JP2016001112A - 高分解能化機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 位置決めステージ等において微小な変位を与える際に、簡易な構造で分解能を向上させることができる高分解能化機構を提供する。
【解決手段】 変位入力部２０と、変位出力部２１と、を有し、変位入力部２０に与えられる直線状の入力変位１００をてこ機構１１及び板バネ機構１２によって一定の比率で縮小して変位出力部２１に直線状の発生変位２００を生じさせ、入力変位１００を測定する測定器具の分解能を向上させる高分解能化機構１０とし、変位入力部２０に与えられる入力変位１００の方向と、変位出力部２１に発生する発生変位２００の方向とが異なることにしてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、位置決めステージ等における変位制御において、分解能を向上することができる高分解能化機構に関するものである。

精密加工を行うような場合においては、加工機器等の微小な変位を制御しなければならないため、位置決めステージ等が用いられる。

特許文献１に記載された位置決めステージでは、歪みゲージを用いた変位センサと、積層型圧電素子とが用いられている。そして、変位センサが所望する変位量を示すように積層型圧電素子に駆動信号を送り、変位量を制御する構成となっている。

このような位置決めステージは、位置決め精度や分解能が高く性能が良いのだが、電圧等を利用するため、装置が複雑になる。

特開２００３−１３９５０４号公報

このような実情に鑑み、本発明では、位置決めステージ等において微小な変位を与える際に、簡易な構造で分解能を向上させることができる高分解能化機構を提供することを目的とする。

本発明の高分解能化機構は、変位入力部と、変位出力部と、を有し、変位入力部に与えられる直線状の入力変位をてこ機構及び板バネ機構によって一定の比率で縮小して変位出力部に直線状の発生変位を生じさせ、入力変位を測定する測定器具の分解能を向上させるものである。

また、その高分解能化機構が、変位入力部に接続する板バネと、その板バネに接続するてこ機構を構成する剛なアームと、そのアームに接続する第１及び第２のヒンジ部と、その第１のヒンジ部に接続する固定部と、を有し、第２のヒンジ部は変位出力部に接続し、固定部は台座等に固定され、板バネとアームと第１及び第２のヒンジ部とは、入力変位と発生変位とを含む仮想面を中心に対称にそれぞれ２カ所設けられていることにするとよい。

また、高分解能化機構が、変位入力部に接続する第１の板バネと、その第１の板バネに接続するてこ機構を構成する剛なアームと、そのアームに接続するヒンジ部及び第２の板バネと、そのヒンジ部に接続する固定部と、を有し、第２の板バネは変位出力部に接続し、固定部は台座等に固定され、第１及び第２の板バネとアームとヒンジ部とは、入力変位と発生変位とを含む仮想面を中心に対称にそれぞれ２カ所設けられていることにしてもよい。

さらに、変位入力部に与えられる入力変位の方向と、変位出力部に発生する発生変位の方向とが異なることにしてもよい。

本発明の高分解能化機構を用いれば、微小変位を与える際の分解能を簡単かつ容易に向上させることができるという効果を奏する。また、入力変位と発生変位の方向を異なる方向にして、設置スペースを有効に使うことを可能とする。

本発明の高分解能化機構の平面図である。 補助バネを備えた高分解能化機構の平面図である。 入力変位と発生変位の方向が異なる高分解能化機構を示す斜視図である。 高分解能化機構の他の実施例を示す平面図である。 高分解能化機構の使用例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の高分解能化機構の平面図である。この高分解能化機構１０は、変位入力部２０と、変位出力部２１と、を有し、変位入力部２０に与えられる直線状の入力変位１００をてこ機構１１及び板バネ機構１２によって一定の比率で縮小して変位出力部２１に直線状の発生変位２００として生じさせる。つまり、入力変位１００を測定する測定器具の値に高分解能化機構１０の縮小率を掛けたものが発生変位２００となるので、結果として、測定器具の分解能も縮小率を掛けたものへ向上することになるものである。このような高分解能化機構１０は、主に位置決めステージ等に取付けて使用するものとする。

図１に示した高分解能化機構１０の具体的な構成は、変位入力部２０に接続する板バネ３４と、板バネ３４に接続する剛なアーム３３と、アーム３３に接続する第１及び第２のヒンジ部３１，３２と、第１のヒンジ部３１に接続する固定部２２と、を有する。そして、第２のヒンジ部３２は変位出力部２１に接続し、固定部２２は台座やステージ等に固定される。また、板バネ３４とアーム３３と第１及び第２のヒンジ部３１，３２とは、入力変位１００と発生変位２００とを含む仮想面を中心として対称にそれぞれ２カ所設けられている。なお、入力変位１００と発生変位２００とを含む仮想面というのは、入力変位１００と発生変位２００とは、ある長さを持ったベクトルなので、これらのベクトルを含む仮想面という意味である。また、ヒンジ部３１，３２は、ヒンジとして作用する部材なので、このヒンジ部３１，３２に接続する部材同士は相対的に回転自在と考えるものとする。

板バネ３４は、弾性を有する板材であって、座屈しないものである。そして、本発明に係る高分解能化機構１０においては、板バネ３４とアーム３３との２カ所の接続位置を繋いだ仮想線と板バネ３４との間の角度が４５度よりも小さくすることで、入力変位１００よりも小さい変位を板バネ３４端部に発生させることができる。

直線状の入力変位１００の方向としては、実線の矢印方向と点線の矢印方向とがあるが、ここでは、実線の矢印方向に入力変位１００を入力した場合の高分解能化機構１０の動きについて説明する。なお、点線の矢印方向に入力変位１００を入力した場合は、以下の説明の逆方向にアーム３３等が動くと考えればよい。

変位入力部２０に入力変位１００を与えると、板バネ３４を通じてアーム３３が実線の矢印方向に動く。そして、両方のアーム３３，３３が矢印方向に動くと、両方の第２のヒンジ部３２，３２に対し、図の上方向に力が作用する。ここで、第１のヒンジ部３１は固定部２２に接続していることから、結局、第１のヒンジ部３１を中心に第２のヒンジ部３２が図の斜め上方向に引き上げられ、それに伴い、変位出力部２１が図の上方向に発生変位２００だけ直線状に動くことになる。

そうすると、板バネ３４による板バネ機構１２の作用と、アーム３３及び第１、第２のヒンジ部（３１，３２）のてこ機構１１により、２段階に入力変位１００が縮小されて発生変位２００となる。なお、縮小率としては、数１０分の１にすることができる。また、この高分解能化機構１０においては、入力変位１００の方向と、発生変位２００の方向とが、反対方向になるという特徴がある。

ここで、てこ機構１１だけでは、回転運動にしかならないが、板バネ３４を用いることと、てこ機構１１を並列に使用することで、本発明の高分解能化機構１０では、入力変位１００と発生変位２００とは、どちらも直線状の変位にすることができる。なお、図示しないが、変位出力部２１が安定して直線運動できるように、両側からバネ等で押さえておくとよい。

また、固定部２２と変位出力部２１を逆にすることも可能である。つまり、固定部２２をフリーにして、変位出力部２１を台座等に固定する。その場合は、第２のヒンジ部３２を中心に第１のヒンジ部３２が図の下方向に動くことになるので、図の固定部２２が図の下方向に発生変位２００を生じることになる。なお、この場合は、入力変位１００の方向と、発生変位２００の方向とが、同じ方向になる。

図２は、補助バネを備えた高分解能化機構の平面図である。基本的な構成は図１の高分解能化機構１０と同じであるが、２つのアーム３３，３３の間に補助バネ４０を備えることで、入力変位１００によって生じるアーム３３の動きに対して、復元力をアーム３３に付与することができる。つまり、補助バネ４０は、入力変位１００を元の位置に戻す方向に力を付与するので、入力変位１００が与えられたときに、高分解能化機構１０を滑らかに動かすことを可能とする。

図３は入力変位と発生変位の方向が異なる高分解能化機構を示す斜視図である。基本的な構成は図１や図２に示した高分解能化機構１０と同じであるが、ここでは、バネ機構１２をてこ機構１１が作用する面外方向に設けることで、入力変位１００の方向と発生変位２００の方向とを異なる方向にすることを実現している。このように、入力変位１００と発生変位２００の方向が異なることで、設置スペースの広さや形状に応じた使い分けをすることができ、スペースの有効利用を可能とする。

図４は、高分解能化機構の他の実施例を示す平面図である。ここでは、変位入力部２０と変位出力部２１とは、いずれも板バネ３４，３５に接続する構成としている。

変位入力部２０に接続する板バネを第１の板バネ３４とし、変位出御区部２１に接続する板バネを第２の板バネ３５とする。そうして、第１の板バネ３４と第２の板バネ３５とは、てこ機構１１を構成するアーム３３の両端にそれぞれ接続する。アーム３３は、固定部２２とヒンジ部３１を介して接続し、このヒンジ部３１を支点として回動可能である。そして、第１の板バネ３４、アーム３３、第２の板バネ及びヒンジ部３１は、入力変位１００と発生変位２００とを含む仮想面を中心に対称にそれぞれ２カ所設けられた構成になっている。

第１の板バネ３４とアーム３３との接続位置を繋いだ仮想線と第１の板バネ３４との間の角度は４５度以下とし、第２の板バネ３５とアーム３３との接続位置を繋いだ仮想線と第２の板バネ３５との間の角度は４５度以上とする必要がある。そうすることにより、直線状の入力変位１００は縮小されて直線状の発生変位２００に変換される。なお、図４に示した実施例では、てこ機構１１と二つの板バネ機構１２を使うので、３段階に縮小機構が働くことになる。

図５は、高分解能化機構の使用例を示す図である。ここでは、工作物８０に切削加工を行う場合を例示している。

高分解能化機構１０は、固定部２２で位置決めステージ５０に固定されている。そして、変位出力部２１に切削具７０を取付け、回転している工作物８０に切削具７０の切刃を当接させて切削加工するものである。

ここで、変位入力部２０には、入力変位１００を測定するための測定器具としてマイクロメータ６０を取付けている。マイクロメータ６０の分解能は、現在では０．５μｍ程度のものもあるが、仮に、高分解能化機構１０の縮小率が３０分の１だとすると、分解能は０．０１６７μｍに向上させることができる。これによって、より精密な加工を行うことができる。

このように高分解能化機構１０を設けた位置決めステージ５０を使用する場合は、切削具７０を大きく動かすときには位置決めステージ５０を使って動かし、精密な位置調整を行うときには高分解能化機構１０を利用すれば、効率よく位置決めを行うことができる。また、以上に挙げた高分解能化機構１０は、圧電素子や歪みゲージを用いていないので、構造が複雑ではなく、容易に使用することができる。

１０ 高分解能化機構
１１ てこ機構
１２ 板バネ機構
２０ 変位入力部
２１ 変位出力部
２２ 固定部
３１ （第１の）ヒンジ部
３２ （第２の）ヒンジ部
３３ アーム
３４ （第１の）板バネ
３５ （第２の）板バネ
４０ 補助バネ
５０ 位置決めステージ
６０ マイクロメータ
７０ 切削具
８０ 工作物
１００ 入力変位
２００ 発生変位

Claims (4)

1. 変位入力部と、変位出力部と、を有し、
   前記変位入力部に与えられる直線状の入力変位をてこ機構及び板バネ機構によって一定の比率で縮小して前記変位出力部に直線状の発生変位を生じさせ、入力変位を測定する測定器具の分解能を向上させることを特徴とする高分解能化機構。
2. 前記高分解能化機構が、
   前記変位入力部に接続する板バネと、
   前記板バネに接続するてこ機構を構成する剛なアームと、
   前記アームに接続する第１及び第２のヒンジ部と、
   前記第１のヒンジ部に接続する固定部と、を有し、
   前記第２のヒンジ部は前記変位出力部に接続し、前記固定部は台座等に固定され、前記板バネと前記アームと前記第１及び第２のヒンジ部とは、入力変位と発生変位とを含む仮想面を中心に対称にそれぞれ２カ所設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高分解能化機構。
3. 前記高分解能化機構が、
   前記変位入力部に接続する第１の板バネと、
   前記第１の板バネに接続するてこ機構を構成する剛なアームと、
   前記アームに接続するヒンジ部及び第２の板バネと、
   前記ヒンジ部に接続する固定部と、を有し、
   前記第２の板バネは前記変位出力部に接続し、前記固定部は台座等に固定され、前記第１及び第２の板バネと前記アームと前記ヒンジ部とは、入力変位と発生変位とを含む仮想面を中心に対称にそれぞれ２カ所設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高分解能化機構。
4. 前記変位入力部に与えられる入力変位の方向と、前記変位出力部に発生する発生変位の方向とが異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の高分解能化機構。

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