JP5380859B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、微小領域を移動させるアクチュエータに関する。

微小領域を衝撃力による微小移動方法として、圧電・電歪素子を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。図７はこの圧電・電歪素子を用いた微小領域を衝撃力による微小移動方法でのアクチュエータ１の側面図で、図８は図７の上面図である。図７において６は衝撃力を発生する圧電・電歪素子、２は圧電・電歪素子の一端に固定される移動体、３は圧電・電歪素子の他端に固定される慣性体、７はベース、７１はベース７の摩擦面である。
以下、アクチュエータの駆動方法について図９、図１０を用いて説明する。なお、便宜上駆動説明の図において左方向の駆動を（＋）方向、右方向の移動を（−）方向と呼ぶことにする。また、圧電・電歪素子自体の構成及び駆動回路に関しては説明を省略する。
図９（ａ）に示すように、長さｌの圧電・電歪素子６に急激に電界を印加すると圧電・電歪素子６に歪みが生じる。この時、圧電・電歪素子６に歪みがない時の充電電圧によって定まる圧電・電歪素子６の伸びをΔｌとすると、電圧・圧電素子６はあるばね定数ｋを持ったばねが、Δｌだけ縮められた状態になっていると考えられる。つまり、Δｌだけ縮められたばねの両端に質量Ｍの移動体２と質量ｍの慣性体３がついていることになる。
そこで、図９（ｂ）に示すようにそのばねが伸びだす。この場合、ばねが伸びようとする力はｋΔｌである。これが移動体２とベース７の間の摩擦力μ（Ｍ＋ｍ）ｇ（μ：摩擦係数、ｇ：重力加速度）に比べて大きい場合には、移動体２は慣性体３と反対の方向へ移動を始める。この時、μ（Ｍ＋ｍ）ｇ≪ｋΔｌとなるように、前記したＭ、ｍ、ｋを設計すれば、摩擦力の影響は無視できることになり、移動体と慣性体をあわせた系の重心位置が運動量保存則により変わらないことから、移動体２が［ｍ／（Ｍ＋ｍ）］Δｌ、慣性体が［Ｍ／（Ｍ＋ｍ）］Δｌだけ反対方向に動く。
そこで、図９（ｃ）に示すように、伸びた圧電・電歪素子６をゆっくりと元の長さに戻すと、１サイクルの移動が完了し、（＋）方向へ移動する。この時、慣性体２の加速度をａとすると、μ（Ｍ＋ｍ）ｇ＞ｍａとなるように設計される。なお、引用文献１において圧電・電歪素子に急激に１５０Ｖを印加すると（＋）方向へ数μｍ移動する例が示されている。
以上のサイクルを逆にして（−）方向へ移動する。
まず、図１０（ａ）に示すように、圧電・電歪素子６がｌ＋Δｌの伸びた初期状態をとる。
次に、図１０（ｂ）に示すように、急激に圧電・電歪素子６を長さｌへと縮める。
次いで、図１０（ｃ）に示すように、ゆっくりと元の伸びた状態に伸ばすと移動体は前記した駆動方法とは逆の（−）方向に移動する。
なお、この場合も（＋）方向と同様に、引用文献１において圧電・電歪素子にあらかじめ印加されておいた１５０Ｖを急激に除去すると（−）方向へ数μｍ移動する例が示されている。
特開昭６３−２９９７８５号公報（第２〜５頁、第１〜４図）

上記従来例による圧電・電歪素子を用いた微小領域を移動させるアクチュエータにおいて、ある一方向へ移動を続ける際には問題とはならないが、例えば（＋）方向へ移動させて、引き続き（−）方向へ移動させる際には圧電・電歪素子による衝撃が発生しないように０Ｖから１５０Ｖへ準静的に電圧を印加させなければならず、この間印加によるむだ時間が大きくなるという問題があった。また、逆の（−）方向へ移動させて、引き続き（＋）方向へ移動させる際には圧電・電歪素子による衝撃が発生しないように１５０Ｖから０Ｖへ準静的に電圧を除去させなければならず、この間電圧除去によるむだ時間が大きくなるという問題があった。

本発明はこのような問題点を鑑みてなされたものであり、微小領域を移動させる際に移動方向切換時のむだ時間を短縮できるアクチュエータを提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
本発明は、移動体と移動体に取り付けられる正の熱膨張係数を持つ金属体と、負の熱膨張係数を持つ金属体と、これらの金属体を発熱可能な発熱体と、それぞれの金属体の加熱による膨張により前記移動体に衝撃力を与える慣性体を備え、正の熱膨張係数を持つ金属体を加熱した際に移動する方向と負の熱膨張係数の金属体とを並列に配置したアクチュエータで構成されるものである。
また、本発明は、前記アクチュエータにおいて、前記移動体に取り付けられる正の熱膨張係数を持つ金属体と負の熱膨張係数を持つ金属体とが、各々あるいは一方だけ複数組配置され、前記金属体を発熱可能な発熱体と、金属体の加熱による膨張により前記移動体に衝撃力を与える慣性体とを配置することを特徴とするアクチュエータで構成されるものである。
また、本発明は、前記アクチュエータにおいて、移動体に取り付けられた正の熱膨張係数を持つ金属体あるいは負の熱膨張係数を持つ金属体に対して、移動体を介して進行方向逆側に正あるいは負の熱膨張係数を持つ金属体と、前記金属体を発熱可能な発熱体と、金属体の加熱による膨張により前記移動体に衝撃力を与える慣性体とを配置することを特徴とするアクチュエータで構成されるものである。
また、本発明は、上記負の熱膨張係数の金属体がマンガン窒化物で形成されるものである。

本発明によると、微小領域を移動させる際に移動方向切換時のむだ時間を短縮できるアクチュエータができる。
また、本発明によると、微小移動の進行時においてよりよい直進性が実現できる。
また、本発明によると、微小移動の進行時においてより転倒しにくくなり、より安定な移動が実現できる。
また、本発明によると、簡易な設計にて正方向と負方向の移動量を同様に実現できる。

以下、本発明の実施形態につき図面を示して説明する。

図１は本発明のアクチュエータ側面図で、図２は本発明のアクチュエータ上面図である。
図１において、４１は衝撃力を発生する正熱膨張係数を持つ金属体、４２は衝撃力を発生する負熱膨張係数を持つ金属体、５１は正熱膨張係数金属体４１を加熱させる金属加熱線、５２は負熱膨張係数金属体４２を加熱させる金属加熱線、２は正熱膨張係数金属体４１および負熱膨張係数金属体４２の一端に固定される移動体、３１は正熱膨張係数金属体４１の他端に固定される慣性体、３２は正熱膨張係数金属体４２の他端に固定される慣性体、７はベース、７１はベース７の摩擦面である。
なお、４１の材質は通常の正熱膨張係数を持つ金属であればよく、鉄およびその合金、銅およびその合金、チタンおよびその合金、マグネシウムおよびその合金、金属ガラス全般が望ましい。また、形状記憶合金により構成し、加熱により慣性体を重力方向に移動させてもよい。この形状記憶合金は磁性を含むいわゆる磁性形状記憶合金でもよい。ただし本発明例においては、簡単のためアルミニウムあるいはアルミニウム合金で構成した場合で説明する。
また、正熱膨張係数金属体４１および負熱膨張係数金属体４２を加熱する手段を巻回した金属加熱線５１および５２の場合で説明し、この加熱線はニクロム線で構成する場合を述べるが、その材質はニクロム線に限定されない。また、正熱膨張係数金属体４１および負熱膨張係数金属体４２を効率的に加熱できれば巻回する必要はない。また、簡便な構成が必要であれば、正熱膨張係数金属体４１および負熱膨張係数金属体４２に直接電流を流し加熱することも可能である。さらに、アクチュエータを非接触で構成したいのであれば誘導加熱も効果的である。なお、誘導過熱を採用する場合には、正熱膨張係数金属体４１および負熱膨張係数金属体４２において表皮を電気的に絶縁した粉体をバルクにしたものが望ましく、バルク化には圧縮成形およびこれに焼結を併用してもよい。また、表皮の絶縁を樹脂により構成してもよい。
以上の説明のとおりに構成されたアクチュエータ１に関して駆動方法を図３、図４にて説明する。なお、従来例と同様に、便宜上駆動説明の図において左方向の駆動を（＋）方向、右方向の移動を（−）方向と呼ぶことにする。また、加熱による駆動回路に関しては本発明の本質ではないため説明を省略する。

図３（ａ）に示すように、正熱膨張係数金属加熱線５１に電流を急激に流すと、長さｌの正熱膨張係数金属体４１に歪みが生じる。この時、正熱膨張係数金属体４１に歪みがない時の正熱膨張係数金属加熱線５１へ電流を流すことによって定まる正熱膨張係数金属体４１の伸びをΔｌとすると、正熱膨張係数金属体４１はあるばね定数ｋを持ったばねが、Δｌだけ縮められた状態になっていると考えられる。つまり、Δｌだけ縮められたばねの両端に移動体２および負熱膨張係数移動用慣性体３２および負熱膨張係数金属体４２の合成質量Ｍ´と質量ｍ１の正熱膨張係数移動用慣性体３１がついていることになる。
そこで、図３（ｂ）に示すようにそのばねが伸びだす。この場合、ばねが伸びようとする力はｋΔｌである。これが移動体２とベース７の間の摩擦力μ（Ｍ´＋ｍ１）ｇ（μ：摩擦係数、ｇ：重力加速度、Ｍ´：Ｍとｍ１と負熱膨張係数金属体４２との質量の和）に比べて大きい場合には、移動体２は正熱膨張係数移動用慣性体３１と反対の方向へ移動を始める。この時、μ（Ｍ´＋ｍ１）ｇ≪ｋΔｌとなるように、前記したＭ´、ｍ１、ｋを設計すれば、摩擦力の影響は無視できることになり、移動体と慣性体をあわせた系の重心位置が運動量保存則により変わらないことから、移動体２が［ｍ１／（Ｍ´＋ｍ１）］Δｌ、慣性体が［Ｍ´／（Ｍ´＋ｍ１）］Δｌだけ反対方向に動く。
そこで、図３（ｃ）に示すように、伸びた正熱膨張係数金属体４１への加熱をやめゆっくりと元の長さに戻すと、１サイクルの移動が完了し、（＋）方向へ移動する。この時、慣性体２の加速度をａとすると、μ（Ｍ´＋ｍ１）ｇ＞ｍ１ａとなるように設計される。

以上正熱膨張係数金属体４１に電流を流し（＋）方向へ移動させたのと同様に負熱膨張係数金属体４２に電流を流して（−）方向へ移動する。

図４（ａ）に示すように、負熱膨張係数金属加熱線５２に電流を急激に流すと、負熱膨張係数金属体４２に歪みが生じる。この負熱膨張係数金属４２はタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ８）やシリコン酸化物：（Ｌｉ２Ｏ-Ａｌ２Ｏ３-ｎＳｉＯ２）などで構成される。この時、長さｌの負熱膨張係数金属体４２に歪みがない時の負熱膨張係数金属加熱線５２へ電流を流すことによって定まる負熱膨張係数金属体４２の伸びをΔｌとすると、負熱膨張係数金属体４２はあるばね定数ｋ"を持ったばねが、Δｌだけ伸ばされた状態になっていると考えられる。つまり、Δｌだけ縮められたばねの両端に移動体２および正熱膨張係数移動用慣性体３１および正熱膨張係数金属体４１の合成質量Ｍ"と質量ｍ２の負熱膨張係数移動用慣性体３２がついていることになる。
そこで、図４（ｂ）に示すようにそのばねが縮みだす。この場合、ばねが縮もうとする力はｋ"Δｌである。これが移動体２とベース７の間の摩擦力μ（Ｍ"＋ｍ２）ｇ（μ：摩擦係数、ｇ：重力加速度、Ｍ´：Ｍとｍ２と正熱膨張係数金属体４１との質量の和）に比べて大きい場合には、移動体２は負方向へ移動を始める。この時、μ（Ｍ"＋ｍ２）ｇ≪ｋ"Δｌとなるように、前記したＭ"、ｍ２、ｋ"を設計すれば、摩擦力の影響は無視できることになり、移動体と慣性体をあわせた系の重心位置が運動量保存則により変わらないことから、移動体２が［ｍ２／（Ｍ"＋ｍ２）］Δｌ、慣性体が［Ｍ"／（Ｍ"＋ｍ２）］Δｌだけ負方向に動く。
そこで、図４（ｃ）に示すように、伸びた負熱膨張係数金属体４２への加熱をやめゆっくりと元の長さに戻すと、１サイクルの移動が完了し、（−）方向へ移動する。この時、慣性体２の加速度をａとすると、μ（Ｍ"＋ｍ２）ｇ＞ｍ２ａとなるように設計される。

本発明によれば、（＋）方向から（−）方向への移動方向切換を伴なう動作によって、切換時に準静的な動作が不要となるため、その処理時間が短くでき、むだ時間の削減につながる。具体的には従来例でアクチュエータを（＋）方向へ移動させた後、（−）方向へ移動させる際に合計６１００μｓ要していたものが、１００μｓへと短縮できた。

図５のとおりにアクチュエータ１を構成した。実施例１と異なる部分は、図１において、衝撃力を発生する正熱膨張係数を持つ金属体４１およびこれを加熱させる金属加熱線５１、正熱膨張係数金属体４１の他端に固定される慣性体３１が移動体２に配置されるところは共通であるが、衝撃力を発生する負熱膨張係数を持つ金属体４２およびこれを加熱させる金属加熱線５２、負熱膨張係数金属体４２の他端に固定される慣性体３２が、上記正熱膨張係数を持つ金属体４１をはさんで移動体２に２つ配置された点である。この配置によって、実施例１では移動体２と慣性体３１、３２、正ないし負熱膨張係数金属体４１、４２の設計が移動時に進行方向に対して斜めにならにようバランスをとらねばならなかった問題点が解決された。
以上図５で説明した実施例では移動体２に正熱膨張係数金属体４１およびその要素が１つと負熱膨張係数金属体４２およびその要素が２つで構成された例を述べたが、移動体２に正熱膨張係数金属体４１およびその要素が２つと負熱膨張係数金属体４２およびその要素が１つで構成されてもよい。また、さらに複数の正熱膨張係数金属体４１およびその要素あるいは負熱膨張係数金属体４２およびその要素が配置されると進行の直進性が安定するだけでなく、正ないし負熱膨張係数金属体への加熱方法を工夫することにより、なめらかな曲線方向へ進行することも明らかである。

図６のとおりにアクチュエータ１を構成した。実施例１と異なる部分は、図１において、衝撃力を発生する正熱膨張係数を持つ金属体４１およびこれを加熱させる金属加熱線５１、正熱膨張係数金属体４１の他端に固定される慣性体３１が移動体２に配置されるところは共通であるが、正ないし負熱膨張係数金属体を移動体の進行逆方向側にも配置した点である。駆動の際には（＋）方向へ進行させる場合には、（−）方向側に配置されている正熱膨張係数を持つ金属体４１を加熱させる金属加熱線５１と（＋）方向側に配置されている負熱膨張係数を持つ金属体４２を加熱させる金属加熱線５２とを同時に加熱し、
（−）方向へ進行させる場合には、（＋）方向側に配置されている正熱膨張係数を持つ金属体４１を加熱させる金属加熱線５１と（−）方向側に配置されている負熱膨張係数を持つ金属体４２を加熱させる金属加熱線５２とを同時に加熱する。特に図６のとおり正熱膨張係数金属体４１と負熱膨張係数金属体４２とが移動体２をはさんで入れ違いに配置することにより、実施例１の場合に比べ移動時の転倒が避けられ、より大きな衝撃力を移動体に与えてより長いストロークの移動も可能となった。図６では移動体２をはさんで配置される正熱膨張係数金属体４１と負熱膨張係数金属体４２が入れ違いになっていたが、同じ側に配置しても移動時に転倒しにくくなるという効果は同様である。また、（＋）側、（−）側に配置する正ないし負熱膨張金属係数金属体は各１個である必要はなく、実施例２のように複数配置することにより、その動作がより安定する。すなわち、移動時に転倒が防止されると共に、進行方向への直進進行性がよくなる。

アクチュエータ１において、負熱膨張係数金属体４２を熱膨張係数が−２０×１０−６／℃で、その温度領域がおよそ１０℃から６０℃に調整したマンガン窒化物で形成した。このマンガン窒化物の形成方法は特許文献２に詳しいため、詳細は略す。他の構成は実施例１と同様である。
本実施例によると、ばね定数ｋ"よりも大きく、ｋに近く、かつ正熱膨張係数金属体４１と負熱膨張係数金属体４２の熱膨張係数の絶対値が同程度となるため、１サイクルあたりの（＋）方向と（−）方向の移動距離を上記正熱膨張係数金属体４１と負熱膨張係数金属体４２の長さサイズを同程度にするだけで実現でき、設計が容易になる。なお、処理時間の短縮化については、実施例１と同様である。
本実施例では負熱膨張係数金属体４２の熱膨張係数が負となる温度領域が５０度となるマンガン窒化物で形成したが、この材料では負となる熱膨張係数の絶対値の大きさとその温度領域が組成により設計できるため、本発明例の設計値に限定されるものではない。

以上、負熱膨張係数金属体４２の材料がタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ８）やシリコン酸化物：（Ｌｉ２Ｏ-Ａｌ２Ｏ３-ｎＳｉＯ２）あるいはマンガン窒化物により本発明の具体的な例を示したが、負熱膨張係数金属体４２の材料はこれらに限定されるものではない。

本発明の実施例を示すアクチュエータの側面図 本発明の実施例を示すアクチュエータの上面図 本発明の実施例における駆動方法の説明図 本発明の実施例における駆動方法の説明図 本発明の実施例を示すアクチュエータの上面図 本発明の実施例を示すアクチュエータの上面図 従来の実施例を示すアクチュエータの側面図 従来の実施例を示すアクチュエータの平面図 従来の実施例における駆動方法の説明図 従来の実施例における駆動方法の説明図

符号の説明

１ アクチュエータ
２ 移動体
３ 慣性体
３１ 正熱膨張係数移動用慣性体
３２ 負熱膨張係数移動用慣性体
４１ 正熱膨張係数金属体
４２ 負熱膨張係数金属体
５１ 正熱膨張係数金属加熱線
５２ 負熱膨張係数金属加熱線
６ 圧電・電歪素子
７ ベース
７１ ベース摩擦面

Claims (4)

1. 移動体と移動体に取り付けられる正の熱膨張係数を持つ金属体と、負の熱膨張係数を持つ金属体と、これらの金属体を発熱可能な発熱体と、それぞれの金属体の加熱による膨張により前記移動体に衝撃力を与える慣性体を備え、前記熱膨張係数の正負が同じ前記金属体を一対並列に配置し、一対の前記金属体の間に、当該金属体とは前記熱膨張係数の正負が逆の前記金属体を並列に配置したことを特徴とするアクチュエータ。
2. 請求項１記載のアクチュエータにおいて、前記移動体に取り付けられる正の熱膨張係数を持つ金属体と負の熱膨張係数を持つ金属体とが、各々あるいは一方だけ複数組配置され、前記金属体を発熱可能な発熱体と、金属体の加熱による膨張により前記移動体に衝撃力を与える慣性体とを配置することを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項１ないし請求項２記載のアクチュエータにおいて、前記移動体における進行方向の前部に、前記負の熱膨張係数を持つ金属体を配置し、前記移動体における進行方向の後部に、前記正の熱膨張係数を持つ金属体を配置することを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項１乃至３記載のアクチュエータにおいて、上記負の熱膨張係数の金属体がマンガン窒化物で形成されることを特徴とするアクチュエータ。

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