JP3792675B2 - 微細位置決め装置及び工具補正方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ素子（圧電素子）を使用した微細位置決め装置及び該微細位置決め装置を用いた工具の位置、姿勢の補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において、工具刃先の位置と姿勢が本来の位置からずれている場合、そのずれ量が加工物の形状精度に直接影響してくる。特に自由曲面の超精密加工においては、刃先のミクロンオーダの誤差も加工誤差として無視できない。一般に工具の位置補正は、実際の加工結果からどの方向にどれだけずれているかを推測する方法や、顕微鏡や変位センサで基準となるものから工具刃先までの距離を測定する方法などにより、必要な補正量を見積もり、マイクロメータなどの調整機構を用いて、工具の位置と姿勢を補正している。
【０００３】
マイクロメータで調整可能なのは、ミクロンオーダの誤差までであるが、測定装置の高精度化により、ワークの加工結果から、工具のずれ量はナノオーダで見積もることが可能となっている。そのため、工具の位置・姿勢の補正もナノオーダでの調整が可能なものが望まれる。一般に、数〜数十ミクロンの微小ストロークをナノオーダで位置決めするアクチュエータとして印加電圧の大きさによって伸長するピエゾ素子（圧電素子）が多く用いられる。
【０００４】
例えば、ねじ送り機構でＺ軸方向に駆動されるＺ軸テーブルにはスピンドルユニットがＲＣＣ機構を介して取り付けられ、該ＲＣＣ機構には、円周方向に４つの圧電素子（ピエゾ素子）が配置され、該圧電素子を伸縮させることによって、スピンドルユニットの傾きを調整して、工具の位置、姿勢を精密に制御できるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
回転モータやリニアモータで１ナノメートルの分解能を得るためには、精密で複雑な機械構造が必要となる一方で、ピエゾ素子では、印加電圧さえ制御すれば、比較的簡単に１ナノメートルの分解能が得られる。例えば、１００Ｖの電圧に対して１０ミクロン伸長するピエゾ素子であれば、１ナノメートルの分解能を得るためには、電圧を１０ｍＶの分解能で変化させてやればよいことになるので、ナノメートル単位の位置調整が容易である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２９９７００号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
加工によって、工具の補正が必要となる方向には違いがあるが、あらゆる加工を考えると、工具の位置と姿勢の両方を任意に補正するためには、直交３軸、回転３軸の６自由度の調整が可能な機構が必要となる。しかし、１自由度の構造が１つのバネ系を構成すると考えられるので、６自由度は６個のバネを直列につないだものになってしまう。このような多自由度の構造では、その分、機械剛性がは弱くなってしまう。ナノオーダで工具補正を行っても、機械構造が弱くなってしまっては意味もないので、機械剛性の確保が重要になってくる。
【０００８】
一方、ピエゾ素子は、圧縮する方向の外力には非常に強いが、伸長する方向の外力には非常に弱いという性質がある。一般に使用されるピエゾ素子は、積層形のピエゾ素子であり、圧電効果を持つ薄い素子が多数重ね合わさった構造を持っている。個々の素子は薄い接着層で結合されているだけなので、引っ張り方向の力が加わると、接着層が剥がれてしまい、破損する。つまり、ピエゾ素子を構造体に組み込むと、方向によっては剛性的に弱くなってしまうということになる。
【０００９】
この問題を解決するためには、外力が常にピエゾを圧縮する方向に働くような構造に構成すればよい。例えば、ベースに対して相対移動する可動部を有し、該可動部の位置決めを行う位置決め装置の場合を考えると、２つのピエゾ素子を用いて、可動部の対向する２面にそれぞれピエゾ素子の片端が一直線上に固定し、ピエゾ素子のもう一方の端は、それぞれベースに固定されるものとする。この構造であれば、一方のピエゾ素子を伸長させる方向に働く外力が可動部に加えられても、この力は必ず他方のピエゾ素子を圧縮する方向に働くため、圧縮される側のピエゾ素子が、強い剛性で外力に対抗することができる。
【００１０】
しかし、この構造には問題がある。ピエゾ素子には極性があり、基本的には伸びる方向にしか変位しない。したがって、ピエゾ素子に電圧を印可していない状態で、ピエゾ素子の両端を上述のように固定してしまうと、可動部を変位させるためには、一方のピエゾ素子は縮む方向に、他方を伸長する方向に変位せざるを得ないが、縮む方向には変位はできない。そこで、最大変位量の半分の変位を中立点として、同様に両端を固定すると、２個のピエゾの伸縮を反対方向に行うことで、可動部の変位は可能になるが、印加電圧を０Ｖにすると、２つのピエゾが縮み合い、ピエゾ素子そのものが破壊されてしまうので、電源を切ることが出来なくなってしまう。このような理由から、上述のように２個のピエゾを可動部に対向させて配置する構造は、従来は採用されなかった。
そこで、本願発明は、上述した問題を解決し、機械剛性があり、ナノオーダの位置決め精度を得ることができる微細位置決め装置及び工具位置姿勢の補正方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、２個のピエゾ素子で構成される駆動要素を少なくとも１個備え、該駆動要素は、２個のピエゾ素子の夫々の伸縮方向が一致し、該伸縮方向に沿った直線上に２個のピエゾ素子が配置され、かつ一方のピエゾ素子は前記伸縮方向の両端が前記ベース部材の固定部及び前記可動部材の固定部に夫々固定され、他方のピエゾ素子は前記伸縮方向の一端のみが前記ベース部材の固定部又は前記可動部材の固定部に固定され、ピエゾ素子に電圧が印加されていない状態において、他の端は前記可動部部材の固定部又は前記ベース部材の固定部との間に隙間を持つ構造とする。前記隙間の長さは２個のピエゾ素子に電圧を印加し該ピエゾ素子の端面が可動部材又は固定部材と接触する範囲内とし、可動部に押し付けられた状態になるようにすることで機械剛性を得る。このような構造であれば、２個のピエゾをそれぞれ逆向きに変位させれば、可動部材を動かすことができ、更に電源を切って、２個のピエゾが縮んだ状態になっても、可動部材は、両端固定のピエゾ素子の側に引き寄せられるだけで、２個のピエゾ素子が引っ張り合うようなことは起きない。
【００１２】
このような２つのピエゾ素子で構成される駆動要素を直交する向きに配置し、可動部材を直交する方向に微動できるようにする。さらに、正方形又は長方形の各辺に沿って駆動要素を配置し、直交する２軸と回転軸の１軸の自由度を備えた微細位置決め装置を得る。さらに、正方形又は長方形の各角に該正方形又は長方形の作る平面に垂直なるピエゾ素子をベース部材と可動部材間に固定し、このピエゾ素子を駆動することによって、直動と可動部材をベース部材に対して２つの方向に回転（傾け）させる、６自由度の微細位置決め装置を得る。
さらには、少なくとも１つの前記駆動要素のピエゾ素子の伸縮方向と同じ方向に作動しベース部材に対して前記可動部材を移動させるマイクロメータを備えた粗動軸を設ける。
また、このような微細位置決め装置を用いて工具刃先の位置、姿勢を補正するする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態の要部概要図で、この第１の実施形態は、１軸の微細位置決め装置に係わるものである。この微細位置決め装置はベース部材１に対して可動部材２を１つの直線方向に移動させ、該可動部材２をベースに対して位置決めさせるものである。この可動部材２の駆動手段として電圧印加によって伸長する２つのピエゾ素子（圧電素子）Ｐ１，Ｐ２からなる駆動要素を用いて、図１の矢印Ａの方向に動かすものである。
【００１４】
ベース部材１は中央部に突出部１ａを有し、可動部材２は両端にベース部材１の突出部１ａの側面と間隔を開けて対向する面を備えている。ピエゾ素子Ｐ１における軸方向の両端は、ベース部材１の突出部１ａの側面と可動部材２の対向面にそれぞれ固定されている。また、ピエゾ素子Ｐ２における軸方向の両端における、一方の端はベース部材１の突出部１ａにおける他方の側面に固定されているが、もう一方の端は固定されていない。図１に示す例では、ピエゾ素子Ｐ２の左側端はベース部材１に固定されているが右端は固定されておらず自由端となっている。駆動要素のピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２に電圧を印可していない状態では、ピエゾ素子Ｐ２の右側端面と可動部材２の面との間で距離Ｌだけ離れている。
【００１５】
ピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２は電圧を印可したときに、軸方向の両端面間の距離が伸びる。ピエゾ素子Ｐ１及びピエゾ素子Ｐ２の最大変位量をａとすると、２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２とも変位量がａ／２のときに、ピエゾ素子Ｐ２の端面と可動部材２が接触する条件は、Ｌ≦ａとなる。変位量ａは一般的には、１０〜３０μｍ程度の値である。この条件の下で、ピエゾ素子Ｐ１の変位量をａ１、ピエゾＰ２の変位量をａ２とするとａ１＋ａ２＝ａとなるように、ピエゾ素子Ｐ１及びピエゾ素子Ｐ２の変位量を制御すれば、可動部材２には常に一定の押し付け圧力が２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２から加えられた状態で、ピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の最大変位量ａと同じだけのストロークで、可動部材２をピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の軸方向に変位させることができる。
【００１６】
例えば、ピエゾ素子Ｐ２のみ電圧を印加して最大変位量ａだけ変位させると、可動部材２は移動しないが、２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２で押し付けられ剛性が保持される。一方、ピエゾ素子Ｐ１のみ電圧を印加し、最大変位量ａだけ変位させると可動部材２は図１において左方向に変位量ａだけ変位することになり、可動部材２は、２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２で押し付け圧力により剛性が保持される。また、ピエゾ素子Ｐ１をその変位量が（ａ−δ）だけ変位するように電圧を印加し、ピエゾ素子Ｐ２に対しては、その変位量δだけ変位するように電圧を印加すれば、可動部材２は（ａ−δ）だけ変位し、ピエゾ素子Ｐ２が変位量δだけ伸長するから、隙間の距離Ｌは無くなり、可動部材２は２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２で押し付け圧力により剛性が保持される。このようにして、最大ストロークａの範囲内で、剛性を確保しながら可動部材２を任意の位置に位置決めすることができる。しかも、前述したように、駆動要素におけるピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の伸長は印加電圧を制御することによって１ナノオーダの分解能を得ることができるので高精度の位置決め装置を得ることができる。
【００１７】
押し付け圧力は、Ｌ＝ａの条件ではちょうど０であり、隙間の距離Ｌが変位量ａよりも小さくなるほど、押し付け圧力は大きくなり、機械剛性的には強くなるが、実用上、この距離Ｌは変位量ａより１μｍ小さい程度で十分である。また、図１ではピエゾ素子Ｐ２はベース部材１側に固定されているが、可動部２側に固定して、ベース部材１との間で隙間Ｌだけ離しても、構造的には同じものである。
【００１８】
また、ピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の軸方向長さは必ずしも同じ長さでなくてもよく、ベース部材１における突出部１ａの２つの側面と可動部材２のそれぞれ対向する面間の距離が等しくなくてもよいものである。２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２に電圧を印可しない状態で、一方のピエゾ素子の端面と可動部材２の面又はベース部材１の突出部１ａにおける側面間に間隙Ｌが形成されるようにすればよい。例えば、図１において、ピエゾ素子Ｐ２は、隙間の距離Ｌ以上伸長し所定圧力で可動部材２を押圧するだけの変位量ａを最小限有しているものであればよい。ピエゾ素子Ｐ２は、この変位量ａ以下の変位量になるように印加電圧を制御すればよい。また、ピエゾ素子Ｐ１は、この変位量ａ以上の変位量を有していても、この変位量ａ以下の変位量になるように印加電圧を制御すればよい。なお、このピエゾ素子Ｐ１の最大変位量によって、可動部材２の最大ストロークが決まることになる。
【００１９】
図２は本発明の第２の実施形態の要部概要図である。図１に示した１軸の微細位置決め装置の構造を４つ組み合わせて、すなわち、２つのピエゾ素子で構成される駆動要素を４つ組み合わせて、直動２軸、回転１軸の計３軸の自由度を持つ微細位置決め装置を構成したものである。
この第２の実施形態では、長方形又は正方形の形状に形成したベース部材の４辺に各辺の直線方向に移動させる、図１に示した１軸の微細位置決め装置の構造が形成されている。ベース部材１０の各辺部の中央部には突出部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを備え、可動部材２０の４角には該突出部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの側面と間隔をもってそれぞれ対向する面を有する対向面部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを有する。各辺のベース部材１０の突出部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと可動部材の対向面部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ間には、２つのピエゾ素子Ｐ１１とＰ１２、Ｐ１３とＰ１４、Ｐ１５とＰ１６、Ｐ１７とＰ１８が１組となって駆動要素とし、各辺の直線方向に配置されており、各駆動要素の一方のピエゾ素子の両端は、ベース部材１０の突出部と可動部材の対向面部に固定され、他方のピエゾ素子は、一端のみが突出部又は対向面部に固定され、他端は固定されず自由端となっている。図２の例では、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１６，Ｐ１８の両端が固定され、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１５，Ｐ１７が一方の端のみが固定され、他端は、ベース部材の突出部又は可動部材の対向面部と距離Ｌの隙間を形成している。
【００２０】
このように、図１に示す１軸の微細位置決め装置の構造を４つ組み合わせ、図２に矢印で示す直線軸のＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向、及び回転軸のＣ軸方向に、可動部材２０を直線移動及び回転移動させて位置決めができる微細位置決め装置である。
【００２１】
ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ１８の変位量をそれぞれａ１１〜ａ１８とし、ａ１１〜ａ１８＝ａ／２のときに、可動部材２０がベース部材１０の中心に位置し、各ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ１８によって、可動部材２０は所定押し付け力で押し付けられている。例えば、可動部材２０がベース部材１０の中心に位置する状態から、図２のＹ軸方向にａ／２だけ可動部を動かす場合を考えると、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向と平行にその軸方向配置されたピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１７，Ｐ１８はＸ軸方向の中心を保持するものであるから、その変位量がａ１３＝ａ１４＝ａ１７＝ａ１８＝ａ／２となるように電圧を印加する。
【００２２】
一方、Ｙ軸方向と平行にその軸方向が配置されたピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１６の変位量は、ａ１１＝ａ１６＝０、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１５の変位量は、ａ１２＝ａ１５＝ａ、とそれぞれなるように電圧を印加すれば、可動部材２０は、Ｙ軸方向に沿って図２の右下方向に移動することになる。
【００２３】
Ｙ軸方向の逆方向（図２の左上方向）に移動させるときには、ピエゾ素子Ｐ１３，１４，１７，１８の変位量はａ１３＝ａ１４＝ａ１７＝ａ１８＝ａ／２、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１６の変位量は、ａ１１＝ａ１６＝ａ、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１５の変位量は、ａ１２＝ａ１５＝０となるように電圧をそれぞれピエゾ素子に印加すればよい。
【００２４】
ここで、ピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１７，Ｐ１８は、可動部材２０を変位させようとしている方向に直角な向きに配置されており、可動部材２０の変位を妨げるように見えるが、ピエゾ素子Ｐは図３に矢印で示すような、軸方向に直角な力に対しては、剛性が弱いので、変位を妨げるようなことはない。
【００２５】
また、可動部材２０をＸ軸方向に移動させるときには、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１５，Ｐ１６の変位量はａ１１＝ａ１２＝ａ１５＝ａ１６＝ａ／２、ピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１８の変位量は、ａ１３＝ａ１８＝０、ピエゾ素子Ｐ１４，Ｐ１７の変位量は、ａ１４＝ａ１７＝ａとなるように電圧をそれぞれピエゾ素子に印加すれば、Ｘ軸に沿って図２の右上方向に可動部材２０は移動する。また、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１５，Ｐ１６の変位量をａ１１＝ａ１２＝ａ１５＝ａ１６＝ａ／２、ピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１８の変位量を、ａ１３＝ａ１８＝ａ、ピエゾ素子Ｐ１４，Ｐ１７の変位量を、ａ１４＝ａ１７＝０となるように電圧をそれぞれピエゾ素子に印加すれば、Ｘ軸に沿って図２の左下方向に可動部材２０は移動する。
【００２６】
Ｃ軸の回転方向に可動部を変位させる場合には、例えば、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１７の変位量を、ａ１１＝ａ１３＝ａ１５＝ａ１７＝ａ、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１６，Ｐ１８の変位量をａ１２＝ａ１４＝ａ１６＝ａ１８＝０とすれば、可動部材２０がＣ軸方向に時計回りに変位する。逆に、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１７の変位量を、ａ１１＝ａ１３＝ａ１５＝ａ１７＝０、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１６，Ｐ１８の変位量をａ１２＝ａ１４＝ａ１６＝ａ１８＝ａとすれば、可動部材２０はＣ軸方向に反時計回りに変位する。
【００２７】
なお、上述した説明では、ピエゾ素子を０，ａ／２，ａの変位量移動された例を説明したが、各ピエゾ素子を０〜ａの範囲内の変位量を移動させることによって、可動部材２０をＸ，Ｙ軸方向、Ｃ軸回転方向を、この０〜ａ内の位置に位置決めできるものである。
【００２８】
そして、可動部材２０は、電源が切られた状態では、ベース部材１０の４辺における１組のピエゾ素子の一方を介してベース部材１０に固着され、電源が入れられた状態では、各辺の各ピエゾ素子によって押圧されてベース部材１０に固定されることになるから、３自由度であるにも係わらず剛性が保持されるものである。
【００２９】
図４は本発明の第３の実施形態の要部概要図である。この第３の実施形態は、図２に示した第２の実施形態の３軸構造に更にピエゾ素子を４つ追加して配置したもので、直動３軸、回転３軸の計６軸の自由度を持つ微細位置決め装置である。
ピエゾ素子１１〜１８は図２の３軸微細位置決め装置と同じ方法、すなわち、図１に示される方法により、ベース部材１０と可動部部材２０に固定されている。さらに、この第３の実施形態では、ベース部材１０と可動部材２０の対向面部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ間にピエゾ素子Ｐ１９，Ｐ２０，Ｐ２１，Ｐ２２が、その軸方向をＸ，Ｙ軸方向と直交する方向（以下Ｚ軸方向という）に平行にして配置され、その両端はベース部材１０と可動部材２０にそれぞれ固定されている。本発明においては、微細位置決め装置の剛性を高めるピエゾ素子の固定方法は、原理的には図１に示した固定方法である。しかし、この図１に示した固定方法を、このＺ軸方向に軸方向が配置されたピエゾ素子に対しては採用していない。その理由は、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２が支持しているのは上下方向、すなわち重力方向であり、常に重力による外力は可動部を下に押す向きに働いており、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２を圧縮する方向である。この方向は、ピエゾ素子の剛性が高い方向であり、重力に対抗して、上向きの外力が生じることは考え難いので、このような一方向から可動部を支持するピエゾの固定方法を採用した。また、このＺ軸方向が重力方向ではない場合でも、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２を圧縮するような負荷が常にかかっているような可動部材を位置決めする位置決め装置にも適用するものである。
このピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ１８による可動部材２０の駆動方法は、図２に示される方向（Ｘ，Ｙ，Ｃ軸方向）と同じになる。
【００３０】
ピエゾ素子Ｐ９〜Ｐ１２による可動部材２０の駆動方向は、直動１軸、回転２軸の合計３軸で、図５に矢印で示す方向の直線移動軸のＺ軸方向、回転軸のＡ，Ｂ軸方向となる。Ｚ軸方向に動かす場合は、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２の変位量をａ１９〜ａ２２として、ａ１９＝ａ２０＝ａ２１＝ａ２２の条件でピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２を任意に変位させれば、可動部材２０はＺ軸方向に動く。また、例えば、Ａ軸方向に回転させる（傾かせる）場合は、変位量ａ１９＝ａ２２、変位量ａ２０＝ａ２１の条件でピエゾ素子Ｐ１９からＰ２２を任意に変位させれば、Ａ軸方向に可動部材２０は動く。また、変位量ａ１９＝ａ２０、変位量ａ２１＝ａ２２の条件でピエゾ素子Ｐ１９からＰ２２を任意に変位させれば、Ｂ軸方向に可動部材２０は動く。
【００３１】
図６は図４に示した第３の実施形態の６軸微細位置決め装置に、更に２軸のマイクロメータを加えたものである。６軸の微動作に加えて、Ｘ軸，Ｙ軸方向の粗動作を可能とした第４の実施形態の微細位置決め装置である。２個のマイクロメータ３１，３２は粗動ベース部材３０に固定され、６軸微細位置決め装置のベース部材１０を変位させる。マイクロメータ３１，３２は、数ミリメートルのストロークをもち、数ミクロンの分解能で位置決めが可能であるため、粗動軸として使用する。マイクロメータ３１，３２で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のおおよその位置決めを行った後に、残った誤差を６軸微細位置決め装置で補正する。位置決めの自由度を増やすと機械剛性が落ちることは、前述した通りであるが、粗動で動かした後、粗動ベース部材３０と６軸微細位置決め装置のベース部材１０に設けたボルト穴３３を介してボルトで粗動ベース部材３０と連結することにより、粗動軸を追加したことによる剛性の低下は、防ぐことができる。
【００３２】
図６では、マイクロメータはＸ軸、Ｙ軸の２軸のみであるが、より多数のマイクロメータを使用して、粗動軸を増やすことも可能である。ただし、この場合も粗動作を行った後に、粗動の機構部はボルトで固定するなどして、粗動軸により剛性が低下しないようにする必要がある。
【００３３】
図７は本発明の第５の実施形態の概要図であり、この実施形態では、回転テーブル４０の上に図６に示した２軸粗動位置決め手段を有する微細位置決め装置を固定し、該微細位置決め装置の可動部材２０上に工具台４１を固定し、更に工具台４１に工具４２を取り付けるようにしたものである。
【００３４】
例えば、自由曲面の加工では、工具角度を回転テーブル４０によって変えても、工具４２の刃先の先端は動かないことが多くの場合において必要になる。そのためには、回転テーブル４０の回転中心ＣＰと、工具４２の刃先の先端が厳密に一致している必要がある。図８は図７を真上から見た図であるが、工具４２の刃先を回転中心ＣＰに一致させるために、まず、マイクロメータ３１，３２で粗動作を行い、ミクロンオーダの誤差に入れた後、ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ２２を駆動して、ナノオーダの誤差になるまで、刃先位置の補正を行う。工具４２の刃先が回転中心からどの方向にどれだけずれているのかを見積もる方法としては、顕微鏡などで回転テーブル４０を回したときの刃先の移動量を直接観察する方法では、ミクロンオーダの誤差までしか分からないが、実際に試し加工を行い、その加工物の形状精度を測定することにより、ナノオーダの刃先位置の誤差を見積もることは可能である。したがって、実際に刃先位置を回転中心ＣＰに一致させる手段としては、図９のフローチャートのような流れとなる。
【００３５】
まず、顕微鏡で工具４２の刃先を観察し、回転テーブル４０の回転中心ＣＰからの位置のずれをミクロンオーダで測定する（ステップＳ１）。次にマイクロメータ３１，３２を用いてベース部材１０をＸ，Ｙ軸方向に移動させる粗動作で工具刃先位置の補正を行う。この粗動作により工具４２の刃先位置と回転テーブル４０の回転中心ＣＰの誤差がミクロンオーダに入れる（ステップＳ２）。その後、試し加工を行い、加工誤差をナノオーダで測定する（ステップＳ３）。
【００３６】
測定結果の加工誤差が許容範囲内か否か判断し（ステップＳ４）、許容範囲内でなければ、ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ２２を駆動して微動作による工具４２の刃物先端位置と姿勢を補正する（ステップＳ５）。そして再び試し加工を行い加工誤差をナノオーダで測定し、この加工誤差が許容誤差内か判別する。以下このステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５の動作を繰り返し、実行し、加工誤差が許容範囲内になったことが判別されると、本番の加工を実施する（ステップＳ６）。
【００３７】
これにより刃先をナノオーダで回転テーブル４０の回転中心に合わせることができる。また、加工方法によって、工具４２のセッティング方法は、様々であるが、６軸を微細位置決め可能なので、工具位置と工具姿勢の補正にこの装置は汎用的に利用できる。
【００３８】
上述した図２、図４，図６に示した第２、第３、第４の実施形態では、同一可動部材２０を、Ｘ軸、Ｙ軸方向に駆動するようにしたが、可動部材を２層で構成し、ベース部材１０に対して、Ｘ（又はＹ）軸方向に駆動する２つのピエゾ素子からなる駆動要素を用いて駆動される第１の可動部材と、第１の可動部材に対して、該第１の可動部材の移動方向に直交する方向のＹ（又はＸ）軸方向に駆動する２つのピエゾ素子からなる駆動要素を用いて駆動される第２の可動部材で構成してもよい。この場合、第１、第２の可動部材の移動をガイドするガイド手段を設けるようにしてもよい。少なくとも、駆動要素をそれぞれ１つ設ける場合は、第１、第２の可動部材の移動をガイドするガイド手段をそれぞれ設ける。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の微細位置決め装置においては、高い機械剛性で、ナノオーダの分解能で位置決めを行うことができる。また、６軸微細位置決め装置を用いることによって工具刃先の位置と姿勢をナノオーダで補正することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の要部概要図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の要部概要図である。
【図３】ピエゾ素子の剛性の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の要部概要図である。
【図５】同第３の実施形態の動作説明図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の要部概要図である。
【図７】本発明の第５の実施形態の概要図である。
【図８】本発明の第５の実施形態において、工具刃先と回転テーブルの回転中心を一致させるときの説明図である。
【図９】発明の第５の実施形態において、工具刃先と回転テーブルの回転中心を一致させる動作処理の流れ図である。
【符号の説明】
１、１０ ベース部材
２、２０ 可動部材
１ａ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 突出部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 対向面部
３０ 粗動ベース部材
３１，３２ マイクロメータ
３３ ボルト穴
４０ 回転テーブル
４１ 工具台
４２ 工具
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１１〜Ｐ２２ ピエゾ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾ素子（圧電素子）を使用した微細位置決め装置及び該微細位置決め装置を用いた工具の位置、姿勢の補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工作機械において、工具刃先の位置と姿勢が本来の位置からずれている場合、そのずれ量が加工物の形状精度に直接影響してくる。特に自由曲面の超精密加工においては、刃先のミクロンオーダの誤差も加工誤差として無視できない。一般に工具の位置補正は、実際の加工結果からどの方向にどれだけずれているかを推測する方法や、顕微鏡や変位センサで基準となるものから工具刃先までの距離を測定する方法などにより、必要な補正量を見積もり、マイクロメータなどの調整機構を用いて、工具の位置と姿勢を補正している。
【０００３】
マイクロメータで調整可能なのは、ミクロンオーダの誤差までであるが、測定装置の高精度化により、ワークの加工結果から、工具のずれ量はナノオーダで見積もることが可能となっている。そのため、工具の位置・姿勢の補正もナノオーダでの調整が可能なものが望まれる。一般に、数〜数十ミクロンの微小ストロークをナノオーダで位置決めするアクチュエータとして印加電圧の大きさによって伸長するピエゾ素子（圧電素子）が多く用いられる。
【０００４】
例えば、ねじ送り機構でＺ軸方向に駆動されるＺ軸テーブルにはスピンドルユニットがＲＣＣ機構を介して取り付けられ、該ＲＣＣ機構には、円周方向に４つの圧電素子（ピエゾ素子）が配置され、該圧電素子を伸縮させることによって、スピンドルユニットの傾きを調整して、工具の位置、姿勢を精密に制御できるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
回転モータやリニアモータで１ナノメートルの分解能を得るためには、精密で複雑な機械構造が必要となる一方で、ピエゾ素子では、印加電圧さえ制御すれば、比較的簡単に１ナノメートルの分解能が得られる。例えば、１００Ｖの電圧に対して１０ミクロン伸長するピエゾ素子であれば、１ナノメートルの分解能を得るためには、電圧を１０ｍＶの分解能で変化させてやればよいことになるので、ナノメートル単位の位置調整が容易である。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２９９７００号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
加工によって、工具の補正が必要となる方向には違いがあるが、あらゆる加工を考えると、工具の位置と姿勢の両方を任意に補正するためには、直交３軸、回転３軸の６自由度の調整が可能な機構が必要となる。しかし、１自由度の構造が１つのバネ系を構成すると考えられるので、６自由度は６個のバネを直列につないだものになってしまう。このような多自由度の構造では、その分、機械剛性がは弱くなってしまう。ナノオーダで工具補正を行っても、機械構造が弱くなってしまっては意味もないので、機械剛性の確保が重要になってくる。
【０００８】
一方、ピエゾ素子は、圧縮する方向の外力には非常に強いが、伸長する方向の外力には非常に弱いという性質がある。一般に使用されるピエゾ素子は、積層形のピエゾ素子であり、圧電効果を持つ薄い素子が多数重ね合わさった構造を持っている。個々の素子は薄い接着層で結合されているだけなので、引っ張り方向の力が加わると、接着層が剥がれてしまい、破損する。つまり、ピエゾ素子を構造体に組み込むと、方向によっては剛性的に弱くなってしまうということになる。
【０００９】
この問題を解決するためには、外力が常にピエゾを圧縮する方向に働くような構造に構成すればよい。例えば、ベースに対して相対移動する可動部を有し、該可動部の位置決めを行う位置決め装置の場合を考えると、２つのピエゾ素子を用いて、可動部の対向する２面にそれぞれピエゾ素子の片端が一直線上に固定し、ピエゾ素子のもう一方の端は、それぞれベースに固定されるものとする。この構造であれば、一方のピエゾ素子を伸長させる方向に働く外力が可動部に加えられても、この力は必ず他方のピエゾ素子を圧縮する方向に働くため、圧縮される側のピエゾ素子が、強い剛性で外力に対抗することができる。
【００１０】
しかし、この構造には問題がある。ピエゾ素子には極性があり、基本的には伸びる方向にしか変位しない。したがって、ピエゾ素子に電圧を印可していない状態で、ピエゾ素子の両端を上述のように固定してしまうと、可動部を変位させるためには、一方のピエゾ素子は縮む方向に、他方を伸長する方向に変位せざるを得ないが、縮む方向には変位はできない。そこで、最大変位量の半分の変位を中立点として、同様に両端を固定すると、２個のピエゾの伸縮を反対方向に行うことで、可動部の変位は可能になるが、印加電圧を０Ｖにすると、２つのピエゾが縮み合い、ピエゾ素子そのものが破壊されてしまうので、電源を切ることが出来なくなってしまう。このような理由から、上述のように２個のピエゾを可動部に対向させて配置する構造は、従来は採用されなかった。
そこで、本願発明は、上述した問題を解決し、機械剛性があり、ナノオーダの位置決め精度を得ることができる微細位置決め装置及び工具位置姿勢の補正方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、２個のピエゾ素子で構成される駆動要素を少なくとも１個備え、該駆動要素は、２個のピエゾ素子の夫々の伸縮方向が一致し、該伸縮方向に沿った直線上に２個のピエゾ素子が配置され、かつ一方のピエゾ素子は前記伸縮方向の両端が前記ベース部材の固定部及び前記可動部材の固定部に夫々固定され、他方のピエゾ素子は前記伸縮方向の一端のみが前記ベース部材の固定部又は前記可動部材の固定部に固定され、ピエゾ素子に電圧が印加されていない状態において、他の端は前記可動部部材の固定部又は前記ベース部材の固定部との間に隙間を持つ構造とする。前記隙間の長さは２個のピエゾ素子に電圧を印加し該ピエゾ素子の端面が可動部材又は固定部材と接触する範囲内とし、可動部に押し付けられた状態になるようにすることで機械剛性を得る。このような構造であれば、２個のピエゾをそれぞれ逆向きに変位させれば、可動部材を動かすことができ、更に電源を切って、２個のピエゾが縮んだ状態になっても、可動部材は、両端固定のピエゾ素子の側に引き寄せられるだけで、２個のピエゾ素子が引っ張り合うようなことは起きない。
【００１２】
このような２つのピエゾ素子で構成される駆動要素を直交する向きに配置し、可動部材を直交する方向に微動できるようにする。さらに、正方形又は長方形の各辺に沿って駆動要素を配置し、直交する２軸と回転軸の１軸の自由度を備えた微細位置決め装置を得る。さらに、正方形又は長方形の各角に該正方形又は長方形の作る平面に垂直なるピエゾ素子をベース部材と可動部材間に固定し、このピエゾ素子を駆動することによって、直動と可動部材をベース部材に対して２つの方向に回転（傾け）させる、６自由度の微細位置決め装置を得る。
さらには、少なくとも１つの前記駆動要素のピエゾ素子の伸縮方向と同じ方向に作動しベース部材に対して前記可動部材を移動させるマイクロメータを備えた粗動軸を設ける。
また、このような微細位置決め装置を用いて工具刃先の位置、姿勢を補正するする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態の要部概要図で、この第１の実施形態は、１軸の微細位置決め装置に係わるものである。この微細位置決め装置はベース部材１に対して可動部材２を１つの直線方向に移動させ、該可動部材２をベースに対して位置決めさせるものである。この可動部材２の駆動手段として電圧印加によって伸長する２つのピエゾ素子（圧電素子）Ｐ１，Ｐ２からなる駆動要素を用いて、図１の矢印Ａの方向に動かすものである。
【００１４】
ベース部材１は中央部に突出部１ａを有し、可動部材２は両端にベース部材１の突出部１ａの側面と間隔を開けて対向する面を備えている。ピエゾ素子Ｐ１における軸方向の両端は、ベース部材１の突出部１ａの側面と可動部材２の対向面にそれぞれ固定されている。また、ピエゾ素子Ｐ２における軸方向の両端における、一方の端はベース部材１の突出部１ａにおける他方の側面に固定されているが、もう一方の端は固定されていない。図１に示す例では、ピエゾ素子Ｐ２の左側端はベース部材１に固定されているが右端は固定されておらず自由端となっている。駆動要素のピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２に電圧を印可していない状態では、ピエゾ素子Ｐ２の右側端面と可動部材２の面との間で距離Ｌだけ離れている。
【００１５】
ピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２は電圧を印可したときに、軸方向の両端面間の距離が伸びる。ピエゾ素子Ｐ１及びピエゾ素子Ｐ２の最大変位量をａとすると、２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２とも変位量がａ／２のときに、ピエゾ素子Ｐ２の端面と可動部材２が接触する条件は、Ｌ≦ａとなる。変位量ａは一般的には、１０〜３０μｍ程度の値である。この条件の下で、ピエゾ素子Ｐ１の変位量をａ１、ピエゾＰ２の変位量をａ２とするとａ１＋ａ２＝ａとなるように、ピエゾ素子Ｐ１及びピエゾ素子Ｐ２の変位量を制御すれば、可動部材２には常に一定の押し付け圧力が２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２から加えられた状態で、ピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の最大変位量ａと同じだけのストロークで、可動部材２をピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の軸方向に変位させることができる。
【００１６】
例えば、ピエゾ素子Ｐ２のみ電圧を印加して最大変位量ａだけ変位させると、可動部材２は移動しないが、２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２で押し付けられ剛性が保持される。一方、ピエゾ素子Ｐ１のみ電圧を印加し、最大変位量ａだけ変位させると可動部材２は図１において左方向に変位量ａだけ変位することになり、可動部材２は、２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２で押し付け圧力により剛性が保持される。また、ピエゾ素子Ｐ１をその変位量が（ａ−δ）だけ変位するように電圧を印加し、ピエゾ素子Ｐ２に対しては、その変位量δだけ変位するように電圧を印加すれば、可動部材２は（ａ−δ）だけ変位し、ピエゾ素子Ｐ２が変位量δだけ伸長するから、隙間の距離Ｌは無くなり、可動部材２は２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２で押し付け圧力により剛性が保持される。このようにして、最大ストロークａの範囲内で、剛性を確保しながら可動部材２を任意の位置に位置決めすることができる。しかも、前述したように、駆動要素におけるピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の伸長は印加電圧を制御することによって１ナノオーダの分解能を得ることができるので高精度の位置決め装置を得ることができる。
【００１７】
押し付け圧力は、Ｌ＝ａの条件ではちょうど０であり、隙間の距離Ｌが変位量ａよりも小さくなるほど、押し付け圧力は大きくなり、機械剛性的には強くなるが、実用上、この距離Ｌは変位量ａより１μｍ小さい程度で十分である。また、図１ではピエゾ素子Ｐ２はベース部材１側に固定されているが、可動部２側に固定して、ベース部材１との間で隙間Ｌだけ離しても、構造的には同じものである。
【００１８】
また、ピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２の軸方向長さは必ずしも同じ長さでなくてもよく、ベース部材１における突出部１ａの２つの側面と可動部材２のそれぞれ対向する面間の距離が等しくなくてもよいものである。２つのピエゾ素子Ｐ１，Ｐ２に電圧を印可しない状態で、一方のピエゾ素子の端面と可動部材２の面又はベース部材１の突出部１ａにおける側面間に間隙Ｌが形成されるようにすればよい。例えば、図１において、ピエゾ素子Ｐ２は、隙間の距離Ｌ以上伸長し所定圧力で可動部材２を押圧するだけの変位量ａを最小限有しているものであればよい。ピエゾ素子Ｐ２は、この変位量ａ以下の変位量になるように印加電圧を制御すればよい。また、ピエゾ素子Ｐ１は、この変位量ａ以上の変位量を有していても、この変位量ａ以下の変位量になるように印加電圧を制御すればよい。なお、このピエゾ素子Ｐ１の最大変位量によって、可動部材２の最大ストロークが決まることになる。
【００１９】
図２は本発明の第２の実施形態の要部概要図である。図１に示した１軸の微細位置決め装置の構造を４つ組み合わせて、すなわち、２つのピエゾ素子で構成される駆動要素を４つ組み合わせて、直動２軸、回転１軸の計３軸の自由度を持つ微細位置決め装置を構成したものである。
この第２の実施形態では、長方形又は正方形の形状に形成したベース部材の４辺に各辺の直線方向に移動させる、図１に示した１軸の微細位置決め装置の構造が形成されている。ベース部材１０の各辺部の中央部には突出部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを備え、可動部材２０の４角には該突出部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄの側面と間隔をもってそれぞれ対向する面を有する対向面部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを有する。各辺のベース部材１０の突出部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄと可動部材の対向面部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ間には、２つのピエゾ素子Ｐ１１とＰ１２、Ｐ１３とＰ１４、Ｐ１５とＰ１６、Ｐ１７とＰ１８が１組となって駆動要素とし、各辺の直線方向に配置されており、各駆動要素の一方のピエゾ素子の両端は、ベース部材１０の突出部と可動部材の対向面部に固定され、他方のピエゾ素子は、一端のみが突出部又は対向面部に固定され、他端は固定されず自由端となっている。図２の例では、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１６，Ｐ１８の両端が固定され、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１５，Ｐ１７が一方の端のみが固定され、他端は、ベース部材の突出部又は可動部材の対向面部と距離Ｌの隙間を形成している。
【００２０】
このように、図１に示す１軸の微細位置決め装置の構造を４つ組み合わせ、図２に矢印で示す直線軸のＸ軸方向、該Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向、及び回転軸のＣ軸方向に、可動部材２０を直線移動及び回転移動させて位置決めができる微細位置決め装置である。
【００２１】
ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ１８の変位量をそれぞれａ１１〜ａ１８とし、ａ１１〜ａ１８＝ａ／２のときに、可動部材２０がベース部材１０の中心に位置し、各ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ１８によって、可動部材２０は所定押し付け力で押し付けられている。例えば、可動部材２０がベース部材１０の中心に位置する状態から、図２のＹ軸方向にａ／２だけ可動部を動かす場合を考えると、Ｙ軸方向と直交するＸ軸方向と平行にその軸方向配置されたピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１７，Ｐ１８はＸ軸方向の中心を保持するものであるから、その変位量がａ１３＝ａ１４＝ａ１７＝ａ１８＝ａ／２となるように電圧を印加する。
【００２２】
一方、Ｙ軸方向と平行にその軸方向が配置されたピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１６の変位量は、ａ１１＝ａ１６＝０、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１５の変位量は、ａ１２＝ａ１５＝ａ、とそれぞれなるように電圧を印加すれば、可動部材２０は、Ｙ軸方向に沿って図２の右下方向に移動することになる。
【００２３】
Ｙ軸方向の逆方向（図２の左上方向）に移動させるときには、ピエゾ素子Ｐ１３，１４，１７，１８の変位量はａ１３＝ａ１４＝ａ１７＝ａ１８＝ａ／２、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１６の変位量は、ａ１１＝ａ１６＝ａ、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１５の変位量は、ａ１２＝ａ１５＝０となるように電圧をそれぞれピエゾ素子に印加すればよい。
【００２４】
ここで、ピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１７，Ｐ１８は、可動部材２０を変位させようとしている方向に直角な向きに配置されており、可動部材２０の変位を妨げるように見えるが、ピエゾ素子Ｐは図３に矢印で示すような、軸方向に直角な力に対しては、剛性が弱いので、変位を妨げるようなことはない。
【００２５】
また、可動部材２０をＸ軸方向に移動させるときには、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１５，Ｐ１６の変位量はａ１１＝ａ１２＝ａ１５＝ａ１６＝ａ／２、ピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１８の変位量は、ａ１３＝ａ１８＝０、ピエゾ素子Ｐ１４，Ｐ１７の変位量は、ａ１４＝ａ１７＝ａとなるように電圧をそれぞれピエゾ素子に印加すれば、Ｘ軸に沿って図２の右上方向に可動部材２０は移動する。また、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１５，Ｐ１６の変位量をａ１１＝ａ１２＝ａ１５＝ａ１６＝ａ／２、ピエゾ素子Ｐ１３，Ｐ１８の変位量を、ａ１３＝ａ１８＝ａ、ピエゾ素子Ｐ１４，Ｐ１７の変位量を、ａ１４＝ａ１７＝０となるように電圧をそれぞれピエゾ素子に印加すれば、Ｘ軸に沿って図２の左下方向に可動部材２０は移動する。
【００２６】
Ｃ軸の回転方向に可動部を変位させる場合には、例えば、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１７の変位量を、ａ１１＝ａ１３＝ａ１５＝ａ１７＝ａ、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１６，Ｐ１８の変位量をａ１２＝ａ１４＝ａ１６＝ａ１８＝０とすれば、可動部材２０がＣ軸方向に時計回りに変位する。逆に、ピエゾ素子Ｐ１１，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１７の変位量を、ａ１１＝ａ１３＝ａ１５＝ａ１７＝０、ピエゾ素子Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１６，Ｐ１８の変位量をａ１２＝ａ１４＝ａ１６＝ａ１８＝ａとすれば、可動部材２０はＣ軸方向に反時計回りに変位する。
【００２７】
なお、上述した説明では、ピエゾ素子を０，ａ／２，ａの変位量移動された例を説明したが、各ピエゾ素子を０〜ａの範囲内の変位量を移動させることによって、可動部材２０をＸ，Ｙ軸方向、Ｃ軸回転方向を、この０〜ａ内の位置に位置決めできるものである。
【００２８】
そして、可動部材２０は、電源が切られた状態では、ベース部材１０の４辺における１組のピエゾ素子の一方を介してベース部材１０に固着され、電源が入れられた状態では、各辺の各ピエゾ素子によって押圧されてベース部材１０に固定されることになるから、３自由度であるにも係わらず剛性が保持されるものである。
【００２９】
図４は本発明の第３の実施形態の要部概要図である。この第３の実施形態は、図２に示した第２の実施形態の３軸構造に更にピエゾ素子を４つ追加して配置したもので、直動３軸、回転３軸の計６軸の自由度を持つ微細位置決め装置である。
ピエゾ素子１１〜１８は図２の３軸微細位置決め装置と同じ方法、すなわち、図１に示される方法により、ベース部材１０と可動部部材２０に固定されている。さらに、この第３の実施形態では、ベース部材１０と可動部材２０の対向面部２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ間にピエゾ素子Ｐ１９，Ｐ２０，Ｐ２１，Ｐ２２が、その軸方向をＸ，Ｙ軸方向と直交する方向（以下Ｚ軸方向という）に平行にして配置され、その両端はベース部材１０と可動部材２０にそれぞれ固定されている。本発明においては、微細位置決め装置の剛性を高めるピエゾ素子の固定方法は、原理的には図１に示した固定方法である。しかし、この図１に示した固定方法を、このＺ軸方向に軸方向が配置されたピエゾ素子に対しては採用していない。その理由は、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２が支持しているのは上下方向、すなわち重力方向であり、常に重力による外力は可動部を下に押す向きに働いており、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２を圧縮する方向である。この方向は、ピエゾ素子の剛性が高い方向であり、重力に対抗して、上向きの外力が生じることは考え難いので、このような一方向から可動部を支持するピエゾの固定方法を採用した。また、このＺ軸方向が重力方向ではない場合でも、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２を圧縮するような負荷が常にかかっているような可動部材を位置決めする位置決め装置にも適用するものである。
このピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ１８による可動部材２０の駆動方法は、図２に示される方向（Ｘ，Ｙ，Ｃ軸方向）と同じになる。
【００３０】
ピエゾ素子Ｐ９〜Ｐ１２による可動部材２０の駆動方向は、直動１軸、回転２軸の合計３軸で、図５に矢印で示す方向の直線移動軸のＺ軸方向、回転軸のＡ，Ｂ軸方向となる。Ｚ軸方向に動かす場合は、ピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２の変位量をａ１９〜ａ２２として、ａ１９＝ａ２０＝ａ２１＝ａ２２の条件でピエゾ素子Ｐ１９〜Ｐ２２を任意に変位させれば、可動部材２０はＺ軸方向に動く。また、例えば、Ａ軸方向に回転させる（傾かせる）場合は、変位量ａ１９＝ａ２２、変位量ａ２０＝ａ２１の条件でピエゾ素子Ｐ１９からＰ２２を任意に変位させれば、Ａ軸方向に可動部材２０は動く。また、変位量ａ１９＝ａ２０、変位量ａ２１＝ａ２２の条件でピエゾ素子Ｐ１９からＰ２２を任意に変位させれば、Ｂ軸方向に可動部材２０は動く。
【００３１】
図６は図４に示した第３の実施形態の６軸微細位置決め装置に、更に２軸のマイクロメータを加えたものである。６軸の微動作に加えて、Ｘ軸，Ｙ軸方向の粗動作を可能とした第４の実施形態の微細位置決め装置である。２個のマイクロメータ３１，３２は粗動ベース部材３０に固定され、６軸微細位置決め装置のベース部材１０を変位させる。マイクロメータ３１，３２は、数ミリメートルのストロークをもち、数ミクロンの分解能で位置決めが可能であるため、粗動軸として使用する。マイクロメータ３１，３２で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向のおおよその位置決めを行った後に、残った誤差を６軸微細位置決め装置で補正する。位置決めの自由度を増やすと機械剛性が落ちることは、前述した通りであるが、粗動で動かした後、粗動ベース部材３０と６軸微細位置決め装置のベース部材１０に設けたボルト穴３３を介してボルトで粗動ベース部材３０と連結することにより、粗動軸を追加したことによる剛性の低下は、防ぐことができる。
【００３２】
図６では、マイクロメータはＸ軸、Ｙ軸の２軸のみであるが、より多数のマイクロメータを使用して、粗動軸を増やすことも可能である。ただし、この場合も粗動作を行った後に、粗動の機構部はボルトで固定するなどして、粗動軸により剛性が低下しないようにする必要がある。
【００３３】
図７は本発明の第５の実施形態の概要図であり、この実施形態では、回転テーブル４０の上に図６に示した２軸粗動位置決め手段を有する微細位置決め装置を固定し、該微細位置決め装置の可動部材２０上に工具台４１を固定し、更に工具台４１に工具４２を取り付けるようにしたものである。
【００３４】
例えば、自由曲面の加工では、工具角度を回転テーブル４０によって変えても、工具４２の刃先の先端は動かないことが多くの場合において必要になる。そのためには、回転テーブル４０の回転中心ＣＰと、工具４２の刃先の先端が厳密に一致している必要がある。図８は図７を真上から見た図であるが、工具４２の刃先を回転中心ＣＰに一致させるために、まず、マイクロメータ３１，３２で粗動作を行い、ミクロンオーダの誤差に入れた後、ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ２２を駆動して、ナノオーダの誤差になるまで、刃先位置の補正を行う。工具４２の刃先が回転中心からどの方向にどれだけずれているのかを見積もる方法としては、顕微鏡などで回転テーブル４０を回したときの刃先の移動量を直接観察する方法では、ミクロンオーダの誤差までしか分からないが、実際に試し加工を行い、その加工物の形状精度を測定することにより、ナノオーダの刃先位置の誤差を見積もることは可能である。したがって、実際に刃先位置を回転中心ＣＰに一致させる手段としては、図９のフローチャートのような流れとなる。
【００３５】
まず、顕微鏡で工具４２の刃先を観察し、回転テーブル４０の回転中心ＣＰからの位置のずれをミクロンオーダで測定する（ステップＳ１）。次にマイクロメータ３１，３２を用いてベース部材１０をＸ，Ｙ軸方向に移動させる粗動作で工具刃先位置の補正を行う。この粗動作により工具４２の刃先位置と回転テーブル４０の回転中心ＣＰの誤差がミクロンオーダに入れる（ステップＳ２）。その後、試し加工を行い、加工誤差をナノオーダで測定する（ステップＳ３）。
【００３６】
測定結果の加工誤差が許容範囲内か否か判断し（ステップＳ４）、許容範囲内でなければ、ピエゾ素子Ｐ１１〜Ｐ２２を駆動して微動作による工具４２の刃物先端位置と姿勢を補正する（ステップＳ５）。そして再び試し加工を行い加工誤差をナノオーダで測定し、この加工誤差が許容誤差内か判別する。以下このステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５の動作を繰り返し、実行し、加工誤差が許容範囲内になったことが判別されると、本番の加工を実施する（ステップＳ６）。
【００３７】
これにより刃先をナノオーダで回転テーブル４０の回転中心に合わせることができる。また、加工方法によって、工具４２のセッティング方法は、様々であるが、６軸を微細位置決め可能なので、工具位置と工具姿勢の補正にこの装置は汎用的に利用できる。
【００３８】
上述した図２、図４，図６に示した第２、第３、第４の実施形態では、同一可動部材２０を、Ｘ軸、Ｙ軸方向に駆動するようにしたが、可動部材を２層で構成し、ベース部材１０に対して、Ｘ（又はＹ）軸方向に駆動する２つのピエゾ素子からなる駆動要素を用いて駆動される第１の可動部材と、第１の可動部材に対して、該第１の可動部材の移動方向に直交する方向のＹ（又はＸ）軸方向に駆動する２つのピエゾ素子からなる駆動要素を用いて駆動される第２の可動部材で構成してもよい。この場合、第１、第２の可動部材の移動をガイドするガイド手段を設けるようにしてもよい。少なくとも、駆動要素をそれぞれ１つ設ける場合は、第１、第２の可動部材の移動をガイドするガイド手段をそれぞれ設ける。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の微細位置決め装置においては、高い機械剛性で、ナノオーダの分解能で位置決めを行うことができる。また、６軸微細位置決め装置を用いることによって工具刃先の位置と姿勢をナノオーダで補正することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の要部概要図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の要部概要図である。
【図３】ピエゾ素子の剛性の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の要部概要図である。
【図５】同第３の実施形態の動作説明図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の要部概要図である。
【図７】本発明の第５の実施形態の概要図である。
【図８】本発明の第５の実施形態において、工具刃先と回転テーブルの回転中心を一致させるときの説明図である。
【図９】発明の第５の実施形態において、工具刃先と回転テーブルの回転中心を一致させる動作処理の流れ図である。
【符号の説明】
１、１０ ベース部材
２、２０ 可動部材
１ａ，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 突出部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 対向面部
３０ 粗動ベース部材
３１，３２ マイクロメータ
３３ ボルト穴
４０ 回転テーブル
４１ 工具台
４２ 工具
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１１〜Ｐ２２ ピエゾ素子
Claims (6)
- 可動部材をベース部材に対し位置決めする微細位置決め装置において、２個のピエゾ素子で構成される駆動要素を少なくとも１個備え、該駆動要素は、２個のピエゾ素子の夫々の伸縮方向が一致し、該伸縮方向に沿った直線上に２個のピエゾ素子が配置され、かつ一方のピエゾ素子は前記伸縮方向の両端が前記ベース部材の固定部及び前記可動部材の固定部に夫々固定され、他方のピエゾ素子は前記伸縮方向の一端のみが前記ベース部材の固定部又は前記可動部材の固定部に固定され、ピエゾ素子に電圧が印加されていない状態において、他の端は前記可動部部材の固定部又は前記ベース部材の固定部との間に隙間を持つ構造であることを特徴とする微細位置決め装置。
- 前記ピエゾ素子の伸縮方向が直交する方向にそれぞれ前記駆動要素を１以上備え、ベース部材に対して可動部材を直交する方向に駆動可能にした請求項１に記載の微細位置決め装置。
- 前記駆動要素４個が正方形または長方形の４辺を構成するように配置され、それぞれの駆動要素が、１つのベース部材を共有し、同一の可動部材を位置決めすることを特徴とする請求項１に記載の微細位置決め装置。
- 前記正方形または長方形の四隅のそれぞれに、伸縮方向が該正方形または長方形のつくる平面と垂直となるピエゾ素子を配置し、それぞれのピエゾ素子の両端はベース部材と可動部材に固定されていることを特徴とする請求項３に記載の微細位置決め装置。
- 少なくとも１つの前記駆動要素のピエゾ素子の伸縮方向と同じ方向に作動しベース部材に対して前記可動部材を移動させるマイクロメータを備えた粗動軸を有する請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の微細位置決め装置。
- 請求項１乃至４の内、何れか１項に記載の微細位置決め装置を使用して工具刃先の位置と姿勢をナノオーダで補正する工具補正方法。
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