JP2002315369A - アクチュエータ、光ファイバ移動体および光スイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化された、高速で大ストロークな移動
と、微小で精度の高い移動の両方が可能なアクチュエー
タを提供する。 【解決手段】 移動体１０は、本体１１の移動方向の側
面に圧電素子１３、１３’が固着され、圧電素子１３、
１３’にコイル１２、１２’が固着されて構成される。
ガイドレール内に磁石を配備し、コイル１２、１２’に
通電を行うことにより、移動体１０を磁気式リニアモー
タ方式にて大距離を高速で移動させることができる。ま
た、コイル１２、１２’に通電を行い、そのとき発生す
る磁気力により本体１１を磁石の装着されたガイドレー
ルに押圧し、圧電素子１３、１３’に電圧を印加して伸
長／縮小させることでインパクトドライブ駆動を行う。
これにより、微小で高精度な駆動が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アクチュエータ、
それにより駆動される光ファイバ移動体およびそれによ
り駆動される光スイッチに関し、特に、電気エネルギー
を運動エネルギーに変換することにより推進力を得る、
粗動手段と微動手段を備えるアクチュエータとそれによ
り駆動される光ファイバ移動体および光スイッチに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、電気エネルギーを運動エネルギー
に変換することにより推進力を得るアクチュエータとし
て、例えば圧電素子を用いてインチワーム(inchworm)動
作を行わせるものとインパクトドライブにより駆動する
ものとが知られている。ここで、インチワーム駆動の動
作原理について、図１８を用いて説明する。物体Ａ４１
と物体Ｂ４２と、２軸方向に伸長可能な圧電素子４３−
１〜４３−３によって構成されるインチワーム機構がス
ライド面４４上に置かれる〔図１８（ａ）〕。まず、圧
電素子４３−１に電圧が印加され進行方向と直交する上
方に伸び、物体Ｂ４２が上方に持ち上げられる〔図１８
（ｂ）〕。次に、圧電素子４３−２に電圧が印加され進
行方向に伸びる〔図１８（ｃ）〕。完全に伸び切った
後、上方に伸び上がった圧電素子４３−１に印加された
電圧のみが遮断され、上方に持ち上げられていた物体Ｂ
４２がスライド面４４に戻ってくる〔図１８（ｄ）〕。
次に、圧電素子４３−３に電圧が印加され進行方向と直
交する上方に伸び、物体Ａ４１が上方に持ち上げられる
〔図１８（ｅ）〕。この状態で、進行方向に伸びていた
圧電素子４３−２に印加された電圧が遮断され圧電素子
４３−２は元の長さに復帰する〔図１８（ｆ）〕。最後
に圧電素子４３−３の電圧が遮断され、上方に持ち上げ
られていた物体Ａ４１がスライド面に戻ってくる〔図１
８（ｇ）〕。結果的に物体Ａ４１および物体Ｂ４２は、
圧電素子４３−２が伸びた分だけ進行方向に進んだこと
になる。ちなみに逆方向に進む場合は、圧電素子４３−
１と４３−３に印加する電圧の順序を逆にすることで実
現できる。

【０００３】また、これとは別に、微小アクチュエータ
機構として、インパクトドライブ機構がある。これにつ
いても、その動作原理を図１９を用いて説明する。イン
パクトドライブ機構は、物体Ａ５１と物体Ｂ５２が圧電
素子５３を介して接合されて構成される。物体Ａ５１は
押圧力Ｆを受けスライド面５４に押しつけられている
〔図１９（ａ）〕。この状態で、圧電素子５３に急激に
電圧が印加され、圧電素子５３が図のように伸びると、
物体Ａ５１はスライド面５４との摩擦に慣性力が打ち勝
って紙面左側に滑り出す。また同時に物体Ｂ５２も紙面
右側に動く〔図１９（ｂ）〕。次に、圧電素子５３に加
えられた電圧をゆっくり解放していくと、圧電素子５３
はゆっくり元の長さに復帰する。この時点では、物体Ａ
５１、物体Ｂ５２ともに、加速度が小さいためほとんど
慣性力が発生しない。そのため、物体Ａ５１は、押圧力
Ｆによってスライダ面５４との間に生じている摩擦力に
よって動くことができない。結果的に、始めに圧電素子
５３が伸びたときに生じた移動量が保存され、全体の形
状は元にもどる〔図１９（ｃ）〕。この動作を繰り返し
行うことによって、物体Ａ５１の方向に進んでいくこと
ができる。ちなみに、逆の方向に進むには、始めにゆっ
くり圧電素子５３を伸ばしておき、伸びきったところ
で、急激に縮めることによって実行することができる。

【０００４】上記インチワーム駆動方式を用いたアクチ
ュエータとしては、特開平４−３６００２５号公報に記
載されたものが、またインパクトドライブ機構を用いた
従来技術としては、特開平８−２６６０７３号公報に記
載されたものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のアクチュエータ
における第１の問題点は、大距離を高速で移動できない
ことである。この理由は、従来のアクチュエータではイ
ンチワーム駆動機構、インパクトドライブ機構のみしか
搭載されておらず、これらの駆動機構はともに圧電素子
の微小な変位を利用して駆動するものであるためであ
る。すなわち、従来のこの種アクチュエータは、微小な
駆動に特化したアクチュエータとなっており、大距離を
高速で移動させることはできなかった。従来のアクチュ
エータにおける第２の問題点は、小型化できないことで
ある。この理由は、大距離を高速で移動させようとした
場合、インチワーム駆動機構やインパクトドライブ機構
などの微小アクチュエータのみでは不可能であるので、
例えばボイスコイルモータのような高速ドライブ機構を
別に設け、このドライブ機構にインチワームやインパク
トドライブの微小アクチュエータを搭載するという形態
をとらざるをえない。そのため、アクチュエータ全体と
しては大型化してしまう。従って、従来のアクチュエー
タを用いた光ファイバ移動体により機械式光スイッチを
構成した場合には、高速な切り替えを行うことができ
ず、あるいはコンパクトな構成の光スイッチを実現する
ことができなかった。本発明の課題は、上述した従来技
術の問題点を解決することであって、その目的は、第１
に、高速に移動することができ、かつ、高精度に位置決
めを行うことのできる小型のアクチュエータを提供でき
るようにすることである。第２に、高速に移動すること
ができかつ高精度に位置決めを行うことのできる光ファ
イバ移動体を提供できるようにすることである。第３
に、高速の切り替えが可能でかつ接続損失の少ない、コ
ンパクトな構成の光スイッチを提供できるようにするこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によれば、電気エネルギーを運動エネルギー
に変換することにより、推進力を得て移動体を移動させ
るアクチュエータであって、粗位置決め用の高速な自走
移動手段と、精密位置決め用の低速な自走移動手段とを
備えることを特徴とするアクチュエータ、が提供され
る。そして、好ましくは、前記高速な自走移動手段は、
リニアモータの移動部によって構成される。また、好ま
しくは、前記低速な自走移動手段は、圧電素子を用い
た、インパクトドライブ若しくはインチワーム(inchwor
m)駆動により実現される。

【０００７】また、上記の目的を達成するため、本発明
によれば、光ファイバが、上記のように構成されたアク
チュエータによって駆動される移動体に固着されている
ことを特徴とする光ファイバ移動体、が提供される。ま
た、上記の目的を達成するため、本発明によれば、少な
くとも一方が上記のように構成されたアクチュエータに
よって駆動される移動体によって移動される光ファイバ
を端面同士が向かい合うようにして配置し、前記移動体
を移動させて光ファイバの接続切り替えを行うことを特
徴とする光スイッチ、が提供される。そして、好ましく
は、ガイドとなる溝が第１、第２の主面に互いに直交す
るようにかつその直交部が透孔となるように形成されて
いるボードの前記溝に、光ファイバが上記のように構成
されたアクチュエータによって駆動される移動体に固着
されてなる光ファイバ移動体が摺動自在にかつ前記ボー
ドの反対側の面に配置された光ファイバ同士では端面が
対向するように配置される。また、好ましくは、前記移
動体には自己の位置を認識するための位置検出センサが
搭載されており、また、前記ボード上には前記ガイドと
なる溝に沿ってスケールが目盛られている。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図を参照して詳細に説明する。 ［第１の実施の形態］図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の
第１の実施の形態を示す平面図と側面図である。図１に
示すように、本実施の形態のアクチュエータは、本体１
１の両側に、圧電素子１３、１３’とコイル１２、１
２’を接合した移動体１０によって構成される。また、
この移動体１０は、図２に示すように、ガイド１４に挿
入され、このガイド１４に沿って可動である。また、ガ
イド１４に沿って、永久磁石１５がガイド１４側にＳ
極、Ｎ極が交互に現れるように敷設される。

【０００９】次に、本実施の形態のアクチュエータの動
作について説明する。はじめに、図３を用いて、その高
速動作（粗動）について説明する。図３に示すように、
本実施の形態のアクチュエータの高速動作は、所謂磁気
式リニアモータと同様の原理で行われる。本体１１に圧
電素子１３、１３’を介して接合されたコイル１２、１
２’に通電し、このコイル１２、１２’に永久磁石１５
寄りがＮ極、Ｓ極となる磁界を生じさせる。このコイル
１２、１２’に生じた磁界は、ガイド１４に沿って設け
られた永久磁石１５との間で吸引力Ａを発生させる。こ
の吸引力Ａで移動体１０が永久磁石１５の１ブロック分
を進むと次に、コイル１２、１２’に通電する極性を反
転させ、新たに吸引力Ａ’を生じさせる。このようにコ
イル１２、１２’への通電をスイッチングしていくこと
で、吸引力Ａ、Ａ’、Ａ”が図示のように発生し移動体
を高速に移動させる推進力が得られる。

【００１０】次に、図４を参照して、その微動について
説明する。図４に示した本実施の形態のアクチュエータ
の微動は、所謂インパクトドライブと同様の原理で駆動
される。本体１１に圧電素子１３を介して接合されたコ
イル１２、１２’に通電し、このコイル１２、１２’に
永久磁石１５寄りがＳ極、Ｎ極となる磁界を生じさせ
る。このコイル１２、１２’に生じた磁界は、ガイド１
４に沿って設けられた永久磁石１５とに間に吸引力Ａ、
Ａ’を発生させる。この力で、本体１１をガイド１４に
押し当てる押圧力Ｆを得ることができる。この状態で、
圧電素子１３に急激に電圧が印加されと、圧電素子１３
が図のように伸びる。すると、押圧力Ｆによってガイド
１４との間に生じていた摩擦力に、慣性力が打ち勝っ
て、本体１１は、紙面右側に滑り出す。また同時にコイ
ル１２も紙面左側に動く。次に、圧電素子１３に加えら
れた電圧をゆっくり解放していくと、圧電素子１３はゆ
っくり元の長さに復帰する。この時点では、本体１１、
コイル１２ともに、加速度が小さいためほとんど慣性力
が発生しない。そのため、本体１１は、押圧力Ｆによっ
てガイド１４との間に生じている摩擦力によって動くこ
とができない。結果的に、始めに圧電素子１３が伸びた
ときに生じた移動量が保存され、全体の形状は元にもど
る。この動作を繰り返し行うことによって、本体１１は
コイル１２’の方向に進んでいくことができる。ちなみ
に、反対方向へ進めるには、予めゆっくり圧電素子１３
を伸ばしておき、急激に縮めることで実現可能である。
また、反対側の圧電素子１３’を用いて前述した内容と
同様の動作を行うことでも実現可能である。このよう
に、本実施の形態のアクチュエータでは、一つの移動体
により、磁気式リニアモータ駆動とインパクトドライブ
駆動が実現され、高速移動と高精度の位置決めの両方の
特徴を兼ね備えたアクチュエータを提供することが可能
になる。また、磁気式リニアモータ駆動に用いるコイル
とインパクトドライブに必要な慣性体が共通になってお
り、かつ、インパクトドライブに必要な押圧力を前記コ
イルによって得られる磁気力でまかなっているため、極
めて小型なアクチュエータを実現できる。

【００１１】［第１の実施の形態の他の駆動方法］第１
の実施の形態のアクチュエータをインパクトドライブに
て微動する方式について先に説明したが、本実施の形態
はこれをインチワーム方式で駆動することもできる。こ
の駆動方式について図５を参照して説明する。コイル１
２に通電し、このコイル１２に永久磁石と対向する側が
Ｓ極となる磁界を生じさせる。このコイル１２に生じた
磁界は、ガイド１４に沿って設けられた永久磁石１５と
に間に吸引力Ａを生じさせる。また、反対側のコイル１
２’に通電し、このコイル１２’に永久磁石と対向する
側がＮ極となる磁界を生じさせる。このコイル１２’に
生じた磁界は、ガイド１４の沿って設けられた永久磁石
１５との間に斥力Ｒを生じさせる。この状態で、圧電素
子１３’と１３に電圧を印加し、伸長させる。このと
き、吸引力Ａで保持されたコイル１２は静止したままで
あるが、本体１１およびコイル１２’は紙面右方向に向
かって圧電素子１３と１３’の伸長した分だけ移動する
ことになる。今度は、逆に、コイル１２に通電し、この
コイル１２に永久磁石１５とに間に斥力Ｒを発生する磁
界を生じさせる。また、反対側のコイル１２’に通電
し、このコイル１２’に永久磁石１５との間に吸引力Ａ
を生じる磁界を生じさせる。この状態で、圧電素子１
３’と１３の電圧を解除し、元の長さに収縮させる。こ
のとき、吸引力Ａで保持されたコイル１２’は静止した
ままであるが、本体１１およびコイル１２は紙面右方向
に向かって圧電素子１３と１３’の収縮した分だけ移動
することになる。結果的に、移動体は２つの圧電素子が
伸長した分だけ移動できることになる。なお、第１の実
施の形態のインチワーム駆動では、コイルで斥力を発生
したところは、単にコイルの通電を遮断し、磁界を無く
すことでもかまわない。

【００１２】［第２の実施の形態］図６(ａ)、(ｂ)は、
本発明の第３の実施の形態の平面図と側面図である。本
発明の第１の形態では、コイル及び圧電素子を本体１１
の両側に配したが、本実施の形態では、図６に示すよう
に片側だけに配置している。本実施の形態の高速駆動は
第１の実施の形態の場合と同様に行われる。即ち、コイ
ル１２に流す電流の極性を順次反転させることにより、
ガイドに沿って配置された永久磁石との間に吸引力を生
じさせて推進力を得る。また、微動を行わせる場合に
は、まず、インチワーム駆動の場合のように、コイル１
２に永久磁石との間に吸引力が発生する電流を流し、そ
の状態で圧電素子１３を伸長させる。これにより、本体
１１が移動する。次に、コイル１２に供給する電流を遮
断し、インパクトドライブ方式の場合のように、圧電素
子に印加していた電圧をゆっくりと低下させる。このと
き本体１１とガイドの間には摩擦力が作用しているため
に、本体１１は静止状態を保ち、コイル１２のみが本体
側に移動する。この動作を繰り返すことにより、本体１
１をコイル１２と反対側の方向に移動させることができ
る。本体を逆方向に移動させるには、上記の説明とは動
作順序を逆にして、コイルに電流を流さない状態で圧電
素子をゆっくりと伸長し、コイルに電流を供給してコイ
ルの移動を束縛した状態で圧電素子にかけていた電圧を
開放する。

【００１３】［第３の実施の形態］図７は、本発明の第
３の実施の形態の側面図である。本発明の第１、第２の
実施の形態では、コイル及び圧電素子は本体１１の外部
に配したが、本実施の形態の移動体１０では、図７に示
すように、本体１１の内部に、２つのコイル１２、１
２’を配し、それぞれを、圧電素子１３、１３’で本体
１１の壁面と接続する。本実施の形態の高速駆動は第１
の実施の形態の場合と同様に行われる。即ち、コイル１
２に流す電流の極性を順次反転させることにより、ガイ
ドに沿って配置された永久磁石との間に吸引力を生じさ
せて推進力を得る。また、紙面に対し右方向に微動を行
わせる場合には、まず、コイル１２に吸引力を作用させ
た状態で、圧電素子１３を伸長する。次に、コイル１２
に供給していた電流を遮断し、コイル１２’に吸引力を
作用させる。そして、その状態で圧電素子１３に印加し
ていた電圧を解除する。コイル１２’に供給していた電
流を遮断した後、以下、同様の動作を繰り返す。また、
本体を紙面の左方向に移動させる場合には、コイル１２
と１２’、圧電素子１３と１３’の動作を上記と反転さ
せる。

【００１４】［第４の実施の形態］図８は、本発明の第
４の実施の形態を示す側面図である。先の第３の実施の
形態では、本体内部にコイル及び圧電素子を２個ずつ配
したが、本実施の形態では、図８に示すように、本体１
１の内部に、一つのコイル１２を配し、そのコイル１２
の両端と本体１１の内壁を圧電素子１３、１３’で接続
する。本実施の形態の高速駆動は第１の実施の形態の場
合と同様に行われる。即ち、コイル１２に流す電流の極
性を順次反転させることにより、ガイドに沿って配置さ
れた永久磁石との間に吸引力を生じさせて推進力を得
る。また、紙面の右方向へ微動を行わせる場合には、イ
ンチワーム駆動の場合のように、コイル１２に永久磁石
との間に吸引力が発生する電流を流し、その状態で圧電
素子１３’を伸長させる。これにより、本体１１が右方
向へ移動する。次に、コイル１２に供給する電流を遮断
し、圧電素子１３を伸長すると同時に圧電素子１３’を
元の長さに戻す。次いで、コイル１２に永久磁石との間
に吸引力が発生する電流を流し、その状態で圧電素子１
３’を再び伸長させると共に圧電素子１３を元の長さに
戻す。以下、同様の動作を繰り返す。

【００１５】［第５の実施の形態］図９(ａ)、(ｂ)は、
本発明の第５の実施の形態の平面図と側面図である。本
発明の第１〜第４の実施の形態では、移動体側にコイル
が配置されていたが、本実施の形態では、移動体側に永
久磁石が接合される。即ち、図９に示すように、移動体
１０は、本体１１の左右に圧電素子１３、１３’を介し
て永久磁石１６，１６’を接続して構成される。そし
て、本実施の形態の移動体は、図１０に示すように、ガ
イド１４内に配置されるが、ガイド１４に沿って、永久
磁石１６，１６’と共にリニアモータを構成するための
コイル１７が設置される。本実施の形態は、第１の実施
の形態における永久磁石とコイルとを入れ替えたもので
あり、その動作は第１の実施の形態の場合と同様である
ので、動作に関する説明は省略する。本実施の形態は、
第１の実施の形態に対してコイルと永久磁石を入れ替え
る変更を加えたものであるが、第２〜第４の実施の形態
についても同様の変更を加えて移動体側に永久磁石を搭
載するようにしてもよい。

【００１６】［第６の実施の形態］図１１(ａ)、(ｂ)
は、本発明の第６の実施の形態の平面図と側面図であ
る。先に説明した第１〜第５の実施の形態では、高速移
動を磁気式リニアモータにより行っていたが、本実施の
形態では誘導型のリニアモータにより高速移動を行う。
そのため、本実施の形態では、図１１に示すように、本
体１１の前後の側面に圧電素子１３、１３’を介して導
電体１８、１８’を接続する。この導電体１８、１８’
は、本実施の形態の移動体１０をインパクトドライブ方
式で駆動する際の慣性体の機能を果たす。そして、本実
施の形態の移動体１０は、図１２に示すように、ガイド
１４内に配置されるが、ガイド外側にはガイド１４に沿
ってガイド内に移動磁界を発生させるためのコイル１９
が設置される。次に、本実施の形態の動作について説明
する。高速移動を行わせるには、コイル１９により、移
動体１０を移動させる方向に移動する移動磁界を発生さ
せる。これにより導電体１８は推進力を受け、磁界移動
方向に従って高速に移動する。また、移動体１０に紙面
右方向の微動を行わせる場合には、まず、圧電素子１３
を急激に伸長させる。次に、圧電素子１３をゆっくり縮
小するとともに圧電素子１３’をゆっくり伸長させる。
このとき、本体１１はガイドとの摩擦力のために静止状
態を保つ。次に、圧電素子１３を急激に伸長させるとと
もに圧電素子１３’を急激に縮小する。これにより、本
体１１は右方向へ移動する。この動作を繰り返すことに
より移動体１０を紙面の右方向へ移動させることができ
る。移動体１０を逆方向に移動させるには、圧電素子１
３の動作と圧電素子１３’の動作とを入れ替えればよ
い。

【００１７】本発明の第１、第２の実施の形態では、ガ
イドに沿って設けられた永久磁石やコイルを、移動体に
対し一列としたが、これを、永久磁石が設けられていな
かった側のガイド１４側や、紙面の上下などに配置する
などして、複数列設けることも可能である。また、第１
の実施の形態等においては、インパクトドライブする際
の本体に対する押圧力を、移動体に設けたコイルもしく
は磁性体によって発生した磁気力によって得ていたが、
別の押圧手段を設けこれを利用することも可能である。

【００１８】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。図１３は、本発明の一実施例を示す
斜視図である。本発明の実施例では、実施の形態で示し
たアクチュエータを、機械式光スイッチに適用してい
る。図１３に示すように、本発明の機械式光スイッチ２
０では、光ファイバ２１は、スライダ２２に挿入固定さ
れ、スライダ２２と一体になって直線的に移動すること
が可能である。光ファイバ２１は直径１２５μｍの標準
品を使用する。スライダ２２は、１０ｍｍ厚のボード２
３に形成された滑りガイド２４に沿ってスライドする。
この滑りガイド２４はボード２３の表面と裏面に互いに
直交するように１００本ずつ形成される。この本数につ
いては光スイッチの規模によって決まり、本実施例では
１００×１００の光スイッチを構成している（図１３で
は、わかりやすくするため、滑りガイド数、スイッチ数
は省略して表示されている）。滑りガイド２４に沿っ
て、永久磁石２５が、Ｓ極、Ｎ極が滑りガイドに交互に
向くように敷設される。

【００１９】次に、図１４を参照してスライダ２２につ
いて詳細に説明する。図１４(ａ)は、図１３の部分拡大
図〔図１４(ａ)では図を見やすくするため、ボードの一
部が削除されている〕であり、図１４(ｂ)は、スライダ
２２の断面図である。スライダ２２は光ファイバ２１を
挿入したスライダ本体３１と、スライダ本体３１に固着
された圧電素子３２、３２’と、圧電素子３２、３２’
に固着されたコイル３３、３３’とから構成され、スラ
イダ２２が全体としてインパクトドライブ駆動可能な微
小アクチュエータとなっている。スライダ本体３１の大
きさは、ファイバが挿入された高さ方向は、ボード２３
の厚みの半分にほぼ等しく５ｍｍである。また長さは４
ｍｍ、幅２ｍｍである。また、その材料にはステンレス
を用いた。光ファイバ２１の端面はスライダ本体３１の
底面と一致させるかわずかに（挿入損失を低く抑えるた
め、２５μｍ以下とすることが好ましい）後退させる。
また、光ファイバ２１については、スライダ本体３１に
挿入される部分の被覆を他の部分の被覆より厚くしても
よい。コイルは、ほぼスライダ本体３１の半分の大きさ
で、３ｍｍ×３．５ｍｍ×１．８ｍｍのほぼ直方体であ
る。また、その巻線材料には銅線を用いた。コイル配線
３３１は、光ファイバ２１に沿うように外部へ引き出さ
れている。圧電素子には、ＰＺＴ積層型の長さ５ｍｍ、
断面２ｍｍ×１ｍｍのものを用いた。また、更に、スラ
イダ本体３１には磁気センサ３４が取り付けられ、微小
アクチュエータの位置検出を行えるようになっている。

【００２０】スライダ本体３１は、図１４（ｂ）に示す
ように貫通穴が設けられ、その中に光ファイバ２１が挿
入され接着固定される。コイル３３は圧電素子３２を介
してスライダ本体３１に接着固定される。ここで、コイ
ル３３と圧電素子３２は、滑りガイド２４には接触させ
ないようにしてこれからは独立させる。インパクトドラ
イブさせるために圧電素子３２には電圧を印加する必要
があるが、そのための圧電素子配線３２１は、光ファイ
バ２１に沿うようにして外部に取り出す。この微小アク
チュエータの位置検出は、スライダ本体３１に取り付け
られた磁気センサ３４により行う。磁気センサ３４は、
そのヘッド部分がスライダ本体３１からはみ出すように
して取り付けられている。このヘッドの真下に位置する
ボード２３上には磁気パターン３５が記録されている。
磁気センサからの磁気センサ配線３４１も、光ファイバ
２１に沿うようにして外部に取り出す。本実施例の構成
について、最後に装置全体の大きさを説明する。スライ
ダが走るガイドは、ピッチ４ｍｍ×１００本とした（図
１では、わかりやすくする為、各ガイド間は広げ、更に
数は省略して表示してある）。ボード１３の大きさは４
０８ｍｍ×４０８ｍｍ×厚み１０ｍｍの形状になる。

【００２１】［実施例の動作］次に、本発明の機械式光
スイッチの実施例について、その動作を説明する。図１
３に示した機械式光スイッチ２０では、ボード２３の表
面と裏面に引き込まれた光ファイバを、ファイバ芯が一
致する位置までそれぞれ移動させることで切り替え接続
を行う。図１５は、その概略の状態を示す平面図である
(この図では、図を簡略化するために滑りガイド２４に
形成されている段差を省略して示してある)。この図で
は、表面のスライダ２２と裏面のスライダ２２ａをそれ
ぞれ白矢印、黒矢印方向に移動させ、ボード２３に形成
された透孔部２６において光ファイバ同士の芯合わせを
行って接続を完了している。このときのスライダ同士の
様子を一部側面図にて断面図で図１６に示す。表面側の
スライダ２２のスライダ本体３１は、そのスライド面３
１１をボードのガイド面に接触させて紙面の左右方向に
往復移動し、裏面側のスライダ２２ａのスライダ本体３
１ａは、そのスライド面３１１ａをボードのガイド面に
接触させて紙面の垂直方向に往復移動する。このスライ
ド面３１１が接触するガイド面は図１４（ａ）で示した
ガイド面３６である。このような状態で、表面側に引き
込まれた光ファイバ２１と裏面側から引き込まれた光フ
ァイバ２１ａの位置が合わされ接続される。

【００２２】続けて、動作について更に詳細に説明す
る。まず、図１５に示す機械式光スイッチ２０に対し、
始めに図示されない制御系にスライダ２２とスライダ２
２ａの光ファイバを接合するという命令が入ると、その
切り替える光ファイバが取り付けられたスライダを駆動
すべく、コイル３３と３３’に通電される。このとき、
図３に示したように、コイルへの通電極性を切り替えな
がら、各スライダは電磁式のリニアモータ動作を行う。
このときには、ボード２３上の滑りガイド２４に沿っ
て、大距離を高速に移動する。移動は、最大２０ｍｓ程
度で完了する。このリニアモータにより、図１５に示す
スライダ２２がスライダ２２ａの列へ、またスライダ２
２ａがスライダ２２の行まで、大まかに移動したら、次
に、各スライダに形成されたインパクトドライブ用微小
アクチュエータで、サブミクロンオーダーの位置決めを
行う。このインパクトドライブは、コイル３３、３３’
に電流を供給して永久磁石との間に吸着力を発生させ、
これにより、ボードのガイド面に対するスライダ本体３
１の押圧力を得て行うものであるが、その動作原理は図
４を参照して説明した通りであるので、本実施例スライ
ダのインパクトドライブ動作についての詳細な説明は省
略する。

【００２３】ここで、実施例におけるインパクトドライ
ブについて、その動作性能を図１７を参照して説明す
る。なお、図１７では簡単のため、コイルと圧電素子は
一組とし、コイルは単なる慣性体とした。はじめに、計
算方法の概要を説明する。本実施例で圧電素子として用
いたＰＺＴに電圧が印加され伸びた時のスライダ移動量
（ΔＸ１）と、その後、スライダとＰＺＴ及び慣性体が
一つの剛体として滑って移動した量（Ｘ）の合計を、１
パルスあたりのトータル移動量とする。上記１パルスの
動作にかかった時間を１周期（Ｔ）とし、上記トータル
移動量に（１／Ｔ）を掛け合わせたものを送り速度とす
る。続いて、詳細に計算式を示す。ＰＺＴに電圧が印加
され伸張力（Ｐ）が生じたときの、スライダ（質量Ｍ
１）及び慣性体（質量Ｍ２）、圧電素子（質量Ｍｐ）に
ついて運動方程式をたてる。このときスライダの静止摩
擦係数をμ0とするとスライダには押圧力Ｆによる摩擦
力（μ0Ｆ）が発生している。 Ｐ−μ0・Ｆ＝α１・（Ｍ１＋０．５Ｍｐ）・・・(1) Ｐ＝α２・（Ｍ２＋０．５Ｍｐ）・・・・・・・・・・・(2) (1)、(2)式よりスライダ、及び慣性体の加速度（α１、
α２）をそれぞれ求める。圧電素子の伸び量（ΔＸ）
は、スライダの移動量（ΔＸ１）と慣性体の移動量（Δ
Ｘ２）の合計であるから、 ΔＸ＝ΔＸ１＋ΔＸ２・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・・・・・・(3) また、それぞれの移動量は、 ΔＸ１＝０．５*（０．５＊α１）＊Δｔ＾２ ΔＸ２＝０．５*（０．５＊α２）＊Δｔ＾２・・・・・・・・ ・・・・・・・(4) で求まるから、(1)〜(4)式を用いてスライダの移動量
（ΔＸ１）を算出することができる。ここで、加速度α
はΔｔの間変化し続けるものと考えられる。本計算では
0.5倍し線形近似を用いた。次に、全体系が剛体として
滑っていく量を求める。初めに、各質点系の初期速度を
求める。 Ｖ０１＝（０．５・α１）・Δｔ Ｖ０２＝（０．５・α２）・Δｔ ・・・・・・・・・・・・(5) よって、各質点系の運動量は、 ＭＶ１＝Ｖ０１・（Ｍ１＋０．５・Ｍｐ） ＭＶ２＝Ｖ０２・（Ｍ２＋０．５Ｍｐ）・・・・・・・(6) となる。全体としての運動量は、運動量保存の式から以
下のようになり、全体系が動き出したときの初期速度
（Ｖ０）が求まる。 （Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍｐ）・Ｖ０＝ＭＶ１−ＭＶ２ ・・・・(7) (7)式から求まる初期速度から、そのときの運動エネル
ギー（Ｅ）が求まる。Ｅ＝０．５・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ
ｐ）・Ｖ０＾２・・・・・(8)このエネルギーが全て、
摩擦損失に使われたと仮定して、動摩擦係数をμとして
滑った量（Ｘ）を求める。 Ｘ＝Ｅ／μＦ ・・・・・・・・・・・・・・・・(9) 滑っている時の加速度（ａ）は、 （Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍｐ）・ａ＝μＦ ・・・・・・・(10) よって、滑り初めてから静止するまでの時間（ｔｓ）
は、 ｔｓ＝Ｖ０／ａ ・・・・・・・・・・・・・・・(11) また、１パルスの送りに必要とする時間、つまり周期
は、上記ＰＺＴの伸張にかかる時間（Δｔ）と、剛体と
して滑っている時間（ｔｓ）、更に、ＰＺＴが収縮する
時間（ｔｂ）の合計になる。収縮にかかる時間（ｔｂ）
は、その時に発生する慣性力が、摩擦力（μ0Ｆ）に対
して十分小さいことが条件となる。 Ｔ＝Δｔ＋ｔｓ＋ｔｂ ・・・・・・・・・・・・・・・(12) 送り速度（Ｖｓ）は、トータル移動量と周期から求ま
る。 Ｖｓ＝（ΔＸ１＋Ｘ）／Ｔ ・・・・・・・・・・・・・(13) 以上の計算式に実際の圧電素子の仕様や、スライダの質
量等のデータを入力すると、 １パルス当たりの移動量（分解能）＝１ｎｍ 移動速度＝１０μｍ／ｓ となる。

【００２４】上述してきたリニアモータによる粗動、イ
ンパクトドライブによる微動ともに、スライダ本体３１
に取り付けられた磁気センサ３４で位置決めする。ボー
ド２３には既に述べたように磁化パターン３５が形成さ
れており、このパターンを磁気センサ３４が読みとるこ
とによりスライダ２２自体の位置を把握することができ
る。尚、ファイバ同士の光軸合わせに要求される位置決
め性能はサブミクロンの精度である。そのため、あらか
じめ、光軸調整を行った際、最適なスライダ位置に相当
する磁化パターンをアドレスとして記録しておくと、精
度の高い位置合わせが可能となる。また、その光軸調整
も、装置の出荷時だけでなく、定期的に不使用中の光フ
ァイバを用いて行い、前記最適時のアドレスを更新して
いくことも可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上、詳述したように、本発明のアクチ
ュエータは、高速な自走移動手段と微細ピッチの自走移
動手段とを有するものであるので、大距離の高速な移動
と高精度な移動とが、共通のアクチュエータで実現でき
る。また、本発明によれば、上記の特長を備えたアクチ
ュエータをコンパクトに実現することができる。更に、
本発明に係るアクチュエータを用いて光スイッチを構成
した場合には、高速スイッチングが可能で、光損失が少
ない機械式光スイッチをコンパクトに実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態の平面図と側面
図。

【図２】 本発明の第１の実施の形態のガイドへの装着
状態を示す平面図。

【図３】 本発明の第１の実施の形態の動作説明図。

【図４】 本発明の第１の実施の形態の動作説明図。

【図５】 本発明の第１の実施の形態の他の動作の説明
図。

【図６】 本発明の第２の実施の形態の平面図と側面
図。

【図７】 本発明の第３の実施の形態の側面図。

【図８】 本発明の第４の実施の形態の側面図。

【図９】 本発明の第５の実施の形態の平面図と側面
図。

【図１０】 本発明の第５の実施の形態のガイドへの装
着状態を示す平面図。

【図１１】 本発明の第６の実施の形態の平面図と側面
図。

【図１２】 本発明の第６の実施の形態のガイドへの装
着状態を示す平面図。

【図１３】 本発明の一実施例を示す斜視図。

【図１４】 図１３の部分拡大図とスライダの断面図。

【図１５】 本発明の一実施例の概略平面図。

【図１６】 本発明の一実施例の動作説明図。

【図１７】 本発明の一実施例の動作説明図。

【図１８】 インチワーム駆動方式の動作原理を説明す
る図。

【図１９】 インパクトドライブの動作原理を説明する
図。

【符号の説明】

１０・・・移動体、 １１・・・本体、 １
２、１２’・・・コイル、 １３、１３’・・・圧
電素子、 １４・・・ガイド、 １５、１６、
１６’・・・永久磁石、 １７・・・コイル、、
１８、１８’・・・導電体、 １９・・・コイ
ル、 ２０・・・機械式光スイッチ、２１、２１ａ
・・・光ファイバ、 ２２、２２ａ・・・スライ
ダ、２３・・・ボード、 ２４・・・滑りガイド、
２５・・・永久磁石、 ２６…透孔部、
３１、３１ａ・・・スライダ本体、 ３１１、３
１１ａ…スライド面、 ３２、３２’・・・圧電素
子、 ３２１・・・圧電素子配線、 ３３、３
３’・・・コイル、 ３３１・・・コイル配線、
３４・・・磁気センサ、 ３４１・・・磁気セ
ンサ配線、３５・・・磁気パターン、 ３６・・・
ガイド面、 ４１、５１・・・物体Ａ、 ４
２、５２・・・物体Ｂ、 ４３−１〜４３−３、５
３・・・圧電素子、 ４４、５４・・・スライド
面、 Ａ、Ａ’、Ａ”・・・吸引力、 Ｆ・・
・押圧力、 Ｒ・・・斥力

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H303 BB01 BB11 CC02 DD04 DD11 DD14 KK35 5H641 BB13 GG03 HH02 HH07 HH09 JA02 JA13 JA14 5H680 AA04 AA06 BB09 BB13 BB20 DD01 DD11 DD23 DD34 DD55 DD59 DD65 DD76 EE20 FF24 FF32 GG02 GG32 GG42

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気エネルギーを運動エネルギーに変換
   することにより、推進力を得て移動体を移動させるアク
   チュエータであって、粗位置決め用の高速な自走移動手
   段と、精密位置決め用の低速な自走移動手段とを備える
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記高速な自走移動手段は、リニアモー
   タの移動部によって構成されていることを特徴とする請
   求項１記載のアクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記アクチュエータは、ガイドに沿って
   直線的な移動を行うものであって、前記リニアモータの
   静止部は前記ガイドに沿って配置されていることを特徴
   とする請求項２記載のアクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記リニアモータの移動部には、コイ
   ル、永久磁石または導電体の中のいずれかが配置され、
   前記リニアモータの静止部には、永久磁石またはコイル
   の中のいずれかが配置されていることを特徴とする請求
   項３記載のアクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記低速な自走移動手段は、微細距離を
   間欠的に移動するものであることを特徴とする請求項２
   〜４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記低速な自走移動手段は、圧電素子を
   用いて構成されていることを特徴とする請求項５記載の
   アクチュエータ。
7. 【請求項７】 前記移動体は、前記圧電素子を用いたイ
   ンパクトドライブまたはインチワーム(inchworm)駆動に
   より移動されることを特徴とする請求項６記載のアクチ
   ュエータ。
8. 【請求項８】 インパクトドライブまたはインチワーム
   駆動時に必要となる前記移動体に対する拘束力は、前記
   リニアモータの静止部と移動部との間に生成される永久
   磁石と電磁石間の吸引力によって形成されることを特徴
   とする請求項７記載のアクチュエータ。
9. 【請求項９】 前記移動体は、本体と、前記本体に固着
   された低速な自走移動手段を構成するための圧電素子
   と、前記圧電素子に固着された、リニアモータの構成要
   素である前記自走移動手段と、を備え、前記圧電素子と
   前記自走移動手段との組は１ないし２組設けられている
   ことを特徴とする請求項２〜８のいずれかに記載のアク
   チュエータ。
10. 【請求項１０】 光ファイバが、請求項１〜９のいずれ
    かに記載されたアクチュエータによって駆動される前記
    移動体に固着されていることを特徴とする光ファイバ移
    動体。
11. 【請求項１１】 前記光ファイバの端面の前記移動体の
    摺動面からの後退距離ｇは、 ０≦ｇ≦２５μｍ であることを特徴とする請求項１０記載の光ファイバ移
    動体。
12. 【請求項１２】 少なくとも一方が請求項１〜９のいず
    れかに記載されたアクチュエータによって駆動される移
    動体によって移動される光ファイバを端面同士が向かい
    合うようにして配置し、前記移動体を移動させて光ファ
    イバの接続切り替えを行うことを特徴とする光スイッ
    チ。
13. 【請求項１３】 前記ガイドとなる溝が第１、第２の主
    面に互いに直交するように形成されかつその直交部に透
    孔が形成されているボードの前記溝に、光ファイバが請
    求項３〜９のいずれかに記載されたアクチュエータによ
    って駆動される移動体に固着されてなる光ファイバ移動
    体を摺動自在にかつ前記ボードの反対側の面に配置され
    た光ファイバ同士ではの端面が対向するように配置した
    ことを特徴とする光スイッチ。
14. 【請求項１４】 前記ボードの前記第１の主面に配置さ
    れた光ファイバの端面と前記第２の主面に配置された光
    ファイバの端面との該端面に垂直な方向の距離は常時微
    小な一定距離に保持されていることを特徴とする請求項
    １３記載の光スイッチ。
15. 【請求項１５】 前記移動体には自己の位置を認識する
    ための位置検出センサが搭載されていることを特徴とす
    る請求項１３または１４記載の光スイッチ。
16. 【請求項１６】 前記ボード上には前記ガイドとなる溝
    に沿ってスケールが目盛られていることを特徴とする請
    求項１３〜１５のいずれかに記載の光スイッチ。
17. 【請求項１７】 前記位置検出センサが磁気センサであ
    ることを特徴とする請求項１５記載の光スイッチ。