【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小径で、高効率な超音波モータ及びそれを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、圧電材を用いているため応答性が高く、電磁モータのように磁石等を用いていないため磁気ノイズを発生しづらいという特徴を持つ。そして、小型化しても高トルクなため、用途として内視鏡やカテーテル、配管検査用機器の内部の駆動源としても期待されている。
【０００３】
従来の超音波モータの構成例として、図４を用いて述べる。図４（ａ）は、従来の円板型超音波モータの構造を示す概略図である。図４（ｂ）は、従来の円板型超音波モータの振動体１の上面を示す概略図である。
【０００４】
従来の円板型超音波モータは、下面には圧電素子４を接着し、上面には突起１１を設けた振動体１と、突起１１と接触する移動体５と、移動体５に備えられた軸受１８と、移動体５と一体化されたピボット１６と、ピボット１６に対し加圧を供与する加圧部材６、そして加圧部材６を固定する固定部１７からなる。従来の円板型超音波モータは振動体１に、例えば６本の突起１１を一定間隔で設け、円板の厚み方向の曲げ振動により突起が傾く。この際、加圧部材６からの加圧力により突起１１と移動体５には、摩擦力がはたらくため移動体５を回転する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２２５６８号公報（第４−５頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す超音波モータは、円板形状をなしており、また構造も単純であるため薄型化が可能である。しかしながら、高トルクを得るためには径方向を大きくする必要があった。そのため、内視鏡のセンサー等をダイレクトに駆動させるよう高トルク、高速度が必要で、細い径の必要な用途へは不向きであった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、円筒形状をなす超音波モータにおいて、超音波モータの要素部品である振動体に突起を設け、そしてその位置を特定することにより、モータ効率を向上させ、さらには回転速度の高い超音波モータを提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波モータの回転を安定に且つ回転速度を増大させる突起とそれを配置する位置を提案することを目的とする。
【０００９】
本発明の第１の態様は、縦方向の変位と共に捻り方向の変位とを有する振動を励起する略円筒形状をなす振動体により、振動体の端面と接し、移動体を移動させる超音波モータにおいて、振動体先端の周方向の振動変位分布に対して、一定間隔で突起を有することを特徴とする超音波モータにある。
【００１０】
これによれば、振動体先端の周方向の振動変位分布に対し、一定間隔で突起を設けるため、移動体と接する部分が一定となるとともに、希望の振動変位成分のみを移動体に伝達できるため、モータ効率を向上させることが可能となる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、突起は端面の周方向の振動変位分布の最大変位の位置に設けられていることを特徴とする超音波モータにある。
【００１２】
これによれば、超音波モータの振動体において、第１の態様の効果に加え、最大変位のみを移動体に伝えることができるため、速度の向上とともにさらに、モータ効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１の態様において、突起は、端面の周方向の振動変位分布の最大変位と最小変位の位置とは異なる位置に有することを特徴とする超音波モータにある。
【００１４】
これによれば、超音波モータの振動体において、突起を端面の周方向の振動変位分布の最大変位と最小変位の途中の位置に配置することにより、前述の効果に加え、突起は振動体の捻り方向に傾くため、捻り方向の変位が増大され、移動体の捻り方向の周波数一サイクルあたりの移動量が増大し、超音波モータの回転速度を上げることが可能となる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第１から３のいずれかの態様において、振動体には９０度より小さい角度を有する溝が設けられていることを特徴とする超音波モータにある。
【００１６】
ここで、９０度より小さい角度とは、円筒形状をなす振動体の高さ方向をＺ軸とし、挟まれている圧電素子のある面方向をＸ面とすると、Ｘ−Ｚ座標系においてＸ面を起点（０度）とし、そこからＺ軸（９０度）へ向かう間の角度を９０度より小さい角度と定義する。そして、その９０度より小さい角度を有する溝を設けることにより、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を効率よく発生することができ、振動体端部に移動体を接触させることにより、移動体を移動させることが可能である。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第１から４のいずれかの態様において、突起は、振動体の二つの端面で対称に設けられることを特徴とする超音波モータにある。
【００１８】
これによれば、突起は二つの端面で対称に設けるため、縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動の近傍の周波数で、不要な振動モードが発生するのを防ぐことが可能である。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第１から５のいずれかの態様において、突起の数は、振動体に設けられた溝の数と同数であることを特徴とする超音波モータにある。
【００２０】
これによれば、振動体先端の周方向では溝の数と同じ数の振幅のピークを有する振動変位分布があらわれるため、突起の数を溝の数と同数とすることで同一振幅の振動変位を移動体に伝えることができる為、モータ効率を向上させることが可能である。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第１から６のいずれかの態様の超音波モータを用いたことを特徴とする超音波モータ付電子機器にある。
これによれば、本発明に係る超音波モータ付電子機器は、第１から６のいずれかの態様の超音波モータを用いているため、小径で回転効率が高く、また大きな回転速度を有するアクチュエータを必要とする電子機器への応用が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明を適用した実施の形態１について、図１、図２、図６、図７、図１０を用いて説明する。
【００２３】
図２は、実施の形態１に係る超音波モータの振動体を示す図である。
【００２４】
振動体は例えば、図２Ａに示すように、円筒形状をなす上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた、例えば矩形形状をなす圧電材４からなる振動体１で構成される。上部弾性材２と下部弾性材３には縦振動を捻り振動に変換する溝１２が、９０度よりも小さい角度で設けられている。ここで、９０度より小さい角度とは、円筒形状をなす振動体の高さ方向をＺ軸とし、挟まれている圧電素子のある面方向をＸ面とすると、Ｘ−Ｚ座標系においてＸ面を起点（０度）とし、そこからＺ軸（９０度）へ向かう間の角度を９０度より小さい角度と定義する。そして振動体１の先端面の縁に沿って、上下共に一定間隔で突起１１を設ける。
【００２５】
図２Ｂは圧電材４に電圧を印加して励振される振動モードの例として、縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動の振幅の分布を示す。中央を節として先端部分は変位が最大となる。先端では縦方向変位、捻り方向変位もいずれも最大となる。そして、先端に移動体（図示略す）を接触させることにより、摩擦力により移動体（図示略す）を矢印方向へ移動させる。
【００２６】
図６は、実施の形態１に係る超音波モータを示す斜視図である。
【００２７】
振動体は図６に示すように、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４からなる振動体１で構成される。上部弾性材２と下部弾性材３には縦振動を捻り振動に変換する溝１２が、９０度よりも小さい角度で設けられている。そして振動体１の先端には上下共に一定間隔で突起１１を設ける。溝は例えば４本設ける。突起１１は、振動体１の先端周方向に一定間隔で４箇所設ける。
【００２８】
図１０は、実施の形態１に係り、一定間隔で、振動変位分布の最大部に突起がある場合を示す図である。
【００２９】
図１０（ａ）の波状のグラフは、図２に示す振動体１に、例えば縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動を励起したときの振動体１の先端での振動変位分布を示している。グラフは振動体１の先端に生じる振動体１先端の高さ方向の変位を縦軸に示しており、周方向に展開した位置を横軸にとっている。
【００３０】
また、図１０（ｂ）には弾性体の側面を周方向に展開し、溝１２の位置と図１０（ａ）に示した振動分布の位置の関係を示している。
【００３１】
溝数としては、振動体１には上部弾性材２、下部弾性材３のそれぞれ対称な位置に４箇所溝が設けてある場合で、実験により振幅最大位置は溝の位置に対応してあらわれることが確かめられている。また、大矢印は、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動が励起されたときの移動体の移動方向をあらわしている。
【００３２】
そして、縦軸の波の最大の振幅の位置を最大変位部分とすると、その最大変位部分で、一定間隔で突起１１を設けた場合、突起はすべて同じ動作で一点で移動体に接触するため、接触点を一定にでき、モータ効率を向上させることができる。
【００３３】
突起は、振動体を作製後、矩形状に加工した耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチックを接着剤等で後から取り付けても良いし、振動体先端部を切削加工により振動体と一体で作製しても良い。
【００３４】
また振動体は、圧電材に電圧を印加することにより振動を励起されるもので、振動体全体を圧電材に、もしくは一部を圧電材にしたものどちらでも良い。
【００３５】
また圧電材としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等を用いる。
【００３６】
また、振動体１の先端に生じる振動体１の高さ方向の振動変位分布の最大変位と最小変位をなす一定間隔の位置の間に突起１１を設けた場合は、移動体との接触点を一定にすることができ、またその接触点は所望の回転方向とは違う動きをしてしまう振動変位の影響を受けないため、モータの回転効率を向上させることが可能である。
【００３７】
図７は、実施の形態１に係る超音波モータの別の例を示す斜視図である。
【００３８】
振動体は図７に示すように、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４からなる振動体１で構成される。上部弾性材２と下部弾性材３には縦振動を捻り振動に変換する溝１２が、９０度よりも小さい角度で設けられている。そして振動体１の先端には上下共に一定間隔で突起１１を設ける。図６の振動体と異なり、溝を例えば８本設けている。この場合、振動体先端に生じる振動変位分布で波数としては８つあらわれる。
【００３９】
振動体１の先端に生じる振動体１の高さ方向の振動変位分布の最大変位をなす一定間隔の位置に突起１１を設けた場合、前述の溝及び突起の数が４本の場合と同様に、接触点を一定とすることが可能であるため、モータ効率を向上させることが可能となる。
【００４０】
図１は、実施の形態１に係る超音波モータの全体構成を示す図である。
【００４１】
実施の形態１に係る超音波モータは、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４から構成される振動体１と、振動体１の先端で上下対称に設けられた突起１１と、振動体１を支持固定する支持部材８と、突起１１と接触し移動する移動体５と、振動体１と移動体５とに加圧力を与える加圧部材６と、移動体５の回転力を取り出す回転軸７と、回転軸７の回転運動を支えるベアリング９と、以上の部材を封入するケース１０からなる。
本実施の形態に示したように、振動体に９０度より小さい角度で設けた溝により、縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動を効率よく励振することが可能である。
【００４２】
また、上下対称な形状とすることにより、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動の近傍の周波数で、不要な振動モードが発生するのを防ぐことが可能である。それにより、振動体の振動形状が変化するのを防ぎ、モータの回転効率を一定にすることが可能である。
【００４３】
また、突起を溝と同じ数にする。これによれば、振動体先端の周方向では溝の数と同じ振動変位分布があらわれるため、突起の数を溝の数と同数とすることで接触点を一定にし、モータ効率を向上させることが可能である。
（実施の形態２）
以下、本発明を適用した実施の形態２について、図３、図５を用いて説明する。
【００４４】
図３は、実施の形態２に係り、一定間隔で、振動変位分布の最大部と最小部の間に突起がある場合を示す図である。
【００４５】
図３の波状のグラフは、図２に示す振動体１に、例えば縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動が励起されたときの、振動体１の先端での振動変位分布を示している。溝数は、振動体１には上部弾性材２、下部弾性材３のそれぞれ対称な位置に４箇所溝が設けてある場合である。グラフは振動体１の先端に生じる振動体１先端の縦方向の変位を縦軸に示しており、周方向に展開した位置を横軸にとっている。
【００４６】
そして、振動変位分布の最大の振幅の位置を最大変位部分とし、また、振動変位分布の最小の振幅の位置を最小変位部分とし、最大変位部分と最小変位部分の間に突起１１を設けると、突起１１の運動の軌跡は、移動体に接触するときには捻り運動の捻り方向に傾く。つまり、最大変位部分と最小変位部分の間に突起１１を設けることにより、モータの回転効率を向上させる上、移動体の水平方向移動成分を増大させ、超音波モータの回転速度を増大させることが可能となる。
【００４７】
図５は、実施の形態２に係り、等間隔で先端での振動変位分布の最大部と最小部の間に突起がある場合での、超音波モータの振動体の接触部分での変位ベクトル例を示している。
【００４８】
図５Ａは、突起１１無しの場合での、振動体の移動体と接触する部分での変位ベクトル例をあらわす。図５Ｂは、突起１１を設けた場合での、振動体の移動体と接触する部分での変位ベクトルを示す。図５Ａに示す突起１１無しの場合と比べて、突起１１が傾く分だけ、捻り方向成分が増大し、移動体に与える回転量を増大させることが可能である。
【００４９】
以上、実施の形態２にかかる超音波モータは、突起を振動体の先端の振動変位分布に対し、最大変位と最小変位の間に配置することにより、突起が共振時に振動体の捻り方向に傾くため、捻り方向の変位が増大され、移動体の周波数一サイクルあたりの移動量が増大し、超音波モータの回転速度を上げることが可能となる。
（実施の形態３）
以下、本発明を適用した実施の形態３について、図８、図９を用いて実施の形態１及び２で説明した超音波モータを用いた電子機器を説明する。
【００５０】
図８は、実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図で、管内壁面を観察するための内視鏡の例を示す。
【００５１】
実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器は、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４から構成される振動体１と、振動体１の先端で上下対称に設けられた突起１１と、振動体１を支持固定する支持部材８と、突起１１と接触し移動する移動体５と、振動体１と移動体５とに加圧力を与える加圧部材６と、移動体５の回転力を取り出す回転軸７と、回転軸７の回転運動を支えるベアリング９と、以上の部材を封入するケース１０、そして、回転軸７先端に設けられたミラー１３と、ミラー１３と対向する位置に配置されたオプティカルファイバー１４からなる。
【００５２】
オプティカルファイバー１４内部では、超音波信号が伝達され、ミラー１３に反射させ、再度帰還させることにより、壁面の様子を得るものであり、超音波モータを用いてミラー１３を回転させて、管内の一周をモニタリングする構成となっている。
【００５３】
本実施の形態では、実施の形態１もしくは２の超音波モータを用いている。それにより、モータ効率がよく、また、超音波モータの回転変動を抑え、回転速度を上げることが可能であるため、正確かつ高速にリアルタイム画像の取得が可能となる。
【００５４】
図９は、実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図で、体内の胆石等を粉砕するカテーテルの例を示す。実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器は、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４から構成される振動体１と、振動体１の先端で上下対称に設けられた突起１１と、振動体１を支持固定する支持部材８と、突起１１と接触し移動する移動体５と、振動体１と移動体５とに加圧力を与える加圧部材６と、移動体５の回転力を取り出す回転軸７と、回転軸７の回転運動を支えるベアリング９と、以上の部材を封入するケース１０、そして、回転軸７先端に設けられた錐部材１５からなる。錐部材１５は、例えば金属からなり、円錐形状にドリルのように溝が切ってある。
【００５５】
振動体１の振動により移動体５が回転し、移動体５の回転力が回転軸７を通して回転軸７の先端の錐部材１５が回転する。それにより例えば、人体の中の胆石を粉砕する等の機能を持たせることが可能となる。
【００５６】
回転速度を向上させることにより、胆石等を削る速度を向上させることが可能となり、手術時間の短縮や患者への負担の低減等も可能となる。
【００５７】
以上、実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器は、実施の形態１もしくは実施の形態２の超音波モータを用いているため、小径でモータ効率も良く、また高回転速度を必要とする電子機器への応用が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
以上により、本発明を適用した超音波モータは、縦振動と捻り振動する振動体により、移動体を移動させる超音波モータにおいて、先端周方向の振動変位分布に対して、一定間隔で突起を設けているので、突起はすべて同じ動作で移動体に一点で接触するため、モータ効率を向上させることが可能である。
【００５９】
また、突起を先端周方向の振動変位分布の最大変位の位置に設けた場合には、接触位置が一定となり、回転方向を安定させ、回転効率を向上させる事が可能となる。
【００６０】
また、突起を先端周方向の振動変位分布の最大変位と最小変位の途中に設けた場合には、捻り方向の変位が増大され、移動体の捻り方向の周波数一サイクルあたりの移動量が増大し、超音波モータの回転速度を上げることが可能となる。
【００６１】
また、突起は上下対称に設けるため、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動の近傍の周波数で、不要な振動モードが発生するのを防ぐことが可能である。それにより、振動体の振動形状が変化するのを防ぎ、モータの個々のばらつきや、特性変動の少なくすることが可能である。
【００６２】
また、振動体に９０度より小さい角度で溝を入れることで、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動を起こすことが可能で、移動体と接触させることで、移動体を回転させることが可能である。
【００６３】
また、突起の数を溝の数と同数とする。これによれば、振動体先端の周方向では溝の数と同じ数の振幅のピークを有する振動変位分布があらわれるため、突起の数を溝の数と同数とすることで同一振幅の振動変位を移動体に伝えることができる為、モータ効率を向上させることが可能となる。
【００６４】
また、本発明での超音波モータを用いることにより、小径でモータ効率も良く、安定した回転速度が必要で、また高速な回転速度を求められる電子機器、例えば内視鏡やカテーテル等の医療機器や、配管等の検査機器への応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波モータの全体構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。
【図３】実施の形態２に係る超音波モータの突起の位置を示す図である。
【図４】従来の超音波モータの構成を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る超音波モータの振動体の変位ベクトル例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る超音波モータを示す斜視図である。
【図７】実施の形態１に係る超音波モータを示す斜視図である。
【図８】実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図である。
【図９】実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る超音波モータの突起の位置を示す図である。
【符号の説明】
１ 振動体
２ 上部弾性材
３ 下部弾性材
４ 圧電材
５ 移動体
６ 加圧部材
７ 回転軸
８ 支持部材
９ 軸受
１０ ケース部材
１１ 突起
１２ 溝
１３ ミラー
１４ オプティカルファイバー
１５ 錐部材[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a small-diameter, high-efficiency ultrasonic motor and an electronic device using the same.
[0002]
[Prior art]
Ultrasonic motors are characterized by high responsiveness due to the use of piezoelectric material, and are unlikely to generate magnetic noise because they do not use magnets or the like unlike electromagnetic motors. And, since it is high torque even if it is miniaturized, it is also expected to be used as a drive source inside endoscopes, catheters, and pipe inspection devices as applications.
[0003]
A configuration example of a conventional ultrasonic motor will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a schematic view showing the structure of a conventional disk-type ultrasonic motor. FIG. 4B is a schematic view showing the upper surface of the vibrating body 1 of the conventional disk-type ultrasonic motor.
[0004]
The conventional disk-type ultrasonic motor includes a vibrating body 1 having a piezoelectric element 4 adhered to a lower surface and a projection 11 provided on an upper surface, a moving body 5 in contact with the projection 11, and the moving body 5. It comprises a bearing 18, a pivot 16 integrated with the moving body 5, a pressure member 6 for applying pressure to the pivot 16, and a fixing portion 17 for fixing the pressure member 6. In the conventional disk-type ultrasonic motor, for example, six protrusions 11 are provided at regular intervals on the vibrating body 1, and the protrusions are inclined by bending vibration in the thickness direction of the disk. At this time, since the frictional force acts on the projection 11 and the moving body 5 by the pressing force from the pressing member 6, the moving body 5 is rotated (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-6-22568 (pages 4-5, FIG. 1)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The ultrasonic motor shown in FIG. 4 has a disk shape and has a simple structure, so that it can be made thinner. However, in order to obtain high torque, it was necessary to enlarge the radial direction. Therefore, a high torque and a high speed are required so as to directly drive a sensor or the like of the endoscope, which is not suitable for an application requiring a small diameter.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a cylindrical ultrasonic motor, in which a projection is provided on a vibrating body which is an element part of the ultrasonic motor, and its position is specified, thereby improving the motor efficiency and further improving the rotational speed. It is to propose an ultrasonic motor with high performance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to propose a projection for stably rotating an ultrasonic motor and increasing a rotation speed, and a position for disposing the projection.
[0009]
A first aspect of the present invention is directed to an ultrasonic motor that moves a moving body in contact with an end face of a vibrating body by a vibrating body having a substantially cylindrical shape that excites vibration having a longitudinal displacement and a torsional displacement. An ultrasonic motor characterized in that the ultrasonic motor has projections at regular intervals with respect to the vibration displacement distribution in the circumferential direction of the tip end of the vibrating body.
[0010]
According to this, projections are provided at regular intervals with respect to the vibration displacement distribution in the circumferential direction of the tip of the vibrating body, so that the portion in contact with the moving body is constant and only the desired vibration displacement component can be transmitted to the moving body. Thus, it is possible to improve the motor efficiency.
[0011]
A second aspect of the present invention is the ultrasonic motor according to the first aspect, wherein the protrusion is provided at a position of a maximum displacement of a vibration displacement distribution in a circumferential direction of the end face.
[0012]
According to this, in the vibrating body of the ultrasonic motor, in addition to the effect of the first aspect, since only the maximum displacement can be transmitted to the moving body, the motor efficiency can be further improved as well as the speed is improved.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the ultrasonic motor according to the first aspect, the protrusion is provided at a position different from the position of the maximum displacement and the position of the minimum displacement of the vibration displacement distribution in the circumferential direction of the end face. .
[0014]
According to this, in the vibrating body of the ultrasonic motor, by arranging the projection at a position between the maximum displacement and the minimum displacement of the circumferential vibration displacement distribution in the circumferential direction of the end face, in addition to the above-described effect, the projection is formed by the vibration body. The tilt in the torsional direction increases the displacement in the torsional direction, increases the amount of movement of the moving body per frequency in the torsional direction per cycle, and increases the rotational speed of the ultrasonic motor.
[0015]
A fourth aspect of the present invention is the ultrasonic motor according to any one of the first to third aspects, wherein the vibration body is provided with a groove having an angle smaller than 90 degrees.
[0016]
Here, the angle smaller than 90 degrees means that the height direction of the vibrating body having a cylindrical shape is defined as the Z axis, and the plane direction of the sandwiched piezoelectric element is defined as the X plane. Is defined as a starting point (0 degree), and an angle from there to the Z axis (90 degrees) is defined as an angle smaller than 90 degrees. By providing the groove having an angle smaller than 90 degrees, the displacement in the torsional direction can be efficiently generated together with the displacement in the vertical direction. It is possible to move.
[0017]
A fifth aspect of the present invention is the ultrasonic motor according to any one of the first to fourth aspects, wherein the projections are provided symmetrically at two end faces of the vibrating body.
[0018]
According to this, since the protrusions are provided symmetrically at the two end surfaces, it is possible to prevent an unnecessary vibration mode from being generated at a frequency near the vibration having the displacement in the torsional direction as well as the longitudinal direction.
[0019]
A sixth aspect of the present invention is the ultrasonic motor according to any one of the first to fifth aspects, wherein the number of protrusions is the same as the number of grooves provided in the vibrator.
[0020]
According to this, in the circumferential direction of the tip end of the vibrating body, a vibration displacement distribution having the same number of peaks as the number of grooves appears in the circumferential direction. By setting the number of protrusions to be the same as the number of grooves, the vibration displacement having the same amplitude is reduced. Since it can be transmitted to the moving body, it is possible to improve the motor efficiency.
[0021]
A seventh aspect of the present invention is an electronic device with an ultrasonic motor, wherein the ultrasonic motor according to any one of the first to sixth aspects is used.
According to this, since the electronic device with the ultrasonic motor according to the present invention uses the ultrasonic motor according to any one of the first to sixth aspects, the actuator has a small diameter, high rotational efficiency, and a high rotational speed. It becomes possible to apply to the electronic equipment which needs.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
Hereinafter, Embodiment 1 to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 1, 2, 6, 7, and 10.
[0023]
FIG. 2 is a diagram illustrating a vibrating body of the ultrasonic motor according to the first embodiment.
[0024]
As shown in FIG. 2A, for example, the vibrating body is constituted by a vibrating body 1 formed of an upper elastic member 2 and a lower elastic member 3 having a cylindrical shape and a piezoelectric material 4 having a rectangular shape sandwiched between them. The upper elastic member 2 and the lower elastic member 3 are provided with grooves 12 for converting longitudinal vibration into torsional vibration at an angle smaller than 90 degrees. Here, the angle smaller than 90 degrees means that the height direction of the vibrating body having a cylindrical shape is defined as the Z axis, and the plane direction of the sandwiched piezoelectric element is defined as the X plane. Is defined as a starting point (0 degree), and an angle from there to the Z axis (90 degrees) is defined as an angle smaller than 90 degrees. Then, protrusions 11 are provided along the edge of the distal end surface of the vibrating body 1 at regular intervals in the upper and lower directions.
[0025]
FIG. 2B shows, as an example of a vibration mode in which a voltage is applied to the piezoelectric material 4 to be excited, the amplitude distribution of vibration having displacement in the torsional direction as well as in the longitudinal direction. The displacement is maximum at the tip with the center at the node. At the tip, both longitudinal displacement and torsional displacement are maximum. Then, by bringing a moving body (not shown) into contact with the tip, the moving body (not shown) is moved in the direction of the arrow by frictional force.
[0026]
FIG. 6 is a perspective view showing the ultrasonic motor according to the first embodiment.
[0027]
As shown in FIG. 6, the vibrating body is composed of a vibrating body 1 composed of an upper elastic member 2, a lower elastic member 3, and a piezoelectric material 4 sandwiched therebetween. The upper elastic member 2 and the lower elastic member 3 are provided with grooves 12 for converting longitudinal vibration into torsional vibration at an angle smaller than 90 degrees. Then, projections 11 are provided at the top and bottom of the vibrating body 1 at regular intervals. For example, four grooves are provided. The protrusions 11 are provided at four locations at regular intervals in the circumferential direction of the distal end of the vibrating body 1.
[0028]
FIG. 10 is a diagram illustrating a case where projections are present at the maximum portion of the vibration displacement distribution at regular intervals according to the first embodiment.
[0029]
The wavy graph of FIG. 10A shows a vibration displacement distribution at the tip of the vibrating body 1 when exciting the vibrating body 1 shown in FIG. . In the graph, the vertical axis represents the displacement in the height direction of the tip of the vibrating body 1 generated at the tip of the vibrating body 1, and the horizontal axis represents the position developed in the circumferential direction.
[0030]
FIG. 10B shows the relationship between the position of the groove 12 and the position of the vibration distribution shown in FIG.
[0031]
Regarding the number of grooves, the vibrating body 1 is provided with four grooves at symmetrical positions of the upper elastic member 2 and the lower elastic member 3, and the maximum amplitude position appears by experiment in correspondence with the groove position. Has been confirmed. The large arrow represents the moving direction of the moving body when the vibration having the displacement in the torsional direction as well as the displacement in the vertical direction is excited.
[0032]
Then, assuming that the position of the maximum amplitude of the wave on the vertical axis is the maximum displacement portion, when the projections 11 are provided at regular intervals in the maximum displacement portion, all the projections contact the moving body at one point with the same operation, The contact point can be made constant, and the motor efficiency can be improved.
[0033]
After the vibrating body is made, the protrusion may be attached to the rectangular shape with engineering plastic with excellent abrasion resistance afterwards using an adhesive, etc., or the tip of the vibrating body may be manufactured integrally with the vibrating body by cutting. May be.
[0034]
The vibrating body is one that is excited by applying a voltage to the piezoelectric material to excite vibration. The vibrating body may be made entirely of a piezoelectric material or a part of it may be made of a piezoelectric material.
[0035]
Further, as the piezoelectric material, lead zirconate titanate, barium titanate, lithium niobate, lithium tantalate, or the like is used.
[0036]
Further, when the protrusions 11 are provided between the positions of the constant displacement at the maximum displacement and the minimum displacement of the vibration displacement distribution in the height direction of the vibrating body 1 generated at the tip of the vibrating body 1, the contact point with the moving body is determined. Since the contact point can be made constant and the contact point is not affected by the vibration displacement that moves differently from the desired rotation direction, the rotation efficiency of the motor can be improved.
[0037]
FIG. 7 is a perspective view showing another example of the ultrasonic motor according to the first embodiment.
[0038]
As shown in FIG. 7, the vibrating body is composed of a vibrating body 1 composed of an upper elastic member 2, a lower elastic member 3, and a piezoelectric material 4 sandwiched therebetween. The upper elastic member 2 and the lower elastic member 3 are provided with grooves 12 for converting longitudinal vibration into torsional vibration at an angle smaller than 90 degrees. Then, projections 11 are provided at the top and bottom of the vibrating body 1 at regular intervals. Unlike the vibrator of FIG. 6, for example, eight grooves are provided. In this case, eight wave numbers appear in the vibration displacement distribution generated at the tip of the vibrating body.
[0039]
In the case where the protrusions 11 are provided at fixed intervals at the maximum displacement of the vibration displacement distribution in the height direction of the vibrator 1 generated at the tip of the vibrator 1, similar to the case where the number of grooves and protrusions is four as described above. Since the contact point can be fixed, the motor efficiency can be improved.
[0040]
FIG. 1 is a diagram illustrating the overall configuration of the ultrasonic motor according to the first embodiment.
[0041]
The ultrasonic motor according to the first embodiment is provided with a vibrating body 1 composed of an upper elastic member 2, a lower elastic member 3, and a piezoelectric material 4 sandwiched therebetween, and is provided vertically symmetrically at the tip of the vibrating body 1. A projection 11, a support member 8 for supporting and fixing the vibrating body 1, a moving body 5 that contacts and moves with the projection 11, a pressing member 6 that applies a pressing force to the vibrating body 1 and the moving body 5, And a bearing 9 for supporting the rotational movement of the rotary shaft 7, and a case 10 for enclosing the above members.
As described in the present embodiment, the grooves provided at an angle smaller than 90 degrees in the vibrating body can efficiently excite the vibration having the displacement in the torsional direction as well as the vertical direction.
[0042]
Further, by making the shape vertically symmetric, it is possible to prevent generation of an unnecessary vibration mode at a frequency near the vibration having the displacement in the torsional direction along with the displacement in the vertical direction. Thus, it is possible to prevent the vibration shape of the vibrating body from changing, and to keep the rotation efficiency of the motor constant.
[0043]
Also, the number of protrusions is the same as the number of grooves. According to this, the same vibration displacement distribution as the number of grooves appears in the circumferential direction of the tip of the vibrating body, so that the number of protrusions is made equal to the number of grooves, thereby making the contact point constant and improving the motor efficiency. It is possible.
(Embodiment 2)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0044]
FIG. 3 is a diagram according to the second embodiment, showing a case where there are protrusions between the maximum part and the minimum part of the vibration displacement distribution at regular intervals.
[0045]
The wavy graph in FIG. 3 shows the vibration displacement distribution at the tip of the vibrating body 1 when the vibrating body 1 shown in FIG. 2 is excited with, for example, a vibration having a longitudinal displacement and a torsional displacement. I have. The number of grooves is that the vibrating body 1 has four grooves at symmetric positions of the upper elastic member 2 and the lower elastic member 3, respectively. The graph shows the vertical displacement of the tip of the vibrating body 1 occurring at the tip of the vibrating body 1 on the vertical axis, and the position developed in the circumferential direction on the horizontal axis.
[0046]
When the position of the maximum amplitude of the vibration displacement distribution is the maximum displacement portion, and the position of the minimum amplitude of the vibration displacement distribution is the minimum displacement portion, and the projection 11 is provided between the maximum displacement portion and the minimum displacement portion, The trajectory of the movement of the projection 11 is inclined in the torsional direction of the torsional movement when coming into contact with the moving body. That is, by providing the projection 11 between the maximum displacement portion and the minimum displacement portion, it is possible to improve the rotation efficiency of the motor, increase the horizontal movement component of the moving body, and increase the rotation speed of the ultrasonic motor. It becomes possible.
[0047]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a displacement vector at a contact portion of a vibration body of an ultrasonic motor in a case where there is a protrusion between a maximum portion and a minimum portion of a vibration displacement distribution at an end at equal intervals according to the second embodiment. Is shown.
[0048]
FIG. 5A shows an example of a displacement vector at a portion of the vibrating body that comes into contact with the moving body without the protrusion 11. FIG. 5B shows a displacement vector at a portion where the vibrating body comes into contact with the moving body when the projection 11 is provided. Compared to the case without the protrusion 11 shown in FIG. 5A, the component in the twisting direction is increased by the amount of inclination of the protrusion 11, and the amount of rotation given to the moving body can be increased.
[0049]
As described above, the ultrasonic motor according to the second embodiment arranges the protrusion between the maximum displacement and the minimum displacement with respect to the vibration displacement distribution at the tip of the vibrator, so that the protrusion tilts in the torsional direction of the vibrator at the time of resonance. Therefore, the displacement in the torsional direction is increased, the moving amount of the moving body per one frequency cycle is increased, and the rotation speed of the ultrasonic motor can be increased.
(Embodiment 3)
Hereinafter, an electronic apparatus using the ultrasonic motor described in Embodiments 1 and 2 will be described with reference to FIGS. 8 and 9 regarding Embodiment 3 to which the present invention is applied.
[0050]
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of an electronic device with an ultrasonic motor according to Embodiment 3, illustrating an example of an endoscope for observing an inner wall surface of a tube.
[0051]
The electronic device with an ultrasonic motor according to the third embodiment includes a vibrator 1 including an upper elastic member 2, a lower elastic member 3, and a piezoelectric material 4 sandwiched therebetween, and a vertically symmetrical shape at the tip of the vibrator 1. A projection 11 provided, a support member 8 for supporting and fixing the vibrating body 1, a moving body 5 that contacts and moves with the projection 11, a pressing member 6 that applies a pressing force to the vibrating body 1 and the moving body 5, A rotating shaft 7 for extracting the rotating force of the moving body 5, a bearing 9 for supporting the rotating motion of the rotating shaft 7, a case 10 for enclosing the above members, a mirror 13 provided at the tip of the rotating shaft 7, and a mirror 13 The optical fiber 14 is disposed at a position opposite to the optical fiber 14.
[0052]
Inside the optical fiber 14, an ultrasonic signal is transmitted, reflected on the mirror 13, and returned again to obtain the state of the wall surface. Is monitored.
[0053]
In the present embodiment, the ultrasonic motor according to the first or second embodiment is used. Thereby, since the motor efficiency is high, the rotation fluctuation of the ultrasonic motor can be suppressed, and the rotation speed can be increased, it is possible to acquire a real-time image accurately and at high speed.
[0054]
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of an electronic device with an ultrasonic motor according to Embodiment 3, illustrating an example of a catheter that crushes gallstones and the like in a body. The electronic device with an ultrasonic motor according to the third embodiment includes a vibrator 1 including an upper elastic member 2, a lower elastic member 3, and a piezoelectric material 4 sandwiched therebetween, and a vertically symmetrical shape at the tip of the vibrator 1. A projection 11 provided, a support member 8 for supporting and fixing the vibrating body 1, a moving body 5 that contacts and moves with the projection 11, a pressing member 6 that applies a pressing force to the vibrating body 1 and the moving body 5, It comprises a rotating shaft 7 for extracting the rotating force of the moving body 5, a bearing 9 for supporting the rotating motion of the rotating shaft 7, a case 10 for enclosing the above members, and a conical member 15 provided at the tip of the rotating shaft 7. The conical member 15 is made of, for example, metal and has a conical shape with a groove like a drill.
[0055]
The moving body 5 is rotated by the vibration of the vibrating body 1, and the rotating force of the moving body 5 passes through the rotating shaft 7, and the conical member 15 at the tip of the rotating shaft 7 rotates. Thereby, for example, it is possible to have a function of crushing gallstones in the human body.
[0056]
By improving the rotation speed, it is possible to increase the speed of shaving gallstones and the like, and it is also possible to shorten the operation time and reduce the burden on the patient.
[0057]
As described above, since the electronic device with an ultrasonic motor according to the third embodiment uses the ultrasonic motor according to the first or second embodiment, it has a small diameter, good motor efficiency, and requires a high rotation speed. Application to electronic equipment becomes possible.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, in the ultrasonic motor to which the present invention is applied, in the ultrasonic motor that moves the moving body by the vibrating body that performs longitudinal vibration and torsional vibration, projections are provided at regular intervals with respect to the vibration displacement distribution in the tip circumferential direction. As a result, all the projections come into contact with the moving body at one point by the same operation, so that the motor efficiency can be improved.
[0059]
Further, when the projection is provided at the position of the maximum displacement of the vibration displacement distribution in the circumferential direction of the tip, the contact position becomes constant, the rotation direction can be stabilized, and the rotation efficiency can be improved.
[0060]
In addition, when the protrusion is provided in the middle of the maximum displacement and the minimum displacement of the vibration displacement distribution in the circumferential direction of the tip, the displacement in the torsional direction is increased, and the moving amount of the moving body per one cycle in the torsional frequency is increased. Thus, the rotation speed of the ultrasonic motor can be increased.
[0061]
In addition, since the protrusions are provided symmetrically in the vertical direction, it is possible to prevent an unnecessary vibration mode from being generated at a frequency near the vibration having the displacement in the torsional direction along with the displacement in the vertical direction. As a result, it is possible to prevent the vibration shape of the vibrating body from changing, and to reduce variations in individual motors and variations in characteristics.
[0062]
In addition, by forming a groove in the vibrating body at an angle smaller than 90 degrees, it is possible to cause vibration having a displacement in the torsional direction as well as a vertical displacement, and to rotate the moving body by contacting the moving body. Is possible.
[0063]
Also, the number of protrusions is the same as the number of grooves. According to this, in the circumferential direction of the tip end of the vibrating body, a vibration displacement distribution having the same number of peaks as the number of grooves appears in the circumferential direction. By setting the number of protrusions to be the same as the number of grooves, the vibration displacement having the same amplitude is reduced. Since it can be transmitted to the moving body, it is possible to improve the motor efficiency.
[0064]
Also, by using the ultrasonic motor according to the present invention, a small diameter, high motor efficiency, a stable rotation speed is required, and electronic devices that require a high rotation speed, such as medical devices such as endoscopes and catheters And application to inspection equipment such as piping.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of an ultrasonic motor according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an ultrasonic motor according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing positions of protrusions of an ultrasonic motor according to a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a conventional ultrasonic motor.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a displacement vector of a vibrating body of the ultrasonic motor according to the second embodiment.
FIG. 6 is a perspective view showing the ultrasonic motor according to the first embodiment.
FIG. 7 is a perspective view showing the ultrasonic motor according to the first embodiment.
8 is a diagram illustrating a configuration example of an electronic device with an ultrasonic motor according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of an electronic device with an ultrasonic motor according to a third embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing positions of protrusions of the ultrasonic motor according to the first embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vibration body 2 Upper elastic material 3 Lower elastic material 4 Piezoelectric material 5 Moving body 6 Pressure member 7 Rotating shaft 8 Support member 9 Bearing 10 Case member 11 Projection 12 Groove 13 Mirror 14 Optical fiber 15 Conical member
