JPH0714279B2 - リニアアクチュエータ - Google Patents

リニアアクチュエータ

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JPH0714279B2
JPH0714279B2 JP63275151A JP27515188A JPH0714279B2 JP H0714279 B2 JPH0714279 B2 JP H0714279B2 JP 63275151 A JP63275151 A JP 63275151A JP 27515188 A JP27515188 A JP 27515188A JP H0714279 B2 JPH0714279 B2 JP H0714279B2
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政行 梨木
誠一 岩坂
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オ−クマ株式会社
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/021Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、精密な速度制御,位置決め制御ができるリニ
アアクチュエータに関する。
(従来の技術) 従来、精密な直線駆動を実現する手段としては、モータ
やリニアモータを利用する手段や、圧電素子等の微動ア
クチュエータを利用する手段等がある。
第7図はモータを利用して間接的に直線駆動力を得る手
段の一例を示す概略断面図であり、モータ1によって得
られる回転駆動力は、プーリ2,3及びベルト4を介して
ボールネジ5に伝達され、ボールネジ5に螺合するボー
ルネジナット6により直線駆動力に変換され、支えブラ
ケット7を介して被駆動体8を直線駆動させる。
第8図はリニアモータを利用して直接的に直線駆動力を
得る手段の一例を示す概略断面図であり、被駆動体11に
は支えブラケット12を介してリニアモータ13のスライダ
131が固定されており、リニアモータ13の直線駆動力に
より被駆動体11を直線駆動させる。
第9図は圧電素子等の微動アクチュエータを利用して直
接的に直線駆動力を得る手段の一例を示す概略断面斜視
図であり、円筒形であって、その軸方向に伸縮する駆動
用微動アクチュエータ21の両端に同様の固定分離用微動
アクチュエータ22,23の側面が固定され、一方の固定分
離用微動アクチュエータ22の側面には棒状の被駆動体24
がその長手方向が駆動用微動アクチュエータ21の伸縮方
向となるように固定されている。このような構成のアク
チュエータユニットは被駆動体24が箱状の支えブラケッ
ト25の一端面を貫装し、固定分離用アクチュエータ22,2
3が伸状態で支えブラケット25内面を支持し、縮状態で
支えブラケット内面から離れるように支えブラケット25
内に収納されている。
第12図は第9図に示す直線駆動手段の駆動装置例を示す
ブロック図であり、位置制御回路414は、速度指令VSを
入力し、伸縮指令SS3,SS4,SS5を各ドライバ433,434,435
に出力する。各ドライバ433,434,435は各伸縮指令SS3,S
S4,SS5を電力増幅して微動アクチュエータ21,22,23へ供
給する。各伸縮指令及び各ドライバ出力の例は第10図の
タイムチャートのようになり、速度指令と各伸縮指令の
周波数とが比例する。以下、その動作シーケンスを第10
図に示すタイムチャートに従い説明する。
(1)時点t0〜時点t1 駆動用微動アクチュエータ21は縮状態で停止し、固定分
離用微動アクチュエータ23が縮状態から伸状態へ、即ち
支えブラケット25内面から離れる状態(以下、分離モー
ドという)から支えブラケット25内面を支持している状
態(以下、固定モードという)へ動作し、固定分離用微
動アクチュエータ22が固定モータから分離モードへ動作
する。したがって、被駆動体24は停止したままとなる。
(2)時点t1〜時点t2 固定分離用微動アクチュエータ23が固定モードの状態
で、固定分離用微動アクチュエータ22が分離モードの状
態で駆動用微動アクチュエータ21が縮状態から伸状態へ
動作する。このことにより、固定分離用微動アクチュエ
ータ22およびこれに固定されている被駆動体24は駆動さ
れる。
(3)時点t2〜時点t3 駆動用微動アクチュエータ21は伸状態で停止し、固定分
離用微動アクチュエータ22が分離モードから固定モード
へ動作し、固定分離用微動アクチュエータ23が固定モー
ドから分離モードへ動作する。したがって、被駆動体24
は停止したままとなる。
(4)時点t3〜時点t4 固定分離用微動アクチュエータ22が固定モードの状態
で、固定分離用微動アクチュエータ23が分離モードの状
態で駆動用微動アクチュエータ21が伸状態から縮状態へ
動作する。このことにより固定分離用微動アクチュエー
タ23は駆動されるが、被駆動体24は停止したままとな
る。
以上が従来の微動アクチュエータを利用する直線駆動手
段の1サイクルとなる。
(発明が解決しようとする課題) 上述したモータを利用する直線駆動手段では、被駆動体
8に直線駆動力を与えるためにボールネジ等の機械的な
変換機構を常に必要とする。したがって、変換機構の機
械的なひずみやガタのために精密な動きができず、また
変換機構の機械的なロスのために伝達効率が悪くなるな
どの問題点がある。さらにまた、モータは電磁気力を使
用しているため、そのトルクを発生させるにはそれに見
合う大きさ(直径と長さ)が必要であり、そのため小型
化には自ずから限界がある。
上述したリニアモータを利用する直線駆動手段では、第
8図に示す例のように機械的な変換機構は必要とせず、
簡素化された機構となるが、全ストロークで駆動力を得
るにはリニアモータ13のスライダ131に対向するステー
タ132がストローク分だけ必要となり、また駆動原理的
に大きくて高価なものになってしまうという問題点があ
る。
上述した微動アクチュエータを利用する直線駆動手段で
は、小型で簡素化された機構となるが、被駆動体24の動
きは移動,停止の繰返しで間欠的なものとなり、スムー
ズな動きが得られない欠点がある。
本発明は上述のような事情から成されたものでなり、本
発明の目的は、高速でスムーズに動作し、高精度かつ高
加減速可能で高推力な小型のリニアアクチュエータを提
供することにある。
(課題を解決するための手段) 本発明は精密な速度制御,位置決め制御ができるリニア
アクチュエータに関するものであり、本発明の上記目的
は、被駆動体を固定,分離可能な第1の微動手段と、こ
の第1の微動手段を前記被駆動体の駆動方向及びその逆
方向に微小駆動可能な第2の微動手段と、前記第1の微
動手段及び前記第2の微動手段の動きを制御する制御手
段とで構成し、前記第1の微動手段による前記被駆動体
の固定は、前記被駆動体の駆動方向の移動速度と前記第
2の微動手段により駆動される前記第1の微動手段の前
記駆動方向の移動速度との偏差が所定の許容値以下にな
った時、すなわち相対速度が零に近くなった時に行な
い、前記第1の微動手段から前記被駆動体が分離してい
る場合は、前記第2の微動手段の駆動力が前記被駆動体
に伝わらないようにして、前記第1の微動手段を前記第
2の微動手段により前記駆動方向と逆方向に移動させる
ようにすることによって達成される。
(作用) 本発明のリニアアクチュエータは、被駆動体が移動して
いる時、すなわち被駆動体を停止させることなく固定,
分離動作を行なうようにしているので,微動アクチュエ
ータ自体の駆動ストローク以上のストロークまで任意の
速度でスムーズに被駆動体を駆動させることができるも
のである。
(実施例) 第1図は本発明のリニアアクチュエータの一例を示す概
略斜視図であり、円筒形であって、その軸方向に伸縮す
る固定分離用微動アクチュエータ32の一端がコの字形の
支えブラケット33の一方の内側面331に固定され、固定
分離用微動アクチュエータ32の他端と支えブラケット33
の他方の内側面との間に棒状の被駆動体34が挿入されて
いる。また、固定分離用微動アクチュエータ32と同様の
駆動用微動アクチュエータ31の一端が別のコの字形の支
えブラケット35の一方の内側面351に固定され、圧縮バ
ネ36の一端が支えブラケット35の他方の内側面に固定さ
れている。そして、固定分離用微動アクチュエータ32の
伸縮方向と駆動用微動アクチュエータ31の伸縮方向とが
直交するように、支えブラケット33の足332が駆動用微
動アクチュエータ31の他端と圧縮バネ36の他端とに挟
持,固定されている。
第2図は上記リニアアクチュエータを制御する装置の一
例を示すブロック図であり、コントローラ41は、外部か
ら入力される位置指令SPまたは速度指令SVと、被駆動体
34に装着されている位置検出器または速度検出器42から
の位置検出値DPまたは速度帰還信号DVとを比較し、駆動
用微動アクチュエータ31と固定分離用微動アクチュエー
タ32との相対関係により伸縮指令SS1,SS2をドライバ43
1,432にそれぞれ出力する。各ドライバ431,432は伸縮指
令SS1,SS2を増幅して駆動用微動アクチュエータ31並び
に固定分離用微動アクチュエータ32を制御し、被駆動体
34を駆動させる。
このリニアアクチュエータの動作シーケンスは第3図に
示すタイムチャートのようになり、以下時間を追って説
明する。
(1)時点t0〜時点t11 駆動用微動アクチュエータ31が縮状態から伸状態へ動作
し、被駆動体34の慣性力による移動(詳細は後述)の速
度と駆動用微動アクチュエータ31の移動速度,即ち支え
ブラケット33の移動速度との偏差が所定の許容値以下に
なった時点で固定分離用微動アクチュエータ32が被駆動
体34から離れている状態(以下、分離モードという)か
ら被駆動体34を支持している状態(以下、固定モードと
いう)へ動作し、固定分離用微動アクチュエータ32は固
定モードとなる(第4図(A))。
(2)時点t11〜時点t12 被駆動体34と支えブラケット33とは固定分離用微動アク
チュエータ32により固定されているので、被駆動体34は
駆動用微動アクチュエータ31の伸び動作により精密に制
御され駆動される(第4図(B))。
(3)時点t12〜時点t13 固定分離用微動アクチュエータ32が固定モードから分離
モードへ動作するので被駆動体34は支えブラケット33か
ら分離される。したがって、被駆動体34には駆動用微動
アクチュエータ31の駆動力は伝わらなくなるが、慣性力
によりそのまま駆動を続ける(第4図(C))。
(4)時点t13〜時点t14 固定分離用微動アクチュエータ32が分離モードであるの
で、被駆動体34は慣性力によりそのまま駆動を続ける。
そして、固定分離用微動アクチュエータ32及び支えブラ
ケット33は駆動用微動アクチュエータ31の伸状態から縮
状態への動作により次の駆動サイクルのため被駆動体34
の移動方向と逆の方向に移動する(第4図(D))。
以上が本発明のリニアアクチュエータの一例の1サイク
ルであり、(1)〜(4)を連続的に繰返すことによ
り、被駆動体34を停止させることなく任意の距離だけ任
意の速度で移動させることができる。
第11図は、コントローラ41の一例を示すブロック図であ
る。
位置制御回路411は、速度指令VSを入力し、微動アクチ
ュエータ31の位置指令である伸縮指令SS1及び被駆動体
の駆動信号である移動方向一致信号を出力する。
速度偏差検出回路412は、速度帰還信号DVと前記伸縮指
令SS1とを入力し、伸縮指令SS1の変化分すなわち速度指
令と速度帰還信号DVとの速度偏差を求め、その値がある
許容以下になった時に速度一致信号を出力する。
位置制御回路413は、速度一致信号と移動方向一致信号
との論理積により固定分離用微動アクチュエータ32への
伸縮指令SS2を出力する。
各伸縮指令SS1,SS2は各ドライバ431,432により電力増幅
され、各微動アクチュエータ31,32へ供給される。
第5図は本発明のリニアアクチュエータの別の一例を示
す概略斜視図であり、第1図に示すリニアアクチュエー
タを2個(以下,第1ユニット,第2ユニットという)
並設したものである。
このリニアアクチュエータの動作シーケンスは第6図に
示すタイムチャートのようになり、以下時間を追って説
明する。
(1)時点t0〜時点t21 被駆動体34と第2ユニットの支えブラケット33とは第2
ユニットの固定分離用微動アクチュエータ32により固定
されているので、被駆動体34は第2ユニットの駆動用微
動アクチュエータ31の伸び動作により駆動される。この
間、第1ユニットの駆動用微動アクチュエータ31は縮状
態から伸状態へ動作し、被駆動体34の移動速度と第1ユ
ニットの駆動用微動アクチュエータ31の移動速度,即ち
支えブラケット33の移動速度との偏差が所定の許容値以
下になった時点で第1ユニットの固定分離用微動アクチ
ュエータ32が分離モードから固定モードへ動作し、第1
ユニットの固定分離用微動アクチュエータ32は固定モー
ドとなる。
(2)時点t21〜時点t22 被駆動体34と第1ユニットの支えブラケット33および第
2ユニットの支えブラケット33とは各ユニットの固定分
離用微動アクチュエータ32により固定されているので、
被駆動体34は各ユニットの駆動用微動アクチュエータ31
の伸び動作により駆動される。
(3)時点t22〜時点t23 被駆動体34と第1ユニットの支えブラケット33とは第1
ユニットの固定分離用微動アクチュエータ32により固定
されているので、被駆動体34は第1ユニットの駆動用微
動アクチュエータ31の伸び動作により駆動される。この
間、第2ユニットの駆動用微動アクチュエータ31は縮状
態から伸状態へ動作し、第2ユニットの固定分離用微動
アクチュエータ32が固定モードから分離モードへ動作す
る。したがって、第2ユニットの固定分離用微動アクチ
ュエータ32が分離モードとなった時点で被駆動体34には
第2ユニットの駆動用微動アクチュエータ31の駆動力は
伝わらなくなる。
(4)時点t23〜時点t24 被駆動体34と第1ユニットの支えブラケット33とは第1
ユニットの固定分離用微動アクチュエータ32により固定
されているので、被駆動体34は第1ユニットの駆動用微
動アクチュエータ31の伸び動作により駆動される。この
間、第2ユニットの支えブラケット33及び固定分離用微
動アクチュエータ32は第2ユニットの駆動用微動アクチ
ュエータ31の伸状態から縮状態への動作により被駆動体
34の移動方向と逆の方向に移動する。
(5)時点t24〜時点t25 被駆動体34と第1ユニットの支えブラケット33とは第1
ユニットの固定分離用微動アクチュエータ32により固定
されているので、被駆動体34は第1ユニットの駆動用微
動アクチュエータ31の伸び動作により駆動される。この
間、第2ユニットの駆動用微動アクチュエータ31は縮状
態から伸状態へ動作し、被駆動体34の移動速度と第2ユ
ニットの駆動用微動アクチュエータ31の移動速度,即ち
支えブラケット33の移動速度との偏差が所定の許容値以
下になった時点で第2ユニットの固定分離用微動アクチ
ュエータ32が分離状態から固定状態へ動作し、第2ユニ
ットの固定分離用微動アクチュエータ32は固定モードと
なる。
(6)時点t25〜時点t26 被駆動体34と第1ユニットの支えブラケット33および第
2ユニットの支えブラケット33とは各ユニットの固定分
離用微動アクチュエータ32により固定されているので、
被駆動体34は各ユニットの駆動用微動アクチュエータ31
の伸び動作により駆動される。
(7)時点t26〜時点t27 被駆動体34と第2ユニットの支えブラケット33とは第2
ユニットの固定分離用微動アクチュエータ32により固定
されているので、被駆動体34は第2ユニットの駆動用微
動アクチュエータ31の伸び動作により駆動される。この
間、第1ユニットの駆動用微動アクチュエータ31は縮状
態から伸状態へ動作し、第1ユニットの固定分離用微動
アクチュエータ32が固定モードから分離モードへ動作す
る。したがって、第1ユニットの固定分離用微動アクチ
ュエータ32が分離モードとなった時点で被駆動体34には
第1ユニットの駆動用微動アクチュエータ31の駆動力は
伝わらなくなる。
(8)時点t27〜時点t28 被駆動体34と第2ユニットの支えブラケット33とは第2
ユニットの固定分離用微動アクチュエータ32により固定
されているので、被駆動体34は第2ユニットの駆動用微
動アクチュエータ31の伸び動作により駆動される。この
間、第1ユニットの支えブラケット33及び固定分離用微
動アクチュエータ32は第1ユニットの駆動用微動アクチ
ュエータ31の伸状態から縮状態への動作により被駆動体
34の移動方向と逆の方向に移動する。
以上が本発明のリニアアクチュエータの別の一例の1サ
イクルであり、(1)〜(8)を連続的に繰返すことに
より、被駆動体34を停止させることなく、かつ慣性力に
よらず任意の距離だけ任意の速度で常に精密に制御して
移動させることができる。そして、駆動用微動アクチュ
エータ31の動作速度及び駆動用微動アクチュエータ31と
固定分離用微動アクチュエータ32との動作タイミングを
変更することにより、被駆動体34の移動方向を逆方向に
変えることができる。さらに、同方向に駆動できる複数
個の微動アクチュエータを積み重ねること、すなわち被
駆動体を駆動する駆動用微動アクチュエータを支持する
支えブラケットをもう1つの駆動用微動アクチュエータ
により駆動することにより、maxスピードを上げること
ができる。また、複数個の駆動用アクチュエータを並設
して駆動することにより、推力を増大させることができ
る。なお、市販の圧電素子を用いた微動アクチュエータ
(直径22mm,長さ58mm,変位量,50μm,応答性100μsec,発
生力max400kgf)を使用した本発明のリニアアクチュエ
ータの場合、maxスピード30m/min,推力400kgf(片方向
駆動)で0.1μm以下の分解能が得られる。
(発明の効果) 以上のように本発明のリニアアクチュエータによれば、
小型にもかかわらず高速で高精度かつ高加減速可能で高
推力の動作を得ることができるので、例えば工作機械に
利用すれば工作機械の小型化,高精度化,低コスト化が
可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のリニアアクチュエータの一例を示す斜
視図、第2図はそのリニアアクチュエータを制御する装
置の一例を示すブロック図、第3図はそのリニアアクチ
ュエータの動作例を示すタイムチャート、第4図はその
リニアアクチュエータの具体的動作を示す斜視図、第5
図は本発明のリニアアクチュエータの別の一例を示す斜
視図、第6図はそのリニアアクチュエータの動作例を示
すタイムチャート、第7図〜第8図はそれぞれ従来の直
線駆動力を得る手段の一例を示す断面斜視図、第10図は
第9図に示す手段の動作例を示すタイムチャート、第11
図はこの発明のコントローラの一例を示すブロック図、
第12図は第9図に示す手段の駆動装置例を示すブロック
図である。 1……モータ、5……ボールネジ、13……リニアモー
タ、21,31……駆動用微動アクチュエータ、22,23,32…
…固定分離用微動アクチュエータ、24,34……被駆動
体、25,33,35……支えブラケット、36……圧縮バネ、41
……コントローラ、42……速度検出器、411,413,414…
…位置制御回路、412……速度偏差検出回路、431,432,4
33,434,435……ドライバ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被駆動体を固定,分離可能な第1の微動手
    段と、この第1の微動手段を微小駆動可能な第2の微動
    手段と、前記第1の微動手段及び前記第2の微動手段の
    動きを制御する制御手段とで構成され、前記第1の微動
    手段による前記被駆動体の固定は、前記被駆動体の駆動
    方向の移動速度と前記第2の微動手段により駆動される
    前記第1の微動手段の前記駆動方向の移動速度との偏差
    が所定の許容値以下になった時に行い、前記第1の微動
    手段から前記被駆動体が分離している場合は、前記第2
    の微動手段の駆動力が前記被駆動体に伝わらないように
    して、前記第1の微動手段を前記第2の微動手段により
    前記駆動方向と逆方向に移動させるように前記制御手段
    で制御するようにしたことを特徴とするリニアアクチュ
    エータ。
  2. 【請求項2】前記制御手段により前記微動手段の移動速
    度を制御するようにした請求項1に記載のリニアアクチ
    ュエータ。
  3. 【請求項3】請求項1に記載のリニアアクチュエータを
    前記駆動方向に複数個並設したことを特徴とするリニア
    アクチュエータ。
  4. 【請求項4】請求項3に記載のリニアアクチュエータを
    構成する複数個のリニアアクチュエータのうち常に1個
    以上のリニアアクチュエータが被駆動体を駆動するよう
    にしたリニアアクチュエータ。
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