(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と弾性体からなる振動体を有し、該振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータにおいて、前記振動体は径方向に張り出し部を有し、該張り出し部はケーシングの内壁面と協働して前記振動体の径方向変位を規制して軸方向変位を可能とするとともに、軸方向断面形状と協働して前記振動体の回転止めとして機能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、前記振動体の第１の端面と前記ロータの面は前記ケーシングの端部と前記振動体の第２の端面の間に配置された弾性部材によって圧接関係が確保され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、前記張り出し部は前記ケーシング内に設けられた弾性部材による圧力を支えることで前記ロータと前記振動体とを圧接することを特徴とする超音波モータ。
【請求項４】
圧電振動子と弾性体からなる振動体を有し、該振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータにおいて、前記振動体は径方向に張り出し部を有し、該張り出し部はケーシングの内壁面と協働して前記振動体の径方向変位を規制し、軸方向変位を可能とするとともに、前記振動体はロータと反対側端部において回転止め機構により、前記ケーシングに対して回転止めがなさ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ないし４のいずれかに記載の超音波モータにおいて、前記張り出し部に延在する電極に直接駆動電圧を印加することを特徴とする超音波モータ。
【請求項６】
前記振動体の端部では該振動体と前記ロータの少なくとも一方が接触部材との枢着関係によって、軸芯位置が決められることを特徴とする請求項1乃至５のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項７】
前記張り出し部は圧電振動子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項８】
圧電振動子と弾性体からなる振動体を有し、該振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータにおいて、前記圧電振動子は前記弾性体から径方向に張り出す張り出し部を有し、該張り出し部はケーシングの内壁面に設けた段部に係合、もしくは固定されることを特徴とする超音波モータ。
【請求項９】
圧電振動子は板状の圧電素子を矩形にカットしたものであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の超音波モータ。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかに記載の超音波モータを駆動源として配置し、該超音波モータの動力によって適宜の作業を実行させることを特徴とする超音波モータを備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器等に組み込まれる超音波モータの小型化に関する技術、特にその構造上の改良技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波モータには様々なタイプのモータがあるが、高出力が要求される用途には、圧電素子の両面を棒状の弾性体で挟み込んだ構成からなる、いわゆるランジュバン型の振動体を用いた超音波モータが知られ、利用されている。このランジュバン型の超音波モータは、圧電素子からなる圧電振動子の両側でロッド状の弾性体に挟持される形態を採るものであるため、形状はロッド状となるのが一般的である。そしてこのロッド型の超音波モータの駆動方式には縦振動子とねじり振動子を備え、縦１次振動とねじり２次振動とが組合されてロータが駆動されるものの他に、圧電振動子としては縦振動子のみを用い弾性体に螺旋方向の切欠き部を設け、前記圧電振動子によって励振される弾性体に捩じれ振動を誘起させてロータを駆動させる方式のものがある。また、圧電振動子により振動体に二つの位相の異なる屈曲振動を誘起させて駆動させる方式がある。
【０００３】
このランジュバン型の超音波モータは、棒状の振動体を両側にして圧電素子を挟むと共に該圧電素子に給電のための電極板が必要である。さらに、該圧電素子の端部において、ロータは前記振動体と圧接させた状態を保ちつつ該ロータの回転力を外部に取り出すことが必要である。そのため、この種超音波モータの支持構造並びに導通構造は複雑となってしまい、今以上の小型化は困難なものとなっている。
【０００４】
この種のランジュバン型の超音波モータとしては、例えば実開平５−２５９９２号に提示されたものがある。ここに提示されたものは図５に示すように、円柱状のステータとロータ２８が中心軸３０で連設されてなる超音波モータ１６とパイプ１２とホルダ１４を有する。そして、該超音波モータの支持構造１０は、超音波モータ１６をパイプ１２の内部に格納し、パイプ１２の端部をホルダ１４に回転自在に装着してなるものである。支持体３６は、中心軸３０の一端からねじり振動モードの節部にまで穿孔された中空部に遊挿され、該支持体３６の先端が中空部の底部に固着されている。支持体３６のもう一方の端面は、ホルダ１４の内側面に取り付けられ、ロータがパイプの内面に固定された構造となっている。
【０００５】
この考案のものは、節部にまで穿孔する中空部の加工と、支持体の先端と中空部の底部とを固着させる必要がある。また、ロータとパイプとの連結や、図示されていないが圧電素子への給電など構造上加工が複雑となるため、これ以上の小型化は難しく、また強いて小型化しようとすると支持や加圧、導通をとる部分の構造に無理がかかり、エネルギーロスを生じる恐れがあった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、圧電振動子と弾性体からなる振動体を有するロッド型の超音波モータにおいて、無理がかからない支持や加圧、導通構造を提供して更なる小型化を可能とする超音波モータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波モータは、圧電振動子を挟んで両側に弾性体を有する振動体の振動によりロータを駆動するロッド型超音波モータであって、前記圧電振動子は前記振動体の径方向に張り出し部を有するものであることにより、該張り出し部は、ケーシングの軸方向断面形状と協働して前記振動体の回転止めとした。そして、該張り出し部は、ケーシングの内壁面と協働して前記振動体の径方向変位を規制する部材として機能するようにした。また、該張り出し部は、ケーシングの内壁段部と協働して前記ケーシングの端部に配置された弾性部材による圧力を支える部材として機能するようにさせた。
【０００８】
また、本発明は、圧電振動子として板状の圧電素子を矩形にカットしたものを使用するものとした。該圧電振動子は、圧電素子の両面に形成させた蒸着膜を電極とすると共に、前記振動体の径方向に張り出し部を有し、該張り出し部において駆動電圧を印加するリード線を直接接続するようにした。また、振動体の端面と前記ロータの面は、ケーシングの端部に配置された弾性部材によって圧接関係が確保されるようにする構成を採用した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、圧電振動子と弾性体からなる振動体を有するロッド型の超音波モータにおけるロッド状の振動体に、径方向張り出し部を設けることによって振動体とロータの支持構造や振動体とロータ間の加圧機構、圧電振動子電極との導通構造を簡素化し、もって該モータの小型化を実現するものである。
【００１０】
図１は、本発明を代表する形態のステータ（振動体）２０部分を示したものである。圧電振動子としては厚み方向に分極された圧電素子１のみを用い、弾性体２の表面に螺旋方向の切欠き溝２１を設け、前記圧電振動子１によって励振される厚み方向変位が、弾性体２内において縦振動と捩じれ振動の合成された振動を誘起させ、該振動によって弾性体２の端面に接触するロータ（図示せず）を駆動させる方式のものである。
【００１１】
ステータ（振動体）２０部分の弾性体２には、圧電振動子１によって軸方向に定在波が生じるように設計されている。該弾性体２に切欠き２１が存在すると、特にその定在波の節の部分に存在すると、その部分で大きなせん断力が作用して縦振動が捻り合成振動に変換される。
【００１２】
本発明の超音波モータの特徴は、圧電振動子１の断面積（軸方向に直交する）を弾性体２の断面積（軸方向に直交する）よりも大きくとることにある。そして、該圧電振動子の両面に金属などを蒸着することによって薄膜形成し、電極１１とする。このような構成をとることによって、本発明のステータは、特別の支持部材を必要とすることなく、前記断面の大きな圧電振動子１の周面がケーシングの内面と当接する関係によって、該ケーシング内において軸芯位置を決め、保持することができる。そして、この圧電振動子１の断面形状を、図１に示されるように矩形とすると、断面が矩形のケーシングと組み合わせてそのままで回転不可に保持され、断面形状を円形にすると、断面が円形のケーシングと組み合わせてそのままで回転可能な形態で保持される。
【００１３】
また、両側から弾性体２によって挟持される圧電振動子１の電極１１は、断面が大きいことにより蒸着面の一部が弾性体２から露出されるので、その部分（以下、これを張り出し部と呼ぶ。）に直接リード線５を接続することができる。従来の構造では、圧電素子への表裏面に設けられた電極が弾性体との接合により隠れてしまうため、金属板等を圧電素子と弾性体との間に入れ、外部に端子を引出すことが必要であったところ、本発明では、露出した蒸着面に直接リード線を接続することが出来るため、構造を単純にし小型化を可能にすると共に、金属板と圧電振動子間、あるいは金属板と弾性体との間で生じる振動のロスを抑えることができる。また、圧電素子の径が従来よりも大きなものとなるため、モータの出力がその分大きくなるという利点が生じる。
【００１４】
次に、ステータとロータとの間の駆動力付与を実現するための加圧接触構造であるが、本発明はケーシング内においてスプリング等の弾性部材を特別の保持部材を用いることなく、単に介在させることで、軸方向にロータの面と弾性体２の端面とを軸方向に圧接させる形態を実現する。
【００１５】
以上の説明では振動体における張り出し部は圧電振動子であるものとして記載してきたが、弾性体の一部を張り出し部とする形態も可能である。なお、その場合は振動体に生じる定在波の節の部分であることが望ましい。
【００１６】
【実施例１】
本発明の実施例を図２を参照しながら説明するが、まず、Ａに示す実施例について説明する。
【００１７】
図２のＡに示される超音波モータは、圧電振動子１の張り出し部をケーシング４内に設けられている段部４１と係合させ、上部側の弾性体２の端面と一端側に駆動軸３１を一体的に有するロータ３の他端面が接触するように配置している。そして、ケーシング４の一端側に設けられた駆動軸３１を支承するラジアル軸受７との間にスプリング６を介在させた構造である。この例での段部４１は、ケーシング４の内壁面に突起を周状に設けるようにしたが、これに限らず下方部の内径を一様に狭く形成した段部であってもよい。
【００１８】
圧電振動子１として用いる圧電素子は、図１に示すような矩形形状とする。矩形とすることにより、板状の圧電素子をカットして使用できるので振動子の小型化や積層構造の圧電振動子が容易に製造出来るだけでなく、無駄な部分を出すことなく有効利用出来る。内面が矩形の断面であるケーシング内にステータを収納すると、ケーシング４の内面と圧電振動子１の外周辺が当接し、ステータ位置の芯が取れると共に、圧電振動子１が回転止めされた状態でケーシング４に保持される。なお、この回転止め機能だけを考えれば、必ずしも矩形に限定される必然性はなく、非円形の形状であればよいといえる。
【００１９】
圧電振動子１に所定周波数の駆動電圧が印加されると圧電素子が伸び縮みし、両側の弾性材料からなる弾性体２が縦振動を受け、軸方向の定在波が起き、弾性体２に設けられている傾斜溝２１の存在により縦−捻り合成振動に変換される。上部側の弾性体２の端面にはロータ３の端面がスプリング６の付勢力を受けて接触するように配置されているので、この弾性体２の縦−捻り合成振動は伸び動作時の捻れ方向の力をロータ３に伝達することになる。縮み動作時の逆方向捻れは縮み動作であるため振動体２の端面とロータ３の端面間の摩擦力が低くなって伝達し難いのである。このように両者間の摩擦力の増加減少に対応して１方向捻れ力が伝達されロータ３の回転駆動を生じることになる。この回転力は、駆動軸３１を介して外部に取り出される。
【００２０】
ところで、張り出し部とケーシングの段部とは接着剤等によって固着する形態をとることもできる。また、ケーシングについては矩形に限らず、本実施例における振動体２０、駆動軸３１、スプリング６の支持、固定機能を果たすものであれば、適宜の変形がとれる。
【００２１】
以上のように、本実施例によれば超音波モータの支持構造と加圧機構そして振動子へのリード線配線が単純化されているので、小型化することが容易である。
【００２２】
【実施例２】
図２のＢに異なる実施例を示す。この超音波モータの例は、ケーシング４内に段部を設けないで底部にスプリング６を設置して圧電振動子１の張り出し部の下面に当接させ、ステータを上方に押し上げて、上側の弾性体２の端面と接触しているロータ３をケーシング４の上端部に押圧する構造となっている。圧電素子は、先の実施例同様に矩形形状として、内面が矩形のケーシング内にステータを収納すれば、ケーシング４の内面と圧電振動子１の外周辺が当接し、ステータ位置の芯が取れると共に、圧電振動子１が回転止めされた状態でケーシング４に保持されることは同様である。
【００２３】
圧電振動子１に所定周波数の駆動電圧が印加されると弾性体２が縦−捻り合成振動を始め、その縦−捻り合成振動は伸び動作時の捻れ方向の力をロータ３に伝達する駆動動作も先の例と変わりはない。ただ、この実施例は、モータの長手方向寸法を短くすることが出来るメリットがある。この実施例も超音波モータの支持構造と加圧機構そして振動子へのリード線配線を単純化出来るので小型化することが容易である。
【００２４】
なお、ケーシングについては矩形に限らず、本実施例における振動体２０、駆動軸３１、スプリング６の支持、固定機能を果たすものであれば、適宜の変形がとれることは先の例と同様である。また、張り出し部についても圧電振動子ではなく、弾性体２に設ける形態も取れる。
【００２５】
【実施例３】
図２のＣに更に異なる実施例を示す。この超音波モータの例は、加圧手段として実施例２で用いたスプリング６に代えてゴム等の弾性材料を用いた点にある。この例は、ケーシング４内に段部を設けないで底部に弾性材料６’を設置して下方側弾性体２の下面に当接させ、ステータを上方に押し上げて、上側の弾性体２の端面と接触しているロータ３をケーシング４の上端部に押圧する構造となっている。圧電素子は、先の２つの実施例同様に矩形形状として、内面が矩形のケーシング内にステータを収納することにより、ケーシング４の内面と圧電振動子１の外周辺が当接し、ステータ位置の芯が取れると共に、圧電振動子１が回転止めされた状態でケーシング４に保持されることは同様である。
【００２６】
圧電振動子１に所定周波数の駆動電圧が印加されると弾性体２が縦−捻り合成振動を始め、その縦−捻り合成振動は伸び動作時の捻れ方向の力をロータ３に伝達する駆動動作も先の例と変わりはない。この実施例も超音波モータの支持構造と加圧機構そして振動子へのリード線配線を単純化出来るので小型化することが容易である。
【００２７】
なお、ケーシングについては矩形に限らず、本実施例における振動体２０、駆動軸３１、スプリング６の支持、固定機能を果たすものであれば、適宜の変形がとれることは先の例と同様である。また、張り出し部についても圧電振動子ではなく、弾性体２に設ける形態も取れる。
【００２８】
【実施例４】
図３に、更に圧電振動子１の断面形状を円形にした超音波モータの実施例を示す。図３のＡに斜視図で示すようなステータを円筒状のケーシング４に収納して超音波モータとしたものがＢに断面図で示してある。この例は、先の実施例３に示したものと同様、弾性材料６’によってステータとロータをケーシング４の他端面に押圧支持する形態である。圧電振動子１の外周面とケーシング４の内面とは図３のＢのｃ−ｃ部断面を示したＣから分かるように、円周面の接触となるので矩形の振動子のようにこの部分で回転止めの機能を持たせることは難しいが、振動体２０の径方向変位を規制する機能を備えている。ちなみに実施例３の矩形形状のものの断面はＤに示すようになっている。
【００２９】
この図３のＡ、Ｂ、Ｃで示す超音波モータの実施例では、弾性材料６’が下側弾性体２の端面を押圧する摩擦力によって回転止めの機能を果たしている。したがって、ステータの固定部分はこの下側弾性体２の端面ということになり、ロータ３が受ける回転力は先の例では上側弾性体２の捻れ力だけであったが、この実施例では、上側弾性体２の捻れ力と下側弾性体２の捻れ力との和が作用することになる。すなわち、両者の振動モードが完全に一致し位相が一致していれば、２倍の回転変位量を得ることが出来る。ただし、圧電素子を円形にカットすることの加工上の難しさが伴い、小型化をする上では好ましくない面がある。
【００３０】
また、この実施例では、ステータの軸芯位置を安定させるために上側弾性体２と下側弾性体２の端面中心部に軸孔２２を穿設し、上側の軸孔２２にはロータ３の中心に設けた軸３２を嵌合させるようにしている。下側の軸孔２２にはケーシング４底部中心に設けた軸４２を嵌合させるようにしている。要するに、この機構は、下側弾性体２の端面とステータ間、上側弾性体２とロータ間で接触相手部材との枢着関係によって、軸芯位置が決められる構成が採られている。下側弾性体２の端面がステータの固定部分となり、この例では弾性材料６’が下側弾性体２の端面を押圧する摩擦力によって回転止めの機能をもたせている。この回転止め機能をもたせる形態としては、それに限らず、弾性材料６’の両面を接着剤で固着するという形態や、下側の軸孔２２とケーシング４底部中心に設けた軸４２との嵌合を非円形とした形態でもよい。この実施例も超音波モータの支持構造と加圧機構、そして、圧電振動子へのリード線配線を単純化出来るので小型化することが容易である。
【００３１】
次に、本発明によって実現可能となった小型超音波モータを内視鏡に適用した応用例について、図４を参照しつつ説明する。
【００３２】
図４に示すように、内視鏡先端部内に本発明の超音波モータ１０を配設し、駆動軸３１にミラー８を取り付ける。内視鏡の管部にはオプティカルファイバー９が通されており、そのオプティカルファイバー９は、患部を照明するため光源からの光を導くと共にミラー８を介して写される患部の画像を体外に導く機能をもつものである。本発明の小型超音波モータ１０の駆動により、ミラー８は回転駆動され、血管内面や腸や臓器の内面を３６０度観察することができる。
【００３３】
ミラーに代えＣＣＤカメラを取り付けたり、超音波内視鏡への取り付け、手術用のメス等の駆動に用いたりといった内視鏡としての多様な使用の他、人の入れない空間内観察や細長い管であるカランの点検検査など、幅広い電子機器に内蔵させて使用することができる。本発明のランジュバン型超音波モータは、ロッド状形態で、更に小型化が可能であること、そして駆動力が大きいことから細さが求められる機器、内視鏡のように長尺の管状部材の先端に稼動部を備えた機器に適したものといえる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の超音波モータは、圧電振動子と弾性体からなる振動体を有し、該振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータであって、前記振動体は径方向に張り出し部を有するものであることにより、該張り出し部は、ケーシングの軸方向断面形状と協働して前記振動体の回転止めとして機能する。従って、振動体の回転止めとして別途の部材を準備する必要がない。
【００３５】
また、本発明の超音波モータは、ケーシングの内壁面と協働して前記振動体の径方向変位を規制する部材として、さらに、ケーシングの内壁段部と協働して前記ケーシングの端部に配置された弾性部材による圧力を支える部材として機能するものであるから、別途の部材を準備する必要がなく構造が簡単で小型化が容易である。
【００３６】
本発明の超音波モータは、圧電振動子と弾性体からなる振動体を有し、該振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータであって、前記振動体の端面と前記ロータの面は前記ケーシングの端部に配置された加圧手段によって圧接関係が確保されるものであるから、別途の部材を準備する必要がなく構造が簡単で小型化が容易である。そして、前記振動子は前記振動体の径方向に張り出し部を有し、該張り出し部がケーシングの内壁段部と係合させることにより、前記ケーシングの端部に配置された加圧手段による加圧機構をシンプルに実現することができる。
【００３７】
圧電振動子と弾性体からなる振動体を有し、該振動体の振動によりロータを駆動する超音波モータであって、前記圧電振動子は圧電素子の両面に形成させた蒸着膜を電極とすると共に、前記振動体の径方向に張り出し部を有し、該張り出し部において駆動電圧を印加するリード線を直接接続した構成を備えた本発明の超音波モータは、リード線を配線した金属板等からなる別途部材の電極を必要としないので構造が単純化され小型化を実現できる。
【００３８】
また、使用される圧電振動子として板状の圧電素子を矩形にカットしたものである本発明は、単純加工であるため小型化が容易であると共に積層構造を作りやすく、しかも加工時に無駄部分がでないので製造が効率的となる。
【００３９】
圧電振動子と弾性体からなる振動体を有し、下側弾性体の端部において前記ケーシングに対して回転止めがなされる本発明の超音波モータは、支持構造や加圧構造において別途の部材を準備する必要がなく構造が簡単で小型化が容易であると共に、ケーシングに対する固定部分が下側振動体の端部であることによりモータの回転駆動には上側振動体の捻れ振動だけでなく下側振動体の捻れ振動も寄与するメリットがある。この様に本実施例における振動体の支持方法はいずれの場合も振動体の支持部をいずれの方向にも固定するものではないから、支持部での振動ロスが小さく、特に小型化には有利である。
【００４０】
更に、ランジュバン型超音波モータは、もともとの形状がロッド状である上に本発明によって小型化が可能であること、そして駆動力が大きいことから、より細いものが求められる機器、例えば内視鏡のように長尺の管状部材の先端に稼動部を備えた機器に適したものといえ、この種の作業用電子機器の駆動源に広く採用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のステータ（振動体）の基本構造を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る超音波モータの実施形態例をＡ、Ｂ、Ｃに３例示す図である。
【図３】本発明に係る超音波モータの異なる実施形態例を示す図で、Ａはそのステータの基本構造を示す斜視図、Ｂは全体構成の断面図、ＣはＢにおけるｃ−ｃ部断面図、Ｄは比較断面図である。
【図４】本発明に係る超音波モータを内視鏡に組み込んだ例を示す図である。
【図５】従来技術を示す図である。
【符号の説明】
１    圧電振動子
２    弾性体
３    ロータ
４    ケーシング
５    リード線
６    スプリング
６’  弾性材料
７    軸受
８    ミラー
９    オプティカルファイバー
１０    超音波モータ
１１    電極
２０    ステータ（振動体）
２１    切欠き溝
２２    軸孔
３１    駆動軸
３２    軸
４１    段部
【図１】
0003836709.tif 000002
【図２】
0003836709.tif 000003
【図３】
0003836709.tif 000004
【図４】
0003836709.tif 000005
【図５】
0003836709.tif 000006