JPH03111188A - 3D micro positioning device - Google Patents

3D micro positioning device

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Publication number
JPH03111188A
JPH03111188A JP25154289A JP25154289A JPH03111188A JP H03111188 A JPH03111188 A JP H03111188A JP 25154289 A JP25154289 A JP 25154289A JP 25154289 A JP25154289 A JP 25154289A JP H03111188 A JPH03111188 A JP H03111188A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
axis
movable part
center
movement mechanism
micro
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
Application number
JP25154289A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiro Higuchi
俊郎 樋口
Hironari Seki
宏也 関
Shinji Konno
今野 信次
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.)
Mitsubishi Chemical Corp
Original Assignee
Mitsubishi Kasei Corp
Mitsubishi Chemical Industries Ltd
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 Mitsubishi Kasei Corp, Mitsubishi Chemical Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Kasei Corp
Priority to JP25154289A priority Critical patent/JPH03111188A/en
Publication of JPH03111188A publication Critical patent/JPH03111188A/en
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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1 本発明は、例えば、マイクロマニュピュレー] ジョン時の微小針の微小移動の際に好適使用される3次
元微小位置決め装置に関するものであり、詳しくは、各
方向への変位を高精度にフィードバック制御し得る3次
元微小位置決め装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application 1] The present invention relates to a three-dimensional micro-positioning device that is preferably used for micro-movement of micro-needles during, for example, micromanipulation. relates to a three-dimensional micro-positioning device that can perform feedback control of displacement in each direction with high precision.

[従来技術] 従来、微小位置決め装置としては、その微小移動機構に
、平行板バネ機構を使用したものが種々提案されている
。以下、添付図面に基すいて、平行板バネ機構を使用し
た従来の微小移動機構について説明する。
[Prior Art] Conventionally, various micro-positioning devices have been proposed in which a parallel plate spring mechanism is used as a micro-movement mechanism. Hereinafter, a conventional micro-movement mechanism using a parallel leaf spring mechanism will be described with reference to the accompanying drawings.

第5図は、対称形平行板バネ機構からなる1次元の微小
移動機構の平面説明図である。同図において、対称形平
行板バネ機構は、一端が基台(1)に固定された2枚の
平行板バネ(2)、(2)からなる1組の平行板バネと
、一端が基台(1′)に固定された2枚の平行板バネ(
2″)、(2’)からなる他の1組の平行板バネと、こ
れら2組の平行板バネを面対称に連結するための剛体(
3)とによって構成されている。アクチュエータ(4)
を剛体(3)に当接させ、板バネのたわみ方向に力(f
)を付与すると、例えばX軸方向の1次元機/」)移動
機構が実現される。なお、アクチュエータは1つしか図
示していないが、必要に応じて、対称位置にも同様に配
置される。
FIG. 5 is an explanatory plan view of a one-dimensional micro-movement mechanism consisting of a symmetrical parallel plate spring mechanism. In the same figure, the symmetrical parallel leaf spring mechanism consists of a pair of parallel leaf springs (2), (2), one end of which is fixed to the base (1), and one end of which is fixed to the base (1). Two parallel plate springs (1') fixed at
2″) and (2′), and a rigid body (
3). Actuator (4)
is brought into contact with the rigid body (3), and a force (f
), a one-dimensional machine/'') moving mechanism in the X-axis direction, for example, is realized. Although only one actuator is shown in the figure, it may be similarly arranged at symmetrical positions as needed.

第6図は、X軸およびY軸方向の2次元の微小移動機構
の斜視図であり、第5図に示した1次元の微小移動機構
を組み合わせて構成したものである。
FIG. 6 is a perspective view of a two-dimensional micro-movement mechanism in the X-axis and Y-axis directions, which is constructed by combining the one-dimensional micro-movement mechanisms shown in FIG. 5.

すなわち、基台(1)、平行板バネ(2)、基台(1’
)。
That is, the base (1), the parallel leaf spring (2), the base (1'
).

平行板バネ(2’)、 (2’)及び剛体(3)によっ
て第3図に示したと同様の元微小移動機構(X)と(Y
)を構成し、そして、微小移動機構(Y)は、微/Jz
移動機構(X)の上部に配置され、該微小移動機構の基
台(1)及び(1′)は、微小移動機構(X)の剛体に
固定されている。なお、同図においては、アクチュエー
タは省略しである。
Parallel leaf springs (2'), (2') and rigid body (3) create the same original micro-movement mechanisms (X) and (Y) as shown in Figure 3.
), and the micro movement mechanism (Y) is micro/Jz
It is arranged on the upper part of the movement mechanism (X), and the bases (1) and (1') of the minute movement mechanism are fixed to the rigid body of the minute movement mechanism (X). Note that the actuator is omitted in this figure.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、前記従来の微小移動機構を使用した多次
元の微小位置決め装置では、微小移動機構の変位検出値
をフィードバンク制御しようとした場合、各微小移動機
構の重心(G)と可動中心(0)とのずれが大きいため
に、高精度のフィードバック制御が困難であるという問
題がある。ここで、微小移動機構の重心(G)とは、通
常の方法で求められる各々の移動機構の質量中心である
。また、可動中心(0)とは、第5図に示した対称形平
行板バネ機構においては、2Niの平行板バネを面対象
の関係とする面内に存在し且つ2組の平行板バネに直交
し板バネの幅方向の中央を通る直線(k)と、平行板バ
ネに平行で2枚の平行板バネから等距離に存在する平面
(L)との交点を指す。
[Problems to be Solved by the Invention] However, in the multidimensional micro-positioning device using the conventional micro-movement mechanisms, when attempting to perform feedbank control of the displacement detection values of the micro-movement mechanisms, the center of gravity of each micro-movement mechanism (G) and the movable center (0) is large, so there is a problem that highly accurate feedback control is difficult. Here, the center of gravity (G) of the minute movement mechanism is the center of mass of each movement mechanism determined by a normal method. In addition, in the symmetrical parallel plate spring mechanism shown in Fig. 5, the movable center (0) is the center of motion that exists in a plane that has a plane symmetrical relationship with the 2Ni parallel plate springs, and that is the center of movement between two sets of parallel plate springs. It refers to the intersection of a straight line (k) that is orthogonal and passes through the center of the width direction of the leaf springs and a plane (L) that is parallel to the parallel leaf springs and is equidistant from the two parallel leaf springs.

すなわち、フィードバック制御においては制御対象の動
的特性が重要であり、平行板バネ機構のたわみ方向の変
位をフィードバック制御する場合に回転モーメントが付
加されると該回転モーメントを主とする振動モードが励
起されて制御精度が低下する。第5図に示した1次元の
微/J)移動機構では構造が比較的簡単であるために、
該微小移動機構との重心(G)と可動中心(○)とはほ
ぼ一致しているが、第6図に示した2次元の微小移動機
構では、各方向の移動機構が空間的に離れて構成され− ているために、Y軸方向可動部の重心(G)とX軸方向
可動部の可動中心(0)とが太きくずれ、その結果、X
軸方向可動部の加速度運動に伴って該X軸方向可動部を
構成する仮バネの各軸に回転モーメントが生じ、精度よ
くフィードバック制御を行うことができない。
In other words, the dynamic characteristics of the controlled object are important in feedback control, and when a rotational moment is added when performing feedback control of the deflection direction displacement of a parallel plate spring mechanism, a vibration mode mainly based on the rotational moment is excited. control accuracy decreases. Since the one-dimensional fine/J) movement mechanism shown in Fig. 5 has a relatively simple structure,
The center of gravity (G) and the movable center (○) of the minute movement mechanism almost coincide, but in the two-dimensional minute movement mechanism shown in Fig. 6, the movement mechanisms in each direction are spatially separated. As a result, the center of gravity (G) of the movable part in the Y-axis direction and the center of gravity (0) of the movable part in the X-axis direction are misaligned, and as a result, the
Accompanied by the accelerated movement of the axially movable section, a rotational moment is generated on each axis of the temporary spring constituting the X-axis movable section, making it impossible to perform accurate feedback control.

[課題を解決するための手段] 本発明に係る3次元微小位置決め装置においては、対称
形平行板バネ機構によって各々構成されたX軸方向、Y
軸方向、Y軸方向可動部からなり、しかも、Y軸方向可
動部は、その重心がY軸方向可動部の可動中心と一致し
て該Y軸方向可動部に固定され、Y軸方向可動部は、前
記Y軸方向可動部と該Y軸方向可動部との全体重心がX
軸方向可動部の可動中心と一致して該X軸方向可動部に
固定された微小移動機構を備えている。
[Means for Solving the Problems] In the three-dimensional micro-positioning device according to the present invention, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the
The Y-axis movable part is fixed to the Y-axis movable part with its center of gravity coinciding with the movable center of the Y-axis movable part, and the Y-axis movable part is fixed to the Y-axis movable part. , the entire center of gravity of the Y-axis direction movable section and the Y-axis direction movable section is X
A minute movement mechanism is provided that is fixed to the X-axis movable section so as to coincide with the movable center of the axial movable section.

[作用] 本発明においては、3次元の微小移動機構を構成する各
対称形平行板バネ機構は、重心(G)と可動中心(0)
とが一致しているため、微小移動機構の一 変位に伴って板バネの各軸に回転モーメントが生じるこ
とがない。
[Operation] In the present invention, each symmetrical parallel plate spring mechanism constituting the three-dimensional micro-movement mechanism has a center of gravity (G) and a center of movement (0).
Since they match, no rotational moment is generated in each axis of the leaf spring due to one displacement of the minute movement mechanism.

[実施例] 以下、本発明の一実施例を添付図面に従って詳細に説明
する。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

第1図は、本発明装置の各機構を説明するブロック図で
あり、第2図は、本発明装置における微小移動機構の組
立図である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating each mechanism of the device of the present invention, and FIG. 2 is an assembly diagram of the minute movement mechanism in the device of the present invention.

本発明装置は、第1図に示すように、微小移動機構(A
)、該微小移動機構の移動変位量(X)を検出するセン
サー機構(B)、操作部から出力される目標設定値(r
)及び前記センサー機構からフィードバックされる移動
変位量(X)とを入力して前記微小移動機構に出力(u
)を与えてこれをコントロールする制御機構(C)とに
よって構成されている。
As shown in FIG.
), a sensor mechanism (B) that detects the movement displacement amount (X) of the minute movement mechanism, and a target setting value (r
) and the movement displacement amount (X) fed back from the sensor mechanism, and output (u
) and a control mechanism (C) that controls this.

微小移動機構(A)は、第2図に示すように、X軸方向
可動部(1a)、Y軸方向可動部(1b)、Y軸方向可
動部(Ic)によって構成されている。各可動部は、前
述の第3図に示したと同様に、基台(1)、平行板バネ
(2)、 (2)基台(1′)平行板バネ(2’)、 
(2’)− 及び剛体(3)によって構成される対称形平行板バネ機
構によって構成されている。なお、各可動部は、通常、
同一材料で構成され、板バネにはバネ用リン青銅が、ま
た、基台および剛体にはアルミニウムが好適使用される
As shown in FIG. 2, the minute movement mechanism (A) is composed of an X-axis movable section (1a), a Y-axis movable section (1b), and a Y-axis movable section (Ic). As shown in FIG. 3 above, each movable part includes a base (1), a parallel plate spring (2), (2) a base (1'), a parallel plate spring (2'),
(2') and a rigid body (3). In addition, each movable part is usually
They are made of the same material, and phosphor bronze is preferably used for the leaf spring, and aluminum is preferably used for the base and rigid body.

各対称形平行板バネ機構には、アクチュエータ(4)が
すべての剛体(3)に当接して配置され、タリ称形平行
板バネ機構は、これにより、駆動制御可能になされてい
る。第2図に便宜的に1つだけ例示されたアクチュエー
タ(4)は、ボイスコイルモータと呼ばれるものであり
、ヨーク(41)と永久磁石(42)、(42’)で構
成された磁気回路内に可動コイル(43)が配置された
構造である。可動コイル(43)に電流を流すと該可動
コイル(43)が移動して剛体(3)が押圧され、対称
形平行板バネ機(76はX軸方向に変位する。
In each symmetrical parallel plate spring mechanism, an actuator (4) is arranged in contact with all the rigid bodies (3), and the symmetrical parallel plate spring mechanism can thereby be driven and controlled. The actuator (4), of which only one is illustrated for convenience in FIG. It has a structure in which a movable coil (43) is arranged at. When a current is applied to the moving coil (43), the moving coil (43) moves and presses the rigid body (3), and the symmetrical parallel plate spring machine (76) is displaced in the X-axis direction.

X軸方向可動部(1a)及びY軸方向可動部(1b)の
各剛体(3)は、他の可動部を板バネの間に挿入配置し
得るように、断面形状がコの字形とされている。
Each of the rigid bodies (3) of the X-axis movable part (1a) and the Y-axis movable part (1b) has a U-shaped cross section so that the other movable part can be inserted between the leaf springs. ing.

− Y軸方向可動部(1b)は、点線で示したように、X軸
方向可動部(1a)の板バネ間に挿入され、その基台(
1)、 (1’)は、X軸方向可動部を構成する剛体(
3)のコの字形両側面の内面に固定されている。また、
2軸可動部(1c)は、点線で示したように、Y軸方向
可動部(1b)の仮バネ間に挿入され、その基台(1)
、 (1’)は、Y軸方向可動部を構成する剛体(3)
のコの字形両側面の内面に固定されている。
- The Y-axis movable part (1b) is inserted between the leaf springs of the X-axis movable part (1a), as shown by the dotted line, and its base (
1), (1') are rigid bodies (
3) is fixed to the inner surface of both U-shaped sides. Also,
The two-axis movable part (1c) is inserted between the temporary springs of the Y-axis movable part (1b), as shown by the dotted line, and its base (1)
, (1') is a rigid body (3) that constitutes a movable part in the Y-axis direction.
It is fixed to the inner surface of both sides of the U-shape.

微小移動機構(A)は、各機/J)移動機構を上記のよ
うに構成した結果、Z軸方向可動部の重心は、Y軸方向
可動部(lb)の可動中心とほぼ一致し、また、Y軸方
向可動部およびZ軸方向可動部の全体の重心は、X軸方
向可動部(1a)の可動中心とほぼ一致する。
As a result of configuring the micro-movement mechanism (A) as described above, the center of gravity of the Z-axis movable part almost coincides with the movable center of the Y-axis movable part (lb), and , the entire center of gravity of the Y-axis movable section and the Z-axis movable section substantially coincides with the movable center of the X-axis movable section (1a).

微小移動機構(A)の移動変位量は、第3図に示すよう
に、Z軸方向可動部(1c)の剛体(3)上部に、ター
ゲラ1−(5)を固定し、該ターゲット(5)のX。
As shown in FIG. 3, the amount of movement displacement of the minute movement mechanism (A) is determined by fixing the targeter 1-(5) on the upper part of the rigid body (3) of the Z-axis direction movable part (1c), and moving the target (5). )'s X.

Y、zの各軸方向に、非接触式のセンサー(6a)。Non-contact type sensors (6a) in each direction of Y and Z axis.

(6b)、(6c)を配置させ、ターゲラ・ト(5)の
移動変位量を検出することによって行なわれる。なお、
ターゲラ1−(5)には、図示していない注射針などの
エンドエフェクタがその上部に固定して使用される。勿
論、Z軸方向可動部(1c)の剛体(3)上にターゲッ
ト(5)などを固定するに当っては、Z軸方向可動部の
重心を求める際に、これらを考慮すべきことは当然であ
る。
(6b) and (6c) and detecting the amount of displacement of the target plate (5). In addition,
Targetera 1-(5) is used with an end effector such as a hypodermic needle (not shown) fixed to its upper part. Of course, when fixing a target (5) etc. on the rigid body (3) of the Z-axis movable part (1c), these should be taken into account when determining the center of gravity of the Z-axis movable part (1c). It is.

第4図は、上記のようにして組み立てた本発明の微小移
動機構(A)の完成図である。同図においては、アクチ
ュエータは、便宜上省略してあり、また、各要素の記号
は、X軸方向可動部のみに付して他のものには省略しで
ある。この図から明らかなように、本発明の微小移動機
構(A)は、各軸方向の可動部が空間的に離れないよう
に一体的に構成されており、従って、微小移動機構の変
位に伴って板バネの各軸に回転モーメントが生じること
がない。
FIG. 4 is a completed diagram of the micro-movement mechanism (A) of the present invention assembled as described above. In the same figure, the actuator is omitted for convenience, and the symbols of each element are attached only to the X-axis direction movable part and are omitted for other parts. As is clear from this figure, the micro-movement mechanism (A) of the present invention is integrally configured so that the movable parts in each axial direction are not separated spatially, and therefore, as the micro-movement mechanism is displaced, Therefore, no rotational moment is generated on each axis of the leaf spring.

[発明の効果] 以上詳述したように、本発明に係る3次元の微小位置決
め装置は、微小移動機構に、対称形平行板バネ機構を用
いているが、各軸方向の対称形平行9− 4゜ 板バネ機構の重心と可動中心とを一致させているので、
微小機構の変位に伴なって板バネの各軸に回転モーメン
トが生じることがなく、従って、高度のフィードバック
制御を達成することができる。
[Effects of the Invention] As described in detail above, the three-dimensional micro-positioning device according to the present invention uses a symmetrical parallel plate spring mechanism as a micro-movement mechanism, and the symmetrical parallel plate spring mechanism in each axial direction Since the center of gravity of the 4° leaf spring mechanism and the center of movement are aligned,
No rotational moment is generated on each axis of the leaf spring due to the displacement of the micromechanism, and therefore a high degree of feedback control can be achieved.

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

第1図は、本発明装置の各機構を説明するブロック図で
あり、図中(A)は微小移動機構、(B)はセンサー機
構、(C)は制御機構を表す。 第2図は、本発明装置における微小移動機構の一例を示
す組み立て図であり、図中(1)、(1′)は基台、(
2)、(2′)は平行板バネ、(3)は剛体を表す。 第3図は、本発明におけるセンサー機構の一例を示す斜
視図であり、図中(5)はターゲット、(6a)、(6
b)、(6c)非接触式のセンサーを表す。 第4図は、第2図の組み立て図に示した微/JX移動機
構の完成図であり、図中の各記号は、第2図におけると
同一意義を表す。 第5図および第6図は、従来の微小移動機構の平面図で
あり、図中(X)はX軸方向可動部、(Y)はY10 軸方向可動部を表し、 他の記号は、 第2図における と同一意義を表す。
FIG. 1 is a block diagram illustrating each mechanism of the apparatus of the present invention, in which (A) represents a minute movement mechanism, (B) represents a sensor mechanism, and (C) represents a control mechanism. FIG. 2 is an assembly diagram showing an example of the micro-movement mechanism in the device of the present invention, in which (1) and (1') are the base, (
2) and (2') represent parallel plate springs, and (3) represents a rigid body. FIG. 3 is a perspective view showing an example of the sensor mechanism according to the present invention, in which (5) is a target, (6a), (6
b), (6c) represent non-contact sensors. FIG. 4 is a completed view of the fine/JX movement mechanism shown in the assembly diagram of FIG. 2, and each symbol in the figure represents the same meaning as in FIG. 2. 5 and 6 are plan views of the conventional micro-movement mechanism, in which (X) represents the X-axis movable part, (Y) represents the Y10-axis movable part, and other symbols are It has the same meaning as in Figure 2.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)微小移動機構と、該微小移動機構の移動変位を検
出するセンサー機構と、目標設定値及び前記センサー機
構から出力される移動変位量を入力して前記微小移動機
構をコントロールする制御機構からなり、前記微小移動
機構が、駆動制御可能な対称形平行板バネ機構によって
各々構成されたX軸方向、Y軸方向、Z軸方向可動部か
らなり、しかも、Z軸方向可動部は、その重心がY軸方
向可動部の可動中心と一致して該Y軸方向可動部に固定
され、Y軸方向可動部は、前記Z軸方向可動部と該Y軸
方向可動部との全体重心がX軸方向可動部の可動中心と
一致して該X軸方向可動部に固定されていることを特徴
とする、3次元微小位置決め装置。
(1) A minute movement mechanism, a sensor mechanism that detects the movement displacement of the minute movement mechanism, and a control mechanism that controls the minute movement mechanism by inputting a target setting value and the amount of movement displacement output from the sensor mechanism. The fine movement mechanism is composed of movable parts in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, each of which is constituted by a symmetrical parallel plate spring mechanism that can be driven and controlled, and the Z-axis movable part has its center of gravity. is fixed to the Y-axis movable part so as to coincide with the movable center of the Y-axis movable part, and the entire center of gravity of the Z-axis movable part and the Y-axis movable part is aligned with the X-axis. A three-dimensional micro-positioning device, characterized in that it is fixed to the X-axis direction movable part so as to coincide with the movable center of the direction movable part.
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