JP2003343678A - 並列粗微動駆動形多自由度位置決め機構 - Google Patents

並列粗微動駆動形多自由度位置決め機構

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JP2003343678A
JP2003343678A JP2002151535A JP2002151535A JP2003343678A JP 2003343678 A JP2003343678 A JP 2003343678A JP 2002151535 A JP2002151535 A JP 2002151535A JP 2002151535 A JP2002151535 A JP 2002151535A JP 2003343678 A JP2003343678 A JP 2003343678A
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Yukio Takeda
行生 武田
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Hephaist Seiko Co Ltd
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Hephaist Seiko Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 大変位・高速且つ微小分解能の位置決めを可
能とした、並列粗微動駆動形多自由度位置決め機構を提
供する。 【解決手段】 ベース２側に微動入力用の直進対偶１２
を介して連結するベース側連結節６とプラットフォーム
３側に第２球対偶７を介して連結したプラットフォーム
側連結節８とを、ベース側から２自由度対偶１３および
粗動入力用の直進対偶１１を介在して連結する構成とす
る。粗動入力用の直進対偶１１には、リニアアクチュエ
ータを用いることができ、微動入力用の直進対偶１２に
は、圧電アクチュエータを採用することができる。かか
る構成では、ベース２側の直進対偶１２によりベース側
連結節６を、２自由度対偶１３を介し、プラットフォー
ム側連結節８に対して微動変位させ、粗動入力用の直進
対偶１１によりプラットフォーム側連結節８側をプラッ
トフォーム側連結節８軸方向に伸縮させることで、プラ
ットフォーム３を変位させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、大変位・高速且つ
微小分解能の位置決めを可能とした、並列粗微動駆動形
多自由度位置決め機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】最近、ナノテクノロジー、すなわち、微
小な寸法の構造物、加工、組み立て、寸法測定、制御な
ど、著しい進展が見られ、かかるナノテクノロジーを支
える精密測定器具、精密加工機械等を初め、ロボットマ
ニュピレータには、いわゆるパラレルメカニズムが注目
されている。このパラレルメカニズムは、能動ジョイン
トと受動ジョイントとにより接続したリンクからなる連
鎖が２つ以上並列に配置され、プラットフォームを複数
の連鎖で支持する機構としている。かかる機構によれ
ば、各ジョイントでの角度変位誤差やアクチュエータの
位置決め誤差が累積することはなく、アクチュエータや
減速機といった重量の大きな機械要素をベース側連結節
上に配置することが可能となることから、一般的に出力
運動は高精度、高剛性であり、また可動部の重量が小さ
いことから高速度、高加速度を得ることができ、可搬重
量が大きい、固有振動数が高いといった利点がもたらさ
れるとしている。
【０００３】ここで６自由度のパラレルメカニズムの例
を挙げ、微小変位特性を考察する。かかるパラメカニズ
ムとしては、（１）各連結連鎖が二つの節からなりベー
ス側連結節から球対偶Ｓ、直進対偶Ｐ、球対偶Ｓにより
各節を連結して、直進対偶が能動対偶である機構Ａ（図
３２参照）と、（２）各連結連鎖が二つの節からなりベ
ース側連結節から直進対偶Ｐ、直交２軸方向に回転可能
な２自由度対偶Ｕ、球対偶Ｓにより各節を連結し、直進
対偶が能動対偶である機構Ｂを示す（図３３参照）。な
お、機構Ａ、機構Ｂいずれにおいても、ベース側連結節
上およびプラットフォーム側連結節上に座標系Ｏ−ＸＹ
ＺおよびＰ−ｘｙｚを設置し、プラットフォーム側連結
節上の点Ｐを出力点とする。
【０００４】前記機構Ａの微小変位特性を考える。プラ
ットフォーム側連結節の微小変位ΔＸを出力点ＰのＸ，
Ｙ，Ｚ軸方向の微小並進変位（ΔＸp，ΔＹp，ΔＺp）
とプラットフォーム側連結節のＸ，Ｙ，Ｚ軸周りの微小
角変位（ΔΘx，ΔΘy，ΔΘｚ）により表し、ΔＸ＝
[ΔＸp，ΔＹp，ΔＺp，ΔΘx，ΔΘy，ΔΘｚ]Tとす
る。入力節の微小変位Δｌは各連結連鎖の能動対偶の微
小変位により、Δｌ＝[Δl1，Δl2，……，Δl6]Tと表
す。かかるΔＸとΔlとの間には、ヤコビ行列[ＪA]を用
いて ΔＸ＝[ＪA]Δｌ （１） と表すことができる。なお、球対偶Ｊ1,i（i＝１，２，
……６）とＪ2,iを結ぶ直線方向の単位ベクトルを
【数１】 出力点ＰとＪ2,iを結ぶベクトルを
【数２】 として、これらをＯ−ＸＹＺ座標系で記述するとき、行
列[ＪA]は、
【数３】 となる。
【０００５】次に機構Ｂの微小変位特性を考える。機構
Ａと同様にして、入力節の微小変位をΔｌB＝[ΔlB1，
ΔlB2，……，ΔlB6]T、ヤコビ行列を[ＪB]とすれば、
微小入出力関係は、 ΔＸ＝[ＪB]ΔｌB （３） そして、行列[ＪB]は対角行列[Ｂ]を用いて [ＪB]＝[ＪA][Ｂ] （４） ここで、機構Ｂの球対偶Ｊ1,iと球対偶Ｊ2,iを結ぶ方向
の単位ベクトルをｅi，対角行列[Ｂ]の対角成分をｂiと
表せば、 ｂi＝ ｅB,i・ｅi （５） これらより、（３）式は、（２）式および（５）式で求
められる行列[ＪA]、[Ｂ]を用いて、 ΔＸ＝[ＪA][Ｂ]ΔｌB （６） となる。ここで、（５）式で求められるｂiは必ずその
絶対値が１以下である。すなわち、機構Ａと機構Ｂの球
対偶Ｊ1,iおよび球対偶Ｊ2,iの配置と微小入力変位が同
一の場合には、機構Ｂの方が機構Ａに比較して出力変位
が小さくなることがわかる。
【０００６】ところで、例えば半導体製品を製造する際
の、鍵となるリソグラフィ技術において、光リソグラフ
ィ用マスク精度、電子ビーム直接描画に要求される精度
を実現するために、位置決め機構に対しては、次世代の
半導体製品に対応するために、例えば３００ｍｍ以上の
ストロークにおいて１０ｎｍの位置決め精度が要求され
ると考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
パラレルメカニズムでは高精度である反面、作業領域が
狭まってしまうので、上述の大変位且つ高精度を満たす
ことは困難であった。そこで、大変位且つ高精度を同時
に実現する手法として、粗微動駆動方式に注目し、上述
のパラレルメカニズムである機構Ａ，機構Ｂを適宜組合
せ、機構および機構寸法を最適化することで、要求され
る大変位且つ高精度な位置決め精度を達成できるであろ
うという観点に至った。本発明はかかる背景から提案さ
れたものであって、複数の連鎖でプラットフォームを並
列に支持した多自由度位置決め機構において、一つの連
鎖内に粗動部と微動部を途中に対偶を介して直列に連結
し、粗動部と微動部の位置決め部に対する変位拡大率を
適切に設定できるようにすることにより、大変位・高速
且つ微小分解能の位置決めを可能とした、並列粗微動駆
動形多自由度位置決め機構を提供することを目的とす
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】前記した課題を解決する
ために、本発明では、請求項１において、ベース上にプ
ラットフォームを複数の連結連鎖により位置決め揺動調
節可能に支持してなり、これら連結連鎖は、粗動入力用
と微動入力用の能動対偶を直列に連結して構成した並列
粗微動駆動形多自由度位置決め機構を提案する。また本
発明では、請求項２において、前記連結連鎖はベース側
に少なくとも直交２軸方向に回転可能な２自由度対偶を
介して連結するベース側連結節とプラットフォーム側に
球対偶を介して連結するプラットフォーム側連結節とを
有し、これらベース側連結節とプラットフォーム側連結
節とは、能動対偶としての粗動入力用の直進対偶と微動
入力用の直進対偶とを介して連結する構成とした並列粗
微動駆動形多自由度位置決め機構を提案する。また本発
明では、請求項３において、前記連結連鎖はベース側に
第１の球対偶を介して連結するベース側連結節とプラッ
トフォーム側に第２の球対偶を介して連結するプラット
フォーム側連結節とを有し、これらベース側連結節とプ
ラットフォーム側連結節とは、能動対偶としての粗動入
力用の直進対偶と微動入力用の直進対偶とを介して連結
する構成とした並列粗微動駆動形多自由度位置決め機構
を提案する。また本発明では、請求項４において、前記
連結連鎖はベース側に粗動入力用の直進対偶と微動入力
用の直進対偶とを介して連結したベース側連結節と、プ
ラットフォーム側に球対偶を介して連結したプラットフ
ォーム側連結節とを有し、これらベース側連結節とプラ
ットフォーム側連結節は、少なくとも直交２軸方向に回
転可能な２自由度対偶により連結する構成とした並列粗
微動駆動形多自由度位置決め機構を提案する。また本発
明では、請求項５において、前記連結連鎖はベース側に
粗動入力用の直進対偶と微動入力用の直進対偶とを介し
て連結したベース側連結節と、プラットフォーム側に第
１の球対偶を介して連結したプラットフォーム側連結節
とを有し、これらベース側連結節とプラットフォーム側
連結節は、第２の球対偶により連結する構成とした並列
粗微動駆動形多自由度位置決め機構を提案する。また本
発明では、請求項６において、前記連結連鎖はベース側
に微動入力用の直進対偶を介して連結するベース側連結
節と、プラットフォーム側に球対偶を介して連結したプ
ラットフォーム側連結節とを、ベース側から少なくとも
直交２軸方向に回転可能な２自由度対偶と粗動入力用の
直進対偶により連結する構成とした並列粗微動駆動形多
自由度位置決め機構を提案する。また本発明では、請求
項７において、前記連結連鎖はベース側に微動入力用の
直進対偶を介して連結するベース側連結節と、プラット
フォーム側に第１の球対偶を介して連結したプラットフ
ォーム側連結節とを、ベース側から第２の球対偶と粗動
入力用の直進対偶により連結する構成とした並列粗微動
駆動形多自由度位置決め機構を提案する。また本発明で
は、請求項８において、前記連結連鎖はベース側に粗動
入力用の直進対偶を介して連結するベース側連結節と、
プラットフォーム側に球対偶を介して連結したプラット
フォーム側連結節とを、ベース側から少なくとも直交２
軸方向に回転可能な２自由度対偶と微動入力用の直進対
偶により連結する構成とした並列粗微動駆動形多自由度
位置決め機構を提案する。さらに本発明では、請求項９
において、前記連結連鎖はベース側に粗動入力用の直進
対偶を介して連結するベース側連結節と、プラットフォ
ーム側に第１の球対偶を介して連結したプラットフォー
ム側連結節とを、ベース側から第２の球対偶と微動入力
用の直進対偶により連結する構成とした並列粗微動駆動
形多自由度位置決め機構を提案する。
【０００９】請求項１によれば、それぞれ粗動入力用の
能動対偶で広範囲に粗動させると共に、微動入力用の能
動対偶で微動させて、微小分解能でプラットフォームを
位置決め動作させることができる。
【００１０】請求項２によれば、各連結連鎖におけるベ
ース側連結節とプラットフォーム側連結節とを粗動入力
用の直進対偶により２自由度対偶と球対偶の中心を結ぶ
方向（各連結連鎖軸方向）に各連結連鎖を伸縮粗動さ
せ、微動入力用の直進対偶により各連結連鎖軸方向に各
連結連鎖を微動させて、プラットフォームを変位させる
ことができる。
【００１１】請求項３によれば、各連結連鎖におけるベ
ース側連結節とプラットフォーム側連結節とを粗動入力
用の直進対偶により第１および第２球対偶の中心を結ぶ
方向（各連結連鎖軸方向）に各連結連鎖を伸縮粗動さ
せ、微動入力用の直進対偶により各連結連鎖軸方向に各
連結連鎖を微動させて、プラットフォームを変位させる
ことができる。
【００１２】請求項４によれば、ベース側の粗動入力用
の直進対偶と微動入力用の直進対偶とによってベース側
連結節を変位させて直交２軸方向の２自由度対偶を介し
てプラットフォーム側連結節を変位させ、プラットフォ
ームを変位させることができる。
【００１３】請求項５によれば、ベース側の粗動入力用
の直進対偶と微動入力用の直進対偶とによってベース側
連結節を変位させて第２球対偶を介してプラットフォー
ム側連結節を変位させ、プラットフォームを変位させる
ことができる。
【００１４】請求項６によれば、ベース側の微動入力用
の直進対偶によりベース側連結節を直交２軸方向の２自
由度対偶を介し、プラットフォーム側連結節に対して微
動変位させ、粗動入力用の直進対偶により２自由度対偶
と球対偶の中心を結ぶ方向（各連結連鎖軸方向）に各連
結連鎖を伸縮粗動させ、プラットフォームを変位させる
ことができる。
【００１５】請求項７によれば、ベース側の微動入力用
の直進対偶によりベース側連結節を第２球対偶を介し、
プラットフォーム側連結節に対して微動変位させ、粗動
入力用の直進対偶により第１および第２球対偶の中心を
結ぶ方向（各連結連鎖軸方向）に各連結連鎖を伸縮粗動
させ、プラットフォームを変位させることができる。
【００１６】請求項８によれば、ベース側の粗動入力用
の直進対偶によりベース側連結節を直交２軸方向の２自
由度対偶を介し、プラットフォーム側連結節に対して粗
動変位させ、微動入力用の直進対偶により２自由度対偶
および球対偶の中心を結ぶ方向（各連結連鎖軸方向）に
各連結連鎖を伸縮微動させ、プラットフォームを変位さ
せることができる。
【００１７】請求項９によれば、ベース側の粗動入力用
の直進対偶によりベース側連結節を第２球対偶を介し、
プラットフォーム側連結節に対して粗動変位させ、微動
入力用の直進対偶により第１および第２球対偶の中心を
結ぶ方向（各連結連鎖軸方向）に各連結連鎖を伸縮微動
させ、プラットフォームを変位させることができる。
【００１８】
【発明の実施の態様】以下、本発明にかかる並列粗微動
駆動形多自由度位置決め機構につき、一つの実施の態様
を示し、添付の図面に基づいて説明する。図１に多自由
度位置決め機構１を示す。この多自由度位置決め機構１
は６自由度位置決め機構であり、粗動用機構と微動用機
構とを組み合わせて構成したもので、この多自由度位置
決め機構１では、ベース２上にプラットフォーム３を６
つの連結連鎖４により位置決め揺動調節可能に支持する
構成としている。
【００１９】前記連結連鎖４は、ベース２側に第１の球
対偶５を介して連結するベース側連結節６とプラットフ
ォーム３側に第２の球対偶７を介して連結するプラット
フォーム側連結節８とを有し、これらベース側連結節６
とプラットフォーム側連結節８とは、能動対偶としての
粗動入力用の第１の直進対偶９と、微動入力用の第２の
直進対偶１０とを介して連結する構成としている。な
お、前記第１球対偶５の代わりには、直交２軸方向に回
転可能な２自由度対偶を用いることもできる。
【００２０】前記第１球対偶５および第２球対偶７に
は、球面軸受を適用することができる。この球面軸受
は、詳細は図示しないが、球状先端部を有するロッド
を、球状先端部を介して、多数の転動体を保持したリテ
ーナによって包囲支持すると共に、このリテーナをハウ
ジングに装着して、このリテーナを介し前記ロッドを所
定角度の範囲内で旋回自在とする構成のものである。
【００２１】次に前記ベース側連結節６とプラットフォ
ーム側連結節８とを連結する粗動入力用の第１直進対偶
９と、微動入力用の第２直進対偶１０とについて説明す
る。先ず前記第１直進対偶９としては、リニアアクチュ
エータを用いることができる。このリニアアクチュエー
タは、詳細図は示さないが、ベース側連結節６に軸方向
に延在するハウジングに駆動機構を内蔵し、この駆動機
構により軸方向に進退動作する直動軸を有するもので構
成することができる。また前記第２直進対偶１０として
は、説明は省略するが例えば圧電アクチュエータを用い
ることができる。
【００２２】以上のような構成の多自由度位置決め機構
１においては、各連結連鎖４におけるベース側連結節６
とプラットフォーム側連結節８とを、第１直進対偶９に
より各連結連鎖４軸方向に各連結連鎖４を伸縮粗動さ
せ、微動入力用の第２直進対偶１０により各連結連鎖４
軸方向に各連結連鎖４を微動させて、プラットフォーム
３を変位させることができる。
【００２３】ここで前記多自由度位置決め機構１におい
て、微小変位に関する入出力関係は、 ΔＸ＝[ＪA]{ΔlC＋ΔlF} （７） で表すことができる。なお、ΔlCは粗動入力部の微小変
位、ΔlFは微動入力部の微小変位である。そして、各粗
動入力部の分解能以上に、各微動入力部の最大変位が得
られるようにこれらを設計すれば、各ポーズにおいて得
られる出力ポーズの分解能は ΔＸres＝[ＪA]ΔlF,res （８） ここで、ΔlF,resは各微動入力部の分解能、ΔＸresは
出力変位の分解能である。行列[ＪA]はポーズの関数で
あるため、出力変位ΔＸresの分解能はポーズにより変
化する。
【００２４】また本発明にかかる多自由度位置決め機構
１では、粗動用機構と微動用機構とを以下のように組み
合わせて構成することができる。なお、この多自由度位
置決め機構１において、前述の機構と実質的に同様の構
成要素には同符号を付している。すなわち、この多自由
度位置決め機構１では、図２に示すようにプラットフォ
ーム３を支える６つの連結連鎖４は、ベース側連結節６
をベース２側に粗動入力用の直進対偶１１と微動入力用
の直進対偶１２とを介して連結して構成し、プラットフ
ォーム３側に第２球対偶７を介して連結したプラットフ
ォーム側連結節８を有し、これらベース側連結節６とプ
ラットフォーム側連結節８とは、２自由度対偶１３によ
り連結する構成としている。
【００２５】前記粗動入力用の直進対偶１１は、詳細は
図示しないが、ベース２上に沿って配置したボールねじ
とボールねじ上を移動するナットとモータで構成するこ
とができ、前記ナットに後述する微動入力用の直進対偶
１２を連結する構成としている。
【００２６】また前記微動入力用の直進対偶１２には、
圧電アクチュエータを用いることができる。この場合、
圧電アクチュエータは、前記粗動入力用の直進対偶１１
と同様、ベース側連結節６軸方向に動作するようにして
おり、ベース側連結節６軸方向に進退動作する直動軸と
して２自由度対偶１３を介し、前記プラットフォーム側
連結節８に連結している。
【００２７】上述の多自由度位置決め機構１によれば、
ベース２側の粗動入力用の直進対偶１１と微動入力用の
直進対偶１２とによってベース側連結節６を変位させて
２自由度対偶１３を介してプラットフォーム側連結節８
を変位させ、プラットフォーム３を変位させることがで
きる。
【００２８】ここで前記多自由度位置決め機構１では、
微小変位に関する入出力関係は、 ΔＸ＝[ＪB]{ΔlC＋ΔlF｝ （９） で表すことができる。そして、各粗動入力部の分解能以
上に、各微動入力部の最大変位が得られるようにこれら
を設計すれば、各ポーズにおいて得られる出力ポーズの
分解能は ΔＸres＝[ＪA][Ｂ]ΔlF,res （１０） ここで、行列[ＪA]および[Ｂ]はポーズの関数であるた
め、出力変位ΔＸresの分解能はポーズにより変化す
る。
【００２９】また本発明にかかる多自由度位置決め機構
１では、以下のように構成することもできる。この場
合、プラットフォーム３を支える６つの連結連鎖４で
は、図３に示すように、ベース２側に微動入力用の直進
対偶１２を介して連結するベース側連結節６とプラット
フォーム３側に第２球対偶７を介して連結したプラット
フォーム側連結節８とを、ベース側から２自由度対偶１
３および粗動入力用の直進対偶１１を介在して連結する
構成としてもよい。この場合、粗動入力用の直進対偶１
１には、説明は省略するがリニアアクチュエータを用い
ることができる。一方、微動入力用の直進対偶１２に
は、圧電アクチュエータを採用することができる。
【００３０】かかる構成の多自由度位置決め機構１によ
れば、ベース２側の微動入力用の直進対偶１２によりベ
ース側連結節６を、２自由度対偶１３を介し、プラット
フォーム側連結節８に対して微動変位させ、粗動入力用
の直進対偶１１によりプラットフォーム側連結節８側を
プラットフォーム側連結節８軸方向に伸縮させること
で、プラットフォーム３を変位させることができる。
【００３１】ここで上記多自由度位置決め機構１におい
ては、微小変位に関する入出力関係は、 ΔＸ＝[ＪA]ΔlC＋[ＪB]ΔlF （１１） ＝[ＪA]ΔlC＋[ＪA][Ｂ]ΔlF （１２） ＝[ＪA]{ΔlC＋[Ｂ]ΔlF｝ （１３） で表される。各粗動入力部の分解能ΔlC,resと各微動入
力部の最大変位ΔlF,strが与えられた場合に、この機構
が定められた作業領域全体で微動入力部に対応する出力
変位の分解能を実現するためには、 ΔlC,res≦[Ｂ]ΔlF,str （１４） が成り立たなければならない。ここで行列[Ｂ]はポーズ
によって変化するので、上記（１４）式が設計作業領域
内で満足されるように設計を行わなければならない。こ
のような設計がなされた場合の出力変位の分解能は ΔＸres＝[ＪA][Ｂ]ΔlF,res （１５） となる。
【００３２】この機構によると、前述の機構のように粗
動入力用と微動入力用のアクチュエータの分解能とスト
ロークの関係が互いに補完するように対応していない場
合で、特に各微動入力部の最大変位ΔlF,strが各粗動入
力部の分解能ΔlC,resよりもはるかに大きい場合におい
て、行列[Ｂ]を活用することによって微動入力部の分解
能に対応する高い出力分解能を得ることができる。なお
この機構において、高い出力分解能と大作業領域を同時
に実現するためには、ΔlC,resと[Ｂ]ΔlF,strの差とそ
の設計作業領域内でのばらつきができるだけ小さくなる
ように設計することが重要である。
【００３３】また本発明にかかる多自由度位置決め機構
１では、以下のように構成することもできる。この場
合、プラットフォーム３を支える６つの連結連鎖４は、
図４に示すように、ベース２側に粗動入力用の直進対偶
１１を介して連結するベース側連結節６と、プラットフ
ォーム３側に球対偶７を介して連結したプラットフォー
ム側連結節８とをベース側から２自由度対偶１３および
微動入力用の直進対偶１２を介在して連結する構成とし
てもよい。この場合、粗動入力用の直進対偶１１には、
詳細な説明は省略するがベース２上に沿って配置したボ
ールねじとボールねじ上を移動するナットとモータで構
成する一方、微動入力用の直進対偶１２には、圧電アク
チュエータを用いることができる。
【００３４】このような多自由度位置決め機構１では、
ベース２側の粗動入力用の直進対偶１１によりベース側
連結節６を、２自由度対偶１３を介し、プラットフォー
ム側連結節８に対して粗動変位させ、微動入力用の直進
対偶１２によりプラットフォーム側連結節８をプラット
フォーム側連結節８軸方向に伸縮させることで、プラッ
トフォーム３を変位させることができる。
【００３５】そこでかかる多自由度位置決め機構１にお
いては、微小変位に関する入出力関係は、 ΔＸ＝[ＪB]ΔlC＋[ＪA]ΔlF （１６） ＝[ＪA][Ｂ]ΔlC＋[ＪA]ΔlF （１７） ＝[ＪA]{[Ｂ]ΔlC＋ΔlF｝ （１８） で表される。各粗動入力部の分解能ΔlC,resと各微動入
力部の最大変位ΔlF,strが与えられた場合に、この機構
が定められた作業領域全体で微動入力部に対応する出力
変位の分解能を実現するためには、 [Ｂ]ΔlC,res≦ΔlF,str （１９） が成り立たなければならない。ここで行列[Ｂ]はポーズ
によって変化するので、上記（１９）式が設計作業領域
内で満足されるように設計を行わなければならない。こ
のような設計がなされた場合の出力変位の分解能は ΔＸres＝[ＪA]ΔlF,res （２０） となる。
【００３６】かかる多自由度位置決め機構１において
も、粗動入力用と微動入力用のアクチュエータの分解能
とストロークの関係が互いに補完するように対応してい
ない場合で、特に各微動入力部の最大変位ΔlF,strが各
粗動入力部の分解能ΔlC,resよりもはるかに小さい場合
において、行列[Ｂ]を活用することによって粗動入力部
の分解能を向上させて微動入力部の最大ストロークに対
応させ、微動入力部に対応する高い出力分解能を得るこ
とができる。なおこの機構において、高い出力分解能と
大作業領域を同時に実現するためには、[Ｂ]ΔlC,resと
ΔlF,strの差とその設計作業領域内でのばらつきができ
るだけ小さくなるように設計することが重要である。
【００３７】ここで実際に、図３で示した多自由度位置
決め機構１について、以下の条件を満足する機構寸法を
求めてみる。 １．設計仕様として、作業領域の形状および大きさと作
業領域内で満足すべき位置および姿勢に関する制御分解
能が与えられること。 ２．制約条件として、粗動部および微動部それぞれ単体
に関する制御分解能および最大変位が与えられること。 ３．設計仕様のうち作業領域に関する条件は、粗動機構
により全てカバーされるものとすること。 ４．作業領域内の各ポーズにおいて、設計仕様の制御分
解能は微動機構により満足されるものとすること。 ５．作業利用域内の各ポーズにおいて粗動部の制御分解
能によって生ずる微小変位領域は微動部の入力変位スト
ロークによって完全にカバーされるものとすること。
【００３８】図５において、ベース２上に静止座標系Ｏ
−ＸＹＺ，プラットフォーム３上に運動座標系Ｐ−ｘp
ｙpｚpをとる。またＯ−ＸＹＺ座標系に対するＰ−ｘp
ｙpｚp座標系のロール、ピッチ、ヨー角をψR，ψp，ψ
Yとおき、作業領域中心のＺ座標をＺpoとおく。 （１）作業領域 ψR＝ψP＝ψY＝０において、 −４０ｍｍ≦ｘp≦４０ｍｍ （２１） −４０ｍｍ≦ｙp≦４０ｍｍ （２２） −２０ｍｍ≦ｚp−Ｚpo≦２０ｍｍ （２３） Ｘ＝０，Ｙ＝０，ｚp−Ｚpo＝０において −１０°≦ψR≦１０° （２４） −１０°≦ψp≦１０° （２５） −１０°≦ψY≦１０° （２６） （２）出力変位の制御分解能を、並進変位について２０
ｎｍ，回転変位については０．２μｒａｄとし、入力変
位の分解能を、粗動部について１μｍ，微動部について
１０ｎｍとし、そして、微動部の入力最大ストロークを
１０μｍ（±５μｍ）とする。
【００３９】（１）作業領域の条件により、粗動部に関
する設計変数である、ベース２上およびプラットフォー
ム３上の対偶配置円半径Ｒおよびｒ、対偶配置角β1お
よびβp、ならびに作業領域の中心位置を表すＺpoの組
合せを求める（図６，図７参照）。粗動部についての評
価は、設計作業領域内の運動伝達指数ＴIの最小値ＴI
minにより行い、ＴImin≧０．５の組合せのみを採用す
る。この粗動部の設計変数をある領域内でランダムに与
えて順問題的に評価を行い、微動部設計のデータベース
とする。 （２）実用的な解を求めるために、（１）の計算におい
ては、隣接する節間および対偶間の距離を作業領域全体
において評価し、これらが実際の機械要素の大きさを考
慮して与えられた許容値よりも大きなもののみを採用す
る。 （３）（１）で得られた粗動部の微小変位に関する入出
力特性の解析を行い、設計作業領域内で微動部がカバー
すべき変位を全方向について求め、これに対応する微動
部入力ストロークの要求値を求める。この時の微動部の
設計変数である、β2およびβ3についても乱数を用いて
発生させ、順問題的に扱う。ただし、微動部の評価にお
いて、微動入力変位に対するプラットフォーム側連結節
の運動方向が逆転することがないように、いわゆる特異
点の把握を同時に行って、特異点の存在を確認した場合
には作業領域からこれを排除する。この基準値（符号）
は作業領域の中心ポーズにおけるものとする。この要求
値が設計制約条件内であれば、次に進む。 （４）作業領域で実現すべき分解能より、微動部に要求
される入力分解能の数値を求める。これが設計制約条件
以内であれば、これを設計解の候補とする。
【００４０】以上、（１）〜（４）の総合手順によって
求められた一例を示すと、 Ｒ（ｍｍ）＝２００，ｒ（ｍｍ）＝１８４，β1（°）
＝２０．４，β2（°）＝２３．４，β3（°）＝−７．
３，βp（°）＝４９．６，Ｚpo（ｍｍ）＝２９８、と
なる。また、作業領域での三つの断面（ｚp−Ｚpo＝
０，２０，−２０ｍｍ，ψR＝ψ p＝ψY＝０）における
運動伝達指数ＴI，粗動部および微動部の制御分解能を
並進および回転に分けて求めた結果を図８〜図２１，図
２２に示す。ここで各図の（ａ）は粗動部のみを駆動し
た場合の分解能、（ｂ）は微動部のみを駆動した場合の
分解能であり、微動部を駆動することによって粗動部の
みの場合の約３００倍の位置および姿勢の制御分解能が
得られていることが分る。また、各断面における行列
[Ｂ]の成分の最大値および最小値の分布を図２３，図２
４〜図２７，図２８に示す。さらに図４で示した多自由
度位置決め機構１においての（１４）式からは、 ＥＶAB＝ｍａｘ｛｜ΔlC,res(i) /{biΔlF,str}｜｝ （２７） で定義される評価指数を導き出すことができ、この（２
７）式による評価量を図２９〜図３１に示す。
【００４１】以上示した図から、 設計仕様として与えた作業領域内で所要の位置分解能
を得ることができた。 行列[Ｂ]の成分は作業領域の端の領域においてその符
号が変化するが、設計作業領域内では常に一定の符号
（負）をとり、さらにその数値のばらつきはそれほど大
きくないことがわかる。 上記（２１）式で定義される評価指数は設計作業領域
内で常に１以下であることがわかる。これらのことか
ら、微動部で実現される２０ｎｍ程度の小さな分解能か
ら粗動部で実現される１００ｍｍ程度の大変位まで連続
的な位置決めが達成できることがわかる。
【００４２】
【発明の効果】本発明によれば、 （１）それぞれの連結連鎖を、粗動入力用の能動対偶で
広範囲に粗動させると共に、微動入力用の能動対偶で微
動させて、微小分解能でプラットフォームを位置決め動
作させることができる。 （２）各連結連鎖におけるベース側連結節とプラットフ
ォーム側連結節とを粗動入力用の直進対偶により２自由
度対偶と球対偶の中心を結ぶ方向（各連結連鎖軸方向）
に各連結連鎖を伸縮粗動させ、微動入力用の直進対偶に
より各連結連鎖軸方向に各連結連鎖を微動させて、プラ
ットフォームを、大変位・高速且つ微小分解能で位置決
め動作させることができる。 （３）各連結連鎖におけるベース側連結節とプラットフ
ォーム側連結節とを粗動入力用の直進対偶により第１お
よび第２球対偶の中心を結ぶ方向（各連結連鎖軸方向）
に各連結連鎖を伸縮粗動させ、微動入力用の直進対偶に
より各連結連鎖軸方向に各連結連鎖を微動させて、プラ
ットフォームを、大変位・高速且つ微小分解能で位置決
め動作させることができる。 （４）ベース側の粗動入力用の直進対偶と微動入力用の
直進対偶とによってベース側連結節を変位させて直交２
軸方向の２自由度対偶を介してプラットフォーム側連結
節を変位させ、プラットフォームを大変位・且つ微小分
解能で位置決め動作させることができる。 （５）ベース側の粗動入力用の直進対偶と微動入力用の
直進対偶とによってベース側連結節を変位させて第２球
対偶を介してプラットフォーム側連結節を変位させ、プ
ラットフォームを大変位・且つ微小分解能で位置決め動
作させることができる。 （６）ベース側の微動入力用の直進対偶によりベース側
連結節を直交２軸方向の２自由度対偶を介し、プラット
フォーム側連結節に対して微動変位させ、粗動入力用の
直進対偶により２自由度対偶と球対偶の中心を結ぶ方向
（各連結連鎖軸方向）に各連結連鎖を伸縮粗動させ、プ
ラットフォームを大変位・且つ微小分解能で位置決め動
作させることができる。 （７）ベース側の微動入力用の直進対偶によりベース側
連結節を第２球対偶を介し、プラットフォーム側連結節
に対して微動変位させ、粗動入力用の直進対偶により第
１および第２球対偶の中心を結ぶ方向（各連結連鎖軸方
向）に各連結連鎖を伸縮粗動させ、プラットフォームを
大変位・且つ微小分解能で位置決め動作させることがで
きる。 （８）ベース側の粗動入力用の直進対偶によりベース側
連結節を直交２軸方向の２自由度対偶を介し、プラット
フォーム側連結節に対して粗動変位させ、微動入力用の
直進対偶により２自由度対偶および球対偶の中心を結ぶ
方向（各連結連鎖軸方向）に各連結連鎖を伸縮微動さ
せ、プラットフォームを大変位・且つ微小分解能で位置
決め動作させることができる。 （９）ベース側の粗動入力用の直進対偶によりベース側
連結節を第２球対偶を介し、プラットフォーム側連結節
に対して粗動変位させ、微動入力用の直進対偶により第
１および第２球対偶の中心を結ぶ方向（各連結連鎖軸方
向）に各連結連鎖を伸縮微動させ、プラットフォームを
大変位・且つ微小分解能で位置決め動作させることがで
きる。
【００４３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる並列粗微動駆動形多自由度位置
決め機構の一つの実施の形態を示す、省略的、且つ模式
的な斜視説明図である。
【図２】本発明にかかる並列粗微動駆動形多自由度位置
決め機構の別の実施の形態を示す、省略的、且つ模式的
な斜視説明図である。
【図３】本発明にかかる並列粗微動駆動形多自由度位置
決め機構の別の実施の形態を示す、省略的、且つ模式的
な斜視説明図である。
【図４】本発明にかかる並列粗微動駆動形多自由度位置
決め機構の別の実施の形態を示す、省略的、且つ模式的
な斜視説明図である。
【図５】図３に示す並列粗微動駆動形多自由度位置決め
機構を基に、実際の機構寸法を求める際の説明に供す
る、斜視説明図である。
【図６】図３に示す並列粗微動駆動形多自由度位置決め
機構において、ベース上の対偶配置関係を示した線図で
ある。
【図７】図３に示す並列粗微動駆動形多自由度位置決め
機構において、プラットフォーム上の対偶配置関係を示
した線図である。
【図８】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψp
＝ψY＝０）における運動伝達指数ＴI，を求めた結果を
示したグラフである。
【図９】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψp
＝ψY＝０）においての並進動作における粗動部の制御
分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１０】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψ
p＝ψY＝０）においての並進動作における微動部の制御
分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１１】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψ
p＝ψY＝０）においての回転動作における粗動部の制御
分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１２】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψ
p＝ψY＝０）においての回転動作における微動部の制御
分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１３】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）における運動伝達指数ＴI，を求め
た結果を示したグラフである。
【図１４】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）においての並進動作における粗動
部の制御分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１５】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）においての並進動作における微動
部の制御分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１６】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）においての回転動作における粗動
部の制御分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１７】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）においての回転動作における微動
部の制御分解能を求めた結果を示したグラフである。
【図１８】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）における運動伝達指数ＴI，を
求めた結果を示したグラフである。
【図１９】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）においての並進動作における
粗動部の制御分解能を求めた結果を示したグラフであ
る。
【図２０】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）においての並進動作における
微動部の制御分解能を求めた結果を示したグラフであ
る。
【図２１】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）においての回転動作における
粗動部の制御分解能を求めた結果を示したグラフであ
る。
【図２２】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）においての回転動作における
微動部の制御分解能を求めた結果を示したグラフであ
る。
【図２３】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψ
p＝ψY＝０）における行列[Ｂ]の成分の最小値の分布を
示したグラフである。
【図２４】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψ
p＝ψY＝０）における行列[Ｂ]の成分の最大値の分布を
示したグラフである。
【図２５】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）における行列[Ｂ]の成分の最小値
の分布を示したグラフである。
【図２６】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）における行列[Ｂ]の成分の最大値
の分布を示したグラフである。
【図２７】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）における行列[Ｂ]の成分の最
小値の分布を示したグラフである。
【図２８】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）における行列[Ｂ]の成分の最
大値の分布を示したグラフである。
【図２９】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝０，ψR＝ψ
p＝ψY＝０）における評価指数ＥＶABを示したグラフで
ある。
【図３０】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝２０ｍｍ，
ψR＝ψp＝ψY＝０）における評価指数ＥＶABを示した
グラフである。
【図３１】作業領域での断面（ｚp−Ｚpo＝−２０ｍ
ｍ，ψR＝ψp＝ψY＝０）における評価指数ＥＶABを示
したグラフである。
【図３２】パラレルメカニズムの一例を示した、省略
的、且つ模式的な斜視説明図である。
【図３３】パラレルメカニズムの別例を示した、省略
的、且つ模式的な斜視説明図である。
【符号の説明】
１ 多自由度位置決め機構 ２ ベース ３ プラットフォーム ４ 連結連鎖 ５ 第１球対偶 ６ ベース側連結節 ７ 第２球対偶 ８ プラットフォーム側連
結節 ９ 第１直進対偶 １０ 第２直進対偶 １１ 粗動入力用の直進対偶 １２ 微動入力用の直進対偶 １３ ２自由度対偶
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｑ 1/12

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ベース上にプラットフォームを複数の
    連結連鎖により位置決め揺動調節可能に支持してなり、
    これら連結連鎖は、粗動入力用と微動入力用の能動対偶
    を直列に連結して構成したことを特徴とする並列粗微動
    駆動形多自由度位置決め機構。
  2. 【請求項２】 前記連結連鎖はベース側に少なくとも
    直交２軸方向に回転可能な２自由度対偶を介して連結す
    るベース側連結節とプラットフォーム側に球対偶を介し
    て連結するプラットフォーム側連結節とを有し、これら
    ベース側連結節とプラットフォーム側連結節とは、能動
    対偶としての粗動入力用の直進対偶と微動入力用の直進
    対偶とを介して連結する構成としたことを特徴とする請
    求項１記載の並列粗微動駆動形多自由度位置決め機構。
  3. 【請求項３】 前記連結連鎖はベース側に第１の球対
    偶を介して連結するベース側連結節とプラットフォーム
    側に第２の球対偶を介して連結するプラットフォーム側
    連結節とを有し、これらベース側連結節とプラットフォ
    ーム側連結節とは、能動対偶としての粗動入力用の直進
    対偶と微動入力用の直進対偶とを介して連結する構成と
    したことを特徴とする請求項１記載の並列粗微動駆動形
    多自由度位置決め機構。
  4. 【請求項４】 前記連結連鎖はベース側に粗動入力用
    の直進対偶と微動入力用の直進対偶とを介して連結した
    ベース側連結節と、プラットフォーム側に球対偶を介し
    て連結したプラットフォーム側連結節とを有し、これら
    ベース側連結節とプラットフォーム側連結節は、少なく
    とも直交２軸方向に回転可能な２自由度対偶により連結
    する構成としたことを特徴とする請求項１記載の並列粗
    微動駆動形多自由度位置決め機構。
  5. 【請求項５】 前記連結連鎖はベース側に粗動入力用
    の直進対偶と微動入力用の直進対偶とを介して連結した
    ベース側連結節と、プラットフォーム側に第１の球対偶
    を介して連結したプラットフォーム側連結節とを有し、
    これらベース側連結節とプラットフォーム側連結節は、
    第２の球対偶により連結する構成としたことを特徴とす
    る請求項１記載の並列粗微動駆動形多自由度位置決め機
    構。
  6. 【請求項６】 前記連結連鎖はベース側に微動入力用
    の直進対偶を介して連結するベース側連結節と、プラッ
    トフォーム側に球対偶を介して連結したプラットフォー
    ム側連結節とを、ベース側から少なくとも直交２軸方向
    に回転可能な２自由度対偶と粗動入力用の直進対偶によ
    り連結する構成としたことを特徴とする請求項１記載の
    並列粗微動駆動形多自由度位置決め機構。
  7. 【請求項７】 前記連結連鎖はベース側に微動入力用
    の直進対偶を介して連結するベース側連結節と、プラッ
    トフォーム側に第１の球対偶を介して連結したプラット
    フォーム側連結節とを、ベース側から第２の球対偶と粗
    動入力用の直進対偶により連結する構成としたことを特
    徴とする請求項１記載の並列粗微動駆動形多自由度位置
    決め機構。
  8. 【請求項８】 前記連結連鎖はベース側に粗動入力用
    の直進対偶を介して連結するベース側連結節と、プラッ
    トフォーム側に球対偶を介して連結したプラットフォー
    ム側連結節とを、ベース側から少なくとも直交２軸方向
    に回転可能な２自由度対偶と微動入力用の直進対偶によ
    り連結する構成としたことを特徴とする請求項１記載の
    並列粗微動駆動形多自由度位置決め機構。
  9. 【請求項９】 前記連結連鎖はベース側に粗動入力用
    の直進対偶を介して連結するベース側連結節と、プラッ
    トフォーム側に第１の球対偶を介して連結したプラット
    フォーム側連結節とを、ベース側から第２の球対偶と微
    動入力用の直進対偶により連結する構成としたことを特
    徴とする請求項１記載の並列粗微動駆動形多自由度位置
    決め機構。
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