JP2753185B2 - インチワーム型アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対象物を移送したり或
いは自分自身が移動するインチワーム型アクチュエー
タ、およびこれを用いた観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シャフトの軸方向に沿って伸縮するリニ
ア部とその前後方向に配設されたクランプ部の動作を適
宜切り替え、シャフトを移送したり或いは自分自身が移
動する方法として、インチワーム型アクチュエータが知
られており、光学機器のミラーの位置決めや半導体製造
装置のウエハの位置合せなどに用いられるている。この
ようなインチワーム型アクチュエータとして、例えば、
米国特許３９０２０８４号明細書、米国特許３９０２０
８５号明細書および特願昭６３−４２３７５号がある。
公知のインチワーム型アクチュエータの基本的な構成例
を図８に示す。

【０００３】図８に示すように、インチワーム型アクチ
ュエータ１は、被クランプ体であるシャフト１０の軸方
向に沿って伸縮するリニア部４と、このリニア部４の前
後に配設されたクランプ部２，３とを有している。この
うちリニア部４は、シャフト１０を挿通できる中空円筒
状の移動用圧電素子８からなっている。クランプ部２，
３は、シャフト１０上を摺動する可動ベース７，９を有
し、これら可動ベース７，９の一端部は移動用圧電素子
８の両端にそれぞれ固着されている。

【０００４】可動ベース７，９の他端部には、シャフト
１０の周方向に適宜間隔で配設され、軸方向に延びるク
ランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ〜１１ｃが、各々一体
形成されている。これらクランプアーム６ａ〜６ｃ、１
１ａ〜１１ｃと可動ベース７，９の連結部は、弾性ヒン
ジ１２となっており、クランプアーム６ａ〜６ｃ、１１
ａ〜１１ｃの先端部が、この弾性ヒンジ１２を支点とし
てシャフト１０の半径方向に回転するようになってい
る。

【０００５】また、クランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ
〜１１ｃは、他の弾性ヒンジ１３をそれぞれ有してい
る。これら他の全体ヒンジ１３は、シャフト１０の軸方
向に沿って配設された角棒状のクランプ用圧電素子５ａ
〜５ｃ（５ｃは図示されていない）の一端部に固着さ
れ、さらに、クランプ用圧電素子５ａ〜５ｃの他端部は
可動ベース７，９の外周に形成されたフランジ部１９に
固着されている。

【０００６】この場合、クランプ用圧電素子５ａ〜５ｃ
が延びると、クランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ〜１１
ｃが各々有する上下２つの弾性ヒンジ１２，１３間の長
さとクランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ〜１１ｃの長さ
とのレバー比により、クランプ用圧電素子５ａ〜５ｃの
変位が拡大され、クランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ〜
１１ｃが回動する。

【０００７】上述のように構成されたインチワーム型ア
クチュータ１は、クランプ用圧電素子５ａ〜５ｃおよび
移動用圧電素子８に供給する電圧を適宜切り替えること
により、インチワーム運動を繰り返してシャフト１０の
軸に沿って自分自身が移動し、或いはシャフト１０を移
送することになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のイ
ンチワーム型アクチュエータ１においては、圧電素子の
変位量が微小であることから、シャフト１等のクランプ
対象とクランプ部２，３との加工精度を高めたり、間隔
調整を行なう必要がある。しかしながら、加工精度を高
めたり間隔調整を行なうことはむずかしく、このためク
ランプ用電圧素子５ａ〜５ｃの変位を拡大する変位拡大
機構（クランプアーム６ａ〜６ｃ、１１ａ〜１１ｃおよ
びヒンジ１２，１３）を設けることが一般的である。

【０００９】しかしながら、この変位拡大機構６ａ〜６
ｃ，１１ａ〜１１ｃ，１２，１３は、組立て誤差等によ
る製作誤差を小さく抑える必要があるため一体成型で製
作されることが多く、製作上のコスト上昇あるいは負荷
の制限といった制約を生じさせている。このためアクチ
ュエータとして、限定的な使用をせざるを得ない。ま
た、アクチュエータ１を構成するリニア部４と、その前
後方向に配設されたクランプ部２，３が互いに剛に連結
されているため、例えばシャフト１０に曲げが加わるよ
うな負荷が作用した場合には、リニア部４の圧電素子８
に負荷が直接伝わり、圧電素子８の破損を招くこともあ
る。これは、圧電素子８の機械的特性が、引張りや変位
方向に垂直な剪断方向の外力に弱いためである。

【００１０】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、変位拡大機構を必要とせず従って加工精度
や間隔調整等の問題を解決することができるインチワー
ム型アクチュエータおよびこれを用いた観察装置を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
非磁性体からなる対象物に所定間隔をおいて配置された
磁性体基板と、この磁性体基板に取付けられ前記対象物
側に向って延びる少なくとも１つの磁性体固定梁および
少なくとも２つの磁性体揺動梁と、各梁間に設けられ電
圧の印加により各梁間に磁気的吸引力を発生させるコイ
ルと、各コイルに所定タイミングで電圧を印加する電圧
発生手段とを備え、前記揺動梁は前記コイルにより生じ
る磁気的吸引力によって揺動する弾性体であり、その先
端は前記対象物に当接することを特徴とするインチワー
ム型アクチュエータである。

【００１２】

【作用】本発明によれば、電圧発生手段から所定タイミ
ングで各コイルに電圧を印加することにより、各梁間に
磁気的吸引力を発生させ揺動梁を揺動させる。この間揺
動梁の先端を対象物に当接させ、対象物をアクチュエー
タに対して相対的に移送させる。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。

【００１４】図１乃至図３は、本発明によるインチワー
ム型アクチュエータの第１の実施例を示す図である。図
１に示すように、インチワーム型アクチュエータ２０
は、基板２０ａと、基板２０ａ上に一端が固定された２
本の固定梁２１，２６と、基板２０ａ上に一端が固定さ
れた３本の揺動梁２２〜２４とを備えている。また基板
２０ａと固定梁２１と揺動梁２２〜２４は磁性体からな
り、全体としてくし歯状のヨークを構成している。

【００１５】ヨークの固定梁２１，２６および揺動梁２
２〜２４の解放端部に対向して、非磁性体からなる被駆
動体（対象物）２５が設けられ、固定梁２１，２６およ
び揺動梁２２〜２４間に、各々コイル３０〜３３が設け
られている。このコイル３０〜３３に、電圧を印加して
梁２１〜２４間に磁気的な吸引力を発生させる電圧発生
手段３５と、この電圧発生手段３５の動作タイミングを
決定し電圧発生手段３５を作動させるタイミング発生手
段３６が、順次接続されている。なお、固定梁２１，２
６および揺動梁２２〜２４の先端は被駆動体２５に接触
している。また揺動梁２２〜２４は全体として弾性体か
ら構成され、固定梁２２，２６は全体として剛性体から
構成されている。

【００１６】次に上述のように構成された本発明による
インチワーム型アクチュエータの動作を説明する。コイ
ル３０〜３３に電圧を印加する電圧Ｖ［Ｖ］のタイムチ
ャートを図２に示す。すなわち、図２に示すように電圧
Ｖのタイムチャートは、 コイル３０に電圧を供給す
る。

【００１７】 同時刻において、コイル３３の電圧供
給を止める。

【００１８】 Ｔａ時間進んだ時刻において、コイル
３２の電圧供給を止める。

【００１９】 同時刻において、コイル３３に電圧を
供給する。

【００２０】 さらにＴａ時間進んだ時刻において、
コイル３１の電圧供給を止める。

【００２１】 同時刻において、コイル３２に電圧を
供給する。

【００２２】 さらにＴａ時間進んだ時刻において、
コイル３０の電圧供給を止める。

【００２３】 同時刻において、コイル３１に電圧を
供給する。からなっている。

【００２４】以上の〜の動作を繰り返すことによ
り、インチワーム型アクチュエータ２０は、例えば被駆
動体２５を何等かの手段で外部に固定した状態で、図１
の矢印Ａの方向に移動する。

【００２５】図２において、Ｔａは切替えタイミングの
基準となる単位時間、Ｔは一連の動作が完了するために
要する時間で、Ｔａの４倍の時間となる。左右の方向の
切替えは、コイル３０〜３３の電圧の供給を逆にすれば
よい。

【００２６】図３は、図２に示すタイムチャートによっ
てインチワーム型アクチュエータ２０を駆動したときの
動作原理を示す模式図である。図３（ａ）は上述のタイ
ムチャートのとを実行したときの状態を示すもので
ある。この時、電圧発生手段３５からコイル３０に電圧
が印加されると、左側の固定梁２１と、揺動梁２２と、
これらを連結する基板２０ａと、固定梁２１の磁極部２
１ａと揺動梁２２の磁極部２２ａとの間の間隔を貫通す
る磁気ループＭ１が形成される。そして、この磁気ルー
プＭ１の磁気力によって、揺動梁２２は固定梁２１に引
き寄せられて接触するか、あるいは磁気力と揺動梁２２
のばね力等とがバランスした位置に移動する。

【００２７】同様に、コイル３１に電圧が印加される
と、揺動梁２２，２３と、これらを連結する基板２０ａ
と、揺動梁２２の磁極部２２ｂと揺動梁２３の磁極部２
３ａとの間の間隔を貫通する磁気ループＭ２が形成さ
れ、この磁気ループＭ２の磁極によって揺動梁２２，２
３は互いに引き寄せられる。さらに、コイル３２に電圧
が印加されると、揺動梁２３，２４と、これらを連結す
る基板２０ａと、揺動梁２３の磁極部２３ｂと揺動梁２
４の磁極部２４ａとの間の間隔を貫通する磁気ループＭ
３が形成され、この磁気ループＭ３の磁気力によって弾
性梁２３，２４は互いに引き寄せられる。この結果、揺
動梁２２〜２４と被駆動体２５とが摩擦し合うことによ
り、アクチュエータ２０は１ステップ量ｘだけ矢印Ａの
方向に向って移動する。

【００２８】図３（ｂ）はフローチャートのとを実
行したときの状態を示すものである。図３（ｂ）に示す
ように、コイル３２の電圧の供給を止めてコイル３３に
電圧が印加されると、固定梁２６と、揺動梁２４と、こ
れらを連結する基板２０ａと、固定梁２６の磁極部２６
ｂと揺動梁２４の磁極部２４ｂとの間の間隔を、それぞ
れ貫通する磁気ループＭ４が形成され、この磁気ループ
Ｍ４の磁気力によって揺動梁２４が固定梁２６に引き寄
せられる。この場合、揺動梁２４と被駆動体２５とが摩
擦し合うことによって移動力が発生するが、他の梁２１
〜２４および２６と被駆動体２５間の摩擦力の方が大き
いためにアクチュエータ２０は何等移動することはな
い。

【００２９】図３（ｃ）はフローチャートのとを実
行したときの状態を示すものである。この場合、コイル
３１の電圧の供給を止めてコイル３２に電圧が印加され
ると、揺動梁２３と、揺動梁２４と、これらを連結する
基板２０ａと、揺動梁２３の磁極部２３ｂと揺動梁２４
の磁極部２４ａとの間の間隔をそれぞれ貫通する磁気ル
ープＭ３が再び形成され、この磁気ループＭ３の磁気力
によって揺動梁２３，２４は互いに引き寄せられる。こ
こで、揺動梁２３と被駆動体２５とが摩擦し合うことに
よって移動力が発生するものの、他の梁２１，２２およ
び２４，２６と被駆動体２５間の摩擦力の方が大きいた
めにアクチュエータ２０は何等移動することはない。

【００３０】図３（ｄ）はフローチャートのとを実
行したときの状態を示すものである。この場合、コイル
３０の電圧の供給を止めてコイル３１に電圧が印加され
ると、揺動梁２２と、揺動梁２３と、これらを連結する
基板２０ａと、揺動梁２２の磁極部２２ｂと、揺動梁２
３の磁極部２３ａとの間の間隔をそれぞれ貫通する磁気
ループＭ２が再び形成され、この磁気ループＭ２の磁気
力によって揺動梁２２，２３は互いに引き寄せられる。
ここで、揺動梁２２と被駆動体２５とが摩擦し合うこと
によって移動力が発生するものの、他の梁２１，２３，
２４，２６と被駆動体２５間の摩擦力の方が大きいため
に本発明のアクチュエータ２０は何等移動することはな
い。

【００３１】図３（ａ）〜（ｄ）の動作を繰り返すこと
により、アクチュエータ２０は所望の位置に移動する。
なお、本発明のアクチュエータは１次元の移動に限られ
るものではなく、２次元駆動も容易に可能である。ま
た、２つの固定梁２１，２６と３つの揺動梁２２，２
３，２４の例について示したが、これに限らず少なくと
とも１つの固定梁および少なくとも２つの揺動梁を用い
ても同様の作用効果が得られる。

【００３２】図４は本発明によるインチワーム型アクチ
ュエータの第２の実施例を示す図である。図１乃至図３
に示す第１の実施例と同一部分には同一符号を符して詳
細な説明は省略する。

【００３３】図４において、図１に示す揺動梁２２〜２
４の代わりに、基板２０ａ上に一端が回転軸４０を中心
に回転自在に支持された揺動梁４１，４１が設けられて
いる。揺動梁４１，４１は全体として剛性体からなって
いるが、図１に示す弾性体からなる揺動梁２２〜２４と
同様に揺動運動を行なう。

【００３４】図５は本発明によるインチワーム型アクチ
ュエータの第３の実施例を示す図である。図１乃至図３
に示す第１の実施例と同一部分には同一符号を符して詳
細な説明を省略する。

【００３５】図５において、図１に示す揺動梁２１〜２
４の代わりに、基板２０ａ上に回転軸４０を中心にガイ
ド４３が回転自在に支持され、ガイド４３に沿って剛性
体からなる揺動梁４１が摺動自在に取付けられている。
また揺動梁４１は、ばね４２により下方へ付勢されてい
る。

【００３６】図６は本発明によるインチワーム型アクチ
ュエータの第４の実施例を示す図である。図６に示す第
４の実施例は、図１に示すアクチュエータ２０と被駆動
体２５の間に予圧機構により予圧を与えて、アクチュエ
ータ２０と被駆動体２５との間に働く摩擦力を調整した
ものである。

【００３７】すなわち、図６に示すように、予圧機構５
６は、被駆動体２５に当接する車輪５２と、車輪５２を
回転自在に支持する軸受５３と、軸受５３を支持する押
付部材５４とを有している。また押付部材５４はスプリ
ング５５により被駆動２５側に付勢されている。

【００３８】また、このような構成からなる予圧機構５
６は、インチワーム型アクチュエータ２０と連結部材５
１によって連結されている。

【００３９】図７は本発明によるインチワーム型アクチ
ュエータ２０を管内観察装置に応用した応用例を示す。
図７において、符号６０は撮像モジュールであり、この
撮像モジュール６０はレンズ焦点調整機構および倍率調
整機構を内臓する光学系装置６１と、この光学系６１で
捉えた映像を光電変換する撮像素子６２と、これら光学
系装置６１や撮像素子６２の動作状態を制御するととも
に図示しない信号伝達ケーブルを通じて外部に撮像素子
６２の画像信号を伝送する信号処理部６３とを備えてい
る。また光学系装置６１と撮像素子６２と信号処理部６
３とは、光学系装置６１の略光軸方向に積み重なるよう
に接合一体化されている。また、符号６４は雲台光学系
制御部６５を内臓する基台部であり、基台部６４と撮像
モジュール６０は、各々略球面状に形成された面を有
し、基台部６４と撮像モジュール６０の略球面状の面は
互いに対向し、各々の対向する略球面状の面の間には、
図１に示すアクチュエータ２０が取り付けられている。
そして、アクチュエータ２０により撮像モジュール６０
をアジマスおよびエレベーションの２方法で駆動するよ
うになっている。さらに、撮像モジュール６０の側面部
にはスタッド６６が設けられており、このスタッド６６
には、一端部が基台部６４に固定されたばね要素６７の
他端部が取り付けられ、アクチュエータ２０と映像モジ
ュール６０間に予圧を与えている。

【００４０】また、基帯部６４と撮像モジュール６０の
間には、柔軟性を有する信号線６８が設けられており、
この信号線６８により信号処理部６３からの映像信号が
基台部６４を通じて外部に送り出されるようになってい
る。

【００４１】以上のように構成された管内観察装置は小
形化が可能であり、アクチュエータ２０によって撮像モ
ジュール６０の方向を自在に変えることができる。この
ため撮像モジュール６０により撮像される撮像部分を任
意に選択することができ、例えば管内の壁面等の所望す
る部位の映像を観測することができる。

【００４２】なお、上記実施例において、アクチュエー
タ２０と撮像モジュール６０間に予圧を与えるために、
ばね要素６７を用いているがこれに限られたものではな
く、例えば、アクチュエータ２０と干渉しない構成で新
たに周知の磁気ループを形成してアクチュエータ２０と
撮像モジュール６０間に磁気力を発生させることにより
予圧を与えてもよい。この構成によれば、スタッド６６
等の突起部分を排除できるので、より小形化が可能であ
る。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
その先端が対象物に当接する揺動梁を揺動させることに
より、容易かつ簡単に対象物をアクチュエータに対して
相対的に移送することができる。このため、従来のアク
チュエータのような変位拡大機構を必要としないので、
加工精度や間隔調整の問題が生じることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるインチワーム型アクチュエータの
第１の実施例を示す側面図。

【図２】第１の実施例の電圧の駆動パターンを示すタイ
ムチャート。

【図３】第１の実施例の動作原理を示す模式図。

【図４】本発明によるインチワーム型アクチュエータの
第２の実施例を示す側面図。

【図５】本発明によるインチワーム型アクチュエータの
第３の実施例を示す側面図。

【図６】本発明によるインチワーム型アクチュエータの
第４の実施例を示す側面図。

【図７】本発明による観察装置の一実施例を示す側面
図。

【図８】従来のインチワーム型アクチュエータを示す斜
視図。

【符号の説明】

２０ インチワーム型アクチュエータ ２０ａ 基板 ２１ 固定梁 ２２，２３，２４ 揺動梁 ２５ 被駆動体 ２６ 固定梁 ３０，３１，３２，３３ コイル ３５ 電圧発生手段

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非磁性体からなる対象物に所定間隔をおい
   て配置された磁性体基板と、この磁性体基板に取付けら
   れ前記対象物側に向って延びる少なくとも１つの磁性体
   固定梁および少なくとも２つの磁性体揺動梁と、各梁間
   に設けられ電圧の印加により各梁間に磁気的吸引力を発
   生させるコイルと、各コイルに所定タイミングで電圧を
   印加する電圧発生手段とを備え、前記揺動梁は前記コイ
   ルにより生じる磁気的吸引力によって揺動する弾性体で
   あり、その先端は前記対象物に当接することを特徴とす
   るインチワーム型アクチュエータ。