JP2005131763A - クランプ装置、およびそれを搭載したテーブル位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動テーブルの仮クランプ状態を形成することができ、かつ、小型でコンパクトに構成することができるクランプ装置を提案すること。
【解決手段】 クランプ装置８は、移動テーブル４に形成され、固定テーブル２の基準平面３に直交する貫通孔４１をその軸線方向に移動自在な状態で貫通しているピストンロッド８４と、このピストンロッド８４における貫通孔４１から突出している先端に固定されたワッシャ９１と、ピストンロッド８４を固定テーブル２の側に向けて常に弾性力によって押している皿バネ８６と、この皿バネ８６による弾性力に逆らってピストンロッド８４を移動させるための力を発生させる圧電素子８０とを有している。圧電素子８０は、印加する電圧の大きさによって伸縮させることができるので、圧電素子８０に印加する電圧を制御することにより、移動テーブル４を移動可能な程度のクランプ力で拘束した仮クランプ状態を形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基準平面内で二次元的に移動可能な移動テーブルあるいは基準平面内で回転可能な移動テーブルを、目標とする移動位置あるいは回転位置に位置決め可能なテーブル位置決め装置に関するものである。また、本発明は、移動テーブルをクランプするのに有利なクランプ装置に関するものである。

一般に、テーブル位置決め装置は、固定盤上にＸ軸方向に直線往復移動可能なＸ軸テーブルが搭載され、このＸ軸テーブルの上にＹ軸方向に直線往復移動可能なＹ軸テーブルが搭載された構造となっている。これらのテーブルをそれぞれ直動機構によって移動させることにより、二次元上の目標とする位置にテーブルを移動させ、目標位置に至ったテーブルが移動することの無いように、クランプ装置によりテーブルを固定盤の側に固定している。テーブルを別の位置に移動する場合には、クランプ装置によるクランプ力を解除してテーブルを移動自在の状態に戻した後に、テーブルの移動が行われる。

ここで、クランプ装置は、油圧によってテーブルを固定盤の側に押し付けることによりクランプ状態を形成し、油圧を解除することによってクランプ状態をアンクランプ状態に切り替えている。油圧式のクランプ装置は、例えば、次の特許文献１に開示されている。
特開２００１−１１６８６８号公報

クランプ装置は、テーブルの精度の高い位置決めを実現するために、テーブルのクランプ力を調整できることが望ましい。すなわち、テーブルを目標位置に固定するために、大きなクランプ力をテーブルに加えると、このクランプ力によってテーブルに僅かながら位置ずれが発生する可能性がある。しかしながら、普及している油圧クランプ装置では、クランプ状態とアンクランプ状態の２つの状態しか形成することができない。また、油圧を発生させるための補機が別途、必要になるので、装置が大型化してしまうという問題がある。さらに、クランプ装置を構成する部品は、油漏れが発生しないように高精度に加工する必要があるため、加工コストが高いという問題もある。

そこで、電動モータによってクランプ装置を構成することも考えられるが、テーブルを固定するには１０ｋＮ以上のクランプ力が必要であるため、実現が難しい。

以上の問題を鑑みて、本発明の課題は、移動テーブルの仮クランプ状態を形成することができ、かつ、小型でコンパクトに構成することができるクランプ装置を提案することにある。また、このクランプ装置を搭載したテーブル位置決め装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のクランプ装置は、固定テーブルの表面に形成されている基準平面上を二次元的に移動可能、あるいは基準平面上に回転可能に乗っている移動テーブルを前記固定テーブルにクランプするためのクランプ装置であって、前記移動テーブルに形成され、前記基準平面に直交する貫通孔をその軸線方向に移動自在な状態で貫通しているピストンロッドと、該ピストンロッドにおける前記貫通孔から突出している先端に固定されたテーブルクランプ部材と、前記ピストンロッドを前記固定テーブルの側に向けて常に弾性力によって押している付勢部材と、該付勢部材による弾性力に逆らって前記ピストンロッドを移動させるための力を発生させる圧電素子とを有していることを特徴とする。

ここで、圧電素子は変位量が小さいので、その取付け位置の調整が難しい。このため、本発明において、さらに、前記圧電素子の前記基準平面に直交する方向の取付け位置を調整するための位置調整部材を有していることが好ましい。

また、本発明において、前記圧電素子は、例えば、両面に電極が形成された薄板状のＰＺＴ素子をその厚さ方向に何枚も積層した積層型のものを用いることができる。

このようなクランプ装置は、例えば、基準平面内で二次元的に移動可能な移動テーブル、あるいは基準平面内で回転可能な移動テーブルをクランプするためにテーブル位置決め装置に搭載される。

本発明のクランプ装置は、付勢部材の弾性力によってピストンロッドを移動テーブルに押し付けることによりクランプ状態を形成し、圧電素子に電圧を印加することによりクランプ状態をアンクランプ状態に切り替えている。圧電素子は、印加する電圧の大きさによって伸縮させることができるので、圧電素子に印加する電圧を制御することにより、移動テーブルを移動可能な程度のクランプ力で拘束した仮クランプ状態を形成することができる。それ故、クランプ時における移動テーブルの位置ずれが起こりにくい。

また、圧電素子は、小さいサイズでも大きな力を発生させることができるので、クランプ装置を小型でコンパクトに構成することができる。

それ故、本発明のクランプ装置を搭載したテーブル位置決め装置は、移動テーブルの精度の高い位置決めを実現でき、かつ、小型でコンパクトに構成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（全体構成）
図１は、本発明を適用したテーブル位置決め装置を示す概略斜視図である。

図１に示すように、本形態のテーブル位置決め装置１は、基準固定テーブル２と、この基準固定テーブル２の表面に形成された基準平面３に移動自在の状態で乗せられている移動テーブル４と、この移動テーブル４とともに移動可能な一点鎖線で示すワークテーブル６とを有している。また、移動テーブル４の移動量を検出するために、第１、第２、および第３のリニアセンサ７１、７２、７３を有している。さらに、移動テーブル４をクランプして基準固定テーブル２の側に固定するための３つのクランプ装置８を有している。

移動テーブル４は四隅が面取りされた一定の厚さの矩形板であり、その第１の側面４ａの側がＸ軸方向テーブル移動機構（図示せず）によってＸ軸方向に押され、第１の側面４ａに直交する第２の側面４ｂの側がＹ軸方向テーブル移動機構（図示せず）によってＹ軸方向に押されるようになっている。各テーブル移動機構としては、周知の構成のものを採用することができる。例えば、テーブル移動機構は、サーボモータの出力軸に取り付けられている偏芯カムの外周カム面が、移動テーブル４をＸ軸方向、あるいはＹ軸方向に押すように構成されている。

第１の側面４ａに対峙している第３の側面４ｃの側の中心部分に形成された装着孔４１５には、移動テーブル４をＸ軸方向テーブル移動機構（図示せず）の側に弾性力により常に押しているプリロード機構７５が配置されている。同様に、第２の側面４ｂに対峙している第４の側面４ｃの側の中心部分に形成された装着孔４１６にも、移動テーブル４をＹ軸方向テーブル移動機構（図示せず）の側に弾性力により常に押しているプリロード機構７５が配置されている。これにより、固定テーブル２上に移動自在の状態で乗っている移動テーブル４の移動が拘束されている。

第１の側面４ａの側の両端部分に形成された装着孔４１１、４１２には第１および第２のリニアセンサ７１、７２が配置されている。また、第２の側面４ｂの側の中央部分に形成された装着孔４１３には第３のリニアセンサ７３が配置されている。

各リニアセンサ７１、７２、７３には、ロッド７１１、７２１、７３１が装着されており、このロッド７１１、７２１、７３１の先端が薄板７１５、７２５、７３５を介して移動テーブル４に当接している。従って、リニアセンサ７１、７２、７３のロッド７１１、７２１、７３１の突出量を計測することによって、移動テーブル４の位置を検出することができる。また、本形態では３組のリニアセンサ７１、７２、７３を、図１に示すように配置してある。従って、移動テーブル４を基準平面３上において回転させたとしても、その位置を検出することができる。

（クランプ装置）
図２（ａ）および（ｂ）は、図１に示すテーブル位置決め装置のクランプ装置を示す概略斜視図、およびその断面図である。

図２（ａ）および（ｂ）に示すように、本形態のクランプ装置８は、受圧盤８１およびアンダーカバー８２からなる受圧部８３と、ピストンロッド８４、ロッドガイド８５および皿バネ８６（付勢部材）からなるテーブルクランプ部９０と、受圧部８３とテーブルクランプ部９０の間に配置された圧電素子８０とで構成されている。

詳細に説明すると、固定テーブル２に開けた基準平面３に直交する貫通孔は、その裏面側が大径孔２１とされ、表面側が小径孔２３とされ、これらの間が中径孔２２とされている。大径孔２１と中径孔２２、および中径孔２２と小径孔２３の境界にはそれぞれ円環状段差面２４、２５が形成されている。また、移動テーブル４の側にも、小径孔２３に対して同軸状態で基準平面３に直交する貫通孔４１が形成されている。

固定テーブル２の中径孔２２の側からは円筒状のロッドガイド８５が小径孔２３に挿入され、その一端に形成されたフランジ部８５１が円環状段差面２５に当接している。このロッドガイド８５の内側を、ピストンロッド８４のロッド８４１が摺動自在の状態で延び、さらに移動テーブル４の貫通孔４１を充分に遊びのある状態で貫通し、ロッド８４１の先端部分がテーブル表面４０１から突出している。このロッド８４１の先端部分には、ワッシャ９１（テーブルクランプ部材）が取り付けられている。ワッシャ９１は、ナット９２により端面９１ａがロッド８４１の円環状段部８４２に押し付けられて固定されている。

ピストンロッド８４において、ロッド８４１の下端には同軸状態で大径のピストン８４２が一体形成されており、このピストン８４２とロッドガイド８５のフランジ部８５１の間に皿ばね８６が圧縮状態で装着されている。従って、ピストンロッド８４は常に下方（固定テーブル２側）に押されている。

ピストンロッド８４の下方には同軸状態で受圧盤８１が配置され、中径孔２２の開口はアンダーカバー８２によって封鎖されている。アンダーカバー８２はボルト３１によって基準固定テーブル２の側に固定されている。受圧盤８１とピストンロッド８４は、回り止めピン８８によってアンダーカバー８２の側に連結され、上下方向のみ移動可能となっている。

受圧盤８１とピストンロッド８４の間には圧電素子８０が配置されている。この圧電素子８０に対しては、ピストン８４１とロッドガイド８５の間に装着された皿ばね８６の弾性力が当該圧電素子８０を圧縮する方向に常に加わっている。圧電素子８０は、例えば、両面に電極が形成された薄板状のＰＺＴ素子をその厚さ方向に何枚も積層した積層型のものを用いることができる。圧電素子には、各々の電極を繋ぐリード線（図示せず）が接続されている。

また、アンダーカバー８２の中心には、中径孔２２に対して同軸状態でネジ孔８２１が貫通しており、そこには調整ネジ８９（位置調整部材）がねじ込まれている。この調整ネジ８９によって、圧電素子８０は、基準平面３に直交する方向の取付け位置を受圧盤８１とともに調整可能となっている。

このように構成されたクランプ装置８において、圧電素子８０に電圧を印加することにより、皿バネ８６によるばね力に逆らって、ピストンロッド８４を上方（移動テーブル４側）に移動させることができる。この結果、ピストンロッド８４の先端に固定されているワッシャ９１が移動テーブル４の表面４０１から離れて、移動テーブル４がアンクランプ状態になる。

圧電素子８０に対する電圧の印加を停止すると、皿バネ８６のばね力によってピストン８２は下方（固定テーブル２の裏面側）に押し込まれる。この結果、ピストンロッド８４の先端のワッシャ９１の端面９１ａが移動テーブル４の表面４０１に押し付けられて、移動テーブル４のクランプ状態が形成される。

ここで、本形態では、圧電素子８０に印加する電圧を調整することにより、ピストンロッド８４の先端のワッシャ９１による移動テーブル４のクランプ力を無段階に調整できる。それ故、移動テーブル４が目標位置に至った後に当該移動テーブル４をクランプするのではなく、目標位置あるいはその近傍に至った位置から移動テーブル４を仮クランプ状態にし、この状態で、移動テーブル４を目標位置に至るように微小移動、あるいは目標位置からずれないように位置決め制御すれば、精度の高い位置決めを実現できる。

以上説明したように、本形態のクランプ装置８は、皿バネ８６の弾性力によってピストンロッド８４を移動テーブル４に押し付けることによりクランプ状態を形成し、圧電素子８０に電圧を印加することによりクランプ状態をアンクランプ状態に切り替えている。また、圧電素子８０は変位量が小さいので、ピストンロッド８４のストローク量は僅かである。従って、移動テーブル４の仮クランプ状態を簡単に形成できるので、クランプ時における移動テーブル４の位置ずれが起こりにくい。

また、圧電素子８０に印加する電圧を制御することで、クランプ力を増減することが簡単にできるので、従来の油圧クランプ装置と比べて、制御が容易である。さらに、従来の油圧クランプ装置とは異なり、作動油を用いない分、環境負荷を低減できる。

また、本形態のクランプ装置８では、クランプ状態をアンクランプ状態に切り替える際にしか圧電素子８０に電圧を印加する必要がないので、消費電力を低く抑えることができる。

さらに、圧電素子８０は変位量が小さいので、その取付け位置の調整が難しいが、本形態のクランプ装置８では、調整ネジ８９によって圧電素子８０の取付け位置を簡単に調整することができる。

さらにまた、圧電素子８０は、小さいサイズでも大きな力を発生させることができるので、装置を小型でコンパクトに構成することができる。

本発明のクランプ装置によれば、付勢部材の弾性力によってピストンロッドを移動テーブルに押し付けることによりクランプ状態を形成し、圧電素子に電圧を印加することによりクランプ状態をアンクランプ状態に切り替えることができる。また、圧電素子は、印加する電圧の大きさによって伸縮させることができるので、圧電素子に印加する電圧を制御することにより、移動テーブルを移動可能な程度のクランプ力で拘束した仮クランプ状態を形成することができる。それ故、クランプ時における移動テーブルの位置ずれが起こりにくい。

また、圧電素子は、小さいサイズでも大きな力を発生させることができるので、クランプ装置を小型でコンパクトに構成することができる。

それ故、本発明のクランプ装置を搭載したテーブル位置決め装置は、移動テーブルの精度の高い位置決めを実現でき、かつ、小型でコンパクトに構成することができる。

本発明を適用したテーブル位置決め装置を示す概略斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、図１に示すテーブル位置決め装置のクランプ装置を示す概略斜視図、およびその断面図である。

符号の説明

１ テーブル位置決め装置
２ 基準固定テーブル
３ 基準平面
４ 移動テーブル
４１ 貫通孔
７１、７２、７３ リニアセンサ
７５、７６ プリロード機構
８ クランプ機構
８０ 圧電素子
８１ 受圧盤
８２ アンダーカバー
８３ 受圧部
８４ ピストンロッド
８５ ロッドガイド
８６ 皿バネ（付勢部材）
８９ 調整ネジ（位置調整部材）
９０ テーブルクランプ部
９１ ワッシャ（テーブルクランプ部材）

Claims (4)

1. 固定テーブルの表面に形成されている基準平面上を二次元的に移動可能、あるいは基準平面上に回転可能に乗っている移動テーブルを前記固定テーブルにクランプするためのクランプ装置であって、
   前記移動テーブルに形成され、前記基準平面に直交する貫通孔をその軸線方向に移動自在な状態で貫通しているピストンロッドと、
   該ピストンロッドにおける前記貫通孔から突出している先端に固定されたテーブルクランプ部材と、
   前記ピストンロッドを前記固定テーブルの側に向けて常に弾性力によって押している付勢部材と、
   該付勢部材による弾性力に逆らって前記ピストンロッドを移動させるための力を発生させる圧電素子とを有していることを特徴とするクランプ装置。
2. 請求項１において、さらに、前記圧電素子の前記基準平面に直交する方向の取付け位置を調整するための位置調整部材を有していることを特徴とするクランプ装置。
3. 請求項１または２において、前記圧電素子は、両面に電極が形成された薄板状のＰＺＴ素子をその厚さ方向に何枚も積層した積層型圧電素子であることを特徴とするクランプ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに規定するクランプ装置を搭載していることを特徴とするテーブル位置決め装置。

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