JP5165883B2

JP5165883B2 - 超音波モータ及びこれを用いた電子機器

Info

Publication number: JP5165883B2
Application number: JP2006328362A
Authority: JP
Inventors: 朗弘飯野; 鈴木　　誠
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-12-05
Filing date: 2006-12-05
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: US7990020B2; JP2008141932A; US20080169726A1

Description

本発明は、弾性体の超音波振動を駆動源とした超音波モータに係わり、特にカテーテル等の小型な電子機器に搭載可能な超音波モータに関する。

弾性体の超音波振動を駆動源とした超音波モータは、電磁型のモータにはない様々な優れた特徴を生かして、カメラのオートフォーカス機構の駆動源をはじめとした電子機器の他、電磁場環境下に曝される医療機器等様々な分野での採用が進んでいる。また、小型化が容易であり形状の自由度が高いことから新しいタイプの超音波モータの研究開発も盛んに行われている。

この新しいタイプの超音波モータの中でも、コイル状のステータに音響動波路を通じて超音波振動を伝送し、ステータに近接して配置した移動体を駆動するタイプの超音波モータ（特許文献1）は、小径化が可能であるとともに離れた場所からのエネルギ供給が可能なことから、人体内における血管等の極めて細い個所に挿入可能なカテーテル等への応用が期待されている。
WO2005/114824号公報

しかしながら、コイル状のステータに音響動波路を通じて超音波振動を伝送し、ステータに近接して配置した移動体を駆動するタイプの超音波モータは、音響動波路から伝送された超音波振動が以下の理由により減衰してしまったり、反射波の影響を受けるため移動体を効率良く駆動することが出来なかった。

1）音響動波路となるワイヤーが他の部材と接触することにより振動が減衰する。

2）音響動波路を通じて伝送された振動がステータ（コイル状）との境界で反射してしまう。

3）ステータまで伝送された振動がステータの端部で反射され、ステータに伝送される振動と混在してしまう。

また、駆動中にステータを構成するコイルの形状が変化してしまい超音波モータの出力が安定化しなかった。

本発明の目的は、構造が簡単でありながらも高出力で、信頼性に富んだ超音波モータを得ることにある。

そこで、上記課題を解決する為に本発明の超音波モータは、一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、ステータと接する移動体と、移動体の回転を案内する案内部材と、ワイヤーの周囲を覆う弾性部材と、を有する構造とする。

これによれば、ワイヤーが他の部材と接触してもステータに伝送される振動の減衰を抑えることが出来るため、使用状態によらず超音波モータの出力は安定する。

また、一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、ステータと接する移動体と、移動体の回転を案内する案内部材と、案内部材に設けられワイヤーの一部を固定する固定部と、を有する構造とする。

これによれば、駆動中にステータを構成するコイルの形状が安定に保たれるため超音波モータの出力は安定する。

また、一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、ステータと接する移動体と、移動体の回転を案内する案内部材と、ステータの端部に設けられた吸振部材と、を有する構造としても良い。

これによれば、ステータに伝送された振動がステータの端部で反射されることを防止できるから、超音波モータの効率は向上する。

上記発明において、吸振部材は移動規制部材としても良い。これによれば部品点数の削減が可能となり、より小型な超音波モータが実現できる。

また、一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、ステータと接する移動体と、移動体の回転を案内する案内部材と、ステータを構成するコイルの形状とは異なる形状からなりステータに連続して設けられた第二のコイル部と、を有する構造としても良い。

また上記発明において、第二のコイル部の外径はステータの外径よりも小さくしても良い。そして第二のコイル部の外径はステータに近いほど大きくしても良い。

また上記発明において、第二のコイル部のコイルピッチはステータのコイルピッチよりも大きくしても良い。そして第二のコイル部のコイルピッチはステータに近いほど小さくしても良い。

上記発明において、第二のコイル部をステータと振動発生装置の間に設ければ、振動発生装置から伝送される振動をステータの端部で減衰させずにスムーズにステータに伝えることが可能となる。また、第二のコイル部をステータの端面（振動発生装置とは反対側）に設ければ、振動発生装置からステータに伝送された振動は第二のコイル部で減衰させることができるからステータの端部での反射を防止することが出来る。

本発明によれば、極めて小型で高出力な超音波モータを簡単な構造で得ることができるとともに超音波モータの性能安定性を向上させることが出来る。これらにより、極めて小型で高い信頼性を要求される電子機器への応用が可能になる。

以下、図面を基にして本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ），（ｂ）を基にして本発明の実施の形態１の超音波モータ１００の構造、駆動原理について説明する。本発明の超音波モータ１００は、コイル形状のステータ１ａを一端に備えたワイヤー１と、ワイヤー1の他端に設けられた振動源となる振動発生装置6と、ステータ１ａの外周に配置された略円筒形状の移動体２と、移動体２の回転を案内する案内部材4と、案内部材４の端部に設けられた移動規制部材５と、移動体2の回転出力を取り出す出力部材３と、から構成されている。

振動発生装置６からワイヤー1に振動波が入力されると、振動波はコイル形状のステータ１ａに伝送される。振動波の伝達によってステータ１ａの表面は楕円運動する。楕円運動の方向は振動波の進行方向と逆方向であるため、この方向に移動体２は回転する。移動体２の外周には周方向全周に渡って突起２ａが設けられており、案内部材４の内周で回転可能に案内されている。移動体２の先端には出力部材３が固定され移動体２と一体的に回転する。移動体２の回転中心軸方向の移動は案内部材４の一端に設けられた規制部４ａと案内部材４の他端に固定された移動規制部材５の凸部５ａによって行われる。

ステータ１ａの表面に楕円運動を発生することが可能であれば振動発生装置６の形態に制限を与えるものではないが、大出力が出力可能なランジュバン型振動子により励振される縦振動を用いるのが良い。

図1（ｂ）はランジュバン型振動子２００を振動発生装置６として用いた際の配置方法を示した図である。ランジュバン型振動子２００（ホーン２０ａ）の先端にワイヤー１を溶接等により固定し、ワイヤー1の長手方向、すなわちステータ１ａの方向に縦振動を伝達する構造としている。ランジュバン型振動子２００は二枚の円板型圧電素子２１、２２を挟んで配置されたジュラルミン等の金属製の振動体２０を構成する円筒ブロック２０ｂ、２０ｃと円筒ブロック２０ｂに図示しないボルトあるいは溶接等により固定されたホーン２０ａとで構成されている。ホーン２０ａは先端（ワイヤー１との接合部）が細くなっており、振動を拡大する役割を果たしている。圧電素子２１、２２は円筒ブロック２０ｂ、２０ｃの間に配置され、円筒ブロック２０ｂ、２０ｃを図示しないボルトで締結することにより圧縮力が掛かった状態で固定されている。圧電素子２１、２２の表裏には図示しない電極が全面に設けられており、この電極とはリード線２３、２４、２５により外部と導通がとられている。圧電素子２１、２２の分極は厚み方向になされており、分極方向が互いに逆になるように配置される。リード線２３を接地し、リード線２４、２５にランジュバン型振動子２００の共振周波数の交流信号を印加することにより振動体２０には縦振動が励振される。ワイヤー1を伝播する縦振動はステータ１ａに入射されるとステータ１ａ（コイル）を構成するワイヤーのカーブの存在により屈曲振動波を引き起こし、これが楕円運動を発生させる。この様にワイヤー１に縦振動を伝達することによりワイヤー１が他の部材と接触した際に振動は減衰しにくくワイヤーが長くなっても振動発生装置６からステータ１ａまで効率良く振動波を伝達できる。

本発明の超音波モータ１００ではワイヤー1の表面をシリコンゴム、ウレタン樹脂等ワイヤー１に比較して極めて弾性率の小さな弾性部材７で覆う構造としている。これによれば、超音波モータ１００の駆動中にワイヤー1が他の部材と接触してもステータ２に伝送される振動の減衰を抑えることが出来るため、使用状態によらず超音波モータ１００の出力は安定する。

また、ワイヤー１の一部（ステータ２との境界付近）を案内部材４に設けられた固定部５ｂで固定している。固定部５ｂはワイヤー１を通す孔であり、この孔にシリコンゴム、ウレタン樹脂系の接着剤８や、シリコンゴム等の弾性部材を充填することによりワイヤー１を固定する。この様な構造を採ることにより振動を減衰させることなくワイヤー1を固定することが出来る。これによればステータ１ａの先端が出力部材３に接触することも無く、駆動中にステータ１ａを構成するコイルの形状が安定に保たれるため超音波モータの出力は安定する。ところで、移動規制部材５がプラスチックや金属の場合にはこの様な構造が必要となるが、移動規制部材５自体をシリコンゴムやウレタン樹脂等の弾性部材で構成した場合には接着剤８は不要であり、移動規制部材５自体でワイヤー１を圧着固定すればよい。

また、ステータ１ａの端部から伸びたワイヤー１ｂを振動発生装置６側に折り曲げ、移動規制部材５に挿入固定する構造を採っている。移動規制部材５をシリコンゴムやウレタン樹脂等の弾性部材で構成するが、硬いプラスチックや金属で構成した場合にはワイヤー１ｂと移動規制部材５の間にシリコンゴム系等の硬度の低い接着剤を充填する。これによれば、ステータ２に伝送された振動がステータ１の端部で反射されることを防止できるから、超音波モータの効率は向上する。また、移動規制部材５自体を吸振部材とすることで部品点数の削減が可能となり、より小型な超音波モータが実現できる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態について図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。尚、ここでは超音波モータの基本構成は実施の形態１に示したものと同じであるから説明を省略し、ワイヤー１と移動体２の構成についてのみ説明する。

コイル形状のステータ１ａは移動体２の内径部に収められている。ステータ１ａと移動体２の内径部は圧接しており、ステータ１ａに発生する振動波によって移動体２は摩擦駆動する。

図２（ａ）において、ステ−タ１ａと連続してステータ１ａとはコイルのピッチが異なる第二のコイル部１ｃがステータ１ａよりも図示しない振動発生装置６の側に設けられている。

ステータ１ａのコイルのピッチＰ1に比較して、第二のコイル部１ｃのピッチＰ2を大きくしている。このように構成することで、振動発生装置６から伝送される振動波をステータ１の端部で減衰させずにスムーズにステータ１に伝えることが可能となる。また図２（ｂ）に示したように第二のコイル部１ｃに変えてピッチをＰ３、Ｐ４（何れもピッチＰ１よりも大きい）と徐々に大きくした第二のコイル部１ｄを設けた方がよりこの効果は大きい。

尚、ここでは移動体２の内径部にステータ１ａが収まる形態について説明したが、ステータ１ａの内径部に移動体２が収められる形態の超音波モータに対しても同様に本実施の形態が適用可能である。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３について図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。尚、ここでは超音波モータの基本構成は実施の形態１、２に示したものと同じであるから説明を省略し、ワイヤー１と移動体２の構成についてのみ説明する。

図３（ａ）において、ステ−タ１ａと連続してステータ１ａに比較して外径が徐々に小さくなる第二のコイル部１ｅがステータ１ａよりも図示しない振動発生装置６の側に設けられている。

このように構成することで、振動発生装置６から伝送される振動波をステータ１ａの端部で減衰させずにスムーズにステータ１ａに伝えることが可能となる。第二のコイル部１ｅに代わってステータ１ａよりも外形が小さく外径が一定な第二のコイル部を設けても良い。

また、第二のコイル部１ｆをステータの振動発生装置６とは反対側の端面に設ければ、振動発生装置６からステータ１ａに伝送された振動波は第二のコイル部１ｆで減衰させることができるからステータの端部での振動波の反射を防止することが出来る。第二のコイル部１ｆは図３（ｂ）に示した様に徐々に外径を小さくした構造であるが、ステータ１ａの外形よりも小さい外径を全体に有する第二のコイル部としても良いし、ステータ１ａのピッチよりも大きなピッチを有する第二のコイル部（全体が同一のピッチのコイル部であっても、徐々にピッチが大きくなるコイル部であっても構わない）としても良い。
（実施の形態４）
次に本発明の超音波モータを用いた電子機器であるカテーテルの代表として超音波内視鏡３００について図４を基に説明する。図４はカテーテルの断面を示した図である。カテーテル３００はステータ１ａとその外周部に配置された移動体１１と、移動体１１の回転を案内する案内部材１８と、案内部材１８並びにステータ１ａの内側に配置された振動子を固定するとともに、移動体１１の回転軸方向の移動を規制する移動規制部材１９と、振動子１４に外部から電気信号を入力するとともに振動子１４から出力される電気信号を得るためのリード線１５と、移動体１１の先端に固定された反射鏡１６と、移動規制部材１９の孔に充填されワイヤー１を固定する接着剤１２と、ステータ１ａの端部に固定されたシリコンゴムからなる吸音材１３と、これらの部品全体を覆うカバー１７から構成されている。

圧電素子で構成される振動子１４から超音波が放射される（矢印Ｒ１）と反射鏡１６で反射され、矢印Ｒ2の方向に変えられて放射され血管の内壁に当たる。更に内壁で反射された超音波（Ｒ3）はミラーに再び入射、反射された後、振動子１４に入射される（Ｒ４）。この動作を移動体１１に固定されている反射鏡１６を回転させながら行い、振動子１４の出力信号を解析することにより血管内壁全周の情報を得ることが出来る。ケース１７の中は血管内の音響インピーダンスと近い液体が充填されているが、このような環境下であっても本発明の超音波モータは安定に動作する。

また、本発明の超音波モータは、ステータへのエネルギをリード線による電力の供給によるのではなく、超音波振動をワイヤーを通して行う方法を採っている。従って、振動源を体外に設ければ電力による温度上昇による体内への影響もなく、また体内に電流が流れるという心配は勿論ないため安心して体内で使用することが出来る。

ここでは、上記実施の形態に示した超音波モータの中でもステータ１ａの端部に吸音材１３を設けた例を示したが、他の実施の形態の超音波モータの構造を適用しても構わない。

本発明の超音波モータはステータへのエネルギの供給を電力ではなく超音波振動そのものを入力することで行うとともに、離れた場所からのエネルギ供給が可能であるから、人体の血管等に挿入されるカテーテル等へも適用可能である。また構造が簡単で小型化が容易であることから他の小型な電子機器の駆動源に適用可能である。

本発明の実施の形態１の超音波モータの構成を示す図である。本発明の実施の形態２の超音波モータにおける移動体とステータの関係を示す図である。本発明の実施の形態３の超音波モータにおける移動体とステータの関係を示す図である。本発明の実施の形態４の超音波モータを用いたカテーテルの構造を示す図である。

符号の説明

１ワイヤー
１ａステータ
２移動体
４案内部材
５移動規制部材
６振動発生装置
７弾性部材

Claims

一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、
前記ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、
前記ステータの内周で接する移動体と、
前記移動体の外周と接し回転を案内する案内部材と、
前記案内部材の一端からその径方向内側に突出する規制部と、
前記移動体の先端に設けられ前記規制部によって構成された中心穴から突出する出力部材と、
を有することを特徴とする超音波モータ。
一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、
前記ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、
前記ステータの内周で接する移動体と、
前記移動体の外周と接し回転を案内する案内部材と、
前記案内部材に設けられ前記ワイヤーの一部を固定するとともに前記ステータの端部から延び前記振動発生装置の側に折り曲げられ前記ステータの内側を通したワイヤーを固定する固定部と、
を有することを特徴とする超音波モータ。
一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、
前記ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、
前記ステータの内周で接する移動体と、
前記移動体の外周と接し回転を案内する案内部材と、
前記ステータの端部から延び前記振動発生装置の側に折り曲げられ前記ステータの内側を通したワイヤーの端部に設けられた吸振部材と、
を有することを特徴とする超音波モータ。
前記吸振部材は前記案内部材であることを特徴とする請求項３記載の超音波モータ。
一端にコイル状のステータを備えたワイヤーと、
前記ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、
前記ステータと接する移動体と、
前記移動体の回転を案内する案内部材と、
前記ステータを構成するコイルの形状とは異なる形状からなり前記ステータに連続して設けられた第二のコイル部と、
を有することを特徴とする超音波モータ。
前記第二のコイル部の外径は前記ステータの外径よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
前記第二のコイル部のコイルピッチは前記ステータのコイルピッチよりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
前記第二のコイル部の外径は前記ステータに近いほど大きいことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
前記第二のコイル部のコイルピッチは前記ステータに近いほど小さいことを特徴とする請求項５に記載の超音波モータ。
前記第二のコイル部は前記ステータと前記振動発生装置の間に設けられていることを特徴とする請求項５乃至９の何れか一つに記載の超音波モータ。
請求項１乃至１０の何れか一つに記載の超音波モータを備えた電子機器。