(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状外周部で囲まれた気体室用窪みを有する筐体部と、
筐体部の気体室用窪みを覆って気体室を形成し、気体室に供給される制御気体圧に応じて面状に弾性変形する円板状のメンブレン部であって、金属製の薄板で構成され、外周取付部で筐体部の筒状外周部に気密に取付けられたメンブレン部と、
メンブレン部の弾性変形による変位を外部に出力する出力軸部と、
メンブレン部の上面に密着して配置され、メンブレン部の過度の変形を抑制する変形抑制用の弾性部材と、
を備え、
変形抑制用の弾性部材は、
メンブレン部の外周取付部と共に筐体部の筒状外周部に取付けられた外周取付部を有し、メンブレン部と同じ外径を有する金属製の薄板ばね部であって、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い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、
出力軸部の軸方向に沿ってメンブレン部に所定の初期押付力を与える初期押付用の弾性部材と、
を備え、
初期押付用の弾性部材は、
筐体部の筒状外周部に取付けられた外周取付部、及び出力軸部に取付けられた内周取付部を有する金属製の薄板ばね部であって、
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、
内周取付部は、初期押付力に対応してメンブレン部の内周部よりも出力軸部の軸方向に沿って所定間隔でオフセットされて配置されてい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、
初期押付用の弾性部材は、
互いに軸方向に所定の間隔を空けて平行に配置される第１弾性部材、及び第２弾性部材を含んで構成されることを特徴とする微小変位出力装置。
【請求項４】
請求項３に記載の微小変位出力装置において、
薄板ばね部は、
予め定めた所定の板厚を有し、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い所定ばね板を用い、
第１弾性部材は、第１の所定枚数の所定ばね板で構成され、
第２弾性部材は、第２の所定枚数の所定ばね板で構成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４に記載の微小変位出力装置において、
変形抑制用の弾性部材は、第３の所定枚数の所定ばね板で構成され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から請求項５のいずれか１に記載の微小変位出力装置において、
メンブレン部の弾性変形による変位を検出する変位検出部を備え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状に弾性変形するメンブレン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の発生が少ないほか、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、筐体部と蓋部を含み、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構成が開示されている。ここで、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る。このときに、気体軸受機構の作用によって、蓋部であるメンブレン状の薄板の押付力に抗して制御気体圧に応じて各隙間の間隔が変化し、微小変位するので、出力可動子を介してその変位、あるいは変位に相当する力を取り出すことができる。
【０００４】
特許文献１の技術によれば、気体軸受機構の作用を用いて制御気体圧によって変位または力を出力させるので、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、１μｍ以下の精度で変位させることが可能である。
【０００５】
特許文献２には、特許文献１の技術の精度までは必要としない適当な微小変位出力装置として、複数の平板状可動子を省略し、代わりに面状に弾性変形するメンブレン部の変位を検出する変位検出部を備える構成が述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１０６３９２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９６８４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
制御気体圧によって弾性変形するメンブレン部を利用し、外部の負荷に変位または変位に相当する力を与えることができる。ここで、負荷に与える力として、押付力から引込力までの幅広い範囲が得ることができると便利である。負荷に与える力を大きくしてもメンブレン部の永久変形が生じないことが望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、負荷に与える力として押付力から引込力までの広い範囲で出力することができる微小変位出力装置を提供することである。他の目的は、負荷に与える力を大きくしてもメンブレン部に対する永久変形を抑制できる微小変位出力装置を提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る微小変位出力装置は、筒状外周部で囲まれた気体室用窪みを有する筐体部と、筐体部の気体室用窪みを覆って気体室を形成し、気体室に供給される制御気体圧に応じて面状に弾性変形する円板状のメンブレン部であって、金属製の薄板で構成され、外周取付部で筐体部の筒状外周部に気密に取付けられたメンブレン部と、メンブレン部の弾性変形による変位を外部に出力する出力軸部と、メンブレン部の上面に密着して配置され、メンブレン部の過度の変形を抑制する変形抑制用の弾性部材と、を備え、変形抑制用の弾性部材は、メンブレン部の外周取付部と共に筐体部の筒状外周部に取付けられた外周取付部を有し、メンブレン部と同じ外径を有する金属製の薄板ばね部であって、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いことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る微小変位出力装置において、出力軸部の軸方向に沿ってメンブレン部に所定の初期押付力を与える初期押付用の弾性部材と、を備え、初期押付用の弾性部材は、筐体部の筒状外周部に取付けられた外周取付部、及び出力軸に取付けられた内周取付部を有する金属製の薄板ばね部であって、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、内周取付部は、初期押付力に対応してメンブレン部の内周部よりも出力軸部の軸方向に沿って所定間隔でオフセットされて配置されていることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る微小変位出力装置において、初期押付用の弾性部材は、互いに軸方向に所定の間隔を空けて平行に配置される第１弾性部材、及び第２弾性部材を含んで構成されることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る微小変位出力装置において、薄板ばね部は、予め定めた所定の板厚を有し、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い所定ばね板を用い、第１弾性部材は、第１の所定枚数の所定ばね板で構成され、第２弾性部材は、第２の所定枚数の所定ばね板で構成されることが好ましい。
【００１４】
本発明に係る微小変位出力装置において、変形抑制用の弾性部材は、第３の所定枚数の所定ばね板で構成されることが好ましい。
【００１５】
本発明に係る微小変位出力装置において、メンブレン部の弾性変形による変位を検出する変位検出部を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る微小変位出力装置によれば、制御気体圧に応じて面状に弾性変形する円板状のメンブレン部と、メンブレン部の過度の変形を抑制する変形抑制用の弾性部材とを備えるので、メンブレン部の過度の変形を抑制することができる。
【００１７】
本発明に係る微小変位出力装置によれば、制御気体圧に応じて面状に弾性変形する円板状のメンブレン部と、出力軸部の軸方向に沿ってメンブレン部に所定の初期押付力を与える初期押付用の弾性部材とを備える。メンブレン部は、制御気体圧に応じた弾性変形として、負荷に押付力を与えるものとして、制御気体圧がゼロのときの初期押付力として負荷を引き込む力に設定することで、負荷に与える力として押付力から引込力までの広い範囲で出力することができる。
【００１８】
本発明に係る微小変位出力装置において、初期押付用の弾性部材は、互いに軸方向に所定の間隔を空けて平行に配置される第１弾性部材、及び第２弾性部材を含むので、これらの弾性変形を出力する出力軸部は、軸方向に沿って移動する。これによって、負荷に与える変位または変位に相当する力は、負荷に対し常に一定方向として与えられる。
【００１９】
本発明に係る微小変位出力装置において、第１弾性部材は、第１の所定枚数の所定ばね板で構成され、第２弾性部材は、第２の所定枚数の所定ばね板で構成される。微小変位出力装置によって負荷に与える力の仕様に応じて所定枚数を設定することで、所定ばね板の永久変形を抑制することができる。
【００２０】
本発明に係る微小変位出力装置は、初期押付用の弾性部材と共に、メンブレン部に密接して配置され、メンブレン部の過度の変形を抑制する変形抑制用の弾性部材を備える。これにより、負荷に与える力として押付力から引込力までの広い範囲で出力することができ、その際に、メンブレン部の過度の変形を抑制することができる。
【００２１】
本発明に係る微小変位出力装置において、メンブレン部に対する変形抑制用の弾性部材は、第３の所定枚数の所定ばね板で構成されることが好ましい。微小変位出力装置によって負荷に与える力の仕様に応じて変形抑制用の弾性部材の所定枚数を設定することで、メンブレン部の永久変形を抑制することができる。
【００２２】
本発明に係る微小変位出力装置において、メンブレン部の弾性変形による変位を検出する変位検出部を備えるので、検出値を制御気体圧に反映することで、負荷に与える変位または変位に相当する力の精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る微小変位出力装置の外観を示す図である。図１（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図である。
【図２】図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。図３（ａ）は、図２のＡ部の拡大図であり、（ｂ）は、図２のＢ部の拡大図である。
【図４】本発明に係る微小変位出力装置における所定ばね板を示す図である。
【図５】本発明に係る微小変位出力装置における変位検出部の構成図である。
【図６】本発明に係る微小変位出力装置の分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。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。
【００２５】
図１は、微小変位出力装置１０の構成を示す図である。図１（ａ）は上面図であり、（ｂ）は正面図である。
【００２６】
微小変位出力装置１０は、筐体部１２とカバー１４で外形が構成され、カバー１４の内部空間に、メンブレン部１６が配置される。メンブレン部１６は、外部からの制御気体圧（−ＰA1〜＋ＰA2）に応じて面状に弾性変形し、その弾性変形の変位に対応する力（−ＦO1〜＋ＦO2）を出力軸部２０に出力し、メンブレン部１６の変位の大きさは、変位検出部３０によって検出される。変位検出部３０の検出値は、図示しない制御装置によって制御気体圧にフィードバックされる。これによって、精度の高い変位または変位に相当する力が出力軸部２０に出力される。
【００２７】
出力軸部２０には、図示しない負荷が接続されるので、負荷には引込力（−ＦO1）から押付力（＋ＦA2）までの幅広い範囲の力を掛けることができる。なお、メンブレン部１６は、面状の弾性変形で変位するので、出力軸部２０には、変位または変位に対応する力が出力される。例えば、負荷が位置決め手段等の場合には、出力軸部２０の出力を「変位」として用いることができ、他の例として負荷が除振手段等の場合には、出力軸部２０の出力を「力」として用いることができる。以下では、出力軸部２０の出力を「力」とする。
【００２８】
図１に、直交する３方向として、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示す。Ｚ方向は、出力軸部２０の軸方向であり、出力軸部２０の出力である「力」の方向で、「＋」側が負荷に対する押付力の方向であり、「−」が負荷に対する引込力の方向である。Ｘ方向とＹ方向は、出力軸部２０の「力」の方向に垂直な方向であるが、ここでは、筐体部１２とカバー１４が上面図において略正方形の外形として、その略正方形の一辺に平行な方向をＸ方向とし、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向とする。図１の例では、出力軸部２０の上面が略矩形であるので、その長辺に平行な方向をＸ方向とする。
【００２９】
図２は、図１のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。Ｃ−Ｃ線は、ＸＹ平面において出力軸部２０の中心位置を通り、Ｘ方向に平行な線である。
【００３０】
筐体部１２は、円筒形部分のＺ方向の両端部に略正方形のフランジ部を備える部材である。−Ｚ方向端側のフランジ部には、図示されない気体供給源からの制御気体圧を有する気体が供給される制御気体供給口７０が設けられる。＋Ｚ方向端側のフランジ部の上面には環状の筒状外周部７４が突き出して設けられる。筐体部１２の内部には、Ｚ方向に延びる気体流路７２が設けられる。気体流路７２の一方端は制御気体供給口７０に接続され、他方端は、筒状外周部７４で囲まれた空間である気体室用窪み７５に開口する。気体室用窪み７５は、筒状外周部７４の上面にメンブレン部１６が配置されて覆われることで気体室７６となる。
【００３１】
筐体部１２の中央部には、変位検出部３０が配置される。変位検出部３０は、出力軸部２０のＺ方向に沿った変位と一体となって変位するプローブ部３１と、プローブ部３１のＺ方向に沿った変位を検出する差動コイル部３４を含む。変位検出部３０の詳細については後述する。
【００３２】
かかる筐体部１２としては、適当な金属材料を加工して所定の形状としたものを用いることができる。筐体部１２の寸法を１例として述べると、円筒形部分の外径が約３０〜５０ｍｍ、フランジ部の略正方形の一辺が約４０〜６０ｍｍ、筒状外周部７４は、外径が約４０〜５０ｍｍ、外形と内径の差である筒状外周部７４の幅は、約１ｍｍ〜３ｍｍである。これは説明のための例示であって、微小変位出力装置１０の仕様に応じて適宜変更が可能である。
【００３３】
カバー１４は、−Ｚ方向側に円形開口部１５(図６参照)を有する略正方形の外形のカップ状の部材である。カバー１４は、出力軸部２０を通すための中央開口部を有する。カバー１４の平面図における外形は、筐体部１２のフランジ部の外形の略正方形とほぼ同じ寸法で、円形開口部１５は、筐体部１２の環状の筒状外周部７４の外径よりやや大きめの内径を有する。カバー１４の略正方形の外形の外周部で円形開口部１５の外側の４隅部分に複数のボルト４０，４２を通す穴が設けられる（図１（ａ）参照）。複数のボルト４０，４２によって、カバー１４と筐体部１２は一体化固定される。
【００３４】
かかるカバー１４としては、筐体部１２と同様に、適当な金属材料を加工して所定の形状としたものを用いることができる。カバー１４の寸法を１例として述べると、Ｚ方向に沿った高さ寸法が約１０〜２０ｍｍ、略正方形の一辺が約４０〜６０ｍｍである。これは説明のための例示であって、微小変位出力装置１０の仕様に応じて適宜変更が可能である。
【００３５】
メンブレン部１６は、中心穴を有する薄板円板である。薄板円板の外径は、筐体部１２の筒状外周部７４の外径と同じに設定され、中心穴の内径は、出力軸部２０を通す大きさに設定される。メンブレン部１６は、筒状外周部７４で囲まれる気体室用窪み７５を気密に覆い、これにより気体室用窪み７５は気体室７６となる。気体室７６には、気体流路７２を介して制御気体供給口７０から制御気体圧を有する気体が供給される。メンブレン部１６は、制御気体圧の大きさに応じて面状に弾性変形する。
【００３６】
かかるメンブレン部１６としては、金属薄板円板が用いられる。メンブレン部１６の寸法の一例を挙げると、外径は筐体部１２の筒状外周部７４の外径と同じで、約４０〜５０ｍｍである。メンブレン部１６の厚さは、薄すぎると制御気体圧（−ＰA1〜＋ＰA2）の最大値に対する強度が不十分となり、厚すぎると、制御気体圧（−ＰA1〜＋ＰA2）の広い範囲に渡っての面状の弾性変形が線形とならないことが生じる。したがって、メンブレン部１６の厚さは、微小変位出力装置１０の仕様を考慮して適切な値に設定される。
【００３７】
出力軸部２０は、第１軸部材２２と第２軸部材２４と接続軸２６を一体化組立てをして形成される。第１軸部材２２は、メンブレン部１６に接触するフランジ部８０を有する軸部材である。第２軸部材２４は、図示しない負荷を取付けるねじ穴２８を備えるフランジ部８２を一方端に有し、他方端に第１軸部材２２のフランジ部８０に向かいあうフランジ部８４を有する軸部材である。接続軸２６は、ねじ手段を用いて第１軸部材２２と第２軸部材２４とを互いに一体化接続する軸部材である。接続軸２６の先端には、変位検出部３０の一部を構成するプローブ部３１が配置される。出力軸部２０を構成する各部材の接続については、図４の分解図を用いて後述する。
【００３８】
かかる第１軸部材２２、第２軸部材２４、接続軸２６は、プローブ部３１の部分を除いて、適当な金属材料を加工して所定の形状としたものを用いることができる。
【００３９】
カバー１４の円形開口部１５の内部空間には、メンブレン部１６と出力軸部２０が配置され、さらに、複数のスペーサと、複数の薄板ばね部が配置される。これらの配置関係について、図２の部分拡大図である図３を用いて説明する。図３（ａ）は、図２におけるＡ部の拡大図であり、（ｂ）は、図２におけるＢ部の拡大図である。
【００４０】
Ａ部において、筐体部１２の筒状外周部７４と、カバー１４の円形開口部１５の底部１７との間には、メンブレン部１６、変形抑制用の弾性部材５０、第１弾性部材５４、スペーサ５８、第２弾性部材６０、スペーサ６４がこの順に配置される。
【００４１】
Ｂ部において、出力軸部２０における第１軸部材２２のフランジ部８０と、第２軸部材２４のフランジ部８４との間には、メンブレン部１６、変形抑制用の弾性部材５０、スペーサ５２、第１弾性部材５４、スペーサ５６、第２弾性部材６０、高さ調整用のスペーサ６２がこの順に配置される。
【００４２】
Ａ部におけるスペーサ５８，６４は、外径が筐体部１２の筒状外周部７４の外径と同じで、内径が筐体部１２の筒状外周部７４の内径と同じである。Ｂ部におけるスペーサ５２，５６，６２は、内径が第１軸部材２２の軸部の外径と同じで、外径が第１軸部材２２のフランジ部８０の外径と同じである。スペーサ５６とスペーサ５８の厚さは同じ厚さｔ0である。スペーサ５２の厚さｔ1とスペーサ６４の厚さｔ2は、ｔ2＞ｔ1の関係を有する。
【００４３】
変形抑制用の弾性部材５０、第１弾性部材５４、第２弾性部材６０には、それぞれ所定枚数の所定ばね板１００が用いられる。図３の例では、第１弾性部材５４の所定の枚数を第１所定枚数Ｎ1としてＮ1＝４であり、第２弾性部材６０の所定の枚数を第２所定枚数Ｎ2としてＮ2＝３であり、変形抑制用の弾性部材５０の所定の枚数を第３所定枚数Ｎ3としてＮ3＝１である。これは例示であって、Ｎ1，Ｎ2，Ｎ3は、１以上の枚数であればよく、具体的な所定枚数の値は、微小変位出力装置１０の動作仕様である制御気体圧（−ＰA1〜＋ＰA2）と出力される力（−ＦO1〜＋ＦO2）によって定められる。
【００４４】
所定ばね板１００の平面図を図４に示す。所定ばね板１００は、中心穴１０２の外側の環状部分の内周支持部１０４と、外周の環状部分の外周支持部１０６と、内周支持部１０４と外周支持部１０６との間の複数の開口部１０８を設けた所定の形状を有する板ばねである。複数の開口部１０８の間に形成される細い幅の曲がり形状を有する複数のアーム部１１０によって、所定ばね板１００は、全体として、波形のアーム、あるいは雲形のアームが外周支持部１０６と内周支持部１０４との間に配置された形態を有する。所定ばね板１００は、この細い曲がり形状を有するアーム部１１０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。すなわち、所定ばね板１００は、出力軸部２０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い。
【００４５】
かかる所定ばね板１００は、金属薄板を所定の形状に打ち抜き、あるいはエッチング加工によって所定の形状としたものを用いることができる。金属材料としては、ステンレス鋼材等を用いることができる。所定ばね板１００の厚さは、メンブレン部１６の厚さよりも厚い。一例を挙げると、メンブレン部１６の厚さを約０．１ｍｍとして、所定ばね板１００の厚さを約０．１５ｍｍ〜０．３ｍｍである。
【００４６】
所定ばね板１００の外径は、筐体部１２の筒状外周部７４の外径と同じに設定され、中心穴１０２の直径は、第１軸部材２２の軸部の外径よりやや大きめに設定される。また、内周支持部１０４の幅は、Ｂ部におけるスペーサ５２，５６，６２の幅と同じに設定され、外周支持部１０６の幅は、Ａ部におけるスペーサ５８，６４の幅と同じに設定される。
【００４７】
これにより、各所定ばね板１００における外周支持部１０６は、Ａ部において、筐体部１２の筒状外周部７４、スペーサ５８，６４、カバー１４の円形開口部１５の底部１７の間にそれぞれ挟まれて取付けられる外周取付部として働く。内周支持部１０４は、Ｂ部において、出力軸部２０における第１軸部材２２のフランジ部８０、スペーサ５２，５６、高さ調整用のスペーサ６２、第２軸部材２４のフランジ部８４の間にそれぞれ挟まれて取付けられる内周取付部として働く。
【００４８】
変形抑制用の弾性部材５０を構成する所定ばね板１００は、メンブレン部１６に密接して配置され、メンブレン部１６の過度の変形を抑制する。
【００４９】
第１弾性部材５４と第２弾性部材６０とは、出力軸部２０の軸方向に沿ってメンブレン部１６に所定の初期押付力を与えるための初期押付用の弾性部材である。第１弾性部材５４と第２弾性部材６０は、それぞれ所定枚数の所定ばね板１００で構成される。図３（ａ），（ｂ）に示されるように、メンブレン部１６、変形抑制用の弾性部材５０と、第１弾性部材５４との間の軸方向間隔は、Ａ部である外周支持部においてゼロであるが、Ｂ部である内周支持部ではスペーサ５２の厚さｔ1に相当する間隔である。すなわち、第１弾性部材５４の内周取付部は、メンブレン部１６の内周部よりも出力軸部２０の軸方向に沿って＋Ｚ方向に所定間隔としてスペーサ５２の厚さｔ1だけオフセットされて配置される。
【００５０】
このオフセットにより、第１弾性部材５４は、メンブレン部１６に対し「−Ｚ」方向の初期押付力を与える。第１弾性部材５４は、初期押付用の弾性部材である。初期押付力は、制御気体圧＝ゼロのときに、出力軸部２０に出力される「−Ｚ方向の力」で、負荷に対し引込力となる。制御気体圧がプラスの値となるときは、メンブレン部１６は、制御気体圧に応じて「＋Ｚ方向の力」を生じ、初期押付力に対応する「−Ｚ方向の力」との差し引きの「力」を出力軸部２０に出力する。このように、メンブレン部１６に初期押付力を与えることで、制御気体圧が負圧である「−ＰA1」から正圧である「＋ＰA2」の範囲で変化するときに、出力軸部２０は「引込力」から「押付力」の広い範囲の「力」として（−ＦO1〜＋ＦO2）を負荷に与える。
【００５１】
第２弾性部材６０は、図３（ａ）に示すように、Ａ部である外周支持部においては第１弾性部材５４に対しスペーサ５８の厚さｔ0に相当する間隔を離して配置される。Ｂ部である内周支持部においては、図３（ｂ）に示すように、第１弾性部材５４に対しスペーサ５６の厚さｔ0に相当する間隔を離して配置される。すなわち、第２弾性部材６０と第１弾性部材５４は、Ｚ方向について、互いに平行関係を有する。すなわち、第１弾性部材５４と第２弾性部材６０とは、平行状態を維持しながら、全体として一体となってＺ軸に沿って移動する。これによって、メンブレン部１６の面状の弾性変形の変位または変位に相当する力を出力する出力軸部２０は、Ｚ軸方向に沿って移動する。これによって、出力軸部２０によって負荷に与える変位または変位に相当する力は、負荷に対し常に一定方向として与えられる。
【００５２】
再び図２に戻り、筐体部１２に設けられる変位検出部３０は、差動変圧器（ｌｉｎｅａｒ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ：ＬＶＤＴ）型の変位センサである。
【００５３】
図５は、変位検出部３０に関する部分の詳細構成図である。変位検出部３０は、出力軸部２０の接続軸２６の先端に取付けられるプローブ部３１と、差動コイル部３４を含む。プローブ部３１は、先端側の磁性体軸３２と接続軸２６側の非磁性体軸３３とを含む。非磁性体軸３３は、磁性体軸３２と接続軸２６との間を磁気的に分離するために設けられる。差動コイル部３４は、磁性体軸３２のＺ方向に沿った変位を検出する。筐体部１２には、プローブ部３１を通すための有底穴１３がＺ方向に沿って設けられる。有底穴１３には、ドライチューブ１１２と、シールド部１１４が配置される。ドライチューブ１１２は、水分を通さない防水チューブである。シールド部１１４は、気体室７６と同じ気体圧の雰囲気中を移動するプローブ部３１と、差動コイル部３４との間を気密に分離し、気体室７６の気体が差動コイル部３４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１１４のＺ方向に延びる鞘の中をプローブ部３１が移動する。
【００５４】
差動コイル部３４は、一次側の励磁コイル１１６と、二次側の検出コイル１１８とで構成される。二次側の検出コイル１１８は、逆極性で接続された２つのコイルで構成される。一次側の励磁コイル１１６には、コイルの両端にそれぞれ引出線が接続され、二次側の検出コイル１１８には、接続された２つのコイルの両端子と、２つのコイルが接続される接続点とにそれぞれ引出線が接続される。合計５本の引出線は、入出力ポート１２０から外部に引き出される。
【００５５】
図５には、微小変位出力装置１０の構成要素ではないが、検出制御部１３０を示した。検出制御部１３０は、励磁コイル１１６に接続される励磁回路１３２、検出コイル１１８に接続される検出回路１３４、検出回路１３４の出力値をメンブレン部１６の変位に変換して出力する変位出力回路１３６を含む。変位出力回路１３６から出力される変位データは、図示しない制御装置に伝送され、制御気体圧の設定にフィードバックされる。このフィードバックによって、出力軸部２０が出力する「力」の値の精度が向上する。
【００５６】
かかる構成の微小変位出力装置１０の組立手順を図６の分解図を用いて説明する。図６は、図２の断面図を各要素に分解した図である。筐体部１２は、＋Ｚ方向の端面である上面において、筒状外周部７４が円環状に突き出す。筒状外周部７４によって囲まれた領域が気体室７６となる気体室用窪み７５である。この気体室用窪み７５の中央部に出力軸部２０の第１軸部材２２が配置される。
【００５７】
第１軸部材２２は、−Ｚ方向端にフランジ部８０を有する軸部材である。第１軸部材２２には、プローブ部３１が通る貫通穴８７が設けられ、貫通穴８７の一部はねじ穴８８である。ねじ穴８８は、出力軸部２０の接続軸２６のおねじ部８６と噛み合う。ねじ穴８８が設けられない貫通穴８７の部分には、後述するようにプローブ部３１が圧入される。
【００５８】
メンブレン部１６は、外径が筒状外周部７４の外径と同じで、内径が第１軸部材２２の軸部の外径よりやや大きい金属製の薄板円板である。メンブレン部１６の内径穴に第１軸部材２２の軸部を通して、メンブレン部１６の内周側の内周取付部を第１軸部材２２のフランジ部８０の上面に配置し、外周側の外周取付部を筐体部１２の筒状外周部７４の上面に配置する。これによって、メンブレン部１６は気体室用窪み７５を覆い、筐体部１２の筒状外周部７４の内周壁、気体室用窪み７５の底面、第１軸部材２２のフランジ部８０の内周壁、メンブレン部１６の下面で囲まれた空間が気体室７６を形成する。気体室７６には、筐体部１２の制御気体供給口７０から気体流路７２を介して、制御気体圧を有する気体が供給される。
【００５９】
変形抑制用の弾性部材５０は、図４で説明した１枚の所定ばね板１００で構成される。所定ばね板１００は、外径が筒状外周部７４の外径と同じで、内径が第１軸部材２２の軸部の外径よりやや大きい。つまり、所定ばね板１００の内径及び外径は、メンブレン部１６の内径及び外径と同じである。変形抑制用の弾性部材５０の内径穴に第１軸部材２２の軸部を通し、メンブレン部１６の上面に密着して変形抑制用の弾性部材５０が配置される。
【００６０】
スペーサ５２は、外径が第１軸部材２２のフランジ部８０の外径と同じで、内径が第１軸部材２２の軸部の外径よりやや大きく、厚さがｔ1の金属製リングである。スペーサ５２のリング状の幅は、所定ばね板１００の内周支持部１０４の幅と同じである。スペーサ５２の内径穴を第１軸部材２２の軸部に通すことで、スペーサ５２のリング状の部分が所定ばね板１００の内周支持部１０４の上面に配置される。
【００６１】
次に、第１弾性部材５４を構成する４枚の所定ばね板１００を配置する。４枚の所定ばね板１００の内径穴に第１軸部材２２の軸部を通すことで、スペーサ５２のリング状の部分の上面に４枚の所定ばね板１００の内周支持部１０４が配置される。
【００６２】
続いて、第１弾性部材５４を構成する４枚の所定ばね板１００の最上部に配置された所定ばね板１００の上面に、スペーサ５６とスペーサ５８を配置する。スペーサ５６の内径及び外径は、スペーサ５２の内径及び外径と同じであるが、厚さがt0であることが相違する。スペーサ５６は、その内径穴に第１軸部材２２の軸部を通すことで、第１弾性部材５４の最上部側の所定ばね板１００の内周支持部１０４の上面に配置される。スペーサ５８の内径及び外径は、筒状外周部７４の内径及び外径と同じである。厚さは、スペーサ５６と同じｔ0である。スペーサ５８の内径は第１軸部材２２の外径よりも十分大きいので、スペーサ５８は、そのまま、第１弾性部材５４の最上部側の所定ばね板１００の上面に配置される。
【００６３】
次に、第２弾性部材６０を構成する３枚の所定ばね板１００を配置する。３枚の所定ばね板１００の内径穴に第１軸部材２２の軸部を通すことで、スペーサ５６のリング状の部分の上面に３枚の所定ばね板１００の内周支持部１０４が配置される。スペーサ５８は、第１弾性部材５４の最上部側の所定ばね板１００の上面と、第２弾性部材６０の最下部の所定ばね板１００の下面との間に配置される。
【００６４】
続いて、高さ調整用のスペーサ６２を配置する。高さ調整用のスペーサ６２は、出力軸部２０の高さ位置を調整するためのもので、場合によっては省略できる。高さ調整用のスペーサ６２の内径及び外径は、スペーサ５２，５６の内径及び外径と同じである。高さ調整用のスペーサ６２は、その内径穴に第１軸部材２２の軸部を通すことで、第２弾性部材６０の最上部側の所定ばね板１００の内周支持部１０４の上面に配置される。
【００６５】
次に、スペーサ６４を配置する。スペーサ６４の内径及び外径は、スペーサ５８の内径及び外径と同じであるが、厚さがt2であることが相違する。厚さｔ2は、スペーサ５２の厚さｔ1よりも大きい。
【００６６】
以上で、メンブレン部１６、８枚の所定ばね板１００、５つのスペーサ５２，５６，５８，６２，６４の配置が終わる。次に、出力軸部２０の第２軸部材２４とカバー１４の配置が行われる。
【００６７】
出力軸部２０の第２軸部材２４は、＋Ｚ方向端に、負荷を取付けるねじ穴２８を有する略矩形のフランジ部８２を有し、−Ｚ方向端にもフランジ部８４を有する軸部材である。第２軸部材２４は、フランジ部８４側に第１軸部材２２の軸部が嵌め込まれる開口部９０を有し、フランジ部８２側に接続軸２６を通す開口部９２を有する。開口部９０と開口部９２は、中心穴を有する段差部９４を介して接続される。段差部９４は、接続軸２６のボルト頭部を支持するためのもので、段差部９４の中心穴の内径は、接続軸２６の軸部を通す大きさに設定される。
【００６８】
第２軸部材２４のフランジ部８４を高さ調整用のスペーサ６２の上面に宛がって、開口部９０を第１軸部材２２の軸部に嵌め込むことで、第１軸部材２２と第２軸部材２４とはＺ方向に沿って並んで配置される。
【００６９】
接続軸２６は、締付ボルトであって、頭部と軸部とを有し、軸部にはおねじ部８６が刻まれる。頭部の外径は、第２軸部材２４の開口部９２に挿入して締付のための回転が可能な大きさに設定される。おねじ部８６は、軸部のＺ軸に沿った中間部分に設けられる。これは、おねじ部８６が第１軸部材２２のねじ穴８８に噛み合う以外は、第２軸部材２４の開口部９２、段差部９４の内径穴、開口部９０、軸部の先端側が第１軸部材２２の貫通穴８７を通って筐体部１２の有底穴１３に挿入するためである。
【００７０】
変位検出部３０を構成するプローブ部３１は、磁性体軸３２とその上部の非磁性体軸３３で構成される。プローブ部３１は、接続軸２６と一体化されてもよいが、締付ボルトである接続軸２６は回転されるので、接続軸２６とは別体とすることが好ましい。プローブ部３１は、第１軸部材２２の貫通穴８７に圧入されて第１軸部材２２と一体化される。プローブ部３１の先端側の磁性体軸３２のＺ方向に沿った位置は、変位検出部３０の差動コイル部３４の位置に対し所定の位置関係となるように設定される。この位置設定は、接続軸２６のおねじ部８６を第１軸部材２２のねじ穴８８に噛み合わせ、接続軸２６の−Ｚ方向の端部で、第１軸部材２２の貫通穴８７に圧入されたプローブ部３１の＋Ｚ方向の端部を押すことで行われる。
【００７１】
このように、プローブ部３１のＺ方向に関する位置決めを行いながら、接続軸２６のおねじ部８６を第１軸部材２２のねじ穴８８に噛み合わせて締め付けることで、第１軸部材２２、第２軸部材２４、接続軸２６が一体化される。この一体化によって、第１軸部材２２のフランジ部８０と第２軸部材２４のフランジ部８４との間に、メンブレン部１６、所定ばね板１００、スペーサ５２，５６、高さ調整用のスペーサ６２とが挟み込まれて固定される。メンブレン部１６、所定ばね板１００の内周支持部は、挟み込まれて固定された内周固定部となり、メンブレン部１６の内周側は気密に固定される。これによって、出力軸部２０は、メンブレン部１６の面状の弾性変形に応じた変位または変位に対応する力を出力することができる。
【００７２】
カバー１４は、図１に示すように、平面形状が略正方形であるが、−Ｚ方向側に円形開口部１５を有する。円形開口部１５の内径は、筐体部１２の環状の筒状外周部７４の外径よりやや大きめに設定される。メンブレン部１６、所定ばね板１００、スペーサ５８，６４の外径は、筐体部１２の環状の筒状外周部７４の外径と同じである。カバー１４の円形開口部１５の内周壁部にメンブレン部１６、所定ばね板１００、スペーサ５８，６４の外径を沿わせ、カバー１４の円形開口部１５の底部１７をスペーサ６４の上面に宛がう。これによって、メンブレン部１６、所定ばね板１００、スペーサ５８，６４を、カバー１４の円形開口部１５の外周側の内部に配置することができる。
【００７３】
図１（ａ）に示すように、カバー１４の略正方形の外形の外周４隅部分に複数のボルト４０，４２を通す穴が設けられる。これに対応して、筐体部１２には、複数のボルト４０，４２に噛み合うねじ穴が配置される。複数のボルト４０，４２を用いて、カバー１４を筐体部１２に一体化固定することで、メンブレン部１６、所定ばね板１００、スペーサ５８，６４が、カバー１４の円形開口部１５の底部１７と、筐体部１２の筒状外周部７４との間に挟み込まれて固定される。メンブレン部１６、所定ばね板１００の外周支持部は、挟み込まれて固定された外周固定部となり、メンブレン部１６の外周側は気密に固定される。
【００７４】
第１弾性部材５４と第２弾性部材６０を構成する複数の所定ばね板１００は、微小変位出力装置１０が組立てられる前においては、図６に示すように平坦形状である。微小変位出力装置１０が組立てられると、第１弾性部材５４と第２弾性部材６０を構成する複数の所定ばね板１００は、図２、図３に示すように、内周支持部のＺ方向に沿った位置が、外周支持部のＺ方向に沿った位置よりも＋Ｚ方向にオフセットされる。このオフセットは、図３で述べたように、メンブレン部１６、変形抑制用の弾性部材５０と第１弾性部材５４との間の軸方向間隔は、Ａ部である外周支持部においてゼロであるが、Ｂ部である内周支持部ではスペーサ５２の厚さｔ1に相当する間隔であることによる。このオフセットにより、第１弾性部材５４と第２弾性部材６０は、メンブレン部１６に対し「−Ｚ」方向の初期押付力を与える。
【００７５】
カバー１４は、出力軸部２０を構成する第２軸部材２４を通すための中央開口部を有する。図６に示すように、カバー１４の中央開口部の一部分９６は、第２軸部材２４のフランジ部８４の外径と重なり合うように設定される。これは、出力軸部２０が＋Ｚ方向に過度に変位しないようにする安全ストッパである。この中央開口部の一部分９６があると、カバー１４と第２軸部材２４は組立できないように見える。実際には、カバー１４の中央開口部は、円形穴でなく、Ｘ方向の寸法とＹ方向の寸法が異なる。同様に、第２軸部材２４のフランジ部８４も円形フランジでなく、Ｘ方向の寸法とＹ方向の寸法が異なる。この寸法差を利用して、カバー１４の中央開口部の大きな寸法の方向と、第２軸部材２４のフランジ部８４の大きな寸法の方向を合わせて、カバー１４を第２軸部材２４の軸部に通す。その後、カバー１４を第２軸部材２４に対し回転させて、カバー１４の中央開口部の一部分９６と第２軸部材２４のフランジ部８４の外径とが図６に示す関係とする。このようにして、出力軸部２０の＋Ｚ方向の過度の変位に対する安全ストッパが設けられる。
【００７６】
このように、制御気体圧によって弾性変形するメンブレン部１６を利用し、負荷に押付力から引込力までの幅広い範囲の力を与え、負荷に与える力を大きくしてもメンブレン部１６の永久変形を抑制できる微小変位出力装置１０を組み立てることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０  微小変位出力装置、１２  筐体部、１３  有底穴、１４  カバー、１５  円形開口部、１６  メンブレン部、１７  底部、２０  出力軸部、２２  第１軸部材、２４  第２軸部材、２６  接続軸、２８，８８  ねじ穴、３０  変位検出部、３１  プローブ部、３２  磁性体軸、３３  非磁性体軸、３４  差動コイル部、４０，４２  ボルト、５０  変形抑制用の弾性部材、５２，５６，５８，６２，６４  スペーサ、５４  第１弾性部材（初期押付用の弾性部材）、６０  第２弾性部材（初期押付用の弾性部材）、７０  制御気体供給口、７２  気体流路、７４  筒状外周部、７５  気体室用窪み、７６  気体室、８０，８２，８４  フランジ部、８６  おねじ部、８７  貫通穴、９０，９２，１０８  開口部、９４  段差部、９６  一部分、１００  所定ばね板、１０２  中心穴、１０４  内周支持部（内周取付部に対応）、１０６  外周支持部（外周取付部に対応）、１１０  アーム部、１１２  ドライチューブ、１１４  シールド部、１１６  励磁コイル、１１８  検出コイル、１２０  入出力ポート、１３０  検出制御部、１３２  励磁回路、１３４  検出回路、１３６  変位出力回路。
【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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