JPH09275689A - 超精密位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クランプ要素と送り要素を構成する圧電素子
の積層方向と垂直な方向に加わる力を散逸することで、
圧電素子の寿命を長くし、圧電素子の変位量を大きくす
る。 【解決手段】 クランプブロック２の端面には、圧電素
子を積層したクランプ要素３及び送り要素４が直交して
固着されている。クランプ要素３若しくは送り要素４と
固定ブロック５の固着面から、圧電素子の積層方向に固
定ブロック５の端部に、所定の深さ及び所定の幅を有す
る縦溝６ｂ，６ａ及び薄板７ｂ，７ａが刻設されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超精密位置決め装置
に係わり、特にクランプ要素と送り要素を構成する圧電
素子の積層方向と垂直な方向に加わる力を散逸出来る超
精密位置決め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、尺取り虫（Ｉｎｃｈ ｗｏｒｍ）
方式の送り装置の一種に圧電素子（ＰＺＴ）をアクチュ
エータとして利用したものがある。図６にこの方式を採
用した超精密位置決め装置の全体構成図を示す。図６に
おいて、移動体１を挟持する一対のクランプブロック２
ａ，２ｂが、移動体１を挟んで対峙している。クランプ
ブロック２ａ，２ｂの一端面には移動体１の移動方向と
垂直な方向に圧電素子を積層した一対のクランプ要素３
ａ，３ｂが固着されている。また、クランプブロック２
ａ，２ｂのもう一方の端面には移動体１の移動方向に圧
電素子を積層した一対の送り要素４ａ，４ｂが固着され
ている。そして、一対のクランプ要素３ａ，３ｂ及び一
対の送り要素４ａ，４ｂの他端面は一対の固定ブロック
５ａ，５ｂに固着されている。そして、この様に構成し
た送りユニットが複数個（図６の場合には４個）移動体
１の移動方向に配列されている。

【０００３】次に尺取り虫方式の動作を説明する。図７
は動作の理解を容易にするため、送りユニットを３個使
用した場合の超精密位置決め装置の簡略構成図を示す。
また、図８には移動体１の移動を行うための超精密位置
決め装置の一周期分の制御パターンを示す。図８の上部
に記した数字はタイミングを示す。また横軸には位相
（尺取り虫方式の動作が一周期完了するまでを２πラジ
アンとして表した。）を、縦軸には各圧電素子に印加す
る電圧値を示す。図８は上から順にクランプ要素３ａ，
３ｂ、送り要素４ａ，４ｂ、クランプ要素３ｃ，３ｄ、
送り要素４ｃ，４ｄ、クランプ要素３ｅ，３ｆ、送り要
素４ｅ，４ｆの各電圧パターンを示している。タイミン
グ１〜タイミング２間では、クランプ要素３ａ，３ｂ及
び３ｅ，３ｆは挟持状態にある。クランプ要素３ｃ，３
ｄは挟持を解除されている。この状態を維持しつつ送り
要素４ａ，４ｂ及び４ｅ，４ｆに徐々に電圧を印加して
いく。その結果移動体１を移動することが出来る。送り
要素４ｃ，４ｄはこの間にその変位を次第に小さくす
る。タイミング３（位相π）ではクランプ要素３ｃ，３
ｄを挟持状態にし、クランプ要素３ａ，３ｂ及び３ｅ，
３ｆの挟持を解除する。タイミング４〜タイミング５間
では、クランプ要素３ｃ，３ｄは挟持状態にあり、クラ
ンプ要素３ａ，３ｂ及び３ｅ，３ｆは挟持を解除の状態
にある。この状態を維持しつつ送り要素４ｃ，４ｄに次
第に電圧を印加していく。その結果移動体１を更に移動
することが出来る。送り要素４ａ，４ｂ及び４ｅ，４ｆ
はこの間にその変位を次第に小さくする。そして、タイ
ミング５〜タイミング６（位相２π）間では再びクラン
プ要素３ａ，３ｂ及び３ｅ，３ｆを挟持状態にすること
で位相０の状態に戻る。かかる一周期の動作を繰り返し
続けることで、超精密位置決め装置は移動体１を長スト
ロークに渡って駆動出来る。

【０００４】なお、移動体１の戻り動作はクランプ要素
３ａ，３ｂ及び３ｅ，３ｆを挟持状態とし、クランプ要
素３ｃ，３ｄの挟持を解除する。この状態を維持しつつ
送り要素４ｃ，４ｄにプラス電圧を印加しその変位を増
加させる（伸ばす）。この状態を維持しクランプ要素３
ｃ，３ｄを挟持状態とする。そして、クランプ要素３
ａ，３ｂ及び３ｅ，３ｆの挟持を解除する。次に、挟持
状態にある送り要素４ｃ，４ｄの電圧をプラス電圧の範
囲で低下させると送り要素４ｃ，４ｄの変位は減少し、
移動体１は後退する。次に挟持解除状態にあるクランプ
要素３ａ，３ｂ及び３ｅ，３ｆに対して同様な指令を行
うことにより連続的に戻り動作を行うことが出来る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、クランプ要
素及び送り要素は本来変位量の小さな圧電素子から実用
的な変位量を得るために薄板状のものを積層した構造で
使用される。その結果、縦方向（厚み方向）には十分な
強度と剛性を有しているが、横方向（側面方向）では強
度、剛性共に小さくなる。そのため、２個の圧電素子
（クランプ要素と送り要素）の変位方向を直交して使用
する構造（図６ではクランプブロック２を介してクラン
プ要素３と送り要素４が直交して固着されている）の上
述した超精密位置決め装置では、片方の圧電素子を変位
させると他方の圧電素子に側面からの曲げ力が働き、繰
り返し作用する曲げ力の大きさにより圧電素子の寿命が
支配されるため、長時間に渡って使用出来ない恐れがあ
った。また、寿命を延ばすために変位量を少なくしなけ
ればならず、送り速度を遅くしなければならなかった。
本発明はこのような従来の課題に鑑みてなされたもの
で、クランプ要素と送り要素を構成する圧電素子の積層
方向と垂直な方向に加わる力を散逸することで、圧電素
子の寿命を長くし、圧電素子の変位量を大きく出来る超
精密位置決め装置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】このため本発明（請求項
１）は、移動体の移動方向に配列した複数の送りユニッ
トで移動体を挟持しては移動方向に送るという一連の処
理を各送りユニット毎に交互に繰り返し行う超精密位置
決め装置において、前記送りユニットは前記移動体を挟
持する一対のクランプブロックと、該クランプブロック
の一端面に固着し前記移動体の移動方向と垂直な方向に
圧電素子を積層した一対のクランプ要素と、前記クラン
プブロックの別端面に固着し前記移動体の移動方向に圧
電素子を積層した一対の送り要素と、該送り要素の他端
面に固着し前記クランプ要素の伸縮による前記移動体の
移動方向と垂直な方向の力を散逸させる第１の歪み散逸
部と、前記クランプ要素の他端面に固着し前記送り要素
の伸縮による前記移動体の移動方向の力を散逸させる第
２の歪み散逸部と、該第２の歪み散逸部及び前記第１の
歪み散逸部を端部に配設した一対の固定ブロックを備え
て構成した。

【０００７】また、本発明（請求項２）は、前記第１の
歪み散逸部及び前記第２の歪み散逸部は、各々前記送り
要素若しくは前記クランプ要素と前記固定ブロックの固
着面から各圧電素子の積層方向に前記固定ブロックに所
定の深さ及び所定の幅を有する縦溝を施すことにより、
各々前記クランプ要素若しくは前記送り要素の伸縮方向
に所定幅を有し、所定間隔の隙間を隔てて配設した複数
の薄板にて構成した。

【０００８】更に、本発明（請求項３）は、前記第１の
歪み散逸部及び前記第２の歪み散逸部は、各々前記送り
要素若しくは前記クランプ要素と固着するのに十分な表
面積を有する固着板を前記複数の薄板の端部に前記送り
要素若しくは前記クランプ要素の圧電素子と各々平行に
前記固定ブロックに配設して構成した。

【０００９】更に、本発明（請求項４）は、前記第１の
歪み散逸部及び前記第２の歪み散逸部は、各々前記送り
要素若しくは前記クランプ要素と前記固定ブロックの固
着面を囲む周囲に、各圧電素子の積層方向に前記固定ブ
ロックに対し、所定の深さ及び所定の幅を有する側溝を
施して構成した。

【００１０】更に、本発明（請求項５）は、前記第１の
歪み散逸部は省略し、前記第２の歪み散逸部のみを固定
ブロックに配設して構成した。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。本発明の第１実施形態を図１に示
す。図１（ａ）は送りユニットの平面図で、図１（ｂ）
はその側面図を示す。図１において、クランプブロック
２は移動体１に接し移動体１を挟持する様になってい
る。クランプブロック２の一端面には移動体１の移動方
向と垂直な方向に圧電素子を積層したクランプ要素３が
固着されている。また、クランプブロック２のもう一方
の端面には移動体１の移動方向に圧電素子を積層した送
り要素４が固着されている。クランプ要素３と固定ブロ
ック５の固着面（例えば本実施形態では固着面を１０ミ
リ角程度の大きさとしている）からクランプ要素３を構
成する圧電素子の積層方向に固定ブロック５に対し所定
の深さ（例えば本実施形態では８ミリ程度としている）
及び所定の幅（例えば本実施形態では１ミリ程度として
いる）を有する縦溝６ｂが施されている。そのため、送
り要素４の伸縮方向（送り要素４を構成する圧電素子の
積層方向）に所定幅（例えば本実施形態では２ミリ程度
としている）を有し、所定間隔（例えば本実施形態では
縦溝６ｂの幅である１ミリ程度となる）の隙間を隔てて
複数（本実施形態では４本）の薄板７ｂが固定ブロック
５の端部に刻設されている。また、もう一方の端部であ
る送り要素４と固定ブロック５の固着面から固定ブロッ
ク５に対しても同様に複数（本実施形態では４本）の薄
板７ａが刻設されている。かかる送り要素４に面し固定
ブロック５に複数の薄板７ａが施された部分は、クラン
プ要素３の伸縮に伴い生ずる移動体１の移動方向と垂直
な方向の力を散逸させるもので、第１の歪み散逸部に相
当する。また、クランプ要素３に面し固定ブロック５に
複数の薄板７ｂが施された部分は、送り要素４の伸縮に
よる移動体１の移動方向の力を散逸させるもので、第２
の歪み散逸部に相当する。

【００１２】次に動作を説明する。両歪み散逸部は、複
数の薄板７ａ，７ｂで構成したことにより、圧電素子に
側面からの力が加わった場合に薄板７ａ，７ｂが板バネ
状に変形する。図２には薄板７が板バネ状に変形したと
きの様子を示す。かかる変形により側面からの力は散逸
される。その結果圧電素子に直接かかる側面からの力の
負担分は小さく出来る。薄板７は板バネの役割をする一
方、圧電素子の伸縮方向に対しては、移動体１の挟持若
しくは送り動作（積層された圧電素子の伸縮は本実施形
態では１０〜１５ミクロン程度である）を支えるために
十分な剛性を保つ必要がある。従って、本実施形態では
薄板７の幅は２ミリ程度とした。なお、固定ブロック５
の材質はステンレスを使用しているが、バネ鋼等を使用
することで力の散逸度を工夫してもよい。薄板７の幅及
び縦溝６の幅は、クランプ要素３と送り要素４の伸縮の
度合いや必要とされる剛性に応じて適宜設計される。以
上の様に圧電素子に直接かかる側面からの力の負担分を
小さくしたことで、圧電素子の寿命を長く出来る。ま
た、圧電素子の伸縮の大きさをより大きくとれることか
ら、同じ周波数で駆動した場合の送り速度を速く出来
る。

【００１３】次に、本発明の第２実施形態を図３に示
す。なお、第１実施形態と同一要素については、同一の
符号を付して説明を省略する。図３において、第１実施
形態と同様にクランプ要素３と固定ブロック５の固着面
からクランプ要素３を構成する圧電素子の積層方向に固
定ブロック５に対し所定の深さの縦溝６ｄが施されてい
るが、縦溝６ｄの幅は広く（例えば本実施形態では６ミ
リ程度としている）開けられている。そして、クランプ
要素３に面した固定ブロック５の端部に２枚の薄板７ｄ
（例えば本実施形態では薄板７ｄの幅を２ミリ程度とし
ている）が刻設されている。また、もう一方の端部であ
る送り要素４と固定ブロック５の固着面から固定ブロッ
ク５に対しても同様に縦溝６ｃ及び２枚の薄板７ｃが刻
設されている。かかる送り要素４に面し固定ブロック５
に２枚の薄板７ｃが施された部分は、クランプ要素３の
伸縮に伴い生ずる移動体１の移動方向と垂直な方向の力
を散逸させるもので、第１の歪み散逸部に相当する。ま
た、クランプ要素３に面し固定ブロック５に２枚の薄板
７ｄが施された部分は、送り要素４の伸縮による移動体
１の移動方向の力を散逸させるもので、第２の歪み散逸
部に相当する。

【００１４】次に動作を説明する。両歪み散逸部は、第
１実施形態と比べ縦溝６ｃ，６ｄの幅は広く開け、また
第１実施形態の薄板７と同程度の幅を有する２枚のみの
薄板７ｃ，７ｄで構成したことにより、圧電素子に側面
からの力が加わった場合に薄板７が板バネ状に変形する
度合いが大きくなる。即ち第２実施形態は、第１実施形
態より側面からクランプ要素３若しくは送り要素４が受
ける力をより大きく散逸することが出来る。但し、クラ
ンプ要素３若しくは送り要素４と薄板７の接合面積が第
１実施形態と比べ減ることから圧電素子の伸縮方向に対
する剛性は第１実施形態より多少小さくなる。

【００１５】次に、本発明の第３実施形態を図４に示
す。なお、第１実施形態と同一要素については、同一の
符号を付して説明を省略する。図４において、固定ブロ
ック５の端部には、クランプ要素３若しくは送り要素４
と固着するのに十分な表面積を有する固着板８ｂ，８ａ
が各々クランプ要素３若しくは送り要素４の圧電素子と
平行に配設されている。そして、固着板８ｂ，８ａから
クランプ要素３若しくは送り要素４を構成する圧電素子
の積層方向に固定ブロック５に対し所定の大きさの縦溝
６ｆ，６ｅが施されている。縦溝６ｆ，６ｅの幅は広く
（例えば本実施形態では６ミリ程度としている）開けら
れている。従って、固定ブロック５の端部には、固着板
８ｂ，８ａ及び所定間隔隔てた２枚の薄板７ｆ，７ｅ
（例えば本実施形態では薄板７の幅を２ミリ程度として
いる）が刻設された状態になっている。かかる送り要素
４に面し固定ブロック５に固着板８ａ及び２枚の薄板７
ｅが施された部分は、クランプ要素３の伸縮に伴い生ず
る移動体１の移動方向と垂直な方向の力を散逸させるも
ので、第１の歪み散逸部に相当する。また、クランプ要
素３に面し固定ブロック５に固着板８ｂ及び２枚の薄板
７ｆが施された部分は、送り要素４の伸縮による移動体
１の移動方向の力を散逸させるもので、第２の歪み散逸
部に相当する。

【００１６】次に動作を説明する。両歪み散逸部は、第
１実施形態と比べ縦溝６ｆ，６ｅの幅は広く開け、また
第１実施形態の薄板７と同程度の幅を有する２枚のみの
薄板７ｆ，７ｅで構成したことにより、第２実施形態と
同様圧電素子に側面からの力が加わった場合に薄板７
ｆ，７ｅが板バネ状に変形する度合いが大きくなる。従
って、圧電素子に対する側面からの力の散逸の度合いが
大きい。また、固着板８とクランプ要素３若しくは送り
要素４間の固着による表面積が大きく取れるため、第２
実施形態より剛性を強く確保することが出来る。なお、
縦溝６の幅は第１実施形態と同様に狭くし、固着板８と
複数の薄板７で両歪み散逸部を構成してもよい（図示省
略）。この場合には更に剛性が強くなる。

【００１７】次に、本発明の第４実施形態を図５に示
す。なお、第１実施形態と同一要素については、同一の
符号を付して説明を省略する。第１実施形態乃至第３実
施形態において固定ブロック５の端部に配設した薄板７
等の構成に加え、図５においてはクランプ要素３若しく
は送り要素４と固定ブロック５の固着面を囲む周囲に、
各圧電素子の積層方向に固定ブロック５に対し、所定の
深さ（例えば本実施形態では８ミリ程度としている）及
び所定の幅（例えば本実施形態では２ミリ程度としてい
る）を有する側溝９ａ，９ｂが施されている。かかる送
り要素４に面し固定ブロック５に対し第１実施形態乃至
第３実施形態の構成に加え、側溝９ａが施された部分
は、第１の歪み散逸部に相当する。また、クランプ要素
３に面し同様の側溝９ｂが施された部分は、第２の歪み
散逸部に相当する。

【００１８】次に動作を説明する。第１実施形態乃至第
３実施形態は、側溝９が施されていない状態の構成であ
るが、薄板７の奥行きが固定ブロック５の奥行きに支配
されてクランプ要素３若しくは送り要素４の奥行きより
通常長くなる（例えば本実施形態ではクランプ要素３若
しくは送り要素４の奥行きが１０ミリ程度に対し、固定
ブロック５の奥行きは１５ミリ程度である）。このた
め、薄板７の奥行きが長い分薄板７による板バネ効果は
不均一かつ弾性効果も小さくなり、圧電素子に対する側
面からの力の散逸の度合いも不均一かつ小さくなる。そ
こで、薄板７による板バネ効果を薄板７全体で均一かつ
弾性効果をより大きくするため、クランプ要素３若しく
は送り要素４と固定ブロック５の固着面を囲む周囲に、
固定ブロック５に対し側溝９を施す。

【００１９】尚、上述した各実施形態では歪み散逸部と
して薄板７等により構成したが、これに限らず第１の歪
み散逸部若しくは第２の歪み散逸部のいずれか一方は、
送り要素４若しくはクランプ要素３と固着せず、クラン
プ要素３若しくは送り要素４の伸縮方向に移動自在な転
がり軸受け（針状軸受若しくは球軸受）を固定ブロック
５（クランプ要素３若しくは送り要素４の端部を利用し
て転がり軸受けを配設してもよい）に備えて構成しても
よい（図示省略）。更に、第１の歪み散逸部と第２の歪
み散逸部は必ずしも同じ構成とする必要は無く、クラン
プ要素３と送り要素４の伸縮の度合いや必要とされる剛
性に応じて適宜第１実施形態乃至第３実施形態を組み合
わせる様にしてもよい。また、クランプ要素３の変位は
移動体１の剛性により制約を受けることから、送り要素
４に対する側面への力は通常小さい。このため、送り要
素４に面し固定ブロック５に配設した第１の歪み散逸部
はこの様な場合には省略してもよい（図示省略）。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明（請求項１）
によれば、固定ブロックに第１の歪み散逸部及び第２の
歪み散逸部を配設したので、送り要素若しくはクランプ
要素を構成する圧電素子に対する側面からの力を散逸出
来る。このため、圧電素子に直接加わる側面からの力を
小さく出来、圧電素子の寿命を長くすることが出来る。

【００２１】また、圧電素子の一方に最大許容範囲の変
位を与えても他方の圧電素子に直接加わる側面からの力
は小さいため、１回の送りでの移動量が大きく取れ、同
じ周波数で駆動した場合の送り速度が速く出来る。

【００２２】また、本発明（請求項２）によれば、第１
の歪み散逸部及び第２の歪み散逸部は複数の薄板にて構
成したため、圧電素子に側面からの力が加わった場合に
薄板が板バネ状に変形し側面からの力は散逸される。そ
の結果圧電素子に直接かかる側面からの力の負担分は小
さく出来る。

【００２３】更に、本発明（請求項３）によれば、第１
の歪み散逸部及び第２の歪み散逸部は複数の薄板の端部
に十分な表面積を有する固着板を設けたことにより、圧
電素子に対する側面からの力の散逸の度合いを大きく維
持しつつ、厚み方向の剛性を請求項２より強く保つこと
が出来る。

【００２４】更に、本発明（請求項４）によれば、第１
の歪み散逸部及び第２の歪み散逸部はクランプ要素若し
くは送り要素と固定ブロックの固着面を囲む周囲に縦溝
を施したので、薄板による板バネ効果を薄板全体で均一
とし、かつ弾性効果をより大きくとることが出来る。

【００２５】更に、本発明（請求項５）によれば、第１
の歪み散逸部は省略し、第２の歪み散逸部のみを固定ブ
ロックに配設したので、移動体の送り方向には従来通り
の十分な剛性を維持したまま、クランプ要素の圧電素子
に加わる側面からの力を小さく出来る。

【００２６】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態を示す送りユニットの
構成図

【図２】 薄板が板バネ状に変形したときの様子を示す
図

【図３】 本発明の第２実施形態を示す送りユニットの
構成図

【図４】 本発明の第３実施形態を示す送りユニットの
構成図

【図５】 本発明の第４実施形態を示す送りユニットの
構成図

【図６】 超精密位置決め装置の全体構成図

【図７】 超精密位置決め装置（送りユニット３個）の
簡略構成図

【図８】 超精密位置決め装置の一周期分の制御パター
ンを示す図

【符号の説明】

１ 移動体 ２ クランプブロック ３ クランプ要素 ４ 送り要素 ５ 固定ブロック ６ 縦溝 ７ 薄板 ８ 固着板 ９ 側溝

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動体の移動方向に配列した複数の送り
   ユニットで移動体を挟持しては移動方向に送るという一
   連の処理を各送りユニット毎に交互に繰り返し行う超精
   密位置決め装置において、前記送りユニットは前記移動
   体を挟持する一対のクランプブロックと、該クランプブ
   ロックの一端面に固着し前記移動体の移動方向と垂直な
   方向に圧電素子を積層した一対のクランプ要素と、前記
   クランプブロックの別端面に固着し前記移動体の移動方
   向に圧電素子を積層した一対の送り要素と、該送り要素
   の他端面に固着し前記クランプ要素の伸縮による前記移
   動体の移動方向と垂直な方向の力を散逸させる第１の歪
   み散逸部と、前記クランプ要素の他端面に固着し前記送
   り要素の伸縮による前記移動体の移動方向の力を散逸さ
   せる第２の歪み散逸部と、該第２の歪み散逸部及び前記
   第１の歪み散逸部を端部に配設した一対の固定ブロック
   を備えて構成したことを特徴とする超精密位置決め装
   置。
2. 【請求項２】 前記第１の歪み散逸部及び前記第２の歪
   み散逸部は、各々前記送り要素若しくは前記クランプ要
   素と前記固定ブロックの固着面から各圧電素子の積層方
   向に前記固定ブロックに所定の深さ及び所定の幅を有す
   る縦溝を施すことにより、各々前記クランプ要素若しく
   は前記送り要素の伸縮方向に所定幅を有し、所定間隔の
   隙間を隔てて配設した複数の薄板にて構成したことを特
   徴とする請求項１記載の超精密位置決め装置。
3. 【請求項３】 前記第１の歪み散逸部及び前記第２の歪
   み散逸部は、各々前記送り要素若しくは前記クランプ要
   素と固着するのに十分な表面積を有する固着板を前記複
   数の薄板の端部に前記送り要素若しくは前記クランプ要
   素の圧電素子と各々平行に前記固定ブロックに配設した
   ことを特徴とする請求項２記載の超精密位置決め装置。
4. 【請求項４】 前記第１の歪み散逸部及び前記第２の歪
   み散逸部は、各々前記送り要素若しくは前記クランプ要
   素と前記固定ブロックの固着面を囲む周囲に、各圧電素
   子の積層方向に前記固定ブロックに対し、所定の深さ及
   び所定の幅を有する側溝を施したことを特徴とする請求
   項２又は請求項３記載の超精密位置決め装置。
5. 【請求項５】 前記第１の歪み散逸部は省略し、前記第
   ２の歪み散逸部のみを固定ブロックに配設したことを特
   徴とする請求項１、２、３又は４記載の超精密位置決め
   装置。