WO2006098010A1 - 精密位置決め装置 - Google Patents

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positioning device
contraction
precision positioning
elastic deformation
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Inventor
Tetsunori Otaguro
Original Assignee
Hirata Corporation
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    • G—PHYSICS
    • G12—INSTRUMENT DETAILS
    • G12B—CONSTRUCTIONAL DETAILS OF INSTRUMENTS, OR COMPARABLE DETAILS OF OTHER APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G12B5/00—Adjusting position or attitude, e.g. level, of instruments or other apparatus, or of parts thereof; Compensating for the effects of tilting or acceleration, e.g. for optical apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/028—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors along multiple or arbitrary translation directions, e.g. XYZ stages

Definitions

  • the present invention relates to a precision positioning apparatus, and more particularly to a precision positioning apparatus that has a simple structure and can accurately position a positioning object in a multi-dimensional direction in a multidimensional space.
  • the rotational force of a motor is converted into a force that moves a positioning object via a gear reduction mechanism, a feed screw mechanism, etc., and the current position of the positioning object is converted to a position sensor or the like.
  • a general method is to control the rotation of the motor and move it to a set position while feeding back to the motor.
  • a highly accurate mechanism and a feedback control system are required for converting the electric force into a mechanical force that moves the object to be positioned.
  • the mechanism becomes very complicated, and considerable skill and time are required for the adjustment control.
  • Patent Document 1 Japanese Patent No. 2677625
  • Patent Document 2 JP-A-6-170762
  • Patent Document 3 US Patent Publication 2004Z0140737
  • Patent Documents 1 and 2 remain in a positioning device having a degree of freedom in one axial direction, and the device described in Patent Document 3 is a multidimensional space. Although it is intended to position an object to be positioned within, the combined force of elastic deformation of a plurality of integral structures is not the same as that intended to position only by elastic deformation of one integral structure. The overall structure is very complicated.
  • the invention of the present application solves the above-mentioned problems of the conventional precision positioning device, and has a simple structure, and precisely positions a positioning object in a multi-axis direction in a multi-dimensional space. It is an object of the present invention to provide a precision positioning device capable of performing the above.
  • the precision positioning device is a precise positioning device having a degree of freedom in multiple axes, and includes one integrated structure and a plurality of telescopic actuators. Force is performed by elastic deformation of an integral structure that deforms so as to move the positioning object only in that direction, and the force that causes the elastic deformation is based on expansion and contraction of the expansion / contraction actuator incorporated in the integral structure It is a precision positioning device characterized by
  • the precision positioning device is configured as described above, a mechanism for moving a positioning object in multiple axes and positioning it is incorporated into one integrated structure and the integrated structure. Therefore, the structure is very simple, and the amount of expansion / contraction of the expansion / contraction actuator can be directly related to the amount of elastic deformation of the integrated structure. It becomes possible.
  • the expansion / contraction actuator also has a piezoelectric element force.
  • the amount of electricity input to the piezo piezoelectric element can be directly related to the amount of elastic deformation of the integrated structure, and the amount of electricity input to the piezo piezoelectric element can be precisely controlled to achieve the elasticity of the integrated structure.
  • the amount of deformation can be precisely controlled, and since the control is relatively simple, precise positioning of the positioning object can be easily performed.
  • the precision positioning device is a precision positioning device having a degree of freedom in three axis directions.
  • the positioning object can be precisely positioned at an arbitrary position in the three-dimensional space.
  • the mechanism for positioning the object to be positioned in the multi-axis direction is incorporated into one integrated structure and the integrated structure. Since the force is generated only with a plurality of expansion / contraction actuators, the structure is very simple, and the amount of expansion / contraction of the expansion / contraction actuators can be directly related to the elastic deformation of the integrated structure, enabling precise positioning. become.
  • the expansion / contraction actuator is made to have a piezoelectric element force
  • precise positioning of an object to be positioned is facilitated by precisely controlling the amount of electricity input to the piezoelectric element.
  • the precision positioning device is a precision positioning device having a degree of freedom in three axial directions, it is possible to precisely position the positioning object at an arbitrary position in the three-dimensional space.
  • FIG. 1 is a perspective view of a precision positioning device according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of a precision positioning device according to another embodiment (Embodiment 2) of the present invention.
  • FIG. 3 is an explanatory view showing two modes of incorporating the expansion / contraction actuator into the elastic deformation portion of the integral structure.
  • FIG. 4 is a perspective view of an integral structure that has been machined with a metal material by a wire cut machine.
  • a precision positioning device having a degree of freedom in three axial directions includes one integrated structure and a plurality of expansion and contraction actuators, and the movement of the positioning target in each axial direction is the positioning target.
  • the expansion / contraction actuator incorporated in the monolithic structure is formed by elastic deformation of the monolithic structure that deforms so as to move the object only in that direction. It is based on the expansion and contraction.
  • the telescopic actuator is also considered to have a piezoelectric element force.
  • FIG. 1 is a perspective view of the precision positioning device of the first embodiment.
  • the precision positioning device 1 of the first embodiment is a precision positioning device having a degree of freedom in three axial directions, and as shown in FIG. 1, a vertical portion that stands upright from the base portion 2a of the integrated structure 2.
  • Z-axis direction elastic deformation part 3a provided on 2b, and X-axis direction elastic deformation part 3b provided on the base end side of horizontal part 2c bent at a right angle at the upper end of vertical part 2b and extending in the horizontal direction;
  • the Y-axis direction elastic deformation part 3c provided adjacent to the X-axis direction elastic deformation part 3b is provided on the front end side of the horizontal part 2c.
  • Stretchable actuators 4a, 4b, and 4c are incorporated in the Z, X, and Y-axis direction elastic deformation portions 3a, 3b, and 3c, respectively.
  • an electric circuit that connects the expansion / contraction actuators 4a, 4b, and 4c to a power source, a control device that controls a current flowing through the electric circuit, and the like are provided, but the illustration is omitted.
  • the monolithic structure 2 also has a conductive metal material, preferably a metal material force used as a spring, and this is cut in three axial directions by a wire cutting machine, as shown in FIG. It is formed by cutting into the shape of an integral structure.
  • a first cylindrical portion 5a having an axial center in the X-axis direction is formed near the base portion 2a, and the axial center in the Y-axis direction is formed on the base end side of the horizontal portion 2c.
  • a second cylindrical portion 5b having a center is cut and formed, and a third cylindrical portion 5c having an axial center in the Z-axis direction is cut and formed on the distal end side of the horizontal portion 2c.
  • the end surfaces of the first, second, and third cylindrical portions 5a, 5b, and 5c are orthogonal to each other.
  • Each of the appearing cross-sectional shapes is a rectangular shape as a result of cutting by a wire cutting machine, but is not necessarily limited to this shape.
  • the shapes of the first, second, and third cylindrical portions 5a, 5b, and 5c do not necessarily have to be cylindrical, but the X-Z plane passing through the axis of the vertical portion 2b and the axis of the horizontal portion 2c It is desirable that they are formed symmetrically with respect to a plane parallel to the Y-Z plane passing through the X-Y plane passing through and the axis of expansion / contraction direction of the extendable actuator 4c. From this cocoon formation, Uneven elastic deformation can be obtained for each of the X, Y, and Z axes.
  • the shape of the third cylindrical portion 5c is desirably formed symmetrically with respect to the XZ plane passing through the axis of the horizontal portion 2c. As a result of this formation, the opposing walls of the third cylindrical portion 5c divided by the X-Z plane are displaced by an amount equal to exactly half the expansion / contraction amount of the expansion / contraction actuator 4c. It will be.
  • the first cylindrical portion 5a formed in this manner includes an extendable actuator 4a such as a stack actuator in which piezoelectric elements and electrodes are alternately stacked in multiple stages. It is installed concentrically with the vertical part 2b along the Z-axis direction. In this way, the aforementioned Z-axis direction elastic deformation portion 3a is formed. Similarly, in the second cylindrical portion 5b, the expansion / contraction actuator 4b is incorporated concentrically with the horizontal portion 2c with the stacking direction along the X-axis direction, so that the X-axis elastic deformation portion 3b described above is incorporated. Is formed.
  • an extendable actuator 4a such as a stack actuator in which piezoelectric elements and electrodes are alternately stacked in multiple stages. It is installed concentrically with the vertical part 2b along the Z-axis direction. In this way, the aforementioned Z-axis direction elastic deformation portion 3a is formed.
  • the expansion / contraction actuator 4b is incorporated concentrically with the horizontal portion 2c with the stacking
  • the telescopic actuator 4c is incorporated into the third cylindrical portion 5c so that the stacking direction is along the Y-axis direction and is positioned at the center of the third cylindrical portion 5c.
  • the Y-axis direction elastic deformation portion 3c is formed.
  • the direction in which the telescopic actuators 4a, 4b, 4c are assembled into the first, second, and third cylindrical portions 5a, 5b, 5c is the direction described above as shown in FIG. It may be incorporated in a direction perpendicular to the direction. However, in this case, it is necessary to replace the telescopic actuators 4a, 4b, 4c with appropriate lengths in the stacking direction.
  • a tool mounting surface 6 parallel to the X-Z plane is formed on the outer peripheral surface of the third cylindrical portion 5c that forms the terminal portion of the integrated structure 2 with respect to the base portion 2a.
  • This tool mounting surface 6 is finished as a smooth surface by grinding, and various tools can be mounted here. Examples of tools include various types of micro gritsno inspection tools, probes (needles, contacts), cameras, various sensors, and various actuators. These constitute the precise positioning object described above.
  • the control current is supplied from the DC power supply (not shown) to the telescopic actuators 4a, 4b, and 4c incorporated in the first, second, and third cylindrical portions 5a, 5b, and 5c, respectively.
  • a desired amount of expansion and contraction is obtained by the piezoelectric effect.
  • the expansion / contraction of the expansion / contraction actuator 4a elastically deforms the first cylindrical portion 5a to give the expansion / contraction amount of the vertical portion 2b. Result in the Z-axis displacement of the figurine.
  • the expansion / contraction of the expansion / contraction actuator 4b elastically deforms the second cylindrical portion 5b to give the expansion / contraction amount of the horizontal portion 2c, which directly results in the displacement of the positioning object in the X-axis direction.
  • the expansion / contraction of the expansion / contraction actuator 4c elastically deforms the third cylindrical portion 5c to give an expansion / contraction amount in a direction (Y-axis direction) perpendicular to the horizontal portion 2c of the third cylindrical portion 5c.
  • the predetermined amount (a half amount) directly results in the displacement of the positioning target in the Y-axis direction.
  • the desired amount of expansion / contraction of the expansion / contraction actuators 4a, 4b, 4c is obtained in advance! According to the characteristic diagram showing the relationship between the input electric quantity and the expansion / contraction amount, current is supplied to them. More precisely, the force that can be roughly obtained by the feedback. More precisely, the current position of the telescopic actuators 4a, 4b, 4c is detected by a position sensor, strain gauge sensor, vision, etc. (not shown), and this is fed back to the current control system. It can be obtained by executing the control.
  • the positioning object has several nanometer forces at a predetermined position in the three-dimensional space. It will be positioned accurately with extremely small accuracy on the order of a hundred microns.
  • the expansion and contraction of the expansion / contraction actuator 4c results not only in the Y-axis direction displacement of the positioning object, but also in the X-axis direction displacement, but this X-axis direction displacement can be ignored. There are many cases that can be done. If it cannot be ignored, the object to be positioned can be positioned at the correct position in the X-axis direction by correcting the expansion / contraction amount of the expansion / contraction actuator 4b.
  • the front portion of the horizontal portion 2c on which the second cylindrical portion 5b is formed is bent at a right angle in the horizontal plane to form a new horizontal portion, and the third cylindrical portion 5c is formed at the tip thereof. If the Y-axis elastic deformation part 3c having the same structure is provided in the same posture, the expansion / contraction of the expansion / contraction actuator 4c can be taken out only as the displacement in the Y-axis direction of the positioning object. Such correction of the expansion / contraction amount of the expansion / contraction actuator 4b becomes unnecessary.
  • a mechanism for positioning an object to be positioned (various tools, etc.) in three axial directions consists of one integrated structure 2 and a plurality of telescopic actuators 4a, 4b, 4c incorporated in the integrated structure 2.
  • the structure of the telescopic actuators 4a, 4b, 4c is deformed by the amount of deformation of the stretchable actuators 4a, 4b, 4c, and the elastic deformation part 3a, X-axis elastic deformation part 3b, Y of the integral structure 2. Since it can be directly related to the elastic deformation amount of each of the axial elastic deformation portions 3c, it becomes possible to precisely position the positioning object at an arbitrary position in the three-dimensional space.
  • the expansion / contraction actuators 4a, 4b, 4c are configured by using piezoelectric elements, the elastic quantities 3a, 3b, 3b, It can be directly related to the amount of elastic deformation of 3c, and by precisely controlling the amount of electricity input to the piezoelectric element, the amount of elastic deformation of these elastically deformable parts 3a, 3b, 3c can be precisely controlled. Since the control of the force is relatively simple, precise positioning of the positioning object can be easily performed.
  • FIG. 2 is a perspective view of the precision positioning device 1 ′ according to the second embodiment.
  • the parts corresponding to the precision positioning device 1 according to the first embodiment are denoted by the reference numerals used in the precision positioning device 1 according to the first embodiment.
  • the same code is marked with “,”.
  • the precision positioning device 1 'of the second embodiment omits the Z-axis direction elastic deformation portion 3a' and eliminates the degree of freedom in the Z-axis direction.
  • the degree of freedom is only in the X and Y axes, the X axis elastic deformation part 3b 'is rotated 90 ° around the X axis, and the horizontal part 2c' is in the X axis direction.
  • the part ahead of the part where the elastically deforming part 3b 'is provided is bent at a right angle in the same horizontal plane, and a new horizontal part 2d' is formed there, and the Y-axis is formed at the tip of this horizontal part 2d '.
  • the difference is that a directional elastic deformation portion 3c 'is provided.
  • the Y-axis direction elastically deforming portion 3c' is provided at the tip of the horizontal portion 2d ', so that the expansion and contraction of the expansion / contraction actuator 4c' is positioned as it is. Y-axis direction displacement can be taken out and position control of the positioning object in the Y-axis direction becomes easy.
  • the positioning object can be precisely positioned at an arbitrary position in the two-dimensional space.
  • the same effects as in Example 1 can be obtained.
  • various stretchable actuators can be used in addition to the piezoelectric element.
  • the formation positions and the formation directions of the Z, X, and Y-axis direction elastic deformation portions 3a, 3b, and 3c can be variously changed.

Landscapes

  • Control Of Position Or Direction (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Details Of Measuring And Other Instruments (AREA)

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。                                    

Description

明 細 書
精密位置決め装置
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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。し力しながら、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。
[0003] 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ァク チユエータを用いたものが種々提案されて ヽる（特許文献 1一 3)。
特許文献 1：特許第 2677625号公報
特許文献 2 :特開平 6- 170762号公報
特許文献 3：米国特許公開 2004Z0140737号公報
[0004] し力しながら、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ょ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ょうとするものではなぐ複数個の一体構造物の弾性変形の組 合せ力も成っていて、全体構造が非常に複雑である。
発明の開示 発明が解決しょうとする課題
[0005] 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。
課題を解決するための手段
[0006] 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、複数個の伸縮ァクチユエ一タとを備え、位置決め対象 物の各軸方向の移動力 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ァクチユエータの伸縮に基づくものとされ て!、ることを特徴とする精密位置決め装置である。
[0007] その精密位置決め装置は、前記のように構成されて 、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ァクチユエータとのみ力 成るので、その構造がきわめて 簡単であり、し力も、伸縮ァクチユ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。
[0008] 好ましい実施形態によれば、その伸縮ァクチユエータは、ピエゾ圧電素子力も成る 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。
[0009] 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。
発明の効果 [0010] 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ァクチユエータとのみ力 成るので、その構造がきわめて簡単 であり、し力も、伸縮ァクチユ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。
[0011] また、その伸縮ァクチユエータがピエゾ圧電素子力 成るものとされる場合には、ピ ェ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力 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。
図面の簡単な説明
[0012] [図 1]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。
[図 2]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。
[図 3]伸縮ァクチユ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。
[図 4]ワイヤカットマシーンにより金属材料力 削り出された一体構造物の斜視図であ る。
符号の説明
[0013] 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、 3&· · ·Ζ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'…伸縮ァクチ ユエ一タ、 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。
発明を実施するための最良の形態
[0014] 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 縮ァクチユエ一タとを備え、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、該弹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ァクチユエータ の伸縮に基づくものとされている。伸縮ァクチユエータは、ピエゾ圧電素子力も成るも のとされる。
実施例 1
[0015] 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、それぞれ伸縮ァクチユエータ 4a、 4b 、 4cが組み込まれている。他に、伸縮ァクチユエータ 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。
[0016] 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 力も成り、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。
[0017] 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、伸縮ァクチユエータ 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〖こ形成されること〖こより、 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〖こ形成されること〖こより、 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、伸縮ァクチユエータ 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。
[0018] 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ァクチユエータのような伸縮ァクチユエータ 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、伸縮ァクチユエータ 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、伸縮ァクチユエータ 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 ヽる。
[0019] なお、伸縮ァクチユエータ 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、伸縮ァクチユエータ 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。
[0020] 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、マイクログリツノ^各種検査ツール、プローブ (針、接触子）、 カメラ、各種センサ、各種ァクチユ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。
[0021] 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ァクチユエ 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。伸縮ァクチユエータ 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、伸縮ァクチユエータ 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、伸縮ァクチユエータ 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。
[0022] これら伸縮ァクチユエータ 4a、 4b、 4cの所望の伸縮量は、予め得られて!/、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力 より精密には、伸縮ァクチユエータ 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。
[0023] 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、ナノメータ力も数 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。
[0024] 伸縮ァクチユエータ 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、伸縮ァクチユエータ 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。
[0025] 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、伸縮ァクチユエータ 4 c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 うな伸縮ァクチユエータ 4bの伸縮量の補正は不要となる。のみならず、伸縮ァクチュ 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。
[0026] 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ァクチユエータ 4 a、 4b、 4cとのみ力も成るので、その構造がきわめて簡単であり、しかも、伸縮ァクチ ユエータ 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。
[0027] また、その伸縮ァクチユエータ 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、 3 b、 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、し力も、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。
実施例 2
[0028] 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 、る。
[0029] 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。し力しながら、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。
[0030] 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、伸縮ァクチユエータ 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。
[0031] 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、伸縮ァクチユエータとしては、ピエゾ圧電素子以外にも、各種の伸縮性の ァクチユ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。
809簡 SOOZdf/ェ:) d 6 0Ϊ0860/900Ζ OAV

Claims

請求の範囲
[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 伸縮ァクチユエ一タとを備え、
位置決め対象物の各軸方向の移動力 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ァクチ ユエータの伸縮に基づくものとされて 、る
ことを特徴とする精密位置決め装置。
[2] 前記伸縮ァクチユエータが、ピエゾ圧電素子力も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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