(57)【要約】  本発明は、長さＬ、高さＨ及び厚さｔを有する圧電板の形態で超音波モータに好ましく使用される超音波アクチュエータに関するものであり、ここで、上記圧電板は、横方向対称平面Ｓｑ、縦方向対称平面Ｓｌ、及び少なくとも２つの主面を有し、また、上記圧電板には、上記対称平面Ｓｑに関して対称的に配置された、超音波定常波を発振するための少なくとも２つの発振器が備わっている。本発明によれば、上記圧電板は、少なくとも８つの側方面を含む形状を有し、これらの側方面のうちの少なくとも２つは、駆動される要素と接触するための作動面であり、また、これらの側方面のうちの少なくとも２つは、上記圧電板を保持するための保持面であり、また、残りの側方面は、自由面であり、ここで、少なくとも４つの自由面が、上記縦方向対称平面Ｓｌに対して同一の角度αで、且つ／又は、上記横方向対称平面Ｓｑに対して同一の角度φで配置されている。
2011522506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さＬ、高さＨ及び厚さｔの圧電板（１）の形態を有した超音波アクチュエータであって、好ましくは超音波モータに使用するためのものであって、
前記圧電板（１）は、横方向対称平面Ｓｑ、縦方向対称平面Ｓｌ、及び少なくとも２つの主面（２）を有し、且つ、前記圧電板（１）は、前記対称平面Ｓｑに関して対称的に配置された、超音波定常波を発振するための少なくとも２つの発振器（７，８）を備え、
前記圧電板（１）は、少なくとも８つの側方面を含む形状を有し、少なくとも２つの前記側方面は駆動される要素に接触するように設けられた作動面（４）であり、また、少なくとも２つの前記側方面は前記圧電板（１）を保持するように設けられた保持面（５）であり、残りの前記側方面は自由面（６）であり、ここで、少なくとも４つの自由面（６）は、前記縦方向対称平面Ｓｌに対して同一の角度αで、且つ／又は、前記横方向対称平面Ｓｑに対して同一の角度φで配置されていることを特徴とする超音波アクチュエータ。
【請求項２】
前記作動面（４）は幅ｎを有し、前記保持面（５）は幅ｍを有し、ｎに対するＬの比、及び／又は、ｍに対するＨの比は、１．１〜９の範囲にあり、好ましくはおよそ５に等しいことを特徴とする請求項１に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項３】
Ｈに対するＬの比は、１．５〜３の範囲にあり、好ましくはおよそ２に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波アクチュエータ。
【請求項４】
ｔに対するＬの比は、５〜１５の範囲にあり、好ましくはおよそ１０に等しいことを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項５】
前記自由面（６）は、部分的に凹状形状、及び／又は凸状形状を有していることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項６】
前記発振器（７，８）のそれぞれは、前記圧電板（１）の前記主面（２）の上に配置された励起電極（２０）及び一般電極（２１）を備えており、前記励起電極（２０）と前記一般電極（２１）との間に圧電性セラミックスが配置されていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項７】
前記発振器（７，８）のそれぞれは、励起電極（２０）の層、一般電極（２１）の層、及びこれらの間にそれぞれ配置された圧電性セラミックスの層（２２）をいくつか備えており、前記層（２２）は、前記圧電板（１）の前記主面（２）に対して平行に配置されていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項８】
前記作動面（４）の少なくとも１つは、少なくとも１つの摩擦要素（３４）又は少なくとも１つのスライド（３５）を備えていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項９】
前記作動面（４）の少なくとも１つは、少なくとも部分的に案内溝（４２）を備えていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１０】
前記摩擦要素（３４）及び／又は前記スライド（３５）及び／又は前記案内溝（４２）は、その表面に耐摩耗層（３７）を少なくとも部分的に有していることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【請求項１１】
前記保持面の少なくとも１つは、少なくとも１つの固定要素（４４）を、又は少なくとも部分的に固定溝（４６）を備えていることを特徴とする、先行請求項の少なくとも１つに記載の超音波アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長さＬ、高さＨ及び厚さｔを有する圧電板の形態で超音波モータに好ましく使用される超音波アクチュエータに関するものであり、ここで、上記圧電板は、横方向対称平面Ｓｑ、縦方向対称平面Ｓｌ、及び少なくとも２つの主面を有し、また、上記圧電板には、上記対称平面Ｓｑに関して対称的に配置され、特許請求の範囲の請求項１の前文に従って超音波定常波を発振するための少なくとも２つの発振器が備わっている。
【背景技術】
【０００２】
この種の超音波アクチュエータ及びそれらを備えている超音波モータは、駆動装置についての小さい寸法、高い位置決め精度及び低いエネルギー消費が必要である小型カメラ、携帯電話の対物レンズ、小型記憶装置及び類似器具のようなエネルギー消費が低く、小型化された安価な装置に使用することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
米国特許第５，６７２，９０３号公報及び米国特許第５，６６５，９１８号公報には、複雑な組立型振動装置として設計され、かつ、圧電性励振板が上に接着される共振器からなる、超音波モータのための超音波アクチュエータが記載されている。これらのアクチュエータの短所は、それらの構造設計が比較的複雑であると共にそれらの製造に多くの時間と労力を有する、ということである。このため、それらは、小型装置に使用するための安価な大量生産品としては不適格である。
【０００４】
また、超音波モータのための超音波アクチュエータは、その共振器が長方形の圧電板として設計された米国特許第６，７６５，３３５号公報（図２０）に知られている。この超音波アクチュエータは、簡単な構成であって、容易に制御することのできる製造技術によることを特徴とする。従って、安価な大量生産品として好適であるように思われる。しかしながら、この超音波アクチュエータには、その作動に比較的高い電力が必要であり、その結果、エネルギー消費が増大するという欠点がある。このため、そのような超音波アクチュエータは、対応して必要になる低いエネルギー消費の小型装置に使用するためには不適格である。
【０００５】
従って、本発明の目的は、簡単な構造設計からなり、一方で、容易に制御することのできる製造技術によって特徴付けられ、他方で、作動の安定性及び安全性が増大しているとともに低い電気エネルギー消費によって特徴付けられた超音波アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、その目的は、上記の型の超音波アクチュエータで達成され、その圧電板は、少なくとも８つの側方面を含む形状を有し、ここで、これらの側方面のうちの少なくとも２つは、駆動される要素と接触するための作動面であり、また、これらの側方面のうちの少なくとも２つは、上記圧電板を保持するための保持面であり、残りの側方面は、自由面であり、ここで、少なくとも４つの自由面が、上記縦方向対称平面Ｓｌに関して同一の角度αで、且つ／又は、上記横方向対称平面Ｓｑに関して同一の角度φで構成されている。上記作動面によって駆動される要素の接触は、直接的なものでもよく、間接的なものでもよい。また、上記圧電板は、上記保持面によって直接的又は間接的に保持されることができる。
【０００７】
上記作動面は幅ｎを有し、上記保持面は幅ｍを有するのが有利であり、また、ｎに対する圧電板長さＬの比、及び／又はｍに対する圧電板高さＨの比が１．１〜９の範囲にあるのが有利であり、好ましくはおよそ５に等しいのが有利である。これにより、超音波アクチュエータの特に有利な作動特性がもたらされる。
【０００８】
また、Ｈに対するＬの比は、１．５〜３の範囲にあるのが有利であり、好ましくはおよそ２に等しいのが有利である。この実施形態によってもまた、超音波アクチュエータの好ましい作動特性がもたらされる。
【０００９】
加えて、圧電板厚さｔに対するＬの比が５〜１５の範囲にあるのが有利であり、好ましくはおよそ１０に等しいのが有利である。この実施形態には更に、超音波アクチュエータの作動特性についての好ましい効果がある。
【００１０】
上記自由面には、少なくとも部分的に凹状形状、及び／又は凸状形状があるのが有益である。これにより、超音波アクチュエータの構成上の可能性が広がる。
【００１１】
また、上記発振器のそれぞれには、上記圧電板の主面の上に配置された励起電極及び一般電極が備わっているのが有益であり、また、上記励起電極及び上記一般電極の間に圧電性セラミックスが配置されているのが有益である。これにより、超音波アクチュエータの構成が簡略化される。
【００１２】
更にまた、発振器のそれぞれは、励起電極の層、一般電極の層、及びこれらの間にそれぞれ配置された圧電性セラミックスの層をいくつか備え、これらの層が上記圧電板の主面に対して平行に配置されているのが有利である。これにより、超音波アクチュエータの必要励起電圧が減少する。
【００１３】
また、上記作動面の少なくとも１つに、少なくとも１つの摩擦要素又は少なくとも１つのスライドが備わっていることは有益である。これにより、超音波アクチュエータを実現するための構成上の実現可能性が広がる。
【００１４】
上記作動面の少なくとも１つに、少なくとも部分的に案内溝が備わっていることは、有利である。このことによってもまた、超音波アクチュエータを実現するための構成上の実現可能性が広がる。
【００１５】
また、上記摩擦要素、及び／又は上記スライド、及び／又は上記案内溝に、その面における少なくとも部分的な耐摩耗層があることも有利である。これにより、超音波アクチュエータの寿命が増大する。
【００１６】
加えて、上記保持面の少なくとも１つに、少なくとも１つの固定要素又は少なくとも部分的に固定溝が備わっていることは有利である。これにより、位置決め精度が増大する。
【００１７】
当然のことながら、上記の有利な実施形態の組み合わせもまた可能である。
【００１８】
本発明は、実施形態によって、図面を用いて以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の超音波アクチュエータの第１の実施形態の模式図を、斜視図（上段）及び上面図（下段、図示３（丸枠））で示している。
【図２】本発明の超音波アクチュエータにおける異なる他の実施形態の模式図を示している。
【図３】本発明の超音波アクチュエータにおける異なる他の実施形態の模式図を示している。
【図４】超音波定常波のための発振器の異なった構成上の変形例の模式図を示している。
【図５】本発明の超音波アクチュエータの電気励起装置への接続状態を図示するための回路図を示している。
【図６】本発明の超音波アクチュエータの、電気励起電圧の周波数における電気インピーダンスの依存性（図示２５（丸枠））、及び発振器の励起電圧Ｕと電流Ｉとがなす角度Φの周波数依存性（図示２６（丸枠））を示している。
【図７】本発明の超音波アクチュエータの変形状態の模式図を示している。
【図８】本発明の超音波アクチュエータの質点の移動経路の模式図を示している。
【図９】摩擦要素又はスライドの異なる実施形態の模式図を示している。
【図１０】本発明の超音波アクチュエータにおける異なる他の実施形態の模式図を示している。
【図１１】本発明の超音波アクチュエータにおける異なる他の実施形態の模式図を示している。
【図１２】本発明の超音波アクチュエータの異なる使用例を模式的に示している。
【図１３】本発明の超音波アクチュエータの異なる使用例を模式的に示している。
【図１４】本発明の超音波アクチュエータの異なる使用例を模式的に示している。
【図１５】本発明の超音波アクチュエータの異なる使用例を模式的に示している。
【図１６】本発明の超音波アクチュエータの異なる使用例を模式的に示している。
【図１７】本発明の超音波アクチュエータの異なる使用例を模式的に示している。
【図１８】本発明の超音波アクチュエータの異なる使用例を模式的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明による超音波アクチュエータの第１の実施形態を示している。このアクチュエータには、縦方向対称平面Ｓｌとこれに対して垂直に配置された横方向対称平面Ｓｑとを有する圧電板１が備わっている。この圧電板１は、互いに実質的に平行であって、対称平面Ｓｌ及び対称平面Ｓｑに対して垂直に配置された、２つの対向主面２を備えている。これらの対向主面２は８つの側方面によって互いに連結されており、ここで、２つの側方面は作動面４であり、２つの側方面は保持面５であり、また、残りの４つの側方面は自由面６である。平面Ｓｔに関して、この平面は、対称平面Ｓｌに対して垂直に、かつ、対称平面Ｓｑに対して垂直に配置されており、また、対向主面２の一方と一致していてもよく、又はそれらの間に置かれていてもよく、上記圧電板の断面区域は８角形の形状を有している（図１の図示３（丸枠）も参照のこと）。
【００２１】
作動面４は対称平面Ｓｌに対して実質的に平行であり、保持面５は対称平面Ｓｑに対して実質的に平行であり、自由面６は、対称平面Ｓｌに対して同一の角度αで、また、対称平面Ｓｑに対して同一の角度φで配置されている。
【００２２】
圧電板１は、２つの作動面４の間の距離に相当する高さＨと、２つの保持面５の間の距離に相当する長さＬとを有する。作動面４の幅はｎに等しく、また、保持面５の幅はｍに等しい。また、圧電板１は厚さｔを有する。本発明の超音波アクチュエータの高さＨに対する長さＬの比は、１．５〜３の範囲にある。この比Ｌ／Ｈは、およそ２に等しいときに最適である。
【００２３】
圧電板１には、超音波定常波を発振するための２つの発振器７及び８が備わっており、これらは、対称平面Ｓｑに関して対称的に配置されている。発振器７及び８のそれぞれは、対称平面Ｓｌに関して対称的に、かつ、対称平面Ｓｑに関して非対称的に配置されている。電気励起装置を接続するために、発振器７及び８には接続部９及び１０が備わっている。
【００２４】
図２は、異なった幅ｎの作動面４を有し、且つ／又は、異なった幅ｍの保持面５を有する、本発明による超音波アクチュエータの相異なる実施形態を示している。作動面４の幅ｎに対する長さＬの比、及び保持面５の幅ｍに対する高さＨの比は、１．１〜９の範囲内としてよい。この比Ｌ／ｎ又はＨ／ｍは、およそ５に等しいときに最適である。厚さｔは、およそ０．１Ｌに等しい。
【００２５】
図２の図示１１、１２及び１３（いずれも丸枠）は、圧電板１の実現のための３つの事例を例示的に示している。第１の事例（図示１１（丸枠））では、Ｌ／ｎ＝Ｈ／ｍ＝５であり、第２の事例（図示１２（丸枠））では、Ｌ／ｎ＝１．２であってＨ／ｍ＝５であり、第３の事例（図示１３（丸枠））では、Ｌ／ｎ＝５であってＨ／ｍ＝１．２である。平面Ｓｔに関する圧電板１の断面積は、第１の事例ではｑｏであり、第２の事例ではｑｍであり、第３の事例ではｑｎである。
【００２６】
図２の図示１１、１２及び１３（いずれも丸枠）では、米国特許第６，７６５，３３５号公報による従来技術から知られた圧電板の長方形形状が破線によって表されており、これによって、平面Ｓｔに関する対応する断面積Ｑと、断面積ｑｏ、ｑｎ及びｑｍとの直接的比較が可能になる。
【００２７】
図３は、本発明による超音波アクチュエータの追加的実施形態を図示１４（丸枠）及び１５（丸枠）において示しており、圧電板１には、凸状形状（図示１４（丸枠））及び凹状形状（図示１５（丸枠））を有する自由面６が含まれている。
【００２８】
図４は、超音波定常波のための発振器の相異なる構成上の変形例の模式図を示している。図示１６、１７及び１８（いずれも丸枠）による最初の３つの変形例では、圧電板１は圧電性セラミックスの一体状構造体として実現されており、それぞれの発振器７及び８には、励起電極２０、共通電極２１、及びこれらの電極間に置かれた圧電性セラミックスが備わっている。
【００２９】
図示１６（丸枠）に示された実施形態では、励起電極２０及び一般電極２１は、対向主面２の上に置かれている。図示１７及び１８（いずれも丸枠）に示された実施形態では、励起電極２０及び一般電極２１は、主面２の一方の同一面上に置かれている。すなわち、これらの電極は、圧電板１における一方の主面の上か又は２つの主面の上に配置されることができる。両方の事例において、好ましくは細長片形状の電極が使用される。
【００３０】
図４における図示１９（丸枠）は、発振器７及び８の別の可能な実施形態を示しており、ここで、これらの発振器には、励起電極２０の層、一般電極２１の層、及びこれらの層の間に配置された圧電性セラミックス２２の層が備わっている。これらすべての層は、圧電板１の主面２に対して平行に配置されている。セラミックスの焼結の間に、電極２０の層、電極２１の層、及びこれらの電極間の圧電性セラミックス２２の層は、圧電板１が一体状の多層構造体を形成するように、互いに結合される。
【００３１】
図４の図示１６〜１９（いずれも丸枠）では、圧電板１の圧電性セラミックスの分極の方向を矢印によって示している。
【００３２】
図５は、本発明による超音波アクチュエータの電気励起装置２３への接続を模式的に表す回路図を示している。この電気励起装置２３によって、周波数ｆｏの交流電圧Ｕがもたらされる。この電圧Ｕによって、発振器７及び８を通して電流Ｉが流れる。この回路は、発振器７及び８のための切換スイッチ２４を備えている。
【００３３】
図６は、図示２５（丸枠）において、本発明による超音波アクチュエータの電気インピーダンスの、上記励起電圧の周波数に関する依存性を示しており、図示２６（丸枠）において、発振器７及び８の励起電圧Ｕと電流Ｉとの間における角度Φの周波数依存性を示している。それぞれの依存性は、ＰＩ  Ｃｅｒａｍｉｃ  ＧｍｂＨ社の圧電性セラミックスＰＩＣ１８１から作られ、且つ、寸法がＬ＝１０ｍｍ、Ｈ＝５ｍｍ、ｎ＝２ｍｍ、ｍ＝１ｍｍ及びｔ＝１ｍｍである圧電板について、示されている。ピーク２７は、非対称性定常波が本発明による超音波アクチュエータに使用される発振器の中で発振される結果としての、周波数ｆｏ＝３７１ｋＨｚでの共振を示している。
【００３４】
図７は、図示２８及び２９（いずれも丸枠）において、作動中に内部で非対称性定常波が発振されたときの、圧電板１の最大変形を示している。この図示された状態は振動周期の半分の時間でシフトされる。
【００３５】
図８は、内部で非対称性定常波が発振されている間の、圧電板１の作動面４の中心に位置する点３１の移動経路３０を示している。この移動経路３０は、主面の作動面４に対して角度βだけ傾斜している。
【００３６】
図９は、図示３２（丸枠）において、本発明による超音波アクチュエータ３３の１つの実施形態を示しており、その作動面４には摩擦要素３４又はスライド３５が備わっている。図９の図示３６（丸枠）では、摩擦要素３４又はスライド３５の可能な実施形態のいくつかを示している。
【００３７】
摩擦要素３４とスライド３５との間の相違点は、摩擦要素３４が硬い耐摩耗性材料から作られているのに対し、スライド３５は柔らかい材料から作られていることである。両者は、同一の幾何学的形状を有していてもよい。摩擦要素３４は、硬い耐摩耗性の酸化セラミックス、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、又は両者の混合物、又は他の材料との混合物に基づいたセラミックスから作られている。更に、窒化アルミニウム、炭化アルミニウム、炭化ケイ素に基づいたセラミックス、又は炭化タングステン若しくは炭化チタンに基づいた金属セラミックスを使用することもまた、可能である。摩擦要素３４が固体の単結晶、例えば、コランダム、ルビー、サファイア、石英又はベリリウムから作られている、ということも同様に想定することができる。その上、硬い耐摩耗性材料の粒子と結合材料の粒子とから作られた材料混合物もまた、摩擦要素３４のための材料として使用することができる。結合材料として、半結晶性構造を有するポリアリルアミドのような耐高温プラスチックを使用することができる。
【００３８】
スライド３５は、ヤング率及び温度膨張係数が圧電性セラミックスのヤング率及び温度膨張係数にほぼ相当する比較的柔らかい材料から作られている。このことは、例えば、柔らかい酸化セラミックスからなる型のものに当てはまる。摩耗を減少させるか又は防止するために、スライド３５の摩擦面は、薄い耐摩耗層３７で覆われている。この耐摩耗層３７としては、耐摩耗性ガラス又は耐摩耗性材料の粒子で強化されたガラスを使用することができる。また、化学的に蒸着されたニッケル又はクロムの層も可能である。更に、プラズマ蒸着法によって蒸着された酸化アルミニウム若しくは酸化ジルコニウムの層、又は気相から蒸着された小さいダイアモンド結晶を含有する層を使用することができる。また、例えば、ＣｒＮ、ＣｒＣＮ、（Ｃｒ，Ｗ）Ｎ、（Ｃｒ，Ａｌ）Ｎ、ＮｂＮ−ＣｒＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、又はＶ２Ｏ５の薄いコーティングの形態にある層の使用も想定することができる。
【００３９】
摩擦要素３４又はスライド３５は、それらを作動面４へ溶着又は接着することによって、圧電板１へ固定することができる。溶着は、低融点ガラスを用いて、又は圧電性セラミックスと摩擦要素３４若しくはスライド３５の材料との化学結合をもたらす他の材料によって行われる。接着は、エポキシ樹脂によって、又は他の類似の接着剤によって達成され得る。
【００４０】
図１０は、図示３８〜４１（いずれも丸枠）において、本発明による超音波アクチュエータの更に可能な実施形態を示している。図１０の図示３８（丸枠）に示された超音波アクチュエータ３３の作動面４には、摩擦要素３４又はスライド３５は備わっていない。この事例では、耐摩耗層３７は、作動面４の圧電性表面へ直接、施されている。図１０の図示３９（丸枠）に示された超音波アクチュエータ３３の作動面４には、案内溝４２が備わっている。この案内溝４２は、例えば、三角形、円形、正方形又は台形の断面形状を有している。案内溝４２の表面には、耐摩耗層３７が設けられていてもよい。また、この表面は、摩擦接触の機能を安定化する黒鉛又は硫化モリブデンの薄い層によって覆われていてもよい。
【００４１】
図示４０及び４１（いずれも丸枠）において示される超音波アクチュエータ３３には、圧電板１と同一の圧電性セラミックスから作られたスライド３５が備わっている。摩耗を防止又は減少させるために、上記摩擦表面には耐摩耗層３７が設けられている。
【００４２】
図１１は、図示４３（丸枠）において、本発明による超音波アクチュエータの１つの実施形態を示しており、その保持面５には固定要素４４が備わっている。その製造過程の際に、固定要素４４は、圧電板１と同一の圧電性セラミックスから作ることができる。しかしながら、これらは他の材料、例えば、柔らかい種類の酸化セラミックス材料又は硬いポリマー材料から作ることもできる。この事例では、固定要素４４は、圧電板１の保持面６の上に溶着又ははんだ付けされてもよい。溶着は、低融点ガラスによって、又は圧電性セラミックスと固定要素４４の材料との化学結合をもたらす他の材料によって達成される。接着は、エポキシ樹脂によって、又は他の類似の接着剤によって達成される。
【００４３】
図１１の図示４５（丸枠）において、本発明による超音波アクチュエータの別の実施形態を示しており、その保持面５には固定溝４６が備わっている。
【００４４】
図１２は、本発明による超音波アクチュエータの第１の適用例を超音波モータにおいて示している。このモータは基板４７を有し、この基板には、その上に固定されたボールベアリング４８が備わっており、このベアリングは棒状に設計された可動要素４９を保持する。この超音波アクチュエータ３３の摩擦要素３４は、可動要素４９の摩擦面５０へ押圧装置５１によって押し付けられており、この押圧装置５１には、固定溝４６の中に位置するコネクタ５３によって共に圧電板１を保持するばね５２が備わっている。
【００４５】
図１３は、本発明による超音波アクチュエータの別の適用例を超音波モータにおいて示している。可動要素４９はここでは、リングの一部として設計されている。しかしながら、可動要素４９が完全なリングとして設計されることもまた、想定可能である。このモータの超音波アクチュエータ３３は、可動ブラケット５４及び押圧装置５１によって保持されている。可動ブラケット５４には、圧電板１の固定要素４４が中に位置する溝５５が備わっている。
【００４６】
図１４は、本発明による超音波アクチュエータの別の適用例を超音波モータにおいて示している。ここでは、可動要素４９には、圧電板１の案内溝４２の中に置かれた２つのトラベラ５６が備わっている。これらのトラベラ５６は、開口５８を有するホルダ５７が端部に設けられたばね５２によって、保持されている。図１４の図示５９（丸枠）に示されるばね５２の変形例においては、トラベラ５６がホルダ５７の屈曲状端部６０によって保持される。
【００４７】
図１５は、本発明による超音波アクチュエータの別の適用例を超音波モータにおいて示しており、ここでは、超音波アクチュエータ３３の圧電板１が回路基板６１の上に配置されている。ブラケット６２が、超音波アクチュエータ３３を保持するのに役立ち、同時に、一般電極２１を回路基板６１の導電路６３へ接続する導体の機能を担っている。励起電極２０は、導電性ゴムから作られた中間層６４によって導電路６３へ接続されている。回路基板６１は、超音波アクチュエータ３３の電気励起装置３２の電子部品が配置される板を同時に形成している。このモータの可動要素４９は、製造過程でプラスチックから作られたトラベラ５６と共にしっかりと押し付けられたばね５２から構成されている。しかしながら、トラベラ５６は、金属、セラミック、ガラスから作ることもでき、又は充填材入りプラスチック材料、例えば、ガラス繊維で充填されたポリアリルアミド、若しくは炭素繊維で充填されたエポキシ樹脂から作ることができる。
【００４８】
図１６は、本発明による超音波アクチュエータの別の適用例を超音波モータにおいて示しており、ここでは、その超音波モータが、電子カメラの対物レンズの中に配置されている。この対物レンズでは、１群、２群又は３群の光学レンズ６５を採用することができる。それぞれの光学レンズ群６５は、それぞれの超音波モータの可動要素４９の上に配置されている。それぞれのモータの基板４７は、対物レンズのハウジングの中に固定されている（図１６にはハウジングは図示されていない）。光学レンズ群６５の写真レンズによって撮像された画像はフォトセンサ６６へ合焦される。
【００４９】
図１７は、本発明による超音波アクチュエータの別の適用例を超音波モータにおいて示しており、ここでは、この事例においても、超音波モータは電子カメラの対物レンズの中に配置されている。この対物レンズでは、超音波アクチュエータ３３は、その対物レンズのハウジングの中に設けられたガイド６７上を移動する。
【００５０】
図１８は、本発明による超音波アクチュエータの別の適用例を超音波モータにおいて示している。これら３つの超音波モータは、それらが環状可動要素４９の回転運動を引き起こすことができるように配置されている。
【００５１】
本発明による超音波モータの作動のモードは、以下でより詳細に説明される。
【００５２】
励起装置２３によって、周波数がおよそｆｏに等しい（図６を参照）励起電圧Ｕが、切換スイッチ２４（図５を参照）を介して、超音波定常波についての発振器の１つ、例えば、圧電板１の発振器７へ印加される。そして、圧電板１の中で音響定常波が生成される。発振器７が、対称平面Ｓｑに関して非対称的に、且つ、対称平面Ｓｌに関して対称的に配置されているので、定常波の形状は、対称平面Ｓｑに関して非対称であって、対称平面Ｓｌに関して対称である。励起波の形状は、図７の図示２８及び２９（いずれも丸枠）において示された最大変形の画像によって表される。
【００５３】
そのような形状を持つ定常波が形成されるのは２つの根拠に帰することができる。第１の場合においては、励起定常波が、圧電板１の高さＨに沿って進行する対称的定常波の第１モードと圧電板１の長さＬに沿って進行する第２モードとの重ね合わせの結果である。両方のモードは互いに近接する共振周波数で生成され、その結果、これらの共振は、実際には、相互に区別することができない。第２の場合においては、発振された定常波が、圧電板１の所定形状に内在するとともにそれ自体の共振周波数において発振される非対称的定常波の単一形状を表す。
【００５４】
両方の変形例において、作動面４の表面の中心に位置する点３１は、図８に示された傾斜状移動経路３０の上を移動する。また、圧電板１の作動面４の上に配置された摩擦要素３４又はスライド３５（図９、１０、１１及び１３を参照）も、同一の移動経路の上を移動する。更に、案内溝４２の表面の点も、これらの移動経路の上を正確に移動する。すべての場合において、上記傾斜状経路の上における移動は可動要素４９の移動をもたらし、可動要素４９は、超音波アクチュエータ３３に対して同一方向へ押し付けられる。
【００５５】
発振器７の代わりに、発振器８を電気励起装置２３へ接続することで、上記移動経路の傾斜角度は、βから−βへ変化する。これにより、可動要素４９の移動の方向が逆転する。
【００５６】
米国特許第６，７６５，３３５号公報（図２０）による従来技術から知られた超音波アクチュエータと比較した、本発明の確実な効果は、以下の理由から得られたものである。この従来技術から知られた超音波アクチュエータでは、この超音波アクチュエータの圧電板は、図２における破線で表された長方形形状を有する。この公知の圧電板の、平面Ｓｔに関する断面積は、Ｑに等しい。この公知の超音波アクチュエータの圧電板の励起においては、この圧電板全体が振動し、それによって、その振動周波数が圧電板の長さＬ及び高さＨによって決定される。
【００５７】
簡単なアプローチでは、機械的損失が平面Ｓｔに対する圧電板の断面区域に均一に分布している、ということを想定することができる。そこから次に進んで、上記公知の超音波アクチュエータの圧電板へ供給された電力は、その断面積Ｑに比例している。
【００５８】
図２の図示１１、１２及び１３（いずれも丸枠）に示された３つの代表的な事例では、超音波アクチュエータの圧電板１は、実線によって表された８つの側方面を示す形状を有している。平面Ｓｔに関する圧電板１の断面積は、図示１１（丸枠）による事例ではｑｏに相当し、図示１２（丸枠）による事例ではｑｍに相当し、図示１３（丸枠）による事例ではｑｎに相当する。本発明による超音波アクチュエータの圧電板１の中に非対称性定常波が励起すると、圧電板全体が同様に振動する。上記公知の超音波アクチュエータの場合と同じように、その振動周波数は、圧電板１の長さＬ及び高さＨによって決定される。
【００５９】
上記従来技術から知られた超音波アクチュエータの事例と同様に、本発明による超音波アクチュエータの事例において、その機械的損失が平面Ｓｔに関する圧電板１の断面積に比例して分布している、ということを想定することができる。それに引き続き、本発明の超音波アクチュエータの圧電板１へ供給された電力は、その断面積ｑｏ、ｑｍ及びｑｎに比例している。もしも、上記公知の超音波アクチュエータの圧電板と本発明による超音波アクチュエータの圧電板１とが同一長さＬ及び同一高さＨを有するとともに、同一の機械的損失及び同一の圧電歪みがある同一の種類の圧電性セラミックスから作られているとすれば、両方の圧電板は、同一の振動振幅を得るために、同一の相対電力で励起しなければならない。このことは、圧電板へ供給された電力を断面積で割った値が両方の事例で等しくなければならない、ということを意味する。
【００６０】
本発明による超音波アクチュエータの圧電板１は、平面Ｓｔに関する断面積がより小さいので、その励起に必要な電力はより小さい。図１２の図示１１（丸枠）に示された圧電板１の最適な設計を得るために、Ｌ／ｎ＝Ｈ／ｍ＝５での電力利得は、上記公知の超音波アクチュエータと比べて、およそ３０％である。
【００６１】
しかしながら、上記公知の超音波アクチュエータの実際の圧電板では、機械的損失は実際には均一に分布していない。上記公知の超音波アクチュエータの圧電板のコーナー部では、その損失はより高く、その結果、本発明による超音波アクチュエータの中の実際の電力利得は、上記従来技術から知られた超音波アクチュエータと比べて、およそ４０〜５０％である。
【００６２】
このことは、言い換えると、上記公知の超音波アクチュエータの長方形圧電板のコーナー部を切り取ることによって、少なくとも８つの側方面を有する圧電板１が備わった本発明の超音波アクチュエータがもたらされ、その結果、本発明の超音波アクチュエータを作動させるために必要な電力が削減される、ということを意味している。この超音波アクチュエータの振動振幅は維持され、すなわち、この超音波アクチュエータによって可動要素４９へ伝達された機械的動力は一定に保持される。消費動力を減少させることによって、作動の間に超音波アクチュエータの加熱を減少させることができる。このことによって、作動の安定性及びその安全性が増大する。
【００６３】
本発明による超音波アクチュエータの圧電板１の最適寸法は、この圧電板が製造される圧電性セラミックスの種類にわずかに左右される。このことは、圧電板１の最適寸法をそれぞれの種類の圧電性セラミックスについて実験で決定しなければならない、ということを意味している。
【００６４】
図４の図示１６（丸枠）に示された発振器７及び８の実施形態では、圧電歪み係数ｄ３１を利用することによって非対称波が励起される。このような発振器７及び８の構成は、最も簡単な構成的実現をなすとともに、それゆえ、十分に低い励起電圧にて動作する安価な超音波アクチュエータに採用することができる。
【００６５】
図４の図示１７（丸枠）及び図示１８（丸枠）に示された発振器７及び８の実施形態では、電極２０及び２１と接続部９及び１０とは、圧電板１の一方側面において実現することができる。このことによって、超音波モータの構成を同様に簡略化することができる。
【００６６】
図２における図示１９（丸枠）は、多層の形態で実現される発振器７及び８が備わった圧電板１を示している。このように実現された発振器が備わった圧電板１は、比較的低い電圧で駆動することができる。
【００６７】
摩擦要素３４若しくはスライド３５のための形状をそれに対応して選択することで、又は案内溝を利用することで（図９及び図１０を参照）、可動要素４９に関する張力を増大させることができ、可動要素４９の移動速度を増大又は減少させることができ、また、位置決め精度を向上させることができる。
【００６８】
固定要素４４又は固定溝４６を使用することで（図１１を参照）、例えば図１２及び図１３に示されたように、圧電板１を恒久的に固定することが可能である。
【００６９】
本発明による超音波アクチュエータ３３によれば、最も異なった構成及び形状の可動要素４９を移動させることができる。この可動要素は例えば、棒状（図１２）、リング又はリングの一部（図１３）であってよい。更にまた、この可動要素４９は、円盤、チューブ、ボールの形態で、又は、それぞれの構成によってあらかじめ規定された他の任意の形状で実現することができる。
【００７０】
また、可動要素４９は、２つのトラベラ５６を備えていてもよく、図１４に示されたように、多数の構成要素から構成されていてもよい。この場合、トラベラ５６は、ばね５２のホルダ５７の開口５８によって保持することができる。
【００７１】
別の変形例では、ホルダ５７には、図示１４（丸枠）の位置５９に示されたように、トラベラ５６を保持する凹状端部６０が含まれていてもよい。両方の変形例において、トラベラ５６を、例えば接着剤によってホルダ５７へ恒久的に接続する必要がなく、超音波モータの組み立てが簡略化される。
【００７２】
図１５による超音波モータにはモジュール構造を有している。このモータには、光学ユニットのレーザー反射板又は別の可動要素、又は記憶装置（この図には示されていない）の小型ヘッドを可動要素４９に取り付けることができる。
【００７３】
図１６に模式的に示された光学対物レンズには、光学レンズ群６５が可動要素４９に取り付けられている。このような対物レンズの構成は、その光学レンズ群の大きい変位が必要でないときに、可能である。
光学レンズ群の大きい変位が必要であるときには、図１７に示された対物レンズの構成を使用することができる。この構成では、超音波アクチュエータ３３が、ガイド６７に関して変位の制限なしに移動する。
図１６及び図１７に示された２つの実施形態の組み合わせも、同様に可能である。
【００７４】
図１８に示された実施形態では、円盤又はリングの形態にある可動要素４９が保持されていて、３つの超音波アクチュエータ３３によって回転運動が行われる。
【００７５】
本明細書において規定された技術的教示によれば、本発明による超音波アクチュエータを励起するために必要な動力を、米国特許第６，７６５，３３５号公報による従来技術から知られた超音波アクチュエータと比べて、およそ４０〜５０％減少させることができる。必要な動力を減少させることによって、このアクチュエータの加熱を減少させると共に、その作動安定性及び作動安全性を増大させることができる。必要な動力がより低いことによって、本発明の超音波アクチュエータの使用が、低い電気エネルギー需要量で、安価な小型化装置、例えば、小型カメラの対物レンズにおいて、携帯電話のような携帯型通信手段のための対物レンズにおいて、小型化された記憶装置において、更に、装置のための小さい寸法、高い位置決め精度、及び低いエネルギー需要量が必要である他の同様の器具において、可能になる。
【符号の説明】
【００７６】
１    圧電板
２    主面
３    圧電板１の平面図
４    作動面
５    保持面
６    自由面
７    発振器
８    発振器
９    発振器接続部
１０  発振器接続部
１１  圧電板１の変形例
１２  圧電板１の変形例
１３  圧電板１の変形例
１４  圧電板１の変形例
１５  圧電板１の変形例
１６  発振器７及び８の構成的変形例
１７  発振器７及び８の構成的変形例
１８  発振器７及び８の構成的変形例
１９  発振器７及び８の構成的変形例
２０  励起電極
２１  共通電極
２２  圧電性セラミックス層
２３  電気励起装置
２４  切換スイッチ
２５  圧電板１のインピーダンスＺの周波数依存性
２６  角度Φの周波数依存性
２７  共振のピーク
２８  圧電板１の最大変形
２９  圧電板１の最大変形
３０  点３１の移動経路
３１  作動面４の中心における点
３２  超音波アクチュエータ３３の変形例
３３  超音波アクチュエータ
３４  摩擦要素
３５  スライド
３６  摩擦要素３４又はスライド３５の変形例
３７  耐摩耗層
３８  超音波アクチュエータ３３の変形例
３９  超音波アクチュエータ３３の変形例
４０  超音波アクチュエータ３３の変形例
４１  超音波アクチュエータ３３の変形例
４２  案内溝
４３  超音波アクチュエータ３３の圧電板１の変形例
４４  固定要素
４５  超音波アクチュエータ３３の圧電板１の変形例
４６  固定溝
４７  基板
４８  ボールベアリング
４９  可動要素
５０  摩擦表面
５１  押圧装置
５２  ばね
５３  コネクタ
５４  可動ブラケット
５５  可動ブラケット５４における溝
５６  トラベラ
５７  ホルダ
５８  ホルダ５７における開口
５９  ホルダ５７の構成的実施形態での位置
６０  ホルダ５７の端部
６１  回路基板
６２  ブラケット
６３  基板６１の導電路
６４  導電性ゴムの中間層
６５  光学レンズ群
６６  フォトセンサ
６７  案内部
【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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【図１４】
2011522506.tif 000016
【図１５】
2011522506.tif 000017
【図１６】
2011522506.tif 000018
【図１７】
2011522506.tif 000019
【図１８】
2011522506.tif 000020
【国際調査報告】
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2011522506.tif 000022
2011522506.tif 000023
2011522506.tif 000024
2011522506.tif 000025
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