JPH07255189A - 超音波アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きな駆動力を得ることができる小型な超音
波アクチュエータを提供する。 【構成】 超音波振動を発生する積層圧電体１１ａ，１
１ｂと、この積層圧電体１１ａ，１１ｂの作用を受けて
楕円振動を発生する弾性体１２と、この弾性体１２に向
けて付勢され、上記楕円振動により該弾性体１２に対し
て並進運動される被駆動体とを具備する超音波アクチュ
エータにおいて、上記弾性体１２は線対称に形成されて
おり、上記楕円振動は該線対称の対称軸を挟んだ両側に
発生し且つ対称軸を挟んで対向する箇所の回転方向が逆
になり、上記被駆動体は上記対称軸の両側から該軸に向
けて付勢されることにより一方向の駆動力を受ける超音
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、電気−機械エネルギー変換素子によ
り超音波振動を発生する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９を参照して説明する。

【０００４】同図９に示すように、超音波振動子７１
は、２つの積層圧電体７５を３つの保持用弾性体７２ａ
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７２の一端面にビス７２ｂで固
定するとともに、該弾性体７２の他端面の振動の腹とな
る部分に摺動部材７３を固定して構成されている。

【０００５】このような超音波振動子７１の積層圧電体
７５に正弦波電圧を印加すると、弾性体７２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７３は楕円形の軌跡に沿って振動する。
そこで該摺動部材７３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７２に励起される上記２種類の
振動を、図１０，図１１を参照して説明する。

【０００７】図１０は単純な伸縮運動である共振縦振動
を示している。図１１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７２の長さと高さを設定してある。

【０００８】従って、図１０の積層圧電体７５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７３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８は上記超音波振動子７１を用いた超音
波アクチュエータを倒立して示す分解斜視図であり、こ
の図を参照して、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７１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７４を突
設していて、この軸７４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７４を貫通することにより、超音
波振動子７１が回動自在に支持されている。従って、超
音波振動子７１の２つの摺動部材７３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７１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６
１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７１
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７１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７１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７１の摺動部材７３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７１は、コイルスプリング５
９の押圧力によって該摺動板６４に付勢され、摺動部材
７３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】ところが、マイクロマ
ニピュレータを用いてパッチクランプを行う際には、プ
リアンプを該マニピュレータの可動部に載置しなければ
ならない。上記プリアンプは、自重が例えば約１００ｇ
であり、マニピュレータ自身の可動部の自重を加味する
と、超音波アクチュエータの可搬重量は、２００ｇｆ以
上が必要である。上記図８に示したような超音波アクチ
ュエータは、連続正弦波で駆動した場合の起動推力は４
００ｇｆ程度あるものの、精密な位置制御と速度制御を
行おうとしてバースト波による駆動を行うと、必ずしも
十分な推力が得られないことがあった。すなわち、バー
スト波による駆動時の推力が十分でないために、マイク
ロマニピュレータとしての機能を十分に発揮できないこ
とがあるという問題点があった。

【００２０】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、大きな駆動力を得ることができる小型な超音波ア
クチュエータを提供することを目的としている。

【００２１】

【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、超音波振
動を発生する電気−機械エネルギー変換素子と、この電
気−機械エネルギー変換素子の作用を受けて楕円振動を
発生する弾性体と、この弾性体に向けて付勢され上記楕
円振動により該弾性体に対して並進運動される被駆動体
とを具備する超音波アクチュエータにおいて、上記弾性
体は線対称に形成されており、上記楕円振動は該線対称
の対称軸を挟んだ両側に発生し且つ対称軸を挟んで対向
する箇所の回転方向が逆になり、上記被駆動体は上記対
称軸の両側から該軸に向けて付勢されることにより、一
方向の駆動力を受けるものである。

【００２２】

【作用】電気−機械エネルギー変換素子が超音波振動を
発生し、弾性体がこの電気−機械エネルギー変換素子の
作用を受けて線対称の対称軸を挟んだ両側に対称軸を挟
んで対向する箇所の回転方向が逆になる楕円振動を発生
し、この弾性体に向けて上記対称軸の両側から付勢され
ている被駆動体が上記楕円振動により該弾性体に対して
一方向の駆動力を受けて並進運動される。

【００２３】

【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、本発明の第１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に用いる超音波
振動子の構成を示す正面図、図２は超音波振動子の弾性
体を示す正面図、図３は超音波振動子の作用を示す正面
図、図４は超音波振動子に被駆動体を付勢する方法を示
す正面図、図５は超音波振動子を用いて構成した超音波
アクチュエータを示す分解斜視図である。

【００２４】この第１実施例の超音波振動子１に用いる
弾性体１２は、図２に示すように、黄銅系の材料により
略矩形形状に形成した部材に、短辺側の両端面から中心
に向かって上下対称の対称軸Ｋに沿ってやや長めの切込
部１２ａを設けていて、この切込部１２ａは、ワイヤカ
ット等の加工法を用いて幅が狭くなるよう形成されてお
り、これによって、該弾性体１２が上下対称の形状にな
るよう裁断されている。さらに該弾性体１２は、長辺側
の中央部に側方に向かって突出する２つの凸部１２ｂを
一体に設けている。

【００２５】このような弾性体１２に対して、図１に示
すように、上記２つの凸部１２ｂを挟み込むようにして
電気−機械エネルギー変換素子たる積層圧電体１１ａ，
１１ｂをそれぞれ接着し、さらにこれら積層圧電体１１
ａ，１１ｂの両側から保持用弾性体１２ｄを配設して、
この保持用弾性体１２をビス１２ｅを螺合することによ
り固定している。

【００２６】さらに該弾性体１２は、積層圧電体１１
ａ，１１ｂに摺動部材１３を接着して固定するととも
に、上記２つの切込部１２ａのほぼ中間となる位置に軸
１４を接着固定して側方に突設させていて、このように
して超音波振動子１が構成されている。

【００２７】このような超音波振動子１は、該図１に示
すように、積層圧電体１１ａに正弦波を印加するととも
に、この正弦波に対して位相が９０°進んだ正弦波を積
層圧電体１１ｂに印加するようになっている。

【００２８】該超音波振動子１の上下の摺動部材１３を
挟むようにして、図４に示すように、被駆動体２を構成
する２つの被駆動体２ｈ，２ｉを、付勢部材２ｊにより
付勢すると、該被駆動体２ｈ，２ｉは一体的に、左右ど
ちらかへの推力を受けるようになっている。

【００２９】なお、上記２組の正弦波の位相差の正負を
反転し、積層圧電体１１ｂを積層圧電体１１ａに対して
位相の９０゜遅れた正弦波とすると、推力の方向が反転
して被駆動体２は逆の方向に動くものである。

【００３０】この第１実施例の超音波アクチュエータ
は、図５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。

【００３１】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の中央部には、矩
形孔２ｂが穿設されている。また、該窪み２ａの内側の
上縁部には、一対の板ばね２ｄが取り付けられており、
図５中の矢印Ｅに示す方向に弾発力を有している。従っ
て超音波振動子１は、該窪み２ａの中で板ばね２ｄによ
って上下に挟み付けられている。

【００３２】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５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。

【００３３】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、図示しないボルトにより互いに
強固に締結されていて、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。

【００３４】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
央部に縦長に設けられた長孔９ａと、右下角部にねじ１
０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、中央部に縦長に設けら
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５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。

【００３５】上記超音波振動子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。

【００３６】そして上記押圧板５，９は、上記長孔５
ａ，９ａにより超音波振動子１の軸１４を基盤４，８の
長孔４ａ，８ａの壁面にそれぞれ押圧して、超音波振動
子１を被駆動体２の並進運動の方向に関して位置決めし
ている。

【００３７】なお、上述のような構成の変形例として、
長孔５ａ，９ａと長孔４ａ，８ａとを組み合わせて位置
決めする代わりに、市販のクロスローラガイドを用いれ
ば、より強固に位置決めすることができる。

【００３８】また、被駆動体２および板ばね２ｄの、摺
動部材１３が当接する部分に平底の溝を刻設し、該溝の
中を摺動部材１３が摺動するようにすれば、超音波振動
子１が蛇行することなく移動するため、動作が安定す
る。

【００３９】次に、上述のような超音波振動子１の積層
圧電体１１ａと積層圧電体１１ｂに、互いに位相が９０
゜ずれた正弦波を印加した場合の動作を、図３を参照し
て説明する。図３（Ａ）に示す状態においては、積層圧
電体１１ａは伸長した状態にあり、積層圧電体１１ｂは
短縮した状態となっている。

【００４０】図３（Ｂ）に示す状態は、上記図３（Ａ）
に示す状態から位相がほぼ９０°進んだ状態であり、積
層圧電体１１ａは自然長の状態にあり、積層圧電体１１
ｂも自然長の状態となっている。

【００４１】図３（Ｃ）に示す状態は、上記図３（Ｂ）
に示す状態から位相がほぼ９０°進んだ状態であり、積
層圧電体１１ａは短縮した状態にあり、積層圧電体１１
ｂは伸長した状態となっている。

【００４２】図３（Ｄ）に示す状態は、上記図３（Ｃ）
に示す状態から位相がほぼ９０°進んだ状態であり、積
層圧電体１１ａは自然長の状態にあり、積層圧電体１１
ｂも自然長の状態となっている。

【００４３】そして、図３（Ｄ）に示す状態から位相が
略９０°進むと、上述の図３（Ａ）に示す状態に戻る。

【００４４】この図３から明らかなように、弾性体１２
の上下で伸縮振動と２次の屈曲振動の定在波が生じ、こ
の２次の屈曲振動の定在波の腹となる位置に固定された
各摺動部材１３が楕円運動を行う。このとき、上下で向
きの反転した屈曲の定在波が生じるために、該楕円振動
の回転の方向が、上下で逆になる。こうして、図４に示
すように、超音波振動子１を被駆動体２ｈ，２ｉで上下
から挟み付けると、これら２つの被駆動体２ｈ，２ｉに
は同一の向きの推力が生じるものである。

【００４５】ここで、該挟み付けるに必要な構成として
は、図５から明らかなように、わずか２本の板ばね２ｄ
を用いても実現できるものであり、上記図８を参照して
説明したような従来の超音波アクチュエータにおけるも
ののごとく、複雑で巨大な付勢手段を必要としない。ま
た、同程度の体積の弾性体を、従来の２倍の４つの積層
圧電体を用いて駆動しているために、上記楕円振動の振
幅が大きくなって、より強い駆動力を得ることができ
る。

【００４６】このような第１実施例によれば、弾性体の
上下で方向が逆の楕円振動を発生できるようにしたの
で、小型にして駆動力の強い超音波アクチュエータとす
ることができ、さらに複雑な付勢手段を要さないので、
簡潔で薄型な超音波アクチュエータとなる。

【００４７】図６は本発明の第２実施例を示したもので
あり、図６は超音波振動子を示す正面図である。この第
２実施例において、上述の第１実施例と同様の部分には
同一の符号を附して説明は省略し、主として異なる点に
付いてのみ説明する。

【００４８】この第２実施例の超音波振動子に用いる弾
性体２２は、図示のように、上記第１実施例の切込部１
２ａに対応する部分を矩形に切り欠いて挟持部２２ａを
設け、この挟持部２２ａに積層圧電体１１ｃを挟み込ん
で保持している。

【００４９】なお、該弾性体２２が上下対称の形状にな
るよう構成されている点は上記第１実施例と同様であ
る。

【００５０】このような超音波振動子は、該図６に示す
ように、積層圧電体１１ａに正弦波を印加するととも
に、この正弦波に対して位相が９０°進んだ正弦波を積
層圧電体１１ｂに印加するようになっている。そして追
加した積層圧電体１１ｃには、極性を反転した正弦波を
印加するようにした。

【００５１】このように電圧を印加すると、弾性体２２
の対称軸に対する上側部分、下側部分のそれぞれが、そ
の上下の積層圧電体によって伸張／圧縮力を受けて振動
を励起される。そして、上記図３で説明したのとほぼ同
様の動作を行い、摺動部材１３が楕円振動を行う。

【００５２】この実施例においては、弾性体２２の上側
部分，下側部分をそれぞれ上下両側から駆動するので振
動振幅が大きくなるとともに、振動を励振する力に余裕
があるので、共振点を外れた周波数で強制駆動すること
が可能である。

【００５３】このような第２実施例によれば、上述の第
１実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、楕円振動
の振幅がさらに大きくなることから、推力と速度が大き
くなるという効果がある。

【００５４】また、強制駆動が可能であることから、伸
縮振動と２次の屈曲振動との共振点を厳密に合わせる必
要がなく、弾性体の寸法交差を粗くすることで、製造コ
ストを下げることができるという効果がある。

【００５５】図７は本発明の第３実施例を示したもので
あり、図７は超音波振動子を示す正面図である。この第
３実施例において、上述の第１，第２実施例と同様の部
分には同一の符号を附して説明は省略し、主として異な
る点に付いてのみ説明する。

【００５６】この第３実施例の超音波振動子に用いる弾
性体３２は、図示のように、上記第２実施例の挟持部２
２ａに対応する部分を矩形に穿設して矩形孔３２ａを設
け、この矩形孔３２ａに積層圧電体１１ｄを挟み込んで
保持している。そして、上記第１，第２実施例と異な
り、積層圧電体１１ａ，１１ｂは設けられていない。

【００５７】この第３実施例の作用は、上述の第１，第
２実施例とほぼ同様であり、上記積層圧電体１１ｄに互
いに位相が９０°異なる電圧を印加することにより、弾
性体３２の上下の部分を同時に励振して、摺動部材１３
に楕円振動を発生させ、被駆動体に圧接して駆動するも
のである。

【００５８】このような第３実施例によれば、上述の第
１，第２実施例とほぼ同様の効果を有するとともに、摺
動部材に発生する楕円振動の振幅は若干小さくなるもの
の、積層圧電体を２つしか必要とせず、さらに弾性体の
形状も単純になるために、超音波振動子を小型かつ安価
に製造することができるという効果がある。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、大
きな駆動力を得ることができる小型な超音波アクチュエ
ータとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の超音波アクチュエータに
用いる超音波振動子の構成を示す正面図。

【図２】上記第１実施例の超音波振動子の弾性体を示す
正面図。

【図３】上記第１実施例の超音波振動子の作用を示す正
面図。

【図４】上記第１実施例の超音波振動子に被駆動体を付
勢する方法を示す正面図。

【図５】上記第１実施例の超音波振動子を用いて構成し
た超音波アクチュエータを示す分解斜視図。

【図６】本発明の第２実施例の超音波振動子を示す正面
図。

【図７】本発明の第３実施例の超音波振動子を示す正面
図。

【図８】従来の超音波アクチュエータを倒立して示す分
解斜視図。

【図９】従来の超音波振動子を示す正面図。

【図１０】従来の超音波振動子に励起される共振縦振動
を示す図。

【図１１】従来の超音波振動子に励起される共振屈曲振
動を示す図。

【符号の説明】

１…超音波振動子 ２…被駆動体 11a,11b,11c,11d…積層圧電体（電気−機械エネルギー
変換素子） １２，２２，３２…弾性体 １３…摺動部材 Ｋ…対称軸

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】 超音波振動を発生する電気−機械エネル
   ギー変換素子と、 この電気−機械エネルギー変換素子の作用を受けて楕円
   振動を発生する弾性体と、 この弾性体に向けて付勢され、上記楕円振動により該弾
   性体に対して並進運動される被駆動体と、 を具備する超音波アクチュエータにおいて、上記弾性体
   は線対称に形成されており、上記楕円振動は該線対称の
   対称軸を挟んだ両側に発生し且つ対称軸を挟んで対向す
   る箇所の回転方向が逆になり、上記被駆動体は上記対称
   軸の両側から該軸に向けて付勢されることにより、一方
   向の駆動力を受けることを特徴とする超音波アクチュエ
   ータ。