(57)【要約】【課題】小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージを提供する。【解決手段】ステージ、支柱、台座を一体に成形し、ステージ中央に設けた角柱形状の支柱側面に対して、ステージ表面に平行となる横方向の角溝を形成すると共に、当該支柱の周囲に設けた各アクチュエータから出力される縦方向の伸縮力によって当該ステージの表面を傾ける構造を用いることで、小型、高耐久でありながら高負荷条件下に於いて高精度な動作が可能な精密傾斜ステージを得ることができる。【選択図】  図１
2017116514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージ中央部に設けた支柱の側面に横方向の角溝を切り欠いた精密傾斜ステージ。
【請求項２】
前記角溝を異なる高さに直交して設けた、請求項１記載の精密傾斜ステージ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はステージを支柱により支持し、当該支柱を別途設けた駆動部材によって屈曲させる精密傾斜ステージに関する。
【０００２】
現在、３次元測定等の精密測定分野に於いては被測定物を載せたステージ側を傾斜させる構造が用いられており、測定の自由度増加や測定精度の向上といった効果を付与している。当該構造の多くはヒンジを備えた支柱に圧電素子等の伸縮する駆動部材を組み合わせて構成されており、従来技術のうち代表的なものとして特開平０５−３０４３２３（以下特許文献１として記載）及び特開平０９−２８５１４６（以下特許文献２として記載）がそれぞれ出願、公開されている。
【０００３】
これら２件のうち、特許文献１記載の構造はステージ中央に支柱を設けた変位拡大機構をその技術的特徴としており、変位調整部の太さを変えることによって角度変位させる際の剛性値を選択可能にしている。また、特許文献２記載の構造では固定部とステージとを２軸方向に変形可能な円筒型圧電素子とヒンジ付剛性支柱部材とで連結した事で走査型プローブ顕微鏡での使用に際して信頼性の向上という効果を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０５−３０４３２３
【特許文献２】特開平０９−２８５１４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した効果を有している一方で近年、精密プレス等の分野に於いて、加圧対象に対し微細角度を付与した状態での加圧、成型が要求されている。この様な加工に用いる角度調整機構として用いる際に、特許文献１記載の変位拡大機構はその構造上、単独で３次元方向の角度調整を行うことができないという課題を有しており、支柱の構造についても図面に記載されたヒンジの形状から、当該加工に伴う耐久性及び加工精度を維持することが困難となっている。また、特許文献２記載の構造は剛性支柱材を複数設けている為、前記角度を保った状態での加工時に、特定の支柱に応力が集中し続けてしまうという課題を有しており、耐久性の向上と小型化とを同時に行うことができない。
【０００６】
上記課題に対して本願記載の発明では、小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージの提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的のために本願に於ける第１の態様は、ステージ中央部に設けた支柱の側面に横方向の角溝を切り欠いたことを特徴としている。より具体的には、前述した精密傾斜ステージの基本構造として、ステージ中央に設けた支柱側面にステージの変位方向に対して直交する溝を設け、当該溝の底面を対向する反対側の面と平行でかつ前記ステージ表面に垂直に形成した事をその技術的特徴としている。
【０００８】
更に、本願に於ける第２の態様では、前記角溝を異なる高さで直交して設けたことをその技術的特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージを提供することが可能となる。また、当該効果は前記角溝を切り欠いた構造によって付与される。より詳しくは、加工時の応力が集中するステージ中央の支柱に角溝を切り欠いたことで、表裏が平行な一対の壁面を形成し、当該壁面の伸縮によって高精度な傾き測定を行うと共に、５μｍ以下となる数μｍ単位での微細な傾きを維持しつつ、前記高負荷での加工を可能にしている。
【００１０】
即ち、本発明では前記角形の溝部をヒンジ部として機能させている。この為、圧電素子等のアクチュエータによってステージを傾けた際、厚さが均一となる板状のヒンジ部に溝方向に沿った曲げ応力が生じ、前記微細な傾きを高精度で維持することが可能となる。また、前記精密プレス等の加工に際し、前記板状のヒンジ部が荷重を受けることで、当該プレス加工によって支柱にかかる垂直方向の荷重は当該ヒンジ部全体に分散される。これにより、本発明記載の構造は当該荷重による応力の集中を抑えると共に、繰り返し応力を高負荷で加えられる前記加工に際しても、高い耐久性を維持することが可能となる。加えて、ステージ中央部に当該支柱を設けることで前記支柱に沿った垂直方向で作用する高負荷の繰り返し応力のうち、大部分を支柱単体が受け止める構造となり、補助的な支柱を設ける必要のない、小型の構造とすることができる。
【００１１】
更に、本発明では前記支柱にヒンジ部を設ける事で、平行壁面によって形成される板状のヒンジ部が均一に曲がる構造とすることができる。より具体的には、ＳＵＳ材等の剛性材料によって構成される支柱について、前記ヒンジ部を設けることで当該支柱の一部のみを変形可能な状態にすると共に、当該ヒンジ部を板状に構成する事で、アクチュエータによる曲げ応力を均一に作用させる事を可能にしている。これにより、本発明記載の精密傾斜ステージは支柱の曲げ応力を溝方向に揃え、前記傾けた際の変形方向を高い精度で維持することができる。
【００１２】
また、本発明では剛性材料によって支柱を構成することで、ステージの傾きに対して常にヒンジ部が変形する構造となっている。この為、前記一対の壁面に歪みゲージ等のセンサ素子をそれぞれ取り付けることで、前記一部のみ変形可能となったヒンジ部の変位出力により高い精度での傾き制御を可能にしている。加えて、当該センサ素子を各ヒンジ部に設けることでセンサを内蔵した構成となり、省スペース化という効果をも得ている。
【００１３】
また、本願第２の態様を用いることで本発明記載の精密傾斜ステージは、ＸＹ方向での傾きについて上記効果を付与することができる。即ち、本態様では前記ヒンジ部を直交して設けたことで、各ヒンジ部に於いて捻り方向の変形を抑えている。より具体的には、直交方向に各ヒンジ部を設けることで、それぞれの板状ヒンジ部が各ヒンジ部に対応して設けられたアクチュエータから相互に生じる応力は互いの変形方向と直交する。この為、本態様を用いることで回転方向の捻り応力を生じることなく、任意の方向へと前記ステージを傾斜させることが可能となる。尚、本発明記載の精密傾斜ステージは当該支柱を中央に設けている。この為、本態様を用いることで低下する支柱の剛性は、支柱のみの断面積拡大等によって容易に補うことができる。加えて、前記変形方向を揃えたことによってＸＹ方向の各ヒンジ部に設けたセンサは常に一方向の変位のみを検出する構造となり、当該軸の独立性向上による制御の簡易化という効果もまた、付与することができる。
【００１４】
以上述べたように、本願請求項記載の構造を用いることによって小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の最良の実施形態に於いて用いる精密傾斜ステージの全体斜視図
【図２】本発明の最良の実施形態に於いて用いる精密傾斜ステージの分解斜視図
【図３】本発明の最良の実施形態に於いて用いる精密傾斜ステージの動作説明図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図１、図２、及び図３を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。
【００１７】
図１に本実施形態に於いて用いる精密傾斜ステージの全体斜視図を、図２に同分解斜視図を、そして図３に図１の動作説明図を、それぞれ示す。尚、図２中の歪みゲージ、図１、図２及び図３に於けるアクチュエータ及び歪みゲージの配線並びに制御機構については、図中での記載を省略している。
【００１８】
図１及び図２から解るように、本実施形態ではステージ１、支柱Ｔ、台座ＢをＳＵＳ材にて一体に成形しており、ステージ中央に設けた角柱形状の支柱側面Ｈに対して、ステージ表面に平行となる横方向の角溝Ｄを２箇所ずつ、異なる高さに直交して形成している。また、本実施形態ではステージ表面Ｓを５０ｍｍ角の平面に構成しており、圧電素子２によって駆動される梃子型構造の変位拡大機構２から出力される縦方向の伸縮力によってステージ表面Ｓを傾ける構造となっている。尚、当該傾けた際の変位は溝部Ｄによって形成したヒンジ部Ｗに固着され、垂直方向の変位を計測する歪みゲージ４の測定値を元に制御される。この様な基本構造を用いたことで本実施形態記載の精密傾斜ステージは、ＸＹ軸での各可動範囲３μｍ、耐荷重５００Ｎでのステージ表面Ｓを用いた精密プレス加工が可能となった。
【００１９】
即ち、図３に示すように、本実施形態では前記角形の溝部Ｄを設けることで前記ヒンジ部Ｗのみの変形を可能にしている。この為、アクチュエータによってステージ表面Ｓを傾けた際、厚さ均一となる板状のヒンジ部Ｗに対し、溝方向ｄに並んだ曲げ応力Ｆが生じ、前記微細な傾きを高精度で維持することが可能となる。また、前記精密プレス加工に際し、前記板状のヒンジ部Ｗが荷重を受けることで、支柱にかかる垂直方向の荷重は当該ヒンジ部全体に分散される。ここで、本実施形態ではヒンジ部Ｗを角溝により構成したことで、丸溝により構成した際に生じる曲げ応力の偏りを防いでいる。この為、本発明記載の構造は当該荷重による応力の集中を抑えると共に、繰り返し応力を高負荷で加えられる前記加工に際しても、高い耐久性を維持することが可能となる。加えて、ステージ中央部にて当該支柱を一体化させたことで、前記支柱Ｔに沿った垂直方向で作用する高負荷の繰り返し応力のうち、大部分を支柱単体が受け止める構造となり、小型、高耐久での使用が可能な構造とすることができた。
【００２０】
更に、本実施形態では前記支柱に設けたヒンジ部Ｗに関し、平行壁面によって形成される板状のヒンジ部Ｗが均一に曲がる構造となっている。より具体的には、支柱Ｔに溝部Ｄを設けたことにより支柱の一部となるヒンジ部Ｗのみを変形可能な状態にすると共に、前記微細な傾きを加えた際、アクチュエータによる曲げ応力Ｆをヒンジ部Ｗに対して均一に作用させる事が可能となった。これに伴い、本実施形態の精密傾斜ステージは支柱の曲げ応力Ｆを溝方向ｄに揃え、前記応力下に於いても、傾けた変位を高い精度で維持することができる。また、前述した様に本実施形態ではＳＵＳ材によりステージ１に支柱Ｔと台座Ｂとを一体に形成したことで、ステージ１の傾きに対して常にヒンジ部Ｗが変形する構造となっている。この為、当該一対の壁面からなるヒンジ部Ｗに歪みゲージ４を取り付けることで、前記一部のみ変形可能となったヒンジ部Ｗの変位出力による高い精度での傾き制御が可能となった。加えて、歪みゲージ４を各ヒンジ部Ｄに設けたことでセンサを内蔵した構成となり、全体的な省スペース化という効果をも得ている。
【００２１】
また、本実施形態記載の精密傾斜ステージでは、ＸＹ方向での傾きについて上記効果を付与している。即ち、前記溝部Ｄを直交して設けたことで、それぞれの溝部Ｄにより形成されたヒンジ部Ｗが各アクチュエータから受ける応力Ｆは、互いの変形方向に対して直交する。この為、本実施形態記載の支柱はヒンジ部Ｗについて回転方向の捻り応力を生じることなく、任意の方向へとステージ１を傾斜させることが可能となる。尚、本実施形態では当該支柱Ｔをステージ中央に設けている。この為、更なる高負荷での使用が必要とされた際には、支柱Ｔの断面積拡大等によって容易に耐荷重性を向上することができる。加えて、前記変形方向を揃えたことによってＸＹ方向の各溝部に設けた歪みゲージ４は常に一方向の変位のみを検出する構造となり、当該軸の独立性向上による制御の簡易化が可能となった。
【００２２】
以上述べたように、本願実施形態記載の構造を用いることによって、小型、高耐荷重でありながら高負荷時に際しても高精度での稼働が可能な精密傾斜ステージを提供することができた。
【符号の説明】
【００２３】
１  ステージ
２  変位拡大機構
３  圧電素子
４  歪みゲージ
Ｂ  台座
Ｈ  支柱壁面
Ｔ  支柱
Ｓ  ステージ表面
Ｄ  溝部
ｄ  溝方向
Ｗ  ヒンジ部
Ｆ  曲げ応力
【図１】
2017116514.tif 000003
【図２】
2017116514.tif 000004
【図３】
2017116514.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月11日(2016.7.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ステージ中央部に設けた支柱の側面に角部を直角に形成した横方向の角溝を切り欠き、センサ素子を設けた精密傾斜ステージ。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月19日(2016.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステージ中央部に直立して設けた支柱の側面に、角部を直角に形成した横方向の角溝を切り欠いて当該方向に対応した単一のヒンジを構成し、センサ素子を設けた精密傾斜ステージ。
【請求項２】
前記角溝を異なる高さに直交して設けた、請求項１記載の精密傾斜ステージ。