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JPH07244057A - 微動機構 - Google Patents

微動機構

Info

Publication number
JPH07244057A
JPH07244057A JP6038310A JP3831094A JPH07244057A JP H07244057 A JPH07244057 A JP H07244057A JP 6038310 A JP6038310 A JP 6038310A JP 3831094 A JP3831094 A JP 3831094A JP H07244057 A JPH07244057 A JP H07244057A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
parallel spring
actuator
point
displacement
fine movement
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.)
Withdrawn
Application number
JP6038310A
Other languages
English (en)
Inventor
Masatoshi Suzuki
正敏 鈴木
Toru Fujii
藤井  透
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP6038310A priority Critical patent/JPH07244057A/ja
Publication of JPH07244057A publication Critical patent/JPH07244057A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】平行ばねを用いた微動機構において、大きな変
位量と耐振動特性を両立させる。 【構成】平行ばねと、該平行ばね上の一点に接触させ
た、平行ばねに荷重をかけて所定変位方向に変位させる
アクチュエータとを有する微動機構において、アクチュ
エータと平行ばねの前記接触点と前記変位方向にかんし
て同軸上でありかつ前記平行ばね部材を挟んで前記接触
点と反対側の点において、前記平行ばねに前記変位方向
と反対方向に、緩衝材を介して与圧をかける機構を備え
る。好ましくは、前記アクチュエータによる変位が生じ
ていないゼロ変位状態において、前記平行ばねが単独で
自立しているときと同じ状態かまたは前記変位方向のマ
イナス方向にわずかに傾いた状態になるように与圧をか
ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は走査型トンネル顕微鏡用
等に用いて好適な微動機構、および該微動機構を用いた
走査型トンネル顕微鏡の微動走査機構に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡用等に用いられる
微動機構として様々な方式があるが、その一つに平行ば
ね機構がある。平行ばねを用いた従来の微動機構を図6
に示す。平行ばね30は土台である固定部31から互い
に平行に伸びる2本の腕32および該2本の腕の端部ど
うしを結ぶ連結部33よりなる。そして固定部に固定さ
れた圧電アクチュエータ等のアクチュエータ34を該平
行ばね30上の一点に鋼球35を介して接触させる。ア
クチュエータ34を動作させると、平行ばねは鋼球35
を介して図4の右方向に押され、平行ばねの一部を切り
欠いて形成した4か所のヒンジ部36をヒンジとして変
形し、連結部33が固定部に対して平行移動する。図6
に2点鎖線で移動後の平行ばねの一位置を示す。平行ば
ねの利点として、変位の直進性が優れていること、てこ
倍率によりアクチュエータの変位拡大が容易であるこ
と、変位位置検出のための干渉計や変位計の取り付けが
容易であることがあげられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】平行ばねとアクチュエ
ータで変位機構を構成する際に、アクチュエータが平行
ばねに力を加える荷重点が常に接触しているようにする
ために荷重方向の与圧(予圧)が必要である。与圧をか
ける方法として平行ばね自体の弾性を利用する方法が考
えられる。そのためには、アクチュエータによって平行
ばねを動かす前に、既に平行ばねが自身の平衡点を越え
て変位方向(即ちアクチュエータにより変位させるべき
方向)に押されているような状態となるようにアクチュ
エータと接触させればよい(この場合点接触をもたらす
ためにアクチュエータと平行ばねの間に鋼球等をいれる
とよい)。しかしこの方法には以下のような問題があ
る。即ち、特に極めて高い精度を持つ一体切り欠き型の
平行ばねの場合、ヒンジ部にあまり曲げ応力がかかると
塑性変形領域に入ってしまうため、曲げられる最大角度
には限度がある。そのため変位0の点で既に平行ばねが
変位方向に与圧分の傾きを持っている上記の構成では、
有効に使える角度の範囲は制限され、大きな変位量を得
るための障害となる。
【0004】また、同じ角度変化でより大きな変位を得
るため腕を長くすると、機械的共振点が低下して外乱振
動に対して弱くなる。その対策として、ダンプをかけて
Q値を下げることと、十分な与圧による鋼球の接触部の
変形による効果を利用することが考えられる。後者の効
果とは以下のようなものである。即ち、平行ばねは弾性
材料により出来ているので、与圧により鋼球との接触点
において変形を生ずるとその部分が一つの局所的なばね
として振る舞う。この局所的なばねは平行ばねの本来の
ばねより硬いばねである。平行ばねはその局所的なばね
を介して駆動されるため、全体としての系(即ち局所的
ばね、平行ばねおよびその質量を含めた系)は硬いばね
となり、共振点が上がって外乱振動に対して強くなると
いう効果が生れるものである。
【0005】上記のようにダンプをかけてQ値を下げる
ことは振動対策として有用ではあるが、ダンプの方法と
して例えばゴムやゲル状物質を固定部との間に挟んで使
うと、それ自体ばね要素でもあるため取付ける位置によ
っては平行ばねの動きを阻害する。平行ばねのピボット
であるヒンジ部に緩衝材を塗る方法では、ピッチ、ヨ
ー、ローリング等のヒンジの本来の平行ばねとしての変
形以外の変形が生じ、特性を低下させる。本発明の目的
は、平行ばねの変位量を大きくすることを可能にしつ
つ、かつ上述のような問題を生じないような微動機構を
提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、平行ばねと、
該平行ばね上の一点に接触させた、平行ばねに荷重をか
けて所定変位方向に変位させるアクチュエータとを有す
る微動機構において、アクチュエータと平行ばねの前記
接触点と前記変位方向にかんして同軸上でありかつ前記
平行ばね部材を挟んで前記接触点と反対側の点におい
て、前記平行ばねに前記変位方向と反対方向に、緩衝材
を介して与圧をかける機構を備える。また本発明は上記
のような微動機構を用いた走査型トンネル顕微鏡の微動
走査機構を提供する。その場合上記の平行ばねに走査型
トンネル顕微鏡の探針または試料ステージを固定すれば
よい。
【0007】
【作用】上記構成によれば、緩衝材を介して与圧をかけ
ているため、該緩衝材のダンピング効果で外乱による共
振を押えることができる。また上述した与圧による鋼球
の接触部の変形による効果もあり、平行ばねの耐振動特
性を上げることができる。緩衝材はゴムやゲル状物質で
よく、それがダンパと与圧用ばねの両方の作用をするの
で構成が単純である。平行ばねに与えられる与圧力はア
クチュエータによる荷重点に対し平行ばねを挟んで同軸
上の点に、荷重方向の反対方向に加えられるため、平行
ばねに対しモーメント力がかからない。したがって平行
ばね本来の変形以外の無用な変形が生じず、変位を阻害
することがない。また、平行ばねがアクチュエータによ
って変位されるべき方向(変位方向、即ち荷重方向)と
反対の方向に与圧をかけるので、平行ばねを自立状態と
同じかもしくはアクチュエータの変位方向のマイナス方
向に曲げた状態を変位の0点とすることができ、平行ば
ねをヒンジ部の弾性限度内で変位させられる範囲を有効
に使える。
【0008】
【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。図1は本発明の第1の実施例の微動機構を図式的に
示す。平行ばね10が土台ないし基板である固定部1か
ら互いに平行に伸びる2本の腕2および該2本の腕の端
部どうしを結ぶ移動部3より構成されている。該平行ば
ね10を変位させるアクチュエータである積層型圧電素
子4は一端が固定部1に接着され他端に直径2mmの鋼
球5が接着してある。鋼球の他端は平行ばね10の移動
部3にほぼ点接触している。平行ばねに関して圧電素子
4の反対側において、ゴムやゲル状物質からなる緩衝材
7の一端が固定部1に接着されている。緩衝材7の他端
には中央に鋼球8が接着された金属板9が接着されてい
る。平行ばね10に図1の左方向に与圧を与えるべく緩
衝材7は圧縮された状態とする。本実施例では、圧電素
子が動作していないとき(ゼロ変位状態)に、平行ばね
が自立状態(即ち外力を受けない自然状態でとる姿勢)
となるようになされている。図1はこのゼロ変位状態を
示す。なお図1では圧電素子4および緩衝材7を取り付
ける固定部を平行ばねの土台となっている下部の固定部
と一体的に描いているが、必ずしも一体である必要はな
い。また緩衝材はゴムやゲル状物質に限らず、与圧とダ
ンパの両方の作用を行ない得るような不完全弾性を有す
るものであればよい。
【0009】上記のような機構において、圧電素子4に
電圧をかけると圧電素子4は力学的歪を生じ、鋼球5を
介して平行ばね10を図1の右方向に押す。これにより
平行ばねは、その一部を切り欠いて形成した4か所のヒ
ンジ部6をヒンジとして変形し、移動部3が固定部に対
して平行移動する。この移動部3が本微動機構により微
動せしめられる部位であり、圧電素子4に印加する電圧
を調節することで所望量の微小変位を図の水平方向に生
ずる。本微動機構においては、外乱により固定部1が振
動しても緩衝材7がダンパの役割を果たすことにより、
平行ばね10には振動が生じにくい。
【0010】図2は本発明の第2の実施例の微動機構を
示す。本実施例の機構は図1の機構とほぼ同様のもので
あり、対応する部分には同じ参照符号を付けて説明を省
略する。図1の実施例と異なる点は、圧電素子4による
変位が生じていないゼロ変位状態で、与圧力によりあら
かじめ平行ばね10を圧電素子4による変位方向のマイ
ナス方向に曲げて、平行ばねをヒンジ部の弾性限度内で
変位させられる範囲を有効に使えるようにした点であ
る。図2はこのゼロ変位状態を示す。このようにすれば
理論的には最大で平行ばねの左側弾性限界から右側弾性
限界まで変位範囲をとることができるので、大きな変位
量が確保できる。
【0011】図3は本発明の第3の実施例の微動機構で
ある。この実施例でも同様の部分には同じ参照符号を付
けて説明を省略する。本実施例においては、圧電素子か
らの力が作用する点を平行ばねの腕の中央部とすること
により、2倍のてこ比で圧電素子の変位量を拡大してい
る。すなわちこの機構では圧電素子4の変位量に対して
移動部3の変位量は2倍に拡大される。以上の実施例の
微動機構はいずれも走査型トンネル顕微鏡の走査機構と
して好適に用いることができる。該走査機構は走査型ト
ンネル顕微鏡の探針と被検物を載置するステージとを相
対的に移動させるためのものである。
【0012】図4は図1に示した微動機構を走査型トン
ネル顕微鏡の探針の移動機構として用いた例を示す。前
記の移動部3の上に探針20が図の垂直方向の微動を行
なう垂直方向微動素子22を介して固定されている。参
照符号21は探針のホルダである。この構成により、探
針を図の水平方向に微小移動させて走査を行なう。
【0013】図5は同じく図1に示した微動機構を走査
型トンネル顕微鏡のステージの移動機構として用いた例
を示す。前記の移動部3の上にステージ23が固定され
ており、ステージを図の水平方向に微小移動させて走査
を行なう。
【0014】
【発明の効果】本発明によれば、緩衝材を介して与圧を
かけているため、該緩衝材のダンピング効果で外乱によ
る共振を押えることができる。また上述した与圧による
鋼球の接触部の変形による効果もあり、平行ばねの耐振
動特性を上げることができる。緩衝材はゴムやゲル状物
質でよく、それがダンパと与圧用ばねの両方の作用をす
るので構成が単純である。更に、平行ばねに与えられる
与圧力はアクチュエータによる荷重点に対し平行ばねを
挟んで同軸上の点に、荷重方向の反対方向に加えられる
ため、平行ばねに対しモーメント力がかからない。した
がって平行ばね本来の変形以外の無用な変形が生じず、
変位を阻害することがない。また、平行ばねがアクチュ
エータによって変位されるべき方向と反対の方向に与圧
をかけるので、平行ばねを自立状態と同じかもしくはア
クチュエータの変位方向のマイナス方向に曲げた状態を
変位の0点とすることができ、平行ばねをヒンジ部の弾
性限度内で変位させられる範囲を有効に用いることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例である微動機構を図式的
に示す図である。
【図2】本発明の第2の実施例である微動機構を図式的
に示す図である。
【図3】本発明の第3の実施例である微動機構を図式的
に示す図である。
【図4】図1に示した微動機構を走査型トンネル顕微鏡
の探針移動機構として用いた実施例を示す図である。
【図5】図1に示した微動機構を走査型トンネル顕微鏡
の試料ステージ移動機構として用いた実施例を示す図で
ある。
【図6】平行ばねを用いた微動機構の従来例を示す図で
ある。
【符号の説明】
1 固定部 2 平行ばねの腕 3 移動部 4 積層型圧電素子 5、8 鋼球 6 ヒンジ部 7 緩衝材 9 金属板 10 平行ばね 20 探針 23 ステージ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H02N 2/00 B

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 平行ばねと、該平行ばね上の一点に接触
    するアクチュエータであって、平行ばねに荷重をかけて
    所定変位方向に変位させるアクチュエータとを有する微
    動機構において、アクチュエータと平行ばねの前記接触
    点と前記変位方向にかんして同軸上でありかつ前記平行
    ばね部材を挟んで前記接触点と反対側の点において、前
    記平行ばねに前記変位方向と反対方向に、緩衝材を介し
    て与圧をかける機構を有することを特徴とする微動機
    構。
  2. 【請求項2】 前記アクチュエータに接着された鋼球を
    有し、前記アクチュエータは該鋼球を介して前記平行ば
    ねに点接触して荷重を加えることを特徴とする請求項1
    記載の微動機構。
  3. 【請求項3】 前記緩衝材を介して与圧をかける機構
    は、前記平行ばねが固定されている固定部に対して相対
    的に固定されている固定部材に取り付けられた緩衝材と
    該緩衝材の該固定部材側とは反対の側で該緩衝部材に取
    り付けられた前記平行ばねと点接触する部材を含むこと
    を特徴とする請求項1記載の微動機構。
  4. 【請求項4】 前記与圧は前記緩衝材自身の弾性を利用
    して付与されることを特徴とする請求項1記載の微動機
    構。
  5. 【請求項5】 前記与圧は、前記アクチュエータによる
    変位が生じていないゼロ変位状態において、前記平行ば
    ねが単独で自立しているときと同じ状態かまたは前記変
    位方向のマイナス方向にわずかに傾いた状態になるよう
    にかけられていることを特徴とする請求項1記載の微動
    機構。
  6. 【請求項6】 固定部から略平行に伸びる2つの腕と該
    2つの腕の端部をつなぐ移動部とを含む平行ばねと、該
    平行ばね上の一点に接触するアクチュエータであって、
    平行ばねに荷重をかけて変形させて前記移動部の所定方
    向の微小変位をもたらすアクチュエータと、前記平行ば
    ねの移動部に固定された探針とを有する走査型トンネル
    顕微鏡の微動走査機構において、アクチュエータと平行
    ばねの前記接触点と前記変位方向にかんして同軸上であ
    りかつ前記平行ばね部材を挟んで前記接触点と反対側の
    点において、前記平行ばねに前記変位方向と反対方向
    に、緩衝材を介して与圧をかける機構を有することを特
    徴とする微動走査機構。
  7. 【請求項7】 固定部から略平行に伸びる2つの腕と該
    2つの腕の端部をつなぐ移動部とを含む平行ばねと、該
    平行ばね上の一点に接触するアクチュエータであって、
    平行ばねに荷重をかけて変形させて前記移動部の所定方
    向の微小変位をもたらすアクチュエータと、前記平行ば
    ねの移動部に固定された試料ステージとを有する走査型
    トンネル顕微鏡の微動走査機構において、アクチュエー
    タと平行ばねの前記接触点と前記変位方向にかんして同
    軸上でありかつ前記平行ばね部材を挟んで前記接触点と
    反対側の点において、前記平行ばねに前記変位方向と反
    対方向に、緩衝材を介して与圧をかける機構を有するこ
    とを特徴とする微動走査機構。
JP6038310A 1994-03-09 1994-03-09 微動機構 Withdrawn JPH07244057A (ja)

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Cited By (6)

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