JP4757912B2 - 一体型接合部を備えた位置決め装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、とくに、ミリメートル未満の範囲の位置決め精度を有する位置決め装置に関するものである。

ミリメートル未満の範囲の位置決め精度を有する位置決め装置は、研究分野または産業界において多方面の用途で使われている。高精度な位置決めを実現するために、可能な限り機械部品を少なくし、また機械的なガイド部および係合部近辺において、表面性状が優れた装置を使用する必要がある。移動経路の再現性および拡張性をできる限り高めると共に、振動に対する感応性の低さ、実用的に構造が頑健でコンパクト、といった特性も極めて重要な役割を果たす。さらに、位置決め装置の操作性は、例えば低温、超高真空、高電界、あるいは高磁界といった極限条件下において維持されるべきものである。

位置決め装置は、種々の構造が知られている。高い位置決め精度を可能とし、基本的に極限条件下での使用に適した構造で周知のタイプのものは“イナーシアモータ”を使用する。そのイナーシアモータは、滑動・粘着ドライブとしても知られている。その滑動・粘着ドライブは、機械的な摩擦クラッチの原理に基づいている。摩擦クラッチは、摩擦によって係合するクラッチ間の第一の相対移動方向における静止摩擦の範囲内で動作し、また、相対的移動方向とは反対方向における滑り摩擦の範囲内で動作する。その結果、二つのクラッチの間で直進運動が生じる。その直進運動の方向および変化量は、滑動・粘着ドライブのアクチュエータの適切な駆動を通じて設定することが可能である。

通常、滑動・粘着ドライブは、デリケートで衝撃による破損が生じやすい。特に、アクチュエータは、圧電素子によって設計されることが多いが、他の方法によっても破損し、ダメージを受ける。所望の用途において位置決め装置を組み立てる際に、あるいは、輸送中に、例えば位置決め装置を地面に落とすといった不適切な取り扱いによって衝撃の影響が発生することが経験的に知られている。

本発明の目的は、衝撃および振動に対して感応性が低い位置決め装置を提供することにある。

本発明の目的は、請求項１に記載の特徴によって実現される。本発明の有利な構造および展開は、従属項において特定される。

請求項１に記載されるように、本発明に係る位置決め装置は、第１部材と、前記第１部材に対して移動可能な第２部材とを備える。さらに、前記位置決め装置は、前記２つの部材間に直動移動をもたらすために、前記第１部材と前記第２部材との間において動作する滑動・粘着ドライブを備える。前記滑動・粘着ドライブの直動シャフトは、一体型接合部によって回転移動および／もしくは側方移動を防ぐように機械的に保護されており、前記一体型接合部は、前記第１部材と前記滑動・粘着ドライブとに結合している。

本発明に係る前記一体型接合部は、衝撃または振動によって前記直動シャフトの回転移動および／もしくは側方移動が生じるような場合に、その衝撃および振動を吸収する。その結果、とくに前記直動シャフトに対して動作するアクチュエータを保護する。アクチュエータは、前記滑動・粘着ドライブにおいて機械的に最も弱い部材であって、それが破損から保護される。

本発明の特に好ましい構造に基づいて、前記一体型接合部は、前記滑動・粘着ドライブの前記直動シャフトに対して垂直に延びる平らで一体型の帯鋼である。一体型接合部が平らで一体型の帯鋼の形状であることによって、前記直動シャフトは、回転移動および側方移動の両方が起きないように保護される。

本発明の有利な構造に基づいて、前記滑動・粘着ドライブのアクチュエータは、前記一体型接合部にしっかりと結合され、前記一体型接合部は、前記直動シャフトにしっかりと結合されている。この場合、前記アクチュエータおよび前記直動シャフトは、共に前記一体型接合部に直接固定されている。

あるいは、前記直動シャフトは、自己支持型構造が有利である。つまり、前記直動シャフトは、軸受および止め具を使うことなく保持される。その結果、前記滑動・粘着ドライブの運転性能は改善し、その適用分野は拡大する。一般的に、軸受あるいは／もしくは取付箇所の数を最小にすると前記滑動・粘着ドライブの運転性能が良くなることが知られている。そのことは、特に極限条件下（例えば、幅広い温度域における用途）においても当てはまる。

さらに他の実施例において、前記滑動・粘着ドライブの前記直動シャフトは、前記滑動・粘着ドライブのアクチュエータと前記一体型接合部とに取り付けられている。例えば、前記直動シャフトの一端は前記アクチュエータにしっかりと結合され、前記直動シャフトの他端は前記一体型接合部にしっかりと結合されうる。この場合においても、前記直動シャフトに軸受箇所および止め具箇所を設けない方が好ましい。

本発明のさらなる構造は、前記滑動・粘着ドライブの前記直動シャフトが少なくとも２つの一体型接合部に結合されているという事実によって特徴付けられる。この場合、前記滑動・粘着ドライブの前記アクチュエータは一方の一体型接合部にしっかりと結合され、もう一方の一体型接合部は前記直動シャフトにしっかりと結合される。上述した理由により、直動シャフトは、（上記止め具箇所を除き）軸受および止め具を使うことがない（つまり、自己支持型構造である）方が有利である。

本発明の特に有利な構造は、前記滑動・粘着ドライブが、圧電素子によって実現したアクチュエータを有するという事実によって特徴付けられる。圧電素子は、特に変位量の少ない（ミリメートル未満の範囲の）位置決め装置に好適であり、とくに前記一体型接合部あるいは結合部による保護を受けることで利点を得る。圧電素子は、ねじれやせん断力を受けたときに容易に破損しうるためである。

本発明に係る位置決め装置の好適な具現化は、前記第１部材が、２つの脚部と、前記脚部とに結合する底部と、を有するＵ字型で構成され、１つの一体型接合部、若しくは複数の一体型接合部が前記筐体の脚部の間を伸長しているという事実によって特徴付けられる。この場合、前記滑動・粘着ドライブの前記アクチュエータは、便宜上、前記筐体の前記底部に固定されうる。このように本発明に係る位置決め装置を具現化することにより、前記位置決め装置は頑健な構造をもたらし、前記構造は実用的な用途に好適である。このことは、特に極限条件下において当てはまる。

以下、典型的な実施例により、および、図面を参照することによって本発明を詳細に説明する。図面は以下のとおりである。

図１は、一体型接合部と共に直動運動をもたらす、本発明に係る滑動・粘着ドライブ位置決め装置の部品を示す斜視図である。

図２は、図１に示す位置決め装置の滑動・粘着ドライブ機構を実現する３つの部品の概略部分断面図である。

図３は、組み立てられた状態における図２に示す部品群の図である。

図４は、２つの一体型接合部を備えた本発明に係る滑動・粘着ドライブ位置決め装置の筐体の斜視図である。

図５は、図４に示す筐体の平面図である。

図６は、図２〜図５に示す部品群よりなる本発明に係る滑動・粘着ドライブ位置決め装置の平面図である。

図１に示す位置決め装置１は、Ｕ字型の筐体１と、圧電素子２と、直動シャフト３と、支持体４と、靴状に設計された支持体対向部５と、を備える。筐体１は、側面部１．１と、側面部１．１の端部において、側面部１．１に対して垂直に配置された２つの脚部１．２、１．３と、からなる。脚部１．２、１．３の端部の間に伸長しているのが“一体型接合部”１２である。なお、一体型接合部１２については図４から図６との関係で後ほど詳述する。（図１には不図示であるが）組み立てられた状態において、直動シャフト３は、脚部１．２、１．３と平行に、かつその中央において延びている。側面部の側にある直動シャフト３の端面３．１は、例えば接着結合によって圧電素子２の端面と結合している。一方、圧電素子２の反対側の端面２．１は、例えば同様に接着結合によって側面部１．１の内側表面の中央部に取り付けられている。直動シャフト３の反対側の端面３．２は、例えば接着結合によって、一体型接合部１２の接触面としっかりと結合している。

支持体４は、斜面領域４．１、４．２を有する２つの滑り突起部をその下面に備えている。斜面領域４．１、４．２は、例えば互いに９０°となるよう位置合わせされており、そのことは図２にも示されている。支持体対向部５は滑り溝５．１を備え、その横軸寸法Ａは、上記２つの滑り突起部の横軸寸法に本質的に相当する。そして、その底部領域には、同様に２つの斜面領域５．２、５．３が互いに９０°となるよう位置合わせされている。組み立てられた状態において、直動シャフト３は、支持体４と支持体対向部５との間に位置しており、外周面は、斜面領域４．１、４．２、５．２、および５．３に接触している。

図３に示すように、支持体４および支持体対向部５は、圧縮機構を介して互いに結合している。上記圧縮機構は、らせん状のばね９を含む。ばね９は、支持体対向部５の内部の止め孔７に挿入されている。基部において止め孔７と隣り合うのは、より径の小さい貫通孔１０である。貫通孔１０は、組み立てられた状態において、支持体４の内部のねじ孔６と並んでいる。らせん状のばね９がネジ１１のネジ頭を支持し、ネジ１１は、らせん状のばね９および貫通孔１０の内部を通り、その端部がねじ孔６の中にねじ込まれている。この圧縮機構によって、支持体４と支持体対向部５とが正確に決められた圧力によって互いに拘束し合うという効果を得ることが可能である。その圧力によって上記の摩擦による係合の強さが決まり、斜面領域４．１、４．２、５．２、および５．３が、直動シャフト３の外周面上で動作する。なお、図３には直動シャフト３は記載されていない。直動シャフト３、支持体４、および支持体対向部５からなる構造によって滑動・粘着ドライブが実現される。

支持体４および支持体対向部５から直動シャフト３に対して確実に所定圧力を印加するために、支持体４および支持体対向部５は、らせん状のばね７を介して得られる力のみによって互いに結合していることを担保する必要がある。つまり、これら部品間で力の逃げ路があってはならない。図３に示されるように、支持体４と支持体対向部５との隙間寸法は、例えばＢ１＝０．５ｍｍ、Ｂ２＝０．４ｍｍ、Ｂ３＝０．２ｍｍ、およびＢ４＝０．２ｍｍである。

図４から図６は、本発明に係る位置決め装置を示す。その位置決め装置は、図１から図３を参照して説明した位置決め装置に対して、筐体１’がさらに一体型接合部１３を備える点でのみ相違する。

一体型接合部１２、１３は、筐体１’における２つの脚部１．２および１．３の間に伸長している。一体型接合部１２、１３を含む筐体１’は、例えば機械加工によって全体が１つの部品で製造されていることが好ましい。つまり、一体型接合部１２、１３は、側面部１．１および脚部１．２、１．３と同様の材質（例えばチタン）で製造されていることが好ましい。一体型接合部１２、１３は薄い帯鋼の形状によって具現され、それぞれ横方向に延びる薄片部１２．１および１３．１を有する。筐体１’の脚部１．２、１．３と一体型接合部１２、１３との間の遷移領域は、それぞれ薄片部１２．１、１３．１によって具現されていることが好ましく、平面状の中央接触面領域１２．２、１３．２は、薄片部１２．１、１３．１の間によって規定されることが好ましい。

図６に示すように、圧電素子２は、一体型接合部１３と側面部１．１との間に位置しているのが好ましく、その１つの端面２．１が、例えば接着剤によって側面部１．１にしっかりと結合し、他の端面が、例えば同様に接着剤によって一体型接合部１３の内側の中央域１３．２の背面側にしっかりと結合している。直動シャフト３は、１つの端面が、例えば接着剤によって一体型接合部１３の内側にしっかりと結合し、他の端面が、例えば接着剤によって、境界となる一体型接合部１２の中央域１２．２にしっかりと結合している。すべてが自己支持型構造となっている。つまり、一体型接合部１２、１３は、直動シャフト３、支持体４、および支持体対向部５からなる滑動・粘着機構に対して結合点を成すのみである。力の逃げ路をなくすための隙間Ｄは、例えば０．２ｍｍである。

直動シャフト３の外周形状は正方形である必要はなく、他の多角形であっても、あるいは環状であってもよい。しかしながら、表面性状（平坦性）が優れていることから、多角形、とくに正方形の外周形状が、環状形状よりも実質的に優れた機能性を有することが知られている。

図４から図６によって示される装置は多くの点で相違する。単純化された第１の構造では、一体型接合部１３が省かれている。この場合、すでに図１で例示したが、直動シャフト３は、その端面３．１が圧電素子２に（例えば接着剤によって）しっかりと結合され、他の端面３．２は、一体型接合部１２にしっかりと接触している。

また、一体型接合部１３ではなく一体型接合部１２を省くことも可能である。この場合（単純化された第２の構造）、圧電素子２は、上述した側面部１．１と一体型接合部１３との間における接着のように、所定の場所において接着される。一体型接合部１３は、（例えば、同様に接着剤によって）直動シャフト３を支持し、このようにして滑動・粘着機構３、４、５全体が支持される。

上述したすべての種類の構造に共通する特徴として、以下の点が挙げられる。つまり、滑動・粘着機構３、４、５は、上記の固着点（一体型接合部１２および／もしくは一体型接合部１３、圧電素子２）を除き、さらに別の固着点もしくは軸受点を必要としない、という点である。本実施の形態では止め具部材もしくは軸受部材を必要としないため、位置決め装置の移動経路の正確性および再現性は、特に幅広い温度域における用途において、決定的に改善されている。

すべての種類の構造に共通する特徴として、以下の点が挙げられる。つまり、それらの構造において、一体型接合部１２、１３および圧電素子２は、機械的ダメージ（破損）から保護される、という点である。これは、一体型接合部１３が存在することにより、ねじれるように印加される横力、あるいは直動シャフト３に対して印加される横力が一体型接合部１３によって吸収され、それにより、その力が圧電素子２に伝達されず、あるいは力が弱められて圧電素子２に伝達される。同様に、直動シャフト３は、一体型接合部１２によって外反屈あるいはねじれなどから保護される。したがって、一体型接合部１３が存在しない場合でも、衝撃時あるいは振動時において、圧電素子２には比較的低度の低いねじれ、若しくはせん断力が付加されるのみである。

本発明に係る直動滑動・粘着位置決め装置の動作を、以下簡単に説明する。通常、筐体１、１’は固定されている。一方、支持体４は、滑動・粘着ドライブ２、３、４、５によって、筐体１、１’に対して直動シャフト３の軸方向（矢印Ｐ）に移動可能である。穏やかに上昇し瞬時に下降する鋸波状の電圧を印加することにより、圧電素子２は徐々に延び、そして瞬時に収縮する。その結果、直動シャフト３は、遊離端の方向に徐々に移動し、側面部１．１の方向に瞬時に収縮する。徐々に移動する間に、直動シャフト３と斜面領域４．１、４．２、５．２、および５．３との間に静止摩擦が発生する。一方、瞬時に移動する間に、支持体４および支持体対向部５の慣性によって滑り摩擦が発生する。このような圧電素子２の電気的動作により、支持体４は支持体対向部５と共に側面部１．１から遠ざかる方向に移動する。（急激な上昇、穏やかな下降という）性質の異なる鋸波状の電圧を用いることにより、支持体４の移動は、支持体対向部５と共に反対方向に影響を受ける。滑動・粘着ドライブ２、３、４、５の変化量は印加電圧のレベルによって制御でき、それは、例えば１０ｎｍ〜１μｍである。

２つの一体型接合部１２、１３を備えた本発明に係る筐体１’の寸法の緒元は、図５の例で示される。例えば筐体１’は正方形であり、外形がＣ１＝Ｃ３＝２４ｍｍである。さらに、次のような寸法にすることができる。Ｃ２＝２０ｍｍ、Ｃ４＝１８ｍｍ、Ｃ５＝１２ｍｍ、Ｃ６＝５．６ｍｍ、そしてＣ７＝３ｍｍである。直動シャフト３の直動的な動きによる一体型接合部１２、１３の最大変位は約１０μｍの範囲内である。これは、Ｃ２が、一体型接合部１２、１３に要求される直動変位量より３桁以上大きいという本質的な事実に基づくものである。弾力性のあるダイアフラムのような一体型接合部１２、１３の（僅かな）変位は、おもに結合点１２．１、１３．１において行われる。

一体型接合部と共に直動運動をもたらす、本発明に係る滑動・粘着ドライブ位置決め装置の部品を示す斜視図である。 図１に示す位置決め装置の滑動・粘着ドライブ機構を実現する３つの部品の概略部分断面図である。 組み立てられた状態における図２に示す部品群の図である。 ２つの一体型接合部を備えた本発明に係る滑動・粘着ドライブ位置決め装置の筐体の斜視図である。 図４に示す筐体の平面図である。 図２〜図５に示す部品群よりなる本発明に係る滑動・粘着ドライブ位置決め装置の平面図である。

Claims (10)

1. 位置決め装置であって、
   第１部材（１、１’）と、
   前記第１部材に対して移動可能な第２部材（４，５）と、
   前記第１部材と前記第２部材との間において動作し、前記第１部材（１、１’）と前記第２部材（４，５）との間に直動移動を生じさせる滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）と、
   前記第１部材（１、１’）と前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）とに結合され、前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）の直動シャフト（３）を機械的に保護し、前記直動シャフト（３）の回転移動および／もしくは側方移動を防ぐ一体型接合部（１２、１３）と、を備え、
   前記直動シャフト（３）および前記第２部材（４，５）は、前記一体型接合部（１２、１３）および前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）のアクチュエータ（２）を除き、さらなる固着点もしくは軸受点を必要としないことを特徴とする位置決め装置。
2. 前記一体型接合部（１２、１３）は、前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）の前記直動シャフト（３）に対して垂直に延びる平らで一体型の帯鋼であることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記平らで一体型の帯鋼は、薄片部（１２．１、１３．１）を有することを特徴とする請求項２に記載の位置決め装置。
4. 前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）のアクチュエータ（２）は、前記一体型接合部（１３）にしっかりと結合され、前記一体型接合部（１３）は、前記直動シャフト（１３）にしっかりと結合されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の位置決め装置。
5. 前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）の前記直動シャフト（３）は、前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）のアクチュエータ（２）と前記一体型接合部（１２）とに取り付けられることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の位置決め装置。
6. 前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）の前記直動シャフト（３）は、少なくとも２つの一体型接合部（１２、１３）に取り付けられることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の位置決め装置。
7. 前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）のアクチュエータ（２）は、その一面が、前記第１部材（１、１’）にしっかりと結合され、もう一方の面が、前記一体型接合部（１３）あるいは前記直動シャフト（３）のどちらか一方にしっかりと結合されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の位置決め装置。
8. 前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）は、圧電素子（２）として実現されるアクチュエータを有することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の位置決め装置。
9. 前記第１部材（１、１’）は、２つの脚部（１．２、１．３）と、前記脚部（１．２、１．３）とに結合する底部（１．１）と、を有するＵ字型で構成され、
   前記一体型接合部（１２；１３）、若しくは複数の前記一体型接合部（１２、１３）が前記筐体の２つの脚部（１．２、１．３）の間に伸長していることを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の位置決め装置。
10. 前記滑動・粘着ドライブ（２、３、４、５）の前記アクチュエータ（２）は、筐体（１’）の前記底部（１．１）に固定されていることを特徴とする請求項９に記載の位置決め装置。

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