JP2004280355A

JP2004280355A - Moving device and positioning device using the same

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Publication number: JP2004280355A
Application number: JP2003069569A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yano; 健矢野; Toshiro Higuchi; 俊郎樋口; Shigenori Yamaki; 重則八巻
Original assignee: DENSHI SEIKI KK; KITA NIPPON ELECTRIC CABLE CO; Kitanihon Electric Cable Co Ltd
Current assignee: DENSHI SEIKI KK; KITA NIPPON ELECTRIC CABLE CO; Kitanihon Electric Cable Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a moving device suitable for a super-precise positioning device or manipulator capable of finely moving by achieving miniaturization, preventing the generation of the problem of precision or responsiveness, simplifying configurations while maintaining the degree of freedom, and preventing the occurrence of the problem of control complicatedness. <P>SOLUTION: This moving device is provided with a moving member 5, six wires 6a to 6f whose one edge parts are connected to the moving member 5 for holding the moving member 5 at a predetermined position so that they can be deformed following the movement of the moving member 5, three piezoelectric actuators 7a to 7c respectively connected to those wires 6a to 6c and fixing members 2, 3 and 4 for fixing the base edge parts of the piezoelectric actuators 7a to 7c and the edge parts opposite to the moving member 5 side of the wires 6d to 6f. The piezoelectric actuators 7a to 7c are arranged so that their displacement directions can be made in parallel with each other, and the wires 6a to 6c are arranged in parallel, and the wires 6d to 6f are arranged so as made orthogonal to the displacement directions of the piezoelectric actuators 7a to 7c. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光部品の接合等、超精密位置決めに用いられる位置決め装置や、超精密マニピュレータとして適用が可能な移動装置、およびそれを用いた位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、光デバイスと光ファイバーアレーの接合等の光部品の接合や、半導体デバイス製造プロセス等において、ｎｍオーダーの超精密位置決め技術が求められている。３次元の位置決めにおいては、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸およびこれら軸の回りのθ_Ｘ、θ_Ｙ、θ_Ｚの最大６自由度の移動が求められている。
【０００３】
従来、このような多自由の移動を実現するためには、それぞれ異なった方向に移動する１自由度のステージを要求される自由度の数だけ重ねた機構が周知である。この機構においては、それぞれのステージに異なる方向の移動の和で全体の移動が構成される。
【０００４】
一方、上述のような多自由度の移動を実現する技術としては、パラレルリンク機構が知られている（例えば特許文献１）。この技術は、ベース部材とエンドエフェクタとを６本のリンクにより連結し、各リンクの長さを変化させることによりベース部材の６自由度の移動を実現するものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−３２８３７４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前者の技術は、各ステージは１自由度のみの制御を行えばよく、全体の移動は各ステージの移動の単純な和であるから制御が容易である点、および各ステージの移動距離を大きくすることでステージ全体の移動距離が大きくなるので、移動距離が大きい場合に容易に対応することができる点を利点として挙げることができるものの、以下のような欠点がある。
【０００７】
すなわち、複数のステージを重ねる構造を有しているため、装置全体の寸法、体積が大きくならざるを得ない。また、固定点と最上部のステージとの間の距離が長く装置全体として剛性を高く保持することが困難であり、かつ、複数のステージを移動させることから各ステージの位置決め誤差が累積するため、精度の点で難点がある。さらに、複数のステージを積層する状態となるので、最下部のステージに乗る質量は一般に大きく、位置決めのためにステージが移動する際の慣性が大きくなるため、速い応答速度を実現することは困難である。
【０００８】
これに対して、後者の技術はこのような問題は生じ難く、比較的コンパクトな構造で多自由度の移動が可能な機構を実現することができる点、また、位置誤差に関しては全てのリンクの位置誤差の平均値として現れるため、一般に精度が高くなる点、移動させるのはベース部材部分のみであるから慣性質量が小さく、従って速い応答が可能である点を利点として上げることができる。
【０００９】
しかしながら、後者の技術の場合には、以下のような欠点がある。すなわち、リンクの長さが変化した場合、一般にベース部材は６自由度全てに動いてしまう。特定の移動方向のみを与えようとすると、全てのリンクに対してある比率で同時に長さ変化を与える必要がある。これは６自由度が必要な場合にはあまり問題にはならないが、自由度が６自由度より少ない場合には望ましくない。また、このようなパラレルリンク機構を動作させるためには、各リンクアームに対してユニバーサルジョイントを設ける必要があるが、ユニバーサルジョイントを実現するためには構造的に複雑とならざるを得ず、また、微小な動きに対しては、バックラッシュを生じる可能性があるし、コストも高いものとなってしまう。さらに、移動距離が長い場合には、各リンクアームの長さ変化に対して、ベース部材の移動距離は非線形になり、制御が複雑になってしまう。
【００１０】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、小型化が可能であり、精度や応答性の問題が生じず、自由度にかかわらず簡易な構成でかつ制御の複雑化をもたらすことなく微小の移動が可能であり、超精密な位置決め装置やマニピュレータに適した移動装置、およびそれを用いた位置決め装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点では、移動部材と、一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤと、前記６本のワイヤの１以上の前記移動部材側と反対側の端部にそれぞれ接合された１個以上の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの基端部および圧電アクチュエータが接合されないワイヤの前記移動部材側と反対側の端部を固定する固定部材とを具備し、前記圧電アクチュエータの変位により、前記移動部材に所定方向の移動を生じさせることを特徴とする移動装置を提供する。
【００１２】
また、本発明の第２の観点では、移動部材と、一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤと、前記６本のワイヤの前記移動部材側と反対側の端部にそれぞれ接合された６個の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの基端部を固定する固定部材とを具備し、前記圧電アクチュエータの変位により、前記移動部材に所定方向の移動を生じさせることを特徴とする移動装置を提供する。
【００１３】
さらに、本発明の第３の観点では、移動部材と、一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤと、前記６本のワイヤのうち３本の前記移動部材側と反対側の端部にそれぞれ接合された３個の圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの基端部および圧電アクチュエータが接合されない残りの３本のワイヤの前記移動部材側と反対側の端部を固定する固定部材とを具備し、前記圧電アクチュエータはその変位方向が互いに平行になるように配置され、前記圧電アクチュエータに接合された前記３本のワイヤはこれら圧電アクチュエータの変位方向に沿って互いに平行に設けられ、前記残りの３本のワイヤは前記圧電アクチュエータの変位方向に直交するように前記移動部材と前記固定部材との間に設けられ、前記３個の圧電アクチュエータの変位により、前記移動部材に前記圧電アクチュエータの変位方向への平行移動、および／または前記圧電アクチュエータの駆動方向と直交する軸の回りの回転移動を生じさせることを特徴とする移動装置を提供する。
【００１４】
本発明によれば、一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤを用い、自由度に応じた数の圧電アクチュエータを用いるので、ユニバーサルジョイントのような複雑な機構を用いずにかつ制御の複雑化をもたらすことなく、かつ、基本的に一つの移動部材を用いたパラレルメカニズムで多自由度の移動を実現することができるので、装置の小型化が可能であり、高精度でかつ応答性の高い移動を実現することができ、超精密な位置決め装置やマニピュレータとして適したものとなる。
【００１５】
上記第２の観点のように、６本のワイヤにそれぞれ圧電アクチュエータを接合することにより、簡易な構成で６自由度の位置決めを実現することができる。また、上記第３の観点のように、６本のワイヤのうち３本のワイヤに圧電アクチュエータを接合し、圧電アクチュエータに接合された３本のワイヤを圧電アクチュエータの駆動方向に沿って互いに平行に設け、残りの３本のワイヤを圧電アクチュエータの駆動方向に直交するように移動部材と固定部材との間に設けた構成にし、圧電アクチュエータを変位させて、移動部材に圧電アクチュエータの変位方向への平行移動、および圧電アクチュエータの変位方向と直交する軸の回りの回転移動を生じさせることにより、３自由度の移動が実現され、光デバイスと光ファイバーアレーとの間の位置決めに適したものとなる。
【００１６】
上記第３の観点の移動装置において、３個の圧電アクチュエータの駆動方向以外の相対移動を拘束する拘束部材をさらに具備することが好ましい。また、上記いずれの観点においても、前記圧電アクチュエータは、圧電素子を有する構成であってもよいし、圧電素子と、圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構とを有する構成であってもよい。また、ワイヤは、相対的に大径の中央部と、中央部の両側に位置する相対的に小径の変形部とを有する構成であることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る３自由度の移動が可能な移動装置を示す斜視図であり、この移動装置は位置決め装置として用いられる。この移動装置１は、固定台２と、固定台２から垂直に延びるように接合され、互いに直交する固定壁３、４を有しており、これら固定台２および固定壁３、４で固定部材を構成している。なお、固定台２が置かれる平面において固定壁３の配置方向をＸ、固定壁４の配置方向をＹ、ＸＹ平面から垂直に延びる方向をＺとし、Ｘ、Ｙ、Ｚの回りに回転する方向を、それぞれθ_Ｘ、θ_Ｙ、θ_Ｚとする。
【００１８】
固定台２および固定壁３、４で区画される空間の上部には、位置決め対象の部品が取り付けられる角盤状をなす移動部材５が配置されている。移動部材５は、図示の基準位置において、主面が固定台２に平行に、また他の２対の面はそれぞれ固定壁３および固定壁４に平行になるように配置されている。
【００１９】
固定台２の上面には、その長手方向をＺ方向に一致させて３つの圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃが固定されている。圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃは、それぞれ後述するワイヤが接合される接合部８ａ，８ｂ，８ｃと、その下側の圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃとからなっている。
【００２０】
移動部材５には、固定台２に対面する下側の主面に３本のワイヤ６ａ，６ｂ，６ｃの一端が接合され、固定壁３に対面する面に１本のワイヤ６ｄの一端が接合され、固定壁４に対面する面に２本のワイヤ６ｅ，６ｆの一端が接合されている。すなわち、移動部材５に６本のワイヤが接合されている。
【００２１】
移動部材５が基準位置に存在する場合には、ワイヤ６ａ，６ｂ，６ｃは移動部材５からＺ方向下方に直線的に延び、これらの他端がそれぞれ圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃの接合部８ａ，８ｂ，８ｃに接合されている。また、ワイヤ６ｄはＹ方向に直線的に延び、その他端が固定壁３に接合されており、ワイヤ６ｅ，６ｆはＸ方向に直線的に延び、その他端が固定壁４に接合されている。
【００２２】
これらワイヤ６ａ〜６ｆは、移動部材５を所定位置に保持できるだけの十分な剛性を有し、しかも移動部材５が移動した際にその移動に追従して弾性変形可能となるように、その材質および線径および形状が決定される。
【００２３】
圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃにはそれぞれ給電線１０ａ，１０ｂ，１０ｃが接続されており、これら給電線１０ａ，１０ｂ，１０ｃは電源１１に接続されている。電源１１はコントローラ１２に接続されており、コントローラ１２により圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃの変位が制御される。コントローラ１２には操作部１３が接続されている。
【００２４】
圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃは、それぞれ圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃに電圧を与えることによりＺ方向に変位する。圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃは所望の変位を確保するに必要な長さを有している。圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃは特に限定されるものではないが、大きな変位を得るためには、例えば電極と圧電セラミックス層を交互に積層した積層タイプのものを用いることができる。
【００２５】
このように構成される位置決め装置においては、図１に示す基準位置から移動部材５を３自由度で移動させ、移動部材に取り付けられた部材の位置決めを行う。位置決めに際しては、操作部１３から操作信号をコントローラ１２に出力し、移動部材５が所望の動きをするように、圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃの変位（つまり圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃの変位）により、移動部材５を所望の方向に駆動する。この場合に、ワイヤ６ｄ，６ｅ，６ｆは固定されているので、移動部材５のＸＹ面内の３方向、すなわちＸ方向、Ｙ方向、θ_Ｚ方向には拘束されている。したがって、移動部材５は、３つの圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃにより、Ｚ方向、θ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向の３自由度で移動して位置決めを行うことになる。
【００２６】
例えば、圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃを全て同じ長さで同じ向きに変位させることにより、移動部材５をＺ方向に移動させることができる。また、圧電アクチュエータ７ｂ，７ｃを同じ長さで同じ向きに変位させる、または圧電アクチュエータ７ａを変位させることにより、移動部材５をθ_Ｙ方向に移動させることができる。さらに圧電アクチュエータ７ｂと７ｃとを反対向きに変位させるまたはいずれか一方を変位させることにより、移動部材５をθ_Ｘ方向に移動させることができる。そして、これらの移動を適宜組み合わせることにより、所望の移動が可能となる。この場合に、ワイヤ６ａ〜６ｆは移動部材５を所定位置に保持可能な剛性を有しつつ、移動部材５に追従して弾性変形可能であるから、移動部材５は必要な剛性を保ちつつ所定の移動を行うことができる。このようなワイヤとしては全ての方向に変形可能なように断面円形のものが好ましく、また、材料としては剛性が高く大きな弾性変形が可能なバネ材が好ましい。
【００２７】
このように移動部材５が３自由度の移動を行うことにより、移動部材５に取り付けられた部材について、３自由度の位置決めが実現される。このような３自由度の位置決めは、光デバイスと光ファイバーアレーの接合等の光部品の接合の際の位置決めに極めて適したものとなる。
【００２８】
また、ユニバーサルジョイントのような複雑な機構を用いずにかつ制御の複雑化をもたらすことなく、かつ、基本的に一つの移動部材５を用いたパラレルメカニズムで３自由度の移動を実現することができるので、装置を著しく小型化することができる。例えば、固定台２が４０ｍｍ×３０ｍｍ、高さ４０ｍｍ、移動部材５が１０ｍｍ×１２ｍｍ×厚さ３ｍｍであり、従来の多段ステージタイプの位置決め装置と比較にならない超小型化を実現することができる。この場合に、移動部材５の移動量は、例えば圧電素子に１５０Ｖの電圧を印加した場合に約１５μｍと見積もられる。また、このように構造がシンプルでしかも一つの移動部材５を配置すればよいことから、高精度でかつ応答性の高い移動を実現することができる。
【００２９】
なお、圧電素子のみでは変位が十分でない場合には、変位拡大機構を用いることが有効である。変位拡大機構の例としては、図２に示すようなものが挙げられる。この変位拡大機構２０は、ベース部材２１と、圧電素子９の両端に連結されたヒンジ２２と、各ヒンジ２２に連結され、圧電素子の側面側に延在し、圧電素子２１の中央部まで延び、圧電素子９の変位を拡大する２つのアーム２３と、アーム２３の変位を外部出力する変位出力部２４とを有している。各アーム２３はヒンジ２２の近傍においてベース部材２１に連結されており、したがって、圧電素子９が矢印Ａのように延びると、アーム２３の基端部ではヒンジ２２を介して矢印Ｂのような変位が生じ、その結果アーム２３の先端部では圧電素子９の変位方向に直交する矢印Ｃのような変位が生じる。この変位は圧電素子９の変位の１０倍程度である。変位出力部２４はアーム２３と連結されており、その変位を外部に出力する。変位出力部２４は並行バネ２５を介してベース部材２１に連結されているから、圧電素子９の変位の変化に応じて速やかに変位を伝達することができる。さらに大きな変位を必要とする場合には、粗動ステージの上に本移動装置を取り付け、大まかな移動は粗動ステージで行い、微細な移動については本移動装置で行うようにすることができる。
【００３０】
また、ワイヤ６ａ〜６ｆとしては、図１に示すようにストレート形状のものを用いることができるが、移動部材５の剛性を高めて位置決め精度をより高くする観点から、図３に示すように、相対的に大径の中央部３１と、中央部３１の両側に位置する相対的に小径の変形部３２とを有する構造にすることもできる。このような構造の場合には、中央部３１によりワイヤ全体の剛性を高め、変形部３２のみを変形させることができるので、ワイヤの軸方向の剛性をより高くすることができる。この場合に、変形部３２が２カ所あるので、移動部材５の移動に十分追従することができる。
【００３１】
また、図１の装置の場合には、３つの圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃが長いため、このままでは移動部材５の剛性を十分に確保することができなくなるおそれがある。このような場合には、図４に示すように、３個の圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃの変位方向以外の相対移動を拘束する板バネ等の拘束部材３３を設けることが好ましい。具体的には３つの拘束部材３３が圧電アクチュエータ７ａ，７ｂ，７ｃの接合部８ａ，８ｂ，８ｃを順次結合するように設けられ、圧電素子９ａ，９ｂ，９ｃのＺ方向の変位に対しては互いに妨げることなく、しかもＺ方向と直交する面内に対しては互いに相対的位置を保つことが可能となっている。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
第１の実施形態では、移動部材５に３自由度の移動を生じさせるパラレルメカニズムの移動装置について説明したが、ここでは６自由度の移動が可能な移動装置について説明する。図５はこの６自由度の移動が可能な移動装置を示す斜視図である。図５の移動装置１′の装置構成は、基本的に図１の移動装置と同様であり、同じものには同じ符号を付して説明を省略する。
【００３３】
本実施形態では、第１の実施形態で圧電アクチュエータが設けられていなかったワイヤ６ｄ，６ｅ，６ｆにもそれぞれ圧電アクチュエータ７ｄ，７ｅ，７ｆを設けた点が第１の実施形態と異なっている。
【００３４】
圧電アクチュエータ７ｄは、その長手方向（変位方向）をＹ方向に一致させて固定壁３に固定されており、圧電アクチュエータ７ｅ，７ｆは、その長手方向（変位方向）をＸ方向に一致させて固定壁４に固定されている。圧電アクチュエータ７ｄ，７ｅ，７ｆは、それぞれ後述するワイヤが接合される接合部８ｄ，８ｅ，８ｆと、その下側の圧電素子９ｄ，９ｅ，９ｆとからなっている。圧電素子９ｄ，９ｅ，９ｆにはそれぞれ給電線１０ｄ，１０ｅ，１０ｆが接続されており、これら給電線１０ｄ，１０ｅ，１０ｆは電源１１に接続されている。
【００３５】
このように構成される移動装置においては、第１の実施形態の移動装置で移動が可能であったＺ方向、θ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向はもちろんのこと、圧電アクチュエータ７ｄ，７ｅ，７ｆによってＸ方向、Ｙ方向、θ_Ｚ方向にも移動装置５を移動させることができ、６自由度の移動が実現される。例えば、圧電アクチュエータ７ｅ，７ｆを同じ長さで同方向に変位させることにより、移動部材５をＸ方向に移動させることが可能である。また圧電アクチュエータ７ｄを変位させることにより、移動部材５をＹ方向に移動させることが可能である。さらに、圧電アクチュエータ７ｅ，７ｆを反対向きに変位させるまたはこれらのいずれか一方を変位させることにより、移動部材５をθ_Ｚ方向に移動させることが可能である。そして、これらの移動およびＺ方向、θ_Ｘ方向、θ_Ｙ方向の移動を適宜組み合わせることにより、６自由度の所望の移動が可能となる。
【００３６】
本実施形態の移動装置は、３自由度の第１の実施形態の移動装置よりも大型にはなるが、従来位置決め装置として用いられていた多段ステージタイプのものよりは十分に小型化可能であり、第１の実施形態の効果を保持しつつ、６自由度の移動が可能であり、６自由度の位置決めが可能となる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく本発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、上記実施形態では３自由度および６自由度の位置決め装置について説明したが、圧電アクチュエータの数を適宜調整することにより、１自由度から６自由度までの任意の自由度の移動を実現することができる。また、上記実施形態では本発明を超精密位置決め装置として適用した場合を中心に説明したが、移動部材に操作手を取り付ける等すれば、多自由度の超精密マニピュレータに適用することが可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤを用い、自由度に応じた数の圧電アクチュエータを用いるので、ユニバーサルジョイントのような複雑な機構を用いずにかつ制御の複雑化をもたらすことなく、かつ、基本的に一つの移動部材を用いたパラレルメカニズムで多自由度の移動を実現することができるので、装置の小型化が可能であり、高精度でかつ応答性の高い移動を実現することができる。本発明の移動装置により、超小型でシンプルな構造の超精密位置決め装置や超精密マニピュレータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る３自由度の移動が可能な移動装置を示す斜視図。
【図２】圧電素子の変位拡大機構を示す模式図。
【図３】ワイヤの構造の他の例を示す模式図。
【図４】圧電アクチュエータの変位方向以外を拘束する拘束部材を説明するための斜視図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る６自由度の移動が可能な移動装置を示す斜視図。
【符号の説明】
１，１′；移動装置
２；固定台
３，４；固定壁
５；移動部材
６ａ〜６ｆ；ワイヤ
７ａ〜７ｆ；圧電アクチュエータ
９ａ〜９ｆ；圧電素子
１０ａ〜１０ｆ；配線
１２；チャンバー
１１；電源
１２；コントローラ
１３；操作部
２０；変位拡大機構[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a positioning device used for ultra-precision positioning such as bonding of optical components, a moving device applicable as an ultra-precision manipulator, and a positioning device using the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Recently, ultra-precision positioning technology on the order of nanometers has been required for joining optical components such as joining an optical device and an optical fiber array, and in a semiconductor device manufacturing process. In three-dimensional positioning, movement in three axes of X, Y, and Z and movement of θ _X , θ _Y , and θ _Z around these axes with a maximum of six degrees of freedom are required.
[0003]
Conventionally, in order to realize such multi-free movement, a mechanism in which stages each having one degree of freedom moving in a different direction are overlapped by the required number of degrees of freedom is well known. In this mechanism, the entire movement is constituted by the sum of the movements in different directions on each stage.
[0004]
On the other hand, a parallel link mechanism is known as a technique for realizing the above-described multi-degree-of-freedom movement (for example, Patent Document 1). In this technique, the base member and the end effector are connected by six links, and the length of each link is changed to realize movement of the base member with six degrees of freedom.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-328374
[Problems to be solved by the invention]
In the former technique, each stage only needs to be controlled with one degree of freedom, and since the entire movement is a simple sum of the movements of the respective stages, the control is easy and the movement distance of each stage is increased. As a result, the moving distance of the entire stage is increased, so that it is possible to easily cope with a case where the moving distance is large, but there are the following disadvantages.
[0007]
In other words, because of the structure in which a plurality of stages are stacked, the size and volume of the entire apparatus must be increased. In addition, since the distance between the fixed point and the uppermost stage is long, it is difficult to maintain high rigidity as a whole device, and since a plurality of stages are moved, positioning errors of each stage accumulate. There is a drawback in accuracy. Furthermore, since a plurality of stages are stacked, the mass on the lowermost stage is generally large, and the inertia when the stage moves for positioning becomes large, so it is difficult to realize a fast response speed. is there.
[0008]
On the other hand, the latter technique is unlikely to cause such a problem, and can realize a mechanism that can be moved in multiple degrees of freedom with a relatively compact structure. Since the position error appears as an average value, the accuracy is generally increased, and the inertia mass is small because only the base member is moved, so that a quick response is possible.
[0009]
However, the latter technique has the following disadvantages. That is, when the length of the link changes, the base member generally moves in all six degrees of freedom. To give only a specific moving direction, it is necessary to give a length change to all the links at a certain ratio at the same time. This is less of a problem when six degrees of freedom are required, but is not desirable when the degree of freedom is less than six degrees of freedom. In addition, in order to operate such a parallel link mechanism, it is necessary to provide a universal joint for each link arm. However, small movements may cause backlash and increase the cost. Further, when the moving distance is long, the moving distance of the base member becomes non-linear with respect to the change in the length of each link arm, and the control becomes complicated.
[0010]
The present invention has been made in view of such circumstances, and can be reduced in size, does not cause problems of accuracy and responsiveness, has a simple configuration regardless of the degree of freedom, and does not bring about complicated control. It is an object of the present invention to provide a moving device capable of minute movement and suitable for an ultra-precise positioning device or manipulator, and a positioning device using the same.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, according to a first aspect of the present invention, a moving member and one end thereof are joined to the moving member, and the moving member is deformable following a movement of the moving member. Six wires held in position, one or more piezoelectric actuators respectively joined to one or more ends of the six wires opposite to the moving member side, and a base end of the piezoelectric actuator and A fixing member for fixing an end of the wire to which the piezoelectric actuator is not joined, on the opposite side to the moving member, wherein the displacement of the piezoelectric actuator causes the moving member to move in a predetermined direction. Provide a mobile device.
[0012]
Further, according to a second aspect of the present invention, a movable member and one end which is joined to the movable member at one end thereof and holds the movable member at a predetermined position so as to be deformable following the movement of the movable member. And six piezoelectric actuators respectively joined to ends of the six wires opposite to the moving member side, and a fixing member for fixing a base end of the piezoelectric actuator, A moving device is characterized in that the moving member is caused to move in a predetermined direction by displacement of a piezoelectric actuator.
[0013]
Further, according to a third aspect of the present invention, a movable member and one end which is joined to the movable member at one end thereof and holds the movable member at a predetermined position so as to be deformable following the movement of the movable member. , Three piezoelectric actuators respectively joined to the three ends of the six wires opposite to the moving member side, and a remaining portion where the base end of the piezoelectric actuator and the piezoelectric actuator are not joined. A fixing member for fixing ends of the three wires opposite to the moving member side, wherein the piezoelectric actuators are arranged so that their displacement directions are parallel to each other, and are joined to the piezoelectric actuators. The three wires are provided in parallel with each other along the displacement direction of the piezoelectric actuator, and the remaining three wires are orthogonal to the displacement direction of the piezoelectric actuator. As described above, provided between the moving member and the fixed member, the displacement of the three piezoelectric actuators causes the moving member to move in parallel with the displacement direction of the piezoelectric actuator and / or the driving direction of the piezoelectric actuator. A moving device that causes a rotational movement about an axis perpendicular to the axis.
[0014]
According to the present invention, one end is joined to the moving member, and six wires are used to hold the moving member at a predetermined position so as to be deformable following the movement of the moving member. Since the number of piezoelectric actuators used is large, there is no need to use complicated mechanisms such as universal joints, no complicated control, and basically, a parallel mechanism using one moving member has multiple degrees of freedom. Since movement can be realized, the size of the device can be reduced, and movement with high accuracy and high responsiveness can be realized, which is suitable as an ultra-precise positioning device or manipulator.
[0015]
By joining the piezoelectric actuators to the six wires as in the second aspect, positioning with six degrees of freedom can be realized with a simple configuration. Further, as in the third aspect, the piezoelectric actuator is joined to three of the six wires, and the three wires joined to the piezoelectric actuator are parallel to each other along the driving direction of the piezoelectric actuator. The remaining three wires are provided between the moving member and the fixed member so as to be orthogonal to the driving direction of the piezoelectric actuator. The piezoelectric actuator is displaced, and the moving member is moved in the direction of displacement of the piezoelectric actuator. By causing a parallel movement and a rotational movement about an axis orthogonal to the displacement direction of the piezoelectric actuator, a movement with three degrees of freedom is realized, which is suitable for positioning between the optical device and the optical fiber array.
[0016]
In the moving device according to the third aspect, it is preferable that the moving device further includes a restricting member that restricts relative movement of the three piezoelectric actuators other than the driving direction. Further, in any of the above aspects, the piezoelectric actuator may have a configuration having a piezoelectric element, or may have a configuration having a piezoelectric element and a displacement enlarging mechanism for enlarging the displacement of the piezoelectric element. The wire preferably has a relatively large diameter central portion and a relatively small diameter deformed portion located on both sides of the central portion.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a moving device capable of moving in three degrees of freedom according to the first embodiment of the present invention, and this moving device is used as a positioning device. The moving device 1 has a fixed base 2 and fixed walls 3 and 4 which are joined so as to extend vertically from the fixed base 2 and are orthogonal to each other. Is composed. In the plane on which the fixed base 2 is placed, the direction in which the fixed wall 3 is arranged is X, the direction in which the fixed wall 4 is arranged is Y, the direction extending perpendicularly from the XY plane is Z, and the direction of rotation around X, Y, Z is shown. Are θ _X , θ _Y , and θ _Z , respectively.
[0018]
Above the space defined by the fixed base 2 and the fixed walls 3, 4, a rectangular moving member 5 to which a component to be positioned is attached is arranged. The moving member 5 is arranged so that the main surface is parallel to the fixed base 2 and the other two pairs of surfaces are parallel to the fixed wall 3 and the fixed wall 4 at the illustrated reference position.
[0019]
Three piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c are fixed to the upper surface of the fixed base 2 with their longitudinal directions coinciding with the Z direction. Each of the piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c is composed of a joint 8a, 8b, 8c to which a wire to be described later is joined, and piezoelectric elements 9a, 9b, 9c below the joints.
[0020]
One end of three wires 6a, 6b, 6c is joined to the lower main surface facing the fixed base 2 and one end of one wire 6d is joined to the surface facing the fixed wall 3 of the moving member 5. One end of each of the two wires 6e and 6f is joined to a surface facing the fixed wall 4. That is, six wires are joined to the moving member 5.
[0021]
When the moving member 5 is at the reference position, the wires 6a, 6b, 6c extend linearly downward from the moving member 5 in the Z direction, and the other ends thereof are connected to the joining portions 8a of the piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c, respectively. , 8b, 8c. The wire 6d extends linearly in the Y direction, the other end is joined to the fixed wall 3, and the wires 6e, 6f extend linearly in the X direction, and the other end is joined to the fixed wall 4.
[0022]
The wires 6a to 6f have sufficient rigidity to hold the moving member 5 at a predetermined position, and have a material and a material so as to be elastically deformable following the movement when the moving member 5 moves. The wire diameter and shape are determined.
[0023]
Feeding lines 10a, 10b, 10c are connected to the piezoelectric elements 9a, 9b, 9c, respectively, and these feeding lines 10a, 10b, 10c are connected to a power supply 11. The power supply 11 is connected to a controller 12, which controls the displacement of the piezoelectric elements 9a, 9b, 9c. An operation unit 13 is connected to the controller 12.
[0024]
The piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c are displaced in the Z direction by applying a voltage to the piezoelectric elements 9a, 9b, 9c, respectively. The piezoelectric elements 9a, 9b, 9c have a length necessary to secure a desired displacement. The piezoelectric elements 9a, 9b, 9c are not particularly limited, but in order to obtain a large displacement, for example, a laminated type in which electrodes and piezoelectric ceramic layers are alternately laminated can be used.
[0025]
In the positioning device configured as described above, the moving member 5 is moved with three degrees of freedom from the reference position shown in FIG. 1 to position the member attached to the moving member. At the time of positioning, an operation signal is output from the operation unit 13 to the controller 12, and the displacement of the piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c (that is, the displacement of the piezoelectric elements 9a, 9b, 9c) so that the moving member 5 performs a desired movement. Thereby, the moving member 5 is driven in a desired direction. In this case, wire 6d, 6e, the 6f because it is fixed, three directions in the XY plane of the moving member 5, i.e. the X direction, Y direction, in the theta _Z direction is constrained. Accordingly, the moving member 5, three piezoelectric actuators 7a, 7b, by 7c, Z direction, theta _X direction, will be positioned by moving in three degrees of freedom theta _Y direction.
[0026]
For example, the moving member 5 can be moved in the Z direction by displacing the piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c in the same direction with the same length. In addition, the moving member 5 can be moved in the _θY direction by displacing the piezoelectric actuators 7b and 7c in the same direction with the same length or by displacing the piezoelectric actuator 7a. Further by displacing one is causing or any displacement in the opposite direction and a piezoelectric actuator 7b and 7c, it is possible to move the moving member 5 in the theta _X direction. Then, by appropriately combining these movements, a desired movement can be achieved. In this case, the wires 6a to 6f have a rigidity capable of holding the moving member 5 at a predetermined position, and are elastically deformable following the moving member 5, so that the moving member 5 maintains a predetermined rigidity while maintaining the required rigidity. Can be moved. Such a wire is preferably a wire having a circular cross section so that it can be deformed in all directions, and a spring material having high rigidity and capable of large elastic deformation is preferable.
[0027]
By moving the moving member 5 with three degrees of freedom in this way, positioning of the member attached to the moving member 5 with three degrees of freedom is realized. Such positioning with three degrees of freedom is extremely suitable for positioning when joining optical components such as joining an optical device and an optical fiber array.
[0028]
In addition, it is possible to achieve three degrees of freedom of movement with a parallel mechanism basically using one moving member 5 without using a complicated mechanism such as a universal joint and without complicating the control. As a result, the size of the apparatus can be significantly reduced. For example, the fixed base 2 has a size of 40 mm × 30 mm, a height of 40 mm, and the moving member 5 has a size of 10 mm × 12 mm × thickness of 3 mm, so that it is possible to realize an ultra-compact size that cannot be compared with a conventional multi-stage positioning device. In this case, the moving amount of the moving member 5 is estimated to be about 15 μm when a voltage of 150 V is applied to the piezoelectric element, for example. In addition, since the structure is simple and only one moving member 5 needs to be arranged, it is possible to realize highly accurate and highly responsive movement.
[0029]
When the displacement is not sufficient with only the piezoelectric element, it is effective to use the displacement enlarging mechanism. As an example of the displacement magnifying mechanism, there is a mechanism as shown in FIG. The displacement magnifying mechanism 20 includes a base member 21, hinges 22 connected to both ends of the piezoelectric element 9, connected to each hinge 22, extending to the side of the piezoelectric element, and extending to the center of the piezoelectric element 21. , Two arms 23 for expanding the displacement of the piezoelectric element 9, and a displacement output unit 24 for externally outputting the displacement of the arm 23. Each arm 23 is connected to the base member 21 near the hinge 22. Therefore, when the piezoelectric element 9 extends as shown by the arrow A, the base end of the arm 23 is displaced via the hinge 22 as shown by the arrow B. As a result, a displacement as shown by an arrow C perpendicular to the displacement direction of the piezoelectric element 9 occurs at the tip of the arm 23. This displacement is about ten times the displacement of the piezoelectric element 9. The displacement output unit 24 is connected to the arm 23 and outputs the displacement to the outside. Since the displacement output unit 24 is connected to the base member 21 via the parallel spring 25, the displacement can be transmitted quickly according to the change in the displacement of the piezoelectric element 9. When a larger displacement is required, the present moving device can be mounted on the coarse moving stage, and rough movement can be performed by the coarse moving stage, and fine moving can be performed by the present moving device.
[0030]
Further, as the wires 6a to 6f, straight wires can be used as shown in FIG. 1, but from the viewpoint of increasing the rigidity of the moving member 5 and increasing the positioning accuracy, as shown in FIG. A structure having a relatively large-diameter central portion 31 and relatively small-diameter deformable portions 32 located on both sides of the central portion 31 may be employed. In the case of such a structure, the rigidity of the entire wire can be increased by the central portion 31 and only the deformed portion 32 can be deformed, so that the axial rigidity of the wire can be further increased. In this case, since there are two deforming portions 32, it is possible to sufficiently follow the movement of the moving member 5.
[0031]
In the case of the device shown in FIG. 1, the three piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c are long, and there is a possibility that the rigidity of the moving member 5 cannot be sufficiently secured in this state. In such a case, as shown in FIG. 4, it is preferable to provide a restraining member 33 such as a leaf spring that restrains the relative movement of the three piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c in directions other than the displacement direction. Specifically, three restraining members 33 are provided so as to sequentially connect the joints 8a, 8b, 8c of the piezoelectric actuators 7a, 7b, 7c, and the displacement of the piezoelectric elements 9a, 9b, 9c in the Z direction is prevented. Without interfering with each other, it is possible to maintain their relative positions in a plane perpendicular to the Z direction.
[0032]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the first embodiment, the moving device of the parallel mechanism that causes the moving member 5 to move in three degrees of freedom has been described. However, a moving device capable of moving in six degrees of freedom will be described here. FIG. 5 is a perspective view showing a moving device capable of moving in six degrees of freedom. The device configuration of the moving device 1 'in FIG. 5 is basically the same as that of the moving device in FIG. 1, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof will be omitted.
[0033]
The present embodiment is different from the first embodiment in that the piezoelectric actuators 7d, 7e, 7f are provided also on the wires 6d, 6e, 6f, which are not provided with the piezoelectric actuator in the first embodiment.
[0034]
The piezoelectric actuator 7d is fixed to the fixed wall 3 with its longitudinal direction (displacement direction) coincident with the Y direction, and the piezoelectric actuators 7e and 7f are fixed with their longitudinal directions (displacement direction) coincident with the X direction. It is fixed to the wall 4. Each of the piezoelectric actuators 7d, 7e, and 7f includes bonding portions 8d, 8e, and 8f to which wires described later are bonded, and piezoelectric elements 9d, 9e, and 9f below the bonding portions. Feeding lines 10d, 10e, 10f are connected to the piezoelectric elements 9d, 9e, 9f, respectively, and these feeding lines 10d, 10e, 10f are connected to a power supply 11.
[0035]
In thus configured mobile device, first embodiment Z direction movement was possible at the mobile device, theta _X direction, theta _Y direction, of course, X piezoelectric actuator 7d, 7e, by 7f direction, Y-direction, you can also move the moving device 5 in the theta _Z direction, movement of six degrees of freedom can be realized. For example, the moving member 5 can be moved in the X direction by displacing the piezoelectric actuators 7e and 7f in the same direction with the same length. Further, by displacing the piezoelectric actuator 7d, the moving member 5 can be moved in the Y direction. Furthermore, by displacing the piezoelectric actuator 7e, either displacing or these in the opposite direction to 7f, it is possible to move the moving member 5 in the theta _Z direction. Then, these movements and Z directions, theta _X-direction, by appropriately combining the movement of the theta _Y direction, thereby enabling a desired movement of six degrees of freedom.
[0036]
Although the moving device of the present embodiment is larger than the moving device of the first embodiment having three degrees of freedom, the moving device can be sufficiently reduced in size compared to the multistage stage type conventionally used as a positioning device. In addition, while maintaining the effects of the first embodiment, movement with six degrees of freedom is possible, and positioning with six degrees of freedom is possible.
[0037]
Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the positioning device having three degrees of freedom and six degrees of freedom has been described. However, by appropriately adjusting the number of piezoelectric actuators, movement of any degree of freedom from one degree of freedom to six degrees of freedom is realized. be able to. Further, in the above embodiment, the case where the present invention is applied as an ultra-precision positioning device has been mainly described. However, if an operation hand is attached to a moving member, the present invention can be applied to a multi-degree-of-freedom ultra-precision manipulator. .
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, one end is joined to the moving member, and the six wires that deformably hold the moving member at a predetermined position following the movement of the moving member are provided. Since the number of piezoelectric actuators used depends on the degree of freedom, it does not use a complicated mechanism such as a universal joint, does not complicate control, and basically uses a parallel moving member. Since movement with multiple degrees of freedom can be realized by the mechanism, the size of the device can be reduced, and movement with high accuracy and high responsiveness can be realized. With the moving device of the present invention, it is possible to realize an ultra-precision positioning device and an ultra-precision manipulator having an ultra-compact and simple structure.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a moving device capable of moving in three degrees of freedom according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a displacement enlarging mechanism of a piezoelectric element.
FIG. 3 is a schematic view showing another example of the structure of the wire.
FIG. 4 is a perspective view for explaining a restricting member that restricts a direction other than a displacement direction of the piezoelectric actuator.
FIG. 5 is a perspective view showing a moving device capable of moving with six degrees of freedom according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 1 '; moving device 2, fixed tables 3, 4, fixed wall 5, moving members 6a to 6f, wires 7a to 7f, piezoelectric actuators 9a to 9f, piezoelectric elements 10a to 10f, wiring 12, chamber 11, and power supply 12. A controller 13; an operation unit 20;

Claims

移動部材と、
一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤと、
前記６本のワイヤの１以上の前記移動部材側と反対側の端部にそれぞれ接合された１個以上の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの基端部および圧電アクチュエータが接合されないワイヤの前記移動部材側と反対側の端部を固定する固定部材と
を具備し、
前記圧電アクチュエータの変位により、前記移動部材に所定方向の移動を生じさせることを特徴とする移動装置。A moving member;
One end is joined to the moving member, and six wires that hold the moving member at a predetermined position so as to be deformable following the movement of the moving member;
One or more piezoelectric actuators respectively joined to one or more ends of the six wires opposite to the moving member side;
A fixing member for fixing a base end of the piezoelectric actuator and an end opposite to the moving member side of a wire to which the piezoelectric actuator is not joined,
A moving device, wherein the displacement of the piezoelectric actuator causes the moving member to move in a predetermined direction.

移動部材と、
一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤと、
前記６本のワイヤの前記移動部材側と反対側の端部にそれぞれ接合された６個の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの基端部を固定する固定部材と
を具備し、
前記圧電アクチュエータの変位により、前記移動部材に所定方向の移動を生じさせることを特徴とする移動装置。A moving member;
One end is joined to the moving member, and six wires that hold the moving member at a predetermined position so as to be deformable following the movement of the moving member;
Six piezoelectric actuators respectively joined to ends of the six wires opposite to the moving member side,
A fixing member for fixing a base end of the piezoelectric actuator,
A moving device, wherein the displacement of the piezoelectric actuator causes the moving member to move in a predetermined direction.

移動部材と、
一方の端部が前記移動部材に接合され、前記移動部材の移動に追従して変形可能に前記移動部材を所定位置に保持する６本のワイヤと、
前記６本のワイヤのうち３本の前記移動部材側と反対側の端部にそれぞれ接合された３個の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの基端部および圧電アクチュエータが接合されない残りの３本のワイヤの前記移動部材側と反対側の端部を固定する固定部材と
を具備し、
前記圧電アクチュエータはその変位方向が互いに平行になるように配置され、前記圧電アクチュエータに接合された前記３本のワイヤはこれら圧電アクチュエータの変位方向に沿って互いに平行に設けられ、前記残りの３本のワイヤは前記圧電アクチュエータの変位方向に直交するように前記移動部材と前記固定部材との間に設けられ、
前記３個の圧電アクチュエータの変位により、前記移動部材に前記圧電アクチュエータの変位方向への平行移動、および／または前記圧電アクチュエータの駆動方向と直交する軸の回りの回転移動を生じさせることを特徴とする移動装置。A moving member;
One end is joined to the moving member, and six wires that hold the moving member at a predetermined position so as to be deformable following the movement of the moving member;
Three piezoelectric actuators respectively joined to the three ends of the six wires opposite to the moving member side;
And a fixing member for fixing the base end of the piezoelectric actuator and the other end of the remaining three wires to which the piezoelectric actuator is not joined, on the side opposite to the moving member side,
The piezoelectric actuators are arranged so that their displacement directions are parallel to each other. The three wires joined to the piezoelectric actuator are provided in parallel with each other along the displacement directions of the piezoelectric actuators, and the remaining three wires are connected to each other. The wire is provided between the moving member and the fixed member so as to be orthogonal to the displacement direction of the piezoelectric actuator,
The displacement of the three piezoelectric actuators causes the moving member to cause a parallel movement in a displacement direction of the piezoelectric actuator and / or a rotational movement about an axis orthogonal to a driving direction of the piezoelectric actuator. Moving device.

前記３個の圧電アクチュエータの駆動方向以外の相対移動を拘束する拘束部材をさらに具備することを特徴とする請求項３に記載の移動装置。The moving device according to claim 3, further comprising a restricting member that restricts relative movement of the three piezoelectric actuators in directions other than the driving direction.

前記圧電アクチュエータは、圧電素子を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の移動装置。The moving device according to claim 1, wherein the piezoelectric actuator has a piezoelectric element.

前記圧電アクチュエータは、圧電素子と、圧電素子の変位を拡大する変位拡大機構とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の移動装置。The moving device according to any one of claims 1 to 5, wherein the piezoelectric actuator includes a piezoelectric element and a displacement enlarging mechanism that enlarges a displacement of the piezoelectric element.

前記ワイヤは、相対的に大径の中央部と、中央部の両側に位置する相対的に小径の変形部とを有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の移動装置。7. The wire according to claim 1, wherein the wire has a relatively large-diameter central portion and relatively small-diameter deformed portions located on both sides of the central portion. 8. Moving equipment.

請求項１から請求項７のいずれかの移動装置の移動部材を用いて位置決めを行うことを特徴とする位置決め装置。A positioning device, wherein the positioning is performed using the moving member of the moving device according to any one of claims 1 to 7.