JPH0251093A - 精密機器の微小送り機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、精密機器の微小送り機構に係り、高精度かつ
高い剛性を要求される測定装置、工作機械あるいは半導
体製造装置等に利用できる。

〔従来の技術〕

従来より、測定装置、工作機械あるいは半導体製造装置
においては、測定子や工具等の対象物を任意位置に正確
に移動させるために精密送り機構が採用されている。

このような精密送り機構においては、対象物を取付ける
移動側を所定送り方向に案内する案内手段を基準側に設
け、送り方向精度を確保するととに、移動側を基準側に
対して駆動する駆動手段の高精度化により、送り量や位
置の精度を確保している。

また、駆動手段の高精度化に伴って移動の高速性が阻害
されないように、実際の測定や加工等の＠調整を行う微
小送り機構とは別に、準備段階の粗調整を行う高速送り
機構を設けて高速性を確保することがなされ、微小送り
機構における一層の高精度化が期待されている。

ここで、前述のような精密送り機構に用いられる駆動手
段としては、螺旋係合構造を利用した送りねじ方式が知
られている。この方式は、基準側に送り方向に沿ったね
じ軸を設け、このねじ軸をモータ等で回転させることに
より、ねじ軸に螺合された移動側を移動させるものであ
り、ねじ軸のピッチを微小化し、かつモータの回転分解
能を高めることにより高い送り精度を実現でき、前述の
微小送り機構の駆動手段にも利用されている。

しかし、送りねじ方式では、駆動用モータ等の回転分解
能や螺合部分のバンクラッシュ等といった機械的な制約
があり、送り動作の高精度化にも限度がある。

これに対し、近年では、圧電性材料を用いた圧電アクチ
ュエータ方式の微小送り機構が開発されている。この送
り機構は、電圧印加に伴う圧電性材料の微小な伸縮を送
り動作に利用するものであり、印加電圧に対する直線性
の良い材料を用いることにより、０．ＯＩＩｊｍ程度の
高い位置決め分解能を得ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、近年の精密測定や精密加工における精度要求
は一段と高いものとなっており、特に、微小送り機構に
対する要求精度は前述の圧電アクチュエータ方式の達成
精度をさらに上回るものとなっている。

このため、圧電アクチュエータの分解能をより以上に高
める必要があるが、圧電性材料の伸縮ステップを細分化
する方法では、微小な伸縮を実現する印加電圧の調整が
不安定となりやすいという問題がある。一方、所定スト
ロークの伸縮をレバー機構により縮小する方法では、機
構的要素の介在により連結部分の誤差やレバー等の撓み
による誤差などを生じやすいという問題があった。

本発明の目的は、高い分解能が得られるとともに、安定
した動作が可能な精密機器の微小送り機構を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、部材のポアソン比（外力による縦歪みと横歪
みとの比率）が弾性限度内では略一定であり、このよう
な部材の変形が圧電アクチュエータ等の微小変位をさら
に縮小する手段として利用できることに着目してなされ
たものである。

すなわち、基準体に対して所定の送り方向に配置された
微動体と、この微動体および基準体の間に介在された弾
性体と、この弾性体を前記送り方向と交叉する方向に加
圧して当該弾性体に前記送り方向の変位を発生させる加
圧手段とを設けて精宝機器の微小送り機構を構成する。

ここで、加圧手段としては、圧電性材料など、伸ｍｕや
発生荷重を任意に制御できるアクチエエータ等を用い、
適宜な枠体等により前記送り方向と交叉する方向に弾性
体とともに挟持する構造が利用できる。

また、弾性体としては、偏平ないしはある程度の高さを
有する略円柱状または角柱状といった形状が利用でき、
その材質としては、加圧手段からの加圧によりその加圧
に正確に比例した適当な変形を生じる程度の弾性を有す
るものが利用できる。

このような弾性体の材質および形状は、加圧手段の性能
および要求される精度等に応じて適宜変更することが望
ましい。特に、送り量の細分化という点ではガラスや金
属等のかなり剛性の高いもめを用い、加圧方向の変形量
に対して送り方向の変形を１／３〜１７５程度に縮小す
ることが望ましい。

さらに、独立した弾性体を用いる場合、微動体と基準体
とによって弾性変形体を挟持する構造が利用できる。こ
のとき、微動体および基準体を結ぶ引張りばね等の付勢
手段を設けるなどして、弾性体と微動体および基準体と
を各々密着させ、これにより微動体を弾性変形体の変形
に正確に追従させることが望ましい。

また、基準体および微動体を前記送り方向に延びる部材
により連結し、この部材の中間部分を前記加圧手段を介
して交叉方向に挟持することにより、挟持された部分を
弾性体として利用してもよく、あるいは基準体および微
動体の一部を利用してもよく、変形による送り動作が確
実に得られる部分を適宜選択することが望ましい。

〔作用〕

このような本発明においては、加圧手段によって引張り
または圧縮荷重を加えることにより、弾性体に縦方向の
変形を生じさせ、同時に生じる横方向の変形によって当
該弾性体を挟持する微動体と基準体とを離隔または近接
させ、基準体に対する微動体の微小送り動作を実現する
。

すなわち、縦方向の長さ２で断面積Ａの柱状に形成され
た弾性体において、加圧手段から加えられる縦方向の荷
重Ｐ、変換ブロックの材質の縦弾性係数Ｅとすると、縦
方向の変形量λ、同方向の縦歪みεは次式 で表される。また、弾性体には縦方向の変形に伴って横
方向の変形が生じ、弾性体の横方向の寸法（直径など）
をｄとして、同方向の変形量δおよび横歪みε、は次式 ％式％ で表される。ここで、弾性体の材質のポアソン比νとす
ると次式 ％式％ が成立するから、横方向の変形量δは ν・ｄ−Ｐ となり、弾性限度内においては荷重Ｐに比例する。

従って、荷重Ｐを正確に制御すれば横方向の変形を微小
かつ精密に調節することができ、微動体の送り動作を高
精度にすることができる。

また、変形量δは ν　・　ｄ δ　；　　　　　　　　　　　　λ ！ と表されるから、νｄ／ｌの値を小さく設定することに
より、加圧手段による荷重Ｐ方向の移動量を縮小し、加
圧手段側の分解能に対して微動体側の分解能を微細化す
ることにより、送り動作の一層の高精度化を実現でき、
これにより前記目的を達成する。

（実施例〕 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図において、本実施例の精密送り装置Ｉは、粗調整
用の高速送り機ｔＪＩ　２に、微調整用の微小送り機構
１０を組み合わせて構成されたものであり、温度誤差を
防止するために図示しない恒温室内に設置されている。

設置位置に固定されたヘース３の平滑な上面には、多数
の転動球４を介してメインテーブル５が移動自在に支持
されている。また、ベース３上には所定の送り方向に沿
ってねじ軸６が配置され、このねじ軸６を回転駆動する
モータ７にはモータドライバ８が接続されており、ねじ
軸６に螺合されたメインテーブル５はモータドライバ８
の制御により高速で移動可能であり、これらにより粗調
整用の高速送り機構２が構成されている。

一方、メインテーブル５上には微小送り機構１０が構成
され、この微小送り機構１０は本発明に基づいて構成さ
れたものである。

メインテーブル５の一端側には基準体としてのボスト１
１が固定されているとともに、他端側に固定された台座
１２の平滑な上面には、微動体とじてのサブテーブル１
３が３個の転動球１４を介して移動自在に安定支持され
ている。このサブテーブル１３の両側には一対の案内板
１５が平行配置され、サブテーブル１３は案内板１５間
に各々転動球１６を介して適当な予圧で挟持され、移動
方向をメインテーブル５の送り方向と同じ方向に規制さ
れている。

また、ポスト１１およびサブテーブル１３の間には、中
心軸方向を前記送り方向に一致された略円筒状の保持枠
２１が配置されている。

第２図に示すように、保持枠２１の内部には、弾性体と
しての変換ブロック２２が収められ、この変換ブロック
２２は金属やガラス等の均質な材料を用いた略円柱状の
変換ブロンク２２が収められている。

また、変換ブロック２２に隣接して圧電性材料を積層し
て形成された圧電アクチュエータ２３が配置されている
。

これらの変換ブロック２２および圧電アクチュエータ２
３は、保持枠２１の径方向すなわち前記送り方向と交叉
する方向に配列され、保持枠２１の両側部分に螺合され
た一対の保持ポル）２４．２５によって同軸直列的に挟
持されている。これらの保持ポル）２４．２５は、変換
ブロック２２が保持枠２１の略中心に位置するように、
かつ圧電アクチュエータ２３および変換ブロック２２に
所定の予圧がかかるように調整されたうえ、ロックナツ
ト２６．２７で固定されている。

圧電アクチュエータ２３には電圧コントローラ２８が接
続され、適当な電圧を印加することにより圧電アクチュ
エータ２３を伸縮させ、保持ボルト２４２５間に一体的
に挟持された変換ブロック２２に軸方向の荷重Ｐの加圧
が可能であり、以上により加圧手段２０が構成されてい
る。

保持枠２１の両外側には、ボスト１１およびサブテーブ
ル１３の両側面を結ぶコイルばね３１．３２が掛は渡さ
れ、ボスト１１およびサブテーブル１３は互いに接近す
る向きに付勢されている。また、ボスト１１およびサブ
テーブル１３の各対向面には棒状の当接部３３．３４が
取付けられ、各当接部３３．３４の先端はコイルばね３
１．３２の付勢力により変換プロ・ンク２２に当接され
ている。従って、ボスト１１およびサブテーブル１３は
当接部３３．３４を介して変換ブロツク２２をその径方
向に挟持し、第３図に示すように、加圧手段２０からの
軸方向荷重Ｐにより変換ブロック２２が径方向に変形し
た際には、その変形に当接部３３．３４が追従するため
、ボストｌｌおよびサブテーブル１３は互いに離隔また
は近接される。

なお、保持枠２１は下面を平坦とされ、この下面には前
記送り方向に直交方向の■溝４１が形成されている。ま
た、対応するメインテーブル５の上面にも同様な■溝４
２が形成されており、保持枠２１はこれらの■溝４１．
４２間に介装された転動球４３を介してテーブル５に支
持されている。これにより、保持枠２１は前記送り方向
に沿いかつ垂直な面方向に揺動自在とされ、第４図に示
すように、変換ブロック２２の変形の前記送り方向成分
が当接部３４側すなわちサブテーブル１３側にまとめら
れるように構成されている。

このような微小送り機構１０および前述の高速送り機構
１を統括制御するために、本実施例の祷密送り装置１に
は制御装置５０が設けられている。

この制御装置５０は、各送り機構のモータドライバ８お
よび電圧コントローラ２８に接続されているとともに、
位置フィードバック用として移動量検出器５１が接続さ
れている。移動量検出器５１は、ベース３側に設けられ
たレーザ干渉計５２と、サブテブル１３に一体的に設け
られたコーナーキューブ等のりフレフタ５３とによりヘ
ース３に対するサブテーブル１３の移動量を検出し、そ
の値を表示しかつ制御装置５０に返すものである。

また、制？１１装置５０には所定のプログラム等に基づ
いて動作手順を指令する指令装置５４が接続されており
、制御装置５０は指令装置５４からの指令に基づいて、
移動量検出器５１からの移動量をモニタしなからモータ
ドライバ８および電圧コントローラ２８を駆動してヘー
ス３に対するサブテーブル１３の送り動作を制御するよ
うに構成されている。

このように構成された本実施例においては、まず制御装
置５０が起動され、移動量検出器５１およびレーザ干渉
計５２等の機器の初期化を行う。

次いで、指令装置５４からの指令に基づいて、制御装置
５０は高速送り機構２を用いてメインテーブル５を高速
で送り、移動量検出器５１で検出されるサブテーブル１
３の現在位置Ｘｔと指令装置５４からの目標位置Ｘｏと
の偏差ｄＸがある程度小さくなるまで粗調整を行う。

続いて、制御装置５０は微小送り機構１０を用い、偏差
ｄＸが０になるようにサブテーブル１３の微小送りを行
い、サブテーブル１３の現在位置Ｘｔを目標位置Ｘｏに
一敗させる。

すなわち、微小送り機構１０においては、制御装置５０
の指令により電圧コントローラ２８から圧電アクチュエ
ータ２３に電圧が印加され、圧電アクチュエータ２３は
印加電圧に応じて伸長して変換ブロック２２に軸方向の
荷重Ｐを加える。荷重Ｐで軸方向に圧縮された変換ブロ
ツク２２は径方向に膨張し、当接部３３．３４を介して
ボスト１１とサブテーブル１３とを互いに離隔させる。

ここで、変換ブロツク２２の直径ｄ１軸方向の長さ１．
縦弾性係数Ｅ、ポアソン比νとすると、荷重Ｐにより生
じる軸方向の変形量λおよび径方向の変形量δは、 Ｅ　・　π　ｄ　！ ｆ　　　　　　　　Ｅ　　・　π　ｄ となる。従って、電圧コントローラ２８からの印加電圧
を調整し、圧電アクチュエータ２３の伸長量ｄＹが ！ ｄＹ＝　　　　　　　　　　・ｄＸ ν　・　ｄ となるように制御すれば、変換ブロック２２の径方向の
変形により駆動されるサブテーブル１３は、偏差ｄＸだ
け正確に移動され、これにより目標位置指令Ｘｏへの微
小送りが達成される。

なお、以上の場合において、サブテーブル１３の移動方
向はボスト１１から離隔する方向であるが、圧電アクチ
ュエータ２３への印加電圧を解除し、または逆極性の電
圧印加により、変換ブロック２２の径方向の変形は逆向
きとなり、サブテーブル２３はボス）１１に対して近接
する方向に移動される。

このような本実施例によれば次に示すような効果がある
。

すなわち、サブテーブル１３の移動１１ｄＸは圧電アク
チエエータ２３の伸長量ｄＹに対して、νｄ／Ｉ！倍と
なるから、νｄ／ｉ！、を充分小さい値に設定すること
により圧電アクチュエータ２３の移動量を縮小し、サブ
テーブル１３の微小な送り動作とすることができる。

また、移動量の縮小によって圧電アクチュエータ２３の
分解能を微細化することができ、サブテーブル１３の微
小送り動作における分解能を微小なものとして一層の高
精度を達成できる。

例えば、前記微小送り機構１０において、弾性係数Ｅ　
＝　２．ｌＸ１０’（ｋｇ／＋＊＋ｍＪ　　ボワソン比
ｖ＝０．３の軟鋼からなる直径ｄ　”’　１０ｍｍ、長
さ４１！＝１０ｍｍの円筒形状に形成された変換ブロッ
ク２２を用いたとする。圧電アクチエエータ２３は通常
λｒ　＝１０−’ｍｍ程度の位置決め分解能が得られる
から、変換プロンＮ となる。従って、サブテーブル１３の位置決め分解能δ
ｒは Ｅ　・　π　ｄ となり、最小３．２ｎｍ　（ナノメートル）の分解能を
達成することができる。

また、同一の条件の許で変換ブロック２２を石英ガラス
（ポアソン比シー０．２）で形成したとすると、位置決
め分解能δｒは１．９ｎｍとさらに細密化することがで
きる。

さらに、縮小比率であるνｄ／ｌの値は変換ブロック２
２の長さｉ、直径ｄおよび材料のボワソン比νによって
決定されるものであり、例えば同じ形状でも材質を変更
して縮小比率を変えられるなど、要求される精度やスト
ローク等に応した最適設定を容易に行うことができる。

一方、本実施例においては、サブテーブル１３とボスト
１１との間に常時一定の状態で変換ブロック２２を挟持
しておき、この変換ブロック２２の変形により移動量の
縮小を行うため、従来のレバー等を用いた縮小機構のよ
うな回動連結部の遊びなどの誤差要因を排除することが
できる。

また、変換ブロック２２の挟持はコイルばね３１゜３２
の付勢力により確実になされるようにしたため、サブテ
ーブル１３のボストｌｌに対する送り動作を変換ブロッ
ク２３の径方向の変形に忠実に追従させることができ、
より高精度の微小送りを実現できる。

さらに、変換ブロック２２に荷重を付与する加圧手段と
して圧電アクチュエータ２３を用いたため、小型化およ
び応答性の向上が得られるとともに、駆動源としてモー
タ等を用いた場合のような大きなエネルギ消費や発熱を
回避することができ、各部の熱変形による誤差発生の可
能性を解消することができる。

また、変換ブロック２２および圧電アクチュエータ２３
を、保持枠２１の両側の螺合された一対の保持ポル）２
４．２５によって同軸直列的に挟持したため、圧電アク
チュエータ２３の伸縮を変換ブロフク２２に確実に伝達
することができるとともに、保持ボルト２４．２５の調
整により変換ブロフク２２の予圧あるいは位置の調整が
容易に行える。

さらに、保持枠２１をリング状に形成したため、圧電ア
クチュエータ２３の伸縮によって変形を生しにくいとと
もに、変換ブロック２２の膨縮変形時には自由に送り方
向に傾斜可能であり、動作抵抗を生じることなく、変換
ブロック２２の変形をサブテーブル１３のボスト１１に
対する送り動作として効率よく利用することができる。

また、ベース３側に設けられたレーザ干渉計５２と、サ
ブテーブル１３に一体的に設けられたコーナーキューブ
等のりフレフタ５３とによりヘース３に対するサブテー
ブル１３の移動量を検出する移動量検出器５１を設け、
この移動量に基づいてフィードバック制御を行う制御装
置５０を用いるとしたため、より高精度化ができるとと
もに、作業の自動化あるいは操作の簡素化による能率向
上が可能である。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではな（、
以下に示すような変形をも含むものである。

すなわち、加圧手段における駆動源としては圧電アクチ
エエータ２３に限らず、油圧シリンダやエアシリンダ等
の流体式アクチュエータが利用できるほか、ステップモ
ータや！［弐プランジ中等の電磁式アクチエエータなど
を用いてもよい。

また、基本的な圧縮力にコイル式等のばねを用い、その
伸縮量をステップモータ等で精密制御するといった複合
式のアクチュエータ等を用いてもよく、要するに変換ブ
ロック２２に所望の加圧が得られかつ加圧量または変形
量を精密に制御できるような加圧手段であればよい。

さらに、加圧手段の構造は前記実施例に限定されるもの
ではなく、変換ブロフク２２および圧電アクチュエータ
２３を保持する保持枠２１はリング状に限らず他の形状
であってもよく、保持枠２１を傾斜可能に支持すること
も必須ではなく、あるいは変換ブロック２２はメインテ
ーブル５上に直接載置してもよい。

一方、変換ブロフク２２に対する加圧は圧縮方向に限ら
ず、引張り方向としてもよく、この場合、サブテーブル
１３は基本的にポスト１１に対して接近する動作となり
、引張り力の解除により離隔する方向の移動が行われる
。

また、変換ブロック２３の材質や形状は前記実施例に限
らず、実施にあたって要求される精度、ストローク等に
応じて適宜設定すればよい。

さらに、前記実施例では、変換ブロック２２に加圧する
圧電アクチュエータ２３に印加する電圧をサブテーブル
２３位置のフィードバックによって制御したが、予めサ
ブテーブル２３の移動量に対応する電圧値をデータテー
ブルとして記憶しておき、オープンループ式の制御を行
ってもよく、フィードバック系の簡略化ができるほか、
適当な設定により精度をＦＭなうことなく動作安定性を
向上することができる。

また、前記実施例では高精度のテーブル送りを行う精密
送り装置１について説明したが、本発明の微小送り機構
は三次元測定器などの精密測定器の測定ヘッドの微小送
りや、工作機械の工具ヘッドの微小送り等にも広範に適
用できる。

第５図には、本発明の他の実施例として、本発明の微小
送り機構が適用された切削装置５０が示されている。

こ切削装置５０は、チャック５１に固定されたバイト５
２の刃先５３を当接させることにより、回転する被切削
物５４の周面の切削加工を行うものであり、バイト５２
およびチャック５１は図示しない粗調整用の送り機構に
より被切削物５４に向かって送られるように構成されて
いる。

ここで、バイト５２は角柱状に形成され、長手方向を前
記送り方向に一敗されている。このバイト５２の中間に
はリング状の保持枠６１が設けられ、対のボルト６２．
６３により積層式の圧電アクチュエータ６４を介してバ
イト５２を挟持するように固定されている。これらのボ
ルト６２．６３は、バイト５２の被挟持部分５５および
圧電アクチュエータ６４を所定の予圧で一体に挟持した
状態でロックナツト６５゜６６により固定されている。

ここにおいて、チャンク５１が基準体であるとともに、
バイト５２の刃先５３が微動体、被挟持部分５５が弾性
体とされ、保持枠６１ないし圧電アクチヱエータ６４が
加圧手段とされており、これらにより微小送り機構６０
が構成されている。

このように構成された本実施例においては、外部からの
電圧印加によって圧電アクチュエータ６４を伸縮させ、
被挟持部分５５をポルト６３方向に加圧し、被挟持部分
５５をバイト５２の長手方向に変形させることにより、
チャック５１に対する刃先５３の微小送りが行われる。

このため、基本的な粗調整用の送り機構では得られない
精密な刃先５３の送り動作を実現でき、被切削物５４の
加工精度を大幅に高めることができる。

また、バイト５２自体を弾性体として利用し、加圧手段
を構成する保持枠６１もハイド５２に固定するため、構
造を著しく簡単にできるとともに、実施の際に必要に応
じて着脱を闇単に行うことができる。

なお、本実施例の詳細な動作は前記実施例と略同様であ
るため省略したが、弾性体としての被挟持部分５５の有
効寸法は、縮方向の長さがバイトの高さｅ、横方向の長
さがボルト６３の直径ｄによって決定されるものとなる
。

このように、本発明の微小送り機構においては、基準体
、微動体および弾性体が各々独立した部材として構成す
るものに限らず、連続した部材の一部を利用して構成し
てもよい。

〔発明の効果〕

以−にに説明したように、本発明の精密ｉ器の微小送り
機構によれば、変換ブロックの変形を利用して高い分解
能が得られるとともに、動作量の縮小のリンク機構など
を介装しないため安定した動作が可能であり、高精度の
送り動作を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は前記
第１図の■−■線を示す断面図、第３図は前記実施例の
要部を示す上面図、第４図はＮ％前記第３図の■−ｒＶ
線を示す断面図、第５図は本発明の他の実施例の要部を
示す断面図である。 １・・・精密機器としての精密送り装置、２・・・高速
送り機構、５・・・メインテーブル、１０・・・本発明
に基づく微小送り機構、１１・・・基準体であるポスト
、１３・・・微動体であるサブテーブル、２１．２３．
２４．２５・・・加圧手段である保持枠、圧電アクチュ
エータおよび保持ボルト、２２・・・弾性体である変換
ブロック、５０・・・精密機器としての切削装置、５１
・・・基準体であるチャンク、５３・・・微動体として
の刃先、５５・・・弾性体としてのハイドの被挟持部分
、６０・・・本発明に基づく微小送り機構、６Ｌ　６２
．６３．６４・・・加圧手段である保持枠、保持ボルト
および圧電アクチュエータ。 第３区

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基準体に対して所定の送り方向に配置された微動
   体と、この微動体および基準体の間に介在された弾性体
   と、この弾性体を前記送り方向と交叉する方向に加圧し
   て当該弾性体に前記送り方向の変位を発生させる加圧手
   段とを設けて構成されたことを特徴とする精密機器の微
   小送り機構。