JP2004011826A

JP2004011826A - アクチュエータユニット

Info

Publication number: JP2004011826A
Application number: JP2002168144A
Authority: JP
Inventors: Takami Ozaki; 尾崎　孝美
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】固定子と可動子との相対変位を精密に測定することで、精密な位置決めが可能で、かつ安価に構成できるアクチュエータユニットを提供する。
【解決手段】このアクチュエータユニットは、固定子１と可動子２との相対変位を、接触式センサ３によって測定する。固定子１または可動子２の一方に電磁石等のアクチュエータ４を設置する。接触式センサ３の出力によって、アクチュエータ４の出力を制御する。これにより、固定子１と前記可動子２間の位置決めを行う。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、真空環境等で使用されるアクチュエータユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の搬送用装置の従来例として、日本真空協会から１９９９年９月２０日発行の学会誌（「真空」　第４２巻・第９号　８１６頁から８２０頁）に記載の磁気浮上スライダユニットがある。図１２は、そのスライダユニットの一部破断斜視図を示す。このスライダユニットは３軸制御型磁気軸受装置である。可動子１０７は浮上用の永久磁石１０３によって上方向に吸引され、センサ１０２の出力に基づいて下方向への電磁石１０１の吸引力を制御することで、浮上、ピッチング、およびローリング方向が制御される。一方、案内方向とヨーイング方向は、浮上用の永久磁石１０３とレール継鉄１０４、および電磁石１０１との吸引力を利用した受動安定手段により支持される。センサ１０２としては、リラクタンス式センサが採用されている。浮上検出用のセンサターゲット１０５は、可動子１０７上の４箇所に置かれ、固定子１０８側には長形のセンサ１０２が左右に連続して複数配置される。電磁石１０１と継鉄１０６との関係もセンサ１０２と同様である。これら電磁石１０１およびセンサ１０２は、可動子１０７の進行方向位置に応じて選択的に切り換えることで、可動子１０７が任意の位置で軸受支持されることが可能とされる。さらに、このスライダユニットを複数接続することで、長距離搬送を行うこともできる。
【０００３】
このように、磁気軸受支持では、非接触支持であること、潤滑媒体が不要であることなど、真空中での利用に対しては優位性を発揮する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、最近では、真空環境でかつ高精度が要求される用途が増えてきており、上記構成の磁気軸受装置では十分に対応できない。すなわち、これまでの磁気軸受装置では、固定子と可動子の浮沈方向の相対位置を測定するために、上述したようにリラクタンス式や渦電流式に代表される非接触型磁気式センサを使用している。このようなセンサの構成上から、刻々と変化するセンサのターゲット面の磁気的な情報および電気的な情報を基にして測定するために、そのターゲット面の磁気的特性（透磁率）および電気的特性（電気伝導率）の影響を受けることになり、これに起因してセンサの分解能の低下を招いていた。
【０００５】
さらに、図１２に示したスライダユニットの場合には、構成が複雑でコスト増にもなるという問題点も有る。
【０００６】
この発明の目的は、固定子と可動子との相対変位を精密に測定することで、可動子の浮上方向の精密な位置決めが可能なアクチュエータユニットを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明における第１の発明のアクチュエータユニットは、固定子と、この固定子に対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向に対する略垂直方向に前記固定子に対する相対進行運動が可能な可動子と、前記固定子と可動子の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータと、接触子または検出用流体が接触して固定子と可動子との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサとを備え、前記接触式センサの出力によって、前記アクチュエータの出力を制御することで、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるものである。この明細書において、上記の相対進行運動は、直線的な一方向の進行の他に、往復進行や、正逆または一方向の回転運動を含む意味である。
この構成によると、固定子と可動子間の相対変位を測定するセンサとして接触式センサを用いたため、非接触式センサに比べて高分解能が得られる。そのため測定結果を基に、固定子と可動子間の浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータを制御することによって、可動子を浮沈方向に精度良く位置決めすることができる。
【０００８】
前記アクチュエータは、前記固定子または可動子の一方に設置された電磁石であっても良い。その場合、前記接触式センサの出力によって前記電磁石のコイル電流を制御することで、前記電磁石の出力である吸引力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われる。
【０００９】
また、前記アクチュエータは、前記固定子または可動子の一方に設置された圧電素子であっても良い。その場合、前記接触式センサの出力によって前記圧電素子に印加する電圧を制御することで、前記圧電素子の出力である作用力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われる。
【００１０】
前記可動子は前記固定子に対して相対的に、前記浮沈方向にばね部材によって弾性支持されていても良い。ばね部材で支持した場合、アクチュエータを駆動しない状態でも可動子を浮沈可能に支持できると言った利点が得られる。上記ばね部材は、接触式センサに設けられて接触子を突出付勢するばね部材であっても良い。その場合、接触式センサの接触子を介して可動子が弾性支持される。接触式センサの持つばね部材を利用するため、専用のばね部材が不要で、構成が簡素となり、安価に構成できる。
【００１１】
前記接触式センサとアクチュエータとは直列に配置し、接触式センサを介してアクチュエータの作用力が固定子と可動子との間に作用するようしても良い。このように接触式センサとアクチュエータとを直列配置とした場合、相対進行方向にコンパクトな構成とできる。
【００１２】
前記アクチュエータおよび接触式センサは、いずれも前記可動子に対して前記浮沈方向の両側に配置しても良い。
このようにアクチュエータを両側に配置した場合、アクチュエータが、吸引力または反発力など、浮沈方向の一方向のみに作用するものであっても、両側のアクチュエータによって、浮沈方向の両側に変位させることができる。このとき、接触式センサが両側に設けられていることで、両側のアクチュエータをそれぞれ精度良く制御することができる。また、可動子の両側に接触式センサが設けられるため、接触式センサの接触子が摩耗しても、両側の接触式センサの摩耗量がほぼ等しければ、この摩耗によるセンサ出力の影響を軽減できると言った優れた点もある。また、可動子の両側に接触式センサが設けられる場合、接触式センサで可動子を支持する構成とした場合に、アクチュエータを駆動しない状態であっても、可動子を挟む両側の接触式センサにより安定して支持することができる。
【００１３】
この発明のアクチュエータユニットにおいて、前記相対進行運動を付与する駆動源を設けても良い。この駆動源を設けることで、上記アクチュエータで可動子を位置決めした状態で、前記相対進行運動を行わせることができる。上記駆動源としては、例えばリニア型の電磁モータ、回転型の電磁モータ、および超音波モータ等のモータが使用できる。
【００１４】
この発明における第２の発明のアクチュエータユニットは、固定子と、この固定子に対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向に対する略垂直方向に前記固定子に対する相対進行運動が可能な可動子と、前記可動子に前記相対進行運動を与える圧電素子と、この圧電素子を前記固定子または可動子のうちの一方の部材に弾性的に支持するばね部材と、前記圧電素子と直列に配置され前記ばね部材および圧電素子を介して前記固定子と可動子の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータと、接触子または検出用流体が接触して固定子と可動子との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサとを備え、前記接触式センサの出力によって、前記アクチュエータの出力を制御することで、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるものである。
この構成の場合は、浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータは、相対進行運動の付与用の圧電素子を介して上記作用力を与えるが、この場合も、非接触式センサの高分解能により、可動子の浮沈方向の精密な位置決めが行える。この位置決め状態で、上記圧電素子により可動子に相対進行運動が与えられる。上記ばね部材は、圧電素子の可動子または固定子に対する押し付け力を保持し、上記相対進行運動の確実性を向上させる。なお、前記アクチュエータは、別のばね部材を介して上記一方の部材に支持しても良い。
【００１５】
第２の発明において、前記アクチュエータは圧電素子からなるものであって良い。その場合、前記接触式センサの出力によってこの圧電素子に印加する電圧を制御することで、この圧電素子の出力である作用力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われる。また、この構成の場合、相対進行運動用の駆動源と浮沈方向に駆動するアクチュエータとが、共に電圧印加により駆動できるため、電気系統を簡単な構成とできる。
【００１６】
この発明の第３の発明は、固定子と、この固定子に対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向に対する略垂直方向に前記固定子に対する相対進行運動が可能な可動子と、前記可動子に前記相対進行運動を与える圧電素子と、この圧電素子に直列に固定され前記圧電素子を介して前記固定子と可動子の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータと、このアクチュエータを前記固定子または可動子の一方の部材に弾性的に支持するばね部材と、接触子または検出用流体が接触して固定子と可動子との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサとを備え、前記接触式センサの出力によって、前記アクチュエータの出力を制御することで、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるものである。この構成の場合も、浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータは、相対進行付与用の圧電素子を介して上記作用力を与えるが、この場合も、非接触式センサの高分解能な性能により、可動子の浮沈方向の精密な位置決めが行える。この位置決め状態で、上記圧電素子により可動子に相対進行運動が与えられる。上記ばね部材は、アクチュエータによって作用力を過大に掛け過ぎた場合に撓むことで、アクチュエータユニットを保護する役目を果たす。
【００１７】
第３の発明において、前記アクチュエータは圧電素子からなるものであっても良い。その場合、前記接触式センサの出力によってこの圧電素子に印加する電圧を制御することで、この圧電素子の出力である作用力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われる。
【００１８】
この発明の前記第１ないし第３の発明において、前記接触式センサは、歪みゲージ、圧電素子、圧力センサ、または作動トランスであっても良い。
また、この発明の前記第１ないし第３の発明のアクチュエータユニットは、前記可動子がスピンドル、または直線的に進退するスライダであっても良い。
この発明の前記第１ないし第３の発明において、前記接触式センサの出力による前記アクチュエータの出力の制御は、このアクチュエータユニットに備えられた制御手段で行っても良く、またこのアクチュエータユニットとは別に設けられた制御手段で行うようにしても良い。アクチュエータユニットをこのような用途に使用するものとした場合は、スピンドルまたはスライダの位置決めを精度よく行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態を図１および図２と共に説明する。この実施形態は第１の発明に対応する。図１において、このアクチュエータユニットは、固定子１と、この固定子１に対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向Ｚに対する略垂直な方向Ｐに、固定子１に対する相対進行運動が可能な可動子２と、固定子１と可動子２の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータ４と、固定子１と可動子２との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサ３とを備える。接触式センサ３の出力は、制御手段５０に入力され、制御手段５０は、上記センサ出力によってアクチュエータ４の出力を制御することで、固定子１と可動子２間の浮沈方向Ｚの位置決めを行う。アクチュエータ４は、電磁石からなり、ヨーク４ａにコイル４ｂを巻回して構成される。制御手段５０は、ＰＩＤ（　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｄｉｆｆｒｅｎｔｉａｌ）コントローラ等からなる。制御手段５０は、アクチュエータ４が電磁石である場合、接触式センサ３の出力によって電磁石のコイル４ｂの電流を制御することで、電磁石の出力である吸引力を変化させ、固定子１と可動子２間の浮沈方向Ｚの位置決めを行う。なお、アクチュエータ４は、電磁石を用いたが、この他の直動タイプの各種のアクチュエータが使用でき、また固定子１と可動子２の間に浮沈方向の作用力を与えることが可能なものであれば、どのようなものでも良い。
【００２０】
接触式センサ３は、種々のものを用いることができるが、この例では図２に縦断面図で示すように差動トランス方式をものを用いている。同図のような差動トランス方式の接触式センサ３を採用することで、サブミクロン単位の変位検出が可能になる。この差動トランス式の接触式センサ３は、筒状のセンサケース５内に固定された１次コイル６および２次コイル７と、センサケース５内に昇降自在に設けられてばね部材９で突出付勢された鉄心８と、この鉄心８に連結されてセンサケース５のスライド穴部１０からスライド自在に突出するロッド状の接触子１１とからなる。接触子１１は、可動子２に押し当てられる。可動子２は、接触子１１を介して接触式センサ３内のばね部材９で常に押された状態にあり、アクチュエータ４を駆動しない状態でも、ばね部材９によって支持される。
【００２１】
この構成のアクチュエータユニットによると、上記のようにセンサとして接触式センサ３を用いているので、従来例における非接触型磁気式センサで問題となってきたセンサのターゲットをセンサ内部の部材に限定でき、高分解能のセンサとすることができる。このように、固定子１と可動子２との間の相対変位を接触式センサ３によって精密に測定し、この測定結果に基づき、固定子１と可動子２との間に吸引力を作用させるアクチュエータ４を制御するようにしているので、可動子２を浮沈方向Ｚに精度良く位置決めすることができる。また、接触式センサ３の内部のばね部材９によってアクチュエータ４を駆動しない状態でも可動子２を支持することができると言った利点を有する。そのため、非駆動時の支持専用のばね部材が不要で、アクチュエータユニットを安価に構成できる。
【００２２】
図３はこの発明の他の実施形態を示す。このアクチュエータユニットは、図１および図２に示した第１の実施形態において、可動子２の浮沈方向Ｚの両側に、それぞれ接触式センサ３，３Ａおよびアクチュエータ４，４Ａを設置したものである。両側の接触式センサ３Ａ，３およびアクチュエータ４Ａ，４は、可動子２を挟むように設けられ、それぞれ固定子１，１Ａに設置される。制御手段５０は、可動子２の両側のアクチュエータ４，接触式センサ３の組、およびアクチュエータ４Ａ，接触式センサ３Ａの組に対して共通のものとしても良く、また各組毎に個別に設けられたものとしても良い。いずれの場合も、制御手段５０は、両側の接触式センサ３，３Ａの差動出力を用いるなど、両側の接触式センサ３，３Ａの出力を用いてアクチュエータ４，４Ａの出力を制御するものとすることが好ましい。その他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００２３】
この構成の場合、両側の接触式センサ３Ａ，３およびアクチュエータ４Ａ，４で挟まれて可動子２が支持され、しかもセンサ３，３Ａの昇降ロッド１１，１１Ａはセンサ３，３Ａ内のばね部材９によって常に可動子２に押された状態にあるので、アクチュエータ４，４Ａにコイル電流を流さない状態でも、可動子２を安定良く支持することができる。また、可動子２を挟むように上下にセンサ３Ａ，３が配置されることから、センサ３，３Ａと可動子２との接触部となる昇降ロッッド１１，１１Ａの先端の摩耗が両側でほぼ等しければ、この摩耗によるセンサ出力の影響を軽減でき、それだけ精度を向上させることができる。
【００２４】
図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このアクチュエータユニットは、図１および図２に示した第１の実施形態において、可動子２に対する接触式センサ３の接触子１１の先端部１１ａを耐摩耗性材料としたものである。その他の構成は第１の実施形態の場合と同様である。
可動子２は、浮沈方向Ｚに略垂直な方向Ｐに相対進行運動が可能であるため、この相対進行運動によって接触子１１の可動子２との接触部分が摩耗する可能性がある。そこで、同図のように接触子１１の可動子２との接触部分となる先端部１１ａを耐摩耗性材料としており、これにより上記摩耗の問題が軽減される。
【００２５】
このアクチュエータユニットの場合には、固定子１に対して相対進行方向Ｐに可動子２が相対進行運動するのに伴い、可動子２に接触する昇降ロッド１１の先端部１１ａが摩耗するのを軽減でき、それだけ精度を向上させることができる。
【００２６】
図５は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このアクチュエータユニットは、図１および図２に示した第１の実施形態において、接触式センサ３として歪ゲージを用いている。すなわち、この例の接触式センサ３は、固定子１に設けた支持部材１２に、歪ゲージ１３を貼り付けたばね部材である板ばね１４を片持ち状態に取付けてある。この板ばね１４を、接触子１５を介して可動子２に押し当てるようにしてある。その他の構成は第１の実施形態と同じである。
【００２７】
この構成の場合、可動子２が固定子１側に接近すると、接触式センサ３の板ばね１４が固定子１側に撓んで可動子２を押し戻そうとし、さらに板ばね１４に貼り付けられた歪ゲージ１３が同様に撓む。この歪ゲージ１３の撓み量を、アンプ６０を介して出力することで、固定子１と可動子２との間の相対変位が測定される。このセンサ３の測定出力がＰＩＤコントローラ等からなる制御手段５０に入力され、制御手段５０の演算によって設定された電流を、固定子１に固定された電磁石からなるアクチュエータ４に流すことによって、固定子１と可動子２との浮沈方向の距離が制御される。
【００２８】
このように、固定子１と可動子２との相対変位を計測するセンサは、種々の形式の接触式センサ３が使用できる。図には示さないが、例えば、固定子１に固定されたパイプから可動子２に向けて検出用流体である空気を噴出させ、そのパイプ内の圧力を測定する空気圧センサを接触式センサ３として用いてもよい。この場合、センサ自体は測定物である可動子２と直接に接触しないが、噴出空気を介して接触していると見なせば、接触式センサ３と分類することができる。また、この例では、固定子１と可動子２とはばね要素による連結がないが、空気圧自体をばね要素と見なすこともできる。
【００２９】
図６は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このアクチュエータユニットは、接触式センサ３を介してアクチュエータ２４の押し付け方向の作用力が固定子１と可動子２との間に作用するように、接触式センサ３とアクチュエータ２４とを直列に、つまり縦並びに配置したものである。この例では、可動子２を挟み込むように、接触式センサ３，３Ａを可動子２の両側に配置し、アクチュエータ２４は片側のみに配置している。
【００３０】
各接触式センサ３，３Ａは、図２と共に説明した差動トランス方式のものを採用している。ただし、鉄心８に連結されたロッド１８が、ばね部材である板ばね２０によって支持される点で図２の例と異なっている。
この例の接触式センサ３は、固定子１に立設された筒状ケース１６内の上部に固定された１次コイル６および２次コイル７と、筒状ケース１６内に昇降自在に配置された鉄心８と、この鉄心８に連結されて上下に延びるロッド１７，１８と、前記筒状ケース１６内の上部において筒状ケース１６に掛け渡され前記ロッド１７，１８の上下端を支持する上下の板ばね１９，２０と、前記上側の板ばね１９に設けられたローラガイド２１と、このローラガイド２１に支持され可動子２の表面に押し当てられる接触子であるローラ２２とで構成されている。
【００３１】
アクチュエータ２４は、筒状ケース１６内の下部に設置されたアクチュエータ駆動部２５と、このアクチュエータ駆動部２５によって上下に進退駆動される進退ロッド２６とからなり、進退ロッド２６の先端は接触式センサ３の下側の板ばね２０に当接している。進退ロッド２６の上下方向、つまり可動子浮沈方向Ｚの力ないし変位は、接触式センサ３の鉄心８およびロッド１７，１８を介して可動子２に伝えられる。
【００３２】
対向側の接触式センサ３Ａの構成は、上記固定子１に設置された接触式センサ３と同じであり、固定子１Ａから可動子２に向けて立設された筒状ケース１６Ａ内に、１次コイル６Ａ、２次コイル７Ａ、鉄心８Ａ、上下ロッド１７Ａ，１８Ａ、板ばね１９Ａ，２０Ａ、ローラガイド２１Ａ、およびローラ２２Ａを設けて構成されている。可動子２は、下側の接触式センサ３のローラ２２と上側の接触式センサ３Ａのローラ２２Ａとで挟まれている。
【００３３】
この構成のアクチュエータユニットの場合は、例えば可動子２が固定子１側に接近すると、下側の接触式センサ３の板ばね１９，２０が固定子１側に撓んで可動子２を押し戻そうとし、このときの鉄心８の変位量がセンサ３の測定出力として取り出される。上側の接触式センサ３Ａでも同様の作用によって、測定出力が取り出され、固定子１と可動子２との間の相対変位が測定される。センサ３，３Ａの測定出力は、ＰＩＤコントローラ等の制御手段（図示せず）に入力され、この制御手段の演算による前記センサ出力に応じた制御がアクチュエータ２４で行われる。すなわち、進退ロッド２６が昇降変位して可動子２に作用し、これにより可動子２が位置決めされる。
【００３４】
このアクチュエータユニットでは、可動子２と接触式センサ３，３Ａとの接触子をローラ２２，２２Ａとローラガイド２１，２１Ａとで構成して、ローラ２２，２２Ａの可動子２に対する転がり運動が可能となるようにしているので、その接触による可動子２の摩耗が抑制できる。そのため、このアクチュエータユニットを使用した装置の耐久性を向上させることができる。
【００３５】
図７は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は第２の発明に対応する。このアクチュエータユニットは、相対進行駆動手段２７，２７Ａによって、固定子１，１ａに対し可動子２に相対進行運動を行わせるものである。相対進行駆動手段２７，２７Ａは、それぞれ第１の圧電素子２９，２９Ａと第２の圧電素子３０，３０Ａを備える。
すなわち、このアクチュエータユニットは、対向配置された一対の固定子１，１Ａと、この固定子１，１Ａに対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向Ｚに対する略垂直方向に前記固定子１，１Ａに対する相対進行運動が可能な可動子２と、可動子２に相対進行運動を与える圧電素子２９，２９Ａ，３０，３０Ａと、この圧電素子２９，２９Ａ，３０，３０Ａを固定子１，１Ａに弾性的に支持するばね部材である板ばね３１，３１Ａと、圧電素子２９，３０と直列に配置されて板ばね３１および圧電素子２９，３０を介して固定子１と可動子２の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータ２４と、固定子１，１Ａと可動子２との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサ３，３Ａとを備える。接触式センサ３，３Ａの出力によって、ＰＩＤコントローラ等の制御手段（図示せず）によりアクチュエータ３４の出力を制御することで、固定子１，１Ａと可動子２間の前記浮沈方向Ｚの位置決めが行われる。
【００３６】
接触式センサ３，３Ａは、図１および図２に示した第１の実施形態で用いたものと同じであり、ここではその説明を省略する。
相対進行駆動手段２７は、固定子１の上に接触式センサ３と横並びに設置された筒状ケース２８内の上部に直列に連結された第１および第２の圧電素子２９，３０と、筒状ケース２８内に掛け渡され圧電素子２９，３０を支持する板ばね３１と、第２の圧電素子３０の先端に設置され可動子２に押し当てられる接触子３２とで構成される。この相対進行駆動手段２７はいわゆる超音波モータを構成するものであって、第１および第２の圧電素子２９，３０に同期させて電圧を印加し、図中に矢印Ａ，Ｂで示すように各圧電素子２９，３０を作動させることで、その先端の接触子３２に楕円運動を与え、接触子３２の可動子２との摩擦により可動子２を相対進行方向Ｐに相対進行させる。第１および第２の圧電素子２９，３０へ印加する電圧は、数１０ｋＨｚ以上の高周波とされる。
【００３７】
上側の固定子１Ａに設置される相対進行駆動手段２７Ａも、上記した下側の相対進行駆動手段２７と同様の構成であり、固定子１Ａに立設される筒状ケース２８Ａ内に、直列に連結された第１および第２の圧電素子２９Ａ，３０Ａを配置し、その圧電素子２９Ａ，３０Ａを筒状ケース２８Ａ内に掛け渡された板ばね３１Ａで支持すると共に、第２の圧電素子３０Ａの先端に可動子２に押し当てられる接触子３２Ａを設けて構成される。可動子２は、上下の接触式センサ３Ａ，３および相対進行駆動手段２７Ａ，２７に挟まれた状態で支持される。
【００３８】
アクチュエータ２４は、下側の固定子１の筒状ケース２８内の下部に設置される。このアクチュエータ２４は、筒状ケース２８に掛け渡された板ばね３３で支持されるアクチュエータ駆動部３４と、この駆動部３４によって上下に進退駆動される進退ロッド３５とからなり、進退ロッド３５の先端は相対進行駆動手段２７の板ばね３１に当接している。
【００３９】
この構成のアクチュエータユニットは、上下の相対進行駆動手段２７Ａ，２７による上下方向Ａおよび左右方向Ｂの複合運動で接触子３２Ａ，３２に楕円運動を与えることで、可動子２が相対進行方向Ｐに移動させられる。可動子２の浮沈方向Ｚの変位は上下の接触式センサ３Ａ，３で測定される。センサ３，３Ａの測定出力は、図示しないＰＩＤコントローラ等の制御手段に入力され、この制御手段の演算による前記センサ出力に応じた制御がアクチュエータ２４で行われる。その結果、進退ロッド３５が昇降変位して、その変位ないし押し当て力が相対進行駆動手段２７の圧電素子２９，３０および接触子３２を介して可動子２に作用し、これにより可動子２が浮沈方向Ｚに位置決めされる。このとき、アクチュエータ２４の押し当て力が過大となった場合に、板ばね３３は撓み変形に伴う押し当て力を抑制するように作用して、アクチュエータユニットを保護する役割を果たす。
【００４０】
なお、アクチュエータ２４の動きは、第１の圧電素子２９，２９Ａの数１０ｋＨｚ以上といった高速の上下運動と異なり、数ｋＨｚ以下の周波数応答とされる。これにより、相対進行駆動手段２７，２７Ａによる可動子２の相対進行方向Ｐへの動きに対して、アクチュエータ２４の動きが干渉するのを無くすことができる。
また、この実施形態では、アクチュエータ２４を下側の固定子１にのみ設置した場合を示したが、上側の固定子１Ａにもアクチュエータを設置してもよい。
【００４１】
図８は、この発明のさらに他の実施形態を示す。このアクチュエータユニットは、図７に示した実施形態において、固定子１側に設置されるアクチュエータ２４に、第３の圧電素子３６を用いたものである。第３の圧電素子３６は、筒状ケース２８内に掛け渡した板ばね３３で支持され、先端面に、相対進行駆動手段２７の支持用の板ばね３１に押し当てられる間座３７が設けられている。第３の圧電素子３６は、電圧の印加により上下方向Ａ（浮沈方向Ｚ）に動作する。その他の構成は図７の実施形態と同じである。
このアクチュエータユニットの場合は、相対進行駆動手段２７，２７Ａを構成する圧電素子２９，２９Ａ，３０，３０Ａと、アクチュエータ２４を構成する圧電素子３６とを、共に電圧印加により駆動できるので、駆動系を簡単に構成できる。
【００４２】
このように、固定子１，１Ａと可動子２の間に浮沈方向Ｚの作用力を与えるアクチュエータ２４としては、圧電素子に限らず、種々の直動型のアクチュエータを採用することができ、例えば回転モータの動きを直線運動に変換するものでっても、また第１の実施形態のように電磁吸引力を用いたものでもよい。
【００４３】
図９は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は第３の発明に対応する。このアクチュエータユニットは、図７に示した実施形態において、固定子１側に設置されるアクチュエータ２４を、相対進行駆動手段２７における第１の圧電素子２９とこれを支持する板ばね３１との間に第３の圧電素子３６を介在させて構成したものである。この場合の第３の圧電素子３６も、電圧の印加により上下方向Ａ（浮沈方向Ｚ）に動作する。その他の構成は図７の実施形態と同じである。
アクチュエータ２４をこのように構成することにより、図７や図８の実施形態で必要であったアクチュエータ２４の保護専用の板ばね３３を省略することができる。
【００４４】
図１０はこの発明のさらに他の実施形態を示す。このアクチュエータユニットは図１および図２に示す第１の実施形態のアクチュエータユニットをスピンドル装置に適用したものである。このスピンドル装置は、固定子である円筒状のスピンドルハウジング４１と、このスピンドルハウジング４１内に同軸状に配置される可動子であるスピンドル軸４２とを備える。スピンドルハウジング４１の内周側に、図１に示す接触式センサ３とアクチュエータ４の組み合わせの複数組が、ラジアル用として周方向および軸方向に分配して設置されている。また、スピンドル軸４２の一端に設けられているディスク４５を囲むスピンドルハウジング４１の内壁面には、このディスク４５の両面に向けて、ラジアル用と同様の接触式センサ３と電磁石４の組み合わせの複数組が、スラスト用としてディスク４５の周方向に分配して設置されている。
このようにスピンドル装置に応用することにより、スピンドルハウジング４１に対するスピンドル軸４２の径方向位置および軸方向位置を精度良く制御できる。
【００４５】
図１１はこの発明のさらに他の実施形態を示す。このアクチュエータユニットは、図１および図２に示す第１の実施形態のものをスライダ装置に適用したものである。このスライダ装置は、固定子である角筒状のガイドレール５１と、このガイドレール５１に沿って相対進行自在に配置される可動子５２とを備える。可動子５２には、ガイドレール５１のガイド溝５３内に挿入される被ガイド体５４が下面に突出している。このガイド体５４には、図１に示す接触式センサ３とアクチュエータ４とを直列に組み合わせたものの複数組が、ガイドレール５１の内壁面に対向するように分配して設置されている。
このようにスライダ装置に適用した場合、ガイドレール５１に対する可動子５２の上下方向位置および左右方向位置を精度良く制御できる。
【００４６】
なお、図１０のスピンドル装置や図１１のスライダ装置では図示していないが、これらの装置内には、さらに相対進行用のモータを内蔵させることも可能である。また、これらの装置に用いられる接触式センサ３やアクチュエータ４は、図１および図２に示す実施形態のものに限らず、図３〜図９に示した任意の実施形態のものを組み合わせて用いてもよく、これにより種々の位置決め装置を構成することができる。
【００４７】
さらに、接触式センサ３およびアクチュエータ４は、図１０のスピンドル装置では固定子であるスピンドルハウジング４１側に、また図１１のスライダ装置では可動子５２側にそれぞれ設置したが、固定子に設置するか可動子に設置するかは、装置の用途などによって適宜選択すればよい。
また、この発明とは異なるが、この発明およびこの発明の前記各実施形態において、接触式センサを非接触式センサとしたアクチュエータユニットを構成することも可能である。ただし、接触式センサを介してアクチュエータの作用力を可動子等に与えるものについては、非接触式のセンサの使用は不可である。
【００４８】
【発明の効果】
この発明のアクチュエータユニットは、固定子と可動子間の相対変位を接触式センサによって精密に測定し、この測定結果を基に、前記固定子と可動子間に力を作用させるアクチュエータを駆動することによって、可動子を浮沈方向に精度良く位置決めすることができる。
前記可動子を固定子に対して相対的に前記接触式センサによって弾性支持した場合は、アクチュエータの駆動停止状態でも可動子を浮上支持でき、しかもその支持専用のばね部材等が不要で、構成が簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図および制御系のブロック図を組み合わせた説明図である。
【図２】同アクチュエータユニットにおける接触式センサの断面図である。
【図３】この発明の他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図および制御系のブロック図を組み合わせた説明図である。
【図４】
この発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図である。
【図５】
この発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図および制御系のブロック図を組み合わせた説明図である。
【図６】
この発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図である。
【図７】
この発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図である。
【図８】
この発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図である。
【図９】
この発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの縦断面図である。
【図１０】
（Ａ）はこの発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ矢視断面図である。
【図１１】
この発明のさらに他の実施形態にかかるアクチュエータユニットの斜視図である。
【図１２】
従来例を示す部分破断斜視図である。
【符号の説明】
１，１Ａ…固定子
２…可動子
３，３Ａ…接触式センサ
４，４Ａ…アクチュエータ
９…ばね部材
１３…歪ゲージ
２４…アクチュエータ
２７，２７Ａ…相対進行駆動手段
２９，２９Ａ…第１の圧電素子
３０，３０Ａ…第２の圧電素子
３１，３１Ａ…板ばね（ばね部材）
３３…板ばね（ばね部材）
３６…第３の圧電素子

Claims

固定子と、この固定子に対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向に対する略垂直方向に前記固定子に対する相対進行運動が可能な可動子と、前記固定子と可動子の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータと、接触子または検出用流体が接触して固定子と可動子との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサとを備え、前記接触式センサの出力によって、前記アクチュエータの出力を制御することで、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるアクチュエータユニット。
請求項１において、前記アクチュエータが前記固定子または可動子の一方に設置された電磁石であり、前記接触式センサの出力によって前記電磁石のコイル電流を制御することで、前記電磁石の出力である吸引力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるアクチュエータユニット。
請求項１において、前記アクチュエータが前記固定子または可動子の一方に設置された圧電素子であり、前記接触式センサの出力によって前記圧電素子に印加する電圧を制御することで、前記圧電素子の出力である作用力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるアクチュエータユニット。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記可動子が前記固定子に対して相対的に、前記浮沈方向に前記接触式センサによって弾性支持されているアクチュエータユニット。
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、接触式センサを介してアクチュエータの作用力が固定子と可動子との間に作用するように、接触式センサとアクチュエータとを直列に配置したアクチュエータユニット。
請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、前記アクチュエータおよび接触式センサが、いずれも前記可動子に対して前記浮沈方向の両側に配置されているアクチュエータユニット。
請求項１ないし請求項６のいずれかにおいて、前記相対進行運動を付与する駆動源を設けたアクチュエータユニット。
固定子と、この固定子に対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向に対する略垂直方向に前記固定子に対する相対進行運動が可能な可動子と、前記可動子に前記相対進行運動を与える圧電素子と、この圧電素子を前記固定子または可動子のうちの一方の部材に弾性的に支持するばね部材と、前記圧電素子と直列に配置され前記ばね部材および圧電素子を介して前記固定子と可動子の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータと、接触子または検出用流体が接触して固定子と可動子との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサとを備え、前記接触式センサの出力によって、前記アクチュエータの出力を制御することで、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるアクチュエータユニット。
請求項８において、前記アクチュエータが圧電素子からなり、前記接触式センサの出力によってこの圧電素子に印加する電圧を制御することで、この圧電素子の出力である作用力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるアクチュエータユニット。
固定子と、この固定子に対して相対的に浮沈可能に設けられて浮沈方向に対する略垂直方向に前記固定子に対する相対進行運動が可能な可動子と、前記可動子に前記相対進行運動を与える圧電素子と、この圧電素子に直列に固定され前記圧電素子を介して前記固定子と可動子の間に浮沈方向の作用力を与えるアクチュエータと、このアクチュエータを前記固定子または可動子の一方の部材に弾性的に支持するばね部材と、接触子または検出用流体が接触して固定子と可動子との浮沈方向の相対変位を測定する接触式センサとを備え、前記接触式センサの出力によって、前記アクチュエータの出力を制御することで、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるアクチュエータユニット。
請求項１０において、前記アクチュエータが圧電素子からなり、前記接触式センサの出力によってこの圧電素子に印加する電圧を制御することで、この圧電素子の出力である作用力を変化させ、前記固定子と前記可動子間の前記浮沈方向の位置決めが行われるアクチュエータユニット。
請求項１ないし請求項１１のいずれかにおいて、前記接触式センサが、歪みゲージ、圧電素子、圧力センサ、または差動トランスであるアクチュエータユニット。
請求項１ないし請求項１２のいずれかにおいて、前記可動子がスピンドル、または直線的に進退するスライダであるアクチュエータユニット。