WO2015079716A1 - 振動アクチュエータ - Google Patents

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WO2015079716A1
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vibration
electrodes
vibrator
vibration actuator
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Inventor
徳和 佐藤
久郷　智之
貴之 越川
千尋 岡本
大志 山崎
絵理 福島
隆文 淺田
Original Assignee
並木精密宝石株式会社
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/0095—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing combined linear and rotary motion, e.g. multi-direction positioners
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/87—Electrodes or interconnections, e.g. leads or terminals

Definitions

  • the present invention relates to a vibration actuator that rotates and linearly moves by giving a vibration wave to an output shaft by vibration of a vibrator (including a piezoelectric element and an electrostrictive element).
  • a male screw shaft (120) is slidably inserted into a female threaded nut member (110), and a clearance (697b) is provided between the nut member (110) and the male screw shaft (120). Then, a voltage is sequentially applied to the piezoelectric elements (132a to 132d) attached to the four surfaces of the nut member (110), and rotational vibration is applied to the nut member (110), thereby rotating the male screw shaft (120).
  • a linear motor system (100) for parallel translation in the axial direction is shown.
  • the male screw shaft is slidably combined with the nut member with the female screw, and the clearance is provided between the nut member and the male screw shaft.
  • the transmission efficiency was low and sufficient driving force could not be obtained.
  • vibration was absorbed by the tube, and a sufficient driving force could not be obtained for the male screw shaft.
  • the piezoelectric element (2, 3, 4, 5) is directly attached to the rectangular cylindrical elastic body 1, and the driver (7) is attached to the inner peripheral surface of the rectangular cylindrical elastic body (1).
  • Ultrasonic linear that is pressed by the spring (8), a voltage is applied to the piezoelectric element (2, 3, 4, 5), and the shaft and the shaft are displaced in the axial direction when the rectangular cylindrical elastic body vibrates.
  • a motor is shown.
  • a shaft-like actuator (12) is inserted into a hole in a prismatic stator (11), and voltage is sequentially applied to a plurality of piezoelectric elements (13) attached to the stator (11).
  • An ultrasonic scanning device is shown in which an axial actuator is rotated or moved in the axial direction by applying a vibration wave when applied.
  • the present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and the problem to be solved is that it is small in size and has sufficient driving force, and vibration waves are not absorbed or inhibited even when incorporated in a tube such as an endoscope.
  • An object of the present invention is to provide a vibration actuator capable of obtaining stable performance.
  • One means for solving the above problem is that in a vibration actuator in which an output shaft moves due to vibration, a hole is provided on a substantially central axis of a substantially polygonal columnar vibrator, and a radial force is generated to generate a spring force in the hole. An extending slit is provided, and the output shaft is inserted through the hole. Then, the first and second vibrators having patterned electrodes are attached to one surface of the outer periphery of the vibration element parallel to the output shaft of the vibration element and the opposite surface, and electrode patterns of these pattern electrodes A progressive wave is generated in the vibration element by sequentially applying a voltage to the output shaft, and rotation and axial displacement are applied to the output shaft.
  • a compact vibration actuator that can be used for both linear motion and rotational motion is obtained, and even if incorporated in a cylindrical tube for an endoscope, vibration is not hindered, so that a stable output can be obtained.
  • the first feature of the vibration actuator according to the present embodiment is that the substantially polygonal column-shaped vibrating element has a hole on the substantially central axis, has a slit portion extending radially in the hole, and the output shaft in the hole. Is inserted, and the first vibrator is attached to at least one of the outer peripheral surfaces of the vibration element in parallel with the output shaft, and the first vibrator is attached.
  • a second vibrator is affixed to a surface opposite to the first face, and each of the first vibrator and the second vibrator has a pattern electrode. By sequentially applying a voltage to the electrode pattern, a traveling wave is generated in the vibration element, and a displacement that gives rotation and axial displacement is applied to the output shaft. With this configuration, it is possible to obtain a vibration actuator that can generate a stable force by allowing the traveling wave generated by the vibration element to rotate and linearly move to the output shaft and perform the rotation and linear motion.
  • a third vibrator having a pattern electrode is attached to a side surface of the vibration element having the hole, and the first vibrator, the second vibrator, and the By sequentially applying a voltage to the electrode pattern of the pattern electrode of the third vibrator, a traveling wave is generated in the vibration element, and rotation and axial displacement are applied to the output shaft. According to this configuration, a large traveling wave can be generated by the compact vibration element, and stable rotation and linear motion can be given to the output shaft.
  • the vibrator is a piezoelectric element or an electrostrictive element. According to this configuration, a large traveling wave can be generated by a compact vibrator due to the piezoelectric effect or the electrostrictive effect, and a stable rotation and linear motion can be given to the output shaft with a large force.
  • FIG. 1 is a perspective view of a vibration actuator according to an embodiment of the present invention.
  • the substantially polygonal column-shaped vibrating element 8 (a quadrangular column in FIG. 1) has a sliding hole 8a penetrating on the substantially central axis thereof, and the sliding hole 8a has a slit portion 8b extending radially, and this sliding
  • the output shaft 3 is inserted into the moving hole 8a, and at least one surface 8c on the outer periphery of the vibrating element 8 parallel to the output shaft 8a and the first and second electrodes 10 having pattern electrodes 10 on the opposing surface 8d.
  • the piezoelectric element 9 is affixed. Each piezoelectric element 9 is provided with a patterned electrode 10 by a noble metal sputtering method or a conductive ink printing method.
  • N electrodes A1 to An and N electrodes B1 to Bn are arranged in the axial direction.
  • N electrodes C1 to Cn are similarly arranged in the axial direction.
  • N electrodes from D1 to Dn and N electrodes from E1 to En are arranged on the opposing outer peripheral surface 8d.
  • N electrodes F1 to Fn are similarly arranged in the axial direction.
  • the slit portion 8a is provided substantially radially from the output shaft 3 or at a plurality of locations (two locations in FIG. 1), generates a spring property in the vibrating element 8, and is stable between the output shaft 3 and the sliding hole 8a.
  • a frictional force (for example, a force of about 1 Newton) is generated.
  • a hole 3a is formed in the approximate center of the output shaft 3, and an optical fiber or an operation wire for an endoscope is inserted into the hole 3a as necessary.
  • a substantially sinusoidal voltage is sequentially applied to the pattern-like electrode 10 in FIG. 1 through the electric wires 11a and 11b in FIG. 5.
  • the output shaft 3 moves in the linear motion direction (arrow in the figure). M) or in the direction of rotation (arrow P in the figure).
  • the voltage is firstly set to D1 (not shown) at a position facing the electrodes A1, B1, C1, and C1, and at a position facing B1.
  • E1 (not shown) and F1 (not shown) at positions facing A1 are applied to a total of six electrodes.
  • D2 (not shown) at a position facing the electrodes A2, B2, C2, and C2, E2 (not shown) at a position facing the B2, and F2 (not shown) at a position facing the A2. Applied to a total of 6 electrodes.
  • D3 at a position facing the electrodes A3, B3, C3, and C3, E3 (not shown) at a position facing the B3, and F3 (not shown) at a position facing the A3. Applied to a total of 6 electrodes.
  • the fourth is applied to a total of six electrodes A4, B4, C4, D4, E4, and F4.
  • it is applied again to a total of six electrodes A1, B1, C1, D1, E1, and F1 applied first, and this is repeated.
  • the output shaft 3 slides in the direction of arrow M.
  • the vibration actuator 12 of the present invention has a simple structure, it is possible to provide the thickness and volume of the piezoelectric element 9 much larger than the general weight as compared with the weight and volume of the vibration element 8. A greater force can be generated.
  • the thickness of the piezoelectric element 9 in FIG. 1 is t1
  • the thickness of the re-thinned portion near the output shaft 3 of the vibration element 8 is t2
  • the maximum output is obtained under the condition of t1 ⁇ t2. I was able to.
  • the vibration part 8 Since the vibration part 8 is provided with the slit portion 8b, the spring force is generated and the output shaft is pressed with a stable force. Therefore, the generated force of the output 3 is stable with little change.
  • 5 to 7 are application examples of the vibration actuator according to the first embodiment of the present invention, and are diagrams of an optical imaging probe of the OCT endoscope apparatus.
  • the output shaft 3 is supported by two bearings 7a and 7b so as to be rotatable and slidable.
  • the vibration actuator 12 is weakly supported in the tube 6 by a leaf spring, soft rubber or the like as necessary, and is fixed so that the vibration of the vibration actuator 12 is not hindered.
  • near-infrared rays emitted from an endoscope apparatus main body are guided to the optical fiber 1 shown in FIG. 5, emitted forward from the condenser lens 2, and substantially perpendicular to the optical path changing means 4a.
  • the radiation angle is converted to.
  • the optical path changing means 4 is rotated by the vibration actuator 12, the light beam is radiated in the entire 360 direction including the direction 13a in the figure.
  • the light beam passes through the translucent part 16 and is irradiated to a non-specimen such as an affected part of the human body, and the reflected light from the non-specimen is in a direction opposite to the direction in which the light beam is guided, in the optical path changing means 4 and the condenser lens. 2.
  • the vibration actuator 12 continues to operate as follows to start capturing a three-dimensional image.
  • FIG. 6 shows the range of light rays emitted from the optical path changing means 4.
  • d2 means a range in which near-infrared rays are transmitted, but it has a diameter of about 4 to 20 mm (millimeters).
  • d1 means the outer diameter of the tube 6, and the diameter is about 2 mm (millimeter).
  • Ls is the travel distance of the output shaft 3 but is about 2 to 10 mm (millimeters), and the light beam 13a in FIG. 1 is slightly refracted by the translucent part 16 and spreads and radiates at an angle of ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • three-dimensional observation of the OCT endoscope is performed within a range indicated by La in FIG.
  • FIG. 7 shows a timing chart of the optical imaging probe of the present invention.
  • the upper waveform shows ON-OFF when the voltage is applied to the pattern electrode 10 in the direction in which the output shaft 3 rotates, and the middle waveform applies voltage in the direction in which the output shaft 3 moves linearly.
  • the ON-OFF state is shown, and the positive displacement is expressed as positive, and the reverse displacement is expressed as negative.
  • the lower waveform is an output waveform of the fixed sensors 14a and 14b shown in FIG.
  • the endoscope apparatus When the user (doctor or the like) of the endoscope apparatus operates the switch by operation, the endoscope apparatus is caused to generate a start pulse.
  • the output shaft 3 is first shown in FIG. Rotation is started at a slow speed of about 60 to 120 [rotation / min] in the direction indicated by the arrow P, and secondly, a pulse is emitted from the rotation detection sensor 14d until the output shaft 3 rotates once.
  • the power supply is temporarily stopped, the rotation of the vibration actuator is stopped, and thirdly, the output shaft 3 slides in the positive direction within a certain period of time (for example, 0.01 [seconds]). Move 20 ⁇ m (micrometer).
  • the output shaft 3 rotates again in the direction indicated by the arrow P in FIG. 3 at a speed of about 60 to 120 [rotations / minute], and the first, second, and third operations are repeated in this way.
  • the output shaft 3 reverses at high speed
  • the start position output is detected from the fixed side sensor 14b, the reverse movement is terminated, the energization is stopped, and the output shaft stops both rotation and linear motion.
  • the stop position of the output shaft 3 is a standby position, waiting for the next start pulse.
  • the optical imaging probe using the vibration actuator can change the direction of light emission to the direction of rotation and linear motion, scan three-dimensionally, and receive, for example, near infrared rays reflected from the affected part of the human body.
  • the configuration of the present invention there is no uneven rotation speed of the vibration actuator 12 and the optical path conversion means 4 built in the vicinity of the tip of the tube 6, and the light reflected from the subject such as a human body and incident on the tip side is optical path conversion means.
  • a high spatial resolution of 10 ⁇ m can be obtained.
  • FIG. 2 is a perspective view of a vibration actuator according to the second embodiment of the present invention.
  • the substantially polygonal column-shaped vibrating element 18 has a sliding hole 18a penetrating on the substantially central axis thereof, the sliding hole 18a has a radially extending slit portion 18b, and the output shaft 3 is placed in the sliding hole 18a.
  • a total of four piezoelectric elements 9 having patterned electrodes 10 are attached to the outer peripheral surfaces 18c, 18d, 18e, and 18f of the vibration element 18 that are inserted or lightly press-fitted and parallel to the output shaft 3. .
  • Each piezoelectric element 9 is provided with a pattern-like electrode 10 such as a grid.
  • N electrodes A1 to An and N electrodes B1 to Bn are attached to the surface of the piezoelectric element 9 attached to the outer peripheral surface 18c of the vibration element 18 in the axial direction.
  • the adjacent outer peripheral surface 8d is provided with N electrodes C1 to Cn and N electrodes D1 to Dn arranged in an array.
  • the piezoelectric element 9 having electrodes E1 to En and F1 to Fn is attached to the outer peripheral face 18e, and the piezoelectric element 9 having electrodes G1 to Gn and H1 to Hn attached to the outer peripheral face 18f. Attached.
  • the slit portion 18a is provided at least at one location (two locations in FIG. 2) substantially radially from the output shaft 3, and generates a spring property in the vibrating element 18, so that stable friction is generated between the output shaft 3 and the sliding hole 8a. Generate power.
  • the voltage generated in a substantially sinusoidal shape is sequentially applied to the electrode 10 having the pattern shape.
  • the output shaft 3 moves in the linear direction (arrow M in the figure and the opposite direction thereof), or It can operate in the direction of rotation (arrow P in the figure and its reverse direction).
  • a voltage is first applied to a total of four electrodes A1, B1, C1, and D1, and second, an electrode A2 , B2, C2, D2 applied to a total of four electrodes, the third applied to a total of four electrodes A3, B3, C3, D3, and the fourth applied to electrodes A4, B4, Applied to a total of four electrodes, C4 and D4.
  • the voltage is again applied to a total of four electrodes A2, B2, C2, and D2 applied first, and this is repeated.
  • a traveling wave in the linear motion direction is generated in the direction of the arrow M on the vibration element 18, and this traveling wave slides the output shaft 3 in the direction of the arrow M.
  • the voltage is first applied to a total of eight electrodes A1 to A4 and E1 to E4, and secondly, the electrodes B1 to B4 and F1 are applied.
  • F4 a total of 8 electrodes C1 to C4 and G1 to G4, and a fourth to electrodes C1 to C4 and G1 to G4.
  • traveling waves are generated in the vibration element 8 in the directions of arrows N and O in the figure, and the output shaft 3 rotates in the direction of arrow P by these two traveling waves.
  • the piezoelectric element 9 is attached to all the outer peripheral surfaces of the vibration element 8, and a strong traveling wave can be generated by a large number of piezoelectric elements.
  • thick piezoelectric elements are difficult to apply due to the construction, and therefore, a large operating force is generated by applying a large number of thin piezoelectric elements.
  • the force of the traveling wave generated from the piezoelectric element 9 is proportional to the number or area of the pasted piezoelectric elements 9 and is also proportional to the thickness of the piezoelectric elements 9, and this principle is taken into consideration.
  • the shape and size of the piezoelectric element 9 and the design of the electrode pattern 10 are performed. However, if the piezoelectric element 9 is designed to be thick, the voltage to be applied must be increased in proportion to the thickness. Therefore, the piezoelectric element 9 has design limitations in both thickness and area.
  • a compact vibration actuator that performs rotation and linear motion on the output shaft by a single unit can be obtained, and a stable thrust can be generated.
  • FIG. 3 is a perspective view of a vibration actuator according to the third embodiment of the present invention.
  • the substantially polygonal column-shaped vibration element 28 has a sliding hole 28a on a substantially central axis thereof.
  • the sliding hole 28a has slits 28b extending radially, and the output shaft 3 is inserted into the sliding hole 28a.
  • the spring 28 is made springy, and a stable frictional force is generated between the output shaft 3 and the sliding hole 28a.
  • a total of four piezoelectric elements 9 having patterned electrodes 10 are attached to the outer peripheral surfaces 28c, 28d, 28e, 28f of the vibration element 28 parallel to the output shaft 3, and the sliding holes 28a
  • the piezoelectric element 9 having the pattern electrode 10 is also attached to the two side surfaces 28g and 28h having the same.
  • An electrode indicated by symbol B2 in the figure is provided on the outer peripheral surface 28c of the vibration element 28, electrodes C2 and D2 are provided on the outer peripheral surface 28d, electrodes indicated by E2 are provided on the outer peripheral surface 28e, and F2 and A2 are provided on the outer peripheral surface 28f. Electrodes are formed on the surface of each piezoelectric element 9. Further, B1 and E1 electrodes are formed on the side surface 28g, and B3 and E3 electrodes are formed on the surface of each piezoelectric element 9 on the side surface 28h, and all these electrodes are combined to form a set of electrode patterns. Yes.
  • a voltage generated in a substantially sine wave shape is sequentially applied to the electrode 10 having the pattern shape.
  • the output shaft 3 moves in the linear motion direction (arrow M in the figure and the opposite direction), Or it can operate in the direction of rotation (arrow P in the figure and its reverse direction).
  • the piezoelectric elements 9 are attached to all the outer peripheral surfaces and side surfaces of the vibration element 8, and a strong traveling wave can be generated by a large number of piezoelectric elements.
  • the vibration transmission efficiency is high, and even if incorporated in a cylindrical tube for an endoscope, the vibration is not inhibited and a stable output can be obtained.
  • the diameter of the hole 3a of the output shaft 3 is 0.2 to 0.5 mm (millimeters), which is sufficiently larger than the diameter of the optical fiber 1, so that the optical fiber 1 does not contact the hole 3a, but is lightly contacted. However, it is not so much that abrasion powder is generated. Further, there is no problem that the rotational friction torque varies.
  • the output shaft 3 shown in FIG. 1 is made of metal or ceramics, and is formed into a hollow shape by drawing molten metal with a mold or extruding ceramic material before firing with a mold, and polishing after hardening treatment. Finished by the method of processing.
  • the vibration element 8 since it is desired that the vibration element 8 has a spring property and that the difference in linear expansion coefficient from the piezoelectric element 9 is not large, it is processed by stainless steel, zirconia ceramics, or the like.
  • the vibrating element 8 having the slit portion 8b does not necessarily have an integral structure, and may be configured by laminating a large number of thin steel plates, for example.
  • the actuator since one vibration actuator performs rotation and linear motion, the actuator is compact and the generated force can be stabilized.
  • the optical fiber does not rotate relative to the catheter of an endoscope apparatus or the like, there is no friction and there is no rotation transmission delay or torque fluctuation, and a good three-dimensional image of the endoscope can be obtained.
  • the vibration actuator of the present invention is small in size and can sufficiently obtain operating force in the rotational and linear motion directions in a three-dimensional scanning optical imaging probe or the like used in an OCT endoscope system that has rapidly advanced in recent years. .
  • vibrations are not absorbed or inhibited, so that stable performance can be provided.
  • it can be incorporated in an industrial microrobot hand or the like to obtain a small and large driving force.
  • Optical fiber 2 Condensing lens 3 Output shaft 3a Hole 4a, 4b, 4c, 4d optical path changing means 5a, 5b Optical fiber clamp 6 Tube (catheter) 7a, 7b Bearing 8, 18 Vibrator 8a Sliding hole 8b, 18a Slit DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Piezoelectric element 10 Pattern electrode 11a, 11b Electric wire 12 Actuator 13a, 13b Light beam 14a, 14b Fixed side sensor 14c Movement side sensor 16 Translucent part

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Endoscopes (AREA)

Abstract

【課題】　回転及び直動駆動が共に行え、駆動力を安定して得られる振動アクチュエータを提供する。 【解決手段】　振動により出力軸が運動する振動アクチュエータにおいて、略多角形状の可振子に出力軸を挿通する穴と、この穴から放射状に伸びるスリット部を設ける。このスリット部が可振子と出力軸の間にバネ力を発生し、出力軸を付勢して保持する。可振子の外周面の少なくとも１つの面と、その対向面には、パターン電極を有する振動子が貼り付けられている。このパターン電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、振動により、出力軸に、回転および軸方向の運動をさせるようにした。

Description

振動アクチュエータ
　本発明は、振動子（圧電素子、電歪素子を含む）の振動により出力軸に振動波を与えて回転及び直動運動を行う振動アクチュエータに関するものである。
　医療機器の進歩は急速であり、画像診断技術（光イメージング技術）を用いた内視鏡装置が広く研究され活用されているが、この画像診断の方式として、一般的なカメラ観察や超音波診断装置に替わり、近年、微細な断層画像や３次元断層画像を撮影する事が可能な光の干渉性を利用したＯＣＴ(光干渉断層撮影)による３次元断層画像が得られる内視鏡装置が着目されている。その中で、３次元走査を行うために必要な駆動源としては、電磁モータ、圧電モータ、形状記憶合金式等の各種駆動原理の中で、小径でも大きい駆動力が得られる圧電素子または電歪素子による振動アクチュエータが有望視されている。
　例えば、特許文献１においては、雌ねじ付きナット部材（１１０）に雄ねじシャフト（１２０）が摺動自在に挿入され、ナット部材（１１０）と雄ねじシャフト（１２０）の間にはクリヤランス（６９７ｂ）が設けられ、ナット部材（１１０）の４面に貼り付けられた圧電素子（１３２ａ～１３２ｄ）に電圧を順次印加し、ナット部材（１１０）に回転振動を与えることで、雄ねじシャフト（１２０）を回転させると同時に軸方向に平行移動させるリニアモータシステム（１００）が示されている。
　しかしながら、特許文献１に示すリニアモータシステムにおいては、雌ねじ付きナット部材に雄ねじシャフトが摺動自在に組合せされて接触しており、ナット部材と雄ねじ軸の間にクリヤランスが設けられているため、振動の伝達効率が低く、十分な駆動力が得られなかった。また、ナット部材を内視鏡等のチューブに挿入固定すると、振動がチューブに吸収されて雄ねじシャフトに十分な駆動力が得られなかった。
　特許文献２においては、角筒状弾性体１に直接に圧電素子（２，３，４，５）が貼付けられ、角筒状弾性体（１）の内周面に駆動子（７）が板バネ（８）で押圧されており、圧電素子（２，３，４，５）に電圧が印加され、角筒状弾性体が振動する事により駆動子と共にシャフトが軸方向に変位する超音波リニアモータが示されている。
　しかしながら、特許文献２に示す超音波リニアモータでは、角筒状弾性体が圧電素子によって励振されるが、内視鏡等のチューブに本超音波リニアモータを挿入固定すると、振動がチューブに吸収されてシャフト十分な駆動力が得られなかった。
　また、特許文献３においては、軸状の作動子（１２）が角柱状のステータ（１１）の穴に挿入され、ステータ（１１）に貼り付けられた複数の圧電素子（１３）に電圧が順次印加され振動波を生じることで軸状の作動子を回転または軸方向に移動させる超音波走査装置が示されている。
　しかしながら、特許文献３に示す超音波走査装置では、軸状の作動子（１２）がステータ（１１）の穴に挿入される場合に、この挿入に隙間が生じた場合には、ステータの振動波が作動子に伝わらなくなり作動できず、一方、隙間が無く圧入された場合には、摩擦力が大き過ぎて作動子が作動できなかった。また作動子を内視鏡等のチューブに挿入固定すると、ステータの振動がチューブに吸収されて作動子に十分な駆動力が得られなかった。
米国特許2010/0039715　A1 特許第3213568号公報 WO　2008/038817　A1
　本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とする処は、小型で駆動力が十分にあり、かつ、内視鏡等のチューブに組込んでも振動波が吸収または阻害されない安定した性能が得られる振動アクチュエータを提供することにある。
　上記課題を解決するための一手段は、振動により出力軸が運動する振動アクチュエータにおいて、略多角柱状の可振子の略中心軸上に穴を設け、その穴にバネ力を発生するための放射状に伸びるスリット部を設け、その穴に出力軸が挿通さている。そして、可振子の出力軸に平行な前記可振子外周の１つの面と、その対向面に、パターン状の電極を有する第１および第２の振動子を貼り付け、これらのパターン電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、出力軸に回転および軸方向の変位を与えることを特徴としている。
　本発明によれば、直動及び回転動作が兼用できるコンパクトな振動アクチュエータが得られ、また、内視鏡用の円筒状チューブ内等に組み込んでも振動が阻害されないので、安定した出力が得られる。
本発明の第１の実施形態に係る振動アクチュエータの斜視図 本発明の第２の実施例の形態に係わる振動アクチュエータの斜視図 本発明の第３の実施例の形態に係わる振動アクチュエータの斜視図 同振動アクチュエータの動作説明図 本発明の応用例の光イメージング用プローブの断面図 同光イメージング用プローブの走査範囲説明図 同光イメージング用プローブの動作タイミングチャート
　本実施の形態の振動アクチュエータの第一の特徴は、略多角柱状の可振子はその略中心軸上に穴を設け、前記穴に放射状に伸びるスリット部を有し、そして前記穴に前記出力軸が挿通され、前記可振子の外周面のなかで、前記出力軸と平行な面の少なくとも１つの面に、第１の振動子が貼り付けられており、前記第１の振動子が貼り付けられている面の対向面に、第２の振動子が貼り付けられており、前記第１の振動子と、前記第２の振動子とは、各々パターン電極を有しており、前記パターン電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、前記出力軸に、回転および軸方向の変位を与える変位を与えるように構成している。
　この構成により、可振子発生した進行波が前記出力軸に、回転および、直動運動を与え、回転及び直動が行え、安定した力を発生する振動アクチュエータを得ることができる。
　第二の特徴としては、前記可振子の前記穴の有る側面にも、パターン電極を有する第３の振動子が貼り付けられており、前記第１の振動子及び前記第２の振動子及び前記第３の振動子の前記パターン電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、前記出力軸に、回転および軸方向の変位を与えるように構成している。
　この構成によれば、コンパクトな可振子により大きな進行波を発生し、前記出力軸に、安定した回転および直動運動を与えることができる。
　第三の特徴としては、前記振動子を、圧電素子又は電歪素子とした。
　この構成によれば、圧電効果又は電歪効果によって、コンパクトな可振子により大きな進行波を発生し、大きな力で、前記出力軸に安定した回転および直動運動を与えることができる。
　次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。
　本発明の第１の実施形態の振動アクチュエータの構成について、図１を用いて説明する。
　図１は本発明の実施形態に係わる振動アクチュエータの斜視図である。
　略多角柱状の可振子８（図１では四角柱）はその略中心軸上に貫通する摺動穴８ａを有し、この摺動穴８ａには放射状に伸びるスリット部８ｂを有し、この摺動穴８ａに出力軸３が挿通され、少なくともこの出力軸８ａに平行な前記可振子８の外周の１つの面８ｃと、その対向面８ｄに、パターン状の電極１０を有する第１および第２の圧電素子９を貼り付けている。圧電素子９には１枚毎にそれぞれパターン状の電極１０が貴金属のスパッタリング法や、導電性インクの印刷工法により設けられている。
　外周面８ｃには軸方向にＡ１～ＡｎまでのＮ個の電極が配列と、Ｂ１～ＢｎまでのＮ個の電極が配列されている。好ましくはさらに、Ｃ１～ＣｎまでのＮ個の電極が同様に軸方向に配列して設けられている。対向する外周面８ｄには、Ｄ１～ＤｎまでのＮ個の電極とＥ１～ＥｎまでのＮ個の電極が配列されている。また好ましくはさらに、Ｆ１～ＦｎまでのＮ個の電極が同様に軸方向に配列して設けられている。
　スリット部８ａは出力軸３から略放射状に１箇所、又は複数箇所（図１では２カ所）設けられ、可振子８にバネ性を発生させ、出力軸３と摺動穴８ａの間に安定した摩擦力（例えば約１ニュートンの力）を発生する。
　また、好ましくは出力軸３の略中央には穴３ａが空けられ、穴３ａは必要に応じて光ファイバーや内視鏡用の作動ワイヤーが挿通されるものである。
　図１の振動アクチュエータについてその動作を説明する。略正弦波状の電圧が図５の電線１１ａ、１１ｂを通して図１の前記パターン状の電極１０に順次印加されるが、印加される順序を変えることにより、出力軸３は直動方向（図中矢印Ｍ）に、または回転方向（図中矢印Ｐ）に動作させることができる。
　出力軸３に図１中の記号Ｍ方向に直動させる場合は、電圧を先ず第１に、電極Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｃ１に対向する位置にあるＤ１（図示しない）、Ｂ１に対向する位置にあるＥ１（図示しない）、Ａ１に対向する位置にあるＦ１（図示しない）の計６個の電極に印加する。
　次に第２には、電極Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｃ２に対向する位置にあるＤ２（図示しない）、Ｂ２に対向する位置にあるＥ２（図示しない）、Ａ２に対向する位置にあるＦ２（図示しない）の計６個の電極に印加する。
　次に第３には、電極Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｃ３に対向する位置にあるＤ３（図示しない）、Ｂ３に対向する位置にあるＥ３（図示しない）、Ａ３に対向する位置にあるＦ３（図示しない）の計６個の電極に印加する。
　次に第４には、電極Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、Ｄ４、Ｅ４、Ｆ４の計６個の電極に印加する。
　その次に再び第１に印加したＡ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１の計６個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより出力軸３は矢印Ｍ方向に摺動する。
　これら電圧の繰り返し印加する方向を逆にすると、出力軸３は図１中矢印Ｍとは反対方向に摺動する。
　次に、出力軸３を回転させる場合は、電圧を先ず第１に、電極Ａ１～Ａ４と、Ｄ１～Ｄ４の計８個の電極に印加し、次に第２には、電極Ｂ１～Ｂ４と、Ｅ１～Ｅ４の計８個の電極に印加し、次に第３には、電極Ｃ１～Ｃ４と、Ｆ１～Ｆ４の計８個の電極に印加し、その次に再び第１に印加した計８個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子８に図中矢印Ｎ及び矢印～Ｏに進行波が発生し、出力軸３は矢印Ｐ方向に回転する。
　これら電圧の繰り返し印加する方向を逆にすると、出力軸３は図１中矢印Ｐとは反対方向に回転する。
　本発明の振動アクチュエータ１２は、シンプルな構造であるため、可振子８の重量と体積に比較して、圧電素子９の厚さと体積を一般よりはるかに大きく設ける事が可能で有り、出力軸により一層大きい力を発生させることができる。本実施例においては、図１の圧電素子９の厚さをｔ１、可振子８の出力軸３近傍の再薄部分の厚さをｔ２としたとき、ｔ１≧ｔ２の条件で最大出力を得ることができた。
　可振子８にスリット部８ｂが設けられる事で、バネ力を発生し出力軸を安定した力で押圧しているため、出力３の発生力は変化が少なく安定し大きな力を得ている。
　図５から図７は本発明の第１の実施の形態に係る振動アクチュエータの応用事例であり、ＯＣＴ内視鏡装置の光イメージング用プローブの図である。
　図５において、出力軸３は２つの軸受７ａ、７ｂにより回転及び摺動自在に支えられている。また振動アクチュエータ１２はチューブ６内で、必要に応じて板バネや、軟質のゴム等で弱く支えられ、振動アクチュエータ１２の振動が阻害されないように固定されている。
　内視鏡装置本体（図示しない。）から発光された例えば近赤外光線は、図５に示す光ファイバー１に導光され、集光レンズ２から前方に放射され、光路変換手段４ａにより略直角方向に放射角が変換される。また、光路変換手段４は振動アクチュエータ１２により回転させられるため、光線は図中１３ａの方向を含む３６０全周方向に放射される。光線は透光部１６を通過し、人体の患部等の非検体に照射され、非検体からの反射光は、光線が導光された方向とは反対方向に、光路変換手段４、集光レンズ２、光ファイバー１を通って、内視鏡装置本体戻っていく。これにより３６０度全周の２次元の画像を取り込むことができる。尚、引き続き振動アクチュエータ１２が以下の様に動作する事で３次元画像の取り込みを始める。
　図５に示す振動アクチュエータ１２の出力軸３が直動すると、出力軸３がチューブ６の中の光ファイバー１を押し引きすると同時に集光レンズ２と光路変換手段４と先端側近傍の光ファイバー１とを軸方向に一体的に変位させることにより、光線の放射を軸方向にも変位させる。これにより内視鏡装置本体に３次元の画像データの蓄積が行なわれる。
　図６は光路変換手段４から放射される光線の範囲を示している。図中、ｄ２は近赤外光線が透過する範囲を意味するが、その直径約４～２０ｍｍ（ミリメートル）の範囲である。ｄ１はチューブ６の外径を意味しており、その直径は約２ｍｍ（ミリメートル）である。図中Ｌｓは出力軸３移動距離であるがおよそ２～１０ｍｍ（ミリメートル）であり、図１の光線１３ａが透光部１６により僅かに屈折し、θ１とθ２の角度に広がって放射されるため、軸方向には、図６のＬａに示す範囲でＯＣＴ内視鏡の３次元観察が行われる。
　図７は、本発明光イメージング用プローブのタイミングチャートを示している。上段の波形は出力軸３が回転する方向にパターン電極１０に電圧が印加されている状態をＯＮ－ＯＦＦとして表示しており、中段の波形は出力軸３が直動する方向に電圧を印加するＯＮ－ＯＦＦの状態を示し、正方向の変位をプラスに、逆方向の変位をマイナスで表している。また、下段の波形は振動アクチュエータ１２に軸方向の始終端位置を検出する図５に示す固定側センサー１４ａ、１４ｂの出力波形である。
　内視鏡装置の使用者（医者等）が操作により、スイッチを操作すると、内視鏡装置はスタートパルスを発生させられ、図７のタイミングチャートにおいて、まず第１に出力軸３は図１の矢印Ｐに示す方向に約６０～１２０［回転/分］程度のゆっくりした速度で回転を始め、第２に出力軸３が１回転するまでの間に回転検出センサー１４ｄからパルスが１回出されると通電は一旦停止し、振動アクチュエータの回転は停止し、第３に今後は出力軸３が一定の時間内（例えば０．０１［秒］）正方向に摺動し、出力軸はこの時約２０μｍ（マイクロメートル）移動する。
　次に再び出力軸３は図３の矢印Ｐに示す方向に約６０～１２０［回転／分］程度の速度で回転を行い、このように第１→第２→第３の動作を繰り返す。
　やがて出力軸が終端まで移動すると、第４に固定側センサー１４ａに移動側センサー１４ｃが近接する事で出力を発生するので、この終端信号を検出して出力軸３は停止する。
　引き続き第５に出力軸３は高速で後進を行い、第６に固定側センサー１４ｂから始端位置出力を検出して後進を終了し通電は止められ出力軸は回転及び直動共に停止する。この時の出力軸３の停止位置はスタンバイ位置であり次のスタートパルスを待つ状態になっている。
　これにより振動アクチュエータを用いた光イメージング用プローブは光線放射方向を回転及び直動方向に変化させ、３次元的に走査し、例えば人体患部から反射した近赤外線を受光する事ができる。本発明の構成によれば、チューブ６の先端近傍に内蔵された振動アクチュエータ１２と光路変換手段４の回転速度ムラがなく、人体等の被検体から反射し先端側に入射した光を光路変換手段４が高精度な走査を行い後方側光ファイバー１へ導く事により、１０μｍ（ミクロン）の高い空間分解能が得られる。
　次に本発明の第２の実施形態の振動アクチュエータの構成について、図２を用いて説明する。図２は本発明第２の実施形態に係わる振動アクチュエータの斜視図である。
　略多角柱状の可振子１８はその略中心軸上に貫通する摺動穴１８ａを有し、この摺動穴１８ａには放射状に伸びるスリット部１８ｂを有し、摺動穴１８ａに出力軸３が挿通又は軽圧入され、この出力軸３に平行な前記可振子１８の外周面１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆのそれぞれに、パターン状の電極１０を有する計４枚の圧電素子９を貼り付けている。圧電素子９には１枚毎に例えば碁盤目状等のパターン状の電極１０が設けられている。
　可振子１８の外周面１８ｃに貼り付けられた圧電素子９の表面には軸方向にＡ１～ＡｎまでのＮ個の電極と、Ｂ１～ＢｎまでのＮ個の電極が貼り付けられている。隣接する外周面８ｄには、Ｃ１～ＣｎまでのＮ個の電極と、Ｄ１～ＤｎまでのＮ個の電極が配列して設けられている。また、外周面１８ｅには電極Ｅ１～Ｅｎ、Ｆ１～Ｆｎを有する圧電素子９が貼り付けられ、外周面１８ｆには電極Ｇ１～Ｇｎ、Ｈ１～Ｈｎの電極が貼り付けられた圧電素子９が貼り付けられる。
　スリット部１８ａは出力軸３から略放射状に少なくとも１箇所（図２では２カ所）に設けられ、可振子１８にバネ性を発生させ、出力軸３と摺動穴８ａとの間に安定した摩擦力を発生する。
　以下に振動アクチュエータ１２の回転及び直動動作について説明する。
　略正弦波状に発生した電圧が前記パターン状の電極１０に順次印加されるが、印加される順序を変えることにより、出力軸３は直動方向（図中矢印Ｍおよびその逆方向）に、または回転方向（図中矢印Ｐ及びその逆回転方向）に動作することができる。
　出力軸３に図２中の記号Ｍ方向に直動させる場合は、電圧を先ず第１に、電極Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１の計４個の電極に印加し、第２には、電極Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２の計４個の電極に印加し、第３には、電極Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３の計４個の電極に印加し、さらに第４には、電極Ａ４、Ｂ４、Ｃ４、Ｄ４の計４個の電極に印加する。その次に再び第１に印加したＡ２、Ｂ２、Ｃ２、Ｄ２の計４個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子１８に矢印Ｍ方向に直動方向の進行波が発生し、この進行波は出力軸３を矢印Ｍ方向に摺動させる。
　次に、これら電圧の繰り返し印加する方向を逆にし、具体的には、第４→第３→第２→第１→第４の方向にすると、出力軸３は図２中矢印Ｍとは逆方向に摺動する。
　次に、出力軸３を回転させる場合は、電圧を先ず第１に、電極Ａ１～Ａ４と、Ｅ１～Ｅ４の計８個の電極に印加し、第２には、電極Ｂ１～Ｂ４と、Ｆ１～Ｆ４の計８個の電極に印加し、第３には、電極Ｃ１～Ｃ４と、Ｇ１～Ｇ４の計８個の電極に印加し、第４には、電極Ｃ１～Ｃ４と、Ｇ１～Ｇ４の計８個の電極に印加し、その次に再び第１に印加したＡ１～Ａ４と、Ｅ１～Ｅ４の計８個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子８には図中矢印Ｎと矢印Ｏ方向に進行波が発生し、この２つの進行波により出力軸３は矢印Ｐ方向に回転する。
　これら電圧の繰り返し印加する方向を逆にすると、出力軸３は図２中矢印Ｐとは反対方向に回転する。
　この実施形態２においては、圧電素子９が可振子８の外周の全ての面に貼り付けられており、多数枚の圧電素子で強い進行波が発生できる。但し、図１の第１の実施形態に比べて、厚い圧電素子は構成上貼りにくい難点があるため、薄い圧電素子を多数枚貼ることで大きい作動力を発生するよう設計されている。
　尚、圧電素子９から発生する進行波の力は、貼り付けられた圧電素子９の枚数または面積に比例すると共に、圧電素子９の厚さにも比例するものであり、この原理を考慮して圧電素子９の形状や大きさ、及び電極パターン１０の設計が行われる。但し、圧電素子９を厚く設計すると厚さに比例して印加する電圧を上げなければならないため、圧電素子９は厚さ及び面積のそれぞれに設計上の限界がある。
　本発明によれば出力軸に回転および直動運動を１個で行うコンパクトな振動アクチュエータが得られ、安定した推力を発生させることができる。
　次に本発明の第３の実施形態の振動アクチュエータの構成について、図３～図４を用いて説明する。
　図３は本発明第３の実施形態に係わる振動アクチュエータの斜視図である。
　略多角柱状の可振子２８はその略中心軸上に摺動穴２８ａを有し、この摺動穴２８ａには放射状に伸びるスリット部２８ｂを有し、摺動穴２８ａに出力軸３が挿通又は軽圧入され、可振子２８にバネ性を発生させ、出力軸３と摺動穴２８ａの間に安定した摩擦力を発生する。
　出力軸３に平行な前記可振子２８の外周面２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ、２８ｆのそれぞれに、パターン状の電極１０を有する計４枚の圧電素子９を貼り付けており、また、摺動穴２８ａを有する２つの側面２８ｇ、２８ｈにもパターン電極１０を有する圧電素子９が貼り付けられている。
　可振子２８の外周面２８ｃには図中記号Ｂ２に示す電極が、外周面２８ｄにはＣ２とＤ２の電極が、外周面２８ｅにはＥ２に示す電極が、外周面２８ｆにはＦ２とＡ２の電極がそれぞれの圧電素子９の表面に形成されている。また、側面２８ｇにはＢ１とＥ１の電極が、側面２８ｈにはＢ３とＥ３の電極がそれぞれの圧電素子９の表面に形成され、これら全ての電極を合わせて１組の電極パターンを形成している。
　以下に振動アクチュエータ１２の回転及び直動動作について説明する。
　略正弦波状に発生した電圧が、前記パターン状の電極１０に順次印加されるが、印加される順序を変えることにより、出力軸３は直動方向（図中矢印Ｍおよびその逆方向）に、または回転方向（図中矢印Ｐ及びその逆回転方向）に動作することができる。
　出力軸３に図３及び図４中の記号Ｍ方向に直動させる場合は、電圧を先ず第１に、電極Ｂ１、Ｅ１の２個の電極に印加し、第２には、電極Ｂ２、Ｅ２の２個の電極に印加し、第３には、電極Ｂ３、Ｅ３の２個の電極に印加する。その次に再び第１に印加したＢ１、Ｅ１の２個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子２８に矢印Ｎ及び矢印Ｏ方向に回転進行波が発生し、この２つの回転進行波が出力軸３に矢印Ｍ方向に直動させる。
　次に、これら電圧の繰り返し印加する方向を逆にし、具体的には、第３→第２→第１→第３の方向にすると、出力軸３は図４中矢印Ｍとは逆方向に直動する。
　次に、出力軸３を回転させる場合は、電圧を先ず第１に、電極Ａ２、Ｄ２の２個の電極に印加し、第２には、電極Ｂ２、Ｅ２の２個の電極に印加し、第３には、電極Ｃ２、Ｆ２の２個の電極に印加し、その次に再び第１に印加したＡ２とＤ２の２個の電極に印加し、これを繰り返す。これにより可振子２８には図中矢印Ａと矢印Ｂの進行波が発生し、この進行波により出力軸３は矢印Ｐ方向に回転する。
　これら電圧の繰り返し印加する方向を逆にすると、出力軸３は図４中矢印Ｐとは反対方向に回転する。
　この実施形態３においては、圧電素子９が可振子８の全ての外周面及び側面にも貼り付けられており、多数枚の圧電素子で強い進行波が発生できる。
　本発明によれば、出力軸に回転および直動運動を１個で行うコンパクトなアクチュエータが得られる。また、振動伝達効率が高く、また内視鏡用の円筒状チューブ内等に組み込んでも振動が阻害されず安定した出力が得られる。
　尚、出力軸３の穴３ａの直径は０．２～０．５ｍｍ（ミリメートル）あり、光ファイバー１の直径より十分大きくしているため、光ファイバー１が穴３ａに接触することはなく、仮に軽く接触しても摩耗粉が発生するほどではない。また、回転摩擦トルクが変動する問題もない。
　尚、図１に示される出力軸３は、金属またはセラミックスからなり、溶融金属を金型による引き抜き加工か、または焼成前のセラミックス材料を金型による押し出し加工で中空に成形され、硬化処理後に研磨加工する方法等により仕上げ加工される。
　尚、可振子８はバネ性を有し、かつ圧電素子９との線膨張係数の差が大きくない事が望まれるため、ステンレス鋼、またはジルコ二アセラミックス等により加工される。
　尚、スリット部８ｂを有する可振子８は必ずしも一体構造である必要はなく、例えば鋼の薄板を多数枚積層して構成しても良い。
　本発明によれば回転及び直動運動を１つの振動アクチュエータが行うので、コンパクトであり、発生する力が安定化することができる。また、内視鏡装置等のカテーテル内で光ファイバーが相対的な回転をさせないので擦れる事がなく、回転伝達遅れやトルクの変動が無く、内視鏡の良好な３次元画像が得られる。
　本発明の振動アクチュエータは，近年急速に進歩する、ＯＣＴ式内視鏡システムに用いられる３次元走査型光イメージング用プローブ等において、小型でありかつ回転および直動方向の動作力が十分に得られる。特に内視鏡等のチューブに組込んでも振動が吸収または阻害されないので安定した性能を提供することができる。また、内視鏡以外にも工業用マイクロロボットのハンド等に組み込む事で，小型で大きい駆動力を得ることができる。
１　光ファイバー
２　集光レンズ
３　出力軸
３ａ　穴　
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ　光路変換手段　
５ａ、５ｂ　光ファイバークランプ
６　チューブ（カテーテル）
７ａ、７ｂ　軸受
８、１８　可振子
８ａ　摺動穴
８ｂ、１８ａ　スリット部　
９　圧電素子
１０　パターン電極
１１ａ、１１ｂ　電線
１２　アクチュエータ
１３ａ、１３ｂ　光線
１４ａ、１４ｂ　固定側センサー
１４ｃ　　移動側センサー　
１６　透光部

Claims (3)

  1. 　振動により出力軸が運動する振動アクチュエータにおいて、
    　略多角柱状の可振子はその略中心軸上に穴を有し、
    　前記穴に放射状に伸びるスリット部を有し、
    　前記穴に前記出力軸が挿通され、
    　前記可振子の外周面のなかで、前記出力軸と平行な面の少なくとも１つの面に、第１の振動子が貼り付けられており、
    　前記第１の振動子が貼り付けられている面の対向面に、第２の振動子が貼り付けられており、
    　前記第１の振動子と、前記第２の振動子とは、各々パターン電極を有しており、
    　前記パターン電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、前記出力軸に、回転および軸方向の変位を与えることを特徴とする振動アクチュエータ。
  2. 　前記可振子の前記穴の有る側面に、パターン電極を有する第３の振動子が貼り付けられており、前記第１の振動子及び前記第２の振動子及び前記第３の振動子の前記パターン電極の電極パターンに順次電圧を印加する事で可振子に進行波を発生し、前記出力軸に、回転および軸方向の変位を与えることを特徴とする請求項１記載の振動アクチュエータ。
  3. 　前記振動子は、圧電素子又は電歪素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の振動アクチュエータ。
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