JP2009244133A

JP2009244133A - 可動テーブル装置

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Publication number: JP2009244133A
Application number: JP2008091812A
Authority: JP
Inventors: Naoto Tsuruta; 直人鶴田
Original assignee: Nippon Thompson Co Ltd
Current assignee: Nippon Thompson Co Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: US8058775B2; US20090243432A1; JP5197101B2

Abstract

【課題】単純な構造で、可動テーブルの変位量の検出精度を高めることができる可動テーブル装置を提供することである。
【解決手段】環状の固定ベース１と、この固定ベースの内側に設けた可動テーブル２と、この可動テーブ２と上記固定ベース１との間に介在させたバネ部３ａ〜３ｄと、上記固定ベース１または可動テーブル２のいずれか一方に固定し、上記可動テーブルまたは固定ベースのいずれか他方に対して伸長力または収縮力を作用させて可動テーブルを固定ベースに対して移動させるための軸方向に伸縮可能なピエゾ素子４とを備えた可動テーブル装置を前提とする。そして、上記可動テーブル２の移動に伴って歪みが発生する歪発生部位７に歪ゲージ８を取り付け、この歪ゲージ８の検出値に基づいて上記可動テーブルの移動量を検出する構成にした。
【選択図】図１

Description

この発明は、ピエゾ素子を駆動源として、可動テーブルを微小移動させる可動テーブル装置に関する。

従来から、ピエゾ素子の伸縮動作を利用して、テーブルを微小範囲で移動させる装置が知られている。この装置は、固定ベースに、バネ部を介して可動テーブルを連結し、ピエゾ素子の伸縮によって、固定ベースと可動テーブルとが相対移動するものである。例えば、特許文献１に示す装置は、固定ベースに対してバネ部を介して取り付けることによって移動可能にした可動テーブルに、ピエゾ素子の一端を連結し、その他端を固定ベースに連結している。ピエゾ素子に通電してピエゾ素子を伸縮させると、この伸縮に伴って、可動テーブルまたは固定ベースに対して伸長力または収縮力が作用して可動テーブルが移動する。
このような装置では、ピエゾ素子への印加電圧を変えれば、ピエゾ素子の伸縮量が変化し、結果として可動テーブルの移動量も変化するので、印加電圧を制御して可動テーブルの移動量を制御することが可能である。
しかし、実際には、ピエゾ素子の印加電圧とピエゾ素子の伸縮量との関係にはヒステリシスがあり、電圧の制御だけで、可動テーブルの移動量を正確に制御することは難しい。そのため、ピエゾ素子に歪ゲージを取り付け、ピエゾ素子の歪量を検出して、これに基づいて可動テーブルの移動量を算出していた。
特開２００５−２３６１６６号公報

上記のように、ピエゾ素子に取り付けた歪ゲージの検出値から、可動テーブルの移動量を特定しようとするために、ピエゾ素子の歪量と可動テーブルの移動量との関係を予め計測しておき、その関係に基づいて可動テーブルの変位量を算出する。
例えば、ピエゾ素子に取り付けた歪ゲージで検出された歪量と実際の可動テーブルの移動量である変位量との関係を表わしたグラフは、図９に示すようになる。

図９では、このグラフは直線に見えるが、厳密には直線ではなく、しかも、ピエゾ素子の歪量が増加する方向と減少する方向とによって、可動テーブルの変位が異なる、所謂ヒステリシスを持つグラフである。このような図９に示す関係から、このグラフに近似する直線を最小二乗法によって求め、この近似直線からの誤差を縦軸に表わしたグラフが図１０に示す直線誤差グラフである。この図１０に示す直線誤差グラフから、上記近似直線からの誤差である直線誤差ｓ１と、ピエゾ素子が伸長する過程での可変テーブルの変位量と、ピエゾ素子が収縮する過程での可変テーブルの変位量との差である往復差ｓ２があることが分かる。
なお、従来の可動テーブル装置は、ピエゾ素子に歪ゲージを取り付けたものであるが、その他の構造についての詳細な説明は省略する。

上記のように上記ピエゾ素子の歪量と可動テーブルの変位量との関係はヒステリシスを持つとともに、完全な比例関係でもなく、このような関係から可動テーブルの移動量を正確に特定することは難しいという問題があった。
特に、ピエゾ素子を利用した可動テーブル装置としては、数十［ｎｍ］の分解能を要求される用途もあり、そのような場合には、上記のような従来の可動テーブル装置では、要求に応えられない。

そこで、リニアスケールなどの光学的な検出手段と組み合わせて、誤差を補正しながら、可動テーブルの移動量を検出することも考えられているが、光学的な検出手段を設けると、装置が複雑になり大型化してしまううえ、コストアップにもなってしまう。
この発明の目的は、単純な構造で製造コストを抑えながら、可動テーブルの変位量の検出精度を高めることができる可動テーブル装置を提供することである。

第１の発明は、環状の固定ベースと、この固定ベースの内側に設けた可動テーブルと、この可動テーブルと上記固定ベースとの間に介在させたバネ部と、上記固定ベースまたは可動テーブルのいずれか一方に固定し、上記可動テーブルまたは固定ベースのいずれか他方に対して伸長力または収縮力を作用させて可動テーブルを固定ベースに対して移動させるための軸方向に伸縮可能なピエゾ素子とを備えた可動テーブル装置において、上記可動テーブルの移動に伴って歪が発生する歪発生部位に歪ゲージを取り付け、この歪ゲージの検出値に基づいて上記可動テーブルの移動量を検出する構成にした点に特徴を有する。

第２の発明は、第１の発明を前提とし、上記歪発生部位に梁を設け、この梁の一方側を上記固定ベースあるいは上記可動テーブルに固定し、上記梁の他方の側を上記可動テーブルあるいは上記固定ベースに固定するとともに、上記梁に歪ゲージを取り付けてなる点に特徴を有する。
第３の発明は、第２の発明を前提とし、上記梁が、平等強さ梁である点に特徴を有する。

第４の発明は、上記いずれかの発明を前提とし、上記ピエゾ素子の軸線の両側であって、可動テーブルの移動方向前後に少なくとも４個のバネ部を対向配置させた点に特徴を有する。

第１〜第４の発明は、歪ゲージをテーブルの移動に応じて歪が発生する部位に設けるようにしたので、光学系の測定手段などを設けない単純な構成であっても、可動テーブルの変位量を高精度で検出することができる。その結果、可動テーブルの位置制御も高精度にできるようになる。

第２、第３の発明によれば、梁に歪ゲージを設けることによって、歪ゲージが検出する歪量を大きくすることができる。そのため、歪量に対する可動テーブルの変位量の割合を小さくでき、可動テーブル変位量の分解能を高くできる。従って、可動テーブルの位置をより正確に制御できる。
特に、第３の発明は平等強さ梁に歪ゲージを取り付けているが、平等強さ梁は、先端に外力を作用させたとき、梁の全体にわたって均一に応力が発生するので、歪ゲージを取り付ける位置が多少ずれても同じ検出値を得ることができる。そのため、歪ゲージの取り付け位置をラフにすることができ、装置の組立作業の作業性が向上する。

第４の発明によれば、可動テーブルを少なくとも４つのバネ部で安定的に支持できるとともに、ピエゾ素子が、可動テーブルの中央付近にピエゾ素子の伸縮に基づく力が作用するようにしているので、可動テーブルがピエゾ素子の伸縮方向に移動する際にヨーイングし難くなる。これにより、より正確な変位量検出ができるだけでなく、正確な位置決めもできる。

図１〜図３に示す第１実施形態は、金属製の、四角い枠状の固定ベース１の内側に、金属製の可動テーブル２を設けるとともに、この可動テーブル２の四隅にはＵ字状の板バネからなるバネ部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを設け、このバネ部３ａ〜３ｄを介して、可動テーブル２を固定ベース１に連結している。
なお、この第１実施形態では、上記固定ベース１、可動テーブル２およびバネ部３ａ〜３ｄを一体的に形成している。ただし、上記固定ベース１及び可動テーブル２は、バネ部３ａ〜３ｄと比べて、圧倒的に剛性が高く、ほとんど剛体とみなせるものである。

また、上記可動テーブル２の裏面であって、可動テーブル２の幅方向中央にピエゾ素子４を設けている。このピエゾ素子４は、その先端４ａを固定ベース１の内側に接触させ、反対側の後端４ｂ側を取付部材５によって可動テーブル２の裏面に固定している。なお、上記先端４ａはピエゾ素子４に別部材を接着して形成している。そして、このピエゾ素子４は、図示しない配線によってコード６を介して電源に接続され、印加電圧に応じて伸縮し、先端４ａが矢印ａまたは矢印ｂ方向に移動する。
また、実際には、初期状態でピエゾ素子４が固定ベース１に対して与圧を作用させ、各バネ部３ａ〜３ｄを僅かに撓ませた状態に設定している。このように、初期状態で与圧を作用させるようにしたのは、上記可動テーブル２のがたつきを無くすためである。
例えば、図示の初期状態で、ピエゾ素子４に電圧を印加して伸長させると、ピエゾ素子４の先端は矢印ａ方向の押圧力を固定ベース１に作用させ、この押圧力の反作用で可動テーブル２は各バネ部３ａ〜３ｄを撓ませながら、矢印ｂ方向へ移動する。

一方、ピエゾ素子４が上記のような伸長状態から収縮すると、その先端４ａが矢印ｂ方向へ移動するとともに、各バネ部３ａ〜３ｄの弾性力によって可動テーブル２が矢印ａ方向へ移動して初期状態に復帰する。つまり、可動テーブル２の移動方向は矢印ａまたは矢印ｂ方向である。
言い換えれば、この第１実施形態の可動テーブル装置では、上記ピエゾ素子４の軸線の両側であって、可動テーブル２の移動方向前後に４個のバネ部３ａ〜３ｄを対向配置させている。このように、可動テーブル２を固定ベース１に連結する４個のバネ部３ａ〜３ｄを配置したのは、上記ピエゾ素子４の伸縮によって移動する可動テーブルが、ピエゾ素子４の軸線に対してヨーイングし難くするためである。ピエゾ素子４の軸線方向に移動する可動テーブル２を、上記軸線の両側であって可動テーブル２の移動方向前後に設けたバネ部３ａ〜３ｄが、可動テーブル２の直線的な移動を保持する機能を発揮する。

さらに、この第１実施形態では、上記ピエゾ素子４の先端４ａとは反対側に、この発明の歪発生部位を構成する梁７を設け、この梁７の長さ方向に沿って歪ゲージ８を貼り付けている。この歪ゲージ８は、梁７の歪量を検出し、図示していない信号線によって、図示していない制御装置へ検出信号を出力するものである。
また、図２は図１の部分Ａの拡大図であるが、この図２に示すように、上記梁７は、固定ベース１から可動テーブル２に向かって突出した連結用突部１ａに形成した梁であり、先端７ａに向かって幅を狭くした平等強さ梁である。
そして、可動テーブル２には、上記連結用突部１ａの近傍に連結用突部２ａを形成し、この連結用突部２ａに細い連結片９の一端を設けてその先端を、上記梁７の先端７ａ付近に連結している。つまり、上記梁７は、その一方側である先端７ａ側を上記連結片９及び上記連結用突部２ａを介して可動テーブル２に固定し、他方の側を上記連結用突部１ａによって固定ベース１に固定している。

このように構成した第１実施形態の可動テーブル装置では、上記ピエゾ素子４の伸縮によって可動テーブル２が移動すると、連結用突部２ａが可動テーブル２と一体となって移動する。連結用突部２ａが移動すると、この連結用突部２ａに設けられた連結片９が移動して、上記梁７の先端７ａ側に力を作用させて梁７を撓ませる。例えば、可動テーブル２が、図２の矢印ｂ方向に移動すると、上記連結用突部２ａも矢印ｂ方向に移動し、連結片９が梁７の先端７ａ側を矢印ｂ方向へ引っ張り、梁７を撓ませる。
このように梁７が撓んだとき、その歪量を上記歪ゲージ８が検出する。なお、可動テーブル２が、上記矢印ｂとは反対方向に移動した場合には、梁７に作用するｂ方向の力が小さくさり、梁７の歪量が変化する。

この第１実施形態の可動テーブル装置において、ピエゾ素子４に電圧を印加し、可動テーブル２が移動したときに歪ゲージ８が検出した歪量と可動テーブル２の実際の移動量である変位量とを計測して、その関係を調べる実験を行なった。この実験結果を、図３、図４のグラフに示す。図３は、上記歪ゲージ８で検出したピエゾ素子４の歪量［με］に、可動テーブル２の移動量である変位量［μｍ］を対応付けたグラフであるが、この可動テーブル２の変位量は例えば光学的に検出した値で、上記可動テーブル２の実際の移動量である。

また、図４は、図３のグラフの、直線誤差ｓ１と往復差ｓ２とを明らかにするための直線誤差グラフであって、横軸を、歪ゲージが検出した歪量［με］とし、縦軸を、直線誤差［μｍ］としている。この直線誤差ｓ１とは、図３のグラフが、直線からどれだけずれているのかを表わす数値で、上記した従来例の図１０のグラフと同様に、歪ゲージ８が検出した歪量と可動テーブル２の変位量との関係を直線近似させたときの近似直線からの誤差を示すものである。また、往復差ｓ２は、可動テーブルの移動方向によって、歪ゲージ８の同じ歪量に対して、可動テーブル２の変位量が２つの変位量をとる場合の、両変位量の差で、最大値を示している。

図３、図４のグラフからも明らかなように、この第１実施形態の可動テーブル装置では、図９、図１０に示す従来装置と比べて、直線誤差ｓ１も往復差ｓ２も小さいことが分かる。具体的には、直線誤差ｓ１は、従来装置では０．１５０［μｍ］であるのに対し、第１実施形態の装置では０．０４７［μｍ］であり、往復差ｓ２は、従来装置では０．０８０［μｍ］であるのに対し、この第１実施形態の装置では０．０１５［μｍ］であった。

このように、この第１実施形態の可動テーブル装置では、歪ゲージ８の歪量と可動テーブル２の変位量との関係において直線誤差及び往復差が非常に小さいので、上記歪量と変位量とが比例関係であるとみなして、可動テーブル２の変位量を算出できる。つまり、第１実施形態の装置では、上記直線誤差ｓ１が０．０４７［μｍ］なので、図３に示す関係を直線で近似したとしても、±２５［ｎｍ］の誤差を想定すればよく、可動テーブル２の位置検出が高精度でできるようになる。
なお、上記実験では、従来装置として、図１に示す第１実施形態の可動テーブル装置の歪ゲージ８をピエゾ素子４に貼り付け、その他の構成は、この第１実施形態の装置を同じにしたものを用いている。

この第１実施形態では、歪ゲージ８を取り付ける歪発生部位として平等強さ梁７を用いているが、このような梁７を用いた理由を以下に説明する。
上記したように、可動テーブル２の変位量を直接計測するのではなく、他の部分に取り付けた歪ゲージ８の検出値を用いて検出するようにした場合、歪ゲージ８の歪量と可動テーブル２の変位量との関係にヒステリシスが発生したり、非直線関係となってしまったりするのは、ピエゾ素子４の駆動力が可動テーブル２に伝達される過程で、中間に位置する部材の弾性や寸法誤差のほか、その部材の機械的性質の影響があると予想される。
例えば、バネ部材に対して外力を作用させた場合にも、伸び過程と収縮過程とで、同じ外力に対して全く同じ変位量とならないことがある。つまり、バネ部材にもヒステリシスがある。

このようなヒステリシスを持つ構成部材が、ピエゾ素子４と可動テーブル２との間に介在すればその影響を受けて、ピエゾ素子４の歪量と可動テーブル２の変位量との関係にヒステリシスができることになる。
また、繰り返しの駆動によって、ピエゾ素子４の先端４ａと固定ベース１の当接部における当接状態に変化が生じることもある。例えば、先端部４ａが磨耗したり、固定ベース側が凹んだりした場合にも、検出値に誤差を生じる。
そこで、他の構成部材の影響を受け難く、可動テーブル２の変位量をより忠実に反映する歪発生部位として、固定ベース１と可動テーブル２との間に歪ゲージ８を設けることにした。これにより、歪ゲージ８が検出する歪量と可動テーブル２の変位量との関係のヒステリシスを小さくすることができた。

そして、可動テーブル２の僅かの変位にも追従して歪が発生する構造として、この発明の歪発生部位に梁の形状を採用したのである。
なお、この第１実施形態の梁７は、先端７ａに向かって細くなる平等強さ梁であるが、平等強さ梁は先端７ａ側に外力が作用したとき、梁７に発生する応力が、梁の長さ方向において均一になるという性質を持っている。そのため、上記梁７上において歪ゲージ８を貼り付ける位置が多少ずれても、作用する外力が同じならば、同じ歪量を検出できることになり、平等強さ梁７を用いれば、歪ゲージ８の取り付け精度をラフにできるというメリットがある。上記歪ゲージ８の取り付け精度をラフにできれば、装置の組立作業性が向上し、コスト低減にもつながる。

ただし、この発明の歪発生部位としての梁は、平等強さ梁に限らず、図５に示す第２実施形態のように、全長に亘って太さが均一な均一厚さ梁を用いることもできる。
図５に示す第２実施形態の可動テーブル装置は、この発明の歪発生部位として、第１実施形態の梁７に替えて均一厚さ梁１０を用い、この梁１０に歪ゲージ８を貼り付けた装置である。梁１０の形状以外は上記第１実施形態と同様の構成なので、上記第１実施形態と同様の構成要素には、第１実施形態と同じ符号を用い、以下の説明には、図５とともに図１も用いる。

この第２実施形態の可動テーブル装置についても、上記第１実施形態と同様の実験を行ない、その結果を図６、図７のグラフに示す。
図６は、上記歪ゲージ８で検出したピエゾ素４の歪量［με］に対して可動テーブル２の移動量である変位量［μｍ］を対応付けたグラフであり、図７は、縦軸を直線誤差とした直線誤差グラフである。そして、この第２実施形態の可動テーブル装置では、直線誤差ｓ１は０．０４３［μｍ］であり、往復差ｓ２は０．０３０［μｍ］であった。

上記の実験結果から、この第２実施形態においても、第１実施形態と同様に直線誤差ｓ１及び往復差ｓ２が従来装置と比べて小さく、可動テーブル２の移動量を高精度で検出できることが分かった。
ただし、この第２実施形態の均一厚さ梁１０では、梁の応力がその長さ位置によって異なるので、歪ゲージ８を貼り付ける位置を第１実施形態の装置ほどラフに決めることはできない。

なお、上記第１、第２実施形態の可動テーブル装置において、梁７または梁１０の剛性を低くして撓みやすくすれば、図３または図６に示すグラフの傾きが小さくなって、可動テーブル２の変位量の検出感度を上げることができる。しかし、梁の強度を弱くしすぎると、可動テーブル２の変位量が大きくなったときに、応力が梁の降伏点を超えて、梁が破壊されてしまうことがあるので、可動テーブル２の可動範囲に応じて梁の強度を決める必要がある。つまり、梁の降伏値を超えない範囲で可動テーブル２の可動範囲を設定する必要がある。

また、上記第１実施形態の平等強さ梁７は、長さ方向で応力が一定で、部分的に弱いところがないので、平等強さ梁を用いた場合には、全体として弱い梁を用いることができる。結果として、可動テーブル２の移動量の検出制度を上げることが可能である。
一方、通常の均一厚さ梁の場合には、発生する応力が均一でないので、応力が集中する箇所で、応力が降伏点を超えないように設計する必要がある。

また、図８に示す第３実施形態は、上記第１実施形態のＵ字状板バネのバネ部３ａ〜３ｄに替えて、平行バネ１１ａ〜１１ｄを用いた装置である。
ただし、この発明の歪発生部位に対応する部分Ａやその他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付けるとともに、第１実施形態と同じ構成要素については詳細な説明は省略し、以下には第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

この第３実施形態では、金属製のブロックを、切込線１２によって固定ベース１と可動テーブル２とに区画するとともに、この切込線１２によって上記平行バネ１１ａ〜１１ｄや、梁７などを形成している。
なお、この第３実施形態の可動テーブル２は、上記切込線１２で形成される外周より内側に他の部分よりも表面側に突出した平坦面２ｂを形成している。
また、図中、符号１３は、可動テーブル２にワークを取り付けるための固定ネジ孔であり、符号１４は、上記固定ベース１を架台などに取り付けるためのボルトを挿入するための貫通孔である。

このような第３実施形態の可動テーブル装置においても、平等強さ梁７に歪ゲージ８を貼り付けているので、歪ゲージ８が検出する歪量と可動テーブル２の変位量との関係は、図３、図４に示す第１実施形態と同様になり、可動テーブル２の移動量を、歪ゲージ８の検出値に基づいて正確に検出することができる点は、第１実施形態と同様である。
また、この第３実施形態の可動テーブル装置は、金属製のブロックに上記切込線１２を形成するワイヤーカット加工によって固定ベース１、可動テーブル２及び平行バネ１１ａ〜１１ｄを形成できる形状である。このように、この第３実施形態の装置は、上記構成要素をワイヤーカット加工で形成できるので、例えば、個別の部材を組み立てたり、取り付けたりする場合と比べて、その形成が簡単である。

なお、上記第１〜第３実施形態では、梁７，１０の基端側を固定ベース１側に設けているが、梁は、固定ベース１側あるいは可動テーブル２側のどちらに設けてもよいし、梁と可動テーブル２または固定ベース１とを連結する構造も、上記実施形態に限らない。
また、上記歪ゲージ８を取り付ける、この発明の歪発生部位は梁に限らない。
いずれにしても、歪発生部位は、固定ベース１と可動テーブル２との相対移動に基づく歪が発生する箇所であればよい。例えば、バネ部に歪ゲージ８を取り付けるようにしてもよい。

第１実施形態の主要部の平面図である。図１の歪発生部位であるＡ部分の拡大図である。第１実施形態における歪ゲージの歪量と可動テーブルの変位量との関係を示すグラフである。図３のグラフの直線誤差を示すグラフである。第２実施形態の部分拡大図である。第２実施形態における歪ゲージの歪量と可動テーブルの変位量との関係を示すグラフである。図６のグラフの直線誤差を示すグラフである。第３実施形態の主要部の一部を切り欠いた平面図である。従来例の歪ゲージの歪量と可動テーブルの変異量との関係を示すグラフである。図９のグラフの直線誤差を示すグラフである。

符号の説明

１固定ベース
２可動テーブル
３ａ〜３ｄバネ部
４ピエゾ素子
７梁
１０梁
１１ａ〜１１ｄ平行バネ

Claims

環状の固定ベースと、この固定ベースの内側に設けた可動テーブルと、この可動テーブルと上記固定ベースとの間に介在させたバネ部と、上記固定ベースまたは可動テーブルのいずれか一方に固定し、上記可動テーブルまたは固定ベースのいずれか他方に対して伸長力または収縮力を作用させて可動テーブルを固定ベースに対して移動させるための軸方向に伸縮可能なピエゾ素子とを備えた可動テーブル装置において、上記可動テーブルの移動に伴って歪みが発生する歪発生部位に歪ゲージを取り付け、この歪ゲージの検出値に基づいて上記可動テーブルの移動量を検出する構成にした可動テーブル装置。
上記歪発生部位に梁を設け、この梁の一方側を上記固定ベースあるいは上記可動テーブルに固定し、上記梁の他方の側を上記可動テーブルあるいは上記固定ベースに固定するとともに、上記梁に歪ゲージを取り付けてなる請求項１に記載の可動テーブル装置。
上記梁が、平等強さ梁である請求項２に記載の可動テーブル装置。
上記ピエゾ素子の軸線の両側であって、可動テーブルの移動方向前後に少なくとも４個のバネ部を対向配置させた請求項１〜３のいずれか１に記載の可動テーブル装置。