JPS6255590A - 精密位置決め装置 - Google Patents

精密位置決め装置

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JPS6255590A
JPS6255590A JP61201889A JP20188986A JPS6255590A JP S6255590 A JPS6255590 A JP S6255590A JP 61201889 A JP61201889 A JP 61201889A JP 20188986 A JP20188986 A JP 20188986A JP S6255590 A JPS6255590 A JP S6255590A
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elastic
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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、特に光学部材を整列させるための精密位置決
め装置に関するものである。
従来の技術 1つの自由度を有する一般的な移動装置は、ベースフレ
ーム上を滑動する可動なプラットフォームを有している
。この滑動ガイド又はガイド機構によって規定された運
動範囲は、アクチュエータによって制御される。このア
クチュエータの本体はベースフレームに固定されていて
、アクチュエータの可動部分は適当な伝達手段によって
プラットフォームに接続されている。アクチュエータの
運動がほぼ直線的であって、ガイドの運動軸線に対して
ほぼ並行であれば、移動手段は、ダールを介在させてア
クチュエータに対して支持されているプラットフォーム
に過ぎない。この支持はフレームとプラットフォームと
の間に延びるばねによって得られる。
よく知られているアクチュエータには2つのタイプのも
のがある。1つはマイクロメータスクリューに接続され
たもの、もう1つは圧電積層円板に接続されたものであ
る。
2つの自由度を有する移動運動を得るために、第2の同
様の装置のフレームが、1つの自由度を有する第1の装
置の可動プラットフォームに固定されているが、この第
2の装置は、異なる方向、例えば第1の装置に対して直
角に向けられている。第1図には2つの自由度を有する
公知の移動装置が示されている。同様に、3つの一次限
モジュールを直列接続することによってδつの自由度を
有する装置が得られる。
従来の運動ガイド装置は、10咽から100−までの間
の比較的大きい範囲の運動のために、特に1ミクロンか
ら10ミクロンまでの間の高精度を維持することができ
る。大きい運動はスクリューアクチュエータによって制
御されるが、時には圧電圧アクチュエータが、イアリン
グゼールと可動ゾラット7オームとの間に取りつけられ
ている。この公知の装置は理論的には、100分の1ミ
クロンよりも低い分析に関して非常に高い精度を得るこ
とができるが、この性能は、それに応じたガイド部分の
剛性及び繰り返えし可能性を伴なわなければ得られない
。運動システムは主に、滑動経路、遊び、摩擦及び摩耗
の加工精度が原因となって制限されている。
一般に、このような装置は、例えば単一モーPでガイド
される光学部材を位置決め又は取りつけるような10分
の1ミクロンの典型的な精度が要求される所定の使用時
には適していない。
移動範囲が特に1閣より小さいか又はこれと同じである
程度の小いものである場合、例えばジエイ、フィジカル
、イー:サイエンス、イ゛ンストルメンン(J、Phy
s、E:Sci、Instrum−enl3 ) 、第
17巻(1984)、922イージに開示された、ビー
、エイチ、シデンハム(P 、 ’H、Sydenha
m)著による「工業における精密メカニズムの弾性設計
(Elastic Desi−gn of Fine 
Mechanism in Industry)に記載
された弾性ガイドの原理を用いることが提案されている
このようなガイド形式は、薄く細長い条片を用いること
によって容易に行なわれる。この条片は一端部が固定さ
れていて他端部が作動するようになっており、条片に対
して直交する方向の偏位運動に適しており、条片に対し
て平行な方向では剛性を維持する。この条片の偏位は、
この条片が停止している時の条片の平面に位置する軸を
中心とした自由端部の回転運動と同じである。このよう
な弾性的な「ビボント」を牛つ適当に組み合わせると、
第7図に示した移動運動が得られる。このような平行四
辺形機構は、第2の平行四辺形機構を用いて直線移動運
動を与えることによってさらに改良される。
変化が弾性限度に達しない程度に計算されていて、剛性
な固定を避けるために本体に継手が省かれていれば、遊
び、摩擦及び摩耗のない完全に正確で繰り返えし可能な
装置が得られる。
正確さは、予定された移動運動に対して直交する方向に
おけろ条片の限定された剛性に関連した、この直交方向
に加tえられる種々異なる負(荷の影響によってのみ制
限される。
単体の弾性システムは公知の電気侵食加工法によって有
利に行なわれる。圧電式アクチュエータによって制御さ
れる複雑な構造の、単体の弾性ガイド装置は、リサーチ
&デイベロップメ7  ト (Re5earch  &
  Development )  、  (1984
年Φ月)114ペー、)に開示された[マイクロ回路測
定技術の精密さを改良する可動ステージ(Mouing
 Stage Improves Accu−racy
 of Microcircuit Measurin
gTechnique ) Jと題された7−A/17
’イー1ヤング(R、D 、 Young)によって報
告されている。
しかしながら、弾性継手を備えた精密位置決め装置を使
用すると、システムにアクチュエータを組み込むことに
関連して様々な問題が生じる。圧電式のアクチュエータ
は非常に高い精度を提供するが、多くの欠点も有してい
る。つまり、1000ポルト以上にもなる制御電圧を必
要とすること、非直線的な応答及び高いヒステリシスが
存在することである。このようなアクチュエータを使用
する場合、各アクチュエータに接続された制御ループに
組み込まれた移動検出器を必要とする。
マイクロメータスクリュ一式アクチュエータは移動運動
が大きいという利点を有しているが、比較的重くかさば
っているという欠点がある。
負荷及び振動に敏感な弾性ガイPシスチムニよれば、そ
の性質及び高い固有精度の利点を得ようとする場合に、
いくつかの座標に従って移動させるために1つの自由度
を有する複数の位置決めモジュールを直列配置すること
は不可能である。
発明の課題 従って本発明の第1の課題は、前記システムの限度を有
していない精密位置決め装置を提供することである。
第2の課題は、単一ガイド式光学部材を取りつけること
のできる複数の自由度を有する精密位置決め装置を提供
することである。
第3の課題は、弾性ガイド手段を使用する精密位置決め
装置を提供することである。
第4の課題は、構造が小さくコンパクトな精密位置決め
装置を提供することである。
第5の課題は、電気侵食によって形成される精密位置決
め装置を提供することである。
課題を解決するだめの手段 前記課題を解決した本発明によれば、自由度N(2≦N
≦6゛)を有する精密位置決め装置において、N個のガ
イド機構によって接続された少なくとも2つの1t41
11性部材を有しており、これら2つの剛性部材のうち
の第1の剛性部材が基準プラットフォームを構成し、第
2の剛性部材が可動プラットフォームを構成しており、
前記ガイド機構が互いに独立していて、それぞれアクチ
ュエータと、1つの自由度を有する弾性ガイド手段とを
備えており、前記アクチュエータがそれぞれ前記基準プ
ラットフォームに接続されていて、対応する弾性ガイド
”手段が前記アクチュエータと前記可動プラットフォー
ムとの間に直列に接続されている。
実施例 次に図面に示した実施例について本発明の構成を具体的
に説明する。
2つの自由度を有する公知の位置決め装置が第1図に示
されている。この位置決め装置は基準プラットフォーム
1を有しており、この基準プラットフォーム上で中間の
プラットフォーム2が滑動可能である。中間のプラット
フォーム2は可動なプラットフォーム3のための基準プ
ラットフォームとして働く。基準プラットフォーム1に
固定されたアクチュエータIOは、可動ヘッド11及び
ベアリングゼール12を介してプラットフォーム2の運
動を第1座標に沿って制御する。これに対して、中間プ
ラットフォーム2に固定されたアクチュエータ20は、
可動ヘッド21及びベアリングゼール22を介してプラ
ットフォーム3の運動を前記第1座標に直交する第2座
標に溢って制御する。プラットフォーム2はばね13に
よって固定されていて、可動なプラットフォーム3はば
ね23によって固定されている。2つの移動運動のガイ
ドはそれぞれ、プラットフォーム2のための支持範囲1
5.16及びプラットフォーム3のだめの支持範囲25
.26によって保証される。図面で付 は同一の部材には同一の符号が印されている。
第2図には、第1図に示した装置における2つの移動モ
ジュールの直列接続形式を示した概略図が示されている
。この第2図によれば一方では2つの機構がX、Y方向
で互いに干渉し合い、他方では、アクチュエータ10が
定置の基準プラットフォーム1に固定されていれば、ア
クチュエータ20は可動なプラットフォーム2に固定さ
れている。このように機構が直列接続されていると、第
1に各機構に生じる故障が互いに重ね合わされる。さら
に、可動な部分にアクチュエータを取りつけると、質量
の小さいコン・ξクトな構造体を動かす時に不都合が生
じる。
第3図では、本発明による、2つの互いに直交し合う移
動運動を有する装置の作動原理を示した概略図が示され
ている。この装置は基準プラットフォーム1と、それぞ
れX、Y方向の移動運動を伝達するだめの2つのアクチ
ュエータ1’o 、 20と可動なプラットフォーム3
とを有している。本発明によれば、2つのアクチュエー
タ10,20が基準プラットフォーム1に固定されてい
て、2つの機構は互いに独立している。第1の機構は、
アクチュエータ10 ト第1のガイド手段18と第2の
ガイド手段27とを有している。第2の機構は、アクチ
ュエータ20と第1のガイド手段28と第2のガイド手
段17とを有している。従って各機構は一方では基準プ
ラットフォーム1を接続し、他方では可動なプラットフ
ォーム3を接続する。このような形式の装置は、第2図
に示した直列接続ではなく、並列接続されている。ガイ
ド手段17゜27は2つの機構を互いに仕切る手段をも
構成している。第3図の変化実施例は第4図に示されて
いる。基準プラットフォーム1は、2つの中間プラット
フォーム19.29のだめの滑りガイドとして働く、互
いに直交し合う1対の支持面(例えばガイド手段18 
、28 )を有している。これらのプラットフォームは
基準プラットフォーム1に固定された2つのアクチュエ
ータ10.20によって制御され、それ自体、互いに直
交し合う1対のもの(例えばガイド手段17.27)内
においても支持面を構成していて、可動なプラットフォ
ーム3のだめの滑りガイPとして働く。
第5図には、2つの移動運動と回転運動とによる3つの
自由度を有する、本発明の原理による別の装置の概略図
が示されている。前記実施例による2つの機構はこの実
施例でも示されているが、これら2つの機構は中間プラ
ットフォーム31を直交する2つの座標に沿って移動せ
しめられる。回転運動を行なう機構は、基準プラットフ
ォーム1に固定されたアクチュエータキ○とガイド手段
41.42.43とを有している。
第6図では、それぞれ直交し合う3つの方向X、Y、Z
による3つの運動の自由度を有する装置の実施例が示さ
れている。基準プラットフォーム1は3面体長方形の形
状を有しており、この3面体長方°形の各3つの面は支
持範囲(f!イド手段18.28.58)を有している
。第1の機構はアクチュエータ10とガイド手段18.
27.57’とを有している。第2の機構はアクチュエ
ータ20とガイド手段28 、57 。
17′とを有している。第3の機構はアクチュエータ5
0とガイド手段58,17.27’とを有している。従
って可動なプラットフォーム3は、基準プラットフォー
ム1に接続された3つの独立した機構によって3つの方
向で移動せしめられる。
本発明の原理は、前記実施例に示されているように、滑
動ガイド手段に適しているが、この滑動ガイド手段の性
能は、滑動面の加工の正確さ、遊び、摩擦及び摩耗によ
って制限されている。このような欠点は弾性的なガイド
部材を使用することに工って取り除かれる。第7図には
、移動運動における弾性ガイド原理が示されている。可
動プラットフォーム200は、互いに平行な2つの薄い
弾性ストリップ110,120によって基準プラットフ
ォーム100に取りつけられている。可動プラットフォ
ーム200は、弾性ストリップがゆがむことによって適
当な動作にさらされると、矢印方向で移動する。各弾性
ストリップ毎に2つの旋回軸を規定することができる。
つまり、弾性ストリップ110.120のために符号A
、B、C,Dで示された軸が規定される。前記軸A、B
、C,Dを中心とした回転運動のために、可動プラット
フォーム200の運動は正確な直線運動ではない。
第8図は、回転のため生じる移動ミスが補償される弾性
ガイPによって移動運動を行なうための装置が示されて
いる。この装置は2重子行四辺形の形を有している。可
動プラットフォーム200は、2つの弾性ストリップ1
10,120によって中間プラットフォーム300に取
りつけられている。この中間プラットフォーム300は
2つの弾性ストリップ130.140によって前記2つ
の弾性ストリップ110.120に対して平行に基準プ
ラットフォーム100に取りつけられている。このよう
な形式の装置は例えば、ビー・エイチ・シデンー・ム(
P。
H、Sydenham)による前記論文に記載されてい
る。
第9図には、制御手段を有する本発明による装置の変化
実施例が示されている。ここでは、可動プラットフォー
ム200、中間ゾラソトフ、t−ム3QQ、弾性ストリ
ップ110−114、基準プラットフォームl○○によ
って形成された2重平行四辺形構造が示されている。可
動プラント7オーム200の制御は、基準プラットフォ
ームに固定されたアクチュエータ150と、このアクチ
ュエータ150、基準プラットフォーム、可動プラット
フォームにそれぞれ弾性ス 。
トリップ161,162,163を介して接続された剛
性伝達レバー160とによって行なわれろ。この、可動
プラットフォームを制御するだめの装置は、剛性伝達し
・々−160による縮小作用によってアクチュエータ(
例えばマイクロメータスクリュー)のレベルの正確さの
不足を補なう。弾性ストリップ161.162.163
はそれぞれ長さは異なっているが、中心は整列させなけ
ればならない。また、剛性伝達し・ζ−160によって
伝達された運動の直線性を保証するだめには、次の条件
を満たさなければならtcい。
Ll−42n この式中、l−1’l−2’l−5はそれぞれ弾性スト
リップ161..162.163の長さであって、mは
弾性ストリップ163の中心点と162の中心点との間
の間隔、nは弾性スト’Jツブ161の中心・点と16
2の中心点との間の間隔である。第10図は、第9図に
示した装置の7フトされた状態を示した図である。
製造費用の観点から見ても、性能の観点から見ても有利
な解決策は、前記装置を一体構造に構成する点にある機
構のすべての部分は、例えばアルミニウムプレートを電
気侵食することによって同一プレート内でカットして形
成される。
第11図には、1つの自由度を有する装置の実施例の断
面図が示されている。この装置では、異なる部材の所望
の運動方向以外の方向における剛性を増大させるだめに
、第9図に示したプレートと同じ2枚の、プレートがブ
レースによって接続されて互いに平行に配置されている
。第9図のA −A’線に涜った断面図によれば、上部
プレートと下部プレートとが3つのブレース101.1
02.201によって接続されている。
2つのブレース101.102が2つの基準プラットフ
ォーム100a、100bを剛性に接続しており、これ
に対してブレース201は可動プラットフォーム200
a 、20obを一緒に剛性に接続する。第11図には
、弾性スト’Jツブ161a 、161bに接続された
滑りナツト152に作用するマイクロメータスクリュー
151より成るアクチュエータが図示されている。
このような扁平な弾性構造体の2層構造は、例えば互い
に直交し合う2つの方向における2つの自由度を有する
移動装置に特に適している。
第12a図及び第12b図には、互いに直交し合う2つ
の方向における2つの移動運動を得るだめの2つの扁平
構造体の有利な実施例が示されている。これら第12a
図及び第12b図の2つの構造体は同一のものであって
、X、Y方向の運動が得られるように互いに上下に配置
構成されている。各構造体においては、伝達レノζ−1
60と、薄い弾性ストリップ162.163と、中間プ
ラントフォーム300ト弾性ストIJ 7ゾ110,1
20,130,140.!:から成る機構が設けられて
いる。X、Y方向の運動をそれぞれ独立させるだめの手
段は、第2の2重平行四辺形構造の形状を有している。
この第2の2重平行四辺形構造は、第2の中間プラット
フォーム400と弾性ストリップ170,171.18
0.181より成ッテオリ、第1の平行四辺形構造に対
して平行であって、2つの機構を分離している。可動プ
ラットフォーム200は、例えば光学部材を取りつける
だめの中央孔を備えている。
第12b図には、前述のようにコンパクトな2層構造を
形成するΦつの扁平構造体の基準プラットフォームを互
いに接続するブレース500及び、同じヰ゛っの扁平構
造体の可動プラットフォームを互いに接続する中央ブレ
ースの配置が示されている。
本発明は図示の実施例のみに限定されるものではない。
発明の効果 以上のように本発明によれば構造が小さくコン・ξクト
でしかも高い精度を有する、光学部材に適した精密位置
決め装置が得られた。
【図面の簡単な説明】
第1図は、2つの自由度と1つの滑りガイドとを有する
公知の精密位置決め装置の概略的な側面図、第2図は第
1図による装置の、2つの移動モジュールの直列接続形
式を示した概略図、第3図は2つの自由度を有する本発
明の原理による装置の並列接続形式を示した概略図、第
牛図は、滑りガイド手段を使用した、第3図による装置
の、変化実施例を示した概略的な側面図、第5図は本発
明の原理に基づいた3つの自由度を有する装置の接続形
式を示した概略図、第6図は滑りガイド手段を使用した
3つの自由度を有するさらに別の実施例による装置の胴
視図、第7図は弾性ガイドを有する本発明による装置の
第1実施例の部分的な概略図、第8図は弾性ガイドを有
する装置の第2実施例の部分的な概略図、第9図は制御
手段を有する本発明による装置の平面図、第1○図は第
9図による装置の変形後の状明を示した平面図、第11
図は第9図に示した装置を2重にした装置の第9図A−
A′線に沿った断面図、第12a図及び第12b図はそ
れぞれ2つの自由度を有する精密位置決め装置のそれぞ
れ別の変化実施例を示した平面図である。 1・・・基準プラットフォーム、2,3・・・プラット
フォーム、10・・・アクチュエータ、12・・・ベア
リングボール、13・・・ばね、15.16・・・支持
範囲、17・・・第2のガイド手段、18・・・第1の
ガイド手段、19・・・中間プラットフォーム、20・
・・アクチュエータ、21・・・可動ヘソp : 2−
2・ベアリングボ−ル、23・・・ばね、25.26・
・・支持範囲、27.27’、28・・・第2のガイド
手段、29.31・・・中間プラットフォーム、牛O・
・アクチュエータ、4.1,42.43・・・ガイド9
部材、50・・・アクチュエータ、57.57’。 58・・ガイド手段、100・・・ベース、1o1゜1
02 ・・・ブレース、110,120,130゜14
0・・・弾性ストリップ、150・・・アクチュエータ
、151・・・マイクロメータスクリュー、152・・
・滑りナンド、160・・・剛性伝達し・ζ−1161
,161a、161b 、162.163゜170.1
71.180.181・・・弾性ストリップ、2o0.
200a 、200b・・・可動プラットフォーム、2
01・・・ブレース、300 、4oO・・・中間プラ
ットフォーム、500・・・ブレース ト−基準プラットフォーム 2、  :3.、.11丁動シラノドフオーム10.2
F+  ・アクチュエータ F/(i、 7

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、自由度N(2≦N≦6)を有する精密位置決め装置
    において、N個のガイド機構によって接続された少なく
    とも2つの剛性部材を有しており、これら2つの剛性部
    材のうちの第1の剛性部材が基準プラットフォーム(1
    ;100)を構成し、第2の剛性部材が可動プラットフ
    ォーム(2、3;19、29、31;200、200a
    、200b、300、400)を構成しており、前記ガ
    イド機構が互いに独立していて、それぞれアクチュエー
    タ(10、20、40、50、150)と、1つの自由
    度を有する弾性ガイド手段とを備えており、前記アクチ
    ュエータ(10、20、40、150)がそれぞれ前記
    基準プラットフォーム(1、100)に接続されていて
    、対応する弾性ガイド手段が前記アクチュエータと前記
    可動プラットフォームとの間に直列に接続されているこ
    とを特徴とする、精密位置決め装置。 2、前記各ガイド機構の弾性ガイド手段が、このガイド
    機構のシフト運動を縮小させるためにガイド機構の前記
    アクチュエータに隣接して配置された伝達レバーより成
    っている、特許請求の範囲第1項記載の精密位置決め装
    置。 3、伝達運動を2つ又は3つの方向に行なうように構成
    されており、しかも前記ガイド機構が同一に構成されて
    いる、特許請求の範囲第1項記載の精密位置決め装置。 4、伝達運動方向が互いに直交し合っている、特許請求
    の範囲第3項記載の精密位置決め装置。 5、前記伝達レバー(160)が基準プラットフォーム
    (100)とアクチュエータ(150)と、3つの弾性
    ストリップ(161、162、163)より成る対応す
    る弾性ガイド手段とに接続されている、特許請求の範囲
    第2項記載の精密位置決め装置。 6、3つの弾性ストリップ(161、162、163)
    の中心点が、シフト方向に対して直交する方向に整列さ
    れている、特許請求の範囲第5項記載の精密位置決め装
    置。 7、前記伝達レバー(160)を、アクチュエータ(1
    50)と基準プラットフォーム(100)と弾性ガイド
    手段とに接続する弾性ストリップ(161、102、1
    63)の長さl1、l2、l3がそれぞれl3−l2/
    l1−l2=m/nの式によって規定され、この式中、
    mは長さl2の弾性ストリップの中心点と長さl3の弾
    性ストリップの中心点との間の間隔であって、nは長さ
    l2の弾性ストリップの中心点と長さl1の弾性ストリ
    ップの中心点との間隔である、特許請求の範囲第6項記
    載の精密位置決め装置。 8、ガイド機構の弾性ガイド手段が一体的なプレートに
    成形されている、特許請求の範囲第1項記載の精密位置
    決め装置。 9、前記一体的なプレートがアルミニウムより成ってい
    て、前記ガイド手段が電気侵食によって形成されている
    、特許請求の範囲第8項記載の精密位置決め装置。 10、2つのガイド機構を構成するプレートが、基準プ
    ラットフォームと可動プラットフォームとを互いに剛性
    に接続する形式で互いに固定されている、特許請求の範
    囲第8項記載の精密位置決め装置。 11、精密位置決め装置が、ブレースによって仕切られ
    た2つの重ね合わされた層構造を有しており、これら2
    つの層のそれぞれが2つのプレートより形成されている
    、特許請求の範囲第10項記載の精密位置決め装置。 12、精密位置決め装置が、アクチュエータを制御する
    ための制御手段を有しており、該制御手段が前記2つの
    層の間に配置されている、特許請求の範囲第11項記載
    の精密位置決め装置。 13、精密位置決め装置が複合運動式位置決め装置とし
    て構成されており、基準プラットフォーム(100)と
    可動プラットフォームと、この基準プラットフォームと
    可動プラットフォームとの間に配置された複数の弾性ガ
    イド手段とを有しており、これらの弾性ガイド手段が前
    記可動プラットフォームの運動の自由度に応じて設けら
    れていて、またこの可動プラットフォームの自由度に応
    じた数のアクチュエータが設けられており、これらすべ
    てのアクチュエータが、前記基準プラットフォームと前
    記弾性ガイド手段の各部材との間で作用する、特許請求
    の範囲第1項から第12項までのいずれか1項記載の精
    密位置決め装置。
JP61201889A 1985-08-30 1986-08-29 精密位置決め装置 Expired - Lifetime JPH0760191B2 (ja)

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