(57)【要約】  【課題】  空気圧等の流体圧の入力圧に応じてそれに応じた超微細ストロークを発生するアクチュエータを提供する。  【解決手段】  複数の切込み２１〜２４を備えるボディ１０に対して交差するように中心部に挿通孔１２を形成するとともに、ボディ１０の端部に凹部１３を形成し、凹部１３内に収納保持される圧力板１６に連設されるロッド１７を上記挿通孔１２内に配し、ダイヤフラム１９を介して上記圧力板１６に入力圧力を印加したときに、切込み２１〜２４の根元側の連結部の弾性変形によって出力点Ｐがストロークを生ずるようにする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が被当接部になっている挿通孔と、該挿通孔を横切るように形成されている切込みと、前記挿通孔の基端部に連通する凹部とを有するボディと、
前記凹部内に収納保持されている圧力板と、
前記圧力板に設けられかつ挿通孔に挿通されているロッドと、
前記圧力板の前記ロッドが設けられている端面とは反対側の端面と対接するように前記凹部を閉塞するダイヤフラムと、
前記圧力板の前記ロッドが設けられている端面がフラッパとして機能するように前記挿通孔の凹部との連通部に設けられているノズルと、
を具備し、前記凹部内に供給圧を印加した状態で前記ダイヤフラムを介して前記圧力板に入力圧を印加すると前記切込みの部分の弾性変形によって前記ボディの前記挿通孔の先端側の部分が変位することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記ダイヤフラムによって閉塞された凹部がさらにカバーによって覆われることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記ダイヤフラムと重なるようにディスクスプリングが配され、該ディスクスプリングによって前記ロッドの軸線方向の弾性復元力を発生させることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ボディに複数の切込みが形成されるとともに、前記ロッドの中間位置に対して軸線方向の両側で複数の切込みが対称な位置関係にあり、前記ロッドの軸線方向と交差する方向の変位が相殺されることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記ボディに偶数個の切込みが形成され、前記ロッドの軸線方向の変位を取出すことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記ボディに奇数個の切込みが形成され、単一または複数の前記切込みの部分で回動による回転変位を取出すことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアクチュエータに係り、とくに圧力を入力し、この入力圧力に応じた変位を取出すようにしたアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小でかつ高精度の変位を取出す超微細位置決めが可能ないわゆるナノアクチュエータとして、ピエゾアクチュエータやベローズアクチュエータが提案されている。
【０００３】
ピエゾアクチュエータは所定の方向に分極された圧電素子によって構成され、この圧電素子に対して電圧を印加することによって、歪変形を利用して変位を取出すものである。またベローズアクチュエータはこのベローズに対して加わる力とこの力によるベローズの歪量とをフィードバックして位置制御を行なうようにしたアクチュエータである。
【０００４】
従来のピエゾアクチュータはヒステリシスが大きいために閉ループ制御を行なうことが必要になる。またピエゾアクチュエータは開発コストが高いために、量産を前提とした用途あるいは高コストを許容できる用途に限定され、量産を前提としない用途や低コストの用途には用いることができない。またピエゾアクチュエータは印加電圧を高くしないと大きな変位量を取出せない欠点がある。
【０００５】
これに対してベローズアクチュエータは、歪量が移動量を決定するために、温度ドリフトが大きくなる。また外乱ノイズの影響を受け易く、さらには精度を上げるには閉ループ制御が不可欠であり、低コスト化が難しいという欠点を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願発明の課題は、超微細位置決めが可能なアクチュエータを提供することである。
【０００７】
本願発明の別の課題は、ヒステリシスが小さくてオープンループでも十分に使用可能なアクチュエータを提供することである。
【０００８】
本願発明のさらに別の課題は、開発コストが低く、量産を前提としない用途や低コストが要請される用途にも使用できるアクチュエータを提供することである。
【０００９】
本願発明のさらに別の課題は、空気圧等の圧力のバランスによって位置が決定され、温度ドリフトが小さく、外乱ノイズの影響を受け難いアクチュエータを提供することである。
【００１０】
本願発明のさらに別の課題は、空気圧等の圧力による位置センサを内蔵することによって、オープンループでも高い精度が確保できるアクチュエータを提供することである。
【００１１】
本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術思想およびその実施の形態によって明らかにされよう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願の主要な発明は、先端部が被当接部になっている挿通孔と、該挿通孔を横切るように形成されている切込みと、前記挿通孔の基端部に連通する凹部とを有するボディと、
前記凹部内に収納保持されている圧力板と、
前記圧力板に設けられかつ挿通孔に挿通されているロッドと、
前記圧力板の前記ロッドが設けられている端面とは反対側の端面と対接するように前記凹部を閉塞するダイヤフラムと、
前記圧力板の前記ロッドが設けられている端面がフラッパとして機能するように前記挿通孔の凹部との連通部に設けられているノズルと、
を具備し、前記凹部内に供給圧を印加した状態で前記ダイヤフラムを介して前記圧力板に入力圧を印加すると前記切込みの部分の弾性変形によって前記ボディの前記挿通孔の先端側の部分が変位することを特徴とするアクチュエータに関するものである。
【００１３】
ここで前記ダイヤフラムによって閉塞された凹部がさらにカバーによって覆われてよい。また前記ダイヤフラムと重なるようにディスクスプリングが配され、該ディスクスプリングによって前記ロッドの軸線方向の弾性復元力を発生させてよい。また前記ボディに複数の切込みが形成されるとともに、前記ロッドの中間位置に対して軸線方向の両側で複数の切込みが対称な位置関係にあり、前記ロッドの軸線方向と交差する方向の変位が相殺されてよい。また前記ボディに偶数個の切込みが形成され、前記ロッドの軸線方向の変位を取出すようにしてよい。また前記ボディに奇数個の切込みが形成され、単一または複数の前記切込みの部分で回動による回転変位を取出すようにしてよい。
【発明の効果】
【００１４】
本願の主要な発明は、先端部が被当接部になっている挿通孔と、該挿通孔を横切るように形成されている切込みと、挿通孔の基端部に連通する凹部とを有するボディと、凹部内に収納保持されている圧力板と、圧力板に設けられかつ挿通孔に挿通されているロッドと、圧力板のロッドが設けられている端面とは反対側の端面と対接するように凹部を閉塞するダイヤフラムと、圧力板のロッドが設けられている端面がフラッパとして機能するように挿通孔の凹部との連通部に設けられているノズルと、を具備し、凹部内に供給圧を印加した状態でダイヤフラムを介して圧力板に入力圧を印加すると切込みの部分の弾性変形によってボディの挿通孔の先端側の部分が変位するようにしたものである。
【００１５】
従ってこのようなアクチュエータによれば、ダイヤフラムに対して圧力板とは反対側から入力圧を印加すると、圧力板に設けられているロッドが挿通孔内を軸線方向に移動して先端側の部分がボディの被当接部を押圧することになり、ボディは切込みの部分で弾性変形して挿通孔の先端側の部分が変位する。従って上記ダイヤフラムに加えられる圧力に対応する変位を取出すことが可能になり、微細位置決めが可能なアクチュエータが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１〜図４は本実施の形態のアクチュエータを示すものであって、このアクチュエータは図１に示すようにほぼ立方体状をなすボディ１０を備えている。なおボディ１０は例えばステンレス鋼、炭素鋼、アルミ合金等から構成されている。そしてボディ１０の一側端側には図２に示すように、同じくステンレス鋼または炭素鋼から成るカバー１１が取付けられる。ボディ１０には図２に示すようにその中心部を横方向に挿通する挿通孔１２が形成される。そして挿通孔１２の基端側の部分には円形の凹部１３が形成される。凹部１３はボディ１０の一側端に開放されるようになっている。これに対して挿通孔１２の先端部が被当接部１４になっている。
【００１７】
上記円形の凹部１３内には、この凹部１３よりも一回り小さな円板から成る圧力板１６が収納される。そして圧力板１６にはその一側端から前方に突出するようにロッド１７が突設される。ロッド１７の先端部は上記被当接部１４と当接してこの被当接部１４を押圧するようになっている。そして挿通孔１２の上記凹部１３との連通部には、圧力板１６のロッド１７が突設される端面と対向するようにノズル１８が一体に形成されている。
【００１８】
上記圧力板１６のロッド１７が突設されている端部とは反対側の端部を押圧するようにダイヤフラム１９が取付けられる。ダイヤフラム１９にはその上側にディスクスプリング２０が取付けられるようになっている。そしてその上に上記カバー１１が取付けられており、このカバー１１が凹部１３を覆うようになっている。
【００１９】
ボディ１０には上記挿通孔１２の軸線方向と直交するように４つの切込み２１、２２、２３、２４が形成されている（図３参照）。ここで切込み２１、２４はこのボディ１０の上方から下方に向って形成され、下側の非常に微小な例えば０．３ｍｍの厚みの部分のみが連結されている。これに対して中間の２つの切込み２２、２３はともに下方から上方に向って形成され、上端側のごく一部の例えば０．３ｍｍの厚みの部分が連結されている。
【００２０】
またカバー１１には供給ポート２８、入力ポート２９、出力ポート３０がそれぞれ形成されている。供給ポート２８はボディ１０の凹部３１を介して通路３２から凹部１３に連通される。そして凹部３２の内部にはＯリング３３が嵌装されている。また出力ポート３０はボディ１０の凹部３４に連通するように設けられるとともに、凹部３４が通路３５を介して凹部１３に連通されている。なお凹部３４にはＯリング３６が取付けられる。
【００２１】
次に上記ダイヤフラム１９と重ねて配されるディスクスプリング２０は例えば厚さが０．１ｍｍの燐青銅板から作られ、図４に示すようにその中心側に９０度間隔で４つの円形孔４０が形成されるとともに、外周側には斜めに円弧状をなすスリット４１が形成される。これらの円弧状のスリット４１はその両端がそれぞれ拡大部４２、４３になっている。またディスクスプリング２０は上記スリット４１の中心側の拡大部４３とほぼ同一円周上に複数の小孔４４を備えている。
【００２２】
次に以上のような構成になるこのアクチュエータの動作を説明する。図２に示すカバー１１の供給ポート２８から凹部３１および通路３２を通してボディ１０の凹部１３内に供給圧を供給する。これに対して入力ポート２９から信号圧を供給し、信号圧あるいは入力圧をディスクスプリング２０と重合うダイヤフラム１９に左側から右側に向けて印加する。従って圧力板１６は上記ダイヤフラム１９を介して入力圧に応じた圧力を右方に向って受ける。
【００２３】
これに対して圧力板１６とノズル１８とによってノズルフラッパが構成され、通路３２を通して供給される供給圧が圧力板１６およびダイヤフラム１９を左方に押圧する。なお圧力板１６とノズル１８とがギャップセンサあるいは位置センサを構成している。そしてこのときに圧力板１６とノズル１８との間のギャップに応じて供給圧が挿通孔１２および切込み２１〜２４を通してボディ１０の外部に逃げることになり、このときのノズルフラッパによる左方への押圧力と上記入力圧による右方への押圧力とがバランスするように、ノズル１８と圧力板１６との間のギャップが決定される。従ってこれに応じてロッド１７が挿通孔１２内を軸線方向に移動し、その先端部が被当接部１４を押圧する。よってボディ１０の切込み２１〜２４の部分が所定の角度変形し、ボディ１０の右側の移動点Ｐが軸線方向に変位する。従ってこの変位を出力として取出すことになる。なお図３に示すようにロッド１７は、挿通孔１３に対して隙間をもって挿入されているために、ロッド１７が挿通孔１２によってヒステリシスを生ずることがない。
【００２４】
次に上述のような位置決めの動作を数式によって説明する。諸元を次のように設定する。
【００２５】
Ｐｉｎ  入力圧
Ｐｏｕｔ  出力圧
Ｐｓ  供給圧
Ｄ  ダイヤフラム１９の直径
Ｓ  ダイヤフラム１９の有効面積
ｄ  ノズル１８の直径
ｓ（小文字）  ノズル１８の有効面積
ｄｏ  オリフィス（通路３２）の直径
Ｋ  ボディ１０の切込み２１〜２４によるばね定数
ｋ（小文字）  ディスクスプリング２０のばね定数
ボディ１０の右端側の部分であって移動点ＰがＬｘ  移動したときの左右の力の平衡を考える。右方に働く力Ｆ１  は、
Ｆ１  ＝Ｐｉｎ・Ｓ＋ｋ（Ｘ０  −Ｌｘ  ）・・・（１）
これに対して左向きの力Ｆ２  は、
Ｆ２  ＝Ｐｏｕｔ  ・（Ｓ−ｓ）＋Ｋ・Ｌｘ  ・・・（２）
ここでＦ１  ＝Ｆ２  であるから、
Ｐｉｎ・Ｓ＋ｋ（Ｘ０  −Ｌｘ  ）＝Ｐｏｕｔ  ・（Ｓ−ｓ）＋Ｋ・Ｌｘ  ・・・（３）
よって
Ｐｏｕｔ  ＝Ｐｉｎ・Ｓ／（Ｓ−ｓ）＋ｋ（Ｘ０  −Ｌｘ  ）／（Ｓ−ｓ）−Ｋ・Ｌｘ  ／（Ｓ−ｓ）・・・（４）
上記（４）式においてその右辺の第１項は入力圧Ｐｉｎによる力平衡の項であり、第２項はディスクスプリング２０が発生する力による項であり、第３項はボディ１０の切込み２１〜２４の部分の弾性変形による項である。いまｒ＝Ｓ／（Ｓ−ｓ）とすると、上記（４）式の第２項および第３項が小さい場合には、
Ｐｏｕｔ  ＝ｒ・Ｐｉｎ・・・（５）
となる。
【００２６】
またオリフィス３２の部分とノズル１８の部分での空気の通過量は等しいために、
√（Ｐｓ  −Ｐｏｕｔ  ）・πｄ０  ２  ／４＝πｄ・（Ｘｏ  −Ｌｘ  ）・√Ｐｏｕｔ  ・・・（６）
よってＸｏ  −Ｌｘ  ＝ｄ０  ２  √（Ｐｓ  −Ｐｏｕｔ  ）／４ｄ√Ｐｏｕｔ  ・・・（７）
従ってＸｏ  −Ｌｘ  ＝ｄ０  ２  √（Ｐｓ  −ｒＰｉｎ）／４ｄ√ｒＰｉｎ・・・（８）
このように点Ｐの移動量Ｌｘ  は入力圧Ｐｉｎの関数として表わすことができる。そして入力に対する出力の変化量、すなわちスパンは、（８）式から明らかなようにｄ０  ２  ／ｄによって決定される。いまｄｏ  ＝０．１５ｍｍφ、Ｐｓ  ＝５００ｋＰａ、Ｐｉｎ＝１０〜４００ｋＰａ、ｄ＝４ｍｍφ、ｒ＝０．９８とした場合におけるスパンｄ０  ２  ／ｄは、０．００９２ｍｍ、すなわち９．２μｍになる。
【００２７】
同様にｄｏ  ＝０．６ｍｍφ、Ｐｓ  ＝５００ｋＰａ、Ｐｉｎ＝１０〜４００ｋＰａ、ｄ＝４ｍｍφ、ｒ＝０．９８とすると、スパン（ｄ０  ２  ／ｄ）は０．１４７３ｍｍになる。
【００２８】
このように入力圧Ｐｉｎに対する出力圧Ｐｏｕｔ  の設定精度は１／５０００以上であって、出力ストロークである位置の分解能も同様の数値になる。この数値を上記スパンに当てはめると、第１の事例においては１．８ｎｍであり、第２の事例においては２９ｎｍになる。
【００２９】
このように本実施の形態のアクチュエータは、オリフィスの直径ｄｏ  、ノズルの直径ｄ、面積比Ｓ／（Ｓ−ｓ）あるいはｒによって決まるために、設計が極めて簡単である。また位置の調整は供給圧Ｐｓ  と入力圧Ｐｉｎとによって決まるために、極めて簡単な制御が可能になる。しかもヒステリシスが小さいためにオープンループでの使用が可能である。さらには開発コストが低いので、量産を前提としない用途や低コストが要請される用途にも十分に対応可能である。また空気圧等の流体圧力バランスによって位置が決められるために、温度ドリフトが小さく、外乱ノイズの影響も受け難い利点がある。また圧力板１６とノズル１８とによって構成されるギャップセンサから成る空気圧による位置センサを内蔵しており、オープンループでも高い位置精度が確保できる。
【００３０】
このようなアクチュエータは、例えば電子顕微鏡の焦点の位置決めや、半導体製造装置のステッパ上のレンズの焦点の調整、人工受精の卵子の位置決め等の各種の用途に広く適用可能である。
【００３１】
ここでボディ１０の切込み２１〜２４の方向と変位との関係について図５および図６によって説明する。まず図５Ｂに示すように切込み２１〜２４が交互に形成され、ｂ１  、ａ２  、ｂ３  、ａ４  がそれぞれ変形の支点をなす場合に、支点ａ２  のＸ軸方向の移動量Ｘ０  は、図６から明らかなように、
Ｘ０  ＝Ｂｓｉｎθ＋Ａｃｏｓθ−Ａ＝Ｂｓｉｎθ−Ａ（１−ｃｏｓθ）・・・（９）
これに対して支点ａ２  のＹ方向の移動量は、
Ｙ０  ＝−Ｂ＋Ｂｃｏｓθ−Ａｓｉｎθ＝−Ｂ（１−ｃｏｓθ）−Ａｓｉｎθ・・・（１０）
図５Ｂにおける移動点ＰのＸ軸方向の移動量は支点ａ２  の移動量の２倍に当るために、移動点Ｐの移動量Ｘは、
Ｘ＝２（Ｂｓｉｎθ−Ａ（１−ｃｏｓθ））・・・（１１）
これに対して移動点ＰのＹ方向の移動量は、上記支点ａ２  の同方向の移動量の２倍に当るために、
Ｙ＝−２（Ｂ（１−ｃｏｓθ）−Ａｓｉｎθ））・・・（１２）
となる。
【００３２】
これに対して図５Ｃに示すように、ロッド１７の長さ方向の中間位置に対してその両側における支点の配置を互いに対称にした場合であって、ｂ１  、ａ２  、ａ３  、ｂ４  を支点とする場合の移動点ＰのＸ軸方向およびＹ軸方向の移動量を算出する。支点ａ２  のＸ軸方向の移動量は、上記図５Ｂに示す支点ａ２  のＸ軸方向の移動量と同じであって、図６に示す場合と同様であるから、（９）式で表わされる。また支点ａ２  のＹ軸方向の移動量は上記図５Ｂにおける支点ａ２  の同方向の移動量と等しいために、（１０）式で表わされる。
【００３３】
次に移動点ＰのＸ軸方向の移動量は図５ＢにおけるＰ点の移動量と同じであるから、（１１）式で表わされる。これに対して移動点ＰのＹ軸方向の移動量は、
Ｙ＝−Ｂ（１−ｃｏｓθ）−Ａｓｉｎθ＋Ｂ（１−ｃｏｓθ）＋Ａｓｉｎθ＝０・・・（１３）
上記（１３）式から明らかなように、ボディ１０の変形の支点の配置関係を図５Ｃに示すように、ロッド１７の軸線方向の中間位置に対してその両側で左右対称になるように配置すると、Ｙ軸方向、すなわちストローク方向と直交する方向の各支点による移動量を相殺してＰ点の移動量を０にすることができ、これによってＹ軸方向の変位を無くすことが可能になる。
【００３４】
次に別の実施の形態を図７および図８によって説明する。この実施の形態は直線方向のストロークではなく回転方向のストロークを取出すようにした回転アクチュエータに関するものである。上記第１の実施の形態との相違点は、ボディ１０に形成される切込みにある。すなわち上記第１の実施の形態においては４つの切込み２１、２２、２３、２４を形成したのに対し、この実施の形態においては最後の切込み２４のみを形成し、この切込み２４の終端の連結部を支点として回動動作させるようにしたものである。
【００３５】
信号圧をダイヤフラム１９の圧力板１６とは反対側の面に印加すると、この信号圧に応じてロッド１７が挿通孔１２内を右方に移動し、これによって切込み２４よりも右側の部分において被当接部１４が押されるために、切込み２４の連結部を中心として先端側（右側）の部分が回動する。なおこのときの力のバランスは上記第１の実施の形態と同じであって、（１）〜（８）式までの理論と同じである。従ってこの実施の形態によれば、微小角度の回転位置決めを行なうことが可能なアクチュエータが提供される。
【００３６】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願発明の技術思想の範囲内で各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態においては、重力の影響を受けないようにロッド１７を水平方向に配置するとともに、ダイヤフラム１９の半径方向の変位を防止するためにディスクスプリング２０を配置しているが、ダイヤフラム１９が半径方向に変位しない場合にはディスクスプリング２０を省略することも可能である。またボディ１０の具体的な形状や切込み２１〜２４の配置あるいはその数等については任意に変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本願発明は、超微細位置決めを行なうための位置決め装置として広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】アクチュエータを構成するボディの外観斜視図である。
【図２】アクチュエータの縦断面図である。
【図３】図２におけるＡ〜Ａ線断面図である。
【図４】ディスクスプリングの拡大正面図である。
【図５】切込みの支点の位置に応じた変形状態を示す要部側面図である。
【図６】同変形した状態における変位量を計算するための側面図である。
【図７】回転アクチュエータに適用した実施の形態の縦断面図である。
【図８】回転動作を行なっている状態の縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  ボディ
１１  カバー
１２  挿通孔
１３  凹部
１４  被当接部
１６  圧力板
１７  ロッド
１８  ノズル
１９  ダイヤフラム
２０  ディスクスプリング
２１〜２４  切込み
２８  供給ポート
２９  入力ポート
３０  出力ポート
３１  凹部
３２  通路
３３  Ｏリング
３４  凹部
３５  通路
３６  Ｏリング
４０  円形孔
４１  スリット
４２、４３  拡大部
４４  小孔
【図１】
2006118619.tif 000003
【図２】
2006118619.tif 000004
【図３】
2006118619.tif 000005
【図４】
2006118619.tif 000006
【図５】
2006118619.tif 000007
【図６】
2006118619.tif 000008
【図７】
2006118619.tif 000009
【図８】
2006118619.tif 000010