JP4794087B2 - 変位量の微調整装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば工作機械や顕微鏡等におけるＸ−Ｙテーブルの微量送り機構等に適用できる変位量の微調整用の装置並びにその方法に係り、特に半導体の製造や遺伝子分析等の分野において好適な超高精度の位置出し、微量送りの可能な変位量の微調整装置並びに変位量の微調整方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
旋盤、フライス盤を初めとする各種工作機械や産業用ロボット、更には顕微鏡や写真現像用の拡大投影機等には、Ｘ−Ｙテーブルと呼ばれる水平２軸を移動できるスライドテーブルが使用されている。Ｘ−Ｙテーブルの移動駆動手段としてはモータの回転運動をスライダの直線運動に変換するボールねじ機構等が採用されており、更に微量な送りを可能にするためにモータの出力軸に減速機を接続し、ボールねじのスクリューシャフトの回転数を極めて低速に設定する試みがなされている。
【０００３】
上記の減速機は歯数ないし径を異にする複数の歯車を適宜組み合わせて成る歯車列を利用したものがほとんどであり、各歯車間のバックラッシュやこれらと支持部材との間のクリアランスあるいは組み付け時の組付誤差等があり、設定できる変位量としては数μｍオーダーが限界とされていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら近時の産業界の発達は目覚ましく、例えばＩＣ、ＬＳＩ等の半導体の製造分野や遺伝子情報の分析等を行う研究分野では更に１／１０００、精度を高めた数ｎｍオーダーの変位量の調整が求められている
これを従来の歯車列による減速機により実現しようとした場合、個々の部品の精度を高め、クリアランスを最小限に小さくし、組付誤差をなくすといっても限界があり、また装置の大型化、複雑化や製造コストの大幅な増大につながり技術的、経済的にその実現は事実上不可能である。
【０００５】
本発明は上記の従来の問題点に着目してなされたものであって、極めて簡易且つ安価な構成により高精度でしかも安定性、確実性の高い極微量の変位量の調整を可能にする変位量の微調整装置並びに変位量の微調整方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、互いに対向して平行に配置された一対の弾性部材と、前記一対の弾性部材の一端に一体に形成され所定位置に固定される固定部と、前記一対の弾性部材の他端に一体に形成され移動可能な移動部と、前記一対の弾性部材を撓むように弾性変形させて、前記移動部を微量だけ変位させる駆動手段を具備し、前記駆動手段は、一対の弾性部材の互いに対向する部分に渡されて一体に形成され、且つ「く」の字形に湾曲した形状に形成され真っ直ぐになる形状に弾性変形する湾曲部材と、前記湾曲部材の中央部を押圧する駆動装置を備え、前記駆動装置が駆動すると、前記湾曲部材の中央部が押圧されて真っ直ぐに延びる方向に弾性変形する
ことを特徴とする変位量の微調整装置である。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載した変位量の微調整装置において、移動部には当該移動部の移動を弾性変形することにより許容する支持片の一端が一体に形成されていることを特徴とする変位量の微調整装置である。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２に記載した変位量の微調整装置において、支持片の他端には固定部材が一体に形成され支持されていることを特徴とする変位量の微調整装置である。
【００１１】
請求項４の発明は、互いに対向して平行に配置された一対の弾性部材が複数組備えられ、前記一対の弾性部材の一端に形成され所定位置に固定される固定部と、前記複数組備えられた一対の弾性部材の他端に１つの移動部が一体に形成され、前記一対の弾性部材を撓むように弾性変形させて、前記移動部を微量だけ変位させる駆動手段を具備し、且つ前記１つの移動ベースと前記複数組備えられた一対の弾性部材の配置関係が、１つの移動ベースを異なる複数の方向へ変位させるものであり、前記駆動手段は、一対の弾性部材の互いに対向する部分に渡されて一体に形成され、且つ「く」の字形に湾曲した形状に形成され真っ直ぐになる形状に弾性変形する湾曲部材と、前記湾曲部材の中央部を押圧する駆動装置を備え、前記駆動装置が駆動すると、前記湾曲部材の中央部が押圧されて真っ直ぐに延びる方向に弾性変形することを特徴とする変位量の微調整装置である。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項４に記載した変位量の微調整装置において、移動部には当該移動部の異なる複数の方向の変位を弾性変形によって許容する複数の支持片の一端が一体に形成されていることを特徴とする変位量の微調整装置である。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項４に記載した変位量の微調整装置において、支持片の他端には取付ベースが一体に形成されていることを特徴とする変位量の微調整装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１から図３に基づいて本発明の第１の実施の形態に係る変位量の微調整装置１並びにこの装置を使用した本発明の変位量の微調整方法について説明する。
符号３は一対の弾性部材としての一対の弾性板を示し、この一対の弾性板３は互いに対向して平行に配置されている。一対の弾性板３の一端部には、固定部としての固定ブロック７が一体に形成されている。この固定ブロック７は、取付ベース１５に設けられた延長ブロック８に固定されている。また固定ブロック７には貫通穴５が形成されている。
【００１７】
一対の弾性板３の他端には移動部としての移動ブロック９が一体に形成され、この移動ブロック９の下面には支持片１１の一端が一体に形成され、さらにこの支持片１１の他端には基台部１３が一体に形成されている。基台部１３は取付ベース１５に取り付けられている。
符号１７は湾曲部材としての湾曲板を示し、この湾曲板１７は一対の弾性板３の対向領域に配置され、その両端部は一対の弾性板３の対向する部分のほぼ中央に一体に形成されている。即ち、湾曲板１７は一対の弾性板３の対向する部分に渡されて一体に形成されている。湾曲板１７は「く」の字形に湾曲する形状で、真っ直ぐになる形状に弾性変形することができる。
【００１８】
一対の湾曲板３、固定ブロック７、移動ブロック９、支持片１１及び湾曲板１７は焼き入れをした鋼材によって一体に形成されている。従って、これらの部材間に組付誤差が発生することはない。なお、湾曲板３、固定ブロック７、移動ブロック９、支持片１１及び湾曲板１７は、ワイヤカット放電加工機やレーザ加工機等を用いた高精度切削加工によって製作する。
【００１９】
符号１９は駆動装置としてのマイクロメータを示し、このマイクロメータ１９の本体２１は固定ブロック７に取り付けられており、摺動子２３は固定ブロック７の貫通穴５へ貫入している。摺動子２３の先端部は湾曲板１７の中央部に連結されている。マイクロメータ１９の操作部２５を回すと、摺動子２３が前進後退する。
【００２０】
移動ブロック９には載置テーブル２７が接続されており、載置テーブル２７は移動ブロック９と共に変位する。また載置テーブル２７には変位量検出センサ２９が接続されており、載置テーブル２７の変位量を検出する。
【００２１】
次に変位量の微調整装置１の動作について説明する。
マイクロメータ１９の操作部２５を回して摺動子２３を進行させると、湾曲板１７の中央部が押圧され、実線で示す状態から仮想線で示す真っ直ぐになる状態に弾性変形する。湾曲片１７が真っ直ぐに延びるに従って一対の弾性板３が押されて、一対の弾性板３が実線で示す状態から仮想線で示すように互いに離間する方向へ撓んで弾性変形する。一対の弾性板３が撓んで互いに離間する方向へ弾性変形するのに伴い、移動ブロック９を後退させる方向の力が生じて、移動ブロック９は微量だけ載置テーブル２７と共に後退する方向へ変位する。
上記の動作において一対の弾性板３を用いたので、不要な回転（倒れ）方向の力が相殺され、移動ブロック９を真っ直ぐに変位させることができる。
【００２２】
マイクロメータ１９の操作部２５を操作して摺動子２３を後退させると、湾曲板１７が仮想線で示す真っ直ぐな状態から実線で示す「く」の字形の状態に戻り、これに伴って一対の弾性板３が互いに近接する方向へ動作して実線で示す元の状態になり、移動ブロック９が前進する方向へ変位する。移動ブロック９の変位に伴って支持片１１が元の状態に戻る。
上記した湾曲板１７が実線で示す「く」の字形の状態となり、一対の弾性板３が平行になる状態で、移動ブロック９が最も前進した位置となる。
上記の動作における移動ブロック９の変位量は、マイクロメータ１９の摺動子２３の変位量が数μｍであるのに対し数ｎｍという極微量なものである。
【００２３】
移動ブロック９（載置テーブル２７）の変位量は変位量検出センサ２９によって検出する。
上記したようにマイクロメータ１９の摺動子２３を前進後退する方向へ変位させるのに伴い移動ブロック９も変位するが、摺動子２３の変位量と移動ブロック９の変位量は正比例する関係にはならない。それは、一対の弾性板３が互いに離れる方向へ弾性変形する程、移動ブロック９の変位量が小さくなるからである。即ち、摺動子２３が前進するのに伴い一対の弾性板３の湾曲が大きくなるのに従い、移動ブロック９の変位量が小さくなる。従って、摺動子２３を同じ量ずつ前進させても、摺動子２３が前進する程、移動ブロック９の変位量が小さくなる。
【００２４】
そこで、マイクロメータ１９の摺動子２３の前進量と移動ブロック９の変位量を予め計測しておき、この計測したデータをコンピュータに記憶させ、データから算出した摺動子２３の前進量と移動ブロック９の変位量の関係に基づいて、マイクロメータ１９の摺動子２３の前進後退を制御すれば所望の移動ブロック９の変位量を得ることができる。例えば、マイクロメータ１９の摺動子２３を初期状態から５μｍずつ前進させた場合の移動ブロック９の変位量が初期位置から１０ｎｍ、７ｎｍ、５ｎｍ…である場合に、このデータをコンピュータに記憶させ、摺動子２３の前進量と移動ブロック９の変位量との関係に基づいて摺動子２３の前進後退を制御すれば、移動ブロック９を変位させたい量に対応して摺動子２３を前進後退させることができる。
また、マイクロメータ１９の目盛２０は、上記の摺動子２３の前進量と移動ブロック９の変位量との関係に基づいて不等間隔に設けてある。従ってマイクロメータ１９の摺動子２３を上記の不等間隔に設けた目盛２０の１目盛分ずつ進めることにより移動ブロック９を等しい量ずつ変位させることができる。
この第１の実施の形態において、移動ブロック９を後退させるのに一対の弾性板３を互いに離間する方向へ弾性変形させたが、本発明はこれに限定させず、一対の弾性板３を互いに近づく方向へ撓ませ弾性変形させてもよい。
【００２５】
図４から図７に基づいて本発明の第２の実施の形態に係る変位量の微調整装置３１並びにこの装置を使用した本発明の変位量の微調整方法について説明する。
第２の実施の形態に係る変位量の微調整装置３１は、本発明をＸ−Ｙテーブルに適用したものである。
第２の実施の形態に係る変位量の微調整装置３１は、第１の実施の形態に係る変位量の微調整装置１の構成と同様の部分を有するので、同様の構成部分については第１の実施の形態で用いた符号を付して、その説明を省略する。
【００２６】
一対の弾性板３は二組設けられ、一対の弾性板３は、弾性板３の延長線が互いに直交する位置に配置されている。一対の弾性板３の一端には固定ブロック７が一体に形成され、この固定ブロック７は取付ベース３３の支持台３５にボルト３７によって固定されている。
二組の一対の弾性板３の他端には、移動部としての１つの移動ベース３９が一体に形成されている。移動ベース３９の下面には一対の支持片４１が一体に形成されており、この一対の支持片４１の下端には平板状の中間ベース４３が一体に形成されている。中間ベース４３の下面には一対の支持片４５が一体に形成され、この支持片４５は一対の支持片４１に直交する向きに配置されている。即ち、一対の支持片４１と一対の支持片４５は、平面視で井桁状になるように配置されている。
【００２７】
一対の支持片４５の下端には平板状の固定ベース４７が一体に形成されている。固定ベース４７は取付ベース３３に取り付けられている。
二組の一対の弾性板３、固定ブロック７、移動ベース３９、支持片４１、中間ベース４３、支持片４５及び固定ベース４７は一体に形成され、焼き入れした鋼材によって構成されている。従って、これらの部材間に組付誤差が発生することはない。なお、弾性板３、固定ブロック７、移動ベース３９、支持片４１、中間ベース４３、支持片４５及び固定ベース４７は第１の実施の形態で説明したのと同様にワイヤカット放電加工機等を用いた高精度切削加工等によって製作する。
【００２８】
一対の弾性板３には、雌ネジ部材としての雌ネジブロック４９がそれぞれ一体に形成されており、この雌ネジブロック４９は互いに異なるネジ方向の雌ネジが形成されている。雌ネジネブロック４９には、一対の雌ネジブロック４９の雌ネジに対応する異なるネジ方向の２つの雄ネジを有するスクリューシャフト５１が螺合している。このスクリューシャフト５１によって雄ネジ部材が構成されている。スクリューシャフト５１はカップリング５３を介してサーボモータ５５の回転軸５６に連結されている。
駆動手段は、一対の雌ネジブロック４９、スクリューシャフト５１、カップリング５３及びサーボモータ５５によって構成されている。
移動ベース３９にはＸ−Ｙテーブル５７が取り付けられている。また移動ベース３９に変位量検出センサ２９が接続されている。
【００２９】
次に、この変位量の微調整装置３１の動作について説明する。
変位量の微調整装置３１のＸ−Ｙテーブル５７を動かすための動作は、二組設けられた一対の弾性板３のいずれかの側を弾性変形させるだけでＸ１−Ｘ２方向、Ｙ１−Ｙ２方向のいずれも同じある。
サーボモータ５５を駆動し回転軸５６を正転させると、これと共にスクリューシャフト５１が回転し、一対の雌ネジブロック４９が互いに離間する方向へ移動する。これによって、一対の弾性板３が実線で示す状態から仮想線で示すように離間する方向へ撓んで弾性変形する。一対の弾性板３が撓んで互いに離間する方向へ弾性変形するのに伴い、移動ベース３９をＸ２へ変位させる方向の力が生じて、移動ベース３９はＸ−Ｙテーブル５７と共にＸ２方向へ変位する。
【００３０】
サーボモータ５５の回転軸５６を逆転させると、回転軸５６と共にスクリューシャフト５１も逆転して、雌ネジブロック４９が互いに近接する方向へ移動する。これに伴って一対の弾性板３が互いに近接する方向へ動作して実線で示す元の状態になる。これに伴い移動ベース３９がＸ１方向へ変位する。また移動ベース３９の変位に伴って支持片４５が元の状態に戻る。そして、一対の弾性板３が平行になる状態で、移動ベース３９が最もＸ１方向側へ変位した位置となる。
移動ベース３９をＹ１−Ｙ２方向へ変位させる場合も、上記のＸ１−Ｘ２方向へ変位させる動作と同様である。なお、移動ベース３９のＹ１−Ｙ２方向への変位に伴って、一対の支持片４５が弾性変形する。
なお、Ｙ１−Ｙ２方向の動作においても、一対の弾性板３が平行になる状態で、移動ベース３９が最もＹ１方向側へ変位した位置となる。
【００３１】
上記の動作において一対の弾性板３を用いたので、不要な回転（倒れ）方向の力が相殺され、移動ベース３９を真っ直ぐに変位させることができる。
移動ベース３９をＸ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向へ適当に変位させて、Ｘ−Ｙテーブル５７を所望の位置に停止させる。
上記の動作における移動ベース３９の変位量は、スクリューシャフト５１の変位量が数μｍであるのに対し数ｎｍという極微量なものである。
移動ベース３９（Ｘ−Ｙテーブル５７）の変位量は変位量検出センサ２９によって検出する。
【００３２】
なお、この変位量の微調整装置３１においても、第１の実施の形態で説明した制御方法と同様に、サーボモータ５５の回転軸５６の回転量と移動ベース３９の変位量を計測して求めておき、この計測したデータをコンピュータに記憶させ、データから算出した回転軸５６の回転量と移動ベース３９の変位量の関係に基づいてサーボモータ５５の回転軸５６の回転量を制御する。
この第２の実施の形態において、移動ベース３９をＸ２方向またＹ２方向へ動作させるのに一対の弾性板３を互いに離間する方向へ弾性変形させたが、本発明はこれに限定させず、一対の弾性板３を互いに近づく方向へ撓ませ弾性変形させてもよい。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても本発明に含まれる。
上記第１の実施の形態において湾曲板３、固定ブロック７、移動ブロック９、支持片１１及び湾曲板１７を、第２の実施の形態において弾性板３、固定ブロック７、移動ベース３９、支持片４１、中間ベース４３、支持片４５及び固定ベース４７をワイヤカット放電加工機やレーザ加工機等を用いた高精度切削加工によって成形したものに焼き入れを施して製作したが、本発明はこれに限定されず、プラスチック等によって製作してもよい。
また、上記実施の形態では、一対の湾曲板３を平行になるように配置したが、本発明はこれに限定されず、線対称となる配置関係であれば例えば「ハ」の字状に傾斜していてもよい。
【００３４】
前記実施の形態１及び実施の形態２に示す変位量の微調整装置を移動量の調整のみを目的として使用するのではなく、かかる構成を採ることによって生ずる減速作用に着目し、増力装置等の目的で使用することも可能である。その一例として本発明の変位量の微調整装置を極めて大型に成形し、荷役装置等として使用する態様が考えられる。
【００３５】
変位量の微調整装置３１の支持片４１、４５の配置態様として、上記平面視において移動ベース３９の内側に完全に納まる井桁状に組んだ配置態様の他、図８（ａ）、（ｂ）に示す変位量の微調整装置５１、６１ように平面視において移動ベース３９の外側に支持片４５を配置する態様を採ることも可能である。
図８（ａ）に示す変位量の微調整装置５１では、各８枚ずつの支持片４１、４５を配置し、また図８（ｂ）に示す微調整装置６１では、各４枚ずつの支持片４１、４５を配置している。このように多数の支持片４１、４５を備えることにより、移動ベース３９の変位方向が傾くのを防止でき、移動ベース３９をより確実に真っ直ぐに移動させることができる。即ち、支持片４１はＸ１−Ｘ２方向以外の方向からの力には弾性変形しにくく、また支持片４５はＹ１−Ｙ２方向以外の方向からの力には弾性変形しにくい。従って、支持片４１、４５を多数設けることで、移動ベース３９がＸ１−Ｘ２方向及びＹ１−Ｙ２方向以外に傾くのを規制して、常に真っ直ぐに変位するようにしている。
なお、図８では駆動手段としてマイクロメータ１９を用いた例を示した。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明の変位量の微調整装置によれば、歯車列を使用した減速機に見られる歯車のバックラッシュや歯車と支持部材間のクリアランス、複数の部品を組み付ける場合に生ずる組付誤差等の問題は生ぜず、極めて簡易な構成により小型、軽量且つ安価に変位量の微調整装置を製造できる。
しかも、複数の部材を組み付けて使用する場合問題となる部材間の膨張率ないし収縮率の違いによって引き起こされる変位量のズレ等の問題も生じない。
【００３７】
また、互いに対向して配置した一対の弾性板を用いたので、弾性板が湾曲しても不要な回転（倒れ）方向の力が相殺され、移動部を真っ直ぐに変位させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る変位量の微調整装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る変位量の微調整装置を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る変位量の微調整装置を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る変位量の微調整装置を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る変位量の微調整装置を示す平面図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る変位量の微調整装置を示す正面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る変位量の微調整装置を示す側面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る変位量の微調整装置において、弾性支持片の配設態様を異ならせた二種の実施の形態を示す骨格的平面図である。
【符号の説明】
１ 変位量の微調整装置
３ 一対の弾性板
７ 固定ブロック
９ 移動ブロック
１１ 支持片
１７ 湾曲板
１９ マイクロメータ
３１ 変位量の微調整装置
３９ 移動ベース
４１、４５ 支持片
４３ 中間ベース
４７ 固定ベース
４９ 雌ネジブロック
５１ スクリューシャフト
５５ サーボモータ

Claims (6)

1. 互いに対向して平行に配置された一対の弾性部材と、前記一対の弾性部材の一端に一体に形成され所定位置に固定される固定部と、前記一対の弾性部材の他端に一体に形成され移動可能な移動部と、前記一対の弾性部材を撓むように弾性変形させて、前記移動部を微量だけ変位させる駆動手段を具備し、
   前記駆動手段は、
   一対の弾性部材の互いに対向する部分に渡されて一体に形成され、且つ「く」の字形に湾曲した形状に形成され真っ直ぐになる形状に弾性変形する湾曲部材と、
   前記湾曲部材の中央部を押圧する駆動装置を備え、
   前記駆動装置が駆動すると、前記湾曲部材の中央部が押圧されて真っ直ぐに延びる方向に弾性変形する
   ことを特徴とする変位量の微調整装置。
2. 請求項１に記載した変位量の微調整装置において、移動部には当該移動部の移動を弾性変形することにより許容する支持片の一端が一体に形成されていることを特徴とする変位量の微調整装置。
3. 請求項２に記載した変位量の微調整装置において、支持片の他端には固定部材が一体に形成され支持されていることを特徴とする変位量の微調整装置。
4. 互いに対向して平行に配置された一対の弾性部材が複数組備えられ、前記一対の弾性部材の一端に形成され所定位置に固定される固定部と、前記複数組備えられた一対の弾性部材の他端に１つの移動部が一体に形成され、前記一対の弾性部材を撓むように弾性変形させて、前記移動部を微量だけ変位させる駆動手段を具備し、且つ前記１つの移動ベースと前記複数組備えられた一対の弾性部材の配置関係が、１つの移動ベースを異なる複数の方向へ変位させるものであり、
   前記駆動手段は、
   一対の弾性部材の互いに対向する部分に渡されて一体に形成され、且つ「く」の字形に湾曲した形状に形成され真っ直ぐになる形状に弾性変形する湾曲部材と、
   前記湾曲部材の中央部を押圧する駆動装置を備え、
   前記駆動装置が駆動すると、前記湾曲部材の中央部が押圧されて真っ直ぐに延びる方向に弾性変形する
   ことを特徴とする変位量の微調整装置。
5. 請求項４に記載した変位量の微調整装置において、移動部には当該移動部の異なる複数の方向の変位を弾性変形によって許容する複数の支持片の一端が一体に形成されていることを特徴とする変位量の微調整装置。
6. 請求項４に記載した変位量の微調整装置において、支持片の他端には取付ベースが一体に形成されていることを特徴とする変位量の微調整装置。

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