WO2008050629A1 - Moteur à ultrasons et dispositif électronique l'utilisant - Google Patents

Description

明 細 書

超音波モータ及びこれを用レ、た電子機器

技術分野

[0001] 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 一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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 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揷入可能なカテ 一テル等への応用が期待されてレ、る。

特許文献 l :WO2005/114824号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 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、移動体をステ ータに近接配置したのみであるから移動体とステータの間の摩擦力が小ぐ得られる トルクも小さなものとなってしまった。また、移動体とステータの接触点の位置が移動 体の回転中に変動してしまい回転数や出力トルクの変動を生じてしまった。また、ス テータに微小な変形が生じて!/、るだけでもステータ（コイル）の特定位置とだけ移動 体が接触してしまい移動体の回転特性（回転数、トルク）は低下してしまう恐れがあつ た。これは、ステータ（コイル）の特定位置のみを考えた場合、振動により生じる楕円 運動の大きさや方向が時間によって変化することに起因するものである。

[0005] 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。

課題を解決するための手段

[0006] 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 の外径よりも小さい内径を有する移動体と、を有し、ステータは径方向に小さくなるよ うに弾性変形した状態で移動体の内径部に係着させる。

[0007] これによれば、移動体とステータの間には圧接力が働くから超音波モータの出力ト ノレクは大さくなる。

[0008] ここで移動体の端部にはステータの外周の径よりも大きい径を有するテーパ部を設 ける。これにより移動体にステータを組み込み易くなる。

[0009] 本発明の超音波モータの別の構成としては、一端にコイル状のステータを備えたヮ ィヤーと、ワイヤーの他端に設けられた振動発生装置と、ステータの内径よりも大きい 外径を有する移動体と、を有し、ステータは径が大きくなるように弾性変形した状態で 移動体の外径部に係着させる。

[0010] これによれば、移動体とステータの間には圧接力が働くから超音波モータの出力ト ノレクは大さくなる。

[0011] ここで、移動体の端部にはステータの内周の径よりも小さい径を有するテーパ部を 設ける。これによりステータに移動体を組み込み易くなる。

[0012] そして、振動発生装置はワイヤーの他端から前記ステータの方向に向けて縦振動 を与える振動発生装置とする。これによれば大きな振動エネルギをステータに入力で きるから超音波モータの出力は大きくなる。

[0013] 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、ステータに接する移動体と、を有し、ステータのコイルの一周あたり の長さはステータに発生する振動波の波長の倍数に等しくする。そして、移動体には ステータと接触する凸部を設ける。そして、この凸部の数はステータのコイルを形成 するワイヤ一一周内に生じる振動波の波数に等しくする。 [0014] これによれば、ステータと移動体の接触は安定するため超音波モータの出力は向 上するとともに、超音波モータ個々のばらつきを小さく出来る。

[0015] そして、これらの超音波モータを組立てる方法としては、移動体の回転中心軸とス テータをなすコイルの中心軸との角度を傾かせる第一の工程と、第一の工程に続い て移動体の先端内周部にステータを揷入する第二の工程と、第三の工程に続いて 移動体の回転中心軸とコイルの中心軸とを合わせる第三の工程と、第三の工程に続 いてステータ全体を移動体の内周部に収める第四の工程と、を有する超音波モータ の組み立て方法とする。

[0016] もしくは、移動体の回転中心軸線とステータをなすコイルの中心軸線との角度を傾 かせて移動体とステータを配置する第一の工程と、第一の工程に続!/、て移動体の先 端をステータの内周部に揷入する第二の工程と、第三の工程に続いて移動体の回 転中心軸とコイルの中心軸とを合わせる第三の工程と、第三の工程に続いて移動体 をステータ内に収める第四の工程と、を有する超音波モータの組み立て方法とする。

[0017] 更には移動体を回転させながらステータの内周部もしくは外周部に係着する超音 波モータの組み立て方法とする。

[0018] これらによれば、ステータと移動体の係着が容易にできるため、超音波モータの小 型化並びにコストの低下が実現できる。

[0019] そして、これらの超音波モータを備えたカテーテルとする。

[0020] これによれば、人体への影響が小さなカテーテルを実現することが出来る。

[0021] 以上に示したように本発明によれば、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個々の性能ばらつきを小さくすること 力 Sできる。また、様々な使用環境において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。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]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。

[図 2]本発明の実施の形態 1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。 [図 3]本発明の実施の形態 2の超音波モータの構成を示す図である。

[図 4]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。

[図 5]本発明の実施の形態 2の移動体の構成を示す図である。

[図 6]本発明の実施の形態 3の超音波モータの組み立て方法を示す図である。

[図 7]本発明の実施の形態 3の超音波モータの別な組み立て方法を示す図である。

[図 8]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。

発明を実施するための最良の形態

[0023] 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。

[0024] (第 1実施形態）

図 1、 2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 la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 la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、力 構成されている。

[0025] 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 laに伝送される。振動波の伝達によってステータ la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 fiわれる。

[0026] ステータ la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レ、。 [0027] 図 1 (b)はランジュバン型振動子 300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 300 (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 la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 300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 20 b、 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）が細くなつてお 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 300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 l aに入射されるとステータ la (コィ ノレ)を構成するワイヤーのカーブの存在により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《ワイヤーが長くなつても振動発生装置 6からステータ laまで効率良く振動波を伝達できる。因みに屈曲振動をワイヤー- 1に 与えた場合にはワイヤーが他の部材に接触すると振動は減衰し易い。

[0028] ところで、ステータ laと移動体 2の間には圧接力が働き、これにより両者の間に大き な摩擦力が得られる構造となっており、この仕組みについて説明する。図 2は組み立 て前の移動体 2とステータ laを示した図である。移動体 2の内径部 2dの径 D1はステ ータ laの外形 D3より小さい。しかしながらステータ laを径方向に小さくなるように弹 性変形させた状態で移動体 2の内径部 2dに収めることでステータ 2は径方向に広が ろうとする。これによりステータ laと移動体 2の間には圧接力が働くこととなる。またス テータ laを移動体 2の内径部 2dに収納しやすくする工夫として、ステータ 2の端部に はステータ laの外形 D3よりも大きな径（D2)のテーパ部が設けられている。このテー パ部 2bからステータ laを揷入することによりステータ laの径は縮められ、移動体 2の 内径部 2dに収まる。

[0029] このような構造とすることで、加圧部材を有さなくともステータ laと移動体 2は圧接す るから両者の間には大きな摩擦力が働くこととなり、超音波モータ 100の出力トルクは 大きくなる。また、移動体 2とステータ laは常に圧接しているため超音波モータ 100の 回転特性は安定する。更には水中等、液体に曝された環境下においても移動体 2と ステータ laの摩擦力は確保され、安定に駆動される。

[0030] (第 2実施形態）

本発明の超音波モータの第二の例を、図 3, 4を基にして説明する。尚、ここでは実 施の形態 1で示した超音波モータ 100との相違点を中心に説明する。そのため、超 音波モータを構成する主要な要素であるステータと移動体に絞って超音波モータ 10 0との違いを説明する。

[0031] 超音波モータ 100においては移動体 2の内径部 2dにステータ laが配置されていた ヽ実施の形態 2の超音波モータにおいては移動体 8の外周部 8bの周囲にステータ 7aが配置されている。実施の形態 2の超音波モータにおいても超音波モータ 100と 同様に、ステータ 7aと移動体 8の間には圧接力が働き、これにより両者の間に大きな 摩擦力が得られる構造となっており、この仕組みについて説明する。図 4は組み立て 前の移動体 8とステータ 7aを示した図である。移動体 8の外径部 8bの径 D5はステー タ 7aの外形 D6よりも大きい。ステータ 7aを径が大きくなるように弾性変形させた状態 で移動体 8をステータ 7aの内径部に揷入する。ステータ 7aは径方向に縮まろうとする 力、らステータ 7aと移動体 8の間には圧接力が働くこととなる。この際、移動体 8をステ ータ 7aの内径部に収納しやすくする工夫として、移動体 8の端部にはステータ 7aの 外形 D6よりも小さな径（D4)のテーパ部 8aが設けられて!/、る。このテーパ部 8aからス テータ 7aを揷入することによりステータ 7aの径は広げられ、ステータ 7aの内径部に収

[0032] 次に移動体 8の改善例 (移動体 9)を図 5を基に説明する。図 5 (a)は停止状態での 移動体 9とステータ 10の関係を移動体 9の径方向断面から見た図であり、図 5 (b)は 駆動時の移動体 9とステータ 10の接触状態を移動体 9の径方向断面から見た図であ る。移動体 9の周方向には等間隔で凸部 9aが三箇所に設けられている。各凸部 9a の周方向長さは隣合う凸部 9aの間の周方向間隔 (ステータ 10と接しない部分）よりも 短く設定されている。また、移動体 9に設けられた凸部 9aの数はステータ 10のコイル を形成するワイヤ一一周内に生じる振動波の波数に等しくなるように設定されてレ、る 。振動波によりステータ 10表面に生じる楕円運動の大きさ、方向はステータの周方向 位置により異なる力 この様な移動体 9の構造とすることで振幅が最も大きぐその変 位の方向が同じ場所でのみ移動体 9とステータ 10を接触させることが可能となる。従 つて超音波モータの回転出力は向上するとともに、回転数、出力トルクは安定する。

[0033] 特に、ステータ 10のコイルの一周の長さをステータ 10に発生する振動波の波長の 倍数に等しくすることで、移動体 9の凸部は移動体 9の周方向位置にお!/、ては回転 軸方向の位置によらず同じとすることが出来るから、移動体 9の加工は容易となり小 型化が可能となる。

[0034] しかしながら、このようにステータ 10のコイルの一周の長さをステータ 10に発生する 振動波の波長の倍数に等しくすることが出来ない場合には、凸部 9aの周方向位置を 移動体 9の回転中心軸方向によって変える（凸部 9aを螺旋状に設ける）ことにより、移 動体 9とステータ 10には同様の接触状態が得られる。

[0035] ところで、図 5においては移動体 9がステータ 10の内周部に収められるタイプにつ いて説明した力 移動体の内周部にステータが収められるタイプの超音波モータの 場合には移動体の内径部に凸部を設ければ良い。

[0036] (第 3実施形態）

次に、本発明の超音波モータの組み立て方法について図 6、 7を基にして説明する 。先ず、移動体 11の内径部 11aにステータ laを配置するタイプの超音波モータの組 み立て方法につ!/、て説明する。第一の工程（図 6 (a) )では移動体 11の回転中心軸 L 1とステータ laをなすコイルの中心軸 L2との角度を傾かせて移動体 11とステータ la を配置する。そして第一の工程に続いて第二の工程 (図 6(b))では移動体 11の内周 部 11 aの先端にステータ laの先端を揷入する。そして第三の工程 (図 6(c))では移動 体 11の回転中心軸 L1とステータ la中心軸 L2とを合わせることで、ステータ laの先端 全体が移動体 11の内周部 11 aに収められる。第三の工程に続いて第四の工程 (図 6( d》ではステータ la全体が移動体 11の内周部 11aに収められるようにステータ laを 矢印 Pの方向に押し込む。この際、ステータ laを矢印 Rの方向に回転させながら押し 込むことによりステータ laはスムーズに移動体 11の内径部 11aに入って行く。このス テータ laを動かす矢印 Pの方向の速度と矢印 Rの方向の速度の比はステータ laをな すコイルの形状（ワイヤーの軌道）に合わせるのが好ましレ、。

[0037] 図 7は移動体 12の周囲 (外側)にステータ 7aが配置されるタイプの超音波モータの 組み立て方法を示した図である。第一の工程（図 7 (a) )では移動体 12の回転中心軸 L4とステータ 7aをなすコイルの中心軸 L3との角度を傾かせて移動体 12とステータ 7 aを配置する。そして第一の工程に続いて第二の工程 (図 7(b》ではステータ 7aの内 周部 7の先端にステータ 12の先端を揷入する。そして第三の工程 (図 7(c》では移動 体 12の回転中心軸 L4をステータ 7a中心軸 L3に合わせることで、移動体 12の先端 全体がステータ 7aの内周部に収められる。第三の工程に続いて第四の工程 (図 7(d)) では移動体 12全体がステータ 7aの内周部に収められるように移動体 12を矢印 の 方向に押し込む。この際、ステータ 7aに、移動体 12を矢印 Rの方向に回転させなが ら押し込むことによりスムーズに入って行く。

[0038] (第 4実施形態）

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 200について図 8を基に説明する。図 8はカテーテルの断面を示した図で ある。カテーテル 200はステータ laとその外周部に配置された移動体 11と、移動体 1 1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 la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、これらの部品全体を覆うカバー 17から構成されている。

[0039] 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に固定されてレ、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力 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。

[0040] 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 給によるのではなぐ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ぐまた体内 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。 産業上の利用可能性

[0041] 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。

Claims

請求の範囲

[1] 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、

前記ステータの外径よりも小さい内径を有する移動体と、

を有し、前記ステータは径方向に小さくなるように弾性変形した状態で前記移動体の 内径部に係着されていることを特徴とする超音波モータ。

[2] 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、

前記ステータの内径よりも大きい外径を有する移動体と、

を有し、前記ステータは径が大きくなるように弾性変形した状態で前記移動体の外径 部に係着されていることを特徴とする超音波モータ。

[3] 前記移動体の端部には前記ステータの外周の径よりも大きい径を有するテーパ部 が設けられていることを特徴とする請求項 1記載の超音波モータ。

[4] 前記移動体の端部には前記ステータの内周の径よりも小さい径を有するテーパ部 が設けられていることを特徴とする請求項 2記載の超音波モータ。

[5] 前記振動発生装置は前記ワイヤーの他端から前記ワイヤーの他端から前記ステー タの方向に向けて縦振動を与える振動発生装置であることを特徴とする請求項 1乃 至 2の何れかに記載の超音波モータ。

[6] 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、

前記ステータに接する移動体と、

を有し、前記ステータのコイルの一周あたりの長さは前記ステータに発生する振動波 の波長の倍数に等しいことを特徴とする請求項 1乃至 5の何れか一つに記載の超音 波モータ。

[7] 前記移動体は前記ステータと接触する凸部を有することを特徴とする請求項 1乃至

6の何れかに記載の超音波モータ。

[8] 前記ステータのコイルを形成するワイヤ一一周内に生じる振動波の波数に等しレヽ 数の凸部が設けられていることを特徴とする請求項 7に記載の超音波モータ。

[9] 前記移動体の回転中心軸と前記ステータをなすコイルの中心軸との角度を傾かせ る第一の工程と、前記第一の工程に続いて前記移動体の先端内周部に前記ステー タを揷入する第二の工程と、前記第三の工程に続いて前記移動体の回転中心軸と 前記コイルの中心軸とを合わせる第三の工程と、前記第三の工程に続いて前記ステ ータ全体を前記移動体の内周部に収める第四の工程と、

を有することを特徴とする請求項 1記載の超音波モータの組み立て方法。

[10] 前記移動体の回転中心軸線と前記ステータをなすコイルの中心軸線との角度を傾 かせて前記移動体と前記ステータを配置する第一の工程と、前記第一の工程に続!/、 て前記移動体の先端を前記ステータの内周部に揷入する第二の工程と、前記第三 の工程に続いて前記移動体の回転中心軸と前記コイルの中心軸とを合わせる第三 の工程と、前記第三の工程に続いて前記移動体を前記ステータ内に収める第四の 工程と、

を有することを特徴とする請求項 2記載の超音波モータの組み立て方法。

[11] 前記移動体を回転させながら前記ステータの内周部もしくは外周部に係着すること を特徴とする請求項 1乃至 8の何れか一つに記載の超音波モータの組み立て方法。

[12] 請求項 1乃至 8の何れか一つに記載の超音波モータを備えたカテーテル。