JPH0894779A - 微小回転ステージ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 微小回転移動させるワークの回転中心を空間
において特定することが出来、しかも、ワークの位置決
めを一層精密に行なうことが出来る新規な微小回転ステ
ージを提供する。 【構成】 ２基の十字ばね機構（Ａ１）及び（Ａ２）を
備えて構成され、十字ばね機構（Ａ１）及び（Ａ２）
は、各々、２枚の同一長さの板ばね（１１）、（１２）
及び（２１）、（２２）が相似な２等辺三角形の斜辺を
形成する状態で立体的に交差させられて構成され、そし
て、これらの機構（Ａ１）と（Ａ２）は、各２等辺三角
形の頂点（Ｐ）、（Ｑ）を通る垂線（Ｌ１）及び（Ｌ
２）が互いに直交し且つ頂点（Ｐ）、（Ｑ）を通るこれ
ら板ばねの配列方向に沿った仮想線（Ｐ１）及び（Ｐ
２）が交わる状態で剛体（１４）、（２３）を介して結
合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微小回転ステージに関
するものであり、詳しくは、微小回転させるワークの回
転中心を空間において特定することが出来、しかも、ワ
ークの位置決めを一層精密に行なうことが出来るため、
例えば、光アイソレーターの組立における光軸合わせ等
の精密な位置決めにおいて好適に使用することが出来る
微小回転ステージに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光学部品の１つである光アイソレータ
は、ホルダー中にファラデー回転子や偏光子を同軸に配
列し、レンズ及びファイバーの端部を固定したレンズホ
ルダーを前記ホルダーの両端側に同軸に繋ぎ合わせて組
み立てられる。斯かる光アイソレータの組立において
は、各部品の光軸合わせが極めて重要であるが、斯かる
光軸合わせは、２軸の３次元位置合わせであり、３座標
軸方向の位置決めに加え、少なくとも２つの回転方向を
調整する必要がある。

【０００３】精密位置決め装置において使用される従来
の微小回転ステージの多くは、摺動部分を有しているた
め、回転精度が十分ではなく、あるいは、回転中心がス
テージ上またはステージ内に位置し且つ回転中心が特定
出来ないため、自動調整機構として構築し難く、何れに
しても、０．１〜０．０１ｍＲａｄ程度の精密な回転調
整を行ない得るものではなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、微小
回転移動させるワークの回転中心を空間において特定す
ることが出来、しかも、ワークの位置決めを一層精密に
行なうことが出来る新規な微小回転ステージを提供する
ことである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の微小回転ステー
ジは、２又は３基の十字ばね機構を備えた微小回転ステ
ージであって、前記各十字ばね機構は、２枚の同一長さ
の板ばねがそれらの長手方向の一辺側を互いに干渉なく
隣接させる状態で且つ側面視した場合に相似な２等辺三
角形の斜辺を形成する状態で立体的に交差させられ、し
かも、これらの各一端を剛体に固定され且つ各他端を他
の剛体に固定されて構成され、前記２又は３基の十字ば
ね機構は、これら各機構における前記２等辺三角形の頂
点を通る垂線が互いに直交する状態で且つ２基の各機構
における前記頂点を通るこれら板ばねの配列方向に沿っ
た仮想線が交わる状態で何れかの前記剛体を介して順次
に接続されていることを特徴とする。

【０００６】

【作用】各十字ばね機構においては、板ばねの板面に対
向する方向から板ばね他端側の他の剛体に外力を加える
と、２つの板ばねが形成する２等辺三角形の頂点を通る
これら板ばねの配列方向に沿った仮想線を中心として他
端側の剛体が回動するため、末端に位置する何れかの剛
体においては、２つの十字ばね機構の前記仮想線の交点
を中心とする直交２方向の回転量が特定される。

【０００７】

【実施例】本発明の微小回転ステージを図面に基づいて
説明する。図１は、微小回転ステージの構成要素である
十字ばね機構の一例を示す斜視図である。図２は、図１
の十字ばね機構を２基備えた微小回転ステージの基本構
造の一例を示す斜視図である。図３は、アクチュエータ
を取り付けた状態の２軸の微小回転ステージの一例を示
す正面図である。図４は、図３における側面図である。
図５は、図１の十字ばね機構を３基備えた３軸の微小回
転ステージの基本構造の一例を示す斜視図である。

【０００８】先ず、本発明の微小回転ステージの構成要
素である十字ばね機構について説明する。十字ばね機構
は、図１に符号（Ａ１）にて示す様に、概略、２枚の板
ばね（１１）、（１２）を交差させ且つこれら板ばね
（１１）、（１２）の各端部を剛体（１３）、（１４）
に固定して構成される。具体的には、２枚の板ばね（１
１）、（１２）としては、同一長さの板ばねが使用され
る。同一長さとは、板ばね（１１）及び（１２）の各々
において、剛体（１３）、（１４）に対する各固定端の
間の長さが同一であることをいう。そして、これらは、
各長手方向の一辺側を互いに隣接させる状態、すなわ
ち、双方の板ばねの板面に垂直な任意の何れの仮想線も
互いに交わることのない状態（幾何学的ねじれの位置に
ある状態）で立体的に交差させられる。その場合、隣接
する各一辺は、板ばね（１１）、（１２）が互いに干渉
し合うことのないように離間している状態とされる。し
かも、これらの板ばね（１１）、（１２）は、側面視し
た場合に相似な２等辺三角形の斜辺を形成する状態で交
差させられる。

【０００９】更に、２枚の板ばね（１１）、（１２）
は、各一端が固定体としての剛体（１３）に固定され且
つ各他端が移動体としての他の剛体（１４）に固定され
る。固定体とは、後述の回転ステージなどにおける装置
の基体側を意味し、また、移動体とは、外力を加えた際
に各板ばね（１１）、（１２）が湾曲することにより実
際に回動する部材を意味する。

【００１０】十字ばね機構（Ａ１）において、回転中心
としての仮想の交点（上記の２等辺三角形の頂点）
（Ｐ）の移動量を最少とする観点から、２枚の板ばね
（１１）、（１２）は、通常、９０°で交差させられる
のがよい。更に、各板ばね（１１）、（１２）において
は、上記の交点（Ｐ）までの長さａと交点（Ｐ）から各
他端までの長さｂとの関係が次の何れかの比率で設定さ
れることにより、異なる性質が付与される。

【００１１】

【数１】 ａ：ｂ＝１：１ …（１） ａ：ｂ＝１：（３＋５^1/2）／６ …（２） ａ：ｂ＝１：（３−５^1/2）／６ …（３）

【００１２】すなわち、上記の式（１）の関係を満たす
様に板ばね（１１）、（１２）を配置した場合には、回
転範囲を最大にすることが出来る。また、上記の式
（２）の関係を満たす様に配置した場合には、交点
（Ｐ）の移動量を最も少なくすることが出来る。そし
て、上記の式（３）の関係を満たす様に配置した場合に
は、式（１）、式（２）の関係における各性質の中間的
な性質を与えることが出来る。

【００１３】上記の十字ばね機構（Ａ１）においては、
板ばね（１１）又は（１２）の板面に対向する方向から
他方の剛体（１４）に外力を加えた場合、２枚の板ばね
（１１）、（１２）の交点（Ｐ）を通るこれら板ばねの
配列方向に沿った仮想線（Ｐ１）をほぼ中心に当該他方
の剛体が回動する。斯かる十字ばねの解析は、Bulletin
of The Tokyo Institute of Technology Number 95,19
69に報告されている。すなわち、十字ばね機構（Ａ１）
において、回転中心（仮想の交点）（Ｐ）の移動量は極
めて微小であり、特定の大きさの外力を加えた場合の上
記の他の剛体（１４）の変位を予め特定することが出来
る。なお、図１中、符号（Ｌ１）は、外力が加えられて
いない状態の十字ばね機構（Ａ１）において２枚の板ば
ね（１１）、（１２）によって形成される２等辺三角形
の頂点（上記の交点（Ｐ））を通る垂線を示す。

【００１４】本発明は、上記の十字ばね機構を２又は３
基組み合わせるならば、回転中心を空間に位置させ且つ
これを特定し得るという知見に基づき完成されたもので
ある。本発明の微小回転ステージは、２軸回転または３
軸回転を行なうため、上記の構造の十字ばね機構を２又
は３基接続して構成される。各十字ばね機構は、これら
各機構における２等辺三角形の頂点を通る垂線が互いに
直交する状態で何れかの前記剛体を介して順次に接続さ
れる。しかも、その場合、各機構における２つの板ばね
の交点を通るこれら板ばねの配列方向に沿った仮想線が
交わる状態で接続される。斯かる構成においては、剛体
の回転量が当該剛体の直線的移動量に略比例し、また、
１つの十字ばね機構を駆動させた場合の他の十字ばね機
構への干渉量が極めて少なくなるため、回転量を容易に
制御することが出来る。

【００１５】図２には、十字ばね機構を２基使用した微
小回転ステージが示されている。図２に示す微小回転ス
テージは、第１の十字ばね機構（Ａ１）と第２の十字ば
ね機構（Ａ２）とから主として構成される。第１の十字
ばね機構（Ａ１）および第２の十字ばね機構（Ａ２）
は、各々、上記の十字ばね機構（Ａ１）と同様の構成と
される。そして、これら第１の十字ばね機構（Ａ１）と
第２の十字ばね機構（Ａ２）の結合は、剛体（１４）と
剛体（２３）を介してなされる。

【００１６】しかも、これらの配置関係において、第２
の十字ばね機構（Ａ２）における２等辺三角形の頂点
（板ばね（２１）、（２２）の仮想の交点）（Ｑ）を通
る垂線（Ｌ２）は、第１の十字ばね機構（Ａ１）におけ
る２等辺三角形の頂点（板ばね（１１）、（１２）の仮
想の交点）（Ｐ）を通る垂線（Ｌ１）に直交する状態に
なされている。また、回転ステージとしての第２の十字
ばね機構（Ａ２）の剛体（２４）には、図示しないが、
通常、位置決めのなされるワークの保持手段が設けられ
る。

【００１７】各十字ばね機構（Ａ１）、（Ａ２）におい
ては、板ばね（１１）、（１２）又は（２１）、（２
２）の板面に対向する方向からこれら板ばね他端側の剛
体（１４）又は（２４）に外力を加えると、２つの板ば
ねの交点（Ｐ）又は（Ｑ）を通るこれら板ばねの配列方
向に沿った仮想線（Ｐ１）又は（Ｐ２）を中心として他
端側の剛体（１４）又は（２４）が回動する。換言すれ
ば、末端に位置する剛体（２４）においては、２つの十
字ばね機構（Ａ１）、（Ａ２）の仮想線（Ｐ１）、（Ｐ
２）の交点（Ｏ）を中心とする２方向の回転量が特定さ
れる。

【００１８】すなわち、本発明の微小回転ステージにお
いては、微小回転させるワークの回転中心（交点
（Ｏ））を空間において特定することが可能なため、３
次元移動を伴うワークの取り扱いに極めて便利であり、
しかも、回転量を特定し得るため、ワークの位置決めを
一層精密に行なうことが出来る。従って、自動制御によ
る位置決め機構を容易に構築することが出来、精密な回
転調整を簡便に実施することが出来る。

【００１９】上記の２軸の微小回転ステージの更に具体
的な一例が図３及び図４に示されており、斯かる回転ス
テージは、フレームを構成する基体（５）に設けられ、
２つのアクチュエータ（７）、（８）によって駆動する
様になされている。具体的には、基体（５）は、例え
ば、方形状のブロック（５１）の平行な両縁部に側壁
（５２）、（５３）を立設して構成される。第１の十字
ばね機構（Ａ１）は、一方の側壁（５２）の上端に水平
方向に向け、剛体（１３）を介して取り付けられ、そし
て、第２の十字ばね機構（Ａ２）は、その剛体（２３）
を介し、第１の十字ばね機構（Ａ１）の先端側の剛体
（１４）に吊持される。更に、第２の十字ばね機構（Ａ
２）の下端側の剛体（２４）には、適宜なチャッキング
機構などにて構成されたワークの保持手段（９）が設け
られ、位置決めのなされるワークは、ほぼ回転中心
（Ｏ）に保持される。

【００２０】また、アクチュエータ（７）は側壁（５
３）に取り付けられ、アクチュエータ（８）は第１の十
字ばね機構（Ａ１）の剛体（１４）に伴って挙動するプ
レート（６）に取り付けられる。プレート（６）は、略
Ｌ字状に形成され且つその基部が第１の十字ばね機構
（Ａ１）の剛体（１４）と第２の十字ばね機構（Ａ２）
の剛体（２３）との間に介装され、そして、第２の十字
ばね機構（Ａ２）の伸長方向に沿って配置されている。
上記の構造において、一方のアクチュエータ（７）は、
第１の十字ばね機構（Ａ１）の剛体（移動体）（１４）
を加圧してθｘ方向の回転を行ない、他方のアクチュエ
ータ（８）は、第２の十字ばね機構（Ａ２）の剛体（移
動体）（２４）を加圧してθｘと直交するθｙ方向の回
転を行なう。なお、アクチュエータ（７）、（８）とし
ては、例えば、ＤＣサーボモータ・リニアエンコーダ等
が使用される。

【００２１】図３及び図４に示される回転ステージは、
通常、（Ｘ・Ｙ・Ｚ）座標軸方向に直線移動する従来公
知の並進ステージと組み合わせて使用される。すなわ
ち、本発明の回転ステージは、例えば、光アイソレータ
の組立において、ファイバーコリメータを製作するに当
り、並進ステージに固定したファイバーフェルールを移
動させてその先端をレンズホルダーに合致させた後、レ
ンズホルダーを回転させて軸合わせを行なう場合、また
は、デバイスの調整や光結合を行なうに当り、並進ステ
ージに固定したファイバーコリメータを移動させてその
先端をアイソレータのホルダーに合致させた後、ホルダ
ー内の各デバイス（偏光子やファラデー回転子など）を
回転させて軸合わせを行なう場合などの精密な調整に好
適に使用し得る。

【００２２】また、図５には、十字ばね機構を３基使用
した微小回転ステージが示されている。図５に示す微小
回転ステージは、上記の第１の十字ばね機構（Ａ１）及
び第２の十字ばね機構（Ａ２）に更にこれらと同様に構
成された第３の十字機構（Ａ３）を加えて構成される。
第３の十字ばね機構（Ａ３）は、例えば、その一方の剛
体（３４）が上記の第１の十字ばね機構（Ａ１）の剛体
（１３）に接続されており、この場合には、他方の剛体
（３３）が固定体として基体側に取り付けられる。

【００２３】図示を省略するが、上記の回転ステージに
おいて、第２の十字ばね機構（Ａ２）における２等辺三
角形の頂点を通る垂線は、第１の十字ばね機構（Ａ１）
における２等辺三角形の頂点を通る垂線に直交する状態
になされ、かつ、第３の十字ばね機構（Ａ３）における
２等辺三角形の頂点を通る垂線は、第１の十字ばね機構
（Ａ１）における上記の垂線および第２の十字ばね機構
（Ａ２）における上記の垂線の両方に直交する状態にな
される。すなわち、各２等辺三角形の頂点を通る３つの
垂線は、所定空間において互いに直交する状態とされて
いる。

【００２４】しかも、第１の十字ばね機構（Ａ１）にお
ける板ばね（１１）、（１２）の仮想の交点を通るこれ
ら板ばねの配列方向に沿った仮想線（Ｐ１）と、第２の
十字ばね機構（Ａ２）における板ばね（２１）、（２
２）の仮想の交点を通るこれら板ばねの配列方向に沿っ
た仮想線（Ｐ２）とが交わる状態に配置される。そし
て、回転ステージとしての第２の十字ばね機構（Ａ２）
の剛体（２４）には、通常、上記と同様にワークの保持
手段が設けられ、ワークは、上記の仮想線（Ｐ１）と
（Ｐ２）の交点（Ｏ）にほぼ位置させられる。

【００２５】図５に示す微小回転ステージにおいては、
上記の交点（Ｏ）を中心とする剛体（２４）の２方向の
回転量が特定される他、第３の十字ばね機構（Ａ３）を
駆動させることにより、当該第３の十字ばね機構の回転
中心（２枚の板ばねの仮想の交点（Ｒ）を通るこれら板
ばねの配列方向に沿った仮想線）を軸として十字ばね機
構（Ａ１）及び（Ａ２）の全体の回転、すなわち、ワー
クの公転を行なうことが出来る。なお、本発明におい
て、各十字ばね機構を接続する剛体は、勿論、一体的に
形成されていてもよい。

【００２６】

【発明の効果】本発明の微小回転ステージによれば、微
小回転させるワークの回転中心を空間において特定する
ことが出来、しかも、ワークの位置決めを一層精密に行
なうことが出来るため、例えば、光アイソレーターの組
立における光軸合わせ等の精密な位置決めにおいて好適
に使用することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】微小回転ステージの構成要素である十字ばね機
構の一例を示す斜視図である。

【図２】図１の十字ばね機構を２基備えた微小回転ステ
ージの基本構造の一例を示す斜視図である。

【図３】アクチュエータを取り付けた状態の２軸の微小
回転ステージの一例を示す正面図である。

【図４】図３における側面図である。

【図５】図１の十字ばね機構を３基備えた３軸の微小回
転ステージの基本構造の一例を示す斜視図である。

【符号の説明】

Ａ１、Ａ２、Ａ３：十字ばね機構 １１、１２、２１、２２：板ばね １３、１４、２３、２４、３３、３４：剛体 Ｌ１、Ｌ２：２等辺三角形の頂点を通る垂線 Ｐ、Ｑ、Ｒ：２枚の板ばねの仮想の交点 Ｐ１、Ｐ２：板ばねの配列方向に沿った仮想線 Ｏ：回転中心

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２又は３基の十字ばね機構を備えた微小
   回転ステージであって、前記各十字ばね機構は、２枚の
   同一長さの板ばねがそれらの長手方向の一辺側を互いに
   干渉なく隣接させる状態で且つ側面視した場合に相似な
   ２等辺三角形の斜辺を形成する状態で立体的に交差させ
   られ、しかも、これらの各一端を剛体に固定され且つ各
   他端を他の剛体に固定されて構成され、前記２又は３基
   の十字ばね機構は、これら各機構における前記２等辺三
   角形の頂点を通る垂線が互いに直交する状態で且つ２基
   の各機構における前記頂点を通るこれら板ばねの配列方
   向に沿った仮想線が交わる状態で何れかの前記剛体を介
   して順次に接続されていることを特徴とする微小回転ス
   テージ。