JPH0866060A - 移動装置とその制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 動摩擦力を小さく、かつ、静摩擦力を大きく
し、接触面の影響を少なくして、移動対象物を高精度に
移動させる。 【構成】 電気機械変換素子３，４に電圧を供給し、電
気機械変換素子３，４を伸縮運動させることにより、電
気機械変換素子３，４に接合する振動体２と、振動体２
に所定の摩擦力で接触する物体７とを相対移動させる移
動装置であって、電気機械変換素子３，４は、相対移動
方向（図中左右方向）成分及び前記相対移動方向の垂直
方向成分を有して伸縮するように設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば圧電素子のよ
うな振動体を用いて移動対象物を移動させる移動装置と
その制御方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電素子に高周波電圧を与え
てその圧電素子を伸縮運動させ、この伸縮運動を利用し
て物体を移動させる移動装置が知られている。図７は、
従来のこの種の移動装置の第１の例であるインパクト装
置の構成を示す図である。この移動装置３０は、移動体
３２及び物体３３と、両者に接合された圧電素子３１と
から構成されている。移動体３２は、所定の面３４上に
設置されている。物体３３は、面３４とは接触していな
い。

【０００３】図中（ａ）において、先ず、圧電素子３１
が伸びる方向に電圧が与えられる。このときに電圧を急
激に変化させると、移動体３２と面３４との接触面は動
摩擦状態となり、移動体３２が面３４に対して相対移動
する（移動量Ｌ）。次に、圧電素子３１が縮む方向に電
圧が与えられる。このときに電圧を緩やかに変化させる
と、移動体３２と面３４との接触面は静摩擦状態とな
り、移動体３２は面３４に対して移動されず、物体３３
のみが移動体３２に対して接近する。以上のように、圧
電素子３１が１回伸縮運動することにより、移動体３２
が面３４に対して図中左方向にＬだけ移動される。ま
た、図中（ｂ）において、最初に圧電素子３１が縮む方
向に急激に電圧が与えられると、移動体３２が面３４に
対して図中右方向に移動し、次に圧電素子３１が伸びる
方向に緩やかに電圧が与えられると、移動体３２は面３
４に対して移動されず、物体３３のみが移動体３２に対
して離反する。このように制御すれば、圧電素子３１を
伸縮運動させることにより、移動体３２を図中右方向に
移動させることができる。

【０００４】図８は、従来の移動装置の第２の例の構成
を示す図である。図８の移動装置２０において、圧電素
子２１の一方の電極２１ａは、固定体である台２２に固
定されている。また、他方の電極２１ｂは、振動体２３
に接合されている。支持子２４は、振動体２３と台２２
との間に転動自在に設けられている。電圧源２５は、圧
電素子２１に電圧を与えるためのものであり、圧電素子
２１の電極２１ａ，２１ｂと電気的に接続されている。
物体２６は、振動体２３上に載置されており、この移動
装置２０により移動されるものである。

【０００５】電圧源２５から圧電素子２１の電極２１
ａ，２１ｂに高周波電圧が供給されると、圧電素子２１
が伸縮される。ここで圧電素子２１には、非対称波形の
電圧が供給される。すなわち、例えば最初に圧電素子２
１が縮む方向に急激に変化する電圧が与えられ、振動体
２３が図中左方向に大きな加速度で移動する。この結
果、振動体２３と物体２６との接触面は、動摩擦状態に
なり、振動体２３が物体２６に対して相対移動する。次
に、圧電素子１１が伸びる方向に緩やかに変化する電圧
が与えられ、振動体２３が図中右方向に小さな加速度で
移動する。この結果、振動体２３と物体２６との接触面
は、静摩擦状態になり、物体２６と振動体２３とは相対
移動しない。以上の動作により、圧電素子２１の伸縮運
動により、物体２６が振動体２３に対して図中右方向に
相対移動する。

【０００６】以上の移動装置３０，２０において、動摩
擦力は小さいほど相対移動量が大きくなり、かつ接触面
の磨耗が少なくなるので好ましい。一方、静摩擦力は大
きいほど圧電素子３１，２１に与える電圧を急激に変化
させても静摩擦状態を保つことができるので好ましい。
特に、単位時間に対する移動量を増加させるためには、
駆動電圧の周期を短くする必要があり、このためには静
摩擦力は大きいほど望ましい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の従来の
移動装置３０，２０では、以下の課題があった。静摩擦
力を大きくするために加圧することが考えられるが、こ
のときには動摩擦力も増加してしまう。そこで、静摩擦
状態のときには加圧し、動摩擦状態のときには減圧すれ
ば良いが、このようにするためには、加圧，減圧を制御
する装置が必要となる。また、接触面に凹凸がある場合
には、その凹凸を乗り越えることができなければ、物体
３２，２６は移動することができない。移動装置３０，
２０は、ｎｍ（ナノメートル）単位のオーダーで微小駆
動するものであるので、接触面にμｍ未満の凹凸があっ
ても無視することができない。

【０００８】本発明は、上述のような課題を解消するた
めになされたものであって、動摩擦力を小さく、かつ、
静摩擦力を大きくし、接触面の影響を少なくして、移動
対象物を高精度に移動させることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、電気機械変換素子（３，４）に
電圧を供給し、前記電気機械変換素子を伸縮運動させる
ことにより、前記電気機械変換素子に接合する振動体
（２）と、前記振動体に所定の摩擦力で接触する物体
（７）とを相対移動させる移動装置であって、前記電気
機械変換素子は、相対移動方向成分及び前記相対移動方
向の垂直方向成分を有して伸縮するように設けられてい
ることを特徴とする。請求項２の発明は、請求項１に記
載の移動装置において、前記電気機械変換素子は、ポー
リング方向に対して斜めの変位方向を有することを特徴
とする。請求項３の発明は、請求項１に記載の移動装置
において、前記電気機械変換素子は、ポーリング方向に
対して略同一の変位方向を有し、その変位方向が前記相
対移動方向に対して斜めになるように取り付けられてい
ることを特徴とする。請求項４の発明は、請求項１〜３
に記載の移動装置において、前記電気機械変換素子に供
給される電圧は、非対称波形を有することを特徴とす
る。

【００１０】請求項５の発明は、電気機械変換素子に電
圧を供給し、前記電気機械変換素子を伸縮運動させるこ
とにより、前記電気機械変換素子に接合する振動体と、
前記振動体に所定の摩擦力で接触する物体とを相対移動
させる移動装置の制御方法であって、前記電気機械変換
素子を、相対移動方向成分及び前記相対移動方向の垂直
方向成分を有して伸縮させることにより、前記振動体と
前記物体との接触面の摩擦力を制御することを特徴とす
る。請求項６の発明は、請求項５に記載の移動装置の制
御方法において、前記電気機械変換素子に非対称波形を
有する電圧を供給することにより、前記振動体と前記物
体との接触面の摩擦力を制御することを特徴とする。

【００１１】

【作用】請求項１，５の発明においては、振動体は、相
対移動方向に対して斜め方向に振動される。これによ
り、振動体と物体との接触力が変化し、加圧，減圧等の
手段によらずに、接触面の動摩擦力は小さく、かつ、静
摩擦力は大きくなる。請求項２の発明においては、ポー
リング方向に対して変位方向が斜めの電気機械変換素子
が用いられる。また、請求項３の発明においては、ポー
リング方向に対して変位方向が略同一な電気機械変換素
子が用いられ、変位方向が相対移動方向に対して斜めに
なるように取り付けられる。従って、これらの電気機械
変換素子を用いて振動体を相対移動方向成分及び相対移
動方向の垂直方向成分を有して振動させることができ
る。請求項４，６の発明においては、電気機械変換素子
に非対称波形を有する電圧が供給されると、振動体が急
激に移動されるときには接触面は動摩擦状態となり、振
動体が緩やかに移動されるときには接触面は静摩擦状態
となる。従って、より効果的に動摩擦力を小さく、かつ
静摩擦力を大きくすることができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面等を参照して、本発明の一実施例
について説明する。図１は、本発明による移動装置の第
１の実施例の構成を示す図である。固定体である台５に
は、それぞれ電気機械変換素子である圧電素子３及び４
が取り付けられている。この実施例では、圧電素子３と
４は、同一のものを用いている。圧電素子３，４は、振
動体２の両端に接合されている。振動体２の上面には、
移動体７が載置されている。振動体２と移動体７との接
触面は、所定の摩擦力を有している。電圧源６は、圧電
素子３，４を伸縮させるための電圧を供給するためのも
のであり、それぞれ圧電素子３，４の電極３ａ及び３
ｂ，４ａ及び４ｂ（斜線部領域）に電気的に接続されて
いる。電圧源６は、圧電素子３と４に略同一波形の電圧
を供給する。

【００１３】図２は、図１の移動装置１の圧電素子３，
４の伸縮の前後を示す図である。図２において、矢印方
向は、圧電素子３，４のポーリング方向を示している。
この圧電素子３，４は、ｄ15モードのものである。圧電
素子３，４は、電圧が供給されていないときには、図中
（ａ）に示す形状をしている。圧電素子３，４に電圧が
供給されると、図中（ｂ）に示すように、圧電素子３，
４の上面が下面に対して水平方向（図中右方向）に変位
量Ｘ、及び垂直方向（図中下方向）に変位量Ｙだけ伸縮
する。

【００１４】図３は、電圧源６が圧電素子３，４に供給
する電圧と時間との関係を示すグラフである。以下、図
１〜図３に基づき、移動装置１の動作について説明す
る。図３において、時刻ｔ1 からｔ2 までの間は、電圧
源６は、圧電素子３及び４に、急激に変化する電圧を供
給する。この電圧の供給により、圧電素子３，４は、図
２の（ａ）状態から（ｂ）状態に急激に伸縮する。これ
により、振動体２は、図１中、右方向かつ下方向に、す
なわち斜め方向に移動される。従って、振動体２と移動
体７との接触面の接触力は小さく、接触面は動摩擦状態
となる。この結果、振動体２のみが図中右方向に移動さ
れ、移動体７は、移動されない。

【００１５】時刻ｔ1 からｔ2 における圧電素子３，４
の変形加速度をａとし、さらに加速度ａの水平方向成分
をａh 、及び垂直方向成分をａv とすると、接触面の摩
擦力Ｆは、 Ｆ＝μ1 ・ｍ・（ｇ＋ａv ）；μ1 ：動摩擦係数、ｍ：
移動体７の質量、ｇ：重力加速度 となる。時刻ｔ1 からｔ2 までの間は、ａv ＜０である
ので、動摩擦力を小さくすることができ、接触面に凹凸
があった場合でもその凹凸を乗り越えやすくなる。さら
に電圧の変化を急にして、ａv ＜−ｇとすれば、動摩擦
力を０にすることもできる。

【００１６】次の時刻ｔ2 からｔ3 までの間は、電圧源
６は、圧電素子３及び４に、緩やかに減少する電圧を供
給する。この電圧の供給により、圧電素子３及び４は、
図２の（ｂ）状態から（ａ）状態に徐々に復帰する。こ
れにより、振動体２は図１中、左方向かつ上方向に移動
される。従って、振動体２と移動体７との接触面の接触
力は大きく、接触面は静摩擦状態となる。この結果、移
動体７が振動体２上に載置された状態で振動体２が図１
中左方向に移動される。

【００１７】時刻ｔ2 からｔ3 における接触面の最大静
止摩擦力Ｆmax は、 Ｆmax ＝μ2 ・ｍ・（ｇ＋ａv ）；μ2 ：静止摩擦係数 となる。時刻ｔ2 からｔ3 までの間は、ａv ＞０である
ので、最大静止摩擦力を大きくすることができる。

【００１８】以上の圧電素子３，４の１回の伸縮運動に
より、移動体７は、所定量、図１中左方向に移動され
る。従って、上述の動作を繰り返すことにより、移動体
７を図１中左方向に順次移動させることができる。ま
た、圧電素子３，４を、図２（ｂ）の形状と対称の形状
となるように変形させれば、移動体７を図１中右方向に
移動させることができる。

【００１９】なお、圧電素子３，４に与える電圧を、図
３に示すような非対称波形ではなく、対称波形にしたと
きでも、移動体７を振動体２に対して相対移動させるこ
とができる。すなわち、圧電素子３，４が図２の（ａ）
状態から（ｂ）状態に伸縮するときには、移動体７と振
動体２との接触力が小さいので、接触面は動摩擦状態に
なりやすい。一方、圧電素子３，４が図２の（ｂ）状態
から（ａ）状態に伸縮するときには、移動体７と振動体
２との接触力が大きいので、接触面は静摩擦状態になり
やすい。従って、移動体７の重量，振動体２の移動速
度，圧電素子３，４の変位量等を調整すれば、対称波形
を有する電圧を与えても、移動体７と振動体２とを相対
移動させることができる。

【００２０】図４は、本発明による移動装置の第２の実
施例の構成を示す図であり、図１の移動装置１の変形例
である。この移動装置１Ａは、１つの圧電素子３のみを
用いたものである。また、図１の圧電素子４が設けられ
ていた部分には、支持部材８が設けられ、振動体２を支
持している。ここで、支持部材８は弾性材から形成する
ことが好ましい。図４のような構成では、振動体２は厳
密には平行に振動されないが、図１の移動装置１と同様
に、移動体７を所定方向に移動させることができる。な
お、支持部材８を用いずに、圧電素子３のみを振動体２
の略中央部で接触するように配置しても良い。

【００２１】図５は、本発明による移動装置に適用可能
な圧電素子３Ａ，４Ａを示す図である。図中矢印方向
は、圧電素子３Ａ，４Ａのポーリング方向を示してい
る。この圧電素子３Ａ，４Ａは、ｄ33モードのものであ
る。圧電素子３Ａ，４Ａに電圧が供給されると、図中
（ａ）状態から（ｂ）状態に伸縮する。すなわち、圧電
素子３Ａ，４Ａは、ポーリング方向と略同一方向（図中
上方向）に変位量Ｙだけ伸縮する。圧電素子３Ａ，４Ａ
を、図１の移動装置１に取り付けるときには、移動体７
と振動体２との相対移動方向（図１中左右方向）に対し
て、圧電素子３Ａ，４Ａの変位方向が斜めになるように
取り付ける。このような構成にすれば、図１の移動装置
１と同様の効果が得られる。

【００２２】図６は、本発明による移動装置の第３の実
施例の構成を示す図である。移動装置１０において、図
１の圧電素子３が設置面１１に取り付けられている。圧
電素子３上には、移動対象物であるケーブル１２が搭載
されている。一方、固定体１３には、バネ１４が取り付
けられており、その先端部には回転自在なローラ１５が
設けられている。ローラ１５は、圧電素子３上に位置す
るケーブル１２と当接しており、さらにバネ１４の付勢
力によりケーブル１２を加圧している。先ず、圧電素子
３が図２の（ａ）状態から（ｂ）状態に急激に伸縮する
と、圧電素子３とケーブル１２との接触面は、動摩擦状
態となり、ケーブル１２と圧電素子３との間に相対移動
が発生する。すなわち、ケーブル１２は移動されずに、
圧電素子３の上面がケーブル１２に対して図中右方向に
移動する。次に、圧電素子３が図２の（ｂ）状態から
（ａ）状態に緩やかに伸縮すると、圧電素子３とケーブ
ル１２との接触面は、静摩擦状態となり、圧電素子３と
ケーブル１２との間には相対移動は発生せず、圧電素子
３の上面はケーブル１２とともに図中左方向に移動す
る。以上の動作を繰り返すことにより、ケーブル１２
は、図中左方向に移動される。

【００２３】以上、本発明の一実施例について説明した
が、本発明は、上述した実施例に限定されることなく、
その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能であ
る。例えば、実施例では電気機械変換素子の一実施例と
して圧電素子を用いたが、電歪素子等の他の電気機械変
換素子を用いることもできる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１，５の発明によれば、振動体と
物体との接触面を、加圧，減圧等することなく動摩擦力
を小さく、かつ静摩擦力を大きくすることができるの
で、接触面の劣化を防止して、接触面の影響の少ない高
精度な相対移動を行うことができる。さらに、動摩擦力
が小さいことから、エネルギー効率が良くなり、１周期
あたりの相対移動量を大きくすることができる。また、
最大静止摩擦力が大きいことから、駆動周期を短くする
ことができ、単位時間あたりの移動量を大きくすること
ができる。請求項２又は３の発明によれば、電気機械変
換素子の特性に応じて、振動体を相対移動方向成分、及
び相対移動方向の垂直方向成分を有して振動させること
ができる。請求項４，６の発明によれば、振動体と物体
との接触面の動摩擦力をより小さく、かつ、静止摩擦力
をより大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による移動装置の第１の実施例の構成を
示す図である。

【図２】図１の移動装置１の圧電素子３，４の伸縮の前
後を示す図である。

【図３】電圧源６が圧電素子３及び４に供給する電圧と
時間との関係を示すグラフである。

【図４】本発明による移動装置の第２の実施例の構成を
示す図である。

【図５】本発明による移動装置に適用可能な圧電素子３
Ａ，４Ａを示す図である。

【図６】本発明による移動装置の第３の実施例の構成を
示す図である。

【図７】従来の移動装置の第１の例であるインパクト装
置の構成を示す図である。

【図８】従来の移動装置の第２の例の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 移動装置 ２ 振動体 ３，４ 圧電素子 ５ 台 ６ 電圧源 ７ 移動体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気機械変換素子に電圧を供給し、前記
   電気機械変換素子を伸縮運動させることにより、前記電
   気機械変換素子に接合する振動体と、前記振動体に所定
   の摩擦力で接触する物体とを相対移動させる移動装置で
   あって、 前記電気機械変換素子は、相対移動方向成分及び前記相
   対移動方向の垂直方向成分を有して伸縮するように設け
   られていることを特徴とする移動装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の移動装置において、 前記電気機械変換素子は、ポーリング方向に対して斜め
   の変位方向を有することを特徴とする移動装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の移動装置において、 前記電気機械変換素子は、ポーリング方向に対して略同
   一の変位方向を有し、その変位方向が前記相対移動方向
   に対して斜めになるように取り付けられていることを特
   徴とする移動装置。
4. 【請求項４】 請求項１〜３に記載の移動装置におい
   て、 前記電気機械変換素子に供給される電圧は、非対称波形
   を有することを特徴とする移動装置。
5. 【請求項５】 電気機械変換素子に電圧を供給し、前記
   電気機械変換素子を伸縮運動させることにより、前記電
   気機械変換素子に接合する振動体と、前記振動体に所定
   の摩擦力で接触する物体とを相対移動させる移動装置の
   制御方法であって、 前記電気機械変換素子を、相対移動方向成分及び前記相
   対移動方向の垂直方向成分を有して伸縮させることによ
   り、前記振動体と前記物体との接触面の摩擦力を制御す
   ることを特徴とする移動装置の制御方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の移動装置の制御方法に
   おいて、 前記電気機械変換素子に非対称波形を有する電圧を供給
   することにより、前記振動体と前記物体との接触面の摩
   擦力を制御することを特徴とする移動装置の制御方法。