JP2011516014A - スティックスリップ圧電モータ - Google Patents

Abstract

ロータと、軸方向分極を有する圧電材料を含むステータであって、互いから離間する少なくとも３対の電極をその上端面に含み、共通電極をその下端面に含むステータと、電極間の隙間でステータに取り付けられるスラブであって、ロータが前負荷力によってスラブの方へ押圧される、スラブと、を含み、正電荷が電極のうちの第１の電極に印加されて、負電荷が電極のうちの第２の電極に印加されるとともに、電気共通端子が共通電極に適用されると、Ｄ３３圧電現象が引き起こされ、それにより、電極間の隙間が曲がって、スラブが傾き、したがって、ロータに対する摩擦押圧横力が加えられてロータが回転される圧電モータ。

Description

本発明は、一般に、コーン状接続ロータを有するチューブ圧電ロータリステージレスモータなどの圧電モータに関する。

圧電効果に基づく多くの装置がある。これらの装置は、超音波振動子およびアクチュエータで幅広く使用される。圧電アクチュエータまたはモータはまた、「スティックスリップ」摩擦接触を用いてステージを回転させることで非常によく知られている。

したがって、本発明の一実施形態によれば、チューブロータと、軸方向分極を有する圧電材料を含むチューブステータであって、互いから離間する少なくとも３対の電極をその上端面に含み、共通電極をその下端面に含むチューブステータと、電極間の隙間で前記ステータに取り付けられるスラブであって、ロータが前負荷力によってスラブの方へ押圧される、スラブとを含み、正電荷が前記電極のうちの第１の電極に印加されて、負電荷が前記電極のうちの第２の電極に印加されるとともに、電気共通端子が共通電極に適用されると、Ｄ_３３圧電現象が引き起こされ、それにより、前記電極のうちの第１の電極下の領域が下端面に対して一方向に移動するとともに、前記電極のうちの第２の電極下の領域が前記第１の電極の方向と反対の方向に移動し、その結果、電極間の隙間が曲がって、スラブが傾き、したがって、ロータに対する摩擦押圧横力が加えられてロータが回転され、また、電極の一方の電圧が他方よりも大きいことにより、スラブが持ち上げられて回転されるとともに、スラブとロータとの間の接触力が増大される、圧電モータが提供される。

明細書および特許請求の範囲全体にわたって、用語「チューブ」とは、中空の丸みのある形状の物体、例えばこれに限定されないが中空ディスク（高さが高くてもよく或いは低くてもよい）を指す。

本発明の一実施形態によれば、ロータがコーン形状面を含み、スラブが面取りされ、ロータをスラブの方へ押圧する前負荷力は、ステータとロータのコーン形状面との相互の中心軸方向軸に沿って中心付けられ（集中され）る。

また、本発明の一実施形態によれば、電極が導電コーティングによって圧電材料上に形成される。

更にまた、本発明の一実施形態によれば、電極に印加される周期的な電荷間の９０°シフトがロータの一方向の回転を引き起こし、２７０°シフトが反対方向の回転を引き起こす。

本発明の一実施形態によれば、電極に印加される電荷間のシフトを変えることにより（あるいは、電極に印加される電圧を変えることにより）ロータの回転を変える。電極に印加される電荷は、周期的な電気信号（正弦、余弦など）を含んでもよい。

本発明の一実施形態によれば、スラブの面取りとロータのコーン形状との間の適合する接触形状は、直線、凹形状、および、丸みのある曲線のうちの少なくとも１つを含む。

また、本発明の一実施形態によれば、（チューブ）ロータと、圧電材料を含む（チューブ）ステータであって、下端面と上端面とを含み、両端面に電極を有する軸方向分極を伴うステータと、ステータの中心軸方向軸に対して平行な極性を有する上端面に取り付けられる圧電材料からなる複数の等間隔のサイドアクチュエータであって、ステータ分極方向に対して垂直なそれらの面上にステータの上端面の接線方向に電極を有するサイドアクチュエータと、サイドアクチュエータに取り付けられるチップ部材であって、ロータが前負荷力を用いてチップ部材の方へ押圧される、チップ部材とを含み、反対の符号の電荷がステータの下端面および上端面に印加されると、ステータの上端面が軸方向に移動し、反対の符号の電荷がサイドアクチュエータ電極に印加されると、圧電横Ｄ_１５効果に起因して圧電材料が平行四辺形のように横に歪み、それにより、チップがロータに押し付いてロータを回転させる、その結果、サイドアクチュエータが持ち上げられて回転されるとともに、チップ部材とロータとの間の接触力が増大される、圧電モータが提供される。

本発明の一実施形態によれば、ロータがコーン形状面を含み、チップ部材が面取りされ、ロータをチップ部材の方へ押圧する前負荷力は、ステータとロータのコーン形状面との相互の中心軸方向軸に沿って中心付けられ（集中され）る。

また、本発明の一実施形態によれば、チップ部材とロータのコーン形状との間の適合する接触形状は、直線、凹形状、および、丸みのある曲線（他の形状も本発明の範囲内である）のうちの少なくとも１つを含む。

コーン接続は、チップからコーンへ伝達される摩擦モーメントを円錐角のサイナスの逆数分だけ高める。

チップの動きがロータへと向かうと、接触前負荷力が増大し、それにより、摩擦力が増大する。反対の電荷が前記電極対に印加されると、ステータが反対側に歪む。

これらの動きは、圧電結晶の高速応答時間に起因して及び／又はステータをその固有周波数で作動させることによって非常に急速に行なわれ、それにより、チップがロータから離れるように動く際、ロータ−スプリング前負荷の比較的ゆっくりとした自然な機械応答時間により、スラブのチップがロータコーンとの接触から脱する。これは「スティックスリップ」接続として知られている。

本発明の更なる他の好ましい実施形態は、圧電効果の組み合わせ（例えば、以下で規定されるＤ３３およびＤ１５）に関する。

本発明の一実施形態によれば、前負荷力は、ロータとスラブとの間の摩擦を高め、電荷がステータに印加されないときにロータのロック状態を引き起こす。

開示技術は、図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から更に十分に理解されて認識される。

本発明の一実施形態に係るステータ、電極、スラブ、および、ロータを含む圧電モータ（または、略してピエゾモータ）の概略全体図である。 ロータが無い図１のピエゾモータの概略全体図である。 図１のピエゾモータの側面図である。 図１のピエゾモータの正面断面図である。 ロータが無い図１のピエゾモータの上面図である。 電場を印加する前のスラブ位置およびピエゾモータの歪み効果の概略側面図である。 電場を印加した後のスラブ位置およびピエゾモータの歪み効果の概略側面図である。 大きな電場を印加した後のスラブ位置およびピエゾモータの歪み効果の概略側面図である。 矩形のチップの動きを生み出す電極に印加される電気シーケンスの図解例である。 図５．１と同様に電極に印加される電気シーケンスに起因する矩形のチップの動きの例図である。 上面電極に印加される正弦電気信号パルス間のプラスの位相ずれの動作モードである。 上面電極に印加される正弦電気信号パルス間のマイナスの位相ずれの動作モードである。 その電気的に励磁されない位置にある複合ピエゾモータの概略全体図である。 その電気的に励磁されない位置にある複合ピエゾモータの概略側面図である。 その電気的に励磁された歪み位置にある複合ピエゾモータの概略全体図である。 その電気的に励磁された歪み位置にある複合ピエゾモータの概略側面図である。 ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、チップおよびコーンの両方が一直線状の輪郭を有する概略全体図である。 ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、チップが湾曲し且つコーンが一直線状の輪郭を有する概略全体図である。 ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、コーンが一直線状の輪郭を有し且つコーンが湾曲した概略全体図である。 ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、チップおよびコーンの両方が湾曲した輪郭を有する概略全体図である。

以下は、圧電学で使用される一般に認められた命名である。圧電トランスデューサの基準軸は、物体の軸ｘ、ｙ、ｚに類似して１、２、３と称され、一方、軸４、５、６は回転を特定する。圧電トランスデューサの分極方向（３）が製造中に定められる。モードＤ_３３、Ｄ_３１がブリージングモードと称され、モードＤ_１５がシェアモードと称される。この命名において、Ｄ_３１は電圧が「３」方向で印加され、それに伴う長さ変化が「１」方向で測定される。Ｄ_３３アクチュエータでは、先と同様に電圧が「３」方向で印加されるが、長さ変化が「３」方向で測定される。

ここで、図１を参照すると、図１は、本発明の一実施形態にしたがって構成されて作動されるステータ、電極、スラブ、および、ロータを含む圧電（回転）モータ１（または、略してピエゾモータ）を示している。圧電回転モータ１のステータ２は、２つの別個の導電コーティング分割電極５、６の対が上端面にコ−ティングされた圧電結晶材料チューブから形成される。ステータ２には、電極５、６の対間の隙間にスラブ４（セラミックなどの硬質材料からなる）が取り付けられる。ロータ３にはコーン形状側面７が形成される。ロータ３は、ステータ２に沿って軸方向８に向けられた前負荷力によってスラブ４へ向けて押圧される。ステータ２の圧電結晶材料チューブは、矢印８によって示される方向でステータ２の軸方向軸に沿って分極される。

電気共通端子が下端面共通電極９に適用された状態で、正電荷が電極５に印加され且つ負電荷が電極６に印加されると、Ｄ_３３圧電現象が引き起こされ、それにより、電極５下の領域が下端面９に対して一方向に移動するとともに、電極６下の領域が他方向に移動する。

ここで、ロータ３が無い図１のチューブ圧電回転モータ１を示す図２を参照する。図示のように、スラブ４は、ロータのコーン７の輪郭に適合するための面取り１３を有する。

ここで、図３．１を参照すると、図３．１は、スラブの面取り１３とロータのコーン７との間の適合接触部１０を示す、その電気的に励磁されない位置にあるピエゾモータ１の側面図である。

ここで、図３．２を参照すると、図３．２は、スラブの面取り６とロータのコーン７との間の適合接触部１０を示す、その電気的に励磁されない位置にあるピエゾモータ１の断面図である。

ここで、図３．３を参照すると、図３．３は、分割コーティング電極５、６、電極５、６間の隙間内のスラブ４、および、ロータ７の配置を示すピエゾモータ１の上面図である。

ここで、図４．１を参照すると、図４．１は、その励磁されない位置におけるピエゾモータのステータ２に関する歪みメッシュの概略図である。矢印８は分極方向を示している。

ここで、図４．２を参照すると、図４．２は、その電気的に励磁された位置におけるピエゾモータのステータ２に関する歪みメッシュの概略図である。正電荷が電極５に印加され、負電荷が電極６に印加されるとともに、共通のグランドが共通電極９に適用される。圧電効果Ｄ_３３に起因して、電極５下の領域が分極（矢印８）と反対の方向に移動し、電極６下の領域が分極（矢印８）の方向に移動する。電極５、６間の隙間が傾けられ、それに伴って、スラブ４が矢印１１で示される角度だけ回転される。

ここで、図４．３を参照すると、図４．３は、その電気的に励磁された位置におけるピエゾモータのステータ２に関する歪みメッシュの概略図である。ここでは、図４．２の場合よりも大きい正電荷が電極５に印加され、図４．２の場合よりも小さい負電荷が電極６に印加されて、それにより、図４．２の場合と同じ電圧差が維持されるとともに、共通のグランドが共通電極９に適用される。電極５下の領域が図４．２の場合よりも大きく分極（矢印８）と反対の方向へ移動し、電極６下の領域が分極（矢印８）の方向に僅かに移動する。電極５、６間の隙間が傾けられて持ち上げられ、また、スラブ４も矢印１２で示される角度だけ傾けられて持ち上げられる。このように、スラブ４が持ち上げられて回転され、その結果、スラブ４とロータのコーン７との間の接触力が増大し、それにより、「スティックスリップ」形態の最初の１／４サイクルが引き起こされる。

ここで、電極５、６の帯電シーケンスの１つの例である図５．１を参照すると、Ａは電極５を示し、Ｂは電極６を示す。図５．１は、各シーケンスで電極に印加される電圧およびその符号を示している。点０から始めると、電圧が電極に印加されず、したがって、ピエゾモータに歪みが生み出されない。ステップＩでは、電極５が−０．３Ｖを受け、電極６が＋１Ｖを受ける。ステップＩＩでは、電極５が−０．６Ｖを受け、電極６が−０．３Ｖを受ける。ステップＩＩＩでは、電極５が−０．３Ｖを受け、電極６が０Ｖを受ける。前記３つのステップは、ピエゾモータを作動させるために使用できる多くの全シーケンスのうちの一例にすぎない。

ここで、図５．２を参照すると、図５．２は、図５．１の電気シーケンスで作動される間のロータのコーン７との接触点におけるスラブチップ移動の概略図であり、点（０）１５が開始点である。矢印１６で示される経路を経てステップＩ−１７に達し、矢印１８で示される経路を経てステップＩＩ−１９に達し、矢印２０で示される経路を経てステップＩＩＩ−２１に達し、矢印２２で示される経路を経て点Ｉ−１７に戻ってサイクルが完了される。

反対の符号の給電がサイクル方向を逆転させる。

このサイクルで得られる一般的な形状は三角形である。ステップＩＩＩ２１から経路２２を経てステップＩ−１７へと至る区間は、ピエゾモータの作動ストロークと略平行であり、そのため、高い効率を達成する。

ここで、図５．３を参照すると、図５．３は、上面電極のそれぞれに印加されるパルスである２つの電気的な正弦信号６２、６３間の位相ずれ６４の動作モードのグラフ図である。縦（ｙ）軸６０は電圧であり、横（ｘ）軸６１は時間である。位相ずれ６４はロータを一方向に回転させる。

図５．４は、図５．３のプラスの位相ずれと比べたマイナスの位相ずれ６５の動作モードである。これは、図５．３のロータ回転と反対の方向にロータを回転させる。

ここで、図６．１を参照すると、図６．１は、本発明の一実施形態にしたがって構成されて作動される複合ピエゾモータ３０の概略全体図である。ピエゾモータ３０は、コーティングされた導電電極３２をその下面に有し、且つコーティングされた導電電極を上面３３に有する矢印４０と平行な軸方向分極を伴う圧電結晶材料チューブ３１から形成される。均等に配置された少なくとも３つの圧電サイドアクチュエータ部材３４が、上面３３に取り付けられるとともに、矢印４０で示される方向に沿ってチューブ３１の軸方向軸と平行に分極される。サイドアクチュエータ部材３４のそれぞれは、コーティングされた導電電極を側面３５、３６に有する。サイドアクチュエータ部材３４の上端には部品３７（好ましくは硬質材料から形成される）が取り付けられ、該部品は、ロータ３９のコーンに適合する界面形状３８を有する。ロータ３９は、矢印４０で示される方向の前負荷力によって界面形状３８に対して押し付けられる。

ここで、図６．２を参照すると、図６．２は、ロータ３９のコーン４４と、界面形状３８とロータのコーン４４との間の接触点４５とを示す、図６．１の複合ピエゾモータ３０の概略側面図である。

ここで、図７．１を参照すると、図７．１は、電極に対する電気刺激下での歪み位置における図６．１の複合ピエゾモータ３０の概略全体図である。電極３２、３３には反対の符号の電圧が加えられ、それにより、チューブ３１の電極３３下の上面が矢印４０と反対の方向に移動し、それに伴って、３つのサイドアクチュエータ部材３４が一緒に持ち上げられる。反対の符号の電気刺激がサイドアクチュエータ部材３４の電極３５、３６に対して与えられ、それにより、Ｄ１５圧電効果に起因して上面およびアクチュエータ部材に取り付けられた部材３７が矢印４９で示される方向でチューブの接線方向に横移動する。ロータ３９は、矢印４０で示される方向の前負荷によってサイドアクチュエータ部材３４の面取り３８に対して押し付けられる。これは、ロータのコーン４４と面取り３８との間の垂直抗力の増大とこれらの間の摩擦によって推し進められるサイドアクチュエータ部材３４の横移動とに起因して、矢印４６の方向の回転を引き起こす。電気シーケンスを逆にすることにより、サイドアクチュエータ部材３４が矢印４０の方向で下方へ移動するとともに、上面が先の電気刺激に対して反対の方向に移動する。

なお、本発明の実施形態において、コーン接触は、利用可能な摩擦トルク伝達を促進する。

ここで、図７．２を参照すると、図７．２は、丸みのある形状を有するロータ３９のコーン４７を示す図７．１の複合ピエゾモータ３０の概略側面図である。

ここで、図８．１を参照すると、図８．１は、ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、チップおよびコーンの両方が一直線状の輪郭を有する概略全体図である。

ここで、図８．２を参照すると、図８．２は、ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、チップが湾曲し、且つコーンが一直線状の輪郭を有する概略全体図である。

ここで、図８．３を参照すると、図８．３は、ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、コーンが一直線状の輪郭を有し、且つコーンが湾曲した概略全体図である。

ここで、図８．４を参照すると、図８．４は、ピエゾモータのチップとロータのコーンとの接触領域の概略全体図であって、チップおよびコーンの両方が湾曲した輪郭を有する概略全体図である。

明確にするために、別個の実施形態の文脈に記載される本発明の様々な特徴が組み合わされて単一の実施形態で与えられてもよいことが認識される。反対に、単一の実施形態の文脈で略して記載される本発明の様々な特徴が、別個に或いは任意の適したサブコンビネーションで与えられてもよい。

Claims (17)

1. ロータと、
   軸方向分極を有する圧電材料を備えるチューブステータであって、互いから離間する少なくとも３対の電極をその上端面に備え、共通電極をその下端面に備えるチューブステータと、
   前記電極間の隙間で前記ステータに取り付けられるスラブであって、前記ロータが前負荷力によって前記スラブの方へ押圧される、スラブと、
   を備え、
   正電荷が前記電極のうちの第１の電極に印加されて、負電荷が前記電極のうちの第２の電極に印加されるとともに、電気共通端子が前記共通電極に適用されると、Ｄ_３３圧電現象が引き起こされ、それにより、前記電極のうちの第１の電極下の領域が下端面に対して一方向に移動するとともに、前記電極のうちの第２の電極下の領域が前記第１の電極の方向と反対の方向に移動し、その結果、電極間の隙間が曲がって、前記スラブが傾き、したがって、前記ロータに対する摩擦押圧横力が加えられて前記ロータが回転され、電極の一方の電圧が他方よりも大きいことにより、前記スラブが持ち上げられて回転されるとともに、前記スラブと前記ロータとの間の接触力が増大される、圧電モータ。
2. 前記ロータがコーン形状面を備え、前記スラブが面取りされ、前記ロータを前記スラブの方へ押圧する前記前負荷力が、前記ステータと前記ロータの前記コーン形状面との相互の中心軸方向軸に沿って中心付けられ（集中され）る、請求項１に記載の圧電モータ。
3. 前記電極が導電コーティングによって前記圧電材料上に形成される、請求項１に記載の圧電モータ。
4. 周期的な電気サイクルが前記電極を活性化させ、電極に印加される電荷間の９０°シフトが前記ロータの一方向の回転を引き起こし、２７０°シフトが反対方向の回転を引き起こす、請求項１に記載の圧電モータ。
5. 電極に印加される電荷間のシフトを変えることにより前記ロータの回転を変える、請求項１に記載の圧電モータ。
6. 電極に印加される電圧を変えることにより前記ロータの回転を変える、請求項１に記載の圧電モータ。
7. スラブの面取りとロータのコーン形状との間の適合する接触形状は、直線、凹形状、および、丸みのある曲線のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の圧電モータ。
8. ロータと、
   圧電材料を備えるチューブステータであって、下端面と上端面とを備え、両端面に電極を有する軸方向分極を伴うチューブステータと、
   前記ステータの中心軸方向軸に対して平行な極性を有する前記上端面に取り付けられる圧電材料からなる複数の等間隔のサイドアクチュエータであって、ステータ分極方向に対して垂直なそれらの面上に前記ステータの上端面の接線方向に電極を有するサイドアクチュエータと、
   前記サイドアクチュエータに取り付けられるチップ部材であって、前記ロータが前負荷力を用いて前記チップ部材の方へ押圧される、チップ部材と、
   を備え、
   反対の符号の電荷が前記ステータの下端面および上端面に印加されると、前記ステータの上端面が軸方向に移動し、反対の符号の電荷がサイドアクチュエータ電極に印加されると、圧電横Ｄ_１５効果に起因して前記圧電材料が平行四辺形のように横に歪み、それにより、前記チップが前記ロータに押し付いて前記ロータを回転させる、圧電モータ。
9. 前記ロータがコーン形状面を備え、前記チップ部材が面取りされ、前記ロータを前記チップ部材の方へ押圧する前記前負荷力は、前記ステータと前記ロータの前記コーン形状面との相互の中心軸方向軸に沿って中心付けられ（集中され）、ステータの下端面および上端面に印加される電荷は、サイドアクチュエータ電極に印加される電荷と同期される、請求項８に記載の圧電モータ。
10. 前記電極が導電コーティングによって前記圧電材料上に形成される、請求項８に記載の圧電モータ。
11. 周期的な電気サイクルが前記電極を活性化させ、電極に印加される電荷間の９０°シフトが前記ロータの一方向の回転を引き起こし、２７０°シフトが反対方向の回転を引き起こす、請求項８に記載の圧電モータ。
12. 電極に印加される電荷間のシフトを変えることにより前記ロータの回転を変える、請求項１に記載の圧電モータ。
13. 電極に印加される電荷が周期的な電気信号を含む、請求項１に記載の圧電モータ。
14. 前記チップ部材と前記ロータのコーン形状との間の適合する接触形状は、三角形状、楕円形状、および、矩形形状のうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の圧電モータ。
15. 前記ロータと前記スラブとの間の摩擦は、前記コーン形状面の円錐角のサイナスの逆数の関数である、請求項２に記載の圧電モータ。
16. 前負荷力は、前記ロータと前記スラブとの間の摩擦を高め、電荷がステータに印加されないときにロータのロック状態を引き起こす、請求項１に記載の圧電モータ。
17. 前負荷力は、前記ロータと前記スラブとの間の摩擦を高め、電荷がステータに印加されないときにロータのロック状態を引き起こす、請求項８に記載の圧電モータ。

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