專利名稱：平面型操縱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對物體保持器進行移位的操縱器，包括基 部；連接到基部的致動器，所述致動器具有致動部分，所述致動部分 在操作致動器時相對于基部移位；傳動機構(gòu)，所述傳動機構(gòu)連接到致 動器的所述致動部分、和物體保持器的第一連接部分，用于將致動部 分的移位轉(zhuǎn)換為第一連接部分沿著預定位移線的移位；以及引導部件， 所述引導部件連接到基部、和物體保持器的與第一連接部分間隔開的 第二連接部分，以便引導物體保持器平行自身移位。
背景技術(shù)：
這種操縱器公知于日本專利JP07-035987。該現(xiàn)有技術(shù)文獻公開了 一種設(shè)有用于對載物臺進行移位的調(diào)節(jié)機構(gòu)的操縱器。該機構(gòu)將致動 器的水平移位轉(zhuǎn)換為載物臺的垂直移位，引導元件在載物臺被移位時 引導載物臺。該機構(gòu)使操縱器具有低的結(jié)構(gòu)高度?，F(xiàn)有操縱器的不足 是載物臺可能具有準確垂直位移的范圍相當有限。
本發(fā)明的目的是提供一種能夠使物體保持器在寬的位移范圍內(nèi)移 位的操縱器。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)上述目的，引導部件適于使物體保持器的第二部分與第 一部分大致平行于限定的位移線同步移位。
由于第一連接部分和第二連接部分可彼此平行、同步地移位的特 征，物體保持器可以以相對簡單的方式平行自身移位。因此，物體保 持器的方位不受移位影響。從而，即使具有相對較大的位移，也可保持物體保持器的準確方位。因此，使得寬的位移范圍成為可能。
權(quán)利要求2的實施例是該結(jié)構(gòu)的進一步的簡化形式，其中，傳動機 構(gòu)和引導部件彼此平行定位。
權(quán)利要求3的實施例包括杠桿。應(yīng)用杠桿的優(yōu)點在于，能夠?qū)⒁粋€ 方向上的移位轉(zhuǎn)換為與該方向垂直的移位，使得操縱器可具有低的結(jié) 構(gòu)高度。
引導部件的優(yōu)選實施例至少包括含有至少兩個引導臂的第一組引 導臂，例如圖4中所限定的。含有兩個引導臂的一組引導臂與物體保持 器的第二部分以及基部形成四連桿機構(gòu)，其中，引導臂和引導臂鉸鏈 部分設(shè)置成使四連桿機構(gòu)形成平行四邊形。該結(jié)構(gòu)和根據(jù)權(quán)利要求4 的其他特征具有確保物體保持器平行自身移位的機械結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu) 占。
在根據(jù)權(quán)利要求5的有利實施例中，引導臂設(shè)置成使有效引導臂線 在與位移面大致平行的平面上延伸。該結(jié)構(gòu)避免了在與位移面垂直的 方向上引導臂之間的力矩臂，所述力矩臂會使得物體保持器或引導臂 在移位過程中和移位之后發(fā)生變形。
根據(jù)權(quán)利要求6的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是，引導部件在與位移面垂直的方向 上的剛度得到提高。
有利實施例限定在權(quán)利要求7中。該實施例具有的優(yōu)點是，引導部 件在與位移面垂直的方向上的結(jié)構(gòu)剛度得到進一步提高。此外，引導 部件在繞著與有效引導臂線平行的線的轉(zhuǎn)動方向上得到加強。
操縱器性能的進一步的提高通過根據(jù)權(quán)利要求8的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。補償 部件用于在物體保持器的移位過程中和移位之后給物體保持器引入補 償力，以便由于引導部件在與位移線平行的方向上的剛度而降低引導 部件繞著有效杠桿線的彎矩。給補償部件施加合適的剛度防止物體保 持器傾斜。
根據(jù)權(quán)利要求9的實施例有助于使操縱器具有低的結(jié)構(gòu)高度。 根據(jù)權(quán)利要求IO，致動器包括壓電元件。這種類型的致動器在現(xiàn) 有技術(shù)中是公知的，且可通過引起致動部分縱向移位的電流致動。作 為根據(jù)權(quán)利要求10的實施例的結(jié)構(gòu)的結(jié)果，物體保持器的第一連接部分可沿著與致動部分的位移大致垂直的方向移位。這可使得操縱器的 結(jié)構(gòu)高度得到進一步降低。
權(quán)利要求ll的實施例具有的優(yōu)點在于，第一連接部分的位移相對 于致動部分的位移被放大。這提供了減低壓電元件的長度的機會。
根據(jù)權(quán)利要求12，在壓電元件上的彈簧優(yōu)選是大致扁平的線彈簧。
這進一步降低了操縱器的結(jié)構(gòu)高度。
根據(jù)權(quán)利要求13的實施例的優(yōu)點也在于，操縱器的結(jié)構(gòu)高度可保 持為低。
根據(jù)權(quán)利要求14的實施例的優(yōu)點是，它提供了一種物體保持器可 相對于框架沿三個維度移位的操縱器。
本發(fā)明還涉及一種設(shè)備例如光學設(shè)備、光儲存設(shè)備和用于諸如生 物醫(yī)學分析的微觀分析的設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備設(shè)有根據(jù)本發(fā)明的 操縱器。


通過下面參看示意性附圖所作的描述，本發(fā)明的這些和其他方面 以及優(yōu)點將顯而易見。
圖l是根據(jù)本發(fā)明的操縱器的透視俯視圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的杠桿結(jié)構(gòu)的透視側(cè)視圖3是根據(jù)本發(fā)明的物體保持器和引導部件的透視俯視圖；以及
圖4是根據(jù)本發(fā)明的操縱器的可選實施例的透視俯視圖。
具體實施例方式
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的操縱器l的實施例。操縱器可以是設(shè)備的
一部分。該實施例表示用于諸如沿X、 Y方向移動光點并將它們聚焦在 Z方向上的光存儲裝置的設(shè)備中的平面型操縱器。另一應(yīng)用領(lǐng)域是微觀 分析，例如用于生物醫(yī)學分析，這是因為精確的微小位移利用這種類 型的操縱器得到了實現(xiàn)。圖1的實施例包括安裝到平框架3的基部2，使 得操縱器1形成平行于X、 Y平面延伸的板狀配置?？蚣?被固定或可被固定到設(shè)備的安裝部件5?；靠上鄬τ诳蚣苎豖、 Y方向移位?？蚣? 的類型在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的，且具有的優(yōu)點是，沿X和Y方向具有可 控制的準確位移而沒有游隙。操縱器1包括物體保持器4，該物體保持 器4可相對于框架3沿X、 Y和Z方向移位。實際中，物體保持器4例如可 承載要通過顯微鏡方法分析的樣本。圖1的實施例中的物體保持器4具 有平坦上表面，且平行于框架3定位。它可通過壓電元件5相對于基部2 沿Z方向移位。
通常，壓電元件是棒條形的。當壓電元件由電流致動時，壓電元 件的端部可沿棒條的縱向相對彼此移位。壓電元件僅可被從閑置狀態(tài) (這意思是指它沒被通電)伸長。為了能沿兩個相反的縱向移位，壓 電元件通常經(jīng)受壓縮壓電元件的預加載荷，且當它們具有參考長度時 承受電壓。相對于參考長度的伸長此時通過增大電壓實現(xiàn)，相對于參 考位置的縮短通過降低電壓實現(xiàn)。
圖1所示的實施例包括預加載彈簧6，預加載彈簧6放置在壓電元件 5上。預加載彈簧6是扁平的線彈簧，以減小操縱器1在Z方向上的高度。 彈簧6可由優(yōu)選由UN-N1026/85指定的彈簧鋼制成。
由于壓電元件例如如上所述地僅可在其縱向上被致動，因此壓電 元件5沿Y方向延伸，且杠桿結(jié)構(gòu)7將壓電元件5在Y方向上的長度變化 轉(zhuǎn)換為物體保持器4沿Z方向的移位。杠桿結(jié)構(gòu)7在三個位置被固定固 定到基部2上杠桿連接點8處、固定到壓電元件5的致動部分9、和固定 到物體保持器4的第一連接部分10。
操縱器l還具有引導部件ll，該引導部件11當物體保持器4通過壓 電元件5相對于基部2移位時引導物體保持器4平行自身移位。因此，引 導部件11的一側(cè)使用引導部件連接器12固定到基部2，另一側(cè)固定到物 體保持器4的第二連接部分13。
基部12可分別通過壓電元件14、 15相對于框架3沿相應(yīng)的X、 Y方 向移位。預加載彈簧16、 17是巻曲彈簧，且設(shè)置成能夠使壓電元件14、 15分別相應(yīng)地沿-X方向和-Y方向移位，如上所述。
杠桿結(jié)構(gòu)7示于圖2中。杠桿結(jié)構(gòu)7具有鄰近于第一端部19的第一杠 桿鉸鏈部分18、和鄰近于與第一端部19相反的第二端部21的第二杠桿鉸鏈部分20。第一端部19固定到基部2，第二端部21固定到物體保持器 4，參見圖l。杠桿22在第一杠桿鉸鏈部分18和第二杠桿鉸鏈部分20之 間延伸。杠桿22設(shè)有作用點23，壓電元件5的致動部分9可對該作用點 23施加沿-Y方向的力。杠桿22還設(shè)有孔24，其中，預加載彈簧6咬合 在在該孔中。當較早傳入到壓電元件5上的電荷被降低時，預加載彈簧 5將壓縮，從而在杠桿22鄰近于孔24的一部分上施加沿+ Y方向的力。
作用點23以及孔24的頂部在Z方向觀看時比第一杠桿鉸鏈部分18 處于更低的位置。注意，在圖2中，作用點23表示處于X、 Z平面上的 點，壓電元件5的力有效地作用在該點上。因此，當通過增大或減小電 壓從通電狀態(tài)致動壓電元件時，作用點23分別沿+ Y或-Y方向移位。 繞著第一杠桿鉸鏈部分18作用在杠桿22上的合成力矩將使杠桿22繞著 第一杠桿鉸鏈部分18的軸線在Y、 Z平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。
由于壓電元件5的致動部分9不得不沿+ Y或-Y方向移動、以及因 杠桿的運動而使得致動部分9也沿+ Z或-Z方向移動，因此壓電元件5 通過鉸鏈25可轉(zhuǎn)動地連接到作用點23和基部2。
由于杠桿結(jié)構(gòu)7的第二端部21固定到物體保持器4的第一連接部分 10，因此，第一連接部分10也可繞著第一杠桿鉸鏈部分18的軸線轉(zhuǎn)動， 從而能夠使得沿+ Z或-Z方向移位。然而，希望使物體保持器4與X、 Y 平面保持平行。因此，物體保持器4通過第二杠桿鉸鏈部分20可轉(zhuǎn)動地 連接到杠桿22。如果例如杠桿22繞著第一杠桿鉸鏈部分18的軸線向上 轉(zhuǎn)動一定角度，物體保持器4應(yīng)繞著第二杠桿鉸鏈部分20的軸線相對于 杠桿22向下轉(zhuǎn)動相同角度，以便能夠使物體保持器4沿Z方向移位，同 時物體保持器4保持自身平行。物體保持器4的上述被迫移位通過引導 部件11實現(xiàn)。
杠桿22的尺寸可根據(jù)物體保持器4的第一連接部分10沿+ Z或-Z 方向的位移與作用點23沿+ Y或-Y方向的位移之間相應(yīng)的轉(zhuǎn)換比優(yōu) 化。轉(zhuǎn)換比可通過降低杠桿22上的鉸鏈25與第一杠桿鉸鏈部分18之間 在Z方向上的距離、禾口/或增大杠桿22上的鉸鏈25與第一和第二杠桿鉸 鏈部分18、 20之間的杠桿22的長度得到增大。較高的轉(zhuǎn)換比具有的優(yōu) 點在于，壓電元件5沿Y方向的長度可得到限制。由于在那種情況下需要較高的力，因此它還需要在壓電元件5上施加較高的電壓。
在圖3中，圖l所示的操縱器l的實施例的引導部件ll和物體保持器 4被更詳細地示出。在圖3的實施例中，引導部件11和物體保持器4成一 體。引導部件11設(shè)有四個引導臂26，它們彼此平行延伸且在X和Z方向 上間隔開。引導臂26連接到基部2、和物體保持器4的第二連接部分13。 引導臂26對稱定位兩個引導臂26在Z方向上上下定位，兩個引導臂26 在X方向上相鄰定位。
每個引導臂26設(shè)有兩個引導臂鉸鏈部分27。每個引導臂26在引導 臂鉸鏈部分27之間的有限長度等于杠桿22在第一杠桿鉸鏈部分18和第 二杠桿鉸鏈部分20之間的有效長度。引導部件ll的延伸穿過引導臂鉸 鏈部分27的有效線與杠桿22的延伸穿過杠桿鉸鏈部分18、 20的有效線 平行延伸。物體保持器4通過鄰近于第二連接部分13的引導臂鉸鏈部分 27可轉(zhuǎn)動地連接到引導臂26、以及通過第二杠桿鉸鏈部分20連接到杠 桿22。引導臂26和杠桿22也分別通過鄰近于基部2的引導臂鉸鏈部分 27、和第一杠桿鉸鏈部分18可轉(zhuǎn)動地連接到基部2。因為上述結(jié)構(gòu)的尺 寸和方位，物體保持器4當沿Z方向移位時保持自身平行。當然，物體 保持器由引導臂26沿Z方向引導產(chǎn)生的位移也會引起物體保持器4沿-Y方向的位移。然而，這可通過基部2相對于框架3沿+ Y方向的位移很 容易地得到補償。
在圖4中，示出了操縱器l的可選實施例。該實施例包括對引導部 件11的剛度進行補償?shù)难a償杠桿28。在沒有該補償杠桿28的情況下， 如果物體保持器4沿Z方向移位，引導部件11和杠桿結(jié)構(gòu)7承受繞著通過 物體保持器4的第一連接部分10的Y軸線的彎矩。這可導致引導部件ll 變形，從而使物體保持器4的方位傾斜。彎矩通過補償杠桿28補償，補 償杠桿28的一個端部連接到基部2，另一端部連接到物體保持器4。補 償杠桿28沿Z方向的剛度、以及杠桿22和其與物體保持器4的連接部位 之間在X方向上的距離可被優(yōu)化，以降低作用在引導部件ll和杠桿結(jié)構(gòu) 7上的彎矩。這降低了物體保持器4的傾斜的危險。
根據(jù)圖1和4的操縱器1的實施例例如可具有以下尺寸X、 Y方向 上的長度和寬度分別為大約35mm和42mm， Z方向上的高度為約3mm。物體保持器4沿+ Z和-Z方向的最大行程可為大約30u m同時具有0.5n m的精度，在X和Y方向的最小行程為15um同時具有50nm的精度。
引導臂鉸鏈部分27和杠桿鉸鏈部分18、 20可通過電火花腐蝕、或 通過組裝可借助于粘合劑或焊接相互固定起來的不同部件制成。杠桿 結(jié)構(gòu)7、引導部件ll、基部2和框架3優(yōu)選由金屬例如不銹鋼或鋁制成。 例如，這些構(gòu)件可通過激光焊接或粘合劑固定在一起。金屬絲彈簧6 可由彈簧鋼制成。
從前面的描述中顯見，本發(fā)明提供了一種能夠使物體保持器4沿大 致垂直于框架3的平面的方向平行自身移位的平面型操縱器1。由于引 導部件ll的特征，可實現(xiàn)寬范圍內(nèi)的位移。
本發(fā)明并不限于圖中所示的上述實施例，上述實施例可在不脫離 權(quán)利要求書的范圍的情況下以多種方式變化。例如，引導部件可以是 引導對象的第一和第二連接部分的固定引導部件，例如引導軌道。作 為對四個窄臂的替代，引導臂可以是在Z方向上上下設(shè)置的兩個平行的 寬臂。所示的鉸鏈是活動的類似鉸鏈的鉸鏈，但是可以想像到任何類 型的鉸鏈或樞軸，只要獲得一些類型的鉸鏈動作即可。
注意，通常地，在本申請中，表述"包括"并不意味著排除其他元 件，"一個"也并不排除多個。在權(quán)利要求書中的附圖標記不應(yīng)認為是 限制本發(fā)明的范圍。而且，本發(fā)明涉及在權(quán)利要求書中所述的特征的 所有可能組合。
權(quán)利要求
1. 一種用于對物體保持器(4)進行移位的操縱器(1)，包括基部(2)；連接到基部(2)的致動器(5)，所述致動器(5)具有致動部分(9)，所述致動部分(9)在操作致動器(5)時相對于基部(2)移位；傳動機構(gòu)(7)，所述傳動機構(gòu)(7)連接到致動器(5)的所述致動部分(9)、和物體保持器(4)的第一連接部分(10)，用于將致動部分(9)的移位轉(zhuǎn)換為第一連接部分(10)沿著預定位移線的移位；以及引導部件(11)，所述引導部件(11)連接到基部(2)、和物體保持器(4)與第一連接部分(10)間隔開的第二連接部分(13)，使得引導物體保持器(4)平行自身移位，其中，引導部件(11)適于使物體保持器(4)的第二部分(13)與第一連接部分(10)大致平行于所述位移線同步移位。
2. 如權(quán)利要求l所述的操縱器(1)，其特征在于，傳動機構(gòu)(7) 和引導部件(11)彼此平行定位。
3. 如權(quán)利要求2所述的操縱器(1)，其特征在于，傳動機構(gòu)(7) 包括杠桿(22)，所述杠桿(22)的一個端部通過第一杠桿鉸鏈部分(18) 可轉(zhuǎn)動地連接到基部(2)，相反端部通過第二杠桿鉸鏈部分(20)可 轉(zhuǎn)動地連接到物體保持器(4)的第一連接部分(10)，所述杠桿(22) 具有延伸通過第一和第二杠桿鉸鏈部分(18， 20)的有效杠桿線，杠 桿(7)可相對于基部(2)在預定的位移面內(nèi)轉(zhuǎn)動。
4. 如權(quán)利要求3所述的操縱器(1)，其特征在于，引導部件(11) 至少包括含有至少兩個引導臂(26)的第一組引導臂、且具有延伸通 過引導臂鉸鏈部分(27)的有效引導臂線，其中每個引導臂(26)通 過引導臂鉸鏈部分(27)可轉(zhuǎn)動地連接到物體保持器(4)的第二連接 部分(13)、和基部(2)，所述有效引導臂線平行于有效杠桿線延伸， 每個引導臂(26)在引導臂鉸鏈部分(27)之間的長度等于杠桿(22)在所述第一和第二杠桿鉸鏈部分(18， 20)之間的長度，且引導臂(26) 設(shè)置成使有效引導臂線在與所述位移面平行的平面內(nèi)沿垂直于自身的 方向間隔開。
5. 如權(quán)利要求4所述的操縱器(1),其特征在于，第一組引導臂 (26)設(shè)置成使有效引導臂線在與所述位移面大致平行的平面上延伸。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的操縱器(1)，其特征在于，具有鉸鏈軸 線的每個引導臂鉸鏈部分(27)在沿鉸鏈軸線的一個以上的位置處將 引導臂(26)連接到第二端部(13)或?qū)⒁龑П?26)連接到基部(2)。
7. 如權(quán)利要求4至6所述的操縱器U)，其特征在于，引導部件(ll) 至少包括含有至少兩個引導臂(26)的第二組引導臂，所述第二組引 導臂設(shè)置于在與所述位移面垂直的方向上與第一組引導臂(26)間隔 開的平面上。
8. 如權(quán)利要求3至7中任一所述的操縱器(1)，其特征在于，操縱 器(1)包括補償部件(28)，所述補償部件(28)彈性地連接到基部(2)和物體保持器(4)，適于使得物體保持器(4)沿位移線的位移 產(chǎn)生補償部件(28)作用在物體保持器(4)上的與物體保持器(4) 的位移方向相反的力分量，所述力分量在與位移面垂直的方向上遠離 第一連接部分(10)作用，補償部件(28)在位移線的方向上的剛度 適于使物體保持器(4)可平行自身移位。
9. 如權(quán)利要求8所述的操縱器(1)，其特征在于，補償部件(28) 包括至少部分與有效杠桿線大致平行延伸的杠桿。
10. 如權(quán)利要求3至9中任一所述的操縱器(1)，其特征在于，致動 器(5)包括壓電元件，所述壓電元件的致動部分(9)連接到杠桿上 的作用點(23)，所述作用點(23)在與所述位移面平行的平面內(nèi)沿與有效杠桿線垂直的方向與第一杠桿鉸鏈部分(18)間隔開。
11. 如權(quán)利要求10所述的操縱器(1)，其特征在于，作用點(23) 與有效杠桿線之間的距離比杠桿(22)在第一、第二杠桿鉸鏈部分(18， 20)之間的長度短。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的操縱器(1)，其特征在于，預加載 彈簧(6)放置在壓電元件(5)上、且固定到基部(2)和致動部分(9)， 所述彈簧(6)優(yōu)選是大致扁平的線彈簧。
13. 如前面權(quán)利要求中任一所述的操縱器(1)，其特征在于，基 部(2)平行于底平面延伸，且物體保持器(4)當從與所述底平面垂 直的方向上觀看時鄰近于引導部件(11)和/或傳動機構(gòu)(7)和/或致 動器(5)安裝。
14. 如前面權(quán)利要求中任一所述的操縱器(1)，其特征在于，基 部(2)連接到框架(3)、且借助于至少兩個致動器(14， 15)可相對 于框架(3)與底平面平行地移位。
15. —種設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備設(shè)有如前面權(quán)利要求中任 一所述的操縱器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于對物體保持器(4)進行移位的操縱器(1)，該操縱器(1)包括基部(2)、致動器(5)、傳動機構(gòu)(7)、引導部件(11)和物體保持器(4)。致動器(5)連接到基部(2)，且在操作致動器(5)時經(jīng)由傳動機構(gòu)(7)對物體保持器(4)進行移位。引導部件(11)連接到基部(2)和物體保持器(4)，使得適于引導物體保持器(4)平行自身移位。
文檔編號G02B21/24GK101288014SQ200680038345
公開日2008年10月15日 申請日期2006年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月17日
發(fā)明者W·C·J·比爾霍夫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司