(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一枚の厚い金属板を加工して作った一体構造のレバー変位拡大機構であって；
固定部を挟んで変位方向に直列に配設された一対のアクチュエータ素子と：該アクチュエータ素子の先端に当接し、かつ、該アクチュエータ素子の発生変位及び力を受ける力点を有する左右対称なレバーと；該レバーの力点より上側に設けられた左右対称な作用点ヒンジと；該レバーの力点より下側と該固定部の下側とを連結する左右対称な支点ヒンジと；該両作用点ヒンジにより支持され、かつ、該アクチュエータ素子の変位方向と直交する方向に変位する出力変位部と；を備えたことを特徴とするレバー変位拡大機構。
【請求項２】
一枚の厚い金属板を加工して作った一体構造のレバー変位拡大機構であって；
固定部を挟んで変位方向に直列に配設された一対のアクチュエータ素子と：該アクチュエータ素子の先端に当接し、かつ、該アクチュエータ素子の発生変位及び力を受ける力点を有する左右対称な第１レバーと；該第１レバーの力点より下側と該固定部の下側とを連結する左右対称な第１支点ヒンジと；該第１レバーの力点より上側に設けられた左右対称な第１作用点ヒンジと；該第１作用点ヒンジに先端部が連結されている左右対称な第２レバーと；該第２レバーの先端部と該固定部の上側とを連結する左右対称な第２支点ヒンジと；該第２レバーの後端部に形成された左右対称な第２作用点ヒンジと；該第２作用点ヒンジに両端が連結され、かつ、該アクチュエータ素子の変位方向と直交する方向に変位する出力変位部と；を備えたことを特徴とするレバー変位拡大機構。
【請求項３】
一枚の厚い金属板を加工して作った一体構造のレバー変位拡大機構であって；
基体の中心軸方向に形成された左右対称な収容部を有する固定部と：該収  容部に収納され、かつ、該中心軸方向に変位する一対のアクチュエータ素子  と：該収容部に対向し、かつ、該アクチュエータ素子の発生変位及び力を受  ける第１力点を有する左右対称な第１レバーと；該第１レバーの第１力点よ  り下側と該収容部の下側周壁とを連結する左右対称な第１支点ヒンジと；該  第１レバーの第１力点より上側に設けられた左右対称な第１作用点ヒンジと  ；該第１作用点ヒンジに先端部が連結されている左右対称な第２レバーと；  該第２レバーの先端部と該収容部の上側周壁とを連結する左右対称な第２支  点ヒンジと；該第２レバーの後端部に設けられた左右対称な第２作用点ヒン  ジと；該第２作用点ヒンジに両端が連結され、かつ、該アクチュエータ素子  の変位方向と直交する方向に変位する出力変位部と；を備えたことを特徴と  するレバー変位拡大機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レバー変位拡大機構に関するもので、自動車、航空機、精密加工、精密測定器具等の分野で利用され、例えば、磁気ヘッド等の精密位置決めするための光学ステージの位置決め装置、などに用いられる。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレバー変位拡大機構は、圧電素子の発生する変位をレバーを介して拡大し、出力変位部に伝達している。このようなレバー変位拡大機構では、圧電素子の変位方向に出力変位部が変位するものが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の拡大機構では、組み込まれる素子の長さにより機構全体の変位方向の長さが長くなってしまう。
【０００４】
そこで、圧電素子の発生する変位をその変位方向に対して直角方向になる様に素子を配置させ出力変位部に伝達することが考えられる。
この機構として、次の圧電変位拡大機構が用いられている（特開平４−３４０７７７号参照）。
駆動源としての２つの圧電素子は、それぞれ一方の端面が取付基板部に設けられた固定部に固着され、他方の端面が２つのレバーアームのそれぞれの端部に設けられた第１の力点ヒンジに固着されている。
それぞれの圧電素子が発生する変位は、この圧電素子が固定されている第１の力点ヒンジに伝達され、レバーアームの中間部に設けられた第２のヒンジを支点とするてこの原理により拡大され、両レバーアームの先端をブリッジ状に連結する薄板状の梁に伝達され、該梁の座屈運動により変位が取り出される。
【０００５】
しかし、この機構では、次の様な問題がある。
(1)この機構は、薄板状の梁をたわませて、拡大された変位を与えるもので、座屈方式と呼ばれている。この方式では、梁として弾性力の小さい厚い材料を用いると、変形しにくくなり、伝達効率が悪くなる。
そのため、該梁として、変形しやすい薄い材料を用いなければならないが、あまり薄い材料では、出力変位部の剛性が低くなり横振れしてしまう。
【０００６】
(2)座屈方式では、取り出される変位量は大きいが、エネルギーロスが多くなり、出力部での力は素子の力に比べれば極端に小さくなってしまう。
(3)出力変位軸方向の外径寸法が大きくなってしまう。
【０００７】
この発明は上記事情に鑑み、出力変位部がアクチュエータ素子の変位方向と直角方向に変位できるようにすることを目的とする。
又、他の目的は、出力変位部の力を大きく取り出すようにすると共に、変位軸方向の外径サイズを小さくすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、次の手段により課題を解決するものである。
【０００９】
この発明は、一枚の厚い金属板を加工して作った一体構造のレバー変位拡大機構であって；固定部を挟んで変位方向に直列に配設された一対のアクチュエータ素子と：該アクチュエータ素子の先端に当接し、かつ、該アクチュエータ素子の発生変位及び力を受ける力点を有する左右対称なレバーと；該レバーの力点より上側に設けられた左右対称な作用点ヒンジと；該レバーの力点より下側と該固定部の下側とを連結する左右対称な支点ヒンジと；該両作用点ヒンジにより支持され、かつ、該アクチュエータ素子の変位方向と直交する方向に変位する出力変位部と；を備えたことを特徴とするレバー変位拡大機構、である。
【００１０】
この発明は、一枚の厚い金属板を加工して作った一体構造のレバー変位拡大機構であって；固定部を挟んで変位方向に直列に配設された一対のアクチュエータ素子と：該アクチュエータ素子の先端に当接し、かつ、該アクチュエータ素子の発生変位及び力を受ける力点を有する左右対称な第１レバーと；該第１レバーの力点より下側と該固定部の下側とを連結する左右対称な第１支点ヒンジと；該第１レバーの力点より上側に設けられた左右対称な第１作用点ヒンジと；該第１作用点ヒンジに先端部が連結されている左右対称な第２レバーと；該第２レバーの先端部と該固定部の上側とを連結する左右対称な第２支点ヒンジと；該第２レバーの後端部に形成された左右対称な第２作用点ヒンジと；該第２作用点ヒンジに両端が連結され、かつ、該アクチュエータ素子の変位方向と直交する方向に変位する出力変位部と；を備えたことを特徴とするレバー変位拡大機構、である。
【００１１】
この発明は、一枚の厚い金属板を加工して作った一体構造のレバー変位拡大機構であって；基体の中心軸方向に形成された左右対称な収容部を有する固定部と：該収容部に収納され、かつ、該中心軸方向に変位する一対のアクチュエータ素子と：該収容部に対向し、かつ、該アクチュエータ素子の発生変位及び力を受ける第１力点を有る左右対称な第１レバーと；該第１レバーの第１力点より下側と該収容部の下側周壁とを連結する左右対称な第１支点ヒンジと；該第１レバーの第１力点より上側に設けられた左右対称な第１作用点ヒンジと；該第１作用点ヒンジに先端部が連結されている左右対称な第２レバーと；該第２レバーの先端部と該収容部の上側周壁とを連結する左右対称な第２支点ヒンジと；該第２レバーの後端部に設けられた左右対称な第２作用点ヒンジと；該第２作用点ヒンジに両端が連結され、かつ、該アクチュエータ素子の変位方向と直交する方向に変位する出力変位部と；を備えたことを特徴とするレバー変位拡大機構、である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
基体の固定部は、該基体の中心軸方向に形成され、かつ、左右対称に形成された収容部、を備えている。この収容部に該中心軸方向に変位するアクチュエータ素子を収納し、該アクチュエータ素子の先端が第１レバーの力点を押圧する。
このアクチュエータ素子として、例えば、圧電、電歪、磁歪などの素子が用いられる。
【００１３】
この第１レバーは左右対称に配設され、その力点の下側には第１支点ヒンジが設けられ、又、その上側には第１作用点ヒンジが設けられている。第１支点ヒンジは、前記収容部の下側周壁に連結され、又、第１作用点ヒンジは第２レバーの先端部に連結されている。この第１作用点ヒンジは左右対称に形成されており、第２レバーの第２力点ヒンジの機能を併せもつ。
【００１４】
第２レバーの先端部は、第２支点ヒンジを介して収容部の上側周壁に連結されている。この第２支点ヒンジは、左右対称に形成されている。
【００１５】
第２レバーの後端部は、第２作用点ヒンジを介して出力変位部に連結されている。この第２作用点ヒンジは左右対称に形成されている。
【００１６】
出力変位部には、基体の中心軸、即ち、アクチュエータ素子の変位方向、に直交する方向の凹部が形成されている。
【００１７】
このレバー変位拡大機構では、アクチュエータ素子の発生する変位は、第１レバーの力点に力を加える。
そうすると、その変位力は、第１レバーの力点と第１支点ヒンジの距離より第１レバーの第１作用点ヒンジと第１支点ヒンジの距離が大きいので、てこの原理により第１レバーの第１作用点ヒンジに拡大されて伝達される。該第１作用点ヒンジに加えられた変位及び力は同様のてこの原理により、第２レバーの第２作用点ヒンジに拡大されて伝達される。
該第２作用点ヒンジに加えられた変位力は、出力変位部を引き上げるので該出力変位部は、基体の中心軸と直角方向に変位する。
又、機構全体が一枚の厚い金属板を加工して作った一体構造体となっているため、伝達効率が高く、従来方式に比べて出力変位部で大きな力が得られる。
更に、出力変位部の剛性が高いので、外部負荷によって出力変位部が変形せず、正確な位置決めができる。
【００１８】
単一のアクチュエータ素子を用いる場合には、アクチュエータ素子の発生する変位及び力は、第１レバーの力点に加えられる。そうすると、その変位及び力は、てこの原理により第１レバーの第１作用点ヒンジに拡大されて伝達され、該第１作用点ヒンジに加えられた変位及び力はてこの原理により、第２レバーの第２作用点ヒンジに拡大されて伝達され、該第２作用点ヒンジに加えられた変位及び力は、出力変位部を引き上げるので、該出力変位部は、基体の中心軸と直角方向に変位する。
【００１９】
この機構は、必ずしも２段レバー、即ち、第１レバーと第２レバーを設ける必要はなく、例えば、第２レバーを省略し、第１レバーのみを用いても良い。この場合は、第１レバーの第１作用点ヒンジは、直接出力変位部に連結されることになる。又、第３レバーを設け、更に拡大率をあげても良い。
【００２０】
【実施例】
［実施例１］
この発明の第１実施例を図１、図２により説明する。フライス加工等により、一枚の方形状板体、例えば、ステンレス製基体１の中央部に出力変位部１２を形成し、その両側にアクチュエータ素子３ａ、３ｂの収容部４ａ、４ｂを形成する。
【００２１】
前記出力変位部１２の中心軸は、基体１の中心軸１Ｃに直交する対称軸３Ｃ上に位置している。前記収容部４ａ、４ｂは、対称軸３Ｃに関して左右対称に設けられ、底部４ｅ、４ｆと周壁４ｇ、４ｈ、４ｉ、４ｊとを備えている。この周壁４ｇ、４ｉは固定部８の下側に設けられ、周壁４ｈ、４ｊは固定部８の上側に設けられている。
【００２２】
次に、放電加工やレーザ加工等により切溝６ａ、６ｂを形成し、左右対称な収容部４ａ、４ｂを有する固定部８と、左右対称な第１レバー９ａ、９ｂと、左右対称な第２レバー１０ａ、１０ｂと、出力変位部１２が収納される変位部収納部１５と、中心軸１Ｃを介して対向する第１レバー９ａ、９ｂの第１支点ヒンジ１６ａ、１６ｂと第１作用点ヒンジ１７ａ、１７ｂと、第２レバー１０ａ、１０ｂの第２支点ヒンジ１９ａ、１９ｂ及び第２作用点ヒンジ２０ａ、２０ｂと、を形成する。
【００２３】
このヒンジ１６ａ、１６ｂ、１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０ａ、２０ｂは、薄板状をなしばね性を持つ。この第１レバー９ａ、９ｂのアクチュエータ素子３ａ、３ｂの当接点、即ち、第１力点１８ａ、１８ｂと第１支点ヒンジ１６ａ、１６ｂとの間隔はＬ1に形成され、第１レバー９ａ、９ｂの第１支点ヒンジ１６ａ、１６ｂと第１作用点ヒンジ１７ａ、１７ｂとの間隔はＬ2に形成され、この第１レバー９ａ、９ｂのレバー比はＬ2／Ｌ1である。
【００２４】
この第２レバー１０ａ、１０ｂの第２力点即ち、前記第１レバー９ａ、９ｂの第１作用点ヒンジ１７ａ、１７ｂと、第２レバー１０ａ、１０ｂの第２支点ヒンジ１９ａ、１９ｂの間隔はＬ3に形成され、第２支点ヒンジ１９ａ、１９ｂと第２作用点ヒンジ２０ａ、２０ｂとの間隔はＬ4に形成され、この第２レバー１０ａ、１０ｂのレバー比はＬ4／Ｌ3である。
【００２５】
従って、このレバー９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂによりアクチュエータ素子３ａ、３ｂの変位はＬ2Ｌ4/Ｌ1Ｌ3倍に拡大されることになる。
【００２６】
第２レバー１０ａ、１０ｂは第２力点ヒンジ（第１作用点ヒンジ１７ａ、１７ｂ）の変位により第２支点ヒンジ１９ａ、１９ｂを中心とした回転変位となり、第２レバーの中心軸３cを上に持ち上げるように変位する。この様にしてアクチュエータ素子の変位と直交する方向に出力変位させることになる。
【００２７】
次に、本実施例の作動について説明する。アクチュエータ素子３ａ、３ｂに電圧を印加すると、中心軸１Ｃ方向、即ち、左右方向外側に伸び、発生変位および力が第１レバー９ａ、９ｂの第１力点１８ａ、１８ｂに伝達される。
【００２８】
第１レバー９ａ、９ｂの第１力点１８ａ、１８ｂに伝達された前記発生変位及び力は、第１支点ヒンジ１６ａ、１６ｂを支点としててこの原理により第１作用点ヒンジ１７ａ、１７ｂを拡大変位させる。
【００２９】
第１作用点ヒンジ１７ａ、１７ｂの変位により、第２レバー１０ａ、１０ｂは第２支点ヒンジ１９ａ、１９ｂを中心として回転し、前記発生変位を拡大しながら第２作用点ヒンジ２０ａ、２０ｂを矢印Ａ20方向に引き上げる。
この作用点ヒンジ ２０ａ、２０ｂが引き上げられると、この作用点ヒンジ２０ａ、２０ｂに接続された出力変位部１２が同方向に拡大変位される。
【００３０】
第１レバー９ａ、９ｂのレバー比をＬ2／Ｌ1、  第２レバ１０ａ、１０ｂレバー比をＬ4/Ｌ3、とすれば、変位は アクチュエータ素子３ａ、３ｂの変位に対してＬ2Ｌ4 /Ｌ1Ｌ3、に比例した値となり、アクチュエータ素子３ａ、３ｂの発生変位１０ミクロンに対して出力変位を数１０ミクロンとすることができる。
【００３１】
また、対称軸３Ｃに対して、アクチュエータ素子３ａ、３ｂ、第１レバー９ａ、９ｂ、第２レバー１０ａ、１０ｂ等を対称に配設しているので、変位方向は対称軸方向となり回転成分がなくなる。
そのため、伝達効率の良い拡大機構となる。
【００３２】
前記印加電圧を零にすると、アクチュエータ素子３ａ、３ｂは元の状態に戻るとともに、前記出力変位部１２はヒンジのばね力により復元する。
【００３３】
［実施例２］
本発明の第２実施例を図３、図４により説明するが、この実施例と第１実施例との主な相違点は、左右一対のアクチュエータ素子を用いる代わりに、単一のアクチュエータ素子を用いたことである。即ち、
フライス加工等により、一枚の方形状板体、例えば、ステンレス製基体３１の中央部に、その長手方向に伸びるアクチュエータ素子３３の収容部３４を形成する。
【００３４】
次に、放電加工やレーザ加工等により切溝３６ａ、３６ｂを形成し、収容部３４を有する固定部３７と、左右対称な第１レバー３９ａ、３９ｂと、左右対称な第２レバー４０ａ、４０ｂと、出力変位部４２と、左右対称な第１支点ヒンジ４６ａと第１支点ヒンジ４６ｂ、第１作用点ヒンジ４７ａと第１作用点ヒンジ４７ｂ、第２支点ヒンジ４９ａと第２支点ヒンジ４９ｂ、第２作用点ヒンジ５０ａと第２作用点ヒンジ５０ｂと、を形成する。
この固定部３７は、基体３１の上方に位置する上側固定部３７ａと、その下方に位置する下側固定部３７ｂと、から構成されている。
【００３５】
このヒンジ４６ａ、４６ｂ、４７ａ、４７ｂ、４９ａ、４９ｂ、５０ａ、５０ｂは、薄板状でばね性を持つ。この第１レバー３９ａ、３９ｂのアクチュエータ素子３３の当接点、即ち、第１力点４８ａ、４８ｂと第１支点ヒンジ４６ａ、４６ｂとの間隔はＬ1に形成され、第１レバー３９ａ、３９ｂの第１支点ヒンジ４６ａ、４６ｂと第１作用点ヒンジ４７ａ、４７ｂとの間隔はＬ2に形成され、この第１レバー３９ａ、３９ｂのレバー比はＬ2／Ｌ1である。
【００３６】
この第２レバー４０ａ、４０ｂの第２力点、即ち、前記第１レバー３９ａ、３９ｂの第１作用点ヒンジ４７ａ、４７ｂと第２レバー４０ａ、４０ｂの第２支点ヒンジ４９ａ、４９ｂの間隔はＬ3に形成され、第１作用点ヒンジ４７ａ、４７ｂと第２作用点ヒンジ５０ａ、５０ｂとの間隔はＬ4に形成され、この第２レバー４０ａ、４０ｂのレバー比はＬ4／Ｌ3である。
従って、このレバー３９ａ、３９ｂ、４０ａ、４０ｂによりアクチュエータ素子３３の変位はＬ2Ｌ4／Ｌ1Ｌ3倍に拡大されて出力変位部４２に伝達される。
【００３７】
次に、本実施例の作動について説明する。
アクチュエータ素子３３に電圧を印加すると、該素子３３が中心軸１Ｃ方向、即ち、左右方向外側に伸び、発生変位及び力が第１レバー３９ａ、３９ｂの第１力点４８ａ、４８ｂに伝達される。
【００３８】
第１レバー３９ａ、３９ｂの第１力点４８ａ、４８ｂに伝達された前記発生変位及び力は、第１支点ヒンジ４６ａ、４６ｂを支点としててこの原理により第１作用点ヒンジ４７ａ、４７ｂを拡大変位させる。
【００３９】
第１作用点ヒンジ４７ａ、４７ｂの変位により第２レバー４０ａ、４０ｂは第２支点ヒンジ４９ａ、４９ｂの囲りで回転し、前記発生変位をてこの原理により拡大しながら第２作用点ヒンジ５０ａ、５０ｂを矢印Ａ２０方向に引き上げる。
この作用点ヒンジ５０ａ、５０ｂが引き上げられると、出力変位部４２が同方向に変位する。
【００４０】
第１レバー３９ａ、３９ｂのレバー比をＬ2／Ｌ1、第２レバー４０ａ、４０ｂのレバー比をＬ4／Ｌ2、とすれば出力変位部４２の変位はアクチュエータ素子３３の変位に対して、Ｌ2Ｌ4／Ｌ2Ｌ3、に比例した値となり、例えば、アクチュエータ素子３３の発生変位１０ミクロンに対して出力変位部４２の変位を数１０ミクロンとなることができる。
【００４１】
また、対称軸３Ｃに対して、第１レバー３９ａ、３９ｂ、第２レバー４０ａ、４０ｂ等を対称に配設しているので、出力変位部４２の変位方向は対称軸方向となり回転成分がなくなる。そのため、高い伝達効率を得ることができる。
【００４２】
前記印加電圧を零にすると、アクチュエータ素子３３は元の状態に戻るとともに、前記出力変位部４２はヒンジのばね力により復元する。
【００４３】
この発明の実施例は、上記に限定されるものではなく、例えば、精密位置決め用微動ステージ、自動車、航空機等の軸受等の精密研磨機、顕微鏡等の測定器具、非球面加工機等にも利用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
この発明は、以上の様に構成したので従来例と異なり、出力変位部がアクチュエータ素子の変位方向と直角方向に変位するとともに、出力変位部の変位方向のサイズをコンパクトにすることができる。
又、機構全体を一体型ヒンジ構造としているため、出力変位部で大きな力を取り出すことができ、更に、該出力変位部に外部負荷を直接取り付けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す正面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す平面図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す正面図で、図１に対応する図ある。
【図４】本発明の第２実施例を示す平面図で、図２に対応する図である。
【符号の説明】
３ａ      アクチュエータ素子
３ｂ      アクチュエータ素子
８        固定部
９ａ      第１レバー
９ｂ      第１レバー
１０ａ     第２レバー
１０ｂ     第２レバー
１２       出力変位部
３３       アクチュエータ素子
３７       固定部
３７ａ     上側固定部
３７ｂ     下側固定部
３９ａ     第１レバー
３９ｂ     第１レバー
４０ａ     第２レバー
４０ｂ     第２レバー
４２       出力変位部
【図１】
0003809623.tif 000002
【図２】
0003809623.tif 000003
【図３】
0003809623.tif 000004
【図４】
0003809623.tif 000005