JPH09305234A - Displacement quantity converting mechanism - Google Patents

Displacement quantity converting mechanism

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JPH09305234A
JPH09305234A JP14498996A JP14498996A JPH09305234A JP H09305234 A JPH09305234 A JP H09305234A JP 14498996 A JP14498996 A JP 14498996A JP 14498996 A JP14498996 A JP 14498996A JP H09305234 A JPH09305234 A JP H09305234A
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JP
Japan
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hinge
displacement
driving means
displacement amount
conversion mechanism
Prior art date
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JP14498996A
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Japanese (ja)
Inventor
Takushi Tadano
拓志 但野
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a displacement quantity converting mechanism which is constituted in a small size and obtains high two-dimensional positiioning precision. SOLUTION: Thin mechanism is equipped with a 1st driving means 15 which operates in a 1st direction, a 1st moving member 14 which is held by a link mechanism in parallel to a fixed part 11 and displaced by the 1st driving means, a 2nd driving means 19 which operates in a 2nd direction, and a 2nd moving member 18 which is held by a link mechanism in parallel to the fixed part and displaced by the 2nd driving means. Then when one of the driving means 15 and 19 is displaced by Δx0 or Δy0 through the operation of the corresponding driving means 15 or 19, the other driving means 19 or 15 is driven and controlled so as to cancel error displacement δy or δx generated in the displacement direction, i.e., the 2nd direction (y) or the 1st direction (x) perpendicular to the 1st direction (x) or the 2nd direction (y).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧電アクチ
ュエータ等の駆動手段の変位量を拡大または縮小するた
めの変位量変換機構に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a displacement amount conversion mechanism for enlarging or reducing a displacement amount of a driving means such as a piezoelectric actuator.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、メカトロニクス技術を応用する種
々の分野において、例えば工作機械における工具の微小
切込み装置,磁気ヘッドトラッキング調整装置,光記録
における光学ピックアップ駆動フォーカス機構,リレー
の接点開閉駆動素子等で使用される精密位置決め装置
や、走査型トンネル顕微鏡,原子間力顕微鏡の走査型プ
ローブ顕微鏡等で使用される走査駆動装置等にて、その
駆動手段として、積層型圧電アクチュエータが利用され
ている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in various fields to which mechatronics technology is applied, for example, a tool micro-cutting device in a machine tool, a magnetic head tracking adjustment device, an optical pickup drive focus mechanism in optical recording, a contact opening / closing drive element of a relay, etc. In a precision positioning device used, a scanning drive device used in a scanning tunnel microscope, a scanning probe microscope of an atomic force microscope, or the like, a laminated piezoelectric actuator is used as a driving unit.

【0003】このような積層型圧電アクチュエータは、
その歪み量が非常に微小であることから、より大きな変
位量を得る必要がある場合には、一般に、例えば図6に
示すような、弾性ヒンジを利用した変位量拡大機構が使
用される。弾性ヒンジを利用した変位量拡大機構は、バ
ックラッシュがなく、スティックスリップが生じない、
さらに摩擦音や発熱が発生しないためエネルギー損失が
少なく、円滑な運動が得られる、分解能が高い、等の利
点があるため、特に超精密位置決め機構等に有用であ
る。
[0003] Such a laminated piezoelectric actuator is
Since the amount of strain is extremely small, when it is necessary to obtain a larger amount of displacement, generally, a displacement amount expanding mechanism using an elastic hinge as shown in FIG. 6, for example, is used. The displacement expansion mechanism using an elastic hinge has no backlash and stick-slip does not occur.
Further, since frictional noise and heat are not generated, energy loss is small, smooth motion can be obtained, and resolution is high. Therefore, it is particularly useful for an ultra-precision positioning mechanism.

【0004】図6において、圧電アクチュエータ変位量
変換機構1は、多段レバー式の変位拡大機構として構成
されている。圧電アクチュエータ変位量変換機構1は、
固定配置された固定部材2に対して、それぞれヒンジレ
バー3,4を介して、平行四辺形状のリンクを構成する
ように、連結されたステージ5と、上記固定部材2とス
テージ5に対してヒンジを介して連結された第三のヒン
ジレバー6と、このヒンジレバー6の一端に作用するよ
うに固定部材2上に固定配置された圧電アクチュエータ
7とを含んでいる。上記固定部材2,ヒンジレバー3,
4及びステージ5は、それぞれ弾性ヒンジを介して互い
に連結されており、さらにヒンジレバー6は、その他端
及び中間部が、それぞれ弾性ヒンジを介してステージ5
及び固定部材2に対して連結されている。
In FIG. 6, the piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism 1 is constructed as a multistage lever type displacement magnifying mechanism. The piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism 1 is
The fixed member 2 fixedly arranged is connected to the fixed member 2 via hinge levers 3 and 4 so as to form parallelogram-shaped links, and the fixed member 2 and the stage 5 are hinged to the fixed member 2. It includes a third hinge lever 6 connected via the and a piezoelectric actuator 7 fixedly arranged on the fixing member 2 so as to act on one end of the hinge lever 6. The fixing member 2, the hinge lever 3,
The stage 4 and the stage 5 are connected to each other via elastic hinges, and the hinge lever 6 has the other end and the intermediate portion connected to the stage 5 via elastic hinges.
And is connected to the fixing member 2.

【0005】このような構成の圧電アクチュエータ変位
量変換機構1は、圧電アクチュエータ7に対して図示し
ない電源から駆動電圧が印加されることにより、圧電効
果によって、圧電アクチュエータ7が変位して、図7に
示すようにヒンジレバー6の一端を押動する。これによ
り、ヒンジレバー6は、固定部材2に連結された弾性ヒ
ンジ6aを支点として、揺動することにより、その他端
が、ステージ5を図示の場合、右方に移動させることに
なる。ここで、ステージ5は、ヒンジレバー3,4を介
して、所謂平行四辺形状のリンク構造によって、固定部
材2に対して連結されているので、この右方移動によっ
て、両端がそれぞれヒンジレバー3,4の固定部材2へ
の連結点である弾性ヒンジ3a,4aを支点として揺動
する。従って、ステージ5は、固定部材2に対して常に
平行の状態を保持しながら、右方移動することになる。
In the piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism 1 having such a configuration, when a driving voltage is applied to the piezoelectric actuator 7 from a power source (not shown), the piezoelectric actuator 7 is displaced by the piezoelectric effect, and the piezoelectric actuator 7 is displaced as shown in FIG. As shown in, one end of the hinge lever 6 is pushed. As a result, the hinge lever 6 swings about the elastic hinge 6a connected to the fixed member 2 as a fulcrum, and the other end moves the stage 5 to the right in the case of the drawing. Here, since the stage 5 is connected to the fixed member 2 via the hinge levers 3 and 4 by a so-called parallelogram-shaped link structure, both ends of the stage 5 are respectively moved by this rightward movement. The elastic hinges 3a and 4a, which are the connecting points of the fixed member 2 of 4 to the fixing member 2, are swung. Therefore, the stage 5 moves to the right while always maintaining a state parallel to the fixed member 2.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
構成の圧電アクチュエータ変位量変換機構1において
は、所定の変位拡大率が得られるように、固定部材2,
ヒンジアーム3,4,6そしてステージ5の弾性ヒンジ
間の距離や相互比が選定され、また各弾性ヒンジ部の曲
げ剛性や、圧電アクチュエータ7の圧電特性,機械的特
性に基づいて印加電圧と出力変位量との関係を較正し
て、必要なステージ5のストロークや位置決め精度に見
合うように、上記各部材の寸法が決定されるようになっ
ている。
By the way, in the piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism 1 having such a configuration, the fixing members 2, 2 are arranged so that a predetermined displacement enlargement ratio can be obtained.
The distances and mutual ratios between the hinge arms 3, 4, 6 and the elastic hinges of the stage 5 are selected, and the applied voltage and output are based on the bending rigidity of each elastic hinge portion, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric actuator 7, and the mechanical characteristics. The relationship with the displacement amount is calibrated, and the dimensions of the above members are determined so as to meet the required stroke and positioning accuracy of the stage 5.

【0007】しかしながら、ステージ5が変位した場
合、図7に示すように、ステージ5は、二つのヒンジア
ーム3,4の揺動運動によって移動することになるた
め、ステージ5の出力変位ストロークが大きくなると、
ヒンジアーム3,4の支点となる弾性ヒンジ3a,4a
を中心とするヒンジアーム3,4の傾きによって、位置
決め制御方向(図示の場合、左右方向)に垂直な方向
(図示の場合、上下方向)の微小変位ΔZが無視できな
い大きさになってしまう。
However, when the stage 5 is displaced, as shown in FIG. 7, since the stage 5 is moved by the swinging motion of the two hinge arms 3 and 4, the output displacement stroke of the stage 5 is large. Then,
Elastic hinges 3a and 4a serving as fulcrums for the hinge arms 3 and 4
Due to the inclination of the hinge arms 3 and 4 with respect to the center, the minute displacement ΔZ in the direction perpendicular to the positioning control direction (horizontal direction in the figure) (vertical direction in the figure) becomes a size that cannot be ignored.

【0008】このため、例えば走査型プローブ顕微鏡等
において、図8に示すように、xy平面内にて、数μm
乃至数百μm程度の範囲での走査を行なう場合には、こ
の垂直方向の微小変位ΔZのために、このような圧電ア
クチュエータ変位量変換機構1を使用することができな
いという問題があった。このΔZは、ステージ5の変位
Δdを得るためには、ヒンジアーム3,4の弾性ヒンジ
間の長さLを大きくすることにより、より小さくするこ
とが可能であるが、その場合、圧電アクチュエータ変位
量変換機構1の全体が大型化してしまうとともに、剛性
の低下や圧電アクチュエータ(ピアゾアクチュエータ)
の駆動力の増大が必要とされるという問題があった。
Therefore, for example, in a scanning probe microscope or the like, as shown in FIG.
When performing scanning in the range of about several hundreds of μm, there is a problem that such a piezoelectric actuator displacement conversion mechanism 1 cannot be used because of this minute displacement ΔZ in the vertical direction. This ΔZ can be made smaller by increasing the length L between the elastic hinges of the hinge arms 3 and 4 in order to obtain the displacement Δd of the stage 5, but in that case, the piezoelectric actuator displacement The entire quantity conversion mechanism 1 becomes large in size, the rigidity is lowered, and the piezoelectric actuator (Piazo actuator)
There is a problem in that the driving force of is required to be increased.

【0009】さらに、二次元または三次元の位置決め機
構や走査機構においては、各位置決め制御方向に関し
て、独立に駆動可能であることが必要であるので、例え
ば二次元変位量変換機構は、図9に示すように、上述し
た圧電アクチュエータ変位量変換機構1を、変位方向を
90度だけずらして重ねることにより、構成されるよう
になっている。これにより、それぞれヒンジアーム6を
図示しない圧電アクチュエータにより押動することによ
り、一番上のステージ5が、xy方向に変位されること
になる。
Furthermore, in a two-dimensional or three-dimensional positioning mechanism or scanning mechanism, it is necessary to be able to drive independently in each positioning control direction. For example, a two-dimensional displacement amount conversion mechanism is shown in FIG. As shown in the figure, the piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism 1 described above is constructed by stacking the displacement direction by shifting the displacement direction by 90 degrees. As a result, the topmost stage 5 is displaced in the xy directions by pushing the hinge arms 6 by the piezoelectric actuators not shown.

【0010】しかしながら、このような二段構成の変位
量変換機構8は、z軸方向の寸法が非常に大きくなって
しまい、全体が大型化してしまう。また、変位量変換機
構8をその剛性を確保するために一体構造とするために
は、切削加工,ワイヤ放電加工,イオンビーム加工等の
ミリング加工の際には、十分な垂直度を有する二方向
(x方向及びy方向)からの加工が必要であることか
ら、作製が実質的に困難であり、また形状精度や寸法精
度が低くなってしまい、位置決め精度が低下してしまう
という問題があった。
However, the displacement converting mechanism 8 having such a two-stage structure has a very large dimension in the z-axis direction, and the entire size becomes large. Further, in order to make the displacement amount conversion mechanism 8 into an integral structure in order to secure its rigidity, it is necessary to have a two-way direction having a sufficient verticality at the time of milling such as cutting, wire electric discharge machining, and ion beam machining. Since processing from the (x direction and y direction) is required, there is a problem that the manufacturing is substantially difficult, and the shape accuracy and the dimensional accuracy are low, and the positioning accuracy is low. .

【0011】本発明は、以上の点に鑑み、小型に構成さ
れると共に、高い位置決め精度が得られるようにした、
変位量変換機構を提供することを目的としている。
In view of the above points, the present invention has a small size and is capable of obtaining high positioning accuracy.
It is intended to provide a displacement conversion mechanism.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
れば、同一平面内の第一の方向及びこれに垂直な第二の
方向に関して、前記第一の方向に作動する第一の駆動手
段と、固定部に対してリンク機構により平行に保持さ
れ、前記第一の駆動手段によって変位を生ずる第一の移
動部材と、前記第二の方向に作動する第二の駆動手段
と、固定部に対してリンク機構により平行に保持され、
前記第二の駆動手段によって変位を生ずる第二の移動部
材とを備え、前記一方の駆動手段の作動により、対応す
る一方の移動部材が変位されたとき、この変位方向、即
ち第一の方向または第二の方向に垂直である第二の方向
または第一の方向に生ずる誤差変位を打ち消すように、
他方の駆動手段が駆動制御される、変位量変換機構によ
り、達成される。
According to the present invention, the above object is to provide a first drive which operates in said first direction with respect to a first direction in the same plane and a second direction perpendicular thereto. Means, a first moving member that is held in parallel by a link mechanism with respect to the fixed portion and that is displaced by the first driving means, a second driving means that operates in the second direction, and a fixed portion. Is held in parallel by a link mechanism,
A second moving member that is displaced by the second driving means, and when one corresponding moving member is displaced by the operation of the one driving means, this displacement direction, that is, the first direction or In order to cancel the error displacement that occurs in the second direction or the first direction which is perpendicular to the second direction,
This is achieved by a displacement amount conversion mechanism in which the other driving means is drive-controlled.

【0013】上記構成によれば、双方の駆動手段による
双方の移動部材の変位が、同一平面内で行なわれるの
で、何れか一方の駆動手段の作動により、対応する一方
の移動部材が変位されたとき、この変位方向、即ち第一
の方向または第二の方向に垂直である第二の方向または
第一の方向に生ずる誤差変位が、他方の駆動手段の駆動
制御によって補正されることにより、打ち消される。
According to the above construction, the displacements of both moving members by both driving means are carried out in the same plane, so that the corresponding one moving member is displaced by the operation of either one of the driving means. At this time, this displacement direction, that is, the error displacement occurring in the second direction or the first direction perpendicular to the first direction or the second direction is canceled by being corrected by the drive control of the other drive means. Be done.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、この発明の好適な実施形態
を図1乃至図5を参照しながら、詳細に説明する。尚、
以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例である
から、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、
本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定
する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるもの
ではない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. still,
The embodiments described below are preferable specific examples of the present invention, and therefore, various technically preferable limitations are given,
The scope of the present invention is not limited to these embodiments unless otherwise specified in the following description.

【0015】図1乃至図3は、本発明による変位量変換
機構の第一の実施形態の構成を示している。図1及び図
2において、変位量変換機構は、この場合、二次元変位
量の変換機構として構成されている。この二次元変位量
変換機構は、変位量拡大機構として構成されている。二
次元変位量変換機構は、一つの剛性の高い弾性平板材料
から成るブロックを、エンドミルによる切削加工,ワイ
ヤ放電加工あるいはイオンビーム加工等のエネルギービ
ーム加工等のミリング加工を施すことにより、作製され
ている。
1 to 3 show the configuration of a first embodiment of a displacement amount conversion mechanism according to the present invention. In FIGS. 1 and 2, the displacement amount conversion mechanism is configured as a two-dimensional displacement amount conversion mechanism in this case. This two-dimensional displacement amount conversion mechanism is configured as a displacement amount expansion mechanism. The two-dimensional displacement amount conversion mechanism is manufactured by subjecting a block made of a highly rigid elastic flat plate material to milling processing such as cutting with an end mill, wire electric discharge machining, or energy beam machining such as ion beam machining. There is.

【0016】この二次元変位量拡大機構10は、固定配
置されたベース11に対して、位置決め制御されるべき
ステージ18(後述)を、x方向に駆動するための(図
1及び図2にて、ドットパターンで示す)第一のヒンジ
構造部Aと、y方向に駆動するための(図1及び図2に
て、ハッチングで示す)第二のヒンジ構造部Bとを含ん
でいる。
This two-dimensional displacement amount enlarging mechanism 10 drives a stage 18 (which will be described later) whose positioning is to be controlled in the x direction with respect to a fixedly arranged base 11 (see FIGS. 1 and 2). , A first hinge structure A (indicated by a dot pattern) and a second hinge structure B (indicated by hatching in FIGS. 1 and 2) for driving in the y direction.

【0017】第一のヒンジ構造部Aは、ベース11に対
して、x方向の両端部が、それぞれヒンジレバー12,
13を介して、平行四辺形状のリンクを構成するよう
に、連結されたフレーム14と、ベース11と上記ヒン
ジレバー13の中間位置(図示の場合、ベース11寄り
の位置)に対してそれぞれ連結された第一の駆動手段と
しての圧電アクチュエータ15と、を含んでいる。上記
ベース11,ヒンジレバー12,13及びフレーム14
は、それぞれ弾性ヒンジを介して互いに連結されてお
り、さらに圧電アクチュエータ15は、ベース11及び
ヒンジレバー13に対して、それぞれ弾性ヒンジを介し
て連結されている。
In the first hinge structure portion A, both ends in the x direction with respect to the base 11 are hinge levers 12, respectively.
Via the frame 13, the frame 14 and the base 11 are connected to the intermediate position between the base 11 and the hinge lever 13 (a position near the base 11 in the case shown) so as to form a parallelogram-shaped link. And a piezoelectric actuator 15 as a first driving means. The base 11, hinge levers 12, 13 and frame 14
Are connected to each other via elastic hinges, and the piezoelectric actuator 15 is connected to the base 11 and the hinge lever 13 via elastic hinges.

【0018】また、第二のヒンジ構造部Bは、フレーム
14に対して、y方向の両端部が、それぞれヒンジレバ
ー16,17を介して、平行四辺形状のリンクを構成す
るように、連結されたステージ18と、フレーム14と
上記ヒンジレバー16の中間位置(図示の場合、フレー
ム14寄りの位置)に対してそれぞれ連結された第二の
駆動手段としての圧電アクチュエータ19と、を含んで
いる。上記フレーム14,ヒンジレバー16,17及び
ステージ18は、それぞれ弾性ヒンジを介して互いに連
結されており、さらに圧電アクチュエータ19は、フレ
ーム14及びヒンジレバー16に対して、それぞれ弾性
ヒンジを介して連結されている。
The second hinge structure B is connected to the frame 14 at both ends in the y direction so as to form parallelogram-shaped links via hinge levers 16 and 17, respectively. A stage 18, a piezoelectric actuator 19 as a second driving means connected to an intermediate position between the frame 14 and the hinge lever 16 (a position near the frame 14 in the case shown). The frame 14, the hinge levers 16, 17 and the stage 18 are connected to each other via elastic hinges, and the piezoelectric actuator 19 is connected to the frame 14 and the hinge lever 16 via elastic hinges. ing.

【0019】さらに、上記圧電アクチュエータ15,1
9は、それぞれベース11,フレーム14に設けられた
ネジ孔11a,14aに螺合した予圧調整ネジ11b,
14bにより、適度な予圧が加えられると共に、図示し
ない電源から駆動電圧が印加されることにより、それぞ
れヒンジレバー13,16の弾性ヒンジ13a,16a
に変位力を加えるようになっている。
Further, the piezoelectric actuators 15 and 1
Reference numeral 9 denotes a preload adjusting screw 11b screwed into screw holes 11a and 14a provided in the base 11 and the frame 14, respectively.
A suitable preload is applied by 14b, and a drive voltage is applied from a power source (not shown), so that the elastic hinges 13a and 16a of the hinge levers 13 and 16 respectively.
It is designed to apply displacement force to.

【0020】本実施形態による二次元変位量変換機構1
0は、以上のように構成されており、先づ圧電アクチュ
エータ15に対して、図示しない電源から駆動電圧が印
加されることにより、圧電効果によって、圧電アクチュ
エータ15が、図3に示すようにヒンジレバー13の中
間位置を押動する。これにより、ヒンジレバー13は、
ベース11に連結された弾性ヒンジ13bを支点とし
て、揺動することにより、その他端が、弾性ヒンジを介
して、フレーム14を図示の場合、右方に移動させるこ
とになる。
Two-dimensional displacement amount conversion mechanism 1 according to this embodiment
0 is configured as described above, and when a drive voltage is first applied to the piezoelectric actuator 15 from a power source (not shown), the piezoelectric actuator 15 is hinged as shown in FIG. The intermediate position of the lever 13 is pushed. As a result, the hinge lever 13
By swinging around the elastic hinge 13b connected to the base 11 as a fulcrum, the other end moves the frame 14 to the right in the illustrated case via the elastic hinge.

【0021】ここで、フレーム14は、ヒンジレバー1
2,13を介して、所謂平行四辺形状のリンク構造によ
って、ベース11に対して連結されているので、この左
方移動によって、両端がそれぞれヒンジレバー12,1
3のベース11への連結点である弾性ヒンジ12a,1
3bを支点として揺動する。従って、フレーム14は、
ベース11に対して常に平行の状態を保持しながら、距
離Δx0 だけ右方移動することになる。
Here, the frame 14 is the hinge lever 1
Since it is connected to the base 11 by means of a so-called parallelogram-shaped link structure via 2 and 13, both ends are hinge levers 12 and 1 by this leftward movement.
Elastic hinges 12a, 1 which are the connection points of 3 to the base 11
It swings around 3b as a fulcrum. Therefore, the frame 14
While keeping a parallel state with the base 11, it always moves to the right by the distance Δx0.

【0022】他方、圧電アクチュエータ19に対して、
図示しない電源から駆動電圧が印加されることにより、
圧電効果によって、圧電アクチュエータ19が、図3に
示すようにヒンジレバー16の中間位置を押動する。こ
れにより、ヒンジレバー16は、フレーム14に連結さ
れた弾性ヒンジ16bを支点として、揺動することによ
り、その他端が、弾性ヒンジを介して、ベース18を図
示の場合、上方に移動させることになる。
On the other hand, with respect to the piezoelectric actuator 19,
By applying a drive voltage from a power source (not shown),
Due to the piezoelectric effect, the piezoelectric actuator 19 pushes the intermediate position of the hinge lever 16 as shown in FIG. As a result, the hinge lever 16 swings around the elastic hinge 16b connected to the frame 14 as a fulcrum, so that the other end moves the base 18 upward through the elastic hinge in the illustrated case. Become.

【0023】ここで、ステージ18は、ヒンジレバー1
6,17を介して、所謂平行四辺形状のリンク構造によ
って、フレーム14に対して連結されているので、この
上方移動によって、両端がそれぞれヒンジレバー16,
17のフレーム14への連結点である弾性ヒンジ16
b,17aを支点として揺動する。従って、ステージ1
8は、フレーム14に対して常に平行の状態を保持しな
がら、距離Δy0 だけ上方移動することになる。かくし
て、ステージ18は、上述のように、x方向に距離Δx
0 だけ、またy方向に距離Δy0 だけ移動されることに
なる。
Here, the stage 18 is the hinge lever 1
Since it is connected to the frame 14 by a so-called parallelogram-shaped link structure via 6, 17, both ends of the hinge lever 16 and
An elastic hinge 16 which is a connecting point of 17 to the frame 14.
It swings with b and 17a as fulcrums. Therefore, stage 1
8 always moves parallel to the frame 14 while moving upward by a distance .DELTA.y0. Thus, the stage 18 has a distance Δx in the x direction, as described above.
It is moved by 0 and the distance Δy 0 in the y direction.

【0024】ところで、フレーム14のx方向の移動の
際に、図3に示すように、ヒンジレバー12,13の揺
動によって、y方向にも誤差としての微小変位δyが生
ずると共に、ステージ18のy方向の移動の際にも、同
様にして、ヒンジレバー16,17の揺動によって、x
方向に誤差としての微小変位δxが生ずることになる。
これらx,y方向の微小変位δx,δyは、それぞれ計
算により求められ得る。即ち、図3において、圧電アク
チュエータ15,19の駆動方向をx,y方向の正にと
り、ヒンジアーム12,13の弾性ヒンジ間の長さをL
x,ヒンジアーム16,17の弾性ヒンジ間の長さをL
yとすれば、x,y方向の微小変位δx,δyは、それ
ぞれ
By the way, when the frame 14 is moved in the x direction, as shown in FIG. 3, the swing of the hinge levers 12 and 13 causes a small displacement δy as an error in the y direction, and the stage 18 moves. Similarly, when the hinge levers 16 and 17 swing when moving in the y direction,
A minute displacement δx as an error occurs in the direction.
These small displacements δx and δy in the x and y directions can be calculated respectively. That is, in FIG. 3, the driving directions of the piezoelectric actuators 15 and 19 are positive in the x and y directions, and the length between the elastic hinges of the hinge arms 12 and 13 is L.
x, the length between the elastic arms of the hinge arms 16 and 17 is L
If y, the small displacements δx and δy in the x and y directions are respectively

【0025】[0025]

【数1】 [Equation 1]

【数2】 により表わされる。ここで、Δx0 及びΔy0 は、補正
を考慮しない場合の目標位置決め座標即ち初期位置から
の目標変位量であるから、実際の位置決め座標Δx,Δ
yとすれば、Δx,Δyは、
[Equation 2] Is represented by Here, since Δx0 and Δy0 are target positioning coordinates when correction is not taken into consideration, that is, the target displacement amount from the initial position, the actual positioning coordinates Δx, Δ
If y, then Δx and Δy are

【数3】 (Equation 3)

【数4】 で表わされることになる。従って、この数式3,4に、
それぞれ前記数式1,2を代入すれば、
(Equation 4) Will be represented by Therefore, in Equations 3 and 4,
Substituting the equations 1 and 2 respectively,

【数5】 (Equation 5)

【数6】 となり、三角関数の逆関数に着目して、展開することに
より、
(Equation 6) Then, paying attention to the inverse function of the trigonometric function and expanding it,

【数7】 (Equation 7)

【数8】 が得られる。(Equation 8) Is obtained.

【0026】これは、Δx0 及びΔy0 についての二元
二次連立方程式であるから、目標変位量であるΔx0 及
びΔy0 が、実際の位置決め座標Δx,Δyの関数とし
て得られることになる。
Since this is a binary quadratic simultaneous equation for Δx0 and Δy0, the target displacement amounts Δx0 and Δy0 are obtained as a function of the actual positioning coordinates Δx and Δy.

【0027】これにより、ステージ18をΔx,Δyに
位置決めしたい場合には、目標変位量として、数式7,
8で与えられるΔx0 及びΔy0 を設定して、圧電アク
チュエータ15,19が制御されればよいことになる。
かくして、前記圧電アクチュエータ15,19は、この
数式7,8で与えられる目標変位量Δx0 及びΔy0 に
基づいて、駆動制御される。これにより、前述した誤差
としての微小変位δx,δyが補正され、より高精度の
位置制御が実現されることになる。
As a result, when the stage 18 is to be positioned at Δx and Δy, the target displacement amount is calculated by the following formula 7,
It is sufficient that the piezoelectric actuators 15 and 19 are controlled by setting Δx0 and Δy0 given by 8.
Thus, the piezoelectric actuators 15 and 19 are drive-controlled based on the target displacement amounts Δx0 and Δy0 given by the equations 7 and 8. As a result, the small displacements δx and δy as the above-mentioned error are corrected, and more accurate position control is realized.

【0028】このように圧電アクチュエータ15,19
が駆動制御されることにより、ステージ18は、それぞ
れ圧電アクチュエータ15,19の作動による変位量
が、ヒンジレバー13,16に対する連結位置と、フレ
ーム14,ステージ18のヒンジレバー13,16に対
する連結位置との支点に対する長さの比率に基づいて変
換され、図示の場合には、拡大されて伝達されることに
なる。
In this way, the piezoelectric actuators 15 and 19
When the stage 18 is driven and controlled, the amount of displacement of the stage 18 due to the operation of the piezoelectric actuators 15 and 19 becomes the connecting position to the hinge levers 13 and 16, and the connecting position to the frame 14 and the hinge levers 13 and 16 of the stage 18. Is converted based on the ratio of the length to the fulcrum, and in the case shown in the figure, it is enlarged and transmitted.

【0029】この場合、ヒンジ機構A,Bがそれぞれ同
一平面内に構成されており、各ヒンジレバー12,1
3,16,17の揺動方向もこの平面内であることか
ら、一方のヒンジ機構の動作による誤差としての微小変
位が、他方のヒンジ機構の動作によって、互いに補正し
合うことが可能となると共に、二つの互いに垂直な位置
決め制御方向x,yと垂直なz方向に関しては、薄型に
構成されることになる。また、上記二次元変位量変換機
構10は、全体が扁平な弾性平板材料のブロックから一
体に形成されていると共に、一方向(図示の場合、z方
向)のみからの加工によって形成されるので、形状精度
及び寸法精度が高いヒンジ構造が、簡単な構成により容
易に得られることになる。
In this case, the hinge mechanisms A and B are formed in the same plane, and the hinge levers 12 and 1
Since the swinging directions of 3, 16 and 17 are also in this plane, it becomes possible for the small displacement as an error due to the operation of the one hinge mechanism to be mutually corrected by the operation of the other hinge mechanism. In the z direction, which is perpendicular to the two mutually perpendicular positioning control directions x and y, the device is thin. Further, the two-dimensional displacement amount conversion mechanism 10 is integrally formed from a block of a flat elastic flat plate material as a whole and is formed by processing from only one direction (z direction in the case shown). A hinge structure having high shape accuracy and dimensional accuracy can be easily obtained with a simple configuration.

【0030】図4及び図5は、本発明による二次元変位
量変換機構の第二の実施形態を示している。図4におい
て、二次元変位量変換機構20は、変位量縮小機構とし
て構成されており、同様に一つの剛性の高い弾性平板材
料から成るブロックを、切削加工,ワイヤ放電加工ある
いはミリング加工を施すことにより、作製されている。
4 and 5 show a second embodiment of the two-dimensional displacement amount conversion mechanism according to the present invention. In FIG. 4, the two-dimensional displacement amount conversion mechanism 20 is configured as a displacement amount reduction mechanism, and similarly, one block made of an elastic flat plate material having high rigidity is subjected to cutting, wire electric discharge machining or milling. It is produced by.

【0031】二次元変位量拡大機構20は、固定配置さ
れたベース21に対して、位置決め制御されるべきステ
ージ28(後述)を、x方向に駆動するための(図4及
び図5にて、ドットパターンで示す)第一のヒンジ構造
部Aと、y方向に駆動するための(図4及び図5にて、
ハッチングで示す)第二のヒンジ構造部Bとを含んでい
る。
The two-dimensional displacement amount enlarging mechanism 20 drives a stage 28 (described later) whose positioning is to be controlled in the x direction with respect to a fixedly arranged base 21 (see FIGS. 4 and 5). A first hinge structure A (shown in dot pattern) and for driving in the y direction (in FIGS. 4 and 5
A second hinge structure B) (shown by hatching).

【0032】第一のヒンジ構造部Aは、ベース21に対
して、x方向の両端部が、それぞれヒンジレバー22,
23を介して、平行四辺形状のリンクを構成するよう
に、連結されたフレーム24と、ベース21と上記ヒン
ジレバー23の反対側の延長端に対してそれぞれ連結さ
れた第一の駆動手段としての圧電アクチュエータ25
と、を含んでいる。上記ベース21,ヒンジレバー2
2,23及びフレーム24は、それぞれ弾性ヒンジを介
して互いに連結されており、さらに圧電アクチュエータ
25は、ベース21及びヒンジレバー23に対して、そ
れぞれ弾性ヒンジを介して連結されている。
In the first hinge structure portion A, both ends in the x direction with respect to the base 21 are hinge levers 22,
23 as a first drive means connected to the frame 24 connected to each other via the 23 and the extended end on the opposite side of the base 21 and the hinge lever 23, respectively. Piezoelectric actuator 25
And The base 21, the hinge lever 2
2, 23 and the frame 24 are connected to each other via elastic hinges, and the piezoelectric actuator 25 is connected to the base 21 and the hinge lever 23 via elastic hinges, respectively.

【0033】また、第二のヒンジ構造部Bは、フレーム
24に対して、y方向の両端部が、それぞれヒンジレバ
ー26,27を介して、平行四辺形状のリンクを構成す
るように、連結されたステージ28と、フレーム24と
上記ヒンジレバー26の延長端に対してそれぞれ連結さ
れた第二の駆動手段としての圧電アクチュエータ29
と、を含んでいる。上記フレーム24,ヒンジレバー2
6,27及びステージ28は、それぞれ弾性ヒンジを介
して互いに連結されており、さらに圧電アクチュエータ
29は、フレーム24及びヒンジレバー26に対して、
それぞれ弾性ヒンジを介して連結されている。
The second hinge structure B is connected to the frame 24 at both ends in the y direction so as to form parallelogram-shaped links via the hinge levers 26 and 27, respectively. Stage 28, frame 24, and piezoelectric actuator 29 as second driving means connected to the extended end of the hinge lever 26, respectively.
And The frame 24, the hinge lever 2
6, 27 and the stage 28 are connected to each other via elastic hinges, and the piezoelectric actuator 29 is connected to the frame 24 and the hinge lever 26.
Each is connected via an elastic hinge.

【0034】さらに、上記圧電アクチュエータ25,2
9は、それぞれベース21,フレーム24に設けられた
ネジ孔に螺合した予圧調整ネジ21a,24aにより、
適度な予圧が加えられると共に、図示しない電源から駆
動電圧が印加されることにより、それぞれヒンジレバー
23,26の弾性ヒンジ23a,26aに変位力を加え
るようになっている。
Further, the piezoelectric actuators 25, 2 are
9 is preload adjusting screws 21a and 24a screwed into screw holes provided in the base 21 and the frame 24, respectively,
A suitable preload is applied and a drive voltage is applied from a power source (not shown) to apply a displacement force to the elastic hinges 23a and 26a of the hinge levers 23 and 26, respectively.

【0035】本実施形態による二次元変位量変換機構2
0は、以上のように構成されており、先づ圧電アクチュ
エータ25に対して、図示しない電源から駆動電圧が印
加されることにより、圧電効果によって、圧電アクチュ
エータ25が、図5に示すようにヒンジレバー23の延
長端を押動する。これにより、ヒンジレバー23は、ベ
ース21に連結された弾性ヒンジ23bを支点として、
揺動することにより、その中間部が、弾性ヒンジを介し
て、フレーム24を図示の場合、左方に移動させること
になる。
Two-dimensional displacement amount conversion mechanism 2 according to this embodiment
0 is configured as described above, and when a drive voltage is applied to the piezoelectric actuator 25 from a power source (not shown), the piezoelectric actuator 25 is hinged as shown in FIG. The extended end of the lever 23 is pushed. As a result, the hinge lever 23 uses the elastic hinge 23b connected to the base 21 as a fulcrum.
By swinging, the intermediate portion moves the frame 24 to the left in the illustrated case via the elastic hinge.

【0036】ここで、フレーム24は、ヒンジレバー2
2,23を介して、所謂平行四辺形状のリンク構造によ
って、ベース21に対して連結されているので、この左
方移動によって、両端がそれぞれヒンジレバー22,2
3のベース21への連結点である弾性ヒンジ22a,2
3bを支点として揺動する。従って、フレーム24は、
ベース21に対して常に平行の状態を保持しながら、距
離Δx0 だけ左方移動することになる。
Here, the frame 24 is the hinge lever 2
Since it is connected to the base 21 via a link structure of a so-called parallelogram shape via 2, 23, both ends thereof are hinge levers 22, 2 by this leftward movement.
Elastic hinges 22a, 2 which are connection points of the base 3 of
It swings around 3b as a fulcrum. Therefore, the frame 24
While keeping the parallel state with the base 21, the base 21 is moved to the left by the distance Δx0.

【0037】他方、圧電アクチュエータ29に対して、
図示しない電源から駆動電圧が印加されることにより、
圧電効果によって、圧電アクチュエータ29が、図5に
示すようにヒンジレバー26の延長端を押動する。これ
により、ヒンジレバー26は、フレーム24に連結され
た弾性ヒンジ26bを支点として、揺動することによ
り、その中間部が、弾性ヒンジを介して、ベース28を
図示の場合、上方に移動させることになる。
On the other hand, with respect to the piezoelectric actuator 29,
By applying a drive voltage from a power source (not shown),
The piezoelectric effect causes the piezoelectric actuator 29 to push the extended end of the hinge lever 26 as shown in FIG. As a result, the hinge lever 26 swings about the elastic hinge 26b connected to the frame 24 as a fulcrum, so that the intermediate portion of the hinge lever 26 moves the base 28 upward through the elastic hinge in the illustrated case. become.

【0038】ここで、ベース28は、ヒンジレバー2
6,27を介して、所謂平行四辺形状のリンク構造によ
って、フレーム24に対して連結されているので、この
上方移動によって、両端がそれぞれヒンジレバー26,
27のフレーム24への連結点である弾性ヒンジ26
b,27aを支点として揺動する。従って、ステージ2
8は、フレーム24に対して常に平行の状態を保持しな
がら、距離Δy0 だけ上方移動することになる。かくし
て、ステージ28は、上述のように、x方向に距離Δx
0 だけ、またy方向に距離Δy0 だけ移動されることに
なる。
Here, the base 28 is the hinge lever 2
Since they are connected to the frame 24 by a so-called parallelogram-shaped link structure via 6, 27, both ends are hinge levers 26, 26 by this upward movement.
An elastic hinge 26 that is a connection point of 27 to the frame 24
It swings with b and 27a as fulcrums. Therefore, stage 2
8 always moves parallel to the frame 24 while moving upward by a distance .DELTA.y0. Thus, the stage 28 has a distance Δx in the x direction, as described above.
It is moved by 0 and the distance Δy 0 in the y direction.

【0039】この場合、フレーム24のx方向の移動の
際に、図5に示すように、ヒンジレバー26,27の揺
動によって、y方向にも誤差としての微小変位δyが生
ずると共に、ステージ18のy方向の移動の際にも、同
様にして、ヒンジレバー22,23の揺動によって、x
方向に誤差としての微小変位δxが生ずることになる。
従って、図1乃至図3に示した二次元変位量変換機構1
0と同様にして、一方の圧電アクチュエータ25,29
の作動時に発生する微小変位δy,δxを補正するよう
に、他方の圧電アクチュエータ29,25が駆動制御さ
れることにより、より高精度の位置制御が実現されるこ
とになる。
In this case, when the frame 24 moves in the x direction, as shown in FIG. 5, the swing of the hinge levers 26 and 27 causes a small displacement δy as an error in the y direction, and the stage 18 moves. Similarly, when the hinge levers 22 and 23 are swung in the y direction,
A minute displacement δx as an error occurs in the direction.
Therefore, the two-dimensional displacement amount conversion mechanism 1 shown in FIGS.
Similarly to 0, one of the piezoelectric actuators 25, 29
By controlling the driving of the other piezoelectric actuators 29 and 25 so as to correct the minute displacements δy and δx that occur during the operation of, the position control with higher accuracy can be realized.

【0040】このように圧電アクチュエータ25,29
が駆動制御されることにより、ステージ28は、それぞ
れ圧電アクチュエータ25,29の作動による変位量
が、ヒンジレバー23,26に対する連結位置と、フレ
ーム24,ステージ28のヒンジレバー23,26に対
する連結位置との支点に対する長さの比率に基づいて変
換され、図示の場合には、縮小されて伝達されることに
なる。
In this way, the piezoelectric actuators 25, 29
When the stage 28 is driven and controlled, the displacement amount of the stage 28 due to the operation of the piezoelectric actuators 25 and 29 becomes the connecting position to the hinge levers 23 and 26 and the connecting position to the frame 24 and the stage 28 to the hinge levers 23 and 26, respectively. Is converted based on the ratio of the length to the fulcrum of, and in the case of the drawing, it is reduced and transmitted.

【0041】このように上述した実施形態では、双方の
駆動手段による双方の移動部材の変位が、同一平面内で
行なわれるので、何れか一方の駆動手段の作動により、
対応する一方の移動部材が変位されたとき、この変位方
向、即ち第一の方向または第二の方向に垂直である第二
の方向または第一の方向に生ずる誤差変位が、他方の駆
動手段の駆動制御によって補正されることにより、打ち
消されるので、高精度で且つ安定した位置決め制御が行
われることになる。従って、簡単な構成により、例えば
超精密二次元走査機構等に使用される二次元変位量変換
機構が、容易に実現されることになる。
As described above, in the above-described embodiment, since the displacement of both moving members by both drive means is performed in the same plane, the operation of either one of the drive means
When one of the corresponding moving members is displaced, an erroneous displacement occurring in the displacement direction, that is, the second direction or the first direction perpendicular to the first direction or the second direction, is caused by the error displacement of the other driving means. Since the correction is canceled by being corrected by the drive control, highly accurate and stable positioning control is performed. Therefore, a two-dimensional displacement amount conversion mechanism used in, for example, an ultra-precision two-dimensional scanning mechanism can be easily realized with a simple configuration.

【0042】尚、上述した実施形態においては、何れの
場合も、一段レバー式のヒンジ構造を備えているが、こ
れに限らず、多段レバー式のヒンジ構造を備えていても
よいことは明らかである。また、上述した実施形態で
は、何れも二次元の変位量変換機構の例であるが、これ
らを組み合わせることで、三次元の変位量変換機構を構
成する場合も、本発明の範囲である。また、上述した実
施形態においては、駆動手段として、何れも圧電アクチ
ュエータが使用されているが、これに限らず、他の変位
を生ずるような素子、例えば電歪素子や磁歪素子等も使
用することができる。
In each of the above-described embodiments, the one-stage lever type hinge structure is provided, but the present invention is not limited to this, and it is clear that a multi-stage lever type hinge structure may be provided. is there. Further, in the above-described embodiments, all are examples of the two-dimensional displacement amount conversion mechanism, but the case where the three-dimensional displacement amount conversion mechanism is configured by combining these is also within the scope of the present invention. Further, in the above-described embodiments, the piezoelectric actuators are used as the driving means, but the present invention is not limited to this, and an element that causes another displacement, such as an electrostrictive element or a magnetostrictive element, may be used. You can

【0043】[0043]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、小
型に構成されると共に、高い位置決め精度が得られるよ
うにした、変位量変換機構を提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a displacement amount conversion mechanism which is constructed in a small size and is capable of obtaining high positioning accuracy.

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

【図1】本発明による二次元変位量変換機構の第一の実
施形態を示す概略斜視図である。
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a first embodiment of a two-dimensional displacement amount conversion mechanism according to the present invention.

【図2】図1の二次元変位量変換機構の非変位状態を示
す概略平面図である。
FIG. 2 is a schematic plan view showing a non-displaced state of the two-dimensional displacement amount conversion mechanism of FIG.

【図3】図1の二次元変位量変換機構の変位状態を示す
概略平面図である。
FIG. 3 is a schematic plan view showing a displacement state of the two-dimensional displacement amount conversion mechanism of FIG.

【図4】本発明による二次元変位量変換機構の第二の実
施形態の非変位状態を示す概略平面図及び側面図であ
る。
FIG. 4 is a schematic plan view and a side view showing a non-displaced state of a second embodiment of a two-dimensional displacement amount conversion mechanism according to the present invention.

【図5】図4の二次元変位量変換機構の変位状態を示す
概略平面図である。
5 is a schematic plan view showing a displacement state of the two-dimensional displacement amount conversion mechanism of FIG.

【図6】従来の圧電アクチュエータ変位量変換機構の一
例の非変位状態を示す概略平面図である。
FIG. 6 is a schematic plan view showing a non-displaced state of an example of a conventional piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism.

【図7】図6の圧電アクチュエータ変位量変換機構の変
位状態を示す概略平面図である。
7 is a schematic plan view showing a displacement state of the piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism of FIG.

【図8】超精密二次元走査機構における走査状態を示す
概略斜視図である。
FIG. 8 is a schematic perspective view showing a scanning state in the ultra-precision two-dimensional scanning mechanism.

【図9】従来の二次元圧電アクチュエータ変位量変換機
構の一例を示す概略斜視図である。
FIG. 9 is a schematic perspective view showing an example of a conventional two-dimensional piezoelectric actuator displacement amount conversion mechanism.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20・・・二次元変位量変換機構、11,21・
・・ベース、12,,13,16,17,22,23,
26,27・・・ヒンジレバー、14,24・・・フレ
ーム(移動部材)、15,19,25,29・・・圧電
アクチュエータ(駆動手段)、18,28・・・ステー
ジ(移動部材)。
10, 20 ... Two-dimensional displacement amount conversion mechanism 11, 21, ...
..Bases, 12, 13, 16, 17, 22, 23,
26, 27 ... Hinge lever, 14, 24 ... Frame (moving member), 15, 19, 25, 29 ... Piezoelectric actuator (driving means), 18, 28 ... Stage (moving member).

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 同一平面内の第一の方向及びこれに垂直
な第二の方向に関して、 前記第一の方向に作動する第一の駆動手段と、 固定部に対してリンク機構により平行に保持され、前記
第一の駆動手段によって変位を生ずる第一の移動部材
と、 前記第二の方向に作動する第二の駆動手段と、 固定部に対してリンク機構により平行に保持され、前記
第二の駆動手段によって変位を生ずる第二の移動部材と
を備え、 前記一方の駆動手段の作動により、対応する一方の移動
部材が変位されたとき、この変位方向、即ち第一の方向
または第二の方向に垂直である第二の方向または第一の
方向に生ずる誤差変位を打ち消すように、他方の駆動手
段が駆動制御されることを特徴とする変位量変換機構。
1. With respect to a first direction in the same plane and a second direction perpendicular to the first direction, the first driving means operating in the first direction and the holding portion are held parallel to each other by a link mechanism. A first moving member that is displaced by the first driving means, a second driving means that operates in the second direction, and a second moving means that is held in parallel by a link mechanism with respect to the fixed portion; And a second moving member that is displaced by the driving means, when one corresponding moving member is displaced by the operation of the one driving means, this displacement direction, that is, the first direction or the second direction. A displacement amount conversion mechanism characterized in that the other drive means is drive-controlled so as to cancel an error displacement occurring in a second direction or a first direction perpendicular to the direction.
【請求項2】 前記駆動手段が、圧電アクチュエータで
あることを特徴とする請求項1に記載の変位量変換機
構。
2. The displacement amount conversion mechanism according to claim 1, wherein the drive means is a piezoelectric actuator.
【請求項3】 全体が、一つの剛性の高い弾性平板材料
から加工されることにより、一体に構成されていること
を特徴とする請求項1に記載の変位量変換機構。
3. The displacement conversion mechanism according to claim 1, wherein the whole is integrally formed by processing from one elastic plate material having high rigidity.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006325323A (en) * 2005-05-18 2006-11-30 Pioneer Electronic Corp Driving apparatus

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JP2006325323A (en) * 2005-05-18 2006-11-30 Pioneer Electronic Corp Driving apparatus

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