JP2012527215A - 超音波非接触軸受を有する電気モータ - Google Patents

Abstract

精密機器、そして、特に電磁モータの非接触軸受を作り出すための、ガス中の圧電超音波サスペンション。昇圧ガスマイクロフィルムが球状サドルと球状トラニオンの隣接する表面の間に形成される。前記球状トラニオンは、圧電振動子が励起されているとき、ガスマイクロフィルムによってサドルの前記球状表面から離れて間隔を空けられる。
【選択図】図１

Description

本出願は、参照することによりここに組み込まれている、２００９年５月１５日に出願された米国特許出願第６１／１７８，５８７号全体の優先権を主張する。

本発明は、非接触軸受を有するモータ、より詳細には繊細な部品にサスペンションを与えるために使用され得る非接触軸受を有するモータの分野に関係する。

直流或いは交流で駆動するブラシレスモータが当該技術分野で周知である。そのようなモータは一般的にブラシレス加速ユニットを備え、当該ユニットは固定子と回転子、そして、軸に関するシステムを備える。従来型の同期或いは非同期ブラシレスモータにおいては、固定子巻き線が回転電磁場を発生させる。回転電磁場は、前記回転子の電磁場或いは前記回転子の永久磁場と相互に作用し、当該回転電磁場がモータ回転子にトルクを生みだす。前記回転子は、軸受けに固定されている軸に設置される。通常、これらの軸受けは滑り軸受或いは転がり軸受である。

そのようなブラシレスモータが周知である一方で、それらはまた数個の不都合を抱えていると認識されてもいる。例えばそのようなモータは、軸受けの寿命によって規定される限られた耐用年数を有することが知られている。ブラシレス電気モータはまた、かなりのレベルの振動と雑音を、軸受けの特性が原因で発生させることも知られている。前記かなりの振動レベルは特に、モータの動作特性、例えばその回転速度等を大きく制限すると認識されている。

ブラシレス電気モータに付き物であるいくつかの問題は、非接触支持の原理に基いて動作するモータにおいては部分的に取り除かれる。例えば、さまざまな静電気、磁気、および超伝導の非接触なサスペンション／支えが提案されてきた。例えば、非特許文献１の９頁および３１頁参照。これらの装置の動作原理は、サドルと、これに対応するトラニオンと、の間の静電気或いは磁気のどちらかの斥力を引き起こすことにある。

さまざまな静電気、磁気、および超伝導の非接触サスペンション／支えを包含するモータの欠点は、それらの実施に含まれる著しい技術上の困難さである。これはこのタイプのモータの比較的貧弱な技術使用と性能の一因となってきた。例えば、そのようなモータは考慮すべき間隙等の問題で、比較的低い荷重負担能力を有し、逆トルクが生じ、そして、空間における安定化に難がありがちである。そのようなモータに付随する技術上の困難はまた、結果的に比較的高価な装置つながってきた。したがって、これらの原理を包含するモータは商業的な実践において幅広い活用を見出すことには失敗してきた。

３軸非接触超音波支えの構造に基く様々な装置もまた、当該技術分野において知られている。そのような装置は、精密機器用ガス軸受のデザインに関するペトレンコ他の特許文献１、および、信頼性の高い精密機器のためのペトレンコ他の特許文献２において検討されている。しかしながら、これらの参考例は、モータ内の配置とは対照的に、一般にさまざまな包括的な支えに限定される。

ガスダイナミックジャイロスコープにおいて使用されるガス支持、或いは、軸受けを含む非接触支持システムもまた当該技術分野において知られている。例えば、非特許文献２の１０６〜１１０頁参照。これらのシステムは、前記サドルおよび前記トラニオンの隣接する、或いは、対をなす表面の間の昇圧のガスマイクロフィルムを作り出すアイディアに基く。この方法における昇圧領域は、ガスタービン（サドル）−トラニオンアセンブリの隣接する表面の間の間隙に形成されるガス流の動的特性により作り出される。

ウクライナ特許第４１６９号 ソ連特許第１７８２３１６号

「新型ジャイロスコープ」 Ａ．Ｓ．カサートキン著，レニングラード：造船，１９７１年 「統合されたナビゲーションシステムでの第７回サンクトペテルスブルグ国際会議議事録」 サンクトペテルスブルグ，２０００年

ガス支持システムの不都合は、要求される動的パラメータを有するガス流の構造に関連する著しい技術上の困難である。例えば、必要なガス流構造は前記隣接する表面の間の間隙の複雑な構成と、前記タービンと、高度に安定したタービン回転の前記要求と、を包含する。ガス流へのアプローチに付随する別の問題は、静的モード（例えば、前記タービン／トラニオンが動かない場合）においてその方式を使用することができないことと、高エネルギー要求（特に、前記システムが静的状態から始まって動作に至る場合）と、前記隣接する表面の間のかなりの間隙（いくつかのデザインでは１ミリ程度）と、ガス流の変動と、に起因する前記支えの不十分な３軸安定と、そのような支えの著しいガスダイナミックドラッグトルク（１０〜３グラム・センチメートル程度）と、ぎくしゃくした動作と、そのような支え／軸受けの高い費用と、を含む。加えて、モータを支えるガスは安定化が難しいことが知られている。特に、そのようなシステムにおけるモータは "ビーティング"効果を避けるためにバランスが良いことを必要とする。当該効果は、回転中の回転軸のさまざまな方向へのぎくしゃくした動作によって特徴づけられる。これは重心が回転軸に一致しない場合に起きる。

本発明は、低コストのセルフセンタリングモータ(self-centering motor)に関係し、当該モータは、新規な物理的原理を、ドラッグトルクと、消費電力と、固有の荷重負担能力と、支えの３軸安定の改善を含む技術的詳細事項と共に具体化する。前記モータは、精密機器の、そして、特に電磁モータの非接触軸受支えを作成するために、ガス中での圧電性超音波サスペンションを利用する。これは軸受支えの、球状に湾曲したサドルと、球状に湾曲したトラニオンに相当するものと、の間の昇圧されたガスマイクロフィルムの形成によって達成される。前記軸受支えは、凹型球状表面分を規定する環状サドルを備える。トラニオンは、前記環状サドル内で回転するように構成される凸型球状表面分を規定する。実際には、前記環状サドルは前記トラニオンの表面の少なくとも一部に対して対をなす表面を形成する。

圧電振動子素子が、前記ガスマイクロフィルムを発生させるために、前記軸受支えに固く取り付けられる。励起信号が前記圧電振動子素子に印加されていない時は、前記トラニオンは、前記サドルと前記トラニオンのそれぞれによって規定される球状領域の対をなす表面に沿って前記サドルと接触する。

前記圧電振動子素子は、ベースに取り付けられ、当該ベース上に電気モータの固定子が搭載される。回転子シャフトが前記トラニオンに固定され、さらに、その結果としての前記回転子の重心と前記トラニオンは前記サドルの曲面の中心より下に位置する。前記圧電振動子素子は、励起ジェネレータに電気的に接続されるように構成される。

共振超音波が前記サドルで発生する。その結果、放射音圧が、方向を有する超音波の音響場の構造によって前記トラニオンの前記対をなす表面にかかる。前記方向を有する超音波の音響場は、前記サドルの前記対をなす表面によって、そして、前記サドルと前記トラニオンの前記隣接する表面の間の間隙における定在音波の構造によって、形成される。結果として、前記隣接する表面の間の動作が起きている間隙(working gap)は、前記放射音響場と前記軸受支えの荷重負担能力と関連する力とによって作られる相反する力に起因して生み出される。

ある態様によれば、前記回転子は少なくとも１つの永久磁石を備えるブラシレス回転子である。前記少なくとも１つの永久磁石は、環状磁石リングを特徴づけるものであってもよい。より詳しくは、前記回転子は前記トラニオン上に、前記トラニオンの回転軸に対して対称的にそろえて設置される対称形の磁石リングからなっていてもよい。前記磁石リングは、前記トラニオンの凸型球状表面によって規定される曲面の中心を含み、前記トラニオンの回転軸に垂直な平面に位置する。

固定子は一定の状況下では前記回転子と軸をそろえられ、前記回転子に角加速を生み出すように構成される。また、前記固定子は活性化しているときに回転磁界を生み出すように構成されている。前記固定子は前記曲面の中心を含み、前記トラニオンによって規定される対称の軸に垂直な平面に位置する。いくつかの実施例においては、前記固定子は前記回転子の内側に位置する。別の実施例においては、前記回転子は前記固定子の内側に位置する。

前記圧電振動子は、前記回転子の回転軸にそろえられる分極ベクトルを有する扁平な環状圧電リングとして形成されてもよい。前記圧電振動子は、前記環状圧電リングの面によって規定される平らな表面全体に沿って、前記軸受支えと接触する。本発明のいくつかの態様によれば、前記軸受支えの前記円筒状外形表面は前記圧電振動子の前記対をなす円筒状外形表面に接触する。その場合は、前記圧電振動子は、前記圧電振動子の環状放射にそろえられている分極ベクトルを有する。

本発明は前記圧電振動子の励起信号を発生するためのジェネレータをも備える。前記モータが前記環状圧電リングの平らな面に沿って前記軸受支えと接触する前記圧電振動子を用いて構成されるならば、ジェネレータ周波数は前記圧電振動子素子の１次ラディアルモード(radial mode)の固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モード(flexural mode)の固有周波数に一致する。或いは、前記モータが前記環状圧電リングの前記対をなす円筒状外形表面と接触する前記軸受支えを用いて構成されるならば、ジェネレータ周波数は前記圧電振動子素子の１次ラディアルモードの固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モードの固有周波数に一致する。本発明はまたモータの動作方式にも関係する。前記方式は、固定子によって与えられる回転磁界に応えてモータのブラシレス回転子に角加速を生み出すステップを備える。前記ブラシレス回転子の角加速に応答して、回転が回転子に取り付けられたトラニオンに与えられ、前記トラニオン軸受支えに形成されたサドルの凹型球状表面内で回転するように構成される凸型球状表面を有する。前記方式は、前記凹型球状表面と前記凸型球状表面の間のガスマイクロフィルムを発生させるために圧電振動子を使用するステップもまた備える。前記発生ステップは、前記トラニオンの前記凹型球状表面と前記サドルの前記凸型球状表面との間で規定されるガス層内に高次定在球面音波を形成するステップをさらに備える。

本発明のある態様によれば、前記方式は、回転子アセンブリの重心が、前記サドルの曲面の中心と、前記トラニオンを備える前記回転子アセンブリと、前記回転子と、前記回転子に取り付けられる磁石リングと、そして、少なくとも１つの振動素子と、よりも下に位置するように選択することによって、前記回転子の回転軸を垂直に安定させるステップを備えてもよい。

前記方式は、前記圧電振動子素子の１次ラディアルモードの固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モードの固有周波数に相当する周波数を有する前記励起信号で前記圧電振動子を励起するステップをさらに備えてもよい。或いは、前記方式は、前記圧電振動子素子の１次ラディアルモードの固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モードの固有周波数に相当する周波数を有する前記励起信号で前記圧電振動子を励起するステップを備えてもよい。

各実施例を以下の各図面を参照して記述し、当該各実施例においては、同種の番号は同種の項目を表す。

図１は、本発明を理解するために使用されるモータの簡略図の断面図である。 図２は、図１のモータの簡略図を示す断面図であり、各基平面と、固定子および静的或いは動的な不均衡がある場合の鉛直方向から一定の偏差状態にある回転子の各軸と、の相対的な変移が存在する。 図３は、サスペンション−サスペンション点“ＯＲ”と、トラニオンの曲面の半径に等しいサスペンション長Ｌを有する振り子質量ｍの物理的モデルを示す。 図４は、モータの簡略図の断面図であり、当該図面は、軸受支えが環状圧電振動子素子とその円柱面に沿って接触する本発明の別の実施例を理解するために有益である。

本発明を各前記添付図面に準拠して説明する。各前記図面は実寸通りには描かれていない。そして、単に本発明を説明するために提示されているに過ぎない。本発明のいくつかの態様を図の実施例に準拠して以下に記載する。多くの具体的詳細、関連および方法が本発明への十分な理解を与えるために記載されていることを理解するべきである。一方で、関連技術の当業者は、本発明が一つ以上の具体的詳細が欠如しても、或いは、別の方法でも実施可能であることを容易に認知するだろう。他にも、本発明を曖昧にすることを避けるため、周知の構造や作用を詳細には示さない。ある動作が異なる順番で、及び／または、他の動作や事象と同時に起こってもよいように、本発明は図示された動作や事象の順序によっては限定されない。さらに、全ての図示された動作や事象が、本発明に従って手順を実行する必要があるわけではない。

本発明の構成は、（非接触の軸受として機能を果たす）サドルと、（回転子アセンブリの一部である）トラニオンとの対をなす表面の間の昇圧されたガスマイクロフィルムの作成によって、電気モータの三次元回転子の非接触超音波サスペンションを提供する。本明細書において、“対をなす表面”という用語は、例えば球面の形状、曲面の半径等の若干の共通する特徴を有するが、別の面では相反する、或いは、逆の組を形成する一組の表面に言及する。したがって、本明細書では、前記サドルと前記トラニオンの、向かい合う凹曲面と凸曲面を、時として対をなす表面と見なす。

本明細書に記載されている、対をなす表面の間の前記ガスマイクロフィルムは、前記サドルと前記トラニオンの間の機械的接触を徹底的に排除する役に立つ。そのような接触が存在しないことは、回転子とその支え（サドル）との間の摩擦を大幅に減少させる。例えば、残留する摩擦は、前記トラニオン（回転子）と前記サドル（回転子支え）との間の間隙に大気或いは他の気体を有する回転子の摩擦によってのみ決定されるので、摩擦力を２〜３桁縮小することができる。この構成は、潜在的に無制限なモータの寿命をもたらす。さらに、機械的接触の排除は回転子の動作をとても滑らかにし、それによってぎくしゃくした動きを排除する。前記昇圧されたガスマイクロフィルムの固有の復元力による回転子の振動の減衰は、振動と騒音のレベルを最小限に抑える。

前記モータは、単独の三次元支えを備え、そのことは回転子アセンブリの位置が三次元制御されることを意味する。前記支えは遊離状態における（サスペンションシステムが稼働状態での）モータの回転軸が、垂直方向を維持することを確保する。前記回転子の角加速が開始した後に、前記回転軸が間隙を介して自身を安定させる。もしも重心が前記回転子の対称の中心にあるならば、前記回転軸は垂直軸と一致するだろう。もしも重心が前記回転子の対称の中心にないならば（不平衡負荷が存在するケースであるように）、前記回転軸は垂直軸と一致しないだろう。前記回転子は、まるで前記支え内を自由に“浮遊”するかのように振舞い、そして、“加速”が開始されて、独楽のように旋回し自身を安定させる。

前記回転子の前記超音波非接触サスペンションは、前記サドルと前記トラニオンの前記隣接する或いは対をなす表面によって規定される気体層において維持される定在音波によって与えられる。前記定在波の音圧は前記支えに荷重負担能力をもたらす。前記“浮遊”する軸の効果は前記回転子アセンブリの非接触の前記三次元支えによって達成され、当該支えは仮想サスペンション点に対応して動かされる重心を有する。

ここで図１を参照すると、本発明を理解するために使用される、モータ１００の簡略図が示されている。このモータは非接触球面サスペンションとブラシレス加速ユニットを備える。前記非接触球面サスペンションは、超音波非接触軸受支え１を備え、該超音波非接触軸受支えは、半径Ｒの曲面を有し、そして、対称の軸“0-0”を有する凹型球状表面を規定するサドル１４を備える。前記軸受支えは、円筒状外表面を規定する円環形状を好適に有する。

前記軸受支え１は、偏極ベクトル“Ｅ”を有する圧電振動子２に固く結合される。当業者は、このベクトルが前記圧電振動子の電気的励起を働かせる方向を規定する、すなわち前記ベクトルＥと一致させられることを正しく理解するだろう。圧電振動子２は圧電振動子素子であり、圧電特性を有することが現在知られている、或いは、将来的に確定されるどの適切な材料から形成されてもよい。そのために適切な材料は、圧電体チタン酸ジルコン酸鉛ストロンチウムセラミック（ＰＺＴ）材料のグループから選択された圧電セラミックスを含むが、これに限定されるものではない。ジェネレータ９は圧電振動子２の各電気接点に電気的に接続される。

一の実施例によれば、前記圧電振動子２および前記軸受支え１は、それぞれ円環形状を有してもよい。図１に示される本発明の実施例において、前記環状軸受支え１の平らな面１５は圧電振動子の平らな面１６と係合することができる。図４に示される別の実施例において、前記圧電振動子２の円環形状によって規定される円筒状表面１７は、前記軸受支え１によって規定される円筒状表面１８に対して対をなす表面として構成されてもよい。その結果として、前記圧電振動子２の表面は前記軸受支え１と密接して係合することができる。各励起電極（図示せず）は、図１に示される構造の中の前記環状圧電リングの上下の平らな面１６，１９に配置される。各前記励起電極は図４に示される前記環状圧電リングの内側と外側の平らな面１７，２０に配置される。

前記サドル１４は（対称の軸“1-1”を有する）凸型球面のトラニオン３と係合する。前記トラニオン３は球面の前記サドルと同一の曲面の半径Ｒを有する。前記トラニオン３は、環状磁石リング５を形成するように配置された少なくとも１つの永久磁石を備える駆動素子を有する回転子４を支える。固定子６は適切な手段で基部７に固定される。例えば片持ち支持アーム１０がそのために使用されてもよい。それでも、本発明はこの点で限定されはしない。そして、別の支持構造を制限されることなく使用してもよい。本発明の実施例において、前記トラニオンと前記軸受支えはガラス、ピロセラミック(pyroceramic)或いは結晶化ガラス製でもよい。しかしながら、本発明はこの点で限定されはしない。そして、どのような別の適切な材料もまた、そのために使用されてもよい。

前記回転子４は、各振動素子８を受けるための複数のシート１３を有する。前記各振動素子は、モータ駆動機能を実行するためのどのような構造でもよい。例えば、前記各振動素子８は制限されることなく、ファンのブレードや、光学或いは磁気センサーでもよい。前記回転子４と、前記磁石リング５と、各前記振動素子８と、前記トラニオン３との結合物は、本明細書において前述の回転子アセンブリと呼ばれる。

好適には、前記モータ１００は、（前記回転子４と、前記磁石リング５と、各前記振動素子８と、前記トラニオン３とを包含する）前記回転子アセンブリの重心ＯＭが、前記サドルの半径Ｒを有する曲面の中心“ＯＲ”より下に位置するように構成される。前記加速磁石リング５は前記トラニオン３の直径面“11-11”内に位置する。前記固定子６は自身の軸“0-0”に垂直な、前記サドル１の直径面“00-00”内に、対称的に位置付けられる。

図２は静的或いは動的な不均衡がある場合の前記固定子の基平面と軸（“0-0”，“00-00”）と、その軸が鉛直方向からある偏差状態にある前記回転子の基平面と軸（“1-1”，“11-11”）と、の相対的な変移の簡略図を示す。図３は、サスペンション点(point of suspension)“ＯＲ”と、前記サドル１４の曲面の半径Ｒに等しいサスペンション長Ｌとを有するサスペンション−振り子質量ｍ（ｍは前記回転子アセンブリの合成重量(resultant mass)とする）の物理的モデルを示す。

前記モータ１００の動作理論はここでさらに詳細に記載されるべきである。周期的な交流電圧がジェネレータ９によって周波数Ｆで供給される。例えば、前記周期波はサイン波であってもよい。前記モータが図１に示されるように、前記環状圧電リングの平らな面１６に沿って前記軸受支え１と接している前記圧電振動子２で構成される場合は、ジェネレータ周波数Ｆは、前記圧電振動子２の１次ラディアルモードの周波数と、前記軸受支え１のゼロ次屈曲モードの固有周波数とが同一でないならば、前記圧電振動子２の１次ラディアルモードの周波数、或いは、前記軸受支え１のゼロ次屈曲モードの固有周波数に一致するように好適に選択される。この場合、前記励起信号によって与えられる電界は、前記圧電振動子の厚みに沿った両側壁１６，１９に、前記圧電振動子と前記１次ラディアル振動とを包含する平面と直交して印加される。このことは、前記圧電振動子の厚み方向への膨張と収縮をもたらす。しかしながら、前記圧電振動子の弾性により、前記圧電振動子壁の厚みが周波数Ｆにつれて変化するとき、前記１次の振動ラディアルモードが同様に励起する。

一方で、前記モータが図４に示されるように、前記圧電振動子の対をなす円筒状外形表面に接している前記軸受支えを用いて構成される場合は、ジェネレータ周波数Ｆは、前記圧電振動子２の前記１次ラディアルモードの周波数と、前記軸受支え１のゼロ次屈曲モードの固有周波数とが同一でないならば、前記圧電振動子２の前記１次ラディアルモードの周波数、或いは、前記軸受支え１のゼロ次屈曲モードの固有周波数に一致するように好適に選択される。この場合、励起周波数は、前記圧電振動子２の円筒状の内壁および外壁１７，２０に直接印加され、該励起周波数は前記１次ラディアルモードの直接励起を促進し、該１次ラディアルモードは前記圧電振動子と同一の面にある。
言い換えれば、前記圧電振動子は放射方向に膨張し収縮する。それでも、本発明はこの点で限定されはしない。そして、他の周波数もまた使用されてもよい。

前記周波数Ｆは、前記圧電振動子２の固有周波数と、前記圧電振動子２の前記１次ラディアルモードの周波数と、前記軸受支え１のゼロ次屈曲モードの固有周波数とが同一でないならば、前記圧電振動子２の固有周波数、或いは、前記圧電振動子２の前記１次ラディアルモードの周波数、或いは、前記軸受支え１のゼロ次屈曲モードの固有周波数に一致するように好適に選択される。この点で、前記圧電振動子２と前記軸受支え１の寸法は、望ましくはそれらの固有周波数が近くなるように選択される。例えば、前記圧電振動子と前記軸受支えのそれぞれの固有周波数は、望ましくはそれらが約５０％を超えて相違しないように選択される。いくつかの実施例によれば、前記サイン波は２０ｋＨｚから１５０ｋＨｚの範囲の周波数であってもよい。しかしながら、本発明はこの点で限定されはしない。そして、他の周波数もまた使用されてもよい。実際問題として、最も低い使用周波数は、可聴周波数領域よりも高い。なぜなら、一般に可聴領域で稼働することは望ましくないからである。上限はある程度、構造サイズの関数となる。与えられた周波数範囲は約１０ｍｍほどの大きさの構造に適している。より小さな寸法のモータはさらに高い周波数で稼働することができる。例えば、そのようなモータがＭＥＭＳメソッドで構成されることもあり得る。前記ジェネレータ９からの前記励起信号は、前記圧電振動子２の各前記励起電極に伝導的に接続される。

前記圧電振動子への周期的な交流電圧の応用は、逆圧電効果が原因で、前記圧電振動子に誘発される“膨張−収縮”の弾性変形をもたらす。そのような圧電効果の結果として、前記圧電振動子の振動は前記圧電振動子２の平らな端面に沿って向かわせられる。前記圧電振動子は該端面で前記軸受支え１に取り付けられる。図１に示されるように前記軸受支え１に取り付けられた前記圧電振動子２と一緒に、それらの弾性変形は同様に前記サドル１４で励起される。

前記サドル１４で生み出された前記弾性変形は、前記軸受支え１において確立された定在屈曲波をもたらす。当業者には正しく理解されるように、屈曲波は物体の各部が振動時に反対の方向に動くことができる振動状態を包含する。前記定在屈曲波は前記サドルの高さ１４を変化させることにより、前記軸受支え１の直径に沿った剛性(rigidity)を変化させることで生み出される。この定在屈曲波が前記サドル１４に“傘状(umbrella)”振動を引き起こす。この場合、前記傘状振動は、前記軸受支えが放射方向に膨張し、収縮している時の振動中の前記サドルの凹形状の曲面の前記半径の周期的な変化によって特徴づけられる。

そのような傘状振動の結果として、前記トラニオン３に対面する前記サドル１４の対をなす表面は、微角度(micro-angular)振動を開始する。さらに詳細には、前記サドルの対をなす前記表面は、例えば空気等の気体媒質との相互作用のおかげで、前記トラニオン３に向かって有向の音場を発生させ始める。そういうわけで、前記サドル１４の前記対をなす表面は音波の源になる。前記軸受支え１が図４に示される前記圧電振動子の前記円筒状の表面に沿って接触している場合、同様の状況が生じる。しかしながら、この場合、前記圧電振動子素子のラディアル発振(radial oscillation)を励起するために、前記環状圧電振動子の半径に沿った分極“Ｅ”が要求される。

前記サドル１４の前記対をなす表面に生み出された前記音波は、サドル１４とトラニオン３の間の間隙を伝搬する一方で、前記トラニオン３の類似する凸状表面に反射される。その結果として、前記間隙に球面状高次定在音波が形成される。この点で、前記間隙はガス状の音響共振器であると考えることができる。前記球面状定在音波の放射音圧は、前記トラニオンの前記表面と前記サドルの前記表面が互いに隣接し対向する場所で、前記トラニオンの前記表面と前記サドルの前記表面に力を及ぼす。この音響放射圧が前記サドル１４の前記荷重負担能力をもたらす。このように、提示される前記モータ１の前記回転子４の超音波サスペンションは達成される。前記回転子４の回転は、固定子６のコイルの回転磁界の構造によって開始することができ、当該回転磁界は前記磁石リング５と相互に作用し、前記電気モータの振動素子に加わる回転トルクを生み出す。

本明細書における前記回転子の超音波非接触サスペンションを従来型の超音波“浮揚”メソッドと混同してはならない。なぜなら、２０から２００ｋＨｚの周波数範囲で超音波ジェネレータによって形成される超音波浮揚は数ミリから十数ミリの厚さのガス膜において正常に稼働するものであるからである。そのような厚さは、ここで提案される技術的解決法よりも３桁以上大きい。当該技術的解決法においては、前記厚さは一般的に２ミクロン或いは３ミクロンである。とはいえ、本発明はこの点で制限されはしない。本発明でこの非常に小さなガス膜の厚さの達成が可能となる理由は、本発明の前記トラニオンと前記サドルの間の間隙において発生する球面状波が高次波（少なくとも１次よりも高次）であることである。対照的に、上記の従来型の超音波浮揚メソッドは概して１次定在波を含む。本発明において前記高次球面状波の達成を可能にするために、前記トラニオンと前記サドルの前記類似する対をなす表面は非常に厳しい許容誤差で製造される。例えば、前記サドルと前記トラニオンによって規定される前記対をなす表面におけるどのような欠陥であっても、前記トラニオンと前記サドルとの間隙のサイズよりも実質的に少なくすべきである。もし前記間隙が２ミクロン或いは３ミクロンであることが予期されるならば、前記対をなす表面におけるどのような不揃いや断絶があっても、それは実質的に間隙のサイズよりも小さくすべきである。これは、超音波浮遊では達成できない本提案システムの高精度（マイクロメートル領域の精度での回転軸の安定化）を説明するものとなる。

図１，２および４に示される一の実施例において、前記固定子６は磁石リング５を形成する１つ或いはそれ以上の永久磁石を取り囲む複数の固定子翼を備える。上記のような技術を使用して回転を誘導する方法は当業者にとって周知であり、したがって、ここでは詳細には記載しない。しかしながら、固定子６の複数の翼が、既定されているパターン、或いは、求められる回転磁界が与えられるタイミングに従って、選択的に励起されることは理解されなければならない。適切な制御装置および制御回路は、当業者には理解されるように、そのような目的に使用され得る。

前記制御装置は、基本的に直流ブラシモータに見られる同一の時限通電を行う。しかし、整流器／ブラシシステムよりむしろ半導体回路を使用する。標準的な実施例においては、前記制御装置は複数の双方向ドライバーを含む。これらのドライバーは大電流直流電圧を駆動するために備えられ、単純な論理回路、或いは、マイクロコントローラによって順々に制御される。当業者には正しく理解されるように、前記の論理回路、或いは、マイクロコントローラはモータ加速、速度と効率の制御を操るように構成されてもよい。前記固定子の各前記翼は、当業者に知られているように、Δ構造或いはＹ字構造で、制限なしに互いに接続されてもよい。

さまざまなモータ構造が可能であること、そして、全てのそのような構造を本発明の範囲に含むように意図していることを理解すべきである。例えば、図１，２および４において、前記固定子６は前記回転子４の内側に配置される。しかしながら、本発明はその点について限定はされない。前記示される構造は、前記回転子４が前記固定子の内側に配置されるように、置き換えてもまたよい。これらの種類の別の配置は当業者には周知である。それでも、本発明はこの点で限定されはしない。

前記システムの安定性と自己中心化性能(self-centering ability)は、回転子の合成質量<<ｍ>>の重心“ＯＭ”が（サスペンション点“ＯＲ”と、“Ｒ”に等しいサスペンション長“Ｌ”を有する）振り子の機能を果たすことによって、達成される。このコンセプトは図３に示され、当該図３において、前記重心“ＯＭ”は前記曲面の中心“ＯＲ”に対してさまざまな位置に示される。この実施例によって上で述べたように既定される前記振り子のような回転子は、図１に示されるように、常に最も低い垂直位置へ動く傾向のある前記重心“ＯＭ”をもたらす。この位置では、全ての力が平衡状態にある。この位置からそれる時（図２および図３参照）、前記重心“ＯＭ”は前記対称の軸“1-1”と一致しない。その結果として、前記回転子は安定位置に自動的に適合する。意義深いことに、前記重心“ＯＭ”が前記対称の軸からそれる時、前記回転子の前記中心線“11-11”が前記固定子の前記中心“ＯＲ”に対して前記磁石リング５と同調して動くことによって、前記回転子は前記固定子の領域から外に飛び出そうとしない。この特徴は、図２との関連でもっともよく確認される。前述の配置の結果のように、角加速は図２のように不均衡がある時でさえも可能である。どんな場合でも、前記モータの幾何学的配置は、システムがその動的平衡位置へ速やかに戻るようになされる。

本明細書に記載される提案の前記モータ１００は、遊離状態における（サスペンションシステムが稼働状態での）前記モータの回転軸が垂直位置を確保しながら、単独の三次元支えを備えている。この平衡位置は、前記モータ１００のデザインによって達成され、当該デザインにおいて前記重心は前記サスペンションの“仮想”点“ＯＲ”よりも下に位置し、当該サスペンションの“仮想”点は前記サドルの曲面の中心によって決定される。この配置は、水平面00-00内に前記固定子６を設置される。前記回転子４の角加速の開始後、前記軸1-1は間隙を介して自身を安定する。前記回転子アセンブリの前記重心が前記回転子の前記対称の中心にあるならば、前記回転軸は前記垂直軸と一致するだろう。前記重心が前記回転子の前記対称の中心にない（例えば不平衡負荷の場合）ならば、前記回転軸は前記垂直軸からそれるだろう。したがって、提案される前記モータは初めに３自由度を有する回転軸を持ち、軸の角加速の後に、動的効果、すなわちジャイロ作用によって間隙を介して安定化する。

提案されるタイプの“浮遊”する軸を有する前記電気モータは、単独の三次元非接触支えと、潜在的に無制限な寿命を有する新たなタイプの静音モータである。
このモータの際立った特徴は、その低価格と製造可能性にあり、従来型の単独軸電気モータにとって標準的な、正確な初期の位置合わせと調整の必要を排除することによる。これは、ありふれた球面光学生産機能のみを要求し、ガラスの高価ではないブランドを使用し得るといったように、正確な生産のための特別な段取りなしで、そのようなモータの大量生産を確立することを可能にする。

出願人は上記で、間違いないと信じ、本発明の各実施例に関してなされる見解を説明すると思われる、明白で理論的な見地をここに提示している。しかしながら、本発明の各実施例は提示された理論的な態様抜きで実施されるかもしれない。加えて、出願人が提示された理論によって制約しようとはしていないことを理解した上で、理論的な態様は提示されている。

本発明の様々な実施例が上記されている一方で、それらは単なる実例として示されているもので、制限ではないということを理解するべきである。ここでの開示に従って、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、開示されている実施例へ幾多の変更を加えてもよい。例えば、本発明の様々な実施例は、ここに記載されているどのような特定のタイプの材料に関しても限定されない。したがって、本発明の広さと範囲は上記のどの実施例にも限定されるべきではない。むしろ、本発明の範囲は次の請求項および同等なものにしたがって定義されるべきである。

本発明は一つ以上の実施例に関して図示され記述されていると同時に、同等の修正および改良は、他の当業者が本明細書と添付図面の解釈し理解した上で思いつくだろう。さらに、本発明の特定の特徴はいくつかの実施例のうちの一つのみに関して記載されているのかもしれない一方で、そのような特徴は、既定の或いは特定の応用にとって望ましく好都合になるように、それ以外の実施例の他の一つ以上の特徴と組み合わせられるかもしれない。

一般的に、ここにおいて使用されている専門用語は特定の実施例のみを表すためのものであり、本発明の制限を意図してはいない。ここにおいて使用されているように、単数形"ａ"、"ａｎ"、および"ｔｈｅ"は、文脈が別段明瞭に表示しない限り、複数形も同様に含む。さらに、用語"ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ"、"ｉｎｃｌｕｄｅｓ"、"ｈａｖｉｎｇ"、"ｈａｓ"、"ｗｉｔｈ"、或いはそれに関する変化形が明細書および／又は請求項のみで使用される範囲では、そのような用語は用語"ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ"と同様の使われ方を含む。

別段規定されない限り、ここで使用される全ての用語（技術用語と化学用語を含む）は本発明が属する技術の当業者によって普通に理解されるものと同じ意味を有する。例えば一般に使用される辞書において定義される用語等の用語は、関連技術の文脈における意味と一致する意味を持つものとして解釈されるべきであり、ここにおいて明確にそのように定義されていない限りは、理想的な或いは過度に形式的な判断で解釈されないであろうことは一層理解されるだろう。

Claims (30)

1. 円環形を有するサドルを備え、当該サドルが凹型球状表面を規定する軸受支えと、
   前記軸受支えに固着される圧電振動子と、
   前記サドル内で回転するのに設けた凸型球状表面を規定するトラニオン、前記サドルは少なくとも当該トラニオンの一部に対して対をなす表面を形成する、と、
   前記トラニオンに備えられる回転子と、
   前記回転子に一定の状況下では軸方向に並んで設けられ、前記回転子に角加速を生み出すように設けられた固定子と、を備え、
   前記サドルは、前記サドルおよび前記トラニオンの対をなす各球状表面の間で規定される気層内で高次定在球面音波を生み出すように前記圧電振動子に応答することを特徴とするモータ。
2. 前記トラニオンは、前記圧電振動子が励起しているとき、前記定在音波だけに単独に支えられることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記トラニオンは前記音波によって三次元で支持されることを特徴とする請求項２に記載のモータ。
4. 前記回転子は、少なくとも１つの永久磁石を備えるブラシレス回転子であることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
5. 前記少なくとも１つの永久磁石が環状磁石リングを規定することを特徴とする請求項１に記載のモータ。
6. 前記固定子が励起している時に回転磁界を生み出すように、当該固定子が構成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
7. 前記トラニオンの前記凸型球状表面は、前記サドルの前記凹型球状表面と同じ曲面の半径を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
8. 前記回転子に取り付けられ、モータ駆動機能を実行するために構成される少なくとも１つの振動素子をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
9. 前記トラニオンと、前記回転子と、前記回転子に取り付けられる前記磁石リングと、前記少なくとも１つの振動素子と、で共に回転子アセンブリを構成し、前記回転子アセンブリの重心は前記サドルの曲面の中心よりも下に位置することを特徴とする請求項８に記載の圧電モータ。
10. 前記圧電振動子は、前記サドルから逆側の表面で前記軸受支えに固く取り付けられることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
11. 前記圧電振動子は、前記回転子の回転軸と並んだ分極ベクトルを有する円環状圧電リングとして形成されることを特徴とする請求項１０に記載の圧電モータ。
12. 前記圧電振動子は、前記円環状圧電リングの一面で規定される平らな表面全体に沿って前記軸受支えと接触することを特徴とする請求項１１に記載の圧電モータ。
13. 前記回転子は、前記トラニオンの回転軸に対して対称に前記トラニオンに設置される磁石リングからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
14. 前記磁石リングは、前記回転軸と軸方向に並んで設けられ、
    前記トラニオンの前記凹型球状表面によって規定される曲面の中心を含み、前記トラニオンの回転軸に垂直な平面に配置されることを特徴とする請求項１３に記載の圧電モータ。
15. 前記固定子は、前記曲面の中心を含み、前記サドルによって規定される対称の軸に垂直な平面に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の圧電モータ。
16. 前記固定子は、前記回転子の直径より内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
17. 前記回転子は、前記固定子の直径より内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
18. 前記軸受支えは、円筒状外形表面を有し、
    前記圧電振動子は、対をなす円筒状外形を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
19. 前記軸受支えの前記円筒状外形表面は、前記対をなす円筒状外形表面に接触することを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
20. 前記圧電振動子は環状形を有し、前記圧電振動子の半径方向と並ぶ前記分極ベクトルを有することを特徴とする請求項１８に記載の圧電モータ。
21. 前記圧電振動子への励起信号を発生させるためのジェネレータをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
22. 前記ジェネレータは、前記圧電振動子の厚さ方向に沿った各側壁に前記励起信号を印加することによって、前記圧電振動子素子の１次ラディアルモードの固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モードの固有周波数に相当する周波数を有する前記励起信号を発生するように構成されることを特徴とする請求項２１に記載の圧電モータ。
23. 前記ジェネレータは、前記圧電振動子の円筒状の内壁および外壁に直接に励起電圧を印加することによって、前記圧電振動子素子の１次ラディアルモードの固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モードの固有周波数に相当する周波数を有する前記励起信号を発生するように構成されることを特徴とする請求項２１に記載の圧電モータ。
24. 前記ジェネレータは、２０〜１５０ｋＨｚの範囲の周波数を有する励起信号を発生するように構成されることを特徴とする請求項２１に記載の圧電モータ。
25. 前記圧電振動子と前記軸受支えの固有周波数が５０％を超えて相違しないことを特徴とする請求項２１に記載の圧電モータ。
26. 前記トラニオンと前記サドルのそれぞれがガラス、ピロセラミック或いは結晶化ガラスからなるグループから選択される材料であることを特徴とする請求項１に記載の圧電モータ。
27. 固定子によって与えられる回転磁界に応えてモータのブラシレス回転子に角加速を生成するステップと、
    前記ブラシレス回転子の前記角加速に応答して、前記回転子に取り付けられる、
    軸受支えに形成される環状サドルの凹型球状表面内で回転するように構成されている凸型球状表面を有するトラニオンに回転を与えるステップと、
    前記凸型球状表面と前記凹型球状表面との間にガスマイクロフィルムを発生させるために圧電振動子を利用するステップと、を備え、
    前記発生ステップは、前記トラニオンの前記凹型球状表面と前記環状サドルの前記凸型球状表面との間で規定されるガス層内で高次定在球面音波を形成するステップをさらに備えることを特徴とするモータの動作方法。
28. 前記圧電振動子の厚さ方向に沿った各側壁に励起電圧を印加することによって、前記圧電振動子素子の１次ラディアルモードの固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モードの固有周波数に相当する周波数を有する前記励起信号で前記圧電振動子を励起するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記圧電振動子の円筒状の内壁および外壁に直接に励起電圧を印加することによって、前記圧電振動子素子の１次ラディアルモードの固有周波数、或いは、前記軸受支えのゼロ次屈曲モードの固有周波数に相当する周波数を有する前記励起信号で前記圧電振動子を励起するステップをさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
30. 回転子アセンブリの重心を、前記サドルの曲面の中心と、前記トラニオンを備える前記回転子アセンブリと、前記回転子と、前記回転子に取り付けられる磁石リングと、そして、少なくとも１つの振動素子と、よりも下に位置するように選択することによって、前記回転子の回転軸を垂直に安定させるステップをさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載の方法。

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