JP3826137B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

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Description

本発明は、圧電素子の変形動作を利用して被駆動部を駆動する圧電アクチュエータに関する。
一般に、圧電アクチュエータは、圧電素子と、静止した固定部材と摺動する移動体とからなり、移動体を被駆動部に連結する構造になっている。例えば特開平6−315282号公報において示されるものは移動体をレンズ部に設けた光学素子に連結してあり、移動体には固定部材に対して所定の摩擦力をもって摺動可能に保持される梁状の脚部が設けられている。
このような従来の圧電アクチュエータを作る際、製造上の誤差から脚部の先端が固定部材に対して摺接するときの摩擦力が必ずしも一定の値にならず、製品ごとにバラツキが発生する。そして、製品ごとに固定部材と移動体との摩擦力の違いにより駆動時、固定部材の設けられた先端部本体に対する移動体の移動量にも差が生じ、このために正確な駆動制御ができにくくなるという問題が生じていた。
本発明は前記課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、静止固定部材と移動体との摩擦力の安定化を図り、正確な駆動制御ができるように圧電アクチュエータを提供することにある。
本発明は、圧電素子と、この圧電素子の端部に固定された移動体と、前記移動体と摩擦係合する静止固定部材と、前記圧電素子に急激な変形を起こし、前記圧電素子により前記移動体に衝撃を与えて、前記移動体と前記静止固定部材との摩擦係合に打ち勝って前記移動体を前記静止固定部材に対して移動させる駆動手段とを備えた圧電アクチュエータにおいて、
前記移動体は、円筒形状に構成され、この円筒形状部内に前記圧電素子を収納して覆うものであり、前記静止固定部材は、前記移動体の円筒形状部外面に摺動自在に嵌合する内面を有してなり、更に、前記静止固定部材に前記移動体と前記静止固定部材との摩擦力を可変可能な摩擦力発生手段を設けてなるものである
本発明によれば、移動体を円筒形状とすることにより、前記アクチュエータの芯がずれることなく、静止部材と移動体との摩擦力の安定化が図られ、正確な駆動制御ができる。
<第1の実施形態>
図1を参照して、第1の実施形態を説明する。図1(a)は圧電アクチュエータの縦断面図であり、図1(b)は圧電アクチュエータの組立前の各部材を並べた斜視図である。
(構成)
この実施形態に係る圧電アクチュエータ1は圧電素子2と、この圧電素子2の一端部に接着固定された移動体3と、この移動体3と摺動可能に摩擦係合する静止した固定部材4とから構成される。
圧電素子2は複数の圧電体と電極を積層してなる積層型圧電素子である。そして、圧電素子2はその電極に駆動電圧を印加することにより圧電体にその積層長手方向への機械的な伸縮変形を行わせて移動体3に瞬間的な衝撃を与える衝撃力発生部を構成している。前記圧電素子2の電極にはリード線5が半田付けして接続されている。そして、後述するようにリード線5を通じて前記圧電素子2に電圧を印加することによりその圧電素子2に急激な変形を起こし、前記圧電素子により前記移動体3に衝撃を与えて前記移動体3と前記固定部材4との間の摩擦係合に打ち勝って前記移動体3を前記固定部材4に対して移動させる駆動手段を構成している。前記リード線5は駆動手段の制御装置(図示せず)に接続されている。
前記移動体3は帯状の板ばね7と円板環状の芯出し部材8を備えてなる。板ばね7は帯状の板ばね材を中央で2つ折りに曲成してその折曲げ中間部を取付け部9としてなり、その折曲げ両端片部はそれぞれ前記固定部材4の内表面に圧接する片持ち梁からなる脚部10を形成している。各脚部10は外側に広がる向きにばね弾性で付勢されている。各脚部10の先端部は固定部材4の内表面に押し当たり摩擦係合する摺動部11を形成している。
各脚部10の基端部の両者には前記芯出し部材8が嵌め込まれている。芯出し部材8には各脚部10の基端部分の両方を嵌め込む矩形状の嵌合孔12が形成されている。芯出し部材8の外径は、筒状の固定部材4の内表面に軽く接触する程度に緩く嵌合して摺動可能なものである。前記芯出し部材8の前記固定部材4に対する摺動抵抗は、前記移動体3の摺動部11と前記固定部材4との摩擦力に比べ、十分小さい値に設定されている。芯出し部材8の嵌合孔12は固定部材4の内孔中心と同軸に形成されている。芯出し部材8はその移動時に固定部材4の内面に摺接することにより前記圧電アクチュエータ1の芯倒れを制限する芯出し機構を構成している。
また、前記芯出し部材8は後述するように脚部10に被嵌する位置を変えることにより前記移動体3と固定部材4との間の摩擦力を調整する摩擦力調整手段を構成する摩擦力調整部材を兼ねるものである。
芯出し部材8の嵌合孔12に嵌め込む各脚部10の基端部分はそれに芯出し部材8を組み付ける前での対向幅が、基端側の幅より先端側の幅が大きくなるように形成されていて、この領域により摩擦力調整部13を形成している。そして、図1(b)で示すように、摩擦力調整部13の最基端位置の幅Aと最先端位置のBの寸法関係はA<Bとなるように構成されている。
すなわち、各脚部9はこの摩擦力調整部13の領域においては直線的な勾配をなし、その摩擦力調整部13の最先端位置からさらに互いに反対外側へ屈曲して延び、その最先端で前記摺動部11を形成している。各脚部9の摺動部11における摺動面はこれに摺動する筒状の固定部材4の内面における摺動面とほぼ同形状に構成されている。
前記圧電素子2の、前記移動体3の各脚部10側に位置するそれぞれの側面には絶縁部材16が設けられている。絶縁部材16は電気的絶縁性のあるセラミックスやプラスチック等の材料が良い。プラスチックとしてはポリイミドやテトラフロロエチレン等のシート状に形成したものが良い。電気的絶縁性のあるコーティング材でコーティングにより形成するものでも構わない。また、本実施形態では前記圧電素子2の、前記移動体3の固定部側とは反対側の他端には特になにも設けていないが、慣性体と呼ばれる重りを設けても構わない。
前記移動体3の板ばね7における取付け部9はその内側に圧電素子2の一端部を被嵌する状態で固定しており、また、取付け部9の外側部分には被駆動体の連結アーム部17に形成した連結孔18に差し込んだ状態で嵌合して弾性的に結合することにより取着固定されている。このために取付けや取外しが簡単である。
このように前記被駆動体の連結アーム部17と前記圧電アクチュエータ1との結合は脚構造をしている板ばね7における取付け部9を連結アーム部17に形成した連結孔18に差し込んだ状態で弾性的に嵌合するものであるが、その弾性的結合力は前記圧電アクチュエータ1の発生力より大きく設定してある。
もちろん、被駆動体の連結アーム部17と圧電アクチュエータ1を、例えば接着等の他の固定手段で連結しても良い。
圧電アクチュエータ1で駆動する被駆動体としては、例えば光学機器のレンズやミラー等である。また、微小動作の必要なXYステージ等でも構わない。光学機器のレンズとは、例えば顕微鏡や、カメラ、内視鏡等の、ズームレンズ、フォーカスレンズ等がある。
(作用)
前記圧電アクチュエータ1の動作を説明する。前記移動体3が前記固定部材4内に挿入されており、前記移動体3の脚部10における摺動部11が前記固定部材4の内面に当り突っ張っているためにその各脚部10が弾性的にたわみ、前記固定部材4の内面と脚部10における摺動部11との間には静止摩擦力が発生した状態にある。
前記芯出し部材8は前記固定部材4内に摺動可能に嵌め込まれており、前記移動体3と一体的に移動し、その移動時に固定部材4の内面に摺接することにより前記圧電アクチュエータ1の振れを防止する。
次に、摩擦力の調整方法について説明する。前記芯出し部材8はその嵌合孔12が前記移動体3の脚部10における摩擦力調整部13に嵌合するところまで位置させると共に、前記芯出し部材8を前記摩擦力調整部13の基端側(図1(b)のA側)に寄せて固定すれば、前記移動体3の脚部10の開きが大きくなり、前記脚部10のたわみも大きくなる。固定部材4の内表面に当接する摺動部11の摩擦力が大きくなる。
逆に、前記芯出し部材8を前記移動体3の摩擦力調整部13の先端側(図1(b)のB側に寄せて固定すれば、前記脚部10の開きは小さくなり、脚部10のたわみも小さくなるため、固定部材4の内表面に当接する摺動部11の摩擦力は小さくなる。このようにして前記移動体3に設けた芯出し部材8で脚部10のたわみを制限して固定部材4の内表面に当接する摺動部11の摩擦力を調整する。
次に、前記圧電アクチュエータ1の動作について説明する。まず、リード線5を通じて駆動手段の制御装置から、前記圧電素子2に、急速に伸長する波形の電圧を印加すると、その際に圧電素子2には慣性力が生じ、前記移動体3に衝撃力が大きく加わる。この慣性力が前記移動体3の摺動部11で生じている静止摩擦力より大きいため、移動体3は前記固定部材4に対し、図1(a)の左方向へ僅かに移動する。ついで、ゆっくりと前記圧電素子2を縮めると、このときに発生する慣性力は前記静止摩擦力より小さいために前記移動体3はその場に止まる。
このステップを繰り返し行うことにより、前記圧電アクチュエータ1の移動体3は圧電素子2と共に移動する。ここでの駆動電圧の実際の駆動周波数は数十kHzと高いため、前記圧電アクチュエータ1はトータル的に滑らかに動作することができる。前記圧電アクチュエータ1を反対方向に動かすためには上で述べた慣性力の発生する方向を逆にするような波形の電圧を印加すれば良い。
前記圧電素子2の移動体3と反対の端部に慣性体(図示せず)を設ければその慣性体により慣性力が増加し、駆動力が高まる。
(効果)
前記芯出し部材8の設置位置を選ぶことによって固定部材4に対する移動体3の摩擦力が容易に調整可能である。このため、個々の圧電アクチュエータ1によって摩擦力がばらつくことがなく、性能を安定させることができ、正確な駆動制御ができる圧電アクチュエータを提供することができる。また、移動体3と固定部材4との摩擦力の調整が容易であり、再調整も簡単に行うことができる。
また、前記芯出し部材8が、前記圧電アクチュエータ1の芯が倒れるのを防ぐため、前記圧電アクチュエータ1の移動体3が途中で固定部材4等に噛み付いてしまったりすること無く、動作が安定した信頼性のある圧電アクチュエータ1を提供することができる。
この実施形態では前記芯出し部材8による摩擦力調整機構と芯出し機構を兼ねているので、部品点数が少なくなり、その組立も容易であり、圧電アクチュエータ1の製造コストの低減化を図ることができる。
また、前記圧電アクチュエータ1の取付け部9を前記被駆動体の連結アーム部17に形成した連結孔18に押し込むだけで、弾性的に結合できるため、それらの連結や組立が容易である。
前記移動体3の摩擦力調整部13と前記圧電素子2との間に前記絶縁部材16を設けてあるために、移動体3が圧電素子2の部分と直接に接触することが無く、電気的に安全である。
前記移動体3の摩擦力調整部13が、前記絶縁部材16を介して前記圧電素子2を抑えるため、前記圧電素子2が衝撃によって壊れにくくなり、圧電アクチュエータ1の耐久性が向上する。
なお、別部材の慣性体を設けた場合には圧電素子2の急速な変形の際生じる慣性力が増すため、駆動力が高まる。
<第2の実施形態>
図2を参照して、第2の実施形態を説明する。図2は圧電アクチュエータの縦断面図である。
(構成)
この実施形態に係る圧電アクチュエータ20は、圧電素子21と、この圧電素子21の一端部に設けた移動体22と、前記移動体22と摺動可能に摩擦係合する筒状の固定部材23と、前記移動体22と前記圧電素子21を弾性的に結合する結合部材24とから構成されている。前記移動体22には出力軸(図示せず)が取り付けられ、この出力軸は被駆動体(図示せず)に固定されるようになっている。前記被駆動体としては例えば光学機器のレンズやミラー等であるが、微小動作の必要なXYステージ等でも構わない。光学機器のレンズとは例えば顕微鏡やカメラ、内視鏡等の、ズームレンズ、フォーカスレンズ、または照明用のレンズ等である。
前記圧電素子21は積層型圧電素子であり、その電極にはリード線25が接続されている。前記リード線25は駆動手段の制御装置(図示せず)に接続されている。
また、前記移動体22と前記リード線25の間に、弾性部材からなる結合部材(図示せず)を設けてその両者を弾性的に結合するようにしてもよい。
前記移動体22は前記圧電素子21の一端に接着固定される圧電素子固定部26と、この圧電素子固定部26から片持ち梁の形状に伸びる少なくとも2つの脚部27と、この脚部27の延出先端にそれぞれ設けられた摺動部28とで構成されている。前記脚部27は前記圧電素子固定部26に対して片持ち梁の形状となっており、その先端には前記摺動部28が形成される。そして、前記摺動部28は前記固定部材23の内面と滑らかに摺動できるような形状に形成されている。
前記固定部材23は前記移動体22と滑らかに摺動できるようにその内面が滑らかに形成されている。また、固定部材23の外形は特にどのような形状をしていても構わず、前記被駆動体(図示せず)を駆動する際に、組み付け易い形になっていれば良い。
前記結合部材24は前記移動体22の脚部27と前記圧電素子21との間に介在して設けられている。この結合部材24の材料としては弾性体が良い。例えば、シリコン系の接着剤やゴム等が良い。前記結合部材24は空気より熱伝導率が良いように構成されている。また、前記結合部材24は電気的絶縁材で構成してあるとよい。
前記結合部材24の弾性力は前記圧電素子21の発生力と比較して十分に小さくなるように設定されている。また、前記結合部材24は図2に示すように、前記脚部27の全体と結合しても良いが、その一部だけでも良い。特に一部であるならば、前記脚部27の摺動部28側が良い。また、前記結合部材24は前記移動体22に固定し、前記圧電素子21には弾性的に接触するようにしても良い。
本実施形態においても前記圧電素子21の他端には何も設けていないが、慣性体と呼ばれる重りを設けても良いものである。
(作用)
前記圧電素子21は前記移動体22に設けた前記結合部材24によって弾性的に結合されて押さえ付けられており、前記圧電素子21をカバーして保護する状態にある。前記圧電アクチュエータ20の動作については第1の実施形態で説明した内容と同じなので省略する。前記圧電素子21に慣性体を設けた場合にはその動作時の慣性力が増加し、駆動力を高める。
(効果)
前記圧電素子21は前記結合部材24によって弾性的に押さえ付けられているために前記圧電アクチュエータ20に衝撃が加わった際に折れ無くなり、耐衝撃性が向上し、前記圧電アクチュエータ20の品質が向上する。
前記結合部材24に熱伝導率の良いものを用いているため、圧電素子で生じる熱が速く放熱され、熱によって圧電アクチュエータ20の性能が劣化することがなくなり、品質を保持する。
前記結合部材24に電気的絶縁材を用いているので、圧電素子21と脚部27とが電気的に接触することなく安全性を高める。
<第3の実施形態>
図3及び図4を参照して、第3の実施形態を説明する。図3は圧電アクチュエータの縦断面図、図4は図3中A−A線に沿う断面図である。
前記圧電素子31は積層型圧電素子であり、その電極にはリード線35が半田付けされている。リード線35は圧電アクチュエータ用制御装置(図示せず)に接続してある。図4で示すように、前記圧電素子31はその長手方向の4箇所の稜線部に面取りを施してある。
前記移動体32は前記圧電素子31を覆う様に設けてある。前記移動体32は前記係止部材34と摺動する摺動部36と、前記圧電素子31を固定する圧電素子固定部材37で構成されている。前記圧電素子固定部材37は電気的絶縁材、例えばセラミックスや、プラスチック等で構成する。また、前記移動体32と、前記圧電素子31との間には結合部材38が設けられている。この結合部材38は弾性体が良く、例えばシリコン系の接着剤等が良い。この結合部材38は空気より熱伝導率が良いものが良い。また、前記結合部材38は電気的絶縁材でもある。
前記基台(静止基体)33は前記圧電素子31の一端を固定する圧電素子固定部39と、前記移動体32を摺動可能に支持する支持部40とを備えて構成されている。前記移動体32とこれを支持する支持部40との間の摺動抵抗は前記係止部材34と前記移動体32との間の摩擦力に比べて遙かに小くなるように構成されている。
一方、係止部材34には前記移動体32を挿通ガイドするガイド孔41が設けられていて、前記移動体32はガイド孔41の内周面に摺動部36を摺接させて移動する。係止部材34には前記移動体32に押し付けられる付勢手段としてばね、例えば板ばね42が設けられている。前記移動体32は板ばね42、及びその板ばね42によって前記係止部材34のガイド孔41の内周面に押し付けられて摩擦抵抗を生じる。摩擦抵抗は板ばね42の締結の程度で調整できる。
前記係止部材34はカメラや顕微鏡や内視鏡等の用いられる光学部品、例えばレンズやミラー等が取り付けられたり、XY微動ステージ等が取り付けられている。例えばレンズであれば、フォーカスレンズ、ズームレンズ等が良い。
(作用)
リード線35を通じて圧電アクチュエータ用制御装置から前記圧電素子31に急速に伸長させる電圧を印加すると、圧電素子31は一端が基台33に固定された状態で他端側に急速に伸長する。その際に発生する慣性力が、前記係止部材34と前記移動体32との間の摩擦力に打ち勝つと、前記移動体32が係止部材34を残して移動する。次に、反対に圧電素子31がゆっくりと縮む電圧を印加すると、その際に発生する慣性力は前記係止部材34と前記移動体32との間の摩擦力に打ち勝つことが無く、前記移動体32は係止部材34に対し移動せずに縮む。これらを繰り返すことによって、圧電アクチュエータ30を駆動する。
(効果)
前記結合部材38が前記圧電素子31を弾性的に支えると共に、この結合部材38が前記移動体32と前記圧電素子31の間を満たしているために、圧電素子31に加わる衝撃が、前記結合部材38でやわらぎ、耐衝撃性が向上する。
前記結合部材38には熱伝導率の高いものを使用しているため、前記圧電素子31の発熱を速やかに放熱でき、前記圧電素子31の性能を劣化させることがない。
また、電気的絶縁材で形成された圧電素子固定部材37と結合部材38が、前記移動体32と前記係止部材34と前記基台33から前記圧電素子31を電気的に絶縁する。また、前記圧電素子31が電気的絶縁材の結合部材38で覆われているため、前記圧電素子31と前記移動体32との電気的絶縁性が向上する。
さらに、前記圧電素子31の稜線部には面取りを施してあるため、前記移動体32の断面形状領域に対する前記圧電素子31の断面積の割合を大きくできるため、前記圧電素子31の発生駆動力を大きくでき、前記圧電アクチュエータ30の性能を向上させることができる。
<第4の実施形態>
図5を参照して、第4の実施形態を説明する。図5は圧電アクチュエータの縦断面図である。
(構成)
この実施形態に係る圧電アクチュエータ45は圧電素子46と、前記圧電素子46の一端部に、一端を連結して設けた結合部材47と、前記結合部材47の他端に設けた移動体48と、前記圧電素子46の他端を接着等で固定的に支持する静止基体としての基台49と、前記移動体48と摺動可能に摩擦係合した係止部材50とから構成される。
前記圧電素子46は圧電(電歪)素子であるが、本実施形態では積層型圧電素子を用いている。前記圧電素子46にはリード線が固定されているが、本実施形態ではその図示を省略している。
前記移動体48は前記基台49の支持部51に貫通されて摺動可能に支持されている。移動体48と支持部51との間の摺動抵抗は前記係止部材50と前記移動体48の摩擦力よりはるかに小さく設定してある。その摺接部分には摺動抵抗を低減するために表面処理や摺動材が用いられている。
前記係止部材50には前記移動体48を貫通する嵌合孔52が設けられており、前記移動体48はその嵌合孔52に摺動するように嵌め込まれている。また、前記実施形態での板ばねのような付勢手段を設け、係止部材50に移動体48を押し付けるようにしてもよい。
前記係止部材50には図示しないが、内視鏡や顕微鏡、カメラ等に使われるレンズ、ミラー、固体撮像素子等の光学素子が固定されているが、特に限らず、例えば、XYステージを固定したり、位置決め装置として使用することもできる。
前記結合部材47は弾性変形を用いた変位拡大機構を組み込んで構成されている。この場合の変位拡大機構としては図示しないが、例えばてこの原理を用いて圧電素子46の振動、すなわち変位量を拡大するものである。てこの原理を用いることで、力点、支点、作用点の関係を任意に設定することによって、その変位拡大率を任意に設定できるようになる。また、変位拡大機構の弾性変形する部位は、例えば支点部であったり、てこ自身でもよい。具体的には、てこを板ばねで構成し、または、てこと、支点を一体に作り、支点部が弾性変形することで、てこが移動するように構成してもよい。
(作用)
この第4の実施形態の圧電アクチュエータ45の動作は第3の実施形態と同じなので、その説明は省略する。前記変位拡大機構が前記移動体48の移動量を増す。
(効果)
前記圧電素子46と前記移動体48が弾性変形を用いた変位拡大機構で結合しているために、圧電素子46の一回の伸縮で、大きな変位が得られ、前記係止部材50の移動量を大きくとることができる。
<第5の実施形態>
図6を参照して、本発明の第5の実施形態を説明する。図6は圧電アクチュエータの縦断面図である。
(構成)
この実施形態に係る圧電アクチュエータ54は、圧電素子55と、この圧電素子55の一端部に設けた移動体56と、前記移動体56と摺動可能に摩擦係合する静止部材としての固定部材57と、前記移動体56と前記固定部材57との間に摩擦力を発生させる摩擦力発生機構58とを設けて構成されている。
前記圧電素子55は圧電(電歪)素子であり、本実施形態では積層型圧電素子が用いられている。前記圧電素子55にはその電極に駆動信号を伝送するリード線59が半田付けされている。前記リード線59は図示しない圧電アクチュエータ駆動用制御装置に接続されている。
前記移動体56は圧電素子55の一端に取着された圧電素子固定部材61と、この圧電素子固定部材61に取着され、前記固定部材57の内面と摺動する摺動部材62と、圧電素子固定部材61の他端に取着された結合部材63から構成されている。摺動部材62は、円筒形状をしており、前記圧電素子55を覆うように構成されている。そして、移動体56はその摺動部材62の一端に圧電素子固定部材61を取着し、摺動部材62の他端に結合部材63を取着して、内部を気密にした構造としてある。前記静止部材用固定部材57に摺接する摺動部材62の外表面は大変滑らかに構成してある。前記圧電素子固定部材61は電気的絶縁体で形成してある。電気的絶縁材としては例えば硬度のあるセラミックスや、硬度のあるプラスチック等が良い。また、金属材料、例えばアルミニウム等に絶縁皮膜を施して用いても構わない。
前記結合部材63は、前記リード線59と弾性的に結合させるものであり、このためには摺動部材62の一端開口部に取着される後部蓋64であっても構わないし、前記後部蓋64とリード線59を弾性的に結合する接着剤65等でも良く、少なくとも弾性率が低い(柔らかい)方を結合部材63とすれば良いものである。前記接着剤としてはシリコン系のものや、ヤング率の小さいエポキシ系の接着剤等が良い。
前記移動体56にはシャフト66が設けてあり、このシャフト66を介して前記圧電アクチュエータ54の出力を取り出せるようになっている。前記シャフト66には例えば被駆動体の光学系素子(図示せず)が固定される。光学素子としては例えば、内視鏡や顕微鏡、カメラ等に用いられるレンズ、ミラー、固体撮像素子等がある。
前記固定部材57の内面は、前記移動体56と摺動可能に摩擦係合できるように、内面が円筒状であり、その摺接表面は大変滑らかに構成してある。固定部材57の外形は前記圧電アクチュエータ54を組み込む際に必要な形状にすればよい。
前記固定部材57には前記摩擦力発生機構58が取り付けられている。この摩擦力発生機構58としては付勢部材、例えば板ばね67が設けられている。板ばね67はその一端が固定部材57に、ねじ68により、ねじ止め固定されている。この固定方法はねじ止め以外の、例えば融着や接着剤等を用いたものでも良い。前記固定部材57には前記板ばね67の他端部が入り込むスリットまたは孔69が形成されていて、この孔69を通じて前記移動体56の摺動部材62の外表面に圧接して摩擦係合するようになっている。前記スリットまたは孔69と板ばね67は、前記移動体56と前記固定部材57との嵌合長が最小になった時にでも、摩擦力を発生できる様に設けられている。
また、摩擦力発生機構58は例えば板ばね67の付勢力を調節することにより摩擦力を調整できるようになっている。
(作用)
前記構成に基づき、作用を説明する。まず、摩擦力を発生させる摩擦力発生機構58について説明する。前記板ばね67の自由先端部が前記移動体56の摺動部材62の外表面に押し当り、移動体56の摺動部材62を固定部材57に押し付けて両者の間の摩擦力を得ると同時に、摺動部材62と板ばね67との間の摩擦力を得る。この摩擦力を調整して組み立てすることができる。
次に、前記圧電アクチュエータ54の動作について説明する。前記圧電素子55にその圧電素子55が急速に伸びる駆動電圧を印加すると、その際に移動体56に生じる慣性力が、前記移動体56と前記固定部材57側との間の摩擦力より大きいと、前記移動体56は前記シャフト66側に向けて微小移動する。その後、前記圧電素子55をゆっくりと縮め、その際、生じる慣性力が前記摩擦力より小さくするように駆動電圧を印加すれば、前記移動体56はその場に留まり移動しない。このサイクルを繰り返すことによって、前記圧電アクチュエータ54を図6の左の方向へ間欠的に移動させることができる。前記圧電アクチュエータ54を逆向きに駆動する場合には前記圧電素子55を急速に縮め、ゆっくり伸ばすというサイクルを繰り返せば良い。前記結合部材63は前記リード線59を弾性的に支持する。
(効果)
前記板ばね67によって摩擦力を得ているため、板ばね67のばね弾性力を調整することにより、容易に摩擦力を任意の値に調整できる。つまり、静止部材としての固定部材57と移動体56との間の摩擦力の調整が容易な圧電アクチュエータ54を提供できる。
前記移動体56が円筒状をしており、これが前記固定部材57と嵌合しているため、前記圧電アクチュエータ54の芯がずれることがなく、精密な駆動が可能である。
前記固定部材57と前記移動体56の摺動面は滑らかに磨かれているため、耐摩耗性が向上し、前記圧電アクチュエータ54の品質が向上する。
前記シャフト66が最大に伸びても前記移動体56と前記固定部材57が嵌合し摩擦係合できるように、前記板ばね67等の位置を定めているため、無駄なスペースが無く、安定した摩擦力が提供でき、しかも前記圧電アクチュエータ54の性能が安定する。
前記圧電素子55が前記移動体56に覆われているため、前記圧電素子55に異物が付着し、圧電素子55を劣化、または破壊させたりすることが無く、信頼性がある。また、圧電素子55を気密的に密封する構造となっているため、圧電素子55を劣化させる湿気やガス等の侵入を防止し、湿気やガス等に対する耐性が向上する。さらに、圧電素子55自身に防湿コート等を施す必要が無く、コストダウンが達成できる。
前記圧電素子固定部材61を前記電気的絶縁体で構成しているため、前記圧電素子55が電気的に絶縁され、電気的な安全性が高まる。前記圧電素子55を、前記電気的絶縁体で覆っているため、前記リード線59の取り付け高さの制限が緩和される等、設計製作が容易で、かつコストダウンが達成できる。
前記リード線59を前記結合部材63で支持しているため、前記圧電アクチュエータ54の進退移動に伴う、前記リード線59の伸縮時の応力集中が分散でき、前記圧電アクチュエータ54の繰り返し駆動に対する耐久性が向上する。
<第6の実施形態>
図7及び図8を参照して、第6の実施形態を説明する。図7は圧電アクチュエータの縦断面図であり、図8は圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図である。
(構成)
この実施形態に係る圧電アクチュエータ70は、圧電素子71と、前記圧電素子71の一端部に設けられた移動体72と、前記移動体72と摺動可能に摩擦係合する静止部材としての固定部材73と、前記移動体72と前記固定部材73との間に摩擦力を発生させる摩擦力発生機構74から構成される。
前記圧電素子71は圧電(電歪)素子であり、本実施形態では積層型圧電素子を用いている。前記圧電素子71の、移動体固定側に近い方の端部にはリード線75が半田付けされている。リード線75の接続手段としては半田付けには限らず、導電性の接着剤を用いて固定しても構わない。前記リード線75は圧電アクチュエータ用制御装置(図示せず)に接続してある。
前記移動体72は前記圧電素子71を覆う様に設けられており、その密封させた移動体72の内部に圧電素子71が設置されるようになっている。前記移動体72は静止部材としての固定部材73のガイド孔76に摺動自在に設置される。前記移動体72は円筒状の摺動部材77と、この摺動部材77の前端に接着固定された前部蓋78と、摺動部材77の後端に接着固定された圧電素子固定部材79とから構成されている。前記摺動部材77の表面は前記固定部材73のガイド孔76にスムーズに摺動できる様に大変滑らかにしてある。
前記摺動部材77の前部蓋78には前記シャフト80が突設されている。前記前部蓋78及びシャフト80の材質はアルミニウムやプラスチック等軽い材質のものが良い。前記シャフト80には、前記第5の実施形態で述べた様な光学素子(図示せず)や微動テーブル(図示せず)等が連結されている。
前記摺動部材77の他端に取着された前記圧電素子固定部材79には前記リード線75を通す孔81が設けられている。前記リード線75と前記孔81とは結合部材82を介して弾性的に固定されている。前記結合部材82としてはシリコンやゴムの充填剤や接着剤等の弾性体でも良い。また、ヤング率の低い、エポキシ系の接着剤でも構わない。
前記圧電素子固定部材79は電気的絶縁体で構成してある。例えば、プラスチックや、セラミック等や、表面を絶縁処理した金属などが良い。
前記摺動部材77の内面と前記圧電素子71の外周との間にはチューブ状の電気的絶縁体84が設けられている。本実施形態では電気的絶縁体84にポリイミド製のチューブを用いている。このチューブ状の電気的絶縁体84は前記移動体72に接着固定しなくても構わない。
前記固定部材73のガイド孔76の内面は前記移動体72の摺動部材77がスムーズに摺動できるように構成されており、その摺動用内面は大変滑らかにしてある。前記固定部材73の外形は、前記圧電アクチュエータ70を前記第5の実施形態で述べた様なカメラや顕微鏡、内視鏡に組み込む際に適する任意の形にすれば良い。
さらに、前記固定部材73の壁部には前記摩擦力発生機構74が設けられている。この摩擦力発生機構74は、移動体72の摺動部材77の外周面に押し付けられる押付け部材85と、この押付け部材85を押付け方向に付勢するばね86と、このばね86の付勢力を調整する調整ねじ87で構成される。調整ねじ87は固定部材73の壁部にねじ込まれており、調整ねじ87のねじ込み量に応じて固定部材73と移動体72との間の摩擦力を調整する摩擦力調整手段を構成している。前記押付け部材85の先端は前記摺動部材77の外周面とスムーズに摺動できるように滑らかに構成された摺動面88となっている。
なお、付勢用ばね86は弾性体であれば良く、例えば図8に示すようにそのばね86の代わりにゴム部材89を用いても良い。図8はこの場合の摩擦力発生機構の部分のみを示す。
(作用)
前記構成に基づき、作用を説明する。まず、摩擦力発生機構74による摩擦力の発生方法について説明する。前記調整ねじ87を回して、前記固定部材73に調整ねじ87をねじ込むことによって前記ばね86を圧迫すると、その押し付け力が前記押付け部材85に働き、前記移動体72の摺動部材77の外周面に押し付ける。これにより垂直抗力が生じ、移動体72との間に摩擦力を発生させる。また、調整ねじ87のねじ込み量を選択することにより摩擦力を変え、所定の摩擦力に調整する。
前記圧電アクチュエータ70の駆動作用については前述した第5の実施形態の場合と同じなので省略する。ただし、前記圧電素子71の固定位置が異なるために前述した第5の実施形態とは図7上での進む向きが反対になる。
(効果)
調整ねじ87のねじ込み量を選択することによって、前記移動体72と前記固定部材73との摩擦力を容易に調整でき、一定の値にすることができるので、圧電アクチュエータ70の性能が安定する。つまり摩擦力の調整が容易な圧電アクチュエータを提供できる。
前記圧電素子71が前記移動体72に覆われ、移動体72の内部に密封されているため、湿度によって前記圧電素子71の性能が劣化したり、液体やガス等の外界の影響を受けずに安定した性能を維持できる。
前記リード線75は前記圧電素子固定部材79に近い方で半田付けされているため、前記圧電素子71と前記圧電素子固定部材79との接着のばらつきによって、前記圧電素子71が傾いて接着されても、前記リード線75の半田付け部が、前記移動体72の摺動部材77と接触する可能性が減り、電気的安全性が向上する。
前記リード線75が前記結合部材82を介して前記圧電素子固定部材79に弾性的に固定してあるため、前記圧電アクチュエータ70の進退の際に、前記リード線75の固定部に応力が集中することがなく、前記リード線75の伸縮力に対する耐性を向上することができる。
前記圧電素子71と前記移動体72との間にチューブ状の電気的絶縁体84を設けてあるので、前記圧電素子71の電極高さの公差や、前記リード線75の半田付け部の高さ等のバラツキがあっても、前記移動体72に電極や、前記リード線75が接触することが無くなる。この結果、前記圧電素子71の寸法公差や、前記リード線75の取付け高さの制限が緩和できるため、前記圧電アクチュエータ70を安く作ることができる。また、電気的な安全性が向上する。
<第7の実施形態>
図9を参照して第7の実施形態を説明する。図9は圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図である。
(構成)
この第7の実施形態は前述した第6の実施形態における摩擦力発生機構を変形した例である。変形した摩擦力発生機構74についてのみを述べ、他の部分の説明は前述した第6の実施形態と同じであるので省略する。
この摩擦力発生機構74は移動体72の摺動部材77の外周面に押し付けられる押付け部材85と、この押付け部材85を前記押付け方向へ付勢するバルーン92で構成される。これらの部材は固定部材73の壁部に形成した孔部93内に配設される。前記押付け部材85の当接表面は前記摺動部材77とスムーズに摺動できるように滑らかに構成されている。
前記バルーン92には液体や気体の注入口94が設けられていて、この注入口94に例えばシリンジ等を差し込んでバルーン92の内部に液体や気体を充填し、バルーン92を膨らませることができるようになっている。前記固定部材73には前記バルーン92の注入口94に液体や気体を注入する際に注入器具を差し込むために使用する注入用穴95が設けられている。
(作用)
摩擦力発生機構74の作用について説明すると、前記バルーン92に液体や気体を注入することにより、バルーン92が膨らみ、前記押付け部材85を移動体72の摺動部材77側へ押し込む。その結果、前記押付け部材85が前記移動体72の摺動部材77に押し当り、その摺動部材77を前記固定部材73のガイド孔76の内面に押し付ける。そして、これらの押し付け力が垂直抗力となり摩擦力を発生させるのである。
圧電アクチュエータ70の駆動作用は前述した第6の実施形態と同じなので、その説明を省略する。
(効果)
本実施形態では摩擦力発生機構74における付勢手段にバルーン92を用い、バルーン92の中の気体や液体の圧力を簡単に変えることができ、容易に摩擦力を調整することができる。つまり、摩擦力調整機構を構成する。
摩擦力発生機構74以外の効果に付いては前述した第6実施形態と同じなので省略する。
<第8の実施形態>
図10を参照して、第8の実施形態を説明する。図10は圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図である。
(構成)
本実施形態も前述した第6の実施形態の変形例であり、第6の実施形態と異なる点は摩擦力発生機構74の構成のみである。他の構成に付いては説明を省略する。
前記摩擦力発生機構74は、前記固定部材73の壁部に形成された孔部93内に、押付け部材85と、第2の圧電素子96と、固定板97とより構成されており、第2の圧電素子96は押付け部材85と固定板97の間に介在している。前記第2の圧電素子96の先端部には前記押付け部材85が接着固定されていても良いし、弾性的に接触していても良い。また、前記第2の圧電素子96の他端と前記固定板97も接着固定されていても良いし、弾性的に接触していても構わない。
前記固定板97は前記固定部材73に接着固定されている。固定板97は第2の圧電素子96を受け止める保持部材であり、この保持部材としては固定板97の代わりにねじ部材を用いて、前記固定部材73にねじ込んで固定しても構わない。また、ねじ込みにて押付け部材85と第2の圧電素子96に予圧を掛けるようにしても良い。
前記第2の圧電素子96にはリード線98が半田付けされており、前記リード線98は前記固定板97の孔部99を通して、前記固定部材97の外へ導かれている。
(作用)
前記摩擦力発生機構74のみについての作用を説明し、他の作用は前述した第6の実施形態と同じなので省略する。
前記第2の圧電素子96に電圧を印加すると、その第2の圧電素子96が伸び、前記押付け部材85を押す。押圧力は印加する電圧によって異なる。これによって、前記移動体72の摺動部材77が前記固定部材73に押し付けられる。そして、前記移動体72と前記固定部材73が摩擦係合する。
(効果)
前記第2の圧電素子96に印加する電圧によって、前記押付け部材85の押し付け力が容易に変更できるため、摩擦力の調整が容易になる。摩擦力が電気的に制御できるため、圧電アクチュエータ70の複雑な制御が可能になる。つまり、摩擦力調整機構を構成する。
前記固定板97の代わりにねじを用いた場合には前記押付け部材85を前記第2の圧電素子96に電圧を印加する前に押し付けて予圧を与えておけるので、前記圧電素子96に電圧を印加すると所望する摩擦力に更に調整しやすくなる。
その他の効果は前述した第6の実施形態と同じであるので、その説明については省略する。
<第9の実施形態>
図11を参照して第9の実施形態を説明する。図11は圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図である。
(構成)
本実施形態は前述した第8の実施形態に示した摩擦力発生機構74の変形例である。他の構成については説明を省略する。本実施形態の摩擦力発生機構74は前述した摩擦力発生機構74の第2の圧電素子96をケモメカ101に代えたものである。ケモメカ101は圧電素子と略同様に機能する。
(作用)
前記ケモメカ101に電圧を印加すると、そのケモメカ101が伸び、前記押付け部材85を押し付け、この押付け部材85を介して前記移動体72の摺動部材77を前記固定部材73に押し付ける。これにより、前記移動体72と前記固定部材73が摩擦係合する。その他の作用は前述した第8の実施形態と同じであるので説明を省略する。
(効果)
本実施形態の効果は第8実施形態と同じであるので説明を省略する。
<第10の実施形態>
図12を参照して、第10の実施形態を説明する。図12は圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図である。
(構成)
本実施形態も前述した第8の実施形態の変形例であり、第8の実施形態と異なる点は摩擦力発生機構74の構成のみである。このため、他の構成については説明を省略する。
本実施形態での摩擦力発生機構74は固定部材73の壁部に形成した孔部93内に、前記同様の押付け部材85と、コイル102と、前記押付け部材85を押込み付勢するための超磁歪素子103と、この超磁歪素子103の後端を受け止める固定具104とを設置して構成されている。超磁歪素子103はコイル102の巻き芯内に同軸的に配置されている。超磁歪素子103は磁界をかけると、延びる性質をもつ素子であり、圧電素子と機能的に似た性質を有する。
前記押付け部材85は前記超磁歪素子103の先端に弾性的に固定してあり、前記超磁歪素子103の他端には前記固定具104が固定してある。前記固定具104は前記固定部材73に接着固定されている。前記超磁歪素子103の周囲に設けられた前記コイル102は前記固定部材73の孔部93の内壁に接着固定されている。前記コイル102にはリード線105が接続されている。リード線105は固定具104を貫通して外部へ導出している。
コイル102に電圧を印加する前に、前記超磁歪素子103と前記押付け部材85とを前記移動体72の摺動部77に前記固定具104を用いて押し付けることにより、前記超磁歪素子103に予圧を与えるようにしても良い。
(作用)
前記摩擦力発生機構74の作用について説明する。前記コイル102に電圧を印加すると、磁界が生じる。すると、前記超磁歪素子103が伸び、その際、超磁歪素子103に固定されている押付け部材85が押される。そして、押付け部材85が前記移動体72を前記固定部材73に押し付け、前記移動体72と前記固定部材73が摩擦係合する。前記圧電アクチュエータ70の動作については前述した第8の実施形態に同じであるので説明を省略する。
(効果)
前記コイル102に印加する電圧の値によって、前記移動体72と前記固定部材73が摩擦係合する摩擦力の大きさを容易に調整できる。
前記超磁歪素子103に予圧を与えておいた場合には、前記摩擦係合によって生じる摩擦力がある幅をもって調整できるため、目的の摩擦力に調整しやすい。 前記圧電アクチュエータ70の他の効果は前述した第8の実施形態に同じなので省略する。
<第11の実施形態>
図13を参照して、第11の実施形態を説明する。図13は圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図である。
(構成)
本実施形態も前述した第8の実施形態の変形例であり、第8の実施形態と異なる点は摩擦力発生機構74の構成のみである。このため、他の構成については説明を省略する。
本実施形態での摩擦力発生機構74は固定部材73の壁部に形成した孔部93内に、前記同様の押付け部材85と、ソレノイド108と、固定具109を配置して構成されている。前記ソレノイド108はコイル110と軸(プランジャー)111で構成されている。コイル110は固定具109に接着固定され、軸111は押付け部材85に接着固定されている。前記軸111は磁性を帯びているように磁石等の磁性体で形成されている。前記固定具109は圧電アクチュエータ70の固定部材73に接着固定されている。前記コイル110は前記固定部材109の孔部93の内壁に接着固定されている。前記コイル110にはリード線112が接続されている。リード線112は固定具109を貫通して外部へ導出している。
(作用)
前記摩擦力発生機構74の作用について説明すると、前記コイル110に電圧を印加すると、前記コイル110内に生じる磁界に反発して、前記軸111が前記コイル110内から押し出されるように付勢される。すると、前記軸111に固定された押付け部材85が前記移動体72の摺動部材77を前記固定部材73に押し付けるので、前記移動体72と前記固定部材73は摺動可能に摩擦係合する。前記コイル110に印加する電圧を変えることによって前記押付け部材85を押し付ける力が変わる。つまり、摩擦力を調整する摩擦力調整機構を構成している。この圧電アクチュエータ70の動作は前述した第8の実施形態と同じであるので説明を省略する。
(効果)
前記圧電アクチュエータ70の他の効果は前述した第8の実施形態に同じなので省略する。
摩擦力発生機構74にソレノイド108を用いているため、前記コイル110に印加する電圧を変えることによって前記押し付け部材85を押し付ける力を調整し、摩擦力を容易に所望の値にすることができる。
<第12の実施形態>
図14を参照して、第12の実施形態を説明する。図14(a)は圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図であり、図14(b)は図14(a)中A−A線に沿う断面図である。
(構成)
本実施形態の圧電アクチュエータは、圧電素子113と、この圧電素子113の一端部に固定された移動体114と、この移動体114と摺動可能に摩擦係合する静止部材としての固定部材115とを備えて構成されている。
前記圧電素子113は積層型圧電素子を用いているが、他の電歪素子でもかまわない。
前記圧電素子113にはリード線116が半田付けして接続されている。図14(b)で示すように、前記圧電素子113はその長手方向の4つの稜線部をそれぞれ面取りしてある。
前記移動体114は圧電素子固定部材117と、これに一端を接着で接続固定した筒状の摺動部材118と、この摺動部材118の他端に接着で取着された後部蓋119とで構成されている。また、前記圧電素子固定部材117には前記圧電素子113の一端が接着固定されている。前記圧電素子113は前記移動体114の内部に密閉的に配設され、かつ移動体114によって囲まれている。前記後部蓋119には前記リード線116を通す孔119aが設けられ、前記リード線116はその孔119a内で接着固定されている。前記孔119aは接着剤で充填されて閉塞されている。
図14(a)で示すように前記移動体114と前記圧電素子113との間には結合部材120が設けられている。結合部材120は前記移動体114の筒状の摺動部材118における内面に取り付けられ、前記移動体114と前記圧電素子113との間に介在してその両者を弾性的に結合している。本実施形態では特に前記圧電素子113の前記リード線接続端部となる自由端部と移動体114との間に前記結合部材120が介在するように設けられている。
前記摺動部材118の外表面は前記固定部材115と摺動できるよう滑らかに構成してある。前記固定部材115の摺動面も滑らかに構成してある。
前記固定部材115には摩擦力発生機構121が設けてある。前記摩擦力発生機構121は前記固定部材115の端部に設けた少なくとも1つのスリット122と、前記スリット122のある端部に設けたねじ部123と、このねじ部123に結合するナット124で構成する。前記ねじ部123はテーパ状のねじ部として形成されている。この構成はナット124の締め付け量に応じてその摩擦力が調整できる摩擦力調整機構を兼ねる。
(作用)
前記摩擦力発生機構121について説明する。前記ねじ部123に前記ナット124を締め込んでいくと、前記ねじ部123にスリット122を設けてあり、さらに前記ねじ部123がテーパ状であることから、前記固定部材115の内径が小さくなり、前記移動体114を締め付ける。そして、前記固定部材115と、前記移動体114が摺動可能に摩擦係合することになる。この摩擦力はナット124の締込み量に応じて変わるため、その摩擦力を適宜調節可能である。
前記結合部材120は前記移動体114に保持されて前記圧電素子113の一部を弾性的に支える。
この圧電アクチュエータの他の動作は前述した第8の実施形態に説明した通りなので説明を省略する。
(効果)
前記摩擦力発生機構121はナット124の締め付けの程度によって摩擦力を容易に調整ができ、前記圧電アクチュエータの性能を安定させることができる。前記結合部材120を設けて、前記圧電素子113を弾性的に支えているので、前記圧電素子113の発生力をロスすること無く、また衝撃に対し強い構造となり、圧電アクチュエータの衝撃耐性が向上する。
さらに、前記圧電素子113の稜線部を面取りしてあるため、前記移動体114断面に占める前記圧電素子113の断面積の割合が大きくとれるので、前記圧電素子113の発生力を大きくでき、前記圧電アクチュエータの性能を向上させることができる。
前記圧電アクチュエータの他の効果については前述した第9の実施形態に説明した通りであるので説明を省略する。
<第13の実施形態>
図15乃至図20を参照して、第13の実施形態を説明する。
(構成)
本実施形態は図15で示すように内視鏡201の挿入部202における先端構成部203の内部に組み込まれた観察光学系の焦点調整機構204の駆動手段に前述したような圧電アクチュエータを利用したものである。
内視鏡201の観察光学系には先端構成部203の先端面に観察窓部205が配設されている。先端構成部203の内部空間には観察光学系が装着されているとともに、この装着位置の側方部位には前記焦点調整機構204が設置されている。
観察光学系には、観察窓部205に対向配置された前部側固定レンズ206と、この前部側固定レンズ206に対して離間して対向配置された後部側固定レンズ208と、固定レンズ206と後部側固定レンズ208との間に配置され、観察光学系の光軸方向に沿って移動自在な焦点調整レンズ209とが設けられている。これらの各レンズ206,208,209によって観察光学系の対物レンズ群が構成される。
前後の固定レンズ206,208を保持する鏡筒207には焦点調整レンズ209のレンズ枠210が観察光学系の光軸方向に沿って移動自在に支持されている。このレンズ枠210の下面にはラックギア211が設けられており、このラックギア211は後述する圧電アクチュエータによって回転されるピニオンギア212と噛合している。
また、先端構成部203内には後述するような圧電アクチュエータを備えたアクチュエータユニット213が装着されている。このアクチュエータユニット213には前記ピニオンギア212に噛合するラックギア214が設けられている。ピニオンギア212は前記レンズ枠210のラックギア211と噛み合っており、そして、焦点調整レンズ209のレンズ枠210を観察光学系の光軸方向に移動させるようになっている。
後部側固定レンズ208の後方にはその観察光学系の対物レンズ群によって結像された観察像を電気信号に変換する例えばCCD等の固体撮像素子215が配設されている。
前記アクチュエータユニット213は図16に示すように構成されている。すなわち、先端構成部203の部材に取着固定された静止部材としての円筒状の円管216と、この円管216内に摺動自在に設けられた移動体217と、この移動体217に一端が固定され、電圧をかけることで伸縮動作をし、この伸縮動作によって前記移動体217に衝撃力を与える衝撃力発生部としての圧電素子(電歪素子)218とを備えて構成されている。
ここで、前記圧電素子(電歪素子)218は例えばチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸塩、磁器等のセラミックスに電極を形成し、この電極に直流電流を加えることにより、機械的な伸び変形を生じるものである。そして、圧電素子218は逆電圧効果により電界強度に比例した歪みが生じる素子であり、また、電歪素子は駆動電圧を印加した際に電界強度の2乗に比例した歪みが生じる素子であるが、いずれも圧電素子と称する。
前記移動体217には圧電素子218の一端を固定する圧電素子固定部材221と、この圧電素子固定部材221に一端が固定され、前記圧電素子218を覆う円管部222と、この円管部222の他端に取着された蓋部223とを備えて構成されている。圧電素子218にはリード線224が接続されており、リード線224は蓋部223の中央を気密的に貫通して外に導出している。移動体217は圧電素子218を気密的に内包している。
前記円管216には板ばね225の一端部が、ねじ226で取り付けられており、板ばね225の自由端部はその円管216に形成した開口部227を通して、移動体217の円管部222の外周に押し当てられている。この押当て荷重はそれに応じた強さの、円管216と板ばね225との間の摩擦力を生む。また、この押当て荷重はねじ226の締め加減で調整可能となっており、摩擦力調整機構を構成している。
移動体217における圧電素子固定部材221にはシャフト228が突設され、シャフト228には前記ピニオンギア212が噛み合うラックギア214が形成されている。つまり、観察光学系のレンズ枠210と移動体217との動力の伝達がギア系を介して行われる。このため、従来のように連結部材で結合するものに比べて、移動体217とレンズ枠210との距離に比例して発生するモーメントが作用せず、したがって、それぞれの移動の際に、こじれが発生しにくい。
圧電素子218に接続された前記リード線224は内視鏡201の挿入部202、及び図17に示す操作部231、ユニバーサルコード232内にわたり配設され、外部の制御部233に接続されるようになっている。ここで、圧電素子218に取り付けられるリード線224は図18に示すように次の2点で圧電素子218に固定されている。すなわち、その1点は圧電素子218の電極部分218aにハンダ付けされ、他の1点は圧電素子218のダミー部分218bに接着剤により固定されている。圧電素子218には縦積層、横積層、単層のものがある。
また、円管216の内表面及び円管部222の外表面には耐摩耗性を向上させるための表面処理、例えばシュウ酸アルマイトとチタンコートが施されている。さらに、圧電素子218の表面には耐熱湿度性、耐薬品性を上げるためのパリレンコートが施されている。
また、制御部233は例えば図19(A)に示す圧電素子218の第1の駆動波形、および図19(B)に示す圧電素子218の第2の駆動波形の各駆動波形をもつ各電圧を発生して、必要に応じて前記圧電素子218に印加する電圧印加手段が設けられている。ここで、第1の駆動波形には1パルスの所定の設定時間T内に、設定電圧から0電位まで印加電圧を徐々に低下させるa領域と、0電位から所定の設定電圧まで急激に上昇させるb領域とが設けられている。さらに、第2の駆動波形には1パルスの所定の設定時間T内に、0電位から所定の設定電圧まで印加電圧を徐々に上昇させるc領域と、設定電圧から0電位まで急激に低下させるd領域とが設けられている。
(作用)
次に、前記構成の作用について説明する。まず、図19(A)の第1の駆動波形によって駆動されるアクチュエータユニット213の動作を図20(A)を参照して説明する。なお、アクチュエータユニット213は停止時には円管部222が板ばね225によって円管216の内面に圧接され、適当な摩擦力で摩擦係合された状態で保持される。
そして、アクチュエータユニット213の圧電素子218に第1の駆動波形をもつ電圧が印加されると、この第1の駆動波形のa領域では圧電素子218はゆっくり縮み、b領域では急激に伸びるサイクルをくり返す。すなわち、第1の駆動波形のa領域で圧電素子218がゆっくり縮む場合には移動体217は図20(A)のaに示すように板ばね225および円管216の内面との接触面の摩擦力で静止したままの状態で保持される。
さらに、第1の駆動波形のb領域で圧電素子218が急激に伸びる場合にはこの圧電素子218の急激な伸び動作によって移動体217を図20(A)中で左方向に押圧する衝撃力が発生する。そのため、移動体217はこの圧電素子218からの衝撃力によって圧電素子218の自重と移動体217の質量とにより決まる重心を不動点として図20(A)のbに示すように図中左方向に移動する。
また、図19(B)の第2の駆動波形によってアクチュエータユニット213が駆動される場合には、アクチュエータユニット213は図20(B)に示すように動作する。
ここで、アクチュエータユニット213の圧電素子218に第2の駆動波形をもつ電圧が印加されると、この第2の駆動波形のc領域では圧電素子218はゆっくり伸び、d領域では急激に縮むサイクルをくり返す。すなわち、第2の駆動波形のc領域で圧電素子218はゆっくり伸びる場合には移動体217は図20(B)のcに示すように板ばね225および円管216の内面との接触面の摩擦力で静止したままの状態で保持される。
さらに、第2の駆動波形のd領域で圧電素子218が急激に縮む場合には、この圧電素子218の急激な収縮動作によって移動体217を図20(B)中で右方向に引っ張る衝撃力が発生する。そのため、移動体217はこの圧電素子218からの衝撃力によって圧電素子218の自重と移動体217の質量とにより決まる重心を不動点として図20(B)のdに示すように図中右方向に移動する。
したがって、アクチュエータユニット213の動作時には圧電素子218に第1の駆動波形が印加される場合には、移動体217が図1中で左方向に前進し、圧電素子218に第2の駆動波形が印加される場合には移動体217が同図中で左方向に後退する。その結果、この移動体217の動作に連動して焦点調整レンズ209のレンズ粋210も前後動するので、焦点調整レンズ209の位置を前後方向に移動させ、観察光学系の対物レンズ群の焦点位置を調整することができる。
そこで、前記構成のものにあってはレンズ枠210のラックギア211にピニオンギア212を介して連結された移動体217と、この移動体217に固定され、電圧をかけることで伸縮動作をし、この伸縮動作によって移動体217に衝撃力を与える圧電素子218と板ばね225および円管216とのみによってアクチュエータユニット213を構成したので、慣性体を省略することができる。そのため、一般的な圧電アクチュエータに比べて構成部品数を減らし、組み立てのコストを低減することができるとともに、アクチュエータユニット213の全体を小形化することができる。
さらに、前記構成のアクチュエータユニット213を特に、内視鏡201の観察光学系の焦点調整機構204のアクチュエータとして利用したので、内視鏡201の挿入部202の先端構成部203によって形成される硬性部の長さを抑えることができ、内視鏡201の挿入部202を挿人する際の患者の負担を軽減することができる。
<第14の実施形態>
図21を参照して、第14の実施形態を説明する。図21は内視鏡の観察光学系における焦点調整機構の圧電アクチュエータの縦断面図である。
(構成)
本実施形態は前述した第13の実施形態におけるアクチュエータユニットの変形例である。このアクチュエータユニット213は静止部材としての円管216と移動体217との間に摩擦力を発生させる摩擦力発生手段が、前記板ばね225に代えて、磁性流体241を用いたものである。すなわち、円管216の内面部の一部に溝242を設け、移動体217の円管部222と溝242との間の空間に磁性流体241を封入したものである。ここでの移動体217の円管部222は磁性体で出来ており、磁性流体241はその磁力により溝242に引き付けられているために流れ出すことはない。また、磁性流体241は円管部222に対して移動体217が移動する際、その磁性流体241と円管部222との間に摩擦力を発生させる。また、摩擦力の調整はその接触状態を変えることにより変えることができる。例えば、磁性流体241の量を増減させることによりその摩擦力も増減する。また、溝242の磁力を変えることによっても摩擦力を変えることができる。つまり、これは摩擦力調整機構を構成する。
<第15の実施形態>
図22を参照して、第15の実施形態を説明する。図22(a)は内視鏡の観察光学系における焦点調整機構とそのアクチュエータの部分の縦断面図であり、図22(b)はその一部の正面図である。
(構成)
本実施形態も前述した第13の実施形態の変形例である。すなわち、アクチュエータユニット213における移動体217と焦点調整機構のレンズ枠210との結合にギア手段に代わってリンク251を用いるようにしたものである。レンズ枠210にはピン252が設けられ、移動体217のシャフト228にはピン253が設けられている。リンク251は先端構成部における固定部材に取り付けたピン255に対して回転可能に支持されており、止め輪256でピン255の軸方向にリンク251が外れないようになっている。リンク251はその両端にU字の切欠き部257,258が形成されており、その切欠き部257,258のそれぞれにピン252,253が嵌まって係合している。
(作用)
アクチュエータユニット213が作動すると、その移動体217が移動し、リンク251を介してレンズ枠210を移動させる。レンズ枠210と移動体217との動力の伝達がリンク251を介して行われているので、レンズ枠210と移動体217との距離に比例して発生するモーメントが作用せず、したがって、それぞれの移動の際にこじれが発生しにくい。
<第16の実施形態>
図23を参照して、第16の実施形態を説明する。図23は観察光学系における焦点調整機構とそのアクチュエータの部分の縦断面図である。
板ばね262は内視鏡先端構成部の固定部材260に一端が固定ねじ263で固定され、他端が調節ねじ264により固定部材260に押し込み自在に取着されている。そして、板ばね262の中央部分が移動体217のシャフト228に押し当るように接触している。移動体217は板ばね262および円管216の内面との間に摩擦力を発生する。また、調節ねじ264の締め具合によりシャフト228に対する押当て荷重が調整し、摩擦力を調整する機構を構成するようになっている。
<第17の実施形態>
図24及び図25を参照して、第17の実施形態を説明する。図24はアクチュエータの部分の縦断面図、図25(a)は円管の内面と移動体の脚の先端部とが接触した状態の縦断面図、図25(a)は同じく円管の内面と移動体の脚の先端部とが接触した状態の正面図である。
本実施形態も前述した第13の実施形態の変形例である。このアクチュエータユニット213における移動体217はシャフト271、摩擦力調整ナット272、板ばね273から構成される。板ばね273は2つの脚274を有し、各脚274の先端部275が前記円管216の内面に接触している。円管216の内面と脚274の先端部275との間には板ばね273により押当て荷重が作用している。
調整ナット272はシャフト271の基部に形成した雄ねじ部276にねじ込まれて固定されており、調整ナット272を回転させることにより、板ばね273の固定部に締め付け力を作用させる摩擦力発生機構を構成する。また、板ばね273の脚274の開き角度を変えることにより前記押当て荷重を調整する機構を兼ねる構成である。
図25は円管216の内面と脚274の先端部275の接触した状態を示している。図25で示すように、脚274の先端部275は円管216の軸に対する平行断面および垂直断面のいずれの断面においてもRを有する。平行断面のRは円管216の内面のrより小さい。したがって、先端部は円管216に対して点接触している。したがって、移動体217の軸中心が円管216の軸中心に対して若千のずれを生じたとしても、点接触のため接触面積は変化しにくく、その結果、摩擦力も変化しにくい。
[付記]
1.移動体と、この移動体に固定された圧電振動子と、前記移動体と摩擦係合する静止固定部材と、前記圧電振動子に急激な変形を起こし、前記圧電振動子により前記移動体に衝撃を与えて、前記移動体と前記静止固定部材との摩擦係合に打ち勝って前記移動体を前記静止固定部材に対して移動させる駆動手段とを有し、さらに前記移動体と静止固定部材との摩擦力を調整する摩擦力調整手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
1−1.前記移動体は少なくとも2つの脚を有し、前記摩擦力調整手段はその脚のたわみを制限する調整部材を前記移動体に設けたことを特徴とする付記項1に記載の圧電アクチュエータ。
1−2.前記調整部材が、前記圧電アクチュエータの姿勢を保つ芯出し機構を兼ねていることを特徴とする付記項1−2に記載の圧電アクチュエータ。
1−3.前記脚と前記圧電素子の間に電気的絶縁材を設けたことを特徴とする付記項1−1に記載の圧電アクチュエータ。
1−4.前記絶縁体が、セラミックで構成してあることを特徴とする付記項1−3に記載の圧電アクチュエータ。
1−5.前記絶縁体が、ポリイミド、テトラフロロエチレン等のプラスチックで構成してあることを特徴とする付記項1−3に記載の圧電アクチュエータ。
1−6.前記圧電素子の一端に移動体を設け、圧電素子の他端に慣性体を設けたことを特徴とする付記項1に記載の圧電アクチュエータ。
1−7.前記摩擦力調整手段が、移動体の移動周面に接触する板ばねや移動体の脚に連設された板ばね等の弾性部材と、この弾性部材板を締め付けて前記摩擦力を調整するねじやナット等の調整部材とからなることを特徴とする付記項1に記載の圧電アクチュエータ。
2.圧電素子と、この圧電素子の端部に固定された移動体と、この移動体と摺動可能に摩擦係合する固定部材とを有する圧電アクチュエータで、前記移動体と前記圧電素子とを弾性的に結合する結合手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
これによれば、衝撃力に対し圧電素子が移動体から折れ外れることを防ぐことができる。
2−1.前記結合手段の弾性力が、前記圧電素子の発生力に対し十分小さいことを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−2.前記結合手段が、シリコン系接着剤で有ることを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−3.前記結合手段が、電気的絶縁材であることを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−4.前記結合手段が、前記移動体に固定され、前記圧電素子には弾性的に接触していることを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−5.前記結合手段の位置を、前記移動体と前記圧電素子の固定部と反対側の前記移動体及びまたは前記圧電素子に設けたことを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−6.前記移動体が少なくとも2つの脚を有し、前記結合部材が、前記脚と前記圧電素子との間に設けられていることを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−7.前記移動体が円筒形状に構成され、前記移動体の円筒内面と前記圧電素子との間に結合部材を設けたことを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−8.前記結合部材が空気より熱伝導性の良い弾性体であることを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
2−9.前記圧電素子の一端に前記移動体を設け、他端に慣性体を設けたことを特徴とする付記項2に記載の圧電アクチュエータ。
3.圧電素子と、この圧電素子の端部に設けられた結合手段と、この結合手段に固定された移動体と、前記圧電素子の他端に固定された静止部材と、前記移動体と摺動可能に摩擦係合する固定部材からなる圧電アクチュエータで、前記結合手段が、弾性変形を用いた変位拡大機構であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
これによれば、衝撃力に対し圧電素子が移動体から折れ外れることを防ぐことができる。
4.圧電素子と、この圧電素子の一端部に設けられた移動体と、前記圧電素子の他端部と固定的に連結された静止基体と、前記移動体と摺動可能に摩擦係合する係止部材からなる圧電アクチュエータで、前記圧電素子と、前記移動体とを弾性的に結合する結合手段を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
これによれば、衝撃力に対し圧電素子が移動体から折れ外れることを防ぐことができる。
4−1.前記結合手段が、シリコン系接着剤で有ることを特徴とする付記項4に記載の圧電アクチュエータ。
4−2.前記結合手段が、前記移動体に固定され、前記圧電素子には接触していることを特徴とする付記項4に記載の圧電アクチュエータ。
4−3.前記移動体が円筒形状をしており、前記円筒内面と前記圧電素子との間に結合手段を設けたことを特徴とする付記項4に記載の圧電アクチュエータ。
4−4.前記結合手段を、前記移動体と前記圧電素子の固定部と、反対側の前記移動体及びまたは圧電素子端部に設けたことを特徴とする付記項4に記載の圧電アクチュエータ。
4−5.前記結合部材が空気より熱伝導性の良い弾性体であることを特徴とする付記項4に記載の圧電アクチュエータ。
5.圧電素子と、この圧電素子の端部に固定された移動体と、この移動体と摺動可能に摩擦係合する固定部材からなり、前記移動体を前記圧電素子を覆う円筒形状にし、前記固定部材に前記円筒外面と嵌合する孔を設けたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
これによれば、移動体と固定部材の摩擦係合の状態を安定化させることができる。
5−1.前記移動体を前記圧電素子の全面を覆う様に設けたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−2.前記移動体により前記圧電素子が、密閉されていることを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−3.前記圧電アクチュエータで、前記移動体と前記固定部材を摺動可能に摩擦係合させる摩擦力発生手段を前記固定部材に設けたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−4.前記摩擦力発生手段が、摩擦力を可変できる様に構成したことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−5.前記摩擦力発生手段の調整を、ねじを用いて調整することを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−6.前記摩擦力発生手段の調整を、電気的に調整することを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−7.前記摩擦力発生手段に弾性体を用いたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−8.前記弾性体が、ばねであることを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−9.前記ばねが、コイルばねであることを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−10.前記ばねが、板ばねであることを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−11.前記摩擦力発生手段及びまたは調整手段に、圧電素子の発生力を用いたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−12.前記摩擦力発生手段及びまたは調整手段に、超磁歪素子の発生力を用いたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−13.前記摩擦力発生手段及びまたは調整手段に、ケモメカの発生力を用いたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−14.前記摩擦力発生手段及びまたは調整手段に、電磁石の発生力を用いたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−15.前記電磁石の発生力に、ソレノイド機構を用いたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−16.前記電磁石の発生力に、前記電磁石の吸引力を用いたことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−17.前記圧電素子に結線させるリード線が、前記圧電素子と前記移動体の固定部側から、前記移動体の外側へ引き出されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
5−18.前記リード線が、前記圧電素子の振動状態を把握する、及び/又は前記圧電素子を駆動するためのものであることを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−19.前記圧電素子の長手方向の稜線部に面取りを施したことを特徴とする付記項5に記載の圧電アクチュエータ。
5−20.前記圧電素子の長手方向に垂直な断面の形状が8角形以上の多角形で構成されることを特徴とする付記項5−19に記載の圧電アクチュエータ。
6.圧電素子と、この圧電素子の端部に設けた移動体と、前記移動体と摺動可能に摩擦係合する固定部材からなる圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータが駆動する被駆動体からなり、前記圧電アクチュエータの移動体の弾性を用いて、前記被駆動体と前記移動体を弾性的に結合したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
これによれば、衝撃力に対し圧電素子が移動体から折れ外れることを防ぐことができる。
7.内視鏡の光学系を駆動する圧電アクチュエータにおいて、
移動体と、この移動体に固定された圧電振動子と、前記移動体と摩擦係合する固定部材と、前記圧電振動子に急激な変位を起こし、前記圧電振動子により前記移動体に衝撃を与えて、前記移動体と前記固定部材との摩擦係合に打ち勝って、前記移動部材を前記固定部材に対して移動させる駆動手段とを設け、移動体と固定部材との摩擦力を調整手段を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。 これによれば、内視鏡の光学系の駆動にあたって、アクチュエータの力によるモーメントが光学系およびアクチュエータの動作に影響を発生させない。
7−1.内視鏡の光学系と前記圧電アクチュエータがリンクで結合されることを特徴とする付記項7に記載の圧電アクチュエータ。
7−2.内視鏡の光学系と前記アクチュエータがギアで結合されることを特徴とする付記項7に記載の圧電アクチュエータ。
8.圧電素子と該圧電素子の端部に固定された移動体と、該移動体と摺動可能に摩擦係合する固定部材とを有する圧電アクチュエータにおいて、前記移動体と前記圧電素子を絶縁したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
8−1.前記移動体を、前記固定部材と摺動する摺動部材と、前記圧電素子を固定する圧電素子固定部で構成し、前記圧電素子固定部を絶縁剤で構成したことを特徴とする付記項8に記載の圧電アクチュエータ。
(a)は第1の実施形態に係る圧電アクチュエータの縦断面図、 (b)はその圧電アクチュエータの組立前の各部材を並べた斜視図。 第2の実施形態に係る圧電アクチュエータの縦断面図。 第3の実施形態に係る圧電アクチュエータの縦断面図。 図3中A−A線に沿う断面図。 第4の実施形態に係る圧電アクチュエータの縦断面図。 第5の実施形態に係る圧電アクチュエータの縦断面図。 第6の実施形態に係る圧電アクチュエータの縦断面図。 同じく第6の実施形態に係る圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図。 第7の実施形態に係る圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図。 第8の実施形態に係る圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図。 第9の実施形態に係る圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図。 第10の実施形態に係る圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図。 第11の実施形態に係る圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図。 第12の実施形態に係る圧電アクチュエータの摩擦力発生機構付近の縦断面図。 第13の実施形態に係る圧電アクチュエータを適用した焦点調整機構を含む内視鏡先端部の断面図。 第13の実施形態に係る圧電アクチュエータの断面図。 第13の実施形態に係る内視鏡の操作部の側面図。 第13の実施形態に係る圧電アクチュエータにおける圧電素子のリード線接続部の斜視図。 第13の実施形態に係る圧電アクチュエータを駆動する駆動波形を示す説明図。 第13の実施形態に係る圧電アクチュエータの動作の説明図。 第14の実施形態に係る圧電アクチュエータの縦断面図。 (a)は第15の実施形態に係る圧電アクチュエータを組み込んだ内視鏡の観察光学系における焦点調整機構の部分の縦断面図、(b)はその一部の正面図。 第16の実施形態に係る圧電アクチュエータを組み込んだ内視鏡の観察光学系における焦点調整機構の部分の縦断面図。 第17の実施形態に係る圧電アクチュエータの部分の縦断面図。 (a)は第17の実施形態に係る圧電アクチュエータの円管の内面と移動体の脚の先端部とが接触した状態の縦断面図、(b)は同じくその円管の内面と移動体の脚の先端部とが接触した状態の正面図。
符号の説明
1…圧電アクチュエータ、2…圧電素子、3…移動体、4…固定部材
7…帯状の板ばね、8…芯出し部材、9…取付け部、10…脚部
11…摺動部、12…嵌合孔、13…摩擦力調整部。

Claims (2)

  1. 圧電素子と、この圧電素子の端部に固定された移動体と、前記移動体と摩擦係合する静止固定部材と、前記圧電素子に急激な変形を起こし、前記圧電素子により前記移動体に衝撃を与えて、前記移動体と前記静止固定部材との摩擦係合に打ち勝って前記移動体を前記静止固定部材に対して移動させる駆動手段とを備えた圧電アクチュエータにおいて、
    前記移動体は、円筒形状に構成され、この円筒形状部内に前記圧電素子を収納して覆うものであり、
    前記静止固定部材は、前記移動体の円筒形状部外面に摺動自在に嵌合する内面を有してなり、
    更に、前記静止固定部材に前記移動体と前記静止固定部材との摩擦力を可変可能な摩擦力発生手段を設けてなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 前記移動体は、前記圧電素子を収納した内部を外部から密閉した構成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。
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