(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
摩擦層を設けた被駆動要素と、長さが幅と同一でない圧電セラミック並びに前記圧電セラミックの二つの大きい相互に反対側の金属化面上に形成された第１及び第２の電極群を有する駆動要素としての少なくとも一つの一体型板状圧電トランスデューサとを備え、前記圧電セラミックの前記金属化面よりも小さい面のうちの長い方の側面上に前記被駆動要素の前記摩擦層と弾性摩擦接触する少なくとも一つの摩擦要素を備え、さらに、前記第１及び第２の電極群と電気接続が可能な電気生成器を備え、前記第１及び第２の電極群が前記圧電セラミックの前記二つの大きい相互に反対側の金属化面のそれぞれの上に同一構成の二つの領域を形成し、前記第１の電極群が音響縦波生成器であり、前記第２の電極群が音響たわみ波生成器である、圧電駆動装置であって、
前記第１及び第２の電極群のそれぞれが、前記一体型板状圧電トランスデューサの長手方向に沿って伝搬する定常音響波を発生させる互いに連結されていない少なくとも一つの独立トランスデューサを形成し、
前記圧電セラミックの前記二つの大きい相互に反対側の金属化面の一方及び他方の上の前記第１の電極群の間に位置し、前記第１の電極群に垂直に配向する一方向に分極化した前記圧電セラミックが、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響縦波の振動波節の箇所に位置し、
前記圧電セラミックの前記二つの大きい相互に反対側の金属化面の一方及び他方の上の前記第２の電極群の間に位置し、前記第２の電極群に垂直に配向する一方向に分極化し又は前記第２の電極群に垂直に配向し且つ前記一体型板状圧電トランスデューサの長手方向の軸に対して異方向に対称に分極化した前記圧電セラミックが、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響たわみ波の振動最大速度の箇所に位置し、
前記第１及び第２の電極群は、前記圧電セラミックの前記二つの大きい相互に反対側の金属化面のそれぞれの上において、前記一体型板状圧電トランスデューサの長手方向に沿った前記金属化面の中心線に関して電気的に線対称の配置構成をそれぞれ有する、
ことを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項２】
前記第１の電極群は、高さと幅が等しい前記一体型板状圧電トランスデューサの前記金属化面上の長方形領域を形成することを特徴とする、請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項３】
前記第２の電極群は、高さと幅が等しい前記一体型板状圧電トランスデューサの前記金属化面上の長方形領域を形成し、
前記圧電セラミックの前記二つの大きい相互に反対側の金属化面の一方及び他方の上の前記第２の電極群の間に位置し、前記第２の電極群に垂直に配向する一方向に分極化した前記圧電セラミックが、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響たわみ波の振動最大速度の箇所に位置し、
前記第２の電極群は、前記一体型板状圧電トランスデューサの長手方向の軸に沿って絶縁間隔領域を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電駆動装置。
【請求項４】
前記第２の電極群は、高さと幅が等しい前記一体型板状圧電トランスデューサの前記金属化面上の長方形領域を形成し、
前記圧電セラミックの前記二つの大きい相互に反対側の金属化面の一方及び他方の上の前記第２の電極群の間に位置し、前記第２の電極群に垂直に配向し且つ前記一体型板状圧電トランスデューサの長手方向の軸に対して異方向に対称に分極化した前記圧電セラミックが、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響たわみ波の振動最大速度の箇所に位置することを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧電駆動装置。
【請求項５】
前記摩擦要素が、硬質の耐摩耗性材料の薄片として設計されていると共に、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響たわみ波の振動最大速度となる領域に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項６】
前記摩擦要素が、前記圧電セラミックの前記金属化面よりも小さい下面に配設されていることを特徴とする、請求項５に記載の圧電駆動装置。
【請求項７】
一つの前記摩擦要素が、前記圧電セラミックの前記金属化面よりも小さい側面のうちの一方に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項８】
前記摩擦要素が２層又は３層構造であり、当該構造の第１の層は、前記被駆動要素の前記摩擦層と比較すると摩擦係数が高い硬質の耐磨耗物質から形成されており、第２の層は、硬質の多孔材から形成されており、前記第１及び第２の層は焼結によって互いに接合してあり、前記摩擦要素が３層構造である場合、前記第１及び第２の層の間の境界領域に第３の遷移層が前記焼結により形成されていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項９】
前記圧電セラミック及び前記摩擦要素の材料の両方と化学反応を起こす接着剤によって、前記摩擦要素が前記圧電セラミックの表面に接着されていることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１０】
前記摩擦要素が前記圧電セラミックの表面に溶融したガラス片として形成されており、当該ガラスは、硬質の耐摩耗性材料の粉体添加物を含むことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１１】
前記一体型板状圧電トランスデューサに結合し、外部からの押圧により前記一体型板状圧電トランスデューサを位置決めするための少なくとも一つの固定要素を、前記一体型板状圧電トランスデューサが備えていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１２】
前記固定要素は、四角柱、三角柱、半円柱、円錐、角錐若しくは半球形要素、又は、非貫通溝を有する角柱要素、又は、陥凹部若しくは貫通孔を有する円柱要素として設計され、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響縦波の振動波節の箇所に配置され、前記圧電セラミックの表面と堅固に結合されていることを特徴とする、請求項１１に記載の圧電駆動装置。
【請求項１３】
前記固定要素は、弾性係数が前記圧電セラミックの弾性係数と同等以上の材料から形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の圧電駆動装置。
【請求項１４】
前記固定要素は、弾性係数が前記圧電セラミックの弾性係数より小さい材料から形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の圧電駆動装置。
【請求項１５】
前記固定要素と前記一体型板状圧電トランスデューサとは、同じタイプの前記圧電セラミックから形成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の圧電駆動装置。
【請求項１６】
前記各固定要素又はその一部は、多孔酸化物セラミック又は別の多孔質材料から形成されていることを特徴とする、請求項１１乃至１５のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１７】
前記固定要素は、屈曲共振板として設計されていることを特徴とする、請求項１１に記載の圧電駆動装置。
【請求項１８】
前記固定要素は、有機接着剤によって前記圧電セラミックの表面に結合されていることを特徴とする、請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項１９】
前記固定要素は、前記圧電セラミック及び前記固定要素の材料と化学反応を起こす材料によって前記圧電セラミックの表面に結合されていることを特徴とする、請求項１１乃至１７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項２０】
前記被駆動要素の前記摩擦層が、少なくとも、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響縦波の波長の半分（λ／２）の５分の１の厚みを有する酸化物セラミック層であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項２１】
前記被駆動要素の、前記摩擦層より下に位置する本体の厚みが、前記一体型板状圧電トランスデューサ内を伝搬する定常音響たわみ波の波長の２分の１（λ／２）より大きいことを特徴とする、請求項１又は２０に記載の圧電駆動装置。
【請求項２２】
減衰層が、前記被駆動要素の本体と前記摩擦層との間に配置されていることを特徴とする、請求項１，２０又は２１に記載の圧電駆動装置。
【請求項２３】
前記被駆動要素は、長方形、多角形又は円形の断面を有する棒状の形状であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項２４】
前記被駆動要素は、管状の形状であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項２５】
前記被駆動要素は、長方形の断面を有する棒状の硬質材料から形成されており、棒状本体に定間隔の減衰溝を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項２６】
前記被駆動要素は、硬質の多孔質材料から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項２７】
前記被駆動要素を形成する前記多孔質材料の孔に吸音物質が充填されていることを特徴とする、請求項２６に記載の圧電駆動装置。
【請求項２８】
一つの平面状の前記被駆動要素と、
前記被駆動要素の一方及び他方の表面上に形成された二層の摩擦層と、
前記被駆動要素を介して相互に対向して配置された二つの前記一体型板状圧電トランスデューサと、
を備えていることを特徴とする、請求項１乃至２７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項２９】
一つの円筒状又は円柱状の前記被駆動要素と、
前記被駆動要素の表面上に形成された少なくとも一つの摩擦層と、
前記被駆動要素の中心軸に平行に前記摩擦層に対向して配置された少なくとも三つの前記一体型板状圧電トランスデューサと、
を備えていることを特徴とする、請求項１乃至２７のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項３０】
前記被駆動要素は、回転体として設計されており、回転ガーダ内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電駆動装置。
【請求項３１】
前記一体型板状圧電トランスデューサの前記固定要素は、固定ガーダ内に位置することを特徴とする、請求項１１乃至１９のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【請求項３２】
前記一体型板状圧電トランスデューサの前記固定要素は、薄板バネ型のキャリア内に固定されていることを特徴とする、請求項１１乃至１９のいずれか一項に記載の圧電駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の分野］
本発明は、特に連続的または段階的に実行可能な回転および並進運動を引き起こす圧電駆動装置に関する。
【０００２】
［発明の背景］
発明のモータは、高精度な並進運動が要求される他の数多くの装置と同様に、ロボット技術の自動化システムにおいて、顕微鏡的テーブル用の駆動装置として採用され、光学およびレーザシステムにおける各種の座標テーブルの位置微調整を行うことができる。
【０００３】
定常的音響波を使用する圧電モータまたは駆動装置は、長年知られており、例えば、欧州特許第０４７５７５２号および米国特許第５，５９６，２４１に例示されている。
しかし、このモータは、その導波管の最小長は、６λから１０λの倍数でなければならないため、それらを小型駆動装置として製造することができないという欠点を有する。さらに、その製造は、複雑であると共に高価である。
【０００４】
また、米国特許第５，４５３，６５３号に示す定常音波を利用する線形圧電モータも知られている。このモータは、比較的小型であり、その製造方法は単純である。長短の辺を有し、その小さい表面の一方に摩擦要素を配置した一枚板状の圧電オシレータが、このモータの駆動要素として使用される。
【０００５】
圧電オシレータの大きい面の一方には、第１と第２の電極群が設けてある。また、オシレータの他方の面には、連続式電極が配置してある。第１と第２の電極群は、それぞれ、金属化圧電セラミック面からなる、対角線上に配置した二つの等しい寸法の長方形領域を形成する。音響振動の電気励振源は、電圧を連続式電極および第１と第２の電極群に送る。
それぞれの電極群がオシレータの長手の軸に対し、非対称形状であるため、電源電圧により、オシレータの板に非対称な変形が発生する。これにより、摩擦要素が閉鎖された通路上で移動する。どちらの電極群に電圧がかけられているかにより、摩擦要素が前方向、あるいは、逆方向に移動する。摩擦要素が動くことにより、圧縮要素も動く。モータの操作周波数は、オシレータの長さに沿った、オシレータのたわみ振動の第２発振モードの共振周波数に近い。
【０００６】
上記のモータは、音響振動を生成するためには、オシレータの板が非対称的に変形しなければならないという欠点がある。上記のモータは、オシレータの機能面上の点とは実質的に異なる軌道を有する。よって、これらの点の振動速度の接線成分が実質的に異なる。後者により、被駆動要素の表面が駆動要素の機能面と真に接触している位置に大きく依存する被駆動要素の移動速度が不安定になる。
さらに、振動速度の接線成分が大きく異なると、摩擦要素の機能面における磨耗の程度が異なる。これにより、モータの動作がより長い操作期間にわたり不安定となる。
【０００７】
速度が０．１ｍ／秒を超えると、周知のモータの被駆動要素の移動速度の不均一性が約５０％に達する。移動速度がそれより低いと、すなわち０．０１ｍ／秒を下回ると、不正確性が８０％以上に及ぶ。こうした非均一性は、モータの適用範囲を狭め、特に非常に低速な範囲においては、電気速度安定器の構造を複雑化する。
【０００８】
さらに、このモータは、起振器の電圧が高くなければならない。
【０００９】
米国特許第５，４５３，６５３号によるモータの構造においては、圧電オシレータの表面に備える摩擦要素は一つのみである。これにより、オシレータは機械的に不安定となり、被駆動要素の移動速度が速いと、位置決めの精度が下がり、複雑な構造になる。
【００１０】
さらに、摩擦要素を一つしか設けていないと、一台の圧電オシレータのみでモータが生成可能な最大の力が制限される。周知のモータの場合、この力は約１０  Ｎとなり、多くの適用範囲において不十分である。また、数台のオシレータを結合して使用すると、被駆動要素の位置決め精度が制限される。
【００１１】
［発明の概要］
よって、本発明の目的は、圧電駆動装置またはモータのそれぞれの仕様を定めることにあり、高低速における被駆動要素の均一な移動速度を含み、より長い操作期間にわたりモータの操作安定性をより高い状態に保つとともに、低い励振電圧ですみ、大きい力を生成し、安定したオシレータ構造を有し、オシレータの共振周波数を追跡するための手段もしくは装置を含む。
【００１２】
この目的は、少なくとも適した実施形態と開発形態を含む従属クレームを備えた有効な独立クレームに記載の主題によって達成される。
【００１３】
本発明によると、第１及び第２の電極群は、一体型板状圧電トランスデューサまたは（圧電板の）オシレータを構成する圧電セラミックの二つの大きい相互に反対側の金属化面のそれぞれの上に同一構成の二つの領域を形成する。これら二つの電極群は、それぞれ、圧電オシレータまたはプレートの長手の辺に沿って伝搬する非連続音響定常波の少なくとも一つの独立した発生器を形成する。第１の電極群は、音響縦波発生器を形成し、第２の電極群は音響たわみ波発生器を形成する。音響振動の電気励振源は、２チャンネル電力増幅器の信号入力端子に電気的に接続されている基本発生器から取り入れる。２チャンネル電力増幅器の各出力端子は、それに対応する電極群と電気的に接続してある。
【００１４】
提案したモータによると、第１の電極群が少なくとも一つの独立した定常音響縦波発生器を形成すると共に、第２の電極群が少なくとも一つの独立した定常音響たわみ波の発生器を形成していることと、これらは、相互間の接続は存在しないように、すなわち、これらの発生器で生成された波は互いに影響を及ぼさないように設計されていることから、圧電オシレータ内を伝搬する波は、純粋な縦波と純粋なたわみ波となる。これらの波はオシレータの本体の純粋な楕円形の軌道へと進み、事実上、定常たわみ波の所定の最大値を示す領域においては、振幅がほとんど変わらない同一形状となる。
【００１５】
これにより、摩擦要素の機能面上のこれらの領域において、事実上同じ速度による点の移動が可能となる。よって、これらの要素は、すべて共に被駆動要素の低速および高速動作両方において安定性をかなり増すことができる。
【００１６】
電極群の形状は、音響縦波およびたわみ波が圧電板の全体を充填するように形成する。これにより、起振器電圧が有利に低下する。
【００１７】
提案のモータによると、第１の電極群は、一体型板状圧電オシレータを構成する圧電セラミックの金属化表面上に長方形領域を形成する。ここでは、高さは幅と同じである。圧電セラミックの二つの大きい相互に反対側の金属化面の一方及び他方の上の第１の電極群の間に位置する圧電セラミックは、第１の電極群に対して法線（垂直）方向に配向する一方向に分極化している。第１の電極群は、オシレータ内を伝搬する定常音響縦波の振動波節の箇所に位置している。このような音響縦波の発生器を形成する電極構造により、オシレータ板内で純粋な縦波を生成することができるようになる。
【００１８】
第２の電極群は、一体型板状圧電オシレータを構成する圧電セラミックの金属化表面上に長方形領域を形成する。ここでも、高さは幅と同じである。圧電セラミックの二つの大きい相互に反対側の金属化面の一方及び他方の上の第２の電極群の間に位置する圧電セラミックは、第２の電極群に対して法線方向（すなわち電極に垂直な方向）に配向する一方向に分極化している。ここで、第２の電極群は、オシレータ内を伝搬する定常音響たわみ波が最大振動速度となる箇所に位置しており、その長手の軸に沿って、絶縁領域または間隔を有する。
【００１９】
このような電極構造により、純粋なたわみ波を生成することができる。
【００２０】
提案の駆動装置のもう一つの実施形態では、第２の電極群は、一体型板状圧電オシレータを構成する圧電セラミックの金属化表面上に長方形領域を形成し、高さは幅と等しい。圧電セラミックの二つの大きい相互に反対側の金属化面の一方及び他方の上の第２の電極群の間に位置する圧電セラミックは、第２の電極群に垂直に配向し且つオシレータの長手方向の軸に対して異方向に対称に分極化している。ここでも、第２の電極群は、オシレータ内を伝搬する定常音響たわみ波が最大振動速度となる箇所に配置されている。
【００２１】
このような電極構造により、音響たわみ波の発生器の電極を、その間に絶縁間隔を設けない設計とし、その効率を上げることができる。
【００２２】
本発明の駆動装置の解決手段により、摩擦要素は、例えば酸化物セラミック、金属セラミックなどのような硬質の耐磨耗物質、または他の材料との組み合わせの薄い片に形成する。摩擦要素は、板状圧電オシレータまたはオシレータ板それぞれを伝搬する音響たわみ波の最大振動速度の領域に位置する。
【００２３】
上記の実施形態によると、機能面における振動速度の接線方向の成分が同質となる。
【００２４】
また、別のタイプのモータでは、摩擦要素が、一体型板状圧電オシレータを構成する圧電セラミックの上記金属化面よりも小さい下面に配置してある。このモータの設計例では、モータが生成する力または力の伝達をそれぞれ改善できる、いくつかの摩擦要素を適用することができる。付加的構造を有するタイプのモータにおいては、摩擦要素を一体型板状圧電オシレータを構成する圧電セラミックの上記金属化面よりも小さい側面に配置している。これにより、被駆動要素が最大許容速度に達する。
【００２５】
モータの摩擦要素は、二層構造とすることもできる。
この構造の第１の層は、被駆動要素の摩擦層と比較して摩擦係数が高い硬質の耐摩耗性材料から形成する。第２の層は、硬質の多孔質材料から形成する。
これら両方の層は、焼結工程において接着によって結合される。第１と第２の層の境界領域に、いわゆる遷移層を形成することもできる。
【００２６】
このような設計のモータでは、温度係数の異なる圧電セラミックと摩擦要素の材料の組み合わせが可能であり、摩擦要素と圧電セラミック面の接着結合の強度を上げることができる。
【００２７】
摩擦要素は、可融鉛含有ガラスを用いて圧電セラミック及び摩擦要素の材料の両方と化学反応を起こす特殊な接着剤によって圧電セラミックの表面と結合させることもできる。
【００２８】
提案する駆動装置によると、摩擦要素を圧電セラミックの表面上に溶融したガラス板によって形成することもできる。ガラスは、硬質の耐磨耗材料、例えば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化珪素、炭化チタン、またはそれに類似した材料またはその混合などのような粉体と混合する。ガラス板は、音響たわみ波の振動速度が所定の最大値となる箇所に位置させる。この種の設計では、摩擦要素と被駆動要素の摩擦層が最大許容摩擦係数となる。
【００２９】
上記の駆動装置では、一体型板状圧電トランスデューサに結合した少なくとも一つの固定要素を備え、当該固定要素は、外部からの押圧により一体型板状圧電トランスデューサを位置決め、即ち、機械的に固定する。
【００３０】
種々様々な設計において、これらの固定要素は、四角柱、三角柱、半円柱、円錐、ピラミッド型（角錐）若しくは半球形要素として設計することができ、また、輪郭溝（非貫通溝）を有する角柱要素の形状や、輪郭孔（陥凹部若しくは貫通孔）を有する円柱要素の形状としてもよい。要素は、オシレータ内を伝搬する定常音響縦波の振動波節の箇所に位置し、圧電セラミックの表面と堅固に接続してある。これにより、高い位置決め精度が達成される。固定要素は、弾性係数が、板状圧電オシレータの圧電セラミックの弾性係数とほぼ同じもしくはわずかに高い材料から形成することができる。よって、全体的な強度が上がる。
【００３１】
固定要素は、また、弾性係数が圧電セラミックの弾性係数より大幅に小さい材料から形成することもできる。これにより、音響オシレータの固定要素と圧電オシレータとの間の振動の結果得られる力が低減する。
【００３２】
ある種のモータにおいては、固定要素と板状圧電トランスデューサを同じタイプの圧電セラミックから製造することができる。
【００３３】
また、固定要素またはその一部を多孔質酸化物セラミックまたは別の多孔質材料から製造することによって、固定要素と圧電板の表面との間を良好に接着結合させることもできる。
【００３４】
ここで請求する駆動装置によると、固定要素は、屈曲共振板としても設計可能である。この設計においては、固定要素によって圧電板の共振システムに導入された減衰が最小となり、圧電オシレータのエネルギー喪失が減る。
【００３５】
固定要素は、有機接着剤によって圧電セラミックの表面に結合することもできる。これにより、異なる温度係数の材料を使用することができる。また、固定要素は、圧電セラミック及び固定要素の材料と化学反応を起こす材料によって圧電セラミックの表面に結合することもできる。
【００３６】
駆動装置のもう一つの実施形態によると、被駆動要素の摩擦層を、オシレータ内で伝搬する音響定常縦波の波長の半分の少なくとも５分の１の厚みを有する酸化物セラミック層の形状に形成されている。これにより、好ましくない振動を抑制することができる。
【００３７】
さらにもう一つの種類では、被駆動要素の、摩擦層より下に位置する部分である本体の厚みは、オシレータ内を伝搬する定常音響たわみ波の波長の２分の１より大きい。この場合、被駆動要素本体内で音響たわみ波が発生することをほぼ完全に阻止することができる。
【００３８】
このように、被駆動要素の本体とその摩擦層との間に、有機材料若しくは硬質の多孔質材料又はそれらの組み合わせのいずれかから形成した減衰層を配置することが可能である。これにより、音響結合を減らし、摩擦層と被駆動要素の膨張係数が異なることによる熱の不整合性を排除することができる。
【００３９】
本発明によると、被駆動要素は、長方形、多角形又は円形の断面を有する棒状の形状に設計することができる。しかし、管状の形状に形成することもできる。
【００４０】
被駆動要素は、断面長方形の棒状の硬質材料から形成し、その本体の中に等間隔の減衰溝を形成してもよい。
【００４１】
被駆動要素が硬質の多孔質材料から形成されている場合、この要素の本体内で発達する縦波は、有利に減衰される。同様に、被駆動要素を形成する多孔質材料の孔を吸音充填材料で充填して縦波およびたわみ波の両方を減衰できるようにすることもできる。
【００４２】
さらに別の構造のモータでは、圧電駆動装置が、一つの平面状の被駆動要素と、被駆動要素の一方及び他方の表面上に形成された二層の摩擦層と、被駆動要素を介して相互に対向して配置された二つの一体型板状圧電トランスデューサと、を備えている。ここでは、支持軸受けを省略できる。
【００４３】
さらに別の構造では、圧電駆動装置が、一つの円筒状又は円柱状の被駆動要素と、被駆動要素の表面上に形成された少なくとも一つの摩擦層と、被駆動要素の中心軸に平行に摩擦層に対向して配置された少なくとも三つの一体型板状圧電トランスデューサと、を備えている構成とすることも考えられる。この場合、被駆動要素は、その長手の軸に垂直な面において非常に安定する。
【００４４】
モータのある実施形態では、被駆動装置は、回転体として設計されているものとするとよい。その場合、被駆動装置は、回転ガーダ内に配置されているものとするとよい。また、一体型圧電トランスデューサの固定要素は、固定ガーダ内に配置してもよい。
【００４５】
もう一つの構成では、板状圧電オシレータまたはトランスデューサの固定要素を平坦なバネ式ガーダに配置し、被駆動要素の横方向の変位を補正し、動きの均一性を高めることもできる。
【００４６】
制御側については、基本発生器の出力端子を移相器を介して２チャンネル電力増幅器の信号入力端子の一つに接続してある。これにより、摩擦要素の作業面における点の軌道の形状を最適に調整することができる。
【００４７】
さらにもう一つの種類の回路技術において、２チャンネル電力増幅器の各チャンネルを、二つのハーフブリッジ増幅器と移相制御装置を含む二つの起振器チャンネルを有するブリッジ電力増幅器として形成している。これにより、被駆動要素の移動速度を電子制御することができる。
【００４８】
さらに、信号レベルトランスデューサと制御信号に対するゼロ信号検出器を設け、モータを単極電圧で駆動することができる。
【００４９】
圧電トランスデューサ、すなわち板状オシレータに機械的応力の縦成分を検出するセンサを設けることができる。このセンサは、板状圧電オシレータを伝搬する縦波の速度波節の一つに配設する。これにより、縦方向の応力を判断してオシレータ内を伝搬する縦波の振動速度を求める。
【００５０】
さらに、板状圧電トランスデューサに機械的応力の曲げ成分を検出するセンサを設けることができる。このセンサは、トランスデューサ内を伝搬するたわみ波の振動速度が最大値となる位置の一つに位置させる。
【００５１】
発生器、すなわち、音響振動の電気励振源に機械的応力の成分のセンサから発せられる信号を判定するための位相検出器を備えることができる。この位相検出器は、支持体と位相測定入力端子および出力端子と、電気周波数制御用入力端子を有する基本発生器を含む。位相検出器の支持入力端子は、電極群のうちの一つと電気接続してある。位相検出器の測定入力端子は、機械的応力を検出するためのセンサと電気接続してある。位相検出器の出力端子は、基本発生器の励振周波数の電気制御用入力端子と電気接続してある。このような回路構成により、一つの発振型圧電トランスデューサの機械的共振周波数を正確に追跡して、モータの操作を安定させることができる。
【００５２】
図面と同様に実施形態を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。
【００５３】
［実施形態］
図１は、２／５モードのオシレータを有する駆動装置の略図である。
【００５４】
駆動装置は、上に摩擦層２を有する被駆動要素１と駆動要素５を有する。被駆動要素１は、ハウジング３および軸受け４の上に配置されている。
【００５５】
駆動要素５は、厚みＤ、長さＬの一枚板状の圧電オシレータまたはトランスデューサ６を備えている。ＤとＬは、厚みＨとは等しくない。
【００５６】
駆動要素５は、二つの大きい面７と、小さい下面９と小さい上面１０と二つの小さい側面１１からなる４つの小さい面８を有している。
【００５７】
第１および第２の電極群１２，１３が大きい面７の上に配設してある。図示の例では、二つの摩擦要素１４が下面９に配置してある。二つの固定要素１５が上面１０に位置している。
【００５８】
摩擦要素１４は、被駆動要素１の摩擦層２と弾性摩擦接触している。
【００５９】
要素１５は圧力装置１６によってハウジング３に対するその定位置に位置している。
【００６０】
第１の電極群１２は、圧電オシレータ６の長さＬに沿って伝搬する定常音響縦波の２つの共位相発生器１７を形成する。
第２の電極群１３は、圧電オシレータの長さＬに沿って伝搬する定常音響たわみ波の発生器１８を形成する。
【００６１】
図１以下の図において、発生器１７および１８は、破線に沿って互いの境界を定めている。電極群１２および１３それぞれは、電気接続端子１９，２０または２１，２２をそれぞれ有する。
【００６２】
回路面においては、振動生成源２３および基本発生器２４が設けられている。基本発生器２４の出力端２５は、２チャンネルの電力増幅器２８の信号入力端子２６および２７に電気接続してある。電力増幅器２８の第１のチャンネル２９は、非反転出力端子３０と反転出力端子３１を有する。電力増幅器２８の第２のチャンネルは、非反転出力端子３３と反転出力端子３４を有する。
第１のチャンネル２９は、その出力端子３０および３１において電圧Ｕｆ１を発生する。第２のチャンネルは、その出力端子３３および３４で電圧Ｕｆ２を発生する。
【００６３】
図２は、周波数の目盛りｆにおける板状トランスデューサ６の共振曲線の位置を表している。ここで、
Ａは、発信機の変形振幅である。
Ａｌｍａｘは、縦方向の変形の最大振幅である。
Ａｇｍａｘは、曲げ変形の最大振幅である。
ｆ０１とｆ０ｇは、縦およびたわみ振動の共振周波数である。
Δｆは、オシレータ６の共振周波数の許容さに相当する周波数帯域
曲線３５は、オシレータ６の縦振動の共振特性である。
曲線３６は、オシレータ６のたわみ振動の共振特性である。
【００６４】
図３は、２／５モードのオシレータに従った圧電性トランスデューサを示しており、オシレータの上面９および下面１０の長さＬに沿った振動速度Ｖ１（位置３７）とＶｇ（位置３８）の分布図を示す。振動速度３７，３８の分布図には、振動速度波節３９と振動速度の波腹または最大値４０も含まれる。
【００６５】
図３の４１には、線ａ、ｂ、ｃ、ｄに位置する点の軌道を示している。これらは、オシレータ６から発せられるたわみ波の振動速度最大値に相当する。
４２，４３，４４，４５，４６の位置では、下面９上に位置する摩擦要素１４の可能な位置を示している。摩擦要素は、オシレータ６内を伝搬する定常音響たわみ波の振動速度の最大値４７領域に配設される。
そこでは、点の楕円軌道は、同じ回転である。上のオシレータの表面１０上では、二つの固定要素１５が、定常音響縦波の波節３９の領域に取り付けてある。
【００６６】
図４から８図は、考えられる第１と第２の電極群１２，１３の形状を示す。図４において８は、２／５モードのオシレータ６における電極の間の圧電セラミックの分極方向および各電極群内における電極の電気接続の概略図を示す。
【００６７】
図４に示す電極群１２の形状は、電極４８および４９によって形成され、第２の電極群１３は、電極５０および５１を含む。
電極４８，４９および５０，５１の高さｈｅは、板状圧電トランスデューサ６の幅Ｈとほぼ同じである。
【００６８】
第２の電極群１３の電極５０および５１は、絶縁中間領域５２を含む。これらは、オシレータ６の長手の軸に沿って配置されており、電極を二つの等しい領域５３、５４に分割している。
【００６９】
この種の電極形状では、オシレータ６の圧電セラミックは、均一に電極に垂直に分極してある（法線方向）。図４では、分極を矢印で示している。電極４８，４９および５０，５１は、その一部５３，５４と同様にコンダクタ５５、５６および５７、５８によって接続してある。
【００７０】
図４に示す電極群の形状を有するオシレータ６とその接続概略図には、二つの縦波発生器１７と、一つのたわみ波発生器１８が含まれている。縦波発生器１７は、第１の電極群１２の電極４８および４９によって形成され、たわみ波発生器１８は第２の電極群１３の電極５０，５１によって形成される。
【００７１】
電極４８，４９およびそれらで形成した発生器は、オシレータ６内を伝搬する発達中の定常音響縦波の振動速度節点３９の領域に位置するように配置する（図３参照）。
電極５０，５１と発生器１８は、オシレータ６内を伝搬する定常音響たわみ波の振動最大速度の領域４０に位置するように配置する（図３参照）。
【００７２】
図５に示す形状を有するオシレータ６は、二つの縦波発生器１７と三つのたわみ波発生器１８を含む。
【００７３】
発生器１７は、対向する電極４８，４９によって形成され、発生器１８は、対向する電極５０，５１によって形成される。
オシレータ６は、矢印で図６に示す電極の間に配設した圧電セラミックを所定の一方向に分極化させなければならない。
【００７４】
図６に示す図５による解決策とは異なる電極群の形状において、電極５３および５４を接続する線を、薄い電流伝導片５９，６０としてオシレータ６の表面上に形成する。
【００７５】
図７に示すような電極群の形状では、第２の電極群１３の電極５０，５１の間に位置する圧電セラミックが様々な方向に分極化されているのがわかる。ここで、図７に詳細に示すように、圧電セラミックは、電極面５０，５１に対する法線方向であって、オシレータの長手の軸に対して逆方向に分極化されている。
【００７６】
図８に示す電極群形状では、音響縦波を生成するよう、様々な方向に分極化されている圧電セラミックを二つの基本発生器１７それぞれに付設して、第１の電極群１２の電極４８，４９の間に配設する。これにより、電流伝導片６１によってオシレータの大きい面それぞれの上の電極４８，４９を接続することができるようになる。
【００７７】
図９は、縦型の１／２様式のオシレータ６を示す。これは、一つの縦波発生器１７と二つのたわみ波発生器１８を備えている。これら二つの発生器は、図に示すように、破線に沿って互いの境界を定めている。
【００７８】
位置６２，６３は、オシレータの長さＬおよびオシレータの表面の下側９および上側１０に沿った、振動速度Ｖｌ、Ｖｇの分布を示す図である。また位置６４では、ａおよびｂの線に沿った点の軌道を示している。これらの線は、オシレータ６内で伝搬するたわみ波の振動速度の最大値４７に相当する。また、位置６５，６６は、オシレータ６の下側表面上における摩擦要素１４の可能な設置位置を示す。この種の設計においては、固定要素１５はオシレータ６の上側表面１０の中心に位置する。また、縦波およびたわみ波の波節３９もそこで発達する。この種の設計では、固定要素１５をたわみ波の二つの外側の波節の位置、すなわち、線ｍに沿って配置することも可能である。しかし、この場合は、固定要素は、縦方向には自由に移動できるようにしておかなければならない。
【００７９】
図１０は、横型の板状１／２様式のオシレータ６を示す。これは、一つの縦波発生器１７と一つのたわみ波発生器１８を備えている。位置６７，６８は、オシレータの長さＬに沿った振動速度ＶｌおよびＶｇの分布図である。また、位置６７，６８は、オシレータ６の側面１１の中心線ｋ上の点の軌道を示す。図１０に示す横型のオシレータは、縦型１／２モードのオシレータとは、摩擦要素１４がその側面１１の一方に固定されている点が異なる。このような設計のオシレータ６の固定要素１５は、オシレータの表面の下側９および上側１０の中心か、もしくは、定常音響たわみ波の二つの外側の波節の領域における線Ｍに沿った平面上のいずれかに配置する。
【００８０】
図１１から１５には、１／２モードのオシレータにおける、様々な形状の電極群と分極化の方向を示す。このような設計は、縦型のオシレータおよび横型のオシレータの両方に採用することができる。
【００８１】
図１１によるオシレータは、二つのたわみ波発生器１８と一つの縦波発生器１７を有している（図９も参照のこと）。これらの発生器は、二つの電極群１２，１３によって形成されている。また、これらは、電極５０，５１および４８，４９を備えている。電極５０，５１は、中間領域５２を絶縁することによって二つの領域５３，５４に分割されている。電極５０，５１の同等の領域５３，５４は、互いに導体７１，７２によって接続してある。図１１に示す電極群の形状を有するオシレータ６においては、圧電セラミックの一方向分極化は、電極に対して矢印で示すような法線方向となっている。
【００８２】
図１２に示す電極群の形状を有するオシレータは、図９および１１に示すように、二つのたわみ波発生器１８と一つの縦波発生器１７を有する。発生器１８，１７は、電極５０，５１と４８，４９によって形成される。オシレータ６の片側に配置された電極５０，５１は、薄い電流伝導片７３によって接続する。上記の種類とは逆に、オシレータ６では、矢印で示すように、電極５０と５１の間に配設された圧電セラミックの電極を法線方向に二方向分極化しなければならない。
【００８３】
図１３によるオシレータは、一つの縦波発生器１７と一つのたわみ波発生器１８を有する（図１０も参照のこと）。図１４に示すオシレータは、前のものと同様の構成であるが、第２の電極群１３の電極間に配設された圧電セラミックの電極５０および５１を法線の方向に二方向分極している。これらは、定常音響たわみ波の発生器１８を形成する。
【００８４】
図１５によるオシレータでは、二つのたわみ波発生器１８と一つの縦波発生器１７を図９に示すトランスデューサと同様に設けている。発生器１７は、電極４８、４９を含む第１の電極群１２によって形成される。二つの発生器１８は、電極５０，５１と電極領域５３，５４を含む二つの電極群１３と、絶縁中間領域とによって形成される。
【００８５】
図１６は、ここで提案する、非駆動要素を並進移動させる縦型の１／２モードのオシレータを駆動要素５として採用しているモータの一つの設計例を示す。このモータの設計では、図１１から１５に示す電極グループ形状を有するオシレータ６を使用することができる。図１７および１８に示す圧電モータでは、オシレータ６を固定要素１５により横方向に固定していると同時にオシレータ６の摩擦要素１４が摩擦層を押圧している。特に二つの屈曲共振板７６が設けられている。共振板７６は、オシレータ６の小さい面８上に、線ｍに沿ってモータのハウジングの位置でしっかりと固定されている。各共振板７６は、外側７７および内側７８フレームを有しており、分離する中間間隙７９と二つの接続ブリッジ８０を備えている。
【００８６】
図１９から２１は、３／６様式のオシレータ６の電極形状を示す。ｏ，ｐ，ｑ，ｒで示す電極はすべて、同じ符号で示す接続線２１，２２，１９，２０で接続してある。図１９に示す電極形状を有するオシレータ６は、定常縦波用の発生器を三つと定常たわみ波用の発生器を四つ有している。また、図２０に示す電極形状を有するオシレータ６は、定常縦波用の発生器を二つと、定常たわみ波用の発生器を一つ有している。
【００８７】
図２１に示す電極形状を有するオシレータ６は、定常縦波用の発生器を一つと定常たわみ波用の発生器を二つ有している。
【００８８】
図１９の位置８１，８２は、３／６様式のオシレータ６の線Ｌに沿った振動速度ＶｌおよびＶｇの分布を示す線図である。８３は、オシレータ６の上面の固定要素１５の位置を示す。位置８５は、オシレータ６の下面９において、定常たわみ波が振動最大速度を示す箇所４７に位置する点の軌道を示す。また、位置８５は、オシレータ６の表面９上における可能な摩擦要素１４の位置を示す。
【００８９】
図２２は、３／６モードのオシレータを有する圧電モータの一つの設計例を示す。電極群の形状は、図１９，２０，２１に示すような形状でよい。このモータのオシレータ６は、４つの摩擦要素１４と三つの固定要素１５を有する。固定要素１５は、定常縦波の３つの波節３９に配設される。これらは、圧力装置１６によってハウジングに対するその定位置に位置決めされる。圧力装置１６には、薄板バネ６６と二つの固定キャリア８６を設けてもよい。
【００９０】
また、位置８７、８８、８９、９０、９１、９２は、可能な摩擦要素１４とその実施形態を示す。摩擦要素１４は、例えば、酸化物セラミック、金属セラミック、またはその他の材料との組み合わせなどの、硬質の耐磨耗材料からなる薄片の形状に製造されている。さらに、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化珪素系の材料またはそれに類似した材料も採用可能である。
【００９１】
摩擦要素１４は様々な実施形態が可能である。例えば、長方形、正方形、台形、半球形などの断面を有する形状の要素とすることができる（図２３参照）。
【００９２】
摩擦要素の幅ｔｒは、オシレータ６内を伝搬する音響たわみ波の波長の半分であるλｔ／２の約５分の１でなければならない。
【００９３】
摩擦要素１４の高さｈｒは、ほとんどの場合オシレータの厚みＤと等しい。摩擦要素１４は、オシレータ６の下側面上の、例えば図３，９，および１９に示す音響定常たわみ波の振動速度４７が所定の最大値となる点にしっかりと固定する。
【００９４】
また、摩擦要素は、図１０に示すように、オシレータ６の側面８上に固定することもできる。
【００９５】
摩擦要素１４は、単層構造（図２３の８７，８８、８９，９０）でも、２または３層構造（図２３の位置９１）でもよい。
【００９６】
摩擦要素１４の２層構造では、第１の層８７は、被駆動要素１の摩擦層２に比較して摩擦係数が高い耐磨耗材料から形成する。第２の層８８は、硬質多孔質材料の部品から構成する。第１の層８７と第２の層８８の境界領域において、第３の中間遷移層８９が調整されて形成することができるように、両層８７，８８は、焼結工程で接着して結合する。
【００９７】
摩擦要素１４は、有機エポキシ樹脂の接着剤によってオシレータ６の小さい面１０および１１上に固定することができる。結合は、例えば可融鉛有ガラスによる化学反応によって行ってもよい。
【００９８】
上記の場合、摩擦要素１４の第２の層８８の孔を結合物質で充填して最適な接触状態を作ることもできる。
【００９９】
さらに、摩擦要素１４を板状圧電オシレータの表面１０および１１上で溶融したガラス片として形成することもできる。ガラスは、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化珪素、炭化チタン、あるいはそれに類似した材料またはその混合など、硬質耐磨耗材料の粉体と混合する。
【０１００】
図２４の８９，９８には、可能な固定要素の実施形態を示す。これらは、角柱８９、三角柱９０、半円柱９１、または円錐要素９２、ピラミッド形状（角錐）の要素９３、半球要素９４、輪郭溝（非貫通溝）を有する長方形要素９５，９６、輪郭孔（陥凹部又は貫通孔）を有する円柱要素９７，９８、あるいは、それらに類似した要素として設計可能である。
【０１０１】
図２４に示す固定要素１５は、弾性係数が、トランスデューサ６の圧電セラミックの弾性係数と等しいか、もしくはわずかに高い材料から形成することができる。また、弾性係数がトランスデューサの圧電セラミックの弾性係数よりかなり低い材料から形成することもできる。しかし、これらの要素は、トランスデューサの圧電セラミックと同じタイプのものから形成することも可能である。固定要素１５または、オシレータ６の表面と接触するその一部を、多孔酸化セラミックまたは他の多孔質の材料から構成することができる。
【０１０２】
図２５の位置９０，９２は、屈曲可能な共振板７６の形式の固定要素１５を示している。９０は共振板７６を横型に、そして９１は縦型に固定したところを示す。９２では、屈曲共振板７６を、二つのフレームがオシレータ６を囲むように設計してあるところを示している。
【０１０３】
提案する駆動装置では、固定要素１５は、オシレータまたはトランスデューサ６の表面９に堅固に結合してある。この結合は、エポキシ樹脂系などの有機接着剤によって行うことができる。さらに、オシレータの表面１０との結合は、圧電セラミックと固定要素１５の材料との間で化学接触が起きるような物質を利用して行うこともできる。
【０１０４】
図２６は、摩擦層２が、板状オシレータ内で伝搬する定常縦波の波長λｌの半分の少なくとも５分の１である厚みｔｆの酸化物セラミック層として形成されている提案のモータの一つの設計例を示す。このような圧電モータでは、被駆動要素２の本体の厚みｔｌは、トランスデューサ６内で発達する音響たわみ波長の２分の１λｔより大きくてもよい。被駆動要素１とその摩擦層２との間には、吸音材料からなる減衰層７４を配置してもよい。
【０１０５】
図２７は、長方形、多角形若しくは円形の断面、又は、管形状の断面を有する棒状の形状の被駆動要素の設計例をそれぞれ、９３から９６に示す。
【０１０６】
図２８の９７，９８では、本体に減衰溝９９またはそれに対応する凹部９９が定間隔に設けられている被駆動要素の設計例を示す。
図２７または２８に示す被駆動要素は、硬質の多孔質材料からなる。孔は、シリコーンまたはゴムなどのような吸音材料で充填することができる。
【０１０７】
図２９／３０に示すモータには、二つの対向するトランスデューサ６と２層の摩擦層２が設けられている。これらは、一つの平面上に、且つ、被駆動要素１の反対側に互いに平行に配置されている。
【０１０８】
このような設計のモータでは、オシレータの半球形要素１５を半球形ガーダ１００の中に配設する。ガーダ１００は、ハウジング３を凹ませて形成する。第２のオシレータ６は、被駆動要素１の摩擦層２に対して摩擦要素１４を押し付ける２枚の薄板バネ７５の力を受ける円錐形に形成した固定要素１５を有している。
【０１０９】
図３１に示す設計では、駆動装置には３つのトランスデューサ６と３層の摩擦層を形成している。これらは、３つの面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に配置する。
【０１１０】
図３２は、励振源２３の単純な実施形態を示す。基本発生器２４の出力２５は、移相器１０１を介して２チャンネル電力増幅器２８の信号入力端子２７または２６の一方に接続してある。基本発生器２４は、励振周波数１０２用の制御入力端子を有する。
【０１１１】
図３３は、電気励振用の高度な設計を示す。ここで、電力増幅器２８の第１および第２のチャンネル２９，３２は、直流電圧源Ｅを有するブリッジ電力増幅器１０３，１０４として設計してある。増幅器１０３，１０４のそれぞれは、信号位相制御装置１１４、制御入力端子１１６、支持電圧入力端子１１７を設けた励振チャンネル１０９，１１０および１１１，１１２と位相可変電圧１１８の出力端子を有する二つの半ブリッジ増幅器１０５，１０６、および１０７，１０８を備えている。電力増幅器のチャンネル２９または３２の一方に、励振チャンネルの出力切換えを可能とする制御入力端子１２０を有する電子切換えスイッチ１１９を設けることができる。
【０１１２】
この設計例では、トランスデューサ６の第１の電極群の接続端子１９，２０は、フィルタ１２１を介して電力増幅器２８の第１のチャンネル２９の出力端子３０，３１と接続する。
また、第２の電極群１３の接続端子２１，２２は、フィルタ１２２を介して電力増幅気２９の第２のチャンネル３２の出力端子３３，３４と接続する。
【０１１３】
図３４は、位相制御装置１１４の設計例を示す。これには、鋸歯電圧整形部材１２３、パルス長変調装置１２４、支持電圧整形器１２５、および位相可変電圧１２６用の整形器を備えている。
【０１１４】
図３５は、位相制御装置１１４の出力端子１１７，１１８の電圧間における移相φBと、出力端子１１６における制御電圧Ｕφとの依存関係を説明している。破線は、移相の依存関係のもう一つの例を示している。
【０１１５】
図３６は、接続端子１９および２０または２１および２２の間の電圧Ｕｅとともに出力端子３０または３３と地面との間の電圧ＵB１を示す線図である。１２７から１２９は、異なる電圧値Ｕｅ１，Ｕｅ２，Ｕｅ３を割り振られた、異なる値の移相φＢ１，φＢ２，φＢ３を示す。
【０１１６】
図３７は、位相制御装置１１４の移相φBの電圧Ｕｅに対する依存関係を示し、図３８は、被駆動要素１の移動速度Ｖｆの、制御電圧Ｕφに対する依存関係を示している。
【０１１７】
図３９に示す励振源２３は、さらに、制御信号１３０用の信号レベルトランスデューサを備えている。この例では、制御入力端子１３１、出力端子１３２、および制御入力端子１３４および制御出力端子１３５を有する制御信号のゼロ信号検出器１３３を有する。
【０１１８】
図４０は、図３９に示す励振源の設計例の電圧のグラフである。このグラフにおいて、位置１３のグラフは、制御電圧１３０の信号レベルトランスデューサの出力端子１３２における電圧Ｕφと出力端子１３１における電圧Ｕｒとの間の依存関係を示している。また、位置１３７のグラフでは、移相角φBと位相制御装置１１４の制御電圧Ｕｒとの間の依存関係を示している。さらに位置１３８のグラフは、制御信号のゼロ信号検出器１３３の出力端子における電圧と出力端子１３４における電圧との間の依存関係を示している。また、１３９のグラフは、被駆動要素１の移動速度Ｖｆと制御電圧Ｕｒとの間の依存関係を示している。
【０１１９】
図４１の位置１４０は、機械的縦応力の成分を判定するためのセンサ１４１の設計例を示すものである。センサ１４１は、０．１から０．３ｍｍの範囲の厚さを有する圧電板１４２の形状を有する。
板１４２は、その大きい面上に電極１４３を有し、その電極１４３に対して法線方向に分極化している。
【０１２０】
板の幅ｔsは、トランスデューサ６からの縦波の波長の半分の約１０分の１である。高さｈsは、オシレータの幅ｈと同等もしくはそれより高くてもよい。
【０１２１】
図４１の位置１４４は、圧電トランスデューサ６上の、位置１４０の図によるセンサの固定方法を示すものである。センサ１４１は、トランスデューサ６の大きい面７のうちの一方の、トランスデューサ６内を伝搬するたわみ波の振動速度波節３８の１つが位置する箇所に、長手の軸に対して対称に配置する。
板状センサ１４２は、例えばトランスデューサ６の表面に接着され、定位置に溶接される。
センサの出力端子１４５は、上側電極１４３と接続し、出力端子１４６は、トランスデューサ６と接続する。
【０１２２】
図４２に示す１４７は、機械的曲げ応力の成分を判定するためのセンサ１４８を示す。このセンサは、図１０に示す縦型のオシレータとともにのみ採用する。センサ自体は、厚みが０．１から０．３ｍｍの間の圧電板１４９の形状に設計してある。板の高さｈsは、オシレータの幅Ｈと等しい。この板は、連続式電極１５０をその大きい面上に備えている。板１４３は、寸法ｈsに対し、二つの等しい領域１５１，１５２に分割してある。
【０１２３】
これらの領域は、電極の表面に対して法線方向に分割されるが、圧電セラミックは、１４７において矢印で示すように異なる方向に分極化されている。センサ１４８は、オシレータ６の大きい面７上における、定常音響たわみ波の振動速度が最大値となる箇所４７の１つに、トランスデューサ６の長手の軸に対して対称に配置する（図４１、１５３参照）。センサ１４８は、センサ１４１に関して説明したような方法で定位置に位置決めする。
【０１２４】
図４３の位置１５４は、周波数のセンサ１４１、１４８の電極１４３，１５０における電圧Ｕｓｌ，Ｕｓｇに対する依存関係を示す。その最大値ＵｓｌｍａｘとＵｓｇｍａｘは、トランスデューサ６の縦およびたわみ振動の共振周波数（ｆolおよびｆog）に相当する。
【０１２５】
図４３の位置１５５は、センサ１４１または１４８の電極１４３または１５０における励振電圧Ｕｅと電圧ＵｓｌまたはＵｓｇの間の移相角φｓとの依存関係を示す。この依存関係は、分極化の方向に対するセンサの向きによって異なる。
【０１２６】
図４４は、音響振動２３の電気励振源に位相検出器１５６を設けた回路を示す。また、支持入力端子１５７と、測定入力端子１５８および出力端子１５９も備えている。位相検出器１５６の支持入力端子１５７は、第１の電極群１２の第１の接続端子２０と、あるいは、第２の電極群１３の接続端子２１と、支持信号整形部材を介して接続してある。測定入力端子１５８は、センサ１４１またはセンサ１４８の接続端子１４５と信号整形部材１６１を介して接続してある。位相検出器１４９の出力端子は、基本発生器２４の励振周波数１０２の制御入力端子と接続してある。この例では、フィルタ１２１および１２２は、ＬＣ部材１６２の形状に、そして加算変圧器１６３を使用するように設計されている。駆動装置は、共通の制御入力端子１６４を備えている。
【０１２７】
以上実施形態で述べたモータまたは駆動装置は、定常縦および定常純粋たわみ波に対する圧電トランスデューサの同時独立電気励振に基づいている。第１、第２、第３および第４の様式の縦波を第２、第３、第４、第５、第６、第７の様式のたわみ波と組み合わせることができる例も数多く存在する。
【０１２８】
様式の組み合わせは、一定であると共に選択した様式の組み合わせに対する圧電セラミックのタイプとは関係なく、トランスデューサ６の長さＬと幅Ｈの比によって決定する。これは、２／５様式のオシレータでは比Ｌ／Ｈを約１０に、また１／２様式のオシレータでは約４、そして、３／６様式のオシレータでは約８に指定することができる。最適な比Ｌ／Ｈを選択することによって、縦の振動とたわみ振動の共振周波数は、図２に示すように同一となる。周波数ｆolとｆogの間の差が大きすぎると、比Ｌ／Ｈの選択が不十分もしくは不適当であり、モータの操作によくない影響を及ぼす。規則として、上記の周波数の間の差Δｆは、１％を超えてはならない。
【０１２９】
上記のモータでは、音響縦波の励振は、第１の電極群によって形成される少なくとも１つの発生器によって行われる。音響たわみ波の励振は、第２の電極群によって形成される少なくとももう一つの別の発生器によって行われる。電極群は、発生器が電気的にも、機械的にも接続されておらず、よって純粋な縦またはたわみ波を生成することができるような形状とする。純粋なたわみ波という語は、縦成分を含まないということを意味する。また、純粋な縦波は、たわみ成分を含んでいてはならない。両波の摩擦要素に対する作用により楕円動作が生まれる。摩擦要素の機能面の点の軌道は、互いにあまり変わらない。
【０１３０】
図１に関して述べた駆動装置の例では、波と波の間の必要な時間移相は、トランスデューサの構成によって決まる。図１によるモータは、図４に示す電極群の形状を有する２／５様式のオシレータを備えている。このオシレータでは、第１の電極群１２が同位相の縦波発生器１７を形成する。これらは、オシレータまたはトランスデューサにおいて第２の様式の音響縦波を生成する。図３の位置３７には、オシレータの長さＬに沿ったこの波の振動速度の分布図を示している。第２の電極群１３は、オシレータまたはトランスデューサ６で第５の様式の定常音響たわみ波を生成すたわみ波発生器１８を形成する。
【０１３１】
図３の位置３８には、それに対応する分布図を示す。トランスデューサの縦およびたわみ振動はその寸法よりかなり小さいため、波が相互に干渉作用を及ぼすことはない、すなわち、それらの波は、オシレータまたはトランスデューサ６で互いに独立して伝搬する。この同時伝搬により、オシレータ面８のすべての点が楕円経路上を動く。これらの点の軌道の形状および移動の方向は、オシレータの長さに沿って変わり、また、それぞれの波によって引き起こされる個々の点の振動の振幅および位相によって変わる。
【０１３２】
図３の４２には、その大きい面７に垂直に延在する線に沿った定常音響たわみ波の振動最大速度４７の箇所における、下面９上に位置する点ａ，ｂ，ｃ，ｄの軌道の形状と移動の方向を示す。オシレータの長さＬに沿った楕円軌道は、これらの点に配設される。最大値４７の領域が摩擦要素１２の取り付けに最適であるということがわかっている。これらの領域においては、摩擦要素１２のすべての点が事実上、同じ経路に沿って移動する。図３の４２および４６は、可能な摩擦要素１４の取り付け位置を示しており、これらは、所定の最大値４７に相当する。
【０１３３】
下面９上の点の楕円移動により、そこに位置する摩擦要素１４が楕円移動を行う。摩擦要素が被駆動要素の摩擦層２と対応する弾性接触するため、被駆動要素１が対応する一方向動作を行う。トランスデューサ６が被駆動要素の方向と反対方向に変位しないよう、少なくとも一つの固定要素１５を備える。これらの固定要素１５は、定常音響縦波の振動速度波節３９の領域に配設される。領域３９において、トランスデューサ６の振動振幅が小さいため、最低限の損失ですむ。
図５および６に示す２／５様式のオシレータの電極群１２および１３の形状の例は、発生器１７および１８の数とたわみ波の生成において異なる。
【０１３４】
図９は、縦型の１／２様式のオシレータまたはトランスデューサ６を示す。この型では、図１６にも示すように、トランスデューサ６は、摩擦層２に沿って配置されている。図１０に示す横型の１／２様式のオシレータでは、摩擦要素１４がオシレータの小さい横面の中央に配設されている。オシレータまたはトランスデューサ６は、図１７および１８に示すように摩擦層２を横切るようにまたは垂直に配置される。
【０１３５】
上記両モータにおいて、縦波の第１の様式とたわみ波の第２の様式は、発生器１７および１８によってトランスデューサ６内で生成される。これらの波の伝搬により、摩擦要素１４が希望の楕円運動を行い、それにより被駆動要素が一方向動作を行う。
【０１３６】
１／２様式のオシレータの電極群１２および１３の形状の例を図１１から１５に示す。また、図１９から２１は、３／６様式のオシレータの電極群の形状の例を示しており、図２２は、これらのトランスデューサまたはオシレータを備えたモータの例を示している。これらモータは、下面９に、図１９の８５に示すような４つの摩擦要素１４を備えている。図示したモータの例では、トランスデューサ６は、三つの固定要素１５を備えており、よってその機械的安定性が改善されている。
【０１３７】
この駆動装置またはモータでは、発振トランスデューサ６から被駆動要素１へのエネルギー伝達は、摩擦要素１４と摩擦層２との間の摩擦接触によって行われる。図２３を参照するとわかるように、２層または３層の摩擦要素１４を多孔層１８とともに使用することによって摩擦要素の幅ｈｒに対する楕円軌道の差を補正することができるようになる。これは、多孔層が摩擦要素１４の横方向の変形成分をかなり低減させるという事実によるものである。幅ｔｒの軌道の高い同質性および均一性を得るためには、図２３の位置８７，８９，９０に示すような細長い摩擦要素を有利に使用する。
【０１３８】
幅広い摩擦要素を使用することによって高い引っ張り力を伝達することができる。広い摩擦要素１４を使用すると、幅ｔｒは、オシレータまたはトランスデューサ６内で伝搬する音響たわみ波の波長の半分λｔ／２の５分の１でなければならない。
【０１３９】
被駆動要素１の本体で、好ましくない音響たわみ波が生成されないようにするため、非駆動要素１の本体の厚み１は、板状トランスデューサ内を伝搬する音響たわみ波の波長の半分λ／２より大きくなければならない。摩擦層２に対する被駆動要素１の音響絶縁を改善するには、被駆動要素１の本体とその摩擦層２との間に吸音材からなる減衰中間層７４を配置することもできる。この層により、温度膨張率の差による摩擦層２と被駆動要素１の熱の不和合性を排除することもできる。減衰層７４は、軟質の有機材料、例えばポリマーフィルムからなるもの、または多孔アルミニウムのような多孔材から形成されたものなどから製造することができる。硬質材料を軟質の有機材料と組み合わせることも考えられる。
【０１４０】
駆動装置の適用可能範囲を広げるため、非駆動要素は長方形、多角形、または円形断面を有する棒または管の形状に設計することができる。
【０１４１】
少なくとも３つの圧電トランスデューサと、互いに平行であって図３０に示すようにＳ１，Ｓ２、およびＳ３のうちの少なくとも１つに配置された少なくとも３層の摩擦層を有する設計のモータでは、被駆動要素１は、長手の軸に垂直な面においては、機械的に非常に安定している。回転動作を起こさせるには、被駆動要素は、回転体として製造し、図１７および１８からわかるように回転キャリア内に載置する。位置決め精度を増すためには、トランスデューサ６の固定要素を図３０に示すように剛性のガーダ１００に載置することもできる。ここで、トランスデューサ６は、モータのハウジング３に対して長手方向に絶対的に堅固に定位置に位置させる。
【０１４２】
図３２以降を参照しながら、駆動装置またはモータを操作するための回路構成の実施形態の機能の態様に関し以下に説明する。
【０１４３】
図３２には、音響振動の生成の単純な例を示しており、ここでは移相器１０１を備えている。この移相器は、電圧Ｕｆ１とＵｆ２の間の移相の微調整に使用している。このような修正は、摩擦要素１４の軌道を最適化するためのある場合において必要となる。さらに、基本発生器２４は、励振器の周波数を制御するための入力端子を備えている。制御入力端子により、非駆動要素の移動速度を変化させることができる。
【０１４４】
図３３の回路構成では、基本発生器２４がトランスデューサの縦振動の共振周波数ｆ１０の２倍に等しい周波数の方形波電圧Ｕｇを出す。この電圧は、位相制御装置１１４の入力端子１１５にかかり、そこで部材１２３によって鋸歯電圧に整形される。この鋸歯電圧は、パルス幅変調器１２４に達する。位相制御装置の制御入力端子を兼ねるパルス幅変調器１２４の入力端子１１６にはさらに制御電圧Ｕφがかかる。パルス変調器１２４は、部材１２３からの鋸歯電圧を整形してパルス幅が入力端子１１６にかかる制御電圧Ｕφに比例する方形波電圧に整形する。この電圧は、フリップフロップとして設計した、パルス幅変調電圧の前縁および後縁に反応する整形部材１２５および１２６に到達する。
【０１４５】
よって、位相制御装置１１４の出力端子１１７，１１８では対称な方形波パルスとなる。その周波数は、トランスデューサの縦振動の周波数ｆ１０と等しく、その移相φｂは、電圧Ｕφに比例する。制御電圧と移相φｂの依存関係を図３５に示す。
【０１４６】
出力端子１１７，１１８の方形波電圧は、さらに、駆動装置１１３に進み、ハーフブリッジ増幅器１０５，１０６および１０７，１０８に進む。ハーフブリッジ増幅器１０５，１０６および１０７，１０８の出力端子３０，３３および３１，３４では方形波電圧Ｕｂ１およびＵｂ２が生成される。それらの移相φｂは、制御電圧Ｕφに比例する。電圧Ｕｂ１とＵｂ２との間の移相φｂにより、これらの電圧がフリッジ増幅器１０３，１０４の付加にかかり、従って、トランスデューサの第１と第２の電極群にかかる時間が決定する。
【０１４７】
電圧Ｕｂ１およびＵｂ２は、フィルタ１２１，１２２を介してトランスデューサ６の第１と第２の電極群１２，１３の接続端子１９，２０，および２１，２２に到達する。フィルタ１２１，１２２は、これらの電圧によって生まれた振動の第１の調波のみを通過させる。接続端子１９，２０と２１，２２の間では、トランスデューサの縦振動の共振周波数ｆ１０と等しい周波数および移相φｂに比例する振幅の正弦波電圧Ｕｅが発生する。図３６は、電圧振幅Ｕｅと移相φｂの依存関係のタイムチャートを示す。被駆動要素１の移動速度Ｖｆが電圧Ｕｅに比例するので、制御電圧Ｕφと反比例して、位相相制御装置１１４の入力端子１１６にかかる。
【０１４８】
電子スイッチ１１９の切換えにより、トランスデューサ６の第１と第２の電極群１２および１３の接続端子１９，２０および２１，２２の電圧間で１８０°の移相が起こる。これにより、被駆動要素の移動方向が変わる。
【０１４９】
図３９に示す回路構成では、制御電圧Ｕｒは、信号レベルトランスデューサ１３０の入力端子１３１とゼロ信号検出器１３３の入力端子１３４にかかる。トランスデューサ１３０は、その出力端子１３２における電圧Ｕφとその入力端子１３１の制御電圧Ｕｒとの間に二重の依存関係を有している。この依存関係を図４０の１３６に示す。位置１３７を見ると、電圧Ｕｒが通過すると、図４０の１３８で説明しているようにゼロ信号検出器１３３が半値側に切り替わる。ゼロ信号検出器の切り替えにより、被駆動要素の動きが反対方向に変わる。その結果表れる被駆動要素１の移動速度Ｖｆと制御電圧Ｕｒとの依存関係を図４０の１３９に示す。非駆動要素１のゼロ速度は、制御電圧Ｕｒの約半分に相当する。
【０１５０】
図４４に示すモータ操作用の回路の例では、一定の移相を使ってモータの作動点の周波数を安定させる。この目的のため、機械応力成分センサ１４１または１４８が接続端子１４６，１４５に供給される正弦波電圧を出し、さらに整形器１６１へ出す。この電圧は、方形波分布曲線を描くように、整形器１６１によって増幅されると共に制限される。こうして整形された電圧は、位相検出器１５６の測定入力端子１５８に到達する。整形器１６０によって信号変換された、トランスデューサ６を励振する電圧が位相検出器１５６の支持入力端子１５７にかかる。位相検出器１５６は、入力端子１５７と１５８における電圧間の移相の偏差に比例する誤電圧を出す。この、位相検出器１５６の出力端子１５９からの誤電圧が入力端子１０２に到達して基本発生器２４の搬送周波数を電気制御する。
【０１５１】
この装置は、不安定化値が足りないので、誤電圧は、ゼロとなり、基本発生器は、トランスデューサの縦振動の共振周波数ｆ１０の２倍の周波数を生成する。移相は、＋９０°または−９０°である。
【０１５２】
不安定化要素の影響により、初期値からのオシレータ共振周波数の偏差につながり、それによって移相が変わる。後者により、位相検出器１５６の出力端子１５９における誤電圧が生成される。この誤電圧は、移相が再び＋９０°または−９０°となるように基本発生器の周波数を変更する。基本発生器の励振器の周波数は、トランスデューサ６の縦波の共振周波数の２倍という新しい値となる。
【０１５３】
よって、装置は、常に基本生成期の励振器の周波数をトランスデューサ６の縦振動の共振周波数と等しく保つことができる。よって、この回路構成は、機械的負荷や温度の変動があってもオシレータの共振周波数を一定に保つことができる。制御入力端子１６４には、被駆動要素の移動速度を一定に保つための電気安定化装置を接続することができる。
【０１５４】
発明のモータをテストした結果、オシレータの共振周波数を一定に保つための電子装置を備えた寸法が６０ｘ６ｘ３ｍｍの２／５モードのオシレータでは、非駆動要素の速度の不均一性が、移動速度０．０１ｍ／秒で５から最高で１０％の範囲内であった。また、０．１ｍ／秒より高速では、速度の不変性の不均一性が２％以内である。電子安定化装置を採用すると、１μｍ／秒の移動速度における均一性は、２から３％の偏差に保持される。こうした安定性は、１０，０００時間を越えるモータの全操作期間にわたって維持できた。目的の駆動装置の実施形態は、２０〜１５０Ｖの範囲の励振器電圧ですでに操作状態となる。寸法が７０ｘ１８．５ｘ６ｍｍの縦型１／２様式のオシレータと二つの摩擦要素を有するモータでのテストでは、約５２Ｎの力が生成された。
【符号の説明】
１ 被駆動要素
２ 摩擦層
３ ハウジング
４ 軸受け
５ 駆動要素
６ オシレータまたはトランスデューサ
７ 大きい面
８ 小さい面
９ 下面
１０ 上面
１１ 小さい側面
１２ 第１の電極群
１３ 第２の電極群
１４ 摩擦要素
１５ 固定要素
１６ 圧力装置
１７ 縦波；縦波発生器
１８ たわみ波；たわみ波発生器
１９，２９，２１，２２    電気接続端子
２３ 振動；励振源
２４ 基本発生器
２５ 出力端子
２６，２７  信号入力端子
２８ 電力増幅器
２９ 第１のチャンネル
３０ 非反転出力端子
３１ 反転出力端子
３２ 第２のチャンネル
３３ 非反転出力端子
３４ 反転出力端子
３５，３６  曲線
３７，３８  振動速度
３９ 振動速度波節
４０ 振動速度波腹または最大値
４１，４２，４３，４４，４５，４６      位置
４７ 所定の最大値
４８，４９  電極
５０，５１  電極
５２ 絶縁中間領域
５３，５４  領域
５５，５６；５７，５８    コンダクタ
５９，６０  電流導伝片
６１ 電流導伝片
６２，６３  位置
６４ 位置
６５，６６  位置
７１，７２  コンダクタ
７３ 電流導伝片
７４ 減衰層
７５ 薄板バネ
７６ 共振板
７７ 外側フレーム
７８ 内側フレーム
７９ 中間間隙
８０ ブリッジ
８１，８２  位置
８３ 位置
８５ 位置
８６ ガーダ
８７，８８，８９，９０，９１，９２      位置
８７ 第１の層
８８ 第２の層
８９ 遷移層
８９ 角柱
９０ 三角柱
８９−９８  位置
９１ 半円柱
９２ 円錐要素
９３ 角柱要素
９４ 半球要素
９５，９６  輪郭溝付き長方形要素
９７，９８  輪郭孔付き円形要素
９０−９２  位置
９３−９６  位置
９７，９８  位置
９９ 減衰溝または凹部
１００      ガーダ
１０１      移相器
１０２      励振周波数
１０３，１０４     増幅器
１０５，１０６；１０７，１０８   ハーフブリッジ増幅器
１０９，１１０；１１１，１２２   励振チャンネル
１１４      信号位相制御装置
１１６      制御入力端子
１１７      支持電圧入力端子
１１８      出力端子
１１９      電子切換えスイッチ
１２０      制御入力装置
１２１      フィルタ
１２２      フィルタ
１２３      鋸歯電圧整形部材
１２４      パルス長変調器
１２５      支持電圧整形器
１２６      位相可変電圧用整形器
１２９−１２９  位置
１３０      信号レベルトランスデューサ
１３１      制御入力端子
１３２      出力端子
１３３      ゼロ信号検出器
１３４      制御入力装置
１３５      制御出力装置
１３６      位置
１３７      位置
１３８      位置
１３９      位置
１４０      位置
１４１      センサ
１４２      圧電板
１４３      電極
１４４      位置
１４５      センサ出力
１４６      出力端子
１４７      位置
１４８      センサ
１４９      圧電板
１５０      電極
１５１，１５２     領域
１５３      位置
１５４      位置
１５５      位置
１５６      位相検出器
１５７      支持入力端子
１５８      測定入力端子
１５９      出力端子
１６１      信号整形部材
１６２      ＬＣ部材
１６３      加算変圧器
１６４      制御入力端子
【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】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３７】
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【図３６】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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