JP2640113B2 - 微小回転ステージ - Google Patents
微小回転ステージInfo
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- JP2640113B2 JP2640113B2 JP63041688A JP4168888A JP2640113B2 JP 2640113 B2 JP2640113 B2 JP 2640113B2 JP 63041688 A JP63041688 A JP 63041688A JP 4168888 A JP4168888 A JP 4168888A JP 2640113 B2 JP2640113 B2 JP 2640113B2
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q5/00—Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
- B23Q5/22—Feeding members carrying tools or work
- B23Q5/34—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission
- B23Q5/50—Feeding other members supporting tools or work, e.g. saddles, tool-slides, through mechanical transmission feeding step-by-step
-
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- B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
- B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
- B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
- B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
- B23Q1/34—Relative movement obtained by use of deformable elements, e.g. piezoelectric, magnetostrictive, elastic or thermally-dilatable elements
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- Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信、光解析、超LSI製造、顕微鏡測定
などの分野において、微小な回転位置決めを行うための
微小回転ステージに関するものである。
などの分野において、微小な回転位置決めを行うための
微小回転ステージに関するものである。
光通信、光解析の分野で回折格子の微小回転を行う場
合などは、第３図に示すような微小回転ステージを用い
ていた。
合などは、第３図に示すような微小回転ステージを用い
ていた。
この微小回転ステージは、基体20に回転軸21を介して
遊動体22を接続させ、該遊動体22の端部に形成したギア
22aとオームギア23を組み合わせて配置した構造となっ
ていた。前記オームギア23を回転させると、互いのギア
比に応じて遊動体22が回転軸21のまわりに微小に回転
し、この遊動体22に結合された試料台（不図示）を微小
に回転させるようになっていた。
遊動体22を接続させ、該遊動体22の端部に形成したギア
22aとオームギア23を組み合わせて配置した構造となっ
ていた。前記オームギア23を回転させると、互いのギア
比に応じて遊動体22が回転軸21のまわりに微小に回転
し、この遊動体22に結合された試料台（不図示）を微小
に回転させるようになっていた。
ところが、上記の如き従来の微小回転ステージは、回
転軸21と遊動体22の間、およびギア22aとオームギア23
の間に２ケ所の摺動部分があり、そのためバックラッシ
ュが生じたり、長期使用中に摩耗したり、あるいは温度
変化に伴う寸法変化などのため、精度を高くすることが
できなかった。
転軸21と遊動体22の間、およびギア22aとオームギア23
の間に２ケ所の摺動部分があり、そのためバックラッシ
ュが生じたり、長期使用中に摩耗したり、あるいは温度
変化に伴う寸法変化などのため、精度を高くすることが
できなかった。
また、前記摺動部分にはわずかな隙間を必要とするた
め、遊動体22の微小な回転位置決めができなかった。
め、遊動体22の微小な回転位置決めができなかった。
たとえば、微小回転ステージとしてギア比率360:1、
遊動体22の回転半径57.3mmのものを考えてみる。遊動体
22が回転するためには回転軸21と遊動体22の間、および
ギア22aとオームギア23の間にそれぞれ３μｍ程度の隙
間が必要である。したがって、遊動体22の外周部にあわ
せて６μｍ程度の不確定要素が存在すると考え、遊動体
22の作動時の不確定角度（β）は、遊動体22の回転半径
（Ｌ）と遊動体外周の不確定要素（ｄ）を用いて以下の
ように表わされる。
遊動体22の回転半径57.3mmのものを考えてみる。遊動体
22が回転するためには回転軸21と遊動体22の間、および
ギア22aとオームギア23の間にそれぞれ３μｍ程度の隙
間が必要である。したがって、遊動体22の外周部にあわ
せて６μｍ程度の不確定要素が存在すると考え、遊動体
22の作動時の不確定角度（β）は、遊動体22の回転半径
（Ｌ）と遊動体外周の不確定要素（ｄ）を用いて以下の
ように表わされる。
β＝tan-1（d/L） ……（式Ｉ） ＝tan-1（6/57300） ≒21.6秒 このように遊動体22の不確定角度（β）は21.6秒ある
が、実際にはこれを１秒程度とすることが求められてい
る。そこで、上記（式Ｉ）より不確定角度（β）を１秒
とするためには、 Ｌ＝d/tan β ＝6/tan（1/3600） ≒1237mm となり、遊動体22の回転半径を1m以上としなければなら
ず、このような大きなものでは実用上無理があるだけで
なく、熱膨張の影響が大きくなって新たな不確定要素と
なってしまう。
が、実際にはこれを１秒程度とすることが求められてい
る。そこで、上記（式Ｉ）より不確定角度（β）を１秒
とするためには、 Ｌ＝d/tan β ＝6/tan（1/3600） ≒1237mm となり、遊動体22の回転半径を1m以上としなければなら
ず、このような大きなものでは実用上無理があるだけで
なく、熱膨張の影響が大きくなって新たな不確定要素と
なってしまう。
このように従来の微小回転ステージでは、その構造上
の問題点のため、数秒程度の微小な回転位置決めは不可
能であった。
の問題点のため、数秒程度の微小な回転位置決めは不可
能であった。
上記に鑑みて本発明は、枠形状をした基体の内側に薄
肉部を介して遊動体を一体的に形成し、該遊動体の前記
薄肉部と逆の端部に複数のアクチュエータを取着し、各
々のアクチュエータ先端に一端を取着した足部材の他端
を前記基体の内側に形成したスリッププレートに接触さ
せ、かつ前記足部材間にアクチュエータを取着して微小
回転ステージを構成したものである。
肉部を介して遊動体を一体的に形成し、該遊動体の前記
薄肉部と逆の端部に複数のアクチュエータを取着し、各
々のアクチュエータ先端に一端を取着した足部材の他端
を前記基体の内側に形成したスリッププレートに接触さ
せ、かつ前記足部材間にアクチュエータを取着して微小
回転ステージを構成したものである。
以下、本発明実施例を図によって説明する。
第１図（ａ）（ｂ）に示す微小回転ステージは枠形状
の基体１の内側に薄肉部２を介して遊動体３を一体的に
形成してあり、薄肉部２がわずかに撓むことにより、遊
動体３は、回転中心Ｏのまわりに微小に回転可能となっ
ている。
の基体１の内側に薄肉部２を介して遊動体３を一体的に
形成してあり、薄肉部２がわずかに撓むことにより、遊
動体３は、回転中心Ｏのまわりに微小に回転可能となっ
ている。
また、上記薄肉部２は他の部分よりも肉厚を薄くして
撓みやすくしておけば良く、第１図に示すような形状だ
けに限るものではない。例えば、薄肉部２を円筒状とし
ておけば、回転中心Ｏは動くことがなく高精度の微小回
転ができる。
撓みやすくしておけば良く、第１図に示すような形状だ
けに限るものではない。例えば、薄肉部２を円筒状とし
ておけば、回転中心Ｏは動くことがなく高精度の微小回
転ができる。
また、遊動体３の前記薄肉部２と逆の端部には、回転
中心Ｏから放射状に伸びる方向にアクチュエータ４、足
部材５、およびアクチュエータ６、足部材７がそれぞれ
接合してあり、前記足部材５、７間にもアクチュエータ
８を接合し、該アクチュエータ８には歪みゲーシ９を貼
着してある。前記基体１の内側にはＯを中心とした円周
形状のスリッププレート10が形成され、前記足部材５、
７はこのスリッププレート10に接触している。
中心Ｏから放射状に伸びる方向にアクチュエータ４、足
部材５、およびアクチュエータ６、足部材７がそれぞれ
接合してあり、前記足部材５、７間にもアクチュエータ
８を接合し、該アクチュエータ８には歪みゲーシ９を貼
着してある。前記基体１の内側にはＯを中心とした円周
形状のスリッププレート10が形成され、前記足部材５、
７はこのスリッププレート10に接触している。
さらに、前記基体１の薄肉部２近傍にギャップ調整用
薄肉部11および調製ネジ12を備えており、この調製ネジ
12によって足部材５、７とスリッププレート10間のギャ
ップの製造時のバラツキを補正できるようになってい
る。また、遊動体３には、ボルト13によって試料台15が
結合されており、該試料台14に物体を載置するようにな
っている。
薄肉部11および調製ネジ12を備えており、この調製ネジ
12によって足部材５、７とスリッププレート10間のギャ
ップの製造時のバラツキを補正できるようになってい
る。また、遊動体３には、ボルト13によって試料台15が
結合されており、該試料台14に物体を載置するようにな
っている。
この微小回転ステージは、３つのアクチュエータ４、
６、８が互いに伸縮を繰り返すインチングオーム動作に
よって遊動体３を回転させるようになっており、詳しい
動作は以下の通りである。
６、８が互いに伸縮を繰り返すインチングオーム動作に
よって遊動体３を回転させるようになっており、詳しい
動作は以下の通りである。
第２図にタイムチャートを示すように、右回りの場
合、まずアクチュエータ４が縮むことによって足部材５
がスリッププレート10より持ち上がり、続いてアクチュ
エータ８が縮むことによって足部材５が図面の下方へ移
動する。ここでアクチュエータが伸び、足部材５はスリ
ッププレート10に下ろされる。次にアクチュエータ６が
縮むことによって足部材７がスリッププレート10より持
ち上がり、続いてアクチュエータ８が伸びて足部材７が
図面の下方に移動する。ここでアクチュエータ６が伸び
て足部材７がスリッププレート10に下ろされ、１サイク
ルが完了する。このとき、足部材５、７はアクチュエー
タ８の伸縮量だけ下方に移動しており、その分だけ遊動
体はＯを回転中心として右回りに微小回転していること
になる。また、以上の動作を逆に行えば左回りを行うこ
とができる。
合、まずアクチュエータ４が縮むことによって足部材５
がスリッププレート10より持ち上がり、続いてアクチュ
エータ８が縮むことによって足部材５が図面の下方へ移
動する。ここでアクチュエータが伸び、足部材５はスリ
ッププレート10に下ろされる。次にアクチュエータ６が
縮むことによって足部材７がスリッププレート10より持
ち上がり、続いてアクチュエータ８が伸びて足部材７が
図面の下方に移動する。ここでアクチュエータ６が伸び
て足部材７がスリッププレート10に下ろされ、１サイク
ルが完了する。このとき、足部材５、７はアクチュエー
タ８の伸縮量だけ下方に移動しており、その分だけ遊動
体はＯを回転中心として右回りに微小回転していること
になる。また、以上の動作を逆に行えば左回りを行うこ
とができる。
したがって、遊動体３が必要な回転角度となるよう
に、アクチュエータ８の伸縮量およびサイクル数を設定
すれば自由に回転角度を調整することができるのであ
る。
に、アクチュエータ８の伸縮量およびサイクル数を設定
すれば自由に回転角度を調整することができるのであ
る。
また、このような本発明実施例に係る微小回転ステー
ジは動作時に摺動部分がないため、微小な回転位置決め
が可能であり、経年変化や温度変化に伴う精度劣化も小
さくなる。
ジは動作時に摺動部分がないため、微小な回転位置決め
が可能であり、経年変化や温度変化に伴う精度劣化も小
さくなる。
さらに、上記実施例では２つの足部材５、７からなる
ものを示したが、同様な構造で３つ以上の足部材を具備
し、互いの足部材間にアクチュエータを取着することも
可能である。
ものを示したが、同様な構造で３つ以上の足部材を具備
し、互いの足部材間にアクチュエータを取着することも
可能である。
次に、第１図（ａ）（ｂ）に示す微小回転ステージを
試作し、さまざまな性能テストを行った。
試作し、さまざまな性能テストを行った。
全体の大きさは縦20mm,横40mm、厚さ10mmで前記基体
１、遊動体３、足部材５、７はいずれもジルコニアセラ
ミックから形成し、足部材５、７とスリッププレート10
の接触面は互いに0.8s以下の鏡面としてある。また、ア
クチュエータ４、６、８はいずれも圧電セラミックを複
数積層してなる圧電アクチュエータを用いた。圧電アク
チュエータは印加電圧を調整することにより微小な伸縮
を行うことができるもので、実際には最大変位量５μｍ
のものを用いた。これらのアクチュエータ４、６、８と
遊動体３、足部材５、７との接合方法は、あらかじめ互
いの接合面にメタライズ等により金属層を形成してお
き、互いの金属層を融着するようにしてある。
１、遊動体３、足部材５、７はいずれもジルコニアセラ
ミックから形成し、足部材５、７とスリッププレート10
の接触面は互いに0.8s以下の鏡面としてある。また、ア
クチュエータ４、６、８はいずれも圧電セラミックを複
数積層してなる圧電アクチュエータを用いた。圧電アク
チュエータは印加電圧を調整することにより微小な伸縮
を行うことができるもので、実際には最大変位量５μｍ
のものを用いた。これらのアクチュエータ４、６、８と
遊動体３、足部材５、７との接合方法は、あらかじめ互
いの接合面にメタライズ等により金属層を形成してお
き、互いの金属層を融着するようにしてある。
また、圧電アクチュエータ自体はヒステリシスが大き
く精度が悪いが、アクチュエータ８には歪みゲージ９を
貼着して変位を測定し、これをアクチュエータ８にフィ
ードバックする制御系としてあるため、伸縮量を高精度
とすることができる。
く精度が悪いが、アクチュエータ８には歪みゲージ９を
貼着して変位を測定し、これをアクチュエータ８にフィ
ードバックする制御系としてあるため、伸縮量を高精度
とすることができる。
このような微小回転ステージの性能は以下の通り、数
秒程度の位置決めが可能で、優れたものであった。
秒程度の位置決めが可能で、優れたものであった。
最大可変角度 1.2度 １ステップ角度 １〜43秒可変 １ステップ精度 ±0.68秒 １ステップ安定度 ±１秒／年 以下 また、基体１などの材質としては、セラミックや金属
など、さまざまなものを用いることができるが、第１表
に示すようにアルミナ、ジルコニアなどのセラミックは
金属に比べ線膨張係数が小さく、かつヤング率が大きい
ため撓みに対する復元性に優れていることから、基体１
などの材質はセラミックを用いた方がよい。中でもジル
コニアは強度が大きく最も優れた結果を示した。
など、さまざまなものを用いることができるが、第１表
に示すようにアルミナ、ジルコニアなどのセラミックは
金属に比べ線膨張係数が小さく、かつヤング率が大きい
ため撓みに対する復元性に優れていることから、基体１
などの材質はセラミックを用いた方がよい。中でもジル
コニアは強度が大きく最も優れた結果を示した。
〔発明の効果〕 叙上のように本発明によれば、枠形状をした基体の内
側に薄肉部を介して遊動体を一体的に形成し、該遊動体
の前記薄肉部と逆の端部に複数のアクチュエータを取着
し、各々のアクチュエータ先端に一端を取着した足部材
の他端を前記基体の内側に形成したスリッププレートに
接触させ、かつ前記足部材間にアクチュエータを取着し
て微小回転ステージを構成したことによって、摺動部が
ないため、微小な回転位置決めが可能となるだけでな
く、経年変化や温度変化等に伴う精度劣化が小さいなど
の特長をもった高性能の微小回転ステージを提供でき
る。
側に薄肉部を介して遊動体を一体的に形成し、該遊動体
の前記薄肉部と逆の端部に複数のアクチュエータを取着
し、各々のアクチュエータ先端に一端を取着した足部材
の他端を前記基体の内側に形成したスリッププレートに
接触させ、かつ前記足部材間にアクチュエータを取着し
て微小回転ステージを構成したことによって、摺動部が
ないため、微小な回転位置決めが可能となるだけでな
く、経年変化や温度変化等に伴う精度劣化が小さいなど
の特長をもった高性能の微小回転ステージを提供でき
る。
第１図（ａ）は本発明実施例に係る微小回転ステージを
示す側面図、第１図（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ線断
面図である。 第２図は本発明実施例に係る微小回転ステージの動作を
説明するためのタイムチャート図である。 第３図は従来の微小回転ステージを示す断面図である。 1:基体、2:薄肉部 3:遊動体、4,6,8:アクチュエータ 5,7:足部材、9:歪みゲージ 10:スリッププレート
示す側面図、第１図（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ線断
面図である。 第２図は本発明実施例に係る微小回転ステージの動作を
説明するためのタイムチャート図である。 第３図は従来の微小回転ステージを示す断面図である。 1:基体、2:薄肉部 3:遊動体、4,6,8:アクチュエータ 5,7:足部材、9:歪みゲージ 10:スリッププレート
Claims (1)
- 【請求項１】枠形状をした基体の内側に薄肉部を介して
遊動体を一体的に形成し、該遊動体の前記薄肉部と逆の
端部に、薄肉部から放射状に伸びる方向に複数のアクチ
ュエータと足部材とを取着し、該足部材の先端を前記基
体の内側に薄肉部を中心とした円周部に形成したスリッ
ププレートに接触させ、かつ前記足部材間にアクチュエ
ータを取着してなる微小回転ステージ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63041688A JP2640113B2 (ja) | 1988-02-24 | 1988-02-24 | 微小回転ステージ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63041688A JP2640113B2 (ja) | 1988-02-24 | 1988-02-24 | 微小回転ステージ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01216733A JPH01216733A (ja) | 1989-08-30 |
| JP2640113B2 true JP2640113B2 (ja) | 1997-08-13 |
Family
ID=12615365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63041688A Expired - Fee Related JP2640113B2 (ja) | 1988-02-24 | 1988-02-24 | 微小回転ステージ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2640113B2 (ja) |
-
1988
- 1988-02-24 JP JP63041688A patent/JP2640113B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01216733A (ja) | 1989-08-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |