(57)【要約】【課題】摺動運動を行わず、適当な精度で変位を出力できる微小変位出力装置を提供することである。【解決手段】目標とする変位量に対し実際の変位量がフィードバックされる微小変位出力システム１０は、微小変位出力装置２０と変位出力部１２と制御装置１８を備えて構成される。微小変位出力装置２０は、筒状の筐体部２２の先端側開口を覆って気体室２８を形成し、気体室２８に供給される制御気体圧Ｐｓに応じて面状弾性変形する蓋部３０と、蓋部３０の変位を検出する変位検出部４０を含む。蓋部３０は、筐体部２２の筒状外周部に取付けられる外周取付部３２と、中央部に設けられ弾性変形による変位を外部に出力する出力軸部３４と、外周取付部３２と出力軸部３４との間の薄板部３６とを有する。【選択図】図１
2010196844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端側に制御された気体圧を有する気体が供給される気体室用の先端側開口を有する筒状の筐体部と、
筐体部の先端側開口を覆って気体室を形成し、気体室に供給される気体圧に応じて面状弾性変形する蓋部であって、筐体部の筒状外周部に取付けられる外周取付部と、中央部に設けられ弾性変形による変位を外部に出力する出力軸部と、外周取付部と出力軸部との間の薄板部とを有する蓋部と、
気体室に供給される気体の気体圧を制御するために用いられる出力軸部の変位を検出する変位検出部と、
を備えることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項２】
請求項１に記載の微小変位出力装置において、
蓋部の出力軸方向の変位を規制する変位規制手段を備えることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項３】
請求項２に記載の微小変位出力装置において、
変位規制手段は、
蓋部と重ねられて筐体部の筒状外周部に取付けられる弾性部材であって、出力軸部に沿った軸方向の変位剛性が軸方向に垂直方向の変位剛性よりも小さく、蓋部の薄板部の軸方向変位剛性よりも大きい弾性部材であることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項４】
請求項２に記載の微小変位出力装置において、
変位規制手段は、蓋部の出力軸部と接続手段によって接続されることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項５】
請求項２に記載の微小変位出力装置において、
接続手段は、変位規制手段の中央部と蓋部の出力軸部との間の相対的曲げ変位を吸収するボールまたはピボットまたは軸方向に垂直方向の曲げ剛性の小さい部分を有するロッドであることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項６】
請求項１に記載の微小変位出力装置において、
蓋部は、出力軸部の底面と、これに対応する筐体部の中央部の受面との間に、予め定めたオフセット隙間が設けられるように配置されることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項７】
請求項１に記載の微小変位出力装置において、
蓋部は、
薄板部の外周側端部に設けられるスペーサを介して別の規制用薄板部が積層され、変位方向に平行移動可能であるが、変位方向に垂直な方向に移動が拘束される変位方向平行移動可能蓋部であることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項８】
請求項１に記載の微小変位出力装置において、
蓋部は、
気体室に供給される気体圧は正圧でも負圧でもよく、気体圧が負圧のときには、出力軸部の変位方向が、気体圧が正圧のときの変位方向と逆向きとなることを特徴とする微小変位出力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微小変位出力装置に係り、特に気体圧によって面弾性変形する薄板部を有する微小変位出力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体アクチュエータを用いる移動機構は、ピストン・シリンダ機構、小型ステッピングモータ等の他の機構に較べ、コンタミネーション発生が少ないほか、電磁的ノイズを発生せず、温度変化による影響、振動、騒音も少ない。そこで半導体装置等の位置決めアクチュエータの用途のほか、除振装置における振動を打ち消すためのアクチュエータの用途等に期待される。そこで、気体アクチュエータを用いて、応答性のよい微小移動機構を構成することが提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、微小変位出力装置として、筐体部と蓋部を含んで構成され、その内部空間には、支持軸に整列配置される複数の平板状可動子と、出力可動子とが含まれるものが開示されている。ここで、蓋部は、筐体部の筒部と一体化できるリング部と、中央に配置される伝達部と、リング部と伝達部との間を接続するメンブレム状の薄板とを含んで構成されている。また、平板状可動子は、筐体部の底部の底面と、出力可動子の底面との間に、支持軸の軸方向に沿って複数整列配置され、筐体部の気体供給口から複数の平板状可動子に向けて制御気体圧Ｐｓを有する気体が供給されると、気体は、隣接する平板状可動子の間の各隙間等を通って内径側から外径側に流れて排気され、このときに、気体軸受機構の作用によって、メンブレム状の薄板の押付力に抗して制御気体圧Ｐｓに応じて各隙間の間隔が変化し、微小変位することが述べられている。
【０００４】
この構成では、メンブレムの内側は、平板状可動子の外径から流れてきた気体の圧力で排気気体圧である大気圧で、メンブレムの外側と同じ気体圧となっている。そして、複数の平板可動子の隙間の間隔の変位、あるいは変位に相当する力、が出力可動子を介してメンブレムの中央の伝達部から取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１０６３９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的なアクチュエータは、対象物の変位または速度等を検出してアクチュエータの制御入力にフィードバックする技術を用いることで数μｍ程度の精度で変位を制御できる。しかしながら、気体圧制御を用いるピストン・シリンダ機構でも可動部が支持部に対し相対的な摺動運動をするので、制御系が複雑となる。
【０００７】
特許文献１に記載される技術は、気体軸受機構の作用を用いて制御気体圧Ｐｓによって隣接する平板状可動子の間の隙間の間隔を変化させて変位または力を出力させるものであるので、可動部が支持部に対し相対的な摺動運動を行うわけではない。したがって、対象物の変位または速度等の検出によるフィードバック制御を行わなくても、オープンループの気体圧制御で１μｍ以下の精度で変位させることが可能である。対象物の変位または速度等の検出によるフィードバック制御を行えば、ｎｍのオーダーの精度で変位させることも可能となる。
【０００８】
しかしながら、摺動運動等によるコンタミネーションの発生、騒音の発生等が好ましくないが、特許文献１の技術の精度までは必要としない製造現場等では、適当な微小変位出力装置がない。
【０００９】
本発明の目的は、摺動運動を行わず、適当な精度で変位を出力できる微小変位出力装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る微小変位出力装置は、先端側に制御された気体圧を有する気体が供給される気体室用の先端側開口を有する筒状の筐体部と、筐体部の先端側開口を覆って気体室を形成し、気体室に供給される気体圧に応じて面状弾性変形する蓋部であって、筐体部の筒状外周部に取付けられる外周取付部と、中央部に設けられ弾性変形による変位を外部に出力する出力軸部と、外周取付部と出力軸部との間の薄板部とを有する蓋部と、気体室に供給される気体の気体圧を制御するために用いられる出力軸部の変位を検出する変位検出部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る微小変位出力装置において、蓋部の出力軸方向の変位を規制する変位規制手段を備えることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る微小変位出力装置において、変位規制手段は、蓋部と重ねられて筐体部の筒状外周部に取付けられる弾性部材であって、出力軸部に沿った軸方向の変位剛性が軸方向に垂直方向の変位剛性よりも小さく、蓋部の薄板部の軸方向変位剛性よりも大きい弾性部材であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る微小変位出力装置において、変位規制手段は、蓋部の出力軸部と接続手段によって接続されることが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る微小変位出力装置において、接続手段は、変位規制手段の中央部と蓋部の出力軸部との間の相対的曲げ変位を吸収するボールまたはピボットまたは軸方向に垂直方向の曲げ剛性の小さい部分を有するロッドであることが好ましい。
【００１５】
また、本発明に係る微小変位出力装置において、蓋部は、出力軸部の底面と、これに対応する筐体部の中央部の受面との間に、予め定めたオフセット隙間が設けられるように配置されることが好ましい。
【００１６】
また、本発明に係る微小変位出力装置において、蓋部は、薄板部の外周側端部に設けられるスペーサを介して別の規制用薄板部が積層され、変位方向に平行移動可能であるが、変位方向に垂直な方向に移動が拘束される変位方向平行移動可能蓋部であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明に係る微小変位出力装置において、蓋部は、気体室に供給される気体圧は正圧でも負圧でもよく、気体圧が負圧のときには、出力軸部の変位方向が、気体圧が正圧のときの変位方向と逆向きとなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成により、微小変位出力装置は、先端側に制御された気体圧を有する気体が供給される気体室用の先端側開口を有する筒状の筐体部の先端側開口を、面状弾性変形する薄板部を有する蓋部で覆って気体室を形成し、その気体室に供給される気体圧に応じて蓋部を面状弾性変形させる。そして、蓋部の中央部の出力軸部の変位を検出して、気体室に供給される気体圧を制御する。このように、薄板部を気体圧で面状弾性変形させてその変位を取り出すので、摺動運動を行うことなく、また検出された変位が制御気体圧にフィードバックされるので、適当な精度で変位を出力できる。
【００１９】
なお、特許文献１においても、メンブレム状の薄板を有する蓋部を用いているが、蓋部の内側の気体圧は制御気体圧ではなく、排気気体圧であって、一般的には大気圧である。つまり、特許文献１においては、蓋部の変位は、複数の平板可動子の隙間間隔を制御気体圧で制御し、その隙間間隔の変化が変位として出力される。メンブレム状の薄板は、気体軸受機構の作用を用いるために必要な押付力の発生に用いられていて、メンブレム状の薄板に制御気体圧を直接かけて変位を出力させているわけではない。上記構成では、気体軸受機構等を用いることなく、面状弾性変形する薄板部に制御気体圧を直接印加することで発生する変位が出力されている。
【００２０】
また、微小変位出力装置において、蓋部の出力軸方向の変位を規制する変位規制手段が備えられるので、蓋部の薄板部が制御気体圧の急変等で過度に変形し弾性限界を超えて損傷することを防止できる。
【００２１】
また、微小変位出力装置において、変位規制手段は、蓋部と重ねられて筐体部の筒状外周部に取付けられる弾性部材であって、出力軸部に沿った軸方向の変位剛性が軸方向に垂直方向の変位剛性よりも小さく、蓋部の薄板部の軸方向変位剛性よりも大きい弾性部材である。この構成を有する弾性部材を用いることで、出力軸部に沿った軸方向の変位への影響を少なくして、微小変位を出力できる。
【００２２】
また、微小変位出力装置において、変位規制手段は、蓋部の出力軸部と接続手段によって接続される。これにより、変位規制手段の中央部と蓋部の出力軸部との間に隙間を設ける場合に比較し、変位規制を効果的に行うことができる。
【００２３】
また、微小変位出力装置において、接続手段は、変位規制手段の中央部と蓋部の出力軸部との間の相対的曲げ変位を吸収するボールまたはピボットまたは軸方向に垂直方向の曲げ剛性の小さい部分を有するロッドである。したがって、変位規制手段の中央部と蓋部の出力軸部との間の相対的曲げ変位の影響を少なくして変位規制を行うことができ、出力軸部に沿った軸方向の変位への影響を少なくして、微小変位を出力できる。
【００２４】
また、微小変位出力装置において、蓋部は、出力軸部の底面と、これに対応する筐体部の中央部の受面との間に、予め定めたオフセット隙間が設けられるように配置される。オフセットを設けるときは、出力軸部に負荷が印加されたとき、オフセット分だけ薄板部が弾性変形して負荷を受け止めるので、その分、蓋部に掛る負荷が軽くなる。したがって、負荷を微小変位させるのに要する気体圧がその分低く済ませることができる。
【００２５】
また、微小変位出力装置において、蓋部は、薄板部の外周側端部に設けられるスペーサを介して別の規制用薄板部が積層され、変位方向に平行移動可能であるが、変位方向に垂直な方向に移動が拘束される。これにより、変位方向の微小変位を正確なものとすることができる。
【００２６】
また、微小変位出力装置において、気体室に供給される気体圧は正圧でも負圧でもよく、負圧のときには、出力軸部の変位方向が、正圧のときの変位方向と逆向きとなる。これによって、例えば、減圧下、あるいは真空中において微小変位出力装置を動作可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る実施の形態の微小変位出力装置を含む微小変位出力システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、複数部品を組み立てて蓋部とする例を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、薄板円板のみを蓋部として用いる例を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、微小変位出力装置に設けられる変位検出部と、変位出力部の構成を示す詳細図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、筐体部の受面と、蓋部の出力軸部の底面の間に設けられるオフセット隙間の作用を説明する図である。
【図６】図５と比較して、オフセット隙間の作用を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、蓋部の過度の変位を防止するために、ストッパ機構が設けられる微小変位出力装置の構成を示す図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、薄板面に垂直な方向である軸方向の変位剛性が、その軸方向に垂直な方向の変位剛性よりも小さい薄板バネの例を示す平面図である。
【図９】本発明に係る実施の形態において、弾性部材と出力軸部との間の接続方法のいくつかの例を示す図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態において、変位方向に平行移動可能な構成の例を示す図である。
【図１１】図１０の分解構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。以下で述べる寸法、材質、個数、数値等は、説明のための例示であり、用途目的に応じて、それ以外の条件のものを用いることができる。
【００２９】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００３０】
図１は、微小変位出力装置２０を含む微小変位出力システム１０の構成を示す図である。微小変位出力システム１０は、面状弾性変形を利用する微小変位出力装置２０の出力変位を面状弾性変形のための制御気体圧にフィードバックし、適当な精度で変位を出力することができるシステムである。
【００３１】
微小変位出力システム１０は、微小変位出力装置２０において制御気体圧Ｐｓによって微小変位する量を変位出力部１２から出力し、その出力値を制御装置１８にフィードバックし、目標とする変位量と比較し、その偏差をゼロとするように制御気体圧Ｐｓを変更する機能を有する変位フィードバック制御システムである。
【００３２】
微小変位出力装置２０は、制御気体圧Ｐｓによって面状弾性変形する蓋部３０を用いて、固定部と可動部との間の相対的摺動運動を行うことなく、制御気体圧Ｐｓに応じた変位を出力する機能を有する気体圧制御型アクチュエータである。
【００３３】
微小変位出力装置２０の筐体部２２は、先端側に制御された気体圧を有する気体が供給される気体室２８用の先端側開口を有する筒状の部材である。気体室２８のために、筒状の先端側の面において、外周部と中央部との間に環状のくぼみが設けられる。外周部は、蓋部３０の外周取付部３２に対応して、蓋部３０を取付けるためのネジ穴が複数設けられる。また、中央部は、蓋部３０の出力軸部３４に対応して、平坦な円形の受面２４を形成する。
【００３４】
かかる筐体部２２としては、適当な金属材料を加工して所望の形状としたものを用いることができる。筐体部２２の寸法を１例として述べると、筒状の外径を約３０ｍｍ程度とすることができる。勿論、使用目的に応じ、適当な寸法とすることができ、例えば直径を数１００ｍｍの大きさに設定することもできる。
【００３５】
蓋部３０は、外周取付部３２と中央部の円形部分である出力軸部３４との間が環状に薄くされて薄板部３６となっている円板状部材である。外周取付部３２には、複数の固定用穴が配置され、これらの固定用穴は、上記の筐体部２２の先端面、つまり上面の外周部に設けられる複数のネジ穴に対応する。この複数の固定用穴と、筐体部２２の複数のネジ穴とを合わせて、複数のボルト３８がねじ込まれて、蓋部３０と筐体部２２が気密に固定される。
【００３６】
気体室２８は、筐体部２２と蓋部３０の間の気密固定によって、筐体部２２の環状くぼみと、蓋部３０の環状の薄板部３６の薄くなったくぼみとが合わさって形成された環状の空間である。気体室２８には、筐体部２２の気体供給口２６を介して、制御装置１８において生成された制御気体圧Ｐｓを有する気体が供給される。
【００３７】
蓋部３０の薄板部３６は、気体室２８に供給される制御気体圧Ｐｓに応じて面状弾性変形する機能を有する部分である。蓋部３０は、筐体部２２の先端部開口を覆って気体室２８を形成する機能を有するが、本質的な機能は、筐体部２２と蓋部３０との間に気密とされる気体室２８の制御気体圧Ｐｓと、外部の大気圧との気圧差に応じて面弾性変形を生じさせ、その変形による変位、あるいはその変位に対応する力を外部に出力する変位発生機能である。
【００３８】
したがって、蓋部３０の本質的部分はこの薄板部３６であって、外周取付部３２と中央の出力軸部３４は、取付に容易なように、外部の負荷との接触等に容易なように、肉厚としたものである。
【００３９】
出力軸部３４は、上記のように、蓋部３０の中央部に設けられた円形の肉厚部分である。出力軸部３４の底面側は、筐体部２２の受面２４に対応して、平坦な円形形状を有する。そして、大気側に面する上面側は、図示されていない負荷、つまり変位または変位に相当する力を与える対象物が接触する平坦な円形形状を有する。なお、上面側は、負荷との接触、あるいは接続の態様に応じて、円形形状以外の形状であってもよい。場合によっては、負荷を取り付ける取付穴、取付ネジ等を設けることもできる。
【００４０】
なお、制御気体圧ＰSは、大気圧に対し正圧、つまり大気圧を超える気体圧であってもよく、大気圧に対し負圧、つまり大気圧未満の気体圧であってもよい。制御気体圧ＰSが負圧の場合は、微小変位出力装置２０の周囲環境が減圧下、あるいは真空中であっても動作可能である。なお、制御気体圧ＰSが負圧の場合には、面状弾性変形の変位方向が、気体圧が正圧のときの変位方向と逆向きとなる。したがって、出力軸部３４の変位方向も、制御気体圧ＰSが正圧か負圧かで、互いに逆方向となる。
【００４１】
かかる蓋部３０は、金属円板を外周部と中央部とを肉厚のままとして、その間を両面について環状に薄く加工して得られるものを用いることができる。寸法の一例を述べると、上記の筐体部２２の外径を約３０ｍｍとして、蓋部３０の外径も約３０ｍｍとできる。薄板部３６の肉厚は、約０．５ｍｍ程度とすることができる。薄板部３６の肉厚は、弾性限界および変形強度等を考慮して、外径寸法が大きくなれば厚くするように、外径寸法に応じて変更することがよい。
【００４２】
蓋部３０は、上記のように一体成形して得られるものを用いる他に、薄板円板を用いることもできる。図２は、複数部品を組み立てて蓋部３１とする例を示す図で、薄板円板３３の両側面のそれぞれに、外周取付部に相当する円環状部材３５と、出力軸部に相当する円板部材３７とを貼付、接着等で固定して組み立てたものである。また、図３は、薄板円板３３のみを蓋部として用いる例を示す図である。この場合は、筐体部２３にはめ込み溝２５を設け、そこに薄板円板３３をはめ込み、はめ込み溝２５において接着等で気密固定して用いられる。
【００４３】
再び図１に戻り、筐体部２２の中央部の受面２４のところに設けられる変位検出部４０は、蓋部３０の出力軸部３４の変位を検出する機能を有する変位センサ部である。変位検出部４０は、変位出力部１２と協働して、蓋部３０の出力軸部３４の中心部、すなわち、負荷に対し、荷重中心となる位置における変位を制御装置１８に出力する機能を有する。制御装置１８では、この出力されたデータを用いて、気体室２８に供給される気体の気体圧である制御気体圧Ｐｓを制御する。
【００４４】
図４は、微小変位出力装置２０に設けられる変位検出部４０と、変位出力部１２の構成を示す詳細図である。変位検出部４０は、差動変圧器（ｌｉｎｅａｒ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ：ＬＶＤＴ）型の変位センサである。変位検出部４０は、大別して変位検出対象である蓋部３０の出力軸部３４の中心に一体化されて固定されるプローブ部と、筐体部２２に設けられる検出変圧器部と、この間を気密にシールドするシールド部４２で構成される。
【００４５】
プローブ部は、蓋部３０の出力軸部３４の軸方向の変位に応じて、軸方向に移動する部材である。ここで軸方向とは、蓋部３０の面状弾性変形の変位方向であって、薄板部３６の面方向に垂直な方向である。具体的には、筐体部２２の円筒形状の中心軸の方向である。プローブ部は、蓋部３０の出力軸部３４の中心に一体化して取り付けられ、筐体部２２側に突き出す非磁性体のプローブ軸４４と、プローブ軸４４の先端部に取り付けられる磁性体プローブ４６とを含んで構成される。したがって、蓋部３０が軸方向に変位すると、磁性体プローブ４６が軸方向に沿って移動することになる。図４では、軸方向の移動を白抜き矢印で示してある。
【００４６】
検出変圧器部は、筐体部２２の内部に配置され、磁性体プローブ４６の周囲を取り囲むように、配置される３つのコイルである。３つのコイルのうち、１つは励磁コイル４８で、あとの２つは、軸方向に配置位置を相互にずらして配置された２つ１組の検出コイル５０である。なお、図４では、模式的に、励磁コイル４８と、検出コイル５０が平面的に向かい合うように配置して示されている。このような配置法の他に、励磁コイル４８と検出コイル５０とを磁性体プローブ４６を同心軸として、環状に重ねて配置することもできる。
【００４７】
シールド部４２は、気体室２８と同じ気体圧の雰囲気中を移動するプローブ部と、検出変圧器部との間を気密に分離し、気体室２８の気体が検出変圧器部の信号線を通す穴を介して漏れないようにする機能を有するシールド鞘である。このシールド部４２の軸方向に延びる鞘の中をプローブ部が移動することになる。
【００４８】
かかる構成の作用を説明する。励磁コイル４８は、交流信号が供給される１次コイルである。検出コイル５０は、１次コイルに磁気的結合して交流信号を出力する２次コイルである。磁性体プローブ４６は、この１次コイルと２次コイルとの間に設けられる移動鉄心に相当する。したがって、励磁コイル４８に定常的に交流信号を供給するとき、検出コイル５０には、磁性体プローブ４６の位置に応じた交流信号が出力される。
【００４９】
検出コイル５０は軸方向に配置位置をずらした２つ１対のコイルで構成されているので、磁性体プローブ４６が中立位置にあるときに、この２つのコイルからの出力信号の大きさが同じになるように調整しておけば、磁性体プローブ４６の位置が中立位置からずれることで、いずれか一方のコイルの出力信号が大きくなり、他方のコイルの出力信号が小さくなる。
【００５０】
図４の例では、磁性体プローブ４６の位置が中立位置よりも上方側、つまり蓋部３０側の方に変位しているときの様子が示されている。この場合には、検出コイル５０の２つ１対のコイルのうち、軸方向に沿って上方側に配置されるコイルの出力信号が相対的に大きくなり、下方側に配置されるコイルの出力信号が相対的に小さくなる。
【００５１】
上記では、変位検出部４０として、差動変圧器型の変位センサを説明したが、これ以外の方式の変位センサを用いてもよい。例えば、磁石と磁気検出器との組合せによる変位センサ、静電容量方式の変位センサ、レーザ光、あるいは受発光素子を用いる光学的な変位センサ等を用いることができる。
【００５２】
変位出力部１２は、微小変位出力装置２０に設けられる変位検出部４０の検出データを取得し、微小変位出力装置２０の出力軸部３４の変位データに変換して出力し、制御装置１８に供給する機能を有する信号処理部である。
【００５３】
変位出力部１２における差動回路１４は、検出コイル５０の２つ１対のコイルのそれぞれの出力信号が入力され、その差分信号を出力する回路である。上記のように、検出コイル５０の２つ１対のコイルの一方のコイルの出力信号は中立位置のときの出力信号より相対的に大きな振幅を有し、他方のコイルの出力信号は中立位置のときの出力信号より相対的に小さな振幅を有する。差動回路は、その２つの出力信号の差分をとることで、磁性体プローブ４６の中立位置から変位したときに生じる出力信号の変化を拡大して出力する機能を有する。
【００５４】
変位換算回路１６は、差動回路１４から出力された信号の大きさに基いて、蓋部３０の出力軸部３４の中央部の軸方向の変位量に換算して出力する機能を有する回路である。具体的には、例えば電圧値である差動回路１４の出力データを、長さの次元に対応するデータ値に換算して出力する機能を有する。変位換算回路１６の出力は、制御装置１８に供給される。
【００５５】
再び図１に戻り、制御装置１８は、変位出力部１２から出力された変位データと、目標とする変位指令値とを比較し、その間に偏差があるときは、図示されていない気体圧制御装置に指令を与え、その偏差をゼロとするように、気体室２８に供給される気体の気体圧である制御気体圧Ｐｓを変更させる。このように、変位検出部４０と変位出力部１２によって取得される蓋部３０の出力軸部３４の変位を制御装置１８にフィードバックし、制御気体圧Ｐｓを変更することで、出力軸部３４を所定の精度内で変位させることができる。
【００５６】
図１、図４に示されるように、筐体部２２の受面２４と、蓋部３０の出力軸部３４の底面とは、ある程度のオフセット隙間が設けられている。このオフセット隙間は、蓋部３０の出力軸部３４に負荷が掛る際に、蓋部３０の薄板部３６をこのオフセット隙間に相当する分だけ弾性変形させ、これによって負荷に変位あるいはこれに相当する力を与えるに要する制御気体圧Ｐｓを軽減するために設けられる。
【００５７】
その様子を図５、図６を用いて説明する。これらの図は、蓋部３０と筐体部２２の受面２４の付近を拡大して示す図で、図５はオフセット隙間が比較的大きなＤ１の場合で、図６はオフセット隙間が比較的小さなＤ２の場合である。これらの図で、左側の図には、負荷５２が印加されていない場合が、右側の図には、負荷５２がＷの大きさで蓋部３０に印加された場合が示されている。Ｗは、力の次元でＮ（ニュートン）で表すことができる。
【００５８】
図５のようにオフセット隙間Ｄ１が比較的大きい場合に、負荷５２が印加されると、蓋部３０の出力軸部３４の底面が筐体部２２の受面２４に接触するまで薄板部３６が弾性変形する。その弾性変形量は、比較的大きなオフセット隙間Ｄ１に対応して、比較的大きい。この弾性変形量に対応して蓋部３０は負荷５２に反力Ｆ１を及ぼすが、その大きさも比較的大きなオフセット隙間Ｄ１に対応して、比較的大きい。これにより、（Ｗ−Ｆ１）が蓋部３０に印加される負荷の実際の大きさとなる。
【００５９】
図６ではオフセット隙間Ｄ２が比較的小さいので、負荷５２がＷの大きさで蓋部３０に印加されても、薄板部の弾性変形量が比較的小さく、負荷５２に及ぼす反力Ｆ２も比較的小さい。したがって、蓋部３０に実際に印加される負荷の大きさである（Ｗ−Ｆ２）は、図５の場合に比べ、大きくなる。
【００６０】
負荷５２に変位またはこれに相当する力を与えるときの初期状態は、負荷５２が蓋部３０に印加され、蓋部３０が筐体部２２の受面２４に接触している状態である。この状態から目標の変位になるように、気体室２８に制御気体圧Ｐｓが供給される。図５、図６の例では、初期状態の負荷５２の実際の大きさは、図６の方が大きい。したがって、同じ変位を負荷５２に与えることを考えると、図５の場合に必要な制御気体圧の方が、図６の場合に必要な制御気体圧よりも少なくて済むことになる。このように、負荷５２の大きさＷに応じてオフセット隙間を適切に設定することで、制御気体圧Ｐｓを軽減することができる。
【００６１】
蓋部３０は、制御気体圧Ｐｓに応じて薄板部３６を面状弾性変形させて出力軸部３４に所望の変位を出力する機能を有するものであるが、出力軸部３４に掛る負荷の大きさが変動すると、変位を一定とするために制御気体圧Ｐｓを変更して対応することになる。ところが、負荷が急変する場合、例えば、変位を出力しているときに負荷が取り除かれるような場合等には、変位検出部４０からの実変位フィードバック処理が間に合わずに、薄板部３６が過度に変形することが生じ得る。
【００６２】
図７は、蓋部３０の過度の変位を防止するために、ストッパ機構が設けられる微小変位出力装置６０の構成を示す図である。この微小変位出力装置６０は、蓋部３０の出力軸方向の変位を規制する変位規制手段として、蓋部３０と出力軸方向に重ねられて筐体部２２の筒状外周部に取付けられる弾性部材６２が設けられる。弾性部材６２は、蓋部３０の薄板部３６の軸方向変位剛性よりは大きな変位剛性を有する円板で、蓋部３０の出力軸部３４の上面に予め設定された所定の変位許容隙間を開けて配置される。このようにすることで、蓋部３０の出力軸部３４が上方に過度に変位すると、この弾性部材６２に当り、弾性部材６２の高い変位剛性によって、それ以上に変位することが適当に抑制される。
【００６３】
図７における取出部５４は、負荷を掛けるための中間部材である。上記のように、弾性部材６２を蓋部３０の出力軸部３４の上面側に配置するときは、負荷を出力軸部３４に掛けるときに弾性部材６２と位置干渉することが生じ得る。そこで、弾性部材６２の中央部に適当な開口部を設け、開口部の周辺で出力軸部３４の上面側と弾性部材６２の底面側とを対向させ、開口部に取出部５４を配置することで、取出部５４を介して負荷を出力軸部３４に掛けることができる。
【００６４】
このように、弾性部材６２を蓋部３０の上面側に重ねて配置する場合には、負荷の掛け方に工夫を要するので、弾性部材６２を蓋部３０の底面側、すなわち、筐体部２２の側に配置するようにしてもよい。この場合には、蓋部３０の上方への過度の変位を防止するために、蓋部３０と弾性部材６２とを接続することが好ましい。
【００６５】
弾性部材６２としては、適当な円板を用いることができるが、好ましくは、出力軸部３４の軸方向に沿った方向の変位剛性が軸方向に垂直方向の変位剛性よりも小さい薄板バネが好ましい。図８は、薄板面に垂直な方向である軸方向の変位剛性が、その軸方向に垂直な方向の変位剛性よりも小さい薄板バネ６４の例を示す平面図である。
【００６６】
この薄板バネ６４は、外周支持部と中心支持部との間に、細い幅の曲がり形状を有するアームを複数配置したもので、全体として、波形のアーム、あるいは雲形のアームが外周部と中央部との間に配置された形態を有する。この細い曲がり形状を有するアーム部によって、軸方向に変位しやすく、軸方向に垂直な径方向に変位しにくい特性を有する薄板バネとすることができる。この場合でも、薄板バネ６４の軸方向の変位剛性は、蓋部３０の軸方向の変位剛性よりも大きく設定される。
【００６７】
このような薄板バネ６４を弾性部材６２として用いることで、出力軸部３４に対し、軸方向の変位出力への影響を少なくして、軸方向の過度の変位を抑制する機能を持たせることができる。
【００６８】
上記では、弾性部材６２の底面側と蓋部３０の出力軸部３４の上面側との間に適当な変位許容隙間を設けるものとしたが、これを弾性部材６２と出力軸部３４とを接続するものとしてもよい。
【００６９】
図９は、弾性部材６２と蓋部３０の出力軸部３４との間の接続方法のいくつかの例を示す図である。（ａ）は、ボール７０を介して弾性部材６２と出力軸部３４との間を接触させて接続する例である。（ｂ）は、ピボット７２を介して弾性部材６２と出力軸部３４との間を接触させて接続する例である。（ｃ）は、軸方向に垂直方向の曲げ剛性の小さい部分を有するロッド７４を用いて弾性部材６２と出力軸部３４との間を接続する例である。ボール７０、ピボット７２、ロッド７４は、弾性部材６２と出力軸部３４との間から脱落しないように、適当なくぼみ等の案内を用いて、弾性部材６２と出力軸部３４との間に単に配置するようにすることが好ましい。
【００７０】
これらを用いることで、弾性部材６２の中央部と蓋部３０の出力軸部３４との間の相対的曲げ変位の影響を少なくして変位規制を行うことができ、出力軸部３４に沿った軸方向の変位への影響を少なくして、微小変位を出力できる。
【００７１】
図９（ｄ）は、弾性部材６２と出力軸部３４との間を固定接続する例を示す図である。この場合には、蓋部３０の変位剛性と弾性部材６２の変位剛性との合成された変位剛性によって、蓋部３０の過度の軸方向変位を抑制することができる。
【００７２】
上記で述べた構成によると、蓋部の変位は、薄板部の変形によって必ずしも変位方向に沿ったものでない場合が生じえる。図１０は、変位方向に平行移動可能であるが、変位方向に垂直な方向には移動が拘束される蓋部の例を示す断面図である。
【００７３】
図１０の微小変位装置１００は、２枚の薄板部１２２，１２６を、その外周部でスペーサ１２４，１２５を介して拘束し、これによって、制御気体圧Ｐｓで薄板部１２２を変位させるときに、薄板部１２６の拘束効果によって、変位方向に沿った方向にのみ、薄板部１２２が移動可能とするものである。
【００７４】
微小変位装置１００は、プローブ軸１１４を気密に収納するシールド部１０６を含む筐体部１１０に、積層構造の蓋部１１１と、蓋部の変位を規制する変位規制手段としての円板部１３２を含んで構成される。なお、プローブ軸１１４は、図４で説明したのと同様に、非磁性体の軸部の先端に磁性体のプローブ部が設けられる構成である。また、励磁コイル、検出コイルの端末部が筐体部１１０を通って変位出力部１２に引き出される。図１１は、蓋部１１１の積層構造を中心に、微小変位装置１００の一部を分解して示す図である。
【００７５】
蓋部１１１は、２枚の薄板部１２２，１２６を外周部を拘束して、変位方向にのみ移動可能にするため、２枚の薄板部１２２，１２６を、下部円板１１８、スペーサ１２４，１２５、上部円板１２８で外周部を挟みこみ、さらに、下部台座１１２と、上部荷重台１３０とで中央部を挟み込み、これらを中央止めボルト１３４と外周止めボルト１３６とで締結しながら、円板部１３２と共に筐体部１１０に固定したものである。
【００７６】
図１１に示されるように、下部台座１１２は、フランジ部を有する軸台座であり、プローブ軸１１４が一体化されて取り付けられ、フランジ部の下方に向かって突き出している。軸台座の上部には、中央止めボルト１３４と噛み合うメネジ部が設けられる。そしてフランジ部の上面には、シールドリング１１６が配置される。シールドリング１１６は、下部台座１１２の上面と薄板部１２２の下面とが接触する際の気密を確保するために用いられる。
【００７７】
下部円板１１８は、下面が筐体部１１０の上面と接触し、上面が薄板部１２２の下面と接触する部材である。下部円板１１８は、中央部が中空の円環状をなし、この中空部に、下部台座１１２のフランジ部が収納される。下部円板１１８の上面には、シールドリング１２２が配置される。シールドリング１２２は、下部円板１１８の上面と薄板部１２２の下面とが接触する際の気密を確保するために用いられる。
【００７８】
筐体部１１０と、下部円板１１８と、薄板部１２２が積層され、下部台座１１２が筐体部１１０と薄板部１２２の間に配置されると、制御気体圧Ｐｓは、薄板部１２２の下面に印加されることができる。したがって、薄板部１２２が、制御気体圧Ｐｓによって変形することで、蓋部１１１が微小変位することになる。
【００７９】
スペーサ１２４，１２５は、下面が薄板部１２２の上面に接触し、上面が薄板部１２６の下面に接触する大小２つの円環状部材である。このスペーサ１２４，１２５は、２枚の薄板部１２２，１２６を変位方向に隙間を開けながら外周部で拘束するための部材である。
【００８０】
薄板部１２６は、制御気体圧Ｐｓを受ける薄板部１２２と同じ形状を有する薄板円板である。薄板部１２６の機能は、薄板部１２２を変位方向にのみ移動可能とするために、スペーサ１２４，１２５を介して平行平板構造を形成することである。したがって、薄板部１２２の変形に追従して変形することができればよく、正確な変位特性は必要とされない。
【００８１】
上部円板１２８は、下面が薄板部１２６に接触し、上面が円板部１３２の下面に接触する部材である。上部円板１２８は、中央部が中空の円環状をなし、この中空部に、上部荷重台１３０のフランジ部が収納される。
【００８２】
上部荷重台１３０は、フランジ部を有する軸台座であり、軸部には、下部台座１１２の軸部がはまり込む穴が設けられる。すなわち、上部荷重台１３０と下部台座１１２とは、中央止めボルト１３４によって一体化されることができ、その際に、薄板部１２２、スペーサ１２５、薄板部１２６をしっかりと挟み込む機能を有する。
【００８３】
円板部１３２は、蓋部１１１の変形拘束をする機能を有する円板である。その中央部には、上部荷重台１３０の軸部が突き出るように、穴が設けられる。
【００８４】
中央止めボルト１３４は、上部荷重台１３０に頭部が止められ、ネジ部が下部台座１１２のメネジ部と噛み合うことで、上部荷重台１３０と下部台座１１２を一体化する機能を有する締結部材である。その際に、薄板部１２２、スペーサ１２５、薄板部１２６をしっかりと挟み込むことについては上述した。
【００８５】
外周止めボルト１３６は、円板部１３２、上部円板１２８、薄板部１２６、スペーサ１２４、薄板部１２２、下部円板１１８を積層し、これらの外周部を貫いて挿入され、筐体部１１０のメネジ部にしっかりと噛み合って、これらの外周部を挟み込みによって固定する機能を有する締結部材である。外周止めボルト１３６は、図１０，１１においては一本のみ図示されているが、実際には、微小変位装置１００の上面の外周に沿って複数本配置される。
【００８６】
このようにして構成される蓋部１１１を用いることで、制御気体圧Ｐｓが薄板部１２２の下面側に印加され、薄板部１２２が変形する際、スペーサ１２４，１２５を介して薄板部１２６が追従して弾性変形する。このときに、薄板部１２２も薄板部１２６も、外周側が変形拘束されているので、結局、薄板部１２２は、変位方向にのみ平行移動でき、変位方向に垂直な方向には変位が拘束されることになる。このようにして、蓋部１１１の微小変形は変位方向のみとなり、上部荷重台１３０の微小変位もまた、変位方向にのみ変位することになる。なお、変位方向とは、薄板部１２２の平面に垂直な方向である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明に係る微小変位出力装置は、微小変位アクチュエータ、微小位置決め装置、微小高さ調整装置等に利用できる。
【符号の説明】
【００８８】
１０  微小変位出力システム、１２  変位出力部、１４  差動回路、１６  変位換算回路、１８  制御装置、２０，６０，１００  微小変位出力装置、２２，２３，１１０  筐体部、２４  受面、２５  はめ込み溝、２６  気体供給口、２８  気体室、３０，３１，１１１  蓋部、３２  外周取付部、３３  薄板円板、３４  出力軸部、３５  円環状部材、３６，１２２，１２６  薄板部、３７  円板部材、３８  ボルト、４０  変位検出部、４２，１０６  シールド部、４４，１１４  プローブ軸、４６  磁性体プローブ、４８  励磁コイル、５０  検出コイル、５２  負荷、５４  取出部、６２  弾性部材、６４  薄板バネ、７０  ボール、７２  ピボット、７４  ロッド、１１２  下部台座、１１６，１２２  シールドリング、１１８  下部円板、１２４，１２５  スペーサ、１２８  上部円板、１３０  上部荷重台、１３２  円板部、１３４  中央止めボルト、１３６  外周止めボルト。
【図１】
2010196844.tif 000003
【図２】
2010196844.tif 000004
【図３】
2010196844.tif 000005
【図４】
2010196844.tif 000006
【図５】
2010196844.tif 000007
【図６】
2010196844.tif 000008
【図７】
2010196844.tif 000009
【図８】
2010196844.tif 000010
【図９】
2010196844.tif 000011
【図１０】
2010196844.tif 000012
【図１１】
2010196844.tif 000013