(57)【要約】【課題】圧電超音波モーターの励起電圧の低下、機械的出力および信頼性の増加、モーター設計の単純化、製造コストの低減、およびモーターの構造的な取り扱いの改善を達成すること。【解決手段】本発明は、長さＬおよび高さＨの圧電プレートの形の振動子、ならびに振動子に配置され、動かすべき部分の摩擦表面に対して弾性的に押し圧された１個または２個の摩擦要素を備える圧電超音波モーターに関する。本発明によれば、圧電プレートはより大きな表面に縦に展延する区画面によって２個の同一部分に分割され、これらの部分の少なくとも１個は非対称音響定在波の非対称的な発生器を含み、その起動によって非対称的な２次元定在波を発生するので、圧電プレートの長い端部面の中心に配置された摩擦要素は分割面に対して同一の傾きで運動を行い、動かすべき要素に運動エネルギーが伝達される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さＬおよび高さＨを有する圧電プレートの形の振動子、ならびに振動子に配置され、動かすべき部分の摩擦表面に対して弾性的に押圧された１個または２個の摩擦要素を備える圧電超音波モーターであって、前記圧電プレートはより大きな表面に縦に展延する区画面によって２個の同一部分に分割され、これらの部分の少なくとも１個は非対称的な音響定在波の非対称的な発生器を含み、その起動によって非対称的な２次元定在波を発生することにより、圧電プレートの長い端部面の中心に配置された摩擦要素は分割面に対して同一の傾きで運動を行い、動かすべき要素に運動エネルギーが伝達されることを特徴とする圧電超音波モーター。
【請求項２】
前記圧電振動子が、前記動かすべき部分を逆に動かすために、分割面に対して対称に配置された２個の非対称性音響定在波の非対称振動子を含み、それらの選択的な起動によって、摩擦要素の動作路と分割面間の角度がその符号を変え、動かすべき要素を駆動する力の方向を変化させることを特徴とする請求項１に記載の圧電超音波モーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニアおよびロータリー圧電超音波モーターに関する。本発明は、設備技術の通常の位置決め装置ならびに精密位置決め装置の電動モーターとして利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第５，６７２，９３０号から、圧電素子が接着剤で取り付けられた金属製共鳴器を有する圧電超音波モーターが知られている。一方が金属製共鳴器および他方が圧電素子と熱膨張率が異なるため、これらのモーターでは高い機械的出力を得ることができないという欠点を有することが判明した。さらに、金属製共鳴器は受動体である。高速運動を達成するためには、比較的高い電圧によって圧電素子を励起することが必要である。これらの欠点はモーター動作の信頼性を低下させ、したがってそれらのモーターの応用分野を制限する。
【０００３】
上述の圧電モーター以外に、モノリシック圧電セラミックプレートの形で音響共鳴器を備える圧電超音波モーターが主として知られており、その小さな端部面には衝撃要素が配置される。本明細書では例えば米国特許第５，４５３，６５３号または米国特許第５，６１６，９８０号について言及する。圧電セラミックプレートの大きな表面には、音響定在波発生器が配置され、これは定在波と縦波を同時に誘起する。２つの波が重なり合う結果、衝撃要素は楕円形の運動を行い、運動エネルギーを動かすべき要素に与える。
【０００４】
この種のモーターでは、発生器との電気機械的結合係数の低い曲げ波がエネルギー伝搬波として用いられる欠点を有することが判明した。低い結合係数は共鳴器の励起電圧を著しく増加させ、モーターの効率低下を招き、ならびにその出力を制限する。それらのモーターでは、共鳴器のサイズを大きくすることによってモーターの機械的出力を増加させることは不可能である。圧電プレートの長さを長くすると、共鳴器の共鳴周波数が漸減的に低下し、その結果その特定の出力は低下する。例えば、Ｍｅｓｓｒｓ  Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎ製の標準的な超音波モーターはこの原理に基づいて作られており、共鳴器として１個だけの圧電セラミックプレートを備え、約０.４Ｗの機械的出力を有する。増加のためにはそれらの圧電起動器が８個まで筐体中に配置される（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎ．ｃｏｍ／Ｉｎ２０００ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌからの会社パンフレットを参照されたい）。この対策は駆動の構造全体をより複雑にし、その信頼性を低下させる。
【０００５】
さらに、それらのモーターは、斜めに半田付けされた交差する導体による電気的接続を必要とする複雑な起動電極の系を備える。これは、超音波の使用がしばしば圧電プレートからの線を破断させるので、モーターの信頼性をさらに低下させる。
【０００６】
特記すべき他の欠点は、それらのモーター構造の好ましくない取り扱いである。共鳴器またはアクチュエーターの長手軸は動かすべき要素に垂直に配置されなければならない。この配置はモーターが使用される駆動系のサイズの増加を招き、構造的な取り扱いを複雑にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、上記モーターの上述の欠点を全て取り除き、同時にモーターの励起電圧の低下、機械的出力および信頼性の増加、モーター設計の単純化、製造コストの低減、およびモーターの構造的な取り扱いの改善を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上に示した目的は、長さＬおよび高さＨを有する圧電プレートの形の振動子、ならびに振動子に配置されて動かすべき部分の摩擦表面に弾性的に押圧された１個または２個の摩擦要素を備える圧電超音波モーターにおいて、上記圧電プレートがより大きな表面に縦に展延する区画面によって２個の同一部分に分割され、これらの部分の少なくとも１個は、その起動によって非対称的な２次元定在波を発生する、非対称的音響定在波の非対称的な発生器を含み、圧電プレートの長い端部面の中心に配置された摩擦要素が分割面に対して同一の傾きで運動を行い、動かすべき要素に運動エネルギーを伝達することによって解決される。
【０００９】
さらに、圧電振動子は、動かすべき部分を逆に動かすために、分割面に対して対称に配置された２個の非対称定在波の非対称発生器を含むことができ、それらの選択的な起動によって、摩擦要素の動作路と分割面間の角度はその符号を変化させ、動かすべき要素を駆動する力の方向を変化させる。
【００１０】
実施形態および図面を参照して本発明を以下でさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の圧電超音波モーターは、筐体２に配置された圧電振動子１、およびその上に摩擦片４が取り付けられた、動かすべき要素３を含む（図１参照）。摩擦要素５を備える圧電振動子１は圧力要素４によって摩擦片４に対して弾性的に押し付けられる。動かすべき要素３は矢８で示した方向に動くことができるように、モーター筐体２中のベアリング７に固定される。
【００１２】
図２において、項目９、１０は、それぞれ振動子１の平面図および底部図である。振動子１は長さＬ、高さＨ、および幅Ｂの圧電プレート１１として構成され、分割面１２によって２個の同一部分１３、１４に分割される。
【００１３】
分割面１２は振動子長さＬの中心を通り、振動子の大きな側１５に垂直である。分割面１２の軌跡１６は振動子１上に破線で示される。圧電プレートの長い端部面１７に１個または２個の摩擦要素５（図には示されない）が振動子長さＬの中心に配置される。
【００１４】
考えている本発明のモーターの改良において、振動子１の部分１３は非対称音響波の非対称発生器１８を含む。非対称発生器は分極した圧電プレート１１の大表面１５上に配置された励起電極１９および共通電極２０によって形成される。プレート１１の分極は電極に垂直に行われ、例えば図１では矢で示される。
【００１５】
発生器１８の非対称性は分割面１２に対するその非対称的な位置、およびそれが励起されると振動子に非対称的な２次元定在波が発生することに起因する。波は一次、二次、三次、またはそれ以上の次数とすることができる。振動子の長さは、高さおよび励起された波の次数に対して、Ｌ＝Ｋ＊Ｈ＊ｎの関係を有する。Ｋは、それぞれ圧電材料の幅または種類に依存する係数である。Ｋ＝０.５÷１である。ｎは波の次数、ｎ＝２、３、４、…である。
【００１６】
モーターのこの改良において、振動子１の部分１４は、励起電極２２および共通電極２０を備える非対称音響波の第２の自給式非対称発生器２１を含むことができる。
【００１７】
図３は振動子１を備える励起源２３の電気回路を示す。回路図は切換えスイッチ２４を含み、それによって源２３は第１発生器１８または第１発生器２１に電気的に接続される。
【００１８】
図４は、Ｍｅｓｓｒｓ  ＰＩ  Ｃｅｒａｍｉｃ  ＧｍｂＨ製圧電セラミック材料ＰＩＣ１８１から作られた寸法６０×２６×９ｍｍ３の振動子１の電気入力インピーダンスの振幅−周波数応答を示す。共鳴点２５は共鳴周波数ｆ０を示し、一次の非対称定在波に一致する。
【００１９】
図５は、振動子高さに対する振動子長さの比がＬ／Ｈ＝２．２５で一定であり、同様に振動子幅に対する振動子長さの比がＬ／Ｂ＝６で一定であるとき、振動子長さＬの関数としての振動子の共鳴周波数ｆ０（図４における共鳴点２５）の依存性を示す。
【００２０】
図６中の項目２６、２７、２８、２９は一次非対称定在波が励起される際の振動子１のプレート１１の変形を示す。
【００２１】
図７は、一次非対称定在波が励起された際における、圧電プレート１１の長い端部面１７の点での振動の振幅（項目３０）ならびに動作路（項目３２）を示す。
【００２２】
項目３３は、衝撃要素が配置される領域を明らかにする。
【００２３】
図８は本発明のモーターの機能を説明する。この図には、長い端部面１７の点３４の動作路３２ならびに摩擦要素５の点３６の動作路３５が示される。
【００２４】
図９の項目３７、３８は、二次非対称定在波が励起される振動子１を示す。この場合、発生器１８、２１は、各々振動子部分１３、１４に距離Ｌ／４で配置される２個の電極１９、２２を含む。
【００２５】
図１０は、電気的励起源２３を備える本発明のモーターの、振動子１の回路を示す。
【００２６】
図１１の項目３９、４０は、本発明のモーターの構成の、他の有利な改良を示し、三次定在波が振動子１に励起される。この場合、発生器１８、２１は、各々振動子部分１３、１４に互いにＬ／６の距離で配置される３個の励起電極１９を含む。
【００２７】
図１２は、電気的励起源２３を備える本発明のモーターのこの改良の振動子１の回路を示す。
【００２８】
図１３は、Ｍｅｓｓｒｓ  ＰＩ  Ｃｅｒａｍｉｃ  ＧｍｂＨ製圧電セラミック材料ＰＩＣ  １８１から作られた６０×２６×９ｍｍ３の振動子寸法を有する本発明のモーターの最も重要な特性を示す。項目４１は機械的なワット−力特性を示し、項目４２は速度−力特性を示し、項目４３は効率−力特性を示す。
【００２９】
一次非対称定在波が励起される振動子１、すなわち最小の長さＬ≫２Ｈの振動子を有するモーターを参照して動作を考察する。
【００３０】
モーター（図３）を作動させるために、電気的励起源２３によって励起電極１９および共通電極２０に交流電圧が印加される。電圧の周波数ｆ０は非対称定在波を励起することのできる振動子の共鳴周波数に一致する（図４参照）。さらに、ｆ０は圧電セラミック材料の種類よりも振動子の幾何形状に依存することに注目すべきである。
【００３１】
図５は、圧電セラミック材料ＰＩＣ  １８１から作られた振動子について、振動子高さＨに対する振動子長さＬの比がＬ／Ｈ＝２．２５で一定であり、同様に振動子幅Ｂに対する振動子長さＬの比がＬ／Ｂ＝６で一定であるとき、振動子長さＬの関数としての振動子の共鳴周波数ｆ０（図４における共鳴点２５）の実験的に記録された依存性を示す。この依存性については、振動子の長さと共鳴周波数の積Ｌ＊ｆ０は一定であり、本例の場合３９１１ｋＨｚ＊ｍｍになる。この定数は、振動子１の圧電プレート１１の任意の寸法について、非対称定在波の共鳴周波数ｆ０の測定に用いることができる。図４のグラフ中、共鳴周波数ｆ０の近くに他の共鳴がないため、この定数が非対称定在波の周波数を唯一確定すると結論付けることができる。
【００３２】
振動子１のプレート１１に非対称二次元定在波が励起されると、プレートは図６に示すように変形する。４つの変形相（項目２６、２７、２８、２９）が振動子の振動期間の１／４の時間間隔で示される。
【００３３】
振動子プレート１１の非対称変形より、分割面１２に対して振動子長さに沿う長い端部面１７の点の振動の振幅が非対称に分布していることは自明である。図７の項目３０はそれぞれＸおよびＺ方向の振動の振幅を示す。点は項目３２に示した路３１に沿って動く。動作路３１は直線であり、位置によって振動子端部面１７と異なる角度を形成し、それらは分割面１２に対して非対称に位置する。振動子の長さに沿う振幅の分布の非対称性、ならびにそれから得られる動作路の空間位置における非対称性は、振動子に励起される定在波の非対称性に起因するものである。
【００３４】
中心領域３３に配置された摩擦要素５は、分割面１２（図８参照）に対して傾斜している直線３１（３５）に沿って振動する。動かすべき要素３に向かってそれが動くと、摩擦要素５と摩擦片４の間に力Ｆ０が発生し、これは垂直成分Ｆｎと接線成分Ｆｔに分割することができる。垂直成分は摩擦力を与え、このため接線成分Ｆｔは動かすべき要素３に伝達される。摩擦要素５は力の衝撃を動かすべき要素に伝達し、これによって動かすべき要素は動く。摩擦要素５の戻り動作の間、力Ｆ０は消失する。摩擦要素５と動かすべき要素３の間の摩擦力は消滅する。その慣性によって、動かすべき要素３は次の衝撃まで動きを継続する。動きの方向は図８中に矢で示される。
【００３５】
スイッチ２４が切り換わると、分割面１２に対する能動的な発生器の位置が変化する。これは振動子１の変形パターンを鏡像にする。ＸおよびＺ方向の振幅は振動子の中心領域３３では変化しない。２つの成分間の相だけが１８０°変化する。この領域の動作路と分割面１２の間の角度はその符号を変える。これは動かすべき要素３に逆の動きをもたらす。
【００３６】
二次、三次、およびより高次の非対称定在波（図９、１０、１１、１２参照）を励起した振動子１はその中心領域に一次振動子と類似の変形を有する。それらの振動子を用いるモーターは類似の動作モードを有する。
【００３７】
図１３の項目４１、４２、４３は、圧電セラミック材料ＰＩＣ  １８１から作られた６０×２６×９ｍｍ３の振動子寸法を有する、本発明の超音波モーターの実施形態の最も重要な特性を示す。ローターの最大速度は６００ｍｍ／ｓであり、最大力は５０Ｎであり、最大機械的ワットは１５Ｗである。モーターの最大効率は約２０％である。電気的励起電圧は２００Ｖｅｆｆである。
【００３８】
米国特許第５，６１６，９８０号によるＭｅｓｓｒｓ  Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎ製のＨＲ８型超音波モーターに比べて、上述の実施形態のモーターはローターの動作の２倍の速度、ならびに１．６倍の力を発生する。振動子の場の強度はＭｅｓｓｒｓ  Ｎａｎｏｍｏｔｉｏｎのモーターの約１／４である。本発明の実施形態は３個の接続だけを含むが、ＨＲ８モーターの数は４０である。これは、例えば本発明のモーターの信頼性を大きく向上させる。
【００３９】
本発明のモーターの製造は明らかに簡単であり、これは製造コストを大きく低減する。さらに、本モーターの構造の実現は明らかにより簡単である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のモーターの主要な改良を示す図である。
【図２】振動子の構造を示す図である。
【図３】励起源を備える振動子の電気回路を示す図である。
【図４】振動子の電気的入力インピーダンスの振幅−周波数応答を示す図である。
【図５】振動子長さによる振動子の共鳴周波数の依存性を示す図である。
【図６】振動子の変形を示す図である。
【図７】振動子の長い端部面の点の振幅と動作路を示す図である。
【図８】モーターの動作を説明する図である。
【図９】第二次の振動子の構造を示す図である。
【図１０】励起源を備える第二次の振動子の電気回路を示す図である。
【図１１】第三次の振動子の構造を示す図である。
【図１２】励起源を備える第三次の振動子の電気回路を示す図である。
【図１３】本発明のモーターの最も重要な特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１    圧電振動子
２    筐体
３    動かすべき要素（ローター）
４    摩擦片
５    摩擦要素
６    圧力要素
７    ベアリング
８    動き方向の矢
９    一次振動子の平面図
１０  一次振動子の底部図
１１  振動子１の圧電プレート
１２  分割面
１３  振動子１の部分
１４  振動子１の部分
１５  振動子１の大きな表面
１６  分割面１２の軌跡
１７  長い端部面
１８  非対称音響定在波の自給式非対称発生器
１９  発生器１８の励起電極
２０  共通電極
２１  非対称音響定在波の第２非対称発生器
２２  発生器２１の励起電極
２３  振動子１の励起源
２４  切換えスイッチ
２５  共鳴点
２６  振動子の変形
３０  プレート１１の長い端部面１７の点の振幅分布
３１  プレート１１の長い端部面１７の点の動作路
３２  プレート１１の長い端部面１７の複数点の動作路
３３  衝撃要素５の領域
３４  プレート１１の端部面１７の点
３５  摩擦要素５の点３６の動作路
３６  摩擦要素５の点
３７  二次振動子１の平面図
３８  二次振動子１の底部図
３９  三次振動子１の平面図
４０  三次振動子１の底部図
４１  機械的ワット−力特性
４２  速度−力特性
４３  効率−力特性
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2007538484.tif 000016
2007538484.tif 000017
2007538484.tif 000018
2007538484.tif 000019
2007538484.tif 000020
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