JPH0580685B2 - - Google Patents

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小移動装置、特に
移動テーブル等の高精度位置決め機能を有する衝
撃力を用いた微小移動装置に関する。

（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
請されるようになつてきており、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
微小移動機構が必要である。このような状況下に
あつて、摩擦の存在を積極的に利用し、摩擦によ
つて静止している物体に微小な衝撃を与えること
によつて微小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小移動装置が、本願と同
じ発明者によつて、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
はあつても、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難
く、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
図は微小移動機構の一実施例説明図、第２３図は
微小移動装置の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がらスイツ
チ３を介して充電したコンデンサ２から放電スイ
ツチ４を介して放電電流をコイル５に瞬間的に流
すことによつて、瞬間的に強磁界を発生させる
と、コイル５の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ie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。微小移動機構は、例
えば、第２２図に示すように、バネ或いはダンパ
等のバツフア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
よつて瞬間的に微小距離l₁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、微小移動機構は、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Ｄ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を用いることによつて回
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、従来の微小移動装置によれば、
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
によつている。ところで、この微小移動機構は通
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け持ち、そのサーボモータの
位置決めの分解能で得られない微小距離の移動、
つまり、位置の微調整をこの微小移動装置に行な
わせることができる。この場合、位置決めの対象
物がこの微小移動装置（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
微小微小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、この微小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つ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
よつて移動してしまい、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つた。

また、従来の微小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。
従つて、第２３図に示すように仮に衝撃力発生装
置ａ−１とａ−２によつ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
いつた問題があつた。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
によつて左右されてしまい、高精度の位置決めを
行うには難があつた。

（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、該基部上で位置決めが予定され
る移動対象物と、該移動対象物の側面に衝撃力を
与える衝突体と該衝突体を元の位置へ緩やかに戻
すバネ体とを具備す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
装着し、前記衝撃力により、前記磁気吸引力付与
手段から生じる磁気吸引力を含む前記基部と移動
対象物間の摩擦抵抗に打ち勝つて前記移動対象物
を微小移動するようにしたものである。

二つには、基部と、該基部上で位置決めが予定
される移動対象物と、該移動対象物の側面に衝撃
力を与える衝突体と該衝突体を元の位置へ緩やか
に戻すバネ体とを具備す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し、前
記衝撃力により、前記接触点の創生手段による摩
擦抵抗に打ち勝つて前記移動対象物を微小移動す
るようにしたものである。

（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、移動対象物は意図された衝撃力に
よつては移動するが、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段を設
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。

〔〕 まず、磁気級引力を付加する型、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
小移動装置について説明する。

第１図は本発明に係る微小移動装置の一実施
例斜視図、第２図は第１図の−′線断面図
である。図中、１１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１
２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の脚部の係合によつ
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。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
いることによつて、傾斜面１６、垂直面１７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小移動
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１
８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
発生装置のスイツチングをリモコン操作によつ
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１４は、後ほど詳
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２
０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、微小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つて静止位置
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、電磁力２０の励磁コイルに電法を
流すようにスイツ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への接
触点の創生手段を有する微小移動装置について
説明する。

第８図は係る微小移動装置の一実施例斜視
図、第９図はその−′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
に創生するための突起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
安定であつ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１３とは、
別の材料を用いて作ることができる。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く、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の材料を選択
できるといつた利点がある。

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つて
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、支点の調整を行なうよ
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を前記嵌
合用穴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、この微小移動装置の
上面に円形のテーブル２６を固定しておき、該
テーブル２６上に試料やチツプ等を固定し、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は基部１１には穴２７を設け、微小移
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
うに積載物２９が移動対象物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
位置は突起の近傍に偏倚し、突起にかかる力
は＞＞＞となり、突起へかかる重力は
不均一となる。従つて、仮に衝撃力の与え方が
一様であつても、例えば、a₁，a₂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a₂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、突起の吸引力を突
起よりも大きくしてやれば良い。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
力を受け持つように、或いは電磁衝撃力の移動
への効果を試行によつ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１
７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３０を移動対象物１３の底面に配置す
るようにする。

なお、本発明における微小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、その信頼
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、本発明は、次の
ような効果を奏することができる。

(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、該移動対象物の側面に衝撃力を与
える衝突体と該衝突体を元の位置へ緩やかに戻
すバネ体とを具備す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
与手段を装着するようにしたので、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つて、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ツプの位置決め装
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小移
動装置の斜視図、第２図は同微小移動装置の断面
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
内型微小移動装置の説明図、第７図は電磁石吸引
型微小移動装置の説明図、第８図は本発明に係る
接触点創生型微小移動装置の斜視図、第９図は同
微小移動装置の−′線断面図、第１０図は第
２の実施例を示す接触点創生型微小移動装置の説
明図、第１１図は第３の実施例を示す接触点創生
型微小移動装置の説明図、第１２図は第４の実施
例を示す接触点創生型微小移動装置の説明図、第
１３図及び第１４図は第５の実施例を示す接触点
創生型微小移動装置の説明図、第１５図乃至第１
７図は電磁石型接触点創生型微小移動装置の説明
図、第１８図は衝撃力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
小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
いた微小移動装置の説明図、第２３図は従来の微
小移動装置の３自由度運動機構の説明図である。 １１……基部、１２……Ｖ字状の切り溝、１３
……移動対象物、１４……磁気吸引力付与手段
（永久磁石）、２０……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 (1)

1. 【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、該移動対象物の側面に衝撃力を与え
   る衝突体と該衝突体を元の位置へ緩やかに戻すバ
   ネ体とを具備す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装着
   し、前記衝撃力により、前記磁気吸引力付与手段
   から生じる磁気吸引力を含む前記基部と移動対象
   物間の摩擦抵抗に打ち勝つて前記移動対象物を微
   小移動することを特徴とする衝撃力を用いた微小
   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
   撃力を用いた微小移動装置。 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
   力を用いた微小移動装置。 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
   用いた微小移動装置。 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、該移動対象物の側面に衝撃力を与え
   る衝突体と該衝突体を元の位置へ緩やかに戻すバ
   ネ体とを具備す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し、前記衝撃力
   により、前記接触点の創生手段による摩擦抵抗に
   打ち勝つて前記移動対象物を微小移動することを
   特徴とする衝撃力を用いた微小移動装置。 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
   微小移動装置。 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小移動装置。 ８ 前記突起は永久磁石によつて構成されること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項記載の衝撃力
   を用いた微小移動装置。 ９ 前記突起は電磁石によつ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小移動装置。 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
   力を用いた微小移動装置。 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小移動装置。 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
   小移動装置。 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
   微小移動装置。 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
   衝撃力を用いた微小移動装置。