JP4209238B2 - 導電性液体中多自由度モータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、多自由度モータ導電性液体中適用方法及び導電性液体中多自由度モータに関し、詳しくは、複数の圧電素子が重層構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により多自由度方向へ回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度モータを、任意の導電性液体中における使用に適応させるための多自由度モータ導電性液体中適用方法、及びその実施に直接使用される導電性液体中多自由度モータに係わる。
【0002】
【従来の技術】
従来、外科手術や、水道管内作業、海中作業、原子炉内点検作業などにおいて使用される各種アクチュエータには、当該アクチュエータの使用環境における血液、汚水、海水などの導電性液体が内部に浸透して、その内部構成部品に電気的短絡が生じるのを防ぐために、極めて高い防水性が要求される。また、この種のアクチュエータは、一般に高密度の導電性液体中で使用されることを前提としているため、同アクチュエータには極めて高い耐圧性も要求される。
【0003】
このため、上記のような劣悪な使用環境に適応したアクチュエータとしては、例えば、十分に高い防水性及び耐圧性を確保した圧力容器の内部に、電磁式又は油圧式のアクチュエータ(モータ)を封じ込めたものを利用するのが通常であるが、この場合、その圧力容器内部で発生したアクチュエータの運動を外部の導電性液体中に取り出すための技術が重要となる。
【0004】
その具体的な手法としては、例えば、アクチュエータを封じ込めた圧力容器の内部に絶縁油などの絶縁性液体を満たすと共に、当該圧力容器に均圧化装置を設置し、同圧力容器内部の絶縁性液体と外部導電性液体との圧力を均等化することにより、外部導電性液体が圧力容器内部へ浸透しようとする力(浸透圧)を打ち消し、さらに、その圧力容器に開口された防水透孔からアクチュエータの回転シャフトを外部導電性液体中に曝露させることにより、同アクチュエータの回転運動を圧力容器外部に取り出す手法が知られている。
【0005】
また、他の手法として、アクチュエータの回転シャフトを外部導電性液体中に曝露させることなく、別途、圧力容器外部に磁気回転シャフトを設け、圧力容器内部におけるアクチュエータの回転運動を、マグネットカップリングを利用して外部磁気回転シャフトに伝達して、圧力容器外部に取り出す手法も適用されることが多い。
【0006】
なお、上記圧力容器内部におけるアクチュエータの回転運動を外部導電性液体中に取り出すための技術は、以下に示す非特許文献1に記載されている。
【0007】
【非特許文献1】
浦環、高川真一編著、‘海中ロボット総覧’、pp262−264、平成6年2月、成山堂書店、東京
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の手法においては、アクチュエータの回転シャフトを圧力容器外部に曝露させる防水透孔の部分に防水シールを施す必要があり、この防水シールが、高い回転抵抗トルクを生じさせるという問題がある。
【0009】
また、後者の手法にあっては、アクチュエータの回転運動が高速に行われる場合や、その回転運動の方向転換(揺れ転換)が短い周期で繰り返される場合などに、いわゆる脱調の現象を引き起こして、圧力容器内部の回転シャフトの回転運動に外部回転シャフトが追随できなくなるという問題がある。
【0010】
さらに、これら各手法は、何れも導電性液体中における1自由度の回転運動を実現することを前提としており、多自由度の運動を実現するためには、該当する複数の装置を組み合せた複雑な構造を採用しなければならない。
【0011】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は、次のとおりである。
【0012】
即ち、本発明の第1の目的は、多自由度の高トルク回転運動を高エネルギー効率で実現することの可能な多自由度モータ導電性液体中適用方法及び導電性液体中多自由度モータを提供せんとするものである。
【0013】
本発明の第2の目的は、所要の多自由度回転運動を脱調の危険なしに安定して得ることの可能な多自由度モータ導電性液体中適用方法及び導電性液体中多自由度モータを提供せんとするものである。
【0014】
本発明の第3の目的は、電気的絶縁を確保する密閉防液対策を施してなる多自由度モータ導電性液体中適用方法及び導電性液体中多自由度モータを提供せんとするものである。
【0015】
本発明の他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から、自ずと明らかとなろう。
【0016】
【課題を解決するための手段】
まず、本発明方法においては、複数の圧電素子の全構成領域を含む固定子の主要部を内部絶縁性液体中で懸架保持すると共に、回転子の全部及び超音波振動を当該回転子に伝達する固定子の一端面における超音波伝達領域を外部導電性液体中に曝露させ、当該回転子から超音波伝達領域に向かう定常的な予圧を当該回転子に付与する、という特徴的構成手法を講じる。
【0017】
一方、本発明装置においては、複数の圧電素子の全構成領域を含む固定子の主要部を内部絶縁性液体中で懸架保持すると共に、回転子の全部及び超音波振動を当該回転子に伝達する固定子の一端面における超音波伝達領域を外部導電性液体中に曝露させるモータ絶縁懸架保持手段と、回転子から超音波伝達領域に向かう定常的な予圧を当該回転子に付与する予圧付与手段とを具備させる、という特徴的構成手段を講じる。
【0018】
さらに、具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙する上位概念から下位概念に亙る新規な特徴的構成手法又は手段を採用することにより、上記目的を達成するよう為される。
【0019】
即ち、本発明方法の第1の特徴は、複数の圧電素子が重層構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により多自由度方向へ回動する球形の回転子とを有して構成される多自由度モータを、任意の導電性液体中における使用に適応させるための多自由度モータ導電性液体中適用方法であって、前記固定子全体の前記超音波振動が安定的に確保されるよう、前記複数の圧電素子の全構成領域を含む当該固定子の主要部を内部絶縁性液体中で懸架保持すると共に、前記回転子の全部及び前記超音波振動を当該回転子に伝達する前記固定子の一端面における超音波伝達領域を前記外部導電性液体中に曝露させ、前記固定子の前記超音波振動が前記超音波伝達領域を介して前記回転子に安定的に伝達されるよう、当該回転子から前記超音波伝達領域に向かう定常的な予圧を当該回転子に付与してなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0020】
本発明方法の第2の特徴は、上記本発明方法の第1の特徴における前記固定子の懸架保持を、前記内部絶縁性液体で満たされた密閉空間内で行ってなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0021】
本発明方法の第3の特徴は、上記本発明方法の第2の特徴における前記固定子の懸架保持を、前記密閉空間内における前記内部絶縁性液体の液体圧を前記外部導電性液体自身のもつ固有液体圧に一致させて行ってなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0022】
本発明方法の第4の特徴は、上記本発明方法の第1、第2又は第3の特徴における前記回転子に対する前記予圧の付与を、当該回転子を空転自在に保持して所要の当該予圧を機械的に発生させる予圧発生機構を用いて行ってなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0023】
本発明方法の第5の特徴は、上記本発明方法の第4の特徴における前記回転子に対する前記予圧の付与を、前記外部導電性液体中において、前記予圧発生機構により所要の当該予圧を前記回転子に付加して行ってなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0024】
本発明方法の第6の特徴は、上記本発明方法の第1、第2又は第3の特徴における前記回転子に対する前記予圧の付与を、前記外部導電性液体自身のもつ固有液体圧を利用して行ってなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0025】
本発明方法の第7の特徴は、上記本発明方法の第6の特徴における前記回転子に対する前記予圧の付与を、前記固定子の内部に設定された減圧空間に対し、吸引と同時に前記外部導電性液体の前記固有液体圧を印圧された状態により前記回転子を押圧して行ってなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0026】
本発明方法の第8の特徴は、上記本発明方法の第1、第2、第3、第4、第5、第6又は第7の特徴における前記外部導電性液体中における前記回転子の姿勢保持を、当該回転子及び同回転子に一体化する軸回転体の総密度を前記外部導電性液体自身のもつ固有密度に一致させて行ってなる、多自由度モータ導電性液体中適用方法の構成採用にある。
【0027】
一方、本発明装置の第1の特徴は、複数の圧電素子が重層構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により多自由度方向へ回動する球形の回転子とを有して構成される、任意の導電性液体中における使用に適応した導電性液体中多自由度モータであって、前記固定子全体の前記超音波振動が安定的に確保されるよう、前記複数の圧電素子の全構成領域を含む当該固定子の主要部を内部絶縁性液体中で懸架保持すると共に、前記回転子の全部及び前記超音波振動を当該回転子に伝達する前記固定子の一端面における超音波伝達領域を前記外部導電性液体中に曝露させるモータ絶縁懸架保持手段と、このモータ絶縁懸架保持手段により前記内部絶縁性液体中に懸架保持された前記固定子の前記超音波振動が、同モータ絶縁懸架保持手段により前記外部導電性液体中に曝露された前記超音波伝達領域を介して前記回転子に安定的に伝達されるよう、当該回転子から前記超音波伝達領域に向かう定常的な予圧を当該回転子に付与する予圧付与手段とを有して構成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0028】
本発明装置の第2の特徴は、上記本発明装置の第1の特徴における前記モータ絶縁懸架保持手段が、前記内部絶縁性液体で満たされた密閉空間を構成し、前記固定子における前記超音波振動の節にあたる部位を以って当該固定子を内部懸架保持する圧力容器と、この圧力容器と共に前記密閉空間を構成し、当該密閉空間内への前記外部導電性液体の浸入を阻止しつつ、前記超音波振動を前記回転子に伝達する前記固定子の超音波伝達領域を前記外部導電性液体中に曝露させる固定子曝露隔膜と、前記圧力容器内における前記内部絶縁性液体の液体圧を前記外部導電性液体自身のもつ固有液体圧に一致させる均圧化装置とを有して構成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0029】
本発明装置の第3の特徴は、上記本発明装置の第2の特徴における前記圧力容器が、前記固定子の長手方向直交面に相当する断面の形状を円形状に形成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0030】
本発明装置の第4の特徴は、上記本発明装置の第2の特徴における前記圧力容器が、前記固定子の長手方向直交面に相当する断面の形状を多角形に形成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0031】
本発明装置の第5の特徴は、上記本発明装置の第4の特徴における前記圧力容器が、前記多角形に形成される断面形状を四角形に選定されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0032】
本発明装置の第6の特徴は、上記本発明装置の第2、第3、第4又は第5の特徴における前記固定子曝露隔膜が、前記固定子の前記超音波伝達領域における前記超音波振動を阻害することのない柔軟性を有する素材により形成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0033】
本発明装置の第7の特徴は、上記本発明装置の第1、第2、第3、第4、第5又は第6の特徴における前記予圧付与手段が、前記回転子自身に所定の前記予圧を付加する機能手段であり、当該予圧付与手段が、前記回転子を多自由度回動自在に空転保持する回転子保持部材と、この回転子保持部材の周縁部と当該周縁部に対向する前記圧力容器の天井部位との間に亙ってそれぞれ所定の伸張状態で張設された複数の弾性体とを有して構成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0034】
本発明装置の第8の特徴は、上記本発明装置の第7の特徴における前記回転子保持部材が、複数のベアリングボールを用いた球受け構造を具備してなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0035】
本発明装置の第9の特徴は、上記本発明装置の第7又は第8の特徴における前記複数の弾性体が、前記外部導電性液体中でも腐食することのない耐腐食性を有する素材により形成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0036】
本発明装置の第10の特徴は、上記本発明装置の第1、第2、第3、第4、第5又は第6の特徴における前記予圧付与手段が、前記外部導電性液体自身のもつ固有液体圧により、前記回転子を前記固定子の前記超音波伝達領域端面に所定の前記予圧で押圧する機能手段であり、当該予圧付与手段が、前記固定子の前記超音波伝達領域端面に一端を拡大開口する減圧空間を当該固定子の内部に構成するための中空減圧空間構成芯材と、この中空減圧空間構成芯材の開口部に前記回転子が押圧された状態において、前記外部導電性液体が前記減圧空間内に浸入するのを阻止するための受座防水部材とを有して構成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0037】
本発明装置の第11の特徴は、上記本発明装置の第10の特徴における前記予圧付与手段が、前記中空減圧空間構成芯材の他端において前記減圧空間から空気を抜き取るための一方向性空気弁をさらに有して構成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0038】
本発明装置の第12の特徴は、上記本発明装置の第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7、第8、第9、第10又は第11の特徴における前記回転子が、当該回転子及び同回転子に一体化する軸回転体の総密度を前記外部導電性液体自身のもつ固有密度に一致させるための浮力付与部材をさらに有して構成されてなる、導電性液体中多自由度モータの構成採用にある。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき、添付図面を参照しつつ、その第1及び第2装置例並びに対応する第1及び第2方法例を順に挙げて説明する。
【0040】
(第1装置例)
まず、図1は、本発明の第1装置例に係る導電性液体中多自由度モータの内部構造を示す縦断面図である。
【0041】
同図に示すように、本装置例に係る導電性液体中多自由度モータα1は、その基本的要素として、複数の圧電素子1,1,…が重層構成された円筒形の固定子2と、それら複数の圧電素子1,1,…への交流電圧の印加に伴って当該固定子2に生じる超音波振動により多自由度方向へ回動する球形の回転子3(固定子2からは非拘束の状態)とを有して構成される。
【0042】
さらに、本導電性液体中多自由度モータα1は、絶縁油などの内部絶縁性液体4で満たされた密閉空間5を構成し、固定子2における超音波振動の節にあたる部位を以って当該固定子2を内部懸架保持する圧力容器6と、この圧力容器6と共に天井部位を密封閉成して密閉空間5を構成し、当該密閉空間5内への血液、汚水、海水などの導電性液体(図示せず)の浸入を阻止しつつ、超音波振動を回転子3に伝達する固定子2の超音波伝達領域をその外部導電性液体中に曝露させる固定子曝露隔膜7と、圧力容器6内における内部絶縁性液体4の液体圧を外部導電性液体自身のもつ固有液体圧に一致させる均圧化装置8と、回転シャフト3aと一体化した回転子3を多自由度回動自在(回転及び傾斜自在)に空転保持する回転子保持部材9と、この回転子保持部材9の周縁部と当該周縁部に対向する圧力容器6の天井部位との間に亙ってそれぞれ所定の伸張状態で張設された複数の弾性体10,10,…とを有して構成される。
【0043】
即ち、圧力容器6及び固定子曝露隔膜7は、固定子2全体の超音波振動が安定的に確保されるよう、複数の圧電素子1,1,…の全構成領域を含む当該固定子2の主要部を内部絶縁性液体4中で懸架保持すると共に、回転子3の全部及び超音波振動を当該回転子3に伝達する固定子2の一端面における超音波伝達領域を外部導電性液体中に曝露させるモータ絶縁懸架保持手段を構成し、一方、回転子保持部材9及び複数の弾性体10,10,…は、当該モータ絶縁懸架保持手段により内部絶縁性液体4中に懸架保持された固定子2の超音波振動が、同モータ絶縁懸架保持手段により外部導電性液体中に曝露された超音波伝達領域(図示の一転鎖線上方領域。以下、「固定子曝露部2a」という)を介して回転子3に安定的に伝達されるよう、当該回転子3から固定子曝露部2aに向かう定常的な予圧を当該回転子3に付与する予圧付与手段を構成する。
【0044】
ここで、圧力容器6は、固定子2の長手方向直交面に相当する断面の形状を円形状に形成された容器本体6aと、この容器本体6aに倣ってそれぞれ円形状に形成された容器上蓋6b及び容器下蓋6cとから構成され、これら各部材は、当該密閉空間5内への外部導電性液体の浸入が阻止されるよう、それぞれオーリング(O−リング)11a及び11bにより封止される。以上の構造により、内部絶縁性液体4で満たされた密閉空間5が構成される。
【0045】
このうち、容器本体6aの内部側壁には、固定子2における超音波振動の節にあたる部位(即ち、固定子2の固有振動時に振幅を生じない部位)に予め構成された固定子懸架保持部材2bが、ボルト11及びナット12により複数箇所(図では2箇所)で強固に取り付けられる。この構造により、固定子2全体の超音波振動が安定的に確保されると共に、圧力容器6に伝導しようとする不要な超音波振動が最小限に抑制される。
【0046】
なお、上記固定子2の一部を構成する固定子曝露部2aの該当振動部材及び固定子懸架保持部材2bは、隣接する圧電素子1との間に薄板状の絶縁スペーサ(図示せず)を介在させることにより、該当する圧電素子1との電気的絶縁を図られた状態で当該固定子2にそれぞれ固定されている。
【0047】
一方、容器上蓋6bの央部主要面には、密閉空間5内への外部導電性液体の浸入を阻止しつつ、超音波振動を回転子3に伝達する固定子2の固定子曝露部2aを外部導電性液体中に曝露させる固定子曝露隔膜7が、当該固定子曝露部2aにおける超音波振動を阻害することのない柔軟性を有し、かつ外部導電性液体中でも腐食することのない耐腐食性を有する素材を用いながら円形状に張設形成される。この構造により、圧力容器6内で発生した駆動力(超音波振動)を外部の回転子3に伝達する際の駆動エネルギーの損失が最小限に抑制されると共に、固定子2における複数の圧電素子1,1,…が固定子曝露部2a(該当振動部材)及び固定子懸架保持部材2b並びに外部導電性液体から電気的に絶縁された状態が得られる。
【0048】
さらに、容器下蓋6cには、固定子2における複数の圧電素子1,1,…からそれぞれ引き出された複数の駆動信号ケーブル14を集線して、外部からモータ駆動電力の供給を受ける防水コネクタ15(図では2つ)が、外部導電性液体の浸入を阻止しながら取り付けられると共に、圧力容器6内における内部絶縁性液体4の液体圧を外部導電性液体自身のもつ固有液体圧に一致させる均圧化装置8が取り付けられる。以上の構造により、外部導電性液体から固定子曝露隔膜7に加わる液体圧(浸透圧)が打ち消され、このために、圧力容器6全体の素材としては、圧力強度が低いもの(必要以上に高くないもの)を利用することができる。
【0049】
一方、回転子保持部材9は、回転子3が多自由度回動自在(回転及び傾斜自在)に保持されるよう、複数のベアリングボール9a,9a…を用いた球受け構造を具備して構成され、複数の弾性体10,10,…は、外部導電性液体中でも腐食することのない耐腐食性を有する素材を用いながら、その回転子保持部材9の周縁部と当該周縁部に対向する容器上蓋6bの周縁部位との間に亙ってそれぞれ所定の伸張状態で張設される。この構造により、回転子3自身に所定の予圧を付加する機能手段を用いた予圧付与手段が得られる。なお、複数の弾性体10,10,…は、本導電性液体中多自由度モータα1が傾斜していない状態(図示の状態)において、回転シャフト3aの回転中心軸から等距離、相互等間隔で配置される。
【0050】
(第1方法例)
以上のように構成された第1装置例に係る導電性液体中多自由度モータα1によれば、これを任意の導電性液体中における使用に適応させるために、以下に示す第1方法例に係る過程が実現される。
【0051】
即ち、本方法例では、容器本体6a、容器上蓋6b及び容器下蓋6cからなる圧力容器6により、複数の圧電素子1,1,…の全構成領域を含む当該固定子2の主要部が内部絶縁性液体4で満たされた密閉空間5内で懸架保持されると共に、固定子曝露隔膜7により、回転子3の全部及び超音波振動を当該回転子3に伝達する固定子2の一端面における固定子曝露部2aが外部導電性液体中に曝露させられ、この結果、固定子2全体の超音波振動が安定的に確保されるようになる。
【0052】
また、回転子3を空転自在に保持して所要の予圧を機械的に発生させる予圧発生機構である回転子保持部材9及び複数の弾性体10,10,…の組み合せにより、当該回転子3から固定子曝露部2aに向かう定常的な予圧が当該回転子3に付加され、その結果、固定子2の超音波振動が固定子曝露部2aを介して回転子3に安定的に伝達されるようになる。
【0053】
さらに、固定子2を内部で懸架保持する圧力容器6に構成された均圧化装置8により、密閉空間5内における内部絶縁性液体4の液体圧が外部導電性液体自身のもつ固有液体圧に随意に一致させられるようになる。
【0054】
(第2装置例)
次に、図2は、本発明の第2装置例に係る導電性液体中多自由度モータにおける固定子2の内部構造を示す縦断面図である。
【0055】
まず、本装置例に係る導電性液体中多自由度モータα2においては、上記第1装置例で説明した回転子保持部材9及び複数の弾性体10,10,…の組み合せからなる予圧付与手段に代えて、外部導電性液体自身のもつ固有液体圧により、回転子3を固定子2の固定子曝露部2a端面に所定の予圧で押圧する機能手段を具備したものを採用する。なお、その他の構成要素は、第1装置例で示したものと同一である。
【0056】
即ち、同図に示すように、本導電性液体中多自由度モータα2における予圧付与手段は、固定子2一端面の超音波伝達領域2a端面に一旦を拡大開口する減圧空間16を当該固定子2の内部に構成するための中空減圧空間構成芯材17と、この中空減圧空間構成芯材17の拡大開口内部に回転子3が押圧された状態において、外部導電性液体が減圧空間16内に浸入するのを阻止するための受座防水部材18と、中空減圧空間構成芯材17の他端面内において減圧空間18から空気を抜き取るための一方向性空気弁19とを有して構成される。なお、本例では、第1装置例における固定子懸架保持部材2aと機能が等価な芯材懸架保持部材17aを連設してなる中空減圧空間構成芯材17を採用する。
【0057】
ここで、減圧空間16は、中空減圧空間構成芯材17の拡大開口における受座防水部材18に着座した回転子3が確実に押圧されるよう、ほぼ真空の状態とされるのが望ましく、このため、中空減圧空間構成芯材17は、所要の硬性を有する素材により肉厚に形成される。また、受座防水部材18には、ゴムのような弾力性を有する素材が適用され、当該受座防水部材18により、減圧空間16内への外部導電性液体の浸入が阻止される。
【0058】
ここで、一方向性空気弁19は、本導電性液体中多自由度モータα2の使用前において減圧空間16内に存在する空気を、真空ポンプ(図示せず)により抜き取る際に機能すると共に、その使用中においては、当該減圧空間16内に空気が逆流するのを永続的に阻止するよう機能する。以上の構成により、外部導電性液体自身のもつ固有液体圧によって回転子3に強い予圧を与えることができる。
【0059】
(第2方法例)
以上のように構成された第2装置例に係る導電性液体中多自由度モータα2によれば、これを任意の導電性液体中における使用に適応させるために、以下に示す第2方法例に係る過程が実現される。
【0060】
即ち、本方法例では、上記第1方法例における過程に加え、中空減圧空間構成芯材17、受座防水部材18及び一方向性空気弁19の組み合せにより固定子2の内部に設定された減圧空間16に対し、吸引と同時に外部導電性液体の固有液体圧を印圧された状態により回転子3が強固に押圧され、その結果、固定子2の超音波振動が固定子曝露部2aを介して回転子3に安定的に伝達されるようになる。
【0061】
なお、以上の導電性液体中多自由度モータα2によれば、例えばこれを海中で使用した場合に、その深度に応じた高い予圧を確実に得ることが可能になる。
【0062】
【実施例】
続いて、本発明の実施例として、その変形例及び応用例を説明する。
【0063】
まず、図3は、本発明の変形例に係る導電性液体中多自由度モータの外観構成を模式的に示す上面図である。
【0064】
以上に説明した第1及び第2装置例並びに対応する第1及び第2方法例では、固定子2の長手方向直交面に相当する断面の形状を円形状に形成された圧力容器6を採用した。この場合、当該圧力容器6の体積を最小限に抑えることができるが、固定子2に生じる超音波振動が圧力容器6に伝わり、不要な超音波が容器本体6aの側壁を通じて全方位に拡散する。
【0065】
このため、同図に示すように、本変形例に係る導電性液体中多自由度モータβ1では、圧力容器6の断面形状を四角形(多角形)に選定形成することにより、上述した不要な超音波を、圧力容器6(容器本体6a)の法線方向(図示の点線矢印の方向)へ限定的に進行させることが可能となる。このような構成を採用することにより、例えば、本導電性液体中多自由度モータβ1を搭載予定の作業機械に超音波を利用する機器が使用されている場合でも、当該導電性液体中多自由度モータβ1が発生する超音波振動の影響を最小限に抑えることが可能となる。
【0066】
次に、図4は、本発明の応用例に係る導電性液体中多自由度モータの外観構成を模式的に示す側面図である。
【0067】
同図に示すように、本応用例に係る導電性液体中多自由度モータβ2は、回転シャフト3aにスクリュープロペラ20を取り付けた状態で、当該導電性液体中多自由度モータβ2を横倒しにして使用する形態を示している。この場合、回転子3並びに同回転子3に一体化する軸回転体としての回転シャフト3a及びスクリュープロペラ20の質量により、回転シャフト3aの回転軸が下方に傾倒する可能性がある。
【0068】
このため、本導電性液体中多自由度モータβ2においては、回転子3及び上記軸回転体の総密度を外部導電性液体自身のもつ固有密度に一致させるための浮力付与部材21を、当該回転子3及び軸回転体全体の重心位置に設置している(即ち、重心位置を浮心位置に設定する)。このような構成を採用することにより、当該導電性液体中多自由度モータβ2に余計な回転トルクを発生させることなしに、回転シャフト3aの向きを常に水平に保つことが可能となる。
【0069】
以上、本発明の実施の形態及び実施例につき、その第1及び第2装置例並びに対応する第1及び第2方法例、並びに変形例及び応用例を挙げて説明したが、本発明は、必ずしも上述した手段及び手法にのみ限定されるものではなく、後述する効果を有する範囲内において、適宜、変更実施することが可能なものである。
【0070】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、多自由度の高トルク回転運動を高エネルギー効率で実現することが可能になると共に、所要の多自由度回転運動を脱調の危険なしに安定して得ることが可能となる。また、外部導電性液体自身のもつ固有液体圧を利用して回転子に予圧を付与する場合においては、その固有液体圧が高ければ高いほど、高トルクを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1装置例に係る導電性液体中多自由度モータの内部構造を示す縦断面図である。
【図2】本発明の第2装置例に係る導電性液体中多自由度モータにおける固定子の内部構造を示す縦断面図である。
【図3】本発明の変形例に係る導電性液体中多自由度モータの外観構成を模式的に示す上面図である。
【図4】本発明の応用例に係る導電性液体中多自由度モータの外観構成を模式的に示す側面図である。
【符号の説明】
α1,α2,β1,β2…導電性液体中多自由度モータ
1…圧電素子
2…固定子
2a…固定子曝露部
2b…固定子懸架保持部材
3…回転子
3a…回転シャフト
4…内部絶縁性液体
5…密閉空間
6…圧力容器
6a…容器本体
6b…容器上蓋
6c…容器下蓋
7…固定子曝露隔膜
8…均圧化装置
9…回転子保持部材
9a…ベアリングボール
10…弾性体
11a,11b…オーリング(O−リング)
12…ボルト
13…ナット
14…駆動信号ケーブル
15…防水コネクタ
16…減圧空間
17…中空減圧空間構成芯材
17a…芯材懸架保持部材
18…受座防水部材
19…一方向性空気弁
20…スクリュープロペラ
21…浮力付与部材
Claims (11)
- 複数の圧電素子が重層構成された円筒形の固定子と、それら複数の圧電素子に接続された駆動信号ケーブルと、前記複数の圧電素子への交流電圧の印加に伴って当該固定子に生じる超音波振動により多自由度方向へ回動する球形の回転子と、前記回転子と一体化した回転シャフトと、モータ絶縁懸架保持手段と、予圧付与手段と、を有して構成される、任意の導電性液体中における使用に適応した導電性液体中多自由度モータであって、
前記モータ絶縁懸架保持手段は、
内部を絶縁性液体で満たした圧力容器と、
前記回転シャフトと前記回転子の全部及び前記回転子に接する前記固定子の一端面 ( 超音波伝達領域 ) が前記圧力容器外部に配置されて前記導電性液体中に暴露され、かつ、前記圧力容器の天井部位に取り付けられて前記圧力容器と共に絶縁性液体で満たされた密閉空間を構成する固定子曝露隔膜と、
前記圧力容器内部に予め取り付けられて、前記固定子保持部材により前記複数の圧電素子の全構成領域を含む固定子の一部と前記駆動信号ケーブルを前記圧力容器内部に懸架保持する固定子保持部材と、を有して構成され、
前記予圧付与手段は、
前記回転子を多自由度回動自在 ( 回転及び傾斜自在 ) に空転保持する回転子保持部材と、
前記回転子保持部材の周縁部と当該周縁部に対向する圧力容器の天井部位との間に亙ってそれぞれ所定の伸張状態で張設された複数の弾性体と、を有して構成される、
ことを特徴とする導電性液体中多自由度モータ。 - 前記モータ絶縁懸架保持手段は、
前記圧力容器内部の絶縁性液体の液体圧を前記圧力容器外部の導電性液体自身のもつ固有液体圧に一致させる均圧化装置を有して構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記圧力容器は、
前記固定子の長手方向直交面に相当する断面の形状を円形状に形成される、
ことを特徴とする請求項2に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記圧力容器は、
前記固定子の長手方向直交面に相当する断面の形状を多角形に形成される、
ことを特徴とする請求項2に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記圧力容器は、
前記多角形に形成される断面形状を四角形に選定される、
ことを特徴とする請求項4に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記固定子曝露隔膜は、
前記固定子の前記超音波伝達領域における前記超音波振動を阻害することのない柔軟性を有する素材により形成される、
ことを特徴とする請求項2、3、4又は5に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記回転子保持部材は、
複数のベアリングボールを用いた球受け構造を具備する、
ことを特徴とする請求項1に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記複数の弾性体は、
前記外部導電性液体中でも腐食することのない耐腐食性を有する素材により形成される、ことを特徴とする請求項7に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記予圧付与手段は、
前記外部導電性液体自身のもつ固有液体圧により、前記回転子を前記固定子の前記超音波伝達領域端面に所定の前記予圧で押圧する機能手段であり、
当該予圧付与手段は、
前記固定子の前記超音波伝達領域端面に一端を拡大開口する減圧空間を当該固定子の内部に構成するための中空減圧空間構成芯材と、
この中空減圧空間構成芯材の開口部に前記回転子が押圧された状態において、前記外部導電性液体が前記減圧空間内に浸入するのを阻止するための受座防水部材と、を有して構成される、
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5又は6に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記予圧付与手段は、
前記中空減圧空間構成芯材の他端において前記減圧空間から空気を抜き取るための一方向性空気弁を、さらに有して構成される、
ことを特徴とする請求項9に記載の導電性液体中多自由度モータ。 - 前記回転子は、
当該回転子及び同回転子に一体化する軸回転体の総密度を前記外部導電性液体自身のもつ固有密度に一致させるための浮力付与部材を、さらに有して構成される、
ことを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10に記載の導電性液体中多自由度モータ。
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