(57)【要約】【課題】パラレルリンク機構のテーブルの位置精度を向上する。【解決手段】パラレルリンク機構１は、ベース２と、ベース２に対して６自由度を有し、ベース２と対向して配置されるテーブル３と、一端がベース２に取り付けられ、他端がテーブル３に取り付けられる伸縮可能なロッド４を有する複数の連結部１０と、テーブル３の位置の算出に用いる複数のセンサ部１４とを備えている。センサ部１４は、一端がベース２に取り付けられ、他端がテーブル３に取り付けられるワイヤ１２と、ワイヤ１２の長さを計測するセンサ１３とを有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されるテーブルと、
一端が前記ベースに取り付けられ、他端が前記テーブルに取り付けられる伸縮可能なロッドを有する複数の連結部と、
前記テーブルの位置の算出に用いる複数のセンサ部と
を備えたパラレルリンク機構であって、
前記センサ部は、一端が前記ベースに取り付けられ、他端が前記テーブルに取り付けられるワイヤと、前記ワイヤの長さを計測するセンサとを有していることを特徴とするパラレルリンク機構。
【請求項２】
請求項１記載のパラレルリンク機構において、
前記ロッドの長さから定まる前記テーブルの位置に対して、前記センサ部の計測値から算出した前記テーブルの位置を比較するフィードバック制御を行うことを特徴とするパラレルリンク機構。
【請求項３】
請求項１または２記載のパラレルリンク機構において、
前記センサ部は、前記ベースに取り付けられたリニアエンコーダであり、
前記ワイヤは、前記リニアエンコーダから延出し、一端が前記テーブルに取り付けられていることを特徴とするパラレルリンク機構。
【請求項４】
請求項１、２または３記載のパラレルリンク機構を備えることを特徴とする駆動ステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パラレルリンク機構およびこれを備えた駆動ステージに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
６つのロッドがジョイントで接続されたリンク機構において、ジョイントで連結された閉リンクであるものは、６軸パラレルリンク機構と呼ばれている。特許第４５１９９４１号公報（特許文献１）には、６軸パラレルリンク機構に関する技術が記載されている。
【０００３】
また、特開平１０−１８０６７４号公報（特許文献２）には、６軸パラレルリンク機構のフィードバック制御に関する技術が記載されている。特許文献２のパラレルリンク機構は、センサにより検出されたエンドエフェクタの位置および姿勢が指令値に一致するようにアクチュエータ（ロッド）をフィードバック制御するものである。これにより、エンドエフェクタの位置および姿勢を精度よく制御することができるとされている（特許文献２の明細書段落［０１１０］）。
【０００４】
なお、特開平１１−１０５７５号公報（特許文献３）には、３軸パラレルリンク機構のフィードバック制御に関する技術が記載されている。特許文献３のパラレルリンク機構では、一端がエンドプレートの中央部に、他端がベースプレートの中央部に接続されたマストの軸方向移動量および二軸周りの傾動角度の検出値を取り込んだフィードバック制御が行われる。これにより、エンドエフェクタの位置精度を正確に制御することができるとされている（特許文献３の明細書段落［００１５］）。しかしながら、３軸パラレルリンク機構は、６軸パラレルリンク機構とは構成が異なるものであり、容易に６軸パラレルリンク機構に適用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４５１９９４１号公報
【特許文献２】特開平１０−１８０６７４号公報
【特許文献３】特開平１１−１０５７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは、直交座標系（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の３軸と、極座標系（θｘ、θｙ、θｚ）の３軸の計６軸において駆動するステージ（以下、６軸駆動ステージという。）にパラレルリンク機構の適用について検討している。この６軸駆動ステージは、例えば、顕微鏡ステージや、精密加工機などに応用することができる。
【０００７】
従来の６軸駆動ステージは、例えば、１軸駆動ステージを組み合わせたものであるため、サイズも大きく、またコストも高くなってしまう。これに対して、駆動機構としてパラレルリンク機構を適用することができれば、６軸駆動ステージをコンパクトで低価格で提供することができる。また、駆動ステージにパラレルリンク機構を適用することで、ステージを例えば１μｍ以下の高分解能、高精度で駆動できる微動ステージとすることもできる。
【０００８】
図１は、本発明者らが検討しているパラレルリンク機構１０１を模式的に示す側面図である。パラレルリンク機構１０１は、ベース２と、ベース２に対して６自由度を有し、ベース２と対向して配置されたテーブル３と、テーブル３とベース２とを連結する並列配置された複数の連結部１０とを備えている。なお、このパラレルリンク機構１０１を駆動ステージとして備えた場合、テーブル３がステージに対応するものとなる。
【０００９】
テーブル３が６自由度を有するように、連結部１０を６本配置している。パラレルリンク機構１０１では、ベース２およびテーブル３を１２０°毎に３分割した軸Ａ（１点鎖線）を対称に連結部１０が配置されている（図３参照）。
【００１０】
連結部１０は、一端がベース２に取り付けられ、他端がテーブル３に取り付けられる伸縮可能なロッド４を有している。すなわち、連結部１０は、伸縮可能なロッド４と、テーブル３に設けられ、ロッド４の一端が取り付けられる多自由度のジョイント５と、ベース２に設けられ、ロッド４の他端が取り付けられる多自由度のジョイント６とを含んでいる。ここで、ジョイント５は、テーブル３の側面に取り付けられている。また、ジョイント６は、ベース２から起立したブロックを介してベースに取り付けられている。
【００１１】
一方向に伸縮可能なロッド４としては、例えば、ボールネジ、リニアガイドおよびモータを有するアクチュエータ４（電動シリンダ）を用いることが考えられる。このアクチュエータ４は、ボールネジを用いてモータの回転を直線運動に変換するものである。アクチュエータ４の制御は、パラレルリンク機構１０１あるいはパラレルリンク機構１０１を備えた筐体に設けられた演算処理装置で行うことができる。図１には、演算処理装置７がベース２下面に設けられた場合を示している。
【００１２】
また、ジョイント５、６としては、例えば、鋼球を球面で保持し、多自由度で可動できる球面軸受を用いることが考えられる。球面軸受を用いた場合、アクチュエータ４の両端に鋼球が連結され、この鋼球を包み込むようにレース（受け部）が成形されている。
【００１３】
このような構成のパラレルリンク機構１０１では、６本の連結部１０によってテーブル３の位置（傾きを含めた姿勢）を定めることができる。各連結部１０の長さ（アクチュエータ４の長さ）を伸縮させたとしても、アクチュエータ４の動作を停止させれば、テーブル３の位置を定めることができる。すなわち、パラレルリンク機構１０１は、６本のアクチュエータ４の長さを軸方向（一方向）に伸縮させる制御を行うことで、テーブル３の姿勢（位置）を自在に動かすことができるものである。これから、複数の連結部１０は、パラレルリンク機構１０１の駆動部として機能するものでもある。
【００１４】
しかしながら、本発明者らは、パラレルリンク機構１０１のテーブル３の位置が定まらないことを見出した。例えば、テーブル３に物体を搭載させて駆動させた場合、テーブル３に外部から加重が加わることになるので、その力が６本の各アクチュエータ４や、アクチュエータ４を連結する上下のジョイント５、６にかかることになる。このため、圧縮加重または引っ張り加重などの外因によってアクチュエータ４に変形（例えば、たわみ）またはジョイント５、６に変形（例えば、つぶれ）を発生させてしまう。したがって、ベース２とテーブル３とを連結する連結部１０が変形することによって、テーブル３の位置が定まらないものと考えられる。
【００１５】
また、アクチュエータ４のボールネジのバックラッシュにより、テーブル３の位置が定まらないことも考えられる。また、ジョイント５、６として用いる球面軸受には、鋼球とレースとの間にすきまがあるためガタが発生し、テーブル３の位置が定まらないことも考えられる。なお、アクチュエータ４として、バックラッシュを低減した高性能のものを用いたとしても、バックラッシュを完全に排除することはできないものと考えられる。また、球面軸受としてガタを低減した高性能のものを用いたとしても、ガタを完全に排除することはできないものと考えられる。
【００１６】
本発明の目的は、パラレルリンク機構のテーブルの位置精度を向上することができる技術を提供することにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。本発明の一実施形態におけるパラレルリンク機構は、ベースと、前記ベースに対して６自由度を有し、前記ベースと対向して配置されるテーブルと、一端が前記ベースに取り付けられ、他端が前記テーブルに取り付けられる伸縮可能なロッドを有する複数の連結部と、前記テーブルの位置の算出に用いる複数のセンサ部とを備えている。ここで、前記センサ部は、一端が前記テーブルに取り付けられ、他端が前記ベースに取り付けられるワイヤと、前記ワイヤの長さを計測するセンサとを有している。
【発明の効果】
【００１８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。パラレルリンク機構のテーブルの位置精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明者らが検討しているパラレルリンク機構を模式的に示す側面図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるパラレルリンク機構を模式的に示す側面図である。
【図３】図２に示すパラレルリンク機構を模式的に示す上面図である。
【図４】図２に示すパラレルリンク機構の制御系を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【００２１】
まず、本発明の実施形態におけるパラレルリンク機構１の構成について図面を参照して説明する。図２に、パラレルリンク機構１の側面を模式的に示し、図３にその上面を模式的に示す。このパラレルリンク機構１を駆動ステージとして備えた場合、テーブル３がステージに対応するものとなる。なお、パラレルリンク機構１の基本構成は、図１を参照して説明したパラレルリンク機構１０１と共通なので、それらについては同一の符号を付して説明を省略する。
【００２２】
パラレルリンク機構１は、基本構成の他に、テーブル３の位置を算出に用いる複数のセンサ部１４を備えている。パラレルリンク機構１は、６軸パラレルリンク機構であり、テーブル３の位置を算出するために、センサ部１４を６つ配置している。
【００２３】
本実施形態では、ベース２およびテーブル３を１２０°毎に３分割した軸Ｂ（２点鎖線）を対称にセンサ部１４が配置されている（図３参照）。また、６本の連結部１０のそれぞれに隣接して６つのセンサ部１４が配置されている。このため、連結部１０の伸縮量を、その連結部１０に対応するセンサ部１４で計測することとなる。言い換えると、センサ部１４は、ベース２とテーブル３との間の距離を所定の６箇所で計測するものでもある。パラレルリンク機構１では、このセンサ部１４の計測値を参照してテーブル３の位置を算出することができる。なお、センサ部１４の配置位置は、これに限るものではなく、テーブル３の位置を算出するための計測値を正確に得られる配置であれば良い。
【００２４】
６つのセンサ部１４はそれぞれ、一端がベース２に取り付けられ、他端がテーブル３に取り付けられるワイヤ１２と、ワイヤ１２の長さを計測するセンサ１３とを有している。ワイヤ１２の一端が、ベース２に固定されたセンサ１３を介してテーブル２に取り付けられている。ワイヤ１２の他端が、ワイヤ固定部１１で固定されてテーブル３の側面に取り付けられている。このワイヤ１２は、たるまない最低限のテンションがかけられて取り付けられている。
【００２５】
パラレルリンク機構１では、この６本のワイヤ１２の長さを計測し、これを参照してテーブル３の位置を算出することができる。前述したように、連結部１０の長さを制御することによって、テーブル３の位置を設定することができる。このテーブル３の位置は設定値となる。これに対して、センサ部１４の計測値から算出することによって実際のテーブル３の位置を把握することができる。このテーブル３の位置は実測値となる。
【００２６】
本実施形態では、ワイヤ１２の一端がベース２に取り付けられ、他端がテーブル３に取り付けられている。ワイヤ１２は柔軟性を有するものであるので、取り付けられたそれぞれの端部自体が多自由度を有する軸受として機能しているものと考えられる。このため、ジョイント５、６として用いる球面軸受のようなガタがない。
【００２７】
したがって、ワイヤ１２の長さを計測することで、テーブル３の位置を正確に算出することができる。また、連結部１０によって、ベース２に対してテーブル３の移動範囲が定まっているため、その範囲内では、ワイヤ１２に対する引っ張り加重も小さく、ワイヤ１２が伸びてしまう心配もない。
【００２８】
本実施形態におけるパラレルリンク機構１は、ベース２とテーブル３とを連結する連結部１０が外因により変形した場合であっても、ベース２とテーブル３とに連結されたワイヤ１２を有するセンサ部１４によって、実際のテーブル３の位置を把握することができる。また、実際のテーブル３の位置を把握することができれば、パラレルリンク機構１のテーブル３の位置を補正することができるので、テーブル３の位置精度を向上することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、ワイヤ１２およびセンサ１３として、ベース２に固定して取り付けられたワイヤ式のリニアエンコーダを用いている。このワイヤ式のリニアエンコーダは、ワイヤがドラムに巻かれており、ワイヤを引き出した時のドラムの回転量をロータリーエンコーダで検出し、ワイヤの引き出し量を計測するものである。
【００３０】
リニアエンコーダ（センサ１３）側をワイヤ１２の一端として、リニアエンコーダから延出したワイヤ１２の他端をテーブル３に取り付けている。ワイヤ式のリニアエンコーダは、ワイヤ１２を引っ張りながら巻き取る機構を有し、ワイヤ１２の長さを計測するセンサ１３を備えている。この巻き取る機構によって、ワイヤ１２には、たるまない最低限度のテンションがかかるようになっている。なお、巻き取る機構は、ワイヤ１２を巻き取ることの他に引き出すこともできる。
【００３１】
ワイヤ式のリニアエンコーダを用いることで、直接ワイヤ１２の長さ、すなわち、テーブル３に固定したワイヤ固定部１１からベース２に固定されたワイヤ式のリニアスケール（センサ１３）までの距離を正確に計測することができる。このように、ワイヤ１２の長さを正確に計測することは、パラレルリンク機構１のテーブル３の位置精度を向上する上で重要な要因である。
【００３２】
次に、パラレルリンク機構１の制御動作について図面を参照して説明する。図４にパラレルリンク機構１の制御動作の流れを示す。パラレルリンク機構１は、センサ部１４を備えることで、ロッド４（アクチュエータ４）の長さから定まるテーブル３の位置に対して、センサ部１４の計測値から算出したテーブル３の位置を比較するフィードバック制御を行うことができる。
【００３３】
まず、６軸のパラメータを入力としてテーブル３の位置指令（Ｓ１）を受けた演算処理装置７は、各アクチュエータ４の伸縮量（移動量）を算出する（Ｓ２）。６軸のパラメータからテーブル３の位置が定まるので、この位置となるように、アクチュエータ４の長さ（伸縮量）を算出する。
【００３４】
続いて、演算処理装置７は、算出された伸縮量を出力し、各アクチュエータ４を駆動する（Ｓ３）。アクチュエータ４の伸縮によって、テーブル３の姿勢が変化することになるが、この変化をワイヤ１２の長さをセンサ１３（リニアエンコーダ）で計測する。この計測値からテーブル３の位置を演算処理装置７によって取得する（Ｓ４）。
【００３５】
ここで、位置指令したテーブル３の位置と、実際のテーブル３の位置とを比較する（Ｓ５）。具体的には、位置指令した６軸の各パラメータと、実際のテーブル３の位置から算出した６軸の各パラメータとを比較する。指令した位置と、実際の位置とがずれていた場合には、指令した位置となるように、その差分だけテーブル３の位置を補正する。このようにして、アクチュエータ４の長さから定まるテーブル３の位置に対して、センサ部１４の計測値から算出したテーブル３の位置を比較するフィードバック制御を行う。
【００３６】
一般に、閉リンクの運動学は、反復処理（フィードバック制御）によって、解析できることが知られている。本実施形態では、センサ部１４を設け、ベース２とテーブル３と間の距離を６箇所計測することで、ベース２に対するテーブル３の正確な位置を演算により導くことができる。すなわち、センサ部１４を備えたパラレルリンク機構１では、テーブル３の位置精度を向上することができる。
【００３７】
なお、特許文献２の技術は、フィードバック制御用のセンサとして、アクチュエータと軸受のユニットの中に距離センサと角度センサを埋め込むものである。このため、センサの外部での誤差要因（例えば軸受の変形やガタ）については補正することができるものではない。これに対して、パラレルリンク機構１では、ロッド４やジョイント５、６の変形の影響を受けない別の構成であるセンサ部１４の計測値からテーブル３の座標を取得し、テーブル３の姿勢を補正することができるものである。したがって、本発明は、特許文献２の技術より、テーブル３の位置精度を向上することができるものである。
【００３８】
以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００３９】
例えば、前記実施形態では、パラレルリンク機構１のテーブル３の駆動部として、複数の連結部１０を構成するアクチュエータ（例えば、電動シリンダ）を適用した場合について説明したが、どのような駆動部であっても良い。駆動部とは別構成の複数のセンサ部１４を適用することで、パラレルリンク機構１のテーブル３の位置精度を向上することができるからである。
【符号の説明】
【００４０】
１、１０１  パラレルリンク機構（駆動ステージ）
２  ベース
３  テーブル（ステージ）
４  ロッド（アクチュエータ）
５、６  ジョイント
７  演算処理装置
１０  連結部
１１  ワイヤ固定部
１２  ワイヤ
１３  センサ（リニアエンコーダ）
１４  センサ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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