JP2009063046A - 気体圧制御アクチュエータ - Google Patents

気体圧制御アクチュエータ Download PDF

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Abstract

【課題】気体圧制御アクチュエータにおいて、作動範囲の広い高精度の微小移動を可能とすることである。
【解決手段】気体圧制御アクチュエータは、筒状の案内部と、案内部の底面に取り付けられる支持軸１４と、支持軸１４に軸方向に整列配置されて支持される複数の平板可動子２０を含んで構成される。平板可動子２０は、薄板円板の中央部に支持穴２２を有し、支持穴２２の外側に板厚を薄くした第１くぼみ２６と、第１くぼみ２６の外側に第１くぼみ２６よりも板厚が厚いが、やはり最外周側の板厚よりも薄い第２くぼみ２８と、第２くぼみ２８から外周側に向かって放射状に延びる複数の細溝３０を含んで構成される。第１くぼみ２６には、軸方向に貫通して気体が通ることができる貫通穴２４が複数設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、気体圧制御アクチュエータに係り、特に微小移動が可能な気体圧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、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制御アクチュエータは、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いので、扱いやすい位置決め装置として期待されている。
特許文献１には、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、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する構成が示されている。ここでは、適当な押付力が与えられている可動子を移動方向に案内する案内部があり、案内部の底面である気体受壁に設けられる開口から、可動子の気体受面へ向かって制御された気体圧を有する気体が供給され、可動子が気体受壁から浮上し、押付力と釣り合いつつ隙間を形成し、この隙間量を供給気体圧によって制御することで、可動子が微小移動される。また、可動子を複数個、軸方向に配置し、隣接する可動子の間の隙間にそれぞれ制御された気体圧を供給することで、微小移動の範囲を隙間の数に応じて拡大できることも述べられている。
上記特許文献１に開示される構成を発展させて、板厚の薄い可動子を複数個、軸方向に配置し、隣接する可動子の間の隙間にそれぞれ制御された気体圧を供給することで、全体として小型で、微小移動の移動範囲が広い気体圧制御アクチュエータを構成することができる。
特開２００５−２６８２９３号公報
特許文献１に開示される構成を発展させて、板厚の薄い可動子を複数個、軸方向に配置し、隣接する可動子の間の隙間にそれぞれ制御された気体圧を供給するには、板厚の薄い可動子を軸方向に整列配置するように保持する必要がある。一般的に考えられるのは、板厚の薄い可動子を複数個、支持軸に取り付けることであるが、これでは隣接する可動子の間の隙間を気体圧で変更することができない。
そこで、軸方向への変位剛性が径方向の変位剛性よりも小さい支持バネを用いて各可動子を支持軸に取り付けることが考えられる。このような支持バネは、雲形板バネとして知られているが、複雑な平面パターンを有し、金属薄板を加工することが必要であり、さらに可動子と支持軸に取り付けることが必要となる。したがって、材料の選択に制限があり、また加工工程および組立工程が複雑となる。
本発明の目的は、板厚の薄い可動子を軸方向に複数個整列配置し、隣接する可動子の間の隙間にそれぞれ制御された気体圧を供給することで軸方向の移動を行わせる場合に、簡単な構成で、各可動子の軸方向の変位自由度を確保することを可能とする気体圧制御アクチュエータを提供することである。また、他の目的は、板厚の薄い可動子を軸方向に複数個整列配置し、隣接する可動子の間の隙間にそれぞれ制御された気体圧を供給することで軸方向の移動を行わせる場合に、可動子の材料の選択自由度の向上を図ることができる気体圧制御アクチュエータを提供することである。
本発明に係る気体圧制御アクチュエータは、支持軸との間で遊合隙間を有する支持穴を有し、支持軸に支持されて軸方向に沿って複数整列配置される平板可動子と、支持軸が底面に取り付けられ、支持軸の先端側の方が開口し、複数の平板可動子を案内する筒状の案内部と、案内部の底面に向かい合う平板可動子の一方側平板面と案内部の底面との間の隙間と、隣接する平板可動子の間の隙間と、駆動対象物に向かい合う先端側平板可動子の他方側平板面とこれに向かい合う駆動対象物の気体受面との間の隙間とに、それぞれ気体を供給して流すために、支持軸の軸方向に沿って設けられる気体貫通流路と、気体貫通流路に気体を供給する気体供給手段と、を有し、先端側平板可動子が気体層を介して駆動対象物に駆動力を及ぼすことを特徴とする。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータは、案内部に案内されて軸方向に気体圧によって駆動されるピストン型可動子と、ピストン型可動子の先端に軸方向に延びて取り付けられる支持軸と、支持軸との間で遊合隙間を有する支持穴を有し、支持軸に支持されて軸方向に沿って複数整列配置される平板可動子と、案内部の底面に向かい合う平板可動子の一方側平板面と案内部の底面との間の隙間と、隣接する平板可動子の間の隙間と、駆動対象物に向かい合う先端側平板可動子の他方側平板面とこれに向かい合う駆動対象物の気体受面との間の隙間とに、それぞれ気体を供給して流すために、支持軸の軸方向に沿って設けられる気体貫通流路と、気体貫通流路に気体を供給する気体供給手段と、を有し、先端側平板可動子が気体層を介して駆動対象物に駆動力を及ぼすことを特徴とする。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子について、支持軸の径方向への変位を予め定める変位量に規制する規制手段を有することが好ましい。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータにおいて、支持軸の外形または支持穴の内径は、周方向に沿って凹凸形状を有し、気体貫通流路は、支持軸の外形と支持穴の内径との間の軸方向に沿った隙間であり、規制手段は、支持軸の外形と支持穴の内径との間の隙間を予め定める範囲に設定することで、各平板可動子と支持軸との間の径方向への変位を規制することが好ましい。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子の外形または案内部の内径は、周方向に沿って凹凸形状を有し、規制手段は、各平板可動子の外形と案内部の内径との間の隙間を予め定める範囲に設定することで、各平板可動子と支持軸との間の径方向への変位を規制することが好ましい。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子は、気体貫通路を囲む内径側部分に、外径側部分よりも板厚が薄く、隣接する平板可動子の平板面との間で表面絞り隙間を形成する減速用くぼみと、減速用くぼみを越えて、いずれか一方の平板面の外周方向に向かって延び終端部を備える気体流路浅溝と、を含むことが好ましい。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータにおいて、気体供給手段は、平板可動子に向かって開口する気体供給口と、気体供給口に設けられ、供給気体の流れを整流する気体絞り部と、を有することが好ましい。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子について支持軸周りの回転を防止する回転規制手段を有することが好ましい。
また、本発明に係る気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子は、セラミック材料で構成されることが好ましい。
上記構成の少なくとも１つにより、気体圧制御アクチュエータは、支持軸との間で遊合隙間を有する支持穴を有し、支持軸に支持されて軸方向に沿って複数整列配置される平板可動子と、支持軸が底面に取り付けられる筒状の案内部と、隣接する平板可動子の間の隙間等に気体を供給して流すために、支持軸の軸方向に沿って設けられる気体貫通流路と、気体貫通流路に気体を供給する気体供給手段とを有する。各平板可動子は、支持軸に遊合隙間で支持されるので、軸方向の変位の自由度を確保できる。また、雲形板バネ等を用いないので、平板可動子の材料の選択の幅が拡大する。
また、上記構成の少なくとも１つにより、案内部に案内されて軸方向に気体圧によって駆動されるピストン型可動子と、ピストン型可動子の先端に軸方向に延びて取り付けられる支持軸と、支持軸との間で遊合隙間を有する支持穴を有し、支持軸に支持されて軸方向に沿って複数整列配置される平板可動子と、隣接する平板可動子の間の隙間等に気体を供給して流すために、支持軸の軸方向に沿って設けられる気体貫通流路と、気体貫通流路に気体を供給する気体供給手段とを有する。各平板可動子は、支持軸に遊合隙間で支持されるので、軸方向の変位の自由度を確保できる。また、雲形板バネ等を用いないので、平板可動子の材料の選択の幅が拡大する。そして、支持軸はピストン型可動子に取り付けられるので、各平板可動子の軸方向微小変位に、ピストン型可動子の移動範囲の広い粗動変位が加わることができ、粗動と微動とを併せ持つ気体圧制御アクチュエータとできる。
また、気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子について、支持軸の径方向への変位を予め定める変位量に規制する規制手段を有する。これにより、各可動子が径方向にばらばらに偏移することを抑制することができる。
また、気体圧制御アクチュエータにおいて、支持軸の外形または支持穴の内径は、径方向に凹凸形状を有し、気体貫通流路は、支持軸の外形と支持穴の内径との間の軸方向に沿った隙間であり、規制手段は、支持軸の外形と支持穴の内径との間の隙間を予め定める範囲に設定することで、各平板可動子と支持軸との間の径方向への変位を規制する。これにより、特別な気体貫通路を設ける必要がなく、また、支持軸の外形寸法と支持穴の内径寸法の設定によって、各可動子が径方向にばらばらに偏移することを抑制することができる。
また、気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子の外形または案内部の内径は、径方向に凹凸形状を有し、規制手段は、各平板可動子の外形と案内部の内径との間の隙間を予め定める範囲に設定する。このように、各平板可動子の外形寸法と案内部の内径寸法の設定によって、各可動子が径方向にばらばらに偏移することを抑制することができる。
また、気体圧制御アクチュエータにおいて、また、平板可動子は、内径側部分に、外径側部分よりも板厚が薄く、隣接する平板可動子の平板面との間で表面絞り隙間を形成する絞り部を有するので、隣接する平板可動子の間の隙間を流れる気体の流れを安定化することができる。ここで、表面絞り隙間とは、向かい合う面の間の間隔が広い隙間から狭い隙間に絞られることで流れを安定化させるいわゆる表面絞り効果を生じさせる隙間のことである。
また、気体圧制御アクチュエータにおいて、気体供給手段は、供給気体の流れを整流する気体絞り部を有するので、気体の流れによるノイズを抑制し、気体圧制御アクチュエータの制御性を向上させることができる。
また、気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子について支持軸周りの回転を防止する回転規制手段を有するので、支持軸周りに回転することによって生じる変位の変動を抑制することができる。
また、気体圧制御アクチュエータにおいて、各平板可動子は、セラミック材料で構成される。これによって、例えば、電磁環境の影響を抑制することができる。
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。最初に、本発明に係る実施の形態の中核の１つである平板可動子を用いた基本的な場合を説明し、その後にその他の構成について説明する。以下では、平板可動子は、円形の外形を有し、中央に支持軸に遊合支持される支持穴を有するものとして説明するが、平面寸法に比較して板厚の薄い平板であればよく、外形は円形でなくてもよい。例えば多角形の外形、楕円の外形、曲面の外形を有する平板であってもよい。また、以下で述べる材質、寸法等は、説明のための一例であり、気体圧制御アクチュエータの仕様に適合する材質、寸法等を適宜選択できる。
図１は、気体圧制御アクチュエータ１０の構成を示す図である。気体圧制御アクチュエータ１０は、制御された気体圧Ｐ1によって、移動体６を移動駆動する機能を有する。ここで移動体６は、例えばＸＹ方向等の軸方向移動、及びＺ軸周りのθ回転等のように回転が可能テーブル等である。気体圧制御アクチュエータ１０は、筒状の案内部１２と、案内部１２の底面に取り付けられる支持軸１４と、支持軸１４に軸方向に整列配置されて支持される複数の平板可動子２０を含んで構成される。
図２、図３は、平板可動子２０の構成を示す図で、これらの図には、支持軸１４もあわせて示されている。図２は、平板可動子２０の側面図と正面図で、図３は、図２におけるＡ−Ａ線に沿った断面図で、厚み方向を拡大して示す部分図である。平板可動子２０は、薄板円板の中央部に支持穴２２を有し、支持穴２２の外側に板厚を薄くした第１くぼみ２６と、第１くぼみ２６の外側に第１くぼみ２６よりも板厚が厚いが、やはり最外周側の板厚よりも薄い第２くぼみ２８と、第２くぼみ２８から外周側に向かって放射状に延びる複数の細溝３０を含んで構成される。そして、第１くぼみ２６には、軸方向に貫通して気体が通ることができる貫通穴２４が複数設けられる。
支持穴２２は、支持軸１４との間で遊合隙間を有する穴である。図２の例では、支持軸１４の外形が四角軸であるので、支持穴２２も四角穴の内径形状を有している。これによって、平板可動子２０が支持軸１４の軸方向周りに回転することを抑制する。すなわち、四角軸と四角穴との組合せによって、回転止めを構成している。回転止めのためには、四角軸と四角穴との組合せ以外のものを用いてもよい。例えば、支持軸と支持穴に楕円形状の組合せ、多角形形状の組合せ等を用いることができる。
遊合隙間とは、軸外形寸法に対し穴内径寸法が大きく、軸外形と穴内径との間に必ず隙間があり、軸方向に沿って、穴と軸とが相対的に移動可能である隙間状態のことである。しかしながら、軸外形と穴内径との寸法差があまりに大きくて、穴と軸とが相対的にかなり傾きながら移動可能である場合を含まない。すなわち、遊合隙間とは、穴と軸との間の相対的傾きがほとんどない状態で、軸方向に沿って、穴と軸とが相対的に移動可能である隙間状態のことである。したがって、遊合隙間の具体的な隙間量は、支持軸１４の外形寸法あるいは支持穴２２の内径寸法と、平板可動子２０の第１くぼみ２６における板厚によって、その大きさが異なってくる。一例をあげると、支持穴２２の外形寸法を約１ｍｍ角とし、平板可動子２０の第１くぼみ２６における板厚を約０．１ｍｍとして、支持軸１４の外形と支持穴２２の内径との間の隙間を、約１０μｍ程度とすることができる。この例では、遊合隙間が約１０μｍとなる。
第１くぼみ２６に設けられる貫通穴２４は、複数の平板可動子２０が支持軸１４に整列配置されたときに、支持軸１４の軸方向に沿って気体が流れることができる気体貫通流路としての機能を有する。貫通穴２４は、図２に示されるように、第１くぼみ２６において、支持穴２２を中心穴として、中心穴から同一半径上で、周方向に沿って均等な間隔で複数個設けられる。図２の例では、８個の貫通穴２４が設けられている。貫通穴２４の穴径は、適当な大きさであればよく、例えば、第１くぼみ２６の直径の１／１０から１／５の直径とすることができる。
第１くぼみ２６は、離散的に配置される貫通穴２４を通って気体の流れを平均化する機能を有する空間である。第１くぼみ２６のくぼみ深さは、平板可動子２０の元々の板厚、ここでは、最外周の板厚が元々の板厚のままであるが、その板厚の約１／２から約１／３程度とすることができる。例えば、平板可動子２０の最外周の板厚を約０．２ｍｍし、第１くぼみ２６のくぼみ深さをその１／２とするときは、第１くぼみ２６のくぼみ深さが約０．１ｍｍ、第１くぼみ２６における平板可動子２０の板厚が約０．１ｍｍとなる。
第２くぼみ２８と細溝３０は、平板可動子２０の表面に沿って径方向に気体が流れるときに、絞り効果を奏するように設けられる。すなわち、平板可動子２０の平板面が、他の面と対向し、２つの面の間の隙間に気体が流れて、この第２くぼみ２８及び細溝３０を流れる気体が細溝３０の終端等で平板面にあふれるときに、流路が狭くなって絞られ、いわゆる表面絞りとなる。この表面絞りの効果により、２つの面の間の流れが安定し、２つの面の間の間隔も安定する。勿論、場合によって、第２くぼみを設けないものとしてもよい。
かかる平板可動子２０の寸法の一例を述べると、外径が約３０ｍｍから約４０ｍｍ、第１くぼみ２６の直径が約１０ｍｍから１５ｍｍ、板厚が約０．１ｍｍから約０．２ｍｍ程度、第２くぼみ２８及び細溝３０の深さは約１３μｍから約１７μｍ、第２くぼみ２８の径方向の幅は約２ｍｍから４ｍｍ程度、細溝３０の幅は約０．２ｍｍ程度である。なお、図２、図３は、細溝３０等の深さを誇張して拡大してある。かかる平板可動子２０としては、例えば、セラミックを成形したものを用いることができる。これにより、平板可動子２０の隙間調整等における電磁的な影響を排除することができる。勿論、用途によっては、ＳＵＳ等の金属円板を加工して得られるものを平板可動子として用いてもよい。
再び図１に戻り、案内部１２には、図示されていない気体供給装置から制御気体圧Ｐ1が供給される供給口１６が設けられる。制御気体圧Ｐ1を有する気体は、絞り部４０を通り、案内部１２の底面から平板可動子２０に供給される。なお、場合によっては、絞り部を省略するものとしてもよい。
絞り部４０は、上記のように、制御気体圧Ｐ1が供給される供給口１６と、案内部１２の底面において平板可動子２０に対して気体を供給する気体出口との間の気体流路の途中に設けられ、流体抵抗を増加させて気体の流れを整流す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、案内部１２のポケット開口４６の中に設けられる平行隙間の絞り部４０である。平行隙間の絞り部４０は、ドーナツ状に中央穴を有する円環板４２と、円環板４２と外形が同じの円板４４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、供給口１６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４２と円板４４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、気体圧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４８をポケット開口４６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。もちろん、制御性の必要が少ない場合は、通常のオリフィス等を用いることができる。
次に、上記構成の作用を説明する。再び図１に戻り、案内部１２の底面から絞り部４０を経由して複数の平板可動子２０に対し供給される気体圧Ｐ1を有する気体は、案内部１２の底面から複数の平板可動子２０の貫通穴２４を通って、隣接する平板可動子２０の間の隙間を流れ大気に開放される。そして、隣接する平板可動子２０の間の隙間を流れる気体は、いわゆる気体軸受としての作用を示し、移動体６からの押付力Ｆが複数の平板可動子２０に向かって働くので、制御気体圧Ｐ1を制御し、押付力Ｆと釣り合わせつつこれらの隙間量を調整することができる。
例えば制御気体圧Ｐ1を＋ΔＰ変化させると、各隙間量を＋Δｓ変化させることができ、このΔｓ／ΔＰは、平板可動子２０の形状、隣り合う平板可動子２０の間の隙間、制御気体圧Ｐ1、押付力等を与えることで実験的に定めることができる。ここで、Δｓ／ΔＰは、各隙間ごとに定まるものであるので、隙間の数をＮとすると、複数の平板可動子２０の全体の軸方向移動量は、Ｎ×Δｓとなり、移動量が、平板可動子２０の数の増減で調整できる。
一例を上げると、上記の平板可動子２０の寸法で、隣り合う隙間の公称標準値を１０μｍ程度とし、Ｐ1を約０．２ＭＰａとすると、（隙間変化量／気体圧変化量）＝（５μｍ／０．１Ｍｐａ）程度とすることができる。上記のように、平板可動子２０の厚さは、約０．１ｍｍから数ｍｍであるので、仮にＮ＝１００としても、９９個の平板可動子２０の軸方向の全長は、約１０ｍｍから数１００ｍｍである。そして、ΔＰを０．１５ＭＰａとすれば、この９９個の平板可動子２０によって、移動体６に約１ｍｍ程度の移動量を与えることができる。
しかも、その移動量は、Δｓ／ΔＰで定まり、気体圧の制御性は極めてよいので、その移動量の精度は、全ストロークについてきわめて高く維持することができる。そして、その際に、各平板可動子２０は、その支持穴２２が支持軸１４に対し遊合隙間を有しているので、気体圧の変化に応じて、軸方向に自由に移動できる。このようにして、複数の平板可動子２０の全体の変位量が、先端側の平板可動子２０によって、気体層を介して駆動対象物である移動体６に駆動力を及ぼし、高精度で、移動体６を移動駆動する。
上記のように、平板可動子２０の支持穴２２と支持軸１４との間には、遊合隙間がある。したがって、支持軸１４に対し、各平板可動子２０は、この遊合隙間の範囲で、径方向にばらばらに偏移するのではないか、とも考えられる。実際には、隣接する平板可動子２０の間に気体が流れるとき、各平板可動子２０は、支持軸１４に対し、中心位置から径方向にずれても、自動的に調心し、ほぼ、中心位置に戻される性質を有する。図６を用いてその様子を説明する。
図６は、図３と同様に、平板可動子の断面図を示す図である。ここでは、２枚の平板可動子２０，２１が示され、支持軸１４に対し、平板可動子２０はほぼ中心に配置しているのに対し、平板可動子２１は、中心配置位置から径方向に図６に示すΔ方向に偏移している様子が示されている。すなわち、平板可動子２１は、図６において、左側に偏移している。このとき、支持軸１４に対し左側の貫通穴２４から平板可動子２０，２１の間の隙間に流れる気体は、細溝３０に沿って外周側、つまり図６の左側に流れ、細溝３０の左側の終端部で突き当たり、そこから外部に流れ出す。このときに、気体の流れは、細溝３０の左側の終端部において、左側外周に向かう力ｆ1を平板可動子２１に与える。同様に、支持軸１４に対し右側の貫通穴２４から平板可動子２０，２１の間の隙間に流れる気体は、細溝３０の右側の終端部で突き当たり、右側外周に向かう力ｆ1を平板可動子２１に与える。
したがって、平板可動子２１には、左側外周に向かう力ｆ1と右側外周に向かう力ｆ2が与えられる。ここで、細溝３０に沿って左側外周に向かう気体の流れと、細溝３０に沿って右側外周に向かう気体の流れとを比較すると、平板可動子２１が左側に偏移していることから、前者の方が大気開放側に近くなる。したがって、左側外周に向かう力ｆ1と右側外周に向かう力ｆ2とを比較すると、前者の方が小さくなる。左側外周に向かう力ｆ1と右側外周に向かう力ｆ2とは、力の方向が互いに逆であるので、平板可動子２１には、（ｆ2−ｆ1）の大きさで右側に向かう力が働くことになる。つまり、平板可動子２１は、図６において、右側に戻される力を受ける。こうして、左側に偏移した平板可動子２１は、右側に戻され、中央位置において、（ｆ2−ｆ1）＝０となる。
このようにして、隣接する平板可動子２０の間に気体が流れるとき、各平板可動子２０は、支持軸１４に対し、中心位置から径方向にずれても、自動的に調心し、ほぼ、中心位置に戻される。しかし、過渡期においては、各平板可動子２０は、ばらばらに、径方向に偏移することになるので、図２で説明した支持軸１４と支持穴２２との間の遊合隙間が、その偏移の最大範囲を規定することになる。したがって、予め遊合隙間を設定することで、各平板可動子２０について、支持軸１４の径方向への変位を予め定める変位量に規制することができ、その意味で、遊合隙間の設定は、各平板可動子２０の径方向変位量を規制する規制手段に相当する。
上記構成によれば、遊合隙間によって径方向変位量の最大ずれ量が規制されながら、隣接する平板可動子２０の間の隙間について、気体軸受の作用に基づいて、制御気体圧Ｐ1を制御し、押付力Ｆと釣り合わせつつこれらの隙間量を調整することができる。つまり、制御気体圧Ｐ1の制御によって、高精度で、移動体６を移動駆動することができる。この場合において、移動体６の移動駆動は、制御気体圧Ｐ1の大きさによって制御する方式、いわゆるオープン制御方式によって制御することができる。これに対し、移動体６の実際の移動量、すなわち変位量を検出し、指令値と比較して制御気体圧Ｐ1の大きさを制御する方式、いわゆるクローズドループ制御、あるいはフィードバック制御を行うものとすることができる。
図７は、フィードバック制御を行う微小移動機構の構成を示す図である。以下では、図１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。図７においては、微小移動機構として、気体圧制御アクチュエータ１１と、制御部１８が示される。気体圧制御アクチュエータ１１は、図１の気体圧制御アクチュエータ１０とほとんど同じ構成であるが、支持軸１４に内部に、変位センサ１５を有しているところが相違する。
変位センサ１５は、移動体６と、気体圧制御アクチュエータ１１との間の距離を検出し、移動体６の変位量として制御部１８に出力する機能を有する検出器である。変位センサ１５は、支持軸１４と一体構造として設けることができる。例えば、支持軸１４を中空軸とし、その中空部に、変位センサ１５が設けることができる。図７では、支持軸１４の先端、すなわち気体圧制御アクチュエータ１１が移動体６に対向する先端に検出部を有する変位センサ１５が、中空軸である支持軸１４の中空部の内部に設けられている様子が示されている。かかる変位センサ１５としては、静電容量型変位センサ、光検出型変位センサ、磁気検出型変位センサ等を用いることができる。
図７の例では、変位センサ１５は、支持軸１４に固定され、また支持軸１４は気体圧制御アクチュエータ１１の案内部１２に固定されるので、変位センサ１５の先端は、気体圧制御アクチュエータ１１における固定位置を示している。したがって、変位センサ１５と移動体６との間の距離ΔＸは、気体圧制御アクチュエータ１１に対する移動体６の変位を示すことになる。ΔＸは、気体圧制御アクチュエータ１１における複数個の平板可動子２０の各変位量の合計に相当する量になる。上記の例では、隣接する平板可動子２０の間の各隙間の変位量をΔｓとし、隙間の数をＮとして、ΔＸ＝Ｎ×Δｓである。
変位センサ１５の検出量であるΔＸは、制御部１８に伝送され、制御部１８は、位置指令と検出量であるΔＸとを比較して、位置指令に対する位置偏差を求め、この位置偏差をゼロにするように、制御気体圧Ｐ1を制御する。このようにして、変位センサ１５の検出量に基づいて、移動体６の移動制御を精度よく行うことができる。
次に、ピストン型可動子に設けられる支持軸に複数の平板可動子を整列配置する気体圧制御アクチュエータの例を示す。なお、以下では、図１から図６と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下では、図１から図６の符号を用いて説明する。
図８に示す気体圧制御アクチュエータ５０は、移動体６を移動駆動する場合に、案内部１２で案内され、図示されていない気体圧制御装置から供給される駆動気体圧ＰPを受けて駆動されるピストン型可動子６０を用い、ピストン型可動子６０に設けられる支持軸１４に複数の平板可動子２０を設け、平板可動子２０を介してピストン型可動子６０の駆動力を移動体６に伝達する構成を有する。
案内部１２は、ピストン型可動子６０を軸方向に移動可能に案内する機能を有し、一方側に開口し、底面に駆動気体圧ＰPが供給される供給口５２を有する筒状の部材で、いわゆるシリンダーに相当するものである。ここで、案内部１２の底面及び内部側壁と、ピストン型可動子６０の底面とで囲まれる空間は圧力室５４である。
ここでは、案内部１２の底面の供給口５２から、駆動気体圧ＰPを有する気体が圧力室５４に供給されてピストン型可動子６０を駆動する一方で、移動体６の供給口１６から、制御気体圧Ｐ1を有する気体が、複数の平板可動子２０に向かって供給される。供給口１６から移動体６の気体受面の気体出口、すなわち平板可動子２０と対向する面の気体出口との間には、図４で説明したような絞り部４０を設けることが好ましい。
ピストン型可動子６０は、その内部に気体室６２を有するいわば内蔵タンクを有する可動子である。制御気体圧Ｐ1を有する気体は、移動体６の気体受面から複数の平板可動子２０の貫通穴２４を通って、隣接する平板可動子２０の間の隙間を流れ大気に開放される。また、一部は、ピストン型可動子６０の内部の気体室６２に流れこみ、一旦そこで蓄えられてから、軸受用開口６４より、ピストン型可動子６０の外周と案内部１２の内壁との隙間に流れる。流れ出した気体は、いわゆる気体軸受作用によりピストン型可動子６０を案内部１２の内壁に対し、浮上させる。これにより、ピストン型可動子６０の軸方向の移動の摩擦を低減できる。
平板可動子２０の支持軸１４に対する支持は、図１、図２で説明した内容と同じである。そして、隣接する平板可動子２０の間の隙間を流れる気体は、いわゆる気体軸受としての作用を示す。ここで、ピストン型可動子６０の駆動気体圧ＰPによる駆動力が一種の押付力として複数の平板可動子２０に向かって働くので、制御気体圧Ｐ1を制御し、押付力と釣り合わせつつ、これらの隙間量を調整することができる。
そして、図１で説明したと同様に、上記の平板可動子２０の寸法等の条件の下で、仮に９９個の平板可動子２０を用いるときは、この約１０ｍｍから約１００ｍｍの全長の９９個の平板可動子２０によって、移動体６に約１ｍｍ程度の移動量を与えることができる。
なお、以上の説明では、ピストン型可動子６０の駆動気体圧ＰPによる移動を除いている。実際に駆動気体圧ＰPによるピストン型可動子６０の移動駆動がなされる場合は、駆動気体圧ＰPによる比較的大きな移動量に加えて、複数の平板可動子２０による精度の高い移動が加わることになる。つまり、ピストン型可動子６０の粗動移動駆動と、複数の平板可動子２０による精度の高い微小移動駆動の組合せとなる。
次に、移動体からの押付力を要しない気体圧制御アクチュエータの構成の例を説明する。以下では、図１から図８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。また、以下では図１から図８の符号を用いて説明する。
図１の構成においては、移動体６からの押付力Ｆを前提としたが、押付力を気体圧制御アクチュエータの内部で作り出す構成としたものが図９に示す気体圧制御アクチュエータ７０である。ここでは、２つの案内構成部７２，７４からなる案内部１２と、複数の平板可動子２０との間に出力可動子７６が設けられる。出力可動子７６は、複数の平板可動子２０による駆動力を受ける可動子であるが、その先端側の肩部において、押付力用気体圧Ｐ2が供給口７８から供給され、これによって出力可動子７６は、押付力を複数の平板可動子２０に与えることができる。
したがって、制御気体圧Ｐ1を有する気体は、案内部１２の底面から複数の平板可動子２０の貫通穴２４を通って、隣接する平板可動子２０の間の隙間を流れ排気口６６等から大気に開放される。そして、隣接する平板可動子２０の間の隙間を流れる気体は、いわゆる気体軸受としての作用を示し、出力可動子７６からの押付力が複数の平板可動子２０に向かって働くので、制御気体圧Ｐ1を制御し、押付力と釣り合わせつつこれらの隙間量を調整することができる。
そして、図１で説明したと同様に、上記の平板可動子２０の寸法等の条件の下で、仮に９９個の平板可動子２０を用いるときは、この約１０ｍｍから数１００ｍｍの全長の９９個の平板可動子２０によって、移動体６に約１ｍｍの移動量を与えることができる。
なお、図９の構成において、出力可動子７６は、案内部１２の内壁によって案内され、その際、軸受用気体供給口７９から供給される軸受用気体圧ＰBが、出力可動子７６の外周と、案内部１２の内壁の間の隙間に流れる。この隙間に流れる気体は、いわゆる気体軸受作用により出力可動子７６を案内部１２の内壁に対し、浮上させる。これにより、出力可動子７６の軸方向の移動の摩擦を低減できる。なお、図９において、Ｅｘと示してあるのは排気である。また、Ｖと示してあるのは真空引きで、排気しきれない気体をこれにより排除することで、気体圧制御アクチュエータ７０を減圧環境下、あるいは真空下でも使用可能とすることができる。
以下に、気体圧制御アクチュエータの構成要素のいくつかの変形例を説明する。図１０から図１５は、平板可動子の平板面の構造の変形例、図１６から図２５は、平板可動子の径方向偏移規制構造等の変形例である。
最初に、平板可動子の平板面の構造の変形例について説明する。図１、図７における気体圧制御アクチュエータでは、図２で説明したように、平板可動子２０に設けられた貫通穴２４によって軸方向に気体の流れを貫通させ、その流れを平板可動子２０の平板面に設けられた細溝３０に沿って外周側に流すものとして説明した。このほかに、細溝を設けずに、平板可動子の平板面を流れる気体について、内周側から外周側に流れを絞るような構造とすることで、隣接する平板可動子の間の隙間について、気体軸受の作用に基づいて、制御気体圧Ｐ1を制御し、押付力Ｆと釣り合わせつつこれらの隙間量を調整することができる。以下では、図１から図６と同一の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
図１０は、平板面に細溝を設けずに、代わりに、内周側から外周側にむけて、板厚が次第に厚くなるようにした平板可動子８０の例を示す平面図と側面図である。図１１は、図１０におけるＡ−Ａ線に沿った拡大断面図である。この平板可動子８０は、図２で説明した平板可動子２０と比較して、支持穴２２、貫通穴２４、第１くぼみ２６は同様に有するが、第２くぼみ２８、細溝３０は設けられていない。代わって、第１くぼみ２６の最外周のところから段差が設けられ、その段差から外周側に向かって、次第に板厚が厚くなるように、丸みを帯びた傾斜面８１が形成されている。傾斜面８１は、図１１に示されるように、平板可動子８０の平板面側に向かって凸形状となっている。
この傾斜面８１は、複数の平板可動子８０が支持軸１４に整列配置されたとき、隣接する平板可動子８０の間の隙間の一部を形成するものである。すなわち、貫通穴２４から流れてくる気体は、第１くぼみ２６から、この傾斜面８１に沿って、平板可動子８０の外周に向かって流れる。上記のように、傾斜面８１は、隙間に向かって凸形状となっているので、平板面を内周側から外周側に向かって流れる気体は、次第に狭くなる隙間を通ることになり、これによって流れが絞られる。すなわち、傾斜面８１は、平板面を流れる気体を絞る効果を有する。
図１２から図１５は、平板可動子の平板面の断面形状の例を示す図である。図１２に示される平板可動子８２は、第１くぼみ２６の外周側に第２くぼみのような平坦な段差部８３を有し、その外周側に図１１の傾斜面８１と同様に隙間に向かって凸形状となる傾斜面８４を有する例である。図１３に示される平板可動子８６は、第１くぼみ２６の外周側に直線テーパ部８７を有し、その外周側に図１２の傾斜面８１と同様な傾斜面８８を有する例である。図１４に示される平板可動子９０は、第１くぼみ２６の外周側に第２くぼみのような平坦な段差部９１を有し、その外周側に、さらに段差部９２を有する２段段差構造の例である。図１５に示される平板可動子９４は、第１くぼみ２６の外周側に直線テーパ部９５を有する例である。上記のように、いずれの構造も、平板可動子の中心に対し、回転対称形であり、加工等が容易である。
次に、平板可動子の径方向の偏移規制構造等の変形例について説明する。図１における気体圧制御アクチュエータ１０では、貫通穴２４によって軸方向に気体の流れを貫通させ、四角軸である支持軸１４と四角穴である支持穴２２とによって、平板可動子２０の支持軸１４周りの回転を止め、支持軸１４と支持穴２２との間の遊合隙間を規定することで、平板可動子２０の径方向の偏移を規制するものとして説明した。この気体貫通手段、回転止め手段、径方向偏移規制手段は、実際の気体圧制御アクチュエータの仕様等により、様々に変更が可能である。
以下に、図１６から図２５を用いて、いくつかの変更例を説明する。これらの図は、図２、図３と同様に、平板可動子の側面図と正面図、及びおよび、Ａ−Ａ線に沿った断面図で、厚み方向を拡大して示す部分図である。また、以下では、図１から図３と同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図１６、図１７は、図１から図３において説明した平板可動子２０の貫通穴を、貫通窓１０２に変更する平板可動子１００の構成を示す図である。ここでは、第１くぼみに相当する部分が貫通窓１０２を仕切るアーム部１０４となっている。アーム部１０４は、第２くぼみ２８よりも一段と下った位置にあり、換言すれば、アーム部１０４に相当する部分の板厚は、第２くぼみ２８に相当する部分の板厚よりも薄い。このような構造をとることで、支持軸１４の軸方向に沿う貫通気体の流量を十分なものとすることができる。
図１８から図２１は、支持軸の外形形状及び支持穴の内径形状を周方向に沿った凹凸形状とする例を示す図である。図１８、図１９に示す平板可動子１１０は、支持穴１１２が凹凸形状を有し、これに対応する支持軸１０８は、円形断面であるが、支持穴１１２の凹凸形状に係合する凸部１０９を有する。図２０、図２１に示す平板可動子１２０は、支持軸１１８が凹凸形状を有し、これに対応する支持穴１２２は円形穴であるが、支持軸１１８の凹凸形状に係合する凸部１２６を有する。
図１８、図１９に示される平板可動子１１０は、支持穴１１２の内径の凹凸形状と、支持軸１０８の外形の円形形状との間で隙間が形成されるので、この隙間が、支持軸１０８の軸方向に沿った気体の貫通流路となる。また、上記のように、支持軸１０８は、支持穴１１２の凹凸の１つに係合する凸部１０９を有するので、これにより、平板可動子１１０の支持軸１０８周りの回転を抑制することができる。また、支持穴１１２の凹凸形状の最も内周側の寸法と、支持軸１０８の円形形状の外径寸法との間の寸法差が遊合隙間となるように設定され、これによって、平板可動子１１０の径方向の偏移が規制される。なお、平板可動子１１０において、第１くぼみ１１４、第２くぼみ２８を有し、そのくぼみ量は、図２で説明したものと同様である。
図２０、図２１に示される平板可動子１２０は、図１８、図１９で説明した平板可動子１１０における支持軸と支持穴との関係を逆にしたものに相当する。すなわち、支持穴１２２の内径の円形形状と、支持軸１１８の外形の凹凸形状との間で隙間が形成され、この隙間が、支持軸１１８の軸方向に沿った気体の貫通流路となる。また、上記のように、支持穴１２２は、支持軸１１８の凹凸の１つに係合する凸部１２６を有するので、これにより、平板可動子１２０の支持軸１１８周りの回転を抑制することができる。また、支持穴１２２の円形形状の内径寸法と、支持軸１１８の凹凸形状の最も外径の寸法との間の寸法差が遊合隙間となるように設定され、これによって、平板可動子１２０の径方向の偏移が規制される。なお、平板可動子１２０において、第１くぼみ１２４、第２くぼみ２８を有し、そのくぼみ量は、図２で説明したものと同様である。
図２２から図２５は、平板可動子の外周形状及び案内部の内径形状を周方向に沿って凹凸形状とする例を示す図である。図２２、図２３に示す平板可動子１３０は、その外周部１３４が凹凸形状を有し、これに対応する案内部１２は、円形断面であるが、平板可動子１３０の外周部１３４の凹凸形状に係合する凸部１２７を有する。図２４、図２５においては、内周形状が凹凸形状である案内部１３に対応する平板可動子１４０で、ここでは、平板可動子１４０は、円形形状の外周部１４２を有するが、案内部１３の凹凸形状に係合する凸部１４３を有する。なお、貫通穴２４、第１くぼみ２６等は、図２で説明したものと同じであるが、支持軸１２８、支持穴１３２は、共に円形断面で、丸棒軸、丸穴である。
図２２、図２３に示される平板可動子１３０は、平板可動子１３０の外周部１３４の肉厚が薄くされ、外周側に向かって凹凸形状を有する。外周部１３４の肉厚は、例えば、第１くぼみ２６の板厚と同じとすることができる。平板可動子１３０の外周部１３４を案内する案内部１２の内径形状は円形断面であるので、この内径と、平板可動子１３０の外周部１３４の凹凸形状との間で隙間が形成される。この隙間は、平板可動子１３０の平板面の細溝３０等を外周側に流れてきた気体を排出する排出流路として機能する。図１から図３で説明した気体圧制御アクチュエータ１０に比較して、排出される気体は、外周部１３４の肉厚の薄い部分を流れてから広い隙間に流れ込むので、気体の流れが広がり、これにより滑らかな排出流れとなる。
また、上記のように、案内部１２は、平板可動子１３０の外周部１３４の凹凸の１つに係合する凸部１２７を有するので、これにより、平板可動子１１０の支持軸１２８周りの回転を抑制することができる。また、平板可動子１３０の外周部１３４の凹凸形状の最も外周側の寸法と、案内部１２の円形形状の外径寸法との間の寸法差が遊合隙間となるように設定され、これによって、平板可動子１３０の径方向の偏移が規制される。
図２４、図２５に示される平板可動子１４０は、図２２、図２３で説明した平板可動子の外周部と、案内部との関係を逆にしたものに相当する。すなわち、平板可動子１４０の外周部１４２の円形形状と、案内部１３の内径の凹凸形状との間で隙間が形成され、この隙間が、平板可動子１４０の平板面の細溝３０等を外周側に流れてきた気体を排出する排出流路として機能する。ここで、平板可動子１４０の外周部１４２の肉厚が薄くなっていることは、図２２、図２３で説明したことと同様である。また、上記のように、平板可動子１４０の外周部１４２は、案内部１３の内径の凹凸の１つに係合する凸部１４３を有するので、これにより、平板可動子１４０の支持軸１２８周りの回転を抑制することができる。また、平板可動子１４０の外周部１４２の円形形状の外形の寸法と、案内部１２の凹凸形状の最も内径側の寸法との間の寸法差が遊合隙間となるように設定され、これによって、平板可動子１４０の径方向の偏移が規制される。
次に、平板可動子を用いる気体アクチュエータのいくつかの利用例を説明する。平板可動子を用いる気体圧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２６は、ＸＹθ移動機構１５０の平面図で、筐体１５２の中央に設けられる矩形の案内穴１５４の中に配置される矩形テーブル１５６を８個の気体圧制御アクチュエータ１０を用い、図２６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個の気体圧制御アクチュエータ１０は、図１で説明した構成のものである。もちろん、これ以外の構成の平板可動子を備える気体圧制御アクチュエータを用いてもよい。８個の気体圧制御アクチュエータ１０のうち、図２６の紙面において矩形テーブル１５６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１５６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圧制御アクチュエータ１０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１５６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１５６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１５６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１５６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１５６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。また、Ｘアクチュエータの合計数と、Ｙアクチュエータの合計数を異ならせてもよい。例えば、Ｘアクチュエータ合計４つ、Ｙアクチュエータを合計２つとしてもよい。また、例えば、Ｘ軸方向のみをアクチュエータで動かし、Ｙ軸方向は固定の軸受で支持して、１軸移動テーブル機構として構成することもできる。
このように、矩形テーブル１５６を駆動する場合に、平板可動子を備える気体圧制御アクチュエータ１０を用いることで、高精度の微小移動を広い範囲で確保でき、また、矩形テーブル１５６の傾きに追従しながら駆動力を矩形テーブル１５６に伝達することができる。
平板可動子を用いる気体圧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２７は、気体圧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１６０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１６０は、ベース１６２と、可動ステージ１６４との間を６つの気体圧制御アクチュエータ１７０を所定の角度配置で取り付けることで構成される。ここで、６つの気体圧制御アクチュエータ１７０は、その内部に平板可動子を含んでいる。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圧制御アクチュエータ１７０に置き換えたもので、周知の制御法により、６つの気体圧制御アクチュエータ１７０の変位量をそれぞれ制御することで、可動ステージ１６４をベース１６２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２８は、図２７の６自由度パラレルリンク機構１６０に用いられる気体圧制御アクチュエータ１７０回りの構成を示す図である。気体圧制御アクチュエータ１７０は、出力可動子１７２の形状がやや異なっている程度で、他は複数の平板可動子２０を含め、図９で説明した気体圧制御アクチュエータ７０の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。もちろん、これ以外の構成の平板可動子を備える気体圧制御アクチュエータを用いてもよい。気体圧制御アクチュエータ１７０の案内部１２にはベース側可撓継手１７４の一端が取り付けられ、ベース側可撓継手１７４の他端は、図２７の６自由度パラレルリンク機構１６０におけるベース１６２の所定位置に取り付けられる。また、出力可動子１７２には可動ステージ側可撓継手１７６の一端が取り付けられ、可動ステージ側可撓継手１７６の他端は、図２７の６自由度パラレルリンク機構１６０における可動ステージ１６４の所定位置に取り付けられる。各気体圧制御アクチュエータ１７０の気体圧制御部１７８は、それぞれの案内部１２に取り付けられる。
図２９は、６自由度パラレルリンク機構１６０用の気体圧制御アクチュエータの他の例を示す図である。図２８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１８２を可撓性パイプとし、これを通して制御気体圧Ｐ1の供給をベース１６２側から行うところに特徴がある。これにより気体圧制御部１７８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。
このように、図２６の６自由度パラレルリンク機構１６０において、可動ステージ１６４をベース１６２に対し駆動する場合に、平板可動子を備える気体圧制御アクチュエータを用いることで、高精度の微小移動を広い範囲で確保でき、また、可動ステージ１６４の相対的な傾きに追従しながら駆動力を可動ステージ１６４に伝達することができる。
平板可動子を用いる気体圧制御アクチュエータは、微小変位出力装置のアクチュエータとして利用できる。ここで、微小変位出力装置とは、押付力発生機構を内蔵する気体圧制御微小移動機構である。押付力発生機構を内蔵する構造とすることで、ユーザがその微小移動機構の特性をそれ自体で評価でき、また、ユーザの目的とする対象物にその微小移動機構をそのまま適用して評価を行うことができる。
図３０は、複数の平板可動子を用いる微小変位出力装置２１０を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は正面図である。なお、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を図中に示してある。図３１は、微小変位出力装置２１０の拡大断面図で、ここではＺ方向に沿った隙間等の関係を分かりやすくするため、Ｙ方向における拡大率よりもＺ方向における拡大率を大きくとってある。また、図３０（ｃ）には、微小変位出力装置２１０の構成要素ではないが、微小変位を受ける対象物である負荷２０６と、微小変位出力装置２１０を配置しておくためのベース２０８が示されている。対象物である負荷２０６は、例えばＺ方向に微小移動可能なテーブルでもよく、あるいはＺ方向に微小量移動させたい重量のある試験物であってもよい。ベース２０８は、制御された気体圧ＰSを有する気体を微小変位出力装置２１０に供給するための供給口２０２と、微小変位出力装置２１０から気体を排出するための排気口２０４とを有することが好ましく、図３０（ｃ）では、その好ましい形態が示されている。
微小変位出力装置２１０は、制御された気体圧を入力することで、伝達部２１８からＺ方向に沿った微小変位を外部に出力する機能を有する装置である。ここで、出力される微小変位とは、ナノｍ（ｎｍ）から数十ナノｍ程度の精度を有しながら、数μｍから数１００μｍの範囲の変位である。
微小変位出力装置２１０は、筐体部２１２と、筐体部２１２の上面を覆う蓋部２１４を含んで構成される平円筒形の外形を有している装置である。筐体部２１２と蓋部２１４とで囲まれる内部空間には、支持軸２２２の軸方向に整列配置されて取り付けられる複数の平板可動子２２０と、複数の平板可動子２２０の最先端側の平板可動子に向かい合う出力可動子２４０とが含まれる。
ここで、複数の平板可動子２２０のそれぞれの平板可動子は、すでに図２、図３で説明した平板可動子２０を用いることができる。また、この平板可動子２０に対する変形例、例えば図１０から図１５で説明した平板可動子８０，８２，８６，９０，９４、図１６から図２５で説明した平板可動子１００，１１０，１２０，１３０，１４０を用いることができる。また、図７で説明したように、変位センサを用いる構成とすることもできる。また、支持軸２２２の構造も、上記平板可動子の構造に合わせて各種のものを用いることができる。
筐体部２１２は、筒部２５０と、底部２５２とを有し、底部２５２から見て上方、すなわち＋Ｚ方向側が開口している筒状部品である。底部２５２には、外壁に設けられ制御気体圧ＰSを有する気体を受け入れる取入口２５４と、内壁すなわち底面に設けられる気体供給口２５６と、取入口２５４と気体供給口２５６とを接続する気体流路２５５が設けられる。取入口２５４、気体流路２５５、気体供給口２５６のいずれかに適当な絞り部が設けられることが好ましい。
絞り部は、流体抵抗を増加させて気体の流れを整流する機能を有する素子又は構造である。かかる絞り部としては、平行隙間絞りを用いることができる。平行隙間絞りは、ドーナツ状に中央穴を有する円環板と、円環板と外形が同じの円板とを狭い平行隙間で配置したもので、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。また、多孔質材料をポケット開口の中に配置するものを絞り部として用いてもよい。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。もちろん、制御性の必要が少ない場合は、絞り部として、通常のオリフィス等を用いることができる。
筐体部２１２の底部２５２には、支持軸２２２が＋Ｚ方向に先端を向けて取り付けられる。支持軸２２２は、複数の平板可動子２２０を軸方向、すなわちＺ方向に沿って、整列配置させて取り付け支持する機能を有する軸部品である。なお、支持軸２２２の先端は、出力可動子２４０と接触しないように配置される。
蓋部２１４は、筐体部２１２の先端側開口を覆う部材である。蓋部２１４は、筐体部２１２の筒部２５０と一体化できるリング部２１５と、中央に配置される円板状の伝達部２１８と、リング部２１５と伝達部２１８との間を接続する弾性材料から構成されるメンブレム状の薄板２１６とを含んで構成される。薄板２１６は、蓋部２１４と筐体部２１２とが一体化したときに、伝達部２１８を介して適当な付勢力を出力可動子２４０に与えるように、その形状が設定される。これによって蓋部２１４は、出力可動子２４０に押付力を与える押付力発生手段としての機能と、伝達部２１８の底面側が出力可動子２４０の中央部に接することで伝達部２１８の上面側から出力可動子の変位出力を外部に伝達する変位出力手段としての機能とを有する。また、メンブレム状の薄板２１６が伝達部２１８とリング部２１５とにそれぞれ隙間なく支持され、リング部２１５と筐体部２１２の筒部２５０とが隙間なく一体化されるときは、蓋部２１４は、筐体部２１２と共に、取入口２５４と排気口２５８とを除いて、内部空間を気密に保つ機能を有する。
かかる蓋部２１４としては、伝達部２１８の直径、すなわち薄板２１６の内側直径を約２０ｍｍ、リング部２１５の内径、すなわち薄板２１６の外側直径を約１５０ｍｍとし、薄板２１６として、板厚が約１ｍｍから約２ｍｍのステンレス薄板を用いて構成することができる。この構成例では、膜モデルの試算によれば、伝達部２１８のＺ方向の出力変位ΔＺ＝１ｍｍのとき、薄板２１６に生じる応力を許容値より十分低いものとすることができる。
複数の平板可動子２２０は、隣接隣接する平板可動子２２０の間の隙間量を変化させることで、その隙間量の変化分だけ出力可動子２４０を移動変位させる機能を有する微小移動可動子である。平板可動子２２０は、筐体部２１２の底部２５２の底面と、出力可動子２４０の底面との間に、支持軸２２２の軸方向に沿って複数整列配置される。
つぎに、微小変位出力装置の変形例を説明する。図３１に関連して述べたように、蓋部２１４は、筐体部２１２の筒部２５０と一体化できるリング部２１５と、中央に配置される円板状の伝達部２１８と、リング部２１５と伝達部２１８との間を接続する弾性材料から構成されるメンブレム状の薄板２１６とを含んで構成される。そこで、筐体部２１２と蓋部２１４とを組み合わせると、取入口２５４と排気口２５８とを除いて、内部空間が気密に保たれる。ここでは排気口２５８がそのまま外気に開放されているので、メンブレム状の薄板２１６の両側にはほぼ同じ気圧がかけられており、したがって、メンブレム状の薄板２１６は、薄板の両側の気圧の差による初期変位がなく、通常では中立位置にある。ここで、排気口２５８に適当な排気弁を設けることで、メンブレム状の薄板２１６に初期変位を与えることができる。
図３２は、排気口２５８に排気弁３５２を設けた構成の微小変位出力装置３５０の様子を示す図である。なお、図３２は、対象物である負荷２０６の力がかかる方向であるＺ方向を紙面の上下方向として微小変位出力装置３５０が示されており、この配置法は、図３１と角度で９０度異なっている。図３１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。図３１で説明した微小変位出力装置２１０と比べて、この微小変位出力装置３５０は、排気口２５８に排気弁３５２が設けられるところが相違する。
排気弁３５２は、排気される気体の排気気体圧ＰEを調整する気体弁である。排気気体圧ＰEは、外部気体圧より高い気体圧に設定される。例えば、メンブレム状の薄板２１６の外側の気体圧ＰOが大気圧の場合は、排気気体圧ＰEは、大気圧より高い気体圧に設定される。また、微小変位出力装置３５０が減圧あるいは真空の下で使用されて、メンブレム状の薄板２１６の外側の気体圧が大気圧より低い場合は、その減圧された気体圧より高い気体圧に設定される。このように排気弁３５２の排気気体圧ＰEを外部気体圧ＰOより高く設定することで、メンブレム状の薄板２１６の内側の空間３５４の気体圧はほぼ排気気体圧ＰEとなり、メンブレム状の薄板２１６の外側は外部気体圧ＰOであるから、メンブレム状の薄板２１６の内外において差圧が生じる。この差圧ΔＰ＝ＰE−ＰOにより、メンブレム状の薄板２１６は外側に膨張変形する力Ｋを受けて、初期変位する。力Ｋは、メンブレム状の薄板２１６の受圧面積をＡとして、Ｋ＝Ａ×ΔＰで計算される。
このように、排気気体圧ＰEを設定することで、メンブレム状の薄板２１６は外側に向けて力Ｋを受けて初期変位する。すなわち、伝達部２１８に負荷２０６がかけられていない状態では、伝達部２１８の底面側が出力可動子２４０の上面側から離れた状態となる。換言すれば、この状態は、メンブレム状の薄板２１６が、初期変形に相当する力Ｋで、外側にバイアスされている状態である。そして、伝達部２１８に負荷２０６がかけられると、その負荷２０６の大きさＷが、まずバイアスされている力Ｋによって受け止められる。その後、負荷２０６の大きさＷとバイアスされている力Ｋとの差によって、メンブレム状の薄板２１６が変形し、伝達部２１８が−Ｚ方向に沈み、出力可動子２４０の上面に接触し、さらに−Ｚ方向に押し付ける。これにより、隣接する平板可動子２２０の間等の隙間に押付力を与えることができる。
これにより、蓋部２１４において負荷である移動体６を受け止める伝達部２１８に予め初期変位又はバイアス力Ｋが与えられるので、負荷である移動体６が出力可動子２４０に急激にかけられることを防止できる。したがって、急激な負荷がかかることで生じえる平板可動子２２０の損傷を防止することができる。
上記では、蓋部２１４が、筐体部２１２の筒部２５０と一体化できるリング部２１５と、中央に配置される円板状の伝達部２１８と、リング部２１５と伝達部２１８との間を接続する弾性材料から構成されるメンブレム状の薄板２１６とを含んで構成されるものとして説明した。ここでリング部２１５と伝達部２１８との間を接続するものを、メンブレム状の薄板に代えて、伝達部２１８の移動軸方向への変位剛性が径方向への剛性よりも小さい弾性部材としてもよい。図３３は、リング部２１５と伝達部２１８との間を接続するものを複数の可撓アーム３１６とする蓋部３１４を示す図である。
この場合には、蓋部３１４は、筐体部と一体化しても気密性を有しない。すなわち複数の可撓アーム３１６の間の空間３１８を通って、気体は外部に開放される。したがって、筐体部２１２に排気部を設ける必要がない。
本発明に係る気体制御アクチュエータは、上記のように、ＸＹθ移動機構のテーブルのアクチュエータ、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出来る他に、ＸＹＺステージ用アクチュエータ、加速度キャンセラのアクチュエータ、除振装置のアクチュエータ、免振装置のアクチュエータ、精密駆動ジャッキ等としても利用することができる。
本発明に係る実施の形態における気体圧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平板可動子の側面図と正面図である。 本発明に係る実施の形態における平板可動子の拡大断面図である。 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。 他の好ましい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いて、隣接する平板可動子の間に気体が流れるときに、各平板可動子が中心位置に自動的に調心される様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、センサを備える気体圧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いて、ピストン型可動子を用いる気体圧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いて、押付力を内部で作り出す気体圧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いて、細溝を有しない平板可動子の側面図と平面図である。 図１０の構成における拡大断面図である。 図１０の構成の変形例の拡大断面図である。 図１０の構成の他の変形例の拡大断面図である。 図１０の構成の別の変形例の拡大断面図である。 図１０の構成のさらに別の変形例の拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態において、気体の通る貫通穴を貫通窓に変更する平板可動子の側面図と平面図である。 図１６の構成における拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態において、支持穴が凹凸形状を有する平板可動子の側面図と平面図である。 図１８の構成における拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態において、凹凸形状を有する支持軸に対し、支持穴が円形穴である平板可動子の側面図と平面図である。 図２０の構成における拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態において、外周部が凹凸形状を有する平板可動子の側面図と正面図である。 図２２の構成における拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態において、内周形状が凹凸形状である案内部に対し、円形形状の外周部を有する平板可動子の側面図と正面図である。 図２４の構成における拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態の気体圧制御アクチュエータが適用されるＸＹθ移動機構の平面図である。 本発明に係る実施の形態の気体圧制御アクチュエータが適用される６自由度パラレルリンク機構を示す図である。 図２７における気体圧制御アクチュエータ回りの構成を示す図である。 図２７の６自由度パラレルリンク機構における他の気体圧制御アクチュエータ回りの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の気体圧制御アクチュエータが適用される微小変位出力装置を示す図である。 図３０の構成における拡大断面図である。 本発明に係る実施の形態の気体圧制御アクチュエータが適用される他の微小変位出力装置を示す図である。 図３２において蓋部を示す図である。
符号の説明
６ 移動体、８，１６２，２０８ ベース、１０，１１，５０，７０，１７０ 気体圧制御アクチュエータ、１２，１３ 案内部、１４，１０８，１１８，１２８ 支持軸、１５ 変位センサ、１６，５２，７８，２０２ 供給口、１８ 制御部、２０，２１，８０，８２，８６，９０，９４，１００，１１０，１２０，１３０，１４０，２２０ 平板可動子、２２，１１２，１２２，１３２ 支持穴、２４ 貫通穴、２６ 第１くぼみ、２８ 第２くぼみ、３０ 細溝、４０ 絞り部、４２ 円環板、４４ 円板、４６ ポケット開口、４８ 多孔質材料、５４ 圧力室、６０ ピストン型可動子、６２ 気体室、６４ 軸受用開口、６６，２０４，２５８ 排気口、７２，７４ 案内構成部、７６，１７２，２４０ 出力可動子、７９ 軸受用気体供給口、８１，８４，８８ 傾斜面、８３，９１，９２ 段差部、８７，９５ 直線テーパ部、１０２ 貫通窓、１０４ アーム部、１０９，１２６，１２７，１４３ 凸部、１３４，１４２ 外周部、１５０ ＸＹθ移動機構、１５２ 筐体、１５４ 案内穴、１５６ 矩形テーブル、１６０ ６自由度パラレルリンク機構、１６４ 可動ステージ、１７４，１８２ ベース側可撓継手、１７６ 可動ステージ側可撓継手、１７８ 気体圧制御部、２０６ 負荷、２１０，３５０ 微小変位出力装置、２１２ 筐体部、２１４，３１４ 蓋部、２１５ リング部、２１６ 薄板、２１８ 伝達部、２２２ 支持軸、２５０ 筒部、２５２ 底部、２５４ 取入口、２５５ 気体流路、２５６ 気体供給口、３１６ 可撓アーム、３１８，３５４ 空間、３５２ 排気弁。

Claims (9)

  1. 支持軸との間で遊合隙間を有する支持穴を有し、支持軸に支持されて軸方向に沿って複数整列配置される平板可動子と、
    支持軸が底面に取り付けられ、支持軸の先端側の方が開口し、複数の平板可動子を案内する筒状の案内部と、
    案内部の底面に向かい合う平板可動子の一方側平板面と案内部の底面との間の隙間と、隣接する平板可動子の間の隙間と、駆動対象物に向かい合う先端側平板可動子の他方側平板面とこれに向かい合う駆動対象物の気体受面との間の隙間とに、それぞれ気体を供給して流すために、支持軸の軸方向に沿って設けられる気体貫通流路と、
    気体貫通流路に気体を供給する気体供給手段と、
    を有し、先端側平板可動子が気体層を介して駆動対象物に駆動力を及ぼすことを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  2. 案内部に案内されて軸方向に気体圧によって駆動されるピストン型可動子と、
    ピストン型可動子の先端に軸方向に延びて取り付けられる支持軸と、
    支持軸との間で遊合隙間を有する支持穴を有し、支持軸に支持されて軸方向に沿って複数整列配置される平板可動子と、
    案内部の底面に向かい合う平板可動子の一方側平板面と案内部の底面との間の隙間と、隣接する平板可動子の間の隙間と、駆動対象物に向かい合う先端側平板可動子の他方側平板面とこれに向かい合う駆動対象物の気体受面との間の隙間とに、それぞれ気体を供給して流すために、支持軸の軸方向に沿って設けられる気体貫通流路と、
    気体貫通流路に気体を供給する気体供給手段と、
    を有し、先端側平板可動子が気体層を介して駆動対象物に駆動力を及ぼすことを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  3. 請求項１または請求項２に記載の気体圧制御アクチュエータにおいて、
    各平板可動子について、支持軸の径方向への変位を予め定める変位量に規制する規制手段を有することを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  4. 請求項３に記載の気体圧制御アクチュエータにおいて、
    支持軸の外形及び支持穴の内径は、周方向に沿って凹凸形状を有し、
    気体貫通流路は、支持軸の外形と支持穴の内径との間の軸方向に沿った隙間であり、
    規制手段は、支持軸の外形と支持穴の内径との間の隙間を予め定める範囲に設定することで、各平板可動子と支持軸との間の径方向への変位を規制することを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  5. 請求項３に記載の気体圧制御アクチュエータにおいて、
    各平板可動子の外形及び案内部の内径は、周方向に沿って凹凸形状を有し、
    規制手段は、各平板可動子の外径形状と案内部の内径形状との間の隙間を予め定める範囲に設定することで、各平板可動子と支持軸との間の径方向への変位を規制することを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  6. 請求項１または請求項２のいずれか１に記載の気体圧制御アクチュエータにおいて、
    各平板可動子は、
    気体貫通路を囲む内径側部分に、外径側部分よりも板厚が薄く、隣接する平板可動子の平板面との間で表面絞り隙間を形成する減速用くぼみと、
    減速用くぼみを越えて、いずれか一方の平板面の外周方向に向かって延び終端部を備える気体流路浅溝と、
    を含むことを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  7. 請求項１または請求項２に記載の気体圧制御アクチュエータにおいて、
    気体供給手段は、
    平板可動子に向かって開口する気体供給口と、
    気体供給口に設けられ、供給気体の流れを整流する気体絞り部と、
    を有することを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか１に記載の気体圧制御アクチュエータにおいて、
    各平板可動子について支持軸周りの回転を防止する回転規制手段を有することを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
  9. 請求項１から請求項７のいずれか１に記載の気体圧制御アクチュエータにおいて、
    各平板可動子は、セラミック材料で構成されることを特徴とする気体圧制御アクチュエータ。
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