JPH0642696A - 重荷重用高精度位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 重荷重用ピエゾ素子アクチュエータ（又は、
超磁歪素子アクチュエータ）を組み込み、超高速で且つ
ナノｍで高精度に位置決め可能な重荷重用高精度位置決
め装置を提供する。 【構成】 リニアコライダの集束用コイルＣ１〜Ｃ３を
支持する可動盤１０（合計重量約１０〜２０トン）を超
高速で且つ高精度で位置決めする為に、可動盤１０は、
前後各２対計４組のＸＹＺ位置決め装置２０（ＸＹＺ３
軸のボールネジ機構を含む）により、前後１対の中間盤
１３を介してＺ、Ｙ軸方向、３つの各軸回りにμｍオー
ダーで粗動駆動される。更に、各中間盤１３と可動盤１
０間に設けられた、左右１対のＺ軸ピエゾ素子アクチュ
エータユニットと、Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニ
ットにより、Ｚ、Ｙ軸方向、３つの各軸回り方向にナノ
ｍのオーダーで微動駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ｔｏｎオーダーの重量
の位置決め対象物をナノｍのオーダーで３次元的に位置
決めする重荷重用高精度位置決め装置に関するもであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体の製造装置やビーム加速器
や走査型トンネル顕微鏡の分野においては、位置決め対
象物をサブμｍやナノｍのオーダーで高精度に位置決め
する必要があり、その高精度位置決め装置では、最近圧
電素子（ピエゾ素子）を用いたピエゾ素子アクチュエー
タが活用されている。例えば、加速器「トリスタン」の
超伝導空洞装置では、超伝導空洞の軸方向長さを微調節
する為に、ステップモータ式の粗動機構と、圧電素子
（ピエゾ素子）からなる微動機構とが採用され、また走
査型トンネル顕微鏡の位置決め装置にもピエゾ素子アク
チュエータからなる微動機構が採用されている（「日経
ニューマテリアル」１９８７、２、１６参照）。尚、参
考までに、特開昭６１−２０９８３９号公報には静圧軸
受装置が記載され、また特開昭５０−１３２３５５号公
報には球状面を有するレベリングブロック装置が記載さ
れ、また実開平２−８１９９５号公報にはテーパー面式
のレベリング装置が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の技術におい
て高精度位置決めの対象となる位置決め対象物は、比較
的軽量又は軽荷重のものであったし、また位置決めの軸
数も少なかったために、微動機構にピエゾ素子アクチュ
エータを適用することで解決できた。しかし、ｔｏｎオ
ーダー乃至数１０ｔｏｎオーダーの位置決め対象物を、
４軸以上の多軸方向に３次元的に高速で高精度位置決め
する技術は、未だ確立されていないのが実情である。例
えば、将来建設されるリニアコライダー（ビーム加速
器）などでは、集束用マグネットや加速用マグネットと
これを支持する可動盤（１０〜２０ｔｏｎ）とを、超高
速で３次元的にナノｍのオーダーで位置決めする必要が
あり、重量つまり慣性質量が大きく且つ超高速の応答性
が必要であるため、微動機構のピエゾ素子アクチュエー
タの容量も大型化する必要があること、重荷重用微動機
構では、可動盤などの支持部材の弾性変形の影響で精度
低下が起こること、などの問題がある。本発明の目的
は、重荷重用ピエゾ素子アクチュエータを組み込み、超
高速で且つナノｍで高精度に３次元的に位置決め可能な
重荷重用高精度位置決め装置を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１の重荷重用高精
度位置決め装置は、ｔｏｎオーダーの重量の位置決め対
象物をナノｍのオーダーで３次元的に位置決めする位置
決め装置であって、前記対象物を支持する水平方向に細
長い高剛性の可動盤と、直交するＸ軸（可動盤の長さ方
向）、Ｙ軸、Ｚ軸（鉛直方向）のうち、可動盤を、少な
くとも、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、前記３軸の各軸回りにミ
クロンのオーダーで粗位置決め可能な粗動手段と、前記
粗動手段の駆動力を可動盤に伝達する中間盤と、前記可
動盤と中間盤間に設けられ、中間盤に対して可動盤を少
なくとも、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、前記３軸の各軸回り方
向にナノｍのオーダーで高精度に位置決め可能な微動手
段とを備えたものである。

【０００５】請求項２の位置決め装置は、請求項１にお
いて前記微動手段は、可動盤をＺ軸方向、Ｘ軸とＹ軸の
各軸回りに可動盤を微動させる為に、相互に離隔的に配
置された３組以上のＺ軸ピエゾ素子アクチュエータ又は
Ｚ軸超磁歪素子アクチュエータを備えたものである。請
求項３の位置決め装置は、請求項２において前記各Ｚ軸
ピエゾ素子アクチュエータ又はＺ軸超磁歪素子アクチュ
エータが３つのピエゾ素子積層体又は超磁歪素子積層体
からなるものである。請求項４の位置決め装置は、請求
項３において前記可動盤と各Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエ
ータ又はＺ軸超磁歪素子アクチュエータ間に、可動盤に
球面当接する大球面部材と、この大球面部材と各ピエゾ
素子積層体又は超磁歪素子積層体間に配置され大球面部
材に球面当接する小球面部材とからなる球面座機構を設
けたものである。

【０００６】請求項５の位置決め装置は、請求項１にお
いて前記微動手段は、可動盤をＹ軸方向、Ｚ軸回りに微
動させる為に、可動盤のＸ軸方向に任意距離離隔した位
置に設けられた少なくとも２つのＺ軸ピエゾ素子アクチ
ュエータユニット又はＺ軸超磁歪素子アクチュエータユ
ニットを備えたものである。請求項６の位置決め装置
は、請求項５において前記各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエ
ータユニット又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータユニッ
トは、中間盤の相対向する１対の支持部と、これら支持
部間の中央部に挿入された可動盤の入力部との間に、Ｙ
軸方向に相対向状に配置した１対のＹ軸ピエゾ素子アク
チュエータ又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータを備えた
ものである。請求項７の位置決め装置は、請求項６にお
いて、前記各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ又はＹ軸超
磁歪素子アクチュエータが３つのピエゾ素子積層体又は
超磁歪素子積層体からなるものである。

【０００７】請求項８の位置決め装置は、請求項５にお
いて前記各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット又は
Ｙ軸超磁歪素子アクチュエータユニットは、可動盤の相
対向する１対の入力部と、これら入力部間の中央部に挿
入された中間盤の支持部との間に、Ｙ軸方向に相対向状
に配置した１対のＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ又はＹ
軸超磁歪素子アクチュエータを備えたものである。請求
項９の位置決め装置は、請求項８において前記各Ｙ軸ピ
エゾ素子アクチュエータ又はＹ軸超磁歪素子アクチュエ
ータが３つのピエゾ素子積層体又は超磁歪素子積層体か
らなるものである。請求項１０の位置決め装置は、請求
項７又は９において前記入力部と各Ｙ軸ピエゾ素子アク
チュエータ又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ間に、入
力部に球面当接する大球面部材と、この大球面部材と各
ピエゾ素子積層体間に配置され大球面部材に球面当接す
る小球面部材とからなる球面座機構を設けたものであ
る。

【０００８】

【作用】請求項１の重荷重用高精度位置決め装置におい
ては、粗動手段により、中間盤を介して、ｔｏｎオーダ
ーの重量の位置決め対象物を支持した可動盤を少なくと
も、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、前記３軸の各軸回りにミクロ
ンのオーダーで粗位置決め可能であり、また可動盤と中
間盤間に設けた微動手段により、中間盤に対して可動盤
を少なくとも、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、前記３軸の各軸回
り方向にナノｍのオーダーで高精度位置決め可能であ
る。請求項２においては、相互に離隔的に配置された３
組以上のＺ軸ピエゾ素子アクチュエータ（又はＺ軸超磁
歪素子アクチュエータ）により、可動盤をＺ軸方向、Ｘ
軸とＹ軸の各軸回りに可動盤を微動させることができ
る。

【０００９】請求項３においては、前記各Ｚ軸ピエゾ素
子アクチュエータ（又はＺ軸超磁歪素子アクチュエー
タ）が３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積層
体）からなるので、各Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ
（又はＺ軸超磁歪素子アクチュエータ）の荷重容量を大
きくでき、３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積
層体）のレイアウト性もよく、且つ４つ以上のピエゾ素
子積層体（又は超磁歪素子積層体）を設ける場合のよう
な信頼性の低下も生じない。請求項４においては、前記
可動盤と各Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ（又はＺ軸超
磁歪素子アクチュエータ）間に、大球面部材と、３つの
小球面部材とからなる球面座機構を設けたので、３組の
Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ（又はＺ軸超磁歪素子ア
クチュエータ）の駆動力のＺ軸方向成分のみを可動盤に
作用させることができ、Ｚ軸方向成分以外の成分を球面
座機構により吸収できる。請求項５においては、可動盤
のＸ軸方向に任意距離離隔した位置に設けられた少なく
とも２つのＺ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット（又
はＺ軸超磁歪素子アクチュエータユニット）により、可
動盤をＹ軸方向とＺ軸回りに微動させることができる。

【００１０】請求項６においては、前記各Ｙ軸ピエゾ素
子アクチュエータユニット（又はＹ軸超磁歪素子アクチ
ュエータユニット）の１対のＹ軸ピエゾ素子アクチュエ
ータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）を、中間盤
の相対向する１対の支持部と、これら支持部間の中央部
に挿入された可動盤の入力部との間に、Ｙ軸方向に相対
向状に配置したので、中間盤と可動盤の弾性変形を最少
化できる。請求項７においては、前記各Ｙ軸ピエゾ素子
アクチュエータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）
が３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積層体）か
らなるので、各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ（又はＹ
軸超磁歪素子アクチュエータ）の荷重容量を大きくでき
る。請求項８においては、前記各Ｙ軸ピエゾ素子アクチ
ュエータユニット（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ
ユニット）の１対のＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ（又
はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）を、可動盤の相対向
する１対の入力部と、これら入力部間の中央部に挿入さ
れた中間盤の支持部との間に、Ｙ軸方向に相対向状に配
置したので、中間盤と可動盤の弾性変形の影響を排除で
きる。

【００１１】請求項９においては、前記各Ｙ軸ピエゾ素
子アクチュエータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエー
タ）が３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積層
体）からなるので、各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ
（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）の荷重容量を大
きくできる。請求項１０においては、前記入力部と各Ｙ
軸ピエゾ素子アクチュエータ（又はＹ軸超磁歪素子アク
チュエータ）間に、大球面部材と３つの小球面部材とか
らなる球面座機構を設けたので、Ｙ軸ピエゾ素子アクチ
ュエータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）のＹ軸
方向駆動力成分のみを可動盤に作用させることができ、
Ｙ軸方向駆動力成分以外の成分を球面座機構により吸収
できる。

【００１２】

【発明の効果】前記作用の欄で説明したように、本発明
によれば次の効果が得られる。請求項１の重荷重用高精
度位置決め装置によれば、粗動手段により、中間盤を介
して、位置決め対象物を支持した可動盤を、少なくと
も、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、前記３軸の各軸回りにミクロ
ンのオーダーで粗位置決めした状態で、可動盤と中間盤
間に設けた微動手段により、中間盤に対して可動盤を少
なくとも、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、前記３軸の各軸回り方
向にナノｍのオーダーで高精度位置決めすることができ
る。請求項２によれば、３組以上のＺ軸ピエゾ素子アク
チュエータ（又はＺ軸超磁歪素子アクチュエータ）によ
り、可動盤をＺ軸方向、Ｘ軸とＹ軸の各軸回りに可動盤
を微動させることができる。

【００１３】請求項３によれば、前記各Ｚ軸ピエゾ素子
アクチュエータ（又はＺ軸超磁歪素子アクチュエータ）
を３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積層体）で
構成したことにより、各Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ
（Ｚ軸超磁歪素子アクチュエータ）の荷重容量を大きく
でき、３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積層
体）のレイアウト性もよく、且つ信頼性を確保できる。
請求項４によれば、前記可動盤と各Ｚ軸ピエゾ素子アク
チュエータ（又はＺ軸超磁歪素子アクチュエータ）間に
設けらた球面座機構により、３組のＺ軸ピエゾ素子アク
チュエータ（又はＺ軸超磁歪素子アクチュエータ）の駆
動力のＺ軸方向成分のみを可動盤に作用させることがで
き、Ｚ軸方向成分以外の成分を球面座機構により吸収で
きる。

【００１４】請求項５によれば、可動盤のＸ軸方向に任
意距離離隔位置に設けられた少なくとも２つのＺ軸ピエ
ゾ素子アクチュエータユニット（又はＺ軸超磁歪素子ア
クチュエータユニット）により、可動盤をＹ軸方向とＺ
軸回りに微動させることができる。請求項６によれば、
前記各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット（又はＹ
軸超磁歪素子アクチュエータユニット）の１対のＹ軸ピ
エゾ素子アクチュエータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュ
エータ）を、中間盤の相対向する１対の支持部と、これ
ら支持部間の中央部に挿入された可動盤の入力部との間
に、Ｙ軸方向に相対向状に配置したことにより、中間盤
と可動盤の弾性変形を最少化できる。

【００１５】請求項７によれば、前記各Ｙ軸ピエゾ素子
アクチュエータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）
が３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積層体）か
らなるので、請求項３と同様の効果が得られる。請求項
８によれば、前記各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニ
ット（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータユニット）の
１対のＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ（又はＹ軸超磁歪
素子アクチュエータ）を、可動盤の相対向する１対の入
力部と、これら入力部間の中央部に挿入された中間盤の
支持部との間に、Ｙ軸方向に相対向状に配置したので、
中間盤と可動盤の弾性変形を最少化できる。

【００１６】請求項９によれば、前記各Ｙ軸ピエゾ素子
アクチュエータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）
が３つのピエゾ素子積層体（又は超磁歪素子積層体）か
らなるので、請求項３と同様の効果が得られる。請求項
１０によれば、前記入力部と各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュ
エータ（又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータ）間に、大
球面部材と３つの小球面部材とからなる球面座機構を設
けたので、Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ（又はＹ軸超
磁歪素子アクチュエータ）のＹ軸方向駆動力成分のみを
可動盤に作用させることができ、Ｙ軸方向駆動力成分以
外の成分を球面座機構により吸収できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ説明する。本実施例は、将来建設されるリニアビー
ム加速器であって電子ビームと陽子ビームとを衝突させ
るリニアコライダーの直列状に配置される多数の集束用
マグネットのうちの３つ集束用マグネットとそれを支持
する可動盤を高精度にアクティブに位置決めする為の重
荷重用高精度位置決め装置に本発明を適用した場合の一
例である。

【００１８】図１に示すように、重荷重用高精度位置決
め装置ＰＭ（以下、重荷重用位置決め装置と略称する）
においては、Ｘ軸方向（前後方向）に細長くＸ軸方向に
直列状に配列された３組の位置決め対象物であるビーム
集束用コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３を支持するＸ軸方向に細
長い高剛性の直方体盤状の可動盤１０と、可動盤１０の
前端部と後端部とに夫々対応する支持台１１と、各支持
台１１の左右両端部のストッパー機構１２と、可動盤１
０の前部の下側と後部の下側とに配置された１対の高剛
性の中間盤１３と、各中間盤１３を支持する左右１対の
ＸＹＺ位置決め装置２０であって直交するＸ軸方向、Ｙ
軸方向、Ｚ軸方向、これら３軸の各軸回りに中間盤１３
を介して可動盤１０を粗動可能な１対のＸＹＺ位置決め
装置２０と、これらＸＹＺ位置決め装置２０のベースと
してのベース板１４と、可動盤１０と各中間盤１３間に
配設され可動盤１０をＺ軸方向へ正逆微動可能な左右１
対のＺ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット５０（合計
４組）と、可動盤１０と各中間盤１３の左右方向中央部
間に配設され可動盤１０をＹ軸方向へ正逆微動可能なＹ
軸ピエゾ素子アクチュエータユニット７０（合計２組）
などを備えている。

【００１９】前記前側のビーム集束用コイルＣ１は、４
つの支持部材１５により可動盤１０上に支持され、この
ビーム集束用コイルＣ１の底面と可動盤１０間には３つ
の初期アライメント用の空圧リフター１６が設けられ、
また後側の２つのビーム集束用コイルＣ２、Ｃ３は共通
の高剛性の支持盤１７と４枚の板部材１８により可動盤
１０上に支持され、支持盤１７の底面と可動盤１０間に
は３つの初期アライメント用の空圧リフター（図示略）
が設けられている。前記可動盤１０の前端側の支持台１
１には２つのストッパー機構１９が設けられ、また可動
盤１０の後端側の支持台１１には２つのストッパー機構
（図示略）が設けられている。

【００２０】前記３つのビーム集束用コイルＣ１、Ｃ
２、Ｃ３とそれを支持する可動盤１０の全重量は、約２
０ｔｏｎであり、電子ビームはＸ軸方向の正方向から負
方向へ光速に近い速度で飛行し、３つのビーム集束用コ
イルＣ１、Ｃ２、Ｃ３で高精度に位置補正されて次段お
よび後続のビーム集束用コイル（図示略）で順々に位置
補正されることになる。尚、電子ビームの直径（Ｚ軸方
向に約１．５ナノｍ、Ｙ軸方向に約２００ナノｍであ
る）を計測するビーム径モニタＭや可動盤１０の高さ位
置を測定する為の平面視にて３角形の頂点に配置された
３つのレーザ干渉計Ｌも設けられている。この重荷重用
位置決め装置ＰＭは、主として地面の１０Ｈｚ以下の低
周波微小振動によるビーム集束用コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ
３の位置ずれを補正するために、ナノｍのオーダー（約
５０ナノｍのオーダー）でビーム集束用コイルの位置つ
まり可動盤１０の位置をアクティブに補正するものであ
る。

【００２１】次に、前記前後１対のＸＹＺ位置決め装置
２０は、粗動手段に相当するものであり、以下これにつ
いて説明する。但し、前部のＸＹＺ位置決め装置２０と
後部のＸＹＺ位置決め装置２０は前後に対称のものなの
で、前部のＸＹＺ位置決め装置２０について説明する。
但し、このＸＹＺ位置決め装置２０の諸機構はマシニン
グセンタなどの工作機械に適用されているものと同様の
機構を主体として構成されているので簡単に説明する。
図２〜図４に示すように、ベース板１４上にレールを含
むリニアローラガイド２１を介してＹ軸方向に夫々移動
可能に案内された左右１対のＹ軸テーブル２２が設けら
れ、各Ｙ軸テーブル２２は、Ｙ軸ステップモータ２３で
ボールネジ軸２４を回転駆動することでＹ軸テーブル２
２に固定のボールネジナットによりＹ軸方向に正逆移動
駆動される。

【００２２】各Ｙ軸テーブル２２上にはレールを含むリ
ニアローラガイド２５によりＸ軸方向に移動可能に案内
されたＸ軸テーブル２６が設けられ、各Ｘ軸テーブル２
６は、Ｘ軸ステップモータ２７でボールネジ軸２８を回
転駆動することでＸ軸テーブル２６に固定のボールネジ
ナットによりＸ軸方向に正逆移動駆動される。各Ｘ軸テ
ーブル２６上には前後１対のブラケット部材２９が相対
向状に立設され、この１対のブラケット部材２９にはレ
ールを含むリニアローラガイド３０によりＺ軸方向に移
動可能に案内されたＺ軸テーブル３１が設けられ、Ｚ軸
テーブル３１は、Ｚ軸ステップモータ３２でボールネジ
軸を回転駆動することでＺ軸テーブル３１に固定のボー
ルネジナットによりＺ軸方向に正逆移動駆動される。前
記左右１対のＺ軸テーブル３１上には中間盤１３が支持
され、これら１対のＺ軸テーブル３１上に中間盤１３が
支持されている。

【００２３】従って、前記各ＸＹＺ位置決め装置２０に
より、それで支持した中間盤１３を、Ｙ軸方向、Ｘ軸方
向、Ｚ軸方向、Ｘ軸回りに３次元的にミクロンオーダー
で粗動して位置決めすることが可能で、前後１対のＸＹ
Ｚ位置決め装置２０の協働により、前後１対の中間盤１
３で支持した可動盤１０を、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸
方向、Ｘ軸回り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに３次元的にミク
ロンオーダーで粗動して位置決めすることが可能であ
る。

【００２４】次に、前記前後１対の中間盤１３と可動盤
１０間に設けられた微動手段に相当する合計４組のＺ軸
ピエゾ素子アクチュエータユニット５０と合計２組のＹ
軸ピエゾ素子アクチュエータユニット７０について説明
する。図２〜図７に基いてＺ軸ピエゾ素子アクチュエー
タユニット５０について説明すると、４組のＺ軸ピエゾ
素子アクチュエータユニット５０は、前後１対の中間盤
１３の左右両端部と可動盤１０間に設けられ、４組のＺ
軸ピエゾ素子アクチュエータユニット５０は同一の構成
であり、各Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット５０
は、夫々例えば約１００枚のピエゾ素子片を積層してな
る３つのピエゾ素子積層体５１からなるＺ軸ピエゾ素子
アクチュエータ５２と、これら３つのピエゾ素子積層体
５１の上端に夫々配置された３つの小球面部材５３とこ
れら３つ

【００２５】の小球面部材５３の上面に夫々球面当接す
る１つの大球面部材５４とを含む球面座機構５５と、大
球面部材５４の上面に球面当接する下テーパ部材５６
と、この下テーパ部材５６の上面のテーパ面に面当接し
且つ可動盤１０の下面に平面当接する上テーパ部材５７
と、大球面部材５４を中間盤１３の方へ弾性付勢して３
つのピエゾ素子積層体５１を予圧する予圧機構５８と、
下テーパ部材５６と上テーパ部材５７とを可動盤１０に
固定する４本のボルト５９を備えている。尚、ボルト５
９が挿通する上テーパ部材５７のボルト孔５７ａは、Ｙ
軸方向に細長い長孔に形成してある。

【００２６】前記３つのピエゾ素子積層体５１は、中間
盤１３上に、相接近状に且つ平面視にて正三角形の頂点
に位置するように立て向きに配置され、各小球面部材５
３の上端面は上方に凸の部分球面凸座５３ａに形成され
てその球面凸座５３ａが、大球面部材５４の凹の部分球
面状の球面凹座５４ａに球面当接され、大球面部材５４
の上端面は上方に凸の部分球面凸座５４ｂに形成されて
その球面凸座５４ｂが、下テーパ部材５６の下面の部分
球面状の球面凹座５６ａに球面当接されている。尚、下
テーパ部材５６と上テーパ部材５７とは可動盤１０に属
するもので、これらを省略して大球面部材５７を直接可
動盤１０の下面の球面凹座に球面当接させてもよい。

【００２７】前記予圧機構５８について説明すると、大
球面部材５４の外周部に対応し且つピエゾ素子積層体５
１間に対応する位置において、大球面部材５４に３つの
立て向きの段付きのボルト孔６０が形成され、各ボルト
孔６０に挿通させて脚部を中間盤１３に螺合させたボル
ト６１の頭部とボルト孔段部間に圧縮バネ６２が装着さ
れ、これら３つの圧縮バネ６２の弾性力によって３つの
ピエゾ素子積層体５１に予圧を付与して所定の圧縮状態
に保持してある。前記予圧機構５８により３つのピエゾ
素子積層体５１に所定の予圧を付与後に、上テーパ部材
５７を嵌入させて諸部材間の面接触状態を確保してあ
る。前記４組のＺ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット
５０のピエゾ素子アクチュエータ５２に供給する駆動電
圧を制御することで、可動盤１０をＺ軸方向、Ｘ軸回
り、Ｙ軸回りに夫々正逆微動可能であり、ナノｍのオー
ダーで位置決め可能である。

【００２８】次に、図２、図８〜図１１に基いて前後１
対のＹ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット７０につい
て説明する。各中間盤１３のＹ軸方向中央部と可動盤１
０間に各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット７０が
設けられるが、これらのＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ
ユニット７０は同一の構成のものなので、その一方につ
いて説明すると、中間盤１３の中央部にはＹ軸方向に長
い矩形穴７１が形成され、矩形穴７１の左右両端の壁部
が支持部７２とされ、この矩形穴７１には可動盤１０に
属する左右１対のブロック状の入力部材７３が挿入配置
され、これら入力部材７３間に所定の間隔が空けられ、
また入力部材７３の外側の入力部７４とそれに対向する
出力部７２間に

【００２９】も所定間隔が空けられ、各入力部材７３に
はＹ軸方向に細長い立て向きの４つのボルト孔７５が形
成してあり、各入力部材７３はこれら４つのボルト孔７
５に挿通させたボルト７６により可動盤１０の下面に固
定され、両入力部材７３は１対の逆ネジ部７７ａを有す
るＹ軸方向向きの逆ネジ部材７７により連結され、この
逆ネジ部材７７にはそれを回動操作する為の操作部７８
が設けられ、操作部７８の外周部に８個の工具挿入用孔
７８ａが形成されている。前記各支持部７２とこれに対
向する入力部７４間にＹ軸方向向きのＹ軸ピエゾ素子ア
クチュエータ８０と球面座機構８２とが装着され、また
予圧機構８５も設けられている。

【００３０】このＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ８０
は、前記Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ５２と同様に３
つのピエゾ素子積層体８１からなり、球面座機構８２は
前記球面座機構５５と同様のもので、各ピエゾ素子積層
体８１の中央側端部に装着された小球面部材８３と、こ
れら３つの小球面部材８３と入力部７４間に装着された
大球面部材８４とからなる。予圧機構８５は前記予圧機
構５８と同様に大球面部材８４を支持部７２に連結する
３本のボルト８６と３つの圧縮バネ８７とを備え、３つ
のピエゾ素子積層体８１は予圧機構８５により所定の圧
縮状態に保持され、逆ネジ部材７７を介して入力部７４
と大球面部材８４が球面当接状に設定される。前記各Ｙ
軸ピエゾ素子アクチュエータユニット７０における２つ
のＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ８０の一方を伸長作動
させ且つ他方を収縮作動させることにより中間盤１３に
対して可動盤１０の対応する部分をＹ軸方向へ正逆微動
駆動可能であるから、２組のＹ軸ピエゾ素子アクチュエ
ータユニット７０により、可動盤１０をＹ軸方向、Ｚ軸
回りに正逆微動駆動可能であり、ナノｍのオーダーで微
小に位置決め可能である。

【００３１】前記１対のＸＹＺ位置決め装置２０の各軸
ステップモータ２３、２７、３２と、４組のＺ軸ピエゾ
素子アクチュエータ５２と、４組のＹ軸ピエゾ素子アク
チュエータ８０とをリアルタイムでアクティブに制御す
るコントロールユニット（図示略）が設けられており、
３つのレーザ干渉計Ｌからの検出信号と、Ｘ軸正方向所
定距離（例えば、約１００ｍ）前方のビーム径サイズモ
ニタや前記ビーム径サイズモニタＭやその他の検出器か
らの検出信号がコントロールユニットに供給されてい
る。

【００３２】以下、以上説明した重荷重用位置決め装置
ＰＭの作用について説明する。但し、制御技術について
は、本発明と直接関係しないため説明を省略し、機械的
構成から得られる作用について説明する。既述のよう
に、粗動手段としての前後１対のＸＹＺ位置決め装置２
０により、前後１対の中間盤１３で支持した可動盤１０
を、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸回り、Ｙ軸回
り、Ｚ軸回りに３次元的にミクロンオーダーで粗動して
位置決めすることが可能である。

【００３３】更に、既述のように、微動手段において、
４組のＺ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット５０によ
り、可動盤１０をＺ軸方向、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りに夫々
正逆微動可能であり、また２組のＹ軸ピエゾ素子アクチ
ュエータユニット７０により可動盤１０をＹ軸方向、Ｚ
軸回りに正逆微動可能であるから、４組のＺ軸ピエゾ素
子アクチュエータユニット５０と２組のＹ軸ピエゾ素子
アクチュエータユニット７０により、１対の中間盤１３
に対して可動盤１０を、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、Ｘ軸回
り、Ｙ軸回り、Ｚ軸回りに正逆微動可能で、これらの各
方向にナノｍのオーダーで微小に位置決め可能である。

【００３４】ここで、各Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ
５２を３つのピエゾ素子積層体５１で構成したので、信
頼性を損なうことなくＺ軸ピエゾ素子アクチュエータ５
２の荷重容量を十分に大きく設定できる。即ち、４つ以
上のピエゾ素子積層体５１を用いる場合には、それらの
積層体で平面が一義的に決まらず信頼性の低下を来すこ
とになる。３つのＺ軸ピエゾ素子積層体５１を平面視に
て正３角形の頂点に配置したので、これらの積層体を極
力接近配置でき誤差要因が少なくなる。前記Ｚ軸ピエゾ
素子アクチュエータ５２と可動盤１０間に球面座機構５
５を設け、球面座機構５５を各ピエゾ素子積層体５１の
上端の小球面部材５３とこれら３つの小球面部材５３の
上側の大球面部材５４とで構成したので、Ｚ軸方向成分
以外の駆動力成分を吸収して精度低下を防ぐことができ
る。

【００３５】前記球面座機構５５と可動盤１０間に下テ
ーパ部材５６と上テーパ部材５７とを設けたことで、諸
部材間の面接触状態を確保できる。一方、２組のＹ軸ピ
エゾ素子アクチュエータユニット７０に関して、各Ｙ軸
ピエゾ素子アクチュエータ８０を３つのピエゾ素子積層
体８１で構成したので、前記Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエ
ータ５２の３つのピエゾ素子積層体５１と同様の作用が
得られるし、また、各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ８
０と入力部７４間に球面座機構８２を設けたので、前記
Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ５２の球面座機構５５と
同様の作用が得られる。

【００３６】更に、各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユ
ニット７０における１対のＹ軸ピエゾ素子アクチュエー
タ８０を対向状に設け、１対の支持部７２は十分の強度
・剛性のある中間盤１３で一体的に連結されているの
で、１対のＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ８０から中間
盤１３に作用する反力を略相殺できるから、中間盤１３
の弾性変形による精度低下を効果的に防止できるし、ま
た、可動盤１０に属する１対の入力部材７３は１対のＹ
軸ピエゾ素子アクチュエータ８０間に挟持されているた
め１対の入力部材７３に曲げモーメントが殆ど作用せず
１対の入力部材７３の弾性変形による精度低下を効果的
に防止できる。しかも、逆ネジ部材７７を設けて各入力
部材７３を対応するＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ８０
の方へ駆動することで、諸部材間を面接触状態に設定で
きる。

【００３７】尚、図１２に示すように、Ｙ軸ピエゾ素子
アクチュエータユニット７０に関して、可動盤１０の下
端部に矩形孔７１に相当する凹部９０を形成し、その凹
部９０に入力部材７３に相当する中間盤１３に固定され
た支持部材７３Ａを挿入し、凹部９０のＹ軸方向に相対
向する入力部７４Ａとこれに対向する支持部材７３Ａの
支持部７２Ａ間にＹ軸ピエゾ素子アクチュエータ８０を
組み込んでも前記と同様の作用が得られる。尚、前記実
施例と同様のものに同一符号を付して説明を省略する。

【００３８】尚、前記ピエゾ素子積層体５１、８１代わ
りに超磁歪素子の積層体を用いることも可能であるが、
この場合超磁歪素子積層体に磁界を付加する磁界発生用
コイルをも設けることになる。重荷重用位置決め装置Ｐ
Ｍは、リニア加速器以外にも、ｔｏｎオーダーの重荷重
の位置決め対象物をナノｍのオーダーの超高精度で静的
又は動的に位置決めする種々の位置決め装置にも適用可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る重荷重用高精度位置決め装置の斜
視図である。

【図２】ＸＹＺ位置決め装置の平面図である。

【図３】ＸＹＺ位置決め装置の正面図である。

【図４】ＸＹＺ位置決め装置の側面図である。

【図５】Ｚ軸ピアゾ素子アクチュエータユニットの縦断
正面図である。

【図６】Ｚ軸ピアゾ素子アクチュエータユニットの縦断
側面図である。

【図７】図５の７−７線断面図である。

【図８】Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニットの縦断
正面図である。

【図９】Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニットの平面
図である。

【図１０】図９の１０−１０線断面図である。

【図１１】図８の１１−１１線断面図である。

【図１２】変形例に係る図８相当図である。

【符号の説明】

１０ 可動盤 １３ 中間盤 ２０ ＸＹＺ位置決め装置 ５０ Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット ５１、８１ ピエゾ素子積層体 ５２ Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ ５３、８３ 小球面部材 ５４、８４ 大球面部材 ５５、８２ 球面座機構 ７０ Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット ７２、７２Ａ 支持部 ７４、７４Ａ 入力部 ８０ Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中林 志郎 明石市川崎町１番１号 川崎重工業株式会 社明石工場内 (72)発明者 久保田 哲也 明石市川崎町１番１号 川崎重工業株式会 社明石工場内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｔｏｎオーダーの重量の位置決め対象物
   をナノｍのオーダーで３次元的に位置決めする位置決め
   装置であって、 前記対象物を支持する水平方向に細長い高剛性の可動盤
   と、 直交するＸ軸（可動盤の長さ方向）、Ｙ軸、Ｚ軸（鉛直
   方向）のうち、可動盤を、少なくとも、Ｚ軸方向、Ｙ軸
   方向、前記３軸の各軸回りにミクロンのオーダーで粗位
   置決め可能な粗動手段と、 前記粗動手段の駆動力を可動盤に伝達する中間盤と、 前記可動盤と中間盤間に設けられ、中間盤に対して可動
   盤を少なくとも、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向、前記３軸の各軸
   回り方向にナノｍのオーダーで高精度に位置決め可能な
   微動手段と、 を備えたことを特徴とする重荷重用高精度位置決め装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１の装置において、前記微動手段
   は、可動盤をＺ軸方向、Ｘ軸とＹ軸の各軸回りに可動盤
   を微動させる為に、相互に離隔的に配置された３組以上
   のＺ軸ピエゾ素子アクチュエータ又はＺ軸超磁歪素子ア
   クチュエータを備えたことを特徴とする重荷重用高精度
   位置決め装置。
3. 【請求項３】 請求項２の装置において、前記各Ｚ軸ピ
   エゾ素子アクチュエータ又はＺ軸超磁歪素子アクチュエ
   ータが３つのピエゾ素子積層体又は超磁歪素子積層体か
   らなることを特徴とする重荷重用高精度位置決め装置。
4. 【請求項４】 請求項３の装置において、前記可動盤と
   各Ｚ軸ピエゾ素子アクチュエータ又はＺ軸超磁歪素子ア
   クチュエータ間に、可動盤に球面当接する大球面部材
   と、この大球面部材と各ピエゾ素子積層体又は超磁歪素
   子積層体間に配置され大球面部材に球面当接する小球面
   部材とからなる球面座機構を設けたことを特徴とする重
   荷重用高精度位置決め装置。
5. 【請求項５】 請求項１の装置において、前記微動手段
   は、可動盤をＹ軸方向、Ｚ軸回りに微動させる為に、可
   動盤のＸ軸方向に任意距離離隔した位置に設けられた少
   なくとも２つのＹ軸ピエゾ素子アクチュエータユニット
   又はＹ軸超磁歪素子アクチュエータユニットを備えたこ
   とを特徴とする重荷重用高精度位置決め装置。
6. 【請求項６】 請求項５の装置において、前記各Ｙ軸ピ
   エゾ素子アクチュエータユニット又はＹ軸超磁歪素子ア
   クチュエータユニットは、中間盤の相対向する１対の支
   持部と、これら支持部間の中央部に挿入された可動盤の
   入力部との間に、Ｙ軸方向に相対向状に配置した１対の
   Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ又はＹ軸超磁歪素子アク
   チュエータを備えたことを特徴とする重荷重用高精度位
   置決め装置。
7. 【請求項７】 請求項６の装置において、前記各Ｙ軸ピ
   エゾ素子アクチュエータ又はＹ軸超磁歪素子アクチュエ
   ータが３つのピエゾ素子積層体又は超磁歪素子積層体か
   らなることを特徴とする重荷重用高精度位置決め装置。
8. 【請求項８】 請求項５の装置において、前記各Ｙ軸ピ
   エゾ素子アクチュエータユニット又はＹ軸超磁歪素子ア
   クチュエータユニットは、可動盤の相対向する１対の入
   力部と、これら入力部間の中央部に挿入された中間盤の
   支持部との間に、Ｙ軸方向に相対向状に配置した１対の
   Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ又はＹ軸超磁歪素子アク
   チュエータを備えたことを特徴とする重荷重用高精度位
   置決め装置。
9. 【請求項９】 請求項８の装置において、前記各Ｙ軸ピ
   エゾ素子アクチュエータ又はＹ軸超磁歪素子アクチュエ
   ータが３つのピエゾ素子積層体又は超磁歪素子積層体か
   らなることを特徴とする重荷重用高精度位置決め装置。
10. 【請求項１０】 請求項７又は９の装置において、前記
    入力部と各Ｙ軸ピエゾ素子アクチュエータ又はＹ軸超磁
    歪素子アクチュエータ間に、入力部に球面当接する大球
    面部材と、この大球面部材と各ピエゾ素子積層体又は超
    磁歪素子積層体間に配置され大球面部材に球面当接する
    小球面部材とからなる球面座機構を設けたことを特徴と
    する重荷重用高精度位置決め装置。