(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、該支持体に対して相対的に移動できる移動体と、該移動体に近接する位置に存在する駆動体と、該駆動体を前記支持体に対して相対的に移動させる伸長手段と、を有し、静電クランプ方法によって前記移動体と前記駆動体とをクランプしてインチワーム駆動を行うインチワームの駆動方法において、
前記移動体に配置された第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記駆動体に配置された第２の電極と、を備えた第１のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記駆動体とをクランプさせ、
前記移動体と前記支持体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を伸長させることによって前記支持体に対して前記移動体を移動させる工程と、
前記第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記支持体に配置された第３の電極と、を備えた第２のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記支持体とをクランプさせ、
前記移動体と前記駆動体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を収縮させる工程と、
を有し、
前記移動体と前記駆動体とのクランプ及び前記移動体と前記支持体とのクランプの開始時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって規定電圧よりも高い電圧を印加した後に規定電圧を印加し、
前記移動体と前記支持体とのクランプの解除時及び前記移動体と前記駆動体とのクランプの解除時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって、クランプ時とは逆符号の電圧を印加した後に印加電圧を零ボルトとすることを特徴とするインチワームの駆動方法。
【請求項２】
前記規定電圧よりも高い電圧の印加は、前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が前記規定電圧を超えない間のみ行われることを特徴とする請求項１に記載のインチワームの駆動方法。
【請求項３】
前記規定電圧よりも高い電圧の印加は、前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が前記規定電圧になると同時に、前記規定電圧での印加に変更されることを特徴とする請求項１に記載のインチワームの駆動方法。
【請求項４】
前記クランプ時とは逆符号の電圧の印加は、前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が零ボルトを下回らない間のみ行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインチワームの駆動方法。
【請求項５】
前記クランプ時とは逆符号の電圧の印加は、前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が零ボルトになると同時に、前記零ボルトに変更させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインチワームの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インチワームの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微小に変位する素子を用いて、大きなストロークを取り出す機構としてインチワーム機構が知られている。インチワーム機構においては、クランプ動作と、伸長動作を交互に繰り返すことで、物体を移動させたり、自分自身が移動したりする。
インチワーム機構において、クランプを行うには、圧電素子の変位を用いる方法や電磁力を用いる方法等、様々な方法が考えられるが、特に、特開平５−２６１４９号公報には、静電気力を利用してクランプを行い、インチワーム駆動を行う機構が提案されている。
【０００３】
図５は、特開平５−２６１４９号公報で提案されている物体駆動装置を説明する図である。この物体駆動装置は、第１の静電気力印加手段１０１１が第１の導電体１０２１に接続され、第１の導電体１０２１の表面を覆う第１の誘電体１０３１が物体１００６の接触面に接するように構成される第１の接触部１００１と、第２の静電気力印加手段１０１２が第２の導電体１０２２に接続され、第２の導電体１０２２の表面を覆う第２の誘電体１０３２が物体１００６の接触面に接するよう構成される第２の接触部１００２とを連結する伸縮可能材料１００３とを有し、伸縮可能材料１００３の伸張乃至縮小に同期して、第１の静電気力印加手段１０１１と第２の静電気力印加手段１０１２とは互いに反転動作することによって、物体１００６の接触面に対し略水平方向に移動できる。
【０００４】
以下においては、静電気力を利用したクランプを静電クランプと称する。
静電クランプには、つぎのようなメリットがある。
（１）コイルやセラミック等、加工や組み立てにコストがかかる部品を必要としないため、コストが安い。
（２）半導体プロセス等で作成できるため、小型化が容易である。
（３）クランプ状態を保持し続けるときにエネルギー消費がなく、また、発熱しない。
静電クランプの模式図を図４に示す。
一対のクランプ電極９０１と９０２が対抗する位置に配置されている。クランプ電極９０１と９０２の表面にはそれぞれ絶縁体膜９０３と９０４が成膜されている。絶縁体膜は両方のクランプ電極に配置される必要がなく、どちらか一方のクランプ電極のみについていてもよい。電圧印加手段９０５が、このクランプ電極９０１と９０２の間に電圧を印加すると、クランプ電極間に静電引力が働き、クランプ動作が行われる。また、印加電圧を０にすれば、クランプ状態は解除される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の静電クランプにおいては、クランプ電圧を印加してから十分なクランプ力を発生するまでの時間と、クランプ電圧の印加を止めてからクランプ力が解除されるまでの時間が、インチワーム機構の駆動速度を制限する一因になっていた。
その理由としては、まず、第一に、静電クランプは電気的に見るとコンデンサであるので、静電クランプの静電容量をＣｃ、配線等の電気抵抗をＲとすると、充放電の時定数はＣｃＲとなる。
従来の静電クランプにおいては、クランプ状態と非クランプ状態の遷移に要する時間がこの時定数で制限されていたために、十分な速度が得られなかった。
また、実際には、２つのクランプ面は、反っていたり、非平行であったり、表面に凹凸があったり等の要因により、モデルに示したような理想的な平行面をとっていない。そのため、従来の一定電圧を印加する方法では、２つの面の非平行な位置関係と、物理的な面の反りを無くし、クランプ状態とするために、さらに時間が延びることがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、上記した従来のものにおける課題を解決し、クランプ状態と非クランプ状態の遷移に要する時間の短縮化を図ることができるインチワームの駆動方法を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するため、インチワームの駆動方法を、つぎのように構成したことを特徴としている。
すなわち、本発明のインチワームの駆動方法は、支持体と、該支持体に対して相対的に移動できる移動体と、該移動体に近接する位置に存在する駆動体と、該駆動体を前記支持体に対して相対的に移動させる伸長手段と、を有し、静電クランプ方法によって前記移動体と前記駆動体とをクランプしてインチワーム駆動を行うインチワームの駆動方法において、
前記移動体に配置された第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記駆動体に配置された第２の電極と、を備えたる第１のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記駆動体とをクランプさせ、
前記移動体と前記支持体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を伸長させることによって前記支持体に対して前記移動体を移動させる工程と、
前記第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記支持体に配置された第３の電極と、からなる第２のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記支持体とをクランプさせ、
前記移動体と前記駆動体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を収縮させる工程と、
を有し、
前記移動体と前記駆動体とのクランプ及び前記移動体と前記支持体とのクランプの開始時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって規定電圧よりも高い電圧を印加した後に規定電圧を印加し、
前記移動体と前記支持体とのクランプの解除時及び前記移動体と前記駆動体とのクランプの解除時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって、クランプ時とは逆符号の電圧を印加した後に印加電圧を零ボルトとすることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明のインチワームの駆動方法は、前記規定電圧よりも高い電圧の印加は、前記前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が前記規定電圧を超えない間のみ行われることを特徴としている。
また、本発明のインチワームの駆動方法は、前記規定電圧よりも高い電圧の印加は、前記前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が前記規定電圧になると同時に、規定電圧での印加に変更されることを特徴としている。
また、本発明のインチワームの駆動方法は、前記クランプ時とは逆符号の電圧の印加は、前記前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が零ボルトを下回らない間のみ行われることを特徴としている。
また、本発明のインチワームの駆動方法は、前記クランプ時とは逆符号の電圧の印加は、前記前記第１及び第２のクランプ電極の電圧が零ボルトとなると同時に、零ボルトに変更されることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（１）本発明においては、上記したようにインチワームの駆動方法において、
前記移動体に配置された第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記駆動体に配置された第２の電極と、を備えた第１のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記駆動体とをクランプさせ、
前記移動体と前記支持体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を伸長させることによって前記支持体に対して前記移動体を移動させる工程と、
前記第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記支持体に配置された第３の電極と、を備えた第２のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記支持体とをクランプさせ、
前記移動体と前記駆動体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を収縮させる工程と、
を有し、
前記移動体と前記駆動体とのクランプ及び前記移動体と前記支持体とのクランプの開始時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって規定電圧よりも高い電圧を印加した後に規定電圧を印加し、
前記移動体と前記支持体とのクランプの解除時及び前記移動体と前記駆動体とのクランプの解除時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって、クランプ時とは逆符号の電圧を印加した後に印加電圧を零ボルトとするように構成する。
これによって、非クランプ状態からクランプ状態へ移行する際に、充電時間を短縮するように印加電圧を高めるので、静電クランプの充電に必要な時間を短縮することができ、クランプ開始時に、クランプ電極間に大きな静電引力が働くため、電極間の非平行度や、電極の反りや、電極表面の凹凸に対して、より鈍感な静電クランプを提供することができる。
（２）また、本発明においては、静電クランプの電圧が規定電圧を超えない間のみ印加電圧を高め、その後は、印加電圧を規定電圧とすることにより、電極間電圧が規定電圧を超えることなく充電時間を短くすることができる。そのため、クランプ力を最大化させるために規定電圧を放電限界ぎりぎりに設定しても、クランプ電極間で放電が生じる心配はない。
（３）特に、本発明においては、電極間電圧が規定電圧になると同時に印加電圧を規定電圧とすることにより、充電時間を最も短くできるので、強いクランプ力と、速いクランプ速度を実現でき、より好ましい。
（４）また、本発明においては、クランプ状態から非クランプ状態へ移行する際に、放電を促進するように逆方向に電圧を印加することにより、静電クランプの放電に必要な時間を短縮することができる。
（５）また、本発明においては、静電クランプの電圧が零ボルトを下回らない間のみ印加電圧を負の電圧とし、その後は、印加電圧を０ボルトとすることにより、電極間電圧が負になることなく充電時間を短くすることができる。
（６）また、本発明においては、特に、電極間電圧が零ボルトになると同時に印加電圧を零ボルトになるようにすることにより、放電時間を最も短くできるので、より好ましい。
【００１０】
つぎに、図６を用いて、本発明の上記（１）〜（３）で説明した形態のものにおける作用について説明する。
図６（ａ）は、従来の静電クランプにおける印加電圧と、静電クランプの電極間電圧を示した図である。破線は、印加電圧、実線は、電極間電圧を示している。図では、印加電圧が０からＶ0になってクランプが行われる様子を示している。静電クランプを静電容量Ｃの理想的なコンデンサであるとみなし、配線抵抗をＲとすると、電極間電圧Ｖは、以下の数式１で表される。
0004424699.tif 000002
【００１１】
一方、図６（ｂ）は、本発明の静電クランプにおける印加電圧と、静電クランプの電極間電圧を示した図である。図６（ａ）と同様に、破線は印加電圧、実線は電極間電圧を示している。
図では、所定の時間ｔｃの間、電圧Ｖ1を印加し、その後に電圧Ｖ0を印加する様子が示されている。ここで、上と同様に、静電クランプを静電容量Ｃの理想的なコンデンサであるとみなすと、Ｖ1が印加されている間の電極間電圧Ｖはつぎの数式２となる。
0004424699.tif 000003
数式１との比較から、Ｖ0＜Ｖ1であれば、電圧の立ち上がりが従来の静電クランプよりも速くなることがわかる。
【００１２】
また、静電クランプに印加する電圧は、高いほどクランプ力が強くなる。そのため、Ｖ0は、放電限界を超えない範囲で高くするのが望ましい。
本発明（２）によれば、静電クランプの電圧が規定電圧Ｖ0を超えない間のみ印加電圧を高め、その後は、印加電圧をＶ0に設定するため、電極間電圧がＶ0を超えることがなくなる。そのため、クランプ力を最大化させるために、Ｖ0を放電限界ぎりぎりに設定しても電極間で放電が生じる心配はない。
特に、本発明（３）に示すように、電極間電圧がＶ0になると同時に印加電圧をＶ0にするように設定すると、強いクランプ力と、速いクランプ速度を実現することができるので、より好ましい。
静電クランプが静電容量Ｃの理想的なコンデンサであるときは、ｔｃをつぎの数式３を満たすように設定することで、上記の条件を満たすことが可能になる。
0004424699.tif 000004
【００１３】
また、静電クランプを理想的なコンデンサと見なせない場合や、電圧波形が矩形波でない場合においても、オシロスコープ等で立ち上がり波形を計測して、電極間電圧がＶ０に達する時間を計測することでｔｃを決定することができる。
本発明（１）の構成を用いると、クランプ状態から非クランプ状態へ移行する際に、放電を促進するように逆方向に電圧を印加するので、静電クランプの放電に必要な時間を短縮することができる。
さらに、本発明（４）によれば、静電クランプの電圧が零ボルトを下回らない間のみ印加電圧を負の電圧に設定し、その後は、印加電圧を０ボルトに設定するため、電極間電圧が負になることなく充電時間を短くすることができる。
特に、本発明（５）に示すように、電極間電圧が零ボルトになると同時に印加電圧を零ボルトになるように設定すると、放電時間を最も短くできるので、より好ましい。
【００１４】
つぎに、図７を用いて、本発明の上記（１）、（４）、（５）で説明した形態のものにおける作用について説明する。
図７（ａ）は、従来の静電クランプにおける印加電圧と、静電クランプ電極間の電圧を示した図である。破線は、印加電圧、実線は、電極間電圧を示している。図では、印加電圧がＶ０から０になってクランプが解除される様子を示している。
静電クランプを静電容量Ｃの理想的なコンデンサであるとみなし、配線抵抗をＲとすると、クランプを解除するときの電極間電圧Ｖは、つぎの数式４で表される。
0004424699.tif 000005
【００１５】
一方、図７（ｂ）は、本発明の静電クランプにおける印加電圧と、静電クランプ電極間の電圧を示した図である。図７（ａ）と同様に、破線は印加電圧、実線は電極間電圧を示している。
図７（ｂ）では、所定の時間ｔｃの間、負の電圧Ｖ2を印加し、その後に０ボルトを印加する様子が示されている。ここで、上と同様に、静電クランプを静電容量Ｃの理想的なコンデンサであるとみなすと、Ｖ2が印加されている間の電極間電圧Ｖは、つぎの数式５となる。
0004424699.tif 000006
上記式よりＶ2＜０であれば、電圧の立ち下がりが従来の静電クランプよりも速くなることがわかる。
【００１６】
静電クランプに印加する電圧は、正でも負でも、静電クランプ電極間には引力が働く。そのため、電極間電圧が負になってしまうと、クランプされてしまうことになる。
本発明（４）によれば、静電クランプの電圧が０Ｖを下回らない間のみ負の電圧を印加し、その後は、印加電圧を０に設定するため、電極間電圧が負になることはない。そのため、負電圧によるクランプが生じる心配はない。
特に、本発明（５）に示すように、電極間電圧が０Ｖになると同時に印加電圧を０Ｖにするように設定すると、クランプ速度を最も速くできるので、より好ましい。静電クランプが静電容量Ｃの理想的なコンデンサであるときは、ｔｃをつぎの数式６を満たすように設定することで、上記の条件を満たすことが可能になる。
0004424699.tif 000007
また、静電クランプを理想的なコンデンサと見なせない場合や、電圧波形が矩形波と見なせない場合においても、オシロスコープ等で立ち下がり波形を計測して、電極間電圧が０Ｖに達する時間を計測することで時間を決定することができる。
さらに、本発明においては、上記した静電クランプ機構または静電クランプ方法を用いて駆動速度の速いインチワーム機構及びインチワームの駆動方法を実現することができる。
【００１７】
【実施例】
図１は、本発明における実施例の該略図である。積層圧電素子１０４は、一端を駆動体１０２に連結され、他端を支持体１０１に連結されている。支持体１０１と駆動体１０２の上部にはそれぞれ電極１０５（第３の電極）、１０６（第２の電極）が配置され、これらの電極は同一面上に位置するように配置されている。これらの電極の上部には移動体１０３が配置されている。
この移動体１０３の前記した電極１０５、１０６に対抗する面には、電極（第１の電極）１０７と絶縁膜１０８が成膜されている。
図では、説明をしやすくするために、絶縁膜１０８と電極１０５、１０６が離して描いてあるが、実際には接触するように配置されている。移動体１０５は、自重のみで支持体１０１に押し付けられていてもよいし、バネ等で押し付けられていてもよい。
電極１０７は電気的に接地されており、電極１０５、１０６は、それぞれ、クランプ電圧生成回路１１１、１１２から電圧を印加されている。
伸縮制御回路１１０は、圧電素子１０４の伸縮を制御しており、クランプ電圧制御回路１０９は、クランプ電圧生成回路１１１、１１２を制御している。
【００１８】
図２は、クランプ電圧生成回路１１１、１１２が生成する電圧の時間経過を説明する図である。図では、クランプ解除状態から、まずクランプを行い、つぎにクランプ解除を行い、最後にクランプを行う様子を表している。図よりわかるように、クランプを行う際には、まず、クランプ電圧がＶｂに上がり、一定時間経過後にＶａに落ち着く。この動作により、電極間に速やかに充電が行われる。また、クランプを解除する時には、まず、クランプ電圧がＶｃ（Ｖｃ＜０）まで下がり、一定時間後に０Ｖに落ち着く。この動作で、速やかに放電が行われる。
【００１９】
図３は、本実施例のインチワーム機構の動作を説明する図である。まず、移動体１０３と駆動体１０２をクランプする（ａ）。次に、その状態で圧電素子１０４を伸ばすと、移動体１０３は、支持体１０１に対して移動する（ｂ）。次に、移動体１０３と駆動体１０２のクランプを解除し、移動体１０３と支持体１０１をクランプする（ｃ）。そして、圧電素子１０４を縮めると１サイクルが終了する（ｄ）。上記動作を必要なだけ繰り返すことで、移動体１０３を支持体１０１に対して移動させることができる。
本発明によれば、クランプ状態と非クランプ状態の遷移が従来に比べて速やかに行えるため、高速に駆動できるインチワーム機構を提供することができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、インチワームの駆動方法を実現することができる。
また、本発明においては、上記したようにインチワームの駆動方法において、
前記移動体に配置された第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記駆動体に配置された第２の電極と、を備えた第１のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記駆動体とをクランプさせ、
前記移動体と前記支持体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を伸長させることによって前記支持体に対して前記移動体を移動させる工程と、
前記第１の電極と、前記第１の電極と絶縁材料を挟んで対抗するように前記支持体に配置された第３の電極と、を備えた第２のクランプ電極に対し、電圧を印加することによって前記移動体と前記支持体とをクランプさせ、
前記移動体と前記駆動体とのクランプが解除されている状態で、前記伸長手段を収縮させる工程と、
を有し、
前記移動体と前記駆動体とのクランプ及び前記移動体と前記支持体とのクランプの開始時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって規定電圧よりも高い電圧を印加した後に規定電圧を印加し、
前記移動体と前記支持体とのクランプの解除時及び前記移動体と前記駆動体とのクランプの解除時は、前記第１及び第２のクランプ電極に対して所定の時間にわたって、クランプ時とは逆符号の電圧を印加した後に印加電圧を零ボルトとするように構成する。
これによって、非クランプ状態からクランプ状態へ移行する際に、充電時間を短縮するように印加電圧を高めるので、静電クランプの充電に必要な時間を短縮することができ、クランプ開始時に、クランプ電極間に大きな静電引力が働くため、電極間の非平行度や、電極の反りや、電極表面の凹凸に対して、より鈍感な静電クランプを提供することができる。
また、本発明においては、静電クランプの電圧が規定電圧を超えない間のみ印加電圧を高め、その後は、印加電圧を規定電圧とすることにより、電極間電圧が規定電圧を超えることなく充電時間を短くすることができる。そのため、クランプ力を最大化させるために規定電圧を放電限界ぎりぎりに設定しても、クランプ電極間で放電が生じる心配はない。
特に、本発明においては、電極間電圧が規定電圧になると同時に印加電圧を規定電圧とすることにより、充電時間を最も短くできるので、強いクランプ力と、速いクランプ速度を実現できる。
また、本発明においては、クランプ状態から非クランプ状態へ移行する際に、放電を促進するように逆方向に電圧を印加することにより、静電クランプの放電に必要な時間を短縮することができる。
また、本発明においては、静電クランプの電圧が零ボルトを下回らない間のみ印加電圧を負の電圧とし、その後は、印加電圧を０ボルトとすることにより、電極間電圧が負になることなく充電時間を短くすることができる。また、本発明においては、特に、電極間電圧が零ボルトになると同時に印加電圧を零ボルトになるようにすることにより、放電時間を最も短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を説明する図である。
【図２】本発明の実施例における、クランプ電圧生成回路の動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施例の駆動の方法を説明する図である。
【図４】静電クランプの原理を説明する図である。
【図５】従来例を説明する図である。
【図６】従来例と本発明のクランプ開始時の動作を説明する図である。
【図７】従来例と本発明のクランプ解除時の動作を説明する図である。
【記号の説明】
１０１：支持体
１０２：駆動体
１０３：移動体
１０４：積層圧電素子
１０５〜１０７：電極
１０８：絶縁体膜
１０９：クランプ制御回路
１１０：伸縮制御回路
１１１〜１１２：クランプ電圧生成回路
９０１〜９０２：クランプ電極
９０３〜９０４：絶縁体膜
９０５：電圧印加手段
１００１：第１の接触部
１００２：第２の接触部
１００３：伸縮可能材料
１０１１：第１の静電気力印加手段
１０１２：第２の静電気力印加手段
１０２１：第１の導電体
１０２２：第２の導電体
１０３１：第１の誘電体
１０３２：第２の誘電体
【図１】
0004424699.tif 000008
【図２】
0004424699.tif 000009
【図３】
0004424699.tif 000010
【図４】
0004424699.tif 000011
【図５】
0004424699.tif 000012
【図６】
0004424699.tif 000013
【図７】
0004424699.tif 000014