JPH04229081A - 直流進行波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直流モータに関するも
のであって、更に詳細には、高速で高効率の直流進行波
モータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電磁モータは従来公知であるが、殆どの
タイプのモータは比較的非効率的であり且つ熱を除去す
るための構成を必要とする。電気モータ及び発電器にお
ける固定構成体と回転構成体との間で電力を伝達するス
リップリング、ブラシ及びコミュテータの摺動接触及び
電気的抵抗によって熱が発生される。更に、摺動接触は
接触抵抗の下限を制限し、且つ接触部の凹凸は高周波数
の抵抗脈動を発生し、それは電気的ノイズを発生させる
。中程度の電流であっても、それを摺動接触部を介して
繰返し導通させると、該接触部を溶着したり破損したり
する場合があり、導電性物質を断続的に再調整すること
が必要である。その結果、継続的に使用する場合には、
接触表面が粗くなる。比較的小さな接触表面を有するブ
ラシは、通常、リングよりも一層早く摩耗する。これら
の抵抗加熱、接触溶着及びモータ部品の短期寿命等の特
性により、従来の電気モータは、ある種の適応場面及び
環境においては不満足なものであった。

【０００３】例えば、宇宙空間等のような環境における
電気モータの使用における制限は、別のタイプのトラン
スデユーサ、アクチュエータ及びモータの研究開発に目
が向けられることの原因となった。例えば、ピエゾ電気
装置は、重量及び効率上の利点を有しており、それらの
利点は、宇宙空間における適応場面においては重要な事
項である。しかしながら、公知のピエゾ電気モータ及び
アクチュエータは、高周波数ＡＣパワーを必要とし且つ
高速動作が可能なものではない。従って、厳しい環境及
び遠隔位置において作業を行なうための高速で高効率の
直流モータに対する必要性が存在している。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、直流進行波モ
ータを提供している。従来の交流共振進行波ピエゾ電気
モータは、概略、摺動摩擦を包含する簡潔的な接触によ
ってロータヘ運動を付与するために共振弾性部材の楕円
運動に依存している。このタイプの接触は、ノイズ、加
熱及び摩耗を伴い、それらは効率を低下させる。これと
対照的に本発明は、転動要素とピエゾ電気層との間の電
気的接触から発生するピエゾ電気剪断変形を使用して駆
動力を発生することを特徴としている。モータシャフト
の回転の場合の実施例においては、剪断変形を発生する
ピエゾ電気物質からなる外側レースとシャフトの周りの
ローラとの間の接触点周りの非一様な電界強度から回転
が得られる。ローラが文字通り該ローラと共に進行する
ピエゾ電気剪断波の面を転動する際に回転が発生する。 該ローラは、摺動摩擦無しでのコミュテータの機能を発
揮し、且つ従来のローラベアリングに対する必要性を除
去している。モータ部品の間のクリアランスがゼロであ
るので、動作上の剛性が得られ、そのことは精密で高速
度のシャフト位置決めを可能としている。本発明のピエ
ゾ電気モータの効率は、従来の電磁モータの効率よりも
大きい。なぜならば、本発明においては、摩擦が低く、
渦電流が発生されず、且つ内部的に流れる電流の殆どが
局所的であり且つリアクタンス性だからである。本発明
モータの動作のためには交流電流も可変直流電流も必要
とされるものではない。本発明モータの速度は、単に、
ＤＣ電位を変化させることによって制御される。

【０００５】本発明の直流進行波モータは、バッテリ（
電池）によって動作することが可能であり、そのことは
ある軍事的適用及び産業的適用において有利である。 本発明モータは潤滑を必要とすることがないので、宇宙
空間における適応及び大気圏外ロボットへの適応におい
て有用である。更に、本発明モータは、例えば塩水等の
ような多少導電性の流体を供給した状態で動作すること
が可能である。なぜならば、本発明モータにおいては、
電界は殆どピエゾ電気物質の内部に存在しているからで
ある。本発明モータの効率は９８％を超えることが可能
であり、その運動は静粛且つ滑らかであり、非常に高速
とすることが可能である。更に、本発明モータの寸法は
、腕時計を駆動する小型のものから例えば大洋航海用の
船を駆動する非常に大型のものまでの高範囲のものを包
含することが可能である。

【０００６】

【実施例】図１及び２は、本発明の一実施例に基づいて
構成された直流進行波ピエゾ電気モータ２の主要な構成
要素を示している。本発明を、例えば多結晶強誘電セラ
ミックス及び配向分極型ポリマー等のようなピエゾ電気
物質を有する実施例に関して説明するが、本発明原理は
、印加した電界に応答して有用な剪断変形を呈する任意
の別の物質で実施することが可能である。

【０００７】図１及び２を参照すると、モータにはモー
タハウジング６内を回転すべく位置されたシャフト４を
有している。環状内側レース１０がシャフト４へ接続さ
れており且つそれを取囲んでいる。環状外側レース１２
がハウジング６へ取付けられており且つ内側レース１０
と同心円状に位置決めされている。外側レース１２は環
状に分極したピエゾ電気物質を有している。複数個のロ
ーラ８が内側レース１０と外側レース１２との間に配設
されており、且つ内側レース１０及び外側レース１２と
電気的及び摩擦接触状態に設けられている。

【０００８】ローラ８は、好適実施例においては、円筒
状要素として示してあるが、これらのローラは本発明の
別の実施例においては球状のものとすることも可能であ
る。ローラ８は、従来のローラベアリングと類似してい
るが、それらは、接触点においてレース表面に対して垂
直な力を与えるために、半径方向圧縮状態で内側レース
１０と外側レース１２との間において負荷がかけられて
いる。リード１６は、コンタクト１４、シャフト４及び
内側レース１０を介してローラ８へ負のＤＣ電位を与え
ており、一方リード１８はハウジング６を電気的に接地
させており、即ちシャフト４と相対的に正のＤＣ電位を
与えている。外側レース１２を除いて、モータ２の全て
の構成要素は導電体である。図１及び２に示したような
電気的接続の場合、シャフト４は図１内のシャフト４上
の矢印で示した方向に回転する。電位を逆にすると、シ
ャフト４は該矢印と反対の方向に回転される。回転速度
は、印加されるＤＣ電位の大きさに対応する。

【０００９】図３は図１の部分拡大断面図であり、モー
タ２における一個のローラ８と、内側レース１０の一部
と、外側レース１２の一部とを示している。ローラ８の
表面３０は、点２８において、内側レース１０の外側表
面２６と転動摩擦接触しており、且つ点３４において、
外側レース１２の内側表面３２と転動摩擦接触している
。上述した半径方向の圧縮負荷によって発生され且つ半
径方向の力の矢印４４で示した夫々点２８及び３４にお
けるレース１０及び１２の変形は理解を容易とするため
に誇張して示してある。外側レース１２は、変形を示す
目的のためにのみ有限ブロック要素を有するものとして
概略的に示してある。

【００１０】電位が印加されない状態、即ちシャフトが
回転しない場合には、半径方向の力４４によって発生さ
れる点２８及び３４における変形は、これらの接触点を
介して延びる半径方向の線に関して対称的である。しか
しながら、シャフト４が矢印４８の方向に外部的に印加
されたトルクによって回転される場合、ローラ８は矢印
５０で示した如く内サイクロイド的に回転し、且つ接触
点２８及び３４における変形は、ローラベアリングの技
術において公知の如く、非対称的なものとなる。この非
対称的な変形は、シャフトの回転に対向するようなもの
であって、それは、時折、転動摩擦として呼称される転
動に対する抵抗の一部となる。

【００１１】図３を参照すると、ピエゾ電気外側レース
１２は、矢印３６で示した方向において環状的に分極さ
れている。内側レース１０及びローラ８（両方とも導電
体）が外側レース１２と相対的に負の電位状態に維持さ
れる場合には、点線の矢印３８で示した電界が外側レー
ス１２のピエゾ電気物質内に形成される。電界は非一様
であり且つ接触点３４の近くにおいて最も強力である。 ピエゾ電気分極３６と関連し電界３８は、接触点３４に
近い外側レース１２の部分を剪断変形させる。その剪断
量は局所的電界強度の大きさに比例する。この剪断の非
対称性は、接線４０及び平均の正の勾配を示す角度４２
によって示されている。角度４２は、接触点３４に隣接
するピエゾ電気物質の最大の局所的剪断角度と、上述し
た転動摩擦に起因する負の勾配との代数和に等しい正味
の正の値を有している。このピエゾ電気剪断によって発
生される非対称的な変形は、転動摩擦によって発生され
るものよりも著しく大きい。従って、ローラ８は、矢印
５０の方向に強制的に転動され、且つ接触摩擦によって
、シャフト４を矢印４８の方向に移動させる。印加した
電位の極性を逆にすると、電界３８の方向が逆となり、
シャフト４の回転方向が逆転される。

【００１２】モータ２がアイドル状態にある場合、シャ
フト４上の静的な即ち開始トルク（転動摩擦は不存在）
は、角度４２のタンゼントと力４４と内側レース１２の
内側表面の半径とローラ８の数との積にほぼ等しい。ロ
ーラ８は、外側レース１２のピエゾ電気物質内の進行波
の表面を転動するものと考えることが可能である。開始
トルクは、回転トルクよりも多少大きい。なぜならば、
転動摩擦は低速において小さいからである。モータ２が
スタートすると、シャフト４の回転速度は、該トルクが
例えば転動摩擦及びヒステリシス等のような要因によっ
て発生される対向トルクと等しくなるまで増加する。モ
ータ２の速度は印加電位の大きさを変化させることによ
って規制される。印加電位の極性を変化させると、モー
タ２へ損傷を与えることなしにシャフト４の回転を遅滞
させ且つ回転方向を逆とさせる。上述したのと同一の回
転方向に発電器としてモータ２を回転させると、反対極
性の直流が発生される。なぜならば、外部的に印加され
るトルクに対向する転動摩擦によって発生される接触勾
配が負だからである。

【００１３】モータ２が動作している場合、各ローラ８
と共にピエゾ電気剪断波が進行する。なぜならば、各ロ
ーラ８は、ピエゾ電気物質内の電界を形成する移動電極
として作用するからである。ローラ８は、従来のモータ
のコミュテータブラシの機能を行なうが、該ローラは、
滑らか且つ連続的な対応で動作し、且つ摺動摩擦ではな
く転動摩擦を受ける。モータ２は滑らかに動作する。な
ぜならば、全てのローラ８がトルクの発生に貢献し、旦
つ力及び変形は時間と共にその強度を変化させることは
なく、位置を変化させるに過ぎないからである。

【００１４】ローラ８の半径を増加させると、転動摩擦
及び接触応力が減少され、一方垂直方向の力４４を増加
させると、摩擦が増加され、そのことは円筒状のローラ
よりも球状のローラの場合により顕著である。点ではな
く線に沿って平面と接触する円筒状ローラは球状ローラ
よりも好ましい。なぜならば、回転に対向する転動摩擦
が最小となるからである。

【００１５】本発明の別の実施例は、ピエゾ電気内側レ
ースと導電性外側レースとで構成するか、両方のレース
がピエゾ電気物質を有するもので構成するか、又は導電
性レースとピエゾ電気ローラとで構成することが可能で
ある。両方のレースがピエゾ電気物質を有する実施例に
おいては、導電性ローラが中間電位を取り、且つ内側レ
ースのピエゾ電気物質は外側レースのピエゾ電気物質の
態様とは逆の態様で分極され、従ってローラの両方の接
触はモータトルクに貢献する。リニア、即ち直線状の実
施例は、二つの平面の間にローラを配置した構成を有す
ることが可能であり、その場合、該平面の少なくとも一
方又は該ローラがピエゾ電気物質を有するものである。 本発明を多結晶強誘電セラミックス及び配向分極型ポリ
マー等のようなピエゾ電気物質に関して説明したが、印
加電界に応答して有用な剪断変形を発生する任意の物質
を本発明モータの構成に適用することが可能である。

【００１６】モータ２の移動部品の間のクリアランスが
ゼロであるということは、ハウジング６内のシャフト４
を著しく剛性を向上させている。このような剛性から得
られる高い共振周波数は、高速度において精密な位置決
めが必要とされる適用において本発明モータ２を使用す
ることを容易としている。更に、モータ２は、整流した
交流で動作させることが可能であるが、直流の場合より
も滑らかさが劣る。直流での動作は、高周波数の交流へ
変換させることに関連する損失の発生を回避しており、
それは、電源がバッテリであるか又は光電セルである場
合に有利である。更に、モータ２の効率は従来の電磁モ
ータよりも大きい。なぜならば、渦電流が発生されず且
つ抵抗損失が最小であるからである。モータ２は、更に
、トルクを維持するために熱発生用電流の一定の流れを
必要とする従来のモータと比較して、電気エネルギを更
に散逸させることなしに、その開始用のストールトルク
をねじり負荷へ適用することが可能である。

【００１７】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論である
。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の一実施例に基づいて構成された直
流ピエゾ電気モータのシャフトの軸の延長部における点
からとられた概略端面図。

【図２】　　図１のモータの概略断面図。

【図３】　　図１の一部概略拡大図。

【符号の説明】

２　　直流進行波ピエゾ電気モータ ４　　モータシャフト ６　　モータハウジング ８　　ローラ １０　　内側レース １２　　外側レース １４　　接触部 １６，１８　　リード

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第一電位ヘ接続されている第一物質層
   が設けられており、前記第一電位と反対の極性を有する
   第二電位へ接続されている第二物質層が設けられており
   、前記第一及び第二物質層の間に配設されており且つ前
   記各層と電気的及び摩擦接触状態にある転動要素が設け
   られており、前記第一物質層と前記転動要素のうちの少
   なくとも一つが剪断変形可能物質を有しており、前記剪
   断変形可能物質は前記電気的接触の結果として前記剪断
   変形可能物質内に発生される電界に応答して剪断変形を
   発生することが可能であり、前記剪断変形によって進行
   波が形成され、前記進行波はそれが前記転動要素の電気
   的接触と共に進行する場合に前記転動要素を転動させ、
   前記転動要素と前記第一及び第二物質層との間の摩擦接
   触が前記第二物質層と相対的な前記第一物質層の運動を
   発生させることを特徴とする直流進行波モータ。
2. 【請求項２】　　請求項１において、前記第一及び第二
   物質層の間に配設されており且つそれらの層と電気的及
   び摩擦接触した状態で複数個の転動要素が設けられてお
   り、前記複数個の転動要素の各々が前記剪断変形可能物
   質内に対応する電界、剪断変形及び進行波を発生させる
   ことを特徴とする直流進行波モータ。
3. 【請求項３】　　請求項２において、前記第一物質層が
   モータハウジング内に配設される環状外側レースを形成
   する第一円筒表面を有しており、前記第二物質層がモー
   タシャフトの周りに接合させた環状内側レースを形成す
   る第二円筒表面を有しており、前記内側レースは前記外
   側レースの内側で且つそれと同心円状に配設されており
   、前記複数個の転動要素が前記内側レースと前記外側レ
   ースとの間において半径方向圧縮状態で負荷がかけられ
   た複数個の円筒状ローラを有することを特徴とする直流
   進行波モータ。
4. 【請求項４】　　請求項３において、前記内側レース及
   び前記外側レースの少なくとも一つが環状に分極した剪
   断変形可能ピエゾ電気物質を有することを特徴とする直
   流進行波モータ。
5. 【請求項５】　　請求項４において、前記内側レースが
   第一の態様で環状に分極したピエゾ電極物質を有してお
   り、且つ前記外側レースが前記第一態様と反対の第二態
   様で環状に分極したピエゾ電気物質を有していることを
   特徴とする直流進行波モータ。
6. 【請求項６】　　請求項４において、前記モータシャフ
   トの回転により前記電位を発生するための発電器として
   機能することを特徴とする直流進行波モータ。
7. 【請求項７】　　請求項３において、前記複数個の円筒
   状ローラが変形可能ピエゾ電気物質を有することを特徴
   とする直流進行波モータ。
8. 【請求項８】　　第一電位へ接続した第一物質層が設け
   られており、前記第一電位の極性と反対の極性を有する
   第二電位へ接続した第二物質層が設けられており、前記
   第一及び第二物質層の間に配設されており且つ前記第一
   及び第二物質層と電気的及び摩擦接触状態にある転動要
   素が設けられており、前記第一物質層と前記第二物質層
   と前記転動要素のうちの少なくとも一つがピエゾ電気物
   質を有しており、前記ピエゾ電気物質は前記電気的接触
   の結果として前記ピエゾ電気物質内に発生される電界に
   応答して剪断変形を発生し、前記ピエゾ電気物質の剪断
   変形によって進行波が形成され、前記進行波が前記転動
   要素と電気的接触状態で進行する場合に前記進行波が前
   記転動要素を転動させ、前記転動要素と前記第一及び第
   二物質層との間の摩擦接触が前記第二物質層と相対的に
   前記第一物質層の運動を発生させることを特徴とする直
   流進行波ピエゾ電気モータ。
9. 【請求項９】　　請求項８において、前記第一及び第二
   物質層の間に配設されており且つ前記第一及び第二物質
   層と電気的及び摩擦接触状態で複数個の転動要素が設け
   られており、前記複数個の転動要素の各々が前記ピエゾ
   電気物質内に対応する電界、剪断変形及び進行波を発生
   させることを特徴とする直流進行波ピエゾ電気モータ。
10. 【請求項１０】　　請求項９において、前記第一物質層
    がモータハウジング内に配設された環状外側レースを形
    成する第一円筒表面を有しており、前記第二物質層がモ
    ータシャフトの周りに接合される環状内側レースを形成
    する第二円筒表面を有しており、前記内側表面が前記外
    側表面の内側で且つそれと同心円状に配設されており、
    前記複数個の転動要素が前記内側レースと前記外側レー
    スとの間において、半径方向圧縮状態で負荷がかけられ
    た複数個の円筒状ローラを有することを特徴とする直流
    進行波ピエゾ電気モータ。
11. 【請求項１１】　　請求項１０において、前記内側レー
    ス及び前記外側レースの少なくとも一方が環状に分極さ
    れた剪断変形可能ピエゾ電気物質を有することを特徴と
    する直流進行波ピエゾ電気モータ。
12. 【請求項１２】　　請求項１１において、前記内側レー
    スが第一の態様で環状に分極されたピエゾ電気物質を有
    しており、且つ前記外側レースが前記第一の態様と反対
    の第二の態様で環状に分極されたピエゾ電気物質を有す
    ることを特徴とする直流進行波ピエゾ電気モータ。
13. 【請求項１３】　　請求項１１において、前記モータシ
    ャフトの回転により電位を発生するための発電器として
    機能することを特徴とする直流進行波モータ。
14. 【請求項１４】　　モータハウジング内に延在するモー
    タシャフトが設けられており、前記ハウジング内に配設
    されており且つ第一電位へ接続されている環状外側レー
    スを形成する第一円筒状層が設けられており、前記シャ
    フトの周りに接合されており且つ前記第一電位の極性と
    反対の極性を持った第二電位ヘ接続されている環状内側
    レースを形成する第二円筒状層が設けられており、前記
    シャフトは前記内側レースが前記外側レースと同心的で
    あるように前記ハウジング内に位置されており、前記内
    側レースと前記外側レースとの間において半径方向圧縮
    状態で負荷がかけられており且つ前記内側レース及び前
    記外側レースと電気的且つ摩擦接触状態の複数個の転動
    要素が設けられており、前記第一円筒状層と前記第二円
    筒状層と前記複数個の転動要素のうちの少なくとも一つ
    がピエゾ電気物質を有しており、前記ピエゾ電気物質は
    前記電気的接触の結果として前記ピエゾ電気物質内に発
    生される電界に応答して剪断変形することが可能であり
    、前記ピエゾ電気物質の剪断変形によって複数個の進行
    波が形成され、前記進行波はそれらが前記転動要素の電
    気的接触と共に進行する場合に前記転動要素を転動させ
    、前記転動要素と前記レースとの間の摩擦接触が前記ハ
    ウジングと相対的な前記シャフトの運動を発生させるこ
    とを特徴とする直流進行波ピエゾ電気モータ。
15. 【請求項１５】　　請求項１４において、前記複数個の
    転動要素が複数個の円筒状ローラを有することを特徴と
    する直流進行波ピエゾ電気モータ。
16. 【請求項１６】　　請求項１５において、前記内側レー
    ス及び前記外側レースのうちの少なくとも一方が環状に
    分極した剪断変形可能ピエゾ電気物質を有することを特
    徴とする直流進行波ピエゾ電気モータ。
17. 【請求項１７】　　請求項１６において、前記内側レー
    スが第一態様で環状に分極されたピエゾ電気物質を有し
    ており、且つ前記外側レースが前記第一態様とは反対の
    第二態様で環状に分極したピエゾ電気物質を有している
    ことを特徴とする直流進行波ピエゾ電気モータ。
18. 【請求項１８】　　請求項１６において、前記モータシ
    ャフトの回転により前記電位を発生するための発電器と
    して機能することを特徴とする直流進行波ピエゾ電気モ
    ータ。