JP4109925B2 - 圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータ付き電子機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は流体中でも駆動できる圧電アクチュエータ、特に医療機器等への応用が期待される超小型のモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種電子機器の駆動源として電磁型のモータが広く一般的に使われている。また、最近では小型で高トルク、磁気の影響を受けず発生もしない等の特徴を有する超音波モータも使われ始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら例えば超音波内視鏡において、超音波センサーの駆動をさせようとした場合、極めて小型の構造が要求されるが電磁型のモータは巻き線を有し、小型化が難しいだけでなく、小型化するとトルクが極めて小さくなると共に、高速になるためこれらセンサーの駆動を行うには減速機構が必要となる。また小型で低速、高トルクの超音波モータを用いた場合、超音波センサーから入出力する超音波信号を減衰させない様に超音波内視鏡の周囲はオイル等の流体で満たされており、ロータと振動体間の摺動面にオイル等の流体が入らないようにシール等の工夫が必要なため、機構の大型化ともにトルクの損失を招いてしまう。更には、シールによる損失トルクの変動により回転数の変動も招く恐れがあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は圧電素子を有する振動体と、振動体の振動変位方向に設けられ、振動変位方向に凹部を有する移動体と、移動体を振動体に加圧する機構と、振動体と移動体の間に介在する流体とによって構成され、振動体の振動によって発生する流体の圧力によって、移動体を駆動することを特徴とする圧電アクチュエータを用いる。
これによれば一般的な超音波モータにおいて用いている固体の摩擦力を用いずに、オイル等の流体を介して移動体を駆動する圧電アクチュエータを提案するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を基に説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータを示す図である。
【０００６】
この圧電アクチュエ−タの断面図である図１（ａ）において、円筒状の圧電素子１の内周面、外周面には電極１ａが設けられており、圧電素子１は径方向に分極処理されている。二つの電極間に所定の周波数の電圧信号を印加することにより、圧電素子１は中央部を節とし、両端部で振幅が最大となる縦振動を発生する。
【０００７】
振動体１は振動の節となる中央部を支持部材２で支持され、ケーシング３の内面に固定されている。ケーシング３内にはオイル等の液体、空気等の気体からなる流体１００で満たされている。振動体１の端面にはロータ５が配置されている。ロータ５に設けられた中心軸５ｂはケーシング３に設けられた軸受け４で案内されている。ロータ５と軸受け４の間にはばね６が設けられ、ロータ５を圧電素子１からなる振動体に押し付ける方向に力が働いている。
【０００８】
また、ロ−タ５を圧電素子厚み方向から見た図１（ｂ）において、ロータ５の振動体側の面内にはスパイラル状に複数の凹状の溝５ａが設けられている。圧電素子１からなる振動体が超音波領域の振動をすると、ロータ５には圧電素子１とロータ５との間にある流体から高い圧力を受けるいわゆるスクイーズ効果が発生する。このとき、ロータ５にはスパイラル状の溝５aが設けられているため、溝５ａ内に働く流体の圧力により、ロータ５には回転力が生じる。
【０００９】
ここで、振動体の形態は本実施の形態に示したものに限るものではなく、同一方向に変位するものであれば良く、例えばランジュバン型の振動子やバイモルフ構造等からなる撓み振動子を用いても構わない。
【００１０】
図２は本実施の形態のロータの変形例を示すものである。ロータ７には厚み方向に対して一定の角度を有する凹状の溝７ａがロータ７の外周一周に渡って設けられている。また、ロータ７に設けられた中心軸７ｂは、ロ−タ７の溝７ａが設けられた面と反対側に延びている。この場合、振動体の振動により生じた流体の圧力は溝７ａの一方の側面７ａ’に働くため、ロータ７は回転する。
（実施の形態２）
実施の形態２を図３を基にして説明する。
【００１１】
この圧電アクチュエ−タの断面図である図３（ａ）において、円板状の圧電素子８の表裏面には電極が設けられており、圧電素子８は厚み方向に分極処理されている。二つの電極間に所定の周波数の電圧信号を印加することにより、圧電素子８は厚み方向に振動する。
【００１２】
圧電素子８の一方の面には発泡ポリスチレン等からなる吸音材９が接合されており、ケーシング１０の底面に固定されている。ケーシング１０内にはオイル等の液体、空気等の気体からなる流体１００で満たされている。圧電素子８の他方の面側にはロータ１１が配置されている。ロータ１１に設けられた中心軸１１ｂはケーシング１０に設けられた軸受け１２で案内されている。ロータ１１と圧電素子８の間には一定の間隔が保たれている。
【００１３】
圧電素子８が振動すると圧電素子８の吸音材が設けられていない面からロータ１１の方向に向けて超音波が放射される。この際、超音波の波長に対しロータ１１の大きさは十分大きいため、ロータ１１が障害となりロータ１１の、圧電素子８側である第一の面側のオイル１００aと、第一の面と対向する第二の面側のオイル１００ｂとには放射圧に差が生じる。即ち１００aでは圧力が高く、１００ｂでは圧力が低い状態となるが、ロ−タ１１を圧電素子方向から見た図３（ｂ）において、ロータ１１の側面にはスパイラル状に複数の凹状の溝１１aがロ−タ１１の厚み方向に対して傾斜を有し設けられていることにより、溝１１aの傾斜部に圧力が生じ、ロータ１１には回転力が生じる。
【００１４】
ここで、振動体の形態は本実施の形態に示したものに限るものではなく、同一方向に変位するものであれば良く、例えばランジュバン型の振動子やバイモルフ構造からなる撓み振動子を用いても構わない。
【００１５】
尚、ロータには図２で示した構造のものを用いても構わない。
【００１６】
そして、これまで実施の形態１及び２で、回転型のアクチュエータについてのみ述べてきたが、本発明のアクチュエータの原理はリニヤ型のアクチュエータにも展開が可能である。
（実施の形態３）
実施の形態３を図４を基にして説明する。本実施の形態では、前述の本発明にかかわる圧電アクチュエータをカテーテル（電子機器の例）に適用した例を示す。図４に示すように、内視鏡先端部に本発明の圧電アクチュエータ１９を配置し、回転軸２０にミラー１３を取り付ける。圧電アクチュエ−タ１９への電力の供給はリ−ド線１ｂによってなされる。ここで、圧電アクチュエ−タ１９と回転軸２０は、実施の形態１で述べた圧電アクチュエ−タ３と回転軸５ｂまたは７ｂでも良いし、実施の形態２で述べた圧電アクチュエ−タ１０と回転軸１１ｂまたは７ｂでも良い。
【００１７】
内視鏡の管部にはオプティカルファイバー１４が通されており、支持部材１５でケーシング１６に固定されている。オプティカルファイバー１４の一端（ミラー１３と反対側（体外））に設けられた超音波振動子からの超音波信号１７を導くと共に、ミラー１３を介して患部に照射し、戻ってくる信号を再度ミラー１３を介して体外の超音波振動子まで導く働きをする。内視鏡の先端部、即ちオプティカルファイバー１４とミラー１３の間には体液や患部と音響インピーダンスの整合が取れたオイル等の液体１００で満たされており、超音波信号を減衰させないように患部に照射し、戻ってきた信号を効率良く超音波振動子に戻す働きをする。
【００１８】
このように本発明の圧電アクチュエータ１９により超音波信号を血管内面や臓器等の内面を３６０度観察することのできる超音波内視鏡を構成する。従来の超音波モータではロータと振動体の摺動部にオイルが入り込まないようにシール等の工夫をしなければならなかったが、本発明の圧電アクチュエータ１９を用いることにより、オイル１００自身を駆動の伝達に使えるためシールによるトルクのロスや機構部の大型化、複雑化を防ぐことが可能となるとともに、シールがない為に、より回転速度の安定化が図られ、得られる画像の精度もよくなる。尚、オプテイカルファイバー１４を用いずに、超音波振動子を直接回転させても良い。
【００１９】
【発明の効果】
本発明によれば駆動源に圧電素子を用いることで小型、高トルク、低速回転が実現できるとともに流体を利用する原理とすることでシール等の工夫が必要ないためアクチュエータの損失がないばかりでなく構造も簡素化、小型化される。そして、磁気の影響を受けず発生もしないため、MRIを始めとする磁気を用いる計測器等の環境下でも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかわる圧電アクチュエータのロータの別の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかわる圧電アクチュエータを示す図である。
【図４】本発明の圧電アクチュエータをカテーテル（超音波内視鏡）に応用した例を示す図である。
【符号の説明】
１、８ 圧電素子
３、１０ 圧電アクチュエータ
５、７、１１ ロータ
１３ ミラー
１４ オプテイカルファイバー

Claims (6)

1. 圧電素子を有する振動体と、前記振動体の振動変位方向に設けられ、前記振動変位方向に凹部を有する移動体と、前記移動体を前記振動体に加圧する機構と、前記振動体と前記移動体の間に介在する流体とによって構成され、前記振動体の振動によって発生する前記流体の圧力によって、前記移動体を駆動することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記凹部は前記移動体の、前記振動体側の面内にスパイラル状に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記凹部は前記移動体の厚み方向に対して傾斜を有すること
   を特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記振動体の振動は前記振動体の厚み方向への変位であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記振動体の両端のうち、前記移動体側と反対の端部には吸音材が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを搭載した電子機器。

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