JP4354722B2

JP4354722B2 - クランプ装置及びそれを備えたチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置

Info

Publication number: JP4354722B2
Application number: JP2003086932A
Authority: JP
Inventors: 英一平岡; 良幸冨田; 和晴内海; 達也小原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: TW200422135A; KR100541170B1; TWI245681B; CN1533864A; JP2004291156A; CN1274462C; KR20040086548A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛直方向、すなわちＺ軸方向の駆動機能と傾き、すなわちチルト機能とを有するチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位置決めステージ等に用いられるＺ軸（鉛直）方向の駆動装置として、３つの駆動機構を組み合わせ、それらにより支えられる被支持体、例えば、テーブルあるいは吸着盤等に対し上下方向の並進動作を与えることができるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
これは、キネマティッククランプ（いわゆるケルビンクランプ）を用いたものであるが、位置決めのための装置であり、ある大きさ以上の水平あるいは下方向加速度が働くと、上部物体がずれる可能性がある。
【０００４】
以下に、このことを図４〜図６を参照して説明する。
【０００５】
（１）ケルビンクランプは、図４（ａ）に示すように、上部テーブル２０の下面に軸を介して取り付けられた３個の球２２、２３、２４が、それぞれ下部テーブル２１の上面に形成された三角錐（又は円錐）状の凹部２５、断面Ｖ字状のＶ溝２６、平面２７と接触することにより、下部テーブル２１の面に対し上部テーブル２０の面を相対的に位置決めを行うことができるものである。なお、図４（ｂ）に示すように、３個の球のすべてが下部テーブル２１´の上面に形成された３組のＶ溝２６´に接触するように構成される場合もある。
【０００６】
（２）このようなケルビンクランプは、図４（ａ）のもので言えば、Ｖ溝２６の軸方向の延長線上に凹部２５の三角錐の頂点が位置するように構成されている。これにより、一方の面、例えば球が固定されている方の上部テーブル２０が熱膨張（あるいは収縮）等で３つの球の間隔が拡がった（狭まった）としても、あるいは下部テーブル２１が熱膨張（あるいは収縮）しても、図５に示されるように、三角錐状の凹部２５と接している球２２を固定点とし、Ｖ溝２６に接した球２３はＶ溝２６の軸方向に移動し、平面と接した球２４は三角錐状の凹部２５とＶ溝２６の相対位置関係から決まる位置に移動することができる。なお、図４（ｂ）の場合には、３組のＶ溝２６´が一点で交差する配置とされ、図４（ａ）のものと同じ機能を持つ。
【０００７】
（３）凹部、溝を設けた面を下部側とし、各球を固定した面を上部側として、各クランプ部分において下部側が上部側を支えているものとし、下部側に水平加速度が作用したとする。この場合、図６（ａ）に示されるように、Ｖ溝２６と球２３とによるクランプ部で支える上部側の重量による摩擦力μ・Ｆ₁（但し、μは摩擦係数）の作用によって、下部側に作用する水平加速度が小さい場合には上下両側の相対位置は保持される。しかし、下部側に大きな水平加速度αによる水平力Ｆ₂が働く場合、その分力Ｆ₂´（Ｖ溝２６の面方向に沿った分力）が摩擦力μ・Ｆ₁を上回ると上部側の位置がずれてしまう。あるいは、図６（ｂ）に示されるように、全体が下方に重力加速度を越える加速度α´で移動する場合は、上部側は下部側に追随できず、離れてしまう。このため、より大きな摩擦力を与えるために上下両側をばね等でつないで付加荷重を与えていた。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−７９３４４号（第２頁、図９）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、Ｚ軸（鉛直）方向の位置決め装置では、３組のＺ軸駆動機構を用いて上部側（例えば回転テーブル）を支え、Ｚ軸方向の並進動作に加えて傾き（チルト）動作を与えることが要求される場合がある。これに対し、上下両側の結合を前述したケルビンクランプとすれば、傾きを与えるチルト動作が可能となる。しかし、これら３組のＺ軸が水平方向の位置決めテーブル（Ｘ−Ｙテーブル）の上に設置される場合、上記（３）に記述した理由で水平方向の位置決めテーブルが大きな加速度で移動すると、上部側がずれることになる。それを防ぐために上下両側をばね等でつないだ場合、Ｚ軸駆動機構にその分荷重が加わることになり、Ｚ軸駆動機構の容量増大が必要となる。そして、Ｚ軸方向の駆動量（ストローク）が大きくなればなるほどばねによる荷重が増加する。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、キネマティッククランプ（いわゆるケルビンクランプ）をリジッド化し、鉛直（Ｚ軸）方向の並進及びチルト動作を可能とすると共に水平方向あるいは下方向の加速度が働いても位置のずれを無くすことを可能にするクランプ装置を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の課題は、上記クランプ装置を備えたチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、支持部材上に置かれるボールと、該ボールの受け部を下部に有し該受け部を前記ボールの上部に当接させたクランプ軸との組合わせを複数組備え、前記クランプ軸は前記受け部とそこから上方に延びる軸部とから成り、前記支持部材側には前記軸部を揺動可能に上方に突出させた状態で前記ボールと前記クランプ軸との組合わせを保持するためのホルダを固定し、前記受け部と前記ホルダとの間には該受け部を下方に付勢するためのばね部材を介在させたことを特徴とするクランプ装置が提供される。
【００１３】
本発明によるクランプ装置においては、前記ボールと前記クランプ軸との組合わせが３組であり、第１の組の第１のボールは第１の支持部材に設けられた角錐または円錐による凹部に収容され、第２の組の第２のボールは第２の支持部材にあらかじめ決められた方向に延在するように設けられたＶ溝に収容され、第３の組の第３のボールは第３の支持部材の平面上に置かれることを特徴とする。
【００１４】
本発明によるクランプ装置はまた、前記ボールと前記クランプ軸との組合わせが３組であり、第１の組の第１のボールは第１の支持部材に設けられた第１のＶ溝に収容され、第２の組の第２のボールは第２の支持部材に設けられた第２のＶ溝に収容され、第３の組の第３のボールは第３の支持部材に設けられた第３のＶ溝に収容され、前記第１〜第３の支持部材は前記第１〜第３のＶ溝の延長線が一点で交差するように構成されても良い。
【００１５】
上記のクランプ装置においては、第１の態様として、前記第１〜第３の組の軸部をそれぞれ同じ上部部材に取り付けると共に、前記第１〜第３の支持部材をそれぞれ独立して上下動可能に構成することにより、前記上部部材が上下方向動作及びチルト動作可能なクランプ装置を提供できる。
【００１６】
上記のクランプ装置においてはまた、第２の態様として、前記第１〜第３の組の軸部をそれぞれ同じ上部部材に取り付けると共に、前記第１〜第３の支持部材を１つの共通の支持部材で構成したクランプ装置を提供できる。
【００１７】
本発明によればまた、上記の第１の態様によるクランプ装置を備えたチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置であって、前記第１〜第３の支持部材を上下動させる第１〜第３の駆動機構をベース部材上に備えたことを特徴とするチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置が提供される。
【００１８】
本発明によるチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置においては、前記第１〜第３の駆動機構としてスライドウェッジ機構を備えたものが提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を参照して、本発明によるクランプ装置及びこれを用いたチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置の好ましい実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明によるクランプ装置を前述したケルビンクランプを改良して実現する場合の実施の形態を示している。ケルビンクランプを構成する３組のクランプのうち、図１（ａ）は三角錐等の角錐による凹部（または円錐による凹部でも良い）１０７ａとこれに収容された球１３とによる第１の組を示し、図１（ｂ）はＶ溝１０８ａとこれに収容された球１４とによる第２の組を示し、図１（ｃ）は平面とその上に置かれた球１５とによる第３の組を示している。球が置かれる部分の構造以外は第１〜第３の組のいずれも同じ構造である。
【００２１】
図１（ａ）に示された第１のクランプ１０は、上面に円錐（又は角錐）による凹部（以下、凹部と略称する）１０７ａが形成された第１の支持部材１０７と、凹部１０７ａに収容された第１の球１３と、球１３の受け部１６−１を下部に有すると共に上方に延びる軸部１６−２を有して、受け部１６−１を球１３の上部に当接させたクランプ軸１６と、第１の支持部材１０７に固定され軸部１６−２を揺動可能に上方に突出させた状態で球１３とクランプ軸１６との組合わせを保持するためのホルダ１０４と、受け部１６−１の上側とホルダ１０４の内面側との間に介在して受け部１６−１を下方に付勢するための皿ばね１０１とを含む。
【００２２】
図１（ｂ）に示された第２のクランプ１１は、上面にＶ溝１０８ａが形成された第２の支持部材１０８と、Ｖ溝１０８ａに収容された第２の球１４と、球１４の受け部１７−１を下部に有すると共に上方に延びる軸部１７−２を有して、受け部１７−１を球１４の上部に当接させたクランプ軸１７と、第２の支持部材１０８に固定され軸部１７−２を揺動可能に上方に突出させた状態で球１４とクランプ軸１７との組合わせを保持するためのホルダ１０５と、受け部１７−１の上側とホルダ１０５の内面側との間に介在して受け部１７−１を下方に付勢するための皿ばね１０２とを含む。
【００２３】
図１（ｃ）に示された第３のクランプ１２は、第３の支持部材１０９と、その上面、つまり平面上に置かれた第３の球１５と、球１５の受け部１８−１を下部に有すると共に上方に延びる軸部１８−２を有して、受け部１８−１を球１５の上部に当接させたクランプ軸１８と、第３の支持部材１０９に固定され軸部１８−２を揺動可能に上方に突出させた状態で球１５とクランプ軸１８との組合わせを保持するためのホルダ１０６と、受け部１８−１の上側とホルダ１０６の内面側との間に介在して受け部１８−１を下方に付勢するための皿ばね１０３とを含む。
【００２４】
受け部１６−１〜１８−１は、いずれもその下面側に角錐または円錐による凹部を形成してこの凹部に球１３〜１５を収容するようにされている。また、ホルダ１０４〜１０６は、いずれもその上部側に、軸部１６−２〜１８−２を揺動可能に挿通可能とするために、軸部１６−２〜１８−２の径より大きめの開口を持つ板部材を持つもので構成され、この板部材が皿ばねを受け部に押し付けるばね押えとして機能し、ホルダに必要な荷重を与える。厳密に言えば、各ホルダに相対運動を与えることができるようにするために、ばね押えの開口は軸部の径と相対運動の移動距離を加えたものより大きくしてチルト動作に伴う相対移動を許容するように構成される。また、皿ばねは要求される荷重を与えるものを装着し、クランプ軸が傾いてもばねの弾性限界を越えないものを使用する。
【００２５】
以上のような３組のクランプを一つのクランプ装置として使用する場合、例えば軸部１６−２〜１８−２を被クランプ部材としての一つの上部部材１１０に取り付ける。一方、支持部材１０７〜１０９についてもこれらを取り付ける下部部材１１１、１１２、１１３を一つの部材で構成する。なお、第２のクランプ１１においては第２の支持部材１０８に形成されたＶ溝１０８ａの延長線が、第１のクランプ１０における第１の支持部材１０７に形成された凹部１０７ａの頂点に交差するように構成されることは言うまでも無い。勿論、はじめから支持部材１０７〜１０９を一つの部材で構成するようにしても良い。そして、支持部材１０７〜１０９を一つの部材で構成し、この一つの部材の上面に第１〜第３のＶ溝をそれらが一点で交差するように形成すると、図４（ｂ）に示されたものと同じ機能を持つクランプ装置を提供できることは言うまでも無い。いずれにしても、これらの構成によるクランプ装置は、第１〜第３のクランプ１０〜１２がそれぞれ、図４（ａ）や図４（ｂ）に示したものと同じ機能を持ちながら、下部側と上部側とがリジッド化された構成となることにより、水平方向あるいは下方向の加速度が働いても互いの位置のずれを無くすことが可能となる。
【００２６】
一方、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示される３組のクランプ１０〜１２を用いてチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置を構成する場合、各組の下部部材１１１〜１１３をそれぞれＺ軸駆動機構で独立して上下方向に駆動可能に構成すれば良い。
【００２７】
Ｚ軸駆動機構には、例えば図２に示すようないわゆるスライドウェッジ方式のものを使用することができる。図２は、第１のクランプ１０にＺ軸駆動機構４０を適用した場合について示しているが、第２、第３のクランプ１１、１２のいずれにおいてもまったく同じものが使用される。
【００２８】
図２において、Ｚ軸駆動機構４０は、ベース部材５０上において水平方向にスライド可能にされて上面側に傾斜面を持つ水平移動ブロック６１と、この水平移動ブロック６１の傾斜面に対応する傾斜面を下面側に有して水平移動ブロック６１の水平移動により上下動可能にされた垂直移動ブロック６２と、水平移動ブロック６１を移動させるための駆動源として作用するモータ６３と、水平移動ブロック６１に対して水平方向に押し付け力を作用させるエアシリンダ６４とを含む。
【００２９】
水平移動ブロック６１は、ベース部材５０上に設けられた少なくとも１本の水平方向のガイド部材５０−１をスライド可能なスライド部材６１−１を下面側に有する。水平移動ブロック６１はまた、傾斜面に少なくとも１本のガイド部材６１−２が設けられている。一方、垂直移動ブロック６２の傾斜面には、ガイド部材６１−２をスライド可能なスライド部材６２−１が設けられている。ベース部材５０上にはまた、垂直移動ブロック６２の背面に対応して上方に延びるようにブロック体５０−２が設けられてこのブロック体５０−２における垂直移動ブロック６２側には上下方向に延在する上下方向のガイド部材５０−３が設けられている。そして、垂直移動ブロック６２の背面にはガイド部材５０−３をスライド可能なスライド部材６２−２が設けられている。モータ６３の出力軸と水平移動ブロック６１との間には、出力軸の回転運動を水平方向の運動に変換するためのボールねじ機構６５が設けられている。
【００３０】
以上のような構造により、モータ６３が一方向に回転するとこれが水平方向の運動に変換されて水平移動ブロック６１が図２中右方向に水平移動し、その結果、垂直移動ブロック６２は上方に移動する。一方、モータ６３が反対方向に回転するとこれが水平方向の運動に変換されて水平移動ブロック６１が図２中左方向に水平移動し、その結果、垂直移動ブロック６２は下方に移動する。
【００３１】
なお、エアシリンダ６４を使用するのは、以下の理由による。上部部材１１０及び場合によってはこれに載せられるワーク、その他の荷重により垂直移動ブロック６２には垂直方向の力が作用し、水平移動ブロック６１にはその水平方向成分が作用する。この水平方向成分をモータ６３の出力だけでカバーするには高出力のモータが要求されるので、上記水平方向成分をエアシリンダ６４の出力軸６４−１を水平移動ブロック６１を当接させて受けることでモータ６３の出力を小さくできるようにしている。
【００３２】
いずれにしても、上記のような構造のＺ軸駆動機構４０、７０、８０を組み合わされた３組のクランプ１０〜１２が図３に示すようにベース部材５０上に配置される。勿論、この場合にも第２のクランプ１１においては第２の支持部材１０８に形成されたＶ溝１０８ａの延長線が、第１のクランプ１０における第１の支持部材１０７に形成された凹部１０７ａの頂点に交差するように構成されることは言うまでも無い。一方、Ｚ軸駆動位置決め装置を図４（ｂ）に示すタイプにする場合には、３組のクランプのすべてを図1（ｂ）に示されるＶ溝１０８ａを持つものとし、各クランプを独立して上述したＺ軸駆動機構により駆動するように構成される。勿論、この場合にも３組のクランプは３つのＶ溝の延長線が一点で交差するように配置される。いずれにしても、３組のクランプ１０〜１２における上部部材１１０は同一部材であり、３組のクランプ１０〜１２の上下方向の移動量を同じにすれば並進動作となり、移動量に差を持たせることでチルト動作となる。
【００３３】
以上のようにして、キネマティッククランプ（いわゆるケルビンクランプ）をリジッド化し、Ｚ軸方向の並進及びチルト動作を可能とすると共に水平方向あるいは下方向の加速度が働いても位置のずれを無くすことのできるチルト機能付きＺ軸駆動位置決め装置を提供できる。上述したＺ軸駆動機構は一例にすぎず、スライドウェッジ方式のものに限らず、単なるエアシリンダあるいはボールねじ等の周知の駆動機構で実現されても良い。
【００３４】
また、場合によっては上部側と下部側の位置関係を上下逆にするような構造にしても良い。
【００３５】
なお、上記のような３軸による鉛直方向駆動位置決め装置をＸ−ＹステージのＸ軸テーブルあるいはＹ軸テーブルに設けることでＸ−Ｙ−Ｚの３軸方向に移動可能なステージ装置を構成することができる。この場合、ベース部材５０がＸ軸テーブルあるいはＹ軸テーブルとなる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、キネマティッククランプ、いわゆるケルビンクランプにおける上部側と下部側とをリジッド化し、Ｚ軸方向の並進及びチルト動作を可能とすると共に水平方向あるいは下方向の加速度が働いても位置のずれを無くすことのできるクランプ装置を提供することができる。
【００３７】
本発明によればまた、上記の効果を持つクランプ装置を備えたチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるクランプ装置を構成する３組のクランプを説明するための断面図である。
【図２】図１の各組のクランプにＺ軸駆動機構を組み合わせて鉛直方向駆動位置決め装置を構成する場合の構造を１つのクランプについて示した側面図である。
【図３】図２に示されたクランプとＺ軸駆動機構の組合わせを用いて鉛直方向駆動位置決め装置を構成する場合の各組の配置図を示した平面図である。
【図４】従来のケルビンクランプの２つの例を説明するための図である。
【図５】従来のケルビンクランプにおいて支持部材の熱膨張に基づくずれを吸収する作用を説明するための図である。
【図６】従来のケルビンクランプにおいて水平方向の加速度、下方向の加速度が加わった場合の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
１０、１１、１２第１、第２、第３のクランプ
１３〜１５球
１６〜１８クランプ軸
１６−１、１７−１、１８−１受け部
１６−２、１７−２、１８−２軸部
４０、７０、８０Ｚ軸駆動機構
５０ベース部材
５０−１、５０−３、６１−２ガイド部材
６１水平移動部材
６２垂直移動部材
６１−１、６２−１、６２−２スライド部材
６３モータ
６４エアシリンダ
６５ボールねじ機構
１０１、１０２、１０３皿ばね
１０４〜１０６ホルダ
１０７、１０８、１０９第１、第２、第３の支持部材
１１０上部材
１１１、１１２、１１３下部材

Claims

支持部材上に置かれるボールと、該ボールの受け部を下部に有し該受け部を前記ボールの上部に当接させたクランプ軸との組合わせを複数組備え、前記クランプ軸は前記受け部とそこから上方に延びる軸部とから成り、前記支持部材側には前記軸部を揺動可能に上方に突出させた状態で前記ボールと前記クランプ軸との組合わせを保持するためのホルダを固定し、前記受け部と前記ホルダとの間には該受け部を下方に付勢するためのばね部材を介在させたことを特徴とするクランプ装置。
請求項１に記載のクランプ装置において、前記ボールと前記クランプ軸との組合わせが３組であり、第１の組の第１のボールは第１の支持部材に設けられた角錐または円錐による凹部に収容され、第２の組の第２のボールは第２の支持部材にあらかじめ決められた方向に延在するように設けられたＶ溝に収容され、第３の組の第３のボールは第３の支持部材の平面上に置かれることを特徴とするクランプ装置。
請求項１に記載のクランプ装置において、前記ボールと前記クランプ軸との組合わせが３組であり、第１の組の第１のボールは第１の支持部材に設けられた第１のＶ溝に収容され、第２の組の第２のボールは第２の支持部材に設けられた第２のＶ溝に収容され、第３の組の第３のボールは第３の支持部材に設けられた第３のＶ溝に収容され、前記第１〜第３の支持部材は前記第１〜第３のＶ溝の延長線が一点で交差するように構成されることを特徴とするクランプ装置。
請求項２または３に記載のクランプ装置において、前記第１〜第３の組の軸部をそれぞれ同じ上部部材に取り付けると共に、前記第１〜第３の支持部材をそれぞれ独立して上下動可能に構成することにより、前記上部部材を上下方向動作及びチルト動作可能にしたことを特徴とするクランプ装置。
請求項２または３に記載のクランプ装置において、前記第１〜第３の組の軸部をそれぞれ同じ上部部材に取り付けると共に、前記第１〜第３の支持部材を１つの共通の支持部材で構成したことを特徴とするクランプ装置。
請求項４に記載のクランプ装置を備えたチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置であって、前記第１〜第３の支持部材を上下動させる第１〜第３の駆動機構をベース部材上に備えたことを特徴とするチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置。
請求項６に記載のチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置において、前記第１〜第３の駆動機構としてスライドウェッジ機構を備えることを特徴とするチルト機能付き鉛直方向駆動位置決め装置。