JP2005020839A

JP2005020839A - マイクロモータ

Info

Publication number: JP2005020839A
Application number: JP2003179790A
Authority: JP
Inventors: Shunji Sakura; 俊児佐倉
Original assignee: Tsubakimoto Chain Co
Current assignee: Tsubakimoto Chain Co
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】構造の簡素化・小型化を図り、トルクの損失を低減し、耐久性を向上させた新規な駆動原理に基づくマイクロモータを提供すること。
【解決手段】円柱形状ロータ（１２０）及びそれを同心円状に取り囲む円筒形状ステータ（１６０）を有しており、円柱形状ロータは、回転軸方向に磁極を有する円柱形状永久磁石から構成されていると共に、その側面に傾倒した状態で複数の鞭毛（１３０）が植毛されており、その先端が円筒形状ステータに接触している。さらに、円筒形状ステータの両端にそれぞれ隣接して、２つのリング形状永久磁石（１５０）が配置され、円柱形状ロータの底面に対向して、振動体（１４０）が配置されており、円柱形状ロータは、円柱形状永久磁石とリング形状永久磁石との反発磁力により、円筒形状ステータ中に非接触で支持された構造をしている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動体からの振動を駆動源とする新規な原理に基づくマイクロモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密機械や小型機器に使用されるモータとしては、ロータ（回転子）又はステータ（固定子）の少なくとも一方に交番磁界を発生させるための巻き線を有し、ロータとステータ間に生じる磁力を駆動力とするＤＣ（直流）モータやＡＣ（交流）モータが知られている。
【０００３】
また、圧電素子の電歪現象を利用して微小振動を起こし、弾性体であるステータに進行波を発生させ、それによって起こるステータ表面上の波の先端での楕円運動とロータの接触による摩擦力を利用して駆動力を得る超音波モータも知られている。（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１７２７８９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のＤＣモータやＡＣモータは、ロータ又はステータに巻き線を巻回する必要があるため、小型化が困難であった。また、巻き線が、振動や衝撃により断線することがあり、耐久性に問題があった。さらに、ベアリング等の軸受部で摩擦抵抗が生じ、トルクの損失が大きかった。しかもＤＣモータの場合には、交番磁界を発生させるためにブラシ（刷子）を使用しており、騒音や電磁ノイズ発生の原因にもなっていた。
【０００６】
一方、超音波モータでは、弾性体からなるステータとそのステータに進行波を発生させるための圧電素子とが加圧されながら摩擦駆動するために、摩耗に対する耐久性が問題となっていた。さらに、前記圧電素子は、弾性体でできたステータに常に一定の加圧力で接触されているため、長期間駆動せずに放置すると、圧電素子が温度や湿度等の環境条件により、ステータに固着し、駆動できなくなる恐れがあった。
【０００７】
さらに、上述したような従来のモータにおいては、ロータやステータ等、モータを構成する個々の部品形状が複雑であり、部品点数が多いという問題もあった。そこで、本発明の目的は、構造の簡素化・小型化を図り、トルクの損失を低減し、耐久性を向上させた新規な駆動原理に基づくマイクロモータを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に係るマイクロモータは、円柱形状ロータ及び当該円柱形状ロータを同心円状に取り囲む円筒形状ステータを有しており、前記円柱形状ロータは、回転軸方向に磁極を有する円柱形状永久磁石から構成されていると共に、その側面に複数の鞭毛が植毛されている。そして、その鞭毛は、円柱形状ロータの反回転方向に傾倒した状態で植毛されており、その先端が前記円筒形状ステータに接触している。さらに、前記円筒形状ステータの両端にそれぞれ隣接して、２つのリング形状永久磁石が配置され、前記円柱形状ロータの底面に対向して、振動体が配置されており、前記円柱形状ロータは、前記円柱形状永久磁石と前記リング形状永久磁石との反発磁力により、前記円筒形状ステータ中に非接触で支持された構造をしている。
【０００９】
ここで、鞭毛の材質としては、特に限定されるものではないが、振動の伝達特性に優れているナイロン、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）などが好適に使用される。
【００１０】
また、請求項２に係るマイクロモータは、請求項１に係るマイクロモータの構成に加えて、前記振動体として、ピエゾ素子を採用することにより、より一層の小型化と耐久性の向上を図っている。
【００１１】
【作用】
本発明のマイクロモータは、上述のような構造をしているため、次のような本発明に特有の作用を示す。
（１）円柱形状ロータが、円筒形状ステータ中に反発磁力により非接触で支持されており、摩擦抵抗によるトルク損失を受けることなく回転運動が創出される。
（２）振動体によって発生する振動が円柱形状ロータを振動させ、その振動が鞭毛を介しステータに伝搬する。そして、その反作用により円柱形状ロータに偏向力が加わる。
（３）各鞭毛を介して円柱形状ロータに加えられた偏向力の総和により、円柱形状ロータが回転軸を中心に回転する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の態様について、図１乃至図３に基づき説明する。
図１は、本発明のマイクロモータを回転軸と通る垂直面で一部を切断して内部の構造が分かるように示した説明図である。図２（ａ）は、図１に示したマイクロモータを２−２面で水平に切断した断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の一部分ｂを拡大した図面である。図３は、図１に示したマイクロモータを回転軸を通る垂直面で切断した断面図である。
【００１３】
本発明のマイクロモータは、図１に示すように、円柱形状ロータ（１２０）及びその円柱形状ロータ（１２０）を同心円状に取り囲む円筒形状ステータ（１６０）を有している。円柱形状ロータ（１２０）は、図３に示すように回転軸方向に磁極（Ｓ極及びＮ極）を有する円柱形状永久磁石から構成されており、その側面に複数の鞭毛（１３０）が植毛されている。その鞭毛（１３０）は、図２（ａ）に示すように円柱形状ロータ（１２０）の反回転方向に傾倒した状態で植毛されており、その先端が、円筒形状ステータ（１６０）にちょうど接触する長さを有している。
【００１４】
さらに、円筒形状ステータ（１６０）の両端にそれぞれ隣接して、２つのリング形状永久磁石（１５０ａ、１５０ｂ）が、図３に示すように円柱形状ロータ（１２０）を構成する円柱形状永久磁石の磁極（Ｓ極及びＮ極）と同極が対峙するように配置されている。それによって、円柱形状ロータ（１２０）は、円柱形状永久磁石とリング形状永久磁石（１５０ａ、１５０ｂ）との反発磁力により、円筒形状ステータ（１６０）中に非接触で支持されている。円柱形状ロータ（１２０）に固着された回転軸（１１０）は、一方のリング形状永久磁石（１５０ａ）の中心穴（１５２）を貫通してケース（１７０）の外に延びている。
【００１５】
また、円柱形状ロータ（１２０）の底面に対向して、振動体（１４０）が配置されている。振動体の種類は、特に限定されるものではないが、本実施例においては、小型化及び耐久性の観点から、ピエゾ素子を用いている。このピエゾ素子は、チタン酸・ジルコン酸・鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）等の分極したセラミックスの結晶体でできており、分極方向に平行に電場を印加することにより、結晶体中に長さの変化が生じ、結晶体の伸張が引き起こされる、いわゆるピエゾ逆圧電効果を利用して振動を発生させる。ピエゾ素子は、ナノメートル領域の極めて微小な振動を安定して応答性良く発生できるだけでなく、歯車等機械運動をする機構がついていない固体振動素子であるため、小型化・軽量化に適しており、基本的に摩耗や劣化が発生しないという特徴を有している。
【００１６】
次に、上述したような構造からなる本発明のマイクロモータの動作原理について、図２（ｂ）を用いて説明する。振動体（１４０）から延びるケーブル（１４２）に電圧が印加されると、上述したピエゾ逆圧電効果により振動体が振動する。その振動によって円柱形状ロータ（１２０）が振動し、その振動（Ｗ）が鞭毛（１３０）を介し円筒形状ステータ（１６０）に伝搬する。そして、その反作用により円柱形状ロータ（１２０）に偏向力（Ｆ）が加わる。各鞭毛（１３０）により、円柱形状ロータ（１２０）に加えられた偏向力（Ｆ）の総和により、円柱形状ロータ（１２０）が回転軸（１１０）の周りに回転する。さらに、本実施例において振動体として使用したピエゾ素子は、印加電圧が０Ｖ〜１５０Ｖぐらいの範囲で、印加電圧と振動体の振幅が概ね比例するという特性を有しているため、印加電圧を制御することによって、マイクロモータの回転トルクを制御することが可能になる。
【００１７】
また、“シボ加工”や“エンボス加工”等の化学彫刻法や“梨地加工”と呼ばれるサンドブラスト加工などを用いて円筒形状ステータ（１６０）の内周面を粗くすることにより、鞭毛（１３０）との摩擦力が増大し、回転トルクを向上させることが可能である。
【００１８】
さらに、上述の例では、円筒形状ステータ（１６０）とケース（１７０）を別体のものとして構成しているが、ケースにステータを兼ねさせることにより、一層の小型軽量化、部品点数の削減等を図ることも可能である。
【００１９】
このような構造からなるマイクロモータの用途としては、半導体やバイオ関連の実験室や工場等、粉塵を嫌う環境下で使用されるアクチュエータの駆動源としての利用や、小型音響機器等に使用されるモータとしての利用、内視鏡の先端に取り付けて、腫瘍の切除の動力とする医療機器としての利用が考えられる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、円柱形状ロータ及び当該円柱形状ロータを同心円状に取り囲む円筒形状ステータを有するマイクロモータにおいて、前記円柱形状ロータは、回転軸方向に磁極を有する円柱形状永久磁石からなると共に、その側面に複数の鞭毛が植毛されており、当該鞭毛は、前記円柱形状ロータの反回転方向に傾倒し、その先端が前記円筒形状ステータに接触しており、前記円筒形状ステータの両端にそれぞれ隣接して、２つのリング形状永久磁石を有しており、前記円柱形状ロータの底面に対向して、振動体が配置されており、前記円柱形状ロータは、前記円柱形状永久磁石と前記リング形状永久磁石との反発磁力により、前記円筒形状ステータ中に非接触で支持されている構造にしたため、従来、交番磁界を発生させるために必須とされていた巻き線やブラシを必要とせず、機構的にきわめてシンプルで、超小型軽量のマイクロモータを構成することが可能になる。
【００２１】
しかも、特殊な材料を一切使わないため、従来のモータに比べて、きわめて安価に小型軽量化を実現することが可能になる。さらに、ロータが反発磁力によって、スラスト方向（回転方向と直交する方向）に対して非接触に支持されているため、回転トルクの損失や摩耗による粉塵の発生を低減することができる。また、鞭毛、ロータ、ステータの間には、接触による大きな負荷が掛からないため、静粛性及び耐久性を格段に向上させることができる。
【００２２】
さらに、振動体としてピエゾ素子を用いることにより、印加した電気エネルギーを直接、機械運動である振動に変換し回転運動を発生させるため、印加電圧の大きさにより簡単に回転トルクの調整が可能であるとともに、極めて速い応答特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロモータの構成を示す説明図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示したマイクロモータを２−２線を含む水平面で切断した断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の一部を拡大した図である。
【図３】図１に示したマイクロモータを回転軸を含む垂直面で切断した断面図である。
【符号の説明】
１００・・・マイクロモータ
１１０・・・回転軸
１２０・・・円柱形状ロータ
１３０・・・鞭毛
１４０・・・振動体
１４２・・・ケーブル
１５０ａ、１５０ｂ・・・リング形状永久磁石
１５２・・・中心穴
１６０・・・円筒形状ステータ
１７０・・・ケース

Claims

円柱形状ロータ及び当該円柱形状ロータを同心円状に取り囲む円筒形状ステータを有するマイクロモータであって、
前記円柱形状ロータは、回転軸方向に磁極を有する円柱形状永久磁石からなると共に、その側面に複数の鞭毛が植毛されており、
当該鞭毛は、前記円柱形状ロータの反回転方向に傾倒し、その先端が前記円筒形状ステータに接触しており、
前記円筒形状ステータの両端にそれぞれ隣接して、２つのリング形状永久磁石が配置されており、
前記円柱形状ロータの底面に対向して、振動体が配置されており、
前記円柱形状ロータは、前記円柱形状永久磁石と前記リング形状永久磁石との反発磁力により、前記円筒形状ステータ中に非接触で支持されていることを特徴とするマイクロモータ。
前記振動体が、ピエゾ素子である請求項１に記載のマイクロモータ。