JP2015087548A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電アクチュエータであって、圧電部材が変形する際に生じる電気信号を常時検出することができる圧電アクチュエータを得る。【解決手段】粉体の圧電材料を含む材料が中空の正１２角柱形状に成形、焼成された圧電部材５３には長手方向に延びる貫通孔５５が形成される。圧電部材５３は焼成された後めっき処理されて、表面全体に導電層が形成される。その後全ての稜線部が面取り加工され、面取り部５９が形成される。各側面の導電層が１１個の外面電極５１と１つの検出部５２となり、圧電アクチュエータ５０の形状が完成する。検出部５２は圧電部材５３が変形することにより生じる電気信号を検出するためにのみ使用され、電圧の印加に使用されない。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電アクチュエータに関する。

光ファイバを駆動するための圧電アクチュエータは、印加された電圧に応じて圧電部材が変形し、圧電部材が変形する際に生じる電気信号を検出し、検出された電気信号に基づいて圧電部材の位置や動きを推定し、この推定結果に基づいて圧電部材に印加する電圧を制御することでフィードバック制御を実現する。フィードバック制御を実現する圧電アクチュエータについて、特許文献１に記載されている技術では、圧電アクチュエータの電極が、スイッチを介してアクチュエータドライバと電圧検出器のどちらかに切り替え可能に接続される。

特表２０１０−５３４８６２号公報

しかし圧電アクチュエータの電極がスイッチを介してアクチュエータドライバと電圧検出器のどちらかに切り替え可能に接続される場合、圧電部材から生じる電気信号を常時検出することが不可能なため、フィードバック制御の精度が低下する。

本発明は、光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電アクチュエータであって、圧電部材が変形する際に生じる電気信号を常時検出することができる圧電アクチュエータを提供することを目的としている。

本発明に係る圧電アクチュエータは、内部に光ファイバが挿通され、光ファイバの先端を変位させるための管状の圧電アクチュエータであって、圧電材料を含む材料が多角柱形状に成形され、多角柱形状の横断面における角を形成する稜線部のうち少なくとも２つを面取り加工することにより面取り部が形成された圧電部材と、面取り部を除く圧電部材の側面に形成され、電圧を印加するための第１の電極を有する電極部と、第１の電極を介して電圧を印加することにより生じる圧電部材の変位を検出する検出部とを備え、検出部が、側面に設けられるとともに第１の電極と絶縁されることを特徴としている。

好ましくは、電極部が、面取り部を除く圧電部材の側面に形成され、電圧の印加に使用されない第２の電極を有し、検出部が第２の電極であり、第２の電極が圧電部材の変位に応じた電気信号を検出する。また、好ましくは、検出部が、電極部に設けられたセンサである。また、好ましくは、圧電部材が、角の数が３乃至１２のいずれかの多角柱形状である。また、好ましくは、電極部が、面取り部を除く圧電部材の全ての側面に形成される。また、好ましくは、面取り部が、角の全てに形成される。

また、好ましくは、圧電部材が、角の数が４の自然数倍の多角柱形状であり、検出部が、横断面の周方向における位相が９０°離れた２つの側面に設けられる。また、好ましくは、圧電部材が、角の数が偶数の多角柱形状であり、第１の電極と検出部とが、横断面の周方向において交互に設けられる。また、好ましくは、センサが圧電部材の長手方向の略全体にわたって延びる。

本発明によれば、光走査型内視鏡のスキャナで使用され、光ファイバを駆動するための圧電アクチュエータであって、圧電部材が変形する際に生じる電気信号を常時検出することができる圧電アクチュエータを得る。

第１の実施形態における光ファイバスキャナの構成を示す図である。 圧電アクチュエータの中間品の斜視図である。 圧電アクチュエータの完成品の斜視図である。 圧電アクチュエータの端面を示す図である。 電圧が印加されていない状態における圧電アクチュエータの断面図である。 電圧が印加された状態における圧電アクチュエータの断面図である。 第２の実施形態における圧電アクチュエータの斜視図である。 第３の実施形態における圧電アクチュエータの端面を示す図である。 圧電アクチュエータの端面を示す図である。 圧電アクチュエータの完成品の斜視図である。 圧電アクチュエータの端面を示す図である。 圧電アクチュエータの端面を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の第１の実施形態である圧電アクチュエータの構成を説明する。まず光走査型内視鏡の先端部に搭載される光ファイバスキャナの概要について説明する。図１に示されるように、光ファイバスキャナ１０は、各部材を内部に収納する円筒状のハウジング２０を備える。ハウジング２０の内部には円板状の保持部材３０が固定され、またハウジング２０にはレンズユニット４０が設けられる。保持部材３０の内部には筒状の圧電アクチュエータ５０が接着剤により固定される。圧電アクチュエータ５０の内部には光ファイバ６０が挿通される。光ファイバ６０の先端側、つまり突出部は圧電アクチュエータ５０によって片持ち梁状態で保持される。光ファイバ６０の突出部は接着剤７０により固定される。

圧電アクチュエータ５０の外面には、長手方向の全体にわたって周方向に分離された複数の外面電極（第１の電極）５１が形成される。分離された各外面電極５１の、図１のＺ方向の負の向きの端部にはそれぞれワイヤ８０がはんだ付けされる。なお各図において、Ｚ方向とはレンズユニット４０の光軸に沿う方向であり、光ファイバ６０の先端側に向かう向きを正とする。また、Ｘ、Ｙの各方向は、Ｚ方向に直交しかつ互いに直交する方向である。各ワイヤ８０は図示しない電力供給部に接続される。光ファイバ６０は図示しない光源に接続される。

光源から伝達された照明光Ｌは、光ファイバ６０とレンズユニット４０を介して被写体に対して出射される。圧電アクチュエータ５０は、図１のＸ方向、Ｙ方向に湾曲させられる。この湾曲の周波数は光ファイバ６０の先端部のたわみ振動の共振周波数に一致するように制御される。これにより、光ファイバ６０の先端部は、Ｚ方向に直交する疑似的な平面内で、圧電アクチュエータ５０近傍の光ファイバ６０の変位に比べて大きく変位する。この変位の軌跡はＺ方向から見ると渦巻き状をなす。例えば接着剤７０近傍の光ファイバ６０の変位量が数μｍでも、光ファイバ６０の先端の変位量は約０．５ｍｍである。なお、圧電アクチュエータ５０の長さは例えば１〜１０ｍｍである。外面電極５１の極数は例えば１１極である。

図２に示されるように、圧電アクチュエータの製造工程の途中である中間品１００において、圧電部材５３は中空の正１２角柱形状に成形、焼成される。圧電部材５３は圧電材料とバインダの粉体から成形される。成形方法は例えば押出成形である。圧電材料は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）である。

圧電部材５３はその横断面において角を形成する稜線部１０７と側面１０３をそれぞれ１２個だけ備える。なお、横断面は、圧電部材５３を長手方向に垂直な平面で切断した際の切断面を表す。圧電部材５３には長手方向に延びる貫通孔５５が形成される。圧電アクチュエータの中間品１００は焼成された後めっき処理されて、圧電アクチュエータの中間品１００の表面全体に導電層１０４が形成される。導電層の形成方法はめっき処理以外に銀粉を含有する導電性接着剤の硬化によるものでもよい。その後、圧電アクチュエータの中間品１００の長手方向の両端面に形成された導電層１０４が除去される。これにより、貫通孔５５の表面に形成された導電層１０４が外面の導電層１０４と分離され内面電極５７になる。

続いて、全ての稜線部１０７が面取り加工される。すなわち稜線部１０７に形成された導電層１０４が除去される。面取り加工された面取り部５９は図３の斜線部に示される。図３に示されるように長手方向の全長にわたり面取り加工が行われる。なお、面取り部５９の大きさは必要な空間距離が確保でき、圧電部材５３を適切に分極できるように設定される。面取り加工の方法は例えば切削加工である。

これにより隣接する２つの側面１０３、１０３に形成された導電層１０４、１０４は互いに絶縁される。また、各側面１０３の導電層１０４が１１個の外面電極５１と１つの検出部（第２の電極）５２として機能する。外面電極５１と検出部５２は電極部を構成する。すなわち外面電極５１と検出部５２の構成は実質的に同一である。外面電極５１は圧電部材５３に電圧を印加するために使用され、圧電部材５３が変形することにより生じる電気信号を検出するためには使用されない。検出部５２は圧電部材５３が変形することにより生じる電気信号を検出するために使用される。すなわち検出部５２は電圧の印加に使用されない電極部といえる。なお、説明の便宜上、図３以降に示されるように、外面電極５１のうち、Ｘ方向の湾曲に使用されるものを特に外面電極５１Ｘと表し、Ｙ方向の湾曲に使用されるものを特に外面電極５１Ｙと表す。

圧電アクチュエータ５０は図４に示されるように、外周の角すなわち稜線部１０７が除去される。圧電アクチュエータ５０の内面電極５７は、外面電極と異なり、複数の極に分離されない。図４において、検出部５２は圧電アクチュエータ５０の横断面における中心からＹ方向に設けられる。なお圧電アクチュエータ５０の横断面における外周の外接円の直径は例えば０．１〜１ｍｍである。

面取り加工の後、各外面電極５１と内面電極５７の間、および検出部５２と内面電極５７の間に高電圧が印加されて圧電部材５３が分極され、圧電アクチュエータ５０が完成する。全ての外面電極５１に対応する部分の圧電部材５３がそれぞれ適切に駆動されるとともに、検出部５２に対応する部分の圧電部材５３が適切に電気信号を出力するように分極される。

次に、圧電アクチュエータ５０の完成品が走査型内視鏡の光ファイバスキャナに使用される際の駆動制御について説明する。図５、６に示される圧電アクチュエータ５０は図４のＡ−Ａ断面を示す。従来では、１つの外面電極が１つの極を形成した４つの外面電極が形成され、互いに対角線上に位置する一対の外面電極を１つのグループとして、２つのグループそれぞれの外面電極間に交流電圧が印加される。

これに対し、本実施形態では、隣接する３つまたは２つの外面電極が１つの極を形成した１１個の外面電極５１が形成される。ほぼ対角線上に位置する２つの極を形成する６つの外面電極５１Ｘと、ほぼ対角線上に位置する２つの極を形成する５つの外面電極５１Ｙが、それぞれ１つのグループとなる。２つのグループそれぞれにおいて、ほぼ対角線上に位置する２つの極を形成する外面電極間に交流電圧が印加される。これにより図５、６のＸ、Ｙ方向の電圧を制御することにより、光ファイバの先端部が渦巻き状に駆動させられる。このとき検出部５２は、圧電アクチュエータ５０が湾曲することにより生じる電気信号を検出する。

続いて電圧の印加と湾曲の関係について説明する。例えばＸ方向に圧電アクチュエータ５０が湾曲するときには、横断面においてほぼ対角線上に位置する２つの極を形成する外面電極間に交流電圧が印加される。図６に示されるように、圧電逆効果により圧電部材５３の左の断面部分が長手方向に伸長し、右の断面部分が長手方向に縮む。これにより圧電アクチュエータ５０は図６に示される矢印Ｂの向き、すなわちＸ方向に湾曲する。

以上のように本実施形態では、圧電材料を中空の正１２角柱形状に成形、焼成し、導電層１０４を形成した後、正１２角柱形状の圧電部材５３の全ての稜線部１０７が面取り加工される。各側面１０３の導電層１０４が１１個の外面電極５１と１つの検出部５２となり、検出部５２は圧電部材５３が変形することにより生じる電気信号を検出するためにのみ使用され、電圧の印加に使用されない。これにより、圧電部材が変形する際に生じる電気信号を常時検出することができる。また、正１２角柱形状の稜線部１０７を面取り加工することにより外面電極５１が形成されるので、容易に各外面電極５１が周方向に分離した状態で配置され得る。

図７は、電極部にセンサが設けられた第２の実施形態の圧電アクチュエータ５００の構成を示している。圧電アクチュエータ５０が圧電アクチュエータ５００に変わることを除き、第２の実施形態の光ファイバスキャナ１０の構成は第１の実施形態と共通である。第１の実施形態では、検出部が、圧電部材が変形する際に生じる電気信号を検出したが、図７に示されるように、第２の実施形態では、センサ（検出部）５０２が圧電部材の変形を検出する。第１の実施形態のように１つの圧電部材でアクチュエータとセンサを兼用すると構成の簡素化は図られる。ここで一般に、圧電素子にはアクチュエータに適したものとセンサに適したものがある。本実施形態ではこの点に着目し、より適確な駆動とより精細な検出の双方を実現することを可能にした。つまり、本実施形態ではアクチュエータ用の圧電部材５３とセンサ５０２について、それぞれの機能に適した圧電素子が用いられる。

図７に示す不使用電極５０１は、外面電極５１と形状が同一の電極部である。また不使用電極５０１は、電圧を印加するために使用されず、さらに、圧電部材５３が変形することにより生じる電気信号を検出するためにも使用されない。なお、分極処理は不使用電極５０１にも行われる。不使用電極５０１にセンサ５０２が接着剤により固定される。これにより、不使用電極５０１とセンサ５０２は絶縁される。センサ５０２は、板状の圧電素子であり、圧電部材５３の長手方向の略全体にわたって延びる。

このように第２の実施形態では、センサ用とアクチュエータ用の圧電素子を使い分け、アクチュエータ用の圧電素子上にセンサ用の圧電素子を別途設けるので、圧電アクチュエータの駆動性能とセンシング性能のどちらかが低下することを回避することができる。また、圧電アクチュエータ５０が多角柱形状のため、側面が平面であり、比較的作り易い板状のセンサを、比較的容易に固定することができる。

図８は１つの側面に外面電極とセンサが設けられる第３の実施形態の圧電アクチュエータ６００の構成を示している。第３の実施形態の圧電アクチュエータ６００はセンサ５０２の数が４つになることと、センサ５０２が設けられる電極部が外面電極５１であること以外は第２の実施形態と共通である。第２の実施形態においてセンサが設けられる不使用電極は、電圧を印加するために使用されないが、図８に示されるように、第３の実施形態ではセンサ５０２が設けられる側面にも、電圧を印加するために使用される外面電極５１Ｘ、５１Ｙが設けられる。これにより、圧電アクチュエータ６００の側面の全てに外面電極５１を設けることができ、センサ５０２が設けられる向きの湾曲量を増加させることができる。また、センサ５０２が図８のＸＹ方向の湾曲を検出できる位置、すなわち圧電部材の横断面の周方向における位相がそれぞれ９０°離れた４つの側面に設けられるので、全ての方向に対する湾曲についてフィードバック情報を取得することが可能となる。

以上が本発明の実施形態の説明である。なお、図７、８において板状のセンサ５０２の主面における幅は圧電部材５３の側面の幅よりも小さいが、図９に示されるように、センサ７０２の主面における幅は圧電部材５３の側面の幅より大きくてもよい。仮に圧電部材５３の横断面における外周の外接円の直径が１ｍｍの場合、この側面の幅は２・０．５・ｓｉｎ（１５°）≒０．２６（ｍｍ）と非常に小さい。このため板状の圧電素子の作り易さを考慮したものである。

また、第１〜第３の実施形態では、圧電素子が正１２角柱形状に成形されたが、本発明はこれに限定されず、角の数が３乃至１２の多角柱形状であってもよい。横断面における外接円の直径が０．１〜１ｍｍの多角柱形状の圧電素子では、シミュレーションによれば１２角柱形状までが許容され、角の数がこれ以上の場合は断面が円に近く、外面電極を周方向に分離するための加工が困難なため適切ではない。なお、好ましくは正６角柱形状または正８角柱形状である。また、多角柱形状は、成形、焼成後において稜線部が尖っておらず、丸みを帯びていてもよい。

また、第１〜第３の実施形態では、圧電部材５３の全ての側面に電極部が形成されたが、本発明はこれに限定されず、電極部が形成されない側面があってもよい。また、第１〜第３の実施形態では、全ての稜線部１０７が面取り加工されたが、本発明はこれに限定されず、図１０に示されるように、面取り加工されない稜線部１０７があってもよい。少なくとも２つの稜線部が面取り加工されていればよい。これにより１２角柱形状にも関わらず外面電極５１を例えば４極とすることができる。すなわち、図３では同じ極を形成する外面電極５１Ｘまたは５１Ｙのそれぞれにワイヤをはんだ付けしなければならないが、図１０では同じ極を形成する外面電極５１Ｘまたは５１Ｙのいずれか１つにワイヤをはんだ付けするだけでよく、はんだ付けにかかる時間を短縮できる。また図３の場合と異なり、外面電極の極数を多角柱形状の角の数に依存せずに決定することができる。すなわち押出成形の高価な金型の形状に依存せずに、極数の選択が可能となる。なお、この場合も検出部５２が設けられる側面に位置する稜線部１０７は必ず面取りされる。

また、第１、第２の実施形態において検出部またはセンサの数が１で、第３の実施形態においてセンサの数が４だが、本発明はこれに限定されず、検出部の数は問わない。ただし圧電部材が、角の数が４の自然数倍、特に４、８又は１２の多角柱形状の場合、図１１に示されるように、圧電アクチュエータ９００の横断面の周方向における位相が９０°離れた２つの側面にそれぞれ１つのセンサ５０２が設けられることが好ましい。また、図１２に示されるように、圧電部材５３が、角の数が偶数の多角柱形状の場合、外面電極５１とセンサ５０２が横断面の周方向において交互に設けられてもよい。これにより複数の湾曲の向きに対応した湾曲量を精度良く検出することが可能となる。

５０、５００、６００、７００、８００、９００ 圧電アクチュエータ
５１、５１Ｘ、５１Ｙ 外面電極
５２ 検出部
５３ 圧電部材
５５ 貫通孔
５７ 内面電極
５９ 面取り部
６０ 光ファイバ
１００ 圧電アクチュエータの中間品
１０３ 側面
１０４ 導電層
１０７ 稜線部
５０１ 不使用電極
５０２、７０２ センサ

Claims (9)

1. 内部に光ファイバが挿通され、前記光ファイバの先端を変位させるための管状の圧電アクチュエータであって、
   圧電材料を含む材料が多角柱形状に成形され、前記多角柱形状の横断面における角を形成する稜線部のうち少なくとも２つを面取り加工することにより面取り部が形成された圧電部材と、
   前記面取り部を除く前記圧電部材の側面に形成され、電圧を印加するための第１の電極を有する電極部と、
   前記第１の電極を介して電圧を印加することにより生じる前記圧電部材の変位を検出する検出部とを備え、
   前記検出部が、前記側面に設けられるとともに前記第１の電極と絶縁されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記電極部が、前記面取り部を除く前記圧電部材の側面に形成され、前記電圧の印加に使用されない第２の電極を有し、
   前記検出部が前記第２の電極であり、前記第２の電極が前記圧電部材の変位に応じた電気信号を検出することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記検出部が、前記電極部に設けられたセンサであることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記圧電部材が、前記角の数が３乃至１２のいずれかの多角柱形状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記電極部が、前記面取り部を除く前記圧電部材の全ての側面に形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記面取り部が、前記角の全てに形成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記圧電部材が、前記角の数が４の自然数倍の多角柱形状であり、
   前記検出部が、前記横断面の周方向における位相が９０°離れた２つの側面に設けられることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記圧電部材が、前記角の数が偶数の多角柱形状であり、
   前記第１の電極と前記検出部とが、前記横断面の周方向において交互に設けられることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記センサが前記圧電部材の長手方向の略全体にわたって延びることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
   

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