JPH07255188A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロマニピュレータ等に応用される超音
波アクチュエータにおいて、微視的な観点からみても不
要な動きがなく剛体的で、小型化を容易に図ることがで
きる超音波アクチュエータを提供する。 【構成】 楕円振動を発生させる超音波振動子１と、こ
の超音波振動子１に圧接し上記楕円振動の作用によって
並進運動を生じる被駆動体２と、この被駆動体２を並進
運動自在に支持する一対のクロスローラガイド３と、上
記超音波振動子１を支持し位置決めするとともに該超音
波振動子１を上記被駆動体２に向けて付勢するねじりば
ね７ａ，７ｂや押圧板５，９でなる支持付勢手段とを備
える超音波アクチュエータにおいて、上記一対のクロス
ローラガイド３は、上記並進運動方向と上記付勢方向と
を同時に含む平面内に配置され、上記被駆動体２はこの
一対のクロスローラガイド３の間に架設され、上記超音
波振動子１はこの一対のクロスローラガイド３の間にて
上記被駆動体２を摩擦駆動することを特徴とする超音波
アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音波アクチュエー
タ、より詳しくは、楕円振動を発生させる超音波振動子
を備えた超音波アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、先に特願平４−３２１０９
６号において、並進運動を発生できる超音波アクチュエ
ータを提案した。

【０００３】上記特願平４−３２１０９６号に記載され
ている超音波アクチュエータに用いられる超音波振動子
の構成と原理の概略を、図２を参照して説明する。

【０００４】同図２に示すように、超音波振動子１は、
２つの積層圧電体１１を３つの保持用弾性体１２ａの間
にその積層方向と一致するよう挟み込み、これをさらに
直方体形状の弾性体１２の一端面にビス１２ｂで固定す
るとともに、該弾性体１２の他端面の振動の腹となる部
分に摺動部材１３を固定して構成されている。

【０００５】このような超音波振動子１の積層圧電体１
１に正弦波電圧を印加すると、弾性体１２に２種類の振
動が同時に励起され、該２種類の振動の変位が合成され
て、摺動部材１３は楕円形の軌跡に沿って振動する。そ
こで該摺動部材１３に図示しない被駆動体を押圧する
と、該楕円形の軌跡の振動から駆動力を受けて、被駆動
体が並進運動する。

【０００６】上記弾性体１２に励起される上記２種類の
振動を、図３，図４を参照して説明する。

【０００７】図３は単純な伸縮運動である共振縦振動を
示している。図４は、該伸縮の方向に伝播する横波の弾
性波であって、２次の定在波になっている共振屈曲振動
を示している。そして、上記伸縮振動の１次共振周波数
と、上記横波の２次の定在波の周波数が一致するよう
に、弾性体１２の長さと高さを設定してある。

【０００８】従って、図２の積層圧電体１１に該周波数
の振動を与えるだけで、上記２種類の振動の変位が合成
されて、上記横波の定在波の腹の位置で、質点が楕円の
軌跡に沿って振動する。そこで、該位置に上記摺動部材
１３を設け、これに被駆動体を押圧すると、該被駆動体
が上記楕円振動の作用を受けて並進運動するようになっ
ている。

【０００９】このような超音波振動子１を用いた超音波
アクチュエータは、直進運動を行うとともに、同直進方
向に強い推力を直接得られて減速機構が不要になるの
で、動作静粛にしてバックラッシュがなく、しかもバー
スト波を入力すればナノメートルオーダーの微細なステ
ップ駆動も可能であるという数々の優れた特徴を有して
いる。

【００１０】本出願人は、さらに特願平５−７９８１４
号において、該超音波アクチュエータを用いたマイクロ
マニピュレータのシステムを提案した。

【００１１】該特願平５−７９８１４号に記載の提案に
よれば、細胞に遺伝子を注入したり神経細胞の電位を測
定する等の細胞操作を行うためのマイクロマニピュレー
タにおいて、駆動源として超音波アクチュエータを用い
ており、これにパーソナルコンピュータ等のホストを組
み合わせてシステムを構成している。これによって、先
端部で細胞操作等を行う極細針形状のキャピラリの動作
条件を定量的に管理することができて、難しい細胞操作
を、熟練を要することなく誰でも簡単に、再現性良く行
うことができるものである。

【００１２】こうしたマイクロマニピュレータにおいて
は、サブミクロンオーダーの微細な変位を様々な速度で
発生する必要があり、しかもこれを高精度に位置決めし
なければならない。このような性能は、従来の電磁型モ
ータ等を用いた駆動機構には望むべくもないが、上記の
超音波アクチュエータはナノメートルオーダーの変位を
再現性良く発生できるために、このような要求に余裕を
以て応えるものであった。

【００１３】図６は上記超音波振動子１を用いた超音波
アクチュエータを示す斜視図、図７は該超音波アクチュ
エータを倒立して示す分解斜視図であり、これらを参照
して、上記特願平５−７９８１４号に記載の例について
説明する。

【００１４】上述のような超音波振動子１は、その定在
波の振動の節となる位置から被支持部たる軸１４を突設
していて、この軸１４により支持体５２に回動自在に支
持されている。より詳しくは、上記支持体５２は、両端
部からガイド柱５４を後述する枠体５１に向けて突設す
るとともに、両側面に一対の挟持板５３を固定してい
る。この挟持板５３には、孔５３ａが穿設されていて、
この孔５３ａに上記軸１４を貫通することにより、超音
波振動子１が回動自在に支持されている。従って、超音
波振動子１の２つの摺動部材１３には、押圧力が均等に
付加されるようになっている。

【００１５】枠体５１は、超音波振動子１を上記支持体
５２を介して支持するとともに、後述する被駆動体６１
を並進運動可能に支持する部材である。すなわち、枠体
５１は、その一対の孔５５にボールブッシュ５６を介し
て上記支持体５２のガイド柱５４を支持するようになっ
ていて、これにより支持体５２は、超音波振動子１を付
勢する方向にのみ並進運動自在である。

【００１６】上記枠体５１の一部５７は、支持体５２を
挟んで被駆動体６１の反対となる側まで延出していて、
この枠体５１の一部５７と支持体５２との間に台座５８
を介してコイルスプリング５９を挿着して、超音波振動
子１を付勢するための押圧力を与えるようになってい
る。また、上記台座５８は、コイルスプリング５９が超
音波振動子１に与える押圧力の多寡を調整可能とする部
材である。

【００１７】被駆動体６１は、その凸状部６２を一対の
クロスローラガイド６３に挟み込むようにして上記枠体
５１の一部に並進運動可能に支持されていて、単一の方
向にのみ並進運動自在となっている。この被駆動体６１
の上面には、超音波振動子１の摺動部材１３に当接する
ための摺動板６４が固設されている。

【００１８】超音波振動子１は、コイルスプリング５９
の押圧力によって該摺動板６４に付勢され、摺動部材１
３の楕円振動の作用により該摺動板６４を変位させる。
この摺動板６４が固設される被駆動体６１には、図示し
ないキャピラリが固設されていて、これによりキャピラ
リを微小駆動できるものである。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】次に、上述したような
従来の超音波アクチュエータの問題点を、図を参照して
説明する。図８は従来の超音波アクチュエータの主要部
を図７の矢印Ｘの方向から見た断面図であり、図９は従
来の超音波アクチュエータの主要部を図７の矢印Ｄの方
向から見て被駆動体の変位を誇張して示した平面図であ
る。

【００２０】まず、第１の問題点を説明する。図８に示
すように、従来の超音波アクチュエータでは、一対のク
ロスローラガイド６３を結んだ線Ｚは、超音波振動子１
の押圧の方向Ｆに直交していた。このために、図７に示
す超音波アクチュエータの幅Ｙが大きくなるという問題
点を有していた。特に、多軸化を図るために複数のアク
チュエータを積み重ねようとすると、全体の寸法が巨大
になり、倒立顕微鏡のサブステージに載らなくなるとい
う問題点を有していた。

【００２１】次に、第２の問題点を説明する。上記図８
に示すように、超音波振動子１は、一対のクロスローラ
ガイド６３に対して偏位して配置されており、被駆動体
６１の重心と、摩擦駆動の着力点との間が遠く離れてし
まっていた。そのために、図９に示すように、被駆動体
６１を駆動しようとするときには、一対のクロスローラ
ガイド６３の間で該被駆動体６１をその重心周りに回転
させようとする力が生じていた。この力のために、被駆
動体１８は、巨視的には並進運動をしているように見え
ても、微視的には揺動しながら動いており、この動きが
寄生振動を誘発する要因となって、顕微鏡の視野下での
使用を困難にするという問題点を有していた。

【００２２】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、微視的な観点からみても不要な動きがなく、小型
化を容易に図ることができる超音波アクチュエータを提
供することを目的としている。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明による超音波アクチュエータは、楕円振動
を発生させる超音波振動子と、この超音波振動子が圧接
され上記楕円振動の作用によって並進運動を生じる被駆
動体と、この被駆動体を並進運動自在に支持する一対の
直動型軸受手段と、上記超音波振動子を支持し位置決め
すると共に該超音波振動子を上記被駆動体に向けて付勢
する支持付勢手段とを有する超音波アクチュエータにお
いて、上記一対の直動型軸受手段は、上記並進運動方向
と上記付勢方向とを同時に含む平面内に配置され、上記
被駆動体はこの一対の直動型軸受手段の間に架設され、
上記超音波振動子はこの一対の直動型軸受手段の間にて
上記被駆動体を摩擦駆動するものである。

【００２４】

【作用】上記一対の直動型軸受手段が被駆動体を並進運
動自在に支持し、上記支持付勢手段が超音波振動子を支
持し位置決めすると共に該超音波振動子を上記被駆動体
に向けて付勢し、超音波振動子が楕円振動を発生させて
上記被駆動体を摩擦駆動し、上記超音波振動子を圧接さ
れる被駆動体が上記楕円振動の作用によって並進運動を
生じる。

【００２５】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１から図５は本発明の一実施例を示したもので
あり、図１は超音波アクチュエータの構成を示す分解斜
視図、図２は超音波振動子を示す正面図、図３は超音波
振動子に励起される共振縦振動を示す図、図４は超音波
振動子に励起される共振屈曲振動を示す図、図５は超音
波アクチュエータを示す断面図である。

【００２６】この実施例の超音波アクチュエータは、図
１に示すように、被駆動体２に設けた窪み２ａに超音波
振動子１を抱き込むようにして収容し、これらを、押圧
部材たる押圧板５，９を介して、超音波アクチュエータ
の基部たる２つの基盤４，８の間に位置決めして主要部
を構成されている。

【００２７】上記被駆動体２は、略矩形の板状部材でな
り、上述のように超音波振動子１を収容する矩形の窪み
２ａを有するとともに、この窪み２ａの内部側面には摺
動板１７が設けられていて、さらに、該窪み２ａの中央
部には、矩形孔２ｂが穿設されている。また、該被駆動
体２は、矩形形状の長辺となる上下端部に一対のクロス
ローラガイド３を備えている。このクロスローラガイド
３は、該被駆動体２と上記基盤４を並進運動自在に接続
しており、これにより、被駆動体２は基盤４に対して、
図中矢印Ａに示す方向にのみ並進運動自在に支持されて
いる。

【００２８】上記基盤４，８は、上記クロスローラガイ
ド３に接触する長手方向の凸部４ｆおよび凸部８ｆをそ
れぞれ有する矩形の板状部材でなる。これら基盤４，８
は、ほぼ中央部に、上記被駆動体２の運動方向に垂直な
方向の長孔４ａ，８ａが穿設され、さらに、この長孔４
ａ，８ａの近傍には、ねじ止め用の孔４ｂ，８ｂと、弾
性部材たるねじりばね７ａ，７ｂの一端が微動自在に貫
通する孔４ｃ，８ｃと、該ねじりばね７ａ，７ｂを保持
する孔４ｄ，８ｄと、このねじりばね７ａ，７ｂの他端
を係合する孔４ｅ，８ｅが穿設されている。そして、こ
のような基盤４，８は、図５に示すように、ボルト２０
により互いに強固に締結されており、これにより、超音
波振動子１と被駆動体２を包み込むように支持する枠構
造体を構成している。

【００２９】上記押圧板５，９は、矩形の板状部材に複
数の孔を穿設してなる。より詳しくは、押圧板９は、中
央部に、上記長孔４ａ，８ａに対し傾斜して設けられた
長孔９ａと、右下角部にねじ１０により基盤８に取り付
けるための孔９ｂと、左下角部にねじりばね７ｂの一端
を係合するための孔９ｃとを穿設している。押圧板５も
同様に、中央部に、上記長孔４ａ，８ａに対し傾斜して
設けられた長孔５ａと、ねじ６により基盤４に取り付け
るための孔５ｂと、ねじりばね７ａの一端を係合するた
めの孔５ｃとを穿設している。このような構成により、
該押圧板５，９は、ねじ６，１０により基盤４，８に対
してそれぞれ回動自在となるように系合されるととも
に、ねじりばね７ａ，７ｂによって、図１の矢印Ｂおよ
び矢印Ｂ’に示す方向に、それぞれ付勢されている。

【００３０】上記超音波振動子１は、図２に示すよう
に、２つの積層圧電体１１を３つの保持用弾性体１２ａ
の間にその積層方向と一致するよう挟み込み、これをさ
らに直方体形状の弾性体１２の一端面にビス１２ｂで固
定するとともに、該弾性体１２の他端面の振動の腹とな
る部分に摺動部材１３を固定して構成されている。そし
て、この超音波振動子１の弾性体１２の両側面のほぼ中
央部からは、被支持部たる軸１４が突設されている。

【００３１】この超音波振動子１の軸１４は、押圧板５
の長孔５ａを貫通して基盤４の基準面となる長孔４ａに
系合している。反対側も同様に軸１４が、押圧板９の長
孔９ａを貫通して基盤８の基準面となる長孔８ａに系合
している。

【００３２】上記押圧板５，９は、それぞれ長孔５ａ，
９ａによって軸１４を長孔４ａ，８ａの壁面に押しつけ
ながら図１中下方に向けて付勢しており、これによって
超音波振動子１の位置決めと被駆動体２への付勢が行わ
れている。

【００３３】次に、このような実施例の作用を説明す
る。上記超音波振動子１の作用は、上記従来例で説明し
たものと同様であり、積層圧電体１１に正弦波電圧を印
加すると、弾性体１２に図３，図４に示すような２種類
の振動が同時に励起され、これら２種類の振動の変位が
合成されて、摺動部材１３は楕円形の軌跡に沿って振動
する。そこで該摺動部材１３に被駆動体２を押圧する
と、該楕円形の軌跡の振動から駆動力を受けて、該被駆
動体２が並進運動する。

【００３４】そして、一対のクロスローラガイド３は、
図５に示すように、超音波振動子１を付勢する方向Ｆに
平行に並べられているために、その幅Ｗは、極めて薄く
なっている。

【００３５】また、超音波振動子１は、被駆動体２の内
部の空間に抱き込まれるように配置され、駆動力を発生
する摺動面が該被駆動体２の内側に設けられている。こ
のような部材の配置によって、被駆動体２の重心は、一
対のクロスローラガイド３の中間点に位置し、摺動面は
該重心の直近に配置される。これにより、被駆動体２が
推力を受けたときに、不要な蛇行をしにくくなり、寄生
振動のない、安定した並進運動が可能になる。

【００３６】このような実施例によれば、被駆動体を支
持する直動型軸受手段を、超音波アクチュエータの本体
を付勢する方向に沿って並べ、該被駆動体の内側の空間
に上記超音波振動子を収容したので、寄生振動のない超
音波アクチュエータを、特に薄型に構成することができ
るとともに、マニピュレータの多軸化を図るために、超
音波アクチュエータのユニットを容易に積み重ねること
ができるという効果がある。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、微
視的な観点からみても不要な動きがなく、小型化を容易
に図ることができる超音波アクチュエータとすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超音波アクチュエータを示
す分解斜視図。

【図２】上記実施例の超音波振動子を示す正面図。

【図３】上記実施例の超音波振動子に励起される共振縦
振動を示す図。

【図４】上記実施例の超音波振動子に励起される共振屈
曲振動を示す図。

【図５】上記実施例の超音波アクチュエータを示す断面
図。

【図６】従来の超音波アクチュエータを示す斜視図。

【図７】上記図６に示した超音波アクチュエータを倒立
して示す分解斜視図。

【図８】上記図６に示した超音波アクチュエータを、図
７の矢印Ｘの方向から見た断面図。

【図９】上記図６に示した超音波アクチュエータを、図
７の矢印Ｄの方向から見たときの、超音波振動子と被駆
動体との位置関係を示す平面図。

【符号の説明】 １…超音波振動子 ２…被駆動体 ３…クロスローラガイド（直動型軸受手段） ４，８…基盤 ５，９…押圧板（支持付勢手段） ７ａ，７ｂ…ねじりばね（支持付勢手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津幡 敏晴 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 (72)発明者 大内 孝司 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 楕円振動を発生させる超音波振動子と、 この超音波振動子が圧接され、上記楕円振動の作用によ
   って並進運動を生じる被駆動体と、 この被駆動体を並進運動自在に支持する一対の直動型軸
   受手段と、 上記超音波振動子を支持し位置決めすると共に該超音波
   振動子を上記被駆動体に向けて付勢する支持付勢手段
   と、 を具備する超音波アクチュエータにおいて、 上記一対の直動型軸受手段は、上記並進運動方向と上記
   付勢方向とを同時に含む平面内に配置され、上記被駆動
   体はこの一対の直動型軸受手段の間に架設され、上記超
   音波振動子はこの一対の直動型軸受手段の間にて上記被
   駆動体を摩擦駆動することを特徴とする超音波アクチュ
   エータ。