JP2760729B2 - インチワーム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、クランプ動作と伸長動
作を交互に繰り返して、対象物を移送したり、自身が移
送されるインチワームに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電素子に電圧を印加することに
よって生じる微小変形を利用して物体の移送や自分自身
の移動を実現する方法として、インチワーム機構（単に
インチワームともいう）が周知である。この機構の基本
的な構成例を図５に示す。

【０００３】図５において、ガイドレールである金属シ
ャフト４の外側に３つの圧電シリング１，２，３が配設
されている。圧電シリンダ１及び圧電シリンダ３は、電
圧の印加によって金属シャフト４を挟む方向に変形し、
圧電シリンダ２は電圧の印加によって金属シャフト４の
長手方向に変形する。従って圧電シリンダ１と圧電シリ
ンダ２に電圧を印加し、圧電シリンダ３に電圧を印加し
ない場合、圧電シリンダ１は金属シャフト４をクランプ
し、圧電シリンダ２は伸長するから、このインチワーム
機構の右端は図５の右向きに伸びる。

【０００４】この状態で今度は圧電シリンダ３に電圧を
印加し、その後圧電シリンダ１と圧電シリンダ２の電圧
を解放すれば、圧電シリンダ２の伸長状態が戻る（即ち
圧電シリンダ２が縮む）ため、このインチワーム機構の
左端も図５の右向きに変位する。つまり上述した電圧の
印加解放を繰り返せば、インチワーム機構全体が金属シ
ャフト４上を図５の右方向に移動する。

【０００５】逆にインチワーム機構を何等かの手段で外
部に固定し、金属シャフト４の外部への拘束をなくして
おけば、上述した電圧の印加解放によって金属シャフト
は図５の左方向に移送される。

【０００６】図６に、図５に示すクランプ用圧電シリン
ダ１，３の代わりに、電磁石を用いたいわゆる電磁圧電
インチワームの例を示す。図６において、外部構造体２
０にガイド孔部２５が穿設されており、磁性体シャフト
２４がガイド孔部２５内部に嵌設されている。電磁石２
１が積層型圧電素子２２に固着され、この積層型圧電素
子２２は外部構造体２０の窪部２６の側壁２６ａに固着
されている。図６において電磁石２１および圧電素子２
２の駆動装置は省略してある。また磁性体シャフト２４
と、外部構造体２０および電磁石２１との間隙は強調し
て描かれているが実際には非常に接近している。

【０００７】図６に示す構成で磁性体シャフト２４を移
送する場合、電磁石２１に電流を付与し磁性体シャフト
２４に吸引させ、その状態で積層型圧電素子２２に電圧
を印加すれば、この圧電素子２２が伸長する。このこと
により、上記磁性体シャフト２４は図６の左方向に移動
する。その後、電磁石２１への電流付与を停止し、更に
積層型圧電素子２２への電圧を解放すれば、この電磁圧
電インチワームは初期状態に戻る。上述の過程を繰り返
すことにより、磁性体シャフト２４は図６の左方向に移
送され続ける。

【０００８】この磁性体シャフト２４を右側に移送する
場合には、まず積層型圧電素子２２に電圧を印加し伸長
させておき、この状態で電磁石２１に電流を付与して磁
性体シャフト２４を吸引する。その後圧電素子２２の電
圧を解放し、続いて電磁石２１の電流の付与を停止し、
この過程を繰り返す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述の構成からなるイ
ンチワーム機構においては、クランプ用圧電シリンダ
１，３（図５）や電磁石２１（図６）等のクランプ部
と、金属シャフト４および磁性体シャフト２４等のクラ
ンプ対象との相対位置が、幾何的に概ね同一の状態にな
る様に設定されている。またクランプ対象は直線や平面
あるいは回転半径が一定の円弧状であるのが一般的であ
る。これはインチワームを構成する伸長部とクランプ部
は剛に連結される必要があるためであり、また圧電素子
の機械特性が変形方向に垂直な剪断方向の外力に対して
弱いためである。

【００１０】このようにクランプ対象の形状や動きにつ
いて大きな制約があり、特に、圧電素子の機械特性が弱
い方向へクランプ対象の形状や動きを積極的に変化させ
ることはむずかしく、場合によってはクランプ対象の形
状的な不均一（長尺時のうねりや加工精度の粗さ等）に
よって破損することもあった。

【００１１】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、圧電素子の機械特性が弱い方向に対して過
大な外力が加わることを軽減でき、これによってクラン
プ対象の形状や動作の選択の自由度の範囲を拡大できる
インチワームを提供する事を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、構造体に固定
されるとともに、積層型圧電素子からなる伸長部と、前
記構造体に対して相対的に移動可能な対象物を凸曲面に
てクランプするクランプ部と、前記伸長部と前記クラン
プ部との間に設けられ前記伸長部に対する前記クランプ
部の向きを可変とする球体要素または弾性体要素を有す
る可変継手と、を備えたことを特徴とするインチワーム
である。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明によれば、クランプ部によ
り対象物をクランプした後、圧電素子に電圧を印加して
伸長部を伸ばし、クランプ部による対象物のクランプ作
業を解除した後、圧電素子への電圧を放電する。この作
業を繰り返して構造物に対して対象物を相対的に移動さ
せる。この間、可変継手によって対象物の形状に合わせ
て伸長部に対するクランプ部の向きを変化させる。

【００１４】

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明によるインチワームの第１の実施例
を示す図であり、図６に示す移送用インチワーム機構と
同様の例を示す図である。

【００１６】図１において、外部構造体３０のガイド孔
部３５には、磁性体シャフト３４が嵌設されているが、
シャフト３４の形状は一様ではなく、何等かの原因でう
ねりが生じている。

【００１７】外部構造体３０の窪部３６の側壁３６ａ，
３６ｂには、２セットの電磁圧電インチワーム３９ａお
よび３９ｂが取付けられている。インチワーム３９ａ，
３９ｂは積層型圧電素子（伸長部）３２ａ，３２ｂと、
コイル２９と継鉄２８から成る電磁石（クランプ部）３
１ａ，３１ｂとを有し、積層型圧電素子３２ａ，３２ｂ
と電磁石３１ａ，３１ｂの間には、好適には高剛性材で
出来た球体要素３７ａ，３７ｂが、配設されている。ま
たこの球体要素３７ａ，３７ｂを埋設包囲するように弾
性体要素３８ａ，３８ｂが配設され、球体要素３７ａ、
３７ｂと弾性体要素３８ａ、３８ｂとによって可変継手
が構成されている。弾性体要素３８ａ，３８ｂは本例で
はシリコーンゴムを接着した構造として描いてある。

【００１８】この他に一般的な機構要素である板バネや
コイルバネを、電磁石３１ａ，３１ｂと積層型圧電素子
３２ａ，３２ｂとの間に機械的に固着しても良い。さら
に電磁石３１ａ，３１ｂの継鉄２８のシャフト３４側端
部４０は凸曲面状に加工されている。

【００１９】図１において磁性体シャフト３４を移送す
る機序の概略は下記の通りである。まず図１の左側の電
磁圧電インチワーム３９ａの電磁石３１ａのコイル２９
に電流を付与し、継鉄２８を磁性体シャフト３４に吸引
させる。この場合、図１に示すように磁性体シャフト３
４のうねり部に継鉄２８が当接すると、この継鉄２８は
球体要素３７ａを支点とし、磁性体シャフト３４のうね
り部に沿って姿勢と位置が変化する。この継鉄２８の変
位に伴う電磁石３１ａと積層型圧電素子３２ａの相対変
位により、電磁石３１ａと積層型圧電素子３２ａを接着
する弾性体要素３８ａが弾性変形し、その弾性力と上記
電磁石３１ａの吸引力によりこの電磁石３１ａの継鉄２
８と磁性体シャフト３４は一体的に固着される。

【００２０】この場合、電磁石３１ａの継鉄２８の端部
４０は凸曲面状に成形されているので、継鉄端部４０が
エッジ状である場合に比べ、磁性体シャフト３４から継
鉄２８に加わる不都合な回転力を低減でき、これによっ
て電磁石３１ａの吸引作用の効率化が図られる。実際に
は磁性体シャフト３４と電磁石３１ａの継鉄２８の間に
は常時、間隙が生じるが、これは非常に微小なものであ
り、継鉄２８端部４０がエッジ状の場合に生じる楔形の
間隙に比べ、磁気回路への悪影響はより小さくなる。こ
れは磁気的な影響が、間隙（空隙）長の２乗に比例する
からである。

【００２１】また磁性体シャフト３４から継鉄２８に作
用する回転力は、弾性体要素３８ａを介して積層型圧電
素子３２ａの軸方向にも作用させることが出来るので、
この積層型圧電素子３２ａへの剪断方向外力を大幅に低
減することにより圧電素子の破損を防止できる。

【００２２】この様に電磁石３１ａと磁性体シャフト３
４が磁気的に吸引固着された後、積層型圧電素子３２ａ
に電圧を印加してこれを磁性体シャフト３４に沿って伸
長させれば、磁性体シャフト３４は図１の右方向に微小
ステップだけ移送される。

【００２３】次に上記電磁石３１ａのコイル２９に付与
されている電流を除去し、続いて積層型圧電素子３２ａ
への印加電圧を解放すれば、電磁圧電インチワーム３９
ａは初期状態に戻る。この時、電磁石３１ａの継鉄２８
も弾性体要素３８ａの復元力でもとの状態に戻る。この
後、上述の電磁石３１ａによる吸引と積層型圧電素子３
２ａの伸長の過程を繰り返すことにより、磁性体シャフ
ト３４は連続的に図１の右方向に移送される。この場
合、この磁性体シャフト３４がうねり等の不確定な形状
を有していても、弾性体要素３８ａによって、電磁石３
１ａの作動時の継鉄２８と磁性体シャフト３４の密着状
態を保持することが可能となり、これにより磁性体シャ
フトの効率的な移送を実現できる。

【００２４】磁性体シャフト３４に外部から作用する負
荷が弾性体要素３８ａが電磁石３１ａと積層圧電素子３
２ａを接合する力より小さい条件下で、上述した電磁石
３１ａによる吸引と積層型圧電素子３２ａの伸長の位相
を逆にすることにより磁性体シャフト３４を図１の左方
向に移送することができる。

【００２５】本実施例では電磁圧電インチワーム３９ａ
の他に、もう一つの電磁圧電インチワーム３９ｂが配設
されている。この電磁圧電インチワーム３９ｂを上述し
たインチワーム３９ａと同様に駆動することにより、磁
性体シャフト３４を図１の左方向に連続的に移送するこ
とができる。従って、これらの電磁圧電インチワーム３
９ａ，３９ｂの駆動状態を適宜選定することによって、
磁性体シャフト３４を図１の左右方向に自在に移送する
ことができる。

【００２６】図２（ａ）（ｂ）に本発明の第２の実施例
を示す。図１では電磁圧電インチワームを構成する継鉄
と積層型圧電素子が、姿勢と位置に関して相対変動して
いるが、図２（ａ）（ｂ）に示す第２の実施例では主に
姿勢変動を伴う場合を示している。

【００２７】図２（ａ）（ｂ）において、図１に示す第
１の実施例と異なる部位を中心に説明し、同一部位につ
いては同一符号を付して詳細な説明は省略する。図２
（ａ）に示すように、積層型圧電素子３２ａに円錐形ま
たは半球形のピボット４１が固着され、ピボット４１は
電磁石３１ａの継鉄２８の窪部４２内に回転自在に嵌合
されている。また電磁石３１ａの継鉄２８と積層型圧電
素子３２ａは図１の場合と同様に、弾性体要素３８ａで
接着されている。

【００２８】図２（ｂ）では、ピボットの代りに球体要
素４７が継鉄２８側の窪部４４と圧電素子３２ａ側の窪
部４３の間に回転自在に嵌合され、継鉄２８と積層型圧
電素子３２ａは弾性体要素３８ａで接着されている。

【００２９】図２（ａ）（ｂ）に示すような構成におい
ては、移送対象である磁性体シャフト３４（図１）の形
状変動に伴う積層電圧素子３２ａの剪断方向の外力を、
弾性体要素３８ａを介して積層型圧電素子３２ａの軸方
向の力に変化させることができ、圧電素子３２ａの破損
を回避できる。また図２（ａ）（ｂ）に示すピボット４
１または球体要素４７の嵌合状態を比較的緩やかにして
おけば、位置変動に対する適応性がある程度確保でき
る。この場合、嵌合状態を形成する凸部（ピボット４１
または球体要素４７）と凹部（窪部４２，４３，４４）
とがストッパの機能を併せもつので、電磁石３１ａと圧
電素子３２ａの過大な相対位置変動が防止される。図２
（ａ）（ｂ）に示す実施例においても電磁石３１ａの継
鉄端部４０（磁性体シャフト３４に接する部分）は凸曲
面状に成型されているので、図１に示す第１の実施例と
同様に、電磁石３１ａの吸引力を効率的に利用できる。

【００３０】図３に本発明の第３の実施例を示す。図３
は図１に示す第１の実施例の外部構造体３０のうち、電
磁圧電インチワーム３９ａ，３９ｂを収納する部分のみ
を抜き出して記載したものであり、図１に示す第１の実
施例と同一部位については同一符号を付して詳細な説明
を省略する。図３において、外部構造体３０から支柱５
１が突設し、この支柱５１に渦電流式の変位計５２ａ，
５２ｂが固着されている。

【００３１】この変位計５２ａ，５２ｂにより、各々の
電磁圧電インチワーム３９ａ，３９ｂが伸長した量を計
測でき、磁性体シャフト３４（図１）とこれらの電磁圧
電インチワーム３９ａ，３９ｂの継鉄２８との間に滑り
が無ければ、この磁性体シャフト３４の移動量が分か
る。また左右どちらの電磁圧電インチワーム３９ａ，３
９ｂが作動したか、さらに本発明に係る電磁圧電インチ
ワーム３９ａ，３９ｂの動作機序（電磁石３１ａ，３１
ｂによるクランプ動作と積層型圧電素子３２ａ，３２ｂ
の伸長動作の組み合わせ）を考慮すれば、磁性体シャフ
ト３４が移動する向きを計測することが可能となる。前
述のように電磁石３１ａ，３１ｂと積層型圧電素子３２
ａ，３２ｂの相対位置と姿勢は、前記球体要素３８ａ，
３８ｂ（或いはピボット要素）と弾性体要素３７ａ，３
７ｂにより変化するが、渦電流式の変位計であれば傾き
等があった場合は平均的な距離を計測することができる
ので、磁性体シャフト３４の粗動量を知るのであれば問
題はない。もちろん、渦電流式の変位計に変えて静電容
量式のものを用いても同様な効果が得られるし、光学式
のものでも電磁石の傾きによる反射光の範囲に検出器を
配設しておけば問題はない。

【００３２】図４に本発明の第４の実施例を示す。図４
において、図１に示す第１の実施例と同一部位には同一
符号を付して詳細な説明は省略する。また図４（ａ）は
本発明の例を示し、図４（ｂ）は比較のための従来例を
示す。

【００３３】従来、圧電素子３２ａを駆動する場合、図
４（ｂ）に示すように、外部から動作信号がケーブル７
１を介して制御要素６２に付与される。この制御要素６
２はケーブル７４を通してスイッチ要素６４に切替信号
を送り、圧電素子３２ａとこのスイッチ要素６４とドラ
イバ要素６３を導通状態にし、放電制御要素６５と圧電
素子３２ａとの間を遮断状態とする。同時に、制御要素
６２はケーブル７２を通じてドライバ要素６３に制御信
号を送り、ドライバ要素６３は圧電素子３２ａを駆動さ
せるだけの量とパターンを有する電圧をケーブル７５を
介して圧電素子３２ａに付与する。また制御要素６２が
ドライバ要素６３に駆動用の制御信号を送っている間、
この制御要素６２はケーブル７７を介して放電制御要素
６５に停止信号を送っているので、この放電制御要素６
５の機能は停止している。

【００３４】上述の過程では、電磁石３１ａが磁性体シ
ャフト３４（図１）を吸引しており、電圧が印加された
圧電素子３２ａが伸長し、上述した磁性体シャフト３４
を移動する。その後今度は電磁石３１ａの吸引状態を解
放し、圧電素子３２ａに印加された電圧を放電して圧電
素子３２ａの長さをもとに戻し、再び吸引と伸長過程に
移行する。上述の放電過程の時、制御要素６２はスイッ
チ要素６４に切替信号を送り、ドライバ要素６３と圧電
素子３２ａの間を遮断し、この圧電素子３２ａと放電制
御要素６５を導通状態にする。また制御要素６２はケー
ブル７７を通して信号を送り、放電制御要素６５を機能
状態にした後、ケーブル７８を通じて電荷をアースに放
電する。即ち上述のように、従来は圧電素子３２ａの伸
長に使用した後の電荷は、アースに放電されて再利用さ
れることはない。

【００３５】しかしながら、電力源が蓄電池の場合、電
力の効率利用が重要である。このため図４（ａ）に示す
本発明では、上述した放電制御要素６５にケーブル８１
を介して蓄電要素６７が接続され、さらに蓄電要素３７
にケーブル８２を介して電力をある仕様に整えるレギュ
レーション要素６８が接続されている。なお、図４
（ａ）に示す本発明の場合、図４（ｂ）の従来例と同一
部位には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【００３６】レギュレーション要素６８からの出力は、
ケーブル８４を介して送られる出力指令信号によりケー
ブル８３から所望の要素に、所望の仕様を満足する電力
として供給される。供給先としては例えば、照明要素や
圧電素子への再印加などが考えられる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、対象物の形状に合わせて、可変継手によっ
て伸長部に対するクランプ部の向きを変化させることが
できるので、対象物の形状変化によって伸長部の圧電素
子に対して過大な外力が加わることはない。このため対
象物の形状や動作の選択についての自由度を拡大でき
る。

【００３８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインチワームの第１の実施例を示
す概略側面図。

【図２】本発明によるインチワームの第２の実施例を示
す概略側面図。

【図３】本発明によるインチワームの第３の実施例を示
す概略側面図。

【図４】本発明によるインチワームの第４の実施例を従
来例と比較して示す図。

【図５】従来のインチワームを示す側面図。

【図６】従来のインチワームを示す側面図。

【符号の説明】

３０ 外部構造体 ３１ａ，３１ｂ 電磁石 ３２ａ，３２ｂ 積層型圧電素子 ３４ 磁性体シャフト ３７ａ，３７ｂ 球体要素 ３８ａ，３８ｂ 弾性体要素 ３９ａ，３９ｂ インチワーム

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】構造体に固定されるとともに、積層型圧電
   素子からなる伸長部と、前記構造体に対して相対的に移
   動可能な対象物を凸曲面にてクランプするクランプ部
   と、前記伸長部と前記クランプ部との間に設けられ前記
   伸長部に対する前記クランプ部の向きを可変とする球体
   要素または弾性体要素を有する可変継手と、を備えたこ
   とを特徴とするインチワーム。