JPH10166237A - アクチュエータおよびその駆動方法、および、その駆動方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、並びに、そのアクチュエータを用いた小型工作機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型かつ簡単に駆動できるアクチュエータを
提供すること。 【解決手段】 ベース基板１上にガイドレール２ａ、２
ｂを取り付け、このガイドレール２ａ、２ｂの間に移動
体３を挟んで保持する。圧電素子３３はガイドレール２
に対して垂直に、圧電素子３４はガイドレール２に対し
て平行に取り付ける。また、移動体３には段状の切り込
み部３ａが設けてあり、移動体３を略２区分している。
圧電素子３３の変位により、区分した移動体３の一部
（圧電素子３３側）がガイドレール間で固定される。こ
の状態で、圧電素子３４を変位させると、移動体３の他
の一部（圧電素子３４側）が移動する。つぎに、圧電素
子３３を元に戻すと、前記固定が解除される。続いて、
圧電素子３４を元に戻すと、それに伴い、前記一部（圧
電素子３３側）も移動する。以上の手順を連続的に行え
ば、移動体３を移動できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、小型化、省電力
化を可能とするアクチュエータに関する。また、このア
クチュエータを最適に駆動することのできるアクチュエ
ータの駆動方法、および、このアクチュエータの駆動方
法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録
したコンピュータが読み取り可能な記録媒体に関する。
さらに、このアクチュエータを用いた小型工作機械に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、多種多様のアクチュエータが開発
され、各種産業分野において広く利用されている。さら
に近年では、省エネルギー化、省スペース化などの要請
から、省電力で小型のアクチュエータが求められてい
る。

【０００３】このような省電力で小型のアクチュエータ
としては、ミニチュアアクチュエータなるものが知られ
ている。このミニチュアアクチュエータは、引き抜き成
形したアウタレールの内側に超精密研削加工によってボ
ールの転動面を加工し、インナブロックに直動案内のボ
ール循環加工とボールネジナットのボール循環加工とを
複合加工して、製作する。このようにして製作したミニ
チュアアクチュエータは、その高さが約２０ｍｍとな
る。

【０００４】また、上記ミニチュアアクチュエータを含
め、通常のボールネジ式アクチュエータにはサーボモー
タが不可欠である。アクチュエータの小型化を行うに
は、このサーボモータも小型化する必要がある。現在で
は、直径が約２０ｍｍ程度の小型サーボモータが市販さ
れている。

【０００５】さらに、近年注目されているマイクロマシ
ンの重要なデバイスとなるマイクロアクチュエータにも
種々のものが存在する。マイクロアクチュエータの駆動
原理は、静電気、圧電素子、形状記憶合金、熱膨張など
が多種多様である。一般にマイクロアクチュエータの大
きさは、１０μｍ〜１ｍｍ程度である。

【０００６】また、近年では、移動機構を小型化する手
段として、インチワーム方式のアクチュエータが提案さ
れている。図１８に、インチワーム式アクチュエータの
上面図を例示する。符号８０２、８０２は、ガイドレー
ルである。ガイドレール８０２、８０２の間には、Ｈ形
状の移動体８０３が配置されている。この移動体８０３
は、ガイドレール８０２、８０２と垂直な方向に２つの
ホルダ部８３１、８３２と、ガイドレール８０２、８０
２に水平な方向に１つのホルダ部８３３を有する。この
各ホルダ部８３１〜８３３には、それぞれピエゾ素子８
３４〜８３６が填め込まれている。ピエゾ素子８３４〜
８３６には、ＰＺＴ系圧電セラミックを用いる。このホ
ルダ部８３１〜８３３の側壁は、薄肉である。ピエゾ素
子の伸びに従い広がるようにするためである。テーブル
８０４は、移動体８０３の上部に取り付ける。

【０００７】まず、ピエゾ素子８３５に電圧を加える
と、圧電効果によってピエゾ素子８３５に伸びが生じ
る。ピエゾ素子８３５が伸びると、ホルダ部８３２が広
がり、ガイドレール８０２、８０２間で固定状態とな
る。この状態で、ピエゾ素子８３６に電圧を加える。ピ
エゾ素子８３６に伸びが生じ、ホルダ部８３３が広が
る。ホルダ部８３３が広がると、ホルダ部８３１がピエ
ゾ素子８３４と共に移動する。つぎに、ピエゾ素子８３
４に電圧を加えて、ホルダ部８３１を広げる。これによ
り、ホルダ部８３１はガイドレール８０２、８０２間で
固定状態となる。

【０００８】つぎに、ピエゾ素子８３５への電圧印加を
止めると、ピエゾ素子８３５が縮んで元に戻る。これに
より、ホルダ部８３２による固定が解除される。続い
て、ピエゾ素子８３６への電圧印加を止めると、ピエゾ
素子８３６が縮んで元に戻り、ホルダ部８３３が縮む。
このホルダ部８３３の縮みに伴い、ホルダ部８３２が移
動する。このインチワーム式のアクチュエータ８００で
は、上記のような手順を連続的に行うことで、テーブル
８０４を移動せしめている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上、各種のアクチュ
エータを例に挙げたが、それぞれつぎのような問題点を
有している。まず、上記従来のボールネジ式アクチュエ
ータでは、ボールの循環などが必要であり、その構造上
から小型化には限界がある。また、サーボモータを用い
ているため、消費電力が大きくなる。その一方で、マイ
クロアクチュエータは、寸法が小さすぎて取り扱いにく
く、一般産業用として現実的でない。

【００１０】つぎに、上記従来のインチワーム式アクチ
ュエータ８００は、ボールネジ式アクチュエータに比べ
て小型である。しかし、ピエゾ素子を３つ用いているた
め、さらなる小型化が阻害されると共にアクチュエータ
８００自体の駆動方法が複雑になる。

【００１１】この発明は、上記に鑑みてなされたもので
あって、小型かつ省電力で、駆動方法が簡単なアクチュ
エータを得ることを目的とする。また、そのようなアク
チュエータを最適に駆動できるアクチュエータの駆動方
法、および、このアクチュエータの駆動方法をコンピュ
ータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュ
ータが読み取り可能な記録媒体を得ることを目的とす
る。さらに、このアクチュエータを用いた小型工作機械
を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に係るアクチュエータは、変位すること
でガイド手段に対する自らの位置を固定可変自在な第１
の変位手段と、この第１の変位手段と連結され、少なく
とも第１の変位手段とは異なる方向に変位する第２の変
位手段と、前記第１の変位手段による固定より弱い力に
よって前記ガイド手段に前記第２の変位手段を保持し、
前記第２の変位手段の変位に従って移動する保持手段
と、を備えたものである。

【００１３】また、請求項２に係るアクチュエータは、
２本のガイドレールを一定の間隔をもって配置したガイ
ド手段と、この直線ガイド手段のガイドレールの間に配
置され、変位することで当該ガイドレールの間に固定さ
れる第１の変位手段と、この第１の変位手段の変位方向
と直交する方向に変位する第２の変位手段と、前記第１
の変位手段と第２の変位手段とを連結すると共に前記第
１の変位手段による固定より弱い力によって前記ガイド
レール間で挟んで保持し、前記第２の変位手段の変位に
従って移動する保持手段と、を備えたものである。

【００１４】また、請求項３に係るアクチュエータは、
上記アクチュエータにおいて、さらに、前記直線ガイド
手段のガイドレール間隔を調整することにより、前記保
持手段の保持力を調整する保持力調整手段を備えたもの
である。

【００１５】また、請求項４に係るアクチュエータは、
上記アクチュエータにおいて、前記保持力調整手段が、
少なくとも片方のガイドレールに弾性体を設けて当該ガ
イドレールに押し付け力を与え、前記保持手段の保持力
を調整するものである。

【００１６】また、請求項５に係るアクチュエータは、
上記アクチュエータにおいて、前記保持力調整手段が、
少なくとも片方のガイドレールに変位手段を設け、この
変位手段の変位により前記ガイドレールに押し付け力を
与え、前記保持手段の保持力を調整するものである。

【００１７】また、請求項６に係るアクチュエータは、
上記アクチュエータにおいて、さらに、前記第１の変位
手段に周期的な変位命令を与えると共に、前記第２の変
位手段に、前記第１の変位手段に与える周期的な変位命
令に対し位相差を持つ周期的な変位命令を与える周期的
変位命令手段と、前記位相差を変更することで、移動量
の分解能を変更する移動量分解能変更手段とを備えたも
のである。

【００１８】また、請求項７に係るアクチュエータは、
上記アクチュエータにおいて、さらに、前記第１の変位
手段に周期的な変位命令を与えると共に、前記第２の変
位手段に、前記第１の変位手段に与える周期的な変位命
令に対し位相差を持つ周期的な変位命令を与える周期的
変位命令手段と、前記周期を変更することで、移動速度
を変更する移動速度変更手段とを備えたものである。

【００１９】また、請求項８に係るアクチュエータの駆
動方法は、上記のアクチュエータを駆動するにあたり、
前記第１の変位手段を変位させることで前記ガイドレー
ルに対し自らの位置を固定状態とする手順と、前記第２
の変位手段を変位させると共にその変位に伴って前記保
持手段を移動させる手順と、前記第１の変位手段を元に
戻す手順と、第２の変位手段を元に戻すと共に、それに
伴って前記第１の変位手段を移動させる手順と、を含む
ものである。

【００２０】また、請求項９に係るアクチュエータの駆
動方法は、上記のアクチュエータを駆動するにあたり、
前記第２の変位手段を変位させると共にその変位に伴っ
て前記第１の変位手段を移動させる手順と、前記第１の
変位手段を変位させることで前記ガイドレールに対し自
らの位置を固定状態とする手順と、第２の変位手段を元
に戻すと共に、それに伴って前記保持手段を移動させる
手順と、前記第１の変位手段を元に戻す手順と、 を含
むものである。

【００２１】また、請求項１０に係るアクチュエータの
駆動方法は、上記のアクチュエータを駆動するにあた
り、前記第１の変位手段に周期的な変位命令を与える手
順と、前記第２の変位手段に、前記第１の変位手段に与
える周期的な変位命令に対し位相差を持つ周期的な変位
命令を与える手順と、を含むものである。

【００２２】また、請求項１１に係るアクチュエータの
駆動方法は、上記アクチュエータの駆動方法において、
さらに、前記位相差を変更することで、移動量の分解能
を変更する手順を含むものである。

【００２３】また、請求項１２に係るアクチュエータの
駆動方法は、上記アクチュエータの駆動方法において、
さらに、前記周期を変更することで、移動速度を変更す
る手順を含むものである。

【００２４】また、請求項１３に係るコンピュータが読
み取り可能な記録媒体は、上記のアクチュエータの駆動
方法を、コンピュータに実行させるためのプログラムを
記録したものである。

【００２５】また、請求項１４に係る小型工作機械は、
上記アクチュエータを移動手段に用いたものである。

【００２６】また、請求項１５に係る小型工作機械は、
上記アクチュエータを移動手段に用い、この移動手段に
より少なくともスピンドル側を移動させるようにし、刃
物側を固定したものである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係るアクチュエ
ータおよびその駆動方法、および、その駆動方法をコン
ピュータに実行させるためのプログラムを記録したコン
ピュータ読み取り可能な記録媒体、並びに、そのアクチ
ュエータを用いた小型工作機械の実施の形態を図面に基
づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。

【００２８】（実施の形態１）図１は、この発明の実施
の形態１に係るアクチュエータを示す斜視図である。ま
た、図２は、図１に示したアクチュエータを示す上面図
および側面図である。このアクチュエータ１００は、ベ
ース基板１と、このベース基板１上に対向配置したガイ
ドレール２ａ、２ｂと、このガイドレール２ａ、２ｂに
挟まれた状態で保持されている移動体３と、ガイドレー
ル２ａ、２ｂの位置を調整する位置調整ネジ４、４と、
で構成されている。このように構成したアクチュエータ
１００のサイズは、長さ２２ｍｍ、奥行き２５ｍｍ、高
さ８ｍｍ程度となる。

【００２９】ガイドレール２、２の対向面には、Ｖ溝２
１、２１が設けられている。ガイドレール２ａはベース
基板１にネジ止めする。ガイドレール２ｂは位置調整ネ
ジ４、４によりガイドレール２ａ、２ｂの間隔を調整し
た後、ネジ止めする。位置調整ネジ４、４は、ベース基
板１の側壁１ａからねじ込む。また、移動体３の下側に
は、リニアスケール５を取り付ける。

【００３０】図３は、図１に示した移動体３の構造を示
す上面図である。この移動体３は、全体寸法２０ｍｍ×
１４ｍｍ、厚さ４ｍｍの平板をワイヤ放電加工して製作
する。この移動体３は、段状の切り込み部３ｃを有す
る。さらに、移動体３は、ガイドレール２ａ、２ｂに対
して垂直方向に長いホルダ部３１と、ガイドレール２
ａ、２ｂに対して水平方向に長いホルダ部３２とを有す
る。圧電素子３３、３４は、このホルダ部３１、３２に
填め込む。

【００３１】このホルダ部３１、３２の長さは、圧電素
子３３、３４より僅かに短くしておいて、圧電素子３
３、３４を圧入したときは、１０Ｎ程度の予圧が生じる
ようにする。また、ホルダ部３１の側壁となる支持部３
５、３５の幅は０．２ｍｍである。符号３６、３６は関
節部である。この関節部３６、３６の幅は０．４ｍｍで
ある。また、接触部３７と接触部３７の間の距離は接触
部３８と接触部３８の間の距離より０．００５ｍｍ短
い。また、関節部３６、３６を境に、圧電素子３３側を
移動体内Ａ部３ａとし、圧電素子３４側を移動体内Ｂ部
３ｂとする。この移動体３の移動範囲は、約４ｍｍ程度
である。

【００３２】圧電素子３３、３４には、積層形のＰＺＴ
系圧電セラミックを用いる。積層形としたのは、変位量
が大きく、精度、応答速度、駆動力が優れているからで
ある。また、圧電素子のサイズは、３ｍｍ＊３ｍｍ＊８
ｍｍである。なお、変位可能なものなら、圧電素子以外
でもかまわない。符号３９、３９は２つの移動体を連結
するための固定穴である。

【００３３】図４は、移動体３の移動機構を示す説明図
である。図４の（ａ）に示すように、初期状態では、接
触部３８ａ、３８ｂとガイドレール２ａ、２ｂとの間の
摩擦力により、移動体３は保持されて静止している。つ
ぎに、図４の（ｂ）に示すように、圧電素子３３に電圧
を印加すると、圧電素子３３に伸びが生じ、移動体内Ａ
部３ａが広がる。移動体内Ａ部３ａが広がると、接触部
３７ａ、３７ｂがガイドレール２ａ、２ｂに押し当てら
れる。これより、移動体内Ａ部３ａがガイドレール２
ａ、２ｂの間で固定状態となる。

【００３４】つぎに、移動体内Ａ部３ａを固定した状態
で、圧電素子３４に電圧を印加すると、圧電素子３４に
伸びが生じる。この圧電素子３４の伸びる力は、前記接
触部３８ａ、３８ｂとガイドレール２ａ、２ｂとの間の
摩擦力よりも大きい。また、圧電素子３４の伸びる力
は、前記接触部３７ａ、３７ｂとガイドレール２ａ、２
ｂとの間の摩擦力より小さい。このため、図４の（ｃ）
に示すように、移動体内Ｂ部３ｂが図中右方向に移動す
る。

【００３５】つぎに、圧電素子３３への電圧印加を止め
れば、図４の（ｄ）に示すように、接触部３７ａ、３７
ｂがガイドレール２ａ、２ｂから離れる。続いて、圧電
素子３４への電圧印加を止めれば、図４の（ｅ）に示す
ように、圧電素子３４が縮む。圧電素子３４が縮むと、
これに伴って移動体内Ａ部３ａが図中右側に移動する。
これらの一連の動作を繰り返せば、移動体３が一方向に
移動する。

【００３６】つぎに、圧電素子３３に印加する電圧と圧
電素子３４に印加する電圧との間に位相差を与え、移動
体３の移動量を測定した。図５は、圧電素子３３、３４
に印加する電圧の波形を示すグラフ図である。波形Ａ
（図中において点線で表す）が圧電素子３３への印加電
圧である。波形Ｂ（図中において実線で表す）が圧電素
子３４への印加電圧である。なお、圧電素子３３、３４
への最大印加電圧は６０Ｖである。同図に示すように、
位相差Ｃを持たせて各圧電素子３３、３４に電圧を印加
すると、移動体３が移動する。このときの移動機構は、
既に述べた（図４参照）。測定の結果、１周期（１ステ
ップ）あたりの移動量は、位相差Ｃにより異なり、最大
で約２．７μｍであり、最小で約０．３μｍであること
が判った。

【００３７】図６は、位相差を変化させた場合の移動量
の変化を示すグラフ図である。測定の結果、位相差が９
０°のとき、移動量が２．７μｍとなり、最大となっ
た。また、位相差が１６５°のとき、移動量が０．３μ
ｍとなり最小となった。さらに、位相差の変化に対し
て、移動量は連続的に変化することが判った。これよ
り、位相差を変化させることで、移動体３を微小移動制
御できることが判った。また、位相差１８０°を境に、
移動体３の移動方向が反転することが判った。

【００３８】つぎに、周波数と移動速度との相関関係に
ついての測定を行った。図７は、位相差を１０１°と
し、入力電圧値を６０Ｖとしたときの、周波数と移動速
度との関係を示すグラフ図である。測定の結果、周波数
を変化させることにより、移動体３の移動速度が連続的
に変化することが判った。また、移動体３の移動速度を
約１〜３５μｍ／ｓｅｃまでの間で広範囲に調整できる
ことが判った。なお、周波数約１０Ｈｚを境にしてグラ
フの傾きが変化している。これは、移動体３の滑り具合
に起因するものである。移動体３の滑り具合は、移動体
３の保持力（ガイドレール２との摩擦力）の調整によっ
て設定できる。

【００３９】図８は、このアクチュエータの駆動装置１
５０を示す構成図である。この駆動装置１５０は、圧電
素子３３、３４に対して位相の異なる特定周波数の電圧
を印加することにより移動体３を移動せしめ、アクチュ
エータ１００のシーケンス制御を行うと共に、リニアス
ケール５により閉ループを形成してフィードバック制御
を行うパーソナルコンピュータ１６０と、パーソナルコ
ンピュータ１６０からの信号を増幅する圧電素子駆動部
１７０とを含んだ構成である。

【００４０】パーソナルコンピュータ１６０は、移動体
３の位置を制御する位置制御部１６１と、移動体３の移
動速度を制御する速度制御部１６２とを有する。また、
位置制御部１６１は、圧電素子３３、３４に印加する電
圧の位相差を設定する位相差設定部１６１１を有する。
速度制御部１６２は、圧電素子３３、３４に印加する電
圧の周波数を設定する周波数設定部１６２１を有する。

【００４１】図９は、図８に示した駆動装置１５０を用
いたアクチュエータ１００の駆動手順を示すフローチャ
ートである。ステップＳ９０１では、パーソナルコンピ
ュータ１６０が移動指令を出す。ステップＳ９０２で
は、パーソナルコンピュータ１６０からの移動指令に基
づき、移動体３の移動速度を設定する。移動速度の設定
は、圧電素子３３、３４に印加する電圧の周波数を変化
させることで行う。周波数の設定は、周波数設定部１６
２１が行う。

【００４２】ステップＳ９０３では、移動体３の移動方
向を決定する。移動方向は、移動体３の初期位置を基準
として定める。位相差１８０°を境に移動方向が反転す
るので、前記移動方向は、位相差を１８０°より大きく
するか、小さくするかによって定める（ステップＳ９０
３〜９０５）。図４の場合を例にすると、移動方向が右
方向の場合には、位相差を１８０°より小さく設定する
（ステップＳ９０４）。移動方向が左方向の場合には、
位相差を１８０°より大きく設定する（ステップＳ９０
５）

【００４３】ステップＳ９０６では、リニアスケール５
により構成した閉ループ回路によって、フィードバック
制御を行う。

【００４４】ステップＳ９０７では、移動体３の位置決
めの分解能が、限界であるか否かを判断する。位置決め
の分解能は、位相差により定まる。このため、さらに微
小な位置制御を行うときは、位相差を変化させる（ステ
ップＳ９０８）。このアクチュエータ１００では、位相
差が１６５°のとき最も分解能が高くなる。位相差が１
６５°のとき、１ステップでの移動量は０．３μｍであ
る。位相差の設定は、位相差設定部１６１１が行う。な
お、上記の処理手順は、パーソナルコンピュータ１６０
により読み取り可能な記録媒体（フロッピーディスク、
光ディスクなど）に記録されている。

【００４５】（実施の形態２）図１０は、この発明の実
施の形態２に係るアクチュエータを示す上面図および側
面図である。このアクチュエータ２００は、アクチュエ
ータ１００の位置調整ネジ４、４に代えてバネ２０１を
用いた点に特徴がある。その他の構成は、実施の形態１
と同様である。

【００４６】バネ２０１には、湾曲した板バネを用い
る。このバネ２０１は、ガイドレール２ｂとベース基板
１の側壁１ａとの間に組み込む。バネ２０１の強さを変
えることで、ガイドレール２ａ、２ｂと移動体３との摩
擦力を変えることができる。このバネ２０１は、容易に
着脱できる。

【００４７】バネ２０１により調整をし、所定の摩擦力
を得たところで、ガイドレール２ｂをベース基板１にネ
ジ止めする。また、バネ２０１がベース基板１の側壁１
ａに当接する部分１ａ’に、調整ネジを設けてもよい。
この調整ネジのねじ込み具合により、バネ２０１の押し
つけ力を調整できる。また、バネ２０１の代わりに、圧
電素子を組み込んでもよい。圧電素子に電圧を印加する
とガイドレール２ａ、２ｂと移動体３との間の摩擦力を
瞬時に変えることができる。また、圧電素子を通電状態
にしておけば、ネジ止めは不要である。

【００４８】（実施の形態３）図１１は、この発明の実
施の形態３に係るアクチュエータを示す上面図および側
面図である。このアクチュエータ３００は、実施の形態
１のアクチュエータ１００を回転構造としたものであ
る。

【００４９】ベース基板３０１は円盤形状である。ベー
ス基板３０１の上面には、ガイドレール３０２ａ、３０
２ｂが取り付けられている。ガイドレール３０２ａ、３
０２ｂは、Ｖ溝３２１ａ、３２１ｂの頂部の高さで分割
する。移動体３０３には、実施の形態１の場合と略同様
のものを用いる。この移動体３０３の接触部３３７ａ、
３３７ｂの曲率は、ガイドレール３０２ａ、３０２ｂの
曲率と一致する。同じく、移動体３０３の接触部３３８
ａ、３３８ｂの曲率は、ガイドレール３０２ａ、３０２
ｂの曲率と一致する。圧電素子３３３は径方向に配置す
る。圧電素子３３４は径方向に対して直角に配置する。

【００５０】移動体３０３は、３つ用いる。この移動体
３０３は、１２０°おきに配置する。符号３６０はテー
ブルである。このテーブル３６０の下部３６０ａは、各
移動体３０３の上部３０３ａと連結している。テーブル
３６０の中心軸３６１は、スラスト軸受け３６２により
支持する。

【００５１】図１２は、図１１に示したアクチュエータ
３００の組立図である。まず、ベース基板３０１に移動
体３０３を載置する。つぎに、ガイドレール３０２ａを
ベース基板３０１に取り付ける。同様に、ガイドレール
３０２ｂをベース基板３０１に取り付ける。ガイドレー
ル３０２ａ、３０２ｂを取り付けると、移動体３０３が
Ｖ溝３２１ａ、３２１ｂによって保持される。つぎに、
ベース基板３０１の軸受部３０１ａにスラスト軸受け３
６２を填め込む。続いて、このスラスト軸受け３６２に
テーブル３６０の中心軸３６１を填め込む。最後に、テ
ーブル３６０の下面３６０ａと各移動体３０３の上面３
０３ａとを連結する。

【００５２】このアクチュエータ３００は、実施の形態
１と同様の駆動装置１５０によって駆動できる。なお、
移動体３０３の個数は、３つに限定されない。

【００５３】（実施の形態４）図１３は、この発明の実
施の形態４に係る小型旋盤を示す斜視図である。図１４
は、図１３に示した小型旋盤を示す上面図および側面図
である。この小型旋盤１０００は、実施の形態１のアク
チュエータ１００を直交配置して、Ｚ−Ｘ軸を構成した
ものである。また、刃物台側ではなく、スピンドル側を
移動制御するようにしたものである。

【００５４】まず、ベット１００１上で、Ｚ軸アクチュ
エータ１００ａを組み立てる。初めに、ガイドレール２
ａ、２ｂをベット１００１上に対向して取り付ける。ガ
イドレール２ａは、ベット１００１上にネジ止めする。
ガイドレール２ｂは、仮止めしておく。つぎに、移動体
３をガイドレール２ａ、２ｂの間に挟み込む。移動体３
を挟んだら、ベット１００１の側壁１００１ａから位置
調整ネジ４をねじ込んで、ガイドレール２ｂを付勢す
る。この位置調整ネジ４によりガイドレール２ａ、２ｂ
の間隔を最適に調整する。調整が終わったら、ガイドレ
ール２ｂをベット１００１にネジ止めする。また、移動
体３の下側には、リニアスケール５を設置する。

【００５５】つぎに、Ｘ軸アクチュエータ１００ｂをア
クチュエータ１００ａ上に直交連結する。符号１００２
は連結基板である。この連結基板１００２はアクチュエ
ータ１００ａの移動体３と、アクチュエータ１００ｂと
を連結する。このアクチュエータ１００ｂはユニット形
式になっている。このアクチュエータユニットに内蔵す
るガイドレール（図示省略）の間隔は予め調整してあ
る。リニアスケール（図示省略）はユニット内に設置さ
れている。また、アクチュエータ１００ｂの上面には、
移動体（図示省略）が露出している。

【００５６】つぎに、Ｘ軸アクチュエータ１００ｂの移
動体上部に、スピンドルユニット１１００を取り付け
る。スピンドルユニット１１００は、マイクロモータ１
２００とスピンドル１３００とを保持ブロック１１０１
で並列固定した構造である。マイクロモータ１２００の
回転軸にはプーリ１２０１が取り付けてある。また、ス
ピンドル軸にはプーリ１３０１が取り付けてある。

【００５７】マイクロモータ１２００のプーリ１２０１
とスピンドル１３００のプーリ１３０１との間には、ベ
ルト１１０２が渡されている。また、マイクロモータ１
２００のプーリ１２０１の径を変えることによりより、
スピンドル１３００の回転数を増減させることができ
る。

【００５８】マイクロモータ１２００の回転数は、１５
０００ｒｐｍである。定格動力は約１．５Ｗである。

【００５９】図１５は、スピンドル１３００の構造を示
す断面図である。符号１３０２はコレットチャックであ
る。コレットチャック１３０２は、４つの割爪１３０３
と抑えネジ１３０４とで構成される。このコレットチャ
ック１３０２は、直径２ｍｍまでのワークＷを把持でき
る。スピンドル１３００のスリーブ１３０５は、ミニチ
ュア玉軸受け１３０６、１３０６（内径４．０ｍｍ、外
形８．０ｍｍ）により支持され、ハウジング１３０７に
収容されている。また、ワークの長さの制約をなくすた
め、プーリ１３０１側は突き抜け構造である。

【００６０】また、ベット１００１上には、刃物台１４
００が設置してある。刃物台１４００にはバイト１４０
１がネジで固定してある。このバイト１４０１は、超硬
合金、ダイヤモンドまたは高速度鋼等多様な材質で製作
する。バイト１４０１の先端は、スピンドル１３００の
回転中心と同じ高さである。

【００６１】図１６は、小型旋盤１０００の駆動装置１
５００を示すブロック図である。この駆動装置１５００
は、主に小型旋盤１０００のＮＣ制御、ＰＣ制御を行う
パーソナルコンピュータ１５０１と、圧電素子駆動部１
５０２と、直流電源供給部１５０３とを有する。アクチ
ュエータ１００ａ、１００ｂの駆動方法は、実施の形態
１と同様である。すなわち、パーソナルコンピュータ１
５０１からの信号を、圧電素子駆動部１５０２が増幅し
て、アクチュエータ１００ａ、１００ｂを駆動する。ま
た、パーソナルコンピュータ１５０１は、Ｚ−Ｘ軸に設
置したリニアスケール５からのフィードバック信号によ
り位置制御を行う。

【００６２】直流電源供給部１５０３は、マイクロモー
タ１２００に電力を供給する。パーソナルコンピュータ
１５０１は、電力の供給または遮断を行う。なお、使用
する電源は、単１乾電池４本でよい。

【００６３】上記のように構成した微小旋盤１０００を
測定したところ、そのサイズは、長さ３２ｍｍ＊奥行き
２５ｍｍ＊高さ３０．５ｍｍであった。また、重量は約
１００ｇであった。一般的な汎用旋盤と比較すると、寸
法で約１／５０、重さで約１／５０００から１／１００
００となり、格段の軽量小型化を達成することができ
た。

【００６４】また、スピンドルユニット１１００の配置
の工夫も、小型化に有効であった。図１７の（ａ）は、
この小型旋盤１０００の要素（スピンドルユニット１１
００、ＺＸ軸アクチュエータ１００、刃物台１４００）
の概略配置を示す説明図である。また、図１６の（ｂ）
は刃物台を移動させる形式による旋盤の概略配置を示す
説明図である。この小型旋盤１０００では、スピンドル
ユニット１１００をＺ−Ｘアクチュエータ１００上に載
置したので、これらの各要素が同じ大きさである場合、
同図（ｂ）の場合に比べて床面積を明らかに小さくする
ことができた。

【００６５】つぎに、この微小旋盤１０００に外形２ｍ
ｍの黄銅材を装着して、スピンドル回転数約１００００
ｒｐｍ、送り速度約１０μｍ／ｓｅｃ、切り込み量約３
０μｍの条件で切削加工を行った。そして、切削面の表
面粗さの測定を行った結果、最大表面粗さが約１．５μ
ｍとなった。また、加工を行った約１．８ｍｍの範囲に
渡って大きなうねりは認められなかった。また、切削部
分の真円度を測定した結果、真円度は約２．５μｍであ
った。この数値結果から、この小型旋盤が汎用旋盤と同
等の加工精度を有することが判った。

【００６６】また、同様の加工条件で、切り込みを繰り
返し、直径６０μｍのニードル加工を行うことができ
た。また、消費電力は、切り込み量２００μｍにおいて
も１．６ｗ程度であった。これに対して、汎用旋盤に一
般的に用いられているモータは定格７３５ｗから１４７
０ｗである。従って、この発明の小型旋盤１０００の消
費電力は、汎用旋盤の約１／５００から１／１０００で
あることがわかる。

【００６７】また、上記実施の形態４では、実施の形態
１のアクチュエータ１００を利用して旋盤を構成した
が、これに限られない。例えば、実施の形態３に示した
回転するアクチュエータ３００を用いて割り出しテーブ
ルを構成してもよい。また、マシニングセンタやロボッ
トなどの産業用機械のみならず、家電製品などにも用い
ることができる。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のアクチ
ュエータ（請求項１）では、変位することでガイド手段
に対する自らの位置を固定可変自在な第１の変位手段
と、この第１の変位手段と連結され、少なくとも第１の
変位手段とは異なる方向に変位する第２の変位手段と、
前記第１の変位手段による固定より弱い力によって前記
ガイド手段に前記第２の変位手段を保持し、前記第２の
変位手段の変位に従って移動する保持手段と、を備えた
ので、第１の変位手段を固定した状態で第２の変位手段
を変位させれば、前記保持手段を移動させることができ
る。移動したあとは、第１の変位手段を元に戻し、その
後、第２の変位手段を元に戻せばよい。このため、２つ
の変位手段により移動が可能となる。また、簡単に構成
できるので、小型化に有利であり、駆動方法も簡単にな
る。さらに、変位手段が２で済むので、変位に費やすエ
ネルギーが少なくて済む。

【００６９】また、この発明のアクチュエータ（請求項
２）では、２本のガイドレールを一定の間隔をもって配
置したガイド手段と、この直線ガイド手段のガイドレー
ルの間に配置され、変位することで当該ガイドレールの
間に固定される第１の変位手段と、この第１の変位手段
の変位方向と直交する方向に変位する第２の変位手段
と、前記第１の変位手段と第２の変位手段とを連結する
と共に前記第１の変位手段による固定より弱い力によっ
て前記ガイドレール間で挟んで保持する保持手段と、を
備えたので、第１の変位手段を固定した状態で第２の変
位手段を変位させれば、前記保持手段を移動させること
ができる。移動したあとは、第１の変位手段を元に戻
し、その後、第２の変位手段を元に戻せばよい。このた
め、２つの変位手段により移動が可能となる。また、簡
単に構成できるので、小型化に有利であり、駆動方法も
簡単になる。さらに、変位手段が２で済むので、変位に
費やすエネルギーが少なくて済む。

【００７０】また、この発明のアクチュエータ（請求項
３）では、上記直線ガイド手段のガイドレール間隔を調
整することにより、前記保持手段の保持力を調整するよ
うにした。この保持力は移動に影響を与えるので、アク
チュエータの移動特性を任意に調整できる。

【００７１】また、この発明のアクチュエータ（請求項
４）では、少なくとも片方のガイドレールに弾性体を設
けて当該ガイドレールに押し付け力を与えるようにし
た。係る構成によれば簡便に上記保持手段の保持力を調
整することができる。

【００７２】また、この発明のアクチュエータ（請求項
５）では、少なくとも片方のガイドレールに変位手段を
設け、この変位手段の変位により前記ガイドレールに押
し付け力を与えるようにした。変位手段は瞬時に変位で
きるので、上記保持手段の保持力を即座に変更できる。

【００７３】また、この発明のアクチュエータ（請求項
６）では、前記第１の変位手段に周期的な変位命令を与
えると共に、前記第２の変位手段に、前記第１の変位手
段に与える周期的な変位命令に対し位相差を持つ周期的
な変位命令を与える周期的変位命令手段と、前記位相差
を変更することで、移動量の分解能を変更する移動量分
解能変更手段とを備えたので、任意の分解能で微小変位
制御が可能となる。

【００７４】また、この発明のアクチュエータ（請求項
７）では、前記第１の変位手段に周期的な変位命令を与
えると共に、前記第２の変位手段に、前記第１の変位手
段に与える周期的な変位命令に対し位相差を持つ周期的
な変位命令を与える周期的変位命令手段と、前記周期を
変更することで、移動速度を変更する移動速度変更手段
とを備えたので、任意の移動速度を容易に得ることがで
きる。

【００７５】また、この発明のアクチュエータの駆動方
法（請求項８）では、前記第１の変位手段を変位させる
ことで前記ガイドレールに対し自らの位置を固定状態と
する手順と、前記第２の変位手段を変位させると共にそ
の変位に伴って前記保持手段を移動させる手順と、前記
第１の変位手段を元に戻す手順と、第２の変位手段を元
に戻すと共に、それに伴って前記第１の変位手段を移動
させる手順と、を含むようにした。このようにすれば、
２つの変位手段により移動が可能となる。また、駆動方
法が簡単になる。

【００７６】また、この発明のアクチュエータの駆動方
法（請求項９）では、前記第２の変位手段を変位させる
と共にその変位に伴って前記第１の変位手段を移動させ
る手順と、前記第１の変位手段を変位させることで前記
ガイドレールに対し自らの位置を固定状態とする手順
と、第２の変位手段を元に戻すと共に、それに伴って前
記保持手段を移動させる手順と、前記第１の変位手段を
元に戻す手順と、を含むようにした。このようにすれ
ば、２つの変位手段により移動が可能となる。また、駆
動方法が簡単になる。

【００７７】また、この発明のアクチュエータの駆動方
法（請求項１０）では、前記第１の変位手段に周期的な
変位命令を与える手順と、前記第２の変位手段に、前記
第１の変位手段に与える周期的な変位命令に対し位相差
を持つ周期的な変位命令を与える手順と、を含むように
した。このようにすれば、２つの変位手段により移動が
可能となる。また、駆動方法が簡単になる。

【００７８】また、この発明のアクチュエータの駆動方
法（請求項１１）では、前記位相差を変更することで、
移動量の分解能を変更する手順を含むようにした。この
ため、任意の分解能で微小変位制御が可能となる。

【００７９】また、この発明のアクチュエータの駆動方
法（請求項１２）では、前記周期を変更することで、移
動速度を変更する手順を含むようにした。このため、任
意の移動速度を容易に得ることができる。

【００８０】また、この発明のコンピュータが読み取り
可能な記録媒体（請求項１３）では、上記のアクチュエ
ータの駆動方法を、コンピュータに実行させるプログラ
ムを記録した。このようなプログラムを用いてアクチュ
エータを駆動すれば、２つの変位手段であっても移動可
能となる。また、駆動方法が簡単になる。さらに、任意
の分解能で微小変位制御が可能であり、任意の移動速度
を容易に得ることができる。

【００８１】また、この発明の小型工作機械（請求項１
４）では、上記アクチュエータを移動手段に用いたの
で、工作機械全体のサイズを小型化することができる。

【００８２】また、この発明の小型工作機械（請求項１
５）では、上記アクチュエータを移動手段に用い、この
移動手段により少なくともスピンドル側を移動させるよ
うにし、刃物側を固定した。このため、刃物台側を移動
させる工作機械に比べ、床面積を小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係るアクチュエータ
を示す斜視図である。

【図２】図１に示したアクチュエータを示す上面図およ
び側面図である。

【図３】図１に示した移動体の構造を示す上面図であ
る。

【図４】図１に示した移動体の移動機構を示す説明図で
ある。

【図５】圧電素子に印加する電圧の波形を示すグラフ図
である。

【図６】位相差を変化させた場合の移動量の変化を示す
グラフ図である。

【図７】周波数と移動速度との関係を示すグラフ図であ
る。

【図８】図１に示したアクチュエータの駆動装置を示す
構成図である。

【図９】図８に示した駆動装置によるアクチュエータの
駆動手順を示すフローチャートである。

【図１０】この発明の実施の形態２に係るアクチュエー
タを示す上面図および側面図である。

【図１１】この発明の実施の形態３に係るアクチュエー
タを示す上面図および側面図である。

【図１２】図１１に示したアクチュエータの組立図であ
る。

【図１３】この発明の実施の形態４に係る小型旋盤を示
す斜視図である。

【図１４】図１３に示した小型旋盤の上面図および側面
図である。

【図１５】図１３に示したスピンドルの構造を示す断面
図である。

【図１６】図１３に示した小型旋盤の駆動装置を示すブ
ロック図である。

【図１７】旋盤の構成要素の配置の違いによる床面積の
違いを比較をするための説明図である。

【図１８】従来におけるインチワーム式アクチュエータ
を示す上面図である。

【符号の説明】

１ ベース基板 ２ａ，２ｂ ガイドレール ２１ Ｖ溝 ３ 移動体 ３ａ 移動体内Ａ部 ３ｂ 移動体内Ｂ部 ４ 位置調整ネジ ５ リニアスケール ３１，３２ ホルダ部 ３３，３４ 圧電素子 ３５ 支持部 ３６ 関節部 ３７，３８ 接触部 ３９ 固定穴 １００ アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 雄一 茨城県つくば市並木１丁目２番地 工業技 術院機械技術研究所内 (72)発明者 古田 一吉 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコー電子工業株式会社内 (54)【発明の名称】 アクチュエータおよびその駆動方法、および、その駆動方法をコンピュータに実行させるための プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体、並びに、そのアクチュエータを用 いた小型工作機械

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 変位することでガイド手段に対する自ら
   の位置を固定可変自在な第１の変位手段と、 この第１の変位手段と連結され、少なくとも第１の変位
   手段とは異なる方向に変位する第２の変位手段と、 前記第１の変位手段による固定より弱い力によって前記
   ガイド手段に前記第２の変位手段を保持し、前記第２の
   変位手段の変位に従って移動する保持手段と、 を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】 ２本のガイドレールを一定の間隔をもっ
   て配置したガイド手段と、 この直線ガイド手段のガイドレールの間に配置され、変
   位することで当該ガイドレールの間に固定される第１の
   変位手段と、 この第１の変位手段の変位方向と直交する方向に変位す
   る第２の変位手段と、 前記第１の変位手段と第２の変位手段とを連結すると共
   に前記第１の変位手段による固定より弱い力によって前
   記ガイドレール間で挟んで保持し、前記第２の変位手段
   の変位に従って移動する保持手段と、 を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
3. 【請求項３】 さらに、前記直線ガイド手段のガイドレ
   ール間隔を調整することにより、前記保持手段の保持力
   を調整する保持力調整手段を備えたことを特徴とする請
   求項２に記載のアクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記保持力調整手段が、少なくとも片方
   のガイドレールに弾性体を設けて当該ガイドレールに押
   し付け力を与え、前記保持手段の保持力を調整するもの
   であることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエー
   タ。
5. 【請求項５】 前記保持力調整手段が、少なくとも片方
   のガイドレールに変位手段を設け、この変位手段の変位
   により前記ガイドレールに押し付け力を与え、前記保持
   手段の保持力を調整するものであることを特徴とする請
   求項３に記載のアクチュエータ。
6. 【請求項６】 さらに、前記第１の変位手段に周期的な
   変位命令を与えると共に、前記第２の変位手段に、前記
   第１の変位手段に与える周期的な変位命令に対し位相差
   を持つ周期的な変位命令を与える周期的変位命令手段
   と、 前記位相差を変更することで、移動量の分解能を変更す
   る移動量分解能変更手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つ
   に記載のアクチュエータ。
7. 【請求項７】 さらに、前記第１の変位手段に周期的な
   変位命令を与えると共に、前記第２の変位手段に、前記
   第１の変位手段に与える周期的な変位命令に対し位相差
   を持つ周期的な変位命令を与える周期的変位命令手段
   と、 前記周期を変更することで、移動速度を変更する移動速
   度変更手段と、 を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つ
   に記載のアクチュエータ。
8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれか一つに記載のア
   クチュエータを駆動するアクチュエータの駆動方法にお
   いて、 前記第１の変位手段を変位させることで前記ガイドレー
   ルに対し自らの位置を固定状態とする手順と、 前記第２の変位手段を変位させると共にその変位に伴っ
   て前記保持手段を移動させる手順と、 前記第１の変位手段を元に戻す手順と、 第２の変位手段を元に戻すと共に、それに伴って前記第
   １の変位手段を移動させる手順と、 を含むことを特徴とするアクチュエータの駆動方法。
9. 【請求項９】 請求項１〜７のいずれか一つに記載のア
   クチュエータを駆動するアクチュエータの駆動方法にお
   いて、 前記第２の変位手段を変位させると共にその変位に伴っ
   て前記第１の変位手段を移動させる手順と、 前記第１の変位手段を変位させることで前記ガイドレー
   ルに対し自らの位置を固定状態とする手順と、 第２の変位手段を元に戻すと共に、それに伴って前記保
   持手段を移動させる手順と、 前記第１の変位手段を元に戻す手順と、 を含むことを特徴とするアクチュエータの駆動方法。
10. 【請求項１０】 請求項１〜７のいずれか一つに記載の
    アクチュエータを駆動するアクチュエータの駆動方法に
    おいて、 前記第１の変位手段に周期的な変位命令を与える手順
    と、 前記第２の変位手段に、前記第１の変位手段に与える周
    期的な変位命令に対し位相差を持つ周期的な変位命令を
    与える手順と、 を含むことを特徴とするアクチュエータの駆動方法。
11. 【請求項１１】 さらに、前記位相差を変更すること
    で、移動量の分解能を変更する手順を含むことを特徴と
    する請求項１０に記載のアクチュエータの駆動方法。
12. 【請求項１２】 さらに、前記周期を変更することで、
    移動速度を変更する手順を含むことを特徴とする請求項
    １０または１１に記載のアクチュエータの駆動方法。
13. 【請求項１３】 前記請求項８〜１２のいずれか一つに
    記載されたアクチュエータの駆動方法を、コンピュータ
    に実行させるためのプログラムを記録したことを特徴と
    するコンピュータが読み取り可能な記録媒体。
14. 【請求項１４】 上記請求項１〜７のいずれか一つに記
    載のアクチュエータを移動手段に用いたことを特徴とす
    る小型工作機械。
15. 【請求項１５】 上記請求項１〜７のいずれか一つに記
    載のアクチュエータを移動手段に用い、該移動手段によ
    り少なくともスピンドル側を移動させるようにし、刃物
    側を固定したことを特徴とする小型工作機械。