JPH06143163A - 微小変位機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 バイモルフ素子を適用した微小変位機構を提
供することを目的とするものである。 【構成】 可撓性の三角柱状の芯材２と、この芯材２の
互いに６０°をなす第１〜第３の側面２ａ〜２ｃのそれ
ぞれに、この芯材２の長手方向に沿って貼着された第１
〜第３のバイモルフ素子３〜５とを具備するものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばバイモルフ素
子等の変位素子を使用した微小変位機構、例えばマニュ
ピレ−タ、クランプ装置、マイクロマシン（尺取虫機
構）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】板状の変位素子であるバイモルフ素子(b
imorph element) は、古くから精密機械工学の分野で変
位拡大機構等に広く用いられているもので、反対方向に
分極した２枚の圧電素子を中間に金属を挟んで張り合わ
せ、この金属を一方の端子とし上記圧電素子の外面に付
けた電極をつないで他方の端子とした素子である。バイ
モルフ素子は、上記端子に電圧を印加することで所定の
方向に撓む性質を有する。

【０００３】このバイモルフ素子が応用される機構とし
ては、リレ−、ファン、ＣＣＤスイング撮像機構、オ−
トフォ−カス機構等があるが、アクチュエ−タ、マニュ
ピレ−タへの応用は現在のところ少ない。

【０００４】バイモルフ素子を用いた機構は、積層形変
位素子を用いた機構に比べて変位量が大きくとれるとは
いっても、通常数百μｍ〜数ｍｍであり、アクチュエ−
タ、マニュピレ−タの駆動要素としては不十分だからで
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、盛んに
研究が行われているいわゆるマイクロマシンの分野で
は、取り扱う部品自体が小型、軽量であること、また、
動かす速さや動かす量もそれ程大きくないこと等、バイ
モルフ素子の特徴がうまく適合しており、今後、この分
野でバイモルフ素子を使用したアクチュエ−タやマニュ
ピレ−タ等の微小変位機構の研究が進展するものと思わ
れる。

【０００６】この発明は、このような事情に鑑みて成さ
れたもので、バイモルフ素子等の板状の変位素子を適用
した微小変位機構を提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の第１の手段
は、可撓性の芯材と、この芯材に、この芯材の長手方向
に沿って設けられた少なくとも３以上の板状の変位素子
とを具備することを特徴とするものである。

【０００８】第２の手段は、棒状のア−ムと、このア−
ムの先端部の外面に、一部を固着して巻着され、電圧を
印加することで上記ア−ムの径方向外側に開き、このア
−ムに外挿された部品をクランプする板状の変位素子と
を具備することを特徴とするものである。

【０００９】第３の手段は、長手方向中途部に圧電素子
を具備し、軸方向に伸縮可能に設けられた軸部と、この
軸部の軸方向両端部に一部を固着して巻着され、電圧が
印加されることで、この軸部の径方向外側に開く第１、
第２の板状の変位素子とを具備することを特徴とするも
のである。

【００１０】

【作用】第１の手段によれば、所定の板状の変位素子を
作動させることで、芯材を任意の方向に変形させること
ができる。第２の構成によれば、板状の変位素子を作動
させることで、外挿された部品をクランプすることがで
きる。

【００１１】第３の構成によれば、第１、第２の板状の
変位素子および圧電素子を所定の順序で作動させること
で、尺取り虫動作を行うことができ、管内を走行するこ
とができる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の第１〜第３の各実施例を図
１〜図８を参照して説明する。まず、第１の実施例の微
小変位機構であるマニュピレ−タ１について図１〜図４
を参照して説明する。

【００１３】図１（ａ）中２は、このマニュピレ−タ１
の芯材である。この芯材２は、例えば幅約１〜２ｍｍ、
長さ５〜１０ｍｍ程度の三角柱形状のもので、可撓性の
例えばゴムなどで形成されている。

【００１４】この芯材２の、互いに６０°をなす第１〜
第３の側面２ａ〜２ｃには、それぞれ、この芯材の長手
方向全長に亘って帯板形状の第１〜第３のバイモルフ素
子３、４、５が貼付されている。これら第１〜第３のバ
イモルフ素子３〜５は、印加される電圧に応じて、両面
方向に所定量歪曲するようになっている。

【００１５】したがって、例えば上記第２のバイモルフ
素子４に所定電圧を印加することで、図１（ｂ）に示す
ように先端部は矢印（イ）方向に変位する。また、上記
第１、第２のバイモルフ素子３、４に電圧を印加すれ
ば、矢印（ロ）で示す方向に変位する。

【００１６】また、この発明のマニュピレ−タ１は、上
記芯材２および第１〜第３のバイモルフ素子３〜５とで
構成されるものを１ユニットとして使用する。例えば、
１ユニットのマニュピレ−タ１の使用方法として、図２
に示すようなものが考えられる。

【００１７】すなわち、このマニュピレ−タ１の芯材２
の一端に、第４のバイモルフ素子６を用いたハンド部７
を設ける。そして、上記芯材２の他端は、基板８に固定
し、この基板８上に、上記第１〜第４のバイモルフ素子
３〜６から延出された端子９…を形成する。この基板８
に形成された各端子９…は、図示しない制御部および電
源に接続される。次に、この機構の動作について説明す
る。

【００１８】例えば、上記第２のバイモルフ素子４に電
圧を印加し、第１、第３のバイモルフ素子３、５に電圧
を印加しない場合には、先端部は図に矢印（イ）で示す
方向に変位する。このとき、上記第４のバイモルフ素子
６を作動させ部品１０を握持すれば、この部品１０を運
ぶことが可能である。

【００１９】また、第１、第２のバイモルフ素子３、４
に電圧を印加し、第３のバイモルフ素子５には電圧を印
加しない場合には、図に矢印（ロ）で示す方向に変位す
る。このように、第１〜第３のバイモルフ素子３〜５を
制御することで、長手方向の伸縮運動も含めて７自由度
の運動が可能になる。

【００２０】また、この実施例では、上記芯材２の第１
〜第３の側面２ａ〜２ｃにそれぞれ、第１〜第３のバイ
モルフ素子３、４、５を貼付したが、これに限定される
ものではなく、例えば、１つの側面に、幅方向に２分割
された２つのバイモルフ素子を貼付するようにしても良
い。

【００２１】すなわち、図３に１´で示すように、上記
芯材２の第１〜第３の側面２ａ〜２ｃに、それぞれ２つ
ずつ合計６個の第１〜第６のバイモルフ素子１２〜１７
を設けることも可能である。

【００２２】このようなマニュピレ−タ１´は、図３に
示すように、先端に第７のバイモルフ素子１８で構成さ
れるハンド部７´が設けられ、他端は基板８に固定され
る。そして、この基板８に上記第１〜第７のバイモルフ
素子１１〜１８から導出されたリ−ドおよびこのリ−ド
の端部に端子１９…を設ける。

【００２３】このような機構によれば、図２に示す機構
と同じ運動の他、例えば、第１、第３、第５のバイモル
フ素子１２、１４、１６を作動させることで、図に矢印
（ハ）で示すような捩れ運動をさせることも可能で、図
２に示した機構では行えなかった上記部品１０を回転さ
せる動作を行うことができる。

【００２４】また、この第１、第３、第５のバイモルフ
素子１２、１４、１６に印加する電圧のバランスを変え
ることで、屈曲しながら捩れるような運動をも行わせる
ことができる。したがって、このようなマニュピレ−タ
１´によれば、長手方向の伸縮運動、捩れ運動を含めて
２１自由度の運動が可能になる。

【００２５】また、この実施例では、図２、図３に上記
マニュピレ−タ１、１´を１ユニットだけ用いた機構を
示したが、このマニュピレ−タ１、１´（１ユニット）
を長手方向に複数ユニット連結してさらに複雑な運動を
行わせることも可能である。また、このマニュピレ−タ
１を間接部に用いた機構を構成することもできる。

【００２６】このような構成によれば、小さな部品でか
つ少ない部品点数で、複雑な運動を行わせることがで
き、かつ屈曲部にベアリングなどの摺動部品を用いるこ
とが必要ないので機械の小型化に伴う摩擦や、部品成形
等の問題がなくなる効果がある。したがって、マイクロ
マシンの分野に適応可能な微小変位装置を得ることがで
きる効果がある。

【００２７】なお、この第１の実施例では、芯材２とし
て三角形状のものを用いたが、円柱状のものであっても
良い。また、三角形以上の多角形断面を有する芯材を用
いて、各面にそれぞれバイモルフ素子を貼付するように
しても良い。

【００２８】また、上記芯材２の材料としてゴムを用い
たが、これに限定されるものではなく、可撓性の材質な
らば他の材料であっても良い。また、上記芯材に、強化
繊維を埋設して弾性率に異方性を持たせるようにしても
良い。このようにすれば、強化繊維の設けられている方
向の弾性率は高く、その他の方向の弾性率は低くなるの
で、この本体の特性を生かして、図２に示すようなマニ
ュピレ−タ１であっても捩じれ運動をさせることが可能
になる。

【００２９】また、上記第１の実施例では、バイモルフ
素子３〜５を芯材２の外面に貼着していたが、これに限
定されるものではなく、例えば上記バイモルフ素子３〜
５を芯材２の表面に露出させず、この芯材２内に埋設す
るようにしても良い。

【００３０】また、この第１の実施例では、例として、
図２、図３に部品１０を搬送するマニュピレ−タ１、１
´を挙げたが、これに限定されるものではない。図４に
示すように、内部に光ファイバ１５を挿通し、この光フ
ァイバ１５の先端を上記マニュピレ−タ１の先端面に露
出させるようにしても良い。このことで、例えば管内や
体腔内で光ファイバ１５の視野を自由に変化させること
ができる機構を得られる効果がある。

【００３１】次に第２の実施例を図５〜図７を参照して
説明する。この第２の実施例の微小変位機構は、例えば
上述のマニュピレ−タ１の先端に上記一実施例のハンド
部７の代わりに取着され、円筒形状の微小部品をクラン
プするクランプ装置である。

【００３２】図５に示すように、このクランプ装置２０
は、棒状のア−ム２１を具備する。このア−ム２１の図
示しない基端部は例えば上述のマニュピレ−タ１の先端
に上記ハンド部７の代わりに固定される。そして、この
ア−ム２１の先端部には、バイモルフ素子２２が巻着さ
れている。このバイモルフ素子２２は、図６（ａ）に示
すように、Ａで示す部分のみ上記ア−ム２１の外面に固
定されている。そして、電圧が印加されることで、この
バイモルフ素子２２の両端部は、図６（ｂ）に示すよう
に、このア−ム２１から離間し開くように変位する。

【００３３】したがってこのクランプ装置２０は、図５
に示すように、上記ア−ム２１の先端部を円筒状の部品
２４内に挿入させた後、上記バイモルフ素子２２を変位
させることで、図６（ｂ）に示すように、このバイモル
フ素子２２の両端を用いて上記部品２４を内側からクラ
ンプすることができる。

【００３４】このようなクランプ装置２０によれば、通
常のクランプ装置に比べて円筒状の部品２４の保持が容
易になると共に、この円筒状の部品２４の軸線は、上記
ア−ム２１の軸線と平行になるので、この円筒部品２４
の位置決めが容易になる。また、上記バイモルフ素子２
２の両端の変位量は比較的大きいため、製造上、シビア
な精度は要求されない。さらに、上記クランプされる円
筒状の部品２４の内径に変更があっても、上記バイモル
フ素子２２の両端が当接可能ならば、有効にクランプす
ることができる。

【００３５】なお、この実施例では、バイモルフ素子２
２の幅方向中途部Ａを上記ア−ム２１に固着したが、こ
れに限定されるものではない。例えば、この図７（ａ）
に示すように、バイモルフ素子２２´の一端部Ｂを上記
ア−ム２１の外面に固着してこのバイモルフ素子２２´
を巻着するようにしても良い。

【００３６】この場合には、図６（ｂ）に示すように、
このバイモルフ素子２２´の他端部を、上記部品２４の
内面に当接させることで、この部品２４をクランプする
ようにする。このような構成であっても、上記第２の実
施例と同様の効果を奏することが可能である。

【００３７】次に、第３の実施例を図８を参照して説明
する。この第３の実施例の微小変位機構は、軸方向両端
部に上記第２の実施例のクランプ装置と略同じ構成のク
ランプ装置を２つ具備したような構成で（２０ａ、２０
ｂ）、この第１、第２のクランプ装置２０ａ、２０ｂを
交互に作動させつつ、この第１、第２のクランプ装置２
０ａ、２０ｂ間の距離を伸縮させることで、管２６内を
進行することができるマイクロマシン２７である。

【００３８】すなわち、このマイクロマシン２７は、軸
部２８を有する。この軸部２８の長さ方向中途部には、
電圧が印加されることでこの軸部２８の長手方向に伸縮
する圧電素子２９が設けられている。したがって、この
軸部２８は、上記圧電素子２９に所定の電圧が印加され
ることで、両端部２８ａ、２８ｂ間の距離を変化させ
る。

【００３９】また、この軸部２８の両端部２８ａ、２８
ｂには、上記第２の実施例と同様に、一部をこの軸部２
８の外面に固着させて巻着された第１、第２のバイモル
フ素子３０、３１が設けられている。この第１、第２の
バイモルフ素子３０、３１および上記軸部２８の両端部
２８ａ、２８ｂは、外挿された管２６をクランプ可能な
第１、第２のクランプ装置２０ａ、２０ｂを構成してい
る。次に、このマイクロマシン２７の走行動作について
説明する

【００４０】このマイクロマシン２７は、例えば内径５
ｍｍの管２６内に挿入され、この管２６内を走行する。
まず、進行方向後ろ側に設けられた上記第２のクランプ
装置２０ｂを作動させ、管２６をクランプする。つい
で、上記圧電素子２９を伸長させ、上記第１のクランプ
装置２０ａを管２６内で進行させる。

【００４１】次に、この第１のクランプ装置２０ａを作
動させ、上記管２６をクランプさした後、上記第２のク
ランプ機構２０ｂのクランプを解除し、上記圧電素子２
９を縮小させれば、上記第２のクランプ装置２０ｂも管
２６内を進行する。

【００４２】このような動作を繰り返すことで、このマ
イクロマシン２７は、管２６内を尺取虫のように進行す
ることが可能である。また、このマイクロマシンの用途
としては、管２６内で光ファイバを搬送する等が考えら
れる。

【００４３】このような構成によれば、簡単な構成で、
管２６内を進行可能なマイクロマシン２７を得ることが
できる。また、このマイクロマシン２７は、上記第１、
第２のバイモルフ素子３０、３１の変位量が比較的大き
いので、走行可能な管の内径が厳密に限定されるもので
はなく、その使用可能範囲が広いという効果もある。

【００４４】なお、上記一実施例では、板状の圧電素子
としてバイモルフ素子を用いたが、モノモルフ素子、ユ
ニモルフ素子やマルチモルフ素子を用いるようにしても
同様の効果を得ることが可能である。

【００４５】

【発明の効果】この発明の第１の構成は、可撓性の芯材
と、この芯材に、この芯材の長手方向に沿って設けられ
た少なくとも３以上の板状の変位素子とを具備するもの
である。

【００４６】第１の構成によれば、小さな部品でかつ少
ない部品点数で、複雑な運動を行わせることができ、か
つ屈曲部にベアリングなどの摺動部品を用いることが必
要ないので機械の小型化に伴う摩擦や、部品成形等の問
題がなくなる効果がある。したがって、マイクロマシン
の分野に適応可能な微小変位装置を得ることができる効
果がある。

【００４７】第２の構成は、棒状のア−ムと、このア−
ムの先端部の外面に、一部を固着して巻着され、電圧を
印加することで上記ア−ムの径方向外側に開き、このア
−ムに外挿された部品をクランプする板状の変位素子と
を具備することを特徴とするものである。

【００４８】第２の構成によれば、円筒微小部品のクラ
ンプが容易になる効果がある。したがって、マイクロマ
シンの分野に有効に適用できる微小変位機構を得ること
ができる効果がある。

【００４９】第３の構成は、長手方向中途部に圧電素子
を具備し、軸方向に伸縮可能に設けられた軸部と、この
軸部の軸方向両端部に一部を固着して巻着され、電圧が
印加されることで、この軸部の径方向外側に開く第１、
第２の板状の変位素子とを具備するものである。

【００５０】第３の構成によれば、簡単な構成で管内を
走行可能な微小変位機構を得ることができる。また、他
の管内走行用微小変位機構に比べて走行可能な管の内径
は厳密に限定されないので、適用範囲が広いという効果
もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、この発明の第１の実施例を示す斜視
図、（ｂ）は作動状態を示す斜視図。

【図２】同じく、第１の応用例を示す斜視図。

【図３】同じく、第２の応用例を示す斜視図。

【図４】同じく、他の実施例を示す斜視図。

【図５】この発明の第２の実施例を示す斜視図。

【図６】（ａ）は、同じく、動作前の状態を示す縦断面
図、（ｂ）は動作後の状態を示す縦断面図。

【図７】（ａ）は、同じく、他の実施例を示す動作前の
縦断面図、（ｂ）は動作後の縦断面図。

【図８】第３の実施例を示す斜視図。

【符号の説明】

１…マニュピレ−タ（微小変位機構）、２…芯材、３…
第１のバイモルフ素子（板状の変位素子）、４…第２の
バイモルフ素子（板状の変位素子）、５…第３のバイモ
ルフ素子（板状の変位素子）、２０…クランプ装置（微
小変位機構）、２１…ア−ム、２２…バイモルフ素子
（板状の変位素子）、２４…部品、２７…マイクロマシ
ン（微小変位機構）、２８…軸部、２９…圧電素子、３
０…第１のバイモルフ素子（板状の変位素子）、３１…
第２のバイモルフ素子（板状の変位素子）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２５Ｊ 19/00 Ａ 8611−3Ｆ Ｈ０１Ｌ 41/09 (72)発明者 小松 久高 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 可撓性の芯材と、この芯材に、この芯材
   の長手方向に沿って設けられた少なくとも３以上の板状
   の変位素子とを具備することを特徴とする微小変位機
   構。
2. 【請求項２】 棒状のア−ムと、このア−ムの先端部の
   外面に、一部を固着して巻着され、電圧を印加すること
   で上記ア−ムの径方向外側に開き、このア−ムに外挿さ
   れた部品をクランプする板状の変位素子とを具備するこ
   とを特徴とする微小変位装置。
3. 【請求項３】 長手方向中途部に圧電素子を具備し、軸
   方向に伸縮可能に設けられた軸部と、この軸部の軸方向
   両端部に一部を固着して巻着され、電圧が印加されるこ
   とで、この軸部の径方向外側に開く第１、第２の板状の
   変位素子とを具備することを特徴とする微小変位機構。