(57)【要約】  支持体および駆動体を有する電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ用のフレクシャであって、フレクシャは、支持体に取り付ける第１の弾性端部と、駆動体に取り付ける第２の弾性端部と、および第１の弾性端部と第２の弾性端部との間に位置する実質的に剛体の中間部とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と駆動体とを有する電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータに用いられるフレクシャであって、
前記支持体に取り付ける第１の弾性端部と、
前記駆動体に取り付ける第２の弾性端部と、
前記第１の弾性端部と前記第２の弾性端部の間に位置する実質的に剛体の中間部と
を備える、フレクシャ。
【請求項２】
前記第１の弾性端部および前記第２の弾性端部が弾性ストリップを備え、前記実質的に剛体の中間部が２枚のプレートを備え、前記弾性ストリップの一部が該２枚のプレート間に固定される、請求項１に記載のフレクシャ。
【請求項３】
前記弾性ストリップが、該弾性ストリップおよび前記２枚のプレートを貫通する留め具によって前記２枚のプレートの間で固定される、請求項２に記載のフレクシャ。
【請求項４】
前記弾性ストリップが、ヤング率が少なくとも１９０ＧＰａである材料で作られる、請求項２または３に記載のフレクシャ。
【請求項５】
前記弾性ストリップが、ポアソン比が０．２８〜０．３２の範囲である材料で作られる、請求項２〜４のいずれか一項に記載のフレクシャ。
【請求項６】
前記弾性ストリップの幅が該弾性ストリップの厚さの少なくとも１００倍以上である、請求項２〜５のいずれか一項に記載のフレクシャ。
【請求項７】
支持体と、
前記支持体に対して移動可能な駆動体と、
前記駆動体と、前記支持体とに結合される電磁式アセンブリであって、電流が該電磁式アセンブリに印加されるときに前記駆動体を移動させる電磁式アセンブリと、
少なくとも１つのフレクシャであって、前記支持体に取り付ける第１の弾性端部と、前記駆動体に取り付ける第２の弾性端部と、前記第１の弾性端部と前記第２の弾性端部の間に位置する実質的に剛体の中間部と、を備える少なくとも１つのフレクシャと
を備える、電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項８】
前記第１の弾性端部および前記第２の弾性端部が弾性ストリップを備え、前記実質的に剛体の中間部が２枚のプレートを備え、前記弾性ストリップの一部が該２枚のプレートの間に固定される、請求項７に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項９】
前記弾性ストリップが、該弾性ストリップおよび前記２枚のプレートを貫通する留め具によって前記２枚のプレート間で固定される、請求項８に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１０】
前記弾性ストリップが、ヤング率が少なくとも１９０ＧＰａである材料で作られる、請求項８または９に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１１】
前記弾性ストリップが、ポアソン比が０．２８〜０．３２の範囲である材料で作られる、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１２】
前記弾性ストリップの幅が該弾性ストリップの厚さの少なくとも１００倍以上である、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１３】
前記電磁式アセンブリがフレームに取り付けられたコア磁石およびシェル磁石を備え、該シェル磁石が前記コア磁石に隣接して配置されて両磁石間に空隙を画成し、コイルが前記コア磁石の周りの空隙に配置される、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１４】
前記コア磁石および前記シェル磁石が希土類永久磁石である、請求項１３に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１５】
前記希土類永久磁石が少なくとも１．０テスラの残留磁束を有するＮｄＦｅＢ磁石である、請求項１４に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１６】
前記コイルが可動コイル構造の駆動体に接続される、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１７】
前記駆動体がコイルホルダーを含み、前記電磁式アセンブリのコイルが前記コイルホルダーに巻かれる、請求項１６に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１８】
前記フレームが可動磁石構造の前記駆動体に結合される、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、電磁式アクチュエータに関し、特にナノポジショニング・アクチュエータに関する。
【発明の背景】
【０００２】
高精度ナノポジショニングシステムでは、通常、リニアアクチュエータを使ってナノスケール範囲で位置決めを行う。位置決めの速度および精度は、主に使用されるリニアアクチュエータのタイプによって決定される。このようなシステムは、一般的に採用されるナノ製造工程の速度および精度に直接影響を与えるので高い位置決め速度および精度を有することが望ましい。
【０００３】
様々なタイプのナノポジショニング・アクチュエータが現在入手可能であり、半導体圧電（ＰＺＴ）アクチュエータは大出力と高剛性を提供できることから最もよく使われる。しかし、ＰＺＴアクチュエータは、可動範囲が数百μｍに限られており、数ｍｍの動きが求められるアプリケーションには不向きとなる。一方、ｍｍの可動範囲を提供しうる従来の電磁式アクチュエータは、出力が小さく剛性が低い。これら従来の電磁式アクチュエータでは、一般に、位置決めの再現性、すなわち精度に影響を及ぼすバックラッシュおよびクーロン摩擦をもたらす従来型のローラーまたはボールベアリングを使用している。機械的ベアリングに代えてノッチタイプのフレクシャ結合を使用すると、ナノ分解能で、摩擦がなく、損耗のない、繰り返し可能な動作の実現に役立つ可能性がある。しかし、このようなフレクシャは、可動範囲が小さく、駆動方向の剛性が比較的高いため、得られる最大出力が抑制される。
【０００４】
このため、現在のところ、ナノ製造工程が自動化されるように１００ｍｍ／ｓよりも大きい移動速度と５０Ｎよりも大きい比較的高い出力で高精度のｍｍ変位を提供しうるナノポジショニング・リニアアクチュエータが利用できる状態にない。
【概要】
【０００５】
一態様によると、支持体および駆動体を有する電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ用のフレクシャが提供される。このフレクシャは、支持体に取り付ける第１の弾性端部、駆動体に取り付ける第２の弾性端部、および第１の弾性端部と第２の弾性端部の間に位置する実質的に剛体の中間部を備える。
【０００６】
他の態様によると、支持体、支持体に対して移動可能な駆動体、電流が電磁式アセンブリに印加されたとき駆動体と駆動体を移動する支持体とに結合された電磁式アセンブリ、ならびに支持体に取り付ける第１の弾性端部、駆動体に取り付ける第２の弾性端部、および第１の弾性端部と第２の弾性端部の間に位置する実質的に剛体の中間部を備える少なくとも１つのフレクシャを備える電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータが提供される。
【０００７】
本発明が十分に理解されて容易に実用化されるように、添付の例示図面を参照してここで本発明の好ましい実施形態のみが非制限的な例として説明される。
【詳細な説明】
【０００８】
一態様によると、図１に示されるようなナノポジショニング電磁式アクチュエータ１０用のフレクシャ（可撓体）１８が提供される。アクチュエータ１０は、各々が板ばね構造を有するいくつかのフレクシャ１８によって駆動体１４に結合された支持体１２を備える。各フレクシャ１８がたわむことができることによって、駆動体１４は、支持体１２に対して移動可能である。各フレクシャ１８は、たわみが最小化されるかまたは完全に阻止される実質的に剛体の中間部２０と、たわみが生じうる弾性端部２１ａ、２１ｂとを備える。中間部２０は、駆動体１４と支持体１２の間に配置されている。
【０００９】
一実施形態において、各フレクシャは、弾性ストリップ１９および２枚のプレート２２ａ、２２ｂを備える。中間部２０は、２枚のプレート２２ａ、２２ｂの間の弾性ストリップ１９の部分を、ねじ２４などの、弾性ストリップ１９および２枚のプレート２２ａ、２２ｂを貫通する留め具で固定することによって作られる。あるいはリベットが使用されてもよい。有効に動作するためには、弾性ストリップ１９はその幅のほうがその厚さよりも著しく大きくすべきである。たとえば、弾性ストリップ１９の幅はその厚さの１００倍以上大きい。
【００１０】
本実施形態において、２つのフレクシャ１８を形成するために１つの弾性ストリップ１９が使用される。駆動体１４は、ねじ２８によって各弾性ストリップ１９の中間に固定される。これにより、各弾性ストリップ１９は２つのセグメントに分割される。各セグメントは、実質的に剛体の中間部２０と２つのたわむことのできる弾性端部２１ａ、２１ｂとを有する１つのフレクシャ１８を形成する。こうして、フレクシャ１８は、第１の弾性端部２１ａで支持体１２に取り付けられ、第２の弾性端部２１ｂで駆動体１４に取り付けられる。第１の弾性端部２１ａは、ねじ２９によって支持体１２に取り付けられる。こうして、駆動体１４はフレクシャ１８によって支持体１２に結合される。
【００１１】
出力軸３０は駆動体１４に固定されうる。リニアアクチュエータ１０は、不均衡性を最小にして高い位置決め分解能を実現するために横方向に対称な構造となるように設計される。駆動体１４の移動は、駆動体１４および支持体１２の両方に結合された電磁式アセンブリ１６によって行われる。
【００１２】
電磁式アセンブリ１６は図２に示される。電磁式アセンブリ１６は、長方形のフレーム３６、２個のコア磁石３２ａ、３２ｂ、および２個のシェル磁石３４ａ、３４ｂを備える。フレーム３６はＦｅなどの強磁性体で作られる。磁石３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂは、少なくとも１．０テスラの残留磁束を有するＮｄＦｅＢ希土類永久磁石であることが好ましい。仕切板３８はフレーム３６を二等分する。コア磁石３２ａ、３２ｂは、仕切板３８の両面において互いに引き付け合う位置に取り付けられる。シェル磁石３４ａ、３４ｂは、長方形のフレーム３６の内面に取り付けられる。一方のシェル磁石３４ａは、フレーム３６の内面においてコア磁石３２ａに対して引き付け合う位置に取り付けられる。他方のシェル磁石３４ｂは、フレーム３６の反対側の内面においてコア磁石３２ｂに対して引き付け合う位置に取り付けられる。こうして、シェル磁石３４ａとコア磁石３２ａの間、およびコア磁石３２ｂとシェル磁石３４ｂの間に空隙３９が画成される。
【００１３】
フレーム３６における磁石３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂの配置は、図３に示されるような磁束４０を有するデュアル磁石構造となる。磁束４０は、仕切板３８に沿った共通磁路４２を有する。共通磁路４２は、磁束４０に対する高透磁率の閉ループ通路を提供し、空隙３９の磁束密度が永久磁石そのものの残留磁束密度以上になるように空隙３９全域にわたって磁束４０を増幅する。また、デュアル磁石構造によって、空隙３９に沿ってより均一に分布する磁束４０が得られる。シェル磁石３２ａ、３４ｂおよびコア磁石３２ａ、３２ｂの間の空隙３９にコイル線５０を配置すると、電磁式アセンブリ１６が完成する。また、それにより、コイル５０を通過する、増幅されてより均一に分布される磁束４０が得られる。コイル５０を駆動体１４に固定し、フレーム３６を支持体１２に固定することによって、適切な電流がコイル５０に流れるとき、無限小分解能の位置決めをする可動コイル駆動が実現できる。入力電流と駆動体１４に作用する出力との間にリニア（直線的）関係が成立する。また、デュアル磁石構造を採用すると、より高い磁束密度がコイル５０に作用することによって、より高い出力が実現できる。
【００１４】
図４は、コイル５０が駆動体１４に固定されるように、電磁式アセンブリ１６を用いて組み立てられた駆動体１４を示す。駆動体１４は、コア磁石３２ａ、３２ｂを取り囲むコイルホルダー５２を備える。コイルホルダー５２は、基本的に矩形の管であって両端にフランジ５４を有する。コア磁石３２ａ、３２ｂは、コイルホルダー５２内に取り囲まれているが、コイルホルダー５２に接触していない。コイル５０がコイルホルダー５２に巻かれるので、コイル５０は空隙３９に配置されて、可動コイル駆動が可能となる。フランジ５４は、フレクシャ１８に固定される駆動体１４のアーム２６に強固に固定される。
【００１５】
こうして、電磁式アセンブリ１６のデュアル電磁構造とともにフレクシャ１８の形の板ばねを備えることによって、無限小分解能の位置決めと入力電流に比例する高い連続出力が実現できる。ノッチタイプのフレクシャ結合と異なり、板ばね結合は被駆動方向の剛性が低いため容易にミリメートル変位が可能となる。また、板ばね結合は、既存のアクチュエータにおける従来のベアリングベースの案内路が直面する乾き摩擦、機構的遊び、バックラッシュ、または損耗などの機械的限界に直面することがないので、板ばね結合は駆動体１４の円滑で直線的なナノ分解能の動きを可能とする。さらに、板ばね結合はメンテナンスフリーである。
【００１６】
フレクシャ１８の弾性ストリップ１９に適した材料を選択するときは、最大荷重および変位に応じて降伏強度、熱膨張係数、および磁気特性などの特性が検討されなければならない。また、これらの特性は、アクチュエータ１０の実際の構造に依存することになる。前述された実施形態の場合、弾性ストリップ１９は、ヤング率が少なくとも１９０ＧＰａ、ポアソン比が０．２８〜０．３２の範囲であって、典型的には０．３である材料で作られるべきである。前述された実施形態の弾性ストリップ１９にはステンレス鋼が理想的な材料である。
【００１７】
電磁式アセンブリ１６の支持体１２、駆動体１４、固定板２２ａ、２２ｂ、およびフレーム３６は、磁石３２ａ、３２ｂ、３４ａ、３４ｂおよびコイル５０の磁束を妨げることのないように非磁性材料または非鉄材料で作られるべきである。また、選定された材料は、室温から約１５０℃までの温度で安定であると同時に、これらの部品が出力と動きに耐えるために必要な強度と剛性を備えなければならない。前述された実施形態にとってＡｌが好ましい材料である。また、Ｔｉまたは炭素繊維が使用されてもよい。
【００１８】
前述の説明において好ましい実施形態が記載されているが、本発明から逸脱することなく、設計または構造の詳細に、変形または変更が可能であることは当業者によって理解されよう。たとえば、アクチュエータ１０の様々な部品に、前述された必要な特性を有する材料である限り、種々の材料が使われてもよい。また、本発明では、前述された可動コイル構造に代えて可動磁石構造を採用することができる。可動磁石構造において、駆動体１４および電磁式アセンブリ１６は、駆動体が電磁式アセンブリ１６のフレーム３６に固定されうるようになっている。フレーム３６は支持体１２に対して移動されうるようになっているが、コイル５０は支持体１２に固定されるようになっている。図５、６、および７は、アクチュエータ１０の代替的な可動磁石実施形態を示す。フレクシャ５０、５２、５４は、フレーム３６および駆動体１４が支持体１２に対して直線的な動きができる限り、様々な位置に配置されうる。支持体１２および駆動体１４は、これらがフレクシャによって互いに適切に係合するようになっている限り、対応して種々に設計されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による、ナノポジショニング電磁式アクチュエータの斜視図およびフレクシャの側面図である。
【図２】図１に示されるアクチュエータにおける電磁式アセンブリの斜視図である。
【図３】図２示される電磁式アセンブリの磁束の略側面図である。
【図４】図２に示される電磁式アセンブリとともに組み立てられた図１に示されるアクチュエータの駆動体の斜視図である。
【図５】本発明の別の実施形態の支持体とともに組み立てられた駆動体の略斜視図である。
【図６】本発明のさらに別の実施形態の支持体とともに組み立てられた駆動体の略斜視図である。
【図７】本発明のさらに別の実施形態の支持体とともに組み立てられた駆動体の略斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年9月14日(2007.9.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と駆動体とを有する電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータに用いられるフレクシャであって、
前記支持体に取り付ける第１の弾性端部であり、前記駆動体の被駆動方向にたわむ第１の弾性端部と、
前記駆動体に取り付ける第２の弾性端部であり、前記被駆動方向にたわむ第２の弾性端部と、
前記第１の弾性端部と前記第２の弾性端部の間に配置された実質的に剛体の中間部であり、前記被駆動方向のたわみを最小にする実質的に剛体の中間部と
を備える、フレクシャ。
【請求項２】
前記第１の弾性端部および前記第２の弾性端部が弾性ストリップを備え、前記実質的に剛体の中間部が２枚のプレートを備え、前記弾性ストリップの一部が該２枚のプレート間に固定されている、請求項１に記載のフレクシャ。
【請求項３】
前記弾性ストリップが、前記弾性ストリップおよび前記２枚のプレートを貫通する留め具によって前記２枚のプレート間に固定されている、請求項２に記載のフレクシャ。
【請求項４】
前記弾性ストリップは、ヤング率が少なくとも１９０ＧＰａである材料から作られている、請求項２または３に記載のフレクシャ。
【請求項５】
前記弾性ストリップは、ポアソン比が０．２８〜０．３２の範囲である材料から作られている、請求項２〜４のいずれか一項に記載のフレクシャ。
【請求項６】
前記弾性ストリップの幅が該弾性ストリップの厚さの少なくとも１００倍以上である、請求項２〜５のいずれか一項に記載のフレクシャ。
【請求項７】
支持体と、
前記支持体に対して移動可能な駆動体と、
前記駆動体と、前記支持体とに結合される電磁式アセンブリであり、電流が該電磁式アセンブリに加えられるときに前記駆動体を移動させる、電磁式アセンブリと、
少なくとも１つのフレクシャであり、前記支持体に取り付ける第１の弾性端部で前記駆動体の被駆動方向にたわむ第１の弾性端部と、前記駆動体に取り付ける第２の弾性端部で前記被駆動方向にたわむ第２の弾性端部と、前記第１の弾性端部と前記第２の弾性端部の間に位置する実質的に剛体の中間部で前記被駆動方向のたわみを最小にする実質的に剛体の中間部とを備える少なくとも１つのフレクシャと
を備える、電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項８】
前記第１の弾性端部および前記第２の弾性端部が弾性ストリップを備え、前記実質的に剛体の中間部が２枚のプレートを備え、前記弾性ストリップの一部が該２枚のプレート間に固定されている、請求項７に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項９】
前記弾性ストリップが、該弾性ストリップおよび前記２枚のプレートを貫通する留め具によって前記２枚のプレート間に固定されている、請求項８に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１０】
前記弾性ストリップは、ヤング率が少なくとも１９０ＧＰａである材料から作られている、請求項８または９に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１１】
前記弾性ストリップは、ポアソン比が０．２８〜０．３２の範囲である材料から作られている、請求項８〜１０のいずれか1項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１２】
前記弾性ストリップの幅が該弾性ストリップの厚さの少なくとも１００倍以上である、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１３】
前記電磁式アセンブリがフレームに取り付けられたコア磁石およびシェル磁石を備え、該シェル磁石が前記コア磁石に隣接して配置されて両磁石間に空隙を画成し、コイルが前記コア磁石の周りの空隙に配置される、請求項７〜１２のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１４】
前記コア磁石および前記シェル磁石が希土類永久磁石である、請求項１３に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１５】
前記希土類永久磁石が少なくとも１．０テスラの残留磁束を有するＮｄＦｅＢ磁石である、請求項１４に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１６】
前記コイルが可動コイル構造の駆動体に接続される、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１７】
前記駆動体がコイルホルダーを含み、前記電磁式アセンブリのコイルが前記コイルホルダーに巻かれている、請求項１６に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１８】
前記フレームが可動磁石構造の前記駆動体に結合されている、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【請求項１９】
支持体と、
前記支持体に対して移動可能な駆動体と、
前記駆動体と、前記支持体とに結合される電磁式アセンブリと、
少なくとも１つのフレクシャと
を備え、
前記電磁式アセンブリは、電流が該電磁式アセンブリに印加されるときに前記駆動体を移動させ、フレーム上に配置されて取り付けられた第１のコア磁石、第２のコア磁石、第１のシェル磁石、および第２のシェル磁石を備えており、
前記第１のコア磁石が前記第２のコア磁石に対に対して引き付け合う位置にあり、前記第１のシェル磁石が前記第１のコア磁石に対して引き付け合う位置にあり、それによって前記第１のシェル磁石と前記第１のコア磁石との間の第１の空隙が画成され、前記第２のシェル磁石が前記第２のコア磁石に対して引き付け合う位置にあり、それによって前記第２のシェル磁石と前記第２のコア磁石との間の第２の空隙が画成され、
前記空隙の各々にコイルが配置され、前記コア磁石と前記シェル磁石の配置が共通磁路を形成しており、
前記少なくとも１つのフレクシャが、
前記支持体に取り付ける第１の弾性端部であって、前記駆動体の被駆動方向にたわむ第１の弾性端部と、
前記駆動体に取り付ける第２の弾性端部であって、前記駆動体の被駆動方向にたわむ第２の弾性端部と、
前記第１の弾性端部と前記第２の弾性端部の間に位置する実質的に剛体の中間部であって、前記被駆動方向のたわみを最小にする実質的に剛体の中間部と
を備える、電磁式ナノポジショニング・リニアアクチュエータ。
【国際調査報告】
2009516500.tif 000010
2009516500.tif 000011
2009516500.tif 000012