JP3746199B2

JP3746199B2 - 位置決め装置

Info

Publication number: JP3746199B2
Application number: JP2001005596A
Authority: JP
Inventors: 洋水本; 士郎有井; 誠薮谷; 芳啓上
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2001-01-12
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: JP2002210626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はナノテクノロジ分野で使用される超精密工作機械・計測機器などの移動テーブル、ステージの直線移動における超精密位置決め装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超精密位置決め技術にはねじ送り機構、摩擦駆動機構、リニアモータ、圧電素子などが使われている。また、静圧軸受の圧力を調節することで位置決めする技術も発表されている。ねじ送り機構および摩擦駆動機構はモータなどの回転型アクチュエータの回転運動を直線運動に変換するために使用され、数百ミリメータに及ぶストロークとナノメータオーダの位置決め分解能を持っている。しかし、ねじ送りや摩擦駆動においては、運動変換機構が機械的に複雑で、摩擦力の発生が位置決め性能を低下させているので、サブナノメータでの位置決めが困難である。また、リニアモータはテーブルを直接駆動でき、ねじ送り等と同等の数百ミリメータに及ぶストロークとナノメータオーダの位置決め分解能を持っている。しかし、リニアモータはストロークの伸長がコスト増につながること、発熱、振動の影響があることなどで、やはりサブナノメータでの位置決めは困難である。また、静圧軸受の絞り開度を電磁弁で制御することで軸受面圧力を調節して軸を位置決めする技術が研削盤の微少切り込み装置として発表されている。しかしながら、小型の油圧シリンダとも見なせるこの機構の性能はストロークは数十マイクロメータ、位置決め分解能はサブマイクロメータオーダである。
【０００３】
一方、圧電素子は、圧電効果によりＰＺＴ等の結晶を電気信号により変形させることで、高々数十マイクロメータ程度のストロークではあるが、サブナノメータでの位置決めを行えるものがある。例えば、圧電素子をテーブルに直接接触させ、弾性ヒンジなどを案内機構として位置決め動作させるものが知られている。また、空気静圧軸受の軸受面間距離を圧電素子で駆動して、位置決めする技術も発表されている。しかしながら、圧電素子はストロークが短いという短所のほか、駆動されるテーブルの大きさが制限されるという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ナノテクノロジ分野において、超精密位置決め性能に対する要求はますます高まっている。工作機械においては市販品レベルの非球面加工機等においても１ｎｍの位置決め分解能を達成しており、研究室レベルではサブナノメータの位置決め分解能に関する研究報告も発表されている。計測機器ではＡＦＭ等ではすでにサブナノメータの分解能での測定が行われている。そのような技術的動向の中で、ピコメータオーダに迫るより高分解能の位置決め機構の開発が望まれている。
【０００５】
このような観点から従来の位置決め技術を眺めると、ねじ送り機構、リニアモータなどの長ストローク位置決め装置では分解能において不充分である。しかも空間的な位置決めを行う場合にはＸ軸の上にＹ軸、Ｚ軸と積み重ねればならず、設置スペースや全体の累積誤差等の問題もある。圧電素子は分解能に関しては有望ではあるが、テーブルを直接駆動するために、圧電素子の位置決め性能がそのまま最終的な位置決め性能を決定してしまうことが問題であり、位置決め分解能向上の障害となる。この障害は、上述の空気静圧軸受の軸受面を圧電素子で駆動して、軸を位置決めする技術においても存在する。従って、従来技術によってサブナノメータを越え、ピコメータオーダの位置決め分解能を得ることは困難であった。本発明の課題はかかる問題点に鑑みて、圧電素子を用いたピコメータオーダの位置決めができる位置決め装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、本発明に先立ち、第一の面及び第二の面間に圧力流体を導入し、第一の面側に圧力流体を供給する開口部を先端に有する供給部を設け、供給部は開口部を第二の面に対して遠近方向に（例えば圧電素子により）移動可能にし、開口部と第二の面とで絞りを形成するようにした静圧流体軸受装置を開発した。この軸受装置により空気静圧案内面等の真直度などの運動精度の改善を実現した。この研究において、運動精度の向上がどのような原理により実現できたのかを検討してきた。その結果、この静圧流体軸受装置の絞り機構が第二の面と開口部との相対運動により発生するため、開口部の遠近方向の移動に対し、第二の面の移動が小さく、アクチュエータの変位が縮小されることを知得した。言い換えれば、開口部の動きが第二の面との相対運動により縮小され、開口部の動き即ち例えば圧電素子等のアクチュエータ本来の位置決め性能を遙かに越えた分解能を得ることができることを知得した。なお、発明者等はこの絞りを能動自成絞りと呼んでいる。
【０００７】
この知得により、本発明においては、第一の面及び第二の面間に圧力流体が導入され、前記第一の面側に前記圧力流体を供給する開口部を先端に有する供給部が設けられており、前記供給部は前記開口部を前記第二の面に対して遠近方向に移動可能にされ、前記開口部と前記第二の面とで絞りが形成された静圧流体軸受装置であって、前記第一及び第二の二面間の距離を外部から設定する設定器と、前記面間の距離を測定する測定器と、前記測定器の出力信号と前記設定器の設定信号とを比較し、前記供給部が前記二面間の距離が設定値より大のときは前記開口部が第二の面側に近づく方向に、前記二面間の距離が設定値より小のときに前記開口部が第二の面側から離れる方向に動くように制御し、前記二面間を前記設定器で設定された距離になるように制御されていることを特徴とする位置決め装置を提供することにより上記課題を解決した。上記面は相対する平面（平面同士）、曲面（凹凸面同士）のどちらでもよい。
【０００８】
即ち、第二の面に対して遠近方向に移動する開口部と第二の面とで形成する可変絞り機構は開口部の移動量より小さい移動量を実現するように設計できる。例えば、設定値より二面間の距離が大きいときは、絞り開度を小さくするため開口部を第二の面に近づけると絞りが小さくなり、圧力の低下により第二の面が開口部側に近づき、さらに絞りが小さくなり、開口部の移動量以上の絞り作用がはたらく。また、設定値より二面間の距離が小さいときは、絞り開度を大きくするため開口部が第二の面から離され絞り開度は大きくなるが、圧力の上昇によりさらに第二の面は開口部から離れ、さらに絞り開度が大きくなり、開口部の移動量以上の絞りの作用がはたらく。このため開口部移動量より第二の面の移動量が縮小される。従って分解能の低いアクチュエータを用いても、より高分解能を得ることができ、この絞りを介して、二面間の距離を設定器と測定器によりフィードバック制御することにより高精度の位置決めができる。
【０００９】
本発明によれば開口部を移動させるためのアクチュエータ本来の位置決め性能を遙かに越えた分解能の位置決めができる。従って、前記供給部の開口部を移動可能とする手段は例えば面方向に積層された数〜数十ナノメータの分解能を有する圧電素子を用いることにより、１０ｐｍオーダの位置決め分解能が容易に実現できる。
【００１０】
さらに、前記位置決め装置を静圧案内面の直交する３方向に配置するようにすれば、空気静圧案内面の本来の高精度な案内機能により、テーブルを非接触でｘｙｚの３方向に立体的に高精度に位置決めできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について本発明をスピンドルのスラスト方向位置制御に用いた場合について説明する。図１は本発明を用いたスピンドルの部分断面斜視図、図２は図１に示す絞り部の拡大説明図、図３はブロック図である。図１乃至図３において、中空穴３１と上部及び下部スラスト面３２，３３を有する軸受本体部３０が図示しない機側に固定されている。中空穴３１に軸部４１が隙間嵌合し、軸受のスラスト面３２，３３にそれぞれＴ字、逆Ｔ字形に張り出す上部スラスト部４２と下部スラスト部４３を有するスピンドル４０が回転自在に取り付けられている。軸部４１と中空穴３１との隙間に空気を導入する絞りが設けられラジアル方向の空気軸受を形成する。絞りは固定絞り（図示せず）と可変絞り３４が交互に４５°おきに円周上にそれぞれ４個、計８個設けられており、ラジアル方向についても位置決め制御が可能となっている。なお、一列給気構造となっており、角度剛性を持たないので、ラジアル軸受面とスラスト軸受面との直角度誤差による干渉が回避されている。
【００１２】
スラスト方向は、上部スラスト部４２の下面４２ａと上部スラスト面３２、下部スラスト部４３の上面４３ａと下側スラスト面３３との間にそれぞれ空気を供給し対向形のスラスト空気軸受を形成するようにされている。下部スラスト部４３の上面４３ａと下側スラスト面３３への８個の空気供給路が円周上に均等に配置され、これらは絞りを持たず軸受剛性が零にされ、軸受面の幾何学的誤差などがスラスト方向の回転精度に影響しないようにされている。上部スラスト部４２と上部スラスト面３２とで本発明のスラスト方向位置決制御が行われる。図１及び図２に示すように、上部スラスト部４２の下面４２ａは本発明の第二の面２を形成し、第二の面に対向して上部スラスト面３２が第一の面１となるように設けられている。第一の面には４個の固定絞り（図示せず）と、４個の可変絞り４５からなる空気供給路が交互に円周上に均等に配置されている。
【００１３】
次に可変絞り４５について説明する。図２に示すように第一の面１には取付穴４が設けられリング状の圧電素子５が積層されている。圧電素子５は上端を第一の面側に固定され、樹脂（シリコンゴム等）で覆われており、その下部に開口穴７が空けられた開口部８が取り付けられている。圧電素子５に電圧を与えると電圧にほぼ比例して積層方向に伸び開口部８を第二の面２に対して近づくように働く。また、電圧を減じると積層方向に縮み開口部８が第二の面２から遠ざかるように働く。開口部部と第二の面とで絞り部９が形成され、圧電素子に電圧を加えると絞りが小さくなり、電圧を減じると絞り開度が大きくなる。リング状の圧電素子５のリング穴５ａに外部から空気を供給し、空気がリング穴５ａ、開口穴７を通って第一及び第二の平面間を通って外部へ排出される。開口穴７と第二に平面２とで形成される絞り部９で供給空気が絞られ可変絞り４５が構成される。この可変絞りにより第一及び第二の平面間に供給される空気が制御され、静圧流体軸受が構成される。
【００１４】
図３に示すように第一の面に接続された軸受本体の上部スラスト面３２には測定器として静電容量形センサ５１が取り付けられ上部スラスト面３２と上部スラスト部４２の下面４２ａである第二の面２との距離を測定できるようにされている。静電容量形センサ５１からの出力信号は増幅器５２、Ａ／Ｄコンバータ５３を介してコンピュータ５４に接続され、上部スラスト部の位置が出力信号として入力される。コンピュータには第一及び第二の二面間の距離を外部から設定する設定器５５として、キーボードから位置指令を入力するように入力設定プログラムが組み込まれ、設定信号が入力できるようにされている。コンピュータ内では容量形センサ５１からの位置信号５３ａとスラスト方向距離を指令する設定信号５５ａとで比較演算し、二面間の距離が設定値より大のときは開口部が第二の面側に近づく方向（即ち絞りを小さくする方向）に、二面間の距離が設定値より小のときに開口部が第二の面側から離れる方向（即ち絞りを開く方向）に動くようにＤ／Ａ変換器５６及び増幅器５７を介して圧電素子５に電圧を与えるようにプログラムされており、いわゆる一般のフィードバック制御をコンピュータで行っている。かかる構成の制御をすることにより、任意のスラスト方向の位置決めを行うことができる。なお、可変絞り４５はそれぞれ個別に制御しても、４個を系統的に制御してもよい。
【００１５】
また、ラジアル方向については、第一の面１は中空穴３１、第二の面は軸部４１に相当し、第一の面に接続されたスピンドル４０の中心にスティールボール６０が取り付けられ、前述したと同様に、このスティールボールとの距離をはかるラジアル距離センサ６１により中空穴３１／第一の面（１）と軸部４１／第二の面（２）との距離を測定できるようにされている。ラジアルセンサ６１からの出力信号は増幅器６２、Ａ／Ｄコンバータ６３を介してコンピュータ６４に接続され、軸位置が出力信号として入力される。スピンドルが軸の中心になるオフセット位置がコンピュータに記録され、コンピュータ内ではオフセット位置と位置信号６３ａとで比較演算し、二面間の距離を一定にしてスピンドルを中心位置に制御する。なお、オフセット位置信号の代わりに任意の設定値を入力するようにすればスピンドルの軸位置を偏心制御することも可能である。但し、この例では軸回転精度を向上する目的で使用している。
【００１６】
【実施例】
かかる装置を用いて、位置決め実験を行った。その結果を図４に示す。図４はスラスト方向の回転精度を示すもので、横軸に時間、縦軸にスラスト方向の距離を示したものである。空気圧を上下スラスト軸受面に供給し、圧電素子に所定のオフセット電圧をかけた状態から、容量形センサの信号をフィードバックして制御した場合を示す。なお、容量形センサの零点は理論上のオフセット位置に設定している（以下同じ）。図４に示すように、フィードバック制御を行わない状態では、サブミクロンオーダの振動が見られるが、制御を開始すると振動は１０ｎｍ以下に抑えられていることが分かる。制御は上側のみ行われているが、下側スラスト軸受は剛性を持たないので回転精度に影響しない。
【００１７】
図５には軸位置をスラスト方向に精密位置決めした結果を示す。図５は横軸に時間、縦軸にスラスト方向の距離を示したものである。時間経過に沿って、１ｎｍきざみのステップ信号を設定信号として与えたのに対し、図５に示すように、軸がスラスト方向に位置決めされていることが分かる。
【００１８】
図６は、本発明の位置決め装置を使用した他の例をしめすブロック図で、前述したスラスト軸受とは上下が反対になっており、同符号を付して説明すると、機体側に固定された上向きの第二の面２を有するガイドウェイ７１上を、下向きにされた第一の面１と可変絞り４５を有するテーブル７２が空気圧軸受により支持されている。テーブル上面には測定器として高分解能を有する光ファイバーセンサ７３の光を反射するためのリファレンスミラー（反射鏡）７４が取り付けられテーブルの高さを測定しできるようにされている。増幅器からＦＦＴアナライザにも信号が送られ測定可能にされている。可変絞り４５及び制御回路については前述したのと同様であるので同符号を付し説明を省略する。
【００１９】
特に本発明においては、アクチュエータの動きの数十分の一が軸変位となって現れ、アクチュエータの動きが縮小されることが分かる。図７は図６の機構を用いて圧電素子への印加電圧を横軸に、そのときのテーブルの移動距離を縦軸にとったものである。７０Ｖで３．５μｍ伸長する圧電素子を使って、圧電素子に上昇及び下降する電圧を加えテーブルの変位を測定したところ、圧電素子の軸の変位は図７に示すように１００ｎｍ程度となり、運動縮小率は３５と言うことになった。従って、従来と同様の圧電素子の制御可能な変位を約２ｎｍとすれば、２ｎｍ／３５＝０．０６ｎｍ＝６０ｐｍという極めて高い位置決めが得られる。図８は図６の機構を用いた静圧軸受を制御した場合の実験結果であり、横軸は経過時間、縦軸は変位量を示した例である。図８に示すように、一般の圧電素子及び圧電素子制御回路を用いてステップ５０ｐｍきざみの指令値に対し追従制御され極めて高い位置決め分解能が得られた。
【００２０】
【発明の効果】
本発明においては、第二の面とこれに対して遠近方向に移動する開口部とで絞りを形成させ開口部移動量より第二の面の移動量を縮小制御し、二面間の距離を設定器と測定器によりフィードバック制御して位置決めしたので、アクチュエータの分解能よりも小さい高精度の位置決めが可能となった。また、圧電素子で１０ｐｍオーダの位置決めが容易にでき、制御も従来の制御で可能である。さらに、テーブルなどの位置決め対象との機械的な摩擦部分が無く、運動縮小が極めて高い再現性で行える。したがって、本発明により位置決め分解能向上の課題を解決できる。また、この「静圧軸受を利用した運動縮小機構」は軸をＸ、Ｙ、Ｚ方向から支持することで、この３方向の運動及び各方向周りの回転運動も制御できることから、機構の積み重ねなしに対象物の空間における立体的位置決めを可能としている。したがって、従来技術での軸積み重ねによる精度低下の問題を解決できる。
【００２１】
さらに、本発明による３次元超精密位置決め装置は、テーブルなどの位置決め対象をピコメータオーダの位置決め分解能で空間的に位置決めできるので、ＡＦＭのような原子単位での計測を行う機器のステージに応用することで、その計測性能を飛躍的に向上させてより高い分解能での原子観察が可能になり、基礎物理学、半導体工学の発展に貢献できる。また、超精密工作機械の微少切り込み装置として応用することで、Ｘ線ミラーのような高精度の光学素子を機械加工により生産でき、天文学、半導体工学、Ｘ線光学などの発展に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたスピンドル位置決め装置の部分断面斜視図である。
【図２】図１に示す絞り部の拡大説明図である。
【図３】本発明を用いたスピンドル位置決め装置のブロック図である。
【図４】本発明を用いたスピンドル位置決め装置のスラスト方向の回転精度を示す位置決め実験結果である。
【図５】本発明を用いたスピンドル位置決め装置の軸位置をスラスト方向に精密位置決めした実験結果である。
【図６】本発明の位置決め装置を使用した他の例をしめすブロック図である。
【図７】図６の機構を用いて圧電素子への印加電圧とテーブルの移動距離との関係を示す実験結果である。
【図８】図６の機構を用いた静圧軸受を制御した場合の実験結果である。
【符号の説明】
１，３２第一の面
２，４２ａ第二の面
５圧電素子
７開口部
８供給部
９（可変）絞り
５１、６１測定器
５３ａ、６３ａ出力信号
５５設定器
５５ａ設定信号
ｈ二面間の距離
ｈｄ開口部と第二の面間の距離

Claims

第一の面及び第二の面間に圧力流体が導入され、前記第一の面側に前記圧力流体を供給する開口部を先端に有する供給部が設けられており、前記供給部は前記開口部を前記第二の面に対して遠近方向に移動可能にされ、前記開口部と前記第二の面とで絞りが形成された静圧流体軸受装置であって、前記第一及び第二の二面間の距離を外部から設定する設定器と、前記二面間の距離を測定する測定器と、前記測定器の出力信号と前記設定器の設定信号とを比較し、前記供給部が前記二面間の距離が設定値より大のときは前記開口部が第二の面側に近づく方向に、前記二面間の距離が設定値より小のときに前記開口部が第二の面側から離れる方向に動くように制御し、前記二面間を前記設定器で設定された距離になるように制御されていることを特徴とする位置決め装置。
前記供給部の開口部を移動可能とする手段は前記面方向に積層された圧電素子であることを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。
前記位置決め装置は直交する３方向に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の位置決め装置。