JP2004519984A - 圧電駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明は固定子（２ａ）及び回転子（４）から構成される圧電駆動装置に関する。これは以下の特徴により特徴付けられる。当該装置において、前記固定子（２ａ）は、少なくとも２つの電極と、少なくとも１つの接触面（２ｂ）と、第１共振周波数と、を有する円筒状圧電素子（２）を有し、前記回転子は、前記圧電素子（２）と該回転子（４）との間に機械的伝達素子（１）を有し、該伝達素子（１）は、特定の角度で前記圧電素子（２）の前記接触面（２ｂ）の方向を向くと共にプレテンションの下では前記接触面（２ｂ）に隣接するような突起（３）を有し、該突起は第２共振周波数を有し、前記圧電素子（２）は前記突起（３）への圧力の周期的作用により前記突起（３）の前記第２共振周波数の振動を誘発するように設けられ、ここで前記突起（３）が前記接触面（２ｂ）から周期的に離れ前記回転子（４）は回転を開始する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固定子及び回転子を有する圧電駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヨーロッパ特許第ＥＰ ０ ５５７ １０６号は、両側に制御のための幾つかの電極を備える圧電素子を含む固定子と、前記固定子に接触する幾つかの摺動素子を備える環状回転子と、を有する圧電駆動装置を開示する。前記回転子は、前記固定子の圧電素子の電極を作動させることにより発生される伝播波により運転を開始される。
【０００３】
米国特許第ＵＳ ４，９５９，５８０号は、円形回転子を有する固定子により構成される他の圧電駆動装置を開示する。前記固定子及び回転子のシャフトには、ケーシングを介して固定子に接続される圧電素子が取り付けられ、該圧電素子は径方向の振動を行う。前記圧電素子に取り付けられるのが、プッシャーとして知られるバネ素子であり、該バネ素子は前記回転子に作用してこれを回転させる。
【０００４】
米国特許第ＵＳ ４，４５３，１０３号は類似した圧電駆動装置を開示する。これも、圧電素子の側面に取り付けられるプッシャーとして知られるバネ素子により作動する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、可能な限り単純に構成された圧電駆動装置であって、圧電素子の単純な制御を可能にすると共に高効率を有するような圧電駆動装置を作製することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によればこの目的は、前記固定子（２ａ）は、少なくとも２つの電極と、少なくとも１つの接触面（２ｂ）と、第１共振周波数と、を有する円筒状圧電素子（２）を有し、前記回転子は、前記圧電素子（２）と該回転子（４）との間に機械的伝達素子（１）を有し、該伝達素子（１）は、特定の角度で前記圧電素子（２）の前記接触面（２ｂ）の方向を向くと共にプレテンションの下では前記接触面（２ｂ）に隣接する突起（３）を有し、該突起は第２共振周波数を有し、前記圧電素子（２）は前記突起（３）への圧力の周期的作用により前記突起（３）の前記第２共振周波数の振動を誘発するように設けられ、
ここで前記突起（３）が前記接触面（２ｂ）から周期的に離れ前記回転子（４）は回転を開始する、ことにより達成される。
【０００７】
圧電駆動装置の回転子の動作を開始させるには、異なった振動面において２つの共振周波数が必要とされる。この２つの共振周波数は電気的に誘導することができ、これに対して圧電素子上に少なくとも４つのトリガ電極が必要である。更に、電極の電源は互いに注意深く一致させられた２つのＡＣ電圧を持たなければならない。本発明による装置は、ただ２つの電極しかＡＣ電圧を供給されなくてよいため比較的単純な制御回路で十分であるという利点を提供する。第２共振周波数は、前記機械的伝達素子において機械的な態様で励起される。伝達素子における突起のため、機械的共振周波数は固定子の電気共振周波数により重畳され、よって回転子の回転動作を開始させる。機械的伝達素子は、回転運動をこの回転子に伝播しなければならないため、この回転子に接続されている。このような圧電駆動装置はラジアルモータ及びアキシャルモータの両方として構築されることができるため、多用途に使用することができる。ラジアルモータは、回転子と共に内側ランナー又は外側ランナーとしても用いられる。ラジアルモータでは、突起を持つ圧電素子の接触面は、圧電素子の円筒状の外側又は内側にあり、該圧電素子は径方向にこの突起により取り囲まれるか又はこの突起を径方向に取り囲む。もし駆動装置がアキシャルモータとして構築されたら、接触面は、圧電素子が伝達素子の突起に対して横方向に押し付けられるように該圧電素子の横面にある。原理的には本発明は、突起が周期的に圧電素子から離れるため、大きな振動振幅が可能であり圧電素子と突起との間の摩擦が低くなる、という利点を提供する。
【０００８】
請求項２に記載の実施例では、圧電駆動装置の効率は最適にされる。この理由から、圧電素子及び機械的伝播ユニットの共振周波数は、可能な限り近くに対応するか又は互いの倍数になる。実際上はこの理想的な状態は、許容誤差及び磨耗現象のため、完全に達成されることができないが、それでも好ましい。
【０００９】
請求項３に記載の実施例も最大効率を達成する役目を果たす。突起は圧電素子の接触面に押し付けられ、ここで、プレテンション力として知られる接触面に垂直な力を受ける。前記突起が接触面を最小摩擦即ち最小損失で接触面上を更に移動するには、これら突起は均一に負荷を受けていなければならない。従って、同一のプレテンション力が全突起上に作用していなければならない。
【００１０】
請求項４に記載の実施例では、機械的伝達素子について連続的な回転運動が可能な限り少ない突起で可能である。回転子が正確にランするには、これら突起は伝達素子上に一定間隔、つまり、３つの突起に対して前記伝達素子の周の３分の１の間隔、に配列されなければならない。３つより多くの突起を用いることも可能である。
【００１１】
請求項５に記載の実施例は、伝達素子の回転動作が損失無しに回転子に伝播されることを保証する特に小さな回転子を可能にする。このような回転子は特に安定であり、よって、振動を低減させる。
【００１２】
請求項６に記載の実施例は、圧電素子の接触面の摩擦による磨耗が低減されるという利点を提供する。これは、接触面に耐磨耗性コーティングを取り付けることにより達成される。接触面がより少なく磨耗するほど、圧電駆動装置の耐用期間中の効率損失は低くなり、駆動装置はその全耐用期間中より安定に挙動する。
【００１３】
請求項７に記載の実施例では、ラジアルモータ中の伝達素子は、固定子に関して常にプレテンションを持ち、よって特に良い効率を持つ。アキシャルモータにおいて必要であるような、伝達素子に固定子に対するプレテンションを与えるための追加のバネは必要ではない。
【００１４】
請求項８に記載の実施例では、圧電駆動装置はラジアルモータとしての軸受けを持たずに動作する。これは特に簡易で経済的な構造を保証する。回転子は圧電素子から径方向に離れることができないため、この回転子は軸方向にのみガイドされればよい。これは、回転子が駆動されるべきシャフトに接続されているため簡単に達成されるか又はそうでなければ回転子の軸方向移動が防止される。ここでは、回転子に対して径方向に力が作用しないことが重要であり、さもなければ振動を伴う不正確なランニングを避けることができない。
【００１５】
請求項９は、本発明による圧電駆動装置がラジアルモータとして設計されるときにこれを組み立てる単純な態様を説明する。伝達素子を備える回転子は、閉じた形状を形成し、固定子に対してプレテンションを与えられなければならないため、これは固定子の外径よりも小さい内径を持つ。結果として、回転子の内径は、回転子を固定子上に装着するために大きくされなければならない。回転子の内径は伝達素子の突起により決定されるため、圧力が幾つかの位置で回転子に作用し、同時に、伝達素子を備える回転子が弾性的に変形して突起は横に偏向される。よって、伝達素子の実効内径はより大きくなり、回転子は固定子に押し付けられることができる。次に圧力が再び取り除かれ、突起は元の位置に再配列し、伝達素子を備える回転子が固定子に対してプレテンションを与えられる。回転子、伝達素子及び突起の変形は、当然可逆範囲を超えてはならない。
【００１６】
請求項１０に記載の実施例は、非円筒状回転子及び伝達素子に関し、ここでも駆動装置はラジアルモータとして設計される。回転子及び伝達素子の弾性変形性を増加させるため、この回転子は正三角形で構成される。各辺の中心に回転子は伝達素子としての役割を果たす内側を向いた突起を有する。よって、この正三角形は固定子上を円筒状回転子のように回転することができる。６、９、１２、…個の辺を持つｎ面多角形も可能である。三角形の利点は、円形の回転子の場合と同様に同一の内径が突起間で保持されると同時に正三角形の周が大きく増加し、固定子に対する回転子の圧力がより小さくなり、三角形の回転子は、例えば組み立てで変形によりずっと容易に大きくすることができる、ということである。
【００１７】
請求項１１及び１２に記載の設計では、本発明による圧電駆動装置がモータとして用いられる。これは特に軽くて小さく、高い回転速度を可能にするので、小さな電気装置内のギアモータとして理想的に適切である。
【００１８】
請求項１３に記載の実施例は、本発明による圧電駆動装置の利点を有する回転するカッター器具が取り付けられるような電気シェーバを可能にする。よって、３つの回転カッターを備える今日一般的であるデザインにおいて、全てのカッター器具は、各々が、固定子としての圧電素子の周りを回転する回転子として設計されることができる。このような装置は、ギアが必要とされないためローメンテナンスであり、構造がコンパクトである。更に、これは電流をほとんど必要とせず、このことは、再び、小型化を可能にし、電池の重量を節約する。
【００１９】
請求項１４に記載の実施例は、回転子とカッターとは１つの部品であるため、容易に回転子をカッターと共に交換することが可能であるという大きな利点を提供する。他には、このようなシェーバは他には磨耗部品を有さない。回転子は容易に取り除くことができるので、特に容易な掃除が可能である。
【００２０】
請求項１５に記載の実施例は、特にローメンテナンスであると共に製造が簡単なファンを有する。これは、圧電駆動装置により直接駆動されるエアスクリューを有し、よって、構造が特にコンパクトである。また、駆動装置は特に静かに作動し、コンピュータ又はプロジェクタにおいて用いられるファンとしての使用が予定される。
【００２１】
本発明のこれらの及び他の側面が、以下で説明される実施例を参照して説明され明らかにされる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１に示されるラジアルモータに見られるように、新設計の圧電駆動装置は、円筒状圧電素子２を備える固定子２ａ及び回転子４により構成され、前記圧電素子２は前記回転子４に面する側に接触面２ｂを有し、前記回転子４は磨耗に対して耐磨耗材料によりコーティングされている。圧電素子２は、電圧が印加されたときに前記圧電素子２が軸方向に収縮し従って径方向に膨張することを可能にするような２つの電極を有する。環状又は円筒状の回転子４は、その中に機械伝達素子１を有し、該伝達素子１は３つの突起３により圧電素子２に接触しており、該圧電素子２に対してプレテンションを与えられている。このプレテンションは、圧電素子２の直径が３つの突起３における円の実効直径よりもわずかに大きいというラジアルモータとしての構成で単純に達成される。駆動装置の動作を開始させるために、ＡＣ電圧が固定子２ａの圧電素子２に印加され、これにより該圧電素子２は軸方向に周期的に収縮する。圧電素子２のポアソン比を考慮すると、該圧電素子２は、その電気共鳴周波数で周期的に径方向に膨張し、突起３に力を加える。ここでこれらは周期振動を開始し、圧電素子４の接触面２ｂ上で運動を開始し、これにより必要とされる第２共振周波数を機械的な態様で生じさせる。結果として回転子４は回転運動を開始する。圧電素子２を作動させるにはただ１つの電子駆動ステージが必要とされる。
【００２３】
伝達素子１の３つの突起３の機械的共振周波数と圧電素子２の電気的共振周波数とを重畳させることにより、回転子４及び伝達素子１は回転運動を開始させられる。よって突起３は圧電素子２の表面で小さなジャンプをする。回転子４及び伝達素子１は堅固に接続されるか又は１つの部品から構成されることができる。回転子４は固定子２ａにより径方向にガイドされるため、追加のラジアル軸受けは必要でない。回転子４は、例えばシャフトといった回転されるべき物体に直接接続されることができる。よって、圧電駆動装置の新しい設計は極めてローメンテナンスであり経済的である。
【００２４】
従って、これは回転カッターヘッド１９を備える電気シェーバにおける使用に対して理想的である。図２は直接駆動を備えるこのようなカッターヘッド１９を示す。固定子２ａは、シェーバのケーシングでもあり得るケーシング５内に保護されて配置される。このケーシング５は代わりにキャリアープレート６上に取り付けられても良い。伝達素子１を備える回転子４は、回転対称なケーシング５の周りに配置される。圧電素子２の振動はここでケーシング５により伝達素子１に伝播される。結果として回転子４はケーシング５の周りを伝達素子１と共に回転する。外側の回転子４は同時にカッターヘッド１９として形成され、かくしてユーザの顔の毛を除去する。よって、新しい回転子４をケーシング５上で押すことにより磨耗したカッターヘッド１９の単純な交換が可能である。これは図３中で３つのヘッドを備えるシェーバとして示される。回転子４の伝達素子１はケーシング上を直接走るため、ケーシング５は当然耐磨耗材料で形成されていなければならない。しかるべくケーシング５は磨耗に対してコーティングがされている。
【００２５】
円形回転子４の代わりに図４のような三角回転子４が可能である。ここでは回転子４、伝達素子１及び突起３は１つの部品で形成される。突起３は正三角形の中心に配置されるため、突起３の圧電素子２との接触点は全て１つの傍接円上に位置する。よって、このような回転子４は均一な回転運動を行うことができる。図１の円形回転子４と比較して、これは実質的により弾性的であるという利点を提供する。従ってこれはより大きくすることができる。回転子４の内径ｄは突起３間で大きくされなければならないため、圧電素子２を回転子４に取り付けるときにこれは特に有利である。動作中のプレテンションも少なくなり、駆動装置はより効率的でより効果的になる。三角形の回転子４の代わりに幾つかの角を有する（多角形の）回転子も可能である。回転子４は突起３間で滑らかな接続４ａの代わりに曲折した接点、特には折り畳み型の接点、を有することもできるため、回転子４は更に弾性的になり、弾性素子は回転子４にいわば統合される。
【００２６】
円形回転子４の圧電素子２への取り付けは図５に示される。幾つかの位置で回転子４に圧力を加えることにより、伝達素子１の突起３はわずかに横に移動し、よって、より大きな内径ｄを示す。この状態で圧電素子２は回転子４に押し入れられることができる。次いで圧力は再び除かれ、回転子４は圧電素子２に関してプレテンションを与えられる。
【００２７】
電気シェーバにおいて、幾つかの回転するカッティングヘッドが圧電モータによって駆動されるのであれば、図６の装置が推奨される。ここで、圧電素子２は固定子２ａを介して取り付けプレート８に接続され、該プレートは同時に回転するカッターヘッドのシャフト９を取り付ける役割を果たす。回転子４はその外側の歯車として形成され、よって、他の歯車７を介してシャフトを駆動する。圧電素子は取り付けプレート８に堅固に接続されておりシャフト７も取り付けプレート８に取り付けられているので、特に平らに実現されることのできる非常に安定で小さな装置が達成される。
【００２８】
本発明による圧電駆動装置は、ラジアル構成においてポンプのための駆動装置として理想的に適している。図７及び８によるこのようなポンプは、運搬されるべき物品を運送する役目を果たすパイプ１０により実質的に構成されている。パイプ１０中には回転子４を保持するための軸受け１１がある。回転子はパイプ１０を通じて物品をポンプで送るタービンホイール１２を直接駆動する。回転子の運動を開始するために、パイプ１０の外の回転子４の高さに環状又は円筒状の圧電素子２がある。この圧電素子２はパイプ１０の壁を通じて回転子４の運動を開始させる。突起３はパイプ１０の内壁を進行し続けるため、パイプ１０は対磨耗性物質で構成されなければならないか、又はパイプ１０の内壁はここで接触面２ｂとして同時に働くため少なくとも回転子４の突起３が接触する点は対磨耗性コーティングを取り付けられなければならない。より簡単な組み立てのためには圧電素子２は外部リング１３により結合される２つの部品により構成されることもできる。
【００２９】
図９は、圧電駆動装置を種々のアプリケーションにおいて用いられることが可能なラジアルモータとして示す。これらのアプリケーションはギアホイール７を介して駆動される。全モータは２部ケーシング１４ａ及び１４ｂに取り付けられ、ここからギアホイール７のみが突出し電気的接続をする。圧電素子２は、ケーシング部分１４ａ，１４ｂを備える２つの取り付け素子１６ａ，１６ｂにより２つのキャリア素子１５ａ，１５ｂの間に接続される。回転子４は圧電素子２の周りを回転し、リング１７ａ及びバネ部品１７ｂを介してその力を駆動シャフト１８に伝達する。駆動シャフトはモータの上部１４から穴を通じて突出し、よってここでギアホイール７で接続される。全体として、このようなモータは非常に平らに構築され、回転子４が圧電素子２により中心合わせをされるのでラジアル軸受けを必要としない。回転子の揺らぎは、アキシャル軸受けを形成するケーシング１４ａ，１４ｂにより軸方向には防止される。図１１ではこのような圧電駆動装置が電気シェーバ中の従来型のモータ１８に置き換わっている。ここで、モータはギアホイール７を介してギアシャフト２０を駆動し、次にこれがカッターヘッド１９を回転させる。モータは、同時にハンドルとしても働くケーシング２１内に配置される。ラジアルモータは、ファンのための、特にコンピュータ内のファンのための、駆動装置として、理想的に適している。ここではエアスクリューが単純にギアホイール７により駆動される。ギアホイール７は、エアスクリューにより直接置換されて直接の駆動装置ファンを作ることもできる。
【００３０】
上の例で説明されたラジアルモータ構造の代わりにアキシャル構造も可能である。このようなアキシャルモータは図１０に示される。ここでは圧電素子２がリング状固定子２ａに取り付けられ、それぞれが圧電素子２の一方の側に接触する２つの回転子４を駆動する。固定子２ａは２つのケーシングの１４ａ，１４ｂの間に挟まれる。回転子４は圧電素子２から背けられた側にバネ素子１５ｂを有し、このバネ素子１５ｂは前記回転子４に必要なプレテンション力を加える。パイプ１６ａを介して２つの回転子４とバネ素子１５ｂとが共通のシャフト９に接続され、固定素子１６ｂ，１６ｃ及び１６ｄによりシャフト９に固定される。ラジアルモータと同様に上部ケーシング部１４ａは、シャフト９が外側に突出する穴を有する。シャフト９の外側には、外側で駆動されるべき部品にモータの力を伝達するギアホイール７も取り付けられる。このモータは同等のラジアルモータよりも長いがより小さい直径を有する。図１１中で、このようなアキシャルモータを従来型のモータ１８の代わりに用いることもできる。
【００３１】
ラジアル圧電駆動装置は乗り物の車輪のための直接の駆動装置としても用いることができる。図１２に示されるこのような駆動装置の概念はホイールハブモータに基づく。ホイール軸受けはラジアル圧電素子２から構成され、ホイールリムは回転子４を形成する。このとき回転子４へのプレテンション力は乗り物の重みにより加えられる。このような乗り物は総輪駆動を容易に持つことができ、駆動装置シャフトを必要としない。圧電素子２は対応する電力源を持てば良いだけである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラジアルモータとしての本発明による圧電駆動装置の側面図。
【図２】シェーバ中の圧電駆動装置の断面図。
【図３】圧電駆動装置を備えるシェーバの平面図。
【図４】ラジアル構成の圧電駆動装置のための三角回転子。
【図５】組み立て中に大きくされた円形回転子を備えるラジアル構成の圧電駆動装置。
【図６】３つの回転カッターヘッドを備えるシェーバのためのギア構成中の圧電駆動装置。
【図７】ラジアル圧電駆動装置を備えるポンプ。
【図８】２部圧電素子を備えるポンプ。
【図９】ラジアル圧電駆動装置の分解図。
【図１０】アキシャル圧電駆動装置の分解図。
【図１１】シェーバ中の従来型の電気モータの代わりの圧電駆動装置。
【図１２】圧電ホイールハブモータ。

Claims (16)

1. 固定子及び回転子を有する圧電駆動装置であって、前記固定子は、少なくとも２つの電極と、少なくとも１つの接触面と、を有して、第１共振周波数を持つ、円筒状圧電素子を有し、前記回転子は、前記圧電素子と該回転子との間に機械的伝達素子を有し、該伝達素子は、特定の角度で前記圧電素子の前記接触面の方向を向くと共にプレテンションの下では前記接触面に隣接するような突起を有し、該突起は第２共振周波数を有し、前記圧電素子は前記突起への圧力の周期的作用により前記突起の前記第２共振周波数の振動を誘発するように設けられ、ここで前記突起が前記接触面から周期的に離れ前記回転子は回転を開始する、圧電駆動装置。
2. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記２つの共振周波数は、前記突起が同時に同方向に振動するように互いに一致させられ、前記方向は前記回転子の回転の方向であり、前記２つの共振周波数はほぼ一致するか又は前記２つの共振周波数はほぼ互いの倍数であることを特徴とする圧電駆動装置。
3. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記突起は前記接触面に垂直にほぼ等しいプレテンション力を受けることを特徴とする圧電駆動装置。
4. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記機械的伝達素子は規則的な間隔で配列される３つ以上の突起を有することを特徴とする圧電駆動装置。
5. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記回転子と前記機械的伝達素子とは一つになっているか又は堅固に接続されていることを特徴とする圧電駆動装置。
6. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記圧電素子は少なくとも前記接触面においてコーティングされていることを特徴とする圧電駆動装置。
7. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記機械的伝達素子は、弾性特性を有し、該伝達素子の突起間では前記圧電素子よりも小さな直径を有し、そのため前記圧電素子に関してプレテンションを与えられる、ことを特徴とする圧電駆動装置。
8. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、該圧電駆動装置はプレテンション力の方向に追加の軸受け無しに動作することができることを特徴とする圧電駆動装置。
9. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記機械的伝達素子を備える前記回転子を前記圧電素子に取り付けるため、前記突起間の直径が前記圧電素子の直径よりも大きくなるように、前記回転子及び前記機械的伝達素子の弾性変形が前記回転子の特定の位置における力の作用により与えられることを特徴とする圧電駆動装置。
10. 請求項１に記載の圧電駆動装置において、前記伝達素子及び前記回転子が正三角形の形を有し、前記三角形の辺の各々の中心には内側を向く突起があることを特徴とする圧電駆動装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電駆動装置を備える回転可能又は可動な部分を駆動するためのモータ。
12. 請求項１１に記載のモータであって、当該モータが機構に含まれておりギアホイールを駆動することを意図されていることを特徴とするモータ。
13. 回転するカッター器具を備える電気シェーバであって、前記回転するカッター器具を駆動するために請求項１に記載の圧電駆動装置が備えられることを特徴とする電気シェーバ。
14. 回転するカッター器具を備える電気シェーバであって、前記回転するカッター器具は請求項１に記載の圧電駆動装置の前記回転子であることを特徴とする電気シェーバ。
15. 電気的に駆動されるファンであって、当該ファンは請求項１に記載の圧電駆動装置により駆動されるように設けられるエアスクリューを有することを特徴とするファン。
16. 請求項１に記載の圧電駆動装置を備える電気装置。