JP4989186B2 - 超音波モータ及びこれを用いた電子機器 - Google Patents

Description

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、特にカテー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。

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。

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挿入可能なカテーテル等への応用が期待されている。
WO2005/114824号公報

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く、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い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った。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。

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。

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。

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ルクは大きくなる。

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。

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。

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ルクは大きくなる。

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。

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。

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ー一周内に生じる振動波の波数に等しくする。

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。

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挿入する第二の工程と、第二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。

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、第一の工程に続いて移動体の先端をステータの内周部に挿入する第二の工程と、第二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。

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。

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。

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。

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。

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ができる。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。

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。

（実施の形態１）
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１ａ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１ａ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、から構成されている。

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１ａに伝送される。振動波の伝達によってステータ１ａ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によって行われる。

ステータ１ａ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い。

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１ａ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２０ｂ、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）が細くなっており、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１ａに入射されるとステータ１ａ（コイル）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くくワイヤーが長くなっても振動発生装置６からステータ１ａ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。

ところで、ステータ１ａ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１ａ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１ａの外形Ｄ3より小さい。しかしながらステータ１ａを径方向に小さくなるように弾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１ａ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１ａ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１ａ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１ａを挿入することによりステータ１ａの径は縮められ、移動体２の内径部２ｄに収まる。

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1ａ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１ａ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１ａの摩擦力は確保され、安定に駆動される。

（実施の形態２）
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１００との違いを説明する。

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１ａが配置されていたが、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の内径部に挿入する。ステータ７aは径方向に縮まろうとするからステータ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が設けられている。このテーパ部８ａからステータ７ａを挿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の内径部に収まる。

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ー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いる。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が、この様な移動体9の構造とすることで振幅が最も大きく、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。従っ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。

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の周方向位置におい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。

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。

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が、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。

（実施の形態３）
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１ａを配置するタイプの超音波モータの組み立て方法について説明する。第一の工程（図6（ａ））では移動体１１の回転中心軸Ｌ1とステータ１ａ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１ａ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１１ａの先端にステータ１ａの先端を挿入する。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１ａ中心軸Ｌ2とを合わせることで、ステータ１ａの先端全体が移動体１１の内周部１１ａ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１ａ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１ａを矢印Ｐの方向に押し込む。この際、ステータ１ａ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１ａ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１ａ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１ａ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い。

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７ａ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の先端を挿入する。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Ｐ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。

（実施の形態４）
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１ａとその外周部に配置された移動体１１と、移動体１１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１ａ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。

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に固定されている反射鏡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が、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。

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く、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く、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。

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。

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。 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。 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。 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。 本発明の実施の形態２の移動体の構成を示す図である。 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。 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。 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。

符号の説明

１ ワイヤー
１ａ、１０ ステータ
２、８、９、１１ 移動体
６ 振動発生装置
４、１８ 案内部材
５、１９ 移動規制部材

Claims (12)

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ー一周内に生じる振動波の波数に等しい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挿入する第二の工程と、前記第二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いて前記移動体の先端を前記ステータの内周部に挿入する第二の工程と、前記第二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。

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