JP4153199B2 - 精密位置決め装置及び精密直動機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、精密位置決め装置及び精密直動機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位置決め装置は、電子顕微鏡における観察対象の試料の位置決め、精密工作機械における工具の位置決めなどに用いられている。図７は、従来の位置決め装置の一例の構成を示す側面図である。図７に示す位置決め装置は、ステッピングモータ７５、ステッピングモータに接続され、モータの回転運動を直線運動に変換するボールスクリュー、そして物品支持テーブル７１を備えている。ボールスクリューは、ねじ軸７４とナット７３から構成されている。支持テーブルは、ボールスクリューのナット７３に固定されている。ステッピングモータ７５とボールスクリューとは、支持テーブル７１をボールスクリューの長さ方向に沿って前進もしくは後退させる直動駆動装置として機能する。
【０００３】
また、支持テーブル７１は、テーブルを直線方向に滑らせる基台（図示は略する）の上に配置される。テーブルを直線方向に滑らすために、支持テーブルと基台の間には、リニア軸受け、空気軸受けなどが付設される。
【０００４】
ステッピングモータ７５が駆動すると、ステッピングモータの回転運動は、ボールスクリューにより直線運動に変換され、ボールスクリューのナット７３に固定された支持テーブル７１が直線方向に前進もしくは後退する。ステッピングモータ７５は、軸の回転量の分解能が高い。ステッピングモータを用いた位置決め装置は、モータの回転量を制御することにより、支持テーブルを高精度で位置決めすることができる。従来の位置決め装置の位置決め分解能（精度）は、ステッピングモータの回転量の分解能により定まる。
【０００５】
位置決め装置において、支持テーブルの位置が目標位置に到達した際に、モータの回転を停止するが、回転軸は、モータの固定子と回転子の相対位置により定まる位置に停止するため、任意の位置で回転を停止することはできない。即ち、ステッピングモータの回転軸は、段階的に一定角度ずつ回転するので、この角度の中間にある位置では、回転軸を停止することができない。また、ステッピングモータに限らず、電磁モータは、固定子と回転子を備えており、同様に任意の位置において、精密に回転軸を停止することは困難である。また、直動装置としてはリニアモータも知られているが、リニアモータは回転運動を得る電磁モータの固定子と回転子を直線方向に沿って並べた構造であり、同様に任意の位置において、精密に直動軸を停止することは困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、位置決め分解能（精度）の高い精密位置決め装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、超音波振動子の超音波振動により、超音波振動子の超音波放射面から放射される超音波の音圧により生じる力を利用することにより、位置決め分解能の高い精密位置決め装置が提供できることを見出した。精密位置決め装置の詳細な構成や動作については、後に詳しく記載する。
【０００８】
本発明は、物品支持テーブル、該支持テーブルに、一方の端部もしくはその近傍にて固定された直動ロッド、及び該直動ロッドの他方の端部もしくはその近傍に接続されていて、直動ロッドを長さ方向に前進もしくは後退させる機構を備えたロッド直動駆動装置からなる位置決め装置であって、該直動ロッドとロッド直動駆動装置とが緩衝機構を介して接続されており、該直動ロッドの側面に沿った位置に、弾性材、超音波振動子、そして超音波放射面を含む直動制御装置であって、該弾性材が、超音波振動子が振動状態にない場合には、超音波放射面を上記ロッド側面に押し付けることができるように構成され、一方、該超音波振動子が、その振動状態にある場合に、超音波放射面を、超音波振動を利用して該ロッド側面から離隔させることができるように構成されている直動制御装置がさらに配置されていることを特徴とする精密位置決め装置にある。
【０００９】
本発明の精密位置決め装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）直動ロッドの中心軸に対して対称的に、一対の直動制御装置が配置されている。
（２）超音波振動子が、ボルト締めランジュバン型振動子である。
（３）超音波放射面に、摩擦材を有する。
（４）摩擦材が、炭素繊維強化樹脂から形成されている。
（５）直動ロッドの側面に、ロッドの長さ方向に沿った溝が設けられ、超音波放射面が、前記溝の形状に対応する突起面とされている。
（６）弾性材が、コイルバネから構成されている。
【００１０】
（７）ロッド直動駆動装置が、ステッピングモータ及びボールスクリューから構成されている。
（８）ロッド直動駆動装置及び緩衝機構が、ボイスコイルモータから構成されている。
（９）支持テーブルが、テーブルを直線方向に滑らす基台の上に配置されている。
【００１１】
本発明はまた、直動ロッド、及び該直動ロッドの一方の端部もしくはその近傍に接続されていて、直動ロッドを長さ方向に前進もしくは後退させる機構を備えたロッド直動駆動装置からなる直動機構であって、該直動ロッドとロッド直動駆動装置とが緩衝機構を介して接続されており、該直動ロッドの側面に沿った位置に、弾性材、超音波振動子、そして超音波放射面を含む直動制御装置であって、該弾性材が、超音波振動子が振動状態にない場合には、超音波放射面を上記ロッド側面に押し付けることができるように構成され、一方、該超音波振動子が、その振動状態にある場合に、超音波放射面を、超音波振動を利用して該ロッド側面から離隔させることができるように構成されている直動制御装置がさらに配置されていることを特徴とする精密直動機構にもある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の精密位置決め装置を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の精密位置決め装置の一例の構成を示す平面図である。図２は、図１に記載したＩ−Ｉ線に沿って切断した精密位置決め装置の断面図である。また、図３は、図１に記載したII−II線に沿って切断した精密位置決め装置の断面図である。本発明の精密位置決め装置は、物品支持テーブル１１、支持テーブルに固定された直動ロッド１２、直動ロッドを長さ方向に前進もしくは後退させる直動駆動装置、そして直動ロッドの側面に沿った位置に配置された直動制御装置などから構成される。
【００１３】
図１に示す精密位置決め装置においては、ロッド直動駆動装置は、ステッピングモータ１３ａ及びステッピングモータの回転運動を直線運動に変換するボールスクリュー１３から構成されている。ボールスクリュー１３は、ねじ軸と、ねじ軸にはめ込まれたナット１３ｂなどから構成される。ロッド直動駆動装置は、コイルバネ１４から構成される緩衝機構を介して直動ロッド１２に接続されている。ロッド直動駆動装置は、直動ロッド１２を長さ方向に前進もしくは後退させる。
【００１４】
精密位置決め装置の直動ロッドの側面に沿った位置には、弾性材１５、超音波振動子、そして超音波放射面を含む直動制御装置が配置される。図１及び図２に示す精密位置決め装置において、弾性材は、コイルバネ１５から構成されている。
【００１５】
また、図２に示す様に、超音波振動子は、支持板２１と、支持板２１を挟むように配置された圧電素子１６、圧電素子１６を挟むようにして配置された金属製ブロック２２ａ及び２２ｂから構成される。金属製ブロック２２ａと、金属製ブロック２２ｂとはボルト２３により締め付けられ、支持板２１、一対の圧電素子１６、そして金属製ブロック２２ａ及び２２ｂは、圧電素子に電圧を印加して振動させると、一体となって振動する。このような超音波振動子の構成は、周知であり、ボルト締めランジュバン型振動子と呼ばれている。図１に示す精密位置決め装置において、金属製ブロック２２ａ及び２２ｂとしては、ジュラルミン製ブロックを用いた。直動ロッドには、超音波振動子の振動により生じる超音波が放射される。直動ロッドの側面に接する面が超音波放射面であり、図１に示す精密位置決め装置において、超音波放射面には、摩擦材１７が備えられている。摩擦材１７については、後に詳しく記載する。
【００１６】
直動制御装置の、超音波振動子が振動状態にない場合には、弾性材１５により超音波放射面は直動ロッド１２に押し付けられる。そして、超音波振動子が振動状態にある場合には、超音波振動子の超音波振動により生じる超音波が、超音波放射面から放射される。超音波放射面から放射された超音波は、超音波の音圧により直動ロッド１２を超音波放射面から遠ざけようとする。ところが、直動ロッド１２は、直動ロッドの中心軸に対して対称的に配置された一対の直動制御装置のそれぞれから、超音波の音圧による力を受ける。従って、超音波の音圧の力により直動ロッド１２の位置は変わらず、逆に直動制御装置が、自己の放射した超音波の音圧の力により直動ロッドから遠ざかり、超音波放射面は、直動ロッド１２の側面から離隔する。また、直動ロッド１２を形成する材料に特に制限はないが、一般的には、鉄やステンレススチールなどの金属材料が用いられる。また、直動ロッド、直動ロッドに緩衝機構を介して接続されたロッド直動駆動装置、及び直動制御装置が、本発明の精密直動機構を構成する。
【００１７】
物品支持テーブルは、テーブルを直線方向に滑らす基台の上に配置されていることが好ましい。図３に示すように、支持テーブル１１は、基台２４の上に、リニアガイド２０を介して固定されている。リニアガイドのようなリニア軸受けを用いることにより、支持テーブル１１を、リニアガイドの長さ方向に沿って滑らすことができる。
【００１８】
次に、本発明の精密位置決め装置の動作について説明する。図１に示すように、本発明の精密位置決め装置においては、超音波振動子が振動状態にない場合には、直動駆動装置の超音波放射面が、弾性材１５により、直動ロッド１２の側面に押し付けられている。圧電素子に電圧を印加することにより超音波振動子が振動すると、超音波振動子の超音波放射面から超音波が放射される。前記のように、超音波放射面から超音波が放射されると、直動制御装置は、自己の放射した超音波の音圧の力により直動ロッドから遠ざかり、超音波放射面は、直動ロッド１２の側面から離隔する。従って、超音波放射面と直動ロッド１２との間に、極僅かに隙間を生ずる。超音波放射面と直動ロッド１２との間に隙間を生じた状態においては、超音波放射面と、直動ロッド１２との摩擦抵抗は零（もしくは零近傍の値）であるため、直動ロッドをロッド直動駆動装置により移動することにより、物品支持テーブルを自由に移動することができる。
【００１９】
支持テーブル１１を停止するときには、ロッド直動駆動装置及び超音波振動子の駆動を同時に停止する。超音波振動子の駆動が停止されると、超音波放射面が直動ロッド１２に押し付けられて瞬間的に直動ロッドは停止する。超音波の音圧により超音波放射面と直動ロッド１２との間に生ずる隙間の間隔は、１ｍｍ以下、通常は、ミクロン以下の極僅かな距離である。このため、超音波振動子の駆動が停止するとほぼ同時に、直動ロッド１２の側面に超音波放射面が押し付けられ、瞬間的に直動ロッドが停止する。そして、ステッピングモータ１３ａを備えたロッド直動駆動装置は、モータの駆動の停止の指示を受けてから僅かに変位した後に停止するが、直動ロッドが超音波振動子により強制的に停止されるために、モータの僅かな変位は、緩衝機構であるコイルバネ１４が伸縮することにより吸収される。このように超音波振動子により直動ロッドを急停止させることにより、高分解能（高精度）で物品支持テーブルの位置決めができる。また、コイルバネ１４が無いと、直動ロッド１２が急停止した際のモータの微動により、直動ロッドを挟む超音波振動子に負荷がかかり、超音波放射面に傷や割れを生ずる場合がある。
【００２０】
本発明においては、超音波放射面を直動ロッド１２の側面に押し付けることにより生ずる摩擦抵抗により、直動ロッドを停止する。従って、超音波放射面を直動ロッドに押し付ける際の充分な摩擦抵抗を得るために、超音波放射面と直動ロッドの側面のうちの少なくとも一方の面には、摩擦材が備えられていることが好ましい。図１に示す精密位置決め装置の場合、超音波放射面に摩擦材１７が備えられている。図２の断面図に示すように、摩擦材１７としては、樹脂材料中に高弾性繊維が整列配置した構成の繊維強化樹脂材料が用いられている。図２に示すように、高弾性繊維は、繊維の長さ方向が、直動ロッドの移動方向に沿うように（図２においては、紙面に垂直な方向に）整列配置している。
【００２１】
摩擦材１７を形成する材料の例としては、ポリアミド、ポリイミド、テフロン（登録商標）などの樹脂が挙げられる。摩擦材１７を形成する材料は、摩擦材の表面粗さを調節するためにカーボン粉末を含有することも好ましい。また、前記のように、摩擦材１７を形成する材料として、繊維強化樹脂材を用いることが好ましく、炭素繊維強化樹脂材を用いることがさらに好ましい。
【００２２】
繊維強化樹脂材の高弾性繊維は、繊維の長さ方向が、直動ロッドの移動方向に沿った方向となるようにして整列配置していることが好ましい。この様な繊維の配置により、摩擦材の繊維に沿った方向における剛性が高くなり、直動ロッドに超音波放射面を押し付けた際の、超音波振動子の、直動ロッドの移動方向に沿ったぶれを抑えることができる。
【００２３】
繊維強化樹脂材の樹脂材料の例としては、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、およびポリアミドイミド樹脂などが挙げられる。高弾性繊維の例としては、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、ポリアミド繊維、ポリアミド繊維、およびアラミド繊維などが挙げられる。図１に示す精密位置決め装置の摩擦材１７は、ポリアミド樹脂中に炭素繊維が整列配置した構成の繊維強化樹脂材から形成されている。
【００２４】
また、超音波放射面と、直動ロッド１２の超音波振動子側の側面との一方の面に、直動ロッドの移動方向に沿った溝が設けられ、そして他方の面が、前記溝と対応する突起が設けられている突起面であることも好ましい。
【００２５】
図４は、直動ロッドと超音波振動子の別の一例の構成を示す断面図である。図４に示す直動ロッド１２の超音波振動子側の面には、直動ロッドの移動方向に沿った溝が設けられている。一方、超音波放射面は、直動ロッドに設けられた溝の形状に対応する突起が設けられた突起面とされている。直動ロッドと超音波振動子に、このような溝と突起を設けることにより、直動ロッドを直線方向に安定に移動できる。なお、図４においては、超音波放射面は、摩擦材１７を備えている。
【００２６】
図５は、直動ロッドと超音波振動子のさらに別の一例の構成を示す断面図である。図５において、超音波放射面には、直動ロッドの移動方向に沿った溝が設けられている。他方、直動ロッド１２の超音波振動子側の面は、超音波放射面に設けられた溝の形状に対応する突起が設けられた突起面とされている。なお、図５においては、直動ロッド１２の側面が、摩擦材１７ａを備えている。
【００２７】
次に、本発明の精密位置決め装置の別の態様について説明する。図６は、本発明の精密位置決め装置の別の一例の構成を示す平面図である。図６に示す精密位置決め装置においては、ロッド直動駆動装置及び緩衝機構として、ボイスコイルモータ６３を用いている。図６の精密位置決め装置の構成は、ロッド直動駆動装置と緩衝機構としてボイスコイルモータを用いること以外は、図１の精密位置決め装置と同様である。
【００２８】
ボイスコイルモータ６３は、直動制御装置により直動ロッドが急停止した後に生じる微動を、ボイスコイルモータ自身で吸収することができる。即ち、ボイスコイルモータ６３は、直動駆動装置と緩衝機構の機能を兼ね備えている。従って、直動駆動装置としてボイスコイルモータ６３を用いる場合には、図１に示すモータと直動ロッドとの間に配置される緩衝機構（図１のコイルバネ１４）は不要であり、精密位置決め装置の構成がより簡略となる。さらに、ボイスコイルモータ６３は、電磁モータの中でも、分解能が高いことが知られており、本発明の精密位置決め装置に好ましく用いることができる。
【００２９】
なお、本発明において、緩衝機構（図１のコイルバネ１４）もしくは弾性材（図１のコイルバネ１５）としては、コイルバネを用いることが好ましいが、ゴムなどの弾性材料から形成した成形体を用いることもできる。また、本発明に用いる超音波振動子は、振動振幅の大きい（従って、放射される超音波の音圧が大きい）ボルト締めランジュバン型振動子を用いることが好ましいが、公知の超音波振動子を用いることができる。本発明に用いる超音波振動子としては、圧電素子のみ、あるいは圧電素子の積層体を用いることもできる。
【００３０】
本発明の精密位置決め装置に、直動駆動装置と直動制御装置の制御機構、そして支持テーブルの位置センサを付設して、位置センサの示す支持テーブルの位置と支持テーブルの目標位置とを用いて直動駆動装置をサーボ制御することも好ましい。サーボ制御の際には、位置センサが目標位置を示すと同時に、直動制御装置の超音波振動子及び直動駆動装置の駆動を停止して、直動ロッドを急停止させる。また、直動駆動装置の制御において、支持テーブルの位置が目標位置となるように直動ロッドを移動する際に、位置センサの示すテーブルの位置とテーブルの目標位置との差が、予め定められた値以下となった後に、各超音波振動子の駆動電圧を低下させる、もしくは各超音波振動子を間欠的に駆動することにより、超音波放射面と直動ロッド側面との摩擦抵抗を調節することにより、直動駆動装置により移動する直動ロッドの速度を低下させる制御を含むことが好ましい。このように支持テーブルが目標位置に近づいたときに直動ロッドの速度を低下させ、位置センサが目標位置を示すと同時に直動ロッドを急停止することで、より高精度に直動ロッドを停止でき、高分解能（高精度）に支持テーブルを位置決めできる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の精密位置決め装置は、位置決めの分解能（精度）が高く、精密工作機械などの様々な用途に好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の精密位置決め装置の一例の構成を示す平面図である。
【図２】図１に記入したＩ−Ｉ線に沿って切断した精密位置決め装置の断面図である。
【図３】図１に記入したII−II線に沿って切断した精密位置決め装置の断面図である。
【図４】直動ロッドと超音波振動子の別の一例の構成を示す断面図である。
【図５】直動ロッドと超音波振動子のさらに別の一例の構成を示す断面図である。
【図６】本発明の精密位置決め装置の別の一例の構成を示す平面図である。
【図７】従来の位置決め装置の一例の構成を示す側面図である。
【符号の説明】
１１ 物品支持テーブル
１２ 直動ロッド
１３ ボールスクリュー
１３ａ ステッピングモータ
１３ｂ ナット
１４ コイルバネ
１５ コイルバネ
１６ 圧電素子
１７、１７ａ 摩擦材
１８ フレーム
１９ フレーム
２０ リニアガイド
２１ 支持板
２２ａ、２２ｂ ジュラルミン製ブロック
２３ ボルト
２４ 基台
６３ ボイスコイルモータ
７１ 物品支持テーブル
７３ ナット
７４ ねじ軸
７５ ステッピングモータ

Claims (19)

1. 物品支持テーブル、該支持テーブルに、一方の端部もしくはその近傍にて固定された直動ロッド、及び該直動ロッドの他方の端部もしくはその近傍に接続されていて、直動ロッドを長さ方向に前進もしくは後退させる機構を備えたロッド直動駆動装置からなる位置決め装置であって、該直動ロッドとロッド直動駆動装置とが緩衝機構を介して接続されており、該直動ロッドの側面に沿った位置に、弾性材、超音波振動子、そして超音波放射面を含む直動制御装置であって、該弾性材が、超音波振動子が振動状態にない場合には、超音波放射面を上記ロッド側面に押し付けることができるように構成され、一方、該超音波振動子が、その振動状態にある場合に、超音波放射面を、超音波振動を利用して該ロッド側面から離隔させることができるように構成されている直動制御装置がさらに配置されていることを特徴とする精密位置決め装置。
2. 直動ロッドの中心軸に対して対称的に、一対の直動制御装置が配置されている請求項１に記載の精密位置決め装置。
3. 超音波振動子が、ボルト締めランジュバン型振動子である請求項１に記載の精密位置決め装置。
4. 超音波放射面に、摩擦材を有する請求項１に記載の精密位置決め装置。
5. 摩擦材が、炭素繊維強化樹脂から形成されている請求項４に記載の精密位置決め装置。
6. 直動ロッドの側面に、ロッドの長さ方向に沿った溝が設けられ、超音波放射面が、前記溝の形状に対応する突起面とされている請求項１に記載の精密位置決め装置。
7. 弾性材が、コイルバネから構成されている請求項１に記載の精密位置決め装置。
8. ロッド直動駆動装置が、ステッピングモータ及びボールスクリューから構成されている請求項１に記載の精密位置決め装置。
9. ロッド直動駆動装置及び緩衝機構が、ボイスコイルモータから構成されている請求項１に記載の精密位置決め装置。
10. 支持テーブルが、テーブルを直線方向に滑らす基台の上に配置されている請求項１に記載の精密位置決め装置。
11. 直動ロッド、及び該直動ロッドの一方の端部もしくはその近傍に接続されていて、直動ロッドを長さ方向に前進もしくは後退させる機構を備えたロッド直動駆動装置からなる直動機構であって、該直動ロッドとロッド直動駆動装置とが緩衝機構を介して接続されており、該直動ロッドの側面に沿った位置に、弾性材、超音波振動子、そして超音波放射面を含む直動制御装置であって、該弾性材が、超音波振動子が振動状態にない場合には、超音波放射面を上記ロッド側面に押し付けることができるように構成され、一方、該超音波振動子が、その振動状態にある場合に、超音波放射面を、超音波振動を利用して該ロッド側面から離隔させることができるように構成されている直動制御装置がさらに配置されていることを特徴とする精密直動機構。
12. 直動ロッドの中心軸に対して対称的に、一対の直動制御装置が配置されている請求項１１に記載の精密直動機構。
13. 超音波振動子が、ボルト締めランジュバン型振動子である請求項１１に記載の精密直動機構。
14. 超音波放射面に、摩擦材を有する請求項１１に記載の精密直動機構。
15. 摩擦材が、炭素繊維強化樹脂から形成されている請求項１４に記載の精密直動機構。
16. 弾性材が、コイルバネから構成されている請求項１１に記載の精密直動機構。
17. ロッド直動駆動装置が、ステッピングモータ、及びボールスクリューから構成されている請求項１１に記載の精密直動機構。
18. ロッド直動駆動装置及び緩衝機構が、ボイスコイルモータから構成されている請求項１１に記載の精密直動機構。
19. 直動ロッドの側面に、ロッドの長さ方向に沿った溝が設けられ、超音波放射面が、前記溝の形状に対応する突起面とされている請求項１１に記載の精密直動機構。

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