JPH012845A

JPH012845A - 精密位置決め装置

Info

Publication number: JPH012845A
Application number: JP62-159276A
Authority: JP
Inventors: 成宮　久喜
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Filing date: 1987-06-25
Publication date: 1989-01-06
Anticipated expiration: 2011-12-25

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、精密位置決め装置、さらに詳しくは、圧電
素子を使用した精密位置決め装置に関する。

従来の技術とその問題店たとえば、半導体の製造装置や検査装置、磁気ディスク
装置や光デイスク装置または超精密鏡面加工装置などに
、圧電素子をアクチュエータとして使用した精密位置決
め装置が用いられている。これは、印加電圧の変化によ
る圧電素子の伸縮を利用したものであり、応答が早く、
印加電圧の制御のみで高い位置決め精度が得られるとい
う特徴を有する。ところが、圧電素子は引張方向の強度
が低く、圧電素子により移動テーブルなどの位置決め対
象部材を位置決めさせるには圧電素子に引張力が働かな
いように工夫する必要がある。このため、弾性ヒンジや
ばねなどを圧電素子と位置決め対象部材との間に介在さ
せ、圧電素子に引張力が作用しないようにして予圧をか
ける方法が広く用いられている。

しかしながら、このようにすると、装置の構造が複雑に
なるばかりでなく、圧電素子が圧縮方向で剛性大、その
逆方向では剛性小という傾向をもつため、全体の系とし
ての剛性が問題となることが多い。また、弾性ヒンジや
ばねにより一一度与えた予圧は、容品に調整することが
できない。

この発明の目的は、上記の問題を解決した精密位置決め
装置を提供することにある。

問題点を解決するための手段この発明による精密位置決め装置は、固定台の対向部分
に圧電素子が取付けられ、これらの圧電素子の間に位置
決め対象部材が直接取付けられていることを特徴とする
ものである。

作　　　　　用固定台の対向部分に取付けられた圧電素子の間に位置決
め対象部材が挾まれているので、圧電素子の印加電圧を
制御することにより、圧電素子の予圧を簡単に調整する
ことができ、常に圧電素子に予圧を与えた状態で位置決
めを行なうことができる。このため、従来のような弾性
ヒンジやばねが不要であり、構造が簡単になる。

また、位置決め対象部材を圧電素子により挾み込んで保
持するので、この位置決め対象部材を固定台に直接取付
けて摺動させるような必要がなくなり、機械的なスティ
ックスリップやバックラッシなどを考慮する必要がなく
、きわめて滑らかな精密位置決めが可能になる。また、
予圧の調整ができるので、位置決め対象部材や固定台の
熱膨脹などによる予圧変化にも敏速に対応した位置決め
も可能となる。さらに、予圧の調整により位置決め対象
部材の固有振動数を調整することができるので、振動や
音の対策にも効果を発揮する。

実　　施　　例第１図け、この発明の第１実施例を示す。

垂直断面路Ｕ形の固定台（ｌＯ）の垂直対向面（ｌＯａ
）　（ｆｏｂ）に１対の圧電素子（１１）（１２）が対
向状に配置され、これらの圧電素子（１１）（１２）の
間に水平移動テーブル（１３）が挾み止められている。

テーブル（１３）を圧電素子（１１）（１２）の間に組
込んだのち両方またはいずれか一方の圧電素子（１１）
（１２）に電圧を印加することにより、圧電素子（１１
）（１２）に予圧を与えてテーブル（１３）を保持する
ようにする。または、最初からテーブル（１３）を少し
圧入ぎみに圧電素子（１１）（１２）の間に組込んだの
ち、圧電素子ｏＤ（１２）に電圧を印加して、さらに大
きな予圧が圧電素子（１ｔ）（１２）に作用するように
する。そして、各圧電素子（１１）（１２）に印加する
電圧を変えることにより、これらを伸縮させて、テーブ
ル（１３）を移動させる。このとき、２つの圧電素子（
１１）（１２）の伸び量と縮み量がほぼ等しくなるよう
に印加電圧の調整を行ない、テーブル（１３）の移動に
より予圧の大きさが変わらないようにする。

上記のような制御を行なう圧電素子駆動回路の原理的な
ものを１例として第２図に示す。この駆動回路は、電源
（１４）、予圧調整゛用可変抵抗器（１５）および精密
位置決め用可変抵抗器（１６）を備えており、次のよう
に作動させられる。

まず、テーブル（１３）を圧電素子（１１）（１２）の
間に組込んだのち、電源（１４）を投入し、精密位置決
め用可変抵抗器（１Ｂ）を中立にした状態で予圧調整用
可変抵抗器（１５）を操作する。これにより、２つの圧
電素子（１１）（１２）に等しい電圧ＥＯが印加され、
これらに予圧が与えられる。このとき、２つの圧電素子
（１１）（１２）の発生力は等しく、その位置をテーブ
ル（１３）の原点位置とする（第３図参照）。

このような状態から可変抵抗器（１Ｂ）を操作して第１
の圧電素子（１１）の印加電圧をＥｏ＋Ｅａにすると、
第２の圧電素子（１２）の印加電圧はＥｏ−Ｅａになる
。このとき、圧電素子ｍ）（１２）の伸び量および縮み
量は印加電圧の増加量および減少量にほぼ比例するので
、第１の圧電素子（１１）の伸び量と第２の圧電素子（
１２）の縮み量は等しい。このため、テーブル（１３）
は＋ａ移動し、しかも圧電素子（１１）（１２）に働く
予圧は変化しない。同様に、可変抵抗器（１Ｂ）を操作
して第１の圧電素子（１１）の印加電圧をＥｏ−Ｅｂに
すると、第２の圧電素子（１２）の印加電圧はＥｏ＋Ｅ
ｂになり、テーブル（１３）は−ｂ移動する。

また、予圧を高める必要があるときには、第３図に破線
で示すように、可変抵抗器（１５）を操作して２つの圧
電素子（１１）（１２）に印加する電圧をたとえばＥ、
となるように高めればよい。

なお、予圧の大きさは、テーブル（１３）またはその上
に搭載するものの重量、テーブル（１３）および固定台
（１０）の変形特性、予圧を受ける面の摩擦係数、予圧
の調整範囲、圧電素子（１１）（１２）の特性などを考
慮して適宜決定される。

上記の精密位置決め装置では、２つの圧電素子（１１）
（１２）の印加電圧を制御することにより、圧電素子（
１１）（１２＞の予圧を簡単に調整することができ、常
にこれらの圧電素子（１１）（１２）に予圧を与えた状
態でテーブル（１３）の精密位置決めを行なうことがで
きる。このため、テーブル（１３）の移動方向が逆にな
っても剛性を容易に等しくすることかで゛き、従来の弾
性ヒンジやばねなどのような特別な機構を必要としない
ため、構造が簡単である。また、テーブル（１３）が固
定台（ｌＯ）と接触せずに移動するので、テーブル（１
３）の移動による機械的なスティックスリップやバック
ラッシなどを考慮する必要がなく、きわめて滑かな精密
位置決め操作が可能である。

なお、各部材の形状精度や圧電素子の特性のため予圧が
変化すると位置決め対象部材に均一でない偏荷重がかか
る場合は、第４図の（ａ）または（ｂ）などのように、
固定台（ｌＯ）と圧電素子（１１）（１２）の間または
圧電素子（１１）（１２）と位置決め対象部材であるテ
ーブル（１３）の間にモーメントの発生を緩和させる機
構を設けることができる。第４図（ａ）の場合、固定台
（１０）と圧電素子（１２）の間に中間部材（１７）が
挾まれ、この部材（１７）に形成された凹条の球面に固
定台（１０）の対向面（１０ｂ）に形成された半球状の
突起が押付けられている。また、第４図（ｂ）の場合、
固定台（１０）の対向面（ｔａｂ）に圧電素子受は部（
ｔｏｅ）が薄肉部を介して一体に形成され、この受は部
（１０ｃ）の側面に圧電素子（１２）が押付けられてい
る。

剛性を重視せず、位置決め対象部材両端面に均一な保持
力を加えたい場合、このような機構を用いると有効であ
る。

第５図は、この発明の第２実施例を示す。

精密位置決め装置の固定台（２０）は１対の互いに平行
な対向部（２０ａ）　（２０ｂ）を備えており、これら
の対向部（２０ａ）　（２０ｂ）に、１直線上に位置す
る貫通段付穴（２１）　（２２）が大径部（２１ａ）　
（２２ａ）を向い合わせた状態にあけられている。各段
付穴（２１）（２２）の大径部（２１ａ）　（２２ａ）
には、それぞれ、リング状の圧電素子（２３）（２４）
とアンギニラ玉軸受（２５）　（２Ｂ）の外輪（２５ａ
）　（２８ａ＞が小径部（２１ｂ）　（２６ｂ）との環
状段部（２１ｅ）　（２２ｃ）側から順にはめられてい
る。各段付穴（２１）　（２２）の大径部（２１ａ）　
（２２ａ）の端部に環状ストッパ（２７）　（２８）が
固定され、このストッパ（２７）　（２８）と軸受（２
５）　（２Ｂ）の外輪（２５ａ）（２８ａ）の間にさら
にリング状の圧電素子（２９）　（３０）がそれぞれ挾
まれて、段付穴（２１）　（２２）の段部（２１ｃ）　
（２２ｃ）とストッパ（２７）　（２８）の間に、それ
ぞれ、外輪（２５ａ）　（２８ａ）が両側の圧電素子（
２３）　（２９）および（２４）　（３０）を介して挾
みつけられている。

各軸受（２５）　（２Ｂ）の内輪（２５ｂ）　（２６ｂ
）は、１本のボールねじ（３１）の両端寄りの部分に適
宜な手段により固定されている。ボールねじ（３１）の
ねじ部（３１ａ）には、１対のナツト（３２）（３３）
（ダブルナツト）が取付けられ、これらのナツト（３２
）　（３３）の間に、リング状の圧電素子（３４）がナ
ツト（３２）　（３３）の予圧が可能となるように挾み
止められている。また、ナツト＜３２）　（３３）の適
当箇所に、移動テーブル（８５）が固定されている。

図示は省略したが、固定台対向部（２０ａ）　（２０ｂ
）のそれぞれの１対の圧電素子（２３）（２９）および
（２４）　（３０）は、たとえば第１実施例の場合と同
様の駆動回路に接続されている。そして、これらの圧電
素子（２３）　（２４）　（２９）　（３０）の印加電
圧を調整して、軸受（２５）　（２Ｂ）の予圧を調整す
る。また、圧電素子（２１）（２９）の一方を伸ばして
他方を同じ瓜だけ縮めることにより、軸受（２５）が左
右に微小量移動し、圧電素子（２４）（３０）の一方を
伸ばして他方を同じ量だけ縮めることにより、軸受（２
Ｇ）が左右に微小量移動する。そして、左右の軸受（２
５）（２６）を同じ方向に同じ量だけ微小移動させるこ
とにより、ボールねじ（３１）すなわちテーブル（３５
）が左右に微小量移動する。ナツト（３２）（３３）の
圧電素子（３４）は、印加電圧を制御する適当な駆動回
路に接続されている。また、圧電素子（３４）にはナツ
ト（３２）（３３）をばねなどで締付けることにより適
当な予圧が与えられており、印加電圧を上げて圧電素子
（３４）を伸ばすことにより、ナツト（３２）　（３３
）の間隔が広がって、ナツト（３２）（３３）の予圧が
高くなり、印加電圧を下げて圧電素子（３４）を縮める
ことにより、ナツト（３２）　（３３）の間隔が狭まっ
て、ナツト（３２）　（３３）の予圧が低くなる。

第２実施例の精密位置決め装置では、ボールねじ（３１
）を回転させることにより、ナツト（３２）（３３）す
なわちテーブル（３５）を左右に移動させて位置決めす
る。このとき、テーブル（３５）の移動が円滑で、しか
も位置決め精度が高くなるように、圧電素子（２３）　
（２４）　（２９）　（３０）　（３４）を次のように
制御する。

すなわち、ボールねじ（３１）を回転させるときには、
圧電素子（２１）　（２４）の印加電圧を下げ、圧電素
子（２９）　（３０）の印加電圧を上げて、軸受（２５
）（２６）の予圧を低くするとともに、圧電素子（３４
）の印加電圧を下げてナツト（３２）　（３３）の予圧
を低くする。このように軸受（２５）（２Ｂ）およびナ
ツト（３２）　（３３）の予圧を低くすることにより、
ボールねじ（３１）を低トルクで滑らかに回転させるこ
とができる。また、ボールねじ（３１）を停止させると
きには、圧電素子（２３）（２４）の印加電圧を上げ、
圧電素子（２９）　（３０）の印加電圧を下げて、軸受
（２５）　（２０）の予圧を高くするとともに、圧電素
子（３４）の印加電圧を上げてナツト（３２）（３３）
の予圧を高くする。このように軸受（２５）　（２Ｂ）
およびナツト（１２）（＄３）の予圧を高くすることに
より、精密位置決め装置全体の剛性を高める。そして、
この状態で、前述のように各１対の圧電素子（２３）（
２９）および（２４）（３０）を適当量伸縮させること
により、ボールねじ（３１）全体を左右に微小量移動さ
せてテーブル（３５）の超精密位置決めを行なうことが
できる。

なお、このような圧電素子（２３）　（２４）　（２９
）　（８０）（３４）の印加電圧の調整は、ボールねじ
（３１）の駆動制御装置により、ボールねじ（３１）を
駆動するサーボモータの入力電圧をもとにして行なわれ
る。

ボールねじを使用した位置決め装置では、剛性を高める
ため、ボールねじの支持軸受の予、圧を高めたり、ダブ
ルナツトに予圧をかけて使用される。ところが、この予
圧が高すぎると、ボールねじを駆動するモータのトルク
が大きくなり、ボールねじの寿命が短くなるというよう
な問題がある。また、逆に予圧を小さくすると、剛性が
低くなり、位置決め精度も悪くなる。このため、現在で
は、上記事項を考慮して予圧を適度な値にしているが、
一般的に、位置決め精度はｐのオーダーであり、ボール
ねじ１本の操作で０．０１７１７１７程度の位置決め、
を行なうことはできない。

位置決め精度を高めるため、ボールねじにより長いスト
ロークを移動する粗動テーブルの上に特種アクチュエー
タにより短いストロークを移動する微動テーブルを取付
け、まず、ボールねじを回転させて粗動テーブルをｐの
オーダーで高速位置決めし、ボールねじを停止させて粗
動テーブルを案内面に固定したのち、特種アクチュエー
タにより微動テーブルを高精度に位置決めすることが考
えられる。ところが、このようにすると、粗動テーブル
のほかに微動テーブルが必要になり、装置が大型になる
。

これに対し、第２実施例の場合、上記のように、ボール
ねじ（３１）の回転と圧電素子（２３）　（２４）（２
９）　（３０）　（３４）の制御を組合わせることによ
り、ボールねじ（３１）の回転は低トルクで円滑に、か
つテーブル（３５）の位置決めは０．　０１／１７１！
のオーダーの高精度で行なわれる。そして、移動テーブ
ルを案内面に固定したり移動テーブルのほかに微動テー
ブルを設けることが不要になり、移動テーブルの軽量化
、小型化が可能である。

発明の効果この発明の精密位置決め装置によれば、上述のように、
圧電素子の印加電圧を制御することにより、固定台と位
置決め対象部材との間に働く予圧を簡単に調整すること
ができ、常に圧電素子のみで位置決め対象部材に予圧を
与えた状態で位置決めができる。このため、従来のよう
な弾性ヒンジやばねが不要であり、構造が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示す精密位置決め装置
の側面図、第２図は第１図の装置の圧電素子の駆動制御
回路の１例を示す電気回路図、第３図は第２図の圧電素
子の印加電圧とテーブルの位置との関係を示すグラフ、
第４図は第１実施例の変形例を示す第１図相当の図面、
第５図はこの発明の第２実施例を示す精密位置決め装置
の縦断面図、第６図は第４図のナツトの部分を拡大して
示す縦断面図である。（１０）−・・固定台、（１０ａ）（１０ｂ）−・・対
向面、（ｌｌ）（１２）・・・圧電素子、（１３）・・
・移動テーブル、（２０）・・・固定台、（２０ａ）　
（２０ｂ）−・・対向部、（２３）　（２４）　（２９
）　（３０）・・・圧電素子、（２５）　（２８）・・
・軸受、（３１）・・・ボールねじ、（３５）・・・移
動テーブル。以上第１図第２図

Claims

【特許請求の範囲】

　固定台の対向部分に圧電素子が取付けられ、これらの
圧電素子の間に位置決め対象部材が直接取付けられてい
ることを特徴とする精密位置決め装置。