JP2640119B2 - 微小回転ステージ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信、光解析、超LSI製造、顕微鏡測定
などの分野において、微小な回転位置決めを行うための
微小回転ステージに関するものである。

〔従来の技術〕 光通信、光解析の分野で回析格子の微小回転を行う場
合などは、第３図に示すような微小回転ステージを用い
ていた。

この微小回転ステージは、基体20に回転軸21を介して
遊動体22を接続させ、該遊動体22の端部に形成したギア
22aとオームギア23を組み合わせて配置した構造となっ
ていた。前記オームギア23を回転させると、互いのギア
比に応じて遊動体22が回転軸21のまわりに微小に回転
し、この遊動体22に結合された試料台（不図示）を微小
に回転させるようになっていた。

〔従来技術の課題〕

ところが、上記の如き従来の微小回転ステージは、回
転軸21と遊動体22の間、およびギア22aとオームギア23
の間に２ケ所の摺動部分があり、そのためバックラッシ
ュが生じたり、長期使用中に摩耗したり、あるいは温度
変化に伴う寸法変化などのため、精度を高くすることが
できなかった。

また、前記摺動部分にはわずかな隙間を必要とするた
め、遊動体22の微小な回転位置決めができなかった。

たとえば、微小回転ステージとしてギア比率360:1、
遊動体22の回転半径57.3mmのものを考えてみる。遊動体
22が回転するためには回転軸21と遊動体22の間、および
ギア22aとオームギア23の間にそれぞれ３μｍ程度の隙
間が必要である。したがって、遊動体22の外周部にあわ
せて６μｍ程度の不確定要素が存在すると考え、遊動体
22の動作時の不確定角度（β）は、遊動体22の回転半径
（Ｌ）と遊動体外周の不確定要素（ｄ）を用いて以下の
ように表わされる β＝tan^-1（d/L） ・・・（式１） ＝tan^-1（6/57300） ≒21.6秒 このように遊動体22の不確定角度（β）は21.6秒であ
るが、実際にはこれを１秒程度とすることが求められて
いる。そこで、上記（式１）より不確定角度（β）を１
秒とするためには、 Ｌ＝d/tan β ＝/tan（1/3600） ≒1237mm となり、遊動体22の回転半径を1m以上としなければなら
ず、このような大きさのものでは実用上無理があるだけ
でなく、熱膨張の影響が大きくなって新たな不確定要素
となってしまう。

このように従来の微小回転ステージでは、その構造上
の問題点のため、数秒程度の微小な回転位置決めは不可
能であった。

〔課題を解決するための手段〕

上記に鑑みて本発明は、枠形状をした基体の内側に、
薄肉部を介して遊動体を基体と一体的に形成し、該遊動
体の先端側に複数の撓み部を介して各撓み部にアクチュ
エータを取着し、各々のアクチュエータ先端に撓み部を
有する足部材の一端を取着し、他端を曲面状として前記
基体の内側に形成したスリッププレートに接触させ、か
つこれら足部材間にアクチュエータを取着して微小回転
ステージを構成したものである。

〔実施例〕

以下本発明実施例を図によって説明する。

第１図（ａ）（ｂ）に示す微小回転ステージは枠形状
の基体１の内側に薄肉部２を介して遊動体３を一体的に
形成してあり、薄肉部２がわずかに撓むことにより、遊
動体３は回転中心となる薄肉部２のまわりに矢印方向に
微小に回転可能となっている。

上記遊動体３の前記薄肉部２と逆の端部には、薄肉部
２から放射状に伸びる２方向に薄肉とした撓み部3a、3b
が形成され、撓み部3aにはアクチュエータ４、足部材５
が、撓み部3bにはアクチュエータ６、足部材７がそれぞ
れ取着されている。またこれらの足部材５、７間にもア
クチュエータ８を接合し、該アクチュエータ８には歪み
ゲージ９を貼着してある。前記基体１の内側には薄肉部
２を中心とした円周形状のスリッププレート10が一体的
に形成され、前記足部材５、７はこのスリッププレート
10に接触している。なお、スリッププレート10は別体と
して形成され、基体１の内側に結合されたものでもよ
い。

また、足部材５、７には薄肉状の撓み部5a、7aが形成
され、スリッププレート10との接触面5b、7bは、上記撓
み部5a、7aを中心とした円周面となっている。

さらに、前記基体１の薄肉部２近傍には、縦方向のギ
ャップ調整用薄肉部11と調整ネジ12、および横方向のギ
ャップ調整用薄肉部13、13と調整ネジ14、14を備えてお
り、この調整ネジ12、14、14によって足部材５、７とス
リッププレート10間のギャップの製造時のバラツキを補
正できるようになっている。また、足部材５、７の動き
が限界を越えないようにストッパー16、16が基体１の内
側に備えられている。

さらに遊動体３にはボルト15によって物体を載置する
試料第17が結合され、遊動体３の動きに応じて、この試
料第17および載置物体Ｂを微小に回転させるようになっ
ている。

この微小回転ステージは、３つのアクチュエータ４、
６、８が互いに伸縮を繰り返すインチングオーム動作に
よって遊動体３を回転させるようになっており、詳しい
動作は以下の通りである。

第２図にタイムチャートを示すように、右回りの場
合、まずアクチュエータ４が縮むことによって足部材５
がスリッププレート10より離脱するか、もしくは押圧力
が低減した状態となり、続いてアクチュエータ８が縮む
ことによって足部材５が図面の下方へ移動する。ここで
アクチュエータ４が伸び、足部材５はスリッププレート
10に押圧される。次にアクチュエータ６が縮むことによ
って足部材７がスリッププレート10より離脱するか、も
しくは押圧力が低減した状態となり、続いてアクチュエ
ータ８が伸びて足部材７が図面の下方に移動する。ここ
でアクチュエータ６が伸びて足部材７がスリッププレー
ト10に押圧され、１サイクルが完了する。このとき、足
部材５、７はアクチュエータ８の伸縮量だけ下方に移動
しており、その分だけ遊動体３は薄肉部２を回転中心と
して右回りに微小回転していることになる。また、以上
の動作を逆に行えば左回りを行うことができる。

したがって、遊動体３が必要な回転角度となるよう
に、アクチュエータ８の伸縮量およびサイクル数を設定
すれば自由に回転角度を調整することができるのであ
る。

また、遊動体３、足部材５、７とこれらを結合するア
クチュエータ４、６、８によって形成される三角形は、
上記インチングオーム動作によって、微妙に歪みながら
移動することになる。しかし、遊動体３の撓み部3a、3b
や足部材５、７の撓み部5a、7aが形成されていることか
ら、上記三角形の歪みを、これらの撓み部で吸収するこ
とができ、各アクチュエータ４、６、８と遊動体３、足
部材５、７間の結合関係が損なわれることはない。な
お、上記薄肉部２や薄肉状の撓み部3a,3b,5a,7aは、他
の部分よりも薄くして撓みやすくしておけば良く、第１
図に示すような形状だけに限るものではない。例えば、
薄肉部２を複数形成することもでき、二つの薄肉部を円
筒状に形成すれば、その回転中心は動くことがなく高精
度の微小回転ができる。

さらに、足部材５、７のスリッププレート10との接触
面5b、7bは曲面状となっていることから、上記三角形の
歪みを吸収することができる。

また、この足部材５、７は薄肉部２から放射状に伸び
る中心軸に対し、左右対称な形にすればバランスが良く
なり、優れていた。

以上示した本発明実施例に係る微小回転ステージは動
作時に摺動部分がないため、微小な回転位置決めが可能
であり、経年変化や温度変化に伴う精度劣化も小さくな
る。

さらに、上記実施例では２つの足部材５、７からなる
ものを示したが、同様な構造で３つ以上の足部材を具備
し、互いの足部材間にアクチュエータを取着することも
可能である。

次に、第１図（ａ）（ｂ）に示す微小回転ステージを
試作し、さまざまな性能テストを行った。

全体の大きさは縦20mm、横40mm、厚さ10mmで前記基体
１、遊動体３、足部材５、７はいずれもジルコニアセラ
ミックで形成し、足部材５、７のスリッププレート10と
の接触面5b、7bは互いに0.8s以下の鏡面としてある。ま
た、アクチュエータ４、６、８はいずれも圧電セラミッ
クを複数積層してなる圧電アクチュエータを用いた。圧
電アクチュエータは印加電圧を調整することにより微小
な伸縮を行うことができるもので、実際には最大変位量
５μｍのものを用いた。これらのアクチュエータ４、
６、８と遊動体３、足部材５、７との接合方法は、予め
互いの接合面にメタライズ等により金属層を形成してお
き、互いの金属層を融着するようにしてある。

また、圧電アクチュエータ自体はヒステリシスが大き
く精度が悪いが、アクチュエータ８には歪みゲージ９を
貼着して変位を測定し、これをアクチュエータ８にフィ
ードバックする制御系としてあるため伸縮量を高精度に
制御することができる。

このような微小回転ステージの性能は以下の通り、数
秒程度の位置決めが可能で、優れたものであった。

最大可変角度 1.2度 １ステップ角度 １〜4.3秒可変 １ステップ精度 ±0.68秒 １ステップ安定度 ±１秒／年 以下 また、基体１などの材質としては、セラミックや金属
など、さまざまなものを用いることができるが、第１表
に示すようにアルミナ、ジルコニアなどのセラミックは
金属に比べ線膨張係数が小さく、かつヤング率が大きい
ため撓みに対する復元性に優れていることから、基体１
などの材質はセラミックを用いた方がよい。中でもジル
コニアは強度が大きく最も優れた結果を示した。

〔発明の効果〕 叙上のように本発明によれば、枠形状をした基体の内
側に、薄肉部を介して遊動体を基体と一体的に形成し、
該遊動体の先端側に複数の撓み部を介して各撓み部にア
クチュエータを取着し、各々のアクチュエータ先端に撓
み部を有する足部材の一端を取着し、他端を曲面状とし
て前記基体の内側に形成したスリッププレートに接触さ
せ、かつこれら足部材間にアクチュエータを取着して微
小回転ステージを構成したことによって、摺動部がない
ため微小な回転位置決めが可能となり、経年変化や温度
変化等に伴う精度劣化が小さくなるだけでなく、インチ
ングオーム動作時の微小な歪みを前記撓み部が吸収する
ため、アクチュエータ結合部の剥がれがなくなるなどの
特長をもった高性能の微小回転ステージを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明実施例に係る微小回転ステージを
示す側面図、第１図（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ線断
面図である。 第２図は本発明実施例に係る微小回転ステージの動作を
説明するための各アクチュエータの伸縮を示すタイムチ
ャート図である。 第３図は従来の微小回転ステージを示す断面図である。 1:基体、2:薄肉部 3:遊動体、4,6,8:アクチュエータ 5,7:足部材、9:歪みゲージ 10:スリッププレート

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】枠形状をした基体の内側に薄肉部を介して
   遊動体を一体的に形成し、該遊動体の前記薄肉部と逆の
   端部に、複数の撓み部を介して、薄肉部から放射状に伸
   びる方向に複数のアクチュエータと、撓み部を有する足
   部材とを取着し、該足部材の曲面状をした先端を前記基
   体の内側に薄肉部を中心とした円周状に形成したスリッ
   ププレートに接触させ、かつ前記足部材間にアクチュエ
   ータを取着してなる微小回転ステージ。