JP2016077056A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】
１個のアクチュエータで多軸の回転または直動駆動が選択的に行える振動アクチュエータを提供する。
【解決手段】
振動により出力軸が運動する振動アクチュエータにおいて、略多面体形状の可振子の略中心軸上に貫通または、複数の非貫通の穴を設け、その穴に複数本の出力軸を挿通させている。そして、それぞれの出力軸に略平行な前記可振子外周面に、パターン状の電極を有する複数の圧電素子を貼り付け、これらのパターン電極に順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、複数の出力軸に選択的に回転、または軸方向の変位を与えるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電素子等の振動子の振動により複数の出力軸に個別に振動波を与えて、それぞれの出力軸が回転または直動運動を行う振動アクチュエータに関するものである。

医療機器の進歩は急速であり、近年、遠隔操作による手術が可能な手術支援ロボットが登場している。手術支援ロボットの２本のマニピュレータの先端にはそれぞれフィンガーが取り付けられ、このフィンガーは１８０度の開閉と共にその根元は人の手首が折れるように±９０度の角度変更が行えるようになった物が一般的であるが、これらの動作は一般にはチューブ状のアーム内に張られた長いワイヤーを、アームの本体装置側（反フィンガー側）に設けられた十分大きな複数個の電磁モータで押し引きすることで駆動している。
しかし小型で直径５ミリメートル以内の振動アクチュエータ（又は超音波アクチュエータ）が登場したことで、これをマニピュレータ先端に搭載して、ワイヤーを使わずにフィンガーを直接駆動することで、より人の手の運動感覚に近いバックラッシのない操作性が良好なマニピュレータを実現することが求められている。

マニピュレータに必要な駆動源としては、電磁モータ、圧電アクチュエータ、形状記憶合金式アクチュエータ等の各種駆動原理の中で、小径でも大きい駆動力が得られる圧電素子または電歪素子による振動アクチュエータが有望視されている。

例えば、特許文献１においては、雌ねじ付きナット部材（110）に雄ねじシャフト（120）が摺動自在に挿入され、ナット部材（110）と雄ねじシャフト（120）の間にはクリヤランス（697b）が設けられ、ナット部材（110）の４面に貼り付けられた圧電素子（132a〜132d）に電圧を順次印加し、ナット部材（110）に回転振動を与えることで、雄ねじシャフト（120）を回転させると同時に軸方向に移動させるリニヤモータシステム（100）が示されている。

しかしながら、特許文献１に示すリニヤモータシステムにおいては、出力軸は１本に限定され、複数の圧電素子が複数の出力軸を選択的に回転又は直動振動させることができなかった。

また、特許文献２においては、軸状の作動子（12）が角柱状のステータ（11）の穴に圧入または挿入され、ステータ（11）に貼り付けられた複数の圧電素子（13）に電圧が順次印加され振動波を生じることで軸状の作動子を回転または軸方向に移動させる超音波走査装置が示されている。

しかしながら、特許文献２に示す超音波走査装置では、出力軸は１本に限定され、複数の圧電素子が複数の出力軸を選択的に回転又は直動振動させることができなかった。

米国特許出願公開第２０１０／００３９７１５号明細書 特開２０１３−１８３５６３号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、複数の出力軸を選択的に回転、または直動振動させることにより、小型かつ多軸駆動が可能な振動アクチュエータを提供することにある。

上記課題を解決するための一手段は、振動により出力軸が運動する振動アクチュエータにおいて、略多面体形状の可振子の構成面に、貫通または非貫通の穴を設け、この穴に出力軸を挿通する。そして、可振子の構成面上であって穴の形成されていない部分に、パターン状の電極を有する振動子が貼り付けられており、電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、出力軸に回転または軸方向の変位を与えることを特徴としている。

本発明によれば、可振子に設けられた複数の振動子が複数の出力軸を選択的に回転、または直動振動させることにより、小型かつ多軸駆動が可能な振動アクチュエータが得られる。この多軸アクチュエータを、遠隔操作が可能な手術支援ロボットマニピュレータの先端に搭載することでワイヤーを使わずフィンガーを直接駆動することができ、応答性が良く、より人の手の運動感覚に近い操作性に優れたマニピュレータが得られる。

本発明に係る振動アクチュエータの一実施形態を示す斜視図 同振動アクチュエータにおける電極パターン説明図 同振動アクチュエータにおける第１出力軸の直動動作説明図 同振動アクチュエータにおける第１出力軸の直動進行波説明図 同振動アクチュエータにおける第１出力軸の回転動作説明図 同振動アクチュエータにおける第１出力軸の回転進行波説明図 同振動アクチュエータにおける第２出力軸の回転動作説明図 同振動アクチュエータにおける第２出力軸の回転振動波説明図 同振動アクチュエータにおける第３出力軸の回転動作説明図 同振動アクチュエータにおける回転振動波説明図 本発明に係る振動アクチュエータの応用形態説明図

本実施の形態の振動アクチュエータの第一の特徴は、振動により出力軸が運動する振動アクチュエータにおいて、略多面体形状の可振子を有し、この可振子の略多面体形状の構成面の内、少なくとも複数の面には、貫通または非貫通の穴が形成されている。そして可振子の構成面の面上であって穴の形成されていない部分に、パターン状の電極を有する振動子が貼り付けられており、複数の穴に出力軸が挿通されており、電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、出力軸に回転または軸方向の変位を与えるよう構成している。
この構成により、複数の出力軸に個別に振動波を与えてそれぞれの出力軸が回転及び直動運動を行うことができ、小型で多機能な振動アクチュエータを得ることができる。

第二の特徴としては、略多面体形状の可振子の構成面の内、互いに対向する面に、互いに略同軸となる穴を設け、当該それぞれの穴に各１本の出力軸を挿通し、略同軸上に対向して配置された２本の出力軸が、独立的にまたは同方向に同期的に回転運動できるように構成している。
この構成によれば、可振子に設けられた複数の圧電素子が複数の出力軸を選択的に回転または直動させることができ、また、小型かつ多軸駆動が可能な振動アクチュエータを提供することができる。

第三の特徴としては、少なくとも１本以上の出力軸に、この出力軸によって動作する作動部材を一体に固定配置するように構成している。
この構成によれば、用途に応じて、レンズ等の光学部品、ドリル又はカッター等の各種工具部品等を作動部材として配置して、これを小スペースの中で多軸で動作させることができるので、各種機器の操作性能を向上することができる。

第四の特徴としては、作動部材を爪形状の作動爪として、作動爪は少なくとも２本以上の出力軸各々に対して、直接又は、回動アーム等の保持部品を介して一体に固定配置した。そして出力軸の動作によって、複数の前記作動爪同士を開閉する動作が行えるように構成している。
この構成によれば、作動爪の開閉動作に加えて、作動爪を配置していない出力軸によって、可振子を回転／直動させる動作をさせることができるので、操作範囲の自由度の大きいマニピュレータとして使用することができる。例えば、より具体的には、高度な低侵襲手術支援ロボットのフィンガーユニットにも適用できる高精度な多軸駆動マニピュレータを実現できる。

第五の特徴としては、振動子として、電圧を加えると歪みを生じる圧電素子または電歪素子を使用する。
この構成によれば、微小な変位が可能で、応答性にも優れる素子を使用することで、より高精度に出力軸の運動を制御することができる。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明の振動アクチュエータの実施形態の一つの構成について、図１から図１０を用いて説明する。

図１は本発明の実施形態に係わる振動アクチュエータの斜視図である。図１において、略多面体形状の可振子１（図１では略立方体）は、多角形を構成する各面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆには穴３ａ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆが設けられ作動軸２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆがそれぞれ挿通、又は軽く圧入されている。

図２は本実施形態に係る電極パターン説明図であり、可振子１の各面１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆの展開図を示している。表面に電極６が形成された複数の圧電素子５が貼り付けられ、それぞれのパターン電極は電線１１に接続され、駆動回路１２から電圧が印加される。

図３は本実施形態の第１出力軸の直動動作説明図であり、第１出力軸とは図中２ａを示す。図３において、略多面体形状の可振子１は多角形を構成する略平面の内、対向する面１ａから面１ｂに向けて貫通する穴３ａを有し、この穴３ａに出力軸２ａが挿通されている。穴３ａには可振子１にバネ性を与えるための放射状に伸びるスリット４を加工しており、可振子１は挿通された出力軸２ａを適度な力で挟み込み、出力軸２ａと可振子１の間に安定した摩擦力（例えば約１ニュートンの力）を発生する。

また、好ましくは出力軸２ａの略中央には軸穴２ｇが空けられ、軸穴２ｇは必要に応じて光ファイバーや内視鏡用のＣＣＤカメラの電線、又は手術中に患部に吹き付ける洗浄水を放出するノズル等が挿通されるものである。

出力軸２ａに平行な可振子１の外周の１つの面１ｅと、その対向面１ｆに、圧電素子５が貼り付けられる。面１ｅに貼り付けられた圧電素子５の表面にはパターン状の電極６ｅ１、６ｅ２、６ｅ３、６ｅ４が形成されている。また、面１ｆに貼り付けられた圧電素子５の表面には図２に示すように、パターン状の電極６ｆ１、６ｆ２、６ｆ３、６ｆ４が形成されている。

圧電素子５には１枚毎にそれぞれパターン状の電極６が貴金属のスパッタリング法や、導電性インクの印刷工法により設けられている。また、電極６ａ１、６ａ２、６ａ３、６ａ４は１枚の圧電素子５上に形成されても良いが、また、４個に分割された圧電素子５の一個ずつに電極が形成されても良い。

可振子１の表面は、好ましくはさらに軸２ａが挿通する貫通穴３ａを含む面１ａと１ｂにも電極６を有する圧電素子５が貼り付けられる。面１ａに貼り付けられた圧電素子５には電極６ａ１、６ａ２、６ａ３、６ａ４が形成され、面１ｂに貼り付けられた圧電素子５には電極６ｂ１、６ｂ２、６ｂ３、６ｂ４が形成されている。

図３に示す第１出力軸の直動動作について更に説明する。図４は本実施形態における第１出力軸の直動進行波説明図である。図３から図４において、略正弦波状又はのこぎり波状の電圧が駆動回路１２から、電線１１を通してパターン状の電極６に順次印加されるが、印加される順序を変えることにより、以下に説明するように出力軸２ａは直動方向、または回転方向動作させることができる。

出力軸２ａを図４中の矢印Ｍ方向に直動させる場合は、電圧を第１に、電極６ａ１、６ａ２、６ａ３、６ａ４の計４個の電極に印加し、次に第２には、電極６ｅ３、６ｅ４、６ｆ３、６ｆ４の計４個の電極に印加し、次に第３には、電極６ｅ１、６ｅ２、６ｆ１、６ｆ２の計４個の電極に印加し、次に第４には、電極６ｂ１、６ｂ２、６ｂ３、６ｂ４の計４個の電極に印加する。その次に再び第１に印加した６ａ１、６ａ２、６ａ３、６ａ４の計４個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより図中ＮとＯに示すように進行波が生じ、これが出力軸２ａに伝搬し出力軸２ａは矢印Ｍ方向に摺動する。

これら電極６に繰り返し印加する順序を逆にすると、可振子１の内部に図中ＮとＯとは逆回転方向の進行波が生じ、出力軸２ａは図１中矢印Ｍとは反対方向に摺動する。

また、より簡単に作動させる方法として以下の作動方法がある。電圧を先ず第１に、電極６ｅ３、６ｅ４、６ｆ３、６ｆ４の計４個の電極に印加し、次に第２には、電極６ｅ１、６ｅ２、６ｆ１、６ｆ２の計４個の電極に印加し、その次に再び第１に印加した６ｅ３、６ｅ４、６ｆ３、６ｆ４計４個の電極に印加し、これを繰り返す。これによっても出力軸２ａは矢印Ｍ方向に摺動する。この方法の場合、電極６と電線１１が少なく済ませることができる。

次に、出力軸２ａを回転させる場合について、図５〜図６を用いて説明する。
図５は本発明の第１実施例の第１出力軸（図中２ａ）の回転動作説明図であり、出力軸２ａの形状はこの実施例では回転と直動の両方向の動作をさせるため、円柱形状をしている。直動動作のみ行わせる場合は円柱形状でも角柱形状でもいずれでも良い。

図６は同第１出力軸（２ａ）の回転進行波発生状態の説明図である。出力軸２ａを矢印Ｐ方向に回転させる場合は、電圧を先ず第１に、電極６ｃ３、６ｃ１、６ｄ３、６ｄ１の計４個の電極に印加し、次に第２には、電極６ｅ４、６ｅ２、６ｆ４、６ｆ２の計４個の電極に印加し、次に第３には、電極６ｅ３、６ｅ１、６ｆ３、６ｆ１の計４個の電極に印加し、次に第４には、電極６ｄ４、６ｄ２、６ｃ４、６ｃ２の計４個の電極に印加する。その次に再び第１に印加した６ｃ３、６ｃ１、６ｄ３、６ｄ１計４個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子１の内部に図５中に示す矢印方向の進行波が生じ、これが出力軸２ａに伝搬し出力軸２ａは矢印Ｐ方向に回転する。

これら電極６に繰り返し印加する順序を逆にすると、出力軸２ａは図１中矢印Ｐとは反対方向に回転する。

また、より簡単に回転させる方法として以下の作動方法がある。電圧を先ず第１に、電極６ｅ４、６ｅ２、６ｆ４、６ｆ２の計４個の電極に印加し、次に第２には、電極６ｅ３、６ｅ１、６ｆ３、６ｆ１の計４個の電極に印加し、その次に再び第１に印加した６ｅ４、６ｅ２、６ｆ４、６ｆ２の計４個の電極に印加し、これを繰り返す。これによっても可振子１の内部に同様の進行波が生じ、出力軸２ａは矢印Ｍ方向に摺動する。この方法の場合、電極６と電線１１を少なく済ませることができる。

図７は本実施形態における第２出力軸の回転動作説明図、図８は同第２出力軸の回転振動波説明図である。

出力軸２ｃを回転させる場合について、図７〜図８を用いて説明する。可振子１の面１ｃには穴３ｃが設けられ、出力軸２ｃが軽く圧入されている。出力軸２ｃを矢印Ｑ方向に回転させる場合は、電圧を先ず第１に、電極６ａ２、６ｂ２の計２個の電極に印加し、次に第２には、電極６ｅ４、６ｆ１の計２個の電極に印加し、次に第３には、電極６ｅ２、６ｆ３の計２個の電極に印加し、次に第４には、電極６ｂ４、６ａ４の計２個の電極に印加する。その次に再び第１に印加した６ａ２、６ｂ２計２個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子１の内部に図７中に示す矢印方向の進行波が生じ、これが出力軸２ｃに伝搬し出力軸２ｃは矢印Ｑ方向に回転する。

これら電極６に繰り返し印加する順序を逆にすると、出力軸２ｃは図１中矢印Ｑとは反対方向に回転する。

ここで、面１ｃに設けられる穴３ｃ、作動軸２ｃと、一方、面１ｄに設けられる穴３ｄ、作動軸２ｄはそれぞれ別の電極６により駆動されるため、作動軸２ｃと２ｄは独立して別々に回転駆動される。

図９は本実施形態における第３出力軸（出力軸２ｅ、２ｆ）の回転動作説明図、図１０は同第３出力軸の回転振動波説明図である。

出力軸２ｅ及び出力軸２ｆを回転させる場合について、図９〜図１０を用いて説明する。可振子１の面１ｅには穴３ｅが設けられ、出力軸２ｅが軽く圧入されている。また、面１ｆには穴３ｆが設けられ、出力軸２ｆが軽く圧入されている。出力軸２ｅと２ｆを矢印Ｓ１およびＳ２方向に回転させる場合は、電圧を先ず第１に、電極６ｃ１、６ｃ２、６ｄ４、６ｄ３の計４個の電極に印加し、次に第２には、電極６ｂ４、６ｂ２、６ａ１、６ａ３の計４個の電極に印加し、次に第３には、電極６ｂ３、６ｂ１、６ａ２、６ａ４の計４個の電極に印加し、次に第４には、電極６ｄ２、６ｄ１、６ｃ３、６ｃ４の計４個の電極に印加する。その次に再び第１に印加した６ｃ１、６ｃ２、６ｄ４、６ｄ３計４個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子１の内部に図９及び図１０中に示す矢印方向の進行波が生じ、これが出力軸２ｅおよび２ｆに伝搬し出力軸２ｅおよび２ｆは別部品ではあるが、見掛け上一体部品であるがようにほぼ同時に矢印Ｓ１およびＳ２方向に回転する。

これら電極６に繰り返し印加する順序を逆にすると、出力軸２ｅおよび２ｆは図１中矢印Ｓ１およびＳ２とはそれぞれ反対方向に回転する。

図１１は本発明に係わる振動アクチュエータのマニピュレータへの応用事例説明図であり、低侵襲手術機器等に用いられるマニピュレータ先端に使われる５軸動作が可能なフィンガーユニットの構成事例の図である。

図１１において、出力軸２ｃには回動アーム９ｃと作動爪１０Ｃが取り付けられ、出力軸２ｄには回動アーム９ｄと作動爪１０ｄがそれぞれ取り付けられている。作動軸２ｃと作動軸２ｄは駆動回路１２が作動することによりそれぞれ独立して約±１００度の広い範囲で回動可能であり、医療現場等において施術者は作動爪１０Ｃ、１０ｄを人の親指および人差し指を動かすかのように自在に開閉し、手術用の糸と針等をつまみ、扱うことが可能である。

出力軸２ｅと２ｆは出力軸フォルダー８ａ、８ｂに固定され、出力軸フォルダー８ａ、８ｂは出力軸２ｅ、２ｆに一体的にマニピュレータのアーム１３に固定されている。駆動回路１２が作動することにより出力軸２ｅ、２ｆに回転力が発生すると、可振子１は図中矢印Ｓ１、Ｓ２の方向に約±８０度の範囲で回動し、施術者は人が手首を、作動爪１０ｃ、１０ｄと共に曲げるかのように自在に扱うことが可能である。

出力軸２ａは直動および回転の両方の動作が可能であるが、出力軸２ａの作動爪１０ｃ、１０ｄ側の端部には必要に応じて施術中に洗浄水を吐出するノズルや、またはＣＣＤカメラ等が取り付けられ図中矢印Ｍ方向に摺動、または矢印Ｐ方向に回転することで、施術者は術中に患部の洗浄や観察をきめ細かく行うことができる。図中１４は洗浄水供給用フレキシブル配管であるが、ここでは、ノズルおよびＣＣＤカメラは図示を省略している。

このように振動アクチュエータ７は合計５軸の動作を行うことができ、フィンガーを自在に扱うことが可能である。

可振子１は、圧電素子または電歪素子の材料で構成している。これにより高精度で応答性に優れる制御を行うことができる。

尚、図１１の実施例において、出力軸２ａの外径は約２ミリメートル、主力軸２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆの直径は約１．２ミリメートル、可振子はほぼ５ミリメートル角、作動爪１０ｃ、１０ｄの長さは約１５ミリメートルである。また、圧電素子５の厚さは約０．２ミリメートル、電極６の厚さは約０．０５ミリメートルである。電極６には直径約０．０２５ミリメートルの細径の電線１１が半田付け等により配線されている。

また、出力軸２および可振子１は、金属またはセラミックスからなり、機械加工により仕上られている。

そして、可振子１はバネ性を有し、かつ圧電素子９との線膨張係数の差が大きくない事が望まれるため、ステンレス鋼、アルミナセラミックス、またはジルコニヤセラミックス等により加工される。

本発明によれば多軸の回転及び、少なくとも１つの直動運動を１つの振動アクチュエータが行うので、コンパクトである。また、マニピュレータ等にこのアクチュエータを用いると、コンパクトで作動力が大きく、かつバックラッシュのない操作性に優れたマニピュレータが実現できる。

本発明の振動アクチュエータは、１個の可振子で多軸の動作が行えるため、近年急速に進歩する低侵襲手術機器のマニピュレータ等に組み込むことで操作性がよく、小型で大きい駆動力を得ることができる。その他にも内視鏡カメラの首振り装置やズームレンズの摺動装置にも適用が可能である。

１ 可振子
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ 面
２ａ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ 出力軸
２ｇ 軸穴
３ａ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ 穴
４ スリット
５ 圧電素子
６ａ１、６ａ２、６ａ３、６ａ４ （面１ａの）電極
６ｂ１、６ｂ２、６ｂ３、６ｂ４ （面１ｂの）電極
６ｃ１、６ｃ２、６ｃ３、６ｃ４ （面１ｃの）電極
６ｄ１、６ｄ２、６ｄ３、６ｄ４ （面１ｄの）電極
６ｅ１、６ｅ２、６ｅ３、６ｅ４ （面１ｅの）電極
６ｆ１、６ｆ２、６ｆ３、６ｆ４ （面１ｆの）電極
７ 振動アクチュエータ
８ａ、８ｂ 出力軸フォルダー
９ｃ、９ｄ 回動アーム
１０ｃ、１０ｄ 作動爪
１１ 電線
１２ 駆動回路
１３ アーム
１４ フレキシブル配管

Claims (5)

1. 振動により出力軸が運動する振動アクチュエータにおいて、
   略多面体形状の可振子を有し、
   前記略多面体形状の構成面の内、少なくとも複数の面には、貫通または非貫通の穴が形成されており、
   前記面の面上であって前記穴の形成されていない部分に、パターン状の電極を有する振動子が貼り付けられており、
   複数の前記穴に出力軸が挿通されており、
   前記電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生させ、前記出力軸に回転または軸方向の変位を与えることを特徴とする振動アクチュエータ。
   
2. 前記可振子における前記略多面体形状の構成面の内、互いに対向する面に、互いに略同軸となる前記穴を設け、当該それぞれの穴に各１本の前記出力軸を挿通し、
   略同軸上に対向して配置された２本の前記出力軸が、独立的にまたは同方向に同期的に回転運動可能であることを特徴とする請求項１記載の振動アクチュエータ。
   
3. 少なくとも１本以上の前記出力軸に、該出力軸によって動作する作動部材が一体に固定配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の振動アクチュエータ。
   
4. 前記作動部材は、爪形状をした作動爪であって、前記作動爪は少なくとも２本以上の前記出力軸各々に対して一体に固定配置されており、該出力軸の動作によって、複数の前記作動爪同士を開閉する動作が可能であることを特徴とする請求項３記載の振動アクチュエータ。
   
5. 前記振動子は、圧電素子または電歪素子である事を特徴とする請求項１から４何れか１項記載の振動アクチュエータ。

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