(57)【要約】【課題】エンコーダスケール長に関係なくインチワーム式の移動ができる安価なアクチュエータの構成およびその駆動方法を提供することを目的とする。【解決手段】送り用伸縮機構３２と、第１のロックアップ用伸縮機構３０と、第２のロックアップ用伸縮機構３１とを備えたアクチュエータ３において、第１と第２のロックアップ用伸縮機構３０、３１にエンコーダスケール７を架設し、その一端のみを第１または第２のロックアップ用伸縮機構のいずれかに固定し、エンコーダスケール７が固定されていない第１または第２のロックアップ用伸縮機構に固定されたエンコーダヘッド６で、そのスケールを読み取る構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対峙して併設された一対のガイド手段の間をインチワーム動作によって移動するインチワーム式アクチュエータにおいて、
前記ガイド手段のガイド方向に伸縮可能な送り用伸縮機構と、
前記送り用伸縮機構の伸縮方向の両端に固定され、前記一対のガイド手段に接離可能に伸縮する第１と第２のロックアップ用伸縮機構と、
前記第１と第２のロックアップ用伸縮機構の間に架設され、かつ前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構のいずれかに一端が固定されたエンコーダスケールと、
前記エンコーダスケールの一端が固定されていない前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構に固定され、前記エンコーダスケールのスケールを読み取るエンコーダヘッドと、を備えたことを特徴とするインチワーム式アクチュエータ。
【請求項２】
前記送り用伸縮機構と第１および第２のロックアップ用伸縮機構は、電圧が印加されると伸縮する積層型圧電素子によって伸縮されることを特徴とする請求項１記載のインチワーム式アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構は、前記送り用伸縮機構に固定される結合体と、前記結合体の両端に積層型圧電素子が備えられていることを特徴とする請求項１記載のインチワーム式アクチュエータ。
【請求項４】
前記エンコーダヘッドには、前記エンコーダスケールを前記第１の伸縮機構の伸縮方向に案内させるエンコーダスケールガイドが付設されていることを特徴とする請求項１記載のインチワーム式アクチュエータ。
【請求項５】
前記エンコーダヘッドと前記エンコーダスケールには、ヘッドとスケールの汚れを防止するカバーをそれぞれ備えたことを特徴とする請求項１記載のインチワーム式アクチュエータ。
【請求項６】
前記ガイド手段と前記第２または第３の伸縮機構が当接する前記ガイド手段の表面と、前記第２または第３の伸縮機構の表面とを、それぞれサンドブラスト処理によって表面粗度を低下させていることを特徴とする請求項１記載のインチワーム式アクチュエータ。
【請求項７】
対峙して併設された一対のガイド手段の間をインチワーム動作によって移動するインチワーム式アクチュエータの位置情報を取得する位置算出方法であって、
前記ガイド手段のガイド方向に伸縮可能な送り用伸縮機構と、
前記送り用伸縮機構の伸縮方向の両端に固定され、前記一対のガイド手段に接離可能に伸縮する第１と第２のロックアップ用伸縮機構と、
前記第１と第２のロックアップ用伸縮機構の間に架設され、かつ前記第１または第２の伸縮機構のいずれかに一端が固定されたエンコーダスケールと、
前記エンコーダスケールが固定されていない前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構に固定され、前記エンコーダスケールのスケールを読み取るエンコーダヘッドと、を用い、
前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドで前記送り用伸縮機構の伸縮量を算出し、
前記送り用伸縮機構が伸縮する前の位置情報に、算出された前記伸縮量を加算していくことで、アクチュエータの位置情報を取得することを特徴とするインチワーム式アクチュエータの位置算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型化、省コスト化を可能とするインチワーム式のアクチュエータに関する。また、このアクチュエータを用いた小型工作機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のインチワーム式アクチュエータは、アクチュエータの外部に設けられたエンコーダスケールと、アクチュエータに備えられたエンコーダヘッドにより、エンコーダヘッドでエンコーダスケールを読み取り、その位置情報を得ていた（例えば、特許文献１参照）。
図５は従来のインチワーム式アクチュエータを示す図である。
図５において、ベース基板１に固定されたガイドレール２の内側に、Ｈ形状のアクチュエータ３が配置されている。このアクチュエータ３は、ガイドレール２のガイド方向に１つの送り用圧電素子３２を有しているとともに、送り用圧電素子３２はガイド方向の両端に結合体４１と４２を備えている。そして、結合体４１と４２の両端には、ガイドレール２に接離可能で伸縮するロックアップ用圧電素子３１１と３１２がそれぞれ固定されている。また、駆動対象５は結合体４１に取り付けてある。さらに、結合体４１にはエンコーダヘッド６が取り付られ、ベース基板１上にはエンコーダスケール７が敷設されている。エンコーダヘッド６はエンコーダスケール７のスケールを読み取ることができる。
以上で構成されるインチワーム式アクチュエータの動作を説明する。まず、ロックアップ用圧電素子３１１のみに電圧を加えると、圧電効果によってロックアップ用圧電素子３１１が伸び、ロックアップ用圧電素子３１１が２本のガイドレール２へ押圧することによってアクチュエータ３はガイドレール２の間で固定状態となる。この状態で、送り用圧電素子３２に電圧を加えると、送り用圧電素子３２が伸びる。このとき、ロックアップ用圧電素子３１２は送り用圧電素子３２と共に移動する。つぎに、ロックアップ用圧電素子３１２に電圧を加え、ロックアップ用圧電素子３１２をガイドレール２の間で固定状態とする。つぎに、ロックアップ用圧電素子３１１への電圧印加を止めると、ロックアップ用圧電素子３１１が縮み、ロックアップ用圧電素子３１１とガイドレール２の間の固定が解除される。続いて、送り用圧電素子３２への電圧印加を止めると、送り用圧電素子３２が縮む。このとき、ロックアップ用圧電素子３１１は送り用圧電素子３２と共に移動する。インチワーム式アクチュエータでは、上記のような手順を連続的に行うことで、アクチュエータ３を移動させ、駆動対象５を移動させている。このときのアクチュエータ３の位置情報は、ベース基板１上のエンコーダスケール７をエンコーダヘッド６で読み取ることで行っている。この位置情報の取得の方法は、従来のリニアモータなどのエンコーダの構成と同等でもある。
【特許文献１】特開平１０―１６６２３７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のインチワーム式アクチュエータの移動時の位置情報は、インチワーム式アクチュエータの外部にあるエンコーダスケールと、インチワーム式アクチュエータに備えられたエンコーダヘッドとにより得ていた。このため、インチワーム式アクチュエータの移動量は、エンコーダスケール長により制限されていた。また、エンコーダスケールが長くなると、ミストなどによりスケールが汚れ、正確な位置情報を得られなくなることや高価になるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、インチワーム式アクチュエータにエンコーダスケールをも内蔵することで、従来のようにエンコーダスケール長に関係なくインチワーム式アクチュエータの移動ができ、かつミストなどの汚れによる位置情報の誤検出を防ぎ、安価な駆動装置およびその駆動方法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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、対峙して併設された一対のガイド手段の間をインチワーム動作によって移動するインチワーム式アクチュエータにおいて、前記ガイド手段のガイド方向に伸縮可能な送り用伸縮機構と、前記送り用伸縮機構の伸縮方向の両端に固定され、前記一対のガイド手段に接離可能に伸縮する第１と第２のロックアップ用伸縮機構と、前記第１と第２のロックアップ用伸縮機構の間に架設され、かつ前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構のいずれかに一端が固定されたエンコーダスケールと、前記エンコーダスケールの一端が固定されていない前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構に固定され、前記エンコーダスケールのスケールを読み取るエンコーダヘッドと、を備えたインチワーム式アクチュエータとするものである。
請求項２に記載の発明は、前記送り用伸縮機構と第１および第２のロックアップ用伸縮機構は、電圧が印加されると伸縮する積層型圧電素子によって伸縮される請求項１記載のインチワーム式アクチュエータとするものである。
請求項３に記載の発明は、前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構は、前記送り用伸縮機構に固定される結合体と、前記結合体の両端に積層型圧電素子が備えられている請求項１記載のインチワーム式アクチュエータとするものである。
請求項４に記載の発明は、前記エンコーダヘッドには、前記エンコーダスケールを前記第１の伸縮機構の伸縮方向に案内させるエンコーダスケールガイドが付設されている請求項１記載のインチワーム式アクチュエータとするものである。
請求項５に記載の発明は、前記エンコーダヘッドと前記エンコーダスケールには、ヘッドとスケールの汚れを防止するカバーをそれぞれ備えた請求項１記載のインチワーム式アクチュエータとするものである。
請求項６に記載の発明は、前記ガイド手段と前記第２または第３の伸縮機構が当接する前記ガイド手段の表面と、前記第２または第３の伸縮機構の表面とを、それぞれサンドブラスト処理によって表面粗度を低下させている請求項１記載のインチワーム式アクチュエータとするものである。
請求項７に記載の発明は、対峙して併設された一対のガイド手段の間をインチワーム動作によって移動するインチワーム式アクチュエータの位置情報を取得する位置算出方法であって、前記ガイド手段のガイド方向に伸縮可能な送り用伸縮機構と、前記送り用伸縮機構の伸縮方向の両端に固定され、前記一対のガイド手段に接離可能に伸縮する第１と第２のロックアップ用伸縮機構と、前記第１と第２のロックアップ用伸縮機構の間に架設され、かつ前記第１または第２の伸縮機構のいずれかに一端が固定されたエンコーダスケールと、  前記エンコーダスケールが固定されていない前記第１または第２のロックアップ用伸縮機構に固定され、前記エンコーダスケールのスケールを読み取るエンコーダヘッドと、を用い、前記エンコーダスケールと前記エンコーダヘッドで前記送り用伸縮機構の伸縮量を算出し、前記送り用伸縮機構が伸縮する前の位置情報に、算出された前記伸縮量を加算していくことで、アクチュエータの位置情報を取得するインチワーム式アクチュエータの位置算出方法とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、インチワーム式アクチュエータにエンコーダスケールとエンコーダヘッドを内蔵しているので、インチワーム式アクチュエータの移動量がエンコーダスケール長により制限されずにインチワーム式アクチュエータの移動を行うことができる。
請求項２に記載の発明によると、伸縮機構に積層型圧電素子を使うので、小型化が容易で、耐久性に富み、応答速度が高く、駆動力も大きいインチワーム式アクチュエータとすることができる。
請求項３に記載の発明によると、結合体の両端にロックアップ用圧電素子を備えているので、ガイド機構への固定力の大きいインチワーム式アクチュエータとすることができる。
請求項４に記載の発明によると、エンコーダスケールガイドがエンコーダスケールを送り用伸縮機構の伸縮方向に案内するため、エンコーダヘッドのスケール読み取り時に誤検出を少なくすることができる。
請求項５に記載の発明によると、エンコーダヘッドとエンコーダスケールとに汚れを防止するカバーを備えたので、エンコーダヘッドのスケール読み取り時に誤検出を少なくすることができる。
請求項６に記載の発明によると、アクチュエータとガイド手段の当接する表面のそれぞれの表面粗度を低下させているので、外力が加わったときでも、アクチュエータ３がスリップしないようになっているため、位置情報の誤検出を避けることができる。
請求項７に記載の発明によると、インチワーム式のアクチュエータにおいて、送り用伸縮機構の伸縮量の差分により駆動対象の移動量を算出するので、その位置情報が簡単に正しく得られ、従来のようにアクチュエータの目的の移動量分相当のエンコーダスケールを備える必要がなくなる。また、これによりエンコーダスケールのコストも抑えることができるため、安価なインチワーム式のアクチュエータが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の第１実施例を示すインチワーム式アクチュエータの構成図である。図１において、１はベース基板、２はベース基板１に固定されたガイド手段である。本アクチュエータ３は対峙して併設されている一対のガイド手段２の間を移動する。アクチュエータ３は、ガイド方向に伸縮可能な送り用伸縮機構３２と、その伸縮方向の両端に第１と第２のロックアップ機構３０と３１が固定されている。第１と第２のロックアップ用伸縮機構３０と３１は、それぞれガイド手段２に対して接離可能に伸縮する。実施例においては、送り用伸縮機構３２と、第１と第２のロックアップ用伸縮機構３０と３１の伸縮手段に、積層型圧電素子を用いている。積層型圧電素子は、電圧を印加することによって、伸長する特性のものである。送り用伸縮機構の圧電素子は、送り用圧電素子３２ａである。また、第１のロックアップ用伸縮機構３０は、４１の結合体の両端に３０ａのロックアップ用圧電素子を備え、２つのロックアップ用圧電素子３０ａが伸縮動作することでガイド手段２に接離を繰り返す。また、第２のロックアップ伸縮機構３１も同様な構成で、４２の結合体の両端に３１ａのロックアップ用圧電素子を備え、２つのロックアップ用圧電素子３１ａが伸縮動作することでガイド手段２に接離を繰り返す。なお、図１は送り用伸縮機構が収縮している状態、つまり送り用圧電素子３２ａに電圧が印加されていない状態を示している。また同じく、第２のロックアップ用伸縮機構のロックアップ用圧電素子３１ａにも電圧が印加されていない状態である。
また、５はアクチュエータ３の駆動対象であり結合体４１に取り付けてある。６は結合体４１に取り付けられたエンコーダヘッド、７は結合体４２にその一端を取り付けられたエンコーダスケールである。また、８はエンコーダスケール７を結合体４２に固定するための固定体、９はエンコーダスケール７を受けて滑らせ、かつ送り用伸縮機構３２の伸縮方向にエンコーダスケール７を案内するためのエンコーダスケールガイドである。エンコーダスケールガイド９は、エンコーダヘッド６とともに結合体４１に固定されている。
【０００８】
次に、以上で構成されるアクチュエータ３の動作について、図２を用いて説明する。図２における各部の番号は、図１と同じものである。まず、第１のロックアップ用伸縮機構３０の、それぞれのロックアップ用圧電素子３０ａに電圧を加えると、圧電効果によってロックアップ用圧電素子３０ａが伸長し、ガイド手段２を押圧することで、アクチュエータ３は、ガイド手段２との間で固定状態となる（図２（ア）参照）。
この状態で、次に、送り用圧電素子３２ａに電圧を加えると、送り用圧電素子３２ａが伸びる。このとき、第２のロックアップ用伸縮機構３１は、送り用圧電素子３２と共に移動し、第２のロックアップ用伸縮機構３１に固定されているエンコーダスケール７も同様に移動する。エンコーダスケール７は、第１のロックアップ用伸縮機構には固定されておらず、該機構に固定されているエンコーダスケールガイドを滑りながら移動する。このとき、エンコーダヘッド６は、エンコーダスケール７のスケール値を読み取る（図２（イ）参照）。
次に、この状態で、第２のロックアップ用伸縮機構３１のそれぞれのロックアップ用圧電素子３１ａに電圧を加え、ロックアップ用圧電素子３１ａを伸長させ、ガイド手段２との間でアクチュエータ３を固定状態とする。次に、ロックアップ用圧電素子３０ａへの電圧印加を止めると、ロックアップ用圧電素子３０ａは収縮するので、第１のロックアップ用伸縮機構３０はガイド手段２との間で固定が解除される（図２（ウ）参照）。
続いて、送り用圧電素子３２ａへの電圧印加を止めると、送り用圧電素子３２ａが収縮する。このとき、第１のロックアップ用伸縮機構３０は送り用圧電素子３２ａと共に移動する。エンコーダヘッド６は、上記と同様にエンコーダスケール７のスケール値を読み取る（図２（エ）参照）。
以上の一連の動作すなわちインチワーム式の動作により、アクチュエータ３は微少量移動する。また、このような手順を連続的に行うことで、アクチュエータ３は連続移動し、駆動対象５を移動させている。
【０００９】
なお、本発明のアクチュエータ３が特許文献１と異なる部分は、エンコーダスケール７が第１と第２のロックアップ用伸縮機構３０、３１に架設され、その一端が第１と第２のロックアップ用伸縮機構３０、３１のどちらかに固定され、かつその一端が固定されていないロックアップ用伸縮機構に設置されたエンコーダスケールガイドに案内されるとともに、エンコーダスケールガイド７に併設されたエンコーダヘッド６によってアクチュエータ３の位置情報を得ることができるように構成している部分である。この構成により、本アクチュエータでは、アクチュエータ３が移動するだけの長いエンコーダスケールを準備する必要がなく、第１と第２のロックアップ用伸縮機構に架設でき、かつ送り用伸縮機構３２が伸長した状態でエンコーダヘッド６がスケールを読み取れるだけのスケール長とした、短いエンコーダスケール７とすることができている。
【００１０】
また、図３は本発明の第２実施例を示すインチワーム式アクチュエータの斜視図である。図３において、図１の部品の同等個所には同番号が記載されている。３５は第１および第２のロックアップ用伸縮機構の両端にそれぞれ固定されたアルミ等の金属部品である。２１はガイド手段のスリップ防止面、３０ｂと３１ｂはロックアップ用圧電素子のスリップ防止面である。ガイド手段のスリップ防止面２１および第１と第２のロックアップ用伸縮機構のスリップ防止面３０ｂ、３１ｂには、摩擦抵抗を増やすため、表面が粗く加工されている。ここではサンドブラスト処理によって、通常の金属の機械加工面よりも表面粗度を低下させている。このように、ガイド手段のスリップ防止面２１とロックアップ用伸縮機構のスリップ防止面３０ｂ、３１ｂの表面粗度を粗くし摩擦抵抗を増やすことで、外力が加わったときでも、アクチュエータ３がスリップしないようになっているため、位置情報の誤検出を避けることができる。
【００１１】
また、本発明の第３実施例として、上記のエンコーダ６およびエンコーダスケール７にカバーを備えた例を説明する。カバーは、エンコーダヘット６およびエンコーダスケール７を覆う配置になっており、結合体４２に固定体８により固定されていればよい。また、カバーはエンコーダスケールガイド９でも滑るように支持されており、アクチュエータ３が移動するときはエンコーダスケール７と一緒に動作するように構成されていればよい。このカバーによりミストなどでエンコーダスケール７が汚れることによる位置情報の誤検出を防ぎ、正確な位置情報を常に得ることができる。
【００１２】
図４は、本発明のインチワーム式アクチュエータの位置情報算出方法の説明図である。微少量移動前の図４（ア）のときのエンコーダヘッド６の位置をＰ０、微少量移動後の図４（イ）のときのエンコーダヘッド６の位置をＰ１、一連の動作での微小移動量をΔＰとすると、Ｐ１＝Ｐ０＋ΔＰで表される。ここで、Ｐ０は一連の動作前の位置情報で外部記憶装置（図示していない）に記憶されている値、ΔＰは一連の動作中にエンコーダスケール７をエンコーダヘッド６で読み取った位置の伸縮量増減情報である。次に、得られた位置Ｐ１を次の一連の動作に移る前に、新しい位置Ｐ０として外部記憶装置（図示していない）に記憶する。このことで、次の一連の動作での位置情報が更新されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施例を示すインチワーム式アクチュエータの構成図
【図２】図１における動作の説明図
【図３】本発明の第２実施例を示すインチワーム式アクチュエータの斜視図
【図４】本発明のインチワーム式アクチュエータの位置情報算出方法の説明図
【図５】従来のインチワーム式アクチュエータの構成例の図
【符号の説明】
【００１４】
２  ガイド手段
３  アクチュエータ
５  駆動対象
６  エンコーダヘッド
７  エンコーダスケール
８  固定体
９  エンコーダスケールガイド
３０  第１のロックアップ用伸縮機構
３１  第２のロックアップ用伸縮機構
３２  送り用伸縮機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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