JPH09285152A - 超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波モータへの押圧力とガイドの予圧とによ
ってガイドが変形を起こすことなく、常にガイドをスム
ーズに安定した状態で動作させる。 【解決手段】共にコ字状に形成され、互いの開口側が遊
嵌され、その一方がステージに固設された一対のガイド
部材31，32と、これら一対のガイド部材31，32の対向す
る双璧部31ａと32ａ、31ｂと32ｂの接触する各面側及び
その間に設けられた、直線状のＶ字溝31a1，32a1，31b
1，32b1及び転動体としてのボール33よりなる２本のガ
イド機構と、上記遊嵌された一対のガイド部材31，32間
に挟まれた空間内に配設され、該一対のガイド部材31，
32を上記Ｖ字溝31a1，32a1，31b1，32b1に沿って相対的
に移動させる超音波弾性体34及び摺動部材37からなる超
音波リニアモータと、この超音波リニアモータを用いて
上記空間を内面側から押圧すると共に、上記２本のガイ
ド機構に対する予圧を加える押圧バネ36とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、用途は顕微鏡装置
に限られないが、特に微細な動きを要する顕微鏡装置に
適した、定在波型超音波モータを用いて直線運動する超
音波モータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、精密機器や光学分野などでは、こ
れまでの電磁型モータに比して小型でありながら高トル
クが得られるなど種々の利点を有する利点を有する超音
波モータが使用されるようになっている。超音波モータ
は円運動を行なう回転形と直線運動を行なうリニア形と
に大別され、このうちリニア形としては例えば特開平６
−１０５５７１号に開示されたものが知られている。

【０００３】すなわち、この開示された超音波リニアモ
ータは、電気−機械エネルギ変換素子である圧電素子を
駆動源として並進運動を発生可能にしたもので、例えば
図４に示す如く直方体形状をなす弾性体１の上面に一対
の圧電素子２ａ，２ｂを配設すると共に、弾性体１の下
面に一対の摺動部材３，３を配設して、超音波振動子を
構成している。なお、４は上記圧電素子２ａ，２ｂを弾
性体１に保持するための保持用弾性体を示している。

【０００４】このような超音波振動子において、圧電素
子２ａ，２ｂに正弦波電圧を印加すると、図５に示すよ
うな弾性体１の長手方向に沿った伸縮動作と、図６に示
すような弾性体１の長手方向に伝播する二次の定在波か
らなる横波の屈曲振動とが同時に励起される。このと
き、弾性体１の長さ及び幅のそれぞれの寸法は、伸縮振
動と横波である二次屈曲振動とが一致するように設定さ
れている。このため、二次の定在波の振動の腹の位置で
は、上記二種類の振動の変位が合成されて、弾性体１上
の質点が楕円形の軌跡に沿って移動することになる。し
たがって、この振動の腹の位置に上記摺動部材３，３を
配置することで、これら摺動部材３，３に押圧した被駆
動体を並進運動させることができる。

【０００５】特開平６−３４２１２１号（特願平５−７
９８１４号）には、この超音波モータを顕微鏡のステー
ジに組込んだ直線運動超音波モータステージが開示され
ている。図７及び図８は超音波モータステージの斜視図
及び分解斜視図を示したものであり、図８は図７の超音
波モータステージ１１の分解斜視図を倒立して示してい
る。

【０００６】超音波モータステージ１１は、断面がコ字
形をなす枠体１２の対向する一方の面が、その正面側か
ら背面側に向けて超音波弾性体１３の横幅よりも若干大
きな幅で切り欠かれており、その切欠部に超音波弾性体
１３が挿入されている。

【０００７】超音波弾性体１３は、弾性体１３ａと、こ
の弾性体１３ａに固設され電気エネルギを幾何学的な変
位に変換する積層圧電体１３ｂとから構成されている。
さらに、超音波弾性体１３の両側面であって、該超音波
弾性体１３に生じる弾性波の振動の節となる位置に支持
ピン１３ｃが植設されている。

【０００８】弾性体１３ａ、積層圧電体１３ｂの伸縮振
動から楕円振動を得るものであって、後述する如く二種
の弾性波が定在する。この超音波弾性体１３における積
層圧電体１３ｂの取付け面と対向する面に一対の摺動部
材１３ｄが設けられている。弾性波の振動の節となる位
置に支持ピン１３ｃが植設されていることから、超音波
弾性体１３の２つの摺動部材１３ｄに押圧力が均等に付
加される。

【０００９】超音波弾性体１３の両側面に設けられた支
持ピン１３ｃは、支持体１５に固設された一対の挾持板
１６に回動自在に支持されている。支持体１５には、保
持する超音波弾性体１３の方向に向けて２本のガイド柱
１７が設けられている。

【００１０】一方で、枠体１２の超音波弾性体挿入側の
端面に各ガイド柱１７を挿入するための穴１８が形成さ
れている。そして、支持体１５のガイド柱１７が枠体１
２の対応する各穴１８に一対のボールブッシュ１９を介
して挿入されている。支持体１５は、該枠体１２に一対
のボールブッシュ１９を介して支持されるため、超音波
弾性体１３を付勢する方向にのみ並進運動自在となる。

【００１１】また、枠体１２の背面には支持アーム２０
が固設されている。支持アーム２０は、その先端部が９
０度に曲げられて支持体１５の下面と対向する位置まで
伸びている。その支持アーム２０の先端部に台座２１が
設けられ、この台座２１と支持体１５の下面との間にコ
イルスプリング２２が設けられている。

【００１２】コイルスプリング２２は、支持体１５を介
して超音波弾性体１３の摺動部材１３ｄを後述する可動
体側に付勢するための押圧力を与える。なお、台座２１
は、コイルスプリング２２が超音波弾性体１３に与える
押圧力を調整することができる。

【００１３】枠体１２の内部には板状の可動体２３が移
動可能に挿入されている。この可動体２３は、一方の面
に移動方向に沿って凸状部２３ａが形成されている。枠
体１２の一方の対向面には、対接させた一対のＶ字溝で
形成される空間内にボール、ころ等の転動体を複数挿入
したリニアガイド２４が配設されており、このリニアガ
イド２４に可動体２３の凸状部２３ａが摺動自在に挿入
されている。

【００１４】また、可動体２３の他方の面には摺動板２
３ｂが面設されている。超音波弾性体１３はコイルスプ
リング２２の押圧力によって該摺動板２３ｂに付勢さ
れ、超音波弾性体１３の摺動部材１３ｄが摺動板２３ｂ
に所定の押圧力で押付けられる。

【００１５】したがって、超音波弾性体１３の摺動部材
１３ｄが可動体２３の摺動板２３ｂに押圧され、摺動部
材１３ｄの楕円振動によって可動体２３を摩擦駆動し並
進運動させることができる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述した超音波モータ
ステージの構造にあっては、図７，図８に示した如く直
線運動するガイド２４を組立てる際の、所謂予圧の方向
と、超音波モータの押圧の方向とが直交する構成となっ
ている。ここで予圧とは、ボール、ローラ等の転動体を
有するガイド機構において、がたつきを除去し、負荷荷
重に対する変形を少なくするために、予め所定の荷重を
ガイド機構に付加しておくことである。

【００１７】そのため、極端な場合は、直交した方向で
２つの力が与えられることによって、各ガイド機構内に
挿入された転動体に不適切な力が加わってしまい、がた
つき等を生じてしまうことがあり得る。

【００１８】図９は上記リニアガイド２４内に転動体と
して複数のローラ２４ａが交互に軸方向を９０度ずらし
た状態で挿入されていた場合を例示したもので、上記予
圧及び超音波モータの押圧が直交する方向に加わること
で、対接された一対のＶ字溝で形成される空間がずれた
状態を示している。

【００１９】したがって、図９（ａ）に示すような方向
に挿入されたローラ２４ａはその周面が上記Ｖ字溝の内
壁面に接していることで転動体として機能するものの、
このようなローラ２４ａと交互に配列された、図９
（ｂ）に示すような軸方向が９０度ずれた方向に挿入さ
れたローラ２４ａにあっては、その周面は上記Ｖ字溝の
内壁面と接することなく、転動体としてはまったく機能
していない状態となる。

【００２０】上記のような不具合は転動体としてボール
を使用した場合にも発生し得るもので、ボールを使用し
た場合には、上記Ｖ字溝に挟まれたボールが正常な状態
では４点でＶ字溝内壁と接するのに対し、上記図７で示
したような状態では２点で接することになり、非常に不
安定な状態となって、可動体をスムーズ且つ正確に直線
移動させることが困難となる。

【００２１】特にマイクロマニピュレータ等のように、
軽荷重でミクロン・オーダの極微小な動きが要求される
ものにおいては、上記ガイド機構は高精度で負荷能力
（合成）の小さなものとなるから、ガイドへの予圧力も
それに見合った小さなもの、例えば５ｋｇｆ程度とな
る。超音波弾性体の押圧力は２〜３ｋｇｆ程度のもので
あるから、両者の大きさが近くなり、上記図９で示した
ようなガイドの変形及びそれに基づくガイド内の転動体
によるがたつき等を生じ易くなる。

【００２２】本発明は上記のような実情に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、超音波モータへの
押圧力とガイドの予圧とによってガイドが変形を起こす
ことなく、常にガイドをスムーズに安定した状態で動作
させることが可能な超音波モータを提供することにあ
る。

【００２３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
直線ガイドに沿って超音波リニアモータの駆動により直
線移動する超音波モータにおいて、上記超音波リニアモ
ータの押圧力の方向と上記直線ガイドへの予圧方向とを
一致させるようにしている。

【００２４】請求項２記載の発明は、共にコ字状に形成
され、互いの開口側が遊嵌され、その一方がステージに
固設された一対のガイド部材と、これら一対のガイド部
材の対向する双璧部の接触する各面側及びその間に設け
られた、直線状のガイド溝部及び転動体よりなる２本の
ガイド機構と、上記遊嵌された一対のガイド部材間に挟
まれた空間内に配設され、該一対のガイド部材を上記ガ
イド溝部に沿って相対的に移動させる超音波リニアモー
タと、この超音波リニアモータを用いて上記空間を内面
側から押圧すると共に、上記２本のガイド機構に対する
予圧を加える押圧部材とを具備するようにしている。

【００２５】この結果、請求項１または請求項２記載の
発明によれば、超音波リニアモータの押圧力の方向と上
記直線ガイドへの予圧方向とを一致させることにより、
ガイドが変形を起こすことなく、ガイドのスムーズな動
きを保持することができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の一形態を説明する。図１はその構成を例示するもの
で、３１，３２は共にコ字状の形状をした一対のガイド
部材であり、対向するそれぞれの璧部３１ａ，３１ｂ，
３２ａ，３２ｂが噛合うようにこれらの開口側が遊嵌さ
れ、図示はしないがそのうちの一方が顕微鏡のステージ
と固設される。

【００２７】このとき、ガイド部材３１の璧部３１ａと
ガイド部材３２の璧部３２ａ、同じく璧部３１ｂと璧部
３２ｂのそれぞれ接触する面側には対向する位置に図面
の鉛直方向に伸びるＶ字溝３１ａ１，３２ａ１，３１ｂ
１，３２ｂ１が形成され、これらＶ字溝３１ａ１，３２
ａ１，３１ｂ１，３２ｂ１でできた図中の上下各１本の
空間にそれぞれ複数のボール３３，３３，…が転動体と
して挿入される。

【００２８】また、上記壁部３２ａと璧部３１ｂに挟ま
れる空間内には、超音波弾性体３４、押圧部材３５、押
圧バネ３６、及び摺動部材３７が配される。壁部３１ａ
の内面側に固定された押圧バネ３６の押圧力が、押圧部
材３５を介して上記押圧バネ３６と一体にして構成され
る超音波弾性体３４に与えられることで、この超音波弾
性体３４が、対接するように壁部３１ｂの内面側に固設
された摺動部材３７に押し付けられるものである。

【００２９】この押圧バネ３６の押圧力である、超音波
弾性体３４が摺動部材３７に押し付けられる力は、その
まま上記ガイド部材３１を図の下方に、ガイド部材３２
を図の上方に移動させる力として働き、結果としてＶ字
溝３１ａ１及び３２ａ１によりボール３３を、同じくＶ
字溝３１ｂ１，３２ｂ１によりボール３３をそれぞれ押
圧する予圧として働くこととなる。

【００３０】しかるに、上記超音波弾性体３４自体の構
成は上記図２に示したものと同様であり、超音波弾性体
３４に上記図３及び図４で示したような振動を励起させ
ると、押圧バネ３６による押圧力に応じた摩擦力によ
り、超音波弾性体３４の振動が摺動部材３７を介してガ
イド部材３１に伝播し、推力となる。

【００３１】その結果、上記Ｖ字溝３１ａ１，３２ａ
１、３１ｂ１，３２ｂ１に沿ってガイド部材３１がガイ
ド部材３２と相対的に図面の鉛直方向に直線移動するよ
うになる。

【００３２】このとき、上述した如く超音波弾性体３４
に加える押圧バネ３６の押圧力はそのままガイド部材３
１，３２に同一方向の予圧として働き、上記Ｖ字溝３１
ａ１，３２ａ１、同３１ｂ１，３２ｂ１に挟まれたそれ
ぞれボール３３を弾性変形させるもので、この超音波弾
性体３４による押圧力は例えば２〜３ｋｇｆ程度に設定
すればよい。

【００３３】このように、超音波弾性体３４と摺動部材
３７間の摩擦力として与えるための押圧バネ３６の押圧
力をガイド機構の予圧としても利用しているため、ガイ
ド予圧のための機構が不要の単純な構造となり、全体を
小型化することが可能となると共に、ガイド部材３１，
３２に無理な力が加わることなく、安定した直線運動を
実現することができる。

【００３４】図２は上記図１と同様構成の超音波モータ
４０を顕微鏡用マニピュレータに適用した場合の構成例
を示すものである。ここでは一対のコ字状形状のガイド
部材４１，４２のうちの一方４１を固定側とし、他方を
移動側として、この他方側のガイド部材４２に一体に固
定した固定部材４３と押し板４４及び固定ねじ４５を用
いて支持棒４６を挾持させている。

【００３５】そして、この支持棒４６の先端に一体に設
けられた針ホルダ４７の溝部に針４８が挿着され、針固
定つまみ４９によって該溝部と挾持固定されるもので、
超音波モータ４０の直線駆動により、針４８の先端でシ
ャーレ５０上の細胞操作等を行なうものである。

【００３６】次いで図３に上記超音波モータ４０をセッ
トした顕微鏡を含む実際のマニピュレータシステムを例
示する。同図で、６０は倒立顕微鏡であり、支柱６１に
て支持されたマニピュレータの固定台であるサブステー
ジ６２がステージ近傍に付設されている。サブステージ
６２には、Ｘ，Ｙ，Ｚの直交座標系を備えた可動機構７
０が設けられている。

【００３７】すなわち可動機構７０では、サブステージ
６２上に上記超音波モータ４０と同様構成のＸステージ
６３が保持され、このＸステージ６３上に同じく上記超
音波モータ４０と同様構成でＸステージ６３と直交する
方向に直線移動するＹステージ６４が保持される。これ
らＸステージ６３及びＹステージ６４により、高軸に対
して直交するＸＹ平面上で任意に移動可能となる。

【００３８】さらに、上記Ｙステージ６４上に上記ＸＹ
平面と直交するＺ軸方向（図面の上下方向）に直線移動
する上記超音波モータ４０と同様構成のＺステージ６５
が保持され、このＺステージ６５にブラケット６６を介
して、上記針４８を支持棒４６に装着した超音波モータ
４０が取付けられる。

【００３９】また、この倒立顕微鏡６０のステージ７１
上には照明装置７２が配置されており、この照明装置７
２で照明されるステージ７１上の細胞等を上記針４８に
より微細操作するべく、上記可動機構７０のＸステージ
６３、Ｙステージ６４、及びＺステージ６５と超音波モ
ータ４０をそれぞれ駆動制御するものである。

【００４０】なお、上記図１の構造ではガイド機構の転
動体としてボールを用いるものとして説明したが、これ
に限らず、ローラを用いても良い。また、上記Ｖ字溝３
１ａ１，３２ａ１，３１ｂ１，３２ｂ１に代えて平溝と
し、所謂ワイヤガイドの構成とすることも可能である。

【００４１】また、上記実施の形態では特に微細な動き
を要する顕微鏡装置のステージ機構に本発明を適用した
場合を例示したが、本発明の用途は顕微鏡装置に限るも
のではないことは勿論である。その他、本発明は上記実
施の一形態に限らず、その要旨を逸脱しない範囲で種々
変形可能であるものとする。

【００４２】

【発明の効果】以上詳記した如く本発明によれば、超音
波モータへの押圧力とガイドの予圧とによってガイドが
変形を起こすことなく、常にガイドをスムーズに安定し
た状態で動作させることが可能な超音波モータ用ステー
ジ機構を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係る構造を例示する
図。

【図２】同実施の形態に係る超音波モータを顕微鏡用マ
ニピュレータに適用した場合の構成例を示す斜視図。

【図３】図２の顕微鏡用マニピュレータをセットしたマ
ニピュレータシステムの外観構成を示す図。

【図４】超音波モータの基本構造を例示する図。

【図５】超音波弾性体の動作を説明するための図。

【図６】超音波弾性体の動作を説明するための図。

【図７】超音波モータステージの構造を例示した斜視
図。

【図８】超音波モータステージの構造を例示した分解斜
視図。

【図９】図７及び図８の超音波モータステージのガイド
機構における変形状態を説明する図。

【符号の説明】

１…弾性体 ２ａ，２ｂ…圧電素子 ３，１３ｄ，３７…摺動部材 ４…保持用弾性体 １１…超音波モータステージ １２…枠体 １３，３４…超音波弾性体 １３ａ…弾性体 １３ｂ…積層圧電体 １３ｃ…支持ピン １５…支持体 １６…挾持板 １７…ガイド柱 １８…穴 １９…ボールブッシュ ２０…支持アーム ２１…台座 ２２…コイルスプリング ２３…可動体 ２３ａ…凸状部 ２３ｂ…摺動板 ２４…リニアガイド ２４ａ…ローラ ３１，３２，４１，４２…ガイド部材 ３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ…璧部 ３１ａ１，３１ｂ１，３２ａ１，３２ｂ１…Ｖ字溝 ３３…ボール ３５…押圧部材 ３６…押圧バネ ４０…超音波モータ ４３…固定部材 ４４…押し板 ４５…固定ねじ ４６…支持棒 ４７…針ホルダ ４８…針 ４９…針固定つまみ ５０…シャーレ ６０…倒立顕微鏡 ６１…支柱 ６２…サブステージ ６３…Ｘステージ ６４…Ｙステージ ６５…Ｚステージ ６６…ブラケット ７０…可動機構 ７１…ステージ ７２…照明装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線ガイドに沿って超音波リニアモータ
   の駆動により直線移動する超音波モータにおいて、 上記超音波リニアモータの押圧力の方向と上記直線ガイ
   ドへの予圧方向とを一致させたことを特徴とする超音波
   モータ。
2. 【請求項２】 共にコ字状に形成され、互いの開口側が
   遊嵌され、その一方がステージに固設された一対のガイ
   ド部材と、 これら一対のガイド部材の対向する双璧部の接触する各
   面側及びその間に設けられた、直線状のガイド溝部及び
   転動体よりなる２本のガイド機構と、 上記遊嵌された一対のガイド部材間に挟まれた空間内に
   配設され、該一対のガイド部材を上記ガイド溝部に沿っ
   て相対的に移動させる超音波リニアモータと、 この超音波リニアモータを用いて上記空間を内面側から
   押圧すると共に、上記２本のガイド機構に対する予圧を
   加える押圧部材とを具備したことを特徴とする超音波モ
   ータ。