JP3872519B2

JP3872519B2 - 圧電・ステッピング・モータ

Info

Publication number: JP3872519B2
Application number: JP50046798A
Authority: JP
Inventors: ブロフ，セルゲイ・ビャチェスラボビッチ; オカトフ，ユーリ・ウラジミーロビッチ
Original assignee: サムソン・エレクトロニクス・カンパニー・リミテッド; オカトフ，ユーリ・ウラジミーロビッチ; ブロフ，セルゲイ・ビャチェスラボビッチ
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-06-05
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2017-06-05
Also published as: KR19990036121A; KR100353456B1; RU2161364C2; US6211605B1; AU3196297A; JPH11511952A; WO1997047072A1

Description

発明の分野
本発明は、電気モータの分野に関し、特に、圧電ステッピング・モータに関する。
発明の背景
ステータが圧電中空円筒を有し円筒形ロータを受け入れ、このロータが摩擦によってステータと相互作用する圧電モータは業界において公知である（ソビエト連邦審査済登録特許ＳＵ，Ａ，５７３８２８）。
しかし、このモータは、円筒形ロータを線形に変位させることは不可能である。
また、それに固着されている固定ユニットを持つハウジングと、作動部材を持つ可動部分とを有する圧電リニア・ステッピング・モータも業界において公知である（ソビエト連邦審査済登録特許ＳＵ，Ａ，７２０５７６）。
しかし、この圧電モータは、設計が複雑で、その可動部分が線形変位しかせず、この可動部分が回転することはできない。
発明の要旨
本発明の基本的な目的は、その実施態様の構造によって設計および製造技術を簡単化すること、それが回転、線形変位およびこの組み合わせ（回転と線形変位を同時に行う）の運動をしているときに、モータの力と位置決めの精度を高めることができる圧電ステッピング・モータを創り出すことである。
この目的は、その中に固着されている固定ユニットを持つハウジングと、可動部分とを有する圧電リニア・ステッピング・モータを提供することによって達成されるが、本発明に従えば、このモータにおいては、固定ユニットが、縦方向の平面に並んで配設されている少なくとも２つの回転・変位・固定圧電ユニットを有しており、各圧電ユニットが回転圧電セルと、固定圧電セルと、絶縁体で分離されている摩擦要素とを有し、あるいは、その固定ユニットが横断方向の平面で並んで配設されていて、複数のセクタの形をしている少なくとも２つの回転・変位・固定圧電ユニットを有している。
ハウジングは移動できるようにしてもよく、圧電ユニットを静止ロータに締結することができる。
圧電セルは、電極を交互に並列に接続した圧電リング、またはそれらのセクタをセットにした形にすることもでき、この場合は、連続するそれぞれの圧電リング、あるいはセクタの分極方向は、その前のものの方向の反対にする。
圧電ユニット間の隙間は、弾性絶縁材料で埋めるのが好ましい。
特許請求しているこのモータがこのような実施態様の構造になっていることによって、モータの力と、位置決めの精度を高めることができるようにしている。
【図面の簡単な説明】
本発明を実施例と添付の下記図面を使って更に説明するが、
図１は、特許請求している圧電ステッピング・モータ（第１実施態様）の正面図であり、
図２は、図１に示しているモータの縦方向断面図であり、
図３は、第２実施態様のモータの正面図であり、
図４は、図３に示しているモータの縦方向断面図であり、
図５は、第３実施態様のモータの正面図であり、
図６は、図５に示しているモータの縦方向断面図であり、
図７は、第４実施態様のモータの正面図であり、
図８は、図７に示しているモータの縦方向断面図であり、
図９−１４は、可動部分が線形変位をする圧電ステッピング・モータの動作期間段階であって、縦方向断面図であり、
図１５は、このモータの可動部分が回転する間の２つの圧電ユニットの断面図であり、
図１６−２０は、可動部分が回転する間の圧電ステップ・モータの別の動作期間段階を示している。
本発明の最適実施態様
本発明の第１の実施態様による圧電ステッピング・モータは、円筒形ハウジング１（図１）と、２つの圧電ユニット２（図２）および３の形になった固定装置と、そして円筒形ロッドの形をした可動部分４とを有している。圧電ユニット２および３は回転・変位・固定ユニットである。各圧電ユニット２および３は、回転圧電セル５ａ，５ｂ、変位圧電セル６ａ，６ｂ、固定圧電セル７ａ，７ｂ、絶縁体８および摩擦要素９の、相互接続されて（例えば、装着されて）いる要素から成っている。
回転圧電セル５ａ，５ｂは、可動部分４をその軸の回りに回転させ、その初期の分極ベクトルは、このモータの縦軸に対してある角度を持った方向を向いている。
変位圧電セル６ａ，６ｂは、その初期の分極ベクトルがこのモータの縦軸に対してある角度を持っており、その可動部分４をこのモータの縦軸に沿って変位させる。
固定圧電セル７ａ，７ｂは可動部分４を固定し、その初期の分極ベクトルは、このモータの縦軸に対して直角（半径方向に）に向いている。
摩擦要素９は分割リングの形に作ってあり、以て、圧電ユニット２および３の固定圧電セル７ａ，７ｂによって可動部分４をきつく締め付けるようにしてある。
各圧電セルは電線に接続されている電極を持っている（図示していない）。
圧電ユニット２および３の間の隙間は、弾性絶縁材料１０で埋めてある。
別の圧電ステッピング・モータの実施態様も可能である。
図３および４に示しているこのモータの第２の実施態様においては、圧電ユニット２および３は１つの横断方向平面に設けてあり、複数のセクタの形にして作ってある。
このモータの第３の実施態様は、可動部分４（図５および６）が静止しており、逆に、円筒形ハウジング１１が移動することができ、圧電ユニット２および３が円筒形ロッド４（静止ロータ）に締結されているというところが第１の実施態様と異なっている。
第４の実施態様においては、可動部分４（図７および８）がこれまた静止しており、逆に、円筒形ハウジング１１が回転しその軸に沿って移動ができるが、この場合、圧電ユニット２および３は、１つの横断方向平面に設けられていて、円筒形ロッドに締結されている。
本発明によるモータは次のように動作する。
回転圧電セル５ａ，５ｂの電極に正の電圧が印加されると、逆圧電効果によって、リングの内側部分が直径方向の線Ａ１Ａ２に対して反時計方向に角度αだけ回り、反対に、負の電圧が印加されると、そのリングの内側部分が直径方向の線Ａ１Ａ２に対して時計方向に角度αだけ回る。変位圧電セル６ａ，６ｂの電極に正の電圧が印加されると、逆圧電効果によって、その内側部分がリングの外側部分に対して左方向に変位し、反対に、負の電圧が印加されると、その内側部分がリングの外側部分に対して右方向に変位する。固定圧電セル７ａ，７ｂの電極に正の電圧が印加されると、これは可動部分４を挟みつけ、それに負の電圧が印加されると、それは可動部分４から離れる。
この圧電ステッピング・モータは、可動部分の線形変位、回転運動、線形と回転を組み合わせた運動、これらの運動のいろいろな組み合わせといった様々なタイプの運動をすることができる。
動作サイクルは６つの期間段階から成っている。
可動部分４が線形変位をする期間のモータの動作を図９−１４に示している。
この場合、圧電ユニット２および３の変位圧電セル６ａ，６ｂと、同じユニットの固定圧電セル７ａ，７ｂとがこの動作に参加する。第１期間段階は、図９に示している圧電ユニット２および３の圧電セル６ａ，６ｂおよび７ａ，７ｂの位置に対応している。圧電ユニット２の圧電セル６ａ，６ｂおよび７ａ，７ｂと、圧電ユニット３の圧電セル７ｂとに正の電圧が印加され、また、圧電ユニット３の圧電セル６ｂには負の電圧が印加されているが、この場合は、圧電ユニット２の電圧セル６ａが左方向へ変位させられ、圧電ユニット３の圧電セル６ｂが右方向へ変位させられる。圧電ユニット２および３の固定圧電セル７ａ，７ｂは可動部分４を挟みつける。回転圧電セル５は、この線形変位には何ら参加せず、この線形変位モードにあるモータの動作期間中、変化しない位置ならばどのような位置にあってもよい。
第２期間段階において、固定圧電セル７ｂ（図１０）に負の電圧が印加されると、これは可動部分４から離される。
第３期間段階において、圧電ユニット２の変位圧電セル６ａ（図１１）に負の電圧が印加されると、このセルは右方向に移動し、固定圧電セル７ａと可動部分４とを右方向に１ステップだけ変位させる。同時に、正の電圧が圧電ユニット３の変位圧電セル６ｂに印加され、これは、圧電セル７ｂとともに左方向へ変位させられる。
第４期間段階において、圧電ユニット３の固定圧電セル７ｂ（図１２）に正の電圧が印加されると、これは可動部分４を挟みつける。
第５期間段階において、圧電ユニット２の固定圧電セル７（図１３）に負の電圧が印加されると、これは可動部分４から離される。
第６期間段階において、圧電ユニット２と３は離れる、即ち、圧電ユニット２の変位圧電セル６ａ（図１４）の電極に正の電圧が印加されて、これが左方向へ移動し、同時に、圧電ユニット３の変位圧電セル６ｂに負の電圧が印加されて、これが固定圧電セル７ｂと可動部分４とともに右方向へ移動する。可動部分４はもう１ステップ変位させられたのである。このようにして１つの動作サイクルが終了すると、可動部分は２ステップ変位させられることになるのである。
そして、線形変位のプロセスは同じ順序で続くのである。
可動部分４の回転では、モータの動作は図１５−２０に示しているように行われる。
図１５に第１期間段階に対応した位置を示している。圧電ユニット２および３の回転圧電セル５ａ，５ｂと固定圧電セル７ａ，７ｂとがこの動作に参加する。圧電セル６は動作せず、この動作のプロセスで変化しない位置ならばどのような位置にあってもよい。圧電ユニット２の圧電セル５ａおよび７ａに正の電圧が印加され、この場合、回転電圧セル５ａが固定圧電セル７ａを反時計方向に角度αだけ変位させ、圧電セル７ａは可動部分４を挟みつける。圧電ユニット３の回転圧電セル５ｂに負の電圧が印加されると、この圧電セルは固定圧電セル７ｂを時計方向に角度αだけ変位させ、同時に、固定圧電セル７ｂは可動部分４を挟みつける。
第２期間段階において、負の電圧が圧電ユニット３の固定圧電セル（図１６）に印加されると、このセルは可動部分４から離される。
第３期間段階において、負の電圧が圧電ユニット２の回転圧電セル５ａ（図１７）に印加されると、このセルは、固定圧電セル７ａと可動部分４の両方を時計方向に角度２αだけ回転させる。同様に、正の電圧が圧電ユニット３の回転圧電セル５ｂに印加されると、固定圧電セル７ｂは反時計方向に角度２αだけ回転させられる。
第４期間段階において、圧電ユニット３の固定圧電セル７ｂ（図１８）に正の電圧が印加されると、これは可動部分４を挟みつける。
第５期間段階において、圧電ユニット２の固定圧電セル７ａ（図１９）に負の電圧が印加されると、これは可動部分４から離される。
第６期間段階において、圧電ユニット２の回転圧電セル５ａ（図２０）に正の電圧が印加されると、これは反時計方向に角度２αだけ回される。圧電ユニット３の回転圧電セル５ｂに負の電圧が印加されると、このセルは可動部分４を時計方向に角度２αだけ回す。
可動部分４は、１作動サイクル毎に角度４αだけ回されるのである。そして、サイクルが繰り返されると、可動部分４は時計方向に回転するのである。
逆の運動は、固定圧電セルへの印加電圧の極性を変えることによって行える。特許請求している圧電ステッピング・モータは、設計および製造技術が簡単で、寸法および質量が小さく、可動部分の力が大きく、そして線形変位と回転とを組み合わせて可動部分が動くことができるようにするのである。
本発明の実施態様の説明においては、よりよく理解されるように限定的な狭義の用語を使用した。しかし、本発明は受け取られた用語に限定されるものではなく、これら総ての用語は、同様な方法で動作するユニットに対する、また同様の技術課題を解決するのに使用される総ての同義語を含んでいるということに留意されたい。
本発明を、その好適なタイプの実現物に関連付けて説明したが、本発明の着想と範囲から外れなければ変更や修正をすることができるということは明らかで、このことは当業者であれば容易に理解できよう。
これらの変更と修正は、本発明および添付請求の範囲を越えないと考えられる。
産業上の利用分野
本発明は、電気工学、遠隔操作、無線工学、およびオートメーションにおけるスレーブ機構として使用することが可能である。

Claims

固定ユニットをその中に固着されているハウジングと、可動部分とを有する圧電ステッピング・モータであって、この固定ユニットが、ハウジングの中で縦方向平面に並んで設けて、回転圧電セルと、変位圧電セルと、固定圧電セルとを別途に含む少なくとも２つの回転・変位・固定圧電ユニットを有しており、各回転・変位・固定圧電ユニットは、絶縁体で分離されている摩擦要素及び内部に締め付けられた固定装置及び可動部を備えるハウジングから構成され、印加される電圧が正の電圧である場合に、前記可動部を把持する前記固定圧電セルが、当該回転・変位・固定圧電ユニットの変位圧電セルにそれぞれ接続され、前記変位圧電セルが、当該回転・変位・固定圧電ユニットの回転圧電セルにそれぞれ接続されて、前記回転圧電セルの回転運動及び前記変位圧電セルの直線運動に従って、前記固定圧電セルが前記可動部を回転運動又は直線運動を行わせることを特徴とする圧電ステッピング・モータ。
前記固定ユニットが、横断方向平面に設けてあって複数のセクタの形をしている少なくとも２つの回転・変位・固定圧電ユニットを有していることを特徴とする、請求項１記載の圧電ステッピング・モータ。
請求項１または請求項２に記載の圧電ステッピング・モータであって、ハウジングが動くことができ、圧電ユニットが静止ロータに固着されていることを特徴とする圧電ステッピング・モータ。
請求項１、または請求項２、または請求項３に記載の圧電ステッピング・モータであって、圧電セルが、圧電リングあるいはそれらのセクタをセットにされその電極が交互に並列に接続された形になされ、連続するそれぞれの圧電リング、あるいはセクタの分極方向がその前のものの方向の反対になっていることを特徴とする圧電ステッピング・モータ。
圧電ユニットの間の隙間が弾性絶縁材料で埋められていることを特徴とする請求項１、または請求項２、または請求項３、または請求項４に記載の圧電ステッピング・モータ。
回転圧電セル、変位圧電セル、及び固定圧電セルをそれぞれ備え、前記固定圧電セルが該当回転・変位・固定圧電装置の変位圧電セルに接続され、前記変位圧電セルは、該当回転・変位・固定圧電装置の回転圧電セルに接続される少なくとも２つの回転・変位・固定圧電装置を含む圧電ステッピングモータにおいて、可動体を直線運動させる直線運動方法であって、
第１の回転・変位・固定圧電装置に含まれた第１の変位圧電セル及び第１の固定圧電セル、そして、第２の回転・変位・固定圧電装置に含まれた第２の固定圧電セルに正の電圧を印加し、前記第２の回転・変位・固定圧電装置に含まれた第２の変位圧電セルに負の電圧を印加する第１のステップと、
前記第２の固定圧電セルに負の電圧を印加する第２のステップと、
前記第１の変位圧電セルに負の電圧を印加し、前記第２の変位電圧セルに正の電圧を印加する第３のステップと、
前記第２の固定圧電セルに正の電圧を印加する第４のステップと、
前記第１の固定圧電セルに負の電圧を印加する第５のステップと、
前記第１の変位圧電セルに正の電圧を印加し、前記第２の変位圧電セルに負の電圧を印加する第６のステップと、
を含むことを特徴とする直線運動方法。
回転圧電セル、変位圧電セル、及び固定圧電セルをそれぞれ備え、前記固定圧電セルが該当回転・変位・固定圧電装置の変位圧電セルに接続され、前記変位圧電セルは、該当回転・変位・固定圧電装置の回転圧電セルに接続される少なくとも２つの回転・変位・固定圧電装置を含む圧電ステッピングモータにおいて、可動体を回転運動させる回転運動方法であって、
前記第１の回転・変位・固定圧電装置に含まれた第１の回転圧電セルに正の電圧を印加した後、前記第１の回転・変位・固定圧電装置に含まれた第１の固定圧電セルに正の電圧を印加し、第２の回転・変位・固定圧電装置に含まれた第２の回転圧電セルに負の電圧を印加した後、前記第２の回転・変位・固定圧電装置に含まれた第２の固定圧電セルに正の電圧を印加する第１のステップと、
前記第２の固定圧電セルに負の電圧を印加する第２のステップと、
前記第１の回転圧電セルに負の電圧を印加し、前記第２の回転圧電セルに正の電圧を印加する第３のステップと、
前記第２の固定圧電セルに正の電圧を印加する第４のステップと、
前記第１の固定圧電セルに負の電圧を印加する第５のステップと、
前記第２の回転圧電セルに負の電圧を印加し、前記第１の回転圧電セルに正の電圧を印加する第６のステップと、
を含むことを特徴とする回転運動方法。