(57)【要約】  位置決めシステムは、本体、少なくとも部分的に本体内に配置された可撓性バンドと、および可撓性バンドに接触する複数のローラとを含み、ローラの少なくとも１つは、軸方向および半径方向の両方の移動が抑制される。【選択図】図１
2021507270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位置決めシステムにおいて、
本体と、
少なくとも部分的に前記本体内に配置された可撓性バンドと、
前記可撓性バンドと接触している複数のローラであって、前記ローラの少なくとも２つは、軸方向および半径方向の両方の移動が抑制された、複数のローラとを備えた、位置決めシステム。
【請求項２】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記本体は、上壁、底壁、第１の側壁、および第２の側壁を有する中空で長方形のかごである、位置決めシステム。
【請求項３】
請求項２に記載の位置決めシステムにおいて、前記可撓性バンドは、全体的に前記かごの中に配置された、位置決めシステム。
【請求項４】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記可撓性バンドは、第１の端部および反対側の第２の端部を含み、前記第１の端部は、前記本体に固定され、前記第２の端部は、前記本体に固定された、位置決めシステム。
【請求項５】
請求項４に記載の位置決めシステムにおいて、前記本体は、上壁、底壁、第１の側壁、および第２の側壁を有する中空で長方形のかごであり、前記可撓性バンドの前記第１の端部は、前記上壁の内面に固定された、位置決めシステム。
【請求項６】
請求項５に記載の位置決めシステムにおいて、前記可撓性バンドの前記第２の端部は、前記底壁の内面に固定された、位置決めシステム。
【請求項７】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記複数のローラは、前記可撓性バンドに接触する第１の円筒形ローラと、前記可撓性バンドに接触する第２の円筒形ローラとを含み、前記バンドは、概してＳ字形の外形になるように前記第１のローラおよび前記第２のローラに押し付けられて巻き付けられた、位置決めシステム。
【請求項８】
請求項７に記載の位置決めシステムにおいて、前記第１のローラおよび前記第２のローラの両方は、軸方向および半径方向の両方に移動しないように抑制された、位置決めシステム。
【請求項９】
請求項７に記載の位置決めシステムにおいて、前記第１のローラおよび前記第２のローラは、前記可撓性バンドの引張予荷重に比例する力で前記可撓性バンドを介して互いに対して押し付け、これにより前記第１のローラおよび前記第２のローラに沿って線接触を形成する、位置決めシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記第１のローラの回転を駆動するために前記第１のローラに結合されたアクチュエータをさらに備えた、位置決めシステム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の位置決めシステムにおいて、前記アクチュエータは、少なくとも部分的に前記第１のローラ内に入れ子になっている、位置決めシステム。
【請求項１２】
請求項１０に記載の位置決めシステムにおいて、前記アクチュエータは、回転ボイスコイルである、位置決めシステム。
【請求項１３】
請求項１０に記載の位置決めシステムにおいて、前記アクチュエータは、第１のアクチュエータであり、第２のアクチュエータは、前記第２のローラの回転を駆動するために前記第２のローラに別個に結合された、位置決めシステム。
【請求項１４】
請求項１０に記載の位置決めシステムにおいて、前記本体は長方形であり、前記アクチュエータが前記第１のローラを駆動すると、前記本体は直線的に移動する、位置決めシステム。
【請求項１５】
請求項１０に記載の位置決めシステムにおいて、前記本体は、弓形の上壁および弓形の底壁を含み、前記可撓性バンドは、前記上壁に固定された第１の端部と前記底壁に固定された第２の端部とを含み、前記アクチュエータが前記第１のローラを駆動すると、前記本体は弓形に動く、位置決めシステム。
【請求項１６】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記複数のローラは、第１のローラ、第２のローラ、第３のローラ、および第４のローラを含み、前記第１のローラ、前記第２のローラ、前記第３のローラ、および前記第４のローラの各々は、前記可撓性バンドに接触しており、前記第１のローラおよび前記第３のローラは、それぞれ軸方向および半径方向の両方の移動が抑制された、位置決めシステム。
【請求項１７】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記可撓性バンドは第１の可撓性バンドであり、前記複数のローラは、第１のローラ、第２のローラ、第３のローラ、および第４のローラを含み、前記第１のローラおよび第２のローラは、前記第１の可撓性バンドに接触しており、前記位置決めシステムは、別個の第２の可撓性バンドをさらに含み、前記第３のローラおよび前記第４のローラは、前記第２の可撓性バンドと接触している、位置決めシステム。
【請求項１８】
請求項１７に記載の位置決めシステムにおいて、前記アクチュエータは、前記第１のローラ内に配置された、位置決めシステム。
【請求項１９】
請求項１７に記載の位置決めシステムにおいて、前記第１のローラおよび前記第２のローラは、それぞれは軸方向および半径方向の両方の移動が抑制された、位置決めシステム。
【請求項２０】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記第１のローラから軸方向に延びる第１のアームと、前記第２のローラから軸方向に延びる第２のアームとをさらに備え、前記第１のアームおよび前記第２のアームは、固定プラットフォームに固定された、位置決めシステム。
【請求項２１】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記複数のローラは、第１のローラ対および第２のローラ対を含み、前記第１のローラ対の静止角は、前記第２のローラ対の静止角と異なる、位置決めシステム。
【請求項２２】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記複数のローラは、第１のローラおよび第２のローラを含み、前記第１のローラの直径は、前記第２のローラの直径とは異なる、位置決めシステム。
【請求項２３】
請求項１に記載の位置決めシステムにおいて、前記複数のローラは、第１のローラおよび第２のローラを含み、前記位置決めシステムは、前記第１のローラに結合されて前記第１のローラの回転を駆動する第１のアクチュエータと、前記第２のローラに結合されて前記第２のローラの回転を駆動する前記第２のアクチュエータとをさらに含む、位置決めシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載の位置決めシステムにおいて、前記第１のアクチュエータは、前記第２のアクチュエータとは異なるタイプのアクチュエータである、位置決めシステム。
【請求項２５】
請求項２４に記載の位置決めシステムにおいて、前記第１のアクチュエータおよび前記第２のアクチュエータの両方は、別個のクラッチ装置に結合された、位置決めシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連アプリケーションの相互参照
［０００１］  この出願は、２０１７年１２月１８日に出願された米国仮出願第６２／５９９，９５５号の優先権を主張し、その全体的な内容は参照により本明細書に含まれる。
発明の分野
［０００１］  本開示は、位置決めシステムの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］  位置決めシステムは、構成要素を、例えば直線的に、選択的に移動させるために使用されることが多い。位置決めシステムは、滑り軸受または転がり軸受と駆動要素とを含んでいる。位置決めシステムの分解能における基本的な制限要因の１つは、静止摩擦係数と滑り摩擦係数との違いである。この違いにより、滑り軸受または転がり軸受と駆動要素とを有する従来の位置決めシステムに見られる張り付きをもたらす。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
［０００３］  一実施形態によると、位置決めシステムは、本体、本体内に配置された第１のローラ、本体内に配置された第２のローラ、および本体内に配置されたバンドを含んでいる。バンドは、本体に固定された第１の端部と、本体に固定された第２の端部とを含んでいる。バンドは、第１および第２のローラの一部に沿って第１のローラおよび第２のローラとの両方に係合されている。第１および第２のローラは、両方とも軸方向および半径方向に抑制されている。アクチュエータまたはモータが一方または両方のローラの回転を駆動し、本体の直線的な運動を発生させる。
【０００４】
［０００４］  別の実施形態によれば、位置決めシステムは、本体、本体内に配置された第１のローラ、本体内に配置された第２のローラ、本体内に配置された第３のローラ、および本体内に配置された第４のローラを含んでいる。バンドは、４つのローラの各々と係合されている。４つのローラのうち少なくとも２つは、軸方向および半径方向に抑制されている。１つ以上のローラを回転するように駆動させることにより、機構の本体に直線的な運動を付与する。
【０００５】
［０００５］  別の実施形態によると、位置決めシステムは、本体、本体内に配置された第１のローラ、本体内に配置された第２のローラ、本体内に配置された第３のローラ、および本体内に配置された第４のローラを含んでいる。第１のバンドは、第１および第２のローラの両方と係合している。第２のバンドは、第３および第４のローラの両方と係合されている。４つのローラのうち少なくとも２つは、軸方向および半径方向に抑制されている。
【０００６】
［０００６］  本開示の他の態様は、詳細な説明および添付の図面を考慮することによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】［０００７］  一実施形態による位置決めシステムを示す。
【図２】一実施形態による位置決めシステムを示す。
【図３】［０００８］  別の実施形態による位置決めシステムを示す。
【図４】［０００９］  別の実施形態による位置決めシステムを示す。
【図５】［００１０］  別の実施形態による位置決めシステムを示す。
【０００８】
［００１１］  本開示のいかなる実施形態を詳細に説明する前に、本開示は、以下の説明に記載された、または以下の図面に示される実施形態の詳細および構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本開示は、他の実施形態をサポートすることができ、また様々な方法で実施または実行されることができる。また、本明細書で使用される表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定されるものと見なされるべきではないことを理解されたい。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［００１２］  図１および２は、位置決めシステム１０を示している。位置決めシステム１０は、本体１４を含んでいる。図示された実施形態では、本体１４は、上壁１８、底壁２２、第１の側壁２６、および第２の側壁３０を有する概ね長方形の中空なかごである。他の実施形態は、図示されたものとは形状、外形、および数や配置の異なる本体および壁を含んでいる。本体１４は、プラスチック、金属等を含むがこれらに限定されない、様々な異なるタイプの材料のうちの１つまたは複数で作製されることができる。
【００１０】
［００１３］  位置決めシステム１０はまた、本体１４内に少なくとも部分的に配置された少なくとも１つの可撓性バンド３４（例えば、張力バンド）を含んでいる。図示された実施形態では、位置決めシステム１０は、単一のバンド３４を含んでいる。バンド３４は、第１の端部３８および反対側の第２の端部４２を含んでいる。第１の端部３８は、上壁１８の内面に締め付けられる等により、（例えば、少なくとも１つの締結具、接着剤等を用いて）本体に固定されている。第２の端部４２は、底壁２２の内面に締め付けられる等により、（例えば、少なくとも１つの締結具、接着剤等で）本体に固定されている。バンド３４は、実質的に弾性体でないが可撓性の材料を含むがこれらに限定されない、様々な異なるタイプの材料で作製されていてもよい。タブ、スロット、およびその他の特徴がバンドの設計に付加されていてもよく、これらの特徴のいくつかは、上述のように本体に締め付けられまたは取り付けられており、その他の特徴は１つ以上のローラに取り付けられており、これによりバンドが左右に移動することを防いでいる。追加的に、バンドは、電気配線（フレキシブル回路基板のようなもの）、配管または真空ライン、または本体１４上に搭載された構成要素に搬送される必要があるその他の設備を含む、保持、または一体化されていてもよい。
【００１１】
［００１４］  引き続き図１および２を参照すると、位置決めシステム１０は、１つまたは複数のバンド３４と接触する少なくとも１つのローラも含んでいる。図示する実施形態では、位置決めシステム１０は、第１のローラ４６および第２のローラ５０を含んでいる。第１のローラ４６は円筒形であり、部分的にバンド３４と接触している。第２のローラ５０も円筒形であり、バンド３４と接触している。図１に示すように、第１および第２のローラ４６、５０は、バンド３４が第１および第２のローラ４６、５０に、概して「Ｓ」字形の外形で押し付けられて巻き付けられるように本体１４内に配置されている。一対のローラは、バンドの張力予荷重に本質的に比例する力でバンドを介して互いに対して押し付け合っている。これは、本体１４の運動に対する抑制の自由度の１つとして機能するローラの長さに沿った線接触を形成する。いくつかの実施形態では、バンド３４は、少なくとも部分的にベリリウム銅、カプトン、または他の材料で作られている。いくつかの実施形態では、バンド３４および／またはローラは、（例えば、ポンプ損失の低減を促進するために）ミシン目、溝、および／または模様を含んでいる。いくつかの実施形態では、バンドは締め付けまたは接着剤によって本体に取り付けられ、予荷重ばねまたは同様の機構がこの組立体に一体化されていてもよい。代替的に、１つ以上のローラをわずかに分割して、バンドに所望の張力をかける自然なばね力を提供することができる。
【００１２】
［００１５］  位置決めシステム１０は、１つ以上のローラの回転を駆動する少なくとも１つのアクチュエータ５４も含んでいる。図示する実施形態では、位置決めシステム１０は、第１のローラ４６の回転を駆動する単一のアクチュエータ５４（概略的に図示している）を含んでいる。アクチュエータ５４は、第１のローラ４６内に少なくとも部分的に（例えば、完全に）入れ子になっている。他の実施形態では、アクチュエータ５４は、第１のローラ４６の完全に外側に配置され、駆動アームまたは他の構造で第１のローラ４６に結合されている。アクチュエータ５４は、従来のモータタイプ（例えば、ＤＣサーボ、ステッパー、開ループまたは閉ループ等）を含むがこれらに限定されない、様々な異なるタイプいずれかのアクチュエータ、ならびに回転ボイスコイル（例えば、スティクションレスフレックスピボットまたは回転式フレクシャー）、ピエゾモータ、空気圧、バイメタルコイル、形状記憶合金等であってもよい。
【００１３】
［００１６］  引き続き図１および２を参照すると、図示の実施形態では、第１のローラ４６および第２のローラ５０は両方とも、軸方向または半径方向の移動が抑制されている。したがって、第１および第２のローラ４６、５０の唯一の自由度は、それぞれ第１および第２のローラ４６、５０の回転軸５８、６２周りの回転自由度である。図示する実施形態では、軸５８、６２は平行である。第１および第２のローラ４６、５０の移動を防止するために、位置決めシステム１０は、第１のローラ４６から軸方向に延びる第１またはアームまたは軸６６（例えば、モータシャフト）、および、第２のローラ５０から軸方向に延びる第２のアームまたは軸７０（例えば、モータシャフト）を含んでいる。第１および第２のアームまたは軸６６、７０は、それ自体が固定プラットフォーム７８に結合された（例えば、固定された）、支持ブラケット７４に結合されている（例えば、固定されている）。他の実施形態は、第１および第２のローラ４６、５０またはそれらのモータまたは軸を軸方向および半径方向に抑制するための様々な他の構造を含んでいる。いくつかの実施形態では、第１のローラ４６および第２のローラ５０の両方は、それぞれ、それら自体の別個のアクチュエータ５４に結合されている。例えば、第２のアクチュエータ５４は、第２のローラ５０に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、ローラ４６、５０は逆回転し、および／または、ローラ４６、５０は両方とも、軸方向または半径方向への移動が抑制されている。
【００１４】
［００１７］  図１および図２を参照すると、図示する実施形態では、位置決めシステム１０は、本体１４を移動軸８２に沿って直線的に前後に動かす線形アクチュエータとして動作する。移動軸８２は、第１および第２のローラ４６、５０の回転軸５８、６２に垂直である。本体１４は、全体的に５つの自由度で抑制されており、移動軸８２に沿って直線的にのみ動くことが許容されている。
【００１５】
［００１８］  動作中、アクチュエータ５４は（例えば、手動またはコントローラにより自動的に）作動されている。作動すると、アクチュエータ５４は、第１のローラ４６をその回転軸５８の周りに（例えば、時計回りまたは反時計回りに）回転させる。バンド３４は、（例えば、摩擦により）第１のローラ４６と係合される。したがって、第１のローラ４６（すなわち、従動ローラ）の回転は、バンド３４を移動させる。バンド３４の移動は、第２のローラ５０も電動化または動力化されていない場合は、第２のローラ５０を回転させる。上述のように、バンド３４の第１および第２の端部３８、４２は、本体１４に固定されている。したがって、第１および第２のローラ４６、５０の回転により、本体１４を移動軸８２に沿って直線的に移動させる。本体１４を移動軸８２に沿って反対方向に移動させるには、アクチュエータ５４は逆になる。
【００１６】
［００１９］  図示した実施形態では、移動軸８２に沿った本体１４の最大移動距離は、以下の方程式により求められる。
移動距離＝２πｒ（Δ角度°）／３６０
ここで、ｒ＝従動される第１のローラ４６の半径
（Δ角度°）＝従動される第１のローラ４６の度数による回転運動
これらは、機構の分解能（ｄｅｓｉｇｎ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）の方程式も定義する。
【００１７】
［００２０］  図示する実施形態のアクチュエータ５４は、ボイスコイルモータである。したがって、１．０ｃｍの半径ｒを有する第１のローラ４６、および３０°のボイスコイル角度範囲、および０．１度の角度分解能（〜１９ビット（ｂｉｔ））では、本体１４の最大移動距離は（約５ｎｍの線形分解能で）５．０ｍｍである。他の実施形態では、位置決めシステム１０は、少なくとも１ｍｍ、少なくとも２ｍｍ、少なくとも３ｍｍ、少なくとも４ｍｍ、少なくとも５ｍｍ、少なくとも６ｍｍ、少なくとも７ｍｍ、少なくとも８ｍｍ、少なくとも９ｍｍ、または少なくとも１０ｍｍの最大移動距離を有している。他の実施形態は、様々な他の範囲および値を含んでいる。また、上記のように、図示する実施形態では、位置決めシステム１０は、約５ｎｍの線形分解能を有している。他の実施形態では、線形分解能は、１０ｎｍ未満、９ｎｍ未満、８ｎｍ未満、７ｎｍ未満、６ｎｍ未満、または５ｎｍ未満である。他の実施形態は、他の様々な値および範囲を含んでいる。いくつかの実施形態では、線形エンコーディングが設けられている。
【００１８】
［００２１］  図示する実施形態では、第１のローラ４６および第２のローラ５０の両方が同じ直径を有している。他の実施形態では、第１のローラ４６は、第２のローラ５０よりも大きな直径を有している、または第２のローラ５０は、第１のローラ４６よりも大きな直径を有している。図示する実施形態は単一の従動ローラ（すなわち、第１のローラ４６）を含んでいるが、他の実施形態では、第１のローラ４６および第２のローラ５０の両方が１つまたは複数のアクチュエータ５４によって駆動される。例えば、いくつかの実施形態では、第１のローラ４６および第２のローラ５０は、別個のアクチュエータ５４によって逆回転した状態で別個に駆動される。一部の実施形態では、単一のアクチュエータ５４は、（例えば、ギアまたはチェーンを介して）第１および第２のローラ４６、５０の両方の回転を駆動する。
【００１９】
［００２２］  図３は、別の位置決めシステム１１０を示している。位置決めシステム１１０は、上述の位置決めシステム１０と同様である。したがって、同様の構成要素には、１００だけ増えた同様の番号が付与されている。図３に示すように、位置決めシステム１１０は、第１のローラ１４６および第２のローラ１５０だけでなく、第３のローラ１５２および第４のローラ１５６も含んでいる。第１、第２、第３、および第４のローラ１４６、１５０、１５２、１５６の各々は、反対側どうしの第１および第２の端部１３８、１４２で本体１１４に固定された、同じバンド１３４と係合している。位置決めシステム１１０では、少なくとも２つのローラが軸方向および半径方向の両方に抑制され、少なくとも１つのローラがアクチュエータ１５４を介して駆動されている。例えば、図示する実施形態では、第１のローラ１４６および第２のローラ１５０は両方とも（図１および２と同様に）軸方向および半径方向に抑制され、第１のローラ１４６はアクチュエータ１５４によって駆動される。他の実施形態では、第１のローラ１４６、第２のローラ１５０、および第３のローラ１５２は、それぞれ軸方向および半径方向に抑制されている。いくつかの実施形態では、第１のローラ１４６、第２のローラ１５０、第３のローラ１５２、および第４のローラ１５６は、それぞれ軸方向および半径方向に抑制されている。これにより、本体１４の動きは、組立体内の少なくとも２つのローラを軸方向および半径方向に抑制することにより、所望の線形自由度以外の全ての自由度で抑制されている。いくつかの実施形態では、第１のローラ１４６および第３のローラ１５２は、それぞれ軸方向および半径方向に抑制されている。また、図示する実施形態では、第１のローラ１４６のみがアクチュエータ１５４を介して駆動されている。他の実施形態では、複数のローラはそれぞれ、別個の（またはチェーン、ギア、または他の方法で結合された）アクチュエータ１５４で駆動される（したがって、各アクチュエータ１５４に求められる大きさおよび／または出力を低減する）。例えば、いくつかの実施形態では、第１のローラ１４６および第２のローラ１５０の両方は、それぞれ（例えば、その中に入れ子にされた）別個のアクチュエータ１５４を介して駆動される。他の実施形態では、第１のローラ１４６および第３のローラ１５２の両方は、それぞれ別個のアクチュエータ１５４を介して駆動される。例えば、アクチュエータ１５４は、第１のローラ１４６と同様に、第３のローラ１５２内に配置されてもよい。さらに他の実施形態では、単一のアクチュエータ１５４が（例えば、ギアまたはチェーンを介して）２つ以上のローラを駆動する。他の実施形態は、図示されたもの以外の様々な他の数のローラおよびバンドを含む様々な他の配置を含んでいる。
【００２０】
［００２３］  図４は、別の位置決めシステム２１０を示している。位置決めシステム２１０は、上述の位置決めシステム１１０と同様である。したがって、同様の構成要素には１００だけ増加した同様の番号が付されている。図４に示すように、位置決めシステム２１０は、第１のローラ２４６、第２のローラ２５０、第３のローラ２５２、および第４のローラ２５６を含んでいる。第１および第２のローラ２４６、２５０は、それぞれ反対側どうしの第１および第２の端部２３８、２４２で本体２１４に固定された同じバンド２３４と係合している。位置決めシステム２１０は、本体２１４に固定された反対側どうしの第１および第２の端部２４０、２４４を有する、第２のバンド２３６をさらに含んでいる。第１および第２のバンド２３４、２３６は、それぞれバンド１３４よりも小さくなっている。第３のローラ２５２および第４のローラ２５６は、それぞれ第２のバンド２３６と係合している。位置決めシステム２１０内では、少なくとも２つのローラが軸方向および半径方向の両方に抑制され、少なくとも１つのローラがアクチュエータ２５４を介して駆動される。例えば、図示する実施形態では、第１のローラ２４６および第２のローラ２５０は、（図１〜３と同様に）両方とも軸方向および半径方向に抑制されている。他の実施形態では、第１のローラ２４６、第２のローラ２５０、第３のローラ２５２は、それぞれ軸方向および半径方向に抑制されている。いくつかの実施形態では、第１のローラ２４６、第２のローラ２５０、第３のローラ２５２、および第４のローラ２５６は、それぞれ軸方向および半径方向に抑制されている。いくつかの実施形態では、第１のローラ２４６および第３のローラ２５２は、それぞれ軸方向および半径方向に抑制されている。また、図示する実施形態では、第１のローラ２４６のみがアクチュエータ２５４を介して駆動される。他の実施形態では、複数のローラがそれぞれ別個のアクチュエータ２５４で駆動されている（したがって、各アクチュエータ２５４に必要な大きさおよび／または出力を低減する）。例えば、いくつかの実施形態では、第１のローラ２４６および第２のローラ２５０の両方は、それぞれ別個のアクチュエータ２５４を介して駆動されている。他の実施形態では、第１のローラ２４６および第３のローラ２５２の両方は、それぞれ別個の（例えば、その中に入れ子になっている）アクチュエータ２５４を介して駆動される。さらに他の実施形態では、単一のアクチュエータ２５４が（例えば、ギアまたはチェーンを介して）２つ以上のローラを駆動している。他の実施形態は、図示されたもの以外の様々な他の数のローラおよびバンドを含む様々な他の配置を含んでいる。
【００２１】
［００２４］  図４に示されるように、バンド２３４、２３６は、互いに対して分離されていてもよく、また２対のローラ２４６、２５０および２５２、２５６もまた互いに別個になっている。したがって、（図４のローラ２４６、２５０の回転軸の両方を通って延びる線２５８と平坦な上部壁２１８との間の角度として定義される）ローラ２４６、２５０の第１の対の安息角は、（ローラ２５２、２５６の回転軸の両方を通って延びる線２６２と図４の平坦な上壁２１８との間の角度として定義される）ローラ２５２、２５６の第２の対の安息角とは異なっている。
【００２２】
［００２５］  図５は、別の位置決めシステム３１０を示している。位置決めシステム３１０は、上述の位置決めシステム２１０と同様である。したがって、同様の構成には１００だけ増加した同様の番号が付されている。図５に示すように、位置決めシステム３１０は、第１のローラ３４６および第２のローラ３５０を含んでいる。第１および第２のローラ３４６、３５０は、それぞれ反対側どうしの端部３３８、３４２で本体３１４に固定されているバンド３３４と係合している。いくつかの実施形態では、位置決めシステム３１０は、位置決めシステム１１０、２１０と同様に、追加のローラおよび／または追加のバンドを含んでいる。図５に示すように、本体３１４は、弓形の上壁３１８および弓形の底壁３２２を有している。第１のローラ３４６および／または第２のローラ３５０が（例えば、その中に入れ子にされた）アクチュエータ３５４を介して回転すると、第１および第２のローラ３４６、３５０の回転により、本体３１４が（直線的にではなく）弓状に動く。上壁３１８および底壁３２２が平行である場合、バンドの張力は一定になる。これにより、複雑な軌道設計が単純な回転の入力により駆動されることができる。上壁３１８および底壁３２２が平行でない場合（例えば、曲率半径が異なる場合）、システムの移動中に蓄積する変動するバンドの予荷重は、上述のようにばね予荷重機構または分割ローラによって容易に調整されることができる。
【００２３】
［００２６］  異なるサイズのローラがそれぞれアクチュエータによって駆動されている場合、アクチュエータの１つは高速作動（通常は、大きい方の直径のローラの駆動）に割り当てられ、他方は高い分解能で作動（通常は、小さい方の直径のローラの駆動）を任されていてもよい。また、いくつかの実施形態では、本明細書で説明する１つまたは複数のアクチュエータの回転駆動を結合および分離するために、クラッチ装置５５（例えば、図１を参照）が（例えば、ローラの内側または外側に）設けられていてもよい。例えば、一方のローラが回転ボイスコイルで駆動され、他方がステッピングモータで駆動されて長い距離を移動する場合、両方を交互に掴んだり放したりして、おそらくより限定された範囲にわたって、長い距離の移動／粗い動きの後に細かく作動することを可能にする。
【００２４】
［００２７］  ここに記載された位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、真空環境で使用される協調測定機械、ディスクドライブ、スキャナ、および／またはステージを含むがこれらに限定されない、様々な異なる適用および環境で使用されていてもよい。いくつかの実施形態では、位置決めシステム１０は、無損失（またはほぼ無損失）の回転線形変換をもたらす。例えば、位置決めシステムは、（他の実施形態では、１．０よりも大きなまたは小さな桁を含む他の桁の大きさを有している）ボール軸受よりも約１．０の桁（すなわち１０倍）低い摩擦を有する実質的に「摩擦のない」システムであってもよく、潤滑を少ししかまたは全く必要としない（例えば、繰り返される小さなスキャン動作で劣化を引き起こさず）、摩耗を少ししかまたは全く生じさせず、精密部品を有さず、および／または正確な予荷重を有していない。
【００２５】
［００２８］  いくつかの実施形態では、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、とても動的な繰り返し運動に適し、費用効果が高く、寿命が長く、クリーンな動作をもたらし、長い追従／走査の動作を行うことができ、とても動的であり、ナノスケールの分解能および繰り返し性をもたらし、失速する恐れが無く、動くケーブルが無く、および／または本体１４、１１４、２１４、３１４に長い移動距離をもたらす。いくつかの実施形態では、位置決めシステム１０は、１ナノメートルまたは数ナノメートル以内で制御可能であり、粒子の生成がほとんどないか全くなく、本体の移動がほとんどないか全くなく、頑丈であり、拡張可能かつ積み重ね可能であり、コンパクトである。
【００２６】
［００２９］  いくつかの実施形態では、ここで記載された位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、ガイドおよび作動の両方を組み合わせ、空気軸受クラスの摩擦特性を有している。いくつかの実施形態では、位置決めシステムは、実質的に静止摩擦のない回転から線形への駆動の変換を追加しながら、ローラマイト技術の実質的に静止摩擦力のガイドを受け継いでいる。その結果、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、長い移動距離、コンパクトな大きさ、低い製造コストとともに、高分解能および高い動力製を独自にもたらす。静止摩擦力は、上記のように、静止摩擦係数（分離）と滑り摩擦係数との差である。空気軸受の場合、この差はゼロまたは無視できるほどゼロに近い。したがって、空気軸受は、動き始めるまたは動き続けるために非常に小さな力を必要とする。位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０はまた、動き始めるのに非常に小さな力を必要とする。それでも損失がある可能性がある（例えば、空力損失やポンプ損失等）。しかしながら、これらの損失は、本明細書に記載されたローラに模様を付ける、または位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０のバンドに穴を開けること等により、移動させられた空気のための簡単な経路を設けることによって軽減されることができる。
【００２７】
［００３０］  いくつかの実施形態では、位置決めシステムはまた、同等の空気軸受（高い運動に重要である）よりもはるかに低い質量を有し、それらの速度能力ははるかに高い。例えば、安価なＤＣサーボモータを有する位置決めシステム１０のプラスチックプロトタイプを開発およびテストした。プロトタイプのものは７ｍ／秒の速度が可能であり、空気軸受のエアクッションの限度を超え、滑ったり損傷したりすることなく高速で移動する空気軸受の能力を制限した。
【００２８】
［００３１］  いくつかの実施形態では、位置決めシステムの潜在的な移動範囲は、いかなる屈曲部のそれよりもはるかに長く、屈曲部とは異なり、位置決めシステムは、移動の関数として可変性能に寄与し得る変動する復元力を有しない。いくつかの実施形態では、位置決めシステムは、精密な屈曲部に比べて製造するのにかなり費用対効果が高く、繰り返し変形するように最適化された材料の使用を必要としない。したがって、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、高い運動を必要とし、高い分解能で、長い距離の移動を必要とする適用に理想的で、多用途かつ実現可能にする機構である。
【００２９】
［００３２］  また、いくつかの実施形態では、ピエゾ級（ナノメートルまたはサブナノメートルのスケール）の分解能および再現性は、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０が摩擦の無いアクチュエータとロスの無い回転屈曲部でボイスコイルが回転する等の制約とによって作動されるときに実現可能である。しかしながら、ステッピングモータ、ブラシ付きおよびブラシレスＤＣサーボモータ、回転式ピエゾモータ等を含む、その他の多くの種類のアクチュエータを使用してもよい。適用に応じて、コスト、大きさ、移動量、分解能、およびシステムの運動を含む複数の設計変数を考慮して、アクチュエータタイプの選択と、ブラシ付きまたはブラシレス、マイクロステップ、軸方向ガイド、磁気対圧電モータ、油圧、空気圧等の詳細とによって行われてもよい。
【００３０】
［００３３］  いくつかの実施形態では、ここで記載されたローラ４６、５０、１４６、１５０、１５２、１５６、２４６，２５０，２５２，２５６，３４６，および／または３５０のうちの１つ以上は、パッケージングにおける利点をもたらす円筒形ローラである。例えば、モータ／ローラは移動しない場合があるため、コンパクトにするためにローラ内に挿入されてもよい。２つの逆回転アクチュエータを１組のシリンダ内に配置されるか、複数のアクチュエータを特に長い距離を移動する機構に必要な複数ローラ構成の複数のローラ対に分配されていてもよい。
【００３１】
［００３４］  垂直方向に適用した場合では、例えば、電源がオフの状態での落下を防止したり、重力に逆らって負荷を支えたりしなくてはならないことからアクチュエータを解放するために、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０の釣り合いをとる必要があり得る。これらのような組立体に必要なある程度一定の力を提供することのできるエアポット等の様々な従来の機構がある。しかしながら、これらの要素は一般的に摩擦を追加する。幸いにも、ここで記載されている位置決めシステム１０、２１０、２１０、３１０は、クロックスプリングの釣り合いの統合に適したローラ形式を有している。クロックスプリング（ウォッチスプリングまたは定荷重ばねとも呼ばれている）は、従動または非従動のローラの１つ以上に統合されることができ、本質的に摩擦のない、ほぼ一定の力の性能をもたらすことができる。それらは多くの場合、商業ベースで安価に入手でき、信頼性がある。クロックスプリングの力は、ばねの設定点を巻き取りまたは巻き戻すことにより、特定の負荷に対応するように調整されることができる。したがって、いずれかの方向への数百度のローラの回転は、実質的に一定の回転付勢力となり得、これは位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０が自然に線形の力に変換する。特に、高分解能の適用では、ギアは摩擦を発生させるため、ギア付きモータを使用するよりも好ましい場合がある。クロックスプリングをここに記載されているバンド３４、１３４、２３４、２３６、３３４の１つと組み合わせることも可能であり、部品点数を減らすことができる。
【００３２】
［００３５］  いくつかの実施形態では、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、高分解能ステージ組立体、高分解能アクチュエータ、三脚および六脚等の高分解能平行運動学的機構、ストラット作動式負荷を有する準平行運動学的積層組立体、非常に敏感な力の生成、感知および作動、および／または、粗い／細かい作動に使用されてもよい。
【００３３】
［００３６］  高分解能ステージ組立体により、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０の作動本体１４、１１４、２１４、３１４は、積み重ねおよび作動負荷のための取り付け面を提供する。多軸組立体は容易に組み立てられ、従来のモーションステージと同じ目的に使用されることができるが、高コストで高慣性のスピンドル／ナットの組立体、ベアリング、カップリング、スラストベアリング、その他の従来の構成要素を有しておらず、これら全ては部品コストおよび組み立てコストに寄与する。また、従来の機械加工された金属に加えて一般的とは言えない材料を使用することができるため、真空や腐食性または爆発性雰囲気等の厳しい環境での適用が容易になる。
【００３４】
［００３７］  高い分解能のアクチュエータでは、作動本体１４、１１４、２１４、３１４は、負荷を押す、引く、または支持している。それにもかかわらず、この機構の固有の機能として、予測可能で再現可能な誘導が提供されていてもよい。適用において特に高い分解能が必要な場合は、ボイスコイル等の摩擦のないアクチュエータを使用することができるが、高品質のモータを使用することもできる（通常は、歯車列による摩擦を回避するために直接駆動である）。
【００３５】
［００３８］  三脚や六脚等の高い分解能の平行な運動学的機構を用いると、アクチュエータ列によりワークピースを平行に支持することができる。この場合でも、分解能、高い動力、長い移動距離の組み合わせにより、フォトニクスの位置合わせと追跡、走査計測、能動光学等の速度を重視した適用が可能になる。
【００３６】
［００３９］  支柱で作動する荷重を有する準平行運動学的に積み重ねられた組立体では、これらの機構（ＰＩｍｉＣｏｓの「ＳｐａｃｅＦａｂ」構成等）は通常、あり得る様々なモータによって駆動される３つの従来のＸＹモータ式ステージ積層体を用いている。ここに記載された位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０を電動ステージに置き換えると、分解能、コスト、および動的な利点を得ることができる。
【００３７】
［００４０］  非常に敏感な力の生成、感知、および作動の適用では、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０の摩擦および質量が非常に低いため、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０に取り付けられたプローブによって加えられる力は、アクチュエータによって生成される力に本質的に制限される。ボイスコイル等の一部のアクチュエータでは、この力が非常に低くなることがあり、これは、一部の超分解能の適用で望ましい。実際に、高分解能の線形位置フィードバック要素とＰ−Ｉサーボコントローラを有する単純な閉ループの実装では、機構（すなわち、本体、ローラ、バンド、モータ等を含む組立体）の有効なばね力は、サーボのＰ項ゲイン（Ｐ−ｔｅｒｍ  ｇａｉｎ）に比例する。したがって、非常に低いＰ項の場合、機構は作動方向において非常に柔らかく、直交方向では硬くなる。したがって、この機構は、高分解能のセンサおよび力の発生装置として用いられることができる。屈曲部ベースのロードセル（力検出器）とは異なり、作動距離ははるかに大きく、機構自体からの位置依存の復元力はほとんどまたは全く無い。これらの特性は組み合わさって、多くの有用な適用を可能にする。例えば、物体の輪郭を非常に正確にマッピングするための一般的な機器である座標測定機（ＣＭＭ）では、プローブは、接触が観察されるまで精密ステージによって作動され、したがって、ＣＭＭステージに統合された位置フィードバックを用いて、精査される物体の表面をマッピングすることができる。これを達成するための戦略には、接触するための作動と接触の特徴であるたわみの特徴についての位置エンコーダの観察と、または定力または定電流モードでの作動と位置フィードバックの観察とが含まれている。ここに記載の位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０の使用にこのような機構を基本にすることにより、微視的および巨視的装置の輪郭のマッピングや、半導体、フォトニック、生物学的な適用だけでなく、サブミクロンの等高線図の分解能とともにマイクログラムレベルの力の検出が必要な産業への適用等、繊細な表面のとても細かい検出を可能にしている。
【００３８】
［００４１］  粗い／細かい作動では、様々な大きさのローラ４６、５０、１４６、１５０、１５２、１５６、２４６、２５０、２５２、２５６、３４６、および／または３５０が駆動されてもよく、小さなローラが特に高い分解能を提供する一方で、大きなローラが大きな移動距離および速い速度で搬送する。ローラには様々な種類のアクチュエータが用いられることができ、様々な種類のアクチュエータを組み合わせてローラを駆動してもよく、例えば、長い距離を移動するためのステッピングモータと高い分解能で細かく作動するボイスコイルとを組み合わされることができる。
【００３９】
［００４２］  上記の位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、回転から線形へ変換された状況にあるが、位置決めシステム１０、１１０、２１０、３１０は、線形から回転への変換にも用いられることができる。例えば、ローラが静止状態に保持されるように軸方向に抑制されていることにより、円筒形ローラを回転させるために何らかの回転アクチュエータを用いるのではなく、本体１４、１１４、２１４、３１４自体が作動されることができる。例えば、線形モータ、線形圧電モータまたは線形ソレノイドまたはボイスコイルは、本体１４、１１４、２１４、３１４を作動させることができる。この構成では、線形作動は、上記と同様に低質量、高い動力、高い分解能により、ローラ４６、５０、１４６、１５０、１５２、１５６、２４６、２５０、２５２、２５６、３４６、および／または３５０の非常に正確な回転運動に変換される。したがって、ローラの表面に接続されたプラットフォームは、従来の電動回転ステージまたはゴニオメータ軸の代わりに用いられることのできる高い分解能の回転ステージを形成する。または、アクチュエータを回転するように作動させることができ、例えば、円弧状に負荷を押したり引いたり、または回転駆動の六脚や他の平行な運動学的機構の１つの軸を形成したりすることもできる。
【００４０】
［００４３］  本開示は、特定の好ましい実施形態を参照して詳細に説明されているが、説明された本開示の１つまたは複数の独立した態様の範囲および精神内に変形および改良が存在する。
【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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【国際調査報告】
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