JP2008001496A - 移動ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 磁気浮上による非接触機構を採用し、装置を大型化及び高価格化することなく煩雑なメンテナンスが不要で、移動経路を自由に設定できる自在性がある移動ユニットを提供すること。
【解決手段】 超電導体からなる基板と、該基板上を非接触に移動する移動体とで構成される移動体ユニットであって、前記基板は、超電導状態を示すように冷却され、前記移動体は、複数のアクチュエータと、該アクチュエータの一端部を固定する固定部と、該アクチュエータの他端部に夫々接続された複数の錘とからなり、前記錘は、各々別個のアクチュエータによって前記固定部に接続され、該錘及び固定部の少なくともいずれか一方が磁石からなり、前記アクチュエータに対して選択的にエネルギーが供給されることを特徴とする移動ユニットとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、移動ユニットに関し、より詳しくは、複数の錘が圧電素子によって固定部に固定された移動体が、超電導体基板上を非接触に移動する移動体ユニットに関するものである。

現在、物体を移動させる場合の大半は、ベルトコンベアや搬送車などによる接触機構を使用しており、物体が接触しているため、摩擦を発生しながら運動している。このような摩擦を発生しない機構としては、磁気浮上による非接触機構がある。
該非接触機構は、支持力が比較的小さいなど、不利な点もあるが、摩擦や磨耗の問題が少なく、メンテナンスが容易となり、システムを半永久的に使用できる。また、振動や騒音の問題が低減され、高速化が可能になるなど、利点も多い。さらに、油潤滑が不要となるので、油圧ポンプ、油圧系統のパイプ類、油を浄化する装置が不要になり、汚染問題も減少するという付加価値も大きい。

例えば下記特許文献１には、真空槽の底面上にリング状に配設された中空の冷却槽と、この冷却槽内に配設された一対の超電導体と、真空槽の底面外に配設されて底面に沿って移動することによって、超電導体を冷却槽内で移動させる一対の駆動用磁石と、冷却槽の上方に配設され、超電導体に浮上拘束されて移動する一対の浮上用磁石と、該浮上用磁石に一端部を取り付けられた一対のアームと、該アームの他端部に拘束結合された搬送台とを備えた真空装置用ウエハ搬送機構が提案されている。
この真空装置用ウエハ搬送機構によれば、一対の超電導体を駆動用磁石および浮上用磁石に垂直に重なるようにして冷却し、一対の駆動用磁石を真空槽の底面に向かって上昇させると、超電導体が冷却槽内において磁気浮上し、浮上用磁石も冷却槽と僅かな隙間をもって磁気浮上することによって、駆動用磁石を円軌道を描くように右回転及び左回転させると、これに伴ってアームが回転し、搬送台が直線運動することができる。

また、下記特許文献２には、導電性を有する非磁性金属よりなる浮上体を、電磁石群列上を浮上走行させる磁気浮上搬送装置において、搬送路となる上記電磁石群列を予め規定長、規定形状の複数のユニットとして構成し、該ユニットを組合せて搬送路を構成してなることを特徴とする磁気浮上搬送装置が提案されている。
この磁気浮上搬送装置によれば、予め規定形状、規定サイズのユニットを製作するので、量産が可能となり、退避路等の複雑な搬送路の設計も、ユニットの組合せによって自在に実現できるので、搬送システムの設計が容易になる。

しかしながら、上記提案されている機構や装置は、いずれもレール等の案内部材によって、予め定められた移動経路上しか移動することができないものである。従って、移動経路の変更等の設計変更に対する自在性が低く、案内部材の設置を必要とするため、装置が大型化したり高価格化したり、煩雑なメンテナンスを要するという問題もある。

特開平６−１２０３１７号公報 実開平５−４２２３６号公報

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、磁気浮上による非接触機構を採用し、装置を大型化及び高価格化することなく煩雑なメンテナンスが不要で、移動経路を自由に設定できる自在性がある移動ユニットを提供するものである。

請求項１に係る発明は、超電導体からなる基板と、該基板上を非接触に移動する移動体とで構成される移動体ユニットであって、前記基板は、超電導状態を示すように冷却され、前記移動体は、複数のアクチュエータと、該アクチュエータの一端部を固定する固定部と、該アクチュエータの他端部に夫々接続された複数の錘とからなり、前記錘は、各々別個のアクチュエータによって前記固定部に接続され、該錘及び固定部の少なくともいずれか一方が磁石からなり、前記アクチュエータに対して選択的にエネルギーが供給されることを特徴とする移動ユニットに関する。

請求項２に係る発明は、前記複数の錘が電磁石からなり、前記アクチュエータは、バイモルフ型ピエゾアクチュエータであり、前記電磁石に対して選択的に電力が供給されることを特徴とする請求項１記載の移動ユニットに関する。

請求項３に係る発明は、前記複数の錘が電磁石からなり、前記アクチュエータは、形状記憶合金アクチュエータであり、前記電磁石に対して選択的に電力が供給されることを特徴とする請求項１記載の移動ユニットに関する。

請求項４に係る発明は、前記基板は第二種超電導体からなり、前記固定部が永久磁石からなり、前記アクチュエータは、積層型ピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の移動ユニットに関する。

請求項５に係る発明は、前記基板は第二種超電導体からなることを特徴とする請求項２又は３記載の移動ユニットに関する。

請求項６に係る発明は、前記アクチュエータに対する選択的なエネルギー供給パターンの情報が、外部記憶手段に格納され、前記情報に基づいて、外部制御手段が前記アクチュエータへエネルギーを供給することを特徴とする請求項１記載の移動ユニットに関する。

請求項７に係る発明は、前記アクチュエータに対する選択的なエネルギー供給パターンの情報、及び電磁石に対する選択的な電力供給パターンの情報が、外部記憶手段に格納され、前記情報に基づいて、外部制御手段が、前記アクチュエータへエネルギーを供給し、電磁石へ電力を供給することを特徴とする請求項２又は３記載の移動ユニットに関する。

請求項１に係る発明によれば、超電導体基板上に、複数の錘が各々別個のアクチュエータによって固定部に接続されて錘及び固定部の少なくとも一方が磁石からなる移動体が配置され、基板が冷却されて超電導状態となることによって、移動体の磁石による磁束によって移動体が磁気浮上し、その個々のアクチュエータに選択的にエネルギーが供給されることによって、アクチュエータが伸長又は圧縮して錘の位置を変えることができるので、移動体を基板上で非接触に水平方向へ自在に移動させることができる。これによって、磁気浮上による非接触機構を採用し、装置を大型化及び高価格化することなく煩雑なメンテナンスが不要で、移動経路を自由に設定できる自在性がある移動ユニットを提供することが可能である。

請求項２に係る発明によれば、超電導体基板上に、複数の電磁石が各々別個のバイモルフ型ピエゾアクチュエータによって固定部に接続された移動体が配置され、基板が冷却されて超電導状態となることによって、電磁石による磁束によって移動体が磁気浮上し、その個々の電磁石及びバイモルフ型ピエゾアクチュエータに選択的に電力が供給されることによって、バイモルフ型ピエゾアクチュエータが時計回り又は反時計回り方向に屈曲して磁束を発生していない電磁石の位置を容易に変えることができるので、移動体を基板上で非接触に水平方向へ自在に移動させることができる。また、電磁石への電力供給量を変化すれば、基板垂直方向でも自在に移動させることができる。

請求項３に係る発明によれば、超電導体基板上に、複数の電磁石が各々別個の形状記憶合金アクチュエータによって固定部に接続された移動体が配置され、基板が冷却されて超電導状態となることによって、電磁石による磁束によって移動体が磁気浮上し、その個々の電磁石及び形状記憶合金アクチュエータに選択的にエネルギーが供給されることによって、形状記憶合金アクチュエータが時計回り又は反時計回り方向に屈曲して磁束を発生していない電磁石の位置を容易に変えることができるので、移動体を基板上で非接触に水平方向へ自在に移動させることができる。また、電磁石への電力供給量を変化すれば、基板垂直方向でも自在に移動させることができる。

請求項４に係る発明によれば、第二種超電導体基板上に、複数の錘が各々別個の積層型ピエゾアクチュエータによって永久磁石に接続された移動体が配置され、基板が冷却されて不完全マイスナー状態となることによって、永久磁石による磁束によって移動体がピン止め浮上し、その個々の積層型ピエゾアクチュエータに選択的に電力が供給されることによって、積層型ピエゾアクチュエータが積層方向へ伸長又は圧縮してピン止め力を利用して錘の位置を変えることができるので、移動体を基板上で非接触に水平方向へ自在に移動させることができる。

請求項５に係る発明によれば、請求項２又は３記載の移動ユニットにおいて、超電導体基板が第二種超電導体からなることによって、基板が冷却されて不完全なマイスナー状態となるので、電磁石による磁束によって移動体がピン止め浮上し、電力が供給されて磁束を発生している電磁石はピン止め力によって保持され、基板上方に安定して位置決めすることができる。

請求項６に係る発明によれば、アクチュエータに対する選択的なエネルギー供給パターンの情報を外部記憶手段に格納し、その情報に基づいて外部制御手段がアクチュエータへエネルギーを供給するので、簡便に所望の動きを移動体にさせることができ、予め定められた所定の動きを移動体にさせることも可能である。

請求項７に係る発明によれば、請求項２又は３記載の移動ユニットにおいて、アクチュエータ及び電磁石に対する選択的なエネルギー供給パターンの情報を外部記憶手段に格納し、その情報に基づいて外部制御手段がアクチュエータ及び電磁石へエネルギーを供給するので、簡便に所望の動きを移動体にさせることができ、予め定められた所定の動きを移動体にさせることも可能である。

以下、本発明に係る移動ユニットの好適な実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明に係る移動ユニットの第一実施形態の一例を示す平面図である。図２は、図１の移動ユニットの正面図である。
移動ユニット１は、超電導体からなる基板２と、基板２上を非接触に移動する移動体３とで構成される。

基板２は、超電導体が超電動状態を示す温度まで冷却可能な冷却槽４内に配設される。
移動体３は、４つの電磁石（電１〜４）５が、各々圧電素子（Ｐ１〜４）６によって接続されて固定部７に固定されている。
電磁石５は、コア周囲に励磁コイルが巻かれ、そのコイル線材が外部の電磁石駆動回路に接続され、該電磁石駆動回路から入力される所定の電流によって磁束が発生する。

圧電素子６は、電圧が印加されることによって変位を起こす素子であり、バイモルフ型のピエゾアクチュエータの圧電素子（以下、バイモルフ型ピエゾ素子と称する）を例示することができる。圧電素子６は、外部のピエゾ素子駆動回路に接続され、該ピエゾ素子駆動回路から印加される所定の電圧に応じて伸縮変位する。ピエゾアクチュエータは、伸長・収縮時共に１００μｓ以下の高速で応答するため好ましい。ピエゾ素子の素材としては、圧電セラミックスが用いられているので、電磁ノイズが発生せず、付加電圧の幅を広いレンジで動作させることができる。
固定部７は、圧電素子６を固定するとともに、その上部に物体を載置して搬送できるようになっている。固定部７は、上記バイモルフ型ピエゾ素子を固定することができ、超電導体に対する４つの電磁石５による磁気浮上力によって浮上するために比較的軽量で、磁界に影響を及ぼさないものであれば、特に限定されないが、アルミニウム等、比較的軽量で磁界に影響を及ぼさない非磁性金属を例示することができる。

このように構成される移動ユニット１は、例えば、精密機械部品を搬送処理する真空装置やクリーンベンチ内に設置して用いることができる。

次に、基板２上での移動体３の非接触移動について、その原理を説明する。
まず、基板２上で移動体３が浮上する原理について説明する。
基板２に用いる超電導体としては、アルミニウム、スズ、インジウム、タングステン等で作られて完全なマイスナー効果のみを示す第一種超電導体や、ニオブ・チタン合金、ニオブ・スズ合金、セラミックス等で作られて不完全なマイスナー効果を示す第二種超電導体を用いることができる。

マイスナー効果は、超電導体に磁場を加えても磁束を侵入させないようになる効果で、完全反磁性と呼ばれている。超電導体を超電導状態に変わる温度（臨界温度Ｔｃ）より高い温度下（非超電導状態）で磁場を加えると磁束は通り抜け、温度を下げて超電導状態にすると超電導体の中に磁束は進入できず、超電導体を避けて通り、超電導体中にあった磁束は外にでることができず、超電導体内で永久電流がながれている状態（マイスナー状態）になる。このようなマイスナー状態においては、磁束を侵入させないので、超電導体上の磁石は重力にさからうように浮上（マイスナー浮上）する。
第一種超電導体は、臨界温度Ｔｃ以下の状態で、臨界磁場を超えない範囲の磁場を加えると完全なマイスナー状態を示す。

一方、第二種超電導体は、臨界温度Ｔｃ以下で、磁場を徐々に加えていくと、加える磁場の程度により、超電導状態である完全なマイスナー状態、超電導状態と常電導状態の混合状態である不完全なマイスナー状態、常電導状態を示す。不完全なマイスナー状態では、マイスナー効果を示す部分と量子化された磁束が貫く部分が混在する。第二種超電導体の中には、超電導体を作るときにできる結晶の境界や歪み、不純物などの要因によって自然に作られたピン止め点と呼ばれるものが存在する。このピン止め点は非超電導部分となるので、磁束が通りやすい点となる。超電導体を冷却し超電導状態を実現すると、磁束はピン止め点に保持され、その磁束を補足することによって浮上の復元力を得ることができる（ピン止め浮上）。

本発明においては、一般的に使用されることが多く、比較的安定な浮上が得られるピン止め浮上を採用することが好ましい。
また、超電導体としては、冷却槽４による冷却を考慮すると、比較的高温の臨界温度で超電導状態を示す第二種超電導体が好ましく、臨界温度−１８１℃のイットリウム系酸化セラミックス（ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｘ）を例示することができる。この場合、冷却槽４では液体窒素（沸点−１９５．８０２℃）を用いて冷却することができる。

このような超電導体の基板２を冷却して、完全な又は不完全なマイスナー状態を示す基板２上に、４つの電磁石５が圧電素子６によって固定部７に接続された移動体３を配置し、４つの電磁石５のうち少なくとも２つに所定の電流を流して磁束を発生させると、マイスナー浮上又はピン止め浮上によって、電磁石５が浮上するので、接続された圧電素子６及び固定部７とともに移動体３が浮上する。

次に、上述の浮上状態において移動体３が動く原理について説明する。なお、基板２が不完全なマイスナー状態を示すものを中心に説明する。また、動きについては、図１の紙面上方向を北方向として説明する。

図３は、図１における圧電素子の変位を説明する部分拡大図である。
上記バイモルフ型ピエゾ素子は、図３に示すように２枚の圧電素子を貼り合わせた構造で、圧電性の向きを変えて貼り合わせているので、一組の電極で屈曲を発生させることができるようになっている。バイモルフ型ピエゾ素子は、外部のピエゾ素子駆動回路から印加される所定の電圧（＋、−）に応じて、図３に示すように各方向に変位する。このとき、電磁石（電１）５への電力供給を止めて電磁石から磁束が発生しない状態（電磁石ＯＦＦ）にしておく。電磁石（電１）５へ電力を供給して電磁石（電１）５から磁束を発生している状態（電磁石ＯＮ）では、電磁石（電１）５からの磁束が基板２のピン止め点に保持され、電磁石（電１）５が基板２上で固定されているので、電磁石ＯＦＦにしてピン止め点での保持状態を解除して自由に移動できるフリー状態にする必要があるからである。

電磁石（電１）５がＯＦＦの状態で、例えば、圧電素子（Ｐ１）６に所定のマイナス電圧を印加すると、圧電素子（Ｐ１）６は図３のように時計回りに屈曲するように変位し、電磁石（電１）５が追従して移動する。
なお、基板２が完全なマイスナー状態を示すものを採用した場合には、電磁石（電１）５に電流が流されてＯＮになっていると、ピン止め点によって保持されることはないが、超電導体である基板２に対する反発力が働き、他のＯＮになっている電磁石（電２〜４）と共に基板２上の特定の位置に留まっている。この状態で圧電素子（Ｐ１）６が変位すると、その圧電素子（Ｐ１）６に接続された電磁石（電１）５側と固定部７側とが変位につれて動き、電磁石（電１）５だけを効率よく動かすことはできない。

以上のような浮上原理及び浮上状態における移動原理に基づいて、具体的な移動体３の動きについて説明する。
図４は、図１の移動体が北方向に移動するときの電磁石及び圧電素子への電力供給の経時的な状態を示す図である。

図１に示す移動体３が北方向（紙面上方向）に移動するとき、電磁石（電１〜４）５及び圧電素子（Ｐ１〜４）６には、図４に示すように電力が供給される。図４の電磁石（電１〜４）の欄において、記号「○」は、電磁石５に電力が供給されて電磁石５から磁束が発生している状態（電磁石ＯＮ）を示し、電磁石５は、超電導体である基板２上にピン止め保持されて水平方向に位置決めされている状態を示している。また、記号「×」は、電磁石５への電力供給が止められて電磁石５から磁束が発生していない状態（電磁石ＯＦＦ）であり、電磁石５は、磁気浮上しておらずピン止め保持されずに、磁気浮上している他の電磁石５の浮上力によって基板２上に浮上しており、圧電素子６が変位すれば追従して動くフリー状態を示している。

図４の圧電素子（Ｐ１〜４）の欄において、数字「０」は、圧電素子６に電力が供給されていない状態を示し、圧電素子６は固定部７から直角方向に位置している状態を示している。記号「＋」は、圧電素子６にプラス電圧が印加された状態を示し、圧電素子６は固定部７から直角方向に位置している「０」の状態から反時計回り方向に変位した状態を示している。記号「−」は、圧電素子６にマイナス電圧が印加された状態を示し、圧電素子６は「０」の状態から時計回り方向に変位した状態を示している。
図４の移動体状態図の欄には、図１に示された移動体がそのままの配置で模式的に表され、「○」は、電磁石ＯＮ状態で基板２上に位置決めされて固定されている状態の電磁石５を示している。また、「●」は、電磁石ＯＦＦ状態でフリー状態の電磁石５を示している。

図４に示す電力供給時における移動体３の動きについて説明する。
まず、ステップ１（Ｓ１）は、図１に示す移動体３の状態であり、すべての電磁石（電１〜４）５がＯＮで、すべての圧電素子（Ｐ１〜４）６には電圧が印加されていないので、各圧電素子６は固定部７から直角方向に位置している。このとき、基板２は、冷却槽４によって超電導状態の臨界温度Ｔｃ以下の温度で冷却され、適当な磁場によって不完全マイスナー状態にされている。従って、移動体３は、基板２の上方にピン止め浮上している。

次いで、電２及び電４をＯＦＦにすると、磁束がなくなって磁気浮上せずピン止め保持されない状態となり、自由に動けるフリー状態となるが、電１及び電３の浮上力によって浮上するとともに、Ｐ２及びＰ４によって固定されている（Ｓ２）。
次いで、Ｐ２にプラス電圧及びＰ４にマイナス電圧を夫々印加すると、電２及び電４はフリー状態なので、Ｐ２が反時計回り方向及びＰ４が時計回り方向に夫々屈曲し、電２及び電４が北方向に移動する（Ｓ３）。

次いで、電２及び電４をＯＮにしてピン止め浮上させて固定するとともに、電１及び電３をＯＦＦにしてピン止め浮上しないようにしてフリー状態にする（Ｓ４）。
次いで、Ｐ２にマイナス電圧及びＰ４にプラス電圧を夫々印加すると、電２及び電４は固定状態なので、Ｐ２が時計回り方向及びＰ４が反時計回り方向に夫々屈曲し、フリー状態の電１及び電３及び固定部７が、Ｐ２及びＰ４の屈曲に追従して北方向に移動する（Ｓ５）。
なお、電磁石５への電力供給量を変化すれば、基板垂直方向にも自在に動かすことができる。特に２つの電磁石５をＯＦＦにした状態では、ＯＮの電磁石５への電力供給量を上げて一定の高さに浮上できるようにすると、固定部７を安定に維持することができる。

上記Ｓ１〜５のように、電磁石（電１〜４）５及び圧電素子（Ｐ１〜４）６への電力供給を経時的に変化させて所定回数繰り返すことによって、移動体３を北方向に所定距離だけ移動することができる。電磁石（電１〜４）５及び圧電素子（Ｐ１〜４）６への電力供給の順序を変更することによって、北方向と同様に、南、東及び西方向へ移動体３を移動することができる。

図５は、図１の移動体が反時計回り方向に回転するときの電磁石及び圧電素子への電力供給の経時的な状態を示す図である。各電磁石及び圧電素子への電力供給状態を示す記号及び数字は、図４と同様である。
まず、ステップ１１（Ｓ１１）は、図１に示す移動体３の状態であり、すべての電磁石（電１〜４）５がＯＮで、基板２は不完全マイスナー状態にされているので、移動体３は、基板２の上方にピン止め浮上している。

次いで、電２及び電４をＯＦＦにしてフリー状態にしておき（Ｓ１２）、Ｐ２及びＰ４にプラス電圧を印加すると、Ｐ２及びＰ４は夫々反時計回り方向に屈曲し、電２及び電４が追従して反時計回り方向に動く（Ｓ１３）。
次いで、電２及び電４をＯＮにしてピン止め浮上させて固定するとともに、電１及び電３をＯＦＦにしてフリー状態にする（Ｓ１４）。

次いで、Ｐ１及びＰ３にプラス電圧を印加してＰ１及びＰ３が反時計回り方向に屈曲すると、電１及び電３はフリー状態なので追従して反時計回り方向に動く。このとき同時に、Ｐ２及びＰ４にマイナス電圧を印加すると、電２及び電４は固定状態なので、Ｐ２及びＰ４が時計回り方向に屈曲し、この屈曲に固定部７が追従して反時計回り方向に回転する。この回転によっても電１及び電３は追加的に反時計回り方向に動くことになる（Ｓ１５）。

次いで、電２及び電４をＯＦＦにしてフリー状態にするとともに、電１及び電３をＯＮにしてピン止め浮上させて固定する（Ｓ１６）。
次いで、Ｐ１及びＰ３にプラス電圧を印加してＰ１及びＰ３が反時計回り方向に屈曲すると、電１及び電３はフリー状態なので追従して反時計回り方向に動く。このとき同時に、Ｐ２及びＰ４にマイナス電圧を印加すると、電２及び電４は固定状態なので、Ｐ２及びＰ４が時計回り方向に屈曲し、この屈曲に固定部７が追従して反時計回り方向に回転する。この回転によっても電１及び電３は追加的に反時計回り方向に動く（Ｓ１７）。

上記Ｓ１１〜１７のように、電磁石（電１〜４）５及び圧電素子（Ｐ１〜４）６への電力供給を経時的に変化させて所定回数繰り返すことによって、移動体３を反時計回り方向に所定角度だけ回転することができる。電磁石（電１〜４）５及び圧電素子（Ｐ１〜４）６への電力供給の順序を変更することによって、反時計回り方向と同様に、時計回り方向へ移動体３を回転することができる。

以上のように、超電導体の基板２上に、複数の電磁石５が各々別個の圧電素子（バイモルフ型ピエゾアクチュエータの圧電素子）６によって固定部７に接続された移動体３が配置され、基板２が冷却されて超電導状態となることによって、電磁石５による磁束によって移動体３が磁気浮上し、その個々の電磁石５及び圧電素子６に選択的に電力が供給されることによって、圧電素子６が時計回り又は反時計回り方向に屈曲して磁束を発生していない電磁石５の位置を容易に変えることができるので、移動体３を基板２上で非接触に水平方向へ自在に移動させることができる。

特に、基板２を第二種超電導体とすることによって、基板２が冷却されて不完全なマイスナー状態となるので、電磁石５による磁束によって移動体３がピン止め浮上し、電力が供給されて磁束を発生している電磁石５はピン止め力によって保持され、基板２上方に安定して位置決めすることができる。

また、上記Ｓ１〜５のような東西南北方向、及びＳ１１〜１７のような回転方向の動きに対応する電力供給のパターン情報を外部の記憶手段に格納し、該情報に基づいて外部の制御手段から選択的に電磁石（電１〜４）５及び圧電素子（Ｐ１〜４）６へ電力を供給するようにすれば、簡便に所望の動きを移動体３にさせることができ、予め定められた所定の動きを移動体にさせることも可能である。外部記憶手段及び制御手段としては、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）等を用いることができる。

なお、第一実施形態においては、バイモルフ型のピエゾアクチュエータの圧電素子に電圧を印加し、該圧電素子を屈曲変位させることによって、電磁石を移動させるようにしたが、このピエゾアクチュエータに代えて、形状記憶合金アクチュエータを用いても同様の効果を奏することができる。即ち、圧電素子６を形状記憶合金に代え、該形状記憶合金にレーザーを照射等し、形状記憶合金を伸長又は圧縮変位させる。
図６は、図１において圧電素子を形状記憶合金に代えた場合の変位を説明する模式図である。ここでは、形状記憶合金として、加熱によって圧縮されて元の状態に戻るものを例示する。

図６に示すように、圧電素子の代わりにコイル状の形状記憶合金８を配置する。形状記憶合金８のみでは軟らかく、電磁石５を支えるための剛性が足りないため、板バネ９を支持材として配置する。図６のように、板バネ９を固定部７に対して非加熱時に紙面左方向（西方向）に傾斜角度を有するような初期状態で設定する。この状態で形状記憶合金８に熱を加えると、コイル状の形状記憶合金８が元の状態に戻って圧縮されるので、電磁石５が紙面右方向（東方向）に傾くとともに、板バネ９も同方向に引っ張られる。形状記憶合金８に所定の熱量を加えるように加熱（１００％加熱時）したとき、板バネ９が、固定部７と垂直方向（北方向）から東方向へ、初期状態の傾斜角度と等しい角度で傾斜するように設定する。また、板バネ９が、非加熱時と１００％加熱時の中間位置、即ち固定部７と垂直方向まで引っ張られるように形状記憶合金８が圧縮される熱量を加えるように加熱したときを５０％加熱時とする。

加熱は、例えば、熱が広がらずに加熱しようとする形状記憶合金８にのみスポットを当てることができるレーザー等を使用する。レーザーは、真空装置やクリーンベンチの外からガラス越しに照射することができる。レーザーによって、１００％加熱時又は５０％加熱時の熱量（エネルギー）を、電磁石（電１〜４）５に接続された各形状記憶合金８に加え、各電磁石５への電力供給を制御することによって、移動体３を基板２上で非接触に水平方向へ自在に移動させることができる。
なお、形状記憶合金８は、非加熱時の状態から加熱によって瞬時に反応して元の状態に戻るのに対し、加熱を中止して非加熱時の状態に戻る速度は相対的に遅い。そのため、非加熱時の状態から元の状態に戻る動作を主体的に利用し、加熱時の状態から非加熱時の状態になる動作を補助的に利用するようにして、各形状記憶合金８及び各電磁石５へのエネルギー供給を制御すれば、移動体３を効率よく移動させることが可能である。

図７は、本発明に係る移動ユニットの第二実施形態の一例を示す平面図である。図８は、図７の移動ユニットの正面図である。
移動ユニット１１は、第一実施形態と同様の基板２と、基板２上を非接触に移動する移動体１３とで構成される。

基板２は、第一実施形態と同様の冷却槽４内に配設される。
移動体１３は、３つの磁石ではない錘（錘１〜３）１５が、各々圧電素子（Ｐ１１〜１３）１６によって接続されて永久磁石１７に固定されている。
圧電素子１６は、第一実施形態と同様、ピエゾアクチュエータの圧電素子を例示することができるが、本第二実施形態においては、積層型（以下、積層型ピエゾ素子と称する）を用いる。圧電素子１６は、第一実施形態と同様、外部のピエゾ素子駆動回路に接続され、該ピエゾ素子駆動回路から印加される所定の電圧に応じて伸縮変位する。

永久磁石１７は、圧電素子１６を固定するとともに、その上部に物体を載置して搬送できるようになっている。
錘１５は、永久磁石１７による浮上力によって浮上することができ、磁界に影響を及ぼさないものであれば、特に限定されず、アルミニウム、ステンレス合金等の非磁性金属を例示することができる。
このように構成される移動ユニット１１は、第一実施形態の移動ユニット１と同様、真空装置やクリーンベンチ内に設置して用いることができる。

次に、基板２上での移動体１３の非接触移動について、その原理について説明する。
基板２上で移動体１３が浮上する原理については、第一実施形態において説明した通りであるが、本第二実施形態においては、第一種超電導体を用いることはできず、ピン止め点が存在する不完全なマイスナー状態を示す第二種超電動体を用いる。
本第二実施形態においては、冷却されて不完全なマイスナー状態を示す基板２上に、３つの錘１５が圧電素子１６によって永久磁石１７に接続された移動体１３を配置すると、永久磁石１７が発生する磁束によるピン止め浮上によって、永久磁石１７が浮上するので、接続された圧電素子１６及び錘１５とともに移動体１３が浮上する。

次に、ピン止め浮上によって移動体１３が動く原理について説明する。なお、動きについては、図７の紙面上方向を北方向として説明する。
図９は、図７の移動体が東方向に移動するときの経時的な圧電素子の変位を説明する状態図である。

上記積層型ピエゾ素子は、多数の圧電素子を重ねて棒状にした構造で、積層方向に変位させることができるようになっている。積層型ピエゾ素子は、外部のピエゾ素子駆動回路から印加されるマイナス電圧によって圧縮方向に変位し、プラス電圧によって伸長方向に変位する。例えば、図７に示す移動体１３の状態であるＳ３１の状態で、圧電素子（Ｐ１３）１６に大きなマイナス電圧を印加してＰ１３を急に圧縮すると、永久磁石１７は東方向に、錘（錘３）１５は西方向に移動する（Ｓ３２）。この動きにおいて、Ｓ３１の状態では、永久磁石１７の磁束は超電導体である基板２のピン止め点に保持されており、Ｓ３２でＰ１３が急に圧縮すると、永久磁石１７は瞬間的に東方向に移動するとき、保持されているピン止め点がずれて東方向のピン止め点に保持される。このＳ３２の状態で、Ｐ１３に小さなプラス電圧を印加（又は徐々に大きくなるようにプラス電圧を印加）してゆっくりとＰ１３を伸長すると、永久磁石１７の磁束はＳ３２と同じピン止め点に保持されたままで、錘３のみがＰ１３の伸長に追従して東方向に移動する（Ｓ３３）。

このようにピン止め点を利用して、圧電素子１６への電圧印加を工夫することによって、Ｓ３１〜３３のように移動体１３は東方向へ移動することができる。

一方、西方向へ移動する場合には、Ｓ３１〜３３と全く逆にＰ１３へ電圧を印加する。即ち、Ｓ３３の状態からＰ１３に小さなマイナス電圧を印加（又は徐々に大きくなるようにマイナス電圧を印加）してゆっくりとＰ１３を圧縮すると、永久磁石１７の磁束はＳ３３と同じピン止め点に保持されたままで、錘３のみがＰ１３の圧縮に追従して西方向に移動する。Ｓ３２の状態でＰ１３に大きなプラス電圧を印加してＰ１３を急に伸長すると、永久磁石１７は西方向に移動してピン止め点が西方向にずれて保持され、錘３は東方向に移動する。従って、移動体１３としては、Ｓ３３からＳ３１の状態へ西方向に移動することができる。
また、南北方向へ移動する場合には、圧電素子（Ｐ１１，１２）１６に対して同時に、圧電素子（Ｐ１３）１６と同様に電圧を印加することによって、移動体１３を移動することが可能である。

図１０は、図７の移動体が反時計回り方向に回転するときの経時的な圧電素子の変位を説明する状態図である。
Ｓ４１は図７に示す移動体１３の状態であり、圧電素子（Ｐ１１）１６に大きなプラス電圧を印加してＰ１１を急に伸長し、Ｐ１２に大きなマイナス電圧を印加してＰ１２を急に圧縮すると、永久磁石１７においてＰ１１側は南方向に、Ｐ１２側は北方向に移動しようとするので、結果的に反時計回り方向に回転する（Ｓ４２）。この動きにおいて、Ｓ４１の状態における永久磁石１７の磁束のピン止め点は、急な伸長と圧縮とによってずれて、Ｐ１１側は南方向、Ｐ１２側は北方向のピン止め点に保持される。このＳ４２の状態で、Ｐ１１及びＰ１２に各々小さなマイナス電圧及びプラス電圧を印加し、ゆっくりとＰ１１を圧縮及びＰ１２を伸長してＳ４１と同様の長さに戻すと、永久磁石１７の磁束はＳ４２と同じピン止め点に保持されたままで、錘１及び錘２が各々Ｐ１１の圧縮及びＰ１２の伸長に追従して移動する（Ｓ４３）。

なお、錘１５は、磁石であっても永久磁石より磁場の弱い磁石を採用すれば、錘の場合ほど効率よく移動することはできないが、錘の場合と同様に移動体１３を移動することが可能である。
このようにピン止め点を利用して、圧電素子１６への電圧印加を工夫することによって、Ｓ４１〜４３のように移動体１３は反時計回り方向へ回転することができる。

一方、時計回り方向へ回転する場合には、Ｓ４１〜４３において圧電素子（Ｐ１，２）１６へ印加する電圧を逆にすることによって、移動体１３を回転することが可能である。
なお、Ｐ１１又はＰ１２を永久磁石１７の紙面下側の同じ（左又は右）側に配置し、Ｓ４１〜４３と全く同様に電圧を印加することによって、同様に回転させることが可能である。また、Ｐ１１及びＰ１２を共に永久磁石１７の紙面下側に配置してもＳ４１〜４３と同様に回転させることが可能であることは言うまでもない。

以上のように、第二種超電導体の基板２上に、複数の錘１５が各々別個の圧電素子（積層型ピエゾアクチュエータの圧電素子）１６によって永久磁石１７に接続された移動体１３が配置され、基板２が冷却されて不完全マイスナー状態となることによって、永久磁石１７による磁束によって移動体１３がピン止め浮上し、その個々の圧電素子１６に選択的に電力が供給されることによって、圧電素子１６が積層方向へ伸長又は圧縮してピン止め力を利用して錘１５の位置を変えることができるので、移動体１３を基板２上で非接触に水平方向へ自在に移動させることができる。
また、第一実施形態と同様、上記Ｓ３１〜３３のような東西南北方向、及びＳ４１〜４３のような回転方向の動きに対応する電力供給のパターン情報を外部の記憶手段に格納し、該情報に基づいて外部の制御手段から選択的に圧電素子（Ｐ１１〜１３）１６へ電力を供給するようにすれば、簡便に所望の動きを移動体１３にさせることができ、予め定められた所定の動きを移動体１３にさせることも可能である。

本発明は、比較的小さく、摩擦を発生することなく高速で搬送する必要がある精密機械の部品などを搬送処理する真空装置やクリーンベンチ内で好適に利用されるものである。

本発明に係る移動ユニットの第一実施形態の一例を示す平面図である。 図１の移動ユニットの正面図である。 図１における圧電素子の変位を説明する部分拡大図である。 図１の移動体が北方向に移動するときの電磁石及び圧電素子への電力供給の経時的な状態を示す図である。 図１の移動体が反時計回り方向に回転するときの電磁石及び圧電素子への電力供給の経時的な状態を示す図である。 図１において圧電素子を形状記憶合金に代えた場合の変位を説明する模式図である。 本発明に係る移動ユニットの第二実施形態の一例を示す平面図である。 図７の移動ユニットの正面図である。 図７の移動体が東方向に移動するときの経時的な圧電素子の変位を説明する状態図である。 図７の移動体が反時計回り方向に回転するときの経時的な圧電素子の変位を説明する状態図である。

符号の説明

１ 移動体ユニット
２ 基板
３ 移動体
４ 冷却槽
５ 電磁石
６ 圧電素子
７ 固定部

Claims (7)

1. 超電導体からなる基板と、該基板上を非接触に移動する移動体とで構成される移動体ユニットであって、
   前記基板は、超電導状態を示すように冷却され、
   前記移動体は、複数のアクチュエータと、該アクチュエータの一端部を固定する固定部と、該アクチュエータの他端部に夫々接続された複数の錘とからなり、
   前記錘は、各々別個のアクチュエータによって前記固定部に接続され、該錘及び固定部の少なくともいずれか一方が磁石からなり、
   前記アクチュエータに対して選択的にエネルギーが供給されることを特徴とする移動ユニット。
2. 前記複数の錘が電磁石からなり、
   前記アクチュエータは、バイモルフ型ピエゾアクチュエータであり、
   前記電磁石に対して選択的に電力が供給されることを特徴とする請求項１記載の移動ユニット。
3. 前記複数の錘が電磁石からなり、
   前記アクチュエータは、形状記憶合金アクチュエータであり、
   前記電磁石に対して選択的に電力が供給されることを特徴とする請求項１記載の移動ユニット。
4. 前記基板は第二種超電導体からなり、
   前記固定部が永久磁石からなり、
   前記アクチュエータは、積層型ピエゾアクチュエータであることを特徴とする請求項１記載の移動ユニット。
5. 前記基板は第二種超電導体からなることを特徴とする請求項２又は３記載の移動ユニット。
6. 前記アクチュエータに対する選択的なエネルギー供給パターンの情報が、外部記憶手段に格納され、
   前記情報に基づいて、外部制御手段が前記アクチュエータへエネルギーを供給することを特徴とする請求項１記載の移動ユニット。
7. 前記アクチュエータに対する選択的なエネルギー供給パターンの情報、及び電磁石に対する選択的な電力供給パターンの情報が、外部記憶手段に格納され、
   前記情報に基づいて、外部制御手段が、前記アクチュエータへエネルギーを供給し、電磁石へ電力を供給することを特徴とする請求項２又は３記載の移動ユニット。
   

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