion 72 rotates, and the clamp member 73 rotates this in the direction of the arrow shown in the figure. A rotational force acts to cause the object to rotate. The lamp element 73 tends to be rotated due to the rotational force, but due to the action of the parallel spring portion 74, the components in the biaxial directions are eliminated and the components in the lateral direction (
Only the component in the Y-axis direction) acts, and the left and right clamp members 73 are displaced toward the guide +7i21.21, respectively, with their clamp surfaces 73a parallel to the Z-axis direction, and the guide plates 21.21 This results in a pressure welding engagement (clamp). The amount of displacement of the clamp element 73 at this time is determined by the ratio of the distance IJcx to the distance Hβ, and a displacement amount that is about three times the amount of displacement of the piezoelectric actuator 66 can be easily obtained.

上記電圧の印加を停止すると、外側ヒンジ部69、内側
ヒンジ部70及びヒンジ部72は弾性変位して図示の位
置に復帰し左右のクランプ子73は摩擦係合していたガ
イド板21から離間してクランプが解かれる。
When the application of the voltage is stopped, the outer hinge portion 69, inner hinge portion 70, and hinge portion 72 are elastically displaced and return to the illustrated positions, and the left and right clamp members 73 are separated from the guide plate 21 with which they were frictionally engaged. The clamp will be released.

圧電アクチュエータ66の最大変位量は前記したように
20μm程度であるので、今、該変位の拡大率が3倍で
あるとすると、対称構造であるので、6倍の120μm
となる。現在容易に得られる機械加工精度は30μm程
度であるので、クリアランスδを考慮すると、クランプ
子73の変位量としては最小限40μm程度は必要であ
るが、上記実施例はこの要求を充分に満足することがで
きる。
As mentioned above, the maximum displacement amount of the piezoelectric actuator 66 is about 20 μm, so if the magnification of the displacement is 3 times, it will be 6 times 120 μm because of the symmetrical structure.
becomes. Since the machining accuracy that can be easily obtained at present is about 30 μm, considering the clearance δ, the minimum displacement of the clamp element 73 is required to be about 40 μm, but the above embodiment fully satisfies this requirement. be able to.

上側のクランプ部60の上記クランプ動作時、クランプ
子73を人間の手に例えれば、移動体30は、両手で左
右のガイド板21を突っ張るような状態になり、このま
までは、移動体30の下方部分に左右のずれが生じて、
いずれかのガイド板21に係合する恐れがあるが、本実
施例では、移動体30全体を平行ばね機構22で弾性支
持しているので、このクランプ時、移動体30は左右の
ガイド板21に対して均等なりリアランスδを持ち、上
側の左右のクランプ子を除く他部はガイド板21.21
に対して非接触状態となる。
When the upper clamp part 60 performs the above-mentioned clamping operation, if the clamp member 73 is likened to a human hand, the movable body 30 will be in a state where it is pulling the left and right guide plates 21 with both hands. There is a left-right shift in the part,
Although there is a possibility that the movable body 30 may engage with either of the guide plates 21, in this embodiment, the entire movable body 30 is elastically supported by the parallel spring mechanism 22. The other parts except the upper left and right clamps are guide plates 21 and 21.
It becomes a non-contact state.

次に、伸縮部40の伸縮動作について説明する。Next, the expansion/contraction operation of the expansion/contraction section 40 will be explained.

今、上側の圧電アクチュエータ66が伸張して上側のク
ランプ部60が上記したクランプ動作を行っているもの
とする。この状態で、移動用圧電アクチュエータ42に
正の所定の電圧を印加して伸張させると境界部50にZ
軸方向に向く力が作用するので、横向き平行ばね部47
の弾性変位により左右の弾性伸縮部41がZ軸方向に伸
張する。電圧の印加を停止すると、圧電アクチュエータ
42は印加前の状態へ縮むので、平行ばね部47が弾力
により図示の状態に復帰する。逆に、圧電アクチュエー
タ42に負の所定の電圧を印加すると該圧電アクチュエ
ータ42は縮み左右の弾性伸締部41も平行ばね部47
の変位によりZ軸方向に縮む。
It is now assumed that the upper piezoelectric actuator 66 is expanded and the upper clamp section 60 is performing the above-described clamping operation. In this state, when a predetermined positive voltage is applied to the moving piezoelectric actuator 42 and it is expanded, a Z
Since a force directed in the axial direction acts, the horizontal parallel spring portion 47
Due to the elastic displacement, the left and right elastic expansion/contraction parts 41 expand in the Z-axis direction. When the voltage application is stopped, the piezoelectric actuator 42 contracts to the state before voltage application, so that the parallel spring portion 47 returns to the illustrated state due to its elasticity. Conversely, when a predetermined negative voltage is applied to the piezoelectric actuator 42, the piezoelectric actuator 42 contracts, and the left and right elastic tensioning parts 41 also become parallel spring parts 47.
It contracts in the Z-axis direction due to the displacement of .

次に、実施例の移動体30を下向きに移動させる場合に
は、下記のシーケンスを実行させる。なお、移動体30
の下側のクランプ部60の圧電アクチュエータ66が正
の電圧を受けて該クランプ部60が左右のガイド板21
にクランプ係合しているものとする。
Next, when moving the moving body 30 of the embodiment downward, the following sequence is executed. Note that the moving body 30
The piezoelectric actuator 66 of the lower clamp part 60 receives a positive voltage, and the clamp part 60 moves towards the left and right guide plates 21.
Assume that the clamp is engaged.

移動用圧電アクチュエータ42に負の電圧を印加して伸
縮部40を縮ませるとともに、上側のクランプ部60の
圧電アクチュエータに正の電圧を印加してクランプ動作
させるとともに下側のクランプ部60の圧電アクチュエ
ータを無負荷にしてクランプを解除させ、移動用圧電ア
クチュエータ42の印加電圧を除去する。これにより、
移動体30は全体として伸縮部40の上記縮み分だけ下
向きに移動する。
A negative voltage is applied to the moving piezoelectric actuator 42 to contract the extensible part 40, and a positive voltage is applied to the piezoelectric actuator of the upper clamp part 60 to perform a clamping operation, and the piezoelectric actuator of the lower clamp part 60 is is unloaded, the clamp is released, and the voltage applied to the moving piezoelectric actuator 42 is removed. This results in
The movable body 30 as a whole moves downward by the amount of contraction of the telescoping section 40 .

このシーケンスを繰り返すことにより、移動体30は尺
取運動してガイド板21と摺動することなく移動するの
で、Z軸上下方向に任意の距離を移動させることができ
る。
By repeating this sequence, the movable body 30 moves without sliding on the guide plate 21, so that it can be moved an arbitrary distance in the vertical direction of the Z-axis.

本実施例では、クランプ部60が伸縮部40の上下に連
続しているので、圧電アクチュエータ66の伸縮により
発生する熱による移動体30の変形(熱膨張歪)は該移
動体30の中央部で相殺されることになり、3次元微動
機構27を支持する取付台26は下側の境界部50に連
結されているので、3次元微動機構27は上記熱による
変形の影響を受は難く、従って、本実施例の移動機構を
使用すれば、3次元微動機構27をZ軸方向に超高精度
に移動することができ、走査型トンネル顕微鏡の粗動機
構としては極めて好適である。
In this embodiment, since the clamp part 60 is continuous above and below the extensible part 40, the deformation (thermal expansion strain) of the movable body 30 due to the heat generated by the expansion and contraction of the piezoelectric actuator 66 occurs at the center of the movable body 30. Since the mounting base 26 that supports the three-dimensional fine movement mechanism 27 is connected to the lower boundary part 50, the three-dimensional fine movement mechanism 27 is hardly affected by the deformation caused by the heat, and therefore If the moving mechanism of this embodiment is used, the three-dimensional fine movement mechanism 27 can be moved in the Z-axis direction with extremely high precision, and is extremely suitable as a coarse movement mechanism of a scanning tunneling microscope.

なお、上記実施例では、本発明をSTMの粗動機構に適
用した場合について説明したが、本発明の用途はこれに
限定されるものではない。
In the above embodiment, the present invention is applied to a coarse movement mechanism of an STM, but the present invention is not limited to this.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

この発明は以上説明した通り、構成部材に対して高精度
な機械加工を施さなくても済むので、製作費用を従来に
比して充分に低減することができる他、移動時は移動部
分がガイド板と摩擦することなく移動するので、安定し
た高速移動が可能となる。
As explained above, this invention eliminates the need for high-precision machining of component parts, so manufacturing costs can be sufficiently reduced compared to conventional methods, and when moving, the moving parts are guided. Since it moves without friction with the plate, stable high-speed movement is possible.

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

第1図はこの発明の実施例を示す1部破断側面図、第2
図は上記実施例におけるn−n矢視図、第3図は上記実
施例における1次元イイチワームの正面図、第4図(a
)と中)は従来の移動機構を示す図である。 21−クランプ板、22−・平行ばね機構、30− i
次元インチワーム、40・・−伸縮部、41−弾性伸縮
部、42−・−移動用圧電アクチュエータ、50−・境
界部、60・・−クランプ部、61−・−変位伝達部、
66・・−クランプ用圧電アクチュエータ、71−弾性
ヒンジ機構部、72−  弾性増幅機構部、73・−ク
ランプ子、73a−クランプ面部。
FIG. 1 is a partially cutaway side view showing an embodiment of the present invention, and FIG.
The figure is a nn arrow view in the above embodiment, Fig. 3 is a front view of the one-dimensional Ichi worm in the above embodiment, and Fig. 4 (a
) and middle) are diagrams showing a conventional moving mechanism. 21-clamp plate, 22-parallel spring mechanism, 30-i
Dimensional inchworm, 40--extensible part, 41--elastic extensible part, 42-- piezoelectric actuator for movement, 50-- boundary part, 60-- clamp part, 61-- displacement transmission part,
66--piezoelectric actuator for clamp, 71--elastic hinge mechanism section, 72--elastic amplification mechanism section, 73--clamp element, 73a--clamp surface section.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)ガイド面を対向して基台上に平行に立設された2
本のガイド板、水平向きに平行する上下板ばねを有し上
記基台上に固定された平行ばね機構で支持されたうえ移
動対象を支持して上記ガイド板の上記ガイド面間に該両
ガイド面に対して所定の隙間を隔てて垂直向きに配置さ
れた1次元インチワームとを有し、該1次元インチワー
ムが、左右対称構造であつて、移動用圧電アクチュエー
タが上下向きに圧入される伸縮部と該伸縮部に上下に連
続しクランプ用圧電アクチュエータが上下向きに圧入さ
れる上下のクランプ部とを有し、該クランプ部は、対応
する上記ガイド板にクランプ係合可能な所定面積のクラ
ンプ面部を有するクランプ子と該クランプ子に上記クラ
ンプ用圧電アクチュエータの伸張変位を増幅して伝達し
て上記クランプ子を外方へ弾性駆動する部分からなるこ
とを特徴とする移動機構。
(1) 2 erected in parallel on the base with the guide surfaces facing each other
A book guide plate has upper and lower leaf springs that are parallel to each other in a horizontal direction, and is supported by a parallel spring mechanism fixed on the base, and supports a moving object between the guide surfaces of the guide plate. A one-dimensional inchworm is arranged vertically with a predetermined gap between the surfaces, and the one-dimensional inchworm has a left-right symmetrical structure, and a piezoelectric actuator for movement is press-fitted vertically. It has an extendable part and an upper and lower clamp part that is continuous with the extendable part and into which a piezoelectric actuator for clamping is vertically press-fitted, and the clamp part has a predetermined area that can be clamped and engaged with the corresponding guide plate. A moving mechanism comprising a clamp element having a clamping surface portion and a portion that amplifies and transmits the extensional displacement of the clamping piezoelectric actuator to the clamp element to elastically drive the clamp element outward.
(2)伸縮部が、下方向所定間隔を隔ててクランプ部が
連続する2つの境界部との間を橋絡して移動用圧電アク
チュエータが圧入される収納部を画成してなる平行する
2本の弾性伸縮部からなり、該弾性伸縮部は上側端部に
縦向き平行ばね部を有し下側端部に横向き平行ばね部を
有することを特徴とする移動機構。
(2) Parallel two parts in which the elastic part bridges between two boundary parts where the clamp parts are continuous at a predetermined distance in the downward direction and defines a housing part into which the piezoelectric actuator for movement is press-fitted. A moving mechanism comprising an elastic stretchable section of a book, the elastic stretchable section having a vertical parallel spring section at its upper end and a horizontal parallel spring section at its lower end.
(3)クランプ部が、該クランプ部を伸縮部と境界する
境界部に連続する縦向き平行ばね部と、クランプ用圧電
アクチュエータが圧入される収納部を画成する変位伝達
部、該変位伝達部に一体に連続して該変位伝達部の上下
方向変位を回動変位に変換する弾性ヒンジ機構部と、上
記平行ばね部に一体に連続して上記弾性ヒンジ機構部の
上記回動変位を増幅してクランプ子に伝達する弾性増幅
機構部を有し、上記クランプ子が上記平行ばね部を介し
て上記境界部に一体に連続する一端が自由端であるクラ
ンプ子であることを特徴とする特許請求の範囲第1項ま
たは第2項記載の移動機構。
(3) a displacement transmitting section in which the clamp section defines a vertically parallel spring section continuous to a boundary section that borders the clamp section with the telescopic section; and a housing section into which a piezoelectric actuator for clamping is press-fitted; the displacement transmitting section; an elastic hinge mechanism that is integrally continuous with and converts the vertical displacement of the displacement transmitting section into rotational displacement; and an elastic hinge mechanism that is integrally and continuous with the parallel spring section that amplifies the rotational displacement of the elastic hinge mechanism. Claims characterized in that the clamping element has an elasticity amplifying mechanism section that transmits the elasticity to the clamping element, and the clamping element is a clamping element whose one end that is integrally continuous with the boundary section via the parallel spring section is a free end. The moving mechanism according to the range 1 or 2.
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JPH0426717B2 JPH0426717B2 (en) 1992-05-08

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09258828A (en) * 1996-03-25 1997-10-03 Seiko Seiki Co Ltd Ultra-precise positioning device
CN105158519A (en) * 2015-08-24 2015-12-16 扬州大学 Device having quantum tunnelling-based nano-scale follow-up function

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