JPS61246812A

JPS61246812A - 衝撃力を用いた微小移動装置

Info

Publication number: JPS61246812A
Application number: JP60054664A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Higuchi; 俊郎樋口
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1985-03-20
Filing date: 1985-03-20
Publication date: 1986-11-04
Also published as: JPH0580685B2

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）この発明は衝撃力を用いた微少移動装置、特に移動テー
ブル等の高精度位置決め機能を有する衝撃力を用いた微
少移動装置に関する。

（従来の技術）近年、ミクロンのオーダにおける位置決めが要請される
ようになってきており、例えば、精密位置決めテーブル
や顕微鏡の合焦機構等、高精度の位置決めを行うために
は、位置決め精度に見合う微少移動機構が必要である。

このような状況下にあって、摩擦の存在を積極的に利用
し、摩擦によって静止している物体に微少な衝撃を与え
ることによって微少な変位を生じさせ高精度の位置決め
を行う衝撃力を用いた微少移動装置が本願と同じ発明者
によってすでに特願昭５８−１６７５１２号として提案
されている。。

ところで、第１９図に示すように、質量Ｍの物体に、質
量ｍの物体が速度Ｖで衝突すると、この時作用する力Ｆ
は、作用時間をＴとすると、よく知られているように　
ＦＭ−ｍｖである。

一方、重力加速度をｇ、摩擦係数をμとして、質量Ｍの
物体には摩擦力Ｍｇμが作用している。

上記の衝撃力Ｆ中、摩擦力をこえる部分が質量Ｍを移動
させる部分となる。このため、第２０図に有効部分を斜
線で示すように、同じ力積ＦＴではあっても、作用時間
Ｔが短い、つまり、鋭い衝撃波形を持つ場合の方が、質
量Ｍを効果的に移動させることが出来、かつ、摩擦力の
影響を受けに＜＜、移動距離の再現性は良好である。

衝撃力発生機構としては、例えば、電磁的衝撃を直接に
移動対象物に作用させる方法を用いる。

第２１図は衝撃電磁力発生機構の概略図、第２２図は微
少移動機構の一実施例説明図、第２３図は微少移動装置
の３自由度運動機構の説明図である。

第２１図に示すように、高圧電源１からスイッチ２を介
して充電したコンデンサ２から放電スイッチを介して放
電電流をコイル５に瞬間的に流すことによって、瞬間的
に強磁界を発生させるとコイル５０近くに置かれた導体
板６には渦電流ｉｅが誘導される。この渦電流ｔｅが誘
導されると、この渦電流ｉｅとコイル５に流れる電流の
間に衝撃的な反発力が発生する。微少移動機構は、例え
ば、第２２図に示すように、バネ或いはダンパ等のバッ
ファ７を介して移動対象物８に取り付けられている。移
動対象物８は基部９上を衝撃力によって瞬間的に微少距
離Ｊ、だけ移動することができる。

このような移動機構を第２３図に示すように８個（６個
にしてもよい）用いることにより平面上の３自由度の運
動を得ることができる。第２３図において、微少移動機
構は、Ｘ軸の正方向（矢印Ａ方向）の移動にはａ−１，
ａ−２、負方向（矢印Ｃ方向）の移動にはｃ−１、ｃ−
２を用いる。Ｙ軸の正方向（矢印Ｂ方向）の移動にはｂ
−１，ｂ−２、負方向（矢印り方向）の移動にはｄ−１
、ｄ−２を用いる。さらに時計回りの回転移動にはａ−
１、Ｃ−１、反時計回りの回転にはａ−２゜ｃ−２を用
いることによって回転位置制御を行うことができる。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来の微少移動装置によれば、移動対象
物が静止しているとき、この移動対象物が移動しないよ
うに保持する能力は摩擦力のみによっている。ところで
、この微少移動機構は通常の移動対象物の位置決め機構
と組み合わせて用いられることも多く、例えば、通常の
サーボモータで駆動されるＸＹテーブルで高速にかつ大
きな距離の移動を受は持ち、そのサーボモータの位置決
めの分解能で得られない微少距離の移動、つまり、位置
の微調整をこの微少移動装置に行なわさせることができ
る。この場合、位置決めの対象物がこの微少移動装置（
或いはこの移動装置によるＸＹθテーブル）に固定或い
は積載され、この微少移動装置がサーボモータで駆動さ
れるＸＹテーブル上に積載されることになる。すると、
この微少移動装置の移動対象物とテーブルの間は摩擦力
のみによって保持されているので、サーボモータで駆動
されるＸＹテーブルの停止時にこの移動対象物がテーブ
ルに対して慣性力によって移動してしまい移動対象物の
精度の高い位置決めができないという問題があった。

また、従来の微少移動装置においては、第２図に示され
るように移動対象物８は基部９上にその底面の全面を載
せるようにしている。ところが、移動対象物の底面と基
部９の平面をいかに精密に加工しておいても接触する点
は全面で均等に行われるようにすることは極めて困難で
ある。従って、第２３図に示すように仮に衝撃力発生装
置ａ−１とａ−２によって同時に均等に衝撃力を移動体
に与えてもＸ軸方向（矢印Ａ方向）に移動するとは限ら
ず、予定に反して同時に回転運動を生じたり、同様に衝
撃力発生装置ａ−１とｃ−１を用いて偶力となるように
衝撃力を与えても移動対象物の重心は併進運動を伴うこ
とがあるといった問題があった。つまり、移動対象物は
基部に対して支点が不安定な状態にあり周囲の状態によ
って左右されてしまい、高精度の位置決めを行うには難
があった。

（問題点を解決するための手段）本発明は、上記の問題点を解決するために、一つには、
基部と、該基部と移動が予定される移動対象物と、該移
動対象物に衝撃力を与える衝撃発生装置とから成り、前
記移動対象物の底面には磁気吸引力付与手段を設けるよ
うにする。二つには、基部と、該基部と移動が予定され
る移動対象物と、該移動対象物に衝撃を与える衝撃発生
装置とから成り、前記移動対象物の基部への接触点の創
生手段とを設けるように構成する。

（作用）（１）基部上に積載される移動対象物の底面には磁気吸
引力を付与する、つまり、永久磁石や電磁石を取り付け
る。すると、その磁気吸引力を重力に重畳して移動対象
物の摩擦力を増加させることができ、移動対称物は意図
された衝撃力によっては移動するが、偶発的な力による
移動を阻止することができる。

（２）移動対象物の基部への接触点の創生手蒔を設けて
、移動対象物の支点を強制的、人為的に規定することに
より、移動対象物の移動の再現性を高めて、移動対象物
の高精度の位置決めを行う。

（実施例）本発明の実施例を図面を参照しながら詳細に説明する。

Ｎ）まず、磁気吸引力を付加する型、つまり、第２０図
に示されるように磁気吸引力Ｆｍを移動対象物自体の摩
擦力Ｍｇμに付加する型の微少移動装置について説明す
る。

第１図は本発明に係る微少移動装置の一実施例斜視図、
第２図は第１図のｎ−ｎ　’線断面図である０図中、１
１は基部であり、この基部にはゆるやかな傾斜面を有す
るＶ字状の切り溝１２が形成されている。１３は移動対
象物、１４はこの移動対象物の底面に設けられる永久磁
石であり、この永久磁石の脚部は基部１１の切り溝１２
に対応した形状を有している。この切り溝１２とこの永
久磁石１４の脚部の係合によって移動対象物１３は切り
溝１２の方向に案内され移動することができる。しかし
、この方向案内手段を設けることなく、基部は平面とし
この平面上に永久磁石の平らな底面を対応させるように
しても良いことは明らかである。但し、永久磁石の移動
が予定される基部の領域は磁性体から成るようにする必
要がある。このように構成すると基部のサーボモータに
よる粗動が停止したような場合にも慣性力で予期せぬ移
動対象物の動きを防止することができる。また、このよ
うに構成すると、更に、次のような利点がある０通常、
傾斜面では移動対象物の質量に働く重力による摩擦力で
は静止できない場合が多く、また垂直面ではこのような
自重による摩擦力は存在し得ない、しかし、この実施例
によれば第３図乃び第４図に示すように永久磁石１４の
吸引力を用いることによって、傾斜面・１６、垂直面１
７においても十分な摩擦力を得ることができ、移動対象
物の保持が可能となると共に当然微少移動も実現できる
。なお、衝撃力のピーク値は重力（自重）よりもかなり
大きく移動は可能である。

場合によれば、第５図に示すように天井面１８にぶら下
がる形での利用も可能である。なお、天井面１８等の離
れた箇所においては衝撃発生装置のスイッチングをリモ
コン操作によって行うと好都合である。また、移動対象
物１３の底面に設けられる永久磁石は後はど詳述するが
着脱自在にすることもできる。

第６図は他の案内手段を示す実施例構成図であり、基部
１１に磁性体から成る二本のレール１９．１９を付設し
ておき、このレール上を移動対象物１３の永久磁石１４
が移動するような案内手段を設けるようにする。この場
合はレール以外は非磁性体で形成する必要がある。第７
図は本発明の他の実施例構成図であり、磁気吸引力付与
手段として、電磁石２０を用いるようにしたものである
。

このように電磁石２０を用いた場合には、電磁石２０の
励磁電流を制御することにより、摩擦力を変化させるこ
とができ、微少移動機構の衝撃力発生装置２１の一回の
放電当たりの移動量の調整を行うことができる。

また、上記した通常のサーボ機構で移動される時や、移
動対象物に外力が加わって静止位置を保持するのに通常
の摩擦力だけでは保てない場合には電磁石２０の励磁コ
イルに電流を流すようにスイッチをオンすれば良い。

また、移動対象物の底面には電磁石のみではなく永久磁
石と組み合わせて配置するようにしても良い。

更に、上記した磁気吸引力付与手段を具備することによ
り摩擦粉を吸引して、外部への飛散を防止することがで
きるので、クリーンルームなどへ用いて好適である。

〔■〕次に、移動対象物の基部への接触点の創生手段を
有する微少移動装置について説明する。

第８図は係る微少移動装置の一実施例斜視図、第９図は
そのＩ　Ｘ−Ｉ　Ｘ　’線の断面図であり、移動対象物
１３の基部１１への接触点を積極的に創生ずるための突
起２２が設けられる。この突起の数は突起の底面積や形
成位置との関係で任意に設定できるが、ＸＹテーブルに
おいては通常は３個以上であり、４個設ける場合が多い
。

このように基部１１への接触点が創生されるので、従来
の方法では周囲の条件に左右され不安定であった接触点
の位置が人為的に定まり、繰り返し精度は向上し、移動
対象物の高精度の位置決めを行うことができるようにな
る。

また、この突起２２は移動対象物本体１３とは別の材料
を用いて作ることができる０例えば、通常突起は摩耗が
はげしいので耐摩耗性の材料を用いることが望ましいし
、摩耗特性の安定した材料で作成したいが、このような
場合、移動対象物の材料にかかわらず突起部の材料を選
択できるといった利点がある。

第１０図及び第１１図は移動対象物１３の底面に設けら
れる突起２３．２５を着脱自在にした例であり、第１０
図は一般的な突起の数が予定される例であり、突起の着
脱は螺子によっている。この場合永久磁石から成る突起
を一部に配置することにより、支点の調整を行うように
しても良い。

第１１図は更なる変形実施例であり、移動対象物の底面
に多くの突起の嵌合用穴２４を予め形成しておき、任意
の数の突起２５を前記穴２４に嵌合して接触点を設定で
きるようにしたものである。

なお、この微少移動装置の上面に円形のテーブル２６を
固定しておき、該テーブル２６上に試料やチップ等を固
定し、円形テーブル２６を衝撃力発生装置２１によりＸ
、Ｙ、θ方向に移動可能にすることができるように構成
したものである。第１２図は基部１１には穴２７を設け
、微少移動装置に装着される突起２８の先端を基部１１
の穴２７に係合しておき、突起２８を中心にして移動対
象物１３を回転移動できるようにしたものである。

なお一般に突起の先は点であるよりも、むしろある小さ
な面積を有する平面である方が保持する力が大きく働き
望ましい。そして、突起の位置は移動対象物の外周部に
配置する方が移動対象物の運動を安定にする効果が大き
い、更に、移動対象物の移動の制御性の向上を図るため
には、各突起における接触力、摩擦力を均等にするか或
いは所定の配分比例による設定を行う必要がある。この
ためには各突起に永久磁石或いは電磁石を組み込み、こ
の各突起における吸引力を所定値に設定すれば良い。

第１３図及び第１４図は移動対象物の重心が偏倚した場
合、例えば移動対象物１３上に積載物２９を置いたよう
な場合に、接触点を安定にするための一実施例構成図で
あり、突起に適宜磁石或いは電磁石を配設するようにす
る。図のように移動対象物が微少移動装置１３の偏倚し
た位置に置かれた場合は重力だけであれば重心の位置は
突起量の近傍に偏倚し、突起にかかる力はｉ　＞　ｉｉ
　＞　ｉｖ　＞ｉｉｉとなり、突起へかかる重力は不均
一となる。従って、仮に衝撃力の与え方が一様であって
も、例えば、ａＩ＋ａ！から等しく衝撃力を与えても、
移動対象物には偶力を発生し、回転移動を伴う。

そこで、これを解決する一つの方法は、衝撃力発生装置
ａ１とａｔの衝撃力の大きさを調整することであるがこ
の方法とは別に或いは併用して各突起の分担する摩擦力
を調整すれば良くこのために各突起に磁石或いは電磁石
を取り付け、突起ｉｉｉの吸引力を突起ｉよりも太き（
してやれば良い、突起を電磁石で構成する場合には電磁
石の電流値を各突起で変化させて、例えば、各突起で均
一の摩擦力を受は持つように、或いは電磁衝撃力の移動
への効果を試行によって一様になるように収束するよう
にして、設定することができる。例えば、この場合、突
起ｉｉｉのみを磁石或いは電磁石で構成すると安定した
４点接触を行わせることができる。

第１５図乃至第１７図は突起を電磁石により構成した一
実施例説明図であり、第１５図はその斜視図、第１６図
はその突起の斜視図、第１７図はその突起の断面図であ
る。

これらの図に示される電磁石を構成する円柱状の突起３
０を移動対象物１３の底面に配置するようにする。

なお、本発明における微少移動装置における衝撃力発生
装置の組み立てにあたり、バネの取り付けには多大な労
力を要しており、また、その信鎖性も十分でない。ここ
では、かかるバネの取付けを容易にするために、第１８
図に示されるようにバネを支持フレーム３１と一体に形
成するように構成する。第１８図（ａ）によればバネは
支持フレーム３１の一部を薄くして弾力性をもたせたり
、第１８図（ｂ）のようにバネ３２は支持フレーム３１
と一体に形成する方法などが有用である。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、本発明の趣旨に従い、種々の変形が可能でありこれら
を本発明の範囲から排除するものではない。

（発明の効果）以上、詳細に説明したように、（１）移動対象物の底面には磁気吸引力付与手段を設け
るようにしたので、基部の移動停止時の移動対象物の慣
性力による移動を防止することができる。また、積極的
に移動対象物の摩擦力の調整を行なうことができるので
、高精度の位置決めを行うことができる。更に、摩耗粉
を吸引し、摩耗粉の飛散を防止できるのでクリーンルー
ムへ用いて好適である。

（２）また、移動対象物の基部への接触点の創生手段を
設けるようにしたので接触点が安定し、繰り返し精度を
高めることによって、高精度の移動を行なわせることが
できる。

そして、この発明は顕微鏡の合焦装置、クリーンルーム
における半導体チップの位置決め装置、超精密位置決め
ＸＹθテーブルなどの分野に用いて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る磁気吸引力付与型微少移動装置の
斜視図、第２図は同微少移動装置の断面図、第３図は傾
斜面上での位置決めの説明図、第４図は垂直面上での位
置決めの説明図、第５図は天井面上での位置決めの説明
図、第６図は方向案内型微少移動装置の説明図、第７図
は電磁石吸引型微少移動装置の説明図、第８図は本発明
に係る接触点創生型微少移動装置の斜視図、第９図は同
微少移動装置の１ｘ−ｉｘ　’線断面図、第１０図は第
２の実施例を示す接触点創生型微少移動装置の説明図、
第１１図は第３の実施例を示す接触点創生型微少移動装
置の説明図、第１２図は第４の実施例を示す接触点創生
型微少移動装置の説明図、第１３図及び第１４図は第５
の実施例を示す接触点創生型微少移動装置の説明図、第
１５図乃至第１７図は電磁石型接触点創生型微少移動装
置の説明図、第１８図は衝撃発生装置のバネの形成の説
明図、第１９図及び第２０図は衝撃力を用いた微少移動
機構の原理説明図、第２１図は従来の衝撃発生機構の説
明図、第２２図は従来の衝撃力を用いた微少移動装置の
説明図、第２３図は従来の微少移動装置の３自由度運動
機構の説明図である。１１・・・基部、１２・・・係合溝、１３・・・移動対
象物、１４・・・磁気吸引力付与手段（永久磁石）、２
０・・・磁気吸引力付与手段（電磁石）、２２．２３．
２５．２８．３０・・・接触点創生手段（突起）。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基部と、該基部上で位置決めが予定される移動対
象物と、該移動対象物に衝撃力を与える衝撃発生装置と
から成り、前記移動対象物の底面には磁気吸引力付与手
段を設けることを特徴とする衝撃力を用いた微少移動装
置。
（２）前記磁気吸引力付与手段は永久磁石から成ること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の衝撃力を用い
た微少移動装置。
（３）前記磁気吸引力付与手段は電磁石から成ることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の衝撃力を用いた
微少移動装置。
（４）前記電磁石の吸引力を調整可能にすることを特徴
とする特許請求の範囲第３項記載の衝撃力を用いた微少
移動装置。
（５）基部と、該基部上で位置決めが予定される移動対
象物と、該移動対象物に衝撃力を与える衝撃発生装置と
から成り、前記基部への接触点の創生手段を具備するこ
とを特徴とする衝撃力を用いた微少移動装置。
（６）前記創生手段は移動対象物の底面に突起を設け、
該突起を基部に接触させて成ることを特徴とする特許請
求の範囲第５項記載の衝撃力を用いた微少移動装置。
（７）前記突起は前記移動対象物に対して着脱自在にす
ることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の衝撃力
を用いた微少移動装置。
（８）前記突起は永久磁石によって構成されることを特
徴とする特許請求の範囲第６項記載の衝撃力を用いた微
少移動装置。
（９）前記突起は電磁石によって構成されるようにした
ことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の衝撃力を
用いた微少移動装置。
（１０）前記電磁石の励磁電流を調整可能にしたことを
特徴とする特許請求の範囲第９項記載の衝撃力を用いた
微少移動装置。
（１１）前記移動対象物の移動を案内する案内手段を具
備することを特徴とする特許請求の範囲第６項記載の衝
撃力を用いた微少移動装置。
（１２）前記案内手段は、前記基台上に前記突起が係合
する係合溝を形成して成ることを特徴とする特許請求の
範囲第１１項記載の衝撃力を用いた微少移動装置。
（１３）前記案内手段は、前記基台上に永久磁石或いは
磁性体のレールを設けて成ることを特徴とする特許請求
の範囲第１１項記載の衝撃力を用いた微少移動装置。
（１４）前記案内手段は、前記基台には穴を設けると共
に前記移動対象物の底面の中心部には１個の突起を形成
し、該突起を前記穴に係合させてなることを特徴とする
特許請求の範囲第１１項記載の衝撃力を用いた微少移動
装置。