JP2001504320A - 車両に適用される直線運動圧電モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 相対的に互いに制御される３つのピエゾ電気アクチュエータから構成されるピエゾ電気直線運動モータである。１つのピエゾ電気アクチュエータがスプリング力に対向して２つのブロックを互いに離れるように動作させる。他の２つのピエゾ電気アクチュエータは選択的にブロックをガイド軸にクランプする。３つのピエゾ電気アクチュエータを周期的に制御することによって、モータはブロックを軸方向にガイド軸に沿って動かすことができる。窓のような車両部品を１つのブロックに固定しガイド軸に沿って動かすことが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】 車両に適用される直線運動圧電モータ 発明の背景 本出願は、移動用リニア圧電モータに関する。好ましい応用例では、モータは 車両の部品を駆動するのに利用されている。 従来技術では、圧電多層積層アクチュエータは、モータを提供するための多く のアプリケーションに利用されている。このタイプの圧電アクチュエータは、一 般に、帯電に応じて膨張又は収縮することができる特定の材料から形成されてい る。膨張収縮は極めて迅速に生じ、また適当に制御することができるので、圧電 アクチュエータは他部材を動かすのに利用できる。一般に、圧電アクチュエータ は、高トルクを要求する重い要素を動かすのに用いられない。 車両の部品は、一般に、それらの部品を駆動するために回転式電動モータを利 用している。回転式モータは、ときとして、回転運動を直線運動に変換するトラ ンスミッションを介して接続されている。電動モータにより決まった段取りで駆 動される車両の部品のタイプの例としては、窓の昇降モータ、サンルーフの昇降 モータ、ドアロック機構、座席位置駆動装置、及びあらゆる他の移動する要素が ある。車両のアプリケーションに利用される 典型的な電動モータ及びギアボックスは、幾分大きくかつ高価である。 圧電モータは、電動モータと比較して、比較的小さくなりうる。さらに、圧電 モータは、比較的安価となりうる。しかし、圧電モータは、過去において、車両 の部品を駆動するのに用いられていなかった。また、圧電アクチュエータは、低 トルクを要求するアプリケーションに利用されていた。 発明の概要 本発明に係る開示された実施形態では、圧電アクチュエータは、離れた位置の 間で部品を動かすための直線運動モータを提供するために利用されている。好ま しい実施形態では、部品は、車両の部品であり、最も好ましくは、車両の窓であ る。 好ましい実施形態では、リニアモータを達成するために、３つの圧電素子が利 用され、組み合わせて制御される。第１のブロックは、第２のブロックから間隔 をおいて配置されている。圧電アクチュエータがブロックの各々と関連づけられ ており、クランピング指部を案内軸の方へ又はそれから離れる方へ動かすように 動作することが可能となっている。２つのブロックは、案内軸に沿って動く。２ つのブロックの一方は、部品に固定されている。つまり、窓がこのモータにより 持ち上げられている場合に、窓が、２つのブロックの一つと共に動くよう に固定されている。 ２つのブロックは、僅かな軸方向の距離をおいて配置されている。ピンがブロ ックの一方を貫通し、他方のブロックに固定されている。ばねがピン及びばねに 固定されたブロックに他方のブロックに向けてバイアスをかける。変位圧電アク チュエータが２つのブロックの一方と関連づけられており、プッシュレバーを他 方のブロックの方へ又はそれから離れる方へと駆動する。 発明に係る直線運動を達成するために、２つのブロックの第１は、そのクラン プ指部を案内軸にクランプ締めする。他方のブロックは、そのクランプ指部をク ランプ締めしていない状態に移動させる。クランプ指部は、関連する圧電アクチ ュエータを膨張又は収縮させることでクランプ締めしていない状態に移動する。 一方のブロックがクランプ締めされ、他方のブロックがクランプ締めを解除され た後に、変位圧電アクチュエータがクランプ締めされているブロックからクラン プ締めされていないブロックを離すようにレバーを押す。クランプ締めされてい るブロックは、案内軸に固定されており、動かない。レバーは、ブロックと相対 的にピボット運動を行い、クランプ締めされていないブロックは、僅かな量だけ 案内軸に沿って軸方向に移動する。レバーは、レバーを用いずに、圧電アクチュ エータの膨張によって得られる、クランプ締めされていないブロックの移動量よ り大きな移動量を与えるという機械的な利点を生む。同じことは、 クランプ指部の移動量についても言える。好ましくは、レバーは、案内軸の両側 に間隔をおいて配置された腕部であって、ブロックを案内軸方向に押すものを有 する。腕部を案内軸の対向する側に配置することにより、案内軸回りのいかなる トルクも打ち消される。この方法により、本発明に係るモータは、円滑で信頼性 のある動きを達成する。 クランプ締めされていないブロックが一旦動かされると、そのクランプは閉じ られる。次に、先にクランプ締めされたブロックと関連するクランプのクランプ 締めが解除される。次に、変位圧電アクチュエータがエネルギーを放出、すなわ ち弛緩させられる。次にピン上のばねバイアスが現在クランプ締めされていない ブロックを現在クランプ締めされているブロックの方へ引っ張る。このようにし て、２つのブロックは、案内軸に沿って小さなインクリメントで迅速に移動する 。車両の部品がブロックの一つに固定されているので、車両の部品も案内軸に沿 って移動する。 本発明の好ましい実施形態では、基礎のモータは窓を駆動するために単体又は 対で用いられる。モータが対で用いられる場合、間隔をおいて配置された案内軸 上の２つのモータの相対的な移動は、異なる速度で動作するように制御すること ができ、この結果、窓は、ドアフレーム内の関連するシートの中へ、様々な角度 方向から移動することができるようになる。このことは、窓のそのシ ートへのソフトで安全な移動を容易にする。 リニアモータは、従来のモータより小さい。さらに、モータは直接に直線運動 を達成するので、回転から直線へのトランスミッションは必要とされない。 本発明の上記およびその他の特徴は、以下の詳細説明および次に簡単に説明す る図面によって良く理解されるであろう。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による圧電モータの側面図である。 図２Ａは、図１に示される線２−２に沿った断面図であり、本発明によるクラ ンプ締めされていない状態のブロックを示す。 図２Ｂは、図２Ａに示す構造を端面から見た図である。 図３は、図２に示すブロックのクランプ部がクランプされた状態にある図であ る。 図４は、図１に示す線４−４に沿った断面図である。 図５は、本発明の移動ステップを示す図である。 図６は、窓の駆動の第１の実施態様を示す図である。 図７は、別の配置を示す図である。 図８は、さらに別の配置を示す図である。 図９は、他の実施態様を示す図である。 好ましい実施形態の詳細な説明 図１は、軸２２に沿って移動するリニアモータを備え たシステム２０を示している。第１のブロック２３は、そのブロックを貫通し、 次に２７において第２のブロック２５に固定されたピン２４を有する。ばね２６ は、ピン２４上に取り付けられ、ピン２４及びブロック２５にブロック２３に向 けてバイアスをかける。 ブロック２３及び２５は類似しており、各々下側固定部分２８及びクランプ用 アーム部分３０を含んでいる。ここでは窓３１である部品が一方のブロック、こ こではブロック２３であるが、に固定されている。クランプ用アーム部分３０は 、多層積層圧電アクチュエータ３２の作用により可動となっている。多層積層圧 電アクチュエータ３２は、クランプ３０を案内軸２２上のクランプ締めされた位 置及びクランプ締めされていない位置との間で動かすために膨張又は収縮をする ことができる。圧電モータの分野の当業者は、適当な電圧を印加することにより 、このような運動をどのように達成するかを知っているであろう。固定部分３４ は、ガイド軸２２の周囲に備えられた案内ブッシュであり、クランプ部分３０か ら間隔をおいて配置されている。レバー３６は、変位要素４０内においてピン３ ８上でピボット運動を行う。変位要素４０は、ブロック２３の下側部分２８（不 図示）に固定されている。圧電アクチュエータ４２は、トランスミッション要素 ４４を介して、レバー３６を点３８の回りにピボット運動を行わせるべく駆動す るよう、膨張又は収縮を行う。 図１に示される状態では、ブロック２３及び２５は、レバー３６のいかなる作 用によっても間隔を開けられていない。むしろ、圧電要素４２は、エネルギを放 出させられている、すなわち、その収縮した、弛緩した状態に変化している。ば ね２６の力が、ピン２４及びブロック２５をブロック２３の方へ移動させている 。２つのブロックは、距離Ｄ₁の間隔をおいて配置されている。 図２Ａに示されているように、クランピング部分３０は、指部４４を含んでい る。指部４４は、案内軸２２の一方の側に、案内ブッシュ３４から間隔をおいて 配置されている。圧電アクチュエータ３２は、図２Ａに示されているクランプ締 めされていない開いた状態から、図３に示されているクランプ締めされている閉 じた状態へ指部４４を動かすために、膨張又は収縮を行う。 示されているように、ピン４３は、指部４４をブロック３４に結合している。 スプリング４５は、指部４４に図３の位置へ向かうバイアスをかけている。図２ Ａに示された状態において、圧電アクチュエータ３２は、膨張しており、これに より指部４４にポイント４７回りのピボット運動を行わせ、ばね４５に抗して案 内軸２２から離れさせている。セットねじ４６が圧電アクチュエータ３２とクラ ンプ指部４４との間の実際の接触を提供している。セットねじ４６は、アクチュ エータ３２の膨張に基づく指部４４の移動量を調整するために調整されることが できる。ピボットマウント４７を利用することによ り、指部４４は、軸２２の位置において機械的利点を達成する。つまり、アクチ ュエータ３２は、比較的少ない量だけ移動すればよく、そして、指部はより多い 量を移動する。これは、僅かな製造公差があり、その結果、指部４４及び軸２２ の間に予期せぬ大きな隙間がある場合でも、良好なクランプ締めの力を保証する 。図３の状態において、圧電アクチュエータ３２はその収縮した、すなわちエネ ルギーを放出した状態に移っており、クランプ締めされた状態を提供するために 、ばね力４５が指部４４を案内軸４２上へ強制している。 軸２２は、切り欠いた上面を有するように示されていることに留意しなければ ならない。これは、ブロックが軸２２上で回転するのを防止する。特定の応用例 では、切り欠いた面を有さなくても、モータはシャフトと相対的に回転しないで あろう。一例として、ブロックが窓に取り付けられた場合には、窓への取付が軸 に相対的ないかなる回転をも防止するであろう。軸の他の形状も本発明の範囲内 である。 図２Ｂに示されているように、クランプアーム３０は、ばね４５により軸２２ に向けてバイアスをかけられている。案内ブッシュ３４は、クランプアーム３０ を収容し、軸２２への接触を許容するために、中央位置において、開口部を有し ている。 図２Ａ及び２Ｂに描かれた詳細は例示であり、案内軸２２へのクランプ締めの ための他の構成が利用できるこ とが理解されるべきである。さらに、ここで示された発明では、圧電アクチュエ ータ３２が作動した状態でクランプ締めされていない状態となっているが、アク チュエータ３２が作動された場合に指部がロックされた状態へ動くような別の構 成を備えることもできる。エネルギを放出した状態でクランプ締めがなされる図 ２Ａ、３Ｂ及び３に示された実施形態が好ましい。システムが停止しているとき にクランプ締めがなされ、これにより窓がロックされるからである。 図４は、レバー３６の詳細を示している。レバー３６は、案内軸２２の両側に 形成されているアームを有し、固定部分２８の案内面３４上の対応する面と関連 づけられている。 図４に示されるように、アーム４８は、案内軸２２の両側に間隔をおいて配置 されているので、軸の中心線回りのいかなるトルクも打ち消される。レバーは、 変位アクチュエータ４２の膨張量を機械的に増幅する。これは、窓の実用的な移 動速度を達成するために、他の方法で要求される動作周波数より相当を許容する 。 次に、図５及び１を参照しつつ、モータ２０による要素の移動について説明す る。図５に示されたように、モータは、今、上方への移動を行っている。図３に 示されているように、ブロック２５は、そのクランプ３０を案内軸２２にクラン プ締めさせている。図２Ａに示されているように、ブロック２３は、そのクラン プ３０をクラ ンプ締めされていない状態へ動かしている。図５に示されるように、圧電素子４ ２は、レバー３６を駆動し、上方へのピボット運動を行わせるように、膨張させ られている。この動きは、ブロック２３を案内軸２２に沿って押しやる。この動 きは、ブロック２３と２５とを距離Ｄ₂だけ間隔をおいて配置させる。距離Ｄ₂は 、図１に示されるように、距離Ｄ₁より大きい。 一旦このステップにより増加分の移動量が達成されると、ブロック２３と関連 づけられているクランプ３０は、図３に示されるクランプ締めされた状態へ動く 。ブロック２５は、そのクランプ部分３０を図２Ａに示すクランプ締めされてい ない状態へ動かし、圧電アクチュエータ４２は、その弛緩した状態に変わる。そ のときに、ブロック２３の移動により圧縮されていたばね２６は、ピン２４及び ブロック２５を上方へ押しながら弛緩した状態へ移動する。つぎに、モータは、 ブロック２３及び２５が距離Ｄ₁だけ間隔をおいて配置されている、図１に示す 状態に復帰する。次に、本方法はやはいサイクルで繰り返される。この２つのス テップを高速に繰り返すことにより、モータは、軸２２に沿ってインクリメント 的かつ円滑に移動する。圧電アクチュエータ３２及び４２の動作を制御すること により、組み合わされたブロック全体の移動は非常に円滑であり、事実上連続し ている。 モータの出力性能は、個々のクランプ３０の摩擦力、並びに、圧電アクチュエ ータ４２及びレバー機構の出力 性能及び機械的剛性によって決まる。この出力性能は、レバーによって行われる 機械的増幅に比例して減少する。変位機構の機械的剛性も、増幅作用の２乗で減 少する。したがって、レバーアームの増幅量は、他の設計特性で制限される。そ れでも、このモータデザインによれば、数百ポンドまでの出力性能を得ることは 容易である。 モータ速度は、動作周波数及び各サイクルで達成される移動量で決定される。 圧電アクチュエータの材料内の誘電損失に起因するアクチュエータの発熱は、動 作周波数とともに増加する。したがって、モータの連続運転は、１〜２ｋＨｚ以 下の典型的な動作周波数を要求するであろう。この周波数は、使用される圧電ア クチュエータの４全体の大きさ及び形状に依存する。公称ストローク０．００５ ０８ｃｍを有する長さ２．５４ｃｍ圧電変位アクチュエータ４２（すなわち０． ２％歪み）が、５：１の比率のレバーアームで増幅され、５００Ｈｚで動作され ると、そのモータ速度は、１秒当たり１２．７ｃｍとなる。１ｋＨｚ以下の動作 は、モータによる音響ノイズの放射をも減らす。ストロークの増幅は、極端に大 きな圧電アクチュエータ又は極端に高い動作周波数を用いることなく、高速動作 を可能にする本モータに独特の特徴である。 モータを逆方向に作動させるためは、ブロック２３と関連するクランプ３０が ロックされる。圧電素子４２は、レバー３６がポイント３８の回りにピボット運 動をする ように、その膨張した状態に移動する。ブロック２３は、案内軸２２に固定され ているので、ブロック２５は、図５に示すように下方に押される。一旦移動の増 加量が達成されると、ブロック２５と関連づけられているクランプ３０は、その クランプ締めしている状態へ移動される。ブロック２３と関連するクランプ３０ は、そのクランプ締めしていない状態へ移動され、圧電素子４２は、その収縮し た状態に移動する。このとき、圧縮されたばね２６のばね力は、２つのブロック が図１に示された位置に復帰するように、ブロック２３を下方に移動させる。再 びこれらの２つのステップを迅速に繰り返すことにより、本発明は、ブロックの 円滑な移動を達成できるようになる。モータの反転は実質的に瞬時であることに 留意すべきである。なぜならば、これは、２つのアクチュエータに関するタイミ ングシークエンスの電気的な反転のみを含むからである。 図６は、単一のモータ２０が、窓４７を上方に駆動するために、単一の軸２２ に取り付けられている実施形態４９を示している。モータ制御部５０は、所望の 運動を達成するようにモータを制御する。 図７は、別の実施形態４９を示している。制御部５０は、上記したように、２ つのリニアモータ２０を介して窓５２の運動を制御する。各モータのブロックの 一つが窓５２と共に移動するように固定され、モータが案内軸２２に沿ってイン クリメンタル的に移動すると、窓も移 動するようになっている。 図８は、幾分曲げられた２つの案内軸５８を有する他の実施形態５６を示して いる。この応用例において、窓６０は、前方の端部６４が最初にドアフレーム６ ５に接触する位置６２の方へ駆動される。この動きは、図８において最も右側に あるモータが、はじめ、より速く駆動されるように、２つのモータ２０の速度を 制御することにより達成される。この動きにより、ドアフレーム６５内のシート に、円滑かつ安全に、窓を隣接させることができる。このことは、比較的複雑な 形状を有する窓にとって特に有益である。 図９は、第１の案内軸６７が窓６８のすぐ下に備えられ、第２の案内軸７０が 側部に備えられている他の実施形態６６が示されている。もちろん、モータ２０ は、側部又は底部を含む窓の任意の複数位置に備えられることもできる。さらに 、２つの案内軸があるとしても、案内のみを行うべくすべり軸受け構造を収容す る第２の案内軸とともに、単一のモータのみを利用することもできる。 本発明の好ましい実施態様が開示されたが、同業者は本発明の範囲内で変更が 行われる事を認めるであろう。この理由のため以下の請求項は本発明の真の範囲 と内容を決定するため検討されなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ネルソン、ジェフリー ジー. アメリカ合衆国 91360 カリフォルニア 州 サウザント オークス アパッチ サ ークル 3066 (72)発明者 ベルトリーニ、カルロ フランス国 エフ―78810 フーシェロー ユ ドメーヌ ド ラバイェ ３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．車両の部品を駆動するシステムにおいて： 直線上に間隔をおいて配置された２つの位置の間で移動可能である車両の部品 と； 前記部品を動かすための駆動装置であって前記直線上に間隔をおいて配置され た２つの位置の間の前記移動を起こすための圧電モータを含む駆動装置とを備え る ことを特徴とするシステム。 ２．請求項１に記載のシステムにおいて、 前記圧電モータは、前記車両の部品に伝達される直線運動を起こす少なくとも ２つの圧電アクチュエータを含む ことを特徴とするシステム。 ３．請求項２に記載のシステムにおいて、 前記圧電モータは、関連する圧電アクチュエータを各々が有する、間隔をおい て配置されたブロックを含み、 前記ブロックは、案内軸に沿って可動であり、 前記車両の部品は、前記ブロックの一つと共に移動するように固定されており 、 前記ブロックは、前記案内軸にクランプ締めされた状態と、前記案内軸に沿っ て軸方向に移動するように、前記案内軸にクランプ締めされていない状態との間 で移動するように選択的に駆動可能となっている ことを特徴とするシステム。 ４．請求項３に記載のシステムにおいて、 第３の圧電アクチュエータが前記モータに関連づけられ、前記第３の圧電アク チュエータは、前記ブロックの内の一つを前記案内軸に沿って軸方向に押すべく 、膨張した状態と収縮した状態との間で作動されることができる ことを特徴とするシステム。 ５．請求項４に記載のシステムにおいて、 前記第３の圧電アクチュエータの変位は、増幅されて前記ブロックの運動とな る ことを特徴とするシステム。 ６．請求項５に記載のシステムにおいて、 前記第３のアクチュエータは、ピボット点回りにピボット運動を行うようにレ バーを押し、前記ブロックの一つを前記案内軸に沿って軸方向に押す ことを特徴とするシステム。 ７．請求項６に記載のシステムにおいて、 前記ブロックに関連する第１及び第２の圧電アクチュエータは、少なくとも一 つの指部を、前記案内軸にクランプされた状態とクランプされていない状態との 間でピボット運動を行うように動かす ことを特徴とするシステム。 ８．請求項４に記載のシステムにおいて、 少なくとも一つのピンが、前記ブロックの一方に固定され、かつ、前記ブロッ クの他方と相対的に移動可能で あり、 前記ピンにばねが配置され、前記２つのブロックに、前記２つのブロックが合 わさるように、バイアスをかけている ことを特徴とするシステム。 ９．請求項２に記載のシステムにおいて、 前記車両の部品は、車両の窓である ことを特徴とするシステム。 １０．前記車両の部品は、前記窓を駆動するために前記圧電モータを２つ含んで いる ことを特徴とする請求項９に記載の圧電素子。 １１．圧電モータであって： 運動を案内するための案内軸と； 前記案内軸がすべり可能に受けている第１及び第２のブロックであって、 各々が、前記案内軸にクランプ締めされた状態及びクランプ締めされていない 状態の間で動くように作動可能となっている圧電アクチュエータが備えられてお り、 前記圧電アクチュエータが前記クランプ締めされていない状態にある場合に、 前記案内軸に沿って可動である第１及び第２のブロックと； 常態では、前記第１及び第２のブロックに、前記第１及び第２のブロックを合 わせるように、バイアスをかけるばねバイアスと； 前記２つのブロックを互いから離すように押す第３の 圧電アクチュエータと を備える圧電モータ。 １２．請求項１１に記載されたモータにおいて、 前記第３の圧電アクチュエータの膨張は、前記ブロックに伝動されるときに増 幅される ことを特徴とする圧電モータ。 １３．請求項１２に記載のモータにおいて、 前記増幅は、前記ブロックの一方を他方から離すように押すようにピボット運 動を行うレバーにより生じる ことを特徴とする圧電モータ。 １４．請求項１３に記載のモータにおいて、 前記ブロックの一方にピンが固定されており、 前記ブロックの他方は、前記ピンと相対的に移動可能であり、 前記ばねバイアスは、前記ピンが受けているコイルばねによって与えられる ことを特徴とするモータ。 １５．請求項１３に記載のモータにおいて、 前記ブロックの各々は、少なくとも一つのクランプ指部を含み、 前記クランプ指部は、選択的に、関連する圧電アクチュエータが前記クランプ 締めされた状態に動かされたときに前記案内軸にクランプ締めされ、関連する圧 電アクチュエータが前記クランプ締めされていない状態に動かされたときに前記 案内軸から離れる ことを特徴とするモータ。 １６．請求項１１に記載のモータにおいて、 ピンが前記ブロックの一方に固定されており、かつ、他方と相対的に移動可能 となっており、 前記ばねは、前記ブロックの他方を貫通する前記ピンの一部に受けられており 、かつ、前記他方のブロックの前記一方のブロックに関し反対の側に受けられて いる ことを特徴とするモータ。 １７．請求項１１に記載のモータにおいて、 前記モータは、車両の窓を駆動する ことを特徴とするモータ。 １８．直線方向に部品を駆動する方法において、 (1)部品と、 一つが前記部品に固定されており、各々が、クランプ締めされた状態とクラン プ締めされていない状態との間で選択的に作動されることができる圧電アクチュ エータを備える一対のブロックを含んだ圧電モータと、 前記ブロックに一の方向へバイアスをかけるのに役立つバイアス力と、 前記ブロックを前記バイアス方向と反対の方向に駆動する第３の圧電アクチュ エータとを備える (2)前記ブロックの一方をクランプ締めし、 前記ブロックの他方をクランプ締めされていない状態に動かし、 前記第３の圧電アクチュエータにエネルギーを供給して 前記ばねバイアスに抗して前記ブロックを駆動する、 (3)前記ブロックの他方をクランプ締めし、 前記一方のブロックのクランプ締めを解除し、 前記第３の圧電アクチュエータのエネルギーを放出させて、前記バイアス力が 前記一の方向へ前記クランプ締めが解除されたブロックを動かすようにする、 (4)ステップ２及び３を繰り返す ステップからなることを特徴とする方法。 １９．請求項１８に記載の方法において、 前記部品は、選択的に上下される車両の窓である ことを特徴とする方法。 ２０．請求項１９に記載の方法において、 前記窓に関し間隔をおいて配置された一対の前記モータがあり、 前記モータの一方は、前記窓を動かすために、最初、第２のモータより速く移 動する ことを特徴とする方法。