インパクト駆動アクチュエータ
【課題】 設置位置の調整の手間がなく簡単に移動対象物の位置を検知することができるインパクト駆動アクチュエータを提供する。
【解決手段】 インパクト駆動アクチュエータ１００は、パルス電圧の印加により急峻な変形を起こし、衝撃的な慣性力を移動対象物２１に与えて移動対象物２１を移動させる積層型圧電素子１１０と、該圧電素子１１０を移動対象物２１に接触させるエアシリンダ１２０と、圧電素子１１０と一体的に設けられて移動対象物２１の位置を検知する接触式の変位センサ１４０とを有する。
【解決手段】 インパクト駆動アクチュエータ１００は、パルス電圧の印加により急峻な変形を起こし、衝撃的な慣性力を移動対象物２１に与えて移動対象物２１を移動させる積層型圧電素子１１０と、該圧電素子１１０を移動対象物２１に接触させるエアシリンダ１２０と、圧電素子１１０と一体的に設けられて移動対象物２１の位置を検知する接触式の変位センサ１４０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、移動対象物に衝撃的な慣性力を加えて移動対象物を所定方向に移動させて位置決めするインパクト駆動アクチュエータに関し、より具体的には、移動対象物の位置を特定可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子、特に積層型圧電素子は、低電圧の印加で大きな変位量を得ることができ、また周波数応答性に優れ、発生力が大きいという特徴を有する。これを利用して、例えば、積層型圧電素子に所定周波数の矩形波形電圧を印加して積層型圧電素子に急峻な伸長変位を起こさせ、このときに積層型圧電素子に発生する衝撃的な慣性力、つまりインパクト力を移動対象物に加えて移動対象物を移動させることによって、移動対象物の位置決めを行うことが知られている。
【０００３】
特許文献１では、圧電素子をエアーシリンダなどの空気圧で移動対象物に押圧し、圧電素子にパルス電圧を加えて生じる衝撃力で位置決めをする発明が提案されている。また、特許文献２では、エアーシリンダに代えてばねで圧電素子を移動対象物に押圧する構成が提案されている。
【０００４】
しかし、これらに記載の位置決め装置は、移動対象物の位置を測定しないので、位置決め再現性が殆どないという問題があった。これに対し、特許文献３では、変位センサを設け、移動対象物の位置を検知する、位置決め再現性を持たせたものが提案されている。
【０００５】
図５は、特許文献３に記載された位置決め装置の斜視図である。同図に示されるように、位置決め装置１は、駆動部２と移動対象部３とから構成されており、駆動部２はアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０を保持する保持部材１１と、保持部材１１を保持する支持台１２とを具備し、アクチュエータ１０は、圧電素子１３と、圧電素子１３に取り付けられたおもり１４と、圧電素子１３を駆動させたときに圧電素子１３に発生するインパクト力を移動対象物２１に加えるヘッド（先端部材部）１５と、ヘッド１５が移動対象物２１に当接するように圧電素子１３とヘッド１５を所定の圧力で移動対象物２１に向けて押圧するエアーシリンダ１６とを有している。
【０００６】
なお、位置決め装置１は、移動対象物２１の移動量を検出する変位センサ１７を有し、この変位センサ１７は駆動部２に含まれる。また、位置決め装置１においては、圧電素子１３に発生するインパクト力は、おもり１４によって増大されて、より大きなインパクト力となって移動対象物２１へ加えられることとなる。
【０００７】
移動対象部３は、被衝撃対象物たる移動対象物２１と、この移動対象物２１を載置するＶ溝ブロック２２と、Ｖ溝ブロック２２を保持する支持ブロック２３と、移動対象物２１を所定の圧力でＶ溝ブロック２２に押圧する予圧機構２４を具備している。予圧機構２４はネジ棒３１と、移動対象物２１に当接した円盤部材３２と、バネ３３と、バネ３３の上部位置に配置された円盤部材３４と、円盤部材３４の位置を定めるナット３５とから構成されている。
【０００８】
アクチュエータ１０の構成部材である圧電素子１３としては、低電圧で大きな変位量を得ることができ、かつ、周波数応答性が良好であり、変位時に大きな発生力が得られる積層型圧電素子が用いられる。また、圧電素子１３に取り付けられるおもり１４としては、比重が大きく圧電素子１３に生ずる変位を吸収し難い材料、具体的には金属部材が用いられる。
【０００９】
ヘッド１５は、圧電素子１３を駆動させたときにアクチュエータ１０に発生するインパクト力をできるだけ吸収することなく移動対象物である移動対象物２１に加えることができるように、剛性が大きく変形し難いもの、例えば、エンジニアリングセラミックス部材や鋳鉄、硬質ステンレス鋼等で形成される。
【００１０】
エアーシリンダ１６は、ヘッド１５が移動対象物２１に当接するように圧電素子１３とおもり１４とヘッド１５を所定の圧力で移動対象物２１に向けて押圧するが、このエアーシリンダ１６による押圧力によって移動対象物２１が移動することがないように、エアーシリンダ１６の押圧力の大きさが設定されている。エアーシリンダ１６は、圧電素子１３を伸長変位させたときに圧電素子１３に発生するインパクト力をおもり１４により増大させてヘッド１５を介して移動対象物２１に加えたときに受ける反作用の力によって可能な限り後退しないように、つまり、アクチュエータ１０に発生するインパクト力が確実に移動対象物２１へ加えられるように保持されている。
【００１１】
変位センサ１７は、移動対象物２１の移動量を検出し、この検出結果を圧電素子１３の信号発生器にフィードバックする。信号発生器は、移動対象物２１の位置を確認しながら圧電素子１３へ印加する電圧パルスの形態を制御する。これによって移動対象物２１を所定位置へ移動することができるので、位置決め再現性があるといえる。
【００１２】
次に、図６（ａ）〜（ｃ）を参照して特許文献１に記載されたインパクト駆動アクチュエータ１の駆動原理を説明する。移動対象物２１は、予圧機構２４によって矢印方向にＦの力で押圧されて床面上に摩擦保持されている（図６（ａ））。エアーシリンダ１６のシリンダチューブ内に圧縮空気を注入することによって、移動対象物２１とヘッド１５の先端とは、互いに圧接した状態になっている（図６（ｂ））。次に、圧電素子１３にパルス電圧を印加することによって、圧電素子１３は急峻に変形して移動対象物２１をｄだけ移動する。パルス電圧が消滅するとヘッド１５との間には空隙ｓが生じるが（図６（ｃ））、圧縮空気による一定圧力により移動対象物２１とヘッド１５は再び互いに圧接する。この動作を繰り返すことによって、移動体は矢印の＋Ｘ方向に順次移動することができる。
【００１３】
図７は圧電素子１３に８０〜１５０Ｖのパルス電圧を印加したときの１パルス当たりの移動量を示す線図である。使用した圧電素子の形状は、５×５×２０ｍｍで、１５０Ｖの電圧印加に対して約１５μｍの変位量が得られる。移動対象物に対する予圧力４５０Ｎ、摩擦係数０．１３としたとき、１５０Ｖのパルス電圧の印加によって、１パルス当たり約０．６μｍのステップ変位が見られた。このようにインパクト駆動アクチュエータは、摩擦保持された移動対象物や重量のある移動対象物をスティックスリップ現象を起こすことなくサブミクロンの分解能で移動させることができる。
【特許文献１】特開平１１−１４３５４１
【特許文献２】特開平１１−１４３５４２
【特許文献３】特開２００２−２２９６４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来のインパクト駆動アクチュエータは、摩擦保持されたものや、重量のある移動対象物２１をサブミクロンの分解能で移動させることができるが、移動対象物２１の位置を測定するには、変位センサ１７を別個に設置する必要があるため、設置スペースが大きくなったり、配線が煩雑になったり、設置位置の調整に手間が掛かるなどの問題があった。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、設置位置の調整の手間がなく簡単に移動対象物の位置を検知することができるインパクト駆動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】
【００１６】
上記の目的を達成するために本発明のインパクト駆動アクチュエータは、急峻な変形によって衝撃的な慣性力を移動対象物に与えて移動対象物を移動させる素子と、該素子を移動対象物に接触させる移動手段と、前記素子と一体的に設けられて前記移動対象物の位置を検知する接触式の変位センサとを有することを特徴としている。
【００１７】
また、前記変位センサが、前記移動対象物の移動により変位する可動部に設けられた磁性体と、該磁性体と対向する固定位置に設けられた一次側のインダクタと、該一次側のインダクタと前記磁性体を挟んで固定位置に対向配置された２つの二次側のインダクタと、該二次側のインダクタの差分を検知する検知手段と、を有し、該検知手段が二次側のインダクタの差分の変化を検知することで、移動対象物の位置を検出する構成とすることができる。
【００１８】
さらに、前記移動手段が弾性体で、該弾性体が前記素子を移動対象物に押圧している構成としたり、前記弾性体が空気圧である構成としたり、前記弾性体がばねである構成としたり、前記弾性体が、流体シリンダであり、該流体シリンダが前記素子を前記移動対象物に押圧する構成としたり、前記素子が、電歪素子または磁歪素子である構成としたり、前記素子が、複数の電歪素子または磁歪素子を積層した構成としたりすることができる。
【００１９】
また、前記素子と前記移動手段と前記変位センサとをカバーで覆って一体とした構成としたり、前記移動手段の受部までを前記カバーで覆って一体とした構成としたりすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、急峻な変形によって衝撃的な慣性力を移動対象物に与えて移動対象物を移動させる素子と一体に変位センサを設けてインパクト駆動アクチュエータを構成したので、本発明のインパクト駆動アクチュエータを設置すれば、変位センサを同時に設置できることになり、変位センサを別個に設置調整する手間が不要になり、簡単に移動対象物の位置を検知することができる。
【００２１】
また、変位測定手段が移動対象物を移動させる素子と一体になっているので、小型、軽量化し易くなる。また、移動量を測定することによって、再現性の良い位置決めが可能となる。
【００２２】
変位センサが、前記移動対象物の移動により変位する可動部に設けられた磁性体と、該磁性体と対向する固定位置に設けられた一次側のインダクタと、該一次側のインダクタと前記磁性体を挟んで固定位置に対向配置された２つの二次側のインダクタと、該二次側のインダクタの差分を検知する検知手段と、からなる構成とすることで、差動トランスを用いた分解能に優れた検知手段を得ることができる。
【００２３】
素子の移動手段を弾性体にすることで、衝撃力を与えて移動対象物を移動した後は、素子が移動対象物に必ず密着するので、正確な位置を検知することができる。
【００２４】
素子と移動手段と変位センサとをカバーで覆って一体としたり、移動手段の受部までを前記カバーで覆って一体とすると、インパクト駆動アクチュエータの設定がさらに簡単にできるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は本発明のインパクト駆動アクチュエータの第１の実施例を示す図である。急峻な伸張変位によって衝撃的な慣性力を生じさせる素子として圧電素子１１０が用いられている。圧電素子１１０は多数の圧電素子を積層したもので、その両端には、おもり１１１，１１２が取りつけられ、板ばね１１４，１１５によって圧電素子１１０には圧縮される方向に予圧がかけられている。全体は、カバー１１６に覆われ、カバー１１６の一方の先端には接触子１１８が取りつけられ、他方には、移動手段としてのエアーシリンダ１２０の可動部としてのシリンダロッド１２１の先端が固定されている。シリンダロッド１２１は、基端側がシリンダチューブ１２２内に収容され、シリンダチューブ１２２の他方には、空気注入口１２３が設けられている。この移動手段はシリンダチューブ１２２を床面や壁面などの固定部１３０に固定されている。
【００２７】
可動部としてのシリンダロッド１２１には磁性体からなるコア１４１が取りつけられており、また、コア１４１の両側には一次側のインダクタ１４２と、二次側のインダクタ１４３および１４４とが互いに対向するように配置されている。インダクタ１４２には、交流電源１４５が接続され、更に、インダクタ１４３と１４４とは互いに差動接続されており、増幅された差動出力が検知手段１４６で検知されるようになっている。すなわち、コア１４１，インダクタ１４２〜１４４によって、変位センサ１４０としての差動トランスが構成されていることになる。
【００２８】
インパクト駆動アクチュエータ１００の一端は、弾性体であるエアーシリンダ１２０の空気圧を介して固定部１３０に固定されている。また一次側と二次側のインダクタ１４２〜１４４も固定部１３０に固定されている。
【００２９】
図２（ａ）〜（ｃ）によって差動トランスの作用を説明する。
【００３０】
一次側のインダクタ１４２に交流電源１４５からの電圧を印加すると二次側のインダクタ１４３および１４４には誘起電圧が生じる。コア１４１に対してインダクタ１４２、インダクタ１４３，１４４が対称位置にある場合（図２（ａ））は、インダクタ１４３とインダクタ１４４で生じた誘起電圧は互いに打ち消し合って検知手段１４６における出力電圧は０となる。圧電素子１１０を＋Ｘ方向に移動させた場合には、コア１４１とインダクタ１４２，１４３および１４４が非対称の位置関係になるため、インダクタ１４３で発生した誘起電圧と、インダクタ１４４で発生した誘起電圧とに差が生じて、検知手段１４６では、移動量に比例した交流電圧が得られる（図２（ｂ））。検知手段１４６には、増幅された差動電圧が印加され、移動量に比例した交流電圧が出力されるようになっている。圧電素子１１０が−Ｘ方向に移動した場合には＋Ｘ方向の移動とは符号が反転した交流出力信号が生じる（図２（ｃ））。したがって、交流信号をモニタすることによって、インパクト駆動アクチュエータ１００における接触子１１８の先端位置を測定することが可能となる。
【００３１】
次に、本発明のインパクト駆動アクチュエータ１００の作用を説明する。
【００３２】
図１において、移動対象物２１は、予圧機構２４によって矢印方向に押圧されて床面１３１上に摩擦保持されている。エアーシリンダ１２０の空気注入口１２３から圧縮空気をシリンダチューブ１２２内に注入することによって、シリンダロッド１２１は図の左側に移動し、移動対象物２１と接触子１１８の先端とは、互いに圧接した状態になる。
【００３３】
このエアーシリンダ１２０による押圧力によって移動対象物２１が移動することがないように、エアーシリンダ１２０の押圧力の大きさの上限は、移動対象物２１の摩擦保持力の大きさを考慮して設定されている。
【００３４】
次に、圧電素子１１０にパルス電圧を印加することによって、圧電素子１１０は急峻に変形して移動対象物２１を図の左側に押動する。圧電素子１１０を伸長変位させたときに圧電素子１１０に発生するインパクト力をおもり１１１，１１２により増大させて接触子１１８に伝える。このときの反作用でエアーシリンダ１２０が後退するが、圧電素子１１０の伸張変位以上後退しないようにすることで、エアーシリンダ１２０の圧力の下限を決めることができる。
【００３５】
圧電素子１１０に印加したパルス電圧が消えると、瞬間的に接触子１１８との間には空隙が生じるが、エアーシリンダ１２０の圧縮空気による一定圧力により再び接触子１１８は移動対象物２１に圧接する。この動作を繰り返すことによって、移動対象物２１は図１の左方向に順次移動することができる。
【００３６】
エアーシリンダ１２０は、圧縮空気が弾性体のように作用するので、圧電素子１１０に急峻な伸張がない状態では、接触子１１８を移動対象物２１に常時、押圧した状態になる。したがって、パルス電圧が圧電素子１１０に印加され、移動対象物２１が移動すると、その移動した分だけシリンダロッド１２１も移動し、コア１４１も移動する。コア１４１が移動すると、図２で説明したように、変位センサ１４０としての差動トランスの検知手段１４６の出力が変化し、移動対象物２１の位置を検知することができる。
【００３７】
たとえば、移動対象物２１が初期の位置に摩擦保持された状態のとき、接触子１１８が移動対象物２１に圧接し、かつ、コア１４１がインダクタ１４２〜１４４の対称位置になるようにインパクト駆動アクチュエータ１００を設置すると、このときの検知手段１４６の出力は０となる。この値を基準の位置における変位センサ１４０の出力値と決めておけば、その後、インパクト駆動アクチュエータ１００によって移動対象物２１が移動した距離を正確に測定することができる。基準値は、検知手段１４６の出力が０の位置に限定されず、任意の位置でよい。
【００３８】
本発明では、変位センサ１４０がインパクト駆動アクチュエータ１００と一体になっているので、インパクト駆動アクチュエータ１００の設置をすれば、変位センサ１４０の位置も同時に決めることができることになる。特許文献１に記載のアクチュエータでは、アクチュエータの設置と、変位センサの設置とを別個にしなければならず、変位センサの設置が余分であり、これに非常に時間が掛かったが、本発明では、そのような煩わしさを全く無くすことができた。
【００３９】
また、変位センサ１４０がインパクト駆動アクチュエータ１００と一体になっているので、設置スペースを小さくすることができ、配線も簡単にすることができる。また圧電素子１１０に代えて磁歪素子を積層したものを使用してもよい。
【００４０】
図３は、本発明のインパクト駆動アクチュエータの第２の実施例の構成を示す図である。第１の実施例と共通する構成には、同じ符号を付し、相違点を中心に説明する。このインパクト駆動アクチュエータ２００は、エアーシリンダ１２０に代えてばね２２０を使用し、接触子２１８を移動対象物２１側に長く延ばして、ここに変位センサ１４０を設けたことに特徴がある。ここでは、接触子２１８が可動部となる。床面などの固定部１３０に固定された変位センサ１４０のうち、接触子２１８は進退自在になっている。
【００４１】
インパクト駆動アクチュエータ２００の本体部分の後端にあるばね２２０は、弾性体による押圧手段としてのものであり、床や壁などの固定部１３０に固定されている。コア１４１が移動するとインダクタ１４２〜１４４のインダクタンスが変化することによって、移動対象物２１の位置を測定することは第１の実施例と同様である。この実施例によれば、エアーシリンダを使用しないので、実施例１の装置より安価にできる。
【００４２】
図４は、本発明のインパクト駆動アクチュエータの第３の実施例の構成を示す図である。この実施例は、第２実施例と共通する部分が多いが、最も後端のばね２２０の後端を受ける受部３１０から接触子２１８までの全体をカバー３２０で覆い、インパクト駆動アクチュエータ３００を一体構造にした点に特徴がある。
【００４３】
このような構成にすることで、使用する際には、インパクト駆動アクチュエータ３００の接触子２１８の先端を移動対象物２１に押圧して受部３１０を床や壁などの固定部１３０に固定するだけで設定が完了する。実施例２よりさらに簡単に設定できる。
【００４４】
このように本発明のインパクト駆動アクチュエータ１００，２００，３００は移動量を測定するための変位センサ１４０としての差動トランスが内蔵されているため、接触子１１８，２１８の先端位置の移動量をモニタすることが可能なほか、たとえば、クローズドループフィードバック制御することによって、再現性良く移動対象物２１の位置決めをすることができる。また、変位センサ１４０を内蔵することによって小型、軽量化が容易で、設置の際にも特に調整を必要とすることがなく簡便に取り扱うことが可能である。
【００４５】
なお、上記第１の実施例では、圧電素子１１０の移動手段としてエアーシリンダ１２０を用いたが、油圧シリンダなどを含めた流体シリンダとすることができる。また、このような流体シリンダや上記第２の実施例のようなばね２２０などを用いた弾性付勢の構成に限定されず、弾性を利用しないで接触させる構成としてもよい。たとえば、接触子１１８に雄ネジを形成し、エアーシリンダに代えて雌ネジのある円板を設け、この円板を廻すことで、接触子１１８と圧電素子１１０とを移動対象物２１に常時接触させる構成としてもよい。
【００４６】
また、変位センサとして差動トランスを使用したが、素子と一体化できるものであればよく、この構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のインパクト駆動アクチュエータの第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、差動トランスの作用を説明する図である。
【図３】本発明のインパクト駆動アクチュエータの第２の実施例の構成を示す図である。
【図４】本発明のインパクト駆動アクチュエータの第３の実施例の構成を示す図である。
【図５】従来の位置決め装置の構成を示す斜視図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、図５のインパクト駆動アクチュエータ１の駆動原理を説明する図である。
【図７】圧電素子に８０〜１５０Ｖのパルス電圧を印加したときの１パルス当たりの移動量を示す線図である。
【符号の説明】
【００４８】
２１ 移動対象物
１００，２００，３００ インパクト駆動アクチュエータ
１１０ 圧電素子（素子）
１１８，２１８ 接触子（可動部）
１２０ エアーシリンダ（移動手段、押圧手段）
１２１ シリンダロッド（可動部）
１３０ 固定部
１４０ 変位センサ
１４１ コア（磁性体）
１４２ 一次側のインダクタ
１４３，１４４ 二次側のインダクタ
１４６ 検知手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、移動対象物に衝撃的な慣性力を加えて移動対象物を所定方向に移動させて位置決めするインパクト駆動アクチュエータに関し、より具体的には、移動対象物の位置を特定可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子、特に積層型圧電素子は、低電圧の印加で大きな変位量を得ることができ、また周波数応答性に優れ、発生力が大きいという特徴を有する。これを利用して、例えば、積層型圧電素子に所定周波数の矩形波形電圧を印加して積層型圧電素子に急峻な伸長変位を起こさせ、このときに積層型圧電素子に発生する衝撃的な慣性力、つまりインパクト力を移動対象物に加えて移動対象物を移動させることによって、移動対象物の位置決めを行うことが知られている。
【０００３】
特許文献１では、圧電素子をエアーシリンダなどの空気圧で移動対象物に押圧し、圧電素子にパルス電圧を加えて生じる衝撃力で位置決めをする発明が提案されている。また、特許文献２では、エアーシリンダに代えてばねで圧電素子を移動対象物に押圧する構成が提案されている。
【０００４】
しかし、これらに記載の位置決め装置は、移動対象物の位置を測定しないので、位置決め再現性が殆どないという問題があった。これに対し、特許文献３では、変位センサを設け、移動対象物の位置を検知する、位置決め再現性を持たせたものが提案されている。
【０００５】
図５は、特許文献３に記載された位置決め装置の斜視図である。同図に示されるように、位置決め装置１は、駆動部２と移動対象部３とから構成されており、駆動部２はアクチュエータ１０と、アクチュエータ１０を保持する保持部材１１と、保持部材１１を保持する支持台１２とを具備し、アクチュエータ１０は、圧電素子１３と、圧電素子１３に取り付けられたおもり１４と、圧電素子１３を駆動させたときに圧電素子１３に発生するインパクト力を移動対象物２１に加えるヘッド（先端部材部）１５と、ヘッド１５が移動対象物２１に当接するように圧電素子１３とヘッド１５を所定の圧力で移動対象物２１に向けて押圧するエアーシリンダ１６とを有している。
【０００６】
なお、位置決め装置１は、移動対象物２１の移動量を検出する変位センサ１７を有し、この変位センサ１７は駆動部２に含まれる。また、位置決め装置１においては、圧電素子１３に発生するインパクト力は、おもり１４によって増大されて、より大きなインパクト力となって移動対象物２１へ加えられることとなる。
【０００７】
移動対象部３は、被衝撃対象物たる移動対象物２１と、この移動対象物２１を載置するＶ溝ブロック２２と、Ｖ溝ブロック２２を保持する支持ブロック２３と、移動対象物２１を所定の圧力でＶ溝ブロック２２に押圧する予圧機構２４を具備している。予圧機構２４はネジ棒３１と、移動対象物２１に当接した円盤部材３２と、バネ３３と、バネ３３の上部位置に配置された円盤部材３４と、円盤部材３４の位置を定めるナット３５とから構成されている。
【０００８】
アクチュエータ１０の構成部材である圧電素子１３としては、低電圧で大きな変位量を得ることができ、かつ、周波数応答性が良好であり、変位時に大きな発生力が得られる積層型圧電素子が用いられる。また、圧電素子１３に取り付けられるおもり１４としては、比重が大きく圧電素子１３に生ずる変位を吸収し難い材料、具体的には金属部材が用いられる。
【０００９】
ヘッド１５は、圧電素子１３を駆動させたときにアクチュエータ１０に発生するインパクト力をできるだけ吸収することなく移動対象物である移動対象物２１に加えることができるように、剛性が大きく変形し難いもの、例えば、エンジニアリングセラミックス部材や鋳鉄、硬質ステンレス鋼等で形成される。
【００１０】
エアーシリンダ１６は、ヘッド１５が移動対象物２１に当接するように圧電素子１３とおもり１４とヘッド１５を所定の圧力で移動対象物２１に向けて押圧するが、このエアーシリンダ１６による押圧力によって移動対象物２１が移動することがないように、エアーシリンダ１６の押圧力の大きさが設定されている。エアーシリンダ１６は、圧電素子１３を伸長変位させたときに圧電素子１３に発生するインパクト力をおもり１４により増大させてヘッド１５を介して移動対象物２１に加えたときに受ける反作用の力によって可能な限り後退しないように、つまり、アクチュエータ１０に発生するインパクト力が確実に移動対象物２１へ加えられるように保持されている。
【００１１】
変位センサ１７は、移動対象物２１の移動量を検出し、この検出結果を圧電素子１３の信号発生器にフィードバックする。信号発生器は、移動対象物２１の位置を確認しながら圧電素子１３へ印加する電圧パルスの形態を制御する。これによって移動対象物２１を所定位置へ移動することができるので、位置決め再現性があるといえる。
【００１２】
次に、図６（ａ）〜（ｃ）を参照して特許文献１に記載されたインパクト駆動アクチュエータ１の駆動原理を説明する。移動対象物２１は、予圧機構２４によって矢印方向にＦの力で押圧されて床面上に摩擦保持されている（図６（ａ））。エアーシリンダ１６のシリンダチューブ内に圧縮空気を注入することによって、移動対象物２１とヘッド１５の先端とは、互いに圧接した状態になっている（図６（ｂ））。次に、圧電素子１３にパルス電圧を印加することによって、圧電素子１３は急峻に変形して移動対象物２１をｄだけ移動する。パルス電圧が消滅するとヘッド１５との間には空隙ｓが生じるが（図６（ｃ））、圧縮空気による一定圧力により移動対象物２１とヘッド１５は再び互いに圧接する。この動作を繰り返すことによって、移動体は矢印の＋Ｘ方向に順次移動することができる。
【００１３】
図７は圧電素子１３に８０〜１５０Ｖのパルス電圧を印加したときの１パルス当たりの移動量を示す線図である。使用した圧電素子の形状は、５×５×２０ｍｍで、１５０Ｖの電圧印加に対して約１５μｍの変位量が得られる。移動対象物に対する予圧力４５０Ｎ、摩擦係数０．１３としたとき、１５０Ｖのパルス電圧の印加によって、１パルス当たり約０．６μｍのステップ変位が見られた。このようにインパクト駆動アクチュエータは、摩擦保持された移動対象物や重量のある移動対象物をスティックスリップ現象を起こすことなくサブミクロンの分解能で移動させることができる。
【特許文献１】特開平１１−１４３５４１
【特許文献２】特開平１１−１４３５４２
【特許文献３】特開２００２−２２９６４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来のインパクト駆動アクチュエータは、摩擦保持されたものや、重量のある移動対象物２１をサブミクロンの分解能で移動させることができるが、移動対象物２１の位置を測定するには、変位センサ１７を別個に設置する必要があるため、設置スペースが大きくなったり、配線が煩雑になったり、設置位置の調整に手間が掛かるなどの問題があった。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、設置位置の調整の手間がなく簡単に移動対象物の位置を検知することができるインパクト駆動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】
【００１６】
上記の目的を達成するために本発明のインパクト駆動アクチュエータは、急峻な変形によって衝撃的な慣性力を移動対象物に与えて移動対象物を移動させる素子と、該素子を移動対象物に接触させる移動手段と、前記素子と一体的に設けられて前記移動対象物の位置を検知する接触式の変位センサとを有することを特徴としている。
【００１７】
また、前記変位センサが、前記移動対象物の移動により変位する可動部に設けられた磁性体と、該磁性体と対向する固定位置に設けられた一次側のインダクタと、該一次側のインダクタと前記磁性体を挟んで固定位置に対向配置された２つの二次側のインダクタと、該二次側のインダクタの差分を検知する検知手段と、を有し、該検知手段が二次側のインダクタの差分の変化を検知することで、移動対象物の位置を検出する構成とすることができる。
【００１８】
さらに、前記移動手段が弾性体で、該弾性体が前記素子を移動対象物に押圧している構成としたり、前記弾性体が空気圧である構成としたり、前記弾性体がばねである構成としたり、前記弾性体が、流体シリンダであり、該流体シリンダが前記素子を前記移動対象物に押圧する構成としたり、前記素子が、電歪素子または磁歪素子である構成としたり、前記素子が、複数の電歪素子または磁歪素子を積層した構成としたりすることができる。
【００１９】
また、前記素子と前記移動手段と前記変位センサとをカバーで覆って一体とした構成としたり、前記移動手段の受部までを前記カバーで覆って一体とした構成としたりすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、急峻な変形によって衝撃的な慣性力を移動対象物に与えて移動対象物を移動させる素子と一体に変位センサを設けてインパクト駆動アクチュエータを構成したので、本発明のインパクト駆動アクチュエータを設置すれば、変位センサを同時に設置できることになり、変位センサを別個に設置調整する手間が不要になり、簡単に移動対象物の位置を検知することができる。
【００２１】
また、変位測定手段が移動対象物を移動させる素子と一体になっているので、小型、軽量化し易くなる。また、移動量を測定することによって、再現性の良い位置決めが可能となる。
【００２２】
変位センサが、前記移動対象物の移動により変位する可動部に設けられた磁性体と、該磁性体と対向する固定位置に設けられた一次側のインダクタと、該一次側のインダクタと前記磁性体を挟んで固定位置に対向配置された２つの二次側のインダクタと、該二次側のインダクタの差分を検知する検知手段と、からなる構成とすることで、差動トランスを用いた分解能に優れた検知手段を得ることができる。
【００２３】
素子の移動手段を弾性体にすることで、衝撃力を与えて移動対象物を移動した後は、素子が移動対象物に必ず密着するので、正確な位置を検知することができる。
【００２４】
素子と移動手段と変位センサとをカバーで覆って一体としたり、移動手段の受部までを前記カバーで覆って一体とすると、インパクト駆動アクチュエータの設定がさらに簡単にできるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
図１は本発明のインパクト駆動アクチュエータの第１の実施例を示す図である。急峻な伸張変位によって衝撃的な慣性力を生じさせる素子として圧電素子１１０が用いられている。圧電素子１１０は多数の圧電素子を積層したもので、その両端には、おもり１１１，１１２が取りつけられ、板ばね１１４，１１５によって圧電素子１１０には圧縮される方向に予圧がかけられている。全体は、カバー１１６に覆われ、カバー１１６の一方の先端には接触子１１８が取りつけられ、他方には、移動手段としてのエアーシリンダ１２０の可動部としてのシリンダロッド１２１の先端が固定されている。シリンダロッド１２１は、基端側がシリンダチューブ１２２内に収容され、シリンダチューブ１２２の他方には、空気注入口１２３が設けられている。この移動手段はシリンダチューブ１２２を床面や壁面などの固定部１３０に固定されている。
【００２７】
可動部としてのシリンダロッド１２１には磁性体からなるコア１４１が取りつけられており、また、コア１４１の両側には一次側のインダクタ１４２と、二次側のインダクタ１４３および１４４とが互いに対向するように配置されている。インダクタ１４２には、交流電源１４５が接続され、更に、インダクタ１４３と１４４とは互いに差動接続されており、増幅された差動出力が検知手段１４６で検知されるようになっている。すなわち、コア１４１，インダクタ１４２〜１４４によって、変位センサ１４０としての差動トランスが構成されていることになる。
【００２８】
インパクト駆動アクチュエータ１００の一端は、弾性体であるエアーシリンダ１２０の空気圧を介して固定部１３０に固定されている。また一次側と二次側のインダクタ１４２〜１４４も固定部１３０に固定されている。
【００２９】
図２（ａ）〜（ｃ）によって差動トランスの作用を説明する。
【００３０】
一次側のインダクタ１４２に交流電源１４５からの電圧を印加すると二次側のインダクタ１４３および１４４には誘起電圧が生じる。コア１４１に対してインダクタ１４２、インダクタ１４３，１４４が対称位置にある場合（図２（ａ））は、インダクタ１４３とインダクタ１４４で生じた誘起電圧は互いに打ち消し合って検知手段１４６における出力電圧は０となる。圧電素子１１０を＋Ｘ方向に移動させた場合には、コア１４１とインダクタ１４２，１４３および１４４が非対称の位置関係になるため、インダクタ１４３で発生した誘起電圧と、インダクタ１４４で発生した誘起電圧とに差が生じて、検知手段１４６では、移動量に比例した交流電圧が得られる（図２（ｂ））。検知手段１４６には、増幅された差動電圧が印加され、移動量に比例した交流電圧が出力されるようになっている。圧電素子１１０が−Ｘ方向に移動した場合には＋Ｘ方向の移動とは符号が反転した交流出力信号が生じる（図２（ｃ））。したがって、交流信号をモニタすることによって、インパクト駆動アクチュエータ１００における接触子１１８の先端位置を測定することが可能となる。
【００３１】
次に、本発明のインパクト駆動アクチュエータ１００の作用を説明する。
【００３２】
図１において、移動対象物２１は、予圧機構２４によって矢印方向に押圧されて床面１３１上に摩擦保持されている。エアーシリンダ１２０の空気注入口１２３から圧縮空気をシリンダチューブ１２２内に注入することによって、シリンダロッド１２１は図の左側に移動し、移動対象物２１と接触子１１８の先端とは、互いに圧接した状態になる。
【００３３】
このエアーシリンダ１２０による押圧力によって移動対象物２１が移動することがないように、エアーシリンダ１２０の押圧力の大きさの上限は、移動対象物２１の摩擦保持力の大きさを考慮して設定されている。
【００３４】
次に、圧電素子１１０にパルス電圧を印加することによって、圧電素子１１０は急峻に変形して移動対象物２１を図の左側に押動する。圧電素子１１０を伸長変位させたときに圧電素子１１０に発生するインパクト力をおもり１１１，１１２により増大させて接触子１１８に伝える。このときの反作用でエアーシリンダ１２０が後退するが、圧電素子１１０の伸張変位以上後退しないようにすることで、エアーシリンダ１２０の圧力の下限を決めることができる。
【００３５】
圧電素子１１０に印加したパルス電圧が消えると、瞬間的に接触子１１８との間には空隙が生じるが、エアーシリンダ１２０の圧縮空気による一定圧力により再び接触子１１８は移動対象物２１に圧接する。この動作を繰り返すことによって、移動対象物２１は図１の左方向に順次移動することができる。
【００３６】
エアーシリンダ１２０は、圧縮空気が弾性体のように作用するので、圧電素子１１０に急峻な伸張がない状態では、接触子１１８を移動対象物２１に常時、押圧した状態になる。したがって、パルス電圧が圧電素子１１０に印加され、移動対象物２１が移動すると、その移動した分だけシリンダロッド１２１も移動し、コア１４１も移動する。コア１４１が移動すると、図２で説明したように、変位センサ１４０としての差動トランスの検知手段１４６の出力が変化し、移動対象物２１の位置を検知することができる。
【００３７】
たとえば、移動対象物２１が初期の位置に摩擦保持された状態のとき、接触子１１８が移動対象物２１に圧接し、かつ、コア１４１がインダクタ１４２〜１４４の対称位置になるようにインパクト駆動アクチュエータ１００を設置すると、このときの検知手段１４６の出力は０となる。この値を基準の位置における変位センサ１４０の出力値と決めておけば、その後、インパクト駆動アクチュエータ１００によって移動対象物２１が移動した距離を正確に測定することができる。基準値は、検知手段１４６の出力が０の位置に限定されず、任意の位置でよい。
【００３８】
本発明では、変位センサ１４０がインパクト駆動アクチュエータ１００と一体になっているので、インパクト駆動アクチュエータ１００の設置をすれば、変位センサ１４０の位置も同時に決めることができることになる。特許文献１に記載のアクチュエータでは、アクチュエータの設置と、変位センサの設置とを別個にしなければならず、変位センサの設置が余分であり、これに非常に時間が掛かったが、本発明では、そのような煩わしさを全く無くすことができた。
【００３９】
また、変位センサ１４０がインパクト駆動アクチュエータ１００と一体になっているので、設置スペースを小さくすることができ、配線も簡単にすることができる。また圧電素子１１０に代えて磁歪素子を積層したものを使用してもよい。
【００４０】
図３は、本発明のインパクト駆動アクチュエータの第２の実施例の構成を示す図である。第１の実施例と共通する構成には、同じ符号を付し、相違点を中心に説明する。このインパクト駆動アクチュエータ２００は、エアーシリンダ１２０に代えてばね２２０を使用し、接触子２１８を移動対象物２１側に長く延ばして、ここに変位センサ１４０を設けたことに特徴がある。ここでは、接触子２１８が可動部となる。床面などの固定部１３０に固定された変位センサ１４０のうち、接触子２１８は進退自在になっている。
【００４１】
インパクト駆動アクチュエータ２００の本体部分の後端にあるばね２２０は、弾性体による押圧手段としてのものであり、床や壁などの固定部１３０に固定されている。コア１４１が移動するとインダクタ１４２〜１４４のインダクタンスが変化することによって、移動対象物２１の位置を測定することは第１の実施例と同様である。この実施例によれば、エアーシリンダを使用しないので、実施例１の装置より安価にできる。
【００４２】
図４は、本発明のインパクト駆動アクチュエータの第３の実施例の構成を示す図である。この実施例は、第２実施例と共通する部分が多いが、最も後端のばね２２０の後端を受ける受部３１０から接触子２１８までの全体をカバー３２０で覆い、インパクト駆動アクチュエータ３００を一体構造にした点に特徴がある。
【００４３】
このような構成にすることで、使用する際には、インパクト駆動アクチュエータ３００の接触子２１８の先端を移動対象物２１に押圧して受部３１０を床や壁などの固定部１３０に固定するだけで設定が完了する。実施例２よりさらに簡単に設定できる。
【００４４】
このように本発明のインパクト駆動アクチュエータ１００，２００，３００は移動量を測定するための変位センサ１４０としての差動トランスが内蔵されているため、接触子１１８，２１８の先端位置の移動量をモニタすることが可能なほか、たとえば、クローズドループフィードバック制御することによって、再現性良く移動対象物２１の位置決めをすることができる。また、変位センサ１４０を内蔵することによって小型、軽量化が容易で、設置の際にも特に調整を必要とすることがなく簡便に取り扱うことが可能である。
【００４５】
なお、上記第１の実施例では、圧電素子１１０の移動手段としてエアーシリンダ１２０を用いたが、油圧シリンダなどを含めた流体シリンダとすることができる。また、このような流体シリンダや上記第２の実施例のようなばね２２０などを用いた弾性付勢の構成に限定されず、弾性を利用しないで接触させる構成としてもよい。たとえば、接触子１１８に雄ネジを形成し、エアーシリンダに代えて雌ネジのある円板を設け、この円板を廻すことで、接触子１１８と圧電素子１１０とを移動対象物２１に常時接触させる構成としてもよい。
【００４６】
また、変位センサとして差動トランスを使用したが、素子と一体化できるものであればよく、この構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のインパクト駆動アクチュエータの第１の実施例の構成を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、差動トランスの作用を説明する図である。
【図３】本発明のインパクト駆動アクチュエータの第２の実施例の構成を示す図である。
【図４】本発明のインパクト駆動アクチュエータの第３の実施例の構成を示す図である。
【図５】従来の位置決め装置の構成を示す斜視図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は、図５のインパクト駆動アクチュエータ１の駆動原理を説明する図である。
【図７】圧電素子に８０〜１５０Ｖのパルス電圧を印加したときの１パルス当たりの移動量を示す線図である。
【符号の説明】
【００４８】
２１ 移動対象物
１００，２００，３００ インパクト駆動アクチュエータ
１１０ 圧電素子（素子）
１１８，２１８ 接触子（可動部）
１２０ エアーシリンダ（移動手段、押圧手段）
１２１ シリンダロッド（可動部）
１３０ 固定部
１４０ 変位センサ
１４１ コア（磁性体）
１４２ 一次側のインダクタ
１４３，１４４ 二次側のインダクタ
１４６ 検知手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
急峻な変形によって衝撃的な慣性力を移動対象物に与えて移動対象物を移動させる素子と、該素子を移動対象物に接触させる移動手段と、前記素子と一体的に設けられて前記移動対象物の位置を検知する接触式の変位センサとを有することを特徴とするインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記変位センサが、前記移動対象物の移動により変位する可動部に設けられた磁性体と、該磁性体と対向する固定位置に設けられた一次側のインダクタと、該一次側のインダクタと前記磁性体を挟んで固定位置に対向配置された２つの二次側のインダクタと、該二次側のインダクタの差分を検知する検知手段と、を有し、該検知手段が二次側のインダクタの差分の変化を検知することで、移動対象物の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項３】
前記移動手段が弾性体で、該弾性体が前記素子を移動対象物に押圧していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項４】
前記弾性体が空気圧であることを特徴とする請求項３に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項５】
前記弾性体がばねであることを特徴とする請求項３に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項６】
前記弾性体が、流体シリンダであり、該流体シリンダが前記素子を前記移動対象物に押圧することを特徴とする請求項３に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項７】
前記素子が、電歪素子または磁歪素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項８】
前記素子が、複数の電歪素子または磁歪素子を積層したものであることを特徴とする請求項７に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項９】
前記素子と前記移動手段と前記変位センサとをカバーで覆って一体としたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項１０】
前記移動手段の受部までを前記カバーで覆って一体としたことを特徴とする請求項９に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項１】
急峻な変形によって衝撃的な慣性力を移動対象物に与えて移動対象物を移動させる素子と、該素子を移動対象物に接触させる移動手段と、前記素子と一体的に設けられて前記移動対象物の位置を検知する接触式の変位センサとを有することを特徴とするインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記変位センサが、前記移動対象物の移動により変位する可動部に設けられた磁性体と、該磁性体と対向する固定位置に設けられた一次側のインダクタと、該一次側のインダクタと前記磁性体を挟んで固定位置に対向配置された２つの二次側のインダクタと、該二次側のインダクタの差分を検知する検知手段と、を有し、該検知手段が二次側のインダクタの差分の変化を検知することで、移動対象物の位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項３】
前記移動手段が弾性体で、該弾性体が前記素子を移動対象物に押圧していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項４】
前記弾性体が空気圧であることを特徴とする請求項３に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項５】
前記弾性体がばねであることを特徴とする請求項３に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項６】
前記弾性体が、流体シリンダであり、該流体シリンダが前記素子を前記移動対象物に押圧することを特徴とする請求項３に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項７】
前記素子が、電歪素子または磁歪素子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項８】
前記素子が、複数の電歪素子または磁歪素子を積層したものであることを特徴とする請求項７に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項９】
前記素子と前記移動手段と前記変位センサとをカバーで覆って一体としたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【請求項１０】
前記移動手段の受部までを前記カバーで覆って一体としたことを特徴とする請求項９に記載のインパクト駆動アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−１７９３４１（Ｐ２００７−１７９３４１Ａ）
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３７７４８９（Ｐ２００５−３７７４８９）
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【出願人】（５０２１２１１１１）株式会社ナノコントロール (10)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月２８日（２００５．１２．２８）
【出願人】（５０２１２１１１１）株式会社ナノコントロール (10)
【Ｆターム（参考）】
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