(57)【要約】【課題】気体を用いる移動機構において、高速応答性を改善できる微小移動機構を提供することである。【解決手段】微小移動機構１０は、矢印で示す移動方向に移動可能な可動子１２と、可動子１２を移動方向に案内する案内部１４と、案内部１４の底面部材１６に設けられ、底面部材１６の上面において案内部１４と可動子１２とが向かい合う隙間に気体を供給する気体供給路１８と、気体供給路１８に供給される気体圧を制御して可動子１２を矢印の方向に所定の微小移動を行わせる制御部２０とを含む。制御部２０により気体圧が調整された気体は、気体供給路１８の入口に導かれ、絞り部２６を通り、気体受壁２４に設けられる開口から、可動子１２の気体受面２２へ向かって噴き出される。そして、可動子１２は気体受壁２４から浮上し、隙間を形成する。この隙間量は、供給気体圧によって制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外形の一部に気体受面を有し、出力に用いられる可動子と、
可動子を案内し、気体受面に向かい合う気体受壁を有する案内部と、
気体受面又は気体受壁に開口し、気体受面と気体受壁との間の隙間に気体を供給する気体供給路と、
気体受壁に向かって気体を圧縮しつつ可動子を押し付ける押付力発生部と、
気体供給路に供給する気体圧を制御し、押付力と釣り合わせつつ気体受面と気体受壁との間の隙間量を調整して可動子を微小移動させる制御部と、
を備えることを特徴とする微小移動機構。
【請求項２】
請求項１に記載の微小移動機構において、
可動子は、微小移動の軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有し、
案内部は、可動子の各気体受面にそれぞれ対応する気体受壁を有し、
気体供給路は、可動子と案内部との間に形成される各隙間にそれぞれ気体を供給し、一方の隙間において発生する力を他方の隙間に向かう押付力とする複数の気体供給路であり、
制御部は、各気体供給路に供給する気体圧をそれぞれ制御して可動子を微小移動させることを特徴とする微小移動機構。
【請求項３】
請求項２に記載の微小移動機構において、
微小移動の軸方向は、互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向とを有し、
可動子は、Ｘ軸方向の両端部と、Ｙ軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有することを特徴とする微小移動機構。
【請求項４】
請求項３に記載の微小移動機構において、さらに、
微小移動の軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直行するＺ軸方向を有し、
可動子は、Ｚ軸方向の一端部に気体受面を有することを特徴とする微小移動機構。
【請求項５】
ベースと可動ステージとの間に６つの微小移動アクチュエアータを所定の位置関係で接続し、各微小移動アクチュエータをそれぞれ制御して駆動することで可動ステージをベースに対し６自由度の運動を行わせる微小移動機構であって、
各微小移動アクチュエータは、
外形の一部に気体受面を有し、出力に用いられる可動子と、
可動子を案内し、気体受面に向かい合う気体受壁を有する案内部と、
気体受面又は気体受壁に開口し、気体受面と気体受壁との間の隙間に気体を供給する気体供給路と、
気体受壁に向かって気体を圧縮しつつ可動子を押し付ける押付力発生部と、
気体供給路に供給する気体圧を制御し、押付力と釣り合わせつつ気体受面と気体受壁との間の隙間量を調整して可動子を微小移動させる制御部と、
を備えることを特徴とする微小移動機構。
【請求項６】
複数の可動子を微小移動の軸方向に直列に配列する微小移動機構であって、
外形の一部に気体受面を有し、出力に用いられる可動子と、
微小移動の軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有する中間可動子と、
中間可動子の一方の気体受面に向かい合う気体受壁を有し、中間可動子の他方の気体受面に出力用の可動子の気体受面が向かい合うように、中間可動子及び出力用の可動子を直列に配置して案内する案内部と、
気体受面又は気体受壁に開口し、案内部と中間可動子との間の隙間及び中間可動子と出力用の可動子との間の隙間に、それぞれ気体を供給する複数の気体供給路と、
各隙間の気体を圧縮しつつ、案内部の気体受壁に向かって出力用の可動子及び中間可動子を押し付ける押付力発生部と、
各気体供給路に供給する気体圧をそれぞれ制御し、押付力と釣り合わせつつ各隙間の隙間量を調整して出力用の可動子を微小移動させる制御部と、
を備えることを特徴とする微小移動機構。
【請求項７】
請求項１又は請求項５又は請求項６のいずれか１に記載の微小移動機構において、
微小移動機構が設置される設置部又は出力に用いられる可動子に設けられ、設置部と出力に用いられる可動子との間の相対的な振動を検出する振動センサと、
可動子の変位を検出する変位センサと、
を備え、
制御部は、さらに、
振動センサから検出された振動状態を示す信号を受け取り、この振動を打ち消す除振制御手段と、
変位センサから検出された変位状態を示す信号を受け取り、予め入力される可動子の目標位置との差を打ち消す位置制御手段と、
を含むことを特徴とする微小移動機構。
【請求項８】
請求項１又は請求項５に記載の微小移動機構において、
気体供給路は、くぼみ状のポケット開口と、ポケット開口の上流側に設けられる絞り部を有することを特徴とする微小移動機構。
【請求項９】
請求項８に記載の微小移動機構において、
絞り部は、気体の流れ方向に沿い所定の間隔を有する平行隙間を含み、平行隙間の整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成する平行隙間絞りであることを特徴とする微小移動機構。
【請求項１０】
請求項８に記載の微小移動機構において、
絞り部は、多孔質材料を含み、多孔質の微小孔の整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成する多孔質材絞りであることを特徴とする微小移動機構。
【請求項１１】
請求項１又は請求項５に記載の微小移動機構において、
絞り部は、自成絞り又は表面絞り又はスリット絞り又は複合絞りの中のいずれか１つの絞りであることを特徴とする微小移動機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動機構に係り、特にμｍオーダーの移動量を有する微小移動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体圧を用いるアクチュエータとしては、ピストンとシリンダーの機構で代表されるようなものがよく知られている。流体圧アクチュエータは、特許文献１に示されるように、流体圧サーボ機構を用い、流体圧を制御することで移動体を駆動することができる。特に、空気等の気体を用いる気体圧アクチュエータは、油圧を用いるものに比べてコンタミネーションの問題が少なく、扱いやすい位置決め装置として期待されている。ところで、一般的に用いられる気体圧アクチュエータは、応答性があまり良くない。それは、気体圧アクチュエータのバネ定数が、気体室の体積が大きいほど小さくなり、また使用気体の圧縮率が大きいほど小さくなる傾向にあるが、シリンダーにおける空気室の体積を小さくするには限度があるためである。
【０００３】
そこで、気体圧アクチュエータの応答性を改善するため、駆動部にバネ定数の高い部材を導入することが考えられている。例えば、特許文献２には空気圧により伸縮するベローズを用いて可動枠の移動を行うことが開示されているが、このベローズを金属製とすることができる。金属ベローズのバネ定数は、金属ベローズの形状及び用いられる金属の弾性定数で定まるので、上記の気体室の体積や圧縮率で定まる一般的な気体圧アクチュエータのバネ定数より大きな値とできる。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５７−５１００２号公報
【特許文献２】特開平８−１１０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、位置決め装置において、その精度、分解能の向上の要求が著しい。例えば、半導体装置の露光装置では、半導体デバイスの最小線幅が１００ｎｍを切る。したがって、半導体デバイスの寸法精度の要求は１０ｎｍ以下となり、そのための位置決めアクチュエータの位置決め精度は１ｎｍ以下、つまりサブｎｍのものが要望される。また、その高速性も同様に要求される。
【０００６】
気体アクチュエータを用いる移動機構は、他の機構に較べ、上記のようにコンタミネーションが少ないほか、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。しかし、上記のように気体の性質から来る特性のため、要望される高精度、高速応答を達成するには高度かつ複雑な制御を用いても困難なことが多い。
【０００７】
また、金属ベローズ等を用いてバネ定数を向上させる試みも、そのバネ定数は金属材料の特性で定まるので、余り高い値が望めない。また、テーブルに直接取り付ける形態のときには、例えばＸＹテーブルのように２次元移動を行う場合の構造が複雑となる。
【０００８】
本発明の目的は、気体を用いる移動機構において、高速応答性を改善できる微小移動機構を提供することである。本発明の他の目的は、気体を用いる移動機構において、制御性を改善できる微小移動機構を提供することである。また、除振装置における気体を用いる移動機構において、除振性能を改善できる微小移動機構を提供することである。以下の請求項に係る発明は、これらの目的の少なくとも１つに貢献するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、気体軸受機構のバネ定数が高いことに着目し、気体軸受の隙間をそこに供給する気体圧の制御により変化させ、この隙間の変化を対象物の微小移動に用い、応答性の良い微小移動機構を実現しようというものである。ここで気体軸受機構とは、一般的にステージ等の載荷をベースに対し、適当な気体圧で浮上させて支える軸受機構である。気体軸受機構は、流体の一般的性質により、載荷の変動によりその隙間が狭くなろうとするときに、それに抗する作用を有する。例えば、気体軸受の隙間を約１０μｍとして、これを１μｍ変化させるにはおよそ１０Ｎの力を要する。すなわち、バネ定数＝力／変位は、およそ１０５Ｎ／ｃｍとなり、一般的なピストン・シリンダ型の気体圧アクチュエータに比べ、格段に大きな値となる。また、気体軸受の隙間と供給気体圧との関係は、単純な構造のため、圧縮性気体の流れの理論に乗ることが予想され、その場合には、制御圧力と微小移動の関係の再現性が良く、複雑な制御を要しない。このような気体軸受機構の気体圧制御により、およそ数１０μｍ程度の範囲で、ｎｍオーダーの精度により微小移動を行わせることが可能である。これらは、移動量の計測をフィードバックしなくても実現可能であるが、さらに移動量を計測してフィードバック制御することで、より高精度の微小移動をさせることも可能となる。
【００１０】
本発明に係る微小移動機構は、外形の一部に気体受面を有し、出力に用いられる可動子と、可動子を案内し、気体受面に向かい合う気体受壁を有する案内部と、気体受面又は気体受壁に開口し、気体受面と気体受壁との間の隙間に気体を供給する気体供給路と、気体受壁に向かって気体を圧縮しつつ可動子を押し付ける押付力発生部と、気体供給路に供給する気体圧を制御し、押付力と釣り合わせつつ気体受面と気体受壁との間の隙間量を調整して可動子を微小移動させる制御部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、可動子の気体受面と案内部の気体受壁との間で気体軸受を形成し、その隙間に供給する気体圧を制御する。したがって、可動子の微小移動に関するバネ定数は、一般的な気体圧アクチュエータに比べ格段に高い値となり、高速応答性が改善される。
【００１２】
また、本発明に係る微小移動機構において、可動子は、微小移動の軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有し、案内部は、可動子の各気体受面にそれぞれ対応する気体受壁を有し、気体供給路は、可動子と案内部との間に形成される各隙間にそれぞれ気体を供給し、一方の隙間において発生する力を他方の隙間に向かう押付力とする複数の気体供給路であり、制御部は、各気体供給路に供給する気体圧をそれぞれ制御して可動子を微小移動させることが好ましい。上記構成により、押付力発生部を特に要せず、構成が簡単となる。
【００１３】
また、本発明に係る微小移動機構において、微小移動の軸方向は、互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向とを有し、可動子は、Ｘ軸方向の両端部と、Ｙ軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有することが好ましい。上記構成により、いわゆるＸＹ移動機構を構成することができる。
【００１４】
また、本発明に係る微小移動機構において、さらに、微小移動の軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直行するＺ軸方向を有し、可動子は、Ｚ軸方向の一端部に気体受面を有することが好ましい。上記構成により、いわゆるＸＹＺ移動機構を構成することができる。
【００１５】
また、本発明に係る微小移動機構は、ベースと可動ステージとの間に６つの微小移動アクチュエアータを所定の位置関係で接続し、各微小移動アクチュエータをそれぞれ制御して駆動することで可動ステージをベースに対し６自由度の運動を行わせる微小移動機構であって、各微小移動アクチュエータは、外形の一部に気体受面を有し、出力に用いられる可動子と、可動子を案内し、気体受面に向かい合う気体受壁を有する案内部と、気体受面又は気体受壁に開口し、気体受面と気体受壁との間の隙間に気体を供給する気体供給路と、気体受壁に向かって気体を圧縮しつつ可動子を押し付ける押付力発生部と、気体供給路に供給する気体圧を制御し、押付力と釣り合わせつつ気体受面と気体受壁との間の隙間量を調整して可動子を微小移動させる制御部と、を備えることを特徴とする。上記構成により、いわゆる６自由度パラレルリンク機構を構成することができる。
【００１６】
また、本発明に係る微小移動機構は、複数の可動子を微小移動の軸方向に直列に配列する微小移動機構であって、外形の一部に気体受面を有し、出力に用いられる可動子と、微小移動の軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有する中間可動子と、中間可動子の一方の気体受面に向かい合う気体受壁を有し、中間可動子の他方の気体受面に出力用の可動子の気体受面が向かい合うように、中間可動子及び出力用の可動子を直列に配置して案内する案内部と、気体受面又は気体受壁に開口し、案内部と中間可動子との間の隙間及び中間可動子と出力用の可動子との間の隙間に、それぞれ気体を供給する複数の気体供給路と、各隙間の気体を圧縮しつつ、案内部の気体受壁に向かって出力用の可動子及び中間可動子を押し付ける押付力発生部と、各気体供給路に供給する気体圧をそれぞれ制御し、押付力と釣り合わせつつ各隙間の隙間量を調整して出力用の可動子を微小移動させる制御部と、を備えることを特徴とする。ここで、中間可動子の数は複数であってもよい。このように、案内部の気体受壁から出力可動子との間に中間可動子を配置し、これらも気体軸受機構により微小移動するものとすることで、最終的な出力可動子の案内部に対する微小移動の範囲を広げることができる。
【００１７】
また、本発明に係る微小移動機構において、微小移動機構が設置される設置部又は出力に用いられる可動子に設けられ、設置部と出力に用いられる可動子との間の相対的な振動を検出する振動センサと、可動子の変位を検出する変位センサと、を備え、制御部は、さらに、振動センサから検出された振動状態を示す信号を受け取り、この振動を打ち消す除振制御手段と、変位センサから検出された変位状態を示す信号を受け取り、予め入力される可動子の目標位置との差を打ち消す位置制御手段と、を含むことを特徴とする。上記構成により、可動部に与える外部振動の影響を抑制できる。かかる微小移動機構をステージに設けることで、微小移動ステージを構成できるほか、ステージ自体を除振ステージとすることができる。
【００１８】
また、気体供給路は、くぼみ状のポケット開口と、ポケット開口の上流側に設けられる絞り部を有することが好ましい。気体軸受への気体圧供給路の途中に絞り部を設けることで、気体回路を構成する流体抵抗を増加させ、安定した気体圧の供給を図ることができる。
【００１９】
また、絞り部は、気体の流れ方向に沿い所定の間隔を有する平行隙間を含み、平行隙間の整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成する平行隙間絞りであることが好ましい。また、絞り部は、多孔質材料を含み、多孔質の微小孔の整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成する多孔質材絞りであることが好ましい。
【００２０】
上記構成により、平行隙間や微小孔の整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成するので、例えば絞りの代表的なオリフィス絞り等により気体を絞る場合に生ずる、乱流や渦流等を抑制し、特に、高圧かつ高速の気体を扱うときにオリフィスのエッジ等から生ずる衝撃波を抑制する。したがって、気体圧制御において、このようなノイズの影響を少なくでき、微小移動機構の制御性の向上を図ることができる。
【００２１】
また、絞り部は、自成絞り又は表面絞り又はスリット絞り又は複合絞りの中のいずれか１つの絞りであることが好ましい。より簡単な構成の絞り部により、微小移動機構の制御性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように、本発明に係る微小移動機構によれば、気体を用いる移動機構において高速応答性を改善することができる。また、本発明に係る微小移動機構によれば、気体を用いる移動機構において、制御性を改善できる。また、本発明に係る微小移動機構を用いることで、除振装置の除振性能を改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【実施例１】
【００２４】
図１は、微小移動機構１０の構成を示す図である。微小移動機構１０は、図１の矢印で示す移動方向に移動可能な可動子１２と、可動子１２を移動方向に案内する案内部１４と、案内部１４の底面部材１６に設けられ、底面部材１６の上面において案内部１４と可動子１２とが向かい合う隙間に気体を供給する気体供給路１８と、気体供給路１８に供給される気体圧を制御して可動子１２を矢印の方向に所定の微小移動を行わせる制御部２０とを含む。
【００２５】
可動子１２は、例えば移動テーブル等の移動対象物に接続されて移動対象物を微小移動させるためのアクチュエータ可動子としての機能を有する部材である。例えば、円柱形状の金属部材又はセラミック部材を用いることができる。可動子１２の底面は、気体供給路１８からの気体を受ける気体受面２２である。気体受面２２は、平坦に加工されることが望ましい。図１の例では、矢印で示す移動方向を重力方向とするので、可動子１２は案内部１４の底面部材１６に向かって自重で押し付けられる形になっている。
【００２６】
案内部１４は、可動子１２を移動方向に沿って移動自在に支持する部材で、可動子１２の外形より若干大きめの案内穴を有する部材である。かかる案内部１４は、金属製又はセラミック製の筒に底面部材１６をはめ込んで得ることができる。もちろん一体成形で製作することもできる。
【００２７】
案内部１４の底面部材１６は、その上面、すなわち案内部１４の筒状案内の内部に向かう面は、可動子１２の気体受面２２に向かい合う気体受壁２４である。気体受壁２４は平坦に加工されることが好ましい。底面部材１６が案内部１４を構成する組立部材であるとして、その組立の際には、可動子１２が案内部１４の筒状案内に案内されて下方にあるときに、その気体受面２２と気体受壁２４とがほぼ平行となるように案内部１４の筒状案内部材に位置決めされて固定される。
【００２８】
案内部１４の内壁には、ちょうど底面部材１６がはめ込まれた上面の位置に対応して、リング状の溝が設けられ、その一部は外部に導通して排気口２８となる。排気口２８は、気体供給路１８から供給され、気体受面２２と気体受壁２４との隙間を通ってくる気体を外部に排出する機能を有するものである。
【００２９】
気体供給路１８は、図示されていない気体源からの気体を、気体受面２２と気体受壁２４との隙間に供給するための気体通路である。供給される気体の圧力等は制御部２０の制御の下に置かれる。気体供給路１８は、底面部材１６の底面側、すなわち案内部１４の外側底面に入口を有し、底面部材１６を気体受壁２４側に向かって貫通し、気体受壁２４で開口する。開口の手前の上流側には絞り部２６が設けられる。絞り部２６の詳細については後述する。
【００３０】
制御部２０は、図示されていない気体源からの気体の圧力を調整して気体供給路１８に供給する機能を有するものである。具体的には、可動子１２の所望の微小移動量に対応する気体圧を気体供給路１８に供給する。可動子１２の気体受面２２と案内部１４の気体受壁２４との間に気体が供給されれば、供給された気体は、その圧力に応じて、可動子１２の自重である押し付け力に抗して可動子１２を浮上させようとする。そのときの供給気体圧と浮上量すなわち隙間の関係は、実験の結果、圧縮性気体の流れ理論からの計算値とほぼ一致する。例えば、押し付け圧力を０．４Ｍｐａとして、供給気体圧を０．２５−０．６０ＭＰａに変化させると、隙間は、１０−２０μｍに線形的に変化する。供給気体圧の変化が小さければ、（隙間変化量／気体圧変化量）はほぼ一定値になる。この例では、例えば、（１０μｍ／０．３５Ｍｐａ）あるいは、（１０ｎｍ／０．３５ｋｐａ）を用いることができる。
【００３１】
制御部２０は、指令値３０と、減算器３２と、減算器３２の出力を信号増幅するプリアンプ３４と、プリアンプ３４の出力を駆動電流のレベルに増幅する電流増幅器３６と、電流増幅器３６の出力に応じて図示されていない気体源からの気体の圧力を調整する気体圧弁３８と、気体供給路１８の実際の気体圧を検出し、減算器３２へ戻す圧力センサ４０とを含んで構成される。気体圧弁３８は、一般的な電子制御のサーボ弁等を用いることができる。圧力センサ４０は、電気信号を出力できる一般的な圧力検出素子や、電子圧力計等を用いることができる。また、圧力センサを用いないこともできる。例えば、サーボ弁に、電気信号に比例した圧力を出力できる精密圧力制御弁等を用いることで圧力センサを省略できる。
【００３２】
かかる構成の作用を説明する。最初は、初期定常状態、すなわち標準的な浮上量になるように指令値３０が設定される。例えば、可動子１２の自重に相当する押し付け圧力を０．１Ｍｐａとして、標準隙間を１５μｍ、そのときの制御気体圧を０．４ＭＰａとすると、指令値３０は、Ｐ＝０．４ＭＰａに対応する値が出力される。指令値３０はアナログ指令値でもディジタル指令値でもよい。指令値３０は、プリアンプ３４、電流増幅器３６を経て気体圧弁３８を駆動できる電流に換算、増幅され、気体圧弁３８はそれに応じて動作し、図示されていない気体源からの気体の圧力を調整し、所定の０．４ＭＰａにして出力する。
【００３３】
出力された０．４ＭＰａは、気体供給路１８の入口に導かれ、絞り部２６を通り、気体受壁２４に設けられる開口から、可動子１２の気体受面２２へ向かって噴き出される。そして、可動子１２は気体受壁２４から浮上する。その浮上隙間は、設定により１５μｍである。この浮上により隙間を形成して可動子１２を案内部１４に対して支持する作用は、いわゆる気体軸受機構として知られるものである。
【００３４】
供給された気体は、その浮上隙間を維持しつつ、その隙間を通って、筒状案内の内側のリング状溝を通り、排気口２８から外部に排出される。排出される気体は、図示されていない気体源に再び戻すこともできる。気体供給路１８に供給される気体圧は圧力センサ４０により減算器３２に戻され、外乱等でその気体圧が変動すると、それに応じ誤差をゼロにするようにフィードバックされる。
【００３５】
つぎに、可動子１２を上方に２μｍ移動させる指示が出されるときの様子を説明する。このとき、上記の（隙間変化量／気体圧変化量）＝（１０μｍ／０．３５Ｍｐａ）を用いると、２μｍに対応する０．０７Ｍｐａを元の０．４ＭＰａに加えた０．４７ＭＰａが指令値３０となる。上記のプロセスと同様にして、気体圧弁３８は、その指令に対応して図示されていない気体源の気体の圧力を調整し、０．４７ＭＰａの気体圧を出力する。この気体圧が気体供給路１８に供給され、絞り部２６を経て気体受面２２と気体受壁２４との間の隙間に噴き出す。そのときの浮上隙間量は、設定により先ほどの１５μｍから＋２μｍの１７μｍである。このようにして、可動子１２は、図１の矢印方向に、案内部１４に案内され、＋２μｍ上方に微小移動する。
【００３６】
すなわち、可動子１２と案内部１４との間に形成される気体軸受において、供給される気体圧を制御することで、可動子１２を案内部１４に対し微小移動させることができる。そして、その制御は、気体圧の制御で足り、位置制御や速度制御等の複雑な制御を要せず、μｍオーダーの微小移動を実現できる。また、気体軸受のバネ定数は上記のように高いので、高速応答が可能である。
【００３７】
ここで絞り部２６について説明する。絞り部２６は、気体軸受への気体圧供給路の途中に設けられる流体抵抗を増加させる機能を有する素子又は構造である。図２は、具体的な絞り部の構成の例で、ここではポケット開口４８の中に設けられる平行隙間絞り５０が示される。平行隙間絞り５０は、ドーナツ状に中央穴を有する円環板５２と、円環板５２と外形が同じの円板５４とが狭い平行隙間で配置され、その平行隙間の間を気体が流れる間に整流され、その流れが乱れなく形成されるものである。平行隙間は、例えば、気体供給路１８に供給される気体圧を０．５Ｍｐａとし、その流速を３０ｍ／ｓｅｃとして、これを絞りにより流速３００ｍ／ｓｅｃの流れとするときの場合で、数１０μｍが好ましい。そのときの円環板５２と円板５４との間の平行隙間の長さは、数１０μｍに対し、十分長いことが望ましい。例えば５−１０ｍｍ程度とすることができる。
【００３８】
このように平行隙間絞りの整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成することで、例えば絞りとして一般的に用いられる後述のオリフィス絞り等により気体を絞る場合に生ずる、乱流や渦流等を抑制できる。特に、高圧かつ高速の気体を扱うときにオリフィスのエッジ等から生ずる衝撃波を抑制することもできる。したがって、気体圧制御において、このようなノイズの影響を少なくでき、微小移動機構の制御性の向上を図ることができる。
【００３９】
図３は、絞り部の例として、多孔質材料５６をポケット開口４８の中に配置するものを示す図である。この場合も、多孔質の微小孔の整流作用により絞り部に流れる気体を乱れなく形成することができる。
【００４０】
図４は、その他の絞り部の例を示す図で、（ａ）はごく一般的なオリフィス絞り５８である。（ｂ）は、気体供給路１８を細く絞るとともに、気体受壁２４にごく浅い溝を開口から外周側に向かって放射状に設ける複合絞り６０である。ごく浅い溝の深さは、気体受壁２４と気体受面２２との隙間より少なめが好ましく、例えば７−２０μｍとすることができる。（ｃ）は、単純に細い開口を設ける自成絞り６２である。（ｄ）は、細いスロットを用いるスロット絞り６４である。（ｅ）は、複合絞り６０において気体供給路１８を細く絞らず、単純に気体受壁２４にごく浅い溝を開口から外周側に向かって放射状に設ける表面絞り６６である。
【００４１】
これらの絞り部は、製作の容易性、整流性、絞り特性等がそれぞれ特徴がある。したがって、微小移動機構１０に要求される応答性、耐ノイズ性、気体条件等を考慮し、コストと性能の兼ね合いで最も適する構成を選択することが好ましい。
【００４２】
上記構成において、案内部１４は、筒状の穴に可動子１２を案内し、微小移動方向に移動自在に支持するものとしたが、案内部１４の内壁と可動子１２の側壁との間に気体軸受を設けてもよい。図５はそのような構成の例で、図１の構成に加え、径方向の気体軸受のための軸受給気口７０と、その供給された気体を排出する排気口７２が設けられる。
【００４３】
また、さらに、案内部１４の開口側、すなわち可動子１２の移動する出口側に真空口７４を設けてもよい。真空口７４は、気体供給路１８や軸受給気口７０から供給される気体が、排気口２８，７２から回収されずに、案内部１４の内壁と可動子１２の外周との間の隙間を通って外部に漏れることを防ぐ機能を有する。真空口７４を設けることで、微小移動機構１０を、真空雰囲気の中でも使用可能とすることができる。
【００４４】
上記構成において、気体受面２２と気体受壁２４との間の押し付け力は、可動子１２の自重によるものとしたが、これとは別に適当な圧力を可動子１２に加え、押付力を発生するものとしてもよい。図６はそのような構成の例を示す図で、可動子１２を段つき構造とし、その段差の部分に一定圧力の加圧気体を供給するための加圧口７６が設けられる。また、加圧口７６から供給される気体を排出するための排気口７８が設けられる。図６では、図５と同様に径方向の気体軸受のための軸受給気口７０と、その供給された気体を排出する排気口７２が設けられ、真空口８０は、まとめて１ケ所に設けられる。このように、押し付け力を可動子１２の自重と独立して発生させるようにすることで、微小移動機構を単独に横置きにして用いることが可能となる。
【００４５】
また、気体供給路１８から供給される気体は、案内部１４の内壁に設けられたリング状の溝を通り排気口２８から排出されるものとしたが、底面部材１６側から排出することもできる。図７はそのような構成の例を示すもので、（ａ）は底面部材１６の上面図、（ｂ）は、底面部材１６と可動子１２との関係を示す側面断面図である。底面部材１６には、リング状に排気用溝８２が設けられ、気体供給路１８から供給される気体は、この排気用溝８２で集められ、排気口８４を通って外部に排出される。また、排気用溝８２の外側にリング状の真空引き用溝８６を設け、真空口８８を用いて、排気口８４から排気しきれない気体を回収するものとしてもよい。
【実施例２】
【００４６】
微小移動機構の可動子と案内部の部分を１つのセットとし、これを２セット用い、お互いに向かい合わせて用いることで、押付力発生機構を省略でき、全体を無反動化に近い構成とすることができる。図８は、図５で説明した構成の可動子１２と案内部１４を２セット用いる微小移動機構１００の構成を示す図である。図１以下の図面における要素と同様のものには同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。この微小移動機構１００は、ベース１０２上に、図５と同様な可動子１２と案内部１４を１つのセットとし、これらを相互に向かい合うように直線上に配置し、２つの可動子１２の間にスライダ１０４をはさみ込むように配置して構成される。スライダ１０４には、ベース１０２との間を軸受支持する支持部材１０６が設けられる。それぞれの底面部材１６の気体供給路１８には、それぞれ別の制御部２０から制御された気体圧が供給される。
【００４７】
上記構成において、例えば左側のセットの気体供給路１８に供給される気体圧が、右側のセットの気体供給路１８に供給される気体圧より大きければ、スライダ１０４は図８に示す矢印方向の右向きの方向に変位する。その変位の大きさは、左側のセットの気体供給路１８に供給される気体圧に対応する隙間量と、右側のセットの気体供給路１８に供給される気体圧に対応する隙間量との差になる。
【００４８】
この構成においては、変位量が差分となるので、図１に示す微小移動機構１０に比べ、より細かい微小移動を行うことができる。同様に、それぞれの可動子１２からスライダ１０４が受ける力が差し引かれ、全体として小さな力で移動が行われ、無反動化に近い動作とできる。また、スライダ１０４の両側にそれぞれ可動子１２が配置されるので、一方の可動子１２により発生する力が、他方の可動子をその案内部のほうへ押し付けるように働く。したがって、微小移動機構を横置きにして重力による押付力を用いていないにもかかわらず、特別な押し付け力発生機構を要しない。
【００４９】
図９は、図８における可動子を省略し、底面部材１６の気体受壁２４を直接スライダ１０４の受面１０８に向かい合わせる構成の例を示す図である。この構成では、気体受壁２４と受面１０８との間で気体軸受機構が形成され、その間の隙間を気体供給路１８に供給される気体圧により制御し、スライダ１０４を微小移動させることができる。  
【実施例３】
【００５０】
可動子の気体受面と案内部の気体受壁とで形成される気体軸受隙間調整機構を１組として、これらをＸ軸方向、Ｙ軸方向のそれぞれの方向で動作するように配置することでＸＹ微小移動機構を構成することができる。これにさらにＺ軸方向で動作する組を加えることで、ＸＹＺ微小移動機構を構成することもできる。
【００５１】
図１０、図１１は、制御部を除いたＸＹＺ微小移動機構１２０の構成を示す図で、図１０は平面図、図１１は図１０のＡＡ線における断面図である。ＸＹ微小移動機構１２０は、矩形形状のステージ１２２と、ステージ１２２をＸＹＺ方向に移動自在に支持する筐体１２４を含んで構成される。ステージ１２２と筐体１２４との間には、図１０、図１１に示すＸ軸方向の微小移動のための気体軸受隙間調整機構１２６が４組、Ｙ軸方向の微小移動のための気体軸受隙間調整機構１２８が４組、Ｚ軸方向の微小移動のための気体軸受隙間調整機構１３０が４組配置される。それぞれの気体軸受隙間調整機構は、筐体１２４側に気体供給路１８が設けられ、ステージ１２２側に向かって、隙間を形成するための気体が噴き出る。その隙間調整の仕組みについては図１に関連して説明したと同様であるので省略する。
【００５２】
図１０、図１１の構成によって、合計１２の気体供給路１８に供給される気体圧をそれぞれ調整することで、ステージ１２２は、筐体１２４の案内の範囲で、任意のＸＹＺの位置を取ることができる。その動作は、Ｘ軸方向の動作、Ｙ軸方向の動作、Ｚ軸方向の動作に分解することで容易に理解できる。例えばＸ軸方向の動作については、４組の気体軸受隙間調整機構１２６の動作のみを考えればよい。さらに単純にするには、この４組を左半分の２組と右半分の２組に分け、左半分の２組は共に同じ動作をし、右半分の２組は共に同じ動作をする場合を考えればよい。この場合の動作は、Ｘ軸方向に互いに向かい合う底面部材があってその間にスライダが配置される図９の構成の動作と同じとなり、Ｘ軸方向の微小移動が制御できる。同様に、４組の気体軸受隙間調整機構１２８について上半分の２組と下半分の２組をそれぞれ同じ動作をするものとしてＹ軸方向の微小移動が制御でき、４組の気体軸受隙間調整機構１３０について全部が同じ動作をするものとしてＺ軸方向の微小移動が制御できる。このように、ＸＹＺ移動機構を構成できる。
【００５３】
さらに、４組の気体軸受隙間調整機構１２６のうち、右上のものと左下のものとを組にし、右下のものと左上のものとを別の組にし、それぞれの組の移動量を異ならせることで、Ｚ軸周りにステージ１２２を回転させることができる。４組の気体軸受隙間調整機構１２８を用いてもよい。同様にして、４組の気体軸受隙間調整機構１３０のうち、上半分の２組と下半分の２組との移動量を異ならせて、Ｘ軸周りのステージ１２２を回転させることができ、４組の気体軸受隙間調整機構１３０のうち、右半分の２組と左半分の２組との移動量を異ならせて、Ｙ軸周りのステージ１２２を回転させることができる。このようにして、ステージ１２２を６自由度のもとで微小移動させることができる。
【００５４】
なお、これらの気体軸受隙間調整機構１２６，１２８，１３０は、それぞれ４つずつである必要はなく、例えばそれぞれ又はいずれかを４つ以外の数で構成してもよい。また、左右対称に配置する必要もなく、ステージ１２２の形状、要求性能等に合わせ適当な配置をとることができる。また、例えば、Ｘ軸方向について左右それぞれ２つずつでなくて、一方側を１つ、他方側を２つというように、左右について配置数を異ならせてもよい。Ｙ軸方向、Ｚ軸周りの配置についても同様に配置数を非対称としてもよい。
【００５５】
図１２は、ステージ１２２を筐体１２４の底面に向かって押し付け力を発生させる機構１３２を付加するときの構成を示す図である。ステージ１２２は自重があるので、それにより筐体１２４の底面に向かって適当な押し付け力を生じさせているが、微小移動の制御をよりよくする等のために、適切な押し付け力が望まれる場合がある。図１２において、押し付け力を発生させる機構１３２は、ステージ１２２の上面側に下向きの力を印加するように、加圧口７６から一定の加圧気体が供給される。
【００５６】
図１３は、別の機構により、ステージ１２２を筐体１２４の底面に向かって引き付ける力を発生させる例を示す図である。図１３において、ステージ１２２の底面側にヨーク１３４が設けられ、これに対応する筐体１２４の底面上面側にヨーク１３６と磁石１３８が設けられる。ヨーク１３４，１３６と磁石１３８とで形成される磁気回路により、ステージ１２２は、筐体１２４の底面に向かって引き付けられる。この引付力は、上記の押付力と等価なものである。図１２や図１３の機構を用いて、適当な押付力を発生させることができる。
【００５７】
図１４、図１５は、気体供給路１８からの気体を排出するための排気用溝１４０と排気口１４２、および排気しきれない気体を回収するための真空引き用溝１４４と真空口１４６の配置の様子を示す図である。図１４はＸＹＺ微小移動機構１２０の断面図、図１５は図１４のＢＢ線に沿って見るときの筐体１２４の内壁を示す図である。このように、排気用溝１４０と真空引き用溝１４４とは相互に分離されつつ、筐体１２４の内壁をぐるりと回って配置される。なお、筐体１２４の底面の気体供給路１８についての排気用溝と真空用溝の配置は、例えば図７で説明したと同様の構成をとることができる。
【実施例４】
【００５８】
図１６は、微小移動機構を６つ用いて６自由度パラレルリンク機構１５０を構成する例を示す図である。６自由度パラレルリンク機構１５０は、ベース１５２と、可動ステージ１５４との間を６つの微小移動機構１６０を所定の角度配置で取り付けることで構成される。この構成は、一般的な６自由度パラレルリンクにおける構成の６つのアクチュエータを微小移動機構１６０に置き換えたもので、周知の制御法により、６つの微小移動機構１６０の変位量をそれぞれ制御することで、可動ステージ１５４をベース１５２に対し、Ｘ，Ｙ，Ｚ，φ，θ，ψの６自由度で運動させることができる。
【００５９】
図１７は、微小移動機構１６０回りの構成を示す図である。微小移動機構１６０は、図６で説明した構成と同じものを用いることができるので、同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。微小移動機構１６０の底面部材１６にはベース側可撓継手１６２の一端が取り付けられ、ベース側可撓継手１６２の他端は、ベース１５２の所定位置に取り付けられる。また、可動子１２には可動ステージ側可撓継手１６４の一端が取り付けられ、可動ステージ側可撓継手１６４の他端は、可動ステージ１５４の所定位置に取り付けられる。
【００６０】
各微小移動機構１６０の制御部は、それぞれの底面部材１６に取り付けられる。図１７において、制御弁１６６と回路ブロック１７２がその制御部を示し、制御弁１６６の部分には、図示されていない気体源から気体が供給される供給ポート１６８と、使用済みの気体を外部に排出する排気ポート１７０が示されている。
【実施例５】
【００６１】
微小移動機構は、μｍオーダーの移動を行うことができるが、複数の微小移動機構を複数直列に接続することで、その微小移動範囲を拡大することができる。具体的には、微小移動の軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有する中間可動子を用いる。図１で説明したような標準的な可動子を出力用の可動子と呼ぶことにすると、「出力用の可動子−中間可動子−中間可動子−・・・・−中間可動子−案内部の気体受壁」のように、中間可動子を必要な微小移動範囲に応じて増設して直列に配置すればよい。
【００６２】
図１８は、微小移動の軸方向の両端部における一方側に開口を設け、その開口に向けて気体供給路１８により制御された気体圧を供給する中間可動子２００を３つ用いる例を示す図である。図１以下の図面に用いたものと同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、案内部１４に設けられる各ポートについてはその機能を示す符号を付してある。ＣＰは隙間制御用気体圧の供給、ＥＸは排気、ＳＢは、中間可動子２００または出力用の可動子１２を支持するための軸受用気体の供給、ＣＰ２は、押付力発生用気体の供給、ＶＰは真空引きを示す。
【００６３】
図１８の構成では、底面部材１６における気体供給路１８からの気体圧により、最右側の中間可動子２００が所定の微小移動し、その状態で最右側の中間可動子２００における気体供給路１８からの気体圧により、その次の中間可動子２００が所定の微小移動し、これを繰り返し、最左側の中間可動子２００における気体供給路１８からの気体圧により、出力用の可動子１２が所定の微小移動する。したがって、案内部１４に対する出力用の可動子１２の微小移動量は、中間可動子２００のそれぞれの移動量を加算したものとなり、微小移動範囲が拡大される。また、それぞれの微小移動量の方向を相互に逆方向とすることもでき、その場合には、移動量の減算が可能で、微小移動量を縮小することができる。
【００６４】
図１８の変形例を図１９、図２０に示す。図１９は、出力用の可動子１２に隣り合う中間可動子は図１８と同じ中間可動子２００を用い、その他は、底面部材１６の気体供給路１８からの気体圧をそのまま次の可動子に伝えるように貫通の気体通路２０８を有する中間可動子２１０を用いている。この中間可動子２１０は、その一端側から気体圧を受け、他端側で噴き出し、次の可動子の一端側における面との間で気体軸受機構を形成する。すなわち、この中間可動子２１０は、図４で説明した自成絞りを有することになる。つまり、微小移動の軸方向の両端部にそれぞれ気体受面を有し、それぞれの界面で気体軸受機構を形成することは図１８と同様である。自成絞りに代えて、図４で説明した表面絞りを用いることもできる。したがって、この場合、構成が簡単になるが、案内部１４に対する出力用の可動子１２の微小移動量は、中間可動子２００のそれぞれの移動量を加算したものとなり、やはり微小移動範囲を拡大又は縮小することができる。
【００６５】
図２０は、全部の中間可動子を図１９で説明した中間可動子２１０とする例を示す図である。この場合は、さらに構成を簡単にして、案内部１４に対する出力用の可動子１２の微小移動量の範囲を拡大することができる。
【実施例６】
【００６６】
微小移動機構は、位置決めアクチュエータ等のように、微小距離移動させるために用いられるほかに、除振装置において振動をキャンセルするための微小移動機構に用いることができる。図２１は、除振装置に用いられる微小移動機構の構成を示す図である。案内部１４は、微小移動機構が設置される設置台２２０に載置される。可動子１２が除振台に対応する。可動子１２に外部の振動Ｄが加わるような環境では、可動子１２に、その振動を検出するための振動センサ２２２が取り付けられる。これに対し、設置台２２０に外部の振動Ｄが加わるような環境では、設置台２２０に振動センサ２２２を取り付けるのがよい。振動センサ２２２としては、例えば圧電素子等の加速度センサを用いることができる。また、可動子１２の変位を検出するための変位センサ２２４が設けられる。変位センサとしては、例えば非接触の光学的変位センサや、接触式の機械式センサ等、市販の変位センサを用いることができる。
【００６７】
振動センサ２２２の検出信号と、変位センサ２２４の検出信号とは、制御部２２６に入力される。制御部２２６は、図１で説明した機能のほかに、振動センサ２２２から検出された振動状態を示す信号に応じて、この振動を打ち消すように、気体供給路１８への気体圧の制御を行う除振制御機能を有する。また、変位センサ２２４から検出された変位状態を示す信号に応じて、予め入力される可動子の目標位置との差を打ち消すように、気体供給路１８への気体圧の制御を行う位置制御機能を有する。除振制御機能及び位置制御機能は、一般的な目標値制御の手法を用いて行うことができる。除振装置の要求仕様によっては、変位センサ２２４を省略してもよい。
【００６８】
このように図１に説明した１軸方向の微小移動機構を基本として、図１０で説明したＸＹ移動機構、ＸＹＺ移動機構、６自由度移動機構、図１６で説明した６自由度パラレルリンク機構、図１８−２０の移動量拡大機構、図２１で説明した除振機構等に発展できる。これらの発展系の機構は、説明の便宜上、それぞれ単独で説明したが、これらの発展系をそれぞれ単独で構成することもでき、これらの中で適当な組み合わせでもって構成してもよい。例えば、移動量拡大機構は、ＸＹ移動機構、ＸＹＺ移動機構、６自由度移動機構、６自由度パラレルリンク機構、除振機構と組み合わせてもよい。また、除振機構は、ＸＹ移動機構、ＸＹＺ移動機構、６自由度移動機構、６自由度パラレルリンク機構憎み合わせることができる。さらに、移動量拡大機構と除振機構の組み合わせに、他の発展系の機構を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る実施の形態における微小移動機構の構成図である。
【図２】本発明に係る実施の形態における微小移動機構の絞り部の例として平行隙間絞りを示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態における微小移動機構の絞り部の例として多孔質材料を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態における微小移動機構の他の絞り部の例を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、微小移動機構の案内部の内壁に気体軸受を設ける様子を示す図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、微小移動機構の可動子に押付力を発生する加圧口を設ける様子を示す図である。
【図７】本発明に係る実施の形態において、微小移動機構の底面部材側から排気を行う様子を示す図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、可動子と案内部を２セット用いる微小移動機構の構成を示す図である。
【図９】図８の変形例を示す図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態におけるＸＹＺ微小移動機構の平面図である。
【図１１】図１０のＡＡ線における断面図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態におけるＸＹＺ微小移動機構のステージを筐体の底面に向かって押し付け力を発生させる機構を付加する様子を示す図である。
【図１３】本発明に係る実施の形態におけるＸＹＺ微小移動機構のステージを筐体の底面に向かって引き付ける力を発生させる例を示す図である。
【図１４】本発明に係る実施の形態におけるＸＹＺ微小移動機構の排気と真空引きの様子を示す断面図である。
【図１５】図１４のＢＢ線に沿って見るときの筐体の内壁を示す図である。
【図１６】本発明に係る実施の形態において、微小移動機構を６つ用いて６自由度パラレルリンク機構を構成する例を示す図である。
【図１７】図１６に用いられる各微小移動機構回りの構成を示す図である。
【図１８】本発明に係る実施の形態において、中間可動子を用いる例を示す図である。
【図１９】本発明に係る実施の形態において、中間可動子を用いる他の例を示す図である。
【図２０】本発明に係る実施の形態において、中間可動子を用いる他の例を示す図である。
【図２１】本発明に係る実施の形態において、除振装置に適用される微小移動機構の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０，１００，１２０，１６０  微小移動機構、１２  可動子、１４  案内部、１６  底面部材、１８  気体供給路、２０，２２６  制御部、２２  気体受面、２４  気体受壁、２６  絞り部、２８，７２，７８，８４，１４２  排気口、３０  指令値、３２  減算器、３４  プリアンプ、３６  電流増幅器、３８  気体圧弁、４０  圧力センサ、４８  ポケット開口、５２  円環板、５４  円板、５６  多孔質材料、５８  オリフィス絞り、６０  複合絞り、６２  自成絞り、６４  スロット絞り、６６  表面絞り、７０  軸受給気口、７４，８０，８８，１４６  真空口、７６  加圧口、８２，１４０排気用溝、８６，１４４  真空引き用溝、１０２，１５２  ベース、１０４  スライダ、１０６  支持部材、１０８  受面、１２２  ステージ、１２４  筐体、１２６，１２８，１３０  気体軸受隙間調整機構、１３２  押付力発生機構、１３４，１３６  ヨーク、１３８  磁石、１５０  ６自由度パラレルリンク機構、１５４  可動ステージ、１６２  ベース側可撓継手、１６４  可動ステージ側可撓継手、１６６  制御弁、１６８  供給ポート、１７０  排気ポート、１７２  回路ブロック、２００，２１０  中間可動子、２０８  気体通路、２２０  設置台、２２２  振動センサ、２２４  変位センサ、ＣＰ  隙間制御用気体圧の供給、ＥＸ  排気、ＳＢ  可動子を支持するための軸受用気体の供給、ＣＰ２  押付力発生用気体の供給、ＶＰ  真空引き。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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