(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置において、
（ａ）ベースに搭載され、空気圧が与えられる空気圧アクチュエータと、
（ｂ）該空気圧アクチュエータに取り付けられる圧電素子と、
（ｃ）該圧電素子の前記空気圧アクチュエータが取り付けられる側と反対側の面に取り付けられる衝撃体と、
（ｄ）前記圧電素子に外部より電圧パターンを与える手段と、
（ｅ）前記空気圧アクチュエータに外部より前記空気圧を与える手段とを具備し、
（ｆ）前記空気圧アクチュエータに空気圧を与え、該空気圧が与えられた空気圧アクチュエータが、前記圧電素子に取り付けられた衝撃体を位置決めすべき対象物に接触させ、
（ｇ）前記圧電素子に電圧の時間変化率が正となる電圧パターンを与え、該電圧パターンが与えられた圧電素子が、該圧電素子の伸長に伴う衝撃力の一部を前記空気圧アクチュエータの空気圧に吸収させるとともに、前記衝撃力の残りを前記位置決めすべき対象物に作用させて該位置決めすべき対象物を微動させ、
（ｈ）前記圧電素子に電圧の時間変化率が負となる電圧パターンを与え、該圧電素子を縮ませるとともに、前記衝撃力の一部を吸収した空気圧が与えられた前記空気圧アクチュエータが、前記圧電素子に取り付けられた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したことを特徴とする圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置を、前記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による衝撃力を用いた精密位置決め装置。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置を、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による衝撃力を用いた精密位置決め装置。
【請求項４】
請求項１に記載の圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置を、回転自在にセットされた前記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による衝撃力を用いた精密位置決め装置。
【請求項５】
前記（ｇ）及び（ｈ）の動作を、前記位置決めすべき対象物の位置決めが完了するまで繰り返すことを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか一項に記載の圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気圧アクチュエータによる長ストロークの利点を利用し、圧電素子の振動に伴う衝撃力を利用した精密位置決め装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような分野の技術としては、圧電素子の急速変形に伴う衝撃力発生機構を用いた微小移動装置が、本願発明者等により特公平５−８０６８５号公報として、既に提案されている。
さらに、この微小移動装置は改良が加えられてきている。
【０００３】
図７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７（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。
【０００４】
次に、図７（ｂ）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７（ｃ）から図７（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。
【０００５】
次に、図７（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、その移動距離は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。
【０００６】
次に、図７（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７（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。
【０００７】
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と摺動面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。
【０００８】
図８はかかる従来の位置決め機構を示す断面図、図９は図８の右側面図である。
図８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３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１０１の調整により摺動面４に適切な摩擦力を与える。
【０００９】
図９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１０３が組み込まれている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、衝撃体３の位置を保持するために、衝撃体３の摺動面には、ばね１０１及び摩擦プレート１０２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の摺動面の摩擦力を克服しなければならない。
【００１１】
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１０２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、摺動面における摩擦プレート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。
【００１２】
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ことが困難であった。
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。
【００１３】
そこで、本発明は、上記問題点を除去し、位置決めすべき対象物が移動した後の位置に関係なく、同じ駆動電圧の条件で同じ距離で移動するように、位置決めすべき対象物に空気圧アクチュエータにより一定の予圧を与え、さらに、変位の小さい圧電素子とストロークの長い空気圧アクチュエータとを一体化し、自動組み立て作業の自動化への応用が可能な空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置において、ベースに搭載され、空気圧が与えられる空気圧アクチュエータと、該空気圧アクチュエータに取り付けられる圧電素子と、該圧電素子の前記空気圧アクチュエータが取り付けられる側と反対側の面に取り付けられる衝撃体と、前記圧電素子に外部より電圧パターンを与える手段と、前記空気圧アクチュエータに外部より前記空気圧を与える手段とを具備し、前記空気圧アクチュエータに空気圧を与え、該空気圧が与えられた空気圧アクチュエータが、前記圧電素子に取り付けられた衝撃体を位置決めすべき対象物に接触させ、前記圧電素子に電圧の時間変化率が正となる電圧パターンを与え、該電圧パターンが与えられた圧電素子が、該圧電素子の伸長に伴う衝撃力の一部を前記空気圧アクチュエータの空気圧に吸収させるとともに、前記衝撃力の残りを前記位置決めすべき対象物に作用させて該位置決めすべき対象物を微動させ、前記圧電素子に電圧の時間変化率が負となる電圧パターンを与え、該圧電素子を縮ませるとともに、前記衝撃力の一部を吸収した空気圧が与えられた前記空気圧アクチュエータが、前記圧電素子に取り付けられた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するようにしたものである。
【００１５】
〔２〕上記〔１〕に記載の圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置を、前記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たものである。
【００１６】
〔３〕上記〔１〕に記載の圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置を、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たものである。
【００１７】
〔４〕上記〔１〕に記載の圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め装置を、回転自在にセットされた前記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たものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の構成図である。
この図に示すように、この精密位置決め機構は、ベース１０上に配置される空気圧アクチュエータ１１と、圧電素子１２と、衝撃体１３とから構成される。
【００１９】
その空気圧アクチュエータ１１は、ロッド１４、ピストン１５、シリンダ１６、第１のポート１７及び第２のポート１８等からなる。また、ロッド１４の先端に圧電素子１２が取り付けられ、その圧電素子１２の前記空気圧アクチュエータ１１が取り付けられる側と反対側の面に衝撃体１３が取り付けられている。
また、位置決めすべき対象物２０が、空気圧アクチュエータ１１による初期予圧が与えられても動かないように摺動面１９上に置かれている。
【００２０】
図２は本発明の第１実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構による位置決め過程の説明図である。なお、図１と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
以下、図２を参照しながら位置決めの動作について説明する。
（１）まず、図２（ａ）に示すように、空気圧アクチュエータ１１のロッド１４は戻りの状態で、圧電素子１２は初期の縮んだ状態である。衝撃体１３は位置決めすべき対象物２０と距離ｄ０離れている。
【００２１】
（２）次に、図２（ｂ）に示すように、第２のポート１８が開放の状態で第１のポート１７に空気圧を加えてロッド１４を右側に移動させると、衝撃体１３はロッド１４の移動に伴い、位置決めすべき対象物２０と接触する。このとき、位置決めすべき対象物２０は摺動面１９との静止摩擦力に保持されている。
（３）続いて、図２（ｃ）に示すように、圧電素子１２に変化率が正で時間が短い電圧パターンを印加すると、それによる圧電素子１２の急速な伸長に伴う衝撃力は、その一部が空気圧のダンピングに吸収され、あと残された部分が位置決めすべき対象物２０に作用し、位置決めすべき対象物２０は距離ｄ１微動する。
【００２２】
（４）次に、図２（ｄ）に示すように、変化率が負である圧電パターンを圧電素子１２に印加することにより、圧電素子１２は縮んでいき、この時、ピストン１５に作用する空気圧は押し力として衝撃体１３を位置決め対象物２０に接触させる。また、移動した後の位置決めすべき対象物２０は、再び静止摩擦力により保持される。さらに、位置決めすべき対象物２０の位置決めが完了するまで、ステップ（３）及び（４）を繰り返す。
【００２３】
（５）位置決めが完了した後、図２（ｅ）に示すように、第１のポート１７が開放の状態で、第２のポート１８に空気圧を加えて空気圧アクチュエータ１１を元の状態に戻させる。圧電素子１２も縮んだ状態にする。
図３は本発明の第２実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構のシステム構成図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００２４】
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２１に固定されている位置決めすべき対象物２２には、その対象物２２の一方の側面２２Ａに精密位置決め機構（Ｎｏ．１）が作用し、位置決めすべき対象物２２のもう一方の側面２２Ｂに精密位置決め機構（Ｎｏ．２）が作用する。
このシステムでは、空気圧源２３からの空気圧は、フィルタ、レギュレータ及びルブリケータからなる装置（Ｒ．Ｌ．Ｆ）２４で圧力の調整及び空気の濾過が行われる。精密位置決め機構（Ｎｏ．１）を駆動する時には、ソレノイドバルブ２５のソレノイド２７を駆動して空気圧を第１のポート３０に導入し、それにより駆動される衝撃体１３が位置決めすべき対象物２２の方向に移動する。
【００２５】
また、第１のポート３０から排出される空気は、流量調整弁２９で調整されることによって、衝撃体１３のスピードをコントロールし、さらに、消音器３２を介して大気に排出する。この場合、精密位置決め機構（Ｎｏ．２）の駆動に使われるソレノイドバルブ２６は中間の位置である。つまり、第２のポート３３及び第１のポート３４が大気に開放する。この時、精密位置決め機構（Ｎｏ．１）の圧電素子１２を振動させることにより、位置決めすべき対象物２２は実線（矢印）の方向に微動する。
【００２６】
更に、精密位置決め機構（Ｎｏ．１）を元の状態に戻すには、ソレノイドバルブ２５のソレノイド２８を駆動して空気圧を第２のポート３１に導入し、それにより駆動される衝撃体１３を初期の位置に戻す。また、位置決めすべき対象物２２を点線（矢印）の方向に微動させるには、上で述べたステップを逆にすればよい。つまり、このシステムでは、双方向の位置決めを行うことができる。
【００２７】
図４は本発明の第３実施例を示す空気アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の平面図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
この図に示すように、この実施例では、位置決めすべき対象物３５は初期予圧が与えられても移動しないようにベースに固定され、その位置決めすべき対象物３５の第１側面３５Ａに精密位置決め機構（Ｎｏ．１及びＮｏ．２）が取り付けられ、位置決めすべき対象物３５の第２側面３５Ｂに精密位置決め機構（Ｎｏ．３）が取り付けられる。また、位置決めすべき対象物３５の第３側面３５Ｃに精密位置決め機構（Ｎｏ．４及びＮｏ．５）が取り付けられ、さらに、位置決めすべき対象物３５の第４側面３５Ｄに精密位置決め機構（Ｎｏ．６）が取り付けられる。
【００２８】
そこで、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３５を右方向（Ｘ方向）に微動させ、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３５を左方向（−Ｘ方向）に微動させ、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３５を前方向（Ｙ方向）に微動させ、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３５を後方向（−Ｙ方向）に微動させ、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３５を時計方向に微動させ、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３５を反時計方向に微動させることができる。すなわち、位置決めすべき対象物３５は前後左右に微動させ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。
【００２９】
図５は本発明の第４実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の平面図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
この図に示すように、この実施例では、位置決めすべき対象物３６は初期予圧が与えられても移動しないようにベースに固定され、その位置決めすべき対象物３６の側面３６Ａ〜３６Ｄには、その対象物３６の中心線Ａ，Ｂを基準にして対向する側面を互いに逆方向にずらした位置に順次、精密位置決め機構（Ｎｏ．１）、精密位置決め機構（Ｎｏ．２）、精密位置決め機構（Ｎｏ．３）、精密位置決め機構（Ｎｏ．４）が取り付けられる。
【００３０】
そこで、４個の精密位置決め機構（Ｎｏ．１からＮｏ．４）のうち、駆動の組合せにより、位置決めすべき対象物３６は前後左右に微動させ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６は本発明の第５実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の平面図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００３１】
この図に示すように、この実施例では、回転中心軸４１を有する位置決めすべき対象物４２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４２の左側面４２Ａの上側に第１の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．１）、その左側面４２Ａ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４２の右側面４２Ｃの上側に第３の小型精密位置決め機構（Ｎｏ．３）、その右側面４２Ｃ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。
【００３２】
そこで、位置決めすべき対象物４２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４２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、４２Ｂは位置決めすべき対象物４２の下方面、４２Ｄは位置決めすべき対象物４２の上方面である。
【００３３】
このように構成することにより、回転中心軸４１を中心として微小回転駆動を行わせることができる。
また、本発明は上記実施例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。
【００３４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）位置決めすべき対象物に対して的確な予圧を付与し、精密な位置決めを行わせることができる。
【００３５】
（２）位置決めすべき対象物に対する予圧の調整を簡便に行うことができる。
（３）位置決めすべき対象物が移動した後の位置に関係なく同じ駆動電圧の条件において同じ距離で移動するように、位置決めすべき対象物に空気圧アクチュエータによる一定の予圧を与えることができる。さらに、変位の小さい圧電素子とストロークの長い空気圧アクチュエータとを一体化し、自動組み立て作業の自動化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の構成図である。
【図２】本発明の第１実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構による位置決め過程の説明図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構のシステム構成図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の平面図である。
【図５】本発明の第４実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の平面図である。
【図６】本発明の第５実施例を示す空気圧アクチュエータを使用した圧電素子による衝撃力を用いた精密位置決め機構の平面図である。
【図７】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８】従来の位置決め機構を示す断面図である。
【図９】図８の右側面図である。
【符号の説明】
１０，２１    ベース
１１    空気圧アクチュエータ
１２    圧電素子
１３    衝撃体
１４    ロッド
１５    ピストン
１６    シリンダ
１７，３０，３４    第１のポート
１８，３１，３３    第２のポート
１９    摺動面
２０，２２，３５，３６，４２    位置決めすべき対象物
２２Ａ，２２Ｂ，３６Ａ〜３６Ｄ    位置決めすべき対象物の側面
２３    空気圧源
２４    フィルタ、レギュレータ及びルブリケータからなる装置
２５，２６    ソレノイドバルブ
２７，２８    ソレノイド
２９    流量調整弁
３２    消音器
３５Ａ    第１側面
３５Ｂ    第２側面
３５Ｃ    第３側面
３５Ｄ    第４側面
４１    回転中心軸
４１Ａ    位置決めすべき対象物の左側面
４１Ｂ    位置決めすべき対象物の下方面
４１Ｃ    位置決めすべき対象物の右側面
４１Ｄ    位置決めすべき対象物の上方面
【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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