JPWO2006098010A1 - 精密位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が簡単で、位置決め対象物を多次元空間内で多軸方向に精密に位置決めすることが可能な精密位置決め装置を提供する。【解決手段】 多軸方向に自由度を持った精密位置決め装置１が、１個の一体構造物２と、複数個の伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃとを備え、位置決め対象物の各軸方向の移動が、位置決め対象物をその方向にのみ移動させるように変形する一体構造物２の弾性変形によって行われ、該弾性変形を生じさせる力が、一体構造物２に組み込まれた伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃの伸縮に基づくものとされている。伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃは、ピエゾ圧電素子から成るものとすることができる。【選択図】 図１

Description

本願の発明は、精密位置決め装置に関し、特に構造が簡単で、位置決め対象物を多次元空間内で多軸方向に精密に位置決めすることが可能な精密位置決め装置に関する。

従来、精密位置決め装置としては、モータの回転力を歯車減速機構や送りねじ機構等を介して位置決め対象物を移動させる力に変換し、位置決め対象物の現在位置を位置センサ等によりモータにフィードバックしながら、モータを回転制御して、これを設定位置に移動させる方法が一般的である。この場合において、電気力を位置決め対象物を移動させる機械的な力に変換する機構やフィードバック制御系としては、高い精度のものが求められる。しかしながら、このような装置では、機構が非常に複雑になり、その調整制御に相当な熟練と時間とを必要とする。

このような、電気力を位置決め対象物を移動させる機械的な力に変換する機構を用いずに、電気力を位置決め対象物を移動させる機械的な力に直接変換することにより、精密な位置決めを行うことを可能にする装置として、圧電素子のような伸縮アクチュエータを用いたものが種々提案されている（特許文献１〜３）。
特許第２６７７６２５号公報 特開平６−１７０７６２号公報 米国特許公開２００４／０１４０７３７号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載のものは、１軸方向に自由度を持った位置決め装置に止まっており、また、特許文献３に記載のものは、多次元空間内で位置決め対象物を位置決めしようとするものではあるが、１個の一体構造物の弾性変形のみによって位置決めしようとするものではなく、複数個の一体構造物の弾性変形の組合せから成っていて、全体構造が非常に複雑である。

本願の発明は、従来の精密位置決め装置が有する前記のような問題点を解決して、構造が簡単で、位置決め対象物を多次元空間内で多軸方向に精密に位置決めすることが可能な精密位置決め装置を提供することを課題とする。

本願の発明によれば、前記のような課題は、次のような精密位置決め装置により解決される。
すなわち、その精密位置決め装置は、多軸方向に自由度を持った精密位置決め装置が、１個の一体構造物と、複数個の伸縮アクチュエータとを備え、位置決め対象物の各軸方向の移動が、前記位置決め対象物をその方向にのみ移動させるように変形する一体構造物の弾性変形によって行われ、前記弾性変形を生じさせる力が、前記一体構造物に組み込まれた前記伸縮アクチュエータの伸縮に基づくものとされていることを特徴とする精密位置決め装置である。

その精密位置決め装置は、前記のように構成されているので、位置決め対象物を多軸方向に移動させて位置決めする機構が、１個の一体構造物と、該一体構造物に組み込まれる複数個の伸縮アクチュエータとのみから成るので、その構造がきわめて簡単であり、しかも、伸縮アクチュエータの伸縮量を一体構造物の弾性変形量に直接関係付けることができるので、精密な位置決めが可能になる。

好ましい実施形態によれば、その伸縮アクチュエータは、ピエゾ圧電素子から成るものとされる。この構成により、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を一体構造物の弾性変形量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御することにより、一体構造物の弾性変形量を精密に制御することができ、しかも、その制御は、比較的簡単であるので、位置決め対象物の精密な位置決めを容易に行うことができる。

別の好ましい実施形態によれば、その精密位置決め装置が、３軸方向に自由度を持った精密位置決め装置であるものとされる。これにより、位置決め対象物を３次元空間内の任意の位置に精密に位置決めすることが可能になる。

前記のとおり、本願の発明の精密位置決め装置によれば、位置決め対象物を多軸方向に移動させて位置決めする機構が、１個の一体構造物と、該一体構造物に組み込まれる複数個の伸縮アクチュエータとのみから成るので、その構造がきわめて簡単であり、しかも、伸縮アクチュエータの伸縮量を一体構造物の弾性変形量に直接関係付けることができるので、精密な位置決めが可能になる。

また、その伸縮アクチュエータがピエゾ圧電素子から成るものとされる場合には、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御することにより、位置決め対象物の精密な位置決めを容易に行うことができる。さらに、その精密位置決め装置が、３軸方向に自由度を持った精密位置決め装置とされる場合には、位置決め対象物を３次元空間内の任意の位置に精密に位置決めすることが可能になる。

本願の発明の一実施例（実施例１）の精密位置決め装置の斜視図である。 本願の発明の他の実施例（実施例２）の精密位置決め装置の斜視図である。 伸縮アクチュエータを一体構造物の弾性変形部に組み込む２態様を示す説明図である。 ワイヤカットマシーンにより金属材料から削り出された一体構造物の斜視図である。

符号の説明

１、１’…精密位置決め装置、２、２’…一体構造物、２ａ、２ａ’…ベース部、２ｂ、２ｂ’…垂直部、２ｃ、２ｃ’、２ｄ’…水平部、３ａ…Ｚ軸方向弾性変形部、３ｂ、３ｂ’…Ｘ軸方向弾性変形部、３ｃ、３ｃ’…Ｙ軸方向弾性変形部、４ａ、４ｂ、４ｂ’、４ｃ、４ｃ’…伸縮アクチュエータ、５ａ…第１筒状部、５ｂ、５ｂ’…第２筒状部、５ｃ、５ｃ’…第３筒状部、６…ツール取付け面。

３軸方向に自由度を持った精密位置決め装置が、１個の一体構造物と複数個の伸縮アクチュエータとを備え、位置決め対象物の各軸方向の移動が、該位置決め対象物をその方向にのみ移動させるように変形する一体構造物の弾性変形によって行われ、該弾性変形を生じさせる力が、一体構造物に組み込まれた伸縮アクチュエータの伸縮に基づくものとされている。伸縮アクチュエータは、ピエゾ圧電素子から成るものとされる。

次に、本願の発明の一実施例（実施例１）について説明する。
図１は、本実施例１の精密位置決め装置の斜視図である。本実施例１の精密位置決め装置１は、３軸方向に自由度を持った精密位置決め装置であって、図１に図示されるように、一体構造物２のベース部２ａから直立した垂直部２ｂに設けられたＺ軸方向弾性変形部３ａと、垂直部２ｂの上端において直角に折曲されて水平方向に延びる水平部２ｃの基端側に設けられたＸ軸方向弾性変形部３ｂと、水平部２ｃの先端側にＸ軸方向弾性変形部３ｂに隣接して設けられたＹ軸方向弾性変形部３ｃとを備えて成る。Ｚ、Ｘ、Ｙ軸方向弾性変形部３ａ、３ｂ、３ｃには、それぞれ伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃが組み込まれている。他に、伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃを電源に繋ぐ電気回路と、該電気回路に流れる電流を制御する制御装置等が備えられているが、図示省略されている。

一体構造物２は、導電性の金属材料、望ましくは、ばねとして用いられる金属材料から成り、これをワイヤカットマシーンにより３軸方向に切削加工して、図４に図示されるような一体構造物の形状に削り出すことによって形成されている。そして、その垂直部２ｂには、ベース部２ａ寄りにＸ軸方向に軸心を有する第１筒状部５ａが切削形成され、水平部２ｃの基端側には、Ｙ軸方向に軸心を有する第２筒状部５ｂが切削形成され、水平部２ｃの先端側には、Ｚ軸方向に軸心を有する第３筒状部５ｃが切削形成されている。第１、第２、第３筒状部５ａ、５ｂ、５ｃの端面同志は、互いに直交している。

垂直部２ｂ、水平部２ｃの第１、第２、第３筒状部５ａ、５ｂ、５ｃを除く部分の各断面形状（Ｘ軸、Ｙ軸と直交する方向に切断した場合に現れる各断面形状）は、ワイヤカットマシーンによる切削加工の結果、いずれも矩形形状にされているが、必ずしもこの形状に限られるものではない。第１、第２、第３筒状部５ａ、５ｂ、５ｃの各形状は、必ずしも円筒状でなくても良いが、垂直部２ｂの軸心を通るＸ−Ｚ平面、水平部２ｃの軸心を通るＸ−Ｙ平面、伸縮アクチュエータ４ｃの伸縮方向軸心を通り、Ｙ−Ｚ平面に平行な平面に対して、それぞれ対称に形成されるのが望ましい。このように形成されることにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向のそれぞれに対して偏奇のない弾性変形が得られる。なお、第３筒状部５ｃの形状は、水平部２ｃの軸心を通るＸ−Ｚ平面に対しても対称に形成されるのが望ましい。このように形成されることにより、Ｘ−Ｚ平面によって２分される第３筒状部５ｃの両対向壁は、伸縮アクチュエータ４ｃの伸縮量の丁度半分の量だけ、それぞれ等量変位することになる。

このようにして形成された第１筒状部５ａには、ピエゾ圧電素子と電極とが交互に複数段に積層されて成るスタックアクチュエータのような伸縮アクチュエータ４ａが、その積層方向をＺ軸方向に沿わせて垂直部２ｂと同心に組み込まれる。そして、このようにして、前記したＺ軸方向弾性変形部３ａが形成されている。同様にして、第２筒状部５ｂには、伸縮アクチュエータ４ｂが、その積層方向をＸ軸方向に沿わせて水平部２ｃと同心に組み込まれることにより、前記したＸ軸方向弾性変形部３ｂが形成されている。また、同様にして、第３筒状部５ｃには、伸縮アクチュエータ４ｃが、その積層方向をＹ軸方向に沿わせ、第３筒状部５ｃの中央部に位置するようにして組み込まれることにより、前記したＹ軸方向弾性変形部３ｃが形成されている。

なお、伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃの第１、第２、第３筒状部５ａ、５ｂ、５ｃへの組込み方向は、図３に図示されるように、以上に述べた方向と直交する向きに組み込まれるのであっても良い。但し、この場合には、伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃの積層方向長さが適切なものに取り替えられる必要がある。

ベース部２ａに対して一体構造物２の終端部をなす第３筒状部５ｃの筒部外周面には、Ｘ−Ｚ面に平行なツール取付け面６が形成されている。このツール取付け面６は、研削加工により平滑面として仕上げられており、ここに、各種のツールが取り付けられる。ツールの例としては、マイクログリッパ、各種検査ツール、プローブ（針、接触子）、カメラ、各種センサ、各種アクチュエータ等が考えられる。これらが、前記した精密位置決め対象物をなす。

以上のようにして第１、第２、第３筒状部５ａ、５ｂ、５ｃに組み込まれた伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃには、それぞれ図示されない直流電源より制御電流が供給されて、圧電効果により、所望の伸縮量が得られる。伸縮アクチュエータ４ａの伸縮は、第１筒状部５ａを弾性変形させて、垂直部２ｂの伸縮量を与え、これは、そのまま位置決め対象物のＺ軸方向変位を結果する。また、伸縮アクチュエータ４ｂの伸縮は、第２筒状部５ｂを弾性変形させて、水平部２ｃの伸縮量を与え、これは、そのまま位置決め対象物のＸ軸方向変位を結果する。さらに、伸縮アクチュエータ４ｃの伸縮は、第３筒状部５ｃを弾性変形させて、この第３筒状部５ｃの水平部２ｃと直交する方向（Ｙ軸方向）における伸縮量を与え、その所定分量（２分の１分量）は、そのまま位置決め対象物のＹ軸方向変位を結果する。

これら伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃの所望の伸縮量は、予め得られている入力電気量と伸縮量との関係を示す特性線図にしたがって、これらに電流を供給することによっても粗方得られるが、より精密には、伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃの現在位置を図示されない位置センサや歪みゲージセンサ、ビジョン等によって検出して、これを電流制御系にフィードバックするフィードバック制御を実行することによって得ることができる。

そして、このようにして得られた位置決め対象物のＺ、Ｘ、Ｙ軸方向変位の総合的結果として、当該位置決め対象物は、３次元空間内の所定の位置に、ナノメータから数百ミクロンメータのオーダーのきわめて微小な精度で、正確に位置決めされることになる。

伸縮アクチュエータ４ｃの伸縮は、厳密には、位置決め対象物のＹ軸方向変位のみならず、Ｘ軸方向変位をも結果するが、このＸ軸方向変位は、これを無視することができる場合が多いであろう。無視できない場合には、伸縮アクチュエータ４ｂの伸縮量を補正することにより、位置決め対象物を正しいＸ軸方向位置に位置決めすることができる。

なお、第２筒状部５ｂが形成された水平部２ｃの先方部分を水平面内で直角に曲げて、そこに新たな水平部を形成し、その先端に第３筒状部５ｃを形成し、そこに同じ構造のＹ軸方向弾性変形部３ｃを同じ姿勢で設けるようにすれば、伸縮アクチュエータ４ｃの伸縮を位置決め対象物のＹ軸方向変位のみとして取り出すことができ、前記のような伸縮アクチュエータ４ｂの伸縮量の補正は不要となる。のみならず、伸縮アクチュエータ４ｃの伸縮は、そのまま位置決め対象物のＹ軸方向変位を結果することとなるので、前記したような、第３筒状部５ｃの伸縮量の所定分量計算を行わなくて済み、位置決め対象物のＹ軸方向位置制御がきわめて簡単になる。

本実施例１の精密位置決め装置１は、前記のように構成されているので、次のような効果を奏することができる。
位置決め対象物（各種ツール等）を３軸方向に移動させて位置決めする機構が、１個の一体構造物２と、該一体構造物２に組み込まれる複数個の伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃとのみから成るので、その構造がきわめて簡単であり、しかも、伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃの変形量を、一体構造物２のＺ軸方向弾性変形部３ａ、Ｘ軸方向弾性変形部３ｂ、Ｙ軸方向弾性変形部３ｃそれぞれの弾性変形量に直接関係付けることができるので、位置決め対象物を３次元空間内の任意の位置に精密に位置決めすることが可能になる。

また、その伸縮アクチュエータ４ａ、４ｂ、４ｃは、ピエゾ圧電素子を用いて構成されるので、このピエゾ圧電素子に入力する電気量を一体構造物２の各弾性変形部３ａ、３ｂ、３ｃの弾性変形量に直接関係付けることができ、ピエゾ圧電素子に入力する電気量を精密に制御することにより、これら弾性変形部３ａ、３ｂ、３ｃの弾性変形量を精密に制御することができ、しかも、その制御は、比較的簡単であるので、位置決め対象物の精密な位置決めを容易に行うことができる。

次に、本願の発明の他の実施例（実施例２）について説明する。
図２は、本実施例２の精密位置決め装置１’の斜視図であり、実施例１の精密位置決め装置１と対応する部分には、実施例１の精密位置決め装置１に用いられた符号と同一の符号に「’」を付している。

本実施例２の精密位置決め装置１’は、実施例１の精密位置決め装置１と比較すると、Ｚ軸方向弾性変形部３ａ’が省略されて、Ｚ軸方向の自由度が解消され、自由度がＸ、Ｙ軸の２軸方向のみとされた点、Ｘ軸方向弾性変形部３ｂ’がＸ軸回りに９０°回転変位させられている点、及び水平部２ｃ’のＸ軸方向弾性変形部３ｂ’が設けられている部分よりも先方の部分が同一水平面内で直角に折曲されて、そこに新たに水平部２ｄ’が形成され、この水平部２ｄ’の先端にＹ軸方向弾性変形部３ｃ’が設けられている点で異なっている。しかしながら、その他の点で異なるところはないので、これ以上に詳細な説明を省略する。

本実施例２の精密位置決め装置１’においては、Ｙ軸方向弾性変形部３ｃ’が水平部２ｄ’の先端に設けられているので、伸縮アクチュエータ４ｃ’の伸縮をそのまま位置決め対象物のＹ軸方向変位として取り出すことができ、位置決め対象物のＹ軸方向位置制御が簡単になる。
本実施例２の精密位置決め装置１’によれば、位置決め対象物を２次元空間内の任意の位置に精密に位置決めすることができる。その他、実施例１と同様の効果を奏することができる。

なお、本願の発明は、以上の実施例に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。
例えば、伸縮アクチュエータとしては、ピエゾ圧電素子以外にも、各種の伸縮性のアクチュエータを用いることができる。また、Ｚ、Ｘ、Ｙ軸方向弾性変形部３ａ、３ｂ、３ｃの各形成位置、形成方向は、種々に変更が可能である。

Claims (3)

1. 多軸方向に自由度を持った精密位置決め装置が、１個の一体構造物と、複数個の伸縮アクチュエータとを備え、
   位置決め対象物の各軸方向の移動が、前記位置決め対象物をその方向にのみ移動させるように変形する一体構造物の弾性変形によって行われ、
   前記弾性変形を生じさせる力が、前記一体構造物に組み込まれた前記伸縮アクチュエータの伸縮に基づくものとされている
   ことを特徴とする精密位置決め装置。
2. 前記伸縮アクチュエータが、ピエゾ圧電素子から成ることを特徴とする請求項１に記載の精密位置決め装置。
3. 前記精密位置決め装置が、３軸方向に自由度を持った精密位置決め装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の精密位置決め装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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