JP2022132781A - 振動型アクチュエータ、雲台、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】出力軸を備え、分解が容易でリサイクルできる振動型アクチュエータを提供する。【解決手段】振動型アクチュエータ１０は、環状の弾性体および電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体２０と、振動体と接する環状の接触体３０と、接触体の回転を出力し中心軸が環状の接触体の中心軸と略一致する軸体５０と、振動体と接触体を加圧する付勢部４０と、付勢部を軸体に対して固定し、軸体の長手方向軸を挟んで２つに分割されている２つの固定部材４５ａ，４５ｂを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、振動体と接触体を備えた、振動型アクチュエータに関するものである。

従来、電磁モータの回転力によって、ニードルを回転させ対象物に対して処置を施す工作機あるいは医療機器や、回転台が設けられた軸回転の制御が可能な雲台などの電子機器が知られている。しかし、工業用あるいは医療用のＭＲＩ装置など、高磁場環境下では磁場によって電磁モータを正常に駆動させることは著しく困難である。そのため、電磁モータの代わりに、ニードルと直接／間接に連結される出力軸を有し、振動子とその振動子に励起された振動によってその振動子に接する接触体を相対移動させる振動型アクチュエータを搭載された電子機器が提案されていた（特許文献１）。しかしながら高磁場環境下に対応できる振動型アクチュエータは、構成する部材が非磁性の素材あるいは非磁性コーティングが施されたりされる特殊なもののため、部品単価が高額である。したがって振動型アクチュエータに不具合が起きた場合、損傷部品のみ交換できかつ交換部品も再利用できるよう、分解が容易でリサイクルできる振動型アクチュエータの登場が望まれていた。

特許０６４９４４０４号公報

以上を踏まえ、本発明は、出力軸を備え、分解が容易でリサイクルできる振動型アクチュエータを提供する。

環状の弾性体および電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体と、前記振動体と接する環状の接触体と、前記接触体の回転を出力し中心軸が前記環状の接触体の中心軸と略一致する軸体と、前記振動体と前記接触体を加圧する付勢部と、前記付勢部を前記軸体に対して固定し、前記軸体の長手方向軸を挟んで２つに分割されている２つの固定部材を備える振動型アクチュエータを提供する。

上記発明により、分解が容易でリサイクルできる振動型アクチュエータを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る振動型アクチュエータの構成を概略的に示す断面図である。 図１における振動体に励起される駆動振動の変形の様態を説明するための図である。 図１における振動型アクチュエータの構成を概略的に示す斜視図及び分解斜視図である。 図１における加圧バネ固定部材の第１の変形例の構成を概略的に示す図である。 図１における加圧バネの第１の変形例の構成を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータを搭載した生体検査用穿刺装置と、ＭＲＩの構成を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータを搭載した雲台と、雲台に搭載された撮像装置の構成を概略的に示す図である。

本願発明は、環状の弾性体および電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体と、
振動体と接する環状の接触体と、接触体の回転を出力し中心軸が環状の接触体の中心軸と略一致する軸体を備えている。そして、振動体と接触体を加圧する付勢部と、
付勢部を前記軸体に対して固定し、前記軸体の長手方向軸を挟んで２つに分割されている２つの固定部材を備える振動型アクチュエータである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動型アクチュエータ１０の構成を概略的に示す断面図である。振動型アクチュエータ１０における振動体２０および接触体３０（移動体、被駆動体）および加圧機構４０等の機械的構成は、例えば特開２０１７－１０８６１５号公報に記載の振動型アクチュエータと機能的には同等である。

本実施形態の振動型アクチュエータは、弾性体および電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体と、振動体と接する接触体を備えている。加えて、電気－機械エネルギー変換素子に給電する給電部材（フレキシブルプリント基板）を備えている。

図１において、振動型アクチュエータ１０は、円環状に形成された振動体２０、円環状に形成された接触体３０、および加圧機構４０を備える。また、振動型アクチュエータ１０は、環状の弾性体および環状の接触体を挿通する軸体５０、基台、軸受を備える。

振動体２０は、弾性体２１と、弾性体２１に接合された電気－機械エネルギー変換素子である圧電素子２２と、圧電素子２２に接合されて圧電素子２２に交流電圧である駆動電圧を印加するための給電部材（図示せず）を有する。

加圧機構４０は制振ゴム４１、加圧ばね受け部材４２、加圧ばね受けゴム４３、加圧ばね４４及び加圧ばね固定部材４５ａ、４５ｂを有する。振動体２０及び接触体３０は軸体を中心軸として同心円状に配置され、軸体に固定された加圧機構４０によって軸体の長手方向軸に関して互いに付勢され加圧接触（摩擦接触）する。具体的には、軸体に固定された加圧ばね固定部材４５ａ、４５ｂによって移動を規制された加圧ばね４４が、制振ゴム４１、加圧ばね受け部材４２及び加圧ばね受けゴム４３を介して接触体３０を長手方向軸に押圧する。このように構成されることにより、接触体３０と振動体２０は安定的に接触する。

図２は、振動体２０に励起される駆動振動の変形の様態を説明するための図である。なお、図２では、振動体２０において励起される駆動振動の変位に対する理解を容易にするために、変位を実際よりも誇張している。

振動型アクチュエータ１０では、給電部材を通して圧電素子２２へ交流電圧である駆動電圧を印加することにより、振動体２０に駆動振動を励起させる。駆動振動の態様は圧電素子２２が有する複数の電極の数や配置形態に依存するが、励起される駆動振動が振動体１０の周方向に進むｎ次（本実施形態ではｎ＝９）の進行波となるように、圧電素子２２が設計される。なお、ｎ次の駆動振動とは振動体２０の周方向における波数がｎ個となる曲げ振動である。圧電素子２２に発生した駆動振動は振動体２０の接触部２５に生じた進行波によって、接触体３０を軸体５０回りの周方向へ駆動する。すなわち、接触体３０は振動体２０と同心を保ったまま、相対的に回転運動する。接触体３０に発生した回転力は加圧機構４０と軸体５０を通して外部へ出力される。

図１に描かれている本実施形態の振動型アクチュエータ１０は、例えば基台を所望の部材に固定し、軸体５０にカメラ等の可動対象を固定することで、可動対象を自由に回転駆動させることができる。他方で、軸体５０を固定して基台を回転駆動させることも可能である。

図３（ａ）は、本実施形態における振動型アクチュエータの斜視図、図３（ｂ）は一部を分解した斜視図である。振動型アクチュエータは振動体２０に励起する駆動振動を接触体３０が受ける摩擦により動作することから、振動体２０と接触体３０を適切に加圧付勢する必要がある。この適切な加圧付勢力を維持するためには軸体と加圧バネ固定部材を強固に固着させる必要があり、その手段として溶接、接着などが挙げられるが、いずれも分解が困難であった。また止め螺子による固着といった手段もあるが、止め螺子を締め付ける時に生じる傷により、分解困難または部品の再生不能になるという問題があった。本実施形態では、加圧バネ４４の付勢力を２つに分割された加圧バネ固定部材４５ａが軸体５０の長手方向軸を挟む摩擦力により保持しており、軸体に傷を付けることがないため、分解可能となる。さらに軸体５０には周方向に溝５１が形成されている。溝５１は加圧バネ４４に適切な付勢力を与えた状態での加圧バネ固定部材４５ａの位置に設けられており、この位置に係留されることにより軸体５０を挟む摩擦力が弱まっても、前記２つの固定部材は付勢力を維持することが可能となる。付勢部としての加圧ばねは図中に示すように、軸体の長手方向軸に対して交差する方向に放射状の形状をとってもよい。さらには、２つの固定部材に回転止めを設けても良い。

加圧バネ固定部材４５ａと軸体５０が接触する面積を大きく取り十分な摩擦力が得られれば溝は無くても良い。本実施形態では加圧バネ固定部材４５ｂと加圧バネ４４を不図示の螺子で長手方向軸の方向に固着した後、加圧付勢し、加圧バネ固定部材４５ａで軸体５０と固着している。ただし、加圧バネ固定部材４５ｂを軸体５０に固着した後、加圧バネ４４を加圧付勢し、加圧バネ固定部材４５ｂと加圧バネ４４を螺子で固着しても良い。加圧バネ固定部材４５ｂと加圧バネ４４が螺子で固着されるため分解可能であり、加圧バネ固定部材４５ａと加圧バネ固定部材４５ｂを長手方向軸の方向に螺子で固着することにより回転方向の力を軸体５０に滑ることなく伝えることが可能となる。

軸体５０は高磁場環境で使用可能にするため、常磁性材料であるオーステナイト系ステンレス、チタンまたは反磁性材料である銅合金により形成することが好ましい。また同様に接触体３０を常磁性材料であるアルミニウム合金、弾性体２１を反磁性材料である銅合金で形成し、摩擦接触部のみに耐摩耗性のある鉄鋼材料やセラミックにしても良い。摩擦接触部は振動型アクチュエータの体積における極一部のため高磁場環境においても鉄鋼材料などの使用が可能である。軸受は非磁性材料であるセラミックを使用しており、高磁場環境下でもスムーズな回転と高精度な位置決めが可能となっている。すなわち、軸体を支持する非磁性体で構成されるベアリングを備えている構成によりこれを実現する。

図４は、本実施形態の変形例の一例を示す図である。蝶番４６により２つの加圧バネ固定部材４５ａを連結させ開閉可能な１部品にしてあるため、部品取り付け時の作業性が向上する。

図５は、本実施形態の変形例の一例を示す図である。加圧バネが複数に分割されており、板状の素材から部品（加圧バネ）を効率的に切り出すことが可能となり、部品コストを下げることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
第２実施形態では、振動型アクチュエータ１０の回転軸をニードルに連結させた生体検査用穿刺装置について説明する。ここでは、穿刺装置を医用システムであるＭＲＩ診断装置に適用した例について説明する。図６は、穿刺装置６０を備えるＭＲＩ診断装置６００の概略構成を示す斜視図である。

ＭＲＩ診断装置６００では高磁場を発生させるため、磁石を使用する電磁モータをはじめとして、磁性を帯びる材質を用いた装置を設置する場合には、診断画像への影響が生じないように予防措置を施す必要がある。これに対して、振動型アクチュエータ１０は、磁石を使用しないため、ＭＲＩ診断装置６００の近傍又は内部に設置することができる。

ＭＲＩ診断装置６００によって被検者の画像情報を取得しながら、穿刺装置６０の先端に装着されたニードルが生体を抽出する。

具体的には、穿刺装置６０は、ドーナツ型のＭＲＩ診断装置６００の近傍に配置されている。ＭＲＩ診断装置６００は、環状に構成された磁場発生部６１と、被験者が入る円筒部分であるボア６２と、被検者６４を横たわらせる処置台６３と、処置台６３をボア６２に対して接近／離間させる支持台６５とを有する。穿刺装置６０は、ニードルをボア６２に挿入可能な位置に配置されている。

ＭＲＩ診断装置６００により取得した画像情報に基づき、穿刺装置６０が駆動されて、ニードルによる生体抽出が行われる。

支持台６５にも、処置台６３を移動するための駆動源として振動型アクチュエータ１０が装備されている。前述の通り、振動型アクチュエータ１０は磁石を使用していないため、磁場発生部６１の近傍に配置することが可能であり、よって、処置台６３の設計の自由度を上げることが可能である。

ここでは、ドーナツ型のＭＲＩ診断装置６００のボア６２内にニードルを挿入する例を示したが、ＭＲＩ診断装置の構成はドーナツ型に限定されるものではない。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、第１実施形態で説明した振動型アクチュエータ１０を備える装置の一例としての監視カメラ等の撮像装置の雲台の構成について説明する。

本実施形態では、回転台と、回転台に設けられた振動型アクチュエータを備える雲台を以下説明する。

図７は、雲台８００と、雲台８００に搭載された撮像装置８４０の構成を概略的に示す図である。雲台８００は、ベース８２０と、２つの振動型アクチュエータ８７０、８８０を備えるヘッド８１０と、撮像装置８４０を固定するためのＬアングル８３０を備える。パン軸に設けられた振動型アクチュエータ８８０は、ヘッド８１０とＬアングル８３０と撮像装置８４０を、ベース８２０に対してパン軸まわりに回転させるためのアクチュエータである。また、チルト軸に設けられた振動型アクチュエータ８７０は、Ｌアングル８３０と撮像装置８４０を、ヘッド８１０に対してチルト軸まわりに回転させるためのアクチュエータである。

雲台８００に２つの振動型アクチュエータ８７０、８８０を用いることにより、撮像装置８４０の向きを高速、高応答、静粛、高精度に変える事が可能となる。また、振動型アクチュエータは無通電時でも高い保持トルクを持つため、撮像装置８４０のチルト軸まわりの重心ずれがあっても振動型アクチュエータの電力を消費することなく撮像装置４０の向きを維持することができる。

その他、本発明の利用者が所望する部材と、その部材に設けられた振動型アクチュエータを備える電子機器を提供することができる。

具体的には軸状の加工部と加工部の少なくとも一部を収める筐体と、加工部と連結する上述の振動型アクチュエータと、加工部の回転を制御する操作部と、を備える電子機器である。

１０、８７０、８８０ 振動型アクチュエータ
２０ 振動体
２１ 弾性体
２２ 圧電素子
３０ 接触体
４０ 加圧機構
４１ 制振ゴム
３２ 加圧バネ受け部材
４３ 加圧バネ受けゴム
４４ 加圧バネ
４５ａ、４５ｂ 加圧バネ固定部材
４６ 蝶番
５０ 軸体
５１ 溝
６０ 穿刺装置
６１ 磁場発生部
６２ ボア
６３ 処置台
６４ 被験者
６５ 支持台
６００ ＭＲＩ診断装置
８００ 雲台
８１０ ヘッド
８２０ ベース
８３０ Ｌアングル
８４０ 撮像装置

Claims (14)

1. 環状の弾性体および電気－機械エネルギー変換素子を有する振動体と、
   前記振動体と接する環状の接触体と、
   前記接触体の回転を出力し中心軸が前記環状の接触体の中心軸と略一致する軸体と、
   前記振動体と前記接触体を加圧する付勢部と、
   前記付勢部を前記軸体に対して固定し、前記軸体の長手方向軸を挟んで２つに分割されている２つの固定部材を備える振動型アクチュエータ。
2. 前記軸体の周方向に溝が設けられており、前記２つの固定部材がそれぞれ係留されている請求項１記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記軸体は前記環状の弾性体および前記環状の接触体を挿通する請求項１または２記載の振動型アクチュエータ。
4. 付勢部は加圧ばねである請求項１乃至３のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
5. 前記加圧ばねは前記軸体の前記長手方向軸に対して交差する方向に放射状の形状である請求項１乃至４のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
6. 前記加圧ばねが接触体と軸体の間に配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
7. 開閉可能な蝶番によって前記２つの固定部材は連結されている請求項１乃至５のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
8. 前記２つの固定部材に回転止めをさらに備える請求項１乃至７のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
9. 前記軸体が常磁性材料または反磁性材料より構成されている請求項１乃至８のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
10. 前記接触体の前記弾性体と接する接触部が鉄鋼材料より構成されている請求項１乃至９のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
11. 前記弾性体の前記接触体と接する接触部が鉄鋼材料より構成されている請求項１乃至１０のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
12. 軸体を支持する非磁性体で構成されるベアリングをさらに備える請求項１乃至１１のいずれか一項記載の振動型アクチュエータ。
13. 軸状の加工部と
    前記加工部の少なくとも一部を収める筐体と、
    前記加工部と連結する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータと、
    前記加工部の回転を制御する操作部と、
    を備える電子機器。
14. 回転台と、前記回転台に設けられた請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の振動型アクチュエータ、を備える雲台。

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