JP3872522B2 - 圧電ステップ・モータ - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、電気モータの分野に関し、特に、これは圧電ステップ・モータに関する。
発明の背景
ステータが、その内部にこのステータと摩擦によって相互作用をする円筒形ロータを持つ円筒形圧電中空円筒を有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（ＳＵ） 審査済登録特許（Ａ）第５７３８２８号）。
しかし、このモータは、円筒形ロータを線形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・ステップ・モータも業界において公知である（ソビエト連邦（ＳＵ） 審査済登録特許（Ａ）第７２０５７６号）。
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。
発明の概要
本発明の基本的な目的は、その実施形態の構造によって設計および製造技術を簡単化することと、そしてそれが回転、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、モータの出力と位置決めの精度を高めることができる圧電ステップ・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ステップ・モータを提供することによって達成されるが、このモータにおいては、本発明に従えば、固定ユニットが、ハウジングの中で縦方向の平面に並んで配設されている少なくとも２つの圧電ユニットを有しており、第１の圧電ユニットが、回転する変位・固定圧電セルと、絶縁体と、摩擦要素とを有しており、また、第２の圧電ユニットが、固定圧電セルと、絶縁体と、可動部分と相互作用をする摩擦要素とを有しているか、あるいは、固定装置が、１つの横断歩行の平面に並べて設けられていて、複数の扇形のセクタの形に作られている少なくとも２つの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円筒形ロッドに固着することもできる。
圧電セルは、電極を交互に並列に接続した圧電リング、またはそれらの扇形のセクタを束にした形に作るのが好ましく、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は、このような実施形態の構造になっていることによって、設計と製造技術を簡単にすることと、そしてモータの力と、その可動部分の位置決めの精度を高めることを可能にしている。
【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プ・モータ（第１実施形態）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実施形態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実施形態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実施形態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プ・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。
本発明の最良の実施形態
本発明の第１の実施形態による圧電ステップ・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は、回転圧電セル５、変位圧電セル６、固定圧電セル７、絶縁体８および摩擦要素９を有している。圧電ユニット２および３を形成している総ての圧電セルと、絶縁体と、そして摩擦要素とは一緒に接続されていて（例えば、接着されていて）、そして円筒形ハウジング１に接続されている。回転圧電セル５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６は、その可動部分４をこのモータの軸に沿って線形変位させ、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いる。固定圧電セル７は可動部分４を固定するのに使用され、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に（半径方向に）向いている。
圧電ユニット３は固定する機能を果たすもので、固定圧電セル１０と、絶縁体８と、そして摩擦要素９とを含んでいる。この固定圧電セル１０は、その分極ベクトルがこのモータの縦軸に対して直角に（半径方向に）向いている。
摩擦要素９は分割リングの形に作ってあり、これによって、固定圧電セル７および１０が可動部分４をよりきつく締め付けるようにしている。
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１１で埋めてある。
本発明による圧電ステップ・モータは別の実施形態も取ることができる。
このモータの第２の実施形態においては、第１の実施形態とは逆に、圧電ユニット２（図３および４）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。これによって、このモータの寸法と質量はかなり少なくなる。
このモータの第３の実施形態は、円筒形ロッド１２（図５および６）が静止しており、逆に、円筒形ハウジング１３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１２に固着されているというところが第１の実施形態と異なっている。
第４の実施形態においては、円筒形ロッド１２（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１３が回転しその軸に沿って移動ができ、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１２に固着されている。
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５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（図１５−２０）、反対に、負の電圧が印加されると、そ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６の電極に正の電圧が印加されると、逆圧電効果によって、そのリング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、その内側部分がその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７および８の電極に正の電圧が印加されると、これらは可動部分４を挟みつけ、負の電圧が印加されると、それらを可動部分４から離してしまう。
この圧電ステップ・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が線形変位をする条件の下で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の変位圧電セル６および固定圧電セル７と、圧電ユニット３の固定圧電セル１０とが動作する。
第１期間段階は、変位圧電セル６（図９）、７および１０に正の電圧が印加されているときのそれらの位置に対応している。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１０（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、変位圧電セル６（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７の助けを借りて可動部分４を右方向に１ステップだけ変位させる。
第４期間段階において、固定圧電セル１０（図１２）に正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５期間段階において、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、変位圧電セル６（図１４）に正の電圧が印加されると、これは固定圧電セル７と一緒に左方向へ変位させられる。この動作サイクルが繰り返されると、その可動部分は、線形にステップ状に右へ変位させられるのである。
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。この段階においては、変位圧電セル６以外の総ての圧電セルが動作するが、このセルは、この動作の期間中に変化しない位置ならばどのような位置にあってもよい。変位圧電セル６を除外した他の総ての圧電セルには正の電圧が印加される。
第２期間段階において、負の電圧が固定圧電セル１０（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、負の電圧が回転圧電セル５（図１７）に印加されると、このセルは、変位圧電セル６と、固定圧電セル７と、そして可動部分４とを時計方向に角度αだけ回転させる。
第４期間段階において、固定圧電セル１０（図１８）に正の電圧が印加されると、これは可動部分４を締め付ける。
第５期間段階において、固定圧電セル７（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、回転圧電セル５（図２０）に正の電圧が印加されると、これは、変位圧電セル６と固定圧電セル７とを反時計方向に角度αだけ回す。このサイクルが繰り返されると、可動部分４は時計方向に回転させられるのである。
逆の運動は、固定圧電セルへの印加電圧の順序を変えることによって行える。
この圧電ステップ・モータの出力を上げるには、このモータの横断方向平面と縦方向平面との両方に追加の圧電ユニットを設ければよい。
特許請求している圧電ステップ・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、トルクが高く、そして可動部分が線形変位と回転との組み合わせえ動くことができるようにしているのである。
本発明の実施形態の説明においては、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、本発明および添付特許請求項の要諦と範囲を越えないで考慮すべきである。
産業上の利用可能性
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アクチュエータ装置として使用することが可能である。

Claims (7)

1. 固定ユニットが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プ・モータであって、これらの固定ユニットが、このハウジングの中で縦方向平面に並べて設けられており、回転圧電セルと、変位圧電セルと、第１の固定圧電セルと、絶縁体と、摩擦要素とを含む第１の圧電ユニット、及び第２の固定圧電セルと、絶縁体と、摩擦要素とを含む第２の圧電ユニットを少なくとも備え、前記第１の固定圧電セルは、前記変位圧電セルに接続され、前記変位圧電セルは、前記回転圧電セルに接続されることによって、正の電圧が印加される場合に、前記第１の固定圧電セルが可動部分を把持し、前記回転圧電セルの回転運動又は前記変位圧電セルの直線運動に従って前記可動部分を回転又は直線移動させ、前記第２の固定圧電セルは、正の電圧が印加される場合に、前記可動部分４を把持して固定することを特徴とする圧電ステップ・モータ。
2. 前記固定ユニットは、横断方向平面に設けてあって複数の扇形の形をしている前記第１の圧電ユニット及び前記第２の圧電ユニットを少なくとも備えることを特徴とする、請求項１記載の圧電ステップ・モータ。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電ステップ・モータであって、ハウジングが動くことができるように作られており、圧電ユニットが静止円筒形ロッドに固着されていることを特徴とする圧電ステップ・モータ。
4. 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プ・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扇形のセクタを束にされ、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プ・モータ。
5. 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プ・モータ。
6. 可動部分と、回転圧電セルと、変位圧電セルと、第１の固定圧電セルとを含む第１の圧電ユニット及び第２の固定圧電セルを含む第２の圧電ユニットを少なくとも備え、前記第１の固定圧電セルは、前記変位圧電セルに接続され、前記変位圧電セルは、前記回転圧電セルに接続されて、前記回転圧電セルの回転又は前記変位圧電セルの移動に従って、前記可動部分の回転運動又は直線運動を行わせる圧電型ステップモーターにおいて前記可動部分を直線運動させる直線運動方法であって、
   前記変位圧電セルに正の電圧を印加し、前記第１の固定圧電セル及び前記第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、
   前記変位圧電セルに負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、
   前記変位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直線運動方法。
7. 可動部分と、回転圧電セルと、変位圧電セルと、第１の固定圧電セルとを含む第１の圧電ユニット及び第２の固定圧電セルを含む第２の圧電ユニットを少なくとも備え、前記第１の固定圧電セルは、前記変位圧電セルに接続され、前記変位圧電セルは、前記回転圧電セルに接続されて、前記回転圧電セルの回転又は前記変位圧電セルの移動に従って、前記可動部分の回転運動又は直線運動を行わせる圧電型ステップモーターにおいて前記可動部分を回転運動させる回転運動方法であって、
   前記回転圧電セルに正の電圧を印加し、前記第１の固定圧電セル及び前記第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、
   前記回転圧電セルに負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。

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