JPH11126111A - 移動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】円弧エラーを生じること無く、移動対象物を正
確に移動させて高精度に位置決めすることが可能なコン
パクトな移動装置を提供する。 【解決手段】移動対象物１２の中心線Ｙに対して対称に
配置され且つ移動対象物と同一平面内で回動自在に支持
された回動アーム１４と、これら回動アームを回動させ
るためのアクチュエータ１６と、回動アームの回動運動
を直線運動に変換して移動対象物に伝達して、この移動
対象物を一定方向に直線移動させる運動伝達機構とを備
えている。運動伝達機構は、回動アームの回動先端部に
設けられており、移動対象物の両側に中心線に対して対
称に且つ移動対象物と同一平面内に配置された剛体の運
動伝達部材２２と、これら運動伝達部材を移動対象物と
回動アームとの間に夫々連結させると共に、回動アーム
の回動運動を直線運動に変換可能な第１及び第２のヒン
ジ部２４，２６とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば走査型プロ
ーブ顕微鏡及びこれを応用した走査機構に用いられ、移
動対象物を所定方向に正確に移動して高精度に位置決め
するための移動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の移動装置として、例えば
「精密工学会誌５５／１／１９８９」の第１４６頁〜第
１５１頁に記載された「大ストロークＳＴＭ」は、図６
に示すように、ヒンジ部２を介して固定台４に接続され
た移動対象物６（同図では、アルミニウム合金製アー
ム）に対して所定の押圧力を作用させるためのアクチュ
エータ８（例えば、圧電体）と、このアクチュエータ８
の押圧力を移動対象物６に伝達させるためのスチールボ
ール１０とを備えており、アクチュエータ８の押圧力を
スチールボール１０を介して移動対象物６に伝達するこ
とによって、てこの原理に基づいて、移動対象物６をヒ
ンジ部２を中心に旋回させて所定量だけ変位させるよう
になっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
移動装置において、移動対象物６の旋回端６ａの旋回量
（拡大率）を大きくしようとすると、移動対象物６の長
さ寸法を大きくしなければならないため、装置が大型化
してしまうと共に、アクチュエータ８の変位量に比例し
た旋回端６ａの変位量を得ることが困難になってしま
う。つまり、移動対象物６の長さ寸法を大きくすると、
それに比例して旋回端６ａが円弧状に角度変化するた
め、移動対象物６の変位量は、旋回端６ａの円弧状角度
変化分だけずれてしまうことになる（以下、これを円弧
エラーと称する）。

【０００４】また、従来の移動装置を例えば顕微鏡装置
に組み込んで移動対象物となる顕微鏡用ステージを移動
させるために使用する場合、以下のような問題が生じ
る。即ち、顕微鏡用ステージは、円滑に動作させるため
に、その厚さ寸法が薄いことが好ましい。しかし、従来
の移動装置は、一方向にのみ移動対象物を移動させるこ
とができるように構成されているため、顕微鏡用ステー
ジをその試料載置面に直交する方向に移動させることが
できるように、移動装置を顕微鏡用ステージに組み付け
た場合、移動装置の高さ寸法分だけステージ全体の厚さ
寸法が大型化してしまう。例えば、Ｘ，Ｙ及びＺ軸方向
にステージを駆動する場合、各方向用の移動装置を高さ
方向に３段重ねる必要がある。

【０００５】本発明は、このような問題を解決するため
に成されており、その目的は、円弧エラーを生じること
無く、移動対象物を正確に移動させて高精度に位置決め
することが可能なコンパクトな移動装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の移動装置は、移動対象物の中心線に
対して対称に配置され且つ移動対象物と同一平面内で回
動自在に支持された回動アームと、この回動アームを回
動させるように、移動対象物と同一平面内に配置された
アクチュエータと、移動対象物と同一平面内に配置され
ており、回動アームの回動運動を直線運動に変換して移
動対象物に伝達し、この移動対象物を一定方向に直線移
動させる運動伝達機構とを備えており、この運動伝達機
構は、前記回動アームの回動先端部に設けられており、
前記移動対象物の中心線に対して対称に配置された運動
伝達部材と、この運動伝達部材を前記移動対象物と前記
回動アームとの間に夫々連結させると共に、前記回動ア
ームの回動運動を直線運動に変換可能なヒンジ手段とを
備えている。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る移動装置について、図１〜図３を参照して説明する。
図１（ａ）に示すように、本実施の形態の移動装置は、
移動対象物１２の中心線Ｙに対して対称に配置され且つ
移動対象物１２と同一平面内で回動自在に支持された回
動アーム１４と、これら回動アーム１４を回動させるよ
うに、移動対象物１２と同一平面内に配置されたアクチ
ュエータ１６と、移動対象物１２と同一平面内に配置さ
れており、回動アーム１４の回動運動を直線運動に変換
して移動対象物１２に伝達し、この移動対象物１２を一
定方向に直線移動させる運動伝達機構とを備えている。

【０００８】なお、移動対象物１２は、例えば、顕微鏡
用ステージ（図示しない）に組み込まれ、移動対象物１
２の移動に伴い顕微鏡用ステージが移動する構成とな
る。回動アーム１４は、夫々、移動対象物１２の中心線
Ｙに沿って平行に延出していると共に、その基端部が支
点用ヒンジ部１８を介して固定台２０に一体的に接続さ
れており、支点用ヒンジ部１８を中心に回動することが
できるようになっている。なお、固定台２０は、移動対
象物１２の中心線Ｙに対して対称形に広がっている。

【０００９】運動伝達機構は、回動アーム１４の回動先
端部に設けられており、移動対象物１２の両側に中心線
Ｙに対して対称に配置された剛体の運動伝達部材２２
と、これら運動伝達部材２２を移動対象物１２と回動ア
ーム１４との間に夫々連結させると共に、回動アーム１
４の回動運動を直線運動に変換可能なヒンジ手段とを備
えている。

【００１０】ヒンジ手段は、移動対象物１２の中心線Ｙ
に対して対称に配置されており、回動アーム１４の回動
先端部と運動伝達部材２２とを連結する第１のヒンジ部
２４と、運動伝達部材２２と移動対象物１２とを連結す
る第２のヒンジ部２６とを備えており、第１及び第２の
ヒンジ部２４，２６の配置を選択的に変えることによっ
て、移動対象物１２の移動方向や移動量を任意に変化さ
せることができる。

【００１１】また、移動対象物１２、回動アーム１４及
び運動伝達機構は、同一材料で一体成形されている。従
って、本実施の形態の移動装置は、その加工精度によっ
て、移動対象物１２の移動精度が決まる。

【００１２】この利点は、従来の移動装置が、夫々別体
に加工された後に組み立てられるため、移動対象物の移
動精度の補償が難しいのに対して、本実施の形態は、加
工精度のみに依存するため、移動精度の補償が従来の装
置と比較して容易である点である。

【００１３】また、以下に詳述する全ての実施の形態に
関しても同様なことが言える。本実施の形態では、その
一例として、移動対象物１２を中心線Ｙに沿って矢印Ｄ
方向に直線移動させる場合を想定している。この場合、
第１のヒンジ部２４を矢印Ｄ方向下流側に配置し、且
つ、第２のヒンジ部２６を第１のヒンジ部２４よりも矢
印Ｄ方向上流側に配置すれば良い。

【００１４】また、アクチュエータ（例えば、圧電体）
１６は、移動対象物１２の中心線Ｙに対して対称に且つ
中心線Ｙを直交する軸線Ｘに沿って、夫々、固定台２０
と回動アーム１４との間に配置されており、回動アーム
１４の側面を押圧することによって、回動アーム１４を
支点用ヒンジ部１８を中心に回動させることができるよ
うになっている。

【００１５】この場合において、アクチュエータ１６の
変位量をＸ１、回動アーム１４の回動先端部の回動変位
量をＸ２、アクチュエータ１６と支点用ヒンジ部１８と
の間の距離をｈ１、支点用ヒンジ部１８と回動アーム１
４の回動先端部（第１のヒンジ部２４）との間の距離を
ｈ２とすると、 Ｘ２＝（ｈ２／ｈ１）・Ｘ１ なる関係を満足する。なお、“ｈ２／ｈ１”は、てこの
原理に基づく拡大率である。

【００１６】従って、アクチュエータ１６の配置を選択
的に変化させることによって、回動アーム１４の回動変
位量を種々変更することが可能となる。例えば、回動ア
ーム１４の回動先端部の回動変位量Ｘ２を大きくしたい
場合には、アクチュエータ１６を支点用ヒンジ部１８に
接近させれば良い。なぜなら、アクチュエータ１６を支
点用ヒンジ部１８に近接配置することによって、回動ア
ーム１４の回動先端部の回動変位量は、てこの原理に基
づいて拡大され、アクチュエータ１６の変位量よりも大
きくすることができ、この結果、移動対象物１２の直線
移動量を拡大することができるからである。

【００１７】また、アクチュエータ１６によって回動ア
ーム１４の側面に直接押圧力を作用させると、この押圧
力が作用した回動アーム１４の側面に局所的な応力集中
が生じて、回動アーム１４の側面が局部的に変形してし
まう場合がある。このような変形が生じると、それ以降
の回動アーム１４に対する回動制御を正確に行うことが
できなくなってしまう。

【００１８】そこで、本実施の形態では、このような事
態を回避するように、回動アーム１４の支点用ヒンジ部
１８に近接した位置に、この回動アーム１４よりも硬い
材料（例えば、焼き入れ材など）で形成されたピン２８
を圧入すると共に、アクチュエータ１６の変位端に、回
動アーム１４よりも硬い材料（例えば、焼き入れ材な
ど）で形成された押圧部材３０を取り付け、これら押圧
部材３０及びピン２８を介してアクチュエータ１６の押
圧力を回動アーム１４に作用させるように構成してい
る。

【００１９】このような構成によれば、アクチュエータ
１６の押圧力をピン２８に作用すると、このピン２８に
作用した押圧力は、ピン２８の周囲に分散する形で回動
アーム１４に伝達される。このため、回動アーム１４の
側面に局所的な応力集中は生じない。なお、図面上、ピ
ン２８は、夫々、断面円形のものを採用しているが、局
所的な応力集中を防止することができれば、任意の形状
（例えば、楕円形、半円形など）を適用することが可能
である。

【００２０】また、回動アーム１４の基端部から延出し
た延出端には、夫々、移動対象物１２の中心線Ｙに対し
て対称に配置されたプランジャ３２がねじ込まれてお
り、このプランジャ３２を固定台２０に押圧させること
によって、回動アーム１４の位置決めがされている。

【００２１】本実施の形態では、アクチュエータ１６を
駆動させていない初期状態（即ち、アクチュエータ１６
の押圧力が回動アーム１４に作用していない初期状態）
において、移動対象物１２及び運動伝達部材２２が同一
基準面Ｈ（図１（ｂ）参照）上に位置付けられるよう
に、固定台２０に対するプランジャ３２の押圧力が調整
されている。この結果、回動アーム１４は、初期状態に
おいて、弾性的に一定位置（以下、初期位置という）に
保持されることになる。

【００２２】このような構成において、例えば各々のア
クチュエータ１６を駆動させて変位（例えば、伸張）さ
せると、この伸張運動は、ピン２８を介して回動アーム
１４に伝達される。

【００２３】このとき、ピン２８に作用したアクチュエ
ータ１６の押圧力は、ピン２８の周囲に分散する形で回
動アーム１４に伝達され、支点用ヒンジ部１８を中心に
回動アーム１４を外方向Ｓ（回動アーム１４の回動先端
部が互いに離間する方向）に回動させる力として働く
（図１（ｂ）参照）。この結果、回動アーム１４は、そ
の回動先端部がアクチュエータ１６の変位量よりも大き
く回動変位する。

【００２４】回動アーム１４の回動先端部が外方向Ｓに
回動変位した際、この外方向Ｓへの力が第１のヒンジ部
２４を介して運動伝達部材２２に伝達されることによっ
て、運動伝達部材２２は、夫々、その一端部２２ａ（図
１（ｃ）参照）を中心に回動しつつ同一基準面Ｈから矢
印Ｄ方向に均等に持ち上げられる。この結果、運動伝達
部材２２の間に第２のヒンジ部２６を介して支持された
移動対象物１２は、矢印Ｄ方向に直線状に移動する。

【００２５】ここで、このような運動伝達動作原理につ
いて、第１のヒンジ部２４が外方向Ｓにδｘだけ変位し
たとき、移動対象物１２がδｙだけ矢印Ｄ方向に直線移
動した場合を想定して具体的に説明する。

【００２６】図２（ａ），（ｂ）に示すように、第１の
ヒンジ部２４と第２のヒンジ部２６とが、距離Ｌだけ離
れた位置に、配置角度θを成して配置されているものと
すると、第１のヒンジ部２４がδｘだけ変位すると、第
２のヒンジ部２６はδｙだけ変位する。このとき、第１
のヒンジ部２４と第２のヒンジ部２６との配置角度θの
変化をαとすると、 δｙ＝｛１／ｔａｎ（θ−α）｝δｘ なる関係を満足する。なお、“１／ｔａｎ（θ−α）”
は、運動伝達動作原理に基づく拡大率である。

【００２７】この場合、図３に示された配置角度θと拡
大率との関係から分かるように、移動対象物１２を大き
く移動させる場合には、アクチュエータ１６の変位量が
小さいため、拡大率を大きくとる必要がある。しかし、
拡大率の大きな場所即ち配置角度θが小さい範囲では、
僅かな配置角度変化αで拡大率が大きく変化し、線形性
が極端に変化してしまう。更に、第１のヒンジ部２４を
δｘだけ変位させるための力（即ち、回動アーム１４の
回動先端部に働く外方向Ｓへの力）も、その大きさが極
端に変化してしまう。このため、回動アーム１４に対す
る回動制御に大きな負担が強いられてしまう。

【００２８】線形性に優れ且つ回動制御の負担を軽減す
るためには、配置角度変化αを小さくするか、或いは、
配置角度θを大きく（即ち、拡大率を小さく）する必要
があるが、移動装置全体の小型化を維持しつつ、線形性
に優れた大変位出力を得るためには、拡大率を低く抑え
なければならない。

【００２９】そこで、本実施の形態においては、配置角
度θが大きく（即ち、拡大率が小さく）なるように、第
１及び第２のヒンジ部２４を配置している。なお、配置
角度θとしては、約１０°（拡大率：５）が好ましい。

【００３０】従って、本実施の形態の移動装置全体の拡
大率は、てこの原理並びに運動伝達動作原理の双方に基
づく拡大率を乗じた値、即ち、 （ｈ２／ｈ１）・｛１／ｔａｎ（θ−α）｝ となる。

【００３１】この結果、アクチュエータ１６の伸張変位
は、てこの原理並びに運動伝達動作原理の双方に基づく
拡大率を乗じた値に従って拡大されて移動対象物１２に
伝達されることになる。

【００３２】また、アクチュエータ１６を縮小変位させ
れば、回動アーム１４に働く弾性力によって、回動アー
ム１４は、初期位置方向に回動する。このとき、移動対
象物１２は、運動伝達部材２２と共に、回動アーム１４
の回動に従って、同一基準面Ｈ（図１（ｂ）参照）方向
に直線移動することになる。

【００３３】従って、アクチュエータ１６を所望量だけ
伸縮変位するだけで、従来技術のような円弧エラーを生
じること無く、移動対象物１２を必要な距離だけ正確に
直線移動させて高精度に位置決めすることができる。

【００３４】このように本実施の形態によれば、移動装
置の小型化を維持しつつ、大きな拡大率で移動対象物１
２を直線的に大きく且つ正確に移動させて高精度に位置
決めすることが可能となる。

【００３５】なお、本発明は、上述した実施の形態の構
成に限定されることは無く、使用目的や使用環境等に応
じて種々変更することが可能である。例えば、移動装置
の設置範囲が限定されており、装置の幅寸法を小さくす
る必要がある場合には、図４に示すように、回動アーム
１４の基端部側をＬ字状に内側に折り曲げると共に、こ
のＬ字状に折り曲げられた基端部を押圧するように、ア
クチュエータ１６を夫々移動対象物１２の中心線Ｙに対
して対称に且つ中心線Ｙに沿って平行に配置するれば良
い。

【００３６】また、例えば、中心線Ｙに直交する方向Ｔ
（即ち、移動対象物１２及び回動アーム１４並びに運動
伝達機構を含む同一平面に対して垂直な方向）に移動対
象物１２を直線移動させる場合には、図５に示すよう
に、移動対象物１２及び運動伝達機構を１つのユニット
として考えると、このユニットを９０°回転させた状態
で回動アーム１４の間に位置づければ良い。

【００３７】ただし、この場合、ユニットの両側には、
移動対象物１２の中心線Ｙに対して対称に、運動伝達機
構の一構成となるヒンジ部３４を設け、このヒンジ部３
４を介して上記ユニットを回動アーム１４の回動先端部
に接続する必要がある。

【００３８】また、この変形例に適用したヒンジ部３４
は、アクチュエータ１６の変位量をＸ１、回動アーム１
４の回動先端部の回動変位量をＸ２、アクチュエータ１
６と支点用ヒンジ部１８との間の距離をｈ１、支点用ヒ
ンジ部１８と回動アーム１４の回動先端部（ヒンジ部３
４）との間の距離をｈ２とすると、 ｈ２＝（Ｘ２／Ｘ１）・ｈ１ なる関係を満足する位置に配置することが好ましい。

【００３９】このように本実施の形態によれば、使用目
的や使用環境等に応じて、装置の幅寸法や移動対象物１
２の直線移動方向を任意に設定することができる。例え
ば、顕微鏡用ステージをその試料載置面に直交する方向
（仮に、Ｚ方向という）に移動させる場合でも、図５に
示された移動装置の移動対象物１２を顕微鏡用ステージ
に組み付ければ、ステージ全体の厚さ寸法が大型化する
こと無く、この移動対象物１２のみを中心線Ｙに直交す
る方向Ｔ（Ｚ方向）に大きく且つ正確に直線移動させ
て、顕微鏡用ステージを大きくＺ方向に平行移動させて
高精度に位置決めすることができる。

【００４０】また、例えば、図４に示された移動装置に
おいて、移動対象物１２及び運動伝達機構を１つのユニ
ットとして考えると、このユニットを９０°回転させた
状態で回動アーム１４の間に位置づけると共に、図５に
示された移動装置と同様に、ユニットの両側に移動対象
物１２の中心線Ｙに対して対称に運動伝達機構の一構成
となるヒンジ部３４を設けることによって、装置の幅寸
法を小さくしつつ、Ｚ方向に大きく且つ正確に移動対象
物１２を直線移動させることができる。また、ヒンジ部
３４は、回動アーム１４の回動による傾き動作をキャン
セル（当業者は、「逃げ」と呼ぶ）することができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、円弧エラーを生じるこ
と無く、移動対象物を正確に移動させて高精度に位置決
めすることが可能なコンパクトな移動装置を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る移動装
置の構成を示す図、（ｂ）は、初期状態における移動対
象物及び運動伝達機構の位置関係を示す図、（ｃ）は、
回動アームを回動させた際における移動対象物及び運動
伝達機構の位置関係を示す図。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は、夫々、回動アームを回動
させた際における運動伝達機構の第１及び第２のヒンジ
部の配置角度の変化状態を示す図。

【図３】配置角度と運動伝達動作原理に基づく拡大率と
の関係を示す図。

【図４】本発明の変形例に係る移動装置の構成を示す
図。

【図５】本発明の他の変形例に係る移動装置の構成を示
す図であって、（ａ）は、移動装置の斜視図、（ｂ）
は、その平面図。

【図６】従来の移動装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１２ 移動対象物 １４ 回動アーム １６ アクチュエータ ２２ 運動伝達部材 ２４ 第１のヒンジ部 ２６ 第２のヒンジ部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動対象物の中心線に対して対称に配置
   され且つ前記移動対象物と同一平面内で回動自在に支持
   された回動アームと、 この回動アームを回動させるように、前記移動対象物と
   同一平面内に配置されたアクチュエータと、 前記移動対象物と同一平面内に配置されており、前記回
   動アームの回動運動を直線運動に変換して前記移動対象
   物に伝達し、この移動対象物を一定方向に直線移動させ
   る運動伝達機構とを備えており、 この運動伝達機構は、前記回動アームの回動先端部に設
   けられており、前記移動対象物の中心線に対して対称に
   配置された運動伝達部材と、この運動伝達部材を前記移
   動対象物と前記回動アームとの間に夫々連結させると共
   に、前記回動アームの回動運動を直線運動に変換可能な
   ヒンジ手段とを備えていることを特徴とする移動装置。
2. 【請求項２】 前記ヒンジ手段は、前記移動対象物の中
   心線に対して対称に配置されており、前記回動アームの
   回動先端部と前記運動伝達部材とを連結する第１のヒン
   ジ部と、前記運動伝達部材と前記移動対象物とを連結す
   る第２のヒンジ部とを備えていることを特徴とする請求
   項１に記載の移動装置。
3. 【請求項３】 前記移動対象物、前記回動アーム及び前
   記運動伝達機構は、同一材料で一体成形されていること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の移動装置。