JP2891335B2 - ６自由度ステージ機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、精密測定器具、精
密加工機械、精密位置決め装置等の他、自動溶接ロボッ
ト、介護用椅子、光軸合せ装置、またはバーチャルリア
リティーを利用するアミューズメント機器等に適用でき
る６自由度ステージ機構、特に直動直線軌道部材受機構
を合理的に利用した６自由度ステージ機構に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、直動直線軌道部材受に対する考え
方は、単にステージを希望する一方向に正確に移動させ
るための手段であるとの考え方に留まっており、ステー
ジを複数方向に移動させるために複数の直動直線軌道部
材受を積み重ねる方式、いわゆるシリアル構造のステー
ジ機構を構成している。例えば、ステージを支持台に対
して縦横方向、即ち直交した第１軸方向と第２軸方向に
移動可能に構成する、いわゆるＸ−Ｙステージにおいて
は、左右一対の直動直線軌道部材受と一つの送り送りね
じ機構により一方向に移動可能に構成した一軸運動機構
の２組を、その移動方向が直交するように上下に重ねて
組み合せることにより、上述した移動を可能に構成して
いる。

【０００３】そして、このような縦横方向の運動に加え
て、第１軸と第２軸に直交する第３軸方向、即ち高さ方
向に移動可能とするＸ−Ｙ−Ｚ移動テーブルにおいて
は、上記一軸運動機構を第３軸方向にも重ねて組み合
せ、また回転を可能とする場合にはθ軸運動機構を組み
合せ、またステージの傾斜を可能とするには、そのよう
な運動機構を組み合せる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
なシリアル構造のステージ機構では、ａ．所要の駆動力
が大きい、ｂ．誤差の累積が生じる、ｃ．コストが高い
等々の課題があるため、近来、積み重ね方式を採用しな
い方式の多自由度ステージ機構、いわゆるパラレル構造
のステージ機構が提案されつつある。このような点に鑑
み、本発明は、直動直線軌道部材受を合理的に利用し
て、いわゆるパラレル構造における６自由度のステージ
機構を提供することにより、従来のシリアル構造のステ
ージ機構の課題を解決することを目的とするものであ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために本発明では、まず、平行に配置した第１、第２の
直線軌道部材と、この第１、第２の直線軌道部材に沿っ
て移動可能に装着した複数のキャリッジと、夫々のキャ
リッジを直線軌道部材に沿って移動させる駆動機構と、
夫々のキャリッジに一端側を連結した複数のリンクと、
第１、第２の直線軌道部材の上方に構成し、夫々のリン
クの他端側を連結して支持したステージとから構成し、
キャリッジは、第１、第２の直線軌道部材の双方に設け
た第１、第２のキャリッジと、第１、第２の直線軌道部
材の少なくとも一方側に設けた第３のキャリッジと、第
１、第２の直線軌道部材の一方側に設けた第４のキャリ
ッジとから構成し、第１、第２のキャリッジには等長の
第１、第２のリンクの夫々の一端側を連結すると共に、
第１、第２のリンクの他端側を相互に軸着して、第１、
第２の直線軌道部材の上方に位置するステージの各辺側
に連結し、第３のキャリッジには上記リンクと等長で、
一方側と同方向の第３のリンクの一端側を連結すると共
に、その他端側は、上記第１、第２のリンク連結位置か
ら水平方向において第３のキャリッジ側に離れたステー
ジの辺側に連結し、第４のキャリッジには第４のリンク
の一端側を連結すると共に、その他端側は、ステージの
各辺間の中間部に連結し、上記各リンクとステージと
は、球面軸受部を構成した３自由度対偶の連結部材を介
して連結すると共に、各キャリッジとリンクとは、直線
軌道部材と平行な軸の回りに回転可能に構成した２自由
度対偶の連結部材を介して連結する構成とした６自由度
ステージ機構を提案する。

【０００６】また本発明では、上記の構成において、第
４のリンクの他端側を連結するステージの位置は、第
１、第２のリンクの連結位置を結ぶ直線上の中間部とす
ることを提案する。

【０００７】また本発明では、上記の構成において、夫
々のキャリッジを直線軌道部材に沿って移動させる駆動
機構は、直線軌道部材に沿って設置したねじシャフトを
要素とする送りねじ機構等のリニアアクチュエータによ
り構成することを提案する。

【０００８】また本発明では、上記の構成において、３
自由度対偶の連結部材は、棒体の先端に球面体を設けた
第１の部材と、この球面体の外径よりも大きい球面凹部
を設けた第２の部材と、第１の部材の球面体を第２の部
材の球面凹部に嵌めた状態において形成される間隙に介
装する多数のボールを保持した第３の部材とから構成す
ることを提案する。

【０００９】以上の本発明において、直線軌道部材の方
向をＸ軸方向、ステージの奥行き方向をＹ軸方向、ステ
ージの高さ方向をＺ軸方向とする右手座標系を考え、ス
テージが水平な初期状態にある場合に、まず、両方の直
線軌道部材の全てのキャリッジを直線軌道部材の一方向
に等距離移動すると、ステージを姿勢を変えずにＸ軸方
向に移動することができる。双方の直線軌道部材の第
１、第２のキャリッジを、夫々近づく方向又は遠ざかる
方向に等距離移動し、同時に第３、第４のキャリッジを
適宜移動して位置の調整を行うことにより、ステージを
Ｚ軸方向に移動することができる。上記第１、第２のキ
ャリッジの移動におけるＺ軸方向の移動を夫々の直線軌
道部材で異ならせることにより、ステージをＸ軸の回り
に回転させて傾斜させることができる。第３のキャリッ
ジを移動し、必要に応じて第４のキャリッジの位置の調
整を行うことにより、ステージをＹ軸の回りに回転させ
て傾斜させることができる。第１、第２のキャリッジ
を、夫々の直線軌道部材につき逆方向に等距離移動し、
第３のキャリッジを適宜移動して位置の調整を行うこと
により、ステージをＺ軸の回りに旋回させることができ
る。第４のキャリッジを移動し、第１、第２、第３のキ
ャリッジの位置の調整を行うことによりステージをＹ軸
方向に移動することができる。以上の動作によりステー
ジは６自由度の運動を行い、位置決めを行うことができ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を添付図
面を参照して説明する。まず図１〜図４は第１の実施の
形態をステージの基本的姿勢において示すものである。
符号１は基台であり、基台１上に第１、第２の直線軌道
部材２，３を平行に配置している。これらの第１、第２
の直線軌道部材２、３には夫々複数のキャリッジ４（４
ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）を移動可能に装着しており、こ
れらは直動直線軌道部材受の構成を適用することができ
る。この構成において、夫々の図中に記入しているよう
に、直線軌道部材２，３の方向をＸ軸、直線軌道部材
２，３と直交する水平の方向で、後記ステージの奥行き
方向をＹ軸、ステージの高さ方向をＺ軸とする右手座標
系を設定して以降の説明をする。

【００１１】図２は図１のＡ−Ａ線断面図で、第１の直
線軌道部材２側のキャリッジ方向を見たもので、符号４
ａ，４ｂは夫々第１，第２のキャリッジである。この第
１，第２のキャリッジ４ａ，４ｂには、第１の連結部材
５ａ，５ｂを介して第１、第２のリンク６ａ，６ｂの一
端側を連結している。これらの連結部材６ａ，６ｂは２
自由度対偶を成すもので、即ち、リンク６ａ，６ｂの回
転方向に加えて、図中一点鎖線で示す軸方向、即ちＸ軸
の回りの回転が可能な構成である。第１，第２のリンク
６ａ，６ｂの他端側は軸着しており、ここに第２の連結
部材７を設置し、この第２の連結部材７を介して第１，
第２のリンク６ａ，６ｂの他端側をステージ８の一辺
側、即ち、第１の直線軌道部材２側に連結している。第
２の連結部材７は３自由度対偶を成すもので、その具体
的構成例は後述する。尚、図に示すものでは第２のリン
ク６ｂは第１のリンク６ａを挟む一対のリンク部材によ
り構成しており、第１，第２の連結部材５，７もこのよ
うな構成に対応して構成している。符号４ｃは第２のキ
ャリッジの図中右側において移動可能な第３のキャリッ
ジであり、この第３のキャリッジ４ｃには、上記と同様
な２自由度対偶の第１の連結部材５を介して上記第２の
リンク６ｂと同方向で等長の第３のリンク６ｃの一端側
を連結しており、この第３のリンク６ｃの他端は、上記
と同様な３自由度対偶の第２の連結部材７を介して、上
記第１、第２の他端側の第２の連結部材７からＸ軸方向
に適宜離れたステージ８の一辺側に連結している。

【００１２】次に図３は図１のＢ−Ｂ線断面図で、第２
の直線軌道部材３のキャリッジ方向を見たものである
が、図中には第１の直線軌道部材２側の第３のキャリッ
ジ４ｃも表れている。また、この第３のキャリッジ４ｃ
は、この第２の直線軌道部材３側にも構成することがで
きる。図３に表した符号４ａ，４ｂは第２の直線軌道部
材３のキャリッジであり、これらのキャリッジ４ａ，４
ｂ並びにこれに連結したリンク６ａ，６ｂの構成は、第
１の直線軌道部材２側と同様であり、それらはＸ軸上の
位置が同じで、夫々の第１，第２のリンク６ａ，６ｂの
他端側の連結部材７間を結ぶ直線ＬはＹ軸方向に一致す
る。そしてこの第２の直線軌道部材３側には、第１，第
２のキャリッジ４ａ，４ｂに加えて、図中第１のキャリ
ッジ４ａの左側において移動可能な第４のキャリッジ４
ｄを設けている。その第４のキャリッジ４ｄには上記と
同様な２自由度対偶の第１の連結部材５を介して第４の
リンク６ｄを連結しており、この第４のリンク６ｄの他
端側は上記と同様な３自由度対偶の第２の連結部材７を
介してステージ８に連結している。この連結位置Ｐは、
ステージ８の辺側ではなく、各辺間の中間部としてい
る。この連結位置Ｐは各辺間の中間部の適所とすること
ができるのであるが、図１〜図４に示す位置ではなく、
図５に示すように、上記直線Ｌ上の中央位置とするとス
テージ８の位置の制御がより簡単になる。

【００１３】以上の各キャリッジ４ａ，４ｂ，４ｃ，４
ｄは夫々独立に移動可能なように駆動機構を構成してい
る。この実施の形態では、駆動機構は、図１と図４、図
５に示しているように、直線軌道部材２，３に沿って平
行に設置したねじシャフト９を要素とする送りねじ機構
により構成している。即ち、第１の直線軌道部材２側に
おいては、第１、第２、第３のキャリッジ４ａ，４ｂ，
４ｃに対応して第１、第２、第３のねじシャフト９ａ，
９ｂ，９ｃを設置しており、また第２の直線軌道部材３
側においては、第１、第２、第４のキャリッジ４ａ，４
ｂ，４ｄに対応して第１、第２、第４のねじシャフト９
ａ，９ｂ，９ｄを設置している。そしてこれらのねじシ
ャフト９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄの端部には駆動用モータ
（図示省略）を設置している。この他、駆動機構は、適
宜のリニアアクチュエータにより構成することができ
る。

【００１４】次に図６，図７は３自由度対偶の第２の連
結部材７の具体例を示すものであり、この連結部材７
は、棒体１０の先端に球面体１１を設けた第１の部材１
２と、この球面体１１の外径よりも大きい球面凹部１３
を設けた第２の部材１４と、第１の部材１２の球面体１
１を第２の部材１４の球面凹部１３に嵌めた状態におい
て形成される間隙に介装する多数のボール１５を保持し
た第３の部材１６とから構成したものである。この構成
では、図６に一点鎖線で示す軸の回りの相対的回転が可
能であると共に、図７に示す相対的回転が可能であるこ
とから３自由度対偶の連結部材となる。このような第２
の連結部材７は、例えば第１の部材１２の棒体１０を各
リンク６に固定すると共に、第２の部材１４をステージ
８に突設した支持片等１５側に固定することにより、各
リンク６とステージ８の各所を連結することができる。
尚、固定方法は、以上と逆も可能であることはいうまで
もないことである。

【００１５】以上の構成において、図１〜図４（又は図
５）に示すステージ８の位置及び姿勢を初期状態とし
て、各軸方向及び軸の回りの方向の運動につき説明す
る。まず初期状態において、両方の直線軌道部材２，３
の全てのキャリッジ４ａ，４ｂ，４ｃ；４ａ，４ｂ，４
ｄを、直線軌道部材２，３の一方向に等距離移動する
と、ステージ８と各リンク６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄの連
結位置が全く変わらないので、ステージ８は姿勢を変え
ずにＸ軸方向の正方向及び負方向に移動させることがで
きる。このＸ軸方向の移動距離は直線軌道部材２，３を
長くすることにより、それだけ長くすることができ、制
約を余り受けずに適宜のストロークを得ることができ
る。

【００１６】次に初期状態において、図８に示すよう
に、双方の直線軌道部材２，３の第１、第２のキャリッ
ジ４ａ，４ｂを夫々遠ざかる方向に等距離移動すると、
第１，第２のリンク６ａ，６ｂを連結したステージ８の
個所が下降する。このステージ８の個所の下降に合せる
ように、第３のキャリッジ４ｃを第２のキャリッジ４ｂ
と同方向に等距離移動すると、第３のリンク６ｃは第２
のリンク６ｂと平行に推移し、従ってステージ８は夫々
のリンク６ａ，６ｂ，６ｃにより水平状態を保持されて
Ｚ軸方向に下降する。この際、第４のキャリッジ４ｄ
は、ステージ８の下降により変化する第４のリンク６ｄ
の所定の三次元姿勢に合せるように図中矢印方向に移動
することにより、機構的な干渉がない。そしてこれらと
逆の動作により、ステージ８をＺ軸方向に上昇させるこ
とができる。これらのステージ８の運動を行わせるため
の各キャリッジ４の移動は、後述の動作を含め、所望の
ステージの位置、姿勢から演算して求めた各キャリッジ
４の位置を目標値として制御することができる。

【００１７】次に、初期状態において、第１，第２のキ
ャリッジ４ａ，４ｂはそのままで、第３のキャリッジ４
ｃを図中右方向に移動すると、図９に示すように第３の
リンク６ｃとステージ８の連結位置が下降するので、ス
テージ８は第１，第２のリンク６ａ，６ｂとステージ８
との連結位置を支点として図中右方向に傾斜する。即
ち、ステージ８はＹ軸の回りに運動する。この際、第４
のリンク６ｄとステージ８の連結位置Ｐが図１、図４に
示すものでは、その位置が上昇するので、第４のキャリ
ッジ４ｄを右方向に移動して補償する。しかし、図５に
示すように、連結位置Ｐが上記直線Ｌ上の位置とした場
合には、このような補償は不要である。

【００１８】次に初期状態において、第１、第２のキャ
リッジ４ａ，４ｂを便宜上相対位置を変えずに、夫々の
直線軌道部材２，３側で逆方向に等距離移動すると、図
１０に示すように、ステージ８をＺ軸の回りに旋回する
ことができる。この運動においては、図に示すように第
１、第２のリンク６ａ，６ｂがＸ軸の回りに回転して、
それらとステージ８との連結位置が若干下降するため、
第１、第２のキャリッジ４ａ，４ｂ間の間隔を狭めるよ
うに適量移動させることにより、下降の補償を行うこと
ができる。またステージ８の旋回に伴う第３のリンク６
ｃと第４のリンク６ｄの三次元位置の変化は、夫々第
３，第４のキャリッジ４ｃ，４ｄを移動させることによ
り補償することができる。尚、図１０は、図５の構成に
対応するもので、このように連結位置Ｐを上記直線Ｌ上
の中央位置とすれば、この連結位置が旋回軸の位置とな
るので、この場合には第４のキャリッジ４ｄの補償は不
要である。

【００１９】次に、図８において説明した、上記第１、
第２のキャリッジ４ａ，４ｂの移動におけるステージ８
のＺ軸方向の移動を、夫々の直線軌道部材２，３で異な
らせ、例えば、図１１に示すように第２の直線軌道部材
３側の第１，第２のリンク６ａ，６ｂとステージ８の連
結位置の高さを、第１の直線軌道部材２側の第１，第
２，第３のリンク６ａ，６ｂ，６ｃとステージ８との連
結位置の高さよりも低くすると、ステージ８は第２の軌
道部材３側が低くなるようにＸ軸の回りに運動する。こ
の運動においても、第４のリンク６ｄの所定の三次元位
置に対応させるように第４のキャリッジ４ｄを移動する
ことにより補償を行うことができる。

【００２０】次に初期状態において、他のキャリッジ４
ａ，４ｂ，４ｃを便宜上そのままとして第４のキャリッ
ジ４ｄを移動、例えば図３、図４（又は図５）におい
て、第４のキャリッジ４ｄを図中左方向に移動すると、
ステージ８は第４のリンク６ｄとの連結位置において図
１２の右方向に移動させられ、従ってステージ８は第
１、第２、第３のリンク６ａ，６ｂ，６ｃを平行リンク
機構として、Ｘ軸の回りに図中時計回りに回転させなが
ら水平状態で右方向に移動し、即ち、Ｙ軸方向に運動す
る。このＹ軸方向のステージ８の運動は、上記各リンク
の回転軌跡に沿って行われるが、上記Ｚ軸方向の運動を
組み合せれば、回転軌跡によるステージ８のＺ軸方向の
移動を補償して、文字通りのＹ軸方向の運動を行わせる
ことができる。

【００２１】以上の動作に示すように、本発明では、積
み重ね方式を採用せずに、６自由度のステージ機構を構
成することができる。尚、本発明においては、ステージ
の位置及び姿勢は、各キャリッジの位置やそれらの間隔
によって決定され、ステージを所望の位置、姿勢に至ら
せるには、この所望の位置、姿勢から各キャリッジの位
置を算出することにより容易に制御を行うことができ
る。

【００２２】

【発明の効果】本発明は以上のとおりであるので、従来
のシリアル構造の６自由度のテーブル機構と比較して、
次のような効果がある。 ａ．積み重ね方式を必要としない。 ｂ．各軸の駆動用モータ等は基台側に設置することがで
きるので、所要駆動力が小さくなる。 ｃ．誤差が蓄積しない。 ｄ．機構が簡略化する。 ｅ．直動案内軸受の直進性のため、軸直角方向への力の
伝達能力が高い。 ｆ．直動案内軸受方向のステージの移動ストロークを長
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のステージ機構の一例の横断面図であ
る。

【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】 図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】 本発明のステージ機構の一例の平面図であ
る。

【図５】 本発明のステージ機構の他例の平面図であ
る。

【図６】 第２の連結部材の例を示す縦断面図である。

【図７】 第２の連結部材の例を示す縦断面図である。

【図８】 本発明のステージ機構の動作を図１のＢ−Ｂ
線断面図において表した図である。

【図９】 本発明のステージ機構の他の動作を図１のＢ
−Ｂ線断面図において表した図である。

【図１０】 本発明のステージ機構の他の動作を表した
平面図である。

【図１１】 本発明のステージ機構の他の動作を図１と
同様な横断面図において表した図である。

【図１２】 本発明のステージ機構の他の動作を横断面
図において表した図である。

【符号の説明】

１ 基台 ２ 第１の直線軌道部材 ３ 第２の直線軌道部材 ４ａ 第１のキャリッジ ４ｂ 第２のキャリッジ ４ｃ 第３のキャリッジ ４ｄ 第４のキャリッジ ５ 第１の連結部材 ６ａ 第１のリンク ６ｂ 第２のリンク ６ｃ 第３のリンク ６ｄ 第４のリンク ７ 第２の連結部材 ８ ステージ ９ａ 第１のねじシャフト ９ｂ 第２のねじシャフト ９ｃ 第３のねじシャフト ９ｄ 第４のねじシャフト １０ 棒体 １１ 球面体 １２ 第１の部材 １３ 球面凹部 １４ 第２の部材 １５ ボール １６ 第３の部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ａ６１Ｈ 1/00 ３１１ Ｂ２３Ｑ 1/14 Ｃ

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行に配置した第１、第２の直線軌道部
   材と、この第１、第２の直線軌道部材に沿って移動可能
   に装着した複数のキャリッジと、夫々のキャリッジを直
   線軌道部材に沿って移動させる駆動機構と、夫々のキャ
   リッジに一端側を連結した複数のリンクと、第１、第２
   の直線軌道部材の上方に構成し、夫々のリンクの他端側
   を連結して支持したステージとから構成し、キャリッジ
   は、第１、第２の直線軌道部材の双方に設けた第１、第
   ２のキャリッジと、第１、第２の直線軌道部材の少なく
   とも一方側に設けた第３のキャリッジと、第１、第２の
   直線軌道部材の一方側に設けた第４のキャリッジとから
   構成し、第１、第２のキャリッジには等長の第１、第２
   のリンクの夫々の一端側を連結すると共に、第１、第２
   のリンクの他端側を相互に軸着して、第１、第２の直線
   軌道部材の上方に位置するステージの各辺側に連結し、
   第３のキャリッジには上記リンクと等長で、一方側と同
   方向の第３のリンクの一端側を連結すると共に、その他
   端側は、上記第１、第２のリンク連結位置から水平方向
   において第３のキャリッジ側に離れたステージの辺側に
   連結し、第４のキャリッジには第４のリンクの一端側を
   連結すると共に、その他端側は、ステージの各辺間の中
   間部に連結し、上記各リンクとステージとは、球面軸受
   部を構成した３自由度対偶の連結部材を介して連結する
   と共に、各キャリッジとリンクとは、直線軌道部材と平
   行な軸の回りに回転可能に構成した２自由度対偶の連結
   部材を介して連結する構成としたことを特徴とする６自
   由度ステージ機構
2. 【請求項２】 第４のリンクの他端側を連結するステー
   ジの位置は、第１、第２のリンクの連結位置を結ぶ直線
   上の中間部とすることを特徴とする請求項１記載の６自
   由度ステージ機構
3. 【請求項３】 夫々のキャリッジを直線軌道部材に沿っ
   て移動させる駆動機構は、直線軌道部材に沿って設置し
   たねじシャフトを要素とする送りねじ機構等のリニアア
   クチュエータにより構成したことを特徴とする請求項１
   記載の６自由度ステージ機構
4. 【請求項４】 ３自由度対偶の連結部材は、棒体の先端
   に球面体を設けた第１の部材と、この球面体の外径より
   も大きい球面凹部を設けた第２の部材と、第１の部材の
   球面体を第２の部材の球面凹部に嵌めた状態において形
   成される間隙に介装する多数のボールを保持した第３の
   部材とから構成したことを特徴とする請求項１記載の６
   自由度ステージ機構