This paper proposes an optimal design for a precision motion stage employing a parallelogram flexure hinge. The voltage applied to the piezo element produces motion that is amplified through a 3-stage amplification structure. Especially, instead of the generally used conic section flexure hinge a parallelogram shaped flexure hinge is used that improves the flexibility of the lever. An Finite Element Analysis is performed on each motion stage lever where optimal design was achieved using Response Surface Methodology(RSM).
This paper presents an optimal design and the performance evaluation of two-axis nano positioning stage with round notched flexure hinges. A flexure hinge mechanism with round notched flexure hinges is to guide the linear motions of a moving plate in the nano positioning stage. A Min-Max algorithm is applied to the design of the flexure hinge mechanism for nano positioning stage. In the design process, the structure of the flexure hinge mechanism is fixed, then the radius of a round hole and the width of two round holes are chosen as design variables, and finally the do sign variables are calculated by the Min-Max algorithm. The machined flexure hinge mechanism, stack type PZTs for actuation and capacitance type displacement sensors for position measurement are assembled into the nano positioning stage. The experimental results of the manufactured nano positioning stage show the first modal resonance frequency of 197 Hz, the operating range of 40 um, and the resolution of 3 nm.
A flexure hinge-based compliant stage driven by stack-type piezoelectric elements has high precision motion but small operational range due to the characteristics of the piezoelectric element. Since the common flexure hinges can be broken by excessive deflection when the displacement is amplified by a high amplification ratio, a flexure hinge mechanism for large deflection is required. A cartwheel-type flexure hinge has an advantage of larger deflection compared with the common flexure hinges. This study presents a rotation stage with cartwheel-type flexure hinges driven by a stack-type piezoelectric element. The characteristics and the performance of the rotation stage are described by the terms of principal resonance frequency, amplification ratio of rotational displacement, maximum rotational displacement and block moment, in which the terms are analyzed by geometric parameters of the rotation stage. The analyzed results will be used as the guideline of the design of the rotation stage.
Ultra precision positioning mechanism has been widely used on semiconductor manufacturing equipments, optical spectrum analyzers and cell manipulations. Ultra precision positioning mechanism consists of several actuators, sensors, guides and control systems. Its efficiency depends on each performance of components. The object of this study is to design and analyze the micro stage that is one of the equipments embodied in ultra precision positioning mechanism. The micro stage consists of PZT actuators and flexure hinges. The structural design of flexure hinge is optimized by using RSM and FEM. The control factors concerned with the design of flexure hinges of stage and arms are optimized by minimizing the equivalent stress on the hinge and maximizing 1st natural frequency based on RSM and FEM simulation under various kinds of design conditions.
In precision laser microfabrication, focusing is essential to acquire good machining precision and uniform machining quality. If it does not perform, laser machining cannot be realized. So, confocal scanning method with high depth resolution is used for focus detection technique. This paper is concerned with a procedure for design, analysis and performance test of an autofocus fine actuating stage, which is composed of flexure-hinge type lever mechanism and piezoelectric actuator. Through series of analytical design, the stage is simplified as a rigid bodies(lever and main body) and springs(flexure hinges). The simplified model was applied to determine the dimension of flexure hinges and lever. After structural analysis confirmed design requirement, an actual stage was made and verified through an experiment on the static and dynamic characteristics(maximum stroke and 1st natural frequency). The fabricated stage was satisfied with the design requirement.
This paper describes kinematic analysis of a 6-degrees-of-freedom (DOF) ultra-precision positioning stage based on a flexure hinge. The stage is designed for processes which require ultra-precision and high load capacities, e.g. wafer-level precision bonding/assembly. During the initial design process, inverse and forward kinematic analyses were performed to actuate the precision positioning stage and to calculate workspace. A two-step procedure was used for inverse kinematic analysis. The first step involved calculating the amount of actuation of the horizontal actuation units. The second step involved calculating the amount of actuation of the vertical actuation unit, given the the results of the first step, by including a lever hinge mechanism adopted for motion amplification. Forward kinematic analysis was performed by defining six distance relationships between hinge positions for in-plane and out-of-plane motion. Finally, the result of a circular path actuation test with respect to the x-y, y-z, and x-z planes is presented.
The demand for new processing technology that can improve productivity is increasing in industries that require large-scale and various products. In response to this demand, a robot machining system with flexibility is required. Because of the low rigidity of the robot, the robot machining system has a large error during machining and is vulnerable to vibration generated during machining. Vibration generated during machining deteriorates machining quality and reduces the durability of the machine. To solve this problem, a stage for fixing the spindle during machining is required. In order to compensate for the robot's low rigidity, a system combining a piezoelectric actuator for generating a large force and a guide mechanism to actuate with a desired direction is required. Since the rigidity of flexible hinges varies depending on the structure, it is important to optimal design the flexible hinge and high-rigidity system. The purpose of this research is to make analytic model and optimize a flexible hinge and to design a high rigidity stage. In this research, to design a flexible hinge stage, a concept design of system for high rigidity and flexure hinge modeling is carried out. Based on analytic modeling, the optimal design for the purpose of high rigidity is finished and the optimal design results is used to check the error between the modeling and actual simulation results.
Piezoelectric elements driven ultra-precision stages have been used for high accuracy, fast response and high load rapacity. which are allowable to apply the stages to AFMs. Most of the piezoelectric driven stages are guided by flexure hinges for force transmission and mechanical amplification. However the flexure hinge mechanisms cause lack of position accuracy due to coupled and parasitic motions. Hence it is important that the mechanism design of the stage is focused on the stiffness of the flexure hinges to accomplish fast response and hish accuracy without the coupled and parasitic motions. In this study, some constraints for optimal design of a piezoelectric elements driven stage and a design method are proposed. Next, an optimal design is carried out using mathematical calculation. Finally the designed results are verified by FEM.
This paper presents a 3-axis fine positioning stage. All the procedure concerning the design and fabrication of the stae are described. The stage considered here is composed of flexure hinges, piezoelectric actuators and their peripherals. A special flexure hinge is adopted to be able to actuate the single stage in three axes at the same time. A ball contact mechanism is introduced into the piezoelectric actuator to avoid the cross talk among the axes. The final design is obtained with the theoretical analysis on the stage. An actual fine stage is developed and the design specifications are verified through an experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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