JP5176098B2

JP5176098B2 - アクチュエータ及びそれを用いた位置決め装置

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Publication number: JP5176098B2
Application number: JP2006194418A
Authority: JP
Inventors: 偉高
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2008022677A

Description

本発明は、生命工学分野の研究における細胞単体に対する個別操作や微小物体のハンドリング等に使用可能なアクチュエータおよび位置決め装置に関する。

機械が運動し、仕事をするためにはアクチュエータが必要であり、ナノメートル・レベルの位置決め精度、位置決め分解能を必要とする精密位置決め装置ではアクチュエータとして圧電素子が用いられることが多い。
この様な圧電素子を用いたアクチュエータとして、駆動軸上に可動子を摩擦結合させ、駆動軸を圧電素子により軸方向に駆動させて摩擦力と慣性力との差を利用して可動子を軸方向に移動させるものが知られている（非特許文献１、非特許文献２）。また、リング状圧電素子を多層に積み重ねて捩じれを発生する筒体を形成し、筒体の先端にロータを摩擦結合させて、ロータを筒体の軸の周りに回転させるものが知られている（非特許文献３）。

そして、近年では、クローン動物の実現、DNA解析技術の向上による遺伝子解析、卵細胞室内精子注入法などに代表される生命工学分野の研究というように細胞単体に対する個別操作の高まりや、マイクログリッパによる微小物体の分離などに代表される微小粒子を直接扱いたいという要求の高まりなどから、それらの動きを実現するアクチュエータに対して高精度化、高分解能化のみならずマイクロ化、多自由度化、長ストローク化といった流れが存在する。

特に、微小物体のハンドリング技術においては、微小物体に接近する直進方向（Ｚ方向）とその直進方向を軸として微小物体を回転させる回転方向（θ方向）の動きが最も重要であるという認識があり、一般的に駆動範囲も数mm程度が必要となる。現状、この様に回転、直動の二方向併進駆動は実用化に伴って要求される重要な機能の一つであるとの認識のもと、それらを実現するためのさまざまな研究が行われている。

圧電素子を利用した回転、直動の二方向併進駆動のアクチュエータとしては、従来超音波モータを２軸に配置して回転と直動を実現するものが知られており、商用化されている回転・直動アクチュエータとしては、円筒型リニア誘導機に回転用の巻き線を設けたものがある（特許文献１）。しかし、この様な従来のアクチュエータは、駆動機構が複雑で各要素が絡み合うので、ナノメートル・レベルの位置決め精度、位置決め分解能に対応することが難しいという問題があった。

精密工学会誌 Vol.65/No.1.1999、pp.111-115 精密工学会誌 Vol.68/No.4.2002、pp.536-541 IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS,AND FREQUENCY CONTROL Vol.46,No.6,NOVEMBER 1999、pp.1439-1445 特開平０５−３６５０号公報

本発明は、このような問題点を解決し、単純な機構を採用することにより位置決めの高精度化と高分解能化が可能な回転（θ）、直動（Ｚ）の二方向併進駆動アクチュエータおよびそれを用いた精密位置決めが可能な位置決め装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、磁石に吸着可能な材質部分を有する円柱又は円筒のロータと、該ロータの外周に該ロータの径方向内側に向かって接触する第１磁石を有し、該第１磁石により、前記ロータの中心軸方向及び／又は回転方向の駆動力を発生して前記ロータを駆動する第１駆動ユニットと、該第１駆動ユニットと前記ロータの円周方向で離間して配置され、前記ロータの外周に前記ロータの径方向内側に向かって接触する第２磁石を有し、該第２磁石により、前記ロータの中心軸方向及び／又は回転方向の駆動力を発生して前記ロータを駆動する第２駆動ユニットとを備えることを特徴とするアクチュエータである。

また、本発明のアクチュエータとして、前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットのいずれか、または両方を、前記ロータの中心軸周りに複数配置してもよい。
さらに、前記第１駆動ユニット及び第２駆動ユニットは、それぞれの磁石に接着した直交配置の一対の圧電素子を有し、
該一対の圧電素子をそれぞれに入力される電圧で駆動し、前記磁石を接線方向及び／又は中心軸方向に動かして、前記磁石と前記ロータとの間の摩擦と滑りにより、前記ロータを回転方向及び／又は中心軸方向に駆動することもできる。

その上、磁石に吸着可能な材質部分を有する円柱又は円筒のロータと、該ロータの外周に該ロータの径方向内側に向かって接触するガイド板と、前記ロータの外周に前記ロータの径方向内側に向かって接触する磁石を有し、該磁石により、前記ロータの中心軸方向及び／又は回転方向の駆動力を発生して前記ロータを駆動する駆動ユニットとを備えることを特徴とするアクチュエータも本発明である。

上述したアクチュエータと、前記ロータの位置を検出するエンコーダと、該エンコーダの出力に応じて前記アクチュエータに駆動信号を供給する制御手段を備え、該制御手段の駆動信号に従って、前記アクチュエータは、前記ロータの回転方向及び／又は中心軸方向の駆動力を発生して、前記ロータを目標位置に駆動することを特徴とする位置決め装置を構成することもできる。

前記エンコーダは、前記ロータ表面の正弦波格子とすることもできる。
前記制御手段は、前記ロータを目標位置付近へ駆動する長ストロークモード、目標位置を通過したとき、目標位置を挟んで前記ロータが減衰振動する位置決めモード、高分解能で目標位置にロータを移動する精密位置決めモードの３種類の駆動信号を発生するとよい。

本発明のアクチュエータでは、駆動ユニットから、ロータの回転方向の駆動力を発生させるとともに、ロータの中心軸方向の駆動力を発生させて、これら駆動力によりロータを駆動することができる。ロータは回転する（θ方向へ移動する）とともに中心軸方向の駆動力によって中心軸方向（Ｚ方向）に移動する。従って、ロータは、この駆動力により、回転（θ）、中心軸（Ｚ）の二方向に所望の量だけ変位可能である。

この間、ロータはアクチュエータの磁石の各々に外周において中心軸方向に接触し、遠心方向の運動がこれら接触部により規制されているので、ロータは安定した姿勢を保ちながら回転（θ）、中心軸（Ｚ）の二方向に案内される。このようなアクチュエータは、駆動機構が簡素化され、高精度な変位が得られるとともに、ロータと駆動ユニットのセットアップが容易である。

ロータは、円筒状とすることが軽量化の点で望ましい。軽量化ができれば、ロータは小さな駆動力により変位を発生する。従って、アクチュエータを軽量化して駆動を行わせて、高精度化、高分解能化、高速駆動への対応が可能である。ロータは、鉄製であっても、またはその表面にニッケル等によりメッキを施したものであっても、磁石に吸着可能なものであれば使用可能である。

さらに、アクチュエータは、第１駆動ユニットと第２駆動ユニットのいずれか、または両方をロータの中心軸周りに複数配置することが可能である。ロータの長さが増して自重が増えた場合でも、あるいはロータを斜め方向に支持して使用する場合であっても、追加の駆動ユニットにより吸引力および推力を補い、アクチュエータを安定して変位させることができる。

ロータは、離間して配置された２つの磁石の各々に外周で中心軸方向に接触し、遠心方向の運動がこれら接触部により規制されているので、ロータは格別のガイド無しに安定した姿勢を保ちながら回転、直動の二方向に案内される。このようなアクチュエータは、駆動機構が簡素化され、高精度な変位が得られるとともに、ロータと駆動ユニットのセットアップが容易である。加えて、第１及び第２の駆動ユニットの両方を同時に、同一方向に駆動することにより、ロータに２倍の推力を与えることが可能である。

駆動ユニットを１つとし、ガイド板とでロータを保持して駆動することもできる。ロータ外周においてロータの径方向内側に向かって接触して遠心方向の運動を規制するものであり、セラミック、アルミニウム等の材料が使用可能である。

また、アクチュエータは、駆動ユニットの各々が、磁石とロータとの間の摩擦と滑りにより、ロータの接線方向の駆動力または中心軸方向の駆動力を発生する様に、圧電素子を有するものであることが望ましい。
磁石とロータとの間で磁力による一定の接触圧が生じているので、磁石に穏やかな駆動力を加え、その摩擦により一方向にロータを駆動し、続いて、急速に反対方向の駆動力を磁石に与えると、ロータと磁石との間には滑りを発生することができる。このように、アクチュエータから緩やかな駆動力と急速な反対方向の駆動力を発生させると、ロータは摩擦と滑りに対応して移動する。このように磁石を駆動する様、圧電素子に対する駆動電圧を適宜設定することで、数nmから数10μmステップの精密駆動が容易に得られる。

本発明の位置決め装置は、上述のアクチュエータを使用することにより、ロータは回転、直動の二方向に所望の量だけ変位可能である。しかもこの間、ロータは、ガイド板や磁石の各々に外周において中心軸方向に接触し、遠心方向の運動がこれら接触部により規制されているので、安定した姿勢を保ちながら回転、直動の二方向に案内される。

このようなアクチュエータ部のロータ位置をエンコーダにより検出し、エンコーダの出力に応じて制御手段より駆動ユニットに駆動信号を供給するようにしたので、ロータが所望の量だけ変位した時点で駆動ユニットにその後の駆動を停止する駆動信号を出力することにより、ロータは高精度に位置決めされる。加えて、ロータと駆動ユニットのセットアップが容易である。

また、位置決め装置は、エンコーダがロータと一体に駆動される円筒または円柱の表面の正弦波格子を有するものであれば、レーザ光を利用して非接触で、数nmから数10μmの高精度な位置決めが得られる。

さらに、位置決め装置の前記ロータを目標位置付近へ駆動する長ストロークモード、目標位置を通過したとき、目標位置を挟んで前記ロータが振動する位置決めモード、高分解能で目標位置にロータを移動する精密位置決めモードの３種類の駆動信号を発生しているので、高精度で目標位置に位置決めすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
＜アクチュエータ＞
図１は本発明のアクチュエータの第１の実施の形態の構成を示す要部展開斜視図である。図１において、左下の矢印Ｘ、矢印Ｙおよび矢印Ｚは直行する座標軸をそれぞれ示している。アクチュエータは、円筒形のロータ１、第１駆動ユニット２、第２駆動ユニット３で構成されている。ロータ１は磁性体で、その中心軸１１はＺ軸と平行である。

第１駆動ユニット２は、直方体の磁石２１、Ｌ字形の保持部材２２、磁石２１を駆動する圧電素子２３および圧電素子２４で構成されている。磁石２１は各面がＸＹ面、ＸＺ面およびＹＺ面に平行になるよう配置され、その一面２１ａがロータ１の外周に接触するよう配置されている。Ｌ字形の保持部材２２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子２３は、Ｘ方向に伸びていて、駆動電圧を印加することにより、円形のロータ１の接線方向に伸縮するものであり、その他端が磁石２１に取付けられている。またＬ字形の保持部材２２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子２４は、Ｚ方向（中心軸方向）に伸びていて、駆動電圧を印加することによりロータ１の中心軸１１の方向に伸縮するものであり、その他端が磁石２１に取付けられている。なお、第１駆動ユニットの保持部材２２は、３つのネジ穴２５にあるネジで、アクチュエータ全体のステージ（図示せず）に保持されている。
第２駆動ユニット３は、その構成要素が第１駆動ユニット２と全く同じものであって、その配置位置がロータ１の中心軸１１と直交する平面においてロータ１の回転方向に９０度離間したものとなっている。
即ち、磁石３１の一面３１ａがロータ１の外周に接触するよう配置され、Ｌ字形の保持部材３２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子３３は、Ｙ方向に伸びていて、駆動電圧を印加することによりロータ１の接線方向に伸縮するものであり、その他端が磁石３１に取付けられている。またＬ字形の保持部材３２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子３４は、Ｚ方向に伸びていて、駆動電圧を印加することによりロータ１の中心軸１１の方向に伸縮するものであり、その他端が磁石３１に取付けられている。第２駆動ユニットも第１駆動ユニットと同様にネジ穴３５の３つのネジで、図示していないステージに保持されている。
上述したアクチュエータは、ロータ１を、第１駆動ユニット，第２駆動ユニットでθ方向，Ｚ軸方向に駆動することにより、ロータ１に取付けられているものをθ−Ｚ方向に駆動することができる。

図２は、図１に係わるアクチュエータをＸ-Ｙ面で切断した要部断面図であり、同図に示すように、磁石２１の一面２１ａおよび磁石３１の一面３１ａは直交配置されている。
また、磁性体からなるロータ１は、磁石２１および磁石３１によりその遠心方向に吸引され、ロータ１の回転方向に９０度離間した位置において磁石２１および磁石３１と接触して遠心方向および中心軸１１方向に電磁力により支持されている。
また、第１駆動ユニット２および第２駆動ユニット３は、保持部材２２および保持部材３２を介してステージ（図示せず）と一体になっている。

次に、本発明のアクチュエータの第１の実施の形態の動作を図３、図４および図５を用いて説明する。第１駆動ユニット２および第２駆動ユニット３の動作原理は全く同じであるので、第１駆動ユニット２の動作についてのみ詳細に説明する。
まず、圧電素子２３に緩やかに立ち上がる駆動電圧を印加すると、図３（ａ）に示す初期状態から圧電素子２３がロータ１の接線方向にΔＸだけ伸張し、磁石２１は、ロータ１の接線方向にΔＸだけ変位する。このときロータ１は、磁石２１との磁力による一定の接触圧を保った状態で磁石２１に連動するとともに第２駆動ユニット３の磁石３１に規制されるので、ロータ１は円周方向（θ方向）に摩擦によりΔθだけ回転し、図３(ｂ)に示す状態が実現する。

続いて、圧電素子２３の印加電圧を急速に減少させると、圧電素子２３は急速に縮小し、磁石２１とともに図３（ａ）に示した位置に戻る。しかし、圧電素子２３が急速に縮小するので、ロータ１と磁石２１との磁力による摩擦を上回る慣性力がロータ１に加えられる。そのため、ロータ１は接線方向に滑りを生じ、ほぼその位置に留まり、図３（ｃ）に示すように、初期状態からΔθだけ回転した状態が実現する。

同様に、圧電素子２４に緩やかに立ち上がる駆動電圧を印加して圧電素子２４を伸張させると、図４(ａ)に示す初期状態から圧電素子２４がロータ１の中心軸方向にΔＺだけ伸張し、磁石２１がロータ１の中心軸方向にΔＺだけ変位する。このときロータ１は、磁石２１と磁力による一定の接触圧を保った状態で摩擦により磁石２１に連動するとともに、第２駆動ユニット３の磁石３１に規制され、ロータ１の中心軸方向にΔＺだけ変位し、図４(ｂ)に示す状態が実現する。続いて圧電素子２４の印加電圧を急速に減少させて圧電素子２４を急速に縮小すると、ロータ１は中心軸方向に滑りを生じ、図４(ｃ)に示すように初期状態からΔＺだけ変位した状態が実現する。以上のように、圧電素子２３および圧電素子２４は、磁石２１によりロータ１を駆動している。

圧電素子２３および圧電素子２４に印加する駆動電圧、すなわち緩やかに立ち上がるとともに急速に減少する駆動電圧は、いわゆるノコギリ波状の駆動電圧であり、容易に発生させることができる。
図５は、図１に係わるアクチュエータを動作させる駆動電圧を説明するための図であり、同図において横軸は時間軸を、縦軸は変位量を各々示しており、Ｔはノコギリ波状の駆動電圧の周期、ｔ１は立ち上がり時間、ｔ２は立ち下がり時間を、ｔ１／Ｔはデュテイ比を各々示している。
圧電素子２３および圧電素子２４に、図５の破線４０に示したノコギリ波状の駆動電圧を所定の回数だけ印加することにより、ロータ１は中心軸方向および円周方向に、図５の曲線４１に従って、所望の量だけ変位することができる。

本発明の第１の実施の形態のアクチュエータは、第１駆動ユニット２と第２駆動ユニット３の２つの駆動ユニットが設けられ、各々の磁石２１および磁石３１が協同してロータ１を支持しながらロータ１に変位を発生させるものであった。しかし、長さが長いロータ１を使用するとき、あるいはロータ１を斜め方向に支持して使用するときなどには、ロータ１の自重と負荷のモーメントによりロータ１に若干のチルトモーションが発生することがある。このような場合は、必要に応じて駆動ユニットを追加してチルトモーションを抑えることができる。

図６は、このような本発明のアクチュエータの第２の実施の形態の構成を示す要部展開斜視図であり、図６において、アクチュエータは、軸方向に長い円筒形のロータ５、第１駆動ユニット２、第２駆動ユニット３、第３駆動ユニット６で構成されている。ロータ５は磁性体で、中心軸５１方向の長さがロータ１より長くなっているので第３駆動ユニットを設けたのである。第１駆動ユニット２および第２駆動ユニット３とロータ５との位置関係は、ロータ１に対するロータ５の長さの追加部分を除けば、第１駆動ユニット２および第２駆動ユニット３とロータ１との位置関係と同じである。従って、図１に示した構成要素と同一のものには同一の符号を付し、その説明を省略する。

第３駆動ユニット６は、その構成要素が第２駆動ユニット３と全く同じものであって、その配置位置がロータ５の中心軸５１に沿って第２駆動ユニット３から所定距離離間したところとなっている。即ち、磁石６１の一面６１ａがロータ５の外周に接触するよう配置され、Ｌ字形の保持部材６２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子６３は、Ｙ方向に伸びていて、駆動電圧を印加することによりロータ５の接線方向に伸縮するものであり、その他端が磁石６１に取付けられている。またＬ字形の保持部材６２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子６４は、Ｚ方向に伸びていて、駆動電圧を印加することによりロータ５の中心軸５１方向に伸縮するものであり、その他端が磁石６１に取付けられている。

このような構成のアクチュエータにおいて、ロータ５は、第１駆動ユニット２、第２駆動ユニット３および第３駆動ユニット６により第１の実施の形態と同様に駆動される。
特に、図６はロータ５の追加分長さだけ自重が増えたものを示したが、ロータ５を斜め方向に支持して使用するものであっても、第３駆動ユニット６により吸引力および推力が補われ、チルトモーションが抑えられる。

また、本発明の第１の実施の形態のアクチュエータは、第１駆動ユニット２と第２駆動ユニット３の各々の磁石２１および磁石３１によりロータ１を支持しながらロータ１に変位を発生させるものであった。しかし、第１駆動ユニット２と第２駆動ユニット３のどちらか一方は、ロータ１の外周においてロータ１の中心軸方向に接触して保持するガイド板に置き換えてもよい。即ち、どちらか一方の駆動ユニットを、ロータ１の外周においてロータ１の遠心方向の運動を規制するガイド板とし、残り一つの駆動ユニットだけで変位を発生させるようにすることもできる。この場合、ガイド板は、ロータの外周においてロータの径方向内側に向かって接触して遠心方向の運動を規制する機能のみを果たすものであり、ロータの中心軸方向や回転方向の運動を妨げないような、セラミック、アルミニウム等の各種材料が使用可能である。
上述に示した実施形態では、アクチュエータとして、２つまたは３つ以上の駆動ユニットが直角の方向に設置されているものが示されている。しかしながら、ロータが保持されて駆動されるのであれば、アクチュエータにおける駆動ユニットの位置関係は直角にかぎられるものではない。
アクチュエータで用いるロータは、形状が円柱又は円筒であり、磁石に吸着可能な材質部分を有するものであればよい。

＜位置決め装置＞
次に、上述のアクチュエータを使用した位置決め装置の実施の形態について説明する。図７は本発明の位置決め装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。図７において、位置決め装置は、円筒形のロータ１０１を有するアクチュエータ１００、のこぎり波状の駆動電圧等を発生する信号発生器７０、信号発生器７０の出力を増幅する増幅器７１，７２、アクチュエータ１００のロータ１０１の位置を検出するエンコーダ８０、エンコーダ８０の出力に応じて信号発生器７０に制御信号を供給するコンピュータ９０で構成されている。

アクチュエータ１００は、図１に示したアクチュエータの構成と原理的には同じ構成であり、磁性体からなるロータ１０１、第１駆動ユニット１０２および図示を省略した第２駆動ユニットにより構成されている。
第１駆動ユニット１０２は、直方体の磁石１２１、Ｌ字形の保持部材１２２、圧電素子１２３および圧電素子１２４で構成されており、磁石１２１は、その１面がロータ１０１の外周に接触するよう配置されている。Ｌ字形の保持部材１２２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子１２３は、駆動電圧を印加することによりロータ１０１の接線方向に伸縮するものであり、その他端が磁石１２１に取付けられている。またＬ字形の保持部材１２２に一端が取り付けられた柱状の圧電素子１２４は、駆動電圧を印加することによりロータ１０１の中心軸方向に伸縮するものであり、その他端が磁石１２１に取付けられている。図示を省略した第２駆動ユニットは、第１駆動ユニット１０２と同じ構成のもので、第１駆動ユニット１０２と直交配置されている。

ロータ１０１は、このような構成の第１駆動ユニット１０２および第２駆動ユニットにより遠心方向に吸引され磁力により支持されており、図３および図４を用いて説明したものと同様に、第１駆動ユニット１０２および第２駆動ユニットによりロータ１０１の中心軸方向および円周方向に、所望の量だけ変位するものである。
また、ロータ１０１は、図８に示すように、直径がｄであり、長さがｌ_１の磁性体である鉄部１０２と長さがｌ_２のアルミニウム部１０３がエポキシ系の接着剤にて接着された円筒である。
アルミニウム部１０３の外周部には、図９に示すような正弦波格子１０４が形成されている。正弦波格子１０４は、エンコーダ８０の一部を構成しており、エンコーダ８０がロータ１０１の回転・直動の相対変位をレーザにより読み取るための目盛である。

アルミニウム部１０３の外周部に形成された正弦波格子１０４の表面形状は、正弦波の重ね合わせになっており、次式に示される形状である。
［数１］
ｆ（θ，Ｚ）＝Ａ_Ｚｓｉｎ(２πＺ／λ_Ｚ)＋Ａ_Θｓｉｎ(２πｒθ／λ_Θ)
ここで、Ａ_Ｚ、Ａ_Θは中心軸（Ｚ軸）方向、円周方向（θ軸）それぞれの正弦波格子１０４の振幅を表し、λ_Ｚ、λ_Θは中心軸（Ｚ軸）方向、円周方向（θ軸）それぞれの正弦波格子１０４の波長を表す。また、Ｚは中心軸方向の位置を、ｒはロータ１０１の半径を、またθは回転方向の角度を表している。

エンコーダ８０は、図９に示すように、アルミニウム部１０３の外周部に形成された正弦波格子１０４にレーザ８１を照射し、その反射光８１ａの反射角をオートコリメーションユニットにより計測し、アルミニウム部１０３、つまりロータ１０１の回転角の相対変位Δθおよび直動の相対変位ΔＺを読み取るものである。
エンコーダ８０は、回転角の相対変位Δθおよび直動の相対変位ΔＺを読み取ると、その変位量に応じた信号８３および信号８４をコンピュータ９０に出力する。コンピュータ９０は、ロータ１０１の回転角および直動について所望の変位量を設定するとともに、設定した変位量と読み取った相対変位Δθおよび相対変位ΔＺとの誤差を検出し、その誤差の検出状況に応じて長ストロークモード、位置決めモード、精密位置決めモードの３種類の駆動モードでロータ１０１を駆動させるための制御信号を信号発生器７０より出力するものである。

長ストロークモードは、ロータ１０１が最初に目標位置をオーバーシュートするまで、同じデュテイ比で連続的にノコギリ波状の入力電圧を、第１駆動ユニット１０２および第２駆動ユニット各々の駆動方向の圧電素子に印加し、ロータ１０１を目標位置付近まで駆動する。そして、一度目標の位置をオーバーシュートしたら位置決めモードへと切り替える。
次に位置決めモードでは、デュテイ比を反転あるいは切り替えて目標位置付近にロータ１０１を保持する。このとき、ロータ１０１は目標位置を挟んで減衰振動することになる。位置決めモードである程度目標位置に近づいたら、精密位置決めモードに切り替える。

精密位置決めモードでは、ノコギリ波状の印加電圧ではなく、直流電圧を駆動方向の圧電素子に加え、高分解能に駆動することで目標位置までロータ１０１を精密に駆動する。
この３種類の駆動モードの連携動作を図１０により説明する。図１０は、図７に示した位置決め装置の動作を説明するための説明図である。図１０において、横軸は時間軸を、縦軸は変位量を各々表している。まず、長ストロークモードでロータ１０１が、図１０（ａ）の曲線１４１に示すように、変位量の目標値Ｍをオーバーシュートするまで駆動する。長ストロークモードは、オーバーシュートが検出されたら切り替えられ、時間Ｔ_１で終了する。

位置決めモードでは、デュテイ比を目標値Ｍ付近で切り替えてロータ１０１を駆動し、図１０（ａ）曲線１４１および図１０（ｂ）の曲線１４１ａに示すように、目標値Ｍを挟んで振動させて保持する。位置決めモードにおいては、制御周期は処理速度に、駆動振幅は摩擦部の弾性変形により制限を受けているので、ロータ１０１の位置は目標位置から偏差をもっている。位置決めモードは、目標値Ｍからの偏差が圧電素子の素子変形量の範囲内に収まったと判定されるまで、継続する。例えば、圧電素子の素子変形域が１ないし２μｍ程度のものであれば、図１０（ｂ）の曲線１４１ａに示すように、位置決めモード後のロータ１０１の位置Ｐがこの範囲に収まるように制御する。
目標値Ｍからの偏差が圧電素子の素子変形域の範囲内に収まった後は、図１０（ｂ）に示すように、精密位置決めモードにて所要の直流電圧を圧電素子に加え、ロータ１０１を目標位置に位置決めする。

以上説明したように、コンピュータ９０は、ロータ１０１の設定した変位量とエンコーダ８０の出力との誤差を検出し、その誤差の検出状況に応じて長ストロークモード、位置決めモード、精密位置決めモードの３種類の駆動モードでロータ１０１を駆動させるための制御信号を信号発生器７０に出力するものである。
信号発生器７０は、コンピュータ９０が出力する制御信号、即ち中心軸方向（Ｚ方向）および回転方向（θ方向）の各圧電素子に印加するノコギリ波状電圧の振幅制御信号９１、振幅制御信号９２、デュテイ比制御信号９３、デュテイ比の反転制御信号９４およびオン／オフ制御信号９５などを受けて、圧電素子に駆動信号を供給し、３種類の駆動モードで第１駆動ユニット１０２の圧電素子１２３、圧電素子１２４および第２駆動ユニット等の各圧電素子を駆動するものである。

次に、本発明の位置決め装置の実施の形態の実施例について説明する。この実施例においてロータ１０１は、鉄と正弦波格子が形成されたアルミニウムとがエポキシ系の接着剤にて接着されたもので、直径ｄが２１．３６ｍｍ、内径２０．００ｍｍ、鉄部１０２の長さｌ_１が１５ｍｍ、アルミニウム部１０３の長さｌ_２が２０ｍｍである。ロータ１０１の外周は全面に渡り表面粗さＲａ１μｍで加工してある。アルミニウム部の正弦波格子は、超精密旋盤と高速工具サーボを用いた超精密切削により形成したもので、その領域は、軸方向に長さ１５ｍｍ、外周約６７ｍｍに渡る。高速工具サーボは、ダイヤモンドバイト工具を保持し、高速にその切り込み量を圧電素子により制御するものである。このように形成された正弦波格子１０４は、図１１（ｂ）の要部拡大斜視図に示すように、振幅Ａ_Ｚ、Ａ_Θが１００ｎｍ、波長λ_Ｚ、λ_Θが１００μｍである。

また、本発明の位置決め装置の実施の形態の実施例において、ロータ１０１は次のようにしても作ることができた。まず鉄を直径２１．３６ｍｍ、内径２０．００ｍｍ、軸方向長さ３５ｍｍ、表面粗さＲａ１μｍで加工した後、その表面にニッケルメッキを５０μｍの厚みで施した。その後前述の実施例と同様に超精密旋盤と高速工具サーボを用いた超精密切削を行い、図１１（ｂ）に示したものと同じ正弦波格子を形成した。

図１２は本発明の位置決め装置の実施の形態の実施例に係わる中心軸方向の位置決め制御の説明図である。図１２（ａ）は、長ストロークモードと位置決めモードの動作を説明する図であり、周波数２０ｋＨｚ、電圧振幅Ｖｐ−ｐ６０Ｖ、デユーテイ比７０％の駆動波形を圧電素子に印加してロータ１０１を正弦波格子５波長分に当たる０．５ｍｍ駆動した後、周波数２０ｋＨｚ、電圧振幅Ｖｐ−ｐ３０Ｖ、デユーテイ比７０％、３５％の駆動波形を用いてロータをエンコーダ出力の原点に保持した時の結果を示す。この図の実線Ａよりステップ状に変位する長ストロークモードと微少振動を繰り返す位置決めモードにより、ロータが約０．５ｍｍ駆動され、その位置に保持されていることがわかる。同図において、横軸は時間軸を、縦軸左側はエンコーダ出力に対応する電圧、縦軸右側はロータの変位量を示し、実線Ｂはエンコーダの出力電圧を示す。

図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に係わる位置決めモード時の動作を説明する部分拡大図であり、ロータの変位量は、実線Ａ１より、目標位置５００μｍに対して数百ｎｍの誤差を持っている。同図において、横軸は時間軸を、縦軸はロータの変位量を示す。

図１２（ｃ）は、図１２（ａ）に係わる精密位置決めモード時の動作を説明する部分拡大図であり、直流電圧を圧電素子に印加した場合、ロータの変位量は、実線Ａ２より約１０ｎｍの誤差に収まっていることがわかる。同図において、横軸は時間軸を、縦軸はロータの目標値からの誤差量を示す。

図１３は本発明の位置決め装置の実施の形態の実施例に係わる回転方向の位置決め制御の説明図である。同図において、横軸は時間軸を、縦軸左側はエンコーダの検出電圧、縦軸右側はロータの回転角を示し、実線Ｄはエンコーダ出力に対応する電圧を示す。
正弦波格子はロータ外周部に形成され、１周６７１山となっており、1波長分回転に駆動するとロータは０．５３６度回転する。図１３（ａ）は、長ストロークモードと位置決めモードの動作を説明する図であり、周波数２０ｋＨｚ、電圧振幅Ｖｐ−ｐ６０Ｖ、デユーテイ比７０％の駆動波形を圧電素子に印加して回転方向にロータを正弦波格子５波長分に当たる２．６８度駆動した後、周波数２０ｋＨｚ、電圧振幅Ｖｐ−ｐ２１Ｖ、デユーテイ比７０％、３５％の駆動波形を用いてロータをエンコーダ出力の原点に保持した時の結果を示す。この図の実線Ｃよりステップ状に変位する長ストロークモードと微少振動を繰り返す位置決めモードにより、ロータが約２．６８度駆動され、その位置に保持されていることがわかる。

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に係わる位置決めモード時の動作を説明する部分拡大図であり、同図において、横軸は時間軸を、縦軸はロータの変位量を示す。
ロータの変位量は、実線Ｃ１より、目標位置２．６８度に対して2秒程度の範囲に収まっていることが分かる。この位置決めモード後の目標位置からのばらつきは、電圧振幅を小さくすることで小さくできる。

本発明に係るアクチュエータおよびそれを利用した位置決め装置は、回転、直動の二方向併進駆動させることができ、また高精度化、高分解能化が可能であり、細胞単体に対する個別操作や微小物体の分離など、微小物体のハンドリングを可能とするので、生命工学分野の研究において大きく貢献できる。

本発明のアクチュエータの第１の実施の形態の構成を示す要部展開斜視図である。図１に係わるアクチュエータをＸ-Ｙ面で切断した要部断面図である。図１に係わるアクチュエータの回転動作をするための説明図である。（a）は、初期状態を示す図。（ｂ）は、圧電素子２３がロータ１の接線方向にΔＸだけ伸張し、ロータ１が円周方向にΔθだけ変位した図。（ｃ）は、圧電素子２３が急速に縮小し、ロータ１に滑りが生じた図。図1に係わるアクチュエータの直動動作を説明するための説明図である。（a）は、初期状態を示す図。（ｂ）は、圧電素子２４がロータ１の中心軸方向にΔＺだけ伸張し、磁石２１とロータ１が中心軸方向にΔＺだけ変位した図。（ｃ）は、圧電素子２４が急速に縮小し、ロータ１に滑りが生じた図。図１に係わるアクチュエータの連続的な動作を説明するための説明図である。本発明のアクチュエータの第２の実施の形態の構成を示す要部展開斜視図である。本発明の位置決め装置の実施の形態の要部構成を示すブロック図である。図７に係わる位置決め装置のロータ１０１の写真である。図８に係わるロータ１０１に形成された正弦波格子１０４の要部拡大斜視図である。図７に係わる位置決め装置の動作を説明するための説明図である。（a）は、各モードにおける変位量を示す図。（ｂ）は、（a）の部分拡大図。本発明の位置決め装置の実施の形態の実施例に係わる正弦波格子１０４の要部拡大斜視図である。本発明の位置決め装置の実施の形態の実施例に係わる中心軸方向の位置決め制御の説明図である。（ａ）は、長ストロークモードと位置決めモードの動作を説明する図。（ｂ）は、位置決めモード時の動作を説明する部分拡大図。（ｃ）は、精密位置決めモード時の動作を説明する部分拡大図。本発明の位置決め装置の実施の形態の実施例に係わる回転方向の位置決め制御の説明図である。（ａ）は長ストロークモードと位置決めモードの動作を説明する図。（ｂ）は、位置決めモード時の動作を説明する部分拡大図。

符号の説明

１、５、１０１ロータ
２、１０２第１駆動ユニット
３第２駆動ユニット
２１、３１、６１，１２１磁石
２２、３２、６２、１２２保持部材
２３、２４、３３、３４、６３、６４、１２３、１２４圧電素子
７０信号発生器
８０エンコーダ
９０コンピュータ
１００アクチュエータ

Claims

磁石に吸着可能な材質部分を有する円柱又は円筒のロータと、
該ロータの外周に該ロータの径方向内側に向かって接触する第１磁石を有し、該第１磁石により、前記ロータの中心軸方向及び／又は回転方向の駆動力を発生して前記ロータを駆動する第１駆動ユニットと、
該第１駆動ユニットと前記ロータの円周方向で離間して配置され、前記ロータの外周に前記ロータの径方向内側に向かって接触する第２磁石を有し、該第２磁石により、前記ロータの中心軸方向及び／又は回転方向の駆動力を発生して前記ロータを駆動する第２駆動ユニットと
を備えることを特徴とするアクチュエータ。
前記第１駆動ユニットと前記第２駆動ユニットのいずれか、または両方が、前記ロータの中心軸周りに複数配置されたことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記第１駆動ユニット及び第２駆動ユニットは、それぞれの磁石に接着した直交配置の一対の圧電素子を有し、
該一対の圧電素子をそれぞれに入力される電圧で駆動し、前記磁石を接線方向及び／又は中心軸方向に動かして、前記磁石と前記ロータとの間の摩擦と滑りにより、前記ロータを回転方向及び／又は中心軸方向に駆動することを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
磁石に吸着可能な材質部分を有する円柱又は円筒のロータと、
該ロータの外周に該ロータの径方向内側に向かって接触するガイド板と、
前記ロータの外周に前記ロータの径方向内側に向かって接触する磁石を有し、該磁石により、前記ロータの中心軸方向及び／又は回転方向の駆動力を発生して前記ロータを駆動する駆動ユニットと
を備えることを特徴とするアクチュエータ。
請求項１〜４のいずれかに記載のアクチュエータと、
前記ロータの位置を検出するエンコーダと、
該エンコーダの出力に応じて前記アクチュエータに駆動信号を供給する制御手段を備え、
該制御手段の駆動信号に従って、前記アクチュエータは、前記ロータの回転方向及び／又は中心軸方向の駆動力を発生して、前記ロータを目標位置に駆動することを特徴とする位置決め装置。
前記エンコーダは、前記ロータ表面の正弦波格子であることを特徴とする請求項５に記載の位置決め装置。
前記制御手段は、前記ロータを目標位置付近へ駆動する長ストロークモード、目標位置を通過した後、目標位置を挟んで前記ロータが減衰振動する位置決めモード、高分解能で目標位置にロータを移動する精密位置決めモードの３種類の駆動信号を発生することを特徴とする請求項５又は６に記載の位置決め装置。