JPH04222472A - 圧電素子を利用したアクチュエータおよびその駆動方法 - Google Patents

圧電素子を利用したアクチュエータおよびその駆動方法

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JPH04222472A
JPH04222472A JP2405080A JP40508090A JPH04222472A JP H04222472 A JPH04222472 A JP H04222472A JP 2405080 A JP2405080 A JP 2405080A JP 40508090 A JP40508090 A JP 40508090A JP H04222472 A JPH04222472 A JP H04222472A
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JP
Japan
Prior art keywords
movable body
frictional force
piezoelectric element
actuator
fixed part
Prior art date
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Pending
Application number
JP2405080A
Other languages
English (en)
Inventor
Koji Ikuta
幸士 生田
Atsushi Kawahara
敦志 川原
Yukio Tsutsui
幸雄 筒井
Kensho Iwabuchi
岩渕 憲昭
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yaskawa Electric Corp
Original Assignee
Yaskawa Electric Corp
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Publication date
Application filed by Yaskawa Electric Corp filed Critical Yaskawa Electric Corp
Priority to JP2405080A priority Critical patent/JPH04222472A/ja
Publication of JPH04222472A publication Critical patent/JPH04222472A/ja
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、産業用,医療用のロボ
ットやマニピュレータ等のアクチューエータおよびその
駆動方法に関する。
【0002】
【従来の技術】移動対象を衝撃力を用いて微小移動させ
る方法および装置に関する技術として、特開昭60−6
0582号公報に記載されたものがある。
【0003】この中で示されている技術は、従来におい
ては、高精度の位置決め、微小距離の移動を得る場合に
は、案内機構の摩擦が障害になると考えられていたが、
この摩擦の存在を積極的に利用し、摩擦によって静止し
ている移動対象に微小な衝撃を与えて、微小な移動を生
じさせるもので、 (1)移動対象の静止位置が摩擦力で保持されているの
で、位置決め完了後の保持のためのパワーが必要でない
【0004】(2)一種の自走機構であるため、粗・微
動一体の働きを行うことができる。
【0005】などの特徴を有している。
【0006】この技術を実現した一例として、衝撃力を
発生する手段に圧電素子を利用したアクチュエータを図
7に示す。また図7のアクチュエータの駆動ステップに
対する移動状態と駆動電圧パターンをそれぞれ図8、図
9に示す。
【0007】図7のアクチュエータ1は、圧電素子6に
図9に示す電圧を印加して、移動体4と慣性体7との相
互作用により移動体4に作用している摩擦力より大きな
制御された衝撃力を移動体4に与えて微小移動させるこ
とができる。
【0008】以下にその駆動方法を図8を参照して説明
する。
【0009】■圧電素子6を一定の状態にする。
【0010】■圧電素子6に急激に電圧を印加して伸ば
し、移動体4と慣性体7を逆方向に移動させる。
【0011】■慣性体7の加速による慣性力が、移動体
4と固定部2の間の静止摩擦力よりも小さくなるように
加速度を制御することで、静止摩擦力によって移動体4
の動きを阻止し、慣性体7のみを引き戻す。
【0012】■素子が元の長さに戻ったところで慣性体
7の動きを急に止めてやれば、慣性体7が移動体4に衝
突する形になり、移動部3全体が静止摩擦力に打ち勝ち
運動を始める。
【0013】■慣性体7を引き戻すときに得た運動エネ
ルギを動摩擦力によって失うまで移動して停止する。
【0014】以上の■から■のステップを数サイクル繰
り返すことで微小な移動、あるいは長ストロークの移動
が可能である。
【0015】また上記は左方向への移動についての説明
であるが、右方向へ移動する場合には圧電素子6の伸び
と縮みの関係を反対になるように行えばよい。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】上記アクチュエータお
よび駆動方法は、産業用,医療用のロボットやマニピュ
レータ、あるいは駆動装置に用いられるアクチュエータ
に応用することが考えられる。これらの用途におけるア
クチュエータとして重要な条件は、小形、軽量で出力/
重量比の高いことはもちろんのこと、高速,高精度であ
ること、コンプライアンス制御へ対応できること、また
人間の周辺で動作する場合等には安全性を持っているこ
とである。
【0017】上記コンプライアンス制御とは、環境から
の拘束に適した柔軟な運動をさせるものである。例えば
ロボットアームによりバルブを回す作業や組立作業など
では、この種の柔軟性が必要であることが知られている
【0018】柔軟性を持ったアクチュエータの例として
生体の骨格筋が考えられる。この生体のアクチュエータ
は収縮と弛緩の2状態しかとれないが、1関節を1対以
上の拮抗する筋で構成して関節を駆動しているため、各
関節の駆動モードは、固定、増加、減少、自由といった
4状態を持つことができる。「固定」は一定位置で関節
位置を保持する状態、「増加」、「減少」は能動的に正
方向、負方向に回転あるいは並進運動をする状態、「自
由」は完全にフレキシブルで、外部からの拘束のなすが
ままに動かされる状態である。
【0019】また安全性については、上記固定、自由状
態は重要である。たとえばロボットアームで何か物体を
支持している場合は、外力により物体が落下しないよう
に強固にアームをアクチュエータにより固定しなければ
ならないし、逆にアームに何か(たとえば人間)が当た
った場合はこれを回避するため自由状態が必要となる。
【0020】しかし、従来の構成のままでは、移動体に
作用する摩擦力の大きさが、移動体の質量と移動体が保
持されている接触面の摩擦係数により決まる一定の値に
固定される。このため、前述■の駆動ステップにおいて
、移動体に作用している摩擦力が移動の妨げとなってお
り、また■の駆動ステップでは、静止摩擦力が小さい場
合は、慣性体を引き戻す加速度もそれに合わせて小さく
制御されなければならず、この駆動ステップで得る運動
量も小さくなり、結局■のステップの移動量が減少する
。これらの結果として高速な動作ができない。前後へ移
動する上記増加、減少の駆動モードは得られるが、様々
な外力に対して固定、自由の駆動モードを任意に切り換
えることが得られず、このような環境からの拘束に適応
した柔軟で安全な駆動を実現することができない。
【0021】そこで本発明は、高速、高精度で、環境か
らの拘束に適応した柔軟で安全な動作が可能な小型・軽
量のアクチュエータを提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電素子を利用
したアクチュエータは、固定部と、その固定部上で摩擦
接触している移動体と、その移動体に圧電素子を介して
前記移動体とは非接触状態で結合された慣性体と、前記
圧電素子に衝撃電圧を印加して前記摩擦力よりも大きな
制御された衝撃力を前記圧電素子によって発生する衝撃
力発生機構とを備え、この衝撃力により前記移動体に微
小な移動を与えるアクチュエータにおいて、前記固定部
と移動体との間の摩擦力の大きさを制御する圧電素子を
有する摩擦力調整機構を備えたアクチュエータとする。
【0023】また本発明のアクチュエータの駆動方法は
、固定部に対して摩擦力の作用下にある移動体に、その
摩擦力よりも大きな衝撃力を与えることにより、前記移
動体の微小な移動を行うアクチュエータの駆動方法にお
いて、前記摩擦力を制御しながら前記衝撃力を与えるこ
とにより前記移動体の移動量を制御する。
【0024】
【作用】上記手段により、移動体に作用する摩擦力を摩
擦力調整機構の圧電素子に印加する電圧によって変化さ
せる。これにより、摩擦力を大きくとって移動体を固定
して固定の駆動モードを、また摩擦力を小さくとって移
動体を外力によって簡単に動く自由の駆動モードをそれ
ぞれ得ることができるようになる。またその固定、自由
の駆動モードの中間の摩擦力の作用する駆動モードも得
ることができることになり、動作中にこれらを任意に制
御できるようになる。
【0025】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説
明する。
【0026】図1に本発明の具体的実施例の斜視図を、
また図2にその断面略図を示す。
【0027】本発明のアクチュエータ1は主に固定部2
と移動部3からなる。
【0028】移動部3は移動対象41、移動ベース42
および案内板43からなる移動体4と、駆動用圧電素子
61および慣性体7からなる衝撃力発生機構5によって
構成される。
【0029】固定部2にはその上部に案内溝9が設けら
れ、内部には摩擦力調整機構8(図3参照)が組み込ま
れている。
【0030】移動部3は固定部2に設けられた案内溝9
に移動部3の案内板43が僅かな隙間にて嵌合するよう
に固定部2上に配置され、案内溝9によって案内される
ことで、移動方向に移動可能となっている。移動部3の
移動ベース42と案内板43の固定部2への対向面10
、および固定部2の移動ベース42と案内板43への対
向面10は摩擦係数が小さくなるように樹脂コーティン
グなどの潤滑材を用いてもよい。
【0031】図3には摩擦力調整機構8を示している。 同図において、ピンチ用圧電素子62の一方の端が固定
部2の内側に固定され、他方の端に押し付け部材12が
取り付けられている。また押し付け部材12の先端に互
いの斜辺が接合するようにピンチ部材11が備えられて
おり、固定部2とによって移動体4の案内板43を挟み
込んでピンチできる構成となっている。したがって、ピ
ンチ用圧電素子62に電圧を印加して伸縮させることに
より、移動体4の案内板43をピンチして移動体4に作
用する摩擦力を調整することができる。なお、ピンチ用
圧電素子62の伸縮のストロークが不足し、その調整範
囲に影響を及ぼす場合には図4に示すように板状部の中
途にヒンジ部を形成したテコ作用を持つ変位拡大機構1
3を付加してもよい。
【0032】以上の構成による本発明の駆動方法の一例
を、以下に説明する。
【0033】本発明のアクチュエータ1は、図6に示す
駆動電圧V1 と摩擦調整電圧V2 を、移動部3の駆
動用圧電素子61と摩擦力調整機構8のピンチ用圧電素
子62へそれぞれ印加することにより以下のように動作
させる。図5には各駆動ステップに対するアクチュエー
タの移動状態を示している。
【0034】■駆動用圧電素子61を一定の状態にする
。この場合は駆動電圧V1 は最小で駆動用素子は縮ん
だ状態である。また摩擦調整電圧V2 も最小でピンチ
圧電素子62も縮んでおり、摩擦力は小さい。
【0035】■駆動用圧電素子61に急激に電圧を印加
して伸ばし、移動体4と慣性体7を互いに逆方向に移動
させる。ピンチ用圧電素子62は■の状態のままであり
、小さいエネルギで移動体4が動く。
【0036】■移動体4の移動が終了した時点で、ピン
チ用圧電素子62に電圧を印加して伸ばし、移動体4の
案内板43をピンチして移動体4に作用する摩擦力を大
とする。
【0037】■慣性体7の加速による慣性力が、移動体
4と固定部2の間の静止摩擦力よりも小さくなるように
加速度を制御することで、静止摩擦力によって移動体4
の動きを阻止し、慣性体のみを引き戻す。このとき■の
ステップで移動体4と固定部2の間の静止摩擦力が大き
くなっているので、より大きな加速によって慣性体7を
素早く引き戻すことができる。
【0038】■駆動用圧電素子61が元の長さに戻る寸
前に、ピンチ用圧電素子62に印加する電圧を下げて摩
擦力を再び小さくする。
【0039】■駆動用圧電素子61が元の長さに戻った
ところで慣性体7の動きを急に止めてやれば、慣性体7
が移動体4に衝突する形になり、移動部3全体が静止摩
擦力に打ち勝ち運動を始める。
【0040】■慣性体7を引き戻すときに得た運動エネ
ルギを動摩擦力によって失うまで移動して停止する。■
のステップで慣性体7を大きな加速度で引き戻していい
るため、移動部3が得た運動エネルギも大きく、また■
のステップで移動体4と固定部2の間の静止摩擦力が小
さくなっているので、移動量が大きくなる。
【0041】上記■から■のステップを数サイクル繰り
返すことで微小な移動、あるいは長ストロークの移動が
可能である。第1図の固定部3の移動方向についての長
さは、移動部3の長さよりやや長め程度に描いてあるが
、固定部3の長さを大きくとり、長ストローク化をする
こともできる。
【0042】また、以上は左方向への移動についての説
明であるが、右方向へ移動する場合については、駆動用
圧電素子61の伸びと縮みの関係は反対になるように、
摩擦力調整は左方向の場合と全く同様に行えばよい。
【0043】以上の本発明のアクチュエータは、動作中
に摩擦力調整機構8のピンチ用圧電素子62に印加する
摩擦調整電圧V2 の電位差ΔV2によって移動体4に
作用する摩擦力をある範囲で自由に、しかも瞬時に設定
することが可能であり、移動体4を固定、あるいは自由
状態にすることができるので、摩擦力を任意に制御して
環境からの拘束に適応した柔軟でしかも安全性を持たせ
た駆動を実現することができる。また、前記固定の駆動
モードは、圧電素子が電圧駆動であるため、小電力で行
うことができる。
【0044】また■のステップで慣性体7を素早く引き
戻すことができるので、1サイクルの動作をより速く完
了し、■のステップで1サイクルの移動量も大きいので
、移動の高速化が可能であるとともに、移動部3の位置
決めのための摩擦力も自由に設定できて、摩擦力を大き
くして、大きな衝撃力により微小移動させることでより
高精度な位置決めをすることも可能となる。
【0045】さらに、図1における衝撃力発生機構5は
、慣性体7を駆動用圧電素子61を取り囲む形のハウジ
ングと兼用し、小形で発生力の大きな圧電素子を採用す
れば全体がコンパクトになり、また必要なら摩擦力を大
きくとって移動体4を小さくすることも可能である。
【0046】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
摩擦力調整機構を備えることにより、環境からの拘束に
適応した柔軟で安全な駆動を実現することができ、高速
、高精度の動作ができ、さらに圧電素子を用いたので小
形、軽量となり、電圧源により簡単に高効率で駆動する
こともできるといった大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のアクチュエータの斜視図である。
【図2】本発明のアクチュエータの断面略図である。
【図3】摩擦力調整機構の構成図である。
【図4】変位拡大機構の構成図である。
【図5】駆動ステップに対する移動状態の説明図である
【図6】駆動電圧と摩擦力調整電圧のパターンを示すタ
イムチャート。
【図7】従来例のアクチュエータの正面図である。
【図8】従来例の駆動ステップに対する移動状態の説明
図である。
【図9】従来例の駆動電圧パターンである。
【符号の説明】
1  アクチュエータ 2  固定部 3  移動部 4  移動体 5  衝撃力発生機構 6  圧電素子 61  駆動用圧電素子 62  ピンチ用圧電素子 7  慣性体 8  摩擦力発生機構 13  変位拡大機構

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  固定部と、その固定部上で摩擦接触し
    ている移動体と、その移動体に圧電素子を介して前記移
    動体とは非接触状態で結合された慣性体と、前記圧電素
    子に衝撃電圧を印加して前記摩擦力よりも大きな制御さ
    れた衝撃力を前記圧電素子によって発生する衝撃力発生
    機構とを備え、この衝撃力により前記移動体に微小な移
    動を与えるアクチュエータにおいて、前記固定部と移動
    体との間の摩擦力の大きさを制御する圧電素子を有する
    摩擦力調整機構を備えたことを特徴とする圧電素子を利
    用したアクチュエータ。
  2. 【請求項2】  固定部に対して摩擦力の作用下にある
    移動体に、その摩擦力よりも大きな衝撃力を与えること
    により、前記移動体の微小な移動を行うアクチュエータ
    の駆動方法において、前記摩擦力を制御しながら前記衝
    撃力を与えることにより前記移動体の移動量を制御する
    ことを特徴とするアクチュエータの駆動方法。
JP2405080A 1990-12-21 1990-12-21 圧電素子を利用したアクチュエータおよびその駆動方法 Pending JPH04222472A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5821666A (en) * 1995-09-22 1998-10-13 Nippondenso Co., Ltd. United control system comprising a plurality of control units independently controllable

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5821666A (en) * 1995-09-22 1998-10-13 Nippondenso Co., Ltd. United control system comprising a plurality of control units independently controllable

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