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この項目の情報は公開日時点(1994年8月12日)のものです。
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図面 (7)

目的

圧電素子を用いたモータの改良

構成

圧電型のこのモータは、互いに相対運動を起こす固定子1と、回転子15とを具備する。固定子1はほぼ平坦な形態の板17と、その板に超可聴周波数振動波を発生する手段とを具備する。そのような波は板の平面にある板の周囲の少なくとも1つの能動先端17cに楕円運動を与えることができ、前記能動先端は、その楕円運動によって固定子1に対する回転子15の運動を生じさせるために、回転子15の運動伝達面22と係合している。

概要

背景

そのようなモータは、1980年5月刊行の雑誌「Techno Japan」第19巻第5号に掲載論文に記載されている。このモータは、2枚の平坦な結合された要素から構成されるほぼ平板固定子を有する。上記要素中一方はステンレス鋼であり、他方は圧電材料から成る。ステンレス鋼の要素の見えるほうの面には、固定子円板の軸と同心に、リング状に互いに離間する一連の小さなブロックが配置されている。このモータの回転子も同様に円板の形状を呈し、その円板は固定子のブロックの自由面に一方の面が向くように固定子に同軸且つ回転自在に取り付けられている。同様にステンレス鋼製であるこの回転子は、固定子ブロックに面する領域に、高い摩擦係数を示すプラスチック材料のリングを含む。

固定子の圧電素子は、励起されると、固定子ブロック内に進行波を発生し、その進行波はブロックに沿って円形伝搬してゆくので、回転子に面するブロックの先端は、それぞれ、合成楕円運動に従って環状運動と組み合わされた非常に小さな軸方向運動を生じ、その楕円運動は、回転子の摩擦リングに加えられると、回転子をモータの軸を中心として回転させ、進める。

固定子ブロックの先端の運動の大きさがきわめて小さい場合、回転子の軸から認めうるほどの出力を取り出せるようにするためには、その大きさを回転子に面するブロックの表面の凹凸より大きくとるべきである。そこで、その大きさは1ミクロンから数ミクロンであるので、ブロックの表面をきわめて精密に機械加工することが必要である。このモータのもう1つの欠点は、位相外れ電位により動作される圧電素子について2対の励起電極を使用しなければならず、2対使用しないと、固定子で進行波を発生できなくなってしまうことである。この条件によって、モータの作動回路は複雑になり、そのコストは増す。

最後に、この公知のモータの場合、たとえば、時計に適用すると、その出力量がはかばかしくないために、そのような分野で望まれるような値の小さな偶力の伝達に適合させるのはそれほど容易ではない。圧電マイクロモータの別の構成は、T.Takano,Y.Tomikawa,T.Ogasawara及びH.Hirataによる雑誌IEEE(1989年刊)の論文(735〜738ページ)の中に記載されている。問題の論文「Construction and characteristics of ultrasonic motors using piezo−ceramicannular plates」に記載されたモータは、ほぼ平坦な形状を呈する第1の要素を含み、その要素は、その平面内にある要素の複数の周囲活動先端に楕円運動を与えることができる超可聴周波数振動波を発生させるための手段と関連している。各活動先端は、第1の要素の周囲に配置された環状の第2の要素の運動伝達面係合しており、それによって、第2の要素は先に述べた楕円運動の結果として第1の要素に対して動く。この公知の構成は先に述べた構成において伝達することができる出力より大きな出力を伝達できるのであるが、振動する要素の外面と、環状要素活動面輪郭形状をきわめて精密に定めなければならないという欠点もあり、それら2つの要素の間に実質的に遊びがなく、しかも、要素の相対運動は可能になるように2つの要素を調整しなければならないのである。さらに、このようなモータは先に挙げた従来のモータと同一の欠点を有する。すなわち、二相作動電圧を必要とすると共に、小さな偶力の伝達に適用した場合に低い出力量を示す。

概要

圧電素子を用いたモータの改良

圧電型のこのモータは、互いに相対運動を起こす固定子1と、回転子15とを具備する。固定子1はほぼ平坦な形態の板17と、その板に超可聴周波数で振動波を発生する手段とを具備する。そのような波は板の平面にある板の周囲の少なくとも1つの能動先端17cに楕円運動を与えることができ、前記能動先端は、その楕円運動によって固定子1に対する回転子15の運動を生じさせるために、回転子15の運動伝達面22と係合している。

目的

本発明の目的は、上記の欠点を回避しつつ、先に述べた一般的種類の圧電モータを提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

この技術が所属する分野

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請求項1

互いに相対運動を起こすことになっており、それぞれ固定子と、回転子とを形成する2つの要素を具備し、それらの要素のうち、第1のものはほぼ平坦な形状を呈し、第1の要素の平面にある周囲の少なくとも1つの活動先端に、楕円運動を与えることができる超可聴周波数振動波を発生する手段を具備しており、前記活動先端は、前記楕円運動によって前記第2の要素の前記第1の要素に対する運動を生じさせるために、前記第2の要素の運動伝達面係合しており、前記第1の要素は、ほぼ円形の中心部分を含み、その中心部分の面の一方に、振動波を発生する手段が装着されており、その中心部分から少なくとも2枚のローブ延出し、それらのローブの縁部に前記活動先端が配置されており、前記ローブの側方縁部は、前記中心部分から発散する振動エネルギーを、前記活動先端の内部に集中させるような輪郭形状に形成されている圧電型モータ

技術分野

0001

本発明は、超音波圧電効果によって回転運動が発生するモータに関する。さらに詳細にいえば、本発明は、互いに相対運動を起こすことになっており、それぞれモータの固定子と、回転子とを形成する2つの要素を具備し、前記要素は、それぞれ、前記相運動の途中で他方の要素の活動面に面するように配置される活動面を有し、それらの要素の一方には、その要素の活動面にある先端に楕円運動を与えることができる振動波を発生するための圧電手段が設けられており、それらの先端は、他方の要素の活動面に当接しながら、そのような相対運動を生じさせる。

背景技術

0002

そのようなモータは、1980年5月刊行の雑誌「Techno Japan」第19巻第5号に掲載論文に記載されている。このモータは、2枚の平坦な結合された要素から構成されるほぼ平板の固定子を有する。上記要素中一方はステンレス鋼であり、他方は圧電材料から成る。ステンレス鋼の要素の見えるほうの面には、固定子円板の軸と同心に、リング状に互いに離間する一連の小さなブロックが配置されている。このモータの回転子も同様に円板の形状を呈し、その円板は固定子のブロックの自由面に一方の面が向くように固定子に同軸且つ回転自在に取り付けられている。同様にステンレス鋼製であるこの回転子は、固定子ブロックに面する領域に、高い摩擦係数を示すプラスチック材料のリングを含む。

0003

固定子の圧電素子は、励起されると、固定子ブロック内に進行波を発生し、その進行波はブロックに沿って円形伝搬してゆくので、回転子に面するブロックの先端は、それぞれ、合成楕円運動に従って環状運動と組み合わされた非常に小さな軸方向運動を生じ、その楕円運動は、回転子の摩擦リングに加えられると、回転子をモータの軸を中心として回転させ、進める。

0004

固定子ブロックの先端の運動の大きさがきわめて小さい場合、回転子の軸から認めうるほどの出力を取り出せるようにするためには、その大きさを回転子に面するブロックの表面の凹凸より大きくとるべきである。そこで、その大きさは1ミクロンから数ミクロンであるので、ブロックの表面をきわめて精密に機械加工することが必要である。このモータのもう1つの欠点は、位相外れ電位により動作される圧電素子について2対の励起電極を使用しなければならず、2対使用しないと、固定子で進行波を発生できなくなってしまうことである。この条件によって、モータの作動回路は複雑になり、そのコストは増す。

0005

最後に、この公知のモータの場合、たとえば、時計に適用すると、その出力量がはかばかしくないために、そのような分野で望まれるような値の小さな偶力の伝達に適合させるのはそれほど容易ではない。圧電マイクロモータの別の構成は、T.Takano,Y.Tomikawa,T.Ogasawara及びH.Hirataによる雑誌IEEE(1989年刊)の論文(735〜738ページ)の中に記載されている。問題の論文「Construction and characteristics of ultrasonic motors using piezo−ceramicannular plates」に記載されたモータは、ほぼ平坦な形状を呈する第1の要素を含み、その要素は、その平面内にある要素の複数の周囲活動先端に楕円運動を与えることができる超可聴周波数の振動波を発生させるための手段と関連している。各活動先端は、第1の要素の周囲に配置された環状の第2の要素の運動伝達面係合しており、それによって、第2の要素は先に述べた楕円運動の結果として第1の要素に対して動く。この公知の構成は先に述べた構成において伝達することができる出力より大きな出力を伝達できるのであるが、振動する要素の外面と、環状要素の活動面の輪郭形状をきわめて精密に定めなければならないという欠点もあり、それら2つの要素の間に実質的に遊びがなく、しかも、要素の相対運動は可能になるように2つの要素を調整しなければならないのである。さらに、このようなモータは先に挙げた従来のモータと同一の欠点を有する。すなわち、二相作動電圧を必要とすると共に、小さな偶力の伝達に適用した場合に低い出力量を示す。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明の目的は、上記の欠点を回避しつつ、先に述べた一般的種類の圧電モータを提供することである。

0007

これらの特徴があるため、第1の要素の寸法上の精密さを活動先端の場所でのみ確保すれば十分であるので、モータの製造はかなり簡単になり、その一方で、この要素のローブの輪郭形状を適切に形成することによって、エネルギーを活動先端の中に十分に集中させうるのである。そこで、第1の要素から第2の要素への振動エネルギーの伝達は、従来の場合と比べて明らかにすぐれたものとなり、モータの有効偶力ははるかに大きくなる。本発明のその他の特徴や利点は、添付の図面を参照しながら単なる例として挙げられる以下の説明の中で明白になるであろう。

0008

まず、本発明による圧電モータの第1の実施例を示す図1及び図2を参照する。このモータは、軸X−Xを中心としてほぼ円形である底板2を含む固定子1を有する。底板2の中心には穴3があいている。底板2には、コイルばね6を受け入れるための円筒形の穴洞5の境界を規定する環状の中心リブ4がある。このコイルばねは、中心の穴3の中に押し込まれているプラグ7によって底板2に対して固定状態に保持されている。プラグ7は、ばね6の対応する端部にクランプされるつば8を有する。中心リブ4が装着された底板2の面は絶縁材料被覆されており、その絶縁材料の上には後述するような目的のために電気回路10が印刷されている。

0009

留めねじ13によって中心リブ4に固着されたリング11は、玉軸受12の内側軌道を構成する。玉軸受12は、モータの回転子15に固定された外レース14をさらに含む。固定子に属するコイルばね6は環状の中心リブ4から先へ軸方向に突出し、コイルばねの自由端部には固着部材16が嵌合している、コイルばね6が剛性であるために、この固着部材16はばねにクランプされている。固着部材16は、モータの軸X−Xに対して半径方向に延出するほぼ平坦な共振板17にはんだ付けされている。固着部材16とは反対側のこの共振板17の面には、軸X−Xを中心とする円形のセラミック圧電素子18が接着されている。

0010

図2及び図4からわかるように、共振板17は中心部分17aを含み、そこから半径方向に外側に向かって2枚のローブ17bが延出しており、各ローブの端部は活動先端17cを形成する。各ローブ17bは、回転子15の内周部に沿って、そこから半径方向に一定の距離をおいて並ぶ円形の縁部17dと、共振板17の中心と活動尖端17cとの2つの位置に焦点F1及びF2を有する楕円形の縁部17eとにより境界を規定されている。

0011

回転子15は、本質的には、環状の内面段差が形成されている外側リング19から構成される。このリングは、底板2の側に、半径方向の環状ボス20を有する。ボスが形成する軸方向の段部には、玉軸受12の外レース14の外側つば21が当接している。リングは、さらに軸方向の環状ボス22を有し、このボス22は、固定子1の活動先端17cと共動する回転子15の運動伝達面を形成する。環状ボス22、すなわち、運動伝達面の直径は、活動先端17cの頂点間の距離と厳密に一致している。尚、先端17cの頂点の形状を適切に整えれば、その距離を精密に一致させることは容易であろう。そのため、この段階では、本発明によるモータは従来のモータと比べて容易に製造できるのである。

0012

回転子のリング19は環状フランジ23をさらに含み、このフランジ半径方向端面は、リング19にねじ25により装着されるカバープレート24の支持面として働く。カバープレート24の中心に設けられた開口26には、モータの出力偶力を確実に伝達させるためのピニオン27が差し込まれている。

0013

プリント回路10には、半径方向外側に向かって延出する複数の接点28が図2に示すようにあり、それらの接点はプリント回路10に向かって回る回転子の面に設けられた摩擦接点29と共動する。この構成によれば、適切な作動回路を圧電素子18に接続することによってモータのステップ動作機能が得られ、モータのステップ動作は、摩擦接点が1つの半径方向接点28から別の半径方向接点に向かって変位するたびに起こるのである。モータを好ましい用途の1つである時計に採用すべき場合には、半径方向接点の数が60個だと有利である。ただし、このモータを連続モードで使用しても差し支えはなく、その場合には、プリント回路とそれに関連する摩擦接点を設けないようにすれば良い。

0014

図3は、運動出力部に若干の違いがあることを除いてあらゆる点で図1及び図2の実施例に類似している本発明のモータの別の実施例を示す。この場合、モータにカバープレートを設けず、その一方で、環状フランジ23が内側に歯部30を有するクラウンの形態をとるように、その内面を機械加工すると有効である。その歯部30は、回転子15の回転運動を伝達する役割を果たす歯車列のピニオン(図示せず)とかみ合うことになる。

0015

このモータは次のように動作する。圧電素子18がその2つの電極(図面には示さず)を介して電位を受けると、素子は円筒形弾性波を発生し、その弾性波は共振板17に伝達される。弾性波の発射中心は共振板17の楕円形の縁部17eの焦点F1(図4を参照)に位置し、従って、モータの軸X−Xと一致する。弾性波は楕円形の縁部17eにより反射され、それらの縁部が特殊な幾何学的形態を有しているために、弾性波は楕円形の縁部17eの第2の焦点F2、すなわち、共振板17の活動先端17cの頂点に集中する。円筒形弾性波の一部は共振板の円形の縁部17dに向かって伝搬し、そこで、波の発射中心、すなわち、楕円形の縁部17eの焦点F1の方向へ反射される。

0016

その結果、共振板の2つの先端17cの頂点は回転子15の駆動を生じさせる効果をもつ楕円運動を引き起こす(図5を参照)。出願人が製造した試作品では、次に示すような寸法を選択したが、下記の値が単なる1例として挙げられていることは自明である。
−モータの外径10.6mm
−回転子の内径10 mm
−固定子(縁部17d)の直径 9.2mm
−圧電素子18の直径 5 mm
さらに、先端17cの基本寸法の厳密な値を選択すると有利であり、焦点F1を頂点とする先端の角度Aは5°に設定されるのが好ましい。圧電素子18の厚さは0.2mmであり、セラミック材料の種類は固有キャパシタンスCoが1.8nFであるPXE5であろう。圧電素子の電極に3Vの電位が印加されると、装置に供給されるエネルギーは400kHz の周波数で3.2mJである。

0017

振動波の伝達を可能な限り効率良く行うためには、共振板17を圧電素子18の音響インピーダンスにできる限り近い音響インピーダンスをもつ材料から形成しなければならない。さらに、その材料はすぐれた耐摩耗性を示すべきである。Durimphy,焼きもどし鋼又は焼きもどししない鋼,銅−ベリリウム黄銅、あるいはニッケル銀を使用できるが、アルミニウムを使用すると、最良の結果が得られることが確認されている。ただし、この材料から製造した板を要求される抵抗特性と、最終的には要求される溶接性を示すように処理することが必要であり、ニッケルめっきの後に、中心部分を金めっきし、先端17cに酸化物層を追加するというのが、この目的に適する作業である。

0018

本発明のモータが非同期特性を有する場合、モータは先に説明したような、図1から3に示す位置を検出する構成を含むのが好ましい。この構成の利点は、それが単純であると共に、簡単な信号形成動作によってモータと同一の作動方式を使用するという点にある。当業者に知られている単純な電子回路を利用して、モータを毎秒1〜60ステップの周波数のステップモードで動作させることができ、その場合の角分解能はステップごとに6度である。従って、本発明によるモータは時計に適用するのに特に適しているのである。

0019

共振板の品質係数を適切な値に維持するために、たとえば、図1から3に示すばね懸架構成(これは単なる1例であって、限定的な意味をもたない)により得られる弾性結合構造に共振板を取り付けるのが好ましい。この構造は、構成(軸受/固定子,回転子/軸受,共振板のそのばねへの固着など)の同心性について偶発的に起こる誤り補正し、それにより、先端17cを回転子と永久的に接触させておくのに好都合に働くという利点を有する。図6は、共振板17Aに3枚のローブ17A−aが設けられ、それらのローブの活動先端が互いに120°離れているという点を除いて、先に示した実施例と同じである本発明の別の実施例を示す。平坦な面に設けられている2つだけの電極(図示せず)を介して圧電素子に印加される電気信号はシステム共振周波数の1つで正弦形状を有し、たとえば、3〜15ボルト振幅を有していても良い。作動電圧の値は回転子の速度に影響を及ぼし、最終的にはそのような速度の調整変数として採用されても良い。ところが、正弦信号の代わりに、それと等しい周波数をもつ方形形状の信号を使用することによって本発明のモータを動作させることも同様に可能である。そのような方形信号はモータの制御回路を簡単なものにするという利点を示す。すなわち、この回路は当業者には良く知られているように3つ又は4つのトランジスタを有するブリッジから構成されていれば良い。

図面の簡単な説明

0020

図1本発明による圧電モータの第1の実施例の半分を横断面で示し、残る半分を外から見た正面図。
図2出力ピニオンを具備するカバープレートを取り外した状態のそのようなモータの平面図。
図3本発明による圧電モータの第2の実施例の半分を横断面で示し、残る半分を外から見た正面図。
図4図1から図3に示すモータの固定子の中を伝搬してゆく振動波の経路を概略的に示す図。
図5第1の要素のローブの1つの活動端部、さらに厳密にいえば、モータの各動作サイクルが進行する中でそのローブの活動先端が行う運動の経路を示す部分概略図
図6本発明の第3の実施例を概略的に示す図。

--

0021

1固定子
15回転子
17共振板
17a 中心部分
17bローブ
17c 活動先端
17d,17e 縁部
22環状ボス(運動伝達面)

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