(57)【要約】      （修正有）【課題】衝撃体の摺動面に与えられる摩擦力の影響を最小限にし、運動エネルギーを効率的に利用することができる圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を提供する。【解決手段】  圧電素子２２の一方側に取り付けられる慣性体２１と、圧電素子２２のもう一方側に取り付けられる衝撃体２３と、慣性体２１と衝撃体２３の移動方向に予圧を与え、ケース２７に取り付けられた衝撃体移動方向予圧手段２４と、慣性体２１及び衝撃体２３をガイドする案内手段２５、２６と、圧電素子２２に外部より電圧パターンを与える手段と、を具備し、ケース２７がベース２９に固定されている。【選択図】図１
2008117402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置において、
（ａ）圧電素子の一方側に取り付けられる慣性体と、
（ｂ）前記圧電素子のもう一方側に取り付けられる衝撃体と、
（ｃ）前記慣性体と前記衝撃体の移動方向に予圧を与え、ケースに取り付けられた衝撃体移動方向予圧手段と、
（ｄ）前記慣性体及び前記衝撃体をガイドする案内手段と、
（ｅ）前記圧電素子に外部より電圧パターンを与える手段と、を具備し、
（ｆ）前記ケースがベースに固定されていることを特徴とする圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項２】
請求項１記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置において、前記慣性体をガイドする案内手段の垂直方向に予圧を与えないことを特徴とする圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を、位置決めすべき対象物の両側に配置し、前記位置決めすべき対象物を正逆方向に駆動可能にしてなる圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を、位置決めすべき対象物のいくつかの側面に少なくとも３個配置し、前記位置決めすべき対象物をＸ軸、Ｙ軸及び回転方向に駆動可能にしてなる圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項５】
請求項１に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を、回転自在にセットされた位置決めすべき対象物の側面に配置し、前記位置決めすべき対象物を回転方向に駆動可能にしてなる圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項６】
前記小型精密位置決め装置が、
前記衝撃体を介して位置決めすべき対象物の移動をおこさないように、前記衝撃体移動方向予圧手段により前記位置決めすべき対象物に初期予圧を与え、前記衝撃体と前記位置決めすべき対象物に初期予圧を与え、前記衝撃体と前記位置決めすべき対象物を接触させ、
前記圧電素子を急速変形させ、前記位置決めすべき対象物を微動させ、
前記圧電素子を縮ませるとともに、前記初期予圧の働きにより前記衝撃体を前記位置決めすべき対象物に接触させるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか一項に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項７】
圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置において、
（ａ）ケースと、
（ｂ）該ケース内に設けられる圧電素子の一方側に取り付けられる慣性体と、
（ｃ）前記ケース内に設けられる前記圧電素子のもう一方側に取り付けられる棒状の衝撃体と、
（ｄ）前記慣性体の後方に設けられるロッドと、
（ｅ）前記ケースの両側の前記慣性体と前記衝撃体の移動方向に穿設される孔と、
（ｆ）前記ケースの前記両側の孔に設けられる前記棒状の衝撃体と前記ロッドとをガイドする案内手段と、
（ｇ）前記圧電素子に外部より電圧パターンを与える手段と、
（ｈ）前記ケースと前記慣性体との間、又は前記ケースと前記棒状の衝撃体に固定された座との間に設けられるばねと、を具備し、
前記ばねが前記ケースに取り付けられ、前記ケースがベースに固定されていることを特徴とする圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項８】
請求項７に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を、水平に配置し、前記棒状の衝撃体の先端部を位置決めすべき対象物に作用させることを特徴とする圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項９】
請求項７に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を、垂直に配置し、前記棒状の衝撃体の先端部を位置決めすべき対象物に作用させることを特徴とする圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を、傾斜させて配置し、前記棒状の衝撃体の先端部を位置決めすべき対象物に作用させることを特徴とする圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【請求項１１】
前記ベースが、手動又はアクチュエータで駆動されるステージ、又はロボットハンドにより構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０いずれか一項に記載の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、以下に示すものがあった。図１７は従来の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力発生機構の駆動原理の説明図である。まず、図１７（ａ）に示すように、圧電素子２の両側にそれぞれ慣性体１及び衝撃体３を取り付けた位置決め機構は、摺動面４との静止摩擦力で保持された状態にある。この最初の状態では、その位置決め機構は、ベース６に位置している位置決めすべき対象物５と距離ｄ０離れている。
【０００３】
次に、図１７に示すように、そのインパクト駆動機構とも呼ばれる位置決め機構を、圧電素子２に電圧を加えることによって、位置決めすべき対象物５と接触の状態まで移動させる〔その移動原理は、以下、図１７（ｃ）から図１７（ｅ）までの説明で位置決めすべき対象物５を除いた場合と同じ〕。その接触している状態では、位置決め機構の衝撃体３は位置決めすべき対象物５と一体化される。
【０００４】
次に、図１７（ｃ）に示すように、更に、圧電素子２を急速に膨張させると、その一体化された衝撃体３及び位置決めすべき対象物５は、摺動面４との静止摩擦力に打ち勝って、慣性体１とは逆の方向に移動し、最後に摺動面４との動摩擦力により停止し、移動距離がｄ１となる。次に、膨張した圧電素子２を緩やかに一定加速度で収縮させると、一体化された衝撃体３及び位置決めすべき対象物５は、静止摩擦力で保持されたまま、慣性体１のみを引き戻すことができる。
【０００５】
次に、図１７（ｄ）に示すように、圧電素子２が収縮したところで引き戻しの動作を突然停止させると、慣性体１が圧電素子２を介して、一体化された衝撃体３及び位置決めすべき対象物５に衝突するような形となり、一体化された位置決めすべき対象物５は再び、微小移動を起こす。次に、図１７（ｅ）に示すように、一体化された衝撃体３及び位置決めすべき対象物５は、距離ｄ２を移動した後、停止し、再び、摺動面４との静止摩擦力で保持された状態になり、１サイクルが終了する。
【０００６】
以上の原理から分かるように、この位置決め機構では、一体化された衝撃体３及び位置決めすべき対象物５が距離ｄ１を移動した後、衝撃体３の位置を保持するために、衝撃体３の摺動面４との静止摩擦力は、圧電素子２がゆっくり引き戻す過程に伴う慣性力より大きくなければならない。そのために衝撃体３の寸法を大きくする方法や、衝撃体３の摺動面４の垂直方向に予圧を与える方法などが用いられてきた。
【０００７】
図１８はかかる従来の位置決め機構を示す断面図で、図１９は図１８の右側面図である。図１８に示すように、圧電素子２の左側にねじ８で慣性体１を取り付け、圧電素子２の右側にアタッチメント７で衝撃体を取り付ける。慣性体１はケースに固定されている座９で案内され、また、その座９はリニアガイドを具備し、更に、ばね１０の調整により摺動面４に適切な摩擦力を与える。
【０００８】
また、図１９に示すように、その位置決め機構の衝撃体３の直進性を維持するために、衝撃体３の両側に精密ローラ１２が組み込まれている。
【特許文献１】特開平０５−２５００３６号公報
【特許文献２】特開平０８−２７２４５０号公報
【特許文献３】特公平０５−０８０６８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、従来は、衝撃体３の位置を保持するために、衝撃体３の摺動面４には、ばね１０及び摩擦プレート１１などの組み合わせによるクランプ機構が使用されてきた。しかしながら、位置決めすべき対象物に衝撃力を与える時、まず、位置決め機構のクランプ機構による摩擦力を克服した後、位置決めすべき対象物５（図１７参照）の摺動面４の摩擦力を克服しなければならない。
【００１０】
このような過程では、運動エネルギーは効率的に使えず、ある部分が熱エネルギーとして摩擦プレート１１に消費されてしまう。また、その熱エネルギーの消費による温度の上昇は、摺動面４における摩擦プレート１１の磨耗に大きな影響をもたらし、長時間使用すると、位置決め機構の精度が悪くなり、クランプ機構の調整も必要となる。
【００１１】
また、摩擦力によるクランプのため、それぞれ各位置決め機構の移動特性のばらつきが大きいので、多自由度の位置決め制御を行う場合には、多数の位置決め機構を同時に使うことが必要となり、精密な位置決め精度を得るのが困難であった。また、一体化とみなされる衝撃体３及び位置決めすべき対象物５は、それぞれの摺動面４及び６との摩擦力が異なるため、衝撃力を受けた時、衝撃体３のはね戻し、または位置決めすべき対象物５の飛び出しという現象があるので、精密に位置決め制御を行うには接触の状態を検知するためのセンサーが必要であった。更に、この位置決め機構には、移動方向の直進性を維持するために、リニアガイド及び精密ローラ等が組み込まれており、位置決め機構を小型化するのが困難であった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記問題点を除去し、衝撃体の摺動面に与えられる摩擦力の影響を最小限にし、運動エネルギーを効率的に利用することができる圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置において、（ａ）圧電素子の一方側に取り付けられる慣性体と、（ｂ）前記圧電素子のもう一方側に取り付けられる衝撃体と、（ｃ）前記慣性体と前記衝撃体の移動方向に予圧を与え、ケースに取り付けられた衝撃体移動方向予圧手段と、（ｄ）前記慣性体及び前記衝撃体をガイドする案内手段と、（ｅ）前記圧電素子に外部より電圧パターンを与える手段と、を具備し、（ｆ）前記ケースがベースに固定されている。
【００１４】
また、本発明の第２の態様は、圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置において、（ａ）ケースと、（ｂ）該ケース内に設けられる圧電素子の一方側に取り付けられる慣性体と、（ｃ）前記ケース内に設けられる前記圧電素子のもう一方側に取り付けられる棒状の衝撃体と、（ｄ）前記慣性体の後方に設けられるロッドと、（ｅ）前記ケースの両側の前記慣性体と前記衝撃体の移動方向に穿設される孔と、（ｆ）前記ケースの前記両側の孔に設けられる前記棒状の衝撃体と前記ロッドとをガイドする案内手段と、（ｇ）前記圧電素子に外部より電圧パターンを与える手段と、（ｈ）前記ケースと前記慣性体との間、又は前記ケースと前記棒状の衝撃体に固定された座との間に設けられるばねと、を具備し、前記ばねが前記ケースに取り付けられ、前記ケースがベースに固定されている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、衝撃体の摺動面に与えられる摩擦力の影響を最小限にし、運動エネルギーを効率的に利用することができる圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の構成図、図２はその位置決め過程の説明図、図３は圧電素子に加える電圧パターンの説明図である。
【００１７】
図１に示すように、圧電素子２２の両側にそれぞれ慣性体２１及び衝撃体２３を取り付け、慣性体２１はローラガイド又は低摩擦係数の摺動面２５で、衝撃体２３はローラガイド又は低摩擦係数の摺動面２６で支持されている。衝撃体２３の移動方向に予圧を与える機構（衝撃体移動方向予圧手段）は、ケース２７に取り付けられたばね２４により構成されている。また、ベース２９に位置している位置決めすべき対象物２８は、上記予圧が与えられても動かないように固定されている。
【００１８】
次に、位置決めの動作について、図２及び図３を用いて説明する。
【００１９】
（１）まず、図２（ａ）に示すように、圧電素子２２は縮んだ状態で、衝撃体２３は位置決めすべき対象物２８と距離ｄ０離れている。
【００２０】
（２）次いで、図２（ｂ）に示すように、慣性体２１、圧電素子２２、衝撃体２３、ローラガイド又は低摩擦係数の摺動面２５、２６及びばね２４などを含むケース２７を、位置決めすべき対象物２８の方向に移動させ、更に、衝撃体２３を介して位置決めすべき対象物２８の移動を起こさないようにばね２４を圧縮させる。このように、ある程度の力を位置決めすべき対象物２８に与えることを初期予圧と呼ぶことにする。
【００２１】
（３）続いて、図２（ｃ）に示すように、圧電素子２２に急速に電圧を印加し（図３に示す曲線ａを参照）、それによる圧電素子２２の急速な伸長に伴う衝撃力は、その一部がばね２４に吸収され、あとに残された力が位置決めすべき対象物２８に作用し、位置決めすべき対象物２８は距離ｄ１微動する。
【００２２】
（４）次いで、図２（ｄ）に示すように、位置決めすべき対象物２８が停止した後、すぐに又はある時間の経過後〔図３（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）に示す曲線ｃを参照〕、ゆっくりと圧電素子２２に電圧を印加することにより（図３に示す曲線ｂを参照）、圧電素子２２はある速度で縮んでゆき、この時、圧電素子２２と一体化されている衝撃体２３が上記初期予圧の働きにより、位置決めすべき対象物２８と接触の状態となる。
【００２３】
（５）最後に、図２（ｅ）に示すように、圧電素子２２が元の長さに達した途端、急に圧電素子２２の縮みを停止させると、比較的大きい慣性体２１の慣性力が、衝撃体２３の慣性力に逆らって、位置決めすべき対象物２８に作用し、位置決めすべき対象物２８は、再び、微動し、その時の移動量はｄ２となり、これで１サイクルが終了する。
【００２４】
図４は本発明の第１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図、図５は図４のＡ−Ａ線断面図である。これらの図に示すように、この実施形態では、小型精密位置決め機構を水平面上に配置し、圧電素子３２の両端に、後部にロッド３１Ａを有する慣性体３１及び棒状の衝撃体３３を取り付ける。慣性体３１及び衝撃体３３は、それぞれローラガイド又は低摩擦係数の摺動面３５及び３６で支持されている。なお、３３Ａは衝撃体３３の先端部である。
【００２５】
また、衝撃体３３の移動方向に初期予圧を与えるための力は、慣性体３１とケース３７（又はベース）の間に取り付けられたばね３４の圧縮によって与えられる。圧電素子３２を出力させるための直流電源は電線３８を介して制御システムと配線する。また、慣性体３１、圧電素子３２、衝撃体３３、ばね３４、ケース３７の孔３７Ａ、３７Ｂに配置される、ローラガイド又は低摩擦係数の摺動面３５及び３６などを格納するためのケース３７は、ベース３９に固定される。このベース３９は手動又はアクチュエータ（モータや空気圧など）で駆動するステージやロボットハンドなどにより構成される。
【００２６】
図６は本発明の第２実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図、図７は図６のＢ−Ｂ線断面図である。これらの図に示すように、この実施形態では、衝撃体４３の移動方向に初期予圧を与えるための力は、衝撃体４３に固定されている座４８とケース４７の間に取付けられているばね４４の圧縮によって与えられる。なお、図７において、４７Ａ、４７Ｂはケース４７に設けられた孔であり、ここに、ローラガイド又は低摩擦係数の摺動面４５、４６が設けられる。
【００２７】
また、４１は慣性体、４１Ａはその慣性体４１の後部のロッド、４２は圧電素子、４３Ａはその衝撃体４３の先端部、４９は電線、５０はベースである。図８は本発明の第３実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の構成図である。この図に示すように、初期予圧が与えられても移動しないようにベース５６にセットされている位置決めすべき対象物５４には、その側面５４Ａに第１の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１）が作用し、位置決めすべき対象物５４のもう一方の側面５４Ｂに第２の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．２）が作用する。第１の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１）を駆動する時には、位置決めすべき対象物５４が実線の方向に微動し、第２の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．２）を駆動する時には、位置決めすべき対象物５４が点線の方向に微動する。つまり、双方向の位置決めを可能にする構成となっている。なお、図８において、５１Ａは慣性体（図示なし）の後部に設けられるロッド、５２は棒状の衝撃体、５３はケース、５５はベースである。
【００２８】
図９は本発明の第４実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。この図に示すように、この実施形態では、位置決めすべき対象物６４は初期予圧が与えられても移動しないようにベース（図示なし）にセットされ、その位置決めすべき対象物６４の第１側面６４Ａに第１及び第２の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１及びＮｏ．２）が当接され、その位置決めすべき対象物６４の第２側面６４Ｂに第３の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．３）が当接されている。
【００２９】
また、位置決めすべき対象物６４の第３側面６４Ｃに第４及び第５の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．４及びＮｏ．５）が当接され、更に、位置決めすべき対象物６４の第４側面６４Ｄに第６の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．６）が当接されている。そこで、第１及び第２の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１及びＮｏ．２）の駆動により、位置決めすべき対象物６４を右方向に位置決めし、第４及び第５の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．４及びＮｏ．５）の駆動により、位置決めすべき対象物６４を左方向に位置決めし、第３の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．３）のみの駆動により、位置決めすべき対象物６４を上方向に位置決めし、第６の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．６）のみの駆動により、位置決めすべき対象物６４を下方向に位置決めし、第１及び第４の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１及びＮｏ．４）の駆動により、位置決めすべき対象物６４を時計方向に位置決めし、第２及び第５の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．２及びＮｏ．５）の駆動により、位置決めすべき対象物６４を反時計方向に位置決めすることができる。
【００３０】
すなわち、位置決めすべき対象物６４は、前後左右に位置決めすることができるだけでなく、回転も行わせることができる。なお、６１Ａは慣性体（図示なし）の後部に設けられるロッド、６２は棒状の衝撃体、６３はケースである。図１０は本発明の第５実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。なお、この実施形態において、前記した第４実施形態と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３１】
この図に示すように、この実施形態では、位置決めすべき対象物６５は初期予圧が与えられても移動しないようにベース（図示なし）にセットされ、その位置決めすべき対象物６５の第１側面６５Ａには、第１及び第２の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１及びＮｏ．２）が当接され、その位置決めすべき対象物６５の第２側面６５Ｂに第３の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．３）が当接される。また、その位置決めすべき対象物６５の第３側面６５Ｃには、第４の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．４）が当接される。さらに、その位置決めすべき対象物６５の第４側面６５Ｄには、第５の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．５）が当接される。
【００３２】
そこで、第１から第５までの５個の小型精密位置決め機構のうち、駆動の組合せにより、位置決めすべき対象物６５は前後左右に位置決めすることができるだけでなく、回転も行わせることができる。図１１は本発明の第６実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。
【００３３】
この図に示すように、この実施形態では、位置決めすべき対象物６９は４隅が面取りされた角部の側面６９Ａ〜６９Ｄを有しており、初期予圧が与えられても移動しないようにベース（図示なし）にセットされ、その位置決めすべき対象物６９の側面６９Ａ〜６９Ｄには、順次、第１の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１）、第２の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．２）、第３の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．３）、第４の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．４）が当接されている。
【００３４】
そこで、第１から第４までの４個の小型精密位置決め機構のうち、駆動の組合せにより、位置決めすべき対象物６９は前後左右に位置決めすることができるだけでなく、回転も行うことができる。なお、６６Ａは慣性体（図示なし）の後部に設けられるロッド、６７は棒状の衝撃体、６８はケースである。図１２は本発明の第７実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。
【００３５】
この図に示すように、この実施形態では、回転中心軸７５を有する位置決めすべき対象物７６は、初期予圧が与えられても回転しないようにベース（図示なし）にセットされている。その位置決めすべき対象物７６の左側面７６Ａの上側に第１の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１）、その左側面７６Ａの下側に第２の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．２）、その位置決めすべき対象物７６の右側面７６Ｃの上側に第３の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．３）、その右側面７６Ｃの下側に第４の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．４）が当接されている。
【００３６】
そこで、位置決めすべき対象物７６を時計回りに回転させる場合には、小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１）と、小型精密位置決め機構（Ｎｏ．４）との駆動により行い、位置決めすべき対象物７６を反時計回りに回転させる場合には、小型精密位置決め機構（Ｎｏ．２）と、小型精密位置決め機構（Ｎｏ．３）との駆動により行う。なお、７６Ｂは位置決めすべき対象物７６の下方面、７６Ｄは位置決めすべき対象物７６の上方面である。なお、この図において、７１Ａは慣性体の後部に設けられるロッド、７２は棒状の衝撃体、７３はケースである。
【００３７】
このように構成することにより、回転中心軸７５を中心として微小回転駆動を行わせることができる。図１３は本発明の第８実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の断面図である。この図に示すように、小型精密位置決め機構を垂直の方向に配置し、圧電素子８２の上部に慣性体８１が取り付けられ、圧電素子８２の下部に棒状の衝撃体８３が取り付けられている。また、ケース８６（例えば、工具ホルダ）の上部と下部には、孔８６Ａ、８６Ｂが形成されており、これらの孔８６Ａ、８６Ｂにはそれぞれローラガイド又は低摩擦係数の摺動面８４及び８５が設けられ、慣性体８１と衝撃体８３が案内されている。なお、８３Ａは棒状の衝撃体８３の先端部、８７は電線である。
【００３８】
この場合は、衝撃体８３の移動方向に初期予圧を与えるための力は、小型精密位置決め機構の慣性体８１、圧電素子８２及び衝撃体８３の重量の和によって、与えられる。そのため、予圧を与える機構として、バネを設けなくても、慣性体８１、圧電素子８２及び衝撃体８３の重量の和により、位置決めを行うことが可能である。
【００３９】
図１４は本発明の第９実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構をワークピースの駆動に用いた斜視図である。なお、第８実施形態と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。この図に示すように、この場合は、小型精密位置決め機構を垂直の方向に超精密加工機の工具ホルダ８７に固定し、小型精密位置決め機構を用いて超精密加工機の回転式真空チャック８９に吸着されているワークピース８８の中心を回転式真空チャック８９の中心に合わせるように位置決めを行う。
【００４０】
このような中心合わせの過程では、まず、回転式真空チャック８９を１回転させ、ワークピース８８の中心のずれと、そのずれの位置を検出して記録する。次に、その検出された最大となるずれのワークピース８８の位置を、小型精密位置決め機構の衝撃体８３に移動させ、次に、小型精密位置決め機構の駆動による衝撃力は、ワークピース８８の最大となるずれをなくすように働く。これで、１サイクルが終了し、要求される精度まで繰り返すこともできる。
【００４１】
また、真空チャック８９を回転させながら、小型精密位置決め機構の慣性体８１や衝撃体８３の変位を測定することにより、ワークピース８８の中心と回転式真空チャック８９の中心との相互間の誤差を連続的に測定することも可能である。なお、９０は工具ホルダ８７の支持部である。図１５は本発明の第１０実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図である。
【００４２】
この図に示すように、この実施形態は、小型精密位置決め機構を水平面上に配置し、バイモルフ型圧電素子９２の両端に慣性体９１及び衝撃体９３が取り付けられ、衝撃体９３のケース９８の両側に設けられた孔９８Ａ、９８Ｂのローラガイド又は低摩擦係数の摺動面９５及び９６で支持されている。また、衝撃体９３の移動方向に初期予圧を与えるための力は、衝撃体９３の座９３Ａとケース９８の間に取り付けられたばね９４の圧縮によって与えられる。
【００４３】
バイモルフ型圧電素子９２を出力させるための直流電源は、電線９７を介して制御システムと配線する。バイモルフ型圧電素子９２にゆっくりと電圧をかけることにより、バイモルフ型圧電素子９２と慣性体９１とは点線のように曲がり、次に、元の位置に戻すようにバイモルフ型圧電素子９２に急速に電圧を加えると、その変形による衝撃力は、バイモルフ型圧電素子９２と衝撃体９３との連結している位置を介して、衝撃体９３に伝えられる。
【００４４】
図１６は本発明の第１１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図である。この図に示すように、この実施形態は、小型精密位置決め機構を水平面上に配置し、剪断型圧電素子１０２の外側に慣性体１０１を連結し、剪断型圧電素子１０２の内側の衝撃体１０３と固定する。衝撃体１０３のケース１０８の両側に形成された孔１０８Ａ及び１０８Ｂに設けられたローラガイド又は低摩擦係数の摺動面１０５及び１０６で支持されている。
【００４５】
また、衝撃体１０３の移動方向に初期予圧を与えるための力は、衝撃体１０３の座１０３Ａとケース１０８の間に取り付けられたばね１０４の圧縮によって与えられる。剪断型圧電素子１０２を出力させるための直流電流は、電線１０７を介して制御システムと配線する。剪断型圧電素子１０２にゆっくりと電圧をかけることにより、剪断型圧電素子１０２と慣性体１０１とは点線のように曲がり、次に、元の位置に戻すように剪断型圧電素子１０２に急速に電圧を加えると、その変形による衝撃力は、剪断型圧電素子１０２の衝撃体１０３との連結している位置を介して、衝撃体１０３に伝えられる。
【００４６】
以上、詳細に説明したように、上記実施形態によれば、圧電素子の両側に慣性体及び衝撃体を取り付け、慣性体及び衝撃体をローラガイド又は低摩擦係数の摺動面で案内し、衝撃体の移動方向に予圧を与えるための機構を配置し、その移動方向と垂直な方向に摩擦力を与えるための摩擦プレートなどを設けることなく、かつ簡単な構成で、位置決めすべき対象物の微小移動を行わせることができる。また、センサーの具備により、マルチファンクションの小型精密位置決め装置の構成も適用可能である。
【００４７】
なお、上記実施形態では、圧電素子の一方側に慣性体を取り付けるものとして説明したが、圧電素子が重量を有する場合は格別慣性体を取付けなくてもよいことは言うまでもない。また、圧電素子と慣性体を一体化するように構成したものであって、本発明の範囲内に含まれる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の位置決め過程の説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の圧電素子に加える電圧パターンの説明図である。
【図４】本発明の第１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の構成図である。
【図９】本発明の第４実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。
【図１１】本発明の第６実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。
【図１２】本発明の第７実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の平面図である。
【図１３】本発明の第８実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の断面図である。
【図１４】本発明の第９実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構をワークピースの駆動に用いた斜視図である。
【図１５】本発明の第１０実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図である。
【図１６】本発明の第１１実施形態を示す圧電素子の急速変形に伴う衝撃力を利用した小型精密位置決め機構の上面図である。
【図１７】従来の圧電素子の急速変形に伴う衝撃力発生機構の駆動原理の説明図である。
【図１８】従来の位置決め機構を示す断面図である。
【図１９】図１８の右側面図である。
【符号の説明】
【００５０】
２１、３１、４１、８１、９１、１０１  慣性体
２２、３２、４２、８２  圧電素子
２３、３３、４３、５２、６２、６７、７２、８３、９３、１０３  衝撃体
２４、３４、４４、９４、１０４  ばね
２５、２６、３５、３６、４５、４６、８４、８５、９５、９６、１０５、１０６  ローラガイド又は低摩擦係数の摺動面
２７、３７、４７、５３、６３、６８、７３、８６、９８、１０８  ケース
２８、５４、６４、６５、６９、７６  位置決めすべき対象物
２９、３９、５０、５５、５６  ベース
３１Ａ、４１Ａ、５１Ａ、６１Ａ、６６Ａ、７１Ａ  慣性体の後部に設けられるロッド
３３Ａ、４３Ａ、８３Ａ  棒状の衝撃体の先端部
３７Ａ、３７Ｂ、４７Ａ、４８Ｂ、８６Ａ、８６Ｂ、９８Ａ、９８Ｂ、１０８Ａ、１０８Ｂ ケースの孔
３８、４９、８７、９７、１０７  電線
４８、９３Ａ、１０３Ａ  座
５４Ａ、５４Ｂ、６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃ、６４Ｄ、６５Ａ、６５Ｂ、６５Ｃ、６５Ｄ  位置決めすべき対象物の側面
６９Ａ〜６９Ｄ  ４隅が面取りされた角部を有する側面
７５  回転中心軸
７６Ａ  位置決めすべき対象物の左側面
７６Ｂ  位置決めすべき対象物の下方面
７６Ｃ  位置決めすべき対象物の右側面
７６Ｄ  位置決めすべき対象物の上方面
８７  工具ホルダ
８８  ワークピース
８９  回転式真空チャック
９０  工具ホルダの支持部
９２  バイモルフ型圧電素子
１０２  剪断型圧電素子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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