JP4607658B2

JP4607658B2 - 気体制御アクチュエータ

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Publication number: JP4607658B2
Application number: JP2005143452A
Authority: JP
Inventors: 勝美佐々木; 朋子平山
Original assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd
Current assignee: PNEUMATIC SERVO CONTROLS Ltd
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: JP2006322468A

Description

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１０^５Ｎ／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、前後面に曲面形状を有する傘状可動子であって、出力可動子の曲面座形状に対応する曲面形状を前面に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後面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が供給され、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、Ｐ ₁ 、Ｐ ₂ にそれぞれ対応する力の差分＝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、これに対応する必要な力を求め、これに応じて駆動気体圧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、必要な力が求まるとき、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Ｐ_２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 による力及び押付気体圧Ｐ₂ による力の差分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。この状態から上記力の差分がさらに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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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の肩部の押付気体圧Ｐ ₂ を受ける面積、すなわち肩部の押付気体圧Ｐ ₂ を受ける部分の外径、内径をそれぞれＤ，ｄとすれば、Ｆ＝Ｐ ₂×（Ｄ²−ｄ²）π／４で与えられる。

また、押付気体圧Ｐ_２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Ｐ_１及び押付気体圧Ｐ_２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Ｐ_２を０．４Ｍｐａとして、標準隙間を１５μｍ、そのときの駆動気体圧Ｐ_１を０．３ＭＰａと設定できる。

このように初期状態の駆動気体圧Ｐ_１及び押付気体圧Ｐ_２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Ｐ_１が、第２気体供給路５０に０．４Ｍｐａの押付気体圧Ｐ_２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Ｐ ₁ またはＰ ₂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を変化させてもよく、あるいは、駆動気体圧Ｐ₁と押付気体圧Ｐ₂の双方を変化させてもよい。

このようにして、駆動気体圧Ｐ₁又は押付気体圧Ｐ ₂ 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Ｐ_２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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_３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Ｐ_３を駆動気体圧Ｐ_１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Ｐ_１でなく、伝達気体圧Ｐ_３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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_１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Ｐ_４が供給される。この気体圧Ｐ_４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Ｐ_４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Ｐ_１による駆動力となる。

このようにして、駆動気体圧Ｐ_１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Ｐ_１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、１００ＸＹθ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、１７０６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。

Claims

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、
前後面に曲面形状を有する傘状可動子であって、出力可動子の曲面座形状に対応する曲面形状を前面に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後面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気体制御アクチュエータ。
請求項１に記載の気体制御アクチュエータにおいて、
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を特徴とする気体制御アクチュエータ。
請求項１に記載の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を特徴とする気体制御アクチュエータ。
請求項３に記載の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を特徴とする気体制御アクチュエータ。
請求項３に記載の気体制御アクチュエータにおいて、
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を特徴とする気体制御アクチュエータ。