CN101142633B - 精密定位装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种构造简单、能够将定位对象物在多维空间内在多轴方向上精密地定位的精密定位装置。在多轴方向上具有自由度的精密定位装置(1)具备1个一体构造物(2)、和多个伸缩驱动器(4a、4b、4c)；定位对象物的各轴方向的移动是通过使定位对象物仅向该方向移动而变形的一体构造物(2)的弹性变形来进行的；产生弹性变形的力是基于组装在一体构造物(2)中的伸缩驱动器(4a、4b、4c)的伸缩的力。伸缩驱动器(4a、4b、4c)可以由压电元件构成。
Description
技术领域
本发明涉及精密定位装置，特别涉及构造简单、能够将定位对象物在多维空间内在多轴方向上精密地定位的精密定位装置。
背景技术
以往，作为精密定位装置，一般是一边将马达的旋转力经由齿轮减速机构及进给丝杠机构等变换为使定位对象物移动的力、并通过位置传感器等将定位对象物的当前位置反馈给马达、一边旋转控制马达、使其移动到设定位置的方法。在此情况下，作为将电力变换为使定位对象物移动的机械力的机构及反馈控制***，要求高的精度。但是，在这样的装置中，机构非常复杂，该调节控制需要相当熟练和时间。
作为不使用这样的将电力变换为使定位对象物移动的机械力的机构、而能够通过将电力直接变换为使定位对象物移动的机械力来进行精密的定位的装置，提出了各种使用压电元件那样的伸缩驱动器那样的装置(专利文献1～3)。
专利文献1：日本专利第2677625号公报
专利文献2：日本特开平6-170762号公报
专利文献3：美国专利公开2004/0140737号公报
但是，专利文献1及2所述的装置仅限于在1轴方向上具有自由度的定位装置，此外，专利文献1及3所述的装置虽然是要在多维空间内将定位对象物定位的装置，但不是仅通过1个一体构造物的弹性变形进行定位，而是由多个一体构造物的弹性变形的组合构成，整体构造非常复杂。
发明内容
本发明的课题是解决以往的精密定位装置具有的上述那样的问题，提供一种构造简单、能够将定位对象物在多维空间内在多轴方向上精密地定位的精密定位装置。
根据本发明，上述那样的课题是通过如下的精密定位装置来解决的。
即，该精密定位装置是在多轴方向上具有自由度的精密定位装置，其特征在于，具备1个一体构造物、和多个伸缩驱动器；定位对象物的各轴方向的移动是通过使上述定位对象物仅向该方向移动而变形的一体构造物的弹性变形来进行的；产生上述弹性变形的力是基于组装在上述一体构造物中的上述伸缩驱动器的伸缩的力。
该精密定位装置由于如上述那样构成，所以使定位对象物在多轴方向上移动而定位的机构仅由1个一体构造物、和组装在该一体构造物中的多个伸缩驱动器构成，所以其构造很简单，并且，由于能够将伸缩驱动器的伸缩量与一体构造物的弹性变形量直接建立关系，所以能够进行精密的定位。
根据优选的实施方式，该伸缩驱动器由压电元件构成。通过该结构，能够将输入到压电元件中的电量与一体构造物的弹性变形量直接建立关系，通过精密地控制输入到压电元件中的电量，能够精密地控制一体构造物的弹性变形量，并且该控制由于是比较简单的，所以能够容易地进行定位对象物的精密的定位。
根据另一优选的实施方式，该精密定位装置是在3轴方向上具有自由度的精密定位装置。由此，能够将定位对象物精密地定位在3维空间内的任意的位置上。
发明效果：
如上所述，根据本发明的精密定位装置，由于使定位对象物在多轴方向移动而定位的机构仅由1个一体构造物、和组装在该一体构造物中的多个伸缩驱动器构成，所以其构造很简单，并且，由于能够将伸缩驱动器的伸缩量与一体构造物的弹性变形量直接建立关系，所以能够进行精密的定位。
此外，在该伸缩驱动器由压电元件构成的情况下，通过精密地控制输入到压电元件中的电量，能够容易地进行定位对象物的精密的定位。进而，在该精密定位装置是在3轴方向上具有自由度的精密定位装置的情况下，能够将定位对象物精密地定位在3维空间内的任意的位置上。
附图说明
图1是本发明的一实施例(实施例1)的精密定位装置的立体图。
图2是本发明的另一实施例(实施例2)的精密定位装置的立体图。
图3是表示将伸缩驱动器组装到一体构造物的弹性变形部中的两种形态的说明图。
图4是通过线切割机从金属材料切削出的一体构造物的立体图。
标号说明
1、1’……精密定位装置，2、2’……一体构造物，2a、2a’……基座部，2b、2b’……垂直部，2c、2c’、2d’……水平部，3a……Z轴方向弹性变形部，3b、3b’……X轴方向弹性变形部，3c、3c’……Y轴方向弹性变形部，4a、4b、4b’、4c、4c’……伸缩驱动器，5a……第1筒状部，5b、5b’……第2筒状部，5c、5c’……第3筒状部，6……工具安装面。
具体实施方式
在3轴方向上具有自由度的精密定位装置具备1个一体构造物和多个伸缩驱动器，定位对象物的各轴方向的移动是通过使该定位对象物仅向该方向移动而变形的一体构造物的弹性变形进行的，产生该弹性变形的力是基于组装在一体构造物中的伸缩驱动器的伸缩的。伸缩驱动器是由压电元件构成的。
实施例1
接着，对本发明的一实施例(实施例1)进行说明。
图1是本实施例1的精密定位装置的立体图。本实施例1的精密定位装置1是在3轴方向上具有自由度的精密定位装置，如图1所示，其构成为，具有：设在从一体构造物2的基座部2a竖立的垂直部2b上的Z轴方向弹性变形部3a；在垂直部2b的上端以直角弯折而沿水平方向延伸的水平部2c的基端侧设置的X轴方向弹性变形部3b；和相邻于X轴方向弹性变形部3b而设在水平部2c的前端侧的Y轴方向弹性变形部3c。在Z、X、Y轴方向弹性变形部3a、3b、3c上分别组装有伸缩驱动器4a、4b、4c。除此以外，还具备将伸缩驱动器4a、4b、4c连接在电源上的电路、和控制流到该电路中的电流的控制装置等，但没有图示。
一体构造物2由导电性的金属材料、优选地由作为弹簧使用的金属材料构成，由线切割机将其沿3轴方向切削加工，通过切削出图4所示那样的一体构造物的形状而形成。并且，在该垂直部2b上，在基座部2a附近切削形成有在X轴方向上具有轴心的第1筒状部5a，在水平部2c的基端侧，切削形成有在Y轴方向上具有轴心的第2筒状部5b，在水平部2c的前端侧，切削形成有在Z轴方向上具有轴心的第3筒状部5c。第1、第2、第3筒状部5a、5b、5c的端面彼此相互正交。
垂直部2b、水平部2c的除了第1、第2、第3筒状部5a、5b、5c以外的部分的各截面形状(在与X轴、Y轴正交的方向上切断的情况下出现的各截面形状)通过线切割机的切削加工的结果都成为矩形形状，但并不一定限于该形状。第1、第2、第3筒状部5a、5b、5c的各形状也可以不一定是圆筒状，但优选地相对于通过垂直部2b的轴心的X-Z平面、通过水平部2c的轴心的X-Y平而、通过伸缩驱动器4c的伸缩方向轴心而平行于Y-Z平面的平面分别对称地形成。通过这样形成，相对于X、Y、Z轴方向的各个方向能够得到没有偏斜的弹性变形。另外，第3筒状部5c的形状优选地也相对于通过水平部2c的轴心的X-Z平面对称地形成。通过这样形成，由X-Z平面两分割的第3筒状部5c的两对置壁分别等量位移伸缩驱动器4c的伸缩量的正好一半的量。
在这样形成的第1筒状部5a上，使交替地层叠了多层压电元件和电极而构成的堆叠驱动器那样的伸缩驱动器4a的层叠方向沿着Z轴方向、并与垂直部2b同心地组装。并且，这样形成上述Z轴方向弹性变形部3a。同样，在第2筒状部5b上，通过使伸缩驱动器4b的层叠方向沿着X轴方向与水平部2c同心地组装，形成上述X轴方向弹性变形部3b。此外，同样，在第3筒状部5c上，通过使伸缩驱动器4c的层叠方向沿着Y轴方向、并位于第3筒状部5c的中央部而组装，形成上述Y轴方向弹性变形部3c。
另外，伸缩驱动器4a、4b、4c的向第1、第2、第3筒状部5a、5b、5c的组装方向如图3所示，也可以是以与以上所述的方向正交的方向进行组装。但是，在此情况下，需要将伸缩驱动器4a、4b、4c的层叠方向长度重新取为适当的长度。
在相对于基座部2a构成一体构造物2的末端部的第3筒状部5c的筒部外周面上，形成有平行于X-Z面的工具安装面6。该工具安装面6通过切削加工而精加工为平滑面，在这里安装各种工具。作为工具的例子，可以考虑微夹具、各种检查工具、探头(针、接触元件)、照相机、各种传感器、各种驱动器等。它们构成上述精密定位对象物。
以上，对于组装在第1、第2、第3筒状部5a、5b、5c中的伸缩驱动器4a、4b、4c，分别通过未图示的直流电源供给控制电流，通过压电效果得到期望的伸缩量。伸缩驱动器4a的伸缩使第1筒状部5a弹性变形，并带来垂直部2b的伸缩量，这样造成了定位对象物的Z轴方向位移。此外，伸缩驱动器4b的伸缩使第2筒状部5b弹性变形，并带来水平部2c的伸缩量，这样造成了定位对象物的X轴方向位移。进而，伸缩驱动器4c的伸缩使第3筒状部5c弹性变形，带来该第3筒状部5c的与水平部2c正交的方向(Y轴方向)上的伸缩量，其规定的分量(二分之一的分量)造成了定位对象物的Y轴方向位移。
这些伸缩驱动器4a、4b、4c的期望的伸缩量也可以按照预先得到的表示输入电量与伸缩量的关系的特性线图，通过对它们供给电流而粗略地得到，更精密地，可以通过由未图示的位置传感器、应变传感器、视觉设备(Vision)等检测，执行将其反馈给电流控制***的反馈控制来得到。
并且，作为这样得到的定位对象物的Z、X、Y轴方向位移的综合性结果，该定位对象物被以从纳米到几百微米的量级的很微小的精度正确地定位在3维空间内的规定的位置上。
伸缩驱动器4c的伸缩严密地讲不仅带来定位对象物的Y轴方向位移，而且也带来X轴方向位移，但该X轴方向位移能够忽视的情况较多。在不能忽视的情况下，通过修正伸缩驱动器4b的伸缩量，能够将定位对象物定位在正确的X轴方向位置上。
另外，如果将形成有第2筒状部5b的水平部2c的前方部分在水平面内以直角弯曲、在那里形成新的水平部、在其前端上形成第3筒状部5c、将相同构造的Y轴方向弹性变形部3c以相同姿势设在那里，则能够将伸缩驱动器4c的伸缩仅作为定位对象物的Y轴方向位移取出，上述那样的伸缩驱动器4b的伸缩量的修正不再需要。不仅如此，伸缩驱动器4c的伸缩会原样地成为定位对象物的Y轴方向位移，所以可以不进行上述那样的、第3筒状部5c的伸缩量的规定量计算，定位对象物的Y轴方向位置控制变得很简单。
本实施例1的精密定位装置1由于如上述那样构成，所以能够发挥如下的效果。
使定位对象物(各种工具)在3轴方向上移动并定位的机构仅由1个一体构造物2、和组装在该一体构造物2中的多个伸缩驱动器4a、4b、4c构成，所以其构造很简单，并且由于能够将伸缩驱动器4a、4b、4c的变形量与一体构造物2的Z轴方向弹性变形部3a、X轴方向弹性变形部3b、Y轴方向弹性变形部3c各自的弹性变形量直接建立关系，所以能够将定位对象物精密地定位在3维空间内的任意的位置上。
此外，由于该伸缩驱动器4a、4b、4c使用压电元件构成，所以能够将输入到该压电元件中的电量与一体构造物2的各弹性变形部3a、3b、3c的弹性变形量直接建立关系，通过精密地控制输入到压电元件中的电量，能够精密地控制这些弹性变形部3a、3b、3c的弹性变形量，并且，由于该控制比较简单，所以能够容易地进行定位对象物的精密的定位。
实施例2
接着，对本发明的其他实施例(实施例2)进行说明。
图2是本实施例2的精密定位装置1’的立体图，对于与实施例1的精密定位装置1对应的部分赋予与在实施例1的精密定位装置1中使用的标号相同的标号，标以“’”。
本实施例2的精密定位装置1’如果与实施例1的精密定位装置1比较，有以下不同点，Z轴方向弹性变形部3a’被省略，在Z轴方向的自由度被消除，自由度仅为X、Y轴的两轴方向；使X轴方向弹性变形部3b’绕X轴旋转位移90°；以及水平部2c’的比设有X轴方向弹性变形部3b’的部分靠前方的部分在同一水平面内以直角弯折，在那里新形成水平部2d’，在该水平部2d’的前端上设有Y轴方向弹性变形部3c’。但是，其他的点没有不同，所以省略更详细的说明。
在本实施例2的精密定位装置1’中，由于Y轴方向弹性变形部3c’设在水平部2d’的前端上，所以能够将伸缩驱动器4c’的伸缩作为定位对象物的Y轴方向位移取出，并且定位对象物的Y轴方向位置控制变得简单。
根据本实施例2的精密定位装置1’，能够将定位对象物精密地定位在2维空间内的任意的位置上。除此以外，能够发挥与实施例1同样的效果。
另外，本发明并不限于以上的实施例，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变形。
例如，作为伸缩驱动器，除了压电元件以外，也可以使用各种伸缩性的驱动器。此外，Z、X、Y轴方向弹性变形部3a、3b、3c的各形成位置、形成方向能够进行各种变更。
Claims (4)
1.一种精密定位装置，具备在多轴方向上具有自由度的1个一体构造物和多个伸缩驱动器；定位对象物的各轴方向的移动是通过使上述定位对象物仅向该方向移动而变形的一体构造物的弹性变形来进行的；产生上述弹性变形的力是基于组装在上述一体构造物中的上述伸缩驱动器的伸缩的力，其特征在于，
包括：
基座部；
垂直部，直立地设置在该基座部上，并以该垂直部的延伸方向为Z轴方向；以及
水平部，将该垂直部弯折设置，且沿水平方向延伸，并以该水平部的延伸方向为X轴方向，
以垂直于Z轴方向和X轴方向的方向为Y轴方向，
上述水平部在其基端侧具有相对于通过水平部的轴心的X-Y平面对称地形成的第2筒状部；和将上述水平部的比设有上述第2筒状部的部分靠前方的部分在同一水平面内以直角弯折，而在该水平部的前端侧形成的第3筒状部；
在上述第2筒状部上组装上述伸缩驱动器来形成X轴方向的弹性变形部，所述伸缩驱动器的层叠方向沿着X轴方向；
在上述第3筒状部上组装上述伸缩驱动器来形成Y轴方向的弹性变形部，所述伸缩驱动器的层叠方向沿着Y轴方向；
在上述第3筒状部的外周面上设置与X-Z面平行的工具安装面，在该工具安装面上安装作为上述定位对象物的各种工具。
2.一种精密定位装置，具备在多轴方向上具有自由度的1个一体构造物和多个伸缩驱动器；定位对象物的各轴方向的移动是通过使上述定位对象物仅向该方向移动而变形的一体构造物的弹性变形来进行的；产生上述弹性变形的力是基于组装在上述一体构造物中的上述伸缩驱动器的伸缩的力，其特征在于，
包括：
基座部；
垂直部，直立地设置在该基座部上，并以该垂直部的延伸方向为Z轴方向；以及
水平部，将该垂直部弯折设置，且沿水平方向延伸，并以该水平部的延伸方向为X轴方向，
以垂直于Z轴方向和X轴方向的方向为Y轴方向，
上述垂直部在其基端侧具有相对于通过垂直部的轴心的X-Z平面对称地形成的第1筒状部；
上述水平部在其基端侧具有相对于通过水平部的轴心的X-Y平面对称地形成的第2筒状部，在其前端侧具有第3筒状部，该第3筒状部以通过上述伸缩驱动器的伸缩方向轴心并相对于与Y-Z平面平行的平面对称的方式形成；
在上述第1筒状部上组装上述伸缩驱动器来形成Z轴方向的弹性变形部，所述伸缩驱动器的层叠方向沿着Z轴方向；
在上述第2筒状部上组装上述伸缩驱动器来形成X轴方向的弹性变形部，所述伸缩驱动器的层叠方向沿着X轴方向；
在上述第3筒状部上组装上述伸缩驱动器来形成Y轴方向的弹性变形部，所述伸缩驱动器的层叠方向沿着Y轴方向；
在上述第3筒状部的外周面上设置与X-Z平面平行的工具安装面，在该工具安装面上安装作为上述定位对象物的各种工具。
3.如权利要求2所述的精密定位装置，其特征在于，将上述水平部的比设有上述第2筒状部的部分靠前方的部分在同一水平面内以直角弯折，而在该水平部的前端侧形成上述第3筒状部。
4.如权利要求1或2所述的精密定位装置，其特征在于，上述伸缩驱动器由压电元件构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100901 Termination date: 20140316 |