JPH0430989A - 位置決めアクチュエータ装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高い位置決め精度が要求されるマイクロロボ
ットなどに適用する位置決めアクチュエータ装置に関す
る。

〔従来の技術〕

頭記したマイクロロボットのように極めて高い位置決め
精度の要求される精密位置決め機構として、電歪効果に
よる圧電素子の伸縮変形と慣性体の慣性力を利用してロ
ボットアームなどの移動体回転体を歩進移動、ないし回
転操作する圧電式アクチュエータ装置が次記の論文など
で既に提案されていて公知である。

論文名「圧電素子の急速変形を利用した超精密位置決め
機構Ｊ　　（１９８９年度精密工学春季大会学術講演会
講演論文集、６５１頁） 第５図、第６図、および第７図、第８図は前記論文で述
べられている直進移動型、および１自由度回転型の位置
決めアクチュエータ装置の構成。

動作原理を示すものである。

まず、第５図において、１は直線案内体２の面上に摺動
して移動自在に置かれた移動体であり、該移動体１の一
端には圧電素子３を介して慣性体４が結合され、これら
で直進移動型の位置決めアクチュエータ装置を構成して
いる。

かかるアクチュエータ装置の動作は次のように行われる
。なお、図中■〜■はスタートからエンドまでの１サイ
クル分の各動作状態を表している。

まず、スタートのでは移動体１が案内体２の面上に停止
し、かつ圧電素子３は縮まった状態にある。

この状態から■で圧電素子３に電圧パルスを印加して急
速に伸ばすと、圧電素子３の両側に結合した移動体１と
慣性体４とが互いに逆方向に移動し、この過程で移動体
１は案内体２との間の静止＊＊力に打ち勝って左方向に
移動路ＩＩ　ａ　＋たけ移動する。

続いて■にて印加電圧を下げて圧電素子３を縮め、移動
体１と案内体２との間の静止摩擦力を破らない程度の緩
い加速度で慣性体４を左側に引き寄せる。そして慣性体
４が加速された状態■で圧電素子３の変形を急止させる
と、慣性体４の慣性力が圧電素子３を介して移動体１に
加わり、移動体１は案内体２との間の静止摩擦力に打ち
勝って移動開始し、慣性体４の慣性力が移動体１と案内
体２との間の動摩擦で失われるまで左方向に移動距離ｂ
１だけ移動してエンド状態■となる。

かかる駆動操作を繰り返すことにより、各サイクルごと
に移動体ｌは案内体２０面上に沿って距１１ｃ＋　（Ｃ
＋　＝　ａｌ　＋ｂ＋　）ずつステップ状に歩進移動す
る。なお、圧電素子３の伸縮パターンを前記と逆にする
ことにより、移動体１を逆方向へ歩進移動操作すること
ができる。

また、第６図は前記した移動体１０歩進移動操作を連続
して繰り返し行った場合の圧電素子３に印加する電圧パ
ルスＶの波形図、および移動体ｌの移動距離を表したタ
イムチャート図である。なお、図中のＨ，Ｌは圧電素子
３に印加する電圧レベルを表しており、電圧レベルＨで
圧電素子が伸び、電圧レベルして圧電素子が縮むように
動作する。また、図中の■〜■はそれぞれ第５図に記し
た■〜■に対応した圧電素子の状態を表しており、■の
動作と次回サイクルの■の動作を同時に行って連続移動
操作させている。

かかる圧電式の位置決めアクチュエータ装置では、１サ
イクル当たりの歩進移動量は微小（μｍオーダー）であ
り、この歩進移動操作を連続的に繰り返し行いつつ、一
方では移動体１の移動距離を適宜なセンサで検出して圧
電素子３に印加する電圧を制御することにより、移動体
１を指定されま位置まで移動して高精度に位置決めでき
る。

次に、第７図、第８図に１自由度回転型ロボットに応用
した圧電式位置決めアクチュエータ装置の構成を示す０
図において、５はスタンドとしての支持体、６は支持体
５に軸支された回転軸、７は回転軸６の一端に固定した
ロボットアームとしての回転体、８は回転軸６の軸上に
取付けた圧縮ばねであり、回転軸６は圧縮ばね８のばね
付勢を受けてフランジ部６ａが支持体５の側面に押しつ
けられている。なお、９は固体潤滑材の軸受である。

一方、回転体７には、回転軸６を中心とした等距離の地
点に、偶力を発生するように圧電素子３を介して一対の
慣性体４が結合されている。

かかる構成で、第５図で述べた直進移動型と同様に圧電
素子３に電圧パルスを印加し、圧電素子３を伸縮させて
慣性体４を駆動することにより、圧電素子３の伸び、お
よび慣性体４の慣性力が回転体７に加わって回転体７が
回転軸６とともにその中心の回りでステップ状に歩進回
転する。なお回転体７に結合した回転軸６は、圧縮ばね
８のばね付勢によりフランジ部６ａを支持体５に押し付
けて接触力を加え、歩進回転動作に必要な静止摩擦力、
保持力を得るようにしている。

〔発明が解決しようとするＩｌｌり ところで、前記した従来構成のアクチュエータ装置では
動作面で次記のような問題点がある。

（１）移動体１１回転体７の高速移動操作が難しい。

すなわち、移動体１と案内体２との間（第５図参照）、
回転体７を結合した回転軸６と支持体５との間（第８図
参照）には移動過程で常に大きな摺動摩擦力が働くため
にエネルギー損失が大となり、アクチュエータ装置の駆
動効率が低い、また、第５図の■から■に移る動作過程
では、移動体１と案内体２との間の静止摩擦を破らない
程度の低い加速度で慣性体４を引き寄せる必要があるこ
とから、慣性体４に十分な運動エネルギーを与えること
ができず、このために■で移動する移動体１の移動路Ｉ
Ｉ　ｂ　＋が短くなる。さらに、■の動作に時間的制約
を受けるため、歩進移動動作の１サイクル分の所要時間
１＋　（第６図参照）が長くかかり、パルスレート（圧
電素子に印加する電圧パルスの周波数）を高めることが
困難となる。

（２）移動体１２２回転７の保持力を案内体２．支持体
５と回転軸６の間の接触摩擦に依存していることから、
この保持力を高めるようにすると、それだけ移動操作過
程での摩擦損失が増大して駆動効率が下がり、負荷能力
の降下を招く、逆に保持力を低めるようにすると、第５
図の■から■に移行する過程で移動体１と案内体２との
間の静止摩擦力が低下するために、■、■での移動動作
が不安定となる。

本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、先記
した移動体２回転体を摩擦力に依存することなく別な手
段で拘束、釈放操作することにより、従来装置の問題点
解決を図った位置決めアクチュエータ装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明は次記のように構成
するものとする。

（１）直進移動型のアクチュエータ装置において、圧電
素子の伸縮動作により移動体を案内体に対して拘束、釈
放する圧電式クランプ機構を備え、該圧電式クランプ機
構を移動体の歩進移動動作に合わせて駆動制御する。

（２）回転型のアクチュエータ装置において、圧電素子
の伸縮動作により回転軸を支持体に対して拘束、釈放す
る圧電式クランプ機構を備え、該圧電式クランプ機構を
回転体の歩進回転動作に合わせて駆動制御する。

〔作用〕

上記の構成おいて、圧電式クランプ機構の圧電素子に電
圧を印加すると圧電素子が伸びてクランプ機構が拘束動
作し、移動体、ないし回転体を案内体、支持体に対して
動かないようにその位置にクランプする。一方、圧電素
子への電圧印加を止めると、クランプ機構が釈放動作し
、移動体と案内体、ないし回転体と支持体との間の拘束
を解いてフリー状態にする。

したがって、クランプ機構の圧電素子と慣性体を駆動す
る圧電素子との間で適当な位相差を与えて同期的に電圧
パルスを印加し、拘束、釈放を交互に行うことにより、
摩擦力に依存することなく移動体２回転体を駆動効率よ
く、かつ高速で歩進移動１回転操作することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を直進移動型１回転型に分けて説
明する。なお、各実施例において第５図ないし第８図に
対応する同一部材には同じ符号が付しである。

実施例１： 第１図、第２図は直進移動型の位置決めアクチュエータ
装置の構成、動作の原理図を示したものであり、先に第
５図で述べた構成に加え、移動体１の上面に対向して、
表面を粗面化しするか、あるいは摩擦係数の大きな材料
で作られた押え片１０と、該押え片１０を押し下げ駆動
する圧電素子１１とを組合わせて構成した圧電式クラン
プ機構１２が新た追加装備されている。ここで、クラン
プ機構１２は、圧電素子１１に電圧を印加しない時は圧
電素子が縮んでいて押え片１０は移動体１と非接触、つ
まり釈放状態となる。一方、圧電素子１１に電圧を印加
すると圧電素子が伸びて押え片１０を下方に押し下げ駆
動し、移動体１を案内体２に押し付けてその位置に拘束
する。なお、案内体２と向かい合う移動体１の下面側に
は摩擦係数の小さな固体潤滑材９が被着されている。

かかる構成で、スタート■の停止状態では圧電式クラン
プ機構１２の圧電素子１１に電圧を印加し、移動体１を
案内体２０面上に押え付けてこの位置に拘束している。

この状態から■のようにクランプ機構１２を釈放して移
動体ｌをフリーとした直後に、圧電素子３へ電圧を印加
して圧電素子３を急速に伸ばすと移動体１と慣性体４と
が逆方向に移動し、この過程で移動体１が案内体２０面
上を左方向に移動路Ｈａｔだけ移動する。なお、移動体
ｌと案内体２との間に作用する動摩擦力は微小であり、
第５図における移動路Ｍａｔよりも大きな移動距離ａ、
が得られる０次に■でクランプ機構１２の圧電素子１１
に再び電圧を印加して移動体重をその位置に拘束し、か
つその直後に圧電素子３の印加電圧を急速に低めて圧電
素子を縮めると、慣性体４は大きな加速度で左側に引き
寄せられる。そして慣性体４が十分な運動エネルギーを
得たところで、クランプ機構１２を釈放すれば、■のよ
うに慣性体４の慣性力を受けて移動体１が案内体２の面
上を滑動し、左方へ移動路１ｍ　ｂ　！だけ移動する。

ここで、■のように圧電式クランプ機構１２で移動体１
を拘束すれば、移動体１はスタート■の位置から移動路
１ｌＣｌ　（ｃｔ　−ａｌ　＋ｂｔ　）だけ移動した位
ｉにクランプされる。

第２図は前記した移動体１の歩進移動操作を連続的に繰
り返し行った場合に対応する慣性体駆動用の圧電素子３
．およびクランプ機構１２の圧電素子１１に印加する電
圧パルスＬ＋　Ｖｔの波形図、および移動体１の移動距
離を表したタイムチャート図である。なお、圧電素子３
，１１はそれぞれ電圧レベルＨで伸び、電圧レベルＬで
縮んだ状態になり、かつ圧電式クランプ機構１２は圧電
素子１１の伸び。

縮みに対応して拘束、釈放動作する。

この図で明らかなように、圧電素子１１に印加する電圧
パルスＶｔは、圧電素子３に印加する電圧パルスジ１と
の間に所定の位相差を以て同期している。

また、図中における■の過程では、移動体】をクランプ
機構１２で強制的に拘束しているので、第５図、第６図
で述べた従来方式のように移動体】の保持力を案内体２
との間の静止摩擦力に依存する必要がなく、慣性体４を
大きな加速度で引き寄せるように電圧パルスジ１をＨレ
ベルからＬレベルへ急減させることができる。これによ
り、歩進移動操作の１サイクル時間Ｔｔを従来方式の時
間Ｔ１よりも大幅に短縮してパルスレートを高め、移動
体１の高速移動操作が可能となる。

実施例２： 第３図は実施例１で述べた直進移動型のアクチュエータ
装置を具体化した実施例を示すものであり、移動体１は
スタンド１３に取付けた筒状の案内体２の筒内にガイド
支持されており、その後端側に圧電素子３を介して慣性
体４が結合されている。

また移動体１の周面には固定潤滑材の軸受９が装着され
ており、さらに移動体の軸上には、ラジアル方向に伸縮
するリング状の圧電素子１１と、案内体２の内周面に対
向させて圧電素子１１の外周面に取付けた押え片１０と
で構成した圧電式クランプ機構１２が組み込まれている
。

かかる構成で、クランプ機構１２の圧電素子１１に電圧
を印加してない状態では、押え片１０が案内体２の内周
面から離れて移動体１をフリーにする。

一方、圧電素子１１に電圧を印加すと圧電素子がラジア
ル方向に伸びて押え片１０を案内体２の内周面に押しつ
け、移動体１をその位置に拘束する。

したがって、駆動用の圧電素子３．およびクランプ機構
１２の圧電素子１１に対し、実施例１と同様に電圧パル
スを印加することにより、移動体ｌを案内体２に沿って
ガイドしつつ指定の位置決め位置に向けて歩進移動操作
することができる。

実施例３： 第４図（ａｌ、（ｂｌは第７図に示した１自由度回転型
の位置決めアクチュエータ装置に対応する本発明の実施
例を示すものである。この実施例では、第７図における
圧縮ばね８の代わりに、軸方向に伸縮する圧電素子１１
と、支持体５に対向して圧電素子１１の端面に取付けた
押え片１０とからなる圧電式クランプ機構１２を、回転
体７を結合した回転軸６の軸上に取付けて構成したもの
である。

ここで電圧を印加して圧電素子１１を伸ばすと、（８１
図のように押え片１０が支持体５に突き当たって回転軸
６を左方へ引張り、回転軸６のフランジ部６８を支持体
５の板面に押しつけて回転アーム７をその位置に拘束保
持する。また、圧電素子１１への電圧印加を止めると［
有］）図のように圧電素子１１が縮み、押え片１０が後
退して支持体５から離脱するので、回転体７はフリーの
状態となる。

したがって実施例１，２と同様な要領で、クランプ機１
１１２の圧電素子１１と、慣性体４を回転体７に結合し
た圧電素子３とを適当に同期させて電圧パルスを繰り返
し印加し、この過程で圧電式クランプ機構１２を回転体
７の回転動作に合わせて拘束。

釈放制御することにより、回転体７は静止摩擦に依存す
ることなく回転軸６と共にその中心の回りで的確にステ
ップ状に歩進回転する。

〔発明の効果〕

本発明の位置決めアクチュエータ装置は、以上説明した
ように構成されているので、次記の効果を奏する。

（１）直進移動型の移動体、ないし回転型の回転体を案
内体、支持体に対して拘束、釈放する圧電式クランプ機
構を設けたことにより、従来装置のように静止摩擦に依
存することなく、移動体１回転体をクランプ機構により
拘束、釈放した状態で的確に歩進移動２回転操作するこ
とができる。

（２）これにより、従来のアクチエエータ装置で問題と
なっていた摩擦抵抗による運動エネルギーの損失が殆ど
発生せず、高速な移動１回転操作が可能で、しかも保持
力、負荷能力に優れた位置決めアクチュエータを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は直進移動型を対象とした本発明実施例の構成、
並びに移動動作の原理図、第２図は第１図における圧電
素子に印加する電圧パルス波形移動体の移動距離を表し
たタイムチャート図、第３図は第１図を具体化した実施
例の構成断面図、第４図（ａ）、（ｂ）は回転型を対象
とした本発明実施例の異なる動作状態を表した構成断面
図、第５図は従来における直進移動型位置決めアクチュ
エータ装置の構成、動作の原理図、第６図は第５図にお
ける圧電素子に印加する電圧パルス波形、移動体の移動
距離を表したタイムチャート図、第７図。 第８図は従来における回転型位置決めアク千ユエータの
構成を示す側面図、およびその正面断面図である０図に
おいて、 ｌ：移動体、２：案内体、３：圧電素子、４：慣性体、
５：支持体、６：回転軸、７：回転体、１１：圧電素子
、１２：圧電式クランプ機構。 へ、゛石−７ 第１０ 第２図 第３図 一−１ Ｃ＋ 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）直線案内体の面上に摺動して移動自在に担持された
   移動体に対し、駆動用圧電素子を介して結合した慣性体
   を備えてなり、前記圧電素子に電圧パルスを印加して慣
   性体を駆動し、その慣性力により移動体を案内体に沿っ
   て歩進移動操作する位置決めアクチュエータ装置におい
   て、圧電素子の伸縮動作により前記移動体を案内体に対
   して拘束、釈放する圧電式クランプ機構を備え、該圧電
   式クランプ機構を移動体の歩進移動動作に合わせて駆動
   制御することを特徴とする位置決めアクチュエータ装置
   。 ２）回転軸を介して支持体に軸支された回転体に対し、
   駆動用圧電素子を介して結合した慣性体を備えてなり、
   前記圧電素子に電圧パルスを印加して慣性体を駆動し、
   その慣性力により回転体を回転軸とともに歩進回転操作
   する位置決めアクチュエータにおいて、圧電素子の伸縮
   動作により前記回転体を支持体に対して拘束、釈放する
   圧電式クランプ機構を備え、該圧電式クランプ機構を回
   転体の歩進回転動作に合わせて駆動制御することを特徴
   とする位置決めアクチュエータ装置。