本発明は、気体制御アクチュエータに係り、特に出力用の可動子を微小移動させる気体制御アクチュエータに関する。
流体圧を用いるアクチュエータとしては、ピストンとシリンダーの機構で代表されるようによく知られている。流体圧アクチュエータは、特許文献1に示されるように、流体圧サーボ機構を用い、流体圧を制御することで移動体を駆動することができる。特に、空気等の気体を用いる気体圧アクチュエータは、油圧を用いるものに比べてコンタミネーションの問題が少なく、扱いやすい位置決め装置として期待されている。ところで、一般的に用いられる気体圧アクチュエータは、応答性があまり良くない。それは、気体圧アクチュエータのバネ定数が、気体室の体積が大きいほど小さくなり、また使用気体の圧縮率が大きいほど小さくなる傾向にあるが、シリンダーにおける空気室の体積を小さくするには限度があるためである。
そこで、気体圧アクチュエータの応答性を改善するため、駆動部にバネ定数の高い部材を導入することが考えられている。例えば、特許文献2には空気圧により伸縮するベローズを用いて可動枠の移動を行うことが開示されているが、このベローズを金属製とすることができる。金属ベローズのバネ定数は、金属ベローズの形状及び用いられる金属の弾性定数で定まるので、上記の気体室の体積や圧縮率で定まる一般的な気体圧アクチュエータのバネ定数より大きな値にできる。
特開昭57−51002号公報
特開平8−11078号公報
近年、位置決め装置において、その精度、分解能の向上の要求が著しい。例えば、半導体装置の露光装置では、半導体デバイスの最小線幅が100nmを切る。したがって、半導体デバイスの寸法精度の要求は10nm以下となり、そのための位置決めアクチュエータの位置決め精度は1nm以下、つまりサブnmのものが要望される。また、その高速性も同様に要求される。
このような位置決め装置に気体制御アクチュエータが用いることができれば、上記のようにコンタミネーションが少なくなるほか、電磁的ノイズも発生せず、温度変化による影響、振動、騒音も少なくできる。しかし、上記のように気体の性質から来る特性のため、要望される高精度、高速応答を達成し、特に作動範囲を広くして高精度、高速応答とするには高度かつ複雑な制御を用いても困難なことが多い。
また、金属ベローズ等を用いてバネ定数を向上させる試みも、そのバネ定数は金属材料の特性で定まるので、余り高い値が望めない。また、テーブルに直接取り付ける形態のときには、例えばXYテーブルのように2次元移動を行う場合の構造が複雑となる。
本発明の目的は、高速応答性を改善でき、微小移動が可能な気体制御アクチュエータを提供することである。本発明の他の目的は、作動範囲の広い微小移動を可能とする気体制御アクチュエータを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも1つに貢献するものである。
本発明は、気体軸受機構のバネ定数が高いことに着目し、気体軸受の隙間をそこに供給する気体圧の制御により変化させるか、気体軸受につりあう反力圧力を変化させることによって、この隙間の変化を対象物の微小移動に用い、応答性の良い微小移動機構を実現しようというものである。ここで気体軸受機構とは、一般的にステージ等の載荷をベースに対し、適当な気体圧で浮上させて支える軸受機構である。気体軸受機構は、流体の一般的性質により、載荷の変動によりその隙間が狭くなろうとするときに、それに抗する作用を有する。例えば、気体軸受の隙間を約10μmとして、これを1μm変化させるにはおよそ10Nの力を要する。すなわち、バネ定数=力/変位は、およそ105N/cmとなり、一般的なピストン・シリンダ型の気体圧アクチュエータに比べ、格段に大きな値となる。また、気体軸受の隙間と供給気体圧との関係は、単純な構造のため、圧縮性気体の流れの理論に乗ることが予想され、その場合には、制御圧力と微小移動の関係の再現性が良く、複雑な制御を要しない。このような気体軸受機構の気体圧制御により、およそ数10μm程度の範囲で、nmオーダーの精度により微小移動を行わせることが可能である。これらは、移動量の計測をフィードバックしなくても実現可能であるが、さらに移動量を計測してフィードバック制御することで、より高精度の微小移動をさせることも可能となる。
本発明に係る気体制御アクチュエータは、外形の一部に曲面座形状の気体受面を有し、出力に用いられる出力可動子と、出力可動子の曲面座形状に対応する曲面形状を有する傘状の薄板で構成され中央に貫通穴を有する複数の傘状可動子と、筒状案内内壁の底面の一部に傘状可動子の曲面形状に対応する曲面座形状の気体受壁を有し、出力可動子の気体受面との間に複数の傘状可動子を移動軸方向に直列に整列配置して案内する案内部と、案内部の気体受壁に開口して傘状可動子に向かって駆動気体圧を有する気体を供給する気体供給路であって、複数の傘状可動子のそれぞれの中央貫通穴を通って、隣接する傘状可動子の間の隙間にそれぞれ気体を供給し、さらに出力可動子の気体受面に気体を供給する第1気体供給路と、複数の傘状可動子の前後における各隙間の気体を圧縮しつつ、出力可動子を案内部の気体受壁に向かって押し付ける押付気体圧を有する気体を供給する第2気体供給路と、駆動気体圧と押付気体圧とをそれぞれ制御し、押付力と釣り合わせつつ各隙間の隙間量を調整して出力用の可動子を微小移動させる制御部と、を備えることを特徴とする。
また、案内部は、出力可動子の曲面座形状の頂点部と、各傘状可動子の両端部の各曲面形状の頂点部と、案内部の曲面座形状の頂点部とを、移動軸に沿って整列配置することが好ましい。
また、本発明に係る気体制御アクチュエータにおいて、各傘状可動子の前後面の曲面形状は、いずれも同一の曲面関数で表される曲面形状であることが好ましい。
また、本発明に係る気体制御アクチュエータにおいて、さらに、各傘状可動子の曲面形状と、出力可動子の曲面座形状と、案内部の曲面座形状とは、同一の曲面関数で表される曲面形状であることが好ましい。
また、曲面形状は、移動軸に対して任意の傾斜角を有する円錐又は多角錐であり、傾斜角に応じて、隙間の変化量に対し軸方向の変化量が増幅されることが好ましい。
上記構成により、複数の傘状可動子の前後における各隙間において気体軸受を形成し、その隙間を駆動気体圧と押し付け気体圧とによって制御する。したがって、アクチュエータ全体の微小移動に関するバネ定数は、一般的な気体制御アクチュエータに比べ格段に高い値となり、高速応答性が改善される。
また、傘状可動子が、案内部によって移動動軸方向に直列に複数整列配置されるので、複数の気体軸受が軸方向に直列に配置される。したがって、出力可動子の移動量は、1つの隙間による微小移動量に、隙間の数を乗じた大きさになる。上記の例で、1つの隙間について数10μm程度の範囲で、nmオーダーの精度により微小移動させるものとして、隙間の数を10とすれば、数100μm程度の範囲で、10nmオーダーの精度により微小移動させることができる。
また、曲面座形状の頂点部と、各傘状可動子の両端部の各曲面形状の頂点部とを、移動軸に沿って整列配置するので、これら複数の曲面形状がその頂点部を調心の中心として揃って配置され、いわば自動調心的に整列する。したがって、案内部は、その側壁を用いて正確に各傘状可動子等を案内しなくてもすむ。
また、各傘状可動子の前後面の曲面形状をいずれも同一の曲面関数で表される曲面形状とするので、同じ形状の傘状可動子を用いることができ、任意の移動範囲に対応して傘状可動子の数の増減が容易になる。
また、各傘状可動子の曲面形状と、出力可動子及び案内部の曲面座形状とを、同一の曲面関数で表される曲面形状とするので、同一形状の加工ですむ。
また、曲面形状は、移動軸に対して任意の傾斜角を有する円錐又は多角錐とし、傾斜角に応じて、隙間の変化量に対し軸方向の変化量が増幅されるので、任意の移動範囲に合わせて傾斜角を設定することができる。
上記のように、本発明に係る気体制御アクチュエータによれば、高速応答性を改善して微小移動が可能となる。また、本発明に係る気体制御アクチュエータによれば、作動範囲の広い微小移動が可能となる。
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、気体制御アクチュエータの構成、作用等について詳細に説明した後、その気体制御アクチュエータを移動機構等に適用する場合のいくつかの変形例と、それが適用される移動機構の構成、作用等を説明する。
図1は、気体制御アクチュエータ10の構成を示す図である。気体制御アクチュエータ10は、図1の矢印で示す移動方向に移動して、図示されていない対象物を移動させるのに用いられ、肩部の段差を有する出力可動子12と、出力可動子12等を移動方向に案内する案内部16と、その間に配置され、中央に貫通穴を有する複数の傘状可動子20とを含んで構成される。出力可動子12の底面は曲面形状を有する曲面座14で、また案内部16の底面も曲面形状を有する曲面座18である。これらの曲面形状は、各傘状可動子20の傘部分の曲面形状に対応する形状である。
また、気体制御アクチュエータ10は、案内部16の底面の曲面座18の頂点部に開口する第1気体供給路40と、出力可動子12と案内部16の側壁とで構成される気体室48に開口する第2気体供給路50とを含む。第1気体供給路40の曲面座18における開口は、各傘状可動子20の中央貫通穴と対応するので、第1気体供給路40は、これらの中央貫通穴を通って、出力可動子12の曲面座14にまで至るものと考えてよい。気体室48の前後において、出力可動子12の外周、あるいは案内部16の内周に、表面絞り部46が設けられる。
また、気体制御アクチュエータ10は、制御部58を有する。制御部58は、図示されていない気体源からの元気体圧の気体を所定の制御気体圧に調整し、第1気体供給路40及び第2気体供給路50に供給する機能を有する。第1気体供給路40には、傘状可動子20と出力可動子12を移動軸11方向に移動駆動させるための駆動気体圧P1が第2気体供給路50には、複数の傘状可動子20の前後における各隙間の気体を圧縮しつつ、出力可動子12を案内部16の曲面座18に向かって押し付ける押付気体圧P2が供給される。駆動気体圧P1及び押付気体圧P2の大きさは、出力可動子12に要求される移動量ΔXの大きさによる。
例えば、上記の例のように、気体軸受の隙間を約10μmとして、これを1μm変化させるにはおよそ10Nの力を要する構造を有するものとし、複数の傘状可動子20の前後における各隙間が全て同等の特性として、その隙間の総数を10とし、ΔXに対応する隙間全移動量を10μmとすれば、各隙間移動量は1μmとなるので、(P1−P2)=10Nとなる。このように、制御部58は、軸方向移動量ΔXを指令量とし、これに対応する(P1−P2)を求め、それぞれの駆動気体圧P1及び押付気体圧P2を生成して、第1気体供給路40及び第2気体供給路50に供給する機能を有する。
なお、(P1−P2)が求まるとき、P1又はP2を一定とし、他方を変化させるように調整してもよく、P1及びP2の双方を予め定められた関係の下で変化させてもよい。また、出力可動子12又はその先の移動対象物の実際変位量を図示されていないセンサで検出し、制御部58へ戻し、指令量ΔXと比較するフィードバック制御を行うものとしてもよい。
出力可動子12は、例えば移動テーブル等の移動対象物に接続されて移動対象物を微小移動させるためのアクチュエータ可動子としての機能を有する部材である。出力可動子12は、肩部を有する円筒形状で、その肩部のところで、移動対象物側である先端部の直径が傘状可動子20に向かい合う側である曲面座14側の直径より小さくなっている。曲面座14側の大きな直径の円筒部の外周は、案内部16の円筒状内壁の直径より僅かに大きく設定される。また、出力可動子12の底面の曲面座14は、第1気体供給路40からの気体を受ける気体受面の機能を有し、曲面座14の形状は、傘状可動子20の曲面形状に対応する形状で、以下に示すように傘状可動子20の曲面形状が移動軸11との傾斜角が30度の円錐形状であるので、曲面座14の形状もまた、移動軸11との傾斜角が30度のくぼみ円錐形状である。かかる出力可動子12は、円柱形状の金属部材又はセラミック部材を加工したものを用いることができる。
案内部16は、出力可動子12及び複数の傘状可動子20を移動軸11方向に沿って移動自在に案内する部材で、上記のように、出力可動子12の曲面座14側の直径より若干大きめの円筒状内壁を有する部材である。また、出力可動子12の肩部に対応して、円筒状内壁は、先端部の内径が細くなっている。円筒状内壁の底面の曲面座18は、押付気体圧P2との関係で、第1気体供給路40からの気体を受ける気体受壁の機能を有し、曲面座18の形状は、傘状可動子20の曲面形状に対応する形状で、傘状可動子20の曲面形状が移動軸11との傾斜角が30度の円錐形状であるので、曲面座18の形状もまた、移動軸11との傾斜角が30度のとがり円錐形状である。また、傘状可動子20の外周の大きさは案内部16の内径より小さくなっており、その外周と内径との間の隙間に各傘状可動子20の前後における隙間を通って流れる気体が集められてExと示される排気口から排気される。このように、案内部16の内壁形状はかなり複雑であるので、案内部16は、複数の部材を組合せて形成することが好ましい。例えば、先端部の小さな内径を有する円環部材、中央部の大きな内径を有する円環部材、曲面座18及び第1気体供給路40を有する底部材等の3つの要素を組み合せて、全体として案内部16を形成することができる。もちろん一体成形によって、所望の形状の案内部16を得ることもできる。案内部16の材質としては、金属又はセラミックを用いることができる。
傘状可動子20は、出力可動子12と共に、複数の気体軸受隙間を形成して、気体制御アクチュエータ10の移動可能範囲を隙間の数に応じて広げる可動子群を構成するものである。そして、隙間の数を少ない体積の下で効果的に増加させるため、薄い材料で構成され、また複数の可動子を整列配置するのに、自動的に移動軸11に沿って調心するように、頂点部を合わせるような傘状形状を有する部材である。
図2は、傘状可動子20の斜視図である。傘状可動子20は、円錐状の薄板22で、頂点部は平らで、その中央部に貫通穴24を有する。円錐状薄板22には、その表面に浅いくぼみ26が中央の貫通穴24から円錐形の広がりに沿って数本配置される。この浅いくぼみ26は、円錐状薄板22に沿って気体が流れるとき、表面絞りとして乱れの少ない流れとする作用を有する。かかる傘状可動子20は、金属薄板をプレス成形等で加工したものを用いることができる。これに代えてプラスチックあるいはセラミックの材料を成形加工して所望の形状の傘状可動子20を得ることもできる。
図3は、隣接する2つの傘状可動子20の配置状態を示す図である。このように、傘状可動子20の円錐状薄板22は、移動軸11に対し傾斜角αの傾斜を有する円錐形状である。そして、隣接する2つの傘状可動子20は、隣接する円錐状薄板22の間の隙間Δsを保って配置される。この隙間Δsは、気体軸受の隙間に相当するもので、上記のように駆動気体圧P1及び押付気体圧P2の(P1−P2)で定まるものである。例えば上記の例ではΔs=10μm(初期値)である。この状態から(P1−P2)がさらに10N変化すると、Δsは、1μm変化することになる。そして図3から理解できるように、Δsと、移動軸方向に測った隙間Δxとの間には、Δx=Δs/sinαの関係がある。いまα=30度として、Δx=2Δsとなる。つまり、隣接する傘状可動子20の気体軸受隙間Δsの変化は、2倍に増幅されて、移動軸11方向の傘状可動子20の移動量Δxとなる。換言すれば、Δsが1μm変化すれば、Δxは2μm変化する。
再び図1に戻り、気体供給路の説明をする。案内部16の底部に設けられ、曲面座18の頂点部の中央に開口する第1気体供給路40は、制御部58から供給される駆動気体圧P1の気体圧を有する気体を導くための気体流路である。第1気体供給路40は、制御部58からの供給口と、曲面座18の開口との間に絞り部42を備える。絞り部42は、気体軸受への第1気体供給路40の途中に設けられ流体抵抗を増加させる機能を有する素子又は構造である。
図4、図5は、絞り部として好ましい2つの例を示す図である。図4は、可動体60のポケット開口64の中に設けられる平行隙間絞り70である。平行隙間絞り70は、ドーナツ状に中央穴を有する円環板72と、円環板72と外形が同じの円板74とが狭い平行隙間で配置され、その平行隙間の間を気体が流れる間に整流され、その流れが乱れなく形成されるものである。平行隙間は、例えば、気体供給路62に供給される気体圧を0.5Mpaとし、その流速を30m/secとして、これを絞りにより流速300m/secの層流とするときの場合で、50μmが好ましい。そのときの円環板72と円板74との間の平行隙間の長さは、50μmに対し、十分長いことが望ましい。例えば5−10mm程度とすることができる。
このように平行隙間絞りの整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成することで、例えば絞りとして一般的に用いられるオリフィス絞り等により、気体を絞る場合に生ずる乱流や渦流等を抑制できる。特に、高圧かつ高速の気体を扱うときにオリフィスのエッジ等から生ずる衝撃波を抑制することもできる。したがって、気体圧制御において、このようなノイズの影響を少なくでき、気体制御アクチュエータ10の制御性の向上を図ることができる。
図5は、絞り部のもう1つの好ましい例として、多孔質材料76をポケット開口64の中に配置するものを示す図である。この場合も、多孔質の微小孔の整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成することができる。
これらの絞り部は、製作の容易性、整流性、絞り特性等にそれぞれ特徴がある。したがって、気体制御アクチュエータ10に要求される応答性、耐ノイズ性、気体条件等を考慮し、コストと性能の兼ね合いで最も適する構成を選択することが好ましい。
このように、絞り部42を経由した駆動気体圧P1を有する気体は、案内部16における曲面座18の頂点部の中央に設けられる開口から、傘状可動子20に向かって噴き出す。噴き出した気体は、曲面座18に最も近い最後端の傘状可動子20と曲面座18との間の隙間に流れ、ここに気体軸受としての流れを形成する。また、上記のように傘状可動子20の頂点部の中央には貫通穴24が設けられるので、この駆動気体圧P1を有する気体はこの貫通穴24を通って、次の傘状可動子20に向かって流れる。そこでは、先ほどの最後端部の傘状可動子20との間の隙間にこの駆動気体圧P1を有する気体が供給され、やはり気体軸受としての流れを形成する。また、この2番目の傘状可動子20にもその頂点部の中央には貫通穴24が設けられるので、この駆動気体圧P1を有する気体はこの貫通穴24を通って、さらに次の傘状可動子20に向かって流れる。
このようにして、傘状可動子20における頂点部の中央の貫通穴24によって、駆動気体圧P1を有する気体は順次、隣接する傘状可動子20の間の隙間に気体軸受としての流れを形成しながら、先端の傘状可動子20に向かって供給される。最先端の傘状可動子20における頂点部の中央の貫通穴24から噴き出す気体は、出力可動子12の曲面座14に向かって噴き出し、最先端の傘状可動子20との間の隙間に流れ、ここに気体軸受としての流れを形成する。
したがって、図1の例では12個の傘状可動子20を用いているので、全体として傘状可動子20の前後の気体軸受として働く隙間は合計13となる。そして、駆動気体圧P1の大きさを、この複数の傘状可動子20を流れる間の気体圧損失に比べ十分大きく設定することで、それぞれの隙間は、駆動気体圧P1の気体が流れる気体軸受として同等の機能を有すると考えることができる。つまり、気体軸受の隙間量制御によって微小移動制御を行う場合、出力可動子12の移動量は、1つの気体軸受隙間を設ける場合に比べ13倍にその範囲を拡大できる。
また、複数の傘状可動子20の前後における隙間を流れる気体も案内部16の円筒状内壁に向かって流れる。これらの案内部16の円筒状内壁に向かって流れる気体は、図1にExとして示す排気口に集められ、例えば大気圧に開放される。
第2気体供給路50は、出力可動子12の肩の部分に押付気体圧P2を有する気体を供給する機能を有する気体流路である。押付気体圧P2とは、複数の傘状可動子20の前後における各隙間の気体を圧縮しつつ、出力可動子12を案内部16の気体受壁である曲面座18に向かって押し付けるための気体圧である。上記のように、傘状可動子20の前後における各隙間には第1気体供給路40により駆動気体圧P1が供給されるので、(P1−P2)によって各隙間の大きさΔsが制御されることになる。押付気体圧P2による押付力Fは、出力可動子12の肩部における面積、すなわち肩部における直径をD,dとすれば、F=P1×(D2−d2)π/4で与えられる。
また、押付気体圧P2を有する気体は、出力可動子12の外周又は案内部16の内周に設けられた表面絞り部46に流入し、出力可動子12を案内部16の内壁に接触させることなく、いわゆる気体軸受としての機能を発揮させる。
上記構成の気体制御アクチュエータ10の作用を説明する。最初に、制御部58は、気体制御アクチュエータ10において、傘状可動子20の前後の隙間が、気体軸受隙間制御に適する動作条件に駆動気体圧P1及び押付気体圧P2を設定する。この設定は、1つの微小隙間における気体圧と浮上量すなわち隙間との関係に基づいて行われる。この関係は圧縮性気体の流れ理論からの計算値を用いてもよいが、実験によって較正された計算値を用いることが好ましい。
例えば、実験による較正の結果、押付気体圧を0.4Mpaとして、駆動気体圧を0.20−0.40MPaに変化させると、隙間が、10−20μmに線形的に変化することが得られたとすれば、押付気体圧P2を0.4Mpaとして、標準隙間を15μm、そのときの駆動気体圧P1を0.3MPaと設定できる。
このように初期状態の駆動気体圧P1及び押付気体圧P2が設定されると、制御部58から第1気体供給路40に0.3MPaの駆動気体圧P1が、第2気体供給路50に0.4Mpaの押付気体圧P2がそれぞれ供給され、上記の設定によれば、傘状可動子20の前後の隙間はそれぞれΔs=15μmとして、気体軸受効果により各傘状可動子20及び出力可動子12が軸方向に整列して浮上する。このとき、案内部16の曲面座18、各傘状可動子20、出力可動子12の曲面座14は、それぞれ同一の曲面形状を有するので、各曲面形状の頂点部において相互的に自動的に調心される。そして、この場合、出力可動子12の先端は、13個の隙間と、傘状可動子20の移動軸11に対する傾斜角30度の増幅率2によって、気体が供給されないときより、13×2×15μm=390μm先端側に移動する。これが初期状態であり、この状態が移動対象物の原点となる。
次に、出力可動子12の先端の移動量ΔXが指令量として制御部58に与えられ、制御部58はこの指令量に基づいて、駆動気体圧P1又は押付気体圧P2を変化させる制御を行う。例えばΔX=26μm、つまり出力可動子12は、390μmの初期状態からさらに移動軸11に沿って、先端側方向に26μm移動するように指令がされたとする。この場合、先ほどの13個の隙間及び傾斜角30度の増幅率2を用いて、1つの隙間当たりの移動量、つまり隙間変化量を求めると、26/(13×2)=1μmとなる。この1μmの隙間変化量に対応する気体圧の制御量は、上記の例における「0.20−0.40MPaの変化で、隙間変化が10−20μm」、すなわち10μm/0.20MPaを用いると、0.02Mpaだけ(P1−P2)を変化させればよい。したがって、押付気体圧P2を0.4Mpaのままとすれば、駆動気体圧P1を0.32MPaに制御する。もちろん、駆動気体圧P1を0.3MPaのまま、押付気体圧P2を0.38Mpaとしてもよく、あるいは、駆動気体圧P1と押付気体圧P2の双方を変化させ、(P1−P2)=0.2MPaに変化させてもよい。
このようにして、駆動気体圧P1又は押付気体圧P2の差分である(P1−P2)について変化制御が行われると、これに応じ、各傘状可動子20の前後の隙間は、上記の例でそれぞれ1μm隙間量を増加させる。したがって、出力可動子12の先端の移動量は、26μm増加する。
上記において、傘状可動子20の形状は、移動軸11に対し傾斜角30度の円錐状のものとしたが、傾斜角は任意に変更が可能である。例えば傾斜角60度とすれば、これによるΔx/Δsの増幅率は2/√3とできる。このように傾斜角αを変更することで、移動軸11方向の移動量の範囲を増減できる。また、傘状可動子20の前後面の曲面形状を、円錐形状以外の曲面形状としてもよい。例えば多角錐あるいは球面の一部である曲面形状とできる。それ以外の曲面関数で表される任意の曲面形状を用いてもよい。また、前後面の曲面形状を異なる曲面関数で表される曲面形状としてもよい。この場合は、隣接する傘状可動子20の間の隙間は、一様ではなくなるが、例えば中央の貫通穴から案内部16の内壁に向かって隙間量が次第に広くなるようにすること等が可能となり、これにより隙間における気体の流れをより滑らかにすること等ができる。また、上記において、傘状可動子20の数を12としたが、もちろん、出力可動子12の移動量範囲の設定に応じて、その数を増減してもよい。
複数の傘状可動子を用いる気体制御アクチュエータは、XYθ移動機構のテーブルのアクチュエータとして利用できる。図6は、XYθ移動機構100の平面図で、筐体102の中央に設けられる矩形の案内穴104の中に配置される矩形テーブル106を8個の気体制御アクチュエータ110を用い、図6に示すXY平面内での移動、及びXY平面に垂直なZ軸周りにθ回転を行うものの構成が示される。ここで、8個の気体制御アクチュエータ110のうち、図6の紙面において矩形テーブル106の左右に配置され、移動軸方向がX方向に平行な4つは、X軸アクチュエータで、紙面において矩形テーブル106の上下に配置され、移動軸方向がY方向に平行な4つは、Y軸アクチュエータである。これらの複数の気体制御アクチュエータ110を組み合わせて駆動制御し、その協働によって、矩形テーブル106をXYθ移動させることができる。
例えばX軸方向の動作については、4組のXアクチュエータの動作のみを考えればよい。さらに単純にするには、この4組を左半分の2組と右半分の2組に分け、左半分の2組は共に同じ動作をし、右半分の2組は共に同じ動作をする場合を考えればよい。この場合の動作は、X軸方向の移動が制御できる。同様に、4組のYアクチュエータについて上半分の2組と下半分の2組をそれぞれ同じ動作をするものとしてY軸方向の移動が制御できる。このように、矩形テーブル106をXY平面内で任意の位置に移動させることができる。
さらに、4組のXアクチュエータのうち、右上のものと左下のものとを組にし、右下のものと左上のものとを別の組にし、それぞれの組の移動量を異ならせることで、Z軸周りに矩形テーブル106を回転させることができる。4組のYアクチュエータを用いてもよい。このようにして、矩形テーブル106をZ軸周りにθ回転させることができる。また、上記のXY平面内移動とθ回転とを組み合わせて、任意のXYθ移動を行わせることができる。
なお、これらのXアクチュエータ、Yアクチュエータは、それぞれ4つずつである必要はなく、例えばそれぞれ又はいずれかを4つ以外の数で構成してもよい。また、左右対称に配置する必要もなく、矩形テーブル106の形状、要求性能等に合わせ適当な配置をとることができる。また、例えば、X軸方向について左右それぞれ2つずつでなくて、一方側を1つ、他方側を2つというように、左右について配置数を異ならせてもよい。Y軸方向の配置についても同様に配置数を非対称としてもよい。
図7は、XYθ移動機構100に使用される気体制御アクチュエータ110の詳細構成を示す図である。図1と共通の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。XYθ移動機構100に使用される気体制御アクチュエータ110は、図1の基本的気体制御アクチュエータ10といくつかの点で相違する特徴を有している。1つは、矩形テーブル106を間にして、向こう側で駆動される他の気体制御アクチュエータ110の駆動力により押付力Fを相互に受け合うので、押付気体圧P2が不要であり、したがって出力可動子は肩部を有しない。2つ目は、移動対象物である矩形テーブル106を押して移動させるときに、θ回転を伴うと、出力可動子の先端と矩形テーブル106との間の接触点が移動する。この矩形テーブル106の回転運動に滑らかに追従させるため、出力可動子は2つに分けられ、その間は曲面座で支持される。3つ目は、出力可動子の先端と矩形テーブル106との間の接触点の移動に伴うすべり摩擦を軽減するため、出力可動子の先端と矩形テーブル106の対応する辺との間に気体を供給し、気体層を介して出力可動子の駆動力が矩形テーブル106に伝達される。
図7に示される気体制御アクチュエータ110は、肩部のない案内部112と、案内部112の底面の曲面座18の上に整列配置される複数の傘状可動子20と、出力可動子として2つに分けられ、傘状可動子20に向かい合う曲面座14と、その反対側の面に設けられる別の曲面座118とを有する第1出力側可動子114と、第1出力側可動子114の曲面座118に対応する底面曲面120を有する第2出力側可動子116とを含んで構成される。第2出力側可動子116の先端面は平坦で、図示されていない矩形テーブルから押付力Fを受ける。
そして、気体制御アクチュエータ110は、駆動気体圧P1を有する気体を供給する第1気体供給路40を備える。第1気体供給路40は、絞り部42を経由して、複数の傘状可動子20の中央の貫通穴を通って、各傘状可動子20の前後の隙間に駆動気体圧P1を有する気体を供給するところは、図1の気体制御アクチュエータ10と同様である。さらに、第1出力側可動子114と第2出力側可動子116の中央にも貫通する流路が設けられるので、駆動気体圧P1を有する気体は、これらの貫通穴を通り、第1出力側可動子114の曲面座118と第2出力側可動子116の底面曲面120との間の隙間、及び、第2出力側可動子116の先端面と図示されていない矩形テーブルの対応する辺の面との間に供給される。
したがって、第2出力側可動子116は、第1出力側可動子114の曲面座118に気体支持され、またその先端面は気体層を介して矩形テーブルに駆動力を伝達する。傘状可動子20の数及び傾斜角による隙間変位量に対する移動軸方向の変位量に対する増幅作用は、図1に関連して説明した内容と同様である。このように、移動範囲の広い微小移動が可能な気体制御アクチュエータ110は、XYθ移動機構100に用いることができる。
図8から図10は、XYθ移動機構100に利用できる他の気体制御アクチュエータの例を説明するものである。これらは、いずれも、矩形テーブル106側から、気体制御アクチュエータの先端面142とそれに向かい合う矩形テーブル106の気体受面140との間の隙間に駆動力伝達用の伝達気体が供給される。この気体層によって、気体制御アクチエータの駆動力が矩形テーブル106に伝達されることは図8から図10を通して同じである。
図8に示す気体制御アクチュエータ130は、第1出力側可動子114は図7と同様であるが、第2出力側可動子132には駆動気体圧P1を供給するための流路が設けられない。代わりに、矩形テーブル106側に、伝達気体圧P3のための伝達気体供給路136が設けられる。なお、図1、図7と共通の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。伝達気体供給路136は、絞り部138を介し、矩形テーブル106の気体受面140に設けられる開口に至り、そこから、第2出力側可動子132の先端面142と、矩形テーブル106の気体受面140との間の隙間に伝達気体を供給する。絞り部138には、図4、図5に説明したものを用いることができる。この構成により、伝達気体圧P3を駆動気体圧P1に対し独立に設定することが可能となる。
図9に示す気体制御アクチュエータ140は、第2出力側可動子116に中央貫通穴を設け、第1出力側可動子141に中央貫通穴を設けない例を示す図である。図1、図7、図8と共通の要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。この構成により、第1出力側可動子141の曲面座118と、第2出力側可動子116の底面曲面120との間の隙間には、駆動気体圧P1でなく、伝達気体圧P3が供給される。したがって、この隙間を流れる気体の気体圧を駆動気体圧P1に対し独立に設定することが可能となる。
図10に示す気体制御アクチュエータ150は、粗動移動を微小移動と組み合わせ、さらに移動範囲を広く取れるものである。ここでは、案内部112は円筒状内壁を有し、底面は平坦であってよい。そこに気体室154が設けられ、駆動気体圧P1の供給口152からの流路が開口する。案内部112の円筒状案内穴には、上面側に曲面座18を有する底面側可動子156が軸方向に移動可能に配置される。曲面座18の先は複数の傘状可動子20が整列配置され、その先には出力可動子158が配置され、出力可動子158の先端面142は、矩形テーブル106の気体受面140に向かい合う。
この構成において、底面側可動子156の底面は、平坦で、その面全体で駆動気体圧P1を受ける。気体室154は、十分広いので、複数の傘状可動子20の前後における隙間のように気体軸受効果が働かず、駆動気体圧P1によって、いわゆるピストン・シリンダ機構の原理で底面側可動子156は駆動力を受け、粗動移動する。一方、出力可動子158の中央には貫通穴160が設けられ、矩形テーブル106側から気体圧P4が供給される。この気体圧P4を有する気体は、複数の傘状可動子20の中央貫通穴を通って、底面側可動子156の曲面座18に向かって供給される。したがって、複数の傘状可動子20のそれぞれの前後の隙間に気体圧P4が供給され、これにより気体軸受効果が働く。この場合の押付力は、駆動気体圧P1による駆動力となる。
このようにして、駆動気体圧P1の制御による粗動移動と、複数の傘状可動子20の前後の隙間量の制御による微小移動とを組み合わせて、移動範囲の広い粗動微小移動が可能となる。
複数の傘状可動子を用いる気体制御アクチュエータは、6自由度パラレルリンク機構のアクチュエータとして利用できる。図11は、気体制御アクチュエータを6つ用いて6自由度パラレルリンク機構170を構成する例を示す図である。6自由度パラレルリンク機構170は、ベース172と、可動ステージ174との間を6つの気体制御アクチュエータ180を所定の角度配置で取り付けることで構成される。この構成は、一般的な6自由度パラレルリンクにおける構成の6つのアクチュエータを気体制御アクチュエータ180に置き換えたもので、周知の制御法により、6つの気体制御アクチュエータ180の変位量をそれぞれ制御することで、可動ステージ174をベース172に対し、X,Y,Z,φ,θ,ψの6自由度で運動させることができる。
図12は、6自由度パラレルリンク機構に用いられる気体制御アクチュエータ180回りの構成を示す図である。気体制御アクチュエータ180は、出力可動子182の形状がやや異なっている程度で、他は複数の傘状可動子20を含め、図1で説明した構成とほぼ同様のものを用いることができるので、同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。気体制御アクチュエータ180の案内部16にはベース側可撓継手184の一端が取り付けられ、ベース側可撓継手184の他端は、ベース172の所定位置に取り付けられる。また、出力可動子182には可動ステージ側可撓継手186の一端が取り付けられ、可動ステージ側可撓継手186の他端は、可動ステージ174の所定位置に取り付けられる。各気体制御アクチュエータ180の制御部188は、それぞれの案内部16に取り付けられる。
図13は、6自由度パラレルリンク機構用の気体制御アクチュエータの他の例を示す図である。図12と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ここでは、ベース側可撓継手192を可撓性パイプとし、これを通して駆動気体圧P1の供給をベース172側から行うところに特徴がある。これにより制御部188を個々のアクチュエータに設けずに軽量小型化を図ることができる。
本発明に係る実施の形態における気体制御アクチュエータの構成を示す図である。
本発明に係る実施の形態における傘状可動子の斜視図である。
本発明に係る実施の形態において、隣接する2つの傘状可動子の配置状態を示す図である。
本発明に係る実施の形態において、絞り部として好ましい例を示す図である。
本発明に係る実施の形態において、他の絞り部の例を示す図である。
本発明に係る実施の形態における気体制御アクチュエータを用いるXYθ移動機構の平面図である。
XYθ移動機構に使用される気体制御アクチュエータの詳細構成を示す図である。
XYθ移動機構に利用できる他の気体制御アクチュエータの例を説明する図である。
XYθ移動機構に利用できる別の気体制御アクチュエータの例を説明する図である。
XYθ移動機構に利用できるさらに別の気体制御アクチュエータの例を説明する図である。
本発明に係る実施の形態における気体制御アクチュエータを用いる6自由度パラレルリンク機構を示す図である。
6自由度パラレルリンク機構に用いられる気体制御アクチュエータ回りの構成を示す図である。
6自由度パラレルリンク機構用の気体制御アクチュエータの他の例を示す図である。
符号の説明
10,110,130,140,150,180,190 気体制御アクチュエータ、11 移動軸、12、158,182 出力可動子、14,18,118 曲面座、16,112 案内部、20 傘状可動子、22 円錐状薄板、24,160 貫通穴、26 くぼみ、40 第1気体供給路、42,138 絞り部、46 表面絞り部、48,154 気体室、50 第2気体供給路、58,188 制御部、60 可動体、62 気体供給路、64 ポケット開口、69 気体受壁、72 円環板、74 円板、76 多孔質材料、100 XYθ移動機構、102 筐体、104 案内穴、106 矩形テーブル、114,141 第1出力側可動子、116,132 第2出力側可動子、120 底面曲面、136 伝達気体供給路、140 気体受面、142 先端面、152 供給口、156 底面側可動子、170 6自由度パラレルリンク機構、172 ベース、174 可動ステージ、184,192 ベース側可撓継手、186 可動ステージ側可撓継手。