(57)【要約】【課題】圧電素子を用いて動作対象物を３次元的に微少動作させる装置に関し、少ない本数の圧電素子で被動作物の３次元動作を実現でき、動作反力で圧電素子を破損するおそれがなく、誤差の原因となる遊隙や摺動部を有しない３次元微少動作機構を提供する。【解決手段】放射状に配置された３本以上の支持脚５で基台２に支持された受台４を備えている。各支持脚５は、それぞれの圧電素子３で当該それぞれの圧電素子の軸方向に押動される受動部材１２を備え、各受動部材は基台２より放射方向外側に位置している。各受動部材１２と基台２とは、放射方向に間隔を隔てて配置した軸方向に撓む平行板バネ群２０で一体に連結され、各受動部材１２と受台４とは、放射方向及び接線方向に撓む撓み部材２１で一体に連結されている。３次元方向に動作して微細作業を行なうフィンガ、ニードル、フォークなどの被動作物１は、受台４に固定して装着される。【選択図】　　　図１
2004025360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射状に配置された３本以上の支持脚（５）で基台（２）に支持された受台（４）を備え、各支持脚はそれぞれの圧電素子（３）で軸方向に押動される受動部材（１２）を備え、各受動部材は基台（２）より放射方向外側に位置し、各受動部材と基台（２）とは放射方向に間隔を隔てて配置した軸方向に撓む平行板バネ群（２０）で一体に連結され、各受動部材と受台（４）とは放射方向及び接線方向に撓む撓み部材（２１）で一体に連結されており、前記受台に被動作物（１）が固定される、微細作業用３次元動作機構。
【請求項２】
前記撓み部材が直列に連結された放射方向に撓む板バネ（３７）と接線方向に撓む板バネ（３８，３９）とを含む板バネ群（２１）で形成されている、請求項１記載の３次元動作機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、精密位置決めや微細加工に用いる微少動作装置に関するもので、圧電素子を用いて動作対象物を３次元的に微少動作させる装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子を駆動源とする３次元微少動作機構として、特開平６−１７０７６１号公報に開示されたものがある。この公報記載のものは、フィンガ等の被動作物を固定する受台と基台とを両端をピボット結合した６本の圧電素子で連結し、これら６本の圧電素子にそれぞれ異なる動作電圧を加えることによって、被動作物の３次元動作を実現している。
【０００３】
圧電素子は、電圧制御によって微少な変形量を制御できるため、微少動作を正確に制御することが可能であるが、動作反力が圧電素子に曲げ応力や引張応力として作用すると、圧電素子を破損するおそれがあるので、動作反力が圧電素子の軸方向に圧縮力として作用するように配慮する必要がある。また、被動作物に所望の動作をさせるのに要する圧電素子の数は、少なければ少ないほどよく、駆動制御系も簡略化されて、装置全体を安価にできる。また、圧電素子の軸方向の伸縮動作を被動作物の自由な３次元動作に変換するための機構は、できるだけ単純でかつ誤差の原因となるような遊隙を有しない構造とすることが必要である。従って、例えば軸と孔による枢着構造や球体と凹球面によるピボット構造を用いると、それらの摺動面に不可避的に存在する遊隙が誤差の原因となる。微少動作装置では、被動作物の所望の動作自体が非常に小さいので、これらの遊隙による誤差がたとえ小さくても、本来の動作量に対する誤差量の割合は非常に大きくなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記のような種々の制約条件の中で圧電素子を駆動源として被動作物に３次元的な微少動作を行わせる動作機構を得ることを課題としており、少ない本数の圧電素子で被動作物の３次元動作を実現でき、動作反力で圧電素子を破損するおそれがなく、かつ動作機構を構成する部材相互の間に誤差の原因となる遊隙や摺動部を有していない３次元微少動作機構を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の請求項１の発明に係る微細作業用３次元動作機構は、放射状に配置された３本以上の支持脚５で基台２に支持された受台４を備えている。各支持脚５は、それぞれの圧電素子３で当該それぞれの圧電素子の軸方向に押動される受動部材１２を備え、各受動部材は基台２より放射方向外側に位置している。各受動部材１２と基台２とは、放射方向に間隔を隔てて配置した軸方向に撓む平行板バネ群２０で一体に連結され、各受動部材１２と受台４とは、放射方向及び接線方向に撓む撓み部材２１で一体に連結されている。３次元方向に動作して微細作業を行なうフィンガ、ニードル、フォークなどの被動作物１は、受台４に固定して装着される。
【０００６】
平行板バネ群２０は、好ましくは、放射方向に間隔を隔てて配置した板バネと、圧電素子３の押動位置を挟んで対称に配置した板バネとを含む、３枚以上の板バネによって形成される。
【０００７】
請求項２の発明は、上記微細作業用３次元動作機構の撓み部材２１が、直列に連結された放射方向に撓む板バネ３７と接線方向に撓む板バネ３８、３９とを含む板バネ群で形成されている３次元動作機構である。
【０００８】
受台４は、放射方向に配置した３本以上の支持脚５で支持されており、その支持脚のそれぞれが圧電素子３で軸方向に個別駆動されている。従って、３本の圧電素子３の印加電圧を個別に制御することにより、受台４の自由な方向への傾斜移動が可能であり、これによって受台４に固定されたフィンガや工具の先端を軸直角方向の２次元面内で自由に揺動させることができる。そして、３本以上の圧電素子に同電圧を加えることによって、受台４の軸方向移動が可能であり、これらの組み合わせによって受台４に固定したフィンガや工具やワークの先端を３次元的に任意に運動させることができる。
【０００９】
基台２と各支持脚の受動部材１２とを連結する平行板バネ群２０は、平行リンク機構を構成しており、圧電素子３で受動部材１２が押動されたとき、受動部材１２は主として軸方向に移動し、圧電素子に曲げ力を作用させない。圧電素子３の移動ストロークは、最大でも数十ミクロン程度であり、平行板バネ群２０の延在方向を放射方向ないし軸方向に傾斜した放射方向とすることにより、受動部材１２が軸方向に移動した際の放射方向移動量を十分に小さくすることができ、この微少な放射方向移動は、圧電素子と受動部材とを固定する繋ぎ部材２３、２４や接着剤層の剪断変形によって吸収できる。従って、受動部材１２を押動駆動する圧電素子の両端を接着剤等によって受動部材１２と基台２とに固定することができ、受動部材１２と圧電素子３との間に摺動部やピン結合部部などの誤差が入り込むおそれのある連結構造を介在させない構造とすることができる。
【００１０】
受動部材１２と受台４とは、撓み部材（実施例の複合板バネ群）２１で一体的に連結されており、この受動部材１２と受台４との間にも摺動部やピン結合部などの不可避的な遊隙を有する連結構造を有していないので、受動部材１２の動きが正確に受台４に固定したフィンガ１や工具などに伝達される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示す実施例を参照して、この発明を更に説明する。図１は、この発明の構造でニードルフィンガ１を支持した例を示しており、各部の詳細が図１ないし６に示されている。
【００１２】
図中２は基台で、この基台は、微小物品を搬送ないし操作するハンドリング装置のアーム先端や移動台、あるいは微細加工機械のテーブルや加工ヘッドなどに取付られる部材である。３は互いに平行に配置した３本の圧電素子、４は動作対象物を取付ける受台、５は各圧電素子３の軸方向（伸縮方向）延長上に位置して基台２と受台４とを連結している支持脚であり、被動作物であるニードルフィンガ１は、受台４に固定されている。基台２はコラム６の両端に基フランジ７と先フランジ８とを一体に備えた構造で、円周を３等分する位置に３本の圧電素子３が、その基端を基フランジ７に固定して、コラム６と平行に装着されている。以下、この明細書ではコラム６の中心軸方向を軸方向、この中心軸を中心として広がる方向を放射方向、中心軸の軸直角平面内で放射方向と直交する方向を接線方向という（図４参照）。
【００１３】
各圧電素子には、変位をフィードバックするための歪ゲージ９が貼着されている。先フランジ８には、圧電素子３の延長部分に放射方向の切欠１０が設けられている。
【００１４】
各支持脚５は、図５ないし６に示すように、基台２に固定される基板１１と、この基板に斜め放射方向の平行板バネ群２０で一体に連結した受動部材１２と、この受動部材１２に第１及び第２繋ぎ板２３、２４を介在させた複合板バネ群２１で一体に連結した台ブラケット１３とを備えている。基板１１は、ボルト２６で前記基台の先フランジ８に固定されており、圧電素子３の延長上部分には、先フランジ８に設けたと同様な放射方向の切欠１４が設けられている。
【００１５】
圧電素子３は、両端に取付ブロック２８、２９が接着剤により固定され、基端の取付ブロック２８はボルト３１で基フランジ７に固定されている。先端の取付ブロック２９は、ねじブロック３２を介して植込みねじ３３で受動部材１２に固定されている。ねじブロック３２には、これを回動させるための十字孔３４が設けられている。
【００１６】
基板１１と受動部材１２とを連結する平行板バネ群２０は、互いに平行な４枚の帯板バネ３６からなる。各帯板バネは、両端を基板１１及び受動部材１２に斜めに削り出した溝に両端を嵌め込んで接着されている。４枚の帯板バネは、放射方向に間隔を隔てて外側と内側とに平行に配置されると共に、圧電素子３の連結部を挟んで接線方向に対称に配置されている。各帯板バネ３６の撓み方向は、軸方向ないし放射方向内側に傾いた軸方向である。
【００１７】
この４枚の帯板バネ３６は、放射方向外側と内側のものが平行リンク機構を構成しており、圧電素子３で受動部材１２が軸方向に押動されたとき、内側と外側の帯板バネ３６が同じ形状で撓んで受動部材１２を平行移動させる。帯板バネ３６の延在方向が正確に放射方向であれば、この軸方向移動のときに受動部材１２は放射方向には変位しないが、図示実施例に示すように、帯板バネ３６が傾斜しているときは、受動部材１２は軸方向移動に伴って放射方向にも移動する。この放射方向移動は、前述したように圧電素子３と取付ブロック２８、２９との間の接着剤層やねじブロック３２の剪断変形によって吸収できる大きさとすることができる。すなわち、帯板バネ３６の方向を放射方向に近付けることにより、受動部材１２の軸方向移動に伴う放射方向移動を無視できる程度に小さくすることができる。
【００１８】
受動部材１２と複合板バネ群の第１繋ぎ板２３とは、面を接線方向にして放射方向に間隔を隔てて設けた２枚の短板バネ３８によって連結されている。第１繋ぎ板２３と第２繋ぎ板２４とは、面を斜め放射方向にした互いに平行な４枚の帯板バネ３７で連結されている。第２繋ぎ板２４と台ブラケット１３とは、面を接線方向にして放射方向に間隔を隔てて設けた２枚の短板バネ３９で連結されている。これらの板バネ３７、３８、３９の両端は、受動部材１２と第１繋ぎ板２３、第１繋ぎ板２３と第２繋ぎ板２４、第２繋ぎ板２４と台ブラケット１３に削り出された溝に両端を嵌め込んで接着してある。なお、第１繋ぎ板２３と第２繋ぎ板２４を連結する４枚の帯板バネ３７の配置は、前記平行板バネ群２０の帯板バネ３６の配置と略同一で、その傾斜方向が反対である。
【００１９】
この板バネ３７、３８、３９を介した連結により、受動部材１２の軸方向移動が台ブラケット１３に伝達される一方、台ブラケット１３の各方向の傾きが複合板バネ群２１で吸収される。
【００２０】
上記した構造の支持脚５の３本が、基台２の中心軸を中心とする円周を３等分する位置に、受動部材１２が基板１１より放射方向外側に位置するようにして配置されている。そして、３本の支持脚の３個の台ブラケット１３に１個の受台４がねじ４１によって固定されている。受台４には適宜な固定構造により、フィンガ、工具、ワークなどの被動作物が固定される。図１に示した例では、尖った先端を有するニードルフィンガ１が受台と一体の固定ブラケット４０に螺合した固定ねじ４１で固定されている。
【００２１】
上記構造において、基台２の中心軸回りの円周を３等分する位置に配置した３本の圧電素子３に等しい電圧を印可することにより、ニードルフィンガ１の先端を軸方向に進退させることができる。そして、１個の圧電素子にのみ高い電圧を印加すると、ニードルフィンガ１の先端は、放射方向反対側に振れ、この放射方向の振れ動作は、３本の圧電素子３に印可する電圧を制御することにより、その振れ方向と振れ量とを制御できる。従って、上記動作の組み合わせにより、ニードルフィンガ１の先端を３次元的に動作させることができる。
【００２２】
そして、圧電素子３に固定された受動部材１２が平行リンク機構を構成する平行板バネ群２０で支持されているため、圧電素子３に曲げ応力や大きな剪断応力を作用させない。そして、受動部材１２と圧電素子３及び基台２と受台４とは、摺動部やピン連結部が存在しない接着ないしねじ締結構造により連結されているので、微少運動の誤差となる遊隙が存在せず、従って圧電素子３の制御により、受台４に装着したフィンガ、工具、ワークなどの被動作物を所望の３次元空間内で正確に運動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の全体構成を示す斜視図
【図２】図１の装置の縦断面図
【図３】図１の装置の支持構造部の縦断面図
【図４】図２の支持構造部の正面図
【図５】１本の支持脚を示す側面図
【図６】１本の支持脚を示す平面図
【符号の説明】
１　ニードルフィンガ
２　基台
３　圧電素子
４　受台
５　支持脚
１２　受動部材
２０　平行板バネ群
２１　複合板バネ群
３７　帯板バネ
３８　短板バネ
３９　短板バネ
【図１】
2004025360.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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