JPH08115128A - パラレルリンク機構 - Google Patents

パラレルリンク機構

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JPH08115128A
JPH08115128A JP5175414A JP17541493A JPH08115128A JP H08115128 A JPH08115128 A JP H08115128A JP 5175414 A JP5175414 A JP 5175414A JP 17541493 A JP17541493 A JP 17541493A JP H08115128 A JPH08115128 A JP H08115128A
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JP
Japan
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axis
parallel
link
piezoelectric element
capacitance type
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JP5175414A
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Inventor
Tatsuo Arai
健生 新井
Naotaka Komatsu
直隆 小松
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Agency of Industrial Science and Technology
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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    • 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
    • H02N2/0095—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing combined linear and rotary motion, e.g. multi-direction positioners
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0258—Two-dimensional joints
    • B25J17/0266—Two-dimensional joints comprising more than two actuating or connecting rods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B25J19/028—Piezoresistive or piezoelectric sensing devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/20—Control lever and linkage systems
    • Y10T74/20207—Multiple controlling elements for single controlled element
    • Y10T74/20341—Power elements as controlling elements
    • Y10T74/20354—Planar surface with orthogonal movement only

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】ひずみゲージの貼付け作業が不要で、従来検出
が困難であった可動板の位置・姿勢の検出を容易、適確
に行なえるパラレルリンク機構を提供すること。 【構成】各積層型圧電素子4 の一端部に固定したホルダ
5 で前記圧電素子4 と平行に静電容量型変位計6 を保持
し、前記圧電素子4 の他端部に、上記変位計6 の先端部
と微小間隙で一部が対向する如くターゲット部材7 を固
定し、前記圧電素子4 の伸縮動作に伴うリンクストロー
クの変化を検出する。互いに直交するｘ，ｙ，ｚの三軸
に各垂直な第１〜第３ターゲット面を有する可動板1 を
設け、第１ターゲット面に対向する如くｘ軸と平行に２
個の静電容量型変位計81,82 を取付け、第２ターゲット
面に対向する如くｙ軸と平行に１個の変位計83を取付
け、第３ターゲット面に対向する如くｚ軸と平行に３個
の変位計84〜86を取り付け、リンクストローク変化に伴
う可動板1 の位置、姿勢変化を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、物体の微小位置決め装
置、半導体製造機器、印刷機械、走査型トンネル顕微鏡
などの精密機器の位置決め機構に適用可能なパラレルリ
ンク機構に関し、特に同パラレルリンク機構の状態すな
わち位置および姿勢を検出しかつ制御する手段の改良に
関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は従来のパラレルリンク機構とその
制御系の構成を示す図である。図中下方に示すパラレル
リンク機構本体Ａは、可動板１と、固定板２と両者を結
合する６本のリンク３とにより構成されている。各リン
ク３は、積層型圧電素子４の伸縮動作に伴いそのストロ
ークを変化させる。各リンク３のストロークを協調して
制御することにより、可動板１が、固定板２に対して
「並進３自由度」、「回転３自由度」の計６自由度の相
対運動を行なえるものとなっている。図の例では、リン
クストロークを検出する手段として積層型圧電素子４の
表面にひずみゲージ１６を貼り付け、このひずみゲージ
１６の伸縮に伴うひずみを、ブリッジボックス１７、ひ
ずみＡＭＰ（増幅器）１８およびＡ／Ｄ変換器１９から
なるリンクストローク検出系Ｂによって検出し、制御装
置１１に出力する手段を採っている。制御装置１１はＤ
／Ａ変換器１２、駆動ＡＭＰ１３からなる圧電素子駆動
系Ｃに制御信号を与えて積層型圧電素子４を駆動制御す
るものとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】図５に示した例では、
積層型圧電素子４の表面に同素子の伸縮方向に一致する
ようにひずみゲージ１６を貼る必要があり、その貼り方
に精度が要求されるのみならず、ゲージ１６を貼り付け
る素子表面を、うねり等がないように精度よく平坦に加
工することが要求される。
【０００４】さらに、図５の例では、パラレルリンク機
構本体Ａの各リンクストロークの検出ならびに制御は可
能であるが、その反面、可動板１自体の位置・姿勢が検
出できない。このため、可動板１を制御する制御系がリ
ンクストロークのみを検出、制御する半閉ループ構成に
しかなっておらず、より精度の高い可動板１の位置・姿
勢制御が行なえないという技術上の問題があった。
【０００５】本発明の目的は、従来必要とされていたひ
ずみゲージの貼付け作業が不要となるばかりでなく、従
来は検出が困難であった可動板の位置・姿勢の検出を、
容易かつ適確に行なえるパラレルリンク機構を提供する
ことにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために本発明では次のような手段を講じた。 (1)リンクのストロークを積層型圧電素子からなるアク
チュエータを用いて可変制御するようにしたパラレルリ
ンク機構において、前記各リンクに設けた積層型圧電素
子の一端部位に固定されたホルダと、このホルダによっ
て前記積層型圧電素子と平行に保持された静電容量型変
位計と、この静電容量型変位計の先端部と微小間隙をお
いて一部が対向する如く前記積層型圧電素子の他端部位
に固定されたターゲット部材とを具備し、前記積層型圧
電素子の伸縮動作に伴うリンクストロークの変化を検出
するようにした。
【０００７】(2)リンクのストロークをアクチュエータ
を用いて可変制御するようにしたパラレルリンク機構に
おいて、固定板上に各リンクを介して水平に支持され且
つ互いに直交するｘ，ｙ，ｚの三軸にそれぞれ垂直な第
１〜第３ターゲット面を有する可動板と、各中心軸が前
記ｘ軸に平行となるように互いに一定間隔をおいて取り
付けられ且つ先端が前記第１ターゲット面に対向する如
く配設された２個の静電容量型変位計と、中心軸が前記
ｙ軸に平行となるように取付けられ且つ先端が前記第２
ターゲット面に対向する如く配設された１個の静電容量
型変位計と、各中心軸が前記ｚ軸に平行となるように取
付けられ且つ前記各中心軸が前記ｘ軸とｙ軸とを含むｘ
ｙ平面と交差する点が上記ｘｙ平面上で直角三角形の各
頂点をなすと共に、上記直角三角形の斜辺を除く他の二
辺がそれぞれ前記ｘ軸およびｙ軸に平行となるように配
設された３個の静電容量型変位計とを具備し、リンクス
トロークの変化に伴う前記可動板の位置および姿勢変化
を検出するようにした。
【０００８】
【作用】
「リンクストロークの検出」本機構におけるリンクは、
アクチュエータである積層型圧電素子と、同素子の一端
部位に固定されたホルダと、このホルダに保持された静
電容量型変位計と、この静電容量型変位計の先端部と微
小間隙をおいて一部が対向する如く前記積層型圧電素子
の他端部位に固定されたターゲット部材と、の４部分か
らなり、積層型圧電素子の伸縮動作に伴って、ホルダと
ターゲット部材との相対距離が変化するようになってい
る。したがって積層型圧電素子が伸縮すると、ホルダと
ターゲット部材との間隔が変化し、その変化が静電容量
型変位計によって、リンクのストローク変化として検出
されることになる。
【０００９】「可動板の位置および姿勢変化の検出」 ー１）ｘ，ｙ，ｚ各軸の並進変位は、以下に示す如く求
められる。ｘ軸方向には各中心軸がｘ軸にそれぞれ平行
となるよう互いに一定間隔をおいて２個の変位計（８
１，８２とする）が取付けられており、可動板に設けら
れた第１ターゲット面と変位計先端との相対距離が検出
される。したがって、可動板のｘ軸変位は、これら２個
の変位計のうちいずれか一方の出力とするか、あるい
は、両者の出力の平均値とすればよい。
【００１０】ｙ軸方向には各中心軸が、ｙ軸に平行とな
るように１個の変位計（８３とする）が取付けられてお
り、可動板に設けられた第２ターゲット面と変位計先端
との相対距離が検出される。したがって、可動板のｙ軸
変位はこの変位計の出力とすればよい。
【００１１】ｚ軸方向には各中心軸がｚ軸にそれぞれ平
行となるように３個の変位計（８４，８５，８６とす
る）が取付けられており、可動板に設けられた第３ター
ゲット面と変位計先端との相対距離が検出される。した
がって、可動板のＺ軸変位は、これら３個の変位計のう
ちいずれか１個の出力とするか、あるいは、３個の出力
の平均値とすればよい。
【００１２】かくして、可動板のｘ，ｙ，ｚ各軸方向の
並進変位を知ることができる。 −２）ｘ，ｙ，ｚ各軸まわりの回転角は、以下に示す如
く求められる。いま、可動板の姿勢が、基準位置から、
ロール角（＝ｘ軸まわり）θroll、ピッチ角（＝ｙ軸ま
わり）θpitch 、ヨー角（＝ｚ軸まわり）θyaw だけ変
化したとする。変位計Ｓi （ｉ＝１〜６）において、こ
のときの変位計出力電圧Ｖi と基準位置における変位計
出力電圧Ｖoiとの差を ΔＶi ＝Ｖi −Ｖoi と表す。ここで、ロール角θroll、ピッチ角θpitch 、
ヨー角θyaw は、三角関数の知識からそれぞれ次式で表
される。
【００１３】 θroll＝ tan-1｛（ΔＶ5 −ΔＶ4 ）／Ｌ54｝ …（１） θpitch ＝ tan-1｛（ΔＶ6 −ΔＶ5 ）／Ｌ65｝ …（２） θyaw ＝ tan-1｛（ΔＶ2 −ΔＶ1 ）／Ｌ２１｝ …（３） ただし上式中、Ｌijは、変位計Ｓi 、Ｓj 間の中心間距
離である。これらの式から可動板の姿勢を知ることがで
きる。
【００１４】
【実施例】図１の（ａ）（ｂ）は本発明の一実施例に係
るパラレルリンク機構本体Ａの構成を示す図である。図
１において、可動板１と固定板２とは、それぞれ、２点
Ｐi ，Ｑi （ｉ＝１〜６）を結ぶ６本のリンク３によっ
て互いに結合されている。可動板１の表面には互いに直
交するｘ，ｙ，ｚ各軸にそれぞれ垂直な第１ターゲット
面１ｘ，第２ターゲット面１ｙ，第３ターゲット面１ｚ
が設けられている。
【００１５】図２は図１に示したリンク３の詳細図であ
る。積層型圧電素子４の一端部位にはホルダ５が固定さ
れている。このホルダ５には、止めねじ５ａ，５ｂによ
って静電容量型変位計６が前記積層型圧電素子４と平行
に保持されている。積層型圧電素子４の他端部位には、
静電容量型変位計６の先端部と微小間隙ｄをおいて一部
が対向する如く、ターゲット部材７が固定されている。
かくして積層型圧電素子の伸縮動作に伴うリンクストロ
ークの変化を検出するようになっている。
【００１６】図３の（ａ）（ｂ）は、可動板１の位置・
姿勢検出部を示したものである。同図に示すように、可
動板１上の第１〜第３のターゲット面１ｘ〜１ｚに相対
向するように静電容量変位計８（８１〜８６）が設置さ
れている。すなわち２個の静電容量変位計８１と８２
は、各中心軸が前記ｘ軸に平行となるように互いに一定
間隔をおいて取り付けられ、且つ先端が前記第１ターゲ
ット面１ｘに対向する如く配設されている。また１個の
静電容量型変位計８３は、中心軸が前記ｙ軸に平行とな
るように取付けられ、且つ先端が前記第２ターゲット面
１ｙに対向する如く配設されている。さらに３個の静電
容量型変位計８４〜８６は、各中心軸が前記ｚ軸に平行
となるように取付けられ、且つ前記各中心軸が前記ｘ軸
とｙ軸とを含むｘｙ平面と交差する点が上記ｘｙ平面上
で直角三角形の各頂点をなすと共に、上記直角三角形の
斜辺を除く他の二辺がそれぞれ前記ｘ軸およびｙ軸に平
行となるように配設されている。かくして前記変位計８
１および８２は可動板１のｘ軸方向の並進変位およびヨ
ー角（ｚ軸まわり）を検出し、前記変位計８３はｙ軸方
向の並進変位を検出する。また前記変位計８４〜８６は
ｚ軸方向の並進変位のほか前記変位計８４と８５とでロ
ール角（ｘ軸まわり）を検出し、前記変位計８５と８６
とでピッチ角（ｙ軸まわり）をそれぞれ検出するように
なっている。
【００１７】図４は６自由度のパラレルリンク機構本体
Ａおよびその制御系の１自由度分の構成を示す図であ
る。リンクストロークは静電容量型変位計６によって検
出され、変位計ＡＭＰ９およびＡ／Ｄ変換器１０からな
るリンクストローク検出系Ｂを経て、制御装置１１にフ
ィードバックされる。一方、制御装置１１からの制御信
号はＤ／Ａ変換器１２、駆動ＡＭＰ１３とからなる圧電
素子駆動系Ｃを経て、駆動電圧として出力される。この
駆動電圧は積層型圧電素子４に印加され、リンクストロ
ークが制御される。
【００１８】可動板１の位置・姿勢変化は、可動板１に
設けられた第１〜第３ターゲット面１ｘ，１ｙ，１ｚに
相対向する静電容量型変位計８（８１〜８６）によって
検出され、変位計ＡＭＰ１４およびＡ／Ｄ変換器１５か
らなる可動板位置・姿勢検出系Ｄを経て制御装置１１に
フィードバックされる。
【００１９】制御装置１１では、可動板１の目標位置お
よび姿勢を実現する各リンク３のストロークを計算し、
圧電素子駆動系Ｃにより上記各リンク３を伸縮動作させ
ると共に、リンクストローク検出系Ｂによって、各リン
ク３の実際のストロークを検出し、リンクストロークを
制御する。
【００２０】さらに可動板位置・姿勢検出系Ｄでは、実
際の可動板１の位置・姿勢を検出し、これを目標値に一
致させるよう制御する。なお本発明は上記実施例に限定
されるものではない。例えば上記実施例では変位計８１
〜８６が設置される互いに直交する三軸を、図面に示し
たｘ，ｙ，ｚ軸としたが、この配置は、上記図示配置の
ものに限定されるものではない。このほか本発明の要旨
を逸脱しない範囲で種々変形実施可能であるのは勿論で
ある。
【００２１】
【発明の効果】本発明によれば、従来必要とされていた
ひずみゲージの貼付け作業が不要となるばかりでなく、
従来は検出が困難であった可動板の位置・姿勢の検出
を、容易かつ適確に行なえるパラレルリンク機構を提供
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るパラレルリンク機構本
体の構成を示す図。
【図２】同実施例に係るリンク部分の詳細図。
【図３】同実施例に係るパラレルリンク機構本体の位置
・姿勢検出部を示す図。
【図４】同実施例に係るパラレルリンク機構およびその
制御系の構成を示す図。
【図５】従来例のパラレルリンク機構本体およびその制
御系の一例を示す図。
【符号の説明】
１…可動板 １ｘ，１ｙ，１ｚ…第１
〜第３ターゲット面 ２…固定板 ３…リンク ４…積層型圧電素子
５…ホルダ ６，８…静電容量型変位計 ７…ターケット部材 ９，１４…変位計ＡＭＰ １０，１５…Ａ／Ｄ変換
器 １１…制御装置 １２…Ｄ／Ａ変換器
１３…駆動ＡＭＰ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 直隆 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 リンクのストロークを積層型圧電素子か
    らなるアクチュエータを用いて可変制御するようにした
    パラレルリンク機構において、 前記各リンクに設けた積層型圧電素子の一端部位に固定
    されたホルダと、 このホルダによって前記積層型圧電素子と平行に保持さ
    れた静電容量型変位計と、 この静電容量型変位計の先端部と微小間隙をおいて一部
    が対向する如く前記積層型圧電素子の他端部位に固定さ
    れたターゲット部材と、 を具備し、前記積層型圧電素子の伸縮動作に伴うリンク
    ストロークの変化を検出するようにしたことを特徴とす
    るパラレルリンク機構。
  2. 【請求項２】 リンクのストロークをアクチュエータを
    用いて可変制御するようにしたパラレルリンク機構にお
    いて、 固定板上に各リンクを介して水平に支持され、かつ互い
    に直交するｘ，ｙ，ｚの三軸にそれぞれ垂直な第１〜第
    ３ターゲット面を有する可動板と、 各中心軸が前記ｘ軸に平行となるように互いに一定間隔
    をおいて取り付けられ、かつ先端が前記第１ターゲット
    面に対向する如く配設された２個の静電容量型変位計
    と、 中心軸が前記ｙ軸に平行となるように取付けられ、かつ
    先端が前記第２ターゲット面に対向する如く配設された
    １個の静電容量型変位計と、 各中心軸が前記ｚ軸に平行となるように取付けられ、か
    つ前記各中心軸が前記ｘ軸とｙ軸とを含むｘｙ平面と交
    差する点が、上記ｘｙ平面上で直角三角形の各頂点をな
    すと共に、上記直角三角形の斜辺を除く他の二辺がそれ
    ぞれ前記ｘ軸およびｙ軸に平行となるように配設された
    ３個の静電容量型変位計と、 を具備し、リンクストロークの変化に伴う前記可動板の
    位置および姿勢変化を検出するようにしたことを特徴と
    するパラレルリンク機構。
JP5175414A 1993-07-15 1993-07-15 パラレルリンク機構 Pending JPH08115128A (ja)

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JP5175414A JPH08115128A (ja) 1993-07-15 1993-07-15 パラレルリンク機構
US08/219,306 US5425616A (en) 1993-07-15 1994-03-28 Micromotion stage
US08/389,502 US5511931A (en) 1993-07-15 1995-02-16 Micromotion stage

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JP5175414A JPH08115128A (ja) 1993-07-15 1993-07-15 パラレルリンク機構

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