JPS63136111A - 小型アクチユエ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば内視鏡の先端レンズを移動調整して焦
点合わせを行なうためのアクチュエータ等として好適な
小型アクチュエータに関する。

〔従来の技術〕

従来の小型アクチュエータとして、電磁作用を利用した
電磁型アクチュエータや圧電作用を利用した圧電型アク
チュエータ（超音波モータを含む）が知られている。

電磁型アクチュエータは、■変位ストロークが大きいと
いう利点を有するほか、■高速回転が可能である、■低
電圧駆動が可能である、■ＤＣ電圧直接駆動が可能であ
る、等の特徴を有している。

しかし反面において、（１）位置決め精度が悪い、（２
）超小型化が困難である、（３）低速・大トルクを得る
ためにはギヤを必要とする、（４）バックラッシュが大
きい、（５）構造が複雑で信頼性に欠ける、（６）磁気
的影響の授受がある、といった欠点がある。

圧電型アクチュエータは、■位置決め精度が高く、■超
小型化が可能であるという利点を有するほか、■ギヤな
しで大トルクを得ることができる、■バックラッシュが
小さい、■構造が簡単で信頼性が高い、■磁気的影響の
授受がない、■中心軸なしで回動可能である、等の特徴
を何している。

しかし反面において、（］）変位ストロークが小さい、
（２）高速回転が行なえない、（３）高電正駆動である
、等の欠点かある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、従来の電磁型アクチュエータおよび圧電
型アクチュエータには一長一短があり、例えば内視鏡用
アクチュエータ等として用いる場合には種々不具合を来
たす。すなわち、内視鏡の先端レンズを移動させて焦点
合わせを行なうような場合には、直進ストローク１〜１
０ｕ５位置決め精度０．１Ｈ程度の変位を、１ｃ１１３
程度の狭小な空間内で行なう必要がある。このため、ア
クチュエータとしては、５ｍｌ！！φ程度以下の直径と
、１５Ｉｌｕ１程度以下の長さををするものであること
が先ず要求される。特に超音波内視鏡のように各種の機
能が付加されるものにおいては、さらに小型であること
が要求される。そして内視鏡用アクチュエータとしては
、上記のように超小型であることに加えて、比較的大き
な変位ストロークと高精度な位置決め精度を有するもの
であることが同時に要求される。

しかるに従来の電磁型アクチュエータは、変位ストロー
クは大きいので、この点では満足できるが、超小型化が
困難である上、位置決め精度が悪い。このため内視鏡用
アクチュエータとしては不適当である。なお超小型であ
ることさえ要求されなければ、従来の電磁型リニアモー
タを利用することによって、内視鏡用アクチュエータを
実現可能である。しかし内視鏡用アクチュエータは、狭
小スペース内へ設置可能であることが必要条件であるの
で適用不可である。

また従来の圧電型アクチュエータは、超小型化が可能で
、位置決め精度も高いので、これらの点では満足できる
が、変位ストロークが小さいという難点がある。なおバ
イモルフ構造または積層構造の圧電素子を使用すれば、
比較的大きな変位ストロークが得られるが、このような
構造の圧電素子を用いると、アクチュエータ全体が大型
化してしまい、結局内視鏡用アクチュエータとしては適
用不可となる。また変位量を大きくとれる圧電型アクチ
ュエータとして、第７図に示すインチワームと称される
圧電型アクチュエータがある。

第７図において、ＩＡ、ＩＢは第１の圧電素子、２Ａ、
２Ｂは第２の圧電素子、３Ａ、３Ｂは第３の圧電素子、
４Ａ、４Ｂおよび５Ａ、５Ｂは各圧電素子間を結合して
いる金属ブロック、６は移動子としてのシャフトである
。この第７図に示す圧電型アクチュエータは、第１〜第
３の圧電素子を次表のような順序にてシーケンシャルに
作動させることにより、シャフト６を移動させ得る。

しかるに第７図に示す圧電型アクチュエータは構造が複
雑であり、しかも大きな設置スペースを必要とするので
、やはり内視鏡用アクチュエータとしては適さない。

かくして内視鏡用アクチュエータとして好適なアクチュ
エータは、現在のところ実現されていない。

そこで本発明は、超小型化が可能で、変位ストロークが
大きく、しかも位置決め精度が高く、内視鏡用アクチュ
エータ等として極めて好適な小型アクチュエータを提供
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記問題点を解決し目的を達成するために、次
のような手段を講じた。すなわち、少なくとも一端部に
磁極を備えた移動子を、ガイドに沿って移動可能に設け
、この移動子の磁極に対して吸引・反発力を及ぼす如く
磁石を配設する。そして、圧電素子により、上記磁石と
の吸引・反発力によって移動する前記移動子と静止部材
との間の摩擦力を制御することにより、前記移動子の移
動位置制御を行なうようにした。

〔作用〕

このような手段をＪｌｌじたことにより、次のような作
用を呈する。磁石による吸引・反発力を利用して移動子
を変位させるようにしたので、大きな変位ストロークを
確保できると共に、圧電素子により位置決め制御を行な
うようにしので、高精度な位置決めを行なえる。そして
磁石による変位機構は単に変位力を付与する機能を有し
ておればよく、位置決め制御機能は必要ないので、アク
チュエータ全体が著しく小型なものとなる。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す図で、本発明
の基本的構成を示す図である。１０Ａ。

１０Ｂは平行に配設された一対の直線状ガイドであり、
このガイドＩＯＡ、ＩＯＢに沿って永久磁石からなる移
動子１１が移動可能に設けられている。１２は電磁石で
あり、前記移動子１１の磁極に対して吸引・反発力を及
ぼす如く配設されている。１３は前記ガイドＩＯＡと移
動子１１との間に介在させた圧電素子であり、その屈曲
変形度の変化により、移動子１１と静止部材であるガイ
ド１０Ａとの間の摩擦力を制御し、移動子１１の移動位
置制御を行なうものとなっている。

したがって今、端子Ｔ２には電圧を印加しないか又は圧
電素子１３の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を
印加することにより、圧電素子１３の屈曲変形度を最小
にし、前記摩擦力を極小にした状態において、端子Ｔ１
に所定極性の直流電圧を印加して電磁石１２の励磁を行
なうと、この電磁石１２から発生した磁力が移動子１１
の磁極に対して作用し、移動子１１は矢印で示す方向に
吸引または反発されて移動する。例えば電磁石１２が図
示極性となるように励磁されると、移動子１１は反発力
により図中左方向へ移動する。そして移動子１１が所定
位置に達したところで端子Ｔ２に直流電圧を印加するか
又は前記交流電圧の印加を断てば、圧電素子１３の屈曲
変形度が増大し、移動子１１とガイドＩＯＡとの間の摩
擦力が増大する。したがって移動子１１はその位置で正
確に停止する。つまり位置決め制御がなされる。

なお圧電素子１３に対する直流電圧の印加を断つか、前
記交流電圧を印加すれば、前記摩擦力は再び極小となり
、移動子１１はフリーな状態となって再度移動を開始す
る。電磁石１２に印加する電圧の極性を逆にすれば、移
動子１１は上記とは反対方向へ移動することになる。な
お、移動子１１の駆動方法としては次のような三つの方
法が考えられる。

第１の駆動方法は、電磁石１２に所定極性の電流を流し
て移動子１１を所定方向へ移動させ、移動子１１が所定
位置に達したとき、圧電素子１３に直流電圧を印加して
停止させる方法である。この場合、圧電素子１３への電
圧印加と同時に電磁石１２への通電を断つようにしても
よいし、圧電素子１３による前記摩擦力が電磁石１２に
よる変位力に対して十分大きい場合には、電磁石１２へ
の通電は継続したまま圧電素子１３へ直流電圧を印加し
てもよい。後者のようにした場合には、移動開始レスポ
ンス時間か短縮される利点がある。

第２の駆動方法は、次に示すような過程のサイクルを、
複数サイクル繰返すことにより総移動量を決定する方法
である。

１）時刻ｔ１において電磁石１２に電流Ｉｍを流しはじ
める。

２）時刻ｔ２において上記電流Ｉｎを零にする。

３）時刻ｔ３において圧電素子１３に直流電圧Ｖｐを印
加する。

４）時刻ｔ４おいて上記電圧Ｖｐを零にする。

この駆動方法においては、電磁石１２および圧型素子１
３への駆動パルスを同じ発振器によってつくり出すこと
が可能となる。なお上記駆動パルスのパルス幅および周
期を小刻み１こすればするほど位置決め精度は高まる。

また圧電素子１３の静電容量と電磁石１２の巻線インダ
クタンスとにより、共振系を構成することができるので
、アクチュエータとしての効率を向」ニさせ得る利点が
ある。

第３の駆動方法は、圧電素子１３として電圧を印加しな
い状態で屈曲変形度が大きく、大きな摩擦力を生じる素
子を用い、電磁石１２には移動方向を決めるための正ま
たは負の電流を常時流しておく。そして移動子１１を移
動させる場合には、圧電素子１３に交流電圧を印加して
振動させ、前記摩擦力を減少させて移動子１１を移動さ
せる。

また移動子１１を停止させる場合には、前記交流電圧の
印加を停止して圧電素子１３の振動を停止させ、前記摩
擦力を増大させて移動子１１の移動を停止させる方法で
ある。なおこの方法を採用する場合には、圧電素子１３
の長さを移動子１１の長さより短いものとし、かつ上記
圧電素子１３を移動子１１と一体的に設けるようにする
と好都合である。

第２図〜第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第１図に示した
基本的構成を発展させ、かつ具体化した第２〜第６の実
施例を示す図である。

第２図は第２実施例を示す図で、２０は上面を円滑化し
た固定ガイドであり、両端に固定ねじ挿通用の孔２０ａ
、、２０ｂを有している。２１は両端に磁極を有した棒
状の永久磁石からなる移動子であり、固定ガイド２０の
」二面を円滑に摺動可能な如く設けられている。２２は
電磁石であり、巻線を施した強磁性体からなる励磁部２
２ａと、この励磁部２２ａに磁気的に結合され、先端部
が前記移動子２１の両磁極に対して同軸上でそれぞれ対
向するように配設された磁極部２２ｂ、２２ｃとからな
っている。２３はユニモルフ構造の圧電素子であり、り
ん青銅、ベリリアン銅、なとの弾性を有する金属板２３
ａの一側面に、ＰＺＴなどの圧電セラミクス２３ｂを接
合したものである。

この圧電素子２３は金属板２３ａの両端部を静１］ニ部
材の一つである前記電磁石２２の磁極部２２ｂ。

２２（、の−側面上に載置固定し、かつ屈曲変位時にお
いて金属板２３ａの下側面が前記移動子２１の上側面に
圧接するものとなっている。上記圧電素子２３は固定ガ
イド２０等、他の静止部材に固定するようにしてもよい
のは勿論である。なお図示はしてないか、圧電素子２３
の屈曲変位時において移動子２１と金属板２３ａとの間
に大きな停止力（押圧力×摩擦係数）が得られるように
、移動子２１およびまたは金属板２３ａの接触面に摩擦
材を彼Ｉｆすることか好ましい。このようにすれば、停
止力の増大により一層高精度な位置決めが可能となる。

また電磁石２２としては、所要の磁力を発生可能ならば
、巻線を磁極部２２ｂ。

２２（に施すようにしてもよい。」二記以外は前記第１
実施例と同様であるので、説明は省略する。

第３図は第３実施例を示す図である。この実施例は例え
ば内視鏡等への適用例であり、構成部品を全て円筒型に
形成した例である。３０はガイドとしての外筒てあり、
この外筒３０の内部には、レンズ３１ａを一端に装着し
た移動子としての鏡筒３１が、軸方向へ摺動可能に挿入
されている。

この鏡筒３１の他端には、図示の如く図中上下に磁極Ｎ
、Ｓが存在するように永久磁石３１ｂが取付けである。

３２は円筒状電磁石であり、外筒３０内に前記鏡筒３１
と同心的に配置されている。

この電磁石３２は、短円筒状のコアの１８０°異なる位
置に一対の切り欠き部を設け、この切り欠き部を利用し
て一対の巻線を施し、上記コアの一端側に突出した部分
を前記鏡筒側の磁極Ｎ、Ｓに対向する磁極としたもので
ある。なお鏡筒３１の他端部に取付けた永久磁石３１ｂ
としては、一端面にＮまたはＳ磁極を有する構造のもの
とし、これに対応するように、上記電磁石３２としては
、円筒状コアの外周に巻線を施し上記永久磁石３１ｂの
磁極に対向する一端面にＮ磁極またはＳ磁極が形成され
るように構成してもよい。なおいずれの場合においても
鏡筒３１が移動時において回転しないようにガイドする
機構を設ける必要がある。３３は円筒状圧電素子であり
、前記鏡筒３１の外周に同軸的に嵌め込まれ、かつ外周
面を前記外筒３０の内周面に固定されている。この圧電
素子３３は円筒状セラミクスの内外両層面に電極を設け
、円筒状セラミクス部分に上記電極方向への分極処理を
施したものとなっている。

上記構成の第３実施例においては、鏡筒３１を移動させ
る場合には、電磁石３２の励磁を行なうと共に、圧電素
子３３に交流電圧を印加して超音波振動を発生させ、鏡
筒３１との摩擦力を低減させて移動させるようにする。

上記以外は前記第１実施例と同様であるので、説明は省
略する。

第４図は第４実施例を示す図である。この実施例が前記
第３実施例と異なる点は、鏡筒４１の両側に一対の電磁
石４２Ａ、４２Ｂを対向配置した点である。本実施例に
よれば、第３実施例に比べて全長が若干長くなるが、鏡
筒４１の移動位置が変化しても、電磁石４２Ａ、４２Ｂ
による鏡筒４１に対する吸引・反発力がほぼ一定化する
利点がある。すなわち、第３実施例のように一方の側に
のみ電磁石３２を配置した構成では、鏡筒３１の位置に
よって吸引・反発力が異なるものとなる。

したがって上記吸引Φ反発力を一定化するためには、電
磁石３２に対する励磁電流や圧電素子３３に対する印加
電圧を鏡筒移動位置に応じて変化させねばならないが、
本実施例ではそのような不都合がなくなる。なお第４図
中、４０は外筒、４１ａはレンズ、４３は圧電素子であ
る。

第５図は第５実施例を示す図である。この実施例が前記
第４実施例と異なる点は、圧電素子５３を鏡筒５１の中
央部分に一体化して設け、圧電素子５３が移動子である
鏡筒５１と共に移動するようにした点である。本実施例
によれば、圧電素子５３が鏡筒５１と一体化されている
ため、外筒５０と鏡筒５１と圧電素子５３との間の寸法
精度が得易く、しかも鏡筒５１を外筒５０に対して挿入
操作し易いものとなる。したがって製作および組立て作
業が簡略化される利点がある。なお５１ａはレンズ、５
２Ａ、５２Ｂは一対の電磁石である。

第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は第６実施例を示す図である
。この実施例が前記第４実施例と異なる点は、外筒６０
の内面の圧電素子６３と接触する部位に、例えば同図（
ｂ）に示すように抵抗膜６４を外筒軸方向に沿って設け
、この抵抗膜６４」二を鏡筒６１に取付けた導電性接触
片６５が、鏡筒６１の移動に伴って摺動するようにし、
そのときの抵抗値の変化から鏡筒６１の移動位置を検出
するようにした点である。したがって本実施例によれば
、鏡筒６１の移動位置が検出されるため、この検出信号
を駆動系へフィードバックすることにより、鏡筒６１の
フィードバック位置制御を行なえる利点がある。その結
果、極めて精度のよい位置決めを行なえる。なお同図（
Ｃ）のように前記抵抗膜６４の代わりに凹凸面６６を設
け、前記導電性接触片６５の代わりに圧電素子からなる
検出針６７を設けることにより、凹凸面６６上を摺動す
る検出針６７の振動（撓み）動作によって発生する電気
信号から、位置検出を行なうように構成してもよい。な
お６１ａはレンズ、６２Ａ。

６２Ｂは一対の電磁石である。

なお本発明は上述した各実施例に限定されるものではな
い。例えば前記実施例では、移動子として永久磁石を備
えたものを用い、固定磁石として電磁石を用いた例を示
したが、上記とは逆に移動子として電磁石を備えたもの
を用い、固定磁石として永久磁石を用いるようにしても
よい。また前記実施例ではガイドとして直線状のものを
用いた例を示したが、曲線状のものであってもよい。こ
のほか本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可
能であるのは勿論である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、少なくとも一端部に磁極を備えた移動
子を、ガイドに沿って移動可能に設け、この移動子の磁
極に対して吸引・反発力を及ぼす如く磁石を配設し、圧
電素子により、上記磁石との吸引・反発力によって移動
する前記移動子と静止部材との間の摩擦力を制御するこ
とにより、前記移動子の移動位置制御を行なうようにし
ｊユので、超小型化が可能で、変位ストロークが大きく
、しかも位置決め精度の高い、内視鏡用アクチュエ−夕
等として好適な小型アクチュエータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の構成を示す図、第２図は
本発明の第２実施例の構成を示す図、第３図は本発明の
第３実施例の構成を示す図、第４図は本発明の第４実施
例の構成を示す図、第５図は本発明の第５実施例の構成
を示す図、第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の第６実
施例の構成を示す図である。第７図は従来例を示す図で
ある。 １０Ａ、ＩＯＢ、２０・・・ガイド、１１．２１・・・
。 移動子（永久磁石）、１２．２２・・・電磁石、１３゜
２３・・・圧電素子、３０，４０，５０．６０・・・外
筒、３１．４１，５１．６１・・・鏡筒、３２，４２゜
５２．６２・・円筒状電磁石、３３．４３．５３゜６３
・・・円筒状圧電素子、６４・・・抵抗膜、６５・・・
導電性接触片、６６・・・凹凸面、６７・・・圧電素子
からなる検出針。 出願人代理人　弁理士　坪井　淳 王１ 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ガイドと、このガイドに沿って移動可能に設けられ少な
   くとも一端部に磁極を備えた移動子と、この移動子の磁
   極に対して吸引・反発力を及ぼす如く設けられた磁石と
   、この磁石との吸引・反発力によって移動する前記移動
   子と静止部材との間の摩擦力を制御することにより前記
   移動子の移動位置制御を行なう圧電素子とを具備したこ
   とを特徴とする小型アクチュエータ。