JP6300963B2 - 精密位置評定駆動側の仮締付装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ・ナノ操作、マイクロ・ナノ測定及びマイクロ・ナノ製造などの技術における仮締付装置に関し、特に精密位置評定駆動側の仮締付装置に関する。

精密位置評定プラットフォームは、マイクロ・ナノ操作、マイクロ・ナノ測定及びマイクロ・ナノ製造などの技術におけるキーポイントであり、精密又は超精密加工、精密操作、精密測定及び微小電気機械システムなど関連分野において重要な役割を果たす。作動装置は、駆動原理により、機械式と電気機械式とに分けられ、後者がまた圧電駆動型、熱駆動型、静電駆動型、電磁駆動型、磁歪型及びボイスコイルモータなどに分けられる。圧電セラミック作動装置は、サブナノメートルレベルの解析度、ミリ秒レベルの応答速度、大きい駆動力、線形運動範囲及び剛性などを有し、内蔵のＳＧＳ（Ｓｔｒａｉｎ Ｇａｕｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）センサによる駆動側の閉じループ制御システム構成が可能であり、更に自身のヒステリシス特性の克服により、高精度且つ相対的に安定する出力が実現し、精密位置評定における理想的な作動装置である。

特許文献１において、ねじを締め付けて下へ捻り込ませることにより、動的ウェッジを押下し、更に静的ウェッジをプッシュして圧電セラミック作動装置の仮締付をする。特許文献２において、ねじを下へ捻り込ませることにより、動的ウェッジを押下し、更に静的ウェッジをプッシュして圧電セラミック作動装置の仮締付をする。特許文献３及び特許文献４において、マイクロメータを介して、縦方向に移動するウェッジを精密にプッシュし、更に横方向に移動するウェッジをプッシュして圧電セラミックの仮締付をする。特許文献５において、スクリュー調節棒を回転させることにより駆動ウェッジをプッシュして運動させ、更にそれに接触する従動ウェッジをプッシュして運動させることにより、積層型圧電セラミック作動装置の仮締付をする。以上のウェッジ又はウェッジに基づいて改良した各種類の仮締付方式は、共通問題として、仮締付量の値と仮締付精度と自己固定性との検出ができないことである。実際に使用する場合、特に作動装置が長期にわたって高周波運動をすると、仮締付量の変化が生じ、更に当該駆動方向における精密位置評定プラットフォームの実際入力変位値に影響を与える。しかも、一対のウェッジが斜面接触であり、斜面により仮締付力が伝達されるため、平面精度である確実な加工精度保証ができず、仮締付力の作用位置確定ができず、更に等価仮締付力の作用線が作動装置の中軸線に沿うことの保証ができず、即ち横方向の力及び曲げモーメントが生じる。

特許文献６及び特許文献７において、締付ねじを後退方向へ回転させるとき、締付ねじの先端を徐々に固定ブロックに近づかせることにより、固定ブロックを締め付けるが、両者の対向力により、圧電セラミックを機体の溝側壁にしっかりと締め付け、締付効果を達成する。当該特許は、横方向の力の回避ができるものの、回転時に生じるトルクの除去ができず、何らかの理由により生じる仮締付量のマイクロ・ナノレベルの変化について、測定又はフィードバック補償ができず、実際に使用する際に、特に作動装置が長期にわたって高周波運動をする際の仮締付精度及び安定性の保証ができない。

中国特許出願公開第１４１６３１４号明細書 中国特許出願公開第１０２６１９８２１号明細書 中国実用新案第２０２８８４４０５号明細書 中国特許出願公開第１０２９５４３２３号明細書 中国特許出願公開第１０３６７１３７４号明細書 中国実用新案第２０３４７６９３８号明細書 中国特許出願公開第１０３４１０８１７号明細書

本発明の目的は、上記の従来技術の欠点及び不備を克服し、精密位置評定において駆動側の高精度、高正確性、高安定性、長期間で高周波の変位出力要求を満たす、精密位置評定駆動側の仮締付装置を提供することである。

本発明は、以下の技術手段により実現される。

精密位置評定駆動側の仮締付装置は、位置評定プラットフォーム６と、作動装置１４と、静電容量センサ４と、静電容量センサブラケット３と、仮締付ブロック１２と、フィルム感圧センサ１３と、を含む。

前記位置評定プラットフォーム６の中央部には、前記仮締付ブロック１２、フィルム感圧センサ１３及び作動装置１４が順に収納される摺動溝が開けられている。

前記静電容量センサブラケット３は、中部が仮締付ブロック１２に対向するように位置評定プラットフォーム６に固定され、当該静電容量センサブラケット３の軸線が摺動溝の軸方向に直交する。

前記静電容量センサブラケット３のブラケット本体の一方側には、軸方向に沿って、フレキシブルなヒンジで順に連結する３本の連結棒３−１が設けられている。当該３本の連結棒３−１の真ん中の連結棒は、静電容量センサ４を固定するためのものである。静電容量センサ４は、静電容量センサブラケット３上のボルト４−１により締め付けられ又は固定される。静電容量センサ４の端面は、仮締付ブロック１２の上面とは離間して平行する。

前記静電容量センサブラケット３のブラケット本体の他方側の中央部には、３本の連結棒３−１の真ん中の連結棒に当接する２つのマイクロメータ５が設けられている。当該２つのマイクロメータ５の尺度を変更させることにより、静電容量センサ４と仮締付ブロック１２との初期ギャップ及び平行度合いを変更させる。

前記位置評定プラットフォーム６には、作動装置１４の仮締付を行うための２段仮締付装置が更に設けられている。

前記２段仮締付装置は、作動装置１４及び仮締付ブロック１２とは同一軸線に位置すると共に、順に当接する第１ボール１１、プライマリ締付ねじ１０、第２ボール９、セカンダリ締付ねじ８を含む。

前記仮締付ブロック１２と第１ボール１１との接触部位は、面接触であり、プライマリ締付ねじ１０と第１ボール１１との接触部位は、点接触である。

前記プライマリ締付ねじ１０と第２ボール９との接触部位は、点接触である。

前記仮締付ブロック１２と第１ボール１１との接触部位は、第１ボール１１の周面に対応する半球形状ピットを仮締付ブロック１２に設置することによる面接触である。

前記セカンダリ締付ねじ８と第２ボール９との接触部位は、第２ボール９の周面に対応する半球形状ピットをセカンダリ締付ねじ８に設置することによる面接触である。

仮締付ブロック１２の上部には、反射鏡１が設置された反射鏡ホルダ２が取り付けられる。

本発明は、従来技術に比較し、以下の利点を有する。

１）２段仮締付装置で作動装置１４（圧電セラミック作動装置）の仮締付をするため、作動装置１４の長期の高周波運動による仮締付量のサブミクロンレベル以上の変化がないことが確保され、作動装置出力変位の精度、正確性及び安定性が向上する。

２）２段仮締付装置において、第１、第２ボール（スチールボール）により、締付中ボールの面接触（ボール先端が接触する）又は点接触を実現し、仮締付力の作用点及び作用方向を確定しやすく、仮締付精度を保証し、仮締付中に横方向の力及び曲げモーメントの発生を回避し、同時にボールねじ（プライマリボールねじ１０又はセカンダリボールねじ８）の回転によるトルク及び横方向の力を除去し、耐えられるトルクが極めて限定される圧電セラミック類の精密位置評定用作動装置を保護する。

３）静電容量センサ４で仮締付ブロック１２の変位、即ち仮締付の量をリアルタイムに読み取って制御システム（図示せず）にフィードバックし、仮締付完成後の仮締付量の変化をリアルタイムに補償することにより、対応機構の入力側の入力変位の安定を確保する。仮締付量の変化値が作動装置の余剰提供可能伸張量を超えると、制御システムが稼動停止して自動的に警報をする。

４）プライマリボールねじ１０又はセカンダリボールねじ８の入力側には、スクリュードライバ調整用の矩形切欠がある。矩形切欠は、スクリュードライバで仮締付量の粗調整をし、特別設計の仮締付量精密調整棒のハンドル（構造は図６を参照する）で仮締付量の精密調整をするものであり、簡単、便利でしかも実施しやすい効果を有する。

５）フィルム感圧センサ１３で仮締付力の大きさを測定し、作動装置１４の全稼働中の出力力の値を測定してコントローラにフィードバックし、更に、作動装置１４の出力変位、当該方向における位置評定プラットフォーム６の入力変位と共に、作動装置１４の動的剛性及び当該方向における位置評定プラットフォーム６の入力剛性を算出する。

６）２つのマイクロメータ５（又は細めねじ）で、フレキシブルなヒンジで構成したセンサブラケット３のブラケット本体の他方側の中間連結棒３−１をプッシュして、静電容量センサ４と仮締付ブロック１２との距離を精密に初期化し、両者の平行度合いを精密に調整する。ゲージ又はノギスで検出することができ、静電容量センサ４のレンジ及び測定精度の調整が容易に行われる。

７）反射鏡１が仮締付ブロック１２に取り付けられ、双周波数レーザ干渉計（図示せず）で仮締付ブロック１２の変位を測定して静電容量センサ４の校正又はキャリブレーションをし、又は単独で仮締付量のモニタリングを遂行することにより、仮締付ブロック１２の正確な変位値を取得する。同時に、仮締付ブロック１２の回転による静電容量センサ４の直線変位測定精度への影響を測定してモニタリングすることができる。

８）細めねじであるボールねじ（プライマリボールねじ１０又はセカンダリボールねじ８）が採用されることで、より小さいピッチのボールねじの自主加工も可能であり、締付精度がより高くなり、安定性が優れる。

９）全ての構成部品の同時使用が必要ではない。仮締付ブロック１２、１つのボール及び１段ボールねじのみを使用して仮締付を遂行することができ、他の部品により付加機能を提供し、且つ相互に独立する。従って、実際の必要に応じて対応する構成部品を選択して使用することができるため、自由度が高い。

１０）仮締付ブロック１２と順に当接する第１ボール１１、プライマリボールねじ１０、第２ボール９、セカンダリボールねじ８が同一軸線上にあるため、精密位置評定、精密又は超精密加工、精密操作、精密測定及び微小電気機械システムなど関連分野における精密位置評定駆動側の仮締付装置に対する要求を満たす。

以上の記載をまとめると、本装置は、技術手段が簡単であり容易に実施可能であり、従来技術に比較して突出した実質的な特徴及び顕著な進歩を有する。

図１は、本発明の外観構造図である。 図２は、本発明の縦断面構造図である。 図３は、図１における仮締付ブロックの構造図である。 図４は、図１における静電容量センサブラケットの構造図である。 図５は、図１における静電容量センサ及び静電容量センサブラケットの組み合わせを示す。 図６は、特別構造の仮締付量精密調節ハンドルの構造図である。

以下、具体的な実施形態を参照して本発明を更に詳細に記載する。

実施形態
図１〜６に示すように、本発明の精密位置評定駆動側の仮締付装置は、位置評定プラットフォーム６と、作動装置１４と、静電容量センサ４と、静電容量センサブラケット３と、仮締付ブロック１２と、フィルム感圧センサ１３と、を含む。

前記位置評定プラットフォーム６の中央部には、前記仮締付ブロック１２、フィルム感圧センサ１３及び作動装置１４が順に収納される摺動溝が開けられている。位置評定プラットフォーム６の底部には、ワッシャー７が設けられている。

前記静電容量センサブラケット３は、中部が仮締付ブロック１２に対向するように位置評定プラットフォーム６に固定されている。当該静電容量センサブラケット３の軸線が、摺動溝の軸方向に直交する。

前記静電容量センサブラケット３のブラケット本体の一方側には、軸方向に沿って、フレキシブルなヒンジで順に連結する３本の連結棒３−１が設けられている。当該３本の連結棒３−１の真ん中の連結棒は、静電容量センサ４を固定するためのものである。静電容量センサ４は、静電容量センサブラケット３上のボルト４−１により締め付けられ又は固定される。静電容量センサ４の端面は、仮締付ブロック１２の上面とは離間して平行する。同時に、当該仮締付ブロック１２の側面は、平滑で清潔である。

前記静電容量センサブラケット３のブラケット本体の他方側の中央部には、３本の連結棒３−１の真ん中の連結棒に当接する２つのマイクロメータ５が設けられている。当該２つのマイクロメータ５の尺度を変更させることにより、静電容量センサ４と仮締付ブロック１２との初期ギャップ及び平行度合いを変更させる。静電容量センサブラケット３のフレキシブルなヒンジにより変形が伝達され、２つのマイクロメータ５により静電容量センサ４と仮締付ブロック１２との初期距離を調整し、両者の平行度合いを精密に調整する。

上述のように、フィルム感圧センサ１３は、仮締付ブロック１２と作動装置１４との間に位置し、駆動方向に沿う作用力の大きさを読み取る。

前記位置評定プラットフォーム６には、作動装置１４の仮締付を行うための２段仮締付装置が更に設けられている。

前記２段仮締付装置は、作動装置１４及び仮締付ブロック１２とは同一軸線に位置すると共に、順に当接する第１ボール１１、プライマリ締付ねじ１０、第２ボール９、セカンダリ締付ねじ８を含む。

前記仮締付ブロック１２と第１ボール１１との接触部位は、面接触であり、プライマリ締付ねじ１０と第１ボール１１との接触部位は、点接触である。

前記プライマリ締付ねじ１０と第２ボール９との接触部位は、点接触である。

前記仮締付ブロック１２と第１ボール１１との接触部位は、第１ボール１１の周面に対応する半球形状ピット１２−２を仮締付ブロック１２に設置することによる面接触である。

前記セカンダリ締付ねじ８と第２ボール９との接触部位は、第２ボール９の周面に対応する半球形状ピットをセカンダリ締付ねじ８に設置することによる面接触である。

仮締付ブロック１２の上部には、反射鏡１が設置された反射鏡ホルダ２が取り付けられる。反射鏡１により仮締付ブロック１２の変位を測定する。市販の例えば双周波数レーザ干渉計ＸＬ−８０は、精度が１ｎｍに達することができ、仮締付量のナノレベルの変化をモニタリングしてフィードバックすることができる。

スクリュードライバでプライマリ締付ねじ１０を捻り込むと、第１ボール１１及び仮締付ブロック１２をプッシュして前進させる。これは、粗調整段階である。

仮締付ブロック１２の変位、即ち仮締付量は、静電容量センサ４、レーザ干渉計（図示せず）によりリアルタイムで読み取られる。仮締付量が所定値近くに達すると、スクリュードライバのかわりに、図６に示す特別設計の仮締付量精密調節用ハンドルでプライマリ締付ねじ１０を捻り込む。これは、精密調整段階である。スクリュードライバでセカンダリ締付ねじ８を捻り込むと、プライマリ締付ねじ１０をロックするようにセカンダリ締付ねじ９をプッシュする。

以上のように、本発明は、好適に実現される。

本発明の実施方式は、上述の実施形態による限定を受けない。本発明の実質精神及び原理を逸脱することなく成し遂げた変更、修飾、代替、組み合わせ、簡単化は、いずれも等価の置換方式であり、いずれも本発明の保護範囲内に含まれる。

（付記）
（付記１）
位置評定プラットフォームと、作動装置と、静電容量センサと、静電容量センサブラケットと、仮締付ブロックと、フィルム感圧センサと、を含む精密位置評定駆動側の仮締付装置において、
前記位置評定プラットフォームの中央部には、前記仮締付ブロック、前記フィルム感圧センサ及び前記作動装置が順に収納される摺動溝が開けられており、
前記静電容量センサブラケットは、中部が前記仮締付ブロックに対向するように前記位置評定プラットフォームに固定され、当該静電容量センサブラケットの軸線が前記摺動溝の軸方向に直交し、
前記静電容量センサブラケットのブラケット本体の一方側には、軸方向に沿って、フレキシブルなヒンジで順に連結する３本の連結棒が設けられており、当該３本の連結棒の真ん中の連結棒が静電容量センサを固定するためのものであり、前記静電容量センサは、前記静電容量センサブラケット上のボルトにより締め付けられ又は固定され、前記静電容量センサの端面は、前記仮締付ブロックの上面とは離間して平行し、
前記静電容量センサブラケットのブラケット本体の他方側の中央部には、前記３本の連結棒の真ん中の連結棒に当接する２つのマイクロメータが設けられており、当該２つのマイクロメータの尺度を変更させることにより、前記静電容量センサと前記仮締付ブロックとの初期ギャップ及び平行度合いを変更させ、
前記位置評定プラットフォームには、前記作動装置の仮締付を行うための２段仮締付装置が更に設けられている、
ことを特徴とする精密位置評定駆動側の仮締付装置。

（付記２）
前記２段仮締付装置は、前記仮締付ブロックとは同一軸線に位置すると共に、順に当接する第１ボール、プライマリ締付ねじ、第２ボール、セカンダリ締付ねじを含み、
前記仮締付ブロックと前記第１ボールとの接触部位は、面接触であり、前記プライマリ締付ねじと前記第１ボールとの接触部位は、点接触であり、
前記プライマリ締付ねじと前記第２ボールとの接触部位は、点接触である、
ことを特徴とする付記１に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。

（付記３）
前記仮締付ブロックと前記第１ボールとの接触部位は、前記第１ボールの周面に対応する半球形状ピットを前記仮締付ブロックに設置することによる面接触である、
ことを特徴とする付記２に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。

（付記４）
前記セカンダリ締付ねじと前記第２ボールとの接触部位は、前記第２ボールの周面に対応する半球形状ピットを前記セカンダリ締付ねじに設置することによる面接触である、
ことを特徴とする付記２に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。

（付記５）
前記仮締付ブロックの上部には、反射鏡が設置された反射鏡ホルダが取り付けられる、
ことを特徴とする付記２に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。

Claims (5)

1. 位置評定プラットフォームと、作動装置と、静電容量センサと、静電容量センサブラケットと、仮締付ブロックと、フィルム感圧センサと、を含む精密位置評定駆動側の仮締付装置において、
   前記位置評定プラットフォームの中央部には、前記仮締付ブロック、前記フィルム感圧センサ及び前記作動装置が順に収納される摺動溝が開けられており、
   前記静電容量センサブラケットは、中部が前記仮締付ブロックに対向するように前記位置評定プラットフォームに固定され、当該静電容量センサブラケットの軸線が前記摺動溝の軸方向に直交し、
   前記静電容量センサブラケットのブラケット本体の一方側には、軸方向に沿って、フレキシブルなヒンジで順に連結する３本の連結棒が設けられており、当該３本の連結棒の真ん中の連結棒が静電容量センサを固定するためのものであり、前記静電容量センサは、前記静電容量センサブラケット上のボルトにより締め付けられ又は固定され、前記静電容量センサの端面は、前記仮締付ブロックの上面とは離間して平行し、
   前記静電容量センサブラケットのブラケット本体の他方側の中央部には、前記３本の連結棒の真ん中の連結棒に当接する２つのマイクロメータが設けられており、当該２つのマイクロメータの尺度を変更させることにより、前記静電容量センサと前記仮締付ブロックとの初期ギャップ及び平行度合いを変更させ、
   前記位置評定プラットフォームには、前記作動装置の仮締付を行うための２段仮締付装置が更に設けられている、
   ことを特徴とする精密位置評定駆動側の仮締付装置。
2. 前記２段仮締付装置は、前記仮締付ブロックとは同一軸線に位置すると共に、順に当接する第１ボール、プライマリ締付ねじ、第２ボール、セカンダリ締付ねじを含み、
   前記仮締付ブロックと前記第１ボールとの接触部位は、面接触であり、前記プライマリ締付ねじと前記第１ボールとの接触部位は、点接触であり、
   前記プライマリ締付ねじと前記第２ボールとの接触部位は、点接触である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。
3. 前記仮締付ブロックと前記第１ボールとの接触部位は、前記第１ボールの周面に対応する半球形状ピットを前記仮締付ブロックに設置することによる面接触である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。
4. 前記セカンダリ締付ねじと前記第２ボールとの接触部位は、前記第２ボールの周面に対応する半球形状ピットを前記セカンダリ締付ねじに設置することによる面接触である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。
5. 前記仮締付ブロックの上部には、反射鏡が設置された反射鏡ホルダが取り付けられる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の精密位置評定駆動側の仮締付装置。

Images