JP2010172160A

JP2010172160A - 超音波モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2010172160A
Application number: JP2009014246A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Kasai; 靖明葛西; Choei Sakai; 長英坂井
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-01-26
Filing date: 2009-01-26
Publication date: 2010-08-05

Abstract

【課題】小型な構成で、高速に大きな変位量で駆動できる超音波モータ駆動装置を提供すること。
【解決手段】超音波振動子１０１を備え、超音波振動子１０１に２相の交番電圧信号を供給することにより、縦振動モードおよび屈曲振動モードを同時に励起させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波モータ駆動装置であって、
超音波振動子１０１に交番電圧信号を印加する制御部１０６と、
積層された超音波振動子１０１の対向に配置されている端面に少なくとも１個以上配置された駆動子１２０ａ等と、
駆動子１２０ａ等に対向し押圧接触するよう配置された複数の摺動部材１１０ａ、１１０ｂと、を具備し、
駆動子１２０ａ等に発生する楕円振動の時間的な軌跡の回転する向きが同方向となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波モータ駆動装置に関するものである。

従来技術では、図９に示すような、超音波リニアモータ１が知られている。超音波リニアモータ１では、超音波振動子２に交番電圧をそれぞれ印加すると、超音波振動子２の摺動部材５の位置に、右周りまたは左周りの超音波楕円振動が発生する。そして、クロスローラーガイド３０の移動部３２は、超音波楕円振動の回転方向に従ってそれぞれ右方向または左方向に駆動される。

特許第３１９２０２９号公報

従来技術の超音波リニアモータでは、超音波楕円振動は、超音波振動子２をベース２７側に固定し、摺動部材５の位置に発生する。超音波楕円振動を駆動力として、移動部３２を右方向または左方向に駆動している。このような駆動方式は、「他走方式」と呼ばれている。

従来技術の超音波リニアモータの構成において、駆動する変位を大きくする場合には、クロスローラーガイド３０や摺動部材３４などの部材を長くする必要がある。また、駆動する速度を速くする場合には、超音波振動子２に投入するエネルギーを増やして、振動速度を大きくする必要がある。

しかしながら、部材を長くするための設置スペースに制限がある場合などでは対応できない。また、速度を速くするために投入エネルギーを多くしても、振動速度にも限界がある。さらにエネルギーを投入することにより効率を悪化させてしまうことが考えられる。このように、現在の構成のまま大変位化や高速化に対応するには限界がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型な構成で、高速に大きな変位量で駆動できる超音波モータ駆動装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、超音波振動子を備え、前記超音波振動子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧信号を供給することにより、縦振動モードおよび屈曲振動モードを同時に励起させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波モータ駆動装置であって、
前記超音波振動子に交番電圧信号を印加する制御部と、
前記積層された前記超音波振動子の対向に配置されている端面に少なくとも１個以上配置された駆動子と、
前記駆動子に対向し押圧接触するよう配置された複数の摺動部材と、を具備し、
前記駆動子に発生する楕円振動の時間的な軌跡の回転する向きが同方向となることを特徴とする超音波モータ駆動装置を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記超音波振動子の長手方向に複数個配置され、短手方向にも対向に配置された駆動子に発生する楕円振動の向きは、同じ向きであることが望ましい。

本発明によれば、小型な構成で、高速に大きな変位量で駆動できる超音波モータ駆動装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明の実施例１に係る超音波モータ駆動装置の概略構成を示す図である。超音波振動子の製造過程を示す図である。超音波振動子の制御部を示す図である。振動モードと楕円振動とを説明する図である。本発明における摺動部材の動きを説明する図である。本発明の適用例を説明する図である。本発明の実施例２に係る超音波モータ駆動装置の概略構成を示す図である。本発明の他の適用例を説明する図である。従来の超音波モータ装置の概略構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる超音波モータ駆動装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明にかかる実施例１の超音波モータ駆動装置１００の概略構成を示す図である。
駆動子１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂは、矩形形状の超音波振動子１０１の長手方向に複数個配置され、短手方向にも対向に配置されている。短手方向に配置された駆動子１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂに対して配置されたリニア形状の摺動部材１１０ａ、１１０ｂは、押圧部材（不図示）により複数の駆動子方向に押圧接触している。

また、必要に応じて、超音波振動子１０１の中心部分に位置決めするための位置規制部材と、位置規制部材を用いて超音波振動子１０１の押圧力を調整するためのガイド溝を設けた振動子ホルダとを配置することもできる。

以上の構成により、本実施例では、２つの摺動部材１１０ａ、１１０ｂをそれぞれ相対的に反対の方向へ駆動する方式（以下、適宜「相反駆動方式」という。）の超音波モータ駆動装置（リニア形状）を実現している。

次に、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）を参照して、本装置１００に使用している超音波振動子１０１について説明する。複数の圧電活性領域のパターンを、このパターンよりも大きい圧電シートに複数印刷する。図２（ａ）は、１つ目のパターンであり、駆動用の圧電活性領域１０２ｂ、１０２ｃを２箇所と、モニタ用あるいは駆動用の圧電活性領域１０２ａを１箇所との計３箇所の圧電活性領域を、圧電シート１０２に印刷する。また、各圧電活性領域１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと、圧電シート外部との電気接続を行うために長手方向への引き出し部が設けられている。

図２（ｂ）は、２つ目のパターンを示している。上述した１つ目のパターンと圧電活性領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃの配置は同じである。これに対して、圧電シート１０３の外部との電気接続を行うための長手方向への引き出し部が形成されている位置が異なる。

図２（ｃ）は、３つ目のパターンを示しており、圧電シート１０４には、圧電活性領域は形成されていない。これらの圧電シート１０２、１０３、１０４を、図２（ｄ）のように所定の枚数だけ、繰り返して積層する。この結果、図２（ｅ）に示すような構造の超音波振動子を製造することができる。

次に、超音波振動子を高温で焼成した後、所定の大きさに切断する。そして、図２（ｆ）に示すように、帯状の外部電極１０５を設ける。帯状の外部電極１０５は、長手方向に引き出した長手方向の側面上に現れている圧電活性領域を電気的接続するために用いる。また、図２（ｇ）に示すように、外部電極１０５は、不図示の外部の制御機器との電気的な電気接続、接続方法または装置の配置スペースにより、長手方向面上にも引き出す構成も可能である。

超音波振動子１０１の外部電極１０５と、外部制御器とを、リード線やＦＰＣ（フレキシブルプリント基板、Flexible Printed Circuits）などを用いて電気的接続を行う。なお図３に示すように、制御部１０６は、ＣＰＵ１０７、発振回路１０８、信号生成回路１０９、位相回路１１０、信号増幅回路１１１、検出回路１１２から構成される。そして、制御部１０６は、外部電極１０５に、２相の交番電圧信号を印加する。このとき、超音波振動子１０１の長手方向と短手方向との比率に応じて、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）に示すような、縦１次振動モード１０１ａと屈曲２次振動モード１０１ｂが励起される。

これらの複数の振動モードの時間的な軌跡を描くと図４（ｃ）のような楕円振動になる。楕円振動は、図４（ｃ）に示すように、楕円形状の矢印で示すように超音波振動子１０１の端面上の複数の場所で発生する。そして、複数の楕円振動の向きは、場所によって異なっている。

これらの複数の楕円振動の中で、本実施例では、図４（ｄ）に示すような、短手方向に対向し、楕円振動の向きが同じ４箇所の位置に、楕円振動を取り出せるように駆動子１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂを配置する。これにより、必要とする楕円振動を選択的に取り出すことができる。また、駆動子１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂの位置は、更に屈曲２次振動モードの腹の位置にも相当する。

図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、楕円振動を用いた本実施例の基本的な動作を説明している。図５（ａ）において、交番信号が印加されていないので摺動部材１１０ａ、１１０ｂは押圧力のみで保持されている。図５（ｂ）は、所定の位相差αをもつ交番信号が印加された状態を示し、超音波振動子１０１で発生した楕円振動の駆動力によって、紙面上側の摺動部材１１０ａは右側に、紙面下側の摺動部材１１０ｂは左側に駆動される。

図５（ｃ）は、図５（ｂ）における位相差から位相２π反転させた交番信号を印加した状態を示している。超音波振動子１０１で発生する楕円振動の向きが図５（ｂ）と逆向きになる。このため、紙面上側の摺動部材１１０ａが左側に、紙面下側の摺動部材１１０ｂは右側に駆動される。

図５（ｄ）は、図５（ｃ）で駆動している状態から、図５（ａ）で示す位置で停止させた様子を示している。

このように、超音波振動子１０１に交番信号を印加することにより、超音波振動子１０１の上下に配置された摺動部材１１０ａ、１１０ｂを、同時に相反する方向に駆動することができる（リニア形状）。

（適用例）
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明を内視鏡２００の先端部の蛇管２０１に適応した例を示している。摺動部材１１０ａ、１１０ｂをそれぞれ、紙面上下方向に相対的に駆動する。摺動部材１１０ａ、１１０ｂと蛇管とワイヤーを介して接続固定されている。これにより、図６（ｂ）、（ｃ）に示すように、蛇管２０１の首振り運動を行うことができる。

また、上述した実施例では超音波振動子１０１を１つだけ用いた例で説明している。本発明は、これに限定するわけではなく、状況によって複数の超音波振動子を直列、並列に並べて使用することも可能である。
さらに、２つの摺動部材のうちの一方を固定した場合でも、超音波振動子と他方の摺動部材は動くことができる。従って、超音波振動子から見ると、摺動部材が相反する方向に駆動したことと同じ状況になる。このように、２つの摺動部材の、どちらかを固定して使用することも可能である。

このように、本実施例では、複数の摺動部材を同時に相反する方向に駆動させることができる。これにより、複数の摺動部材が相反する方向に駆動することで、相対的に大きなストロークと、相対的な速度が速くなるという効果が得られる。

図７は、実施例２の超音波モータ駆動装置３００の概略構成を示している。本実施例において、駆動子１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂは、矩形形状の超音波振動子１０１の長手方向に複数個（４つ）配置され、短手方向にも対向に配置されている。

短手方向に配置された駆動子１２０ａ、１２１ａ、駆動子１２０ｂ、１２１ｂに対して、それぞれ円環または円板形状の摺動部材３０１ａ、３０１ｂが配置されている。さらに、押圧部材により複数の駆動子方向に押圧接触している。

ここで、必要に応じて、超音波振動子１０１の中心部分に位置決めするための位置規制部材と、位置規制部材を用いて超音波振動子１０１の押圧力を調整するようなガイド溝を設けた振動子ホルダを配置する。これにより、いわゆる相反駆動方式の超音波モータ駆動装置３００（回転形状）を構成できる。

本実施例における超音波振動子１０１の構成、楕円振動の発生原理は、実施例１と同じであるので、重複する説明を省略する。
円環あるいは円筒形状の摺動部材３０１ａ、３０１ｂであるため、発生する楕円の向きにより、摺動部材３０１ａ、３０１ｂが回転駆動する。
ここで、超音波振動子を複数使用する場合は、各配置場所で摺動部材を駆動する方向が揃うように向きを合わせる必要がある。

（適用例）
図８は、本実施例の超音波モータ駆動装置３００をカプセル型内視鏡４００に適用した例を示している。
カプセル型内視鏡４００の紙面上側と下側の継ぎ目部分に２つの超音波振動子１０１ａ、１０１ｂを用いた超音波モータ駆動装置３００を内蔵している。摺動部材３０１ａ、３０１ｂは、それぞれ押圧部材４０２ａ、４０２ｂにより振動子の方向に押圧されている。

この構成において、交番信号を超音波振動子１０１ａ、１０１ｂに印加すると、カプセル型の内視鏡４００の中心軸ＡＸに対して、例えば上側が反時計回り、下側が時計周りに回転駆動させることがでる。

カプセル型内視鏡４００の外側面には、らせん状の凸部が形成されている。このため、簡単な機構で回転推進力を得ることができる。

また、図示していないが本発明の超音波モータ駆動装置をカメラのオートフォーカス機構に適応すると、現状よりも時間的に早いオートフォーカス機構を実現できる。

以上説明したように、本発明では、超音波振動子の長手方向に複数個配置され、さらに短手方向にも対向に配置された駆動子に、複数の摺動部材を押圧接触させて超音波振動子に交番信号を印加すると、駆動子の位置に発生した楕円振動により複数の被駆動体は左右相反する方向に駆動される。これにより、被駆動体のストロークが同じなら『他走方式』に比べて複数の被駆動体の変位するため相対的な変位量と相対的な速度は速くなる、いわゆる「相反駆動方式」の超音波モータ駆動装置を達成できる。

以上のように、本発明は、小型な構成で、高速に大きな変位量で駆動できる超音波モータ駆動装置に有用である。

１００超音波モータ駆動装置
１０１超音波振動子
１０２圧電シート
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ圧電領域
１０３圧電シート
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ圧電領域
１０５外部電極
１０６制御部
１０７ＣＰＵ
１０８発振回路
１０９信号生成回路
１１０位相回路
１１１信号増幅回路
１１２検出回路
１２０ａ、１２０ｂ、１２１ａ、１２１ｂ駆動子
２００超音波モータ駆動装置
２０１蛇管
３００超音波モータ駆動装置
３０１ａ、３０１ｂ摺動部材
４００カプセル型内視鏡
４０２ａ、４０２ｂ押圧部材
４０４らせん状の凸部

Claims

超音波振動子を備え、前記超音波振動子に所定の位相差および所定の駆動周波数の２相の交番電圧信号を供給することにより、縦振動モードおよび屈曲振動モードを同時に励起させて出力端に略楕円振動を生じさせる超音波アクチュエータ駆動装置であって、
前記超音波振動子に交番電圧信号を印加する制御部と、
前記超音波振動子の対向に配置されている端面に少なくとも１個以上配置された駆動子と、
前記駆動子に対向し押圧接触するよう配置された複数の摺動部材と、を具備し、
前記駆動子に発生する楕円振動の時間的な軌跡の回転する向きが同方向となることを特徴とする超音波モータ駆動装置。
前記超音波振動子の長手方向に複数個配置され、短手方向にも対向に配置された駆動子に発生する楕円振動の向きは、同じ向きであることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ駆動装置。