(57)【要約】【課題】超磁歪アクチュエータの変位量が大きい、高速応答性、発生荷重が大きい、非接触駆動ができるなどの特徴を損なうことなく、装置の厚みの薄型化を図ることが可能なアクチュエータ装置を提供すること。【解決手段】一端をフロント側としもう一方の端部をリア側とする超磁歪素子と、この超磁歪素子と連結した出力軸と、前記超磁歪素子と前記出力軸を支持するハウジングと、前記超磁歪素子の軸芯とは異なる位置に軸芯を有する電磁コイルと、この電磁コイルと前記超磁歪素子の間に閉ループ磁気回路を形成することで解決できる。【選択図】  図１
2004282953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端をフロント側としもう一方の端部をリア側とする超磁歪素子と、この超磁歪素子と連結した出力軸と、前記超磁歪素子と前記出力軸を支持するハウジングと、前記超磁歪素子の軸芯とは異なる位置に軸芯を有する電磁コイルと、この電磁コイルと前記超磁歪素子の間に閉ループ磁気回路が形成されること
を特徴とするアクチュエータ装置。
【請求項２】
超磁歪素子の軸芯とは異なる位置に軸芯を有し、かつ、それぞれの軸芯位置が異なる複数個の電磁コイルと、この複数個の電磁コイルと前記超磁歪素子の間に閉ループ磁気回路が形成されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
超磁歪素子から形成される部材の軸方向長さをＬ１、或いは前記超磁歪素子と連結した永久磁石の軸方向厚みを前記Ｌの加えた長さをＬ２としたとき、Ｌ１或いはＬ２は電磁コイルの軸長よりも小であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
電磁コイル及び／又は超磁歪素子を空冷ファンにより冷却したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
装置の断面形状は概略長方形であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
一端をフロント側としもう一方の端部をリア側とする電磁歪素子と、この電磁歪素子に連結された出力軸と、前記電磁歪素子と前記出力軸を収納するハウジングと、この出力軸を回転自在及び軸方向に移動可能に支持するスリーブと、前記出力軸に回転を与える手段から構成されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
回転を与える手段はステータの断面形状が非真円のモータであることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
回転を与える手段は２極モータであることを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ装置。
【請求項９】
超磁歪素子と電磁コイルから構成される独立したアクチュエータを、厚みの薄い方向に複数個配列したことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報・精密機器，工作機械，ＦＡなどの分野或いは半導体，液晶，ディスプレイ，表面実装などの様々な生産工程で必要とされるアクチュエータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、機械加工における加工精度は、ミクロンからサブミクロンのオーダーに入りつつある。半導体・電子部品の分野では、サブミクロン加工は普通であるが、メカトロニクスと共に進歩している機械加工の分野でも、超精密加工に対する需要が急増している。超精密加工を可能にした理由のひとつには、ｎｍオーダーの変位計測が容易となったレザー利用の高精度計測技術が導入されるようになったことが上げられる。
【０００３】
更に近年、高精度計測技術の導入と共に、超磁歪素子、圧電素子で代表される電磁歪素子がマイクロアクチュエータとして適用されるようになっている。１９６３年の極低温下での巨大磁歪の発見をきっかけとして、１９７２年、Ａ．Ｅ．クラークが中心となって発明されたと言われる超磁歪材料は、常温下でも従来の磁歪材料と比べて２桁も大きい巨大磁歪（Ｇｉａｎｔ−ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）が得られるとして、近年急速に実用化が進められている。その代表的な材料は、希土類元素Ｒと鉄Ｆｅの原子比１：２の組成を持っており、例えば、ＴｂＦｅ２，ＤｙＦｅ２，ＳｍＦｅ２，ＨｏＦｅ２，ＥｒＦｅ２などが挙げられる。従来の磁歪材料が数十ＰＰＭの磁歪であるのに対して、超磁歪材料の場合は１５００〜２０００ＰＰＭ（磁歪：ＰＰＭ＝ΔＬ／Ｌ×１０６）が得られる。
【０００４】
図１７は、この超磁歪のバルク素材を用いた直動型アクチュエータの代表的構造を示すものである。７００は超磁歪ロッド、７０１は磁界コイル、７０２はバイアス永久磁石、７０４はヨーク材、７０５は出力軸、７０６はバイアスバネ、７０７は位置検出板、７０８は変位センサ、７０９はハウジングである。
【０００５】
バイアス永久磁石７０２は、予めロッドに磁界をかけて磁界の動作点を高めて、磁界の強さに対する超磁歪の線形範囲を拡大するために配置される。また、バイアスバネ７０６は、予めロッドに適正な予荷重（圧縮応力）をかけることにより、磁界に対する磁歪の勾配を急峻にするため設けられる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１１９０７５号公報
【特許文献２】
特開２００２−００１１９２号公報
【特許文献３】
特開２００２−３１５３７０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＯＡ・ＡＶ商品、情報機器などの商品は、近年益々軽薄短小化が進んでいるが、そのモノ作りにもミクロ・ファインの生産技術が要求されるようになっている。例えば、精密位置決め、精密リニア搬送、小型部品の高速フィーダ、超微少流量制御などである。これら技術の進歩の鍵をにぎるのが高性能のマイクロ・アクチュエータである。超磁歪素子、圧電素子などの電磁歪素子は、一軸・一自由度だけの特性を評価するならば、前述した高精度でハイレスポンスなどの特徴をもつがゆえに理想のアクチュエータといえる。
【０００８】
図１７に示す超磁歪アクチュエータは、▲１▼変位量が大きい、▲２▼低電圧駆動、▲３▼高速応答性、▲４▼発生荷重が大きい、▲５▼非接触駆動ができる、などの特徴をもっている。比較的歴史が古く、超磁歪素子と比較される積層型の圧電素子も、マイクロアクチュエータとして、精密位置決め装置などに広く用いられているが、上記▲２▼▲５▼は圧電素子にはない超磁歪素子の特徴である。
【０００９】
しかし圧電素子と比べて、超磁歪素子で駆動されるアクチュエータは外径寸法φＤが大きいという欠点があった。その理由は、超磁歪ロッド７００に制御磁界をかけるための磁界コイル７０１を、超磁歪ロッド７００の外周部に配置する必要があり、この磁界コイル７０１とこの磁界コイル７０１を収納するハウジング７０９の寸法でアクチュエータ外径φＤが決まるからである。
【００１０】
さて、精密機器に求められるアクチュエータは一軸の動作だけではなく、多自由度で微少変位の複合動作ができる機構ユニットとであることが望ましい。しかし、多自由度の動作を実現するために、複数個の電磁歪アクチュエータを組み合わせて機器を構成した場合、制御系を含む装置全体が複雑化するため、実用上は適用困難な場合が多い。
【００１１】
そこで、本発明者は、超磁歪素子が非接触で電力を素子に供給できることに注目し、超磁歪素子とモータを組み合わせることにより、直線と回転運動の２自由度の出力軸を得ることができるアクチュエータ装置を、特許文献１で提案している。
【００１２】
また、この２自由度アクチュエータの応用により、回転運動により流体の輸送手段を与え、直線運動を用いて固定側と回転側の相対的なギャップを変化させ、流体の吐出量を制御する塗布手段、例えば「流体供給装置及び流体供給方法」（特許文献２）或いは「アクチュエータ装置及び流体供給装置」（特許文献３）などがある。
【００１３】
これらの提案により、超磁歪素子の小型、高精度、高発生荷重、高速レスポンス、等の特徴を活かした上で、極めてシンプルな構成で多自由度の複合動作を持つ機構ユニットが実現できる。表面実装のディスペンサ、チップ装着機、振動加工スピンドル等に用いれば、その長所を発揮できる。
【００１４】
本発明者は、また、未公開自社出願の特願２００１−３８５８０４号明細書において、ディスプレイ・パネルの蛍光体・電極材塗布に、２自由度アクチュエータ・ディスペンサを用いた描画線始終端の高品位塗布方法を提案している。図１６は既提案ディスペンサの具体構造を示すもので、５０１は超磁歪素子による第１のアクチェータ、５０２は第１のアクチェータ５０１によって直線駆動される主軸（ピストン）、５０３はハウジング、５０４は主軸５０２を収納するポンプ部である。
【００１５】
５０５は第２のアクチェータであり、主軸５０２とハウジング５０３の間に相対的な回転運動を与えるものである。５０６はモータロータ、５０７は上部主軸５０７、５０８はモータステータ、５０９は上部ハウジング、５１１、５１２は超磁歪素子から構成される円筒形状のリア側超磁歪ロッド及びフロント側超磁歪ロッド、５１３は磁界コイルである。５１４、５１５、５１６はリア側、中間部、フロント側の永久磁石である。５１７は磁気回路のリア側ヨーク、５１８はヨーク材を兼ねたフロント側スリーブ、５１９は円筒形状ヨーク材である。主軸５０２はこの磁気回路に影響を与えないように、非磁性材料を用いている。すなわち、超磁歪ロッド５１１，５１２、磁界コイル５１３、永久磁石５１４〜５１６、リア側ヨーク５１７、フロント側スリーブ５１８、ヨーク材５１９により、磁界コイルに与える電流で超磁歪ロッドの軸方向の伸縮を制御できる超磁歪アクチェータ（第１のアクチェータ５０１）を構成している。
【００１６】
５２０はリア側スリーブ、５２１は中間ハウジング、５２２はバイアスバネ、５２３は回転伝達キー、５２４は軸受、５２５はモータエンコーダ、５２６は変位センサである。上記構成により、
▲１▼回転運動を与える第２のアクチュエータ５０５で、ねじ溝が形成されたピス
トンを回転させてポンピング圧力を発生させ、塗布流体を吐出側に圧送する。
【００１７】
▲２▼第１のアクチュエータ５０１でピストンを直線駆動することにより、ピストンの吐出側端面に正負のスクイーズ圧力を発生させる。
【００１８】
塗布開始時にはピストン下降により、正圧を発生させて高粘度流体をスムーズに流出させ、塗布終了時にはピストンの急上昇による負圧を発生させて、流体を遮断させる。
上記▲１▼▲２▼の組み合わせにより、ディスプレイパネルの有効表示領域と非有効表示領域の境界部における塗布線の高速遮断・高速開放の制御を実現している。
【００１９】
ディスペンサを用いてパネル面に蛍光体スクリーンストライブを形成する場合でも、従来のスクリーン印刷方式と同等の生産タクトが要望される。千本〜数千本のスクリーンストライブをできるだけ短時間で描くためには、ディスペンサ（或いはパネル）が搭載された搬送台を高速で往復動作させると共に、塗布装置にできるだけ多くのディスペンサを配置するのが好ましい。１セットのディスペンサに複数本のノズルを設置すれば、生産効率は向上する。
【００２０】
しかしこの場合、各ノズルの流量はノズルの流体抵抗に依存するために、各ノズルの僅かの内径差によって流量のばらつきが生ずるという問題点がある。そのため、１セットのディスペンサに設置できるノズルの本数には制限がある。理想的には、１セットのディスペンサに一個のノズルを設置し、各ノズルからの流量は独立して調節できるのが望ましい。しかし、前述したように、超磁歪アクチュエータで駆動される既提案のディスペンサは、外径寸法の点で小型化には限界があった。
【００２１】
本発明は、超磁歪素子に磁界を与える電磁コイルを、超磁歪素子の軸芯位置とは異なる位置に電磁コイルの軸芯位置を配置して、閉ループ磁気回路を形成することにより、アクチュエータの薄型化を図ったものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明のアクチュエータ装置は、一端をフロント側としもう一方の端部をリア側とする超磁歪素子と、この超磁歪素子と連結した出力軸と、前記超磁歪素子と前記出力軸を収納するハウジングと、この出力軸を前記ハウジングに対して相対的に軸方向移動可能に支持する軸受部と、前記超磁歪素子の軸芯とは異なる位置に軸芯を有する電磁コイルと、この電磁コイルと前記超磁歪素子の間に閉ループ磁気回路が形成されている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施の形態について、図１と図２を用いて説明する。図１及び図３は超磁歪素子を用いた直動型のアクチュエータを示すもので、超磁歪素子の軸芯とは異なる位置に軸芯を有する電磁コイルを配置し、かつこの電磁コイルと超磁歪素子の間に閉ループ磁気回路を形成したものである。
【００２４】
１はアクチュエータによって駆動されるピストン（出力軸）、２はこのピストン１のフロント側（出力側）端部、３はこのピストン１をフロント側で支持するフロント側ベース台、４はピストン１のリア側端部、５はピストン１をリア側で支持するリア側スリーブである。６はアクチュエータのリア側でピストンと一体化した円筒形状のリア側ヨーク、７は超磁歪材料から構成される円筒形状の超磁歪ロッドである。この超磁歪ロッド６はバイアス永久磁石（Ａ）８，（Ｂ）９に上下から挟まれた形で、リア側ヨーク６とフロント側ベース台３の間に保持されている。
【００２５】
この永久磁石（Ａ），（Ｂ）は、超磁歪ロッド７に予めに磁界をかけて磁界の動作点を高めるもので、この磁気バイアスにより磁界の強さに対する超磁歪の線形性が改善できる。１０は超磁歪ロッド６に予圧を与えるためのバイアスバネである。このバイアスバネ１０によって、超磁歪ロッド７には常に軸方向に圧縮応力が加わるため、繰り返し応力が発生した場合に、引っ張り応力に弱い超磁歪素子の欠点が解消される。
【００２６】
１１及び１２は超磁歪ロッド６の長手方向に磁界を与えるための磁界コイルＡ及びＢである。２つの磁界コイル１１、１２は、超磁歪ロッド７を中心に左右対称に配置されている。１３、１４はそれぞれの磁界コイルの磁束管としての鉄心である。各鉄心１３、１４はボルト１５ａ，１５ｂ、１６ａ、１６ｂにより、フロント側ベース台３とリア側ベース台１７の間に固定されている。１８及び１９は、フロント側ベース台３とリア側ベース台１７を固定するためのハウジングＡおよびハウジングＢである。２０はリア側スリーブ５の上端に配置され、ピストン１の上端部を検出する変位センサである。フロント側ベース台３とリア側ベース台１７及びハウジングＡ１８およびハウジングＢ１９が、出力軸１と超磁歪ロッド７を支持する固定側のハウジングである。
【００２７】
上記構成により、超磁歪ロッド７の伸縮を制御する２つの閉ループ磁気回路Ａ及びＢが形成される。磁気回路Ａは、７→９→３→１３→１７→６→８→７、磁気回路Ｂは７→９→３→１４→１７→６→８→７として、閉ループを形成している。すなわち、上記２つの閉ループ磁気回路と変位センサ２０により、磁界コイルに与える電流で超磁歪ロッドの軸方向の伸縮量を制御できる超磁歪アクチュエータを構成している。
【００２８】
２つの電磁コイルはそれぞれ独立した電源により駆動してもよく、或いは２つの電磁コイルをシリーズに連結して、１つの電源で駆動してもよい。
【００２９】
なお、本発明のどの実施例でも同様であるが、バイアス用の永久磁石は閉ループの磁気回路を構成できるならば、どの個所にどの様な形状で配置してもよい。
【００３０】
図１７で示した従来の超磁歪アクチュエータの場合、超磁歪ロッド７００に制御磁界をかけるための磁界コイル７０１を、超磁歪ロッド７００の外周部に配置しているため、この磁界コイル７０１とこの磁界コイル７０１を収納するハウジング７０９の寸法でアクチュエータ外径φＤが決まっていた。本発明では、電磁コイルの軸芯位置を超磁歪素子の軸芯とは異なる位置に配置したために、電磁コイルの外径は小さくできる。
【００３１】
そのため、アクチュエータの厚みＢを十分に小さくできる。そのために、複数のアクチュエータを厚み方向に重ねて配置することにより、独立した複数個の出力軸をもつアクチュエータ装置がコンパクトに構成できる。このアクチュエータ装置は、基板上で幾何学的に対象に配置された複数個の部品を同時に加工する場合等に有効である。
【００３２】
例えば、表面実装におけるチップ部品のマウント工程等に適用すれば、アクチュエータの出力軸を狭ピッチで配列できるために、生産性は大いに向上する。
【００３３】
本発明からなる超磁歪アクチュエータの場合、電磁コイルと超磁歪ロッドを分離できるために、冷却が容易となる。図１７で示した従来の超磁歪アクチュエータの場合、発熱源である超磁歪ロッド７００と磁界コイル７０１は狭い密閉空間に収納されているために、その放熱は容易でなかった。放熱が不充分な場合、素子の寿命を低下させるだけではなく、アクチュエータの周辺部材の温度上昇をもたらすため、出力軸の位置決め精度を低下させる。そのため、超磁歪アクチュエータで消費動力の大きな動作をさせる場合は、空冷だけでは不充分なため、冷却水を循環させるなどの方策を施す必要があった。
【００３４】
以下、本発明の第２の実施例について、図３及び図４を用いて説明する。
【００３５】
この実施例は、非接触で電力供給できる超磁歪素子の特徴を利用して、直線運動する超磁歪素子の出力軸にさらにモータによる回転の機能、すなわち２自由度アクチュエータの機能を持たせたものである。第１の実施例同様に、アクチュエータの厚みＢを十分に小さくできる。
【００３６】
本装置は２つのアクチュエータ部と、ピストンの回転と直線運動を支持するスピンドル部から構成される。５１は第１のアクチュエータであり、超磁歪素子を用いてピストンを直線駆動させる。第１実施例同様に、超磁歪素子の軸芯とは異なる位置に軸芯を有する電磁コイルを配置し、かつこの電磁コイルと超磁歪素子の間に閉ループ磁気回路を形成している。５２は第２のアクチュエータであり、モータによりピストンを回転駆動させる。５３はスピンドル部であり、ピストンのラジアル方向を支持すると共に、超磁歪ロッドが受けるスラスト荷重を支持する。
【００３７】
５４は第１のアクチュエータ５１と第２のアクチュエータ５２によって、直線及び回転駆動されるピストン（出力軸）、５５はこのピストン１のフロント側（出力側）端部、５６はフロント側ベース台、５７はピストン５４のリア側端部、５８はリア側ベース台、５９はアクチュエータのリア側でピストンと一体化した円筒形状のリア側ヨーク、６０は超磁歪材料から構成される円筒形状の超磁歪ロッドである。
【００３８】
この超磁歪ロッド６０はバイアス永久磁石（Ａ）６１、（Ｂ）６２に上下から挟まれた形で、リア側ヨーク５９とフロント側回転スリーブ（下記）の間に保持されている。６３はリア側回転スリーブ、６４は超磁歪ロッド６０に予圧を与えるためのバイアスバネである。６５は超磁歪ロッド６０の長手方向に磁界を与えるための磁界コイル、６６は磁界コイルの磁束管としての鉄心である。鉄心６６はボルト６７ａ、６７ｂにより、フロント側ベース台５６とリア側ベース台５８の間に固定されている。６８及び６９は、フロント側ベース台５６とリア側ベース台５８を固定するためのハウジングＡおよびハウジングＢである。７０はリア側軸受スリーブ、７１はボルト、７２は軸受である。リア側回転スリーブ６３は、リア側軸受スリーブ７０の間に設けられた軸受７２によって、回転自在の状態を保ちつつその軸方向位置が規制されている。
【００３９】
ピストン５４は円筒形状をしたリア側軸受スリーブ６３の中心部を貫通して、さらに上方向にも伸びている。７３は第２のアクチュエータ５２であるモータのロータ、７４はモータのステータである。実施例では２極フラットモータを用いている。ロータ７３は断面真円形状であるが、ステータは図３において左右対称に２極のみ設けている。７５はモータステータを収納するモータハウジングである。モータハウジング７５の上部に設けられた上部蓋７６には、ピストンの端面位置を検出する変位センサ７７が配置されている。
【００４０】
７８はフロント側回転スリーブ、７９はフロント側固定スリーブ、８０ａ、８０ｂは軸受である。ピストン５４は円筒形状をしたフロント側回転スリーブ７８の中心部を貫通している。
【００４１】
上記構成により、本実施例のアクチュエータ装置では、ピストン５４（出力軸）は回転運動と微少変位の直線運動の制御を同時に、かつ独立して行うことができる。さらに実施例では、第１のアクチュエータ５１に超磁歪素子を用いたために、超磁歪ロッド６０（及びピストン５４）を直線運動させるための動力を、外部から非接触で与えることができる。すなわち、本構成のアクチュエータでは、モータを回転させたままで、数メガヘルツの周波数特性を持つ電磁歪素子の特徴を活かし、高いレスポンスで出力軸を軸方向に相対移動させることができる。
【００４２】
本実施例では、第１の実施例同様に、超磁歪ロッド６０の長手方向に磁界を与えるための磁界コイル６５を遠方に配置した構成であるため、第１のアクチュエータの厚みを十分に小さくできる。
【００４３】
更に、実施例では２極フラットモータを用いたために、モータの厚みも十分に小さくできる。すなわち、「電磁コイルの外付け配置による超磁歪アクチュエータ」×「２極フラットモータ」の相乗効果により、厚みＢが十分に小さい２自由度アクチュエータが実現できるのである。実施例では、第１のアクチュエータ５１（超電磁歪素子）の上部に第２のアクチュエータ５２（モータ）を配置したが、この逆の配置の構成でもよい。
【００４４】
この２自由度アクチュエータは、様々な用途に適用することができる。
【００４５】
例えば、ピストン５４の先端５５に加工用のツールを装着すれば、振動加工（切り屑分断加工）用のスピンドルとして用いることができる。２自由度アクチュエータによる振動加工については、既に本発明者によって、「アクチュエータ装置及び流体供給装置」（特許文献３）で提案済のものである。
【００４６】
本発明を適用すれば、既提案と比べて、スピンドルの厚みを大幅に小さくできるために、複数のスピンドルを厚み方向に重ねて配置することにより、独立した複数個のツールをもつ加工スピンドルがコンパクトに構成できる。そのため、例えば、高密度化プリント配線板の複数微少孔を高い生産性のもとで形成できる。
【００４７】
以下、振動加工について補足する。振動加工には様々な形態が開発されている。例えばドリル加工を例にとれば、振動を送り方向（軸方向）に与えて、かつ加工条件を適切に選ぶならば、切りくずが微細に分断され、ドリルの折損を回避できることが分かっている。
【００４８】
例えば、その研究例として、窪田他：「送りに振動を重畳させた小径穴加工の研究」、精密工学会誌、ＶＯＬ．６１．Ｎｏ．７，１９９５等がある。上記研究では、送りに振動を重畳させることにより、切れ刃間の位相差が切り屑の生成状態に大きな影響を与え、ドリル一回転当たりの振動波数を適切に選ぶことにより、切り屑は分断されるとしている。
【００４９】
この工法を実際に実現するためには、ドリルの回転とタイミングをとりながら、ドリルとワークを軸方向に相対的に振動させる手段が必要となる。
【００５０】
上記研究例では、スピンドル側に振動源を持つのではなく、ワークを把持する固定側にＰＺＴアクチュエータを設けて、送り方向振動をワークに与える方法が紹介されている。しかし、実際に量産現場でその振動加工の効果を得ようとすると、ワーク側に振動を与えるのは生産効率面で不具合が多く、汎用性がない。
【００５１】
本実施例のアクチュエータを用いれば、超磁歪素子とモータとの同期運転による自由度の高い変位・速度の制御ができるため、多目的に使用可能な汎用性ある切り屑分断加工用スピンドルが実現できる。
【００５２】
図５は、本発明の第３実施例を示すもので、第２実施例で示した「２自由度アクチュエータ」の出力軸にねじ溝によるポンプ部を設けたディスペンサを示す。
【００５３】
すなわち、ねじ溝が形成されたピストンとこのピストンを収納するスリ−ブの間に、相対的な回転運動と直線運動を同時に与える構成により、
▲１▼  第１のアクチュエータでピストンを直線駆動させて、ピストンの吐出側端
面に正負のスクイーズ圧力を発生させる。
【００５４】
▲２▼  回転運動を与える第２のアクチュエータで、ねじ溝が形成されたピストンを回転させてポンピング圧力を発生させ、塗布流体を吐出側に圧送する。
【００５５】
上記▲１▼▲２▼の組み合わせにより、塗布線の始終端を高品位で描くための流量制御を実現したものである。
【００５６】
２自由度アクチュエータで構成されるディスペンサを用いて、塗布線の始終端を高品位で描く方法は、既に本発明者によって、例えば、「ディスプレイパネルのパターン形成方法および形成装置」（未公開自社出願の特願２００１−３８５８０３号明細書）等で提案済のものである。本発明を適用することにより、上記ディスペンサの機能を損なわないで、ディスペンサ本体の断面形状を長方形にして、かつその幅の厚みを大幅に薄くすることができる。複数のディスペンサを厚み方向に重ねて配置することにより、独立した複数個のヘッドによる、生産性の高い塗布装置がコンパクトに構成できる。
【００５７】
以下、本発明を適用したディスペンサについて補足説明する。
【００５８】
本装置は２つのアクチュエータ部、すなわち第１のアクチュエータ１５１と第２のアクチュエータ１５２、ピストンの回転と直線運動を支持するスピンドル部１５３、及びポンプ部１５４から構成される。
【００５９】
１５４は第１のアクチュエータ１５１と第２のアクチュエータ１５２によって、直線及び回転駆動されるピストン（出力軸）、１５５はこのピストン１５４のフロント側（出力側）端部（図６）、１５６はフロント側ベース台、１５７はピストン１５４のリア側端部、１５８はリア側ベース台、１５９はアクチュエータのリア側でピストンと一体化した円筒形状のリア側ヨーク、１６０は超磁歪材料から構成される円筒形状の超磁歪ロッドである。
【００６０】
この超磁歪ロッド１６０はバイアス永久磁石（Ａ）１６１、（Ｂ）１６２に上下から挟まれた形で、リア側ヨーク１５９とフロント側回転スリーブ（下記）の間に保持されている。１６３はリア側回転スリーブ、１６４は超磁歪ロッド１６０に予圧を与えるためのバイアスバネである。１６５は超磁歪ロッド１６０の長手方向に磁界を与えるための磁界コイル、１６６は磁界コイルの磁束管としての鉄心である。鉄心１６６はボルト１６７ａ、１６７ｂにより、フロント側ベース台１５６とリア側ベース台１５８の間に固定されている。１６８及び１６９は、フロント側ベース台１５６とリア側ベース台１５８を固定するためのハウジングＡおよびハウジングＢである。１７０はリア側軸受スリーブ、１７１はボルト、１７２は軸受である。リア側回転スリーブ１６３は、リア側軸受スリーブ１７０の間に設けられた軸受１７２によって、回転自在の状態を保ちつつその軸方向位置が規制されている。
【００６１】
ピストン１５４は円筒形状をしたリア側軸受スリーブ１６３の中心部を貫通して、さらに上方向にも伸びている。１７３は第２のアクチュエータ１５２であるモータのロータ、１７４はモータのステータである。実施例では２極フラットモータを用いている。ロータ１７３は断面真円形状であるが、ステータは図５において左右対称に２極のみ設けている。１７５はモータステータを収納するモータハウジングである。モータハウジング１７５の上部に設けられた上部蓋１７６には、ピストンの端面位置を検出する変位センサ１７７が配置されている。
【００６２】
１７８はフロント側回転スリーブ、１７９はフロント側固定スリーブ、１８０ａ、１８０ｂは軸受、１８１はピストン小径部である。ピストン小径部１８１は円筒形状をしたフロント側回転スリーブ１７８の中心部を貫通している。
【００６３】
さて、本実施例では、ピストン１５４の軸方向位置決め機能を用いて、ねじ溝の定常回転状態を保ったままで、ピストンの吐出側端面の隙間の大きさを任意に制御することができる。この機能を用いて、吸入口から吐出ノズルに至るいかなる流通路の区間も機械的に非接触の状態で、始終端における粉流体の遮断・開放の制御ができる。その原理をポンプ部１５４の詳細図である図６を用いて説明する。
【００６４】
図６において、１８２はフロント側回転スリーブ１７８に固定されたねじ溝スリーブ、１８３はねじ溝スリーブ１８２の外表面に形成された流体を吐出側に圧送するためのねじ溝、１８４はねじ溝スリーブ１８２を収納するシリンダである。
【００６５】
このねじ溝スリーブ１８２とシリンダ１８４の間で、ねじ溝スリーブ１８２とシリンダ１８４の相対的な回転によってポンピング作用を得るためのポンプ室１８５（流体輸送室）を形成している。またシリンダ１８４には、ポンプ室１８５と連絡する吸入孔１８６が形成されている。
【００６６】
１８７はシリンダ１８４の下端部に装着された吐出プレート、１８８は吐出ノズルである。図６で説明した流体圧送手段であるねじ溝１８３は、スパイラルグルーブ動圧軸受として知られている公知のものであり、またねじ溝ポンプとしても利用されている。
【００６７】
上記ディスペンサ基本的な機能、すなわち超磁歪素子で駆動されるピストンが回転と同時に高速の直線運動ができる機能を利用して、連続塗布、間欠塗布の様々な塗布プロセスに本ディスペンサを適用することができる。実施例では、描画線の始終端を高品位で塗布するための「始終端制御」に用いたので、これについて補足説明する。すなわち、
▲１▼  塗布開始時には、ピストンを急速に降下させると同時にモータの回転を開始する。
【００６８】
▲２▼  塗布終了時には、ピストンを上昇させると同時にモータの回転を停止する。
【００６９】
実施例では、ピストンを超磁歪素子で駆動しているため、ピストンの入力信号に対する出力変位の応答性は、１０−３ｓｅｃ（１０００Ｈｅｒｚ）のオーダーであった。
【００７０】
図７は、超磁歪素子によって駆動されるピストンの変位曲線、図８はモータの回転数を、Ｎ＝０ｒｐｍからＮ＝２００ｒｐｍまで立ち上げたときに発生するねじ溝のポンピング圧力Ｐｐを示す。図９はピストンを上昇・下降させることによって発生する、吐出ノズルの上流側におけるスクーズ圧力Ｐｓの解析結果を示す。図１０は、上記ねじ溝のポンピング圧力Ｐｐとスクーズ圧力Ｐｓを合成した圧力Ｐｎ（＝Ｐｐ＋Ｐｓ）である。
【００７１】
表１に実施例のディスペンサの構成条件を示す。
【００７２】
【表１】
2004282953.tif 000003
【００７３】
（１）塗布開始時
塗布開始前の状態では、モータの回転は停止しており、ピストンはその対向面との間隙：Ｘｐ＝１６０μｍの状態にある。ｔ＝０．０２秒でピストンが間隙：Ｘｐ＝１６０→１５０μｍへ急降下を開始すると、吐出ノズルの上流側圧力：Ｐｎは急上昇する。その理由は、ピストン変位の微分ｄｈ／ｄｔ＜０のとき発生するスクイーズ作用によるものである。スクイーズ作用は、通常、粘性流体を用いた流体軸受の動圧効果の一種とされるが、本実施例では、ねじ溝ポンプの内部抵抗に依存して発生する第２次スクイーズ効果（既提案）と呼ばれる作用を利用している。この第２次スクイーズ圧力の発生により、吐出ノズル先端での表面張力に打ち勝つ運動エネルギが流体に与えられるために、ノズル先端に流体塊を作ることなく塗布を開始できる。
【００７４】
始点における塗布線をスムーズに描かせるためオーバーシュート圧力は、ピストンのストロークが大きい程、立ち上がり時間が短い程大きい。すなわち、吐出ノズル先端の流体の表面張力に打ち勝ちと共に、始点での塗布線の「太り」にならない範囲で、このオーバーシュート圧力の大きさを設定すればよい。
【００７５】
（２）定常走行時
０．０３＜ｔ＜０．０７秒の間は、ピストンはその対向面との間隙：Ｘｐ＝１５０μｍの状態を保ちながら、ねじ溝の回転によるポンピング圧力Ｐｐによる定量吐出により、連続線が塗布される。この区間ではスクイーズ圧力の発生はない。この理由は、スクイーズ圧力は隙間ｈが変化しているときのみ発生するからである。
【００７６】
（３）塗布終了時
ｔ＝０．０７秒で、モータの減速と同時に、ピストンが間隙：Ｘｐ＝１５０→１６０μｍへ上昇を開始すると、吐出ノズルの上流側圧力Ｐｎは、図１０で示すように、一時的に急降下する。圧力が急降下する理由は、ピストン上昇による単位時間当りの容積増加分がねじ溝ポンプが供給できる流量を越えるからである。大きなマイナス圧力となっているのは、解析の基礎式として用いたＲｅｙｎｏｌｄｓ方程式が流体の圧縮性を考慮していないからである。実際は気泡などの発生により流体圧力は絶対圧力ゼロ以下（Ｐｎ＜０．０ＭＰａ）にはならない。
【００７７】
この急峻な負圧発生によって、吐出ノズルからの流体が遮断されるだけでなく、ノズル先端の流体塊をノズル内部に若干量吸引させるサックバックの効果が得られる。スクイーズ圧力による負圧発生後は、モータの回転は停止しているため、ねじ溝のポンピング圧力による吐出はない。したがって、ノズルが非有効表示領域（Ｕターン区間）を通過している間、ノズル内部の流体のメニスカスは、ノズル先端で流体塊を作ることなく同一の位置を保ち続ける。そのため、前述した流体塊のボタ落ちなどのトラブルは回避できる。
【００７８】
なお、実施例ではピストンとその対向面の最小隙間は、Ｘｍｉｎ＝１５０μｍに設定した。実施例の蛍光体の粒径はφｄ＝７〜９μｍであり、Ｘｍｉｎ＞φｄであるため、吸入口から吐出口に至る通路で蛍光体の微粒子を機械的に圧搾・破損することはない。
【００７９】
本実施例では、塗布線の始点・終点をスムーズに描かせるためのオーバーシュート圧力とサックバック圧力を、ピストンの軸方向運動によって得ることができた。実施例では、ピストン変位曲線（図７に一例を示す）は任意の形状を設定することができる。またピストンを駆動する超磁歪素子は高い応答性をもつために、変位曲線が急峻な変化をしても十分に追従できる。すなわち、超磁歪素子の変位・速度制御により、モータの回転数制御ではできない微妙な始終端の吐出圧力と流量の制御ができる。
【００８０】
本実施例では、超磁歪素子の軸方向変位の制御と、モータの回転数制御を組み合わせることにより、連続塗布線の始終端の課題を解決すると共に、Ｕターン区間において、吐出ノズルから材料のリークが無い完全遮断状態を任意の時間保つことができた。Ｕターン区間を十分に短く設定できる場合は、モータの回転を維持したままで、ピストンのみの駆動により終点での流量遮断と始点での開放ができる。
【００８１】
また、外周側ピストンとこの外周側ピストンを収納する固定側の相対移動面にねじ溝を形成すれば、実施例同様に流体圧送手段にできる（図示せず）。
【００８２】
図１１は本発明の第３実施例の基本構造を基に構成されたディスペンサの外観図を示すものである。
【００８３】
２００は第１のアクチュエータ、２０１は第２のアクチュエータ、２０２はピストンの回転と直線運動を支持するスピンドル部、２０３はポンプ部である。２０４は磁界コイル、２０５は吐出ノズルである。
【００８４】
図１２は図１１のディスペンサを複数個重ねて配置したものである。２５０は塗布対象であるパネルである。図１２から分かるように、各ノズル間を十分に狭ピッチにして、多くのディスペンサを配置することができる。
【００８５】
さて、超磁歪アクチュエータ、或いは回転モータに用いる磁界コイルの出力は磁界コイルの容積に比例する。ディスプレイ等の塗布にディスペンサを用いた場合、アクチュエータの厚みＢ（図４参照）と比べて、描画線の走行方向の幅Ｄ（図３参照）の寸法上の制約は特に無い場合が多い。この点に着目して、従来の磁界コイルの半径をＲとしたとき、断面積：πＲ２＝Ｂ×Ｄとなるように、Ｂを十分に小さくした分だけＤを大きくすれば、同一性能を維持することができる。但しこの場合、従来の磁界コイルと本発明のアクチュエータは同一長さである。
【００８６】
図１３は、本発明の第４実施例を示すもので、第３実施例の外付け磁界コイル部分の長さＬ２を、超磁歪素子＋永久磁石の長さＬ１よりも長くすることにより、起磁力を高めて超磁歪アクチュエータの性能向上を図った場合を示す。
【００８７】
３００は第１のアクチュエータ、３０１は第２のアクチュエータ、３０２はピストンの回転と直線運動を支持するスピンドル部、３０３はポンプ部である。
【００８８】
第１のアクチュエータ３００の部分を除いて、他の部分は第３実施例と共通であるため、第１のアクチュエータ３００の部分だけを説明する。３０４は第１のアクチュエータ３００と第２のアクチュエータ３０１によって、直線及び回転駆動されるピストン（出力軸）、３０５はフロント側ベース台、３０６はリア側ベース台、３０７はアクチュエータのリア側でピストンと一体化した円筒形状のリア側ヨーク、３０８は超磁歪材料から構成される円筒形状の超磁歪ロッドである。
【００８９】
この超磁歪ロッド３０８はバイアス永久磁石（Ａ）３０９、（Ｂ）３１０に上下から挟まれた形で、リア側ヨーク３０７とフロント側回転スリーブ３１１間に保持されている。３１２はリア側回転スリーブ、３１３は超磁歪ロッド３０８に予圧を与えるためのバイアスバネである。３１４は超磁歪ロッド３０８の長手方向に磁界を与えるための磁界コイル、３１５は磁界コイルの磁束管としての鉄心である。鉄心３１５はボルト３１６ａ、３１６ｂにより、フロント側ベース台３０５とリア側ベース台３０６の間に固定されている。３１７及び３１８は、フロント側ベース台３０５とリア側ベース台３０６を固定するためのハウジングＡおよびハウジングＢである。
【００９０】
本実施例では、磁界コイル部分の長さＬ２を、超磁歪素子＋永久磁石の長さＬ１よりも長くすることにより、起磁力を高めて超磁歪アクチュエータの性能向上を図ることができた。その理由は、従来の超磁歪アクチュエータの磁界コイルの容積をＶ１＝πＲ２×Ｌ１として、本発明の電磁コイルの容積Ｖ２＝Ｂ×Ｄ×Ｌ２とすれば、Ｖ２＞Ｖ１にできるからである。
【００９１】
図１４、図１５は、本発明の第５実施例を示すもので、２自由度アクチュエータを用いてディィスペンサを構成するのではなく、ねじ溝軸とピストンを分離して構成した塗布装置を示す。
【００９２】
４００は超磁歪素子で構成される第１のアクチュエータ、４０１は第２のアクチュエータであるモータである、４０２はねじ溝ポンプ部、４０３はピストン部である。４０４は第１のアクチュエータ４００によって、直線駆動されるピストン、４０５はこのピストンのフロント側（出力側）端部、４０６はフロント側ベース台、４０７はピストン４０４のリア側端部、４０８はリア側ベース台、４０９はアクチュエータのリア側でピストンと一体化した円筒形状のリア側ヨーク、４１０は超磁歪材料から構成される円筒形状の超磁歪ロッドである。
【００９３】
この超磁歪ロッド４１０はバイアス永久磁石（Ａ）４１１、（Ｂ）４１２に上下から挟まれた形で、リア側ヨーク４０９とフロント側ベース台４０６の間に保持されている。４１３はリア側ハウジング、４１４は超磁歪ロッド４１０に予圧を与えるためのバイアスバネである。４１６は超磁歪ロッド４１０の長手方向に磁界を与えるための磁界コイル、４１７は磁界コイルの磁束管としての鉄心である。鉄心４１７はボルト４１８ａ、４１８ｂにより、フロント側ベース台４０６とリア側ベース台４０８の間に固定されている。４１９及び４２０は、フロント側ベース台４０６とリア側ベース台４０８を固定するためのハウジングＡおよびハウジングＢである。４２１はリア側ハウジング４１３に設けられ、ピストン４０４の端面位置を検出する変位センサである。
【００９４】
４２２はモータ、４２３はこのモータの回転軸、４２４は回転軸４２３の外表面に流体を吐出側に圧送するためのねじ溝が形成されたねじ溝軸、４２５はねじ溝軸４２４を収納するシリンダである。
【００９５】
このねじ溝軸４２４とシリンダ４２５の間で、ねじ溝軸４２４とシリンダ４２５の相対的な回転によってポンピング作用を得るためのポンプ室４２６（流体輸送室）を形成している。またシリンダ４２５には、ポンプ室４２６と連絡する吸入孔４２７が形成されている。
【００９６】
４２８は吐出側ベース台であり、この吐出側ベース台４２８とフロント側ベース台４０６の間に、ねじ溝ポンプのポンプ室４２６とピストン側ポンプ室（下記）間を繋ぐ流通路４２９ａが形成されている。４３０は吐出側ベース台４２８下端部に装着された吐出ノズル、４３１はピストン側ポンプ室である。
【００９７】
図１４で示すように本実施例の塗布装置は、第一のアクチュエータ４００と第２のアクチュエータ４０１を分離して配置し、それぞれのアクチュエータでピストン４０４とねじ軸４２４を駆動すると共に、それぞれのポンプ室４３１、４２６を流通路４２９ａにより連絡している。この構成により、第４実施例と同等の性能を持つディスペンサが実現できる。すなわち、高速始終端制御ができる連続塗布、超高速の間欠塗布等が実現できる。
【００９８】
また本実施例では、超磁歪アクチュエータ４００の厚みＢが十分に薄くできることを利用して、ねじ溝ポンプ４０２一台を共通のマスターポンプとして、複数個のピストンを超磁歪アクチュエータで駆動するマルチヘッド構成になっている。
【００９９】
図１５に破線で示す流通路４２９ａ〜４２９ｅは、ねじ溝ポンプのポンプ室４２６と各ピストン側ポンプ室を繋ぐ流通路である。
【０１００】
なお、例えば図１４に示す上下端部のバイアス永久磁石４１１，４１２の配置方法は、多くの自由度があるために、本実施例の構成にこだわるものではない。例えば、従来例である図１７のように、超磁歪ロッドの外周部に円筒形状の軸方向に磁化された磁石を配置する構成でもよい。或いは、超磁歪ロッドとヨーク材で構成される閉ループの磁気回路と並列に、超磁歪ロッドに外部から磁界を与える構成でもよい。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明を用いたアクチュエータにより、電磁歪素子の小型、高精度、高発生荷重、高速レスポンス、等の特徴を活かした上で、極めてシンプルな構成で多自由度の複合動作を持つ機構ユニットが実現できる。
【０１０２】
本発明のアクチュエータを例えば表面実装のディスペンサ、ディスプレイ面の蛍光体塗布、チップ装着機、振動加工スピンドル等に用いれば、その長所をいかんなく発揮でき、効果は絶大なものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例によるアクチュエータを示す正面断面図
【図２】上記側面図
【図３】本発明の第２の実施例によるアクチュエータを示す正面断面図
【図４】上記側面図
【図５】本発明の第３の実施例によるディスペンサを示す正面断面図
【図６】第３の実施例のポンプ部の詳細図を示す図
【図７】超磁歪素子によって駆動されるピストンの変位曲線を示すグラフ
【図８】ねじ溝のポンピング圧力Ｐｐを示すグラフ
【図９】スクーズ圧力Ｐｓの解析結果を示すグラフ
【図１０】ねじ溝のポンピング圧力Ｐｐとスクーズ圧力Ｐｓを合成した圧力Ｐｎを示すグラフ
【図１１】本発明の第３実施例のディスペンサの外観図
【図１２】図１１のディスペンサを複数個重ねて配置した場合の外観図
【図１３】本発明の第４の実施例の正面断面図
【図１４】本発明の第５の実施例の正面断面図
【図１５】上記上面図
【図１６】既提案のディスペンサの正面断面図
【図１７】従来の超磁歪アクチュエータを示す正面断面図
【符号の説明】
１  出力軸
７  超磁歪素子
３，１７  ハウジング
１１，１２  電磁コイル
【図１】
2004282953.tif 000004
【図２】
2004282953.tif 000005
【図３】
2004282953.tif 000006
【図４】
2004282953.tif 000007
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004282953.tif 000010
【図８】
2004282953.tif 000011
【図９】
2004282953.tif 000012
【図１０】
2004282953.tif 000013
【図１１】
2004282953.tif 000014
【図１２】
2004282953.tif 000015
【図１３】
2004282953.tif 000016
【図１４】
2004282953.tif 000017
【図１５】
2004282953.tif 000018
【図１６】
2004282953.tif 000019
【図１７】
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