アクチュエータ
【課題】動作範囲が広くかつ高精度の位置決めが可能なアクチュエータを提供する。
【解決手段】アクチュエータは、一方向に動作方向が拘束された支持バネ機構１２と、この支持バネ機構により支持された可動部１４と、支持バネ機構の動作方向に沿った推力を発生し、可動部に印加する推力発生機構１６と、一体化した構成を有している。支持バネ機構は一対のバネ部を有し、直動方向で弾性変形するが、剛性を高くして変形しない支持構造としている。そのため、共振周波数に影響する擦動摩擦がなくバネ定数を高く保持し、直動方向のみを正確作動し、高精度直進運動させる。
【解決手段】アクチュエータは、一方向に動作方向が拘束された支持バネ機構１２と、この支持バネ機構により支持された可動部１４と、支持バネ機構の動作方向に沿った推力を発生し、可動部に印加する推力発生機構１６と、一体化した構成を有している。支持バネ機構は一対のバネ部を有し、直動方向で弾性変形するが、剛性を高くして変形しない支持構造としている。そのため、共振周波数に影響する擦動摩擦がなくバネ定数を高く保持し、直動方向のみを正確作動し、高精度直進運動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微細な動作範囲内で高精度な位置決めを行うアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体、液晶表示パネル、プラズマディスプレーの製造や精密加工、精密計測の分野では、最小分解能がｎｍレベルであり、高速で高精度な位置決め技術が要求されている。１０ｍｍ程度から数ｍの動作範囲が要求される用途では、多くの場合、空気静圧軸受け案内、又は、ボールやコロ軸受で支持されるリニアガイドに同期型リニアモータを組み合わせたステージ、あるいは、同期型の回転型サーボモータと、その回転力を推力に変換するため、ボールネジや油静圧、又は、空気静圧ネジ等とを組み合わせて構成されたステージが用いられている。
【０００３】
また、数μｍから５００μｍの動作範囲が要求される用途では、積層型の圧電素子に変位を拡大する機構を組み合わせたアクチュエータ、あるいは、金属板に圧電セラミクスを張り合わせたユニモルフ型やバイモルフ型のアクチュエータが多数応用されている（例えば、特許文献１および特許文献２）。
【０００４】
精密位置決め機構を構成する駆動機構や支持機構の型式は様々なものがあり、通常、要求される位置決め精度の仕様や動作範囲に応じて、最適と考えられる機構が選択されている。しかしながら、位置決め精度とともに高速化をアクチュエータ選択の条件として求める場合、アクチュエータの基本的特性には、１次の共振周波数が高く、その時の振幅のピーク値が小さいことが潜在的に要求される。このような要求を満たすためには、共振周波数の高域化を妨げる摺動摩擦を排除する必要がある。このような理由から、動作範囲が数１０ｍｍ以上の精密ステージや直動型アクチュエータでは、空気静圧軸受けが用いられている。また、動作範囲が数百μｍ以下の微動ステージやアクチュエータでは、弾性変形を用いた支持機構を備えたものが主流となっている（例えば、特許文献３）。
【特許文献１】特開平３−６００８４号公報
【特許文献２】特許第３３３４４５０号
【特許文献３】特開平２−１３１３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、１００μｍから１０ｍｍ以下の動作範囲で高速かつ高精度に位置決めできるアクチュエータを考慮した場合、静圧空気軸受けでは機構が複雑でアクチュエータの小型化に適していない。また、弾性変形を用いた支持機構では、上記のような動作範囲に追従できない。
【０００６】
アクチュエータの推力発生部も小型化を前提とする場合、同期型サーボモータの基本を成す電磁型では構造が複雑で小型化に適しているとは言えない。圧電型、静電型のアクチュエータは、動作範囲がｍｍ以上のアクチュエータに適しているとは言えない。したがって、ｎｍレベルの超精密位置決めが可能で、動作範囲がｍｍレベルの直動型アクチュエータに限定した場合、高速性の要求を含めないとしても、これらのアクチュエータに最適な推力発生部および支持機構は、定番と言えるものがない。
【０００７】
このように、ｎｍ以下の位置決め精度を有しながら動作範囲が数ｍｍのアクチュエータは、潜在的に多くの要求があったにも関わらず、駆動機構や支持機構として定番と言える構成ものは提供されておらず、更に高速化に対する要求を含めると、現状では一層未開拓な領域となっている。
【０００８】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、動作範囲が広くかつ高速で高精度の位置決めが可能なアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、この発明の態様に係るアクチュエータは、一方向に動作方向が拘束された支持バネ機構と、この支持バネ機構により支持された可動部と、前記支持バネ機構の動作方向に沿った推力を発生し、前記可動部に印加する推力発生機構と、を一体的に備えている。
【００１０】
支持バネ機構は一対のバネ部を有し、動作方向、つまり、直動方向には推力の発生によって積極的に弾性変形は生じるが、直動方向以外は構造的に剛性が高く、変形が生じないように支持されている。そのため、共振周波数に影響する擦動摩擦がなく、バネ定数を高く保持しながら、直動方向へのみ正確に作動し、アクチュエータの可動部を高い精度で直進運動させる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、動作範囲が広くかつ高速で高精度の位置決めが可能なアクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下図面を参照しながら、この発明の実施形態に係るアクチュエータについて詳細に説明する。
図１および図２は、電磁型のアクチュエータ１０を示す斜視図および断面図である。これらの図に示すように、アクチュエータ１０は、動作方向、ここでは、直動方向Ｂが一方向に拘束された支持バネ機構１２と、この支持バネ機構により支持された可動部１４と、支持バネ機構の動作方向に沿った電磁力を発生する電磁型の推力発生機構１６と、を一体的に備えている。
【００１３】
支持バネ機構１２は、矩形枠状のブロックバネ２０を有している。ブロックバネ２０は、角柱形状の支持部２２、この支持部２２と隙間を置いてほぼ平行に対向した角柱形状の可動部１４、および支持部２２と可動部１４との間を延びた互いに平行な一対の角柱形状のバネ部２５を有し、全体としてほぼ矩形枠状に形成されている。ブロックバネ２０は、支持部２２および可動部１４の中心を通って延びた中心軸Ｃ、ここでは、ブロックバネの長手軸を有し、一対のバネ部２５は、中心軸Ｃと平行に延びている。支持部２２には、円盤状のフランジ２３が形成され、支持部２２の全周から外方へ延出している。支持部２２には、中心軸Ｃと同軸的に延びた透孔２１が形成されている。
【００１４】
フランジ２３を含むブロックバネ２０は、例えば、ジュラルミン（高力アルミニウム）、ステンレス鋼、銅合金、チタン合金等の金属あるいはセラミックス等の剛性の高い材料により一体的に成形されている。ブロックバネ２０の材料は、要求される変位量と剛性とのバランスに応じて選択される。
【００１５】
各バネ部２５において、中心軸Ｃと平行に延びる１つの側面には、複数、例えば、３本のバネスリット２６ａが形成されている。これらのバネスリット２６ａは、互いに隙間を置いて平行に形成され、中心軸Ｃと直交する方向に延びている。各バネ部２５において、中心軸Ｃと平行に延び上記側面と対向した他の側面には、複数、例えば、２本のバネスリット２６ｂが形成されている。これらのバネスリット２６ｂは、互いに隙間を置いて平行に形成され、中心軸Ｃと直交する方向に延びている。また、バネスリット２６ｂは、中心軸Ｃと平行な方向において、バネスリット２６ａと交互に並んで設けられている。
【００１６】
一対のバネ部２５は、それぞれ座屈方向、ここでは、中心軸Ｃと平行な直動方向Ｂのみに動作が拘束され、直動方向Ｂに伸長する平行バネを構成している。可動部１４はこれら一対のバネ部２５を介して支持部２２に支持され、バネ部２５の直動に応じて、直動方向Ｂに拘束されて移動可能となっている。
【００１７】
支持バネ機構１２は、平行バネを構成したバネ部２５を座屈方向に伸長させることで直動方向以外の変形を拘束し、数ｍｍ程度の大きな動作範囲を実現しながら高剛性なバネ支持機構を実現している。バネ構造そのものは弾性変形を応用して、一方向には柔軟に変形するが、移動軸周りや他の直交２軸に対しては剛性が高く、直動以外の不要な動作が拘束されている。そのため、支持バネ機構１２により、可動部１４の高精度な直進運動を支えることができる。
【００１８】
図１および図２に示すように、推力発生機構１６は、ブロックバネ２０のフランジ２３にねじ止め固定された円筒状の固定子ヨーク３０、および固定子ヨークの開放端に固定され、この開放端を閉塞した円盤状のバックヨーク３２を備えている。固定子ヨーク３０は、フランジ２３とほぼ等しい外径を有し、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に配置されている。なお、本実施形態において、バックヨーク３２を含めて固定子ヨーク３０としている。
【００１９】
固定子ヨーク３０内には、円筒状のマグネット３４および円柱形状のセンターヨーク（ポールピース）３６が配設されている。マグネット３４はバックヨーク３２の内面に固定され、センターヨーク３６はマグネットに固定されマグネットからブロックバネ２０側に延出している。マグネット３４およびセンターヨーク３６は、中心軸Ｃと同軸的に設けられている。
【００２０】
推力発生機構１６は、一端が閉塞された円筒状のコイルフレーム３８およびコイルフレームの外周に巻装されたムービングコイル４０を備えている。可動支持体として機能するコイルフレーム３８は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。コイルフレーム３８の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。ムービングコイル４０は、コイルフレーム３８の他端部外周に巻装され、センターヨーク３６と固定子ヨーク３０との間に、これらヨークと同軸的に配置されている。これらマグネット３４、ヨークおよびムービングコイル４０によりボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭと称する）を構成している。
【００２１】
推力発生機構１６によれば、マグネット３４から発生する磁束は、センターヨーク３６からムービングコイル４０、固定子ヨーク３０およびバックヨーク３２を通って流れる。そして、ムービングコイル４０に通電することにより磁界が発生し、この磁界とマグネット３４から発生した磁束とを鎖交させることにより、フレミングの左手の法則に従って直動方向Ｂと平行な電磁力、つまり、推力Ｄ、が発生する。この推力Ｄは、コイルフレーム３８を介して可動部１４に印加される。従って、可動部１４は、推力発生機構１６から発生した推力Ｄにより、ムービングコイル４０およびコイルフレーム３８と共に直動方向Ｂに移動される。
【００２２】
一般的に、コイル部分の断面が四角形のＶＣＭ構造の場合、コイル部分の１面あるいは２面だけしか推力に寄与しない。これに対して、本実施形態に係る推力発生機構１６によれば、円筒形状のＶＣＭを用いることにより、コイル全面が推力発生に寄与するため、効率を高め、推力の高密度化を図ることができる。
【００２３】
上記のように構成された電磁型のアクチュエータ１０は、直動方向Ｂ以外の動作が拘束された平行バネを有する支持バネ機構１２を用いることにより、縦横真直が５０ｎｍ以下、ローリングとピッチング５秒以下と言う高精度な直進運動を数ｍｍの範囲で実現することができる。また、円筒状のＶＣＭを有した推力発生機構１６と支持バネ機構１２とを組み合わせることにより、制御帯域が１ｋＨｚ以上、位置決め精度±０．１ｎｍ以下（３σ:位置決め精度のバラツキが正規分布状になった場合、９９.７％の確立で位置決めされる精度）で、数ｍｍの動作範囲を高速にかつ高精度にて可動部１４を移動させることができる。従って、動作範囲が数ｍｍ単位と広くかつ高速で高精度の位置決めが可能なアクチュエータが実現できる。
【００２４】
次に、この発明の他の実施形態に係るアクチュエータについて説明する。
【００２５】
図３は、この発明の第２の実施形態に係る電磁型のアクチュエータ１０を示している。本実施形態によれば、支持バネ機構１２を構成しているブロックバネ２０は一対のバネ部２５を有している。各バネ部２５は、複数回折り曲げられた蛇腹条のバネ部として構成され、各折曲げ部は可動部１４の直動方向Ｂと直行する方向に、かつ互いに平行に延びている。これにより、一対のバネ部２５は平行バネを構成し、直動方向Ｂには推力の発生によって弾性変形は生じるが、直動方向以外の移動は拘束されている。
【００２６】
第２の実施形態において、アクチュエータの他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２７】
図４は、この発明の第３の実施形態に係る電磁型のアクチュエータ１０を示している。アクチュエータの推力発生機構は、制御性能を考慮するとＶＣＭ型が好ましい。第３の実施形態によれば、推力発生機構１６は、角柱形状のセンターヨーク３６および角筒状のコイルフレーム３８を有している。センターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８の一端は、ブロックバネ２０の可動部１４にねじ止め固定されている。コイルフレーム３８の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。ムービングコイル４０は、コイルフレーム３８の他端部外周に矩形状に巻装されている。
【００２８】
推力発生機構１６は、例えば、２つの板状のマグネット３４を有し、これらのマグネットは、ムービングコイル４０を挟んで対向して設けられているとともに固定子ヨークに３０に固定されている。これらマグネット３４、ヨークおよびムービングコイル４０によりＶＣＭを構成している。
【００２９】
図５に示す第４の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、円筒状のＶＣＭとして構成されている。すなわち、推力発生機構１６は、円柱形状のセンターヨーク３６および円筒状のコイルフレーム３８を有している。センターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８の一端は、ブロックバネ２０の可動部１４にねじ止め固定されている。コイルフレーム３８の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。ムービングコイル４０は、コイルフレーム３８の他端部外周に巻装されている。
【００３０】
推力発生機構１６は、円筒状に形成されたマグネット３４を有している。このマグネット３４は、その径方向に沿って着磁され、内周側がＳ極、外周側がＮ極となっている。マグネット３４は、固定子ヨーク３０の内周面に固定され中心軸Ｃと同軸的に位置しているとともに、ムービングコイル４０の外周に対向している。
【００３１】
前述した実施形態によれば、ＶＣＭは、マグネットを固定、コイルを可動として構成されているが、逆に、コイルを固定、マグネットを可動として構成してもよい。図６に示す第５の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、図２に示した第１の実施形態に係るアクチュエータのＶＣＭとマグネットおよびコイルの配置を逆にした構成を有している。すなわち、推力発生機構１６は、ブロックバネ２０のフランジ２３にねじ止め固定された円筒状の固定子ヨーク３０、および固定子ヨークの開放端に固定され、この開放端を閉塞した円盤状のバックヨーク３２を備えている。
【００３２】
固定子ヨーク３０内には、円柱形状のエンドヨーク３３および円柱形状のセンターヨーク３６が配設されている。推力発生機構１６は、一端が閉塞された円筒状のフレーム３９を備えている。可動支持体として機能するフレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６の一端が固定されている。これにより、センターヨーク３６は、中心軸Ｃと同軸的に延びている。
【００３３】
センターヨーク３６の他端には、マグネット３４が固定されている。エンドヨーク３３はバックヨーク３２に固定されている。マグネット３４およびエンドヨーク３３は、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、互いに隙間を置いて対向している。固定子３０の内周面にはコイル４１が固定され、マグネット３４の周囲に隙間を置いて対向している。これらマグネット３４、ヨークおよびコイル４１によりＶＣＭを構成している。
【００３４】
図７に示す第６の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、図４に示した第３の実施形態に係るアクチュエータのＶＣＭとマグネットおよびコイルの配置を逆にした構成を有している。すなわち、推力発生機構１６は、角柱形状のセンターヨーク３６および角筒状のフレーム３９を有している。センターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。可動支持体として機能するフレーム３９の一端は、ブロックバネ２０の可動部１４にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。
【００３５】
推力発生機構１６は、例えば、２つの板状のマグネット３４を有し、これらのマグネットは、フレーム３９の他端部外周に固定され、センターヨーク３６を間に挟んで互いに対向して配置されている。固定子ヨーク３０の内面にコイル４１が固定され、マグネット３４と隙間を置いて対向している。これらマグネット３４、ヨークおよびコイル４１によりＶＣＭを構成している。
【００３６】
図８に示す第７の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、図５に示した第４の実施形態に係るアクチュエータのＶＣＭとマグネットおよびコイルの配置を逆にした構成を有している。すなわち、推力発生機構１６は、ブロックバネ２０のフランジ２３にねじ止め固定された円筒状の固定子ヨーク３０、および固定子ヨークの開放端に固定され、この開放端を閉塞した円盤状のバックヨーク３２を備えている。
【００３７】
固定子ヨーク３０内には、円柱形状のエンドヨーク３３および円柱形状のセンターヨーク３６が配設されている。推力発生機構１６は、一端が閉塞された円筒状のフレーム３９を備えている。可動支持体として機能するフレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部は、センターヨーク３６と一体に形成されている。エンドヨーク３３はバックヨーク３２に固定されている。センターヨーク３６およびエンドヨーク３３は、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、互いに隙間を置いて並んでいる。
【００３８】
センターヨーク３６の周囲には円筒状のマグネット３４が固定され、フレーム３９と一体的に移動可能に支持されている。マグネット３４は、内周面側がＳ極、外周面側がＮ極に着磁されている。固定子３０の内周面にはコイル４１が固定され、マグネット３４の周囲に隙間を置いて対向している。これらマグネット３４、ヨークおよびコイル４１によりＶＣＭを構成している。
【００３９】
第３、第４、第５、第６、第７の実施形態において、アクチュエータの他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略した。第３、第４、第５、第６、第７の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
図９に示す第８の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、磁気的な吸引と反発を利用した推力発生に有利なソレノイド型として構成されている。
第８の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、固定子ヨーク３０内に配設された円柱形状のマグネット３４および円柱形状のセンターヨーク３６を有している。マグネット３４はバックヨーク３２に固定され、中心軸Ｃと同軸的に設けられている。
【００４１】
推力発生機構１６は、可動支持体として機能するフレーム３９を備えている。フレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部は、センターヨーク３６と一体に形成されている。センターヨーク３６は、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、マグネット３４と互いに隙間を置いて並んでいる。マグネット３４にはポールピース３５が固定され、センターヨーク３６と対向している。センターヨーク３６にはムービングコイル４０が巻装されている。
【００４２】
マグネット３４、ヨーク３０、３２、３６およびムービングコイル４０によりソレノイドを構成している。ムービングコイル４０に通電して電磁石を構成することにより、ムービングコイルと磁石３４との磁気的な吸引と反発を利用した推力Ｄが発生される。
【００４３】
ソレノイド型の推力発生機構１６において、マグネット３４を可動、コイルを固定としてもよい。図１０に示す第９の実施形態によれば、フレーム３９の端部にエンドヨーク３３およびマグネット３４が並んで固定され、これらフレーム、エンドヨークおよびマグネットは、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。エンドヨーク３３およびマグネット３４は固定子３０内に位置している。
【００４４】
推力発生機構１６は、固定子ヨーク３０内に配設された円柱形状のセンターヨーク３６を有している。このセンターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、マグネット３４と隙間を置いて対向している。センターヨーク３６の周囲にはコイル４１が巻装され、固定子３０の内周面と隙間を置いて対向している。マグネット３４、ヨーク３０、３２、３３、３６およびコイル４１によりソレノイドを構成している。
【００４５】
第８および第９の実施形態において、アクチュエータの他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第６および第７の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００４７】
例えば、アクチュエータの推力発生機構は、ＶＣＭやソレノイド型等の電磁力に限らず、変位量の違いはあるが、積層型圧電素子など推力を発生する機構を用いることができる。また、アクチュエータの制御性能を向上させる目的で、例えば、特許第３６１２６７０号に開示されているような粘弾性体をアクチュエータの支持バネ機構と拘束板との間に挟み込む構成としてもよい。この場合、支持バネ機構の直動にしたがって拘束板の間に設けられた弾性体に歪を生じさせ、共振周波数における非常に大きな振幅を熱に変換し消散させることができる。その結果、アクチュエータの減衰効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図２】図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った上記アクチュエータの断面図。
【図３】図３は、この発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図４】図４は、この発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図５】図５は、この発明の第４の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図６】図６は、この発明の第５の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図７】図７は、この発明の第６の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図８】図８は、この発明の第７の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図９】図９は、この発明の第８の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図１０】図１０は、この発明の第９の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【符号の説明】
【００４９】
１０…アクチュエータ、 １２…支持バネ機構、 １４…可動部、
１６…推力発生機構、 ２０…ブロックバネ、 ２２…支持部、 ２５…バネ部、
２６ａ、２６ｂ…バネスリット、 ３０…固定子ヨーク、 ３３…エンドヨーク、
３４…マグネット、 ３６…センターヨーク、 ３８…コイルフレーム、
３９…フレーム、 ４０…ムービングコイル、 ４１…コイル
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微細な動作範囲内で高精度な位置決めを行うアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体、液晶表示パネル、プラズマディスプレーの製造や精密加工、精密計測の分野では、最小分解能がｎｍレベルであり、高速で高精度な位置決め技術が要求されている。１０ｍｍ程度から数ｍの動作範囲が要求される用途では、多くの場合、空気静圧軸受け案内、又は、ボールやコロ軸受で支持されるリニアガイドに同期型リニアモータを組み合わせたステージ、あるいは、同期型の回転型サーボモータと、その回転力を推力に変換するため、ボールネジや油静圧、又は、空気静圧ネジ等とを組み合わせて構成されたステージが用いられている。
【０００３】
また、数μｍから５００μｍの動作範囲が要求される用途では、積層型の圧電素子に変位を拡大する機構を組み合わせたアクチュエータ、あるいは、金属板に圧電セラミクスを張り合わせたユニモルフ型やバイモルフ型のアクチュエータが多数応用されている（例えば、特許文献１および特許文献２）。
【０００４】
精密位置決め機構を構成する駆動機構や支持機構の型式は様々なものがあり、通常、要求される位置決め精度の仕様や動作範囲に応じて、最適と考えられる機構が選択されている。しかしながら、位置決め精度とともに高速化をアクチュエータ選択の条件として求める場合、アクチュエータの基本的特性には、１次の共振周波数が高く、その時の振幅のピーク値が小さいことが潜在的に要求される。このような要求を満たすためには、共振周波数の高域化を妨げる摺動摩擦を排除する必要がある。このような理由から、動作範囲が数１０ｍｍ以上の精密ステージや直動型アクチュエータでは、空気静圧軸受けが用いられている。また、動作範囲が数百μｍ以下の微動ステージやアクチュエータでは、弾性変形を用いた支持機構を備えたものが主流となっている（例えば、特許文献３）。
【特許文献１】特開平３−６００８４号公報
【特許文献２】特許第３３３４４５０号
【特許文献３】特開平２−１３１３７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、１００μｍから１０ｍｍ以下の動作範囲で高速かつ高精度に位置決めできるアクチュエータを考慮した場合、静圧空気軸受けでは機構が複雑でアクチュエータの小型化に適していない。また、弾性変形を用いた支持機構では、上記のような動作範囲に追従できない。
【０００６】
アクチュエータの推力発生部も小型化を前提とする場合、同期型サーボモータの基本を成す電磁型では構造が複雑で小型化に適しているとは言えない。圧電型、静電型のアクチュエータは、動作範囲がｍｍ以上のアクチュエータに適しているとは言えない。したがって、ｎｍレベルの超精密位置決めが可能で、動作範囲がｍｍレベルの直動型アクチュエータに限定した場合、高速性の要求を含めないとしても、これらのアクチュエータに最適な推力発生部および支持機構は、定番と言えるものがない。
【０００７】
このように、ｎｍ以下の位置決め精度を有しながら動作範囲が数ｍｍのアクチュエータは、潜在的に多くの要求があったにも関わらず、駆動機構や支持機構として定番と言える構成ものは提供されておらず、更に高速化に対する要求を含めると、現状では一層未開拓な領域となっている。
【０００８】
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、動作範囲が広くかつ高速で高精度の位置決めが可能なアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、この発明の態様に係るアクチュエータは、一方向に動作方向が拘束された支持バネ機構と、この支持バネ機構により支持された可動部と、前記支持バネ機構の動作方向に沿った推力を発生し、前記可動部に印加する推力発生機構と、を一体的に備えている。
【００１０】
支持バネ機構は一対のバネ部を有し、動作方向、つまり、直動方向には推力の発生によって積極的に弾性変形は生じるが、直動方向以外は構造的に剛性が高く、変形が生じないように支持されている。そのため、共振周波数に影響する擦動摩擦がなく、バネ定数を高く保持しながら、直動方向へのみ正確に作動し、アクチュエータの可動部を高い精度で直進運動させる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、動作範囲が広くかつ高速で高精度の位置決めが可能なアクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下図面を参照しながら、この発明の実施形態に係るアクチュエータについて詳細に説明する。
図１および図２は、電磁型のアクチュエータ１０を示す斜視図および断面図である。これらの図に示すように、アクチュエータ１０は、動作方向、ここでは、直動方向Ｂが一方向に拘束された支持バネ機構１２と、この支持バネ機構により支持された可動部１４と、支持バネ機構の動作方向に沿った電磁力を発生する電磁型の推力発生機構１６と、を一体的に備えている。
【００１３】
支持バネ機構１２は、矩形枠状のブロックバネ２０を有している。ブロックバネ２０は、角柱形状の支持部２２、この支持部２２と隙間を置いてほぼ平行に対向した角柱形状の可動部１４、および支持部２２と可動部１４との間を延びた互いに平行な一対の角柱形状のバネ部２５を有し、全体としてほぼ矩形枠状に形成されている。ブロックバネ２０は、支持部２２および可動部１４の中心を通って延びた中心軸Ｃ、ここでは、ブロックバネの長手軸を有し、一対のバネ部２５は、中心軸Ｃと平行に延びている。支持部２２には、円盤状のフランジ２３が形成され、支持部２２の全周から外方へ延出している。支持部２２には、中心軸Ｃと同軸的に延びた透孔２１が形成されている。
【００１４】
フランジ２３を含むブロックバネ２０は、例えば、ジュラルミン（高力アルミニウム）、ステンレス鋼、銅合金、チタン合金等の金属あるいはセラミックス等の剛性の高い材料により一体的に成形されている。ブロックバネ２０の材料は、要求される変位量と剛性とのバランスに応じて選択される。
【００１５】
各バネ部２５において、中心軸Ｃと平行に延びる１つの側面には、複数、例えば、３本のバネスリット２６ａが形成されている。これらのバネスリット２６ａは、互いに隙間を置いて平行に形成され、中心軸Ｃと直交する方向に延びている。各バネ部２５において、中心軸Ｃと平行に延び上記側面と対向した他の側面には、複数、例えば、２本のバネスリット２６ｂが形成されている。これらのバネスリット２６ｂは、互いに隙間を置いて平行に形成され、中心軸Ｃと直交する方向に延びている。また、バネスリット２６ｂは、中心軸Ｃと平行な方向において、バネスリット２６ａと交互に並んで設けられている。
【００１６】
一対のバネ部２５は、それぞれ座屈方向、ここでは、中心軸Ｃと平行な直動方向Ｂのみに動作が拘束され、直動方向Ｂに伸長する平行バネを構成している。可動部１４はこれら一対のバネ部２５を介して支持部２２に支持され、バネ部２５の直動に応じて、直動方向Ｂに拘束されて移動可能となっている。
【００１７】
支持バネ機構１２は、平行バネを構成したバネ部２５を座屈方向に伸長させることで直動方向以外の変形を拘束し、数ｍｍ程度の大きな動作範囲を実現しながら高剛性なバネ支持機構を実現している。バネ構造そのものは弾性変形を応用して、一方向には柔軟に変形するが、移動軸周りや他の直交２軸に対しては剛性が高く、直動以外の不要な動作が拘束されている。そのため、支持バネ機構１２により、可動部１４の高精度な直進運動を支えることができる。
【００１８】
図１および図２に示すように、推力発生機構１６は、ブロックバネ２０のフランジ２３にねじ止め固定された円筒状の固定子ヨーク３０、および固定子ヨークの開放端に固定され、この開放端を閉塞した円盤状のバックヨーク３２を備えている。固定子ヨーク３０は、フランジ２３とほぼ等しい外径を有し、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に配置されている。なお、本実施形態において、バックヨーク３２を含めて固定子ヨーク３０としている。
【００１９】
固定子ヨーク３０内には、円筒状のマグネット３４および円柱形状のセンターヨーク（ポールピース）３６が配設されている。マグネット３４はバックヨーク３２の内面に固定され、センターヨーク３６はマグネットに固定されマグネットからブロックバネ２０側に延出している。マグネット３４およびセンターヨーク３６は、中心軸Ｃと同軸的に設けられている。
【００２０】
推力発生機構１６は、一端が閉塞された円筒状のコイルフレーム３８およびコイルフレームの外周に巻装されたムービングコイル４０を備えている。可動支持体として機能するコイルフレーム３８は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。コイルフレーム３８の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。ムービングコイル４０は、コイルフレーム３８の他端部外周に巻装され、センターヨーク３６と固定子ヨーク３０との間に、これらヨークと同軸的に配置されている。これらマグネット３４、ヨークおよびムービングコイル４０によりボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭと称する）を構成している。
【００２１】
推力発生機構１６によれば、マグネット３４から発生する磁束は、センターヨーク３６からムービングコイル４０、固定子ヨーク３０およびバックヨーク３２を通って流れる。そして、ムービングコイル４０に通電することにより磁界が発生し、この磁界とマグネット３４から発生した磁束とを鎖交させることにより、フレミングの左手の法則に従って直動方向Ｂと平行な電磁力、つまり、推力Ｄ、が発生する。この推力Ｄは、コイルフレーム３８を介して可動部１４に印加される。従って、可動部１４は、推力発生機構１６から発生した推力Ｄにより、ムービングコイル４０およびコイルフレーム３８と共に直動方向Ｂに移動される。
【００２２】
一般的に、コイル部分の断面が四角形のＶＣＭ構造の場合、コイル部分の１面あるいは２面だけしか推力に寄与しない。これに対して、本実施形態に係る推力発生機構１６によれば、円筒形状のＶＣＭを用いることにより、コイル全面が推力発生に寄与するため、効率を高め、推力の高密度化を図ることができる。
【００２３】
上記のように構成された電磁型のアクチュエータ１０は、直動方向Ｂ以外の動作が拘束された平行バネを有する支持バネ機構１２を用いることにより、縦横真直が５０ｎｍ以下、ローリングとピッチング５秒以下と言う高精度な直進運動を数ｍｍの範囲で実現することができる。また、円筒状のＶＣＭを有した推力発生機構１６と支持バネ機構１２とを組み合わせることにより、制御帯域が１ｋＨｚ以上、位置決め精度±０．１ｎｍ以下（３σ:位置決め精度のバラツキが正規分布状になった場合、９９.７％の確立で位置決めされる精度）で、数ｍｍの動作範囲を高速にかつ高精度にて可動部１４を移動させることができる。従って、動作範囲が数ｍｍ単位と広くかつ高速で高精度の位置決めが可能なアクチュエータが実現できる。
【００２４】
次に、この発明の他の実施形態に係るアクチュエータについて説明する。
【００２５】
図３は、この発明の第２の実施形態に係る電磁型のアクチュエータ１０を示している。本実施形態によれば、支持バネ機構１２を構成しているブロックバネ２０は一対のバネ部２５を有している。各バネ部２５は、複数回折り曲げられた蛇腹条のバネ部として構成され、各折曲げ部は可動部１４の直動方向Ｂと直行する方向に、かつ互いに平行に延びている。これにより、一対のバネ部２５は平行バネを構成し、直動方向Ｂには推力の発生によって弾性変形は生じるが、直動方向以外の移動は拘束されている。
【００２６】
第２の実施形態において、アクチュエータの他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００２７】
図４は、この発明の第３の実施形態に係る電磁型のアクチュエータ１０を示している。アクチュエータの推力発生機構は、制御性能を考慮するとＶＣＭ型が好ましい。第３の実施形態によれば、推力発生機構１６は、角柱形状のセンターヨーク３６および角筒状のコイルフレーム３８を有している。センターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８の一端は、ブロックバネ２０の可動部１４にねじ止め固定されている。コイルフレーム３８の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。ムービングコイル４０は、コイルフレーム３８の他端部外周に矩形状に巻装されている。
【００２８】
推力発生機構１６は、例えば、２つの板状のマグネット３４を有し、これらのマグネットは、ムービングコイル４０を挟んで対向して設けられているとともに固定子ヨークに３０に固定されている。これらマグネット３４、ヨークおよびムービングコイル４０によりＶＣＭを構成している。
【００２９】
図５に示す第４の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、円筒状のＶＣＭとして構成されている。すなわち、推力発生機構１６は、円柱形状のセンターヨーク３６および円筒状のコイルフレーム３８を有している。センターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。コイルフレーム３８の一端は、ブロックバネ２０の可動部１４にねじ止め固定されている。コイルフレーム３８の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。ムービングコイル４０は、コイルフレーム３８の他端部外周に巻装されている。
【００３０】
推力発生機構１６は、円筒状に形成されたマグネット３４を有している。このマグネット３４は、その径方向に沿って着磁され、内周側がＳ極、外周側がＮ極となっている。マグネット３４は、固定子ヨーク３０の内周面に固定され中心軸Ｃと同軸的に位置しているとともに、ムービングコイル４０の外周に対向している。
【００３１】
前述した実施形態によれば、ＶＣＭは、マグネットを固定、コイルを可動として構成されているが、逆に、コイルを固定、マグネットを可動として構成してもよい。図６に示す第５の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、図２に示した第１の実施形態に係るアクチュエータのＶＣＭとマグネットおよびコイルの配置を逆にした構成を有している。すなわち、推力発生機構１６は、ブロックバネ２０のフランジ２３にねじ止め固定された円筒状の固定子ヨーク３０、および固定子ヨークの開放端に固定され、この開放端を閉塞した円盤状のバックヨーク３２を備えている。
【００３２】
固定子ヨーク３０内には、円柱形状のエンドヨーク３３および円柱形状のセンターヨーク３６が配設されている。推力発生機構１６は、一端が閉塞された円筒状のフレーム３９を備えている。可動支持体として機能するフレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６の一端が固定されている。これにより、センターヨーク３６は、中心軸Ｃと同軸的に延びている。
【００３３】
センターヨーク３６の他端には、マグネット３４が固定されている。エンドヨーク３３はバックヨーク３２に固定されている。マグネット３４およびエンドヨーク３３は、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、互いに隙間を置いて対向している。固定子３０の内周面にはコイル４１が固定され、マグネット３４の周囲に隙間を置いて対向している。これらマグネット３４、ヨークおよびコイル４１によりＶＣＭを構成している。
【００３４】
図７に示す第６の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、図４に示した第３の実施形態に係るアクチュエータのＶＣＭとマグネットおよびコイルの配置を逆にした構成を有している。すなわち、推力発生機構１６は、角柱形状のセンターヨーク３６および角筒状のフレーム３９を有している。センターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。可動支持体として機能するフレーム３９の一端は、ブロックバネ２０の可動部１４にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部には、センターヨーク３６が隙間を置いて挿通されている。
【００３５】
推力発生機構１６は、例えば、２つの板状のマグネット３４を有し、これらのマグネットは、フレーム３９の他端部外周に固定され、センターヨーク３６を間に挟んで互いに対向して配置されている。固定子ヨーク３０の内面にコイル４１が固定され、マグネット３４と隙間を置いて対向している。これらマグネット３４、ヨークおよびコイル４１によりＶＣＭを構成している。
【００３６】
図８に示す第７の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、図５に示した第４の実施形態に係るアクチュエータのＶＣＭとマグネットおよびコイルの配置を逆にした構成を有している。すなわち、推力発生機構１６は、ブロックバネ２０のフランジ２３にねじ止め固定された円筒状の固定子ヨーク３０、および固定子ヨークの開放端に固定され、この開放端を閉塞した円盤状のバックヨーク３２を備えている。
【００３７】
固定子ヨーク３０内には、円柱形状のエンドヨーク３３および円柱形状のセンターヨーク３６が配設されている。推力発生機構１６は、一端が閉塞された円筒状のフレーム３９を備えている。可動支持体として機能するフレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部は、センターヨーク３６と一体に形成されている。エンドヨーク３３はバックヨーク３２に固定されている。センターヨーク３６およびエンドヨーク３３は、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、互いに隙間を置いて並んでいる。
【００３８】
センターヨーク３６の周囲には円筒状のマグネット３４が固定され、フレーム３９と一体的に移動可能に支持されている。マグネット３４は、内周面側がＳ極、外周面側がＮ極に着磁されている。固定子３０の内周面にはコイル４１が固定され、マグネット３４の周囲に隙間を置いて対向している。これらマグネット３４、ヨークおよびコイル４１によりＶＣＭを構成している。
【００３９】
第３、第４、第５、第６、第７の実施形態において、アクチュエータの他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略した。第３、第４、第５、第６、第７の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４０】
図９に示す第８の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、磁気的な吸引と反発を利用した推力発生に有利なソレノイド型として構成されている。
第８の実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、推力発生機構１６は、固定子ヨーク３０内に配設された円柱形状のマグネット３４および円柱形状のセンターヨーク３６を有している。マグネット３４はバックヨーク３２に固定され、中心軸Ｃと同軸的に設けられている。
【００４１】
推力発生機構１６は、可動支持体として機能するフレーム３９を備えている。フレーム３９は、ブロックバネ２０内、支持部２２の透孔２１および固定子ヨーク３０内に配設され、中心軸Ｃと同軸的に延びている。フレーム３９の閉塞端は、ブロックバネ２０の可動部１４の内面にねじ止め固定されている。フレーム３９の他端部、すなわち、固定子ヨーク３０内に位置した端部は、センターヨーク３６と一体に形成されている。センターヨーク３６は、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、マグネット３４と互いに隙間を置いて並んでいる。マグネット３４にはポールピース３５が固定され、センターヨーク３６と対向している。センターヨーク３６にはムービングコイル４０が巻装されている。
【００４２】
マグネット３４、ヨーク３０、３２、３６およびムービングコイル４０によりソレノイドを構成している。ムービングコイル４０に通電して電磁石を構成することにより、ムービングコイルと磁石３４との磁気的な吸引と反発を利用した推力Ｄが発生される。
【００４３】
ソレノイド型の推力発生機構１６において、マグネット３４を可動、コイルを固定としてもよい。図１０に示す第９の実施形態によれば、フレーム３９の端部にエンドヨーク３３およびマグネット３４が並んで固定され、これらフレーム、エンドヨークおよびマグネットは、ブロックバネ２０の中心軸Ｃと同軸的に延びている。エンドヨーク３３およびマグネット３４は固定子３０内に位置している。
【００４４】
推力発生機構１６は、固定子ヨーク３０内に配設された円柱形状のセンターヨーク３６を有している。このセンターヨーク３６はバックヨーク３２に固定され、中心軸Ｃと同軸的に延びているとともに、マグネット３４と隙間を置いて対向している。センターヨーク３６の周囲にはコイル４１が巻装され、固定子３０の内周面と隙間を置いて対向している。マグネット３４、ヨーク３０、３２、３３、３６およびコイル４１によりソレノイドを構成している。
【００４５】
第８および第９の実施形態において、アクチュエータの他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。第６および第７の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００４６】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００４７】
例えば、アクチュエータの推力発生機構は、ＶＣＭやソレノイド型等の電磁力に限らず、変位量の違いはあるが、積層型圧電素子など推力を発生する機構を用いることができる。また、アクチュエータの制御性能を向上させる目的で、例えば、特許第３６１２６７０号に開示されているような粘弾性体をアクチュエータの支持バネ機構と拘束板との間に挟み込む構成としてもよい。この場合、支持バネ機構の直動にしたがって拘束板の間に設けられた弾性体に歪を生じさせ、共振周波数における非常に大きな振幅を熱に変換し消散させることができる。その結果、アクチュエータの減衰効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図２】図２は、図１の線Ａ−Ａに沿った上記アクチュエータの断面図。
【図３】図３は、この発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図４】図４は、この発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図５】図５は、この発明の第４の実施形態に係るアクチュエータを一部破断して示す分解斜視図。
【図６】図６は、この発明の第５の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図７】図７は、この発明の第６の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図８】図８は、この発明の第７の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図９】図９は、この発明の第８の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【図１０】図１０は、この発明の第９の実施形態に係るアクチュエータの断面図。
【符号の説明】
【００４９】
１０…アクチュエータ、 １２…支持バネ機構、 １４…可動部、
１６…推力発生機構、 ２０…ブロックバネ、 ２２…支持部、 ２５…バネ部、
２６ａ、２６ｂ…バネスリット、 ３０…固定子ヨーク、 ３３…エンドヨーク、
３４…マグネット、 ３６…センターヨーク、 ３８…コイルフレーム、
３９…フレーム、 ４０…ムービングコイル、 ４１…コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に動作方向が拘束された支持バネ機構と、この支持バネ機構により支持された可動部と、前記支持バネ機構の動作方向に沿った推力を発生し、前記可動部に印加する推力発生機構と、を備えたアクチュエータ。
【請求項２】
前記支持バネ機構は、枠状に形成されたブロックバネを備え、前記ブロックバネは、前記推力発生機構に連結された支持部と、前記支持部に隙間を置いて対向した前記可動部と、前記支持部と可動部との間を延びた一対のバネ部と、を有し、前記各バネ部は、前記一方向に弾性変形可能で他の方向への変位が拘束されている請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記ブロックバネの支持部およびバネ部は柱状に形成され、各バネ部は、それぞれ前記一方向と直交する方向に延びているとともに、前記一方向に隙間を置いて形成された複数のバネスリットを有している請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ブロックバネの各バネ部は、複数回折り曲げられた蛇腹条に形成され、各折曲げ部は前記一方向と直行する方向に、かつ互いに平行に延びている請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記推力発生機構は、前記支持バネ機構に固定されているとともに、前記可動部に連結されたボイスコイルモータを備えている請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記ボイルコイルモータは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に巻装されているとともに前記固定子ヨーク内に設けられたムービングコイルと、前記ムービングコイルおよび固定子ヨークに対向して設けられたマグネットと、を備えている請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記可動支持体は筒状に形成され、前記ボイルコイルモータは、前記可動支持体内に設けられ前記ムービングコイルに対向したセンターヨークを有している請求項６に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記マグネットは、前記センターヨークと並んで前記一方向と同軸的に設けられ、前記固定子ヨークに固定されている請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記可動支持体は角筒状に形成され、前記センターヨークは角柱状に形成され、前記ボイスコイルモータは、前記可動支持体の少なくとも一辺と対向して設けられた板状のマグネットを備えている請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記可動支持体は円筒状に形成され、前記センターヨークは円柱状に形成され、前記ボイスコイルモータは、前記固定子ヨークに固定され前記ムービングコイルの周囲に対向配置された筒状のマグネットを備えている請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記ボイルコイルモータは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に固定され前記固定子ヨーク内に設けられたマグネットと、前記固定子ヨークに固定されて前記マグネットと対向したコイルと、を備えている請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記推力発生機構は、前記支持バネ機構に固定されているとともに、前記可動部に連結されたソレノイドを備えている請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記ソレノイドは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に巻装されているとともに前記固定子ヨーク内に設けられたムービングコイルと、前記固定子ヨークに固定され前記ムービングコイルと並んで前記一方向と同軸的に設けられたマグネットと、を備えている請求項１２に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記ソレノイドは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に固定され前記固定子ヨーク内に設けられたマグネットと、前記固定子ヨークに固定され前記マグネットと並んで前記一方向と同軸的に設けられたコイルと、を備えている請求項１２に記載のアクチュエータ。
【請求項１】
一方向に動作方向が拘束された支持バネ機構と、この支持バネ機構により支持された可動部と、前記支持バネ機構の動作方向に沿った推力を発生し、前記可動部に印加する推力発生機構と、を備えたアクチュエータ。
【請求項２】
前記支持バネ機構は、枠状に形成されたブロックバネを備え、前記ブロックバネは、前記推力発生機構に連結された支持部と、前記支持部に隙間を置いて対向した前記可動部と、前記支持部と可動部との間を延びた一対のバネ部と、を有し、前記各バネ部は、前記一方向に弾性変形可能で他の方向への変位が拘束されている請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記ブロックバネの支持部およびバネ部は柱状に形成され、各バネ部は、それぞれ前記一方向と直交する方向に延びているとともに、前記一方向に隙間を置いて形成された複数のバネスリットを有している請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記ブロックバネの各バネ部は、複数回折り曲げられた蛇腹条に形成され、各折曲げ部は前記一方向と直行する方向に、かつ互いに平行に延びている請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記推力発生機構は、前記支持バネ機構に固定されているとともに、前記可動部に連結されたボイスコイルモータを備えている請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記ボイルコイルモータは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に巻装されているとともに前記固定子ヨーク内に設けられたムービングコイルと、前記ムービングコイルおよび固定子ヨークに対向して設けられたマグネットと、を備えている請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記可動支持体は筒状に形成され、前記ボイルコイルモータは、前記可動支持体内に設けられ前記ムービングコイルに対向したセンターヨークを有している請求項６に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記マグネットは、前記センターヨークと並んで前記一方向と同軸的に設けられ、前記固定子ヨークに固定されている請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記可動支持体は角筒状に形成され、前記センターヨークは角柱状に形成され、前記ボイスコイルモータは、前記可動支持体の少なくとも一辺と対向して設けられた板状のマグネットを備えている請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記可動支持体は円筒状に形成され、前記センターヨークは円柱状に形成され、前記ボイスコイルモータは、前記固定子ヨークに固定され前記ムービングコイルの周囲に対向配置された筒状のマグネットを備えている請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記ボイルコイルモータは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に固定され前記固定子ヨーク内に設けられたマグネットと、前記固定子ヨークに固定されて前記マグネットと対向したコイルと、を備えている請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記推力発生機構は、前記支持バネ機構に固定されているとともに、前記可動部に連結されたソレノイドを備えている請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記ソレノイドは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に巻装されているとともに前記固定子ヨーク内に設けられたムービングコイルと、前記固定子ヨークに固定され前記ムービングコイルと並んで前記一方向と同軸的に設けられたマグネットと、を備えている請求項１２に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記ソレノイドは、前記支持バネ機構に固定され前記一方向と同軸的に延びた円筒状の固定子ヨークと、前記支持バネ機構内および前記固定子ヨーク内に前記一方向に沿って移動可能に設けられているとともに前記可動部に連結された端部を有する可動支持体と、前記可動支持体に固定され前記固定子ヨーク内に設けられたマグネットと、前記固定子ヨークに固定され前記マグネットと並んで前記一方向と同軸的に設けられたコイルと、を備えている請求項１２に記載のアクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２７４７９３（Ｐ２００７−２７４７９３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−９５４４７（Ｐ２００６−９５４４７）
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１８日（２００７．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【出願人】（５９１１０８１７８）秋田県 (126)
【Ｆターム（参考）】
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