JP3999094B2

JP3999094B2 - 駆動装置

Info

Publication number: JP3999094B2
Application number: JP2002292249A
Authority: JP
Inventors: 国俊西村
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2022-10-04
Also published as: JP2004125692A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、可動部材を微小変位させる微動機構と、微動機構とともに可動部材を大変位させる粗動機構とを備える駆動装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
可動部材を微小変位させる微動機構と、微動機構とともに可動部材を大変位させる粗動機構とを備える駆動装置が知られている。
例えば、測定機において、測定子を被測定物に対して接近および離隔する方向へ微小変位させる微動機構と、この微動機構とともに測定子を被測定物に対して接近および離隔する方向へ大変位させる粗動機構とを備えた測定機の駆動装置が知られており、例えば、特開２００２−１６２２１９号公報で開示される測定機の駆動装置がある。
【０００３】
この測定機の駆動装置１は、図４に示されるように、被測定物Ｗに接触する測定子２と、測定子２を上下方向に移動させる駆動機構３と、測定子２の変位を検出する変位検出器４と、駆動機構３の駆動を制御する制御回路５（図５参照)とを備えて構成されている。
駆動機構３は、測定子２を微小範囲で移動させる微動機構３１と、この微動機構３１とともに測定子２を大変位させる粗動機構３４とを備えて構成されている。
微動機構３１は、粗動機構３４によって駆動されるＺ軸粗動台３７の下面に積層して設けられた圧電素子３２によって構成されている。ちなみにＺ軸粗動台３７の上面には下面側の圧電素子３２と反対側に駆動される圧電素子３３が設けられ、粗動機構３４に対して圧電素子３２の発生力を相殺している。
粗動機構３４は、測定機本体に固定されるヨーク６に設けられた永久磁石３５と、永久磁石３５による磁界中を上下方向に移動する可動コイル３６とを備えた電磁アクチュエータから構成されている。可動コイル３６の下面には可動コイル３６とともに変位するＺ軸粗動台３７が設けられている。
変位検出器４は、測定機本体に設けられた固定電極４１と、測定子２に設けられ固定電極４１と静電結合する可動電極４２とを備えて構成されている。
制御回路５は、図５に示されるように、粗動機構３４を駆動する粗動機構駆動回路５１と、微動機構３１を駆動する微動機構駆動回路５２と、被測定物表面から測定子２に作用する測定力を検出する測定力検出回路５４と、測定力検出回路５４での検出結果に基づいて測定力を一定にするように粗動機構駆動回路５１および微動機構駆動回路５２を制御する測定力制御回路５３とを備えて構成されている。
【０００４】
このような構成において、測定子２と被測定物Ｗとの間に作用する測定力を一定にするように、微動機構３１と粗動機構３４はそれぞれ駆動される。圧電素子３２に電圧を印加すると、圧電素子３２は伸縮され、また、可動コイル３６に電圧を印加すると、可動コイル３６は上下に移動されるので、圧電素子３２および可動コイル３６に印加する電圧を制御することによって、微動機構３１と粗動機構３４は駆動制御される。
このとき、被測定物Ｗの表面形状の微小変位に対しては微動機構３１による変位によって測定子２は移動され、被測定物Ｗの表面形状の大変位に対しては、微動機構３１の変位量が微小範囲になるように粗動機構３４によって測定子２は大変位される。
測定子２が変位されるとき、固定電極４１と可動電極４２との間の電位の変化が変位検出器４で検出され、検出結果がデータ処理回路４８へ出力されて、被測定物Ｗの表面形状が測定される。
【０００５】
このように、微動機構３１と粗動機構３４を組み合わせることによって、例えば、半導体ウエハ等の表面のように、ナノメートルオーダの微小凹凸と、マイクロメートルオーダの大凹凸を有する被測定物Ｗに対しても効率よく測定することが可能となる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１６２２１９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示されるように、微動機構３１が駆動されるとき、積層された圧電素子３２の変位に傾きが生じる場合がある。微動機構３１の変位に傾きが生じた場合、変位検出器４の固定電極４１と可動電極４２との間隔が不均一となる。図６に示されるように、電極４１、４２の左右で間隔の違いが生じると、測定子２の変位量を正確に検出することができない。
図７に、光電式の変位検出器４を用いた場合を示す。この変位検出器４は、圧電素子３２の下端と測定子２の上端との間に接着固定された横梁部４４からＬ字型に屈曲して粗動機構３４の変位方向と平行な側腕部４５を有するスケール保持部材４３と、このスケール保持部材４３の側腕部４５に設けられ粗動機構３４の変位方向と平行にスケール長手方向を有するスケール４６と、スケール４６に光を照射するとともにスケール４６からの反射光を受光する発光受光部４７とを備えて構成されている。
このような構成では、測定子２が固定された位置とスケール４６が固定された位置との距離が離れているので、圧電素子３２の変位がわずかに傾いただけでも、スケール４６の傾きは非常に大きなものとなってしまう。そのため、測定子２の変位を正確に検出することがなお一層困難になるという問題が生じる。
【０００８】
本発明の目的は、従来の問題を解消し、微動機構と粗動機構の合成変位を正確に検出することができる駆動装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の駆動装置は、可動部材を微小変位させる微動機構と、前記微動機構とともに前記可動部材を前記微動機構よりも大変位させる粗動機構とを備える駆動装置において、前記微動機構は、前記可動部材と前記粗動機構との間に設けられ、固定要素および前記固定要素に対して相対移動可能に設けられた可動要素を有し前記固定要素に対する前記可動要素の相対移動量を検出する検出手段と、前記粗動機構の変位方向と略平行に配置された長手状の側腕部を有するとともに一端が前記可動部材または前記微動機構の前記可動部材取付側端に固定され他端に前記可動要素を有し前記可動部材の変位を前記可動要素に伝達する伝達部材と、前記粗動機構の変位方向と前記伝達部材の変位方向とを略平行方向に規制する平行ガイド機構とを備え、前記平行ガイド機構は、平行四辺形型の平行リンク機構を複数備えて構成され、前記平行リンク機構の一辺を構成する第１リンク部材は、前記粗動機構に固定され、前記第１リンク部材の対向辺である第２リンク部材は、前記側腕部に固定され、前記複数の平行リンク機構は、前記粗動機構の変位方向において互いに離間して配設されていることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、平行ガイド機構によって伝達部材の変位方向は粗動機構の変位方向に規制される。伝達部材の変位方向が規制されることにより、可動部材の変位方向も可動要素の変位方向も粗動機構の変位方向に平行方向に規制される。可動要素の変位方向を一方向に限定することができれば、固定要素によって可動要素の変位量を正確に検出することができる。伝達部材によって可動部材の変位は可動要素に伝達されているので、可動要素の変位量を正確に検出することにより、可動部材の変位量を正確に知ることができる。
【００１１】
また、本発明では、平行ガイド機構は、平行四辺形型の平行リンク機構を備えて構成され、平行リンク機構の一辺を構成する第１リンク部材は、粗動機構に固定され、第１リンク部材の対向辺である第２リンク部材は、伝達部材の側腕部に固定されており、平行リンク機構の対向辺は互いに平行を保って運動するので、伝達部材の移動方向を粗動機構の変位方向と平行方向に規制することができる。すると、可動要素の移動方向が粗動機構の変位方向に規制される。可動要素の変位方向が一方向に限定されることにより、固定要素によって可動要素の変位量を正確に検出することができる。その結果、可動部材の変位量を正確に知ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の駆動装置は、請求項１に記載の駆動装置において、前記検出手段は、前記可動要素であって長手方向にスケールを有するスケール部材と、前記固定要素である検出部とを備え、前記スケール部材の長手方向が、前記粗動機構の変位方向と平行に配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、スケール部材の長手方向が粗動機構の変位方向と平行方向に移動される。よって、スケールの移動方向が一方向に規制されているので、検出部の検出面をスケールの長手方向の変位を検出するように配置しておけば、スケールの移動量を正確に検出することができる。その結果、可動部材の変位量を正確に知ることができる。
【００１４】
請求項３に記載の駆動装置は、請求項１に記載の駆動装置において、前記平行リンク機構は、一体形成され、リンク機構の連結部が弾性ヒンジで形成されていることを特徴とする。
平行リンク機構として、例えば、一枚の金属材料をワイヤカットなどで加工し、４辺と、この４辺を繋ぐ肉薄の弾性部とを有する四角形状にしたものなどを利用できる。
このような構成によれば、平行リンク機構が一部材であるので、部品点数を少なくし、組立などの手間も必要ない。４本のリンク部材と４本のヒンジピンなど個別部品の組み合わせで構成された平行リンク機構に比べて、一体成形された平行リンク機構は小型に形成することが容易である。
また、ヒンジピンを利用した場合にはヒンジで遊びが生じるが、弾性ヒンジであれば、遊びがなく、移動量が微小であっても平行度を正確に保つことができる。
【００１５】
請求項４に記載の駆動装置は、請求項１〜３のいずれかに記載の駆動装置において、前記微動機構は、圧電素子または磁歪素子に代表される固体素子を備えて形成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、圧電素子や磁歪素子などの固体素子は応答性能が高く、また、別個のガイド機構などを必要としないので、応答性が高く、かつ、小型化された微動機構を構成することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示例と共に説明する。
本発明の駆動装置の第１実施形態を図１に示す。この駆動装置１の基本的構成は、背景技術で説明したものと同様であり、本実施形態が特徴とするところは、スケール保持部材４３とＺ軸粗動台３７とを結ぶ平行リンク機構（平行ガイド機構）としての平行リンク部材７Ａ、７Ｂが設けられている点である。
【００１７】
この駆動装置１は、被測定物Ｗに接触する可動部材としての測定子２と、測定子２を上下方向に移動させる駆動機構３と、測定子２の変位を検出する変位検出器４と、駆動機構３の駆動を制御する制御回路（不図示)とを備えて構成されている。
駆動機構３は、測定子２を微小範囲で移動させる微動機構３１と、この微動機構３１とともに測定子２を大変位させる粗動機構３４とを備えて構成されている。
微動機構３１、粗動機構３４、変位検出器４および制御回路の構成は、背景技術で説明したものと同様であるが、粗動機構３４の可動コイル３６の下端に設けられるＺ軸粗動台３７の形状は、Ｚ軸方向に長さを有する棒状に形成されている。Ｚ軸粗動台３７は、図示しないベアリング（エアベアリング、ローラベアリング等)によって、ヨーク６に対する移動方向が規制されて、Ｚ軸方向にのみ変位する。
Ｚ軸粗動台３７の下端には、平行リンク部材７Ｂを取り付ける取付部３８が設けられ、取付部３８の下端には圧電素子３２を積層して構成される微動機構３１が設けられている。
【００１８】
圧電素子３２の下端には、伝達部材としてのスケール保持部材４３の横梁部４４が接着固定され、横梁部４４の下端には、測定子２が設けられている。
平行リンク機構としての平行リンク部材が２つ設けられ、第１平行リンク部材７Ａは、スケール保持部材４３の側腕部４５とＺ軸粗動台３７とを結ぶように設けられている。第２平行リンク部材７Ｂは、スケール保持部材４３の側腕部４５と取付部３８とを結ぶように設けられている。
第１平行リンク部材７Ａの一辺（第１リンク部材)７１ＡがＺ軸粗動台３７に固定され、対向する辺（第２リンク部材)７２Ａがスケール保持部材４３の側腕部４５に固定されている。
同様に、第２平行リンク部材７Ｂの一辺７１Ｂが取付部３８に固定され、対向する辺７２Ｂがスケール保持部材４３の側腕部４５に固定されている。
【００１９】
検出手段としての変位検出器４は、スケール保持部材４３に設けられた可動要素としてのスケール部材４６と、ヨーク６に設けられた固定要素としての発光受光部４７とから構成されている。
スケール部材４６は、スケール保持部材４３の側腕部４５に設けられ、スケールの長手方向を粗動機構３４の変位方向として配置されている。
発光受光部４７は、発光受光面がスケール部材４６のスケール面に対向して設けられている。
【００２０】
図２（Ａ)に平行リンク部材７Ａ，７Ｂの拡大図を示す。この平行リンク部材７Ａ、７Ｂは、ベリリウム鋼、ばね用ステンレス、ジュラルミン等の金属板からワイヤカットなどによって加工されたものである。四角板状の板の中央部が四角形に切り出され、さらに、四隅が深く切り込まれて肉薄に形成されている。このような形状により、四隅が弾性を有する弾性ヒンジとなり、図２（Ｂ)に示されるような、４本のリンク部材と、４点のヒンジピンで構成される平行リンクと同様の平行リンク機構となる。
【００２１】
このような構成からなる第１実施形態の動作を説明する。
微動機構３１である圧電素子３２および粗動機構３４である電磁アクチュエータを駆動させると、測定子２がＺ軸方向に変位する。測定子２が変位するとき、スケール保持部材４３の横梁部４４が測定子２とともに移動するので、スケール保持部材４３が測定子２とともにＺ軸方向に変位する。このとき、スケール保持部材４３の側腕部４５は、平行リンク部材７Ａ、７ＢによってＺ軸粗動台３７および取付部３８と平行な姿勢を保つ。スケール保持部材４３の側腕部４５が粗動機構３４の変位方向と平行を保つことにより、粗動機構３４および微動機構３１の変位方向が同一になるとともに、スケール保持部材４３の側腕部４５の変位方向は粗動機構３４の変位方向と平行になる。
スケール保持部材４３の変位とともにスケール保持部材４３に設けられたスケール部材４６が変位し、このスケールの変位が発光受光部４７によって検出される。スケール部材４６の変位量は微動機構３１と粗動機構３４の合成変位量である測定子２の変位量と同じであるので、発光受光部４７による検出値が測定子２の変位量として測定される。
【００２２】
このような構成からなる第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１)スケール保持部材４３の側腕部４５がＺ軸粗動台３７および取付部３８に対して平行リンク部材７Ａ、７Ｂで連結されている。さらに、微動機構３１の下端がスケール保持部材４３の横梁部４４に固定されている。すると、スケール保持部材４３の側腕部４５の変位方向を粗動機構３４の変位方向と平行にできる。さらに、粗動機構３４の変位方向と微動機構３１の変位方向が同一となる。よって、スケール部材４６の変位方向も粗動機構３４の変位方向と平行となる。このとき、Ｚ軸粗動台３７の変位方向がヨーク６に対してベアリングにより規制され、発光受光部４７がヨーク６に固定されている。よって、スケール部材４６のスケール面と発光受光部４７の発光受光面とを対向した姿勢に保つことができる。その結果、スケールの変位量を正確に検出することができる。すなわち、微動機構３１と粗動機構３４の合成変位量である測定子２の変位量を正確に測定することができる。
【００２３】
（２)平行リンク部材７Ａ、７Ｂは、一体成形されているので、部品点数を少なくし、組立工程も必要としない。平行リンク部材７Ａ、７Ｂのヒンジは弾性ヒンジであるので、遊びがなく、微小な変位でも平行姿勢を保つことができる。
【００２４】
（変形例１)
本発明の駆動装置の変形例１を図３に示す。
この変形例１の基本的構成は第１実施形態と同様であるが、第１実施形態と異なる点は、微動機構３１が電磁アクチュエータで構成されている点である。
微動機構３１は、取付部３８に固定された永久磁石３１１と、永久磁石３１１による磁界中を上下方向に移動する可動コイル３１２とを備えた電磁アクチュエータから構成されている。
このような構成においても、第１実施形態の効果（１)（２)と同様の効果を奏することができる。
【００２５】
（参考例)
参考例として、次のような構成でもよい。背景技術で説明したように、変位検出器４が固定電極４１と可動電極４２とで構成されたものでもよい。
第１実施形態において、スケール保持部材４３の横梁部４４の下端に可動電極４２を設ける。このとき可動電極４２の電極面の法線が粗動機構３４の変位方向となるように配置する。固定電極４１は、ヨーク６に可動電極４２と対向するように設ける。
このような参考例によれば、スケール保持部材４３の変位方向は粗動機構３４の変位方向に対して平行となるように規制されているので、可動電極４２の電極面が傾くことがない。よって、固定電極４１によって可動電極４２の変位量を正確に検出することができる。その結果、測定子２の変位量を正確に測定することができる。
【００２６】
尚、本発明の駆動装置は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
粗動機構３４および微動機構３１の構成は、上記実施形態、変形例に限定されるものではなく、同様の動作を行うものであればよい。例えば、微動機構３１の圧電素子３２に換えて磁歪素子を用いてもよい。
【００２７】
平行リンク部材は、２つに限らず、３つ以上でもよい。
駆動機構３としては、測定機に用いられるものではなく、測定子２に換えて可動部材を変位させるものであってもよいことはもちろんである。
検出手段としては、光電式の検出器や静電容量式のエンコーダに限らず、種々の検出手段を用い得る。いずれの検出手段においても、可動要素の変位方向を平行リンク部材によって規制することにより、検出精度を向上させることができる。
【００２８】
スケール保持部材４３の形状は、上記実施形態で示したＬ字型に限られるものではない。スケール保持部材４３は、粗動機構３４の変位方向と平行な辺を有していて平行リンク機構で粗動機構３４とスケール保持部材４３とを平行に規制できればよい。
【００２９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の駆動装置によれば、微動機構と粗動機構の合成変位を正確に検出することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の駆動装置の第１実施形態を示す図である。
【図２】前記第１実施形態において、平行リンク部材の拡大図（Ａ）と、一般的な平行リンク機構を示す図（Ｂ）である。
【図３】本発明の変形例１を示す図である。
【図４】従来の微動機構および粗動機構を有する駆動装置を示す図である。
【図５】従来の駆動装置の制御回路を示す図である。
【図６】従来の駆動装置において、微動機構の変位に傾きが生じた場合を示す図である。
【図７】従来の駆動装置において、変位検出器として光電式エンコーダを用いた場合を示す図である。
【符号の説明】
１駆動装置
２測定子(可動部材)
３駆動機構
４変位検出器（検出手段)
７Ａ、７Ｂ平行リンク部材（平行リンク機構、平行ガイド機構）
３１微動機構
３２圧電素子
３４粗動機構
４１固定電極（固定要素)
４２可動電極（可動要素)
４３スケール保持部材（伝達部材)
４６スケール部材（可動要素)
４７発光受光部

Claims

可動部材を微小変位させる微動機構と、前記微動機構とともに前記可動部材を前記微動機構よりも大変位させる粗動機構とを備える駆動装置において、
前記微動機構は、前記可動部材と前記粗動機構との間に設けられ、
固定要素および前記固定要素に対して相対移動可能に設けられた可動要素を有し前記固定要素に対する前記可動要素の相対移動量を検出する検出手段と、
前記粗動機構の変位方向と略平行に配置された長手状の側腕部を有するとともに一端が前記可動部材または前記微動機構の前記可動部材取付側端に固定され他端に前記可動要素を有し前記可動部材の変位を前記可動要素に伝達する伝達部材と、
前記粗動機構の変位方向と前記伝達部材の変位方向とを略平行方向に規制する平行ガイド機構とを備え、
前記平行ガイド機構は、平行四辺形型の平行リンク機構を複数備えて構成され、
前記平行リンク機構の一辺を構成する第１リンク部材は、前記粗動機構に固定され、
前記第１リンク部材の対向辺である第２リンク部材は、前記側腕部に固定され、
前記複数の平行リンク機構は、前記粗動機構の変位方向において互いに離間して配設されていることを特徴とする駆動装置。
請求項１に記載の駆動装置において、
前記検出手段は、前記可動要素であって長手方向にスケールを有するスケール部材と、前記固定要素である検出部とを備え、
前記スケール部材の長手方向が、前記粗動機構の変位方向と平行に配置されていることを特徴とする駆動装置。
請求項１に記載の駆動装置において、
前記平行リンク機構は、一体形成され、リンク機構の連結部が弾性ヒンジで形成されていることを特徴とする駆動装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の駆動装置において、
前記微動機構は、圧電素子または磁歪素子に代表される固体素子を備えて形成されていることを特徴とする駆動装置。