(57)【要約】【課題】円筒形状をなし振動体先端周方向に一定の振動変位分布があらわれる超音波モータに対し、一定間隔で突起を設けることにより、モータ効率と回転速度を向上させる超音波モ−タの提供。【解決手段】上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４から構成される振動体１と、振動体１の先端で上下対称に設けられた突起１１と、振動体１を支持固定する支持部材８と、突起１１と接触し移動する移動体５と、振動体１と移動体５とに加圧力を与える加圧部材６と、移動体５の回転力を取り出す回転軸７と、回転軸７の回転運動を支えるベアリング９と、以上の部材を封入するケース１０からなる超音波モータとする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦振動と捻り振動とをする略円筒形状をなす振動体により、前記振動体の端面と接する移動体を移動させる超音波モータにおいて、前記端面の振動変位分布に対して、前記端面の周方向に一定間隔で突起を有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項２】
請求項１記載の超音波モータにおいて、前記突起は前記端面の周方向の振動変位分布の最大変位の位置に設けられていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項３】
請求項１記載の超音波モータにおいて、前記突起は、前記端面の周方向の振動変位分布の最大変位と最小変位の位置とは異なる位置に有することを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の超音波モータにおいて、前記振動体には９０度より小さい角度を有する溝が設けられていることを特徴とする超音波モータ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波モータにおいて、前記突起は、前記振動体の二つの端面で対称に設けられることを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の超音波モータにおいて、前記突起の数は、前記振動体に設けられた溝の数と同数であることを特徴とする超音波モータ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の超音波モータを用いたことを特徴とする超音波モータ付電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小径で、高効率な超音波モータ及びそれを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータは、圧電材を用いているため応答性が高く、電磁モータのように磁石等を用いていないため磁気ノイズを発生しづらいという特徴を持つ。そして、小型化しても高トルクなため、用途として内視鏡やカテーテル、配管検査用機器の内部の駆動源としても期待されている。
【０００３】
従来の超音波モータの構成例として、図４を用いて述べる。図４（ａ）は、従来の円板型超音波モータの構造を示す概略図である。図４（ｂ）は、従来の円板型超音波モータの振動体１の上面を示す概略図である。
【０００４】
従来の円板型超音波モータは、下面には圧電素子４を接着し、上面には突起１１を設けた振動体１と、突起１１と接触する移動体５と、移動体５に備えられた軸受１８と、移動体５と一体化されたピボット１６と、ピボット１６に対し加圧を供与する加圧部材６、そして加圧部材６を固定する固定部１７からなる。従来の円板型超音波モータは振動体１に、例えば６本の突起１１を一定間隔で設け、円板の厚み方向の曲げ振動により突起が傾く。この際、加圧部材６からの加圧力により突起１１と移動体５には、摩擦力がはたらくため移動体５を回転する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２２５６８号公報（第４−５頁、第１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す超音波モータは、円板形状をなしており、また構造も単純であるため薄型化が可能である。しかしながら、高トルクを得るためには径方向を大きくする必要があった。そのため、内視鏡のセンサー等をダイレクトに駆動させるよう高トルク、高速度が必要で、細い径の必要な用途へは不向きであった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、円筒形状をなす超音波モータにおいて、超音波モータの要素部品である振動体に突起を設け、そしてその位置を特定することにより、モータ効率を向上させ、さらには回転速度の高い超音波モータを提案することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、超音波モータの回転を安定に且つ回転速度を増大させる突起とそれを配置する位置を提案することを目的とする。
【０００９】
本発明の第１の態様は、縦方向の変位と共に捻り方向の変位とを有する振動を励起する略円筒形状をなす振動体により、振動体の端面と接し、移動体を移動させる超音波モータにおいて、振動体先端の周方向の振動変位分布に対して、一定間隔で突起を有することを特徴とする超音波モータにある。
【００１０】
これによれば、振動体先端の周方向の振動変位分布に対し、一定間隔で突起を設けるため、移動体と接する部分が一定となるとともに、希望の振動変位成分のみを移動体に伝達できるため、モータ効率を向上させることが可能となる。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、突起は端面の周方向の振動変位分布の最大変位の位置に設けられていることを特徴とする超音波モータにある。
【００１２】
これによれば、超音波モータの振動体において、第１の態様の効果に加え、最大変位のみを移動体に伝えることができるため、速度の向上とともにさらに、モータ効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１の態様において、突起は、端面の周方向の振動変位分布の最大変位と最小変位の位置とは異なる位置に有することを特徴とする超音波モータにある。
【００１４】
これによれば、超音波モータの振動体において、突起を端面の周方向の振動変位分布の最大変位と最小変位の途中の位置に配置することにより、前述の効果に加え、突起は振動体の捻り方向に傾くため、捻り方向の変位が増大され、移動体の捻り方向の周波数一サイクルあたりの移動量が増大し、超音波モータの回転速度を上げることが可能となる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第１から３のいずれかの態様において、振動体には９０度より小さい角度を有する溝が設けられていることを特徴とする超音波モータにある。
【００１６】
ここで、９０度より小さい角度とは、円筒形状をなす振動体の高さ方向をＺ軸とし、挟まれている圧電素子のある面方向をＸ面とすると、Ｘ−Ｚ座標系においてＸ面を起点（０度）とし、そこからＺ軸（９０度）へ向かう間の角度を９０度より小さい角度と定義する。そして、その９０度より小さい角度を有する溝を設けることにより、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を効率よく発生することができ、振動体端部に移動体を接触させることにより、移動体を移動させることが可能である。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第１から４のいずれかの態様において、突起は、振動体の二つの端面で対称に設けられることを特徴とする超音波モータにある。
【００１８】
これによれば、突起は二つの端面で対称に設けるため、縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動の近傍の周波数で、不要な振動モードが発生するのを防ぐことが可能である。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第１から５のいずれかの態様において、突起の数は、振動体に設けられた溝の数と同数であることを特徴とする超音波モータにある。
【００２０】
これによれば、振動体先端の周方向では溝の数と同じ数の振幅のピークを有する振動変位分布があらわれるため、突起の数を溝の数と同数とすることで同一振幅の振動変位を移動体に伝えることができる為、モータ効率を向上させることが可能である。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第１から６のいずれかの態様の超音波モータを用いたことを特徴とする超音波モータ付電子機器にある。
これによれば、本発明に係る超音波モータ付電子機器は、第１から６のいずれかの態様の超音波モータを用いているため、小径で回転効率が高く、また大きな回転速度を有するアクチュエータを必要とする電子機器への応用が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明を適用した実施の形態１について、図１、図２、図６、図７、図１０を用いて説明する。
【００２３】
図２は、実施の形態１に係る超音波モータの振動体を示す図である。
【００２４】
振動体は例えば、図２Ａに示すように、円筒形状をなす上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた、例えば矩形形状をなす圧電材４からなる振動体１で構成される。上部弾性材２と下部弾性材３には縦振動を捻り振動に変換する溝１２が、９０度よりも小さい角度で設けられている。ここで、９０度より小さい角度とは、円筒形状をなす振動体の高さ方向をＺ軸とし、挟まれている圧電素子のある面方向をＸ面とすると、Ｘ−Ｚ座標系においてＸ面を起点（０度）とし、そこからＺ軸（９０度）へ向かう間の角度を９０度より小さい角度と定義する。そして振動体１の先端面の縁に沿って、上下共に一定間隔で突起１１を設ける。
【００２５】
図２Ｂは圧電材４に電圧を印加して励振される振動モードの例として、縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動の振幅の分布を示す。中央を節として先端部分は変位が最大となる。先端では縦方向変位、捻り方向変位もいずれも最大となる。そして、先端に移動体（図示略す）を接触させることにより、摩擦力により移動体（図示略す）を矢印方向へ移動させる。
【００２６】
図６は、実施の形態１に係る超音波モータを示す斜視図である。
【００２７】
振動体は図６に示すように、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４からなる振動体１で構成される。上部弾性材２と下部弾性材３には縦振動を捻り振動に変換する溝１２が、９０度よりも小さい角度で設けられている。そして振動体１の先端には上下共に一定間隔で突起１１を設ける。溝は例えば４本設ける。突起１１は、振動体１の先端周方向に一定間隔で４箇所設ける。
【００２８】
図１０は、実施の形態１に係り、一定間隔で、振動変位分布の最大部に突起がある場合を示す図である。
【００２９】
図１０（ａ）の波状のグラフは、図２に示す振動体１に、例えば縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動を励起したときの振動体１の先端での振動変位分布を示している。グラフは振動体１の先端に生じる振動体１先端の高さ方向の変位を縦軸に示しており、周方向に展開した位置を横軸にとっている。
【００３０】
また、図１０（ｂ）には弾性体の側面を周方向に展開し、溝１２の位置と図１０（ａ）に示した振動分布の位置の関係を示している。
【００３１】
溝数としては、振動体１には上部弾性材２、下部弾性材３のそれぞれ対称な位置に４箇所溝が設けてある場合で、実験により振幅最大位置は溝の位置に対応してあらわれることが確かめられている。また、大矢印は、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動が励起されたときの移動体の移動方向をあらわしている。
【００３２】
そして、縦軸の波の最大の振幅の位置を最大変位部分とすると、その最大変位部分で、一定間隔で突起１１を設けた場合、突起はすべて同じ動作で一点で移動体に接触するため、接触点を一定にでき、モータ効率を向上させることができる。
【００３３】
突起は、振動体を作製後、矩形状に加工した耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチックを接着剤等で後から取り付けても良いし、振動体先端部を切削加工により振動体と一体で作製しても良い。
【００３４】
また振動体は、圧電材に電圧を印加することにより振動を励起されるもので、振動体全体を圧電材に、もしくは一部を圧電材にしたものどちらでも良い。
【００３５】
また圧電材としては、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等を用いる。
【００３６】
また、振動体１の先端に生じる振動体１の高さ方向の振動変位分布の最大変位と最小変位をなす一定間隔の位置の間に突起１１を設けた場合は、移動体との接触点を一定にすることができ、またその接触点は所望の回転方向とは違う動きをしてしまう振動変位の影響を受けないため、モータの回転効率を向上させることが可能である。
【００３７】
図７は、実施の形態１に係る超音波モータの別の例を示す斜視図である。
【００３８】
振動体は図７に示すように、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４からなる振動体１で構成される。上部弾性材２と下部弾性材３には縦振動を捻り振動に変換する溝１２が、９０度よりも小さい角度で設けられている。そして振動体１の先端には上下共に一定間隔で突起１１を設ける。図６の振動体と異なり、溝を例えば８本設けている。この場合、振動体先端に生じる振動変位分布で波数としては８つあらわれる。
【００３９】
振動体１の先端に生じる振動体１の高さ方向の振動変位分布の最大変位をなす一定間隔の位置に突起１１を設けた場合、前述の溝及び突起の数が４本の場合と同様に、接触点を一定とすることが可能であるため、モータ効率を向上させることが可能となる。
【００４０】
図１は、実施の形態１に係る超音波モータの全体構成を示す図である。
【００４１】
実施の形態１に係る超音波モータは、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４から構成される振動体１と、振動体１の先端で上下対称に設けられた突起１１と、振動体１を支持固定する支持部材８と、突起１１と接触し移動する移動体５と、振動体１と移動体５とに加圧力を与える加圧部材６と、移動体５の回転力を取り出す回転軸７と、回転軸７の回転運動を支えるベアリング９と、以上の部材を封入するケース１０からなる。
本実施の形態に示したように、振動体に９０度より小さい角度で設けた溝により、縦方向と共に捻り方向の変位を有する振動を効率よく励振することが可能である。
【００４２】
また、上下対称な形状とすることにより、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動の近傍の周波数で、不要な振動モードが発生するのを防ぐことが可能である。それにより、振動体の振動形状が変化するのを防ぎ、モータの回転効率を一定にすることが可能である。
【００４３】
また、突起を溝と同じ数にする。これによれば、振動体先端の周方向では溝の数と同じ振動変位分布があらわれるため、突起の数を溝の数と同数とすることで接触点を一定にし、モータ効率を向上させることが可能である。
（実施の形態２）
以下、本発明を適用した実施の形態２について、図３、図５を用いて説明する。
【００４４】
図３は、実施の形態２に係り、一定間隔で、振動変位分布の最大部と最小部の間に突起がある場合を示す図である。
【００４５】
図３の波状のグラフは、図２に示す振動体１に、例えば縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動が励起されたときの、振動体１の先端での振動変位分布を示している。溝数は、振動体１には上部弾性材２、下部弾性材３のそれぞれ対称な位置に４箇所溝が設けてある場合である。グラフは振動体１の先端に生じる振動体１先端の縦方向の変位を縦軸に示しており、周方向に展開した位置を横軸にとっている。
【００４６】
そして、振動変位分布の最大の振幅の位置を最大変位部分とし、また、振動変位分布の最小の振幅の位置を最小変位部分とし、最大変位部分と最小変位部分の間に突起１１を設けると、突起１１の運動の軌跡は、移動体に接触するときには捻り運動の捻り方向に傾く。つまり、最大変位部分と最小変位部分の間に突起１１を設けることにより、モータの回転効率を向上させる上、移動体の水平方向移動成分を増大させ、超音波モータの回転速度を増大させることが可能となる。
【００４７】
図５は、実施の形態２に係り、等間隔で先端での振動変位分布の最大部と最小部の間に突起がある場合での、超音波モータの振動体の接触部分での変位ベクトル例を示している。
【００４８】
図５Ａは、突起１１無しの場合での、振動体の移動体と接触する部分での変位ベクトル例をあらわす。図５Ｂは、突起１１を設けた場合での、振動体の移動体と接触する部分での変位ベクトルを示す。図５Ａに示す突起１１無しの場合と比べて、突起１１が傾く分だけ、捻り方向成分が増大し、移動体に与える回転量を増大させることが可能である。
【００４９】
以上、実施の形態２にかかる超音波モータは、突起を振動体の先端の振動変位分布に対し、最大変位と最小変位の間に配置することにより、突起が共振時に振動体の捻り方向に傾くため、捻り方向の変位が増大され、移動体の周波数一サイクルあたりの移動量が増大し、超音波モータの回転速度を上げることが可能となる。
（実施の形態３）
以下、本発明を適用した実施の形態３について、図８、図９を用いて実施の形態１及び２で説明した超音波モータを用いた電子機器を説明する。
【００５０】
図８は、実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図で、管内壁面を観察するための内視鏡の例を示す。
【００５１】
実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器は、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４から構成される振動体１と、振動体１の先端で上下対称に設けられた突起１１と、振動体１を支持固定する支持部材８と、突起１１と接触し移動する移動体５と、振動体１と移動体５とに加圧力を与える加圧部材６と、移動体５の回転力を取り出す回転軸７と、回転軸７の回転運動を支えるベアリング９と、以上の部材を封入するケース１０、そして、回転軸７先端に設けられたミラー１３と、ミラー１３と対向する位置に配置されたオプティカルファイバー１４からなる。
【００５２】
オプティカルファイバー１４内部では、超音波信号が伝達され、ミラー１３に反射させ、再度帰還させることにより、壁面の様子を得るものであり、超音波モータを用いてミラー１３を回転させて、管内の一周をモニタリングする構成となっている。
【００５３】
本実施の形態では、実施の形態１もしくは２の超音波モータを用いている。それにより、モータ効率がよく、また、超音波モータの回転変動を抑え、回転速度を上げることが可能であるため、正確かつ高速にリアルタイム画像の取得が可能となる。
【００５４】
図９は、実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図で、体内の胆石等を粉砕するカテーテルの例を示す。実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器は、上部弾性材２と下部弾性部材３とそれらに挟まれた圧電材４から構成される振動体１と、振動体１の先端で上下対称に設けられた突起１１と、振動体１を支持固定する支持部材８と、突起１１と接触し移動する移動体５と、振動体１と移動体５とに加圧力を与える加圧部材６と、移動体５の回転力を取り出す回転軸７と、回転軸７の回転運動を支えるベアリング９と、以上の部材を封入するケース１０、そして、回転軸７先端に設けられた錐部材１５からなる。錐部材１５は、例えば金属からなり、円錐形状にドリルのように溝が切ってある。
【００５５】
振動体１の振動により移動体５が回転し、移動体５の回転力が回転軸７を通して回転軸７の先端の錐部材１５が回転する。それにより例えば、人体の中の胆石を粉砕する等の機能を持たせることが可能となる。
【００５６】
回転速度を向上させることにより、胆石等を削る速度を向上させることが可能となり、手術時間の短縮や患者への負担の低減等も可能となる。
【００５７】
以上、実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器は、実施の形態１もしくは実施の形態２の超音波モータを用いているため、小径でモータ効率も良く、また高回転速度を必要とする電子機器への応用が可能となる。
【００５８】
【発明の効果】
以上により、本発明を適用した超音波モータは、縦振動と捻り振動する振動体により、移動体を移動させる超音波モータにおいて、先端周方向の振動変位分布に対して、一定間隔で突起を設けているので、突起はすべて同じ動作で移動体に一点で接触するため、モータ効率を向上させることが可能である。
【００５９】
また、突起を先端周方向の振動変位分布の最大変位の位置に設けた場合には、接触位置が一定となり、回転方向を安定させ、回転効率を向上させる事が可能となる。
【００６０】
また、突起を先端周方向の振動変位分布の最大変位と最小変位の途中に設けた場合には、捻り方向の変位が増大され、移動体の捻り方向の周波数一サイクルあたりの移動量が増大し、超音波モータの回転速度を上げることが可能となる。
【００６１】
また、突起は上下対称に設けるため、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動の近傍の周波数で、不要な振動モードが発生するのを防ぐことが可能である。それにより、振動体の振動形状が変化するのを防ぎ、モータの個々のばらつきや、特性変動の少なくすることが可能である。
【００６２】
また、振動体に９０度より小さい角度で溝を入れることで、縦方向の変位と共に捻り方向の変位を有する振動を起こすことが可能で、移動体と接触させることで、移動体を回転させることが可能である。
【００６３】
また、突起の数を溝の数と同数とする。これによれば、振動体先端の周方向では溝の数と同じ数の振幅のピークを有する振動変位分布があらわれるため、突起の数を溝の数と同数とすることで同一振幅の振動変位を移動体に伝えることができる為、モータ効率を向上させることが可能となる。
【００６４】
また、本発明での超音波モータを用いることにより、小径でモータ効率も良く、安定した回転速度が必要で、また高速な回転速度を求められる電子機器、例えば内視鏡やカテーテル等の医療機器や、配管等の検査機器への応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る超音波モータの全体構成を示す図である。
【図２】実施の形態１に係る超音波モータを示す図である。
【図３】実施の形態２に係る超音波モータの突起の位置を示す図である。
【図４】従来の超音波モータの構成を示す図である。
【図５】実施の形態２に係る超音波モータの振動体の変位ベクトル例を示す図である。
【図６】実施の形態１に係る超音波モータを示す斜視図である。
【図７】実施の形態１に係る超音波モータを示す斜視図である。
【図８】実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図である。
【図９】実施の形態３に係る超音波モータ付電子機器の構成例を示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る超音波モータの突起の位置を示す図である。
【符号の説明】
１  振動体
２  上部弾性材
３  下部弾性材
４  圧電材
５  移動体
６  加圧部材
７  回転軸
８  支持部材
９  軸受
１０  ケース部材
１１  突起
１２  溝
１３  ミラー
１４  オプティカルファイバー
１５  錐部材
【図１】
2004304910.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004304910.tif 000006
【図５】
2004304910.tif 000007
【図６】
2004304910.tif 000008
【図７】
2004304910.tif 000009
【図８】
2004304910.tif 000010
【図９】
2004304910.tif 000011
【図１０】
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