JP2005124394A - 電気モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 物体を２次元で又は２つの軸の周りで回転できる圧電モータを提供する。
【解決手段】 圧電モータはスライダ24を駆動するアクチュエータ26を有する。アクチュエータは正方形断面のスチールコアで、軸方向突出駆動先端28を有する。セラミック圧電要素40がコアの４側面に接着される。各圧電要素は一面を四分域40ａ〜40ｄで且つ他面をコアと接触する共通電極又はアース電極で覆われ、コアは共通電極を電気的結合する。アクチュエータは、対向圧電要素の対角線上で向き合う四分域を選択的に励起することにより先端をＸ方向又はＹ方向に駆動される。好ましいスライダはアクチュエータハウジングから伸びたアームに捕捉された球形ボールである。アクチュエータに働く予負荷スプリング34により駆動先端がボール24に押しつけられる。アクチュエータ動作によりボール24はＸ軸又はＹ軸の周りに回転し、単一モータと単一アクチュエータから２次元運動を生じる。
【選択図】 図２

Description

本発明は電気モータに係るものであり、特定すれば圧電セラミックを使った電気モータに係るものである。

線形運動もしくは回転運動をする圧電セラミックを使う圧電モータはよく知られている。磁石モータと同様、これらのセラミックモータは一つの次元だけで運動する、すなわち線形運動、線に沿っての前後の運動と、単一の軸もしくは線の周りで時計方向または反時計方向に回転する運動である。

しかしながら、ただ前後だけとか、時計方向もしくは反時計方向に回転と言う一次元だけよりももっと多くの次元で物体を動かしたいことが望まれることがある。以前は、そうするにはモータとギアとの複雑な構成を必要とした。

本発明の目的は２次元で物体を動かせる、すなわちｘ−ｙ方向で動かせる、もしくは２つの別々の軸の周りで回転させることのできる圧電モータを提供することである。

第１の観点から見れば本発明は、ロータ、アクチュエータ、このアクチュエータをロータに接触させて保持する保持手段を備える圧電モータであって、アクチュエータは２つの直交軸の周りでロータを動くようにしている。

アクチュエータは堅い弾性材料のコアを有し、このコアは長く伸び、横断面は四角形であり、そして４つの面と第１と第２の軸端を有し、アクチュエータは少なくとも２つの圧電要素とドライバとを有し、圧電要素は隣接面へ接着し、そしてドライバはコアの第１の軸端から伸び、そしてロータと係合している。

アクチュエータは４つの圧電要素を有し、各要素はコアのそれぞれの面に接着しているのが好ましい。

各圧電要素はコアの軸方向に延びる２つの付勢域を有し、それらの圧電要素は正反対の対となって付勢され、そして正反対の要素の対向域を付勢するようになっており、圧電要素の付勢される対がロータのどの軸の運動が生じるかを決定し、そしてその付勢された付勢域がロータの選択された軸運動が軸周りのどの方向に生じるかを決定する。

代替的には、各圧電要素は四分付勢域を有し、正反対の四分付勢域は同時に付勢するよう電気的に接続されている。アクチュエータの付勢は一対の正反対の要素の整列対の四分付勢域の付勢により生じ、圧電要素の対の選択がロータの運動軸を決め、そしてその選択された四分付勢域がその軸の周りでのロータの運動方向を決める。

ロータは球形のボールであるのが好ましい。

保持手段はアクチュエータを収容するハウジングと、このハウジングから伸び、ボールを２つの直交軸の周りで回転させながらボールを捕捉している複数のアームとを備えている。

４本のアームがハウジングから伸び、各アームがロータコンタクトを支え、各ロータコンタクトは、ドライバがボールと接触している半球と反対の半球において間隔をあけてボールに接触している。

代替的には、２本のアームが直交軸の一方に沿って回転できるようにリングブラケットを支持し、このリングブラケットは他方の直交軸の周りでボールを回転できるように支持している。ここで、ボールの固定シャフトはリングブラケットのベアリングに軸支されている。また、リングブラケットのベアリングに軸支され、支持アーム（１４）へ固定されている２つの短軸によって回転できるようにリングブラケットは支持され、短軸は弾性的に自己整列するベアリングによりアームへ固定されている。

保持手段は、アクチュエータとロータとを弾性的に接触させているスプリングを含んでいる。保持手段にはスプリングの張力を調整する機構も設けている。

図１は本発明の好ましい実施例のモータ１０の概念を示す。図２は図１のモータ１０を部分的に断面で示している。図１のモータ１０のハウジング１２は矩形の箱のようなものである。

このハウジング１２の上端に隣接してそこから立ち上がっている４本のアームはＬ字形の支持体１４である。各支持体の遠いほうの端にはスロットがつけられている。円板もしくはローラ１８がピン２２によりそれぞれのスロットに保持されている。支持体の外方に伸びることなく支持体１４と支持体１４との間の空間にローラ１８が入り込むようにピン２２は内方にずらされている。

支持体が形成している領域内に球形のボール２４が置かれている。ボールの中心線よりも上でボール２４に接触しているローラ１８により支持体の内側にボールを捕捉するように、すなわち、図１で見て上の半球で間隔をあけた所でローラ１８がボール２４に接触するように、ボール２４、支持体１４そしてローラ１８の大きさを決めている。ボール２４はモータのロータもしくはスライダである。

ハウジング１２内に図２に示すアクチュエータ２６がある。このアクチュエータ２６のドライバもしくは先端２８ハウジング１２の頂部の開口３０を通ってボール２４に接触している。アクチュエータ２６はその先端２８から離れて、四角い断面の矩形立方体のようになっている。それの構造を以下に説明する。この構成ではゴムブロック３２によりハウジング１２内にアクチュエータが保持されている。ゴムブロックは全部で８個で、各側面に２個づつ配置されている。アクチュエータが励起されるときアクチュエータ２６の横方向の動きが最小となる領域すなわち節においてゴムブロック３２はアクチュエータ２６に接触している。ゴムブロック３２はアクチュエータの垂直運動もしくは振動を妨げない。アクチュエータの頂部端は支えられていない。スプリング３４もしくは同様のデバイスはハウジング１２とアクチュエータ２６の底端との間にあって、アクチュエータを上方に押し上げて先端２８をボール２４と接触させ、ボールをローラ18と接触させる。ハウジング１２の端にネジ込まれた簡単なボルトである予負荷調整器３６によってアクチュエータ２６にかける最初の予荷重を増減してボール２４を駆動する摩擦力を変える。

この場合ボール２４は磁石モータのロータに相当し、先端２８はアクチュエータ２６により駆動されてボールを回転する。動かそうとする対象物をボールもしくはロータへ適当な仕方で固定する。押し嵌めのためボールの先端に穴２５を開けている。一つの適当な例として車のバックミラー組立体のミラーのような板状物を傾けるのに利用する。この場合ミラーもしくはミラーホルダはボール２４へ固定することになろう。平らなロータもしくはスライダを利用することもできる。その場合はボールと支持体を平らなシートと適当な支持体に置換えてその平らなシートとアクチュエータとを接触させる。

図３にアクチュエータ２６を示す。アクチュエータはスチールの矩形ブロックの形をしたコア３８を含み、単一の先端ドライバ２８は中心で頂部端から伸びている。この先端２８はブロック３８を機械加工することにより形成される。ブロック３８の四面は圧電セラミック要素４０により覆われている。圧電要素４０を接着剤でスチールブロック３８の側面に固定する。

図４に示すように、各要素４０の前面は四分域４２，４４，４６，４８に分割されていて、それぞれ四分域直交電極により覆われている。

対角線方向に向きあっている一対の四分域電極は短い狭い接続条片５２で電気的、物理的に結合され、他方の対の四分域電極もジャンパーリード（図示せず）で結合されている。

各シートの背面は図５に示すように単一の接地電極５０により覆われている。４枚の接地電極はスチールブロック３８により電気的に一緒に接続されている。

アクチュエータの動作を図６と図７を参照して以下に説明する。圧電セラミック材料が正に励起されると、それは伸びる。それが負に励起されると、縮む。圧電要素の四分域を励起することにより四分域は伸ばされる。対角線上で向きあっている四分域を選択的に励起することにより隣接する四分域は励起されていないので要素は曲がる。同じ方向で向きあっている圧電要素を曲げることによりアクチュエータは曲がり、そして伸びる。

好ましい実施例において、対角線上で向きあっている四分域４２，４６を電圧が高く正である正弦波で励起すると、図６に示す変形を生じ、そして電圧が低くなると常態（破線で示す弛緩状態）に戻る。電圧が高く負であると、励起された四分域は縮んでアクチュエータの先端をスライダから引き離し、そしてアクチェータは他方に（図で右側へ）曲る。

アクチュエータは共振モードで作動するとき最もよく作動する。そのときには励起波形の周波数によりアクチュエータが共振振動数もしくはそれの基本振動数において、もしくはその近くで振動もしくは伸縮する。その結果のアクチュエータの振動にはアクチュエータの表面に節、すなわち最小の横方向運動を生じる所が現れ、そこにゴムのマウンティングブロック３２を弾性的に保持し、それによりアクチュエータの垂直方向の振動もしくは動きを阻害することなくアクチュエータを支持する。入力信号の周波数がアクチュエータの縦振動と屈曲振動の基本共振振動数に一致するとき性能は最大となる。好ましい実施例では一次縦共振振動が二次屈曲共振振動と一致したときである。

組立てられたアクチュエータ２６において、対向要素４０は同時に励起され、それによりスチールブロック３８は図７に誇張して示すように屈曲し、伸縮する。ここでは、シート４０ａの四分域４４、４６とシート４０ｃの四分域４４、４６が励起されている。伸張が先端２８を上方に動かし、そして屈曲がそれを図で左へ動かす。反対方向の動き、すなわち下方と右への動きはシート４０ａの他方の対の四分域４２，４８とシート４０ｃの他方の対の四分域４２，４８を励起することにより達成される。

先端２８の上方への、そして紙面の中への動きと、上方への、そして紙面の外への動きとはシート４０ｂと４０ｄの対角線上で向き合う四分域の適当な対を励起することにより達成される。

従って、この単一のアクチュエータ２６の駆動先端２８は２つの異なる次元（ｘとｙ）で動くことができる。シートまたは平らなロータもしくはスライダと使用したときその動きは限定された範囲でｘ―ｙについて自由である。（例えば図１に示すような）球形のロータもしくはスライダと使用すると、ロータは２つの別個の軸、すなわちＸ軸とＹ軸の周りで回転する。

ミラーに使うというようなある応用では球形のロータの動きはごく制限されなければならない。このような応用では図８に示すような変形ユニバーサルジョイントカップリングでロータを保持できる。この実施例ではハウジングとアクチュエータとは第１の実施例で使用したようなものであり、そして動作原理は同じである。

ハウジング１２から伸びる２つのＬ字形支持体１４の間にボール２４が保持されている。支持体１４は２つの同軸の短軸６２（一つだけ示す）によりリングブラケット６０を回転できるよう支持している。リングブラケット６０は２つの同軸シャフト６４（一つだけ示す）により球体を回転するように支持する。２つのシャフト６４はボール２４へ押しつけられるか、そうでなければボールから反対方向に伸びてリングブラケットのボールベアリング６６内に位置する。こうして、ボール２４は２つのシャフト６４の軸の周りで自由に回転できる。

リングブラケット６０は別の２つのボールベアリング６８（一つだけ示す）を有し、リングブラケット６０とボール２４とを短軸の周りに回転させる。こうして、ボール２４は２つの軸の周りで回転できるが、それはリングブラケット６０がハウジング１２にぶつかる前までの限定された角度だけ短軸６２の軸周りでの回転である。第１の実施例に優るこの実施例の効果はボールとボール支持体との間の摩擦が小さいということであり、そして２つの軸の周りの回転にボールの動きを制限してもいる。

支持体１４はハウジング１２へ固定されているので、支持アームの穴に只押し込むだけでは２つの短軸の間に僅かな不整列が生じる。この僅かな不整列を吸収するためこの実施例の短軸は支持体１４へ取りつけたベアリングホルダ７２により保持された自己整列ブッシング７０により支持体１４へ接続されている。この自己整列ブッシングにより短軸は整列させられ、ボールベアリング６８により低摩擦回転となる。代替的には、自己整列ブッシングとベアリングホルダとは、制限された自己整列能力を有する硬質ゴムマウンティングブロックにより、低コストで、置換えれる。このような構成はシャフト６４には不必要と考えれる。

上に述べた実施例はあくまでも例に過ぎず、当業者であれば特許請求の範囲に記載の本発明の技術的思想の範囲内で様々に変更し実施することができる。例えば、アクチュエータのドライバの先端２８は図９に示す円錐もしくは尖ったものにしてもよい。代替的には、図１０と図１１に示すようにコアの隅もしくは縁から伸びる４つの別個の突起からドライバの先端を構成してもよい。

図１２に示すように、圧電セラミック要素を２つの半部に分割して、各半部の一側面（表面）を電極１４１、１４２で覆い、他方の側面（背面）を共通電極で覆って、アクチュエータを形成してもよい。このアクチュエータを作動させるには対向要素の対向電極を付勢することが必要であり、それによりその励起された圧電要素の面に垂直な方向にアクチュエータは伸びたり屈曲したりする。図１３と図１４とにこれを略図として示す。正弦波信号により下半分の要素１４０ａと上半分の要素１４０ｃとが励起される。電圧が正であれば、２つの半部は伸び、コアを伸ばしそしてコアを対向要素の付勢されていない部分の方に曲げる。図１５は図１４に示す状態と同じ励起状態にあるアクチュエータの斜視図であり、そこでは２つの半部電極へ加えた信号は高く、正である。前に説明したように、駆動信号はＡＣ電圧信号であり、コアをアースもしくは共通接続とした正弦波電圧信号が好ましい。単一の突起にせよ、複数の突起にせよ、駆動先端は円形軌道内で振動してロータを動かす。円形軌道の形は屈曲振動モードと縦振動モードとの両方におけるアクチュエータの共振振動数と駆動周波数とによって変わる。

本発明の好ましい実施例のモータの斜視図。 図１のモータの部分断面図。 図１のモータの部品であるアクチュエータの斜視図。 図３のアクチュエータの部分を形成している圧電セラミック要素の正面図。 図４の圧電セラミック要素の背面図。 圧電要素が励起されている略図。 励起状態の図３のアクチュエータを示す図。 本発明のモータの第２の好ましい実施例の部分的断面斜視図。 図３のアクチュエータの変形アクチュエータの斜視図。 図３のアクチュエータの変形アクチュエータの斜視図。 図３のアクチュエータの変形アクチュエータの斜視図。 図３のアクチュエータの代替的アクチュエータの斜視図。 図１２のアクチュエータの作動態様を示す略図。 図１２のアクチュエータの作動態様を示す略図。 励起状態の図１２のアクチュエータの斜視図。

符号の説明

１０ モータ
１２ ハウジング
１４ 支持体
１８ 円板もしくはローラ
２２ ピン
２４ ボール
２５ 穴
２６ アクチュエータ
２８ 先端
３０ 開口
３２ ゴムのマウンティングブロック
３４ スプリング
３６ 予負荷調整器
３８ コア（スチールブロック）
４０ 圧電セラミック
４２ 四分域
４４ 四分域
４６ 四分域
４８ 四分域
５０ 接地電極
５２ 接続片
６０ リングブラケット
６２ 短軸
６４ シャフト
６６ リングブラケット
６８ ボールベアリング
７０ 自己整列ブッシング
７２ ベアリングホルダ
１４０ 圧電要素
１４１ 電極
１４２ 電極

Claims (24)

1. ロータ（２４）、アクチュエータ（２６）及びこのアクチュエータをロータに接触させて保持する保持手段を備える圧電モータにおいて、アクチュエータ（２６）は２つの直交軸の周りでロータ（２４）を動くようにしていることを特徴とした圧電モータ。
2. アクチュエータ（２６）は堅い弾性材料のコア（３８）を有し、このコア（３８）は長く伸び、横断面は四角形であり、そして４つの面と第１と第２の軸端を有し、アクチュエータ（２６）は少なくとも２つの圧電要素（４０，１４０）とドライバ（２８）とを有し、圧電要素は隣接面へ接着し、そしてドライバはコア（３８）の第１の軸端から伸び、そしてロータ（２４）と係合している請求項１に記載の圧電モータ。
3. コア（３８）がスチールである請求項２に記載の圧電モータ。
4. ドライバ（２８）がコア（３８）と同軸に伸びる単一の突起である請求項２もしくは３に記載の圧電モータ。
5. ドライバ（２８）がコア（３８）と同軸に伸び、コアの軸の周りに等間隔に配置されている４つの突起である請求項２もしくは３に記載の圧電モータ。
6. アクチュエータ（２６）は４つの圧電要素（４０，１４０）を有し、それぞれがコアのそれぞれの面に接着されている請求項２ないし５のいずれかに記載の圧電モータ。
7. 各圧電要素（１４０）はコア（３８）の軸方向に延びる２つの付勢域（１４１，１４２）を有し、それらの圧電要素（１４０）は正反対の対となって付勢され、そして正反対の要素の対向域を付勢するようになっており、圧電要素の付勢される対がロータ（２４）のどの軸の運動が生じるかを決定し、そしてその付勢された付勢域がロータ（２４）の選択された軸運動が軸周りのどの方向に生じるかを決定する請求項６に記載の圧電モータ。
8. 各圧電要素（４０）は四分付勢域（４２，４４，４６，４８）を有し、正反対の四分付勢域（４２，４８）、（４４，４６）は同時に付勢するよう電気的に接続されている請求項６に記載の圧電モータ。
9. アクチュエータ（２６）の付勢は一対の正反対要素の整列対の四分付勢域の付勢により生じ、圧電要素の対（４０）の選択がロータの運動軸を決める、そしてその選択された四分付勢域がその軸の周りでのロータの運動方向を決める請求項８に記載の圧電モータ。
10. ロータ（２４）は球形のボールである請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電モータ。
11. 保持手段はアクチュエータ（２６）を収容するハウジング（１２）と、このハウジング（１２）から伸び、ボール（２４）を２つの直交軸の周りで回転させながらボール（２４）を捕捉している複数のアーム（１４）とを備えている請求項１０に記載の圧電モータ。
12. ４本のアーム（１４）がハウジング（１２）から伸び、各アーム（１４）がロータコンタクトを支え、各ロータコンタクトは、ドライバ（３８）がボール（２４）と接触している半球と反対の半球において間隔を置いてボール（２４）に接触している請求項１１に記載の圧電モータ。
13. ロータコンタクトはピン（２２）で軸支され、そしてアーム（１４）の遠い端（１６）に形成されたスロット（２０）に嵌っているローラ（１８）である請求項１２に記載の圧電モータ。
14. ２本のアーム（１４）が直交軸の一方に沿ってリングブラケット（６０）を回転できるように支持し、このリングブラケット（６０）は他方の直交軸の周りでボール（２４）を回転できるよう支持している請求項１１に記載の圧電モータ。
15. ボール（２４）の固定シャフトはリングブラケット（６０）のベアリング（６６）に軸支されている請求項１４に記載の圧電モータ。
16. 固定シャフトは２つのサブシャフト（６４）から成り、これらのサブシャフトは一つの共通の直径に沿ってボール（２４）に固定され、ボールから反対方向に同軸に伸びている請求項１５に記載の圧電モータ。
17. リングブラケット（６０）のベアリング（６８）に軸支され、支持アーム（１４）へ固定されている２つの短軸（６２）により回転できるようにリングブラケット（６０）を支持している請求項１４、１５もしくは１６に記載の圧電モータ。
18. 短軸（６２）はそれぞれの自己整列マウンティングによりアーム（１４）へ固定されている請求項１７に記載の圧電モータ。
19. 各自己整列マウンティングは焼結した自己整列ブッシング（７０）とブッシングホルダ（７２）とを備える請求項１８に記載の圧電モータ。
20. 保持手段は、アクチュエータ（２６）とロータ（２４）とを弾性的に接触させているスプリング（３４）を含んでいる請求項１ないし１９のいずれかに記載の圧電モータ。
21. 保持手段はスプリング（３４）の緊張を調整する機構（３６）をさらに備えている請求項２０に記載の圧電モータ。
22. スプリング（３４）はアクチュエータ（２６）のコア（３８）に作用してアクチュエータ（２６）をロータ（２４）と弾性的に接触させる請求項２０に記載の圧電モータ。
23. 保持手段はハウジング（１２）を含み、そしてアクチュエータ（２６）は弾性支持要素（３２）によりハウジング（１２）内に保持されている請求項１ないし２２のいずれかに記載の圧電モータ。
24. 支持要素（３２）はアクチュエータ（２６）にそれの表面の節区域で接触するゴムブロックである請求項２３に記載の圧電モータ。

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