Stick-slip 運動を用いたステージの開発
森永研究室

1.

廣瀬和眞

はじめにに物体の移動や位置制御に用いるこ

現代の技術社会において必要不可とができる。このステージを 3D プ

欠なマイクロマシンテクノロジー、リンターを利用して作成したアクチ精密技術等は今後さらに発展する技

ュエータと安価な圧電素子を用いて術として注目されています。その中簡易的なステージを作成し、その 2でも高精度位置決め技術は超精密加次元中の移動とその効率化を目指し工、光学システムなど多くの産業おている。

よび科学分野で重要な役割を果たし

2.ています。数多くの方式のアクチュ原理

エータの中でも電圧印加することで、Stick-slip 運動は、摩擦と慣性力をそれ自体を変形させることができ、利用して滑りを生じさせる動作であ圧電素子を材料に用いたアクチュエる。図 1 のように土台 B の上に移ータに期待がかけられている。圧電動体 m が摩擦保持されている状態

素子は超音波モーターなど小型で高を考える。ここで右方向を正の方向出力なマイクロアクチュエータとしとしている。て多くの研究・開発が行われ実用化に至っている。その中の一つにstick-slip アクチュエータがある。これは圧電素子の急速変形と慣性と摩擦を利用したアクチュエータである。
Stick-slip 現象が基本原理になっており、この名前はその動作原理から
図 1 Stick-slip 運動原理モデルきている。
一般的な電動ステージは運動自由

Stick-slip 運動には 2 種類の動度が増すと大がかりな装置が多くあ作がある。一つは、正方向へのゆっる。しかし、今回作成した Stick-slip

くりとした動き、もう一つは負の方運動を利用したステージでは、小型向への急速な動きである。図 1 のよ1

うな状態の土台 B と移動体 m が摩擦保持された状態において、土台 Bを正方向にゆっくり動かす。この時摩擦力の影響で移動体 m は土台 Bと共に動く。次に、土台 B を急速に負の方向に動かし元の位置に戻す。
このとき移動体 m にかかる慣性力が土台 B との静止摩擦力を越えると滑りが生じる。この運動の時間変化について図 2 に示す。
図 3 インパクトタイプの原理モデル
図 3 は A、B 点で摩擦保持されているアクチュエータを考える。間の斜線部が圧電素子である。この圧電素子に
図 4 のような非対称な電圧を印加することで Stick-slip 運動を発生させる。
図2

Stick-slip 運動の時間変位

図 2 のように土台 B に変位を与えることで急速に変化している部分でわずかな距離戻るものの移動体 mの変位が得られる。この一つの変位が Stick-slip の 1 ステップである。
また、土台に与えたノコギリ変位を逆にすることで逆方向への運動が可能となる。この運動を用いて一次元

図 4 印加電圧を駆動するインパクトタイプのアク

図 3 の (a) は、電圧をかける前のチュエータを図 3 に示す。

アクチュエータである。A、B 点が地面と接地している。図 3 の (b) は、図 4 の点線部で囲まれている右肩上がりの部分の電圧がかかっている時のアクチュエータの動きを示している。電圧がかかっていることで圧電素2子が伸びて、B 点の接地しているところが右側に進んでいる。A 点の部分は、動いていない。A 点と比べて B 点がはるかに軽く作られているために A は動かず B 点のみ動く。(c) は、図 4の点線部で囲まれている右肩下がりの部分の電圧がかかっていることで、圧電素子が縮み、A 点が右側に動く。
(b) の時の圧電素子の伸びる時間に比べて、急速に縮むことで慣性のために B 点が動かずに、A 点が動くことになる。(b) (c) の電圧変化が短い時間に何度も繰り返すので、結果として、

図 6 作成したアクチュエータ

このアクチュエータは右側に少しず

3 つの圧電素子を真ん中から 120°つ動くことになる。一方、急峻な電圧ずつに置いてアクチュエータとして上昇と緩やかな電圧下降のノコギリ駆動させた。各圧電素子に対して垂波を印加すると全体の動きとして左直に移動させることができたため、3側に少しずつ動くことになる。このア軸上を動くのみで回転をさせることクチュエータの動きを参考にこれをができなかった。これは、回転をさ組み合わせることで 2 次元上の動きせるときに印加した電圧は、1 つをを実現する。

電圧印加せず、他の 2 つを逆位相の電圧印加することで回転をさせよう

3.

結果としたが、これでは、三角形の重心3 つの圧電素子を用いて作成した二に１方向の力が働くのみで回転させ次元に動くアクチュエータを作成しることができなかった。
次に、図 7 のような配置のアクチた。作成したアクチュエータの模式図を図 5 に示す。図に示しているノュエータを考える。

コギリ波はそれぞれに印加したノコギリ波である。

3

と移動距離の変化を示す。今回使用した圧電素子(LF-31E17B)は圧電ス
ピーカーと呼ばれるもので、低電圧でもよく動く。耐電圧は 40V であり、圧電素子は高電圧の方が大きく変化するため、実験では 40V を印加させた。初めに、周波数を変化させた時の時間と移動距離の関係を図 8 に示す。移動距離を測定するために並進運動をもつ電圧波形を印加して実験を行った。
1.4

100Hz

1.280Hz

移動距離 mm10.8

図 7 二次元中を動くアクチュエー

60Hz

0.6タ
それぞれの圧電素子に印加している

120Hz

0.4

ノコギリ波を逆位相にすると逆向き160Hz0.2に動かすことができる。左右への並00.000-0.2

進運動は左右の圧電素子の印加電圧を逆位相にし、真ん中のアクチュエ

0.500

1.000

1.500

2.000

時間 sータが動く向きに移動をさせること

図 8 周波数変化ができる。左右の回転運動は、真ん60Hz 以下の周波数ではこのアク中の圧電素子に電圧を印加させずにチュエータは駆動しなかった。最高左右を逆位相の電圧を印加させるこ

移動距離は 80Hz の時であった。ことで、回転をすることができる。それ以降も周波数を上昇させたがのため、このアクチュエータは二方80Hz の移動距離を超えることはな向への並進と左右の回転を持つ。そかった。周波数を上げることで一秒

れぞれの圧電素子に印加する電圧を間あたりのノコギリ波の数は増えて変化させることで、2 次元中を自由いるが、距離は増加しなかった。今に移動することができる。アクチュ回使用した圧電素子の変形が電圧変エータの性能を評価するために時間化に対応できなかったため、圧電素

42.500子の緩やかな変化と急峻な変化に対0.40.35発生せず動きが見えなかったと考え

0.315g

移動距離 mm

応しなかったため Stick-slip 運動が0.25られる。次に実際にステージを実装

30g0.2して駆動させ、周波数変化を測定し0.15た。ステージ付きのアクチュエータ

45g0.1の模式図を図 9 に示す。

0.050-0.05

00.511.52時間 s

図 10 荷重変化させた時の駆動
図 8 は 0g から 15g ずつ変化させた時の移動距離を示している。60g 以上の荷重でステージが駆動しなかっ
図 9 ステージ付きのアクチュエーた。荷重が重くなるほど移動距離はタ小さくなるが、軽いものをステージステージ付きの周波数変化は、80Hzに乗せ移動させることができるのでで最大とならず 200Hz で移動距離ステージとして十分に機能する。最が最大となった。これは、ステージ後に、水平なところ以外でもステーを実装したことで全体としての重さジとして駆動する確認のために図が増え、Stick-slip 運動が起きなかっ11 のような状況で駆動を行った。

たと考えられる。200Hz で最大の移動距離を持つためにステージを含む移動の際は 200Hz の周波数で駆動させる。次に、ステージ上に物体を乗せ、荷重を変化させた時の時間に対する移動距離を図 10 に示す。

θ50g
2.5

中を自由に動かすことができる。
0.4

Stick-slip アクチュエータは摩擦を1°0.22°

移動距離 mm0.30.1用いるために再現性はほぼない。しかし、軽いものをステージ上に乗せ、ガタのない駆動をして位置合わせな

0°

どにはかなり役に立つと考えられる。

000.5

-0.1

1

1.5

22.5

時間s5.

図 11 水平以外の駆動

参考文献(1). S.Verma,W.J.Kim andΘ=0°から 1°ずつ上昇させて駆動

H.Shakir,''Multi-axis maglev

するか確認した。3°で移動が見えな

nanopositioner for precision

くなった。ステージを乗せての駆動

manufacturing manipulation

は水平でなくても駆動することがで

applications'',IEEE

きるが、1°程度までの最大移動距離

Transactions on industry

は変化しなかったがステージを駆動

applications,Vol41,NO.5,Sept

させる面はできるだけ水平に近づけemver/October 2005

るべきである。

(2). J.K.Fisher,J.Cribb,K.V.Desai.L.Vicci.B.Wilde,K.Ke;;er,R.

4.

まとめ

M.Taylor,J.Haase,K.Bloom,E.T

今回の実験では、3 つ圧電素子を.O'Brien and用いて二次元中を移動するアクチュ

R.Superfine,''Thin-foil

エータを作成することができた。

magnetic force system for

このアクチュエータは圧電素子への

high-numerical-aperture

印加電圧の変化や周波数に応じて駆microscopy'',Rev Science動する距離が変化する。このアクチ

Instrum,Vol77,no.2,pp1-9,Feb.

ュエータは、一般的に用いられてい2006

る熱熔解積層方式の 3D プリンター(3). 吉田龍一、岡本素弘、岡田浩幸 "で作成した。安価な圧電素子を用いスムーズインパクト駆動機構のているため、誰にでも容易に数 mm開発(第 2 報)" 精密工学会誌

程度の分解能で駆動させることがで(2002) p536-541

きるステージを作ることができる。
作成したステージは２方向への並進と左右の回転を持つために、二次元6