移動装置
【課題】移動装置が走行面を移動する際に、脚部が傾倒するのを抑制し、良好な移動性能を確保することができる移動装置を提供する。
【解決手段】各駆動部材３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの伸縮動作を第１フレーム１０および第２フレーム２０に作用させ、第１フレーム１０と第２フレーム２０とを相対移動させることにより走行面７０を移動する移動装置１であって、板バネ部材として、コイル１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄと走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが設けられていることを特徴とする。
【解決手段】各駆動部材３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの伸縮動作を第１フレーム１０および第２フレーム２０に作用させ、第１フレーム１０と第２フレーム２０とを相対移動させることにより走行面７０を移動する移動装置１であって、板バネ部材として、コイル１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄと走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが設けられていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報機器や半導体デバイス等の製品の小型化が進んでおり、これら小型製品の量産を支える基盤技術として、微小な移動を制御できる小型の移動装置の需要が高まっている。
従来から、電磁石として機能する複数のフレームを交差するように配置し、複数のフレームの間に圧電素子を挟んだ小型の移動装置が提案されている（特許文献１および非特許文献１参照）。フレームは磁性材料からなる正面視略Ｕ字形状の部材であり、脚部を有している。この移動装置は、圧電素子に印加する電圧を制御して、圧電素子を伸縮させることにより、複数のフレームを相対移動させることができる。また、この移動装置は、脚部に設けられたコイルに流す電流を制御して、コイルを励磁または消磁させることにより、磁性材料で形成された走行面に脚部を吸着または離脱させることができる。このフレームの相対移動と、脚部の吸着または離脱動作とを適宜組み合わせることにより、移動装置は走行面を移動する。
【０００３】
また、非特許文献１に記載の移動装置は、走行面から離間したコイルの上部に、圧電素子と脚部とを接続する板バネ部材を設けている。板バネ部材は、圧電素子の伸縮動作を脚部に伝達する機能を有している。さらにこの板バネ部材は、走行面に対して垂直方向に撓むことにより走行面に対して垂直方向に脚部を移動させて、走行面の凹凸を吸収する機能を有している。これにより、走行面に凹凸があっても、凹凸に引っ掛かることなく走行面を移動することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５４３９８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】小林賢史、青山尚之、渕脇大海「小型自走機械群による超精密生産機械システム―第１１０報 二枚の板バネを用いた四点接地機構の開発―」２００８年度精密工学会春季大会学術講演会論文集、ｐ．８５−８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、コイルの鉄心はヒステリシス特性を有しているため、コイルを消磁した後、脚部と走行面との間に、残留磁力による吸着力が発生する。また、移動装置が走行面を移動する際、脚部と走行面との間に、脚部が移動する方向と反対方向に摩擦力が発生する。
【０００７】
ここで、走行面に対して水平方向に圧電素子を伸縮させると、板バネ部材を介して脚部に水平方向の力が作用し、脚部が水平方向に移動する。しかし、残留磁力による吸着力および摩擦力により、脚部の走行面への接地部にはその場に留まろうとする力が働くため、脚部が傾倒した状態で移動装置は走行面を移動する。特に非特許文献１の移動装置は、コイルの上部に板バネ部材が配置されており、脚部の接地部から板バネ部材までの距離が長くなっているので、脚部は傾倒した状態のまま保持されやすくなっている。これにより、移動装置の移動距離の減少や移動時の直進性の悪化、移動動作毎の移動距離のバラつき等が発生するという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、移動装置が走行面を移動する際に、脚部が傾倒するのを抑制し、良好な移動性能を確保することができる移動装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の移動装置は、第１フレームと、前記第１フレームに対して交差して配置される第２フレームと、前記第１フレームおよび前記第２フレームに連結され、走行面と交差するように伸びる複数の脚部と、前記脚部に配置され、前記脚部を前記走行面に一時固定するための磁力を発生するコイルと、前記第１フレームの前記脚部と前記第２フレームの前記脚部との間に配置された駆動部材と、前記駆動部材と前記脚部とを接続する板バネ部材と、を有し、前記駆動部材の伸縮動作を前記脚部に作用させ、前記第１フレームと前記第２フレームとを相対移動させることにより前記走行面を移動する移動装置であって、前記板バネ部材として、前記コイルと前記走行面との間に第１板バネ部材が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、コイルと走行面との間に第１板バネ部材が設けられているので、脚部の接地部から第１板バネ部材までの距離が短くなり、脚部が傾倒しにくくなる。また、走行面近傍で第１フレームおよび第２フレームの各脚部に駆動部材の伸縮動作を伝達することができる。これにより、移動装置が移動する時に、脚部の接地部に残留磁力による吸着力および摩擦力が働いても、脚部が傾倒するのを抑制することができる。したがって、移動装置の良好な移動性能を確保することができる。
【００１０】
また、前記板バネ部材として、前記コイルを挟んで前記第１板バネ部材の反対側に、第２板バネ部材が配置されていることが望ましい。
本発明によれば、コイルを挟んで脚部の離間した位置に対して、同様に駆動部材の伸縮動作を伝達することができるので、脚部が傾倒するのをさらに抑制し、駆動部材の変位の伝達効率を向上させることができる。
【００１１】
また、前記駆動部材は、前記走行面の法線方向において、前記第１板バネ部材と前記第２板バネ部材との間に配置されていることが望ましい。
走行面に対する電磁石の吸着力を確保するため、コイルは走行面近傍に配置される。本発明によれば、コイルの両側に配置された第１板バネ部材と第２板バネ部材との間に駆動部材を配置することにより、コイルとともに駆動部材を走行面近傍に配置することになり、移動装置の低重心化を図ることができる。これにより、移動装置の加速および停止時における慣性モーメントの影響を低減することができるので、より良好な移動性能を確保することができる。
【００１２】
また、前記脚部は、前記脚部の長手方向に沿って形成された貫通孔と、前記脚部の外周面と前記貫通孔の内周面とを連通するように形成された、前記長手方向に沿って伸びるすり割りと、前記貫通孔に挿通され、先端が前記走行面と当接する接地部材と、を有しており、前記すり割りの間隔を狭めて、前記貫通孔の前記内周面で前記接地部材を狭持することにより、前記接地部材が固定されていることが望ましい。
本発明によれば、接地部材を貫通孔の内周面で狭持しているので、すり割りの間隔を広げることにより、接地部材を脚部から容易に引き抜くことができる。これにより、接地部材を容易に交換することができる。また、貫通孔の中心軸方向に沿って、接地部材を容易に移動させることができるので、各接地部材の走行面に対する高さを容易に調整することができる。
【００１３】
また、前記第１フレームと前記第２フレームとの相対移動を規制する規制部材を有していることが望ましい。
本発明によれば、第１フレームと第２フレームとの過度な相対移動による板バネ部材の塑性変形を防止することができる。これにより、板バネ部材を高寿命化することができる。また、板バネ部材が塑性変形すると脚部が傾倒して、脚部の接地部の接地状態が不安定となるおそれがある。しかし、規制部材により板バネ部材の塑性変形を防止しているので、板バネ部材の塑性変形に起因する脚部の傾倒を防止して、良好な移動性能を維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コイルと走行面との間に第１板バネ部材が設けられているので、脚部の接地部から第１板バネ部材までの距離が短くなり、脚部が傾倒しにくくなる。また、走行面近傍で第１フレームおよび第２フレームの各脚部に駆動部材の伸縮動作を伝達することができる。これにより、移動装置が移動する時に、脚部の接地部に残留磁力による吸着力および摩擦力が働いても、脚部が傾倒するのを抑制することができる。したがって、移動装置の良好な移動性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】移動装置の斜視図である。
【図２】移動装置の説明図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は正面図である。
【図３】第１フレームの説明図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は正面図である。
【図４】第２フレームの説明図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は正面図である。
【図５】図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、規制部材の説明図である。
【図６】移動動作の説明図であり、図６（ａ）は第１フレームの移動動作の説明図であり、図６（ｂ）は第２フレームの移動動作の説明図である。
【図７】板バネ部材の説明図であり、図７（ａ）は従来例の板バネ部材の説明図であり、図７（ｂ）は本実施形態の板バネ部材の説明図である。
【図８】移動距離のデータであり、図８（ａ）は従来の移動装置の移動距離であり、図８（ｂ）は本実施形態の移動装置の移動距離であり、図８（ｃ）は各移動装置の移動距離の偏差である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
なお、以下の説明では、走行面の法線方向を＋Ｚ方向とし、その反対方向を−Ｚ方向とする。
図１は移動装置の斜視図である。
図２は移動装置の説明図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は正面図である。
図１および図２に示すように、本発明の移動装置１は、第１フレーム１０と、第１フレーム１０に対して交差して配置される第２フレーム２０とを有している。また、第１フレーム１０および第２フレーム２０に連結され、走行面７０と交差するように伸びる複数の脚部１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）と、脚部１２に配置され、走行面７０に脚部１２を一時固定するための磁力を発生するコイル１９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ）とを有している。さらに、第１フレーム１０と第２フレーム２０との間に配置された複数の駆動部材３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）と、駆動部材３０と脚部１２とを接続する板バネ部材５（５ａ，５ｂ）と、を有している。
なお、脚部１２は各脚部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの総称であり、各図中では、適宜符号１２および符号１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのいずれかを用いて表現している。板バネ部材５、コイル１９および駆動部材３０についても同様としている。
また、本実施形態では、移動装置１が移動する走行面７０は、例えば鉄等の磁性材料により形成されている。これにより、後述するように、脚部１２を電磁石として機能させ、脚部１２を走行面７０に吸着または離脱させることができる。
【００１７】
（第１フレーム）
図３は第１フレームの説明図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は正面図である。
図３に示すように、第１フレーム１０は正面視略Ｕ字形状の部材であり、棒状の本体部１１と、本体部１１の両端から−Ｚ方向に立設され、本体部１１と一体的に形成されている一対の脚部１２ａ，１２ｂと、を有している。
第１フレーム１０は磁性材料からなる部材であり、プレスや鋳造、鍛造、機械加工等により形成される。なお、本実施形態では、磁性材料として３％ケイ素鋼を選択している。３％ケイ素鋼を選択したのは、後述するように第１フレームは電磁石の鉄心としての機能を有しており、ヒステリシス特性の良好な材料を選択する必要があるためである。３％ケイ素鋼は飽和磁束密度および透磁率が高いため、少ない電流で大きな磁力を得ることができる。さらに、３％ケイ素鋼は保磁力が小さいため、電磁石の電流を切断した際に発生する残留磁力を最小限に抑えることができる。第１フレーム１０の表面には、例えばニッケル等によりめっきが施される。これにより、腐食による錆等の発生を防止している。
【００１８】
本体部１１の端部には、Ｚ方向に沿って貫通する板バネ部材取付孔１１ａが形成されている。本実施形態の板バネ部材取付孔１１ａは、本体部１１の両端部に複数個所形成されている。板バネ部材取付孔１１ａの内周面には雌ネジが形成されている。この板バネ部材取付孔１１ａにボルトを締結して、後述する板バネ部材を固定する。なお、後述するように、本体部１１の＋Ｚ方向からボルトを締結して板バネ部材を取り付ける。
【００１９】
脚部１２は、脚部１２の長手方向（Ｚ方向）に沿って形成された貫通孔１４と、脚部１２の外周面１７と貫通孔１４の内周面１４ａとを連通するように形成された、Ｚ方向に沿って伸びるすり割り１３と、を有している。貫通孔１４およびすり割り１３は、第１フレーム１０を形成した後、機械加工により形成される。なお、本実施形態の貫通孔１４は、平面視略円形状となっているが、略矩形状としてもかまわない。ただし、貫通孔１４を略円形状としたほうが加工のしやすさという点で優れている。
【００２０】
また、脚部１２には、後述する板バネ部材を固定する板バネ部材取付部１６が形成される。板バネ部材取付部１６は、脚部１２の−Ｚ方向の端部から＋Ｚ方向に若干の距離をおいた位置において、第１フレーム１０の本体部１１と略並行に、第１フレーム１０の中央に向かって立設されている。板バネ部材取付部１６には、Ｚ方向に沿って貫通する板バネ部材取付孔１６ａが形成されている。板バネ部材取付孔１６ａは板バネ部材取付部１６の両端部に複数箇所形成されている。板バネ部材取付孔１６ａの内周面には雌ネジが形成されている。なお、後述するように、板バネ部材取付部１６の−Ｚ方向からボルトを締結して板バネ部材を取り付ける。
【００２１】
（接地部材）
図２に示すように、貫通孔１４には、棒状の接地部材１５が挿通されている。
接地部材１５は、第１フレーム１０と同様に電磁石の鉄心としての機能を有する。したがって、接地部材１５は、第１フレーム１０と同じ磁性材料である３％ケイ素鋼で形成される。
接地部材１５の−Ｚ方向の先端に形成された接地部１５ａは、表面が曲面となっているのが望ましい。これにより、走行面７０に対する接地部１５ａの接地面積が減少するので、移動装置１が走行面７０を移動する際に発生する接地部１５ａと走行面７０との摩擦力を軽減することができる。
接地部材１５は、前述したすり割り１３の間隔を狭めて、貫通孔１４の内周面１４ａで接地部材１５を狭持することにより固定される。本実施形態では、脚部１２にすり割り１３と直交するようにボルト取付孔１８を形成し、ボルト１８ａを締め付けてすり割り１３の間隔を狭めることにより、接地部材１５を固定している。
【００２２】
さらに、ボルト１８ａを緩めてすり割り１３の間隔を広げることにより、接地部材１５を脚部１２から容易に引き抜くことができる。これにより、移動装置１の走行時の摩擦等により接地部材１５の接地部１５ａが磨耗した場合でも、接地部材１５を容易に交換することができる。また、貫通孔１４の中心軸方向に沿って、接地部材１５を＋Ｚ方向および−Ｚ方向に容易に移動させることができる。これにより、移動装置１の組立て時やメンテナンス時等において、各接地部材１５の走行面７０に対する高さを容易に調整することができる。
【００２３】
（第２フレーム）
図４は第２フレームの説明図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は正面図である。第２フレーム２０は、本体部２１の形状を除き、第１フレーム１０と同様の構成となっている。したがって、本体部２１以外の説明は省略する。
本体部２１の長手方向における略中央付近は、−Ｚ方向に凹んだ曲部２２が形成されている。図２に示すように、曲部２２の凹みに第１フレーム１０の本体部１１を配置することにより、第１フレーム１０および第２フレーム２０を干渉することなく交差して配置することができる。
【００２４】
（規制部材）
図５は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、規制部材の説明図である。
規制部材４０は、第１フレーム１０および第２フレーム２０の過度な相対移動を規制している。
規制部材４０は、アルミや樹脂等の非磁性材料からなる略Ｕ字形状の部材であり、プレスや鋳造、鍛造、機械加工、樹脂インジェクション等により形成される。図５に示すように、規制部材４０は、第１フレーム１０の本体部１１の略中央付近であって、本体部１１の−Ｚ方向に配置される。なお、規制部材４０は、第１フレーム１０にボルト４１等を用いて固定される。規制部材４０および第１フレーム１０の本体部１１で第２フレーム２０の本体部２１の曲部２２を囲むことにより、第２フレーム２０が＋Ｚ方向、−Ｚ方向および走行面の水平方向に過度に移動するのを規制できる。なお、第２フレーム２０の本体部２１の軸方向への移動は、曲部２２の曲面が第１フレームの本体部に当たることにより規制される。これにより、移動装置の落下等により、脚部１２に荷重が加わっても、第１フレーム１０および第２フレーム２０の過度な相対移動を規制することができる。したがって、後述する板バネ部材５の塑性変形を防止することができる。
【００２５】
（コイル）
図１および図２に示すように、脚部１２には、走行面７０に脚部１２を固定するための磁力を発生するコイル１９が配置されている。
コイル１９は、表面が樹脂でコーティングされた銅線であり、絶縁紙や樹脂等からなる不図示のインシュレータを介して、脚部１２に巻回されている。コイル１９は、不図示の電源に接続されており、電源からコイル１９に電流を供給することにより、脚部１２は電磁石として作用する。コイル１９に流す電流を制御して、コイル１９を励磁または消磁させることにより、磁性材料で形成された走行面７０に、脚部１２を吸着または離脱させることができる。コイル１９は、走行面７０に対する電磁石の吸着力を確保するため、走行面近傍に配置される。
【００２６】
なお、本実施形態では、第１フレーム１０の脚部１２に取り付けられるコイル１９ａおよびコイル１９ｂと、第２フレーム２０の脚部１２に取り付けられるコイル１９ｃおよびコイル１９ｄとは、それぞれ共通のループに属している。したがって、コイル１９ａ，１９ｂを不図示の第１の電源で制御することにより、第１フレーム１０の脚部１２ａ，１２ｂを同時に走行面７０に吸着または離脱させることができる。また、コイル１９ｃ，１９ｄを不図示の第２の電源で制御することにより、第２フレーム２０の脚部１２ｃ，１２ｄを同時に走行面７０に吸着または離脱させることができる。このように、１つの電源で２つのコイルを制御することができるので、移動装置の周辺回路を簡単に構成することができる。
【００２７】
（駆動部材）
図１および図２に示すように、第１フレーム１０と第２フレーム２０との間には、複数の駆動部材３０が配置されている。
本実施形態では、駆動部材３０として圧電素子を採用している。本実施形態では、圧電体を複数重ねた積層型の圧電素子を採用している。圧電素子の変位量は約６μｍ／１００Ｖ程度であるが、変位拡大機構により、約１００μｍ／１００Ｖ程度まで変位量を拡大している。駆動部材３０は、不図示の電源に接続されている。電源の電圧を制御して圧電素子を伸縮させることにより、駆動部材３０を伸縮することができる。
【００２８】
このような特性を有する圧電素子からなる駆動部材３０を、第１フレーム１０の脚部１２ａ，１２ｂと第２フレーム２０の脚部１２ｃ，１２ｄとの間に配置する。具体的には、脚部１２ａと脚部１２ｃとの間に駆動部材３０ａを配置し、脚部１２ａと脚部１２ｄとの間に駆動部材３０ｂを配置し、脚部１２ｂと脚部１２ｄとの間に駆動部材３０ｃを配置し、脚部１２ｂと脚部１２ｃとの間に駆動部材３０ｄを配置する。このとき、駆動部材３０の変位方向が走行面７０と平行となるように、２個の駆動部材３０を直列接続した状態で配置する。これにより、駆動部材３０が１個の場合と比較して、２倍の変位量を確保することができる。したがって、移動装置１の１ステップ動作の移動距離を長く確保でき、かつ移動装置１の移動スピードを向上させることができる。なお、１ステップ動作とは、移動装置１の第１フレーム１０もしくは第２フレーム２０が一回移動する動作のことをいう。
【００２９】
また、本実施形態の駆動部材３０は、図２（ｂ）に示すように、走行面７０の法線方向において、後述する第１板バネ部材５ａと第２板バネ部材５ｂとの間に配置されている。
ところで、移動装置１の各構成部品の重量のうち、コイル１９および脚部１２の重量は大きな割合を占める。また、コイル１９は前述のとおり、走行面７０の近傍に配置される。したがって、第１板バネ部材と第２板バネ部材との間に駆動部材３０を配置することにより、駆動部材３０はコイル１９および脚部１２とともに走行面７０の近傍に配置されるので、移動装置１の低重心化を図ることができる。これにより、移動装置１の加速および停止時における慣性モーメントの影響を低減することができるので、より良好な移動性能を確保することができる。
【００３０】
（板バネ部材）
図１および図２に示すように、上述した脚部１２および駆動部材３０は、板バネ部材５により接続されている。
板バネ部材５は、りん青銅やアルミ、樹脂等の非磁性材料からなる、平面視略Ｌ字形状の平板部材であり、プレスや機械加工、樹脂インジェクション等により成型される。非磁性材料としたのは、前述の第１フレーム１０および第２フレーム２０は電磁石の鉄心として磁路を形成するので、各フレーム１０，２０に接続される板バネ部材５により、磁気干渉や磁束漏れ等が発生するのを防止するためである。板バネ部材５の中央部および両端部には、取付孔７が複数個所形成されている。本実施形態の板バネ部材５の板厚は約０．８ｍｍ程度であるが、移動装置１の重量や板バネ部材の材料等により適宜変更することができる。
【００３１】
本実施形態では、板バネ部材５として、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが設けられている。さらに、コイル１９を挟んで第１板バネ部材５ａの反対側に第２板バネ部材５ｂが設けられている。なお、第１板バネ部材５ａおよび第２板バネ部材５ｂは同一の部材としてもよい。第１板バネ部材５ａおよび第２板バネ部材５ｂを同一の部材とすることで、部品の共用化ができ、移動装置１の低コスト化ができる。
【００３２】
（第１板バネ部材）
図１および図２に示すように、第１板バネ部材５ａは、前述した第１フレーム１０および第２フレーム２０の脚部１２に形成された、板バネ部材取付部１６の−Ｚ側に固定される。具体的には、第１板バネ部材５ａの中央部の取付孔７に−Ｚ側からボルトを挿通し、第１板バネ部材５ａの−Ｚ方向からボルトを締め付けることにより、第１板バネ部材５ａを板バネ部材取付部１６に固定する。このようにして、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが取り付けられる。また、第１板バネ部材５ａは、前述した駆動部材３０の−Ｚ側に固定される。具体的には、第１板バネ部材５ａの両端部の取付孔７にボルトを挿通し、板バネ部材取付部１６の−Ｚ方向からボルトを締め付けることにより、第１板バネ部材５ａに、駆動部材３０を固定する。
【００３３】
上述のように、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａを設けることにより、脚部１２の接地部１５ａから第１板バネ部材５ａまでの距離が短くなるので、移動装置１の移動時に脚部１２は傾倒しにくくなる。また、取付後の第１板バネ部材５ａは、Ｚ方向に可撓性を有する。したがって、移動装置１の走行時に、走行面７０の凹凸による衝撃を安定して吸収することができる。また、従来は第１板バネ部材５ａを交換する際に、コイル１９を取り外す必要があった。しかし本発明では、コイル１９の−Ｚ方向からボルトを締結して第１板バネ部材５ａを固定しているので、コイル１９を取り外すことなく第１板バネ部材５ａを交換することができる。したがって、メンテナンス時において、容易に第１板バネ部材５ａを交換することができる。
【００３４】
（第２板バネ部材）
図１および図２に示すように、第２板バネ部材５ｂは、前述した第１フレーム１０および第２フレーム２０の本体部１１，２１の＋Ｚ側に固定される。具体的には、第２板バネ部材５ｂの中央部の取付孔７にボルトを挿通し、本体部１１，２１の＋Ｚ方向からボルトを締め付けることにより、第２板バネ部材５ｂを本体部１１，２１の両端に固定する。また、第２板バネ部材５ｂには、前述の第１板バネ部材５ａの場合と同様に、本体部１１，２１の＋Ｚ方向からボルトを締め付けることにより駆動部材３０が固定される。このようにして、コイル１９を挟んで両側に、第１板バネ部材５ａおよび第２板バネ部材５ｂが取り付けられる。これにより、コイル１９を挟んで脚部１２の離間した位置に対して同様に、駆動部材３０の伸縮動作を伝達することができる。したがって、脚部１２が傾倒するのをさらに抑制し、駆動部材３０の変位の伝達効率を向上させることができる。また、伝達効率が向上することで、移動装置１の移動距離を長く確保できるので、移動装置１の移動スピードを向上させることができる。なお、コイル１９の＋Ｚ方向からボルトを締結して第２板バネ部材５ｂを固定しているので、第１板バネ部材５ａの場合と同様に、コイル１９を取り外すことなく第２板バネ部材５ｂを交換することができる。したがって、容易に第２板バネ部材５ｂを交換することができる。
【００３５】
（移動装置の動作）
上述した各構成部品により移動装置が構成される。そして、圧電素子に印加する電圧およびコイルに流す電流を制御して、各フレームの相対移動および脚部の吸着または離脱動作を適宜組み合わせることにより、移動装置は走行面を移動する。
図６は移動動作の説明図であり、図６（ａ）は第１フレームの移動動作の説明図であり、図６（ｂ）は第２フレームの移動動作の説明図である。なお、図６において、紙面の上方向を前方向と定義する。また、わかりやすくするために、各構成部品の表記を簡略化または省略している。移動動作の一例として、前進動作を以下に説明する。
【００３６】
まず、第２フレーム２０に取り付けられたコイル１９ｃ，１９ｄに電流を流し、第２フレーム２０を電磁石として走行面に吸着させる。これにより、第２フレーム２０を走行面に固定し、第１フレーム１０を移動可能とすることができる。次に、駆動部材３０ｄを伸長させ、駆動部材３０ｂを圧縮させる。これにより、図６（ａ）に示すように、第１フレーム１０を前方向に移動させることができる。続いて、第１フレーム１０に取り付けられたコイル１９ａ，１９ｂに電流を流して第１フレーム１０を電磁石として走行面に吸着させ、第２フレーム２０に取り付けられたコイル１９ｃ，１９ｄに流れている電流を切断して走行面から離脱させる。これにより、第１フレーム１０を走行面に固定し、第２フレーム２０を移動可能とすることができる。次に、駆動部材３０ｂを伸長させ、駆動部材３０ｄを圧縮させる。これにより、図６（ｂ）に示すように、第２フレーム２０を前方向に移動させることができる。以上の動作を繰り返すことで、前進動作を行うことができる。
【００３７】
なお、後退、左方向および右方向へも、同じ原理で移動することができる。さらに、斜め方向および回転方向へも、駆動部材３０の伸縮動作と、第１フレーム１０および第２フレーム２０の吸着または離脱動作とを適宜組み合わせることにより、同じ原理で移動することができる。詳細は特許文献１の段落００１８以降に記載されているとおりである。
【００３８】
以下に、移動装置が移動しているときの本実施形態の板バネ部材の作用について、従来例の板バネ部材の作用と比較しながら詳述する。
図７は、板バネ部材の説明図であり、図７（ａ）は従来例の板バネ部材の説明図であり、図７（ｂ）は本実施形態の板バネ部材の説明図である。なお、図中の板バネ部材の変位量および脚部の傾倒度合いは誇張して表現している。
【００３９】
図７（ａ）に示すように、従来例の板バネ部材５０は、コイル１９の＋Ｚ方向に配置されている。
移動装置１が移動する時に、駆動部材が単位長さＬだけ伸長すると、板バネ部材５０を介して脚部１２の上部を距離Ｌだけ移動させる。しかし、脚部１２の接地部１５ａには、残留磁力による吸着力および摩擦力により、その場に留まろうとする力が働く。これにより、脚部１２の中心軸Ｔは中心軸Ｔ１のように傾倒した状態で移動するので、脚部１２の接地部１５ａの移動距離は、Ｌよりも少ない距離Ｍしか移動しない。このため移動量を精確に制御することができない。特に、斜め方向に移動する際に移動精度が著しく悪化する。
【００４０】
これに対して、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の第１板バネ部材５ａは、コイル１９と走行面７０との間に配置されている。
上述した従来手法と同様に、駆動部材が単位長さＬだけ伸長すると、第１板バネ部材５ａは、脚部１２の接地部１５ａに極めて近い部分に力を加えるため、脚部１２の中心軸Ｔは、移動後の中心軸Ｔ２に示すようにほぼ平行移動する。このため、接地部１５ａの移動距離はＬに極めて近い距離となり、移動量を精確に制御することができる。さらに、本発明では、コイル１９を挟んだ反対側にも第２板バネ部材５ｂを備えているので、脚部１２の上部は傾倒しないため、平行移動をより確実にしている。
【００４１】
（移動距離の均一性について）
図８は移動装置の一回の動作（１ステップ）における移動距離のデータであり、図８（ａ）は従来の移動装置の１ステップの移動距離であり、図８（ｂ）は本実施形態の移動装置の１ステップの移動距離であり、図８（ｃ）は各移動装置の１ステップの移動距離の偏差である。以下、従来の移動装置をＳ−１型と呼び、本実施形態の移動装置をＧ−１型と呼ぶ。
なお、Ｓ−１型は図７（ａ）に示すような、コイル１９の＋Ｚ側のみに板バネ部材５０を備えたタイプの移動装置であり、非特許文献１に記載の移動装置と同タイプの移動装置である。また、Ｓ−１型とＧ−１型とでは、駆動部材である圧電素子の変位量が異なっており、Ｇ−１型の圧電素子はＳ−１型の圧電素子よりも大きい変位量を有している。
【００４２】
図８（ｃ）は、各移動装置の前後左右方向および斜め方向の移動距離の平均値に対する偏差の百分率である。
図８（ｃ）のデータで示すように、Ｓ−１型とＧ−１型とでは、移動距離の偏差が大きく異なっている。具体的には、Ｇ−１型の前後左右方向の移動距離の偏差は約５％程度であり、Ｓ−１型の前後左右方向の移動距離の偏差は約２０％程度である。また、Ｇ−１型の斜め方向の移動距離の偏差は約３％程度であり、Ｓ−１型の斜め方向の移動距離の偏差は約３０％程度である。このように、Ｇ−１型の移動距離の偏差は、Ｓ−１型の移動距離の偏差よりも小さい。以上のデータより、本実施形態の移動装置Ｇ−１型は、１ステップ動作の移動距離の均一性に優れており、Ｓ−１型と比較して良好な移動性能を有していることが証明できたといえる。
【００４３】
本実施形態によれば、図２に示すように、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが設けられているので、脚部１２の接地部１５ａから第１板バネ部材５ａまでの距離が短くなり、脚部１２が傾倒しにくくなる。また、走行面７０近傍で第１フレーム１０および第２フレーム２０に駆動部材３０の伸縮動作を伝達することができる。これにより、移動装置１が移動する時に、脚部１２の接地部１５ａに残留磁力による吸着力および摩擦力が働いても、脚部１２が傾倒するのを抑制することができる。したがって、移動装置１の良好な移動性能を確保することができる。
【００４４】
なお、この発明は上述した実施の形態に限られるものではない。
本実施形態では、駆動部材として圧電素子を使用して第１フレームと第２フレームとを相対移動させている。しかし、駆動部材は圧電素子に限られず、例えば超音波モータ等のマイクロアクチュエータを用いて、第１フレームと第２フレームとを相対移動させてもよい。
【００４５】
本実施形態では、移動装置は第１フレームおよび第２フレームで形成されている。しかし、フレーム数を増やすことも可能である。これにより、斜め方向や回転方向において、本実施形態よりもさらに細かい角度分解能で移動装置を移動させることが可能である。ただし、装置の構成や各フレームを相対移動させる際の制御等が簡単である点で、本実施形態に優位性がある。
【００４６】
本実施形態では、第１フレームおよび第２フレームには、それぞれ２本の脚部が形成されている。しかし、各フレームにそれぞれ脚部を２本以上形成してもよい。これにより、脚部の本数が増加するので、より安定した移動が可能となる。ただし、装置の構成や各フレームを相対移動させる際の制御等が簡単である点で、本実施形態に優位性がある。
【００４７】
本実施形態では、脚部にすり割りを設け、すり割りの間隔を狭めて、貫通孔の内周面で接地部材を狭持することにより、接地部材を固定している。しかし、例えば、すり割を設けず、貫通孔の内周面と脚部の外周面とを連通するボルト取付孔を形成し、ボルト取付孔にボルトを挿入して、貫通孔内に挿通された接地部材を直接締結して固定することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、小型製品の量産時において、チップ部品を実装する際に適用することができる。また、マウス卵子の顕微作業や人工授精の細胞処理における精密作業等に適用することができる。
また、小型のセンサー等を本発明の移動装置に搭載することにより、容易にオプション機能を追加することができる。さらに、本発明の移動装置は軽量であるため、往復動作時に発生する振動が小さい。したがって、周辺機器への振動の影響を抑制することができ、振動対策の費用を大幅に削減することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・移動装置 ５・・・板バネ部材 ５ａ・・・第１板バネ部材 ５ｂ・・・第２板バネ部材 １０・・・第１フレーム １２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）・・・脚部 １３・・・すり割り １４・・・貫通孔 １４ａ・・・内周面 １５・・・接地部材 １９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ）・・・コイル ２０・・・第２フレーム ３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）・・・駆動部材 ４０・・・規制部材 ７０・・・走行面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報機器や半導体デバイス等の製品の小型化が進んでおり、これら小型製品の量産を支える基盤技術として、微小な移動を制御できる小型の移動装置の需要が高まっている。
従来から、電磁石として機能する複数のフレームを交差するように配置し、複数のフレームの間に圧電素子を挟んだ小型の移動装置が提案されている（特許文献１および非特許文献１参照）。フレームは磁性材料からなる正面視略Ｕ字形状の部材であり、脚部を有している。この移動装置は、圧電素子に印加する電圧を制御して、圧電素子を伸縮させることにより、複数のフレームを相対移動させることができる。また、この移動装置は、脚部に設けられたコイルに流す電流を制御して、コイルを励磁または消磁させることにより、磁性材料で形成された走行面に脚部を吸着または離脱させることができる。このフレームの相対移動と、脚部の吸着または離脱動作とを適宜組み合わせることにより、移動装置は走行面を移動する。
【０００３】
また、非特許文献１に記載の移動装置は、走行面から離間したコイルの上部に、圧電素子と脚部とを接続する板バネ部材を設けている。板バネ部材は、圧電素子の伸縮動作を脚部に伝達する機能を有している。さらにこの板バネ部材は、走行面に対して垂直方向に撓むことにより走行面に対して垂直方向に脚部を移動させて、走行面の凹凸を吸収する機能を有している。これにより、走行面に凹凸があっても、凹凸に引っ掛かることなく走行面を移動することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５４３９８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】小林賢史、青山尚之、渕脇大海「小型自走機械群による超精密生産機械システム―第１１０報 二枚の板バネを用いた四点接地機構の開発―」２００８年度精密工学会春季大会学術講演会論文集、ｐ．８５−８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、コイルの鉄心はヒステリシス特性を有しているため、コイルを消磁した後、脚部と走行面との間に、残留磁力による吸着力が発生する。また、移動装置が走行面を移動する際、脚部と走行面との間に、脚部が移動する方向と反対方向に摩擦力が発生する。
【０００７】
ここで、走行面に対して水平方向に圧電素子を伸縮させると、板バネ部材を介して脚部に水平方向の力が作用し、脚部が水平方向に移動する。しかし、残留磁力による吸着力および摩擦力により、脚部の走行面への接地部にはその場に留まろうとする力が働くため、脚部が傾倒した状態で移動装置は走行面を移動する。特に非特許文献１の移動装置は、コイルの上部に板バネ部材が配置されており、脚部の接地部から板バネ部材までの距離が長くなっているので、脚部は傾倒した状態のまま保持されやすくなっている。これにより、移動装置の移動距離の減少や移動時の直進性の悪化、移動動作毎の移動距離のバラつき等が発生するという問題があった。
【０００８】
そこで本発明は、移動装置が走行面を移動する際に、脚部が傾倒するのを抑制し、良好な移動性能を確保することができる移動装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明の移動装置は、第１フレームと、前記第１フレームに対して交差して配置される第２フレームと、前記第１フレームおよび前記第２フレームに連結され、走行面と交差するように伸びる複数の脚部と、前記脚部に配置され、前記脚部を前記走行面に一時固定するための磁力を発生するコイルと、前記第１フレームの前記脚部と前記第２フレームの前記脚部との間に配置された駆動部材と、前記駆動部材と前記脚部とを接続する板バネ部材と、を有し、前記駆動部材の伸縮動作を前記脚部に作用させ、前記第１フレームと前記第２フレームとを相対移動させることにより前記走行面を移動する移動装置であって、前記板バネ部材として、前記コイルと前記走行面との間に第１板バネ部材が設けられていることを特徴とする。
本発明によれば、コイルと走行面との間に第１板バネ部材が設けられているので、脚部の接地部から第１板バネ部材までの距離が短くなり、脚部が傾倒しにくくなる。また、走行面近傍で第１フレームおよび第２フレームの各脚部に駆動部材の伸縮動作を伝達することができる。これにより、移動装置が移動する時に、脚部の接地部に残留磁力による吸着力および摩擦力が働いても、脚部が傾倒するのを抑制することができる。したがって、移動装置の良好な移動性能を確保することができる。
【００１０】
また、前記板バネ部材として、前記コイルを挟んで前記第１板バネ部材の反対側に、第２板バネ部材が配置されていることが望ましい。
本発明によれば、コイルを挟んで脚部の離間した位置に対して、同様に駆動部材の伸縮動作を伝達することができるので、脚部が傾倒するのをさらに抑制し、駆動部材の変位の伝達効率を向上させることができる。
【００１１】
また、前記駆動部材は、前記走行面の法線方向において、前記第１板バネ部材と前記第２板バネ部材との間に配置されていることが望ましい。
走行面に対する電磁石の吸着力を確保するため、コイルは走行面近傍に配置される。本発明によれば、コイルの両側に配置された第１板バネ部材と第２板バネ部材との間に駆動部材を配置することにより、コイルとともに駆動部材を走行面近傍に配置することになり、移動装置の低重心化を図ることができる。これにより、移動装置の加速および停止時における慣性モーメントの影響を低減することができるので、より良好な移動性能を確保することができる。
【００１２】
また、前記脚部は、前記脚部の長手方向に沿って形成された貫通孔と、前記脚部の外周面と前記貫通孔の内周面とを連通するように形成された、前記長手方向に沿って伸びるすり割りと、前記貫通孔に挿通され、先端が前記走行面と当接する接地部材と、を有しており、前記すり割りの間隔を狭めて、前記貫通孔の前記内周面で前記接地部材を狭持することにより、前記接地部材が固定されていることが望ましい。
本発明によれば、接地部材を貫通孔の内周面で狭持しているので、すり割りの間隔を広げることにより、接地部材を脚部から容易に引き抜くことができる。これにより、接地部材を容易に交換することができる。また、貫通孔の中心軸方向に沿って、接地部材を容易に移動させることができるので、各接地部材の走行面に対する高さを容易に調整することができる。
【００１３】
また、前記第１フレームと前記第２フレームとの相対移動を規制する規制部材を有していることが望ましい。
本発明によれば、第１フレームと第２フレームとの過度な相対移動による板バネ部材の塑性変形を防止することができる。これにより、板バネ部材を高寿命化することができる。また、板バネ部材が塑性変形すると脚部が傾倒して、脚部の接地部の接地状態が不安定となるおそれがある。しかし、規制部材により板バネ部材の塑性変形を防止しているので、板バネ部材の塑性変形に起因する脚部の傾倒を防止して、良好な移動性能を維持することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コイルと走行面との間に第１板バネ部材が設けられているので、脚部の接地部から第１板バネ部材までの距離が短くなり、脚部が傾倒しにくくなる。また、走行面近傍で第１フレームおよび第２フレームの各脚部に駆動部材の伸縮動作を伝達することができる。これにより、移動装置が移動する時に、脚部の接地部に残留磁力による吸着力および摩擦力が働いても、脚部が傾倒するのを抑制することができる。したがって、移動装置の良好な移動性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】移動装置の斜視図である。
【図２】移動装置の説明図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は正面図である。
【図３】第１フレームの説明図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は正面図である。
【図４】第２フレームの説明図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は正面図である。
【図５】図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、規制部材の説明図である。
【図６】移動動作の説明図であり、図６（ａ）は第１フレームの移動動作の説明図であり、図６（ｂ）は第２フレームの移動動作の説明図である。
【図７】板バネ部材の説明図であり、図７（ａ）は従来例の板バネ部材の説明図であり、図７（ｂ）は本実施形態の板バネ部材の説明図である。
【図８】移動距離のデータであり、図８（ａ）は従来の移動装置の移動距離であり、図８（ｂ）は本実施形態の移動装置の移動距離であり、図８（ｃ）は各移動装置の移動距離の偏差である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
なお、以下の説明では、走行面の法線方向を＋Ｚ方向とし、その反対方向を−Ｚ方向とする。
図１は移動装置の斜視図である。
図２は移動装置の説明図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は正面図である。
図１および図２に示すように、本発明の移動装置１は、第１フレーム１０と、第１フレーム１０に対して交差して配置される第２フレーム２０とを有している。また、第１フレーム１０および第２フレーム２０に連結され、走行面７０と交差するように伸びる複数の脚部１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）と、脚部１２に配置され、走行面７０に脚部１２を一時固定するための磁力を発生するコイル１９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ）とを有している。さらに、第１フレーム１０と第２フレーム２０との間に配置された複数の駆動部材３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）と、駆動部材３０と脚部１２とを接続する板バネ部材５（５ａ，５ｂ）と、を有している。
なお、脚部１２は各脚部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの総称であり、各図中では、適宜符号１２および符号１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄのいずれかを用いて表現している。板バネ部材５、コイル１９および駆動部材３０についても同様としている。
また、本実施形態では、移動装置１が移動する走行面７０は、例えば鉄等の磁性材料により形成されている。これにより、後述するように、脚部１２を電磁石として機能させ、脚部１２を走行面７０に吸着または離脱させることができる。
【００１７】
（第１フレーム）
図３は第１フレームの説明図であり、図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は正面図である。
図３に示すように、第１フレーム１０は正面視略Ｕ字形状の部材であり、棒状の本体部１１と、本体部１１の両端から−Ｚ方向に立設され、本体部１１と一体的に形成されている一対の脚部１２ａ，１２ｂと、を有している。
第１フレーム１０は磁性材料からなる部材であり、プレスや鋳造、鍛造、機械加工等により形成される。なお、本実施形態では、磁性材料として３％ケイ素鋼を選択している。３％ケイ素鋼を選択したのは、後述するように第１フレームは電磁石の鉄心としての機能を有しており、ヒステリシス特性の良好な材料を選択する必要があるためである。３％ケイ素鋼は飽和磁束密度および透磁率が高いため、少ない電流で大きな磁力を得ることができる。さらに、３％ケイ素鋼は保磁力が小さいため、電磁石の電流を切断した際に発生する残留磁力を最小限に抑えることができる。第１フレーム１０の表面には、例えばニッケル等によりめっきが施される。これにより、腐食による錆等の発生を防止している。
【００１８】
本体部１１の端部には、Ｚ方向に沿って貫通する板バネ部材取付孔１１ａが形成されている。本実施形態の板バネ部材取付孔１１ａは、本体部１１の両端部に複数個所形成されている。板バネ部材取付孔１１ａの内周面には雌ネジが形成されている。この板バネ部材取付孔１１ａにボルトを締結して、後述する板バネ部材を固定する。なお、後述するように、本体部１１の＋Ｚ方向からボルトを締結して板バネ部材を取り付ける。
【００１９】
脚部１２は、脚部１２の長手方向（Ｚ方向）に沿って形成された貫通孔１４と、脚部１２の外周面１７と貫通孔１４の内周面１４ａとを連通するように形成された、Ｚ方向に沿って伸びるすり割り１３と、を有している。貫通孔１４およびすり割り１３は、第１フレーム１０を形成した後、機械加工により形成される。なお、本実施形態の貫通孔１４は、平面視略円形状となっているが、略矩形状としてもかまわない。ただし、貫通孔１４を略円形状としたほうが加工のしやすさという点で優れている。
【００２０】
また、脚部１２には、後述する板バネ部材を固定する板バネ部材取付部１６が形成される。板バネ部材取付部１６は、脚部１２の−Ｚ方向の端部から＋Ｚ方向に若干の距離をおいた位置において、第１フレーム１０の本体部１１と略並行に、第１フレーム１０の中央に向かって立設されている。板バネ部材取付部１６には、Ｚ方向に沿って貫通する板バネ部材取付孔１６ａが形成されている。板バネ部材取付孔１６ａは板バネ部材取付部１６の両端部に複数箇所形成されている。板バネ部材取付孔１６ａの内周面には雌ネジが形成されている。なお、後述するように、板バネ部材取付部１６の−Ｚ方向からボルトを締結して板バネ部材を取り付ける。
【００２１】
（接地部材）
図２に示すように、貫通孔１４には、棒状の接地部材１５が挿通されている。
接地部材１５は、第１フレーム１０と同様に電磁石の鉄心としての機能を有する。したがって、接地部材１５は、第１フレーム１０と同じ磁性材料である３％ケイ素鋼で形成される。
接地部材１５の−Ｚ方向の先端に形成された接地部１５ａは、表面が曲面となっているのが望ましい。これにより、走行面７０に対する接地部１５ａの接地面積が減少するので、移動装置１が走行面７０を移動する際に発生する接地部１５ａと走行面７０との摩擦力を軽減することができる。
接地部材１５は、前述したすり割り１３の間隔を狭めて、貫通孔１４の内周面１４ａで接地部材１５を狭持することにより固定される。本実施形態では、脚部１２にすり割り１３と直交するようにボルト取付孔１８を形成し、ボルト１８ａを締め付けてすり割り１３の間隔を狭めることにより、接地部材１５を固定している。
【００２２】
さらに、ボルト１８ａを緩めてすり割り１３の間隔を広げることにより、接地部材１５を脚部１２から容易に引き抜くことができる。これにより、移動装置１の走行時の摩擦等により接地部材１５の接地部１５ａが磨耗した場合でも、接地部材１５を容易に交換することができる。また、貫通孔１４の中心軸方向に沿って、接地部材１５を＋Ｚ方向および−Ｚ方向に容易に移動させることができる。これにより、移動装置１の組立て時やメンテナンス時等において、各接地部材１５の走行面７０に対する高さを容易に調整することができる。
【００２３】
（第２フレーム）
図４は第２フレームの説明図であり、図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は正面図である。第２フレーム２０は、本体部２１の形状を除き、第１フレーム１０と同様の構成となっている。したがって、本体部２１以外の説明は省略する。
本体部２１の長手方向における略中央付近は、−Ｚ方向に凹んだ曲部２２が形成されている。図２に示すように、曲部２２の凹みに第１フレーム１０の本体部１１を配置することにより、第１フレーム１０および第２フレーム２０を干渉することなく交差して配置することができる。
【００２４】
（規制部材）
図５は図２（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、規制部材の説明図である。
規制部材４０は、第１フレーム１０および第２フレーム２０の過度な相対移動を規制している。
規制部材４０は、アルミや樹脂等の非磁性材料からなる略Ｕ字形状の部材であり、プレスや鋳造、鍛造、機械加工、樹脂インジェクション等により形成される。図５に示すように、規制部材４０は、第１フレーム１０の本体部１１の略中央付近であって、本体部１１の−Ｚ方向に配置される。なお、規制部材４０は、第１フレーム１０にボルト４１等を用いて固定される。規制部材４０および第１フレーム１０の本体部１１で第２フレーム２０の本体部２１の曲部２２を囲むことにより、第２フレーム２０が＋Ｚ方向、−Ｚ方向および走行面の水平方向に過度に移動するのを規制できる。なお、第２フレーム２０の本体部２１の軸方向への移動は、曲部２２の曲面が第１フレームの本体部に当たることにより規制される。これにより、移動装置の落下等により、脚部１２に荷重が加わっても、第１フレーム１０および第２フレーム２０の過度な相対移動を規制することができる。したがって、後述する板バネ部材５の塑性変形を防止することができる。
【００２５】
（コイル）
図１および図２に示すように、脚部１２には、走行面７０に脚部１２を固定するための磁力を発生するコイル１９が配置されている。
コイル１９は、表面が樹脂でコーティングされた銅線であり、絶縁紙や樹脂等からなる不図示のインシュレータを介して、脚部１２に巻回されている。コイル１９は、不図示の電源に接続されており、電源からコイル１９に電流を供給することにより、脚部１２は電磁石として作用する。コイル１９に流す電流を制御して、コイル１９を励磁または消磁させることにより、磁性材料で形成された走行面７０に、脚部１２を吸着または離脱させることができる。コイル１９は、走行面７０に対する電磁石の吸着力を確保するため、走行面近傍に配置される。
【００２６】
なお、本実施形態では、第１フレーム１０の脚部１２に取り付けられるコイル１９ａおよびコイル１９ｂと、第２フレーム２０の脚部１２に取り付けられるコイル１９ｃおよびコイル１９ｄとは、それぞれ共通のループに属している。したがって、コイル１９ａ，１９ｂを不図示の第１の電源で制御することにより、第１フレーム１０の脚部１２ａ，１２ｂを同時に走行面７０に吸着または離脱させることができる。また、コイル１９ｃ，１９ｄを不図示の第２の電源で制御することにより、第２フレーム２０の脚部１２ｃ，１２ｄを同時に走行面７０に吸着または離脱させることができる。このように、１つの電源で２つのコイルを制御することができるので、移動装置の周辺回路を簡単に構成することができる。
【００２７】
（駆動部材）
図１および図２に示すように、第１フレーム１０と第２フレーム２０との間には、複数の駆動部材３０が配置されている。
本実施形態では、駆動部材３０として圧電素子を採用している。本実施形態では、圧電体を複数重ねた積層型の圧電素子を採用している。圧電素子の変位量は約６μｍ／１００Ｖ程度であるが、変位拡大機構により、約１００μｍ／１００Ｖ程度まで変位量を拡大している。駆動部材３０は、不図示の電源に接続されている。電源の電圧を制御して圧電素子を伸縮させることにより、駆動部材３０を伸縮することができる。
【００２８】
このような特性を有する圧電素子からなる駆動部材３０を、第１フレーム１０の脚部１２ａ，１２ｂと第２フレーム２０の脚部１２ｃ，１２ｄとの間に配置する。具体的には、脚部１２ａと脚部１２ｃとの間に駆動部材３０ａを配置し、脚部１２ａと脚部１２ｄとの間に駆動部材３０ｂを配置し、脚部１２ｂと脚部１２ｄとの間に駆動部材３０ｃを配置し、脚部１２ｂと脚部１２ｃとの間に駆動部材３０ｄを配置する。このとき、駆動部材３０の変位方向が走行面７０と平行となるように、２個の駆動部材３０を直列接続した状態で配置する。これにより、駆動部材３０が１個の場合と比較して、２倍の変位量を確保することができる。したがって、移動装置１の１ステップ動作の移動距離を長く確保でき、かつ移動装置１の移動スピードを向上させることができる。なお、１ステップ動作とは、移動装置１の第１フレーム１０もしくは第２フレーム２０が一回移動する動作のことをいう。
【００２９】
また、本実施形態の駆動部材３０は、図２（ｂ）に示すように、走行面７０の法線方向において、後述する第１板バネ部材５ａと第２板バネ部材５ｂとの間に配置されている。
ところで、移動装置１の各構成部品の重量のうち、コイル１９および脚部１２の重量は大きな割合を占める。また、コイル１９は前述のとおり、走行面７０の近傍に配置される。したがって、第１板バネ部材と第２板バネ部材との間に駆動部材３０を配置することにより、駆動部材３０はコイル１９および脚部１２とともに走行面７０の近傍に配置されるので、移動装置１の低重心化を図ることができる。これにより、移動装置１の加速および停止時における慣性モーメントの影響を低減することができるので、より良好な移動性能を確保することができる。
【００３０】
（板バネ部材）
図１および図２に示すように、上述した脚部１２および駆動部材３０は、板バネ部材５により接続されている。
板バネ部材５は、りん青銅やアルミ、樹脂等の非磁性材料からなる、平面視略Ｌ字形状の平板部材であり、プレスや機械加工、樹脂インジェクション等により成型される。非磁性材料としたのは、前述の第１フレーム１０および第２フレーム２０は電磁石の鉄心として磁路を形成するので、各フレーム１０，２０に接続される板バネ部材５により、磁気干渉や磁束漏れ等が発生するのを防止するためである。板バネ部材５の中央部および両端部には、取付孔７が複数個所形成されている。本実施形態の板バネ部材５の板厚は約０．８ｍｍ程度であるが、移動装置１の重量や板バネ部材の材料等により適宜変更することができる。
【００３１】
本実施形態では、板バネ部材５として、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが設けられている。さらに、コイル１９を挟んで第１板バネ部材５ａの反対側に第２板バネ部材５ｂが設けられている。なお、第１板バネ部材５ａおよび第２板バネ部材５ｂは同一の部材としてもよい。第１板バネ部材５ａおよび第２板バネ部材５ｂを同一の部材とすることで、部品の共用化ができ、移動装置１の低コスト化ができる。
【００３２】
（第１板バネ部材）
図１および図２に示すように、第１板バネ部材５ａは、前述した第１フレーム１０および第２フレーム２０の脚部１２に形成された、板バネ部材取付部１６の−Ｚ側に固定される。具体的には、第１板バネ部材５ａの中央部の取付孔７に−Ｚ側からボルトを挿通し、第１板バネ部材５ａの−Ｚ方向からボルトを締め付けることにより、第１板バネ部材５ａを板バネ部材取付部１６に固定する。このようにして、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが取り付けられる。また、第１板バネ部材５ａは、前述した駆動部材３０の−Ｚ側に固定される。具体的には、第１板バネ部材５ａの両端部の取付孔７にボルトを挿通し、板バネ部材取付部１６の−Ｚ方向からボルトを締め付けることにより、第１板バネ部材５ａに、駆動部材３０を固定する。
【００３３】
上述のように、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａを設けることにより、脚部１２の接地部１５ａから第１板バネ部材５ａまでの距離が短くなるので、移動装置１の移動時に脚部１２は傾倒しにくくなる。また、取付後の第１板バネ部材５ａは、Ｚ方向に可撓性を有する。したがって、移動装置１の走行時に、走行面７０の凹凸による衝撃を安定して吸収することができる。また、従来は第１板バネ部材５ａを交換する際に、コイル１９を取り外す必要があった。しかし本発明では、コイル１９の−Ｚ方向からボルトを締結して第１板バネ部材５ａを固定しているので、コイル１９を取り外すことなく第１板バネ部材５ａを交換することができる。したがって、メンテナンス時において、容易に第１板バネ部材５ａを交換することができる。
【００３４】
（第２板バネ部材）
図１および図２に示すように、第２板バネ部材５ｂは、前述した第１フレーム１０および第２フレーム２０の本体部１１，２１の＋Ｚ側に固定される。具体的には、第２板バネ部材５ｂの中央部の取付孔７にボルトを挿通し、本体部１１，２１の＋Ｚ方向からボルトを締め付けることにより、第２板バネ部材５ｂを本体部１１，２１の両端に固定する。また、第２板バネ部材５ｂには、前述の第１板バネ部材５ａの場合と同様に、本体部１１，２１の＋Ｚ方向からボルトを締め付けることにより駆動部材３０が固定される。このようにして、コイル１９を挟んで両側に、第１板バネ部材５ａおよび第２板バネ部材５ｂが取り付けられる。これにより、コイル１９を挟んで脚部１２の離間した位置に対して同様に、駆動部材３０の伸縮動作を伝達することができる。したがって、脚部１２が傾倒するのをさらに抑制し、駆動部材３０の変位の伝達効率を向上させることができる。また、伝達効率が向上することで、移動装置１の移動距離を長く確保できるので、移動装置１の移動スピードを向上させることができる。なお、コイル１９の＋Ｚ方向からボルトを締結して第２板バネ部材５ｂを固定しているので、第１板バネ部材５ａの場合と同様に、コイル１９を取り外すことなく第２板バネ部材５ｂを交換することができる。したがって、容易に第２板バネ部材５ｂを交換することができる。
【００３５】
（移動装置の動作）
上述した各構成部品により移動装置が構成される。そして、圧電素子に印加する電圧およびコイルに流す電流を制御して、各フレームの相対移動および脚部の吸着または離脱動作を適宜組み合わせることにより、移動装置は走行面を移動する。
図６は移動動作の説明図であり、図６（ａ）は第１フレームの移動動作の説明図であり、図６（ｂ）は第２フレームの移動動作の説明図である。なお、図６において、紙面の上方向を前方向と定義する。また、わかりやすくするために、各構成部品の表記を簡略化または省略している。移動動作の一例として、前進動作を以下に説明する。
【００３６】
まず、第２フレーム２０に取り付けられたコイル１９ｃ，１９ｄに電流を流し、第２フレーム２０を電磁石として走行面に吸着させる。これにより、第２フレーム２０を走行面に固定し、第１フレーム１０を移動可能とすることができる。次に、駆動部材３０ｄを伸長させ、駆動部材３０ｂを圧縮させる。これにより、図６（ａ）に示すように、第１フレーム１０を前方向に移動させることができる。続いて、第１フレーム１０に取り付けられたコイル１９ａ，１９ｂに電流を流して第１フレーム１０を電磁石として走行面に吸着させ、第２フレーム２０に取り付けられたコイル１９ｃ，１９ｄに流れている電流を切断して走行面から離脱させる。これにより、第１フレーム１０を走行面に固定し、第２フレーム２０を移動可能とすることができる。次に、駆動部材３０ｂを伸長させ、駆動部材３０ｄを圧縮させる。これにより、図６（ｂ）に示すように、第２フレーム２０を前方向に移動させることができる。以上の動作を繰り返すことで、前進動作を行うことができる。
【００３７】
なお、後退、左方向および右方向へも、同じ原理で移動することができる。さらに、斜め方向および回転方向へも、駆動部材３０の伸縮動作と、第１フレーム１０および第２フレーム２０の吸着または離脱動作とを適宜組み合わせることにより、同じ原理で移動することができる。詳細は特許文献１の段落００１８以降に記載されているとおりである。
【００３８】
以下に、移動装置が移動しているときの本実施形態の板バネ部材の作用について、従来例の板バネ部材の作用と比較しながら詳述する。
図７は、板バネ部材の説明図であり、図７（ａ）は従来例の板バネ部材の説明図であり、図７（ｂ）は本実施形態の板バネ部材の説明図である。なお、図中の板バネ部材の変位量および脚部の傾倒度合いは誇張して表現している。
【００３９】
図７（ａ）に示すように、従来例の板バネ部材５０は、コイル１９の＋Ｚ方向に配置されている。
移動装置１が移動する時に、駆動部材が単位長さＬだけ伸長すると、板バネ部材５０を介して脚部１２の上部を距離Ｌだけ移動させる。しかし、脚部１２の接地部１５ａには、残留磁力による吸着力および摩擦力により、その場に留まろうとする力が働く。これにより、脚部１２の中心軸Ｔは中心軸Ｔ１のように傾倒した状態で移動するので、脚部１２の接地部１５ａの移動距離は、Ｌよりも少ない距離Ｍしか移動しない。このため移動量を精確に制御することができない。特に、斜め方向に移動する際に移動精度が著しく悪化する。
【００４０】
これに対して、図７（ｂ）に示すように、本実施形態の第１板バネ部材５ａは、コイル１９と走行面７０との間に配置されている。
上述した従来手法と同様に、駆動部材が単位長さＬだけ伸長すると、第１板バネ部材５ａは、脚部１２の接地部１５ａに極めて近い部分に力を加えるため、脚部１２の中心軸Ｔは、移動後の中心軸Ｔ２に示すようにほぼ平行移動する。このため、接地部１５ａの移動距離はＬに極めて近い距離となり、移動量を精確に制御することができる。さらに、本発明では、コイル１９を挟んだ反対側にも第２板バネ部材５ｂを備えているので、脚部１２の上部は傾倒しないため、平行移動をより確実にしている。
【００４１】
（移動距離の均一性について）
図８は移動装置の一回の動作（１ステップ）における移動距離のデータであり、図８（ａ）は従来の移動装置の１ステップの移動距離であり、図８（ｂ）は本実施形態の移動装置の１ステップの移動距離であり、図８（ｃ）は各移動装置の１ステップの移動距離の偏差である。以下、従来の移動装置をＳ−１型と呼び、本実施形態の移動装置をＧ−１型と呼ぶ。
なお、Ｓ−１型は図７（ａ）に示すような、コイル１９の＋Ｚ側のみに板バネ部材５０を備えたタイプの移動装置であり、非特許文献１に記載の移動装置と同タイプの移動装置である。また、Ｓ−１型とＧ−１型とでは、駆動部材である圧電素子の変位量が異なっており、Ｇ−１型の圧電素子はＳ−１型の圧電素子よりも大きい変位量を有している。
【００４２】
図８（ｃ）は、各移動装置の前後左右方向および斜め方向の移動距離の平均値に対する偏差の百分率である。
図８（ｃ）のデータで示すように、Ｓ−１型とＧ−１型とでは、移動距離の偏差が大きく異なっている。具体的には、Ｇ−１型の前後左右方向の移動距離の偏差は約５％程度であり、Ｓ−１型の前後左右方向の移動距離の偏差は約２０％程度である。また、Ｇ−１型の斜め方向の移動距離の偏差は約３％程度であり、Ｓ−１型の斜め方向の移動距離の偏差は約３０％程度である。このように、Ｇ−１型の移動距離の偏差は、Ｓ−１型の移動距離の偏差よりも小さい。以上のデータより、本実施形態の移動装置Ｇ−１型は、１ステップ動作の移動距離の均一性に優れており、Ｓ−１型と比較して良好な移動性能を有していることが証明できたといえる。
【００４３】
本実施形態によれば、図２に示すように、コイル１９と走行面７０との間に第１板バネ部材５ａが設けられているので、脚部１２の接地部１５ａから第１板バネ部材５ａまでの距離が短くなり、脚部１２が傾倒しにくくなる。また、走行面７０近傍で第１フレーム１０および第２フレーム２０に駆動部材３０の伸縮動作を伝達することができる。これにより、移動装置１が移動する時に、脚部１２の接地部１５ａに残留磁力による吸着力および摩擦力が働いても、脚部１２が傾倒するのを抑制することができる。したがって、移動装置１の良好な移動性能を確保することができる。
【００４４】
なお、この発明は上述した実施の形態に限られるものではない。
本実施形態では、駆動部材として圧電素子を使用して第１フレームと第２フレームとを相対移動させている。しかし、駆動部材は圧電素子に限られず、例えば超音波モータ等のマイクロアクチュエータを用いて、第１フレームと第２フレームとを相対移動させてもよい。
【００４５】
本実施形態では、移動装置は第１フレームおよび第２フレームで形成されている。しかし、フレーム数を増やすことも可能である。これにより、斜め方向や回転方向において、本実施形態よりもさらに細かい角度分解能で移動装置を移動させることが可能である。ただし、装置の構成や各フレームを相対移動させる際の制御等が簡単である点で、本実施形態に優位性がある。
【００４６】
本実施形態では、第１フレームおよび第２フレームには、それぞれ２本の脚部が形成されている。しかし、各フレームにそれぞれ脚部を２本以上形成してもよい。これにより、脚部の本数が増加するので、より安定した移動が可能となる。ただし、装置の構成や各フレームを相対移動させる際の制御等が簡単である点で、本実施形態に優位性がある。
【００４７】
本実施形態では、脚部にすり割りを設け、すり割りの間隔を狭めて、貫通孔の内周面で接地部材を狭持することにより、接地部材を固定している。しかし、例えば、すり割を設けず、貫通孔の内周面と脚部の外周面とを連通するボルト取付孔を形成し、ボルト取付孔にボルトを挿入して、貫通孔内に挿通された接地部材を直接締結して固定することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、小型製品の量産時において、チップ部品を実装する際に適用することができる。また、マウス卵子の顕微作業や人工授精の細胞処理における精密作業等に適用することができる。
また、小型のセンサー等を本発明の移動装置に搭載することにより、容易にオプション機能を追加することができる。さらに、本発明の移動装置は軽量であるため、往復動作時に発生する振動が小さい。したがって、周辺機器への振動の影響を抑制することができ、振動対策の費用を大幅に削減することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・移動装置 ５・・・板バネ部材 ５ａ・・・第１板バネ部材 ５ｂ・・・第２板バネ部材 １０・・・第１フレーム １２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）・・・脚部 １３・・・すり割り １４・・・貫通孔 １４ａ・・・内周面 １５・・・接地部材 １９（１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ）・・・コイル ２０・・・第２フレーム ３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ）・・・駆動部材 ４０・・・規制部材 ７０・・・走行面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１フレームと、
前記第１フレームに対して交差して配置される第２フレームと、
前記第１フレームおよび前記第２フレームに連結され、走行面と交差するように伸びる複数の脚部と、
前記脚部に配置され、前記脚部を前記走行面に一時固定するための磁力を発生するコイルと、
前記第１フレームの前記脚部と前記第２フレームの前記脚部との間に配置された駆動部材と、
前記駆動部材と前記脚部とを接続する板バネ部材と、
を有し、
前記駆動部材の伸縮動作を前記脚部に作用させ、前記第１フレームと前記第２フレームとを相対移動させることにより前記走行面を移動する移動装置であって、
前記板バネ部材として、前記コイルと前記走行面との間に第１板バネ部材が設けられていることを特徴とする移動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の移動装置であって、
前記板バネ部材として、前記コイルを挟んで前記第１板バネ部材の反対側に、第２板バネ部材が配置されていることを特徴とする移動装置。
【請求項３】
請求項２に記載の移動装置であって、
前記駆動部材は、前記走行面の法線方向において、前記第１板バネ部材と前記第２板バネ部材との間に配置されていることを特徴とする移動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の移動装置であって、
前記脚部は、
前記脚部の長手方向に沿って形成された貫通孔と、
前記脚部の外周面と前記貫通孔の内周面とを連通するように形成され、前記長手方向に沿って伸びるすり割りと、
前記貫通孔に挿通され、先端が前記走行面と当接する接地部材と、
を有しており、
前記すり割りの間隔を狭めて、前記貫通孔の前記内周面で前記接地部材を狭持することにより、前記接地部材が固定されていることを特徴とする移動装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の移動装置であって、
前記第１フレームと前記第２フレームとの相対移動を規制する規制部材を有していることを特徴とする移動装置。
【請求項１】
第１フレームと、
前記第１フレームに対して交差して配置される第２フレームと、
前記第１フレームおよび前記第２フレームに連結され、走行面と交差するように伸びる複数の脚部と、
前記脚部に配置され、前記脚部を前記走行面に一時固定するための磁力を発生するコイルと、
前記第１フレームの前記脚部と前記第２フレームの前記脚部との間に配置された駆動部材と、
前記駆動部材と前記脚部とを接続する板バネ部材と、
を有し、
前記駆動部材の伸縮動作を前記脚部に作用させ、前記第１フレームと前記第２フレームとを相対移動させることにより前記走行面を移動する移動装置であって、
前記板バネ部材として、前記コイルと前記走行面との間に第１板バネ部材が設けられていることを特徴とする移動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の移動装置であって、
前記板バネ部材として、前記コイルを挟んで前記第１板バネ部材の反対側に、第２板バネ部材が配置されていることを特徴とする移動装置。
【請求項３】
請求項２に記載の移動装置であって、
前記駆動部材は、前記走行面の法線方向において、前記第１板バネ部材と前記第２板バネ部材との間に配置されていることを特徴とする移動装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の移動装置であって、
前記脚部は、
前記脚部の長手方向に沿って形成された貫通孔と、
前記脚部の外周面と前記貫通孔の内周面とを連通するように形成され、前記長手方向に沿って伸びるすり割りと、
前記貫通孔に挿通され、先端が前記走行面と当接する接地部材と、
を有しており、
前記すり割りの間隔を狭めて、前記貫通孔の前記内周面で前記接地部材を狭持することにより、前記接地部材が固定されていることを特徴とする移動装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の移動装置であって、
前記第１フレームと前記第２フレームとの相対移動を規制する規制部材を有していることを特徴とする移動装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１８９４２７（Ｐ２０１１−１８９４２７Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５５６１４（Ｐ２０１０−５５６１４）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（５０４１８２２５５）国立大学法人横浜国立大学 (429)
【Ｆターム（参考）】
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