(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被駆動素子（４２）を動かす振動システム（２０）であって、
前記システム（２０）の使用中に前記被駆動素子（４２）と係合するように配置されている選択した接触部分（４４）を有する共振器（２４）と駆動連絡している圧電素子（２２）を有する振動素子（２６、２６a-f）を有し；
該圧電素子（２２）および該共振器（２４）は、該共振器（２４）が前記圧電素子（２２）に供給される第１の周波数の第１の信号により少なくとも２つの振動モードで同時に共振するように励起されたときに、第１の楕円運動で前記選択された接触部分（４４）を動かすように構成されており；
得られた運動は、前記被駆動素子（４２）と選択した接触部分とが十分な接触を維持して前記被駆動素子（４２）の所望の運動を発生するときに、前記被駆動素子（４２）を動かすのに十分な振幅を持っており；
前記少なくとも２つの振動モードが、少なくとも１つは前記共振器（２４）の純粋な縦モードまたは曲げモードを含まないように選択されて、前記第１の楕円運動を発生するものであり、
前記圧電素子（２２）は前記共振器（２４）の開口部（２８）にプレス嵌めされており、この際に、前記開口部（２８）は、前記共振器（２４）の長軸（２５）の対向する側にある２つの側壁（２９）と、該長軸上の２つの対向する端壁（３１）とによって部分的に画定されており、そして、該２つの側壁（２９）はそれらの弾性限界を超える応力を加えられて前記圧電素子（２２）を圧縮状態に保持する、
ことを特徴とする上記の振動システム。
【請求項２】
請求項１に記載の振動システムであって、前記第１の楕円運動の長軸と短軸のうちの一方が前記選択した接触部分において前記被駆動素子の運動の方向に沿って前記被駆動素子の接線に対して角度βで傾斜し、前記角度βは前記選択した接触部分が前記被駆動素子と駆動的に係合しているときに約５〜３５°または５５〜８５°の範囲であることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の振動システムであって、前記圧電素子および共振器は、圧電素子に供給される第２の周波数の第２の信号により少なくとも２つの振動モードで同時に共振するように励起したときに前記選択した接触部分が第２の、好ましくは楕円の、運動で動くように構成されていることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動システムであって、振動モードにより振動素子にノードを作成し、さらに前記ノード以外の場所で前記振動素子に接続され、前記システムの動作時に前記被駆動素子に対し前記振動素子を弾力的に押し付けるように配置された弾性取付具を有することを特徴とする上記の振動システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の振動システムであって、前記圧電素子が共振器に圧縮状態に保持されることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項６】
請求項５に記載の振動システムであって、前記圧電素子が前記共振器の壁により圧縮状態に保持され、前記壁の少なくとも１つが湾曲していることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項７】
請求項３に記載の振動システムであって、前記振動素子は、圧電素子に印加される第２の周波数の第２の信号により好ましくは少なくとも２つの振動モードで同時に共振するように励起されたときに、前記選択した接触部分が第２の、好ましくは楕円の、運動内で動くように構成されていて、前記第１の周波数の場合とは異なる、前記被駆動素子の運動の方向を発生するようになっていることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項８】
請求項３に記載の振動システムであって、前記振動素子は、圧電素子に印加される第２の周波数の第２の信号により好ましくは少なくとも２つの振動モードで同時に共振するように励起したときに前記選択した接触部分を好ましくは第２の楕円運動内で動かし、システムの動作時に前記選択した接触部分が前記被駆動素子を駆動し係合するときに前記第１の方向と反対の方向に前記被駆動素子を動かすことを特徴とする上記の振動システム。
【請求項９】
請求項３に記載の振動システムであって、前記第２の楕円運動が軸に対して角度β2で傾斜する長軸をもち、角度β2は、前記選択した接触部分がシステムの動作時に前記被駆動素子と係合して駆動するときに約５〜８５°の範囲であることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項１０】
請求項３に記載の振動システムであって、前記第２の周波数が前記駆動素子に印加される少なくとも１ｋＨｚだけ第１の周波数と異なることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項１１】
請求項３に記載の振動システムであって、前記第２の、好ましくは楕円の、運動の長軸が前記選択した接触部分において前記被駆動素子の接線に対して角度β2で前記被駆動素子の運動の方向に傾斜し、前記角度β2が約５〜３５°または５５〜８５°の範囲であることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の振動システムであって、前記共振器は前記選択した接触部分が部材の遠位端の縁に置かれている長い部材を有することを特徴とする上記の振動システム。
【請求項１３】
請求項４に記載の振動システムであって、前記振動素子および弾性取付具の少なくとも１つは、圧電素子に供給される第２の周波数の第２の信号により少なくとも２つの振動モードで同時に共振するように励起されたときに、前記選択した接触部分を第２の、好ましくは楕円の、運動で動かすように構成されることを特徴とする上記の振動システム。
【請求項１４】
被駆動素子（４２）を動かす振動装置であって、
電気的エネルギーを直接物理的運動に変換する圧電素子（２２）と、前記振動素子（２６）を圧縮状態に保持するためその弾性限界を超えて応力がかけられる少なくとも２つの対向する側壁（２９）により画定された開口部（２８）を持つ共振器（２４）とを備えてなり、
前記圧電素子（２２）はその開口部内に置かれて、前記振動素子（２６）を画定されたプリロードのもとで共振器（２４）により圧縮状態に保持されるようになっており、
前記圧電素子（２２）により共振器（２４）が少なくとも第１のモードで振動して共振器（２４）上の選択された接触部分（４４）が所定の仕方で動くようになっており、
前記圧電素子（２２）が前記共振器の開口部（２８）にプレス嵌めされている、
ことを特徴とする上記の振動装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の装置であって、少なくとも２つの側壁が湾曲していることを特徴とする上記の装置。
【請求項１６】
請求項１４〜１５のいずれか一項に記載の装置であって、圧電素子に少なくとも２つの向かい合う縁があり、これらの縁は傾斜し、開口部の縁と係合するように配置されており、前記圧電素子の破損を極力抑えながら前記圧電素子を前記開口部にプレス嵌めしやすくすることを特徴とする上記の装置。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置であって、前記共振器内の前記開口部が少なくとも２つの向かい合う縁で定められ、これらの縁は傾斜し、前記圧電素子を前記開口部にプレス嵌めしやいように配置されていることを特徴とする上記の装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の装置であって、圧電素子に印加される第１の電気的信号により第１のモードを励起し、これにより、前記選択した接触部分が、前記装置が前記装置の使用時に被駆動素子と係合するときに第１の方向に前記被駆動素子を動かす十分な振幅を持つ楕円運動で動くことを特徴とする上記の装置。
【請求項１９】
請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の装置であって、圧電素子に印加される第２の電気的信号により共振器を励起し、これにより、前記選択した接触部分が、前記装置が前記装置の使用時に被駆動素子と係合するときに第２の方向に前記被駆動素子を動かすのに十分な振幅を持つ第２の、好ましくは楕円の、運動で動くことを特徴とする上記の装置。
【請求項２０】
請求項１５に記載の装置であって、前記側壁が前記開口部から湾曲して離れることを特徴とする上記の装置。
【請求項２１】
請求項１５に記載の装置であって、前記湾曲した側壁は、前記側壁の長さの実質的部分について一様な断面を持つことを特徴とする上記の装置。
【請求項２２】
請求項１５に記載の装置であって、前記湾曲している側壁が矩形の断面を持つことを特徴とする上記の装置。
【請求項２３】
請求項１５〜２２のいずれか一項に記載の装置であって、前記開口部は前記開口部の長軸上に向かい合う端壁を備え、前記側壁は前記長軸の向かい合う側にあることを特徴とする上記の装置。
【請求項２４】
共振器（２４）内に圧電素子（２２）を圧縮状態で置く方法であって、前記共振器（２４）は前記圧電素子を受け入れ圧縮されプレス嵌めされた状態にするような大きさにされた開口部（２８）を画定する端壁（３１）と側壁（２９）を有するものである該方法にして、
原状態の開口部（２８）内では該端壁（３１）間でそれ自体では前記圧電素子（２２）を押すことができなかった力で前記圧電素子（２２）を前記端壁（３１）間で押しつけるのを可能にするのに十分な程度に対向する端壁（３１）間の距離を増加させ、それにより前記側壁（２９）にそれらの弾性限界を超えて応力を加えながら前記圧電素子（２２）を圧縮状態に置くステップ、
を含むことを特徴とする上記方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、さらに前記端壁または前記圧電素子の対応する縁の少なくともいずれか１つに傾斜した面を設け、前記の少なくとも１つの傾斜面を係合させることにより前記圧電素子を前記開口部内に押し込むステップを含むことを特徴とする上記の方法。
【請求項２６】
請求項２４または２５に記載の方法であって、前記側壁が湾曲していることを特徴とする上記の方法。
【請求項２７】
請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の方法であって、前記共振器は前記開口部を通る長軸を持ち、前記側壁はその軸の向かい合う側面にあり、端壁は長軸にあることを特徴とする上記の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
−−発明の背景−−
小さなコンポーネントを動かすために、電磁モータを使用することが多いが、それは、比較的安価だからである。電磁モータは非常に高速に回転し、小さな力を加えるだけなので、実際のアプリケーションに必要な低速動作と大きな出力を発生する変速装置とともに常に使用される。この開示で述べている被駆動素子の動きとは、共通の方向への平行移動(translation)または回転運動のことであり、部品を前後に交互に動かしてその部分を振動させるだけで実質的動きを伴わない運動は含まない。モータは比較的安価であるが、可動部品点数が多く、そのため組立てが複雑で信頼性が低下し、また出力が低く変速装置が必要であるということでアプリケーションが制限されることはないが、多くのアプリケーションではコストが必要以上にかかる。さらに、これらのモータは大きすぎ、その動作もあまり正確でなく、騒音が大きい。そこで、より単純、より静粛、より安価なモータが求められている。
【０００２】
他の種類の小型モータとしては、電圧が材料に印加されたときに寸法を変化させることができる材料を使用する圧電モータがある。電気機械式マイクロモータでは、圧電セラミックスを使用して、振動モータと励振物体との間に摩擦接触を生じさせることにより直線運動または円運動を行わせる。これらの圧電モータは、少なくとも１つの機械式共振器と少なくとも１つの圧電アクチュエータで構成される。電気信号を発振することにより電気的に励起されたとき、アクチュエータは機械的振動を発生し、共振器がこの振動を増幅する。共振器を物体に接触させると、これらの振動により物体との接触領域に摩擦力が発生し、物体が動く。その結果生じる機械的出力の速度、方向、機械力は、接触領域内の振動の形態と周波数に左右される。これらの圧電モータが動作すると、所与の電圧について寸法に小さな変化が生じ、毎秒何万サイクルもの振動で運動することができる。こうした小さな運動から有用な力および運動を取り出すために、これまでさまざまな面倒で費用のかかる設計が使用されてきた。
【０００３】
圧電モータの一種に進行波モータがあるが、これは圧電材料内を進む波動を利用するものである。これらのモータの代表的なものは基本的に円板状の設計であり、生産コストが高い。これらのモータの形状とコストが応用を制限している。
【０００４】
他の種類の圧電モータは、圧電材料を所望の方向に動かすために入力信号の波形を特別な形状の波形にする必要がある。このような種類のモータの１つは、スティックスリップ駆動と呼ばれている。これらのモータは、摩擦で物体を動かすのに十分な比較的遅い速度で支えの上の物体を所望の方向に動かす圧電素子を有する。圧電素子にこの波形が印加されると、圧電物質がすばやく縮み、物体の下からその支えを効果的に引き出し、物体をその支えに対して滑らせる。このプロセスが繰り返され、運動を引き起こす。これらのモータは、動作に鋸歯状のまたは類似の波形が必要なため、複雑な電子装置が必要であり、コストが増大する。
【０００５】
さらに、圧電モータはほかに、インパクトドライブというものがあり、動きを与えるために該物体を繰り返し打つ。
【０００６】
圧電マイクロモータでは、圧電素子を使用して２つの独立振動モードを共振器内で励起させるのに用いることができる。各モードでは、共振器上の接触領域がある方向に沿って発振させられる。これらのモードは、多くの場合、それぞれの発振方向が互いに垂直になるように選択されている。２つの垂直振動を重ね合わせることで、接触領域がリサジューの図形（Lissajous figures）として知られる曲線に沿って動く。たとえば、両方の振動が同じ周波数を持ち、振動間に相対的位相シフトがない場合、重合せから生じる運動は直線運動である。周波数が同じで、相対的位相シフトが９０°の場合、得られる運動は、各振動の振幅が同一であれば円運動であり、そうでなければ楕円運動である。周波数が異なる場合、８の字曲線などの他の運動が生じる。
【０００７】
リサジューの図形を使用して８の字運動の駆動方式が製作された。これらの駆動方式では、振動素子の先端が８の字運動で動くように２つの周波数を含まなければならない電気信号を必要とする。その結果の電子装置は複雑で高価なものであり、該８の字運動を使用して物体の有用な運動を創り出すことは困難である。
【０００８】
他の物体を動かし、機械的出力を発生するには、円運動または角度の大きい楕円運動（ほとんど等しい半軸）が直線運動よりも好ましかった。そこで、従来技術の圧電マイクロモータは、一般に、約９０°の相対的位相シフトを持つ２つの垂直振動モードを採用している。これらのモードは、それぞれの共振周波数に近いところで励起し、その結果得られる機械出力は最大になる。２つのモードの間の相対位相シフトを−９０°に変化させた場合、楕円を横断する方向が逆転する。そのため共振器と接触する物体の運動もまた逆転する。しかし、これらのモータは、２つの別々の共振モードを励起するように配置され選択された２つの圧電ドライバを必要とする。これは、２組のドライバ、２組の電子駆動システム、各ドライバの位相を逆転する電子システムを必要とし、基本設計において、コンポーネントの場所が制限されている。
【０００９】
そのため従来技術には、棒状共振器に小さな圧電板が取り付けられている電気機械マイクロモータを含む。共振器は、棒の先端で可動体と接触する。アクチュエータは棒の長手方向モードと曲げモードを励起する。励振周波数は、相対位相シフトが９０°となるようにそれぞれのモードの２つの共振周波数の間で選択する。位相シフトは、共振器の機械的特性、特に機械的減衰特性により発生する。その結果得られる、共振器の先端の楕円運動は、楕円の半軸の１つと棒軸の位置が揃い、楕円の他の半軸が棒軸に対し垂直である運動になる。第２の圧電アクチュエータは、この楕円を横断する方向を逆転するのに使用され、共振器の別の位置に置かれる。第２の圧電アクチュエータは、同じ２つのモードを相対的位相シフト−９０°で励振するような配置である。
【００１０】
しかし残念なことに、このアクチュエータは、モータを向かい合う方向に駆動するために２組の電子装置を必要とし、２組の駆動圧電板を有するので、部品点数が多いだけでなく、システムの複雑さも大幅に増し、その結果このような種類のモータではコストが著しく増大する。このモータはさらに、駆動周波数を２つの共振周波数の間に収まるように選択されているため出力にも限界がある。そこで、より単純な電子回路、より少ない部品、より高い効率の振動モータに対する要求がある。
【００１１】
他の振動モータでは、圧電素子には素子の異なる部分に配置されたいくつかの電極があり、素子がいろいろな方向に歪むようにしている。そのため、たとえば、矩形圧電セラミック素子の４象限の各々において２つの振動モードを少なくとも２つの別々の独立励起電極により励起することができる。第２の電極の組を使用して、楕円を横断する方向を逆転する。得られる楕円運動は、楕円の半軸の１つとモータの長手方向の軸が揃い、楕円の他の半軸がその軸に対し垂直である運動になる。別のところで述べたように、半軸同士の比は、有利に５：１、１０：１または２０〜５０：１の比を有利に利用することによって、運動を大きくしたり、移動時間を短縮したりするのに使用でき好都合である。
【００１２】
しかしやはり、この運動を実施するために電子的接続部がいくつかあり、また部品も多いので、この種のモータはコストが高くなる。従来技術に比べて製造にかかるコストが低く、より製造しやすいマイクロモータを提供することが本発明のいくつかの観点からの所望である。
【００１３】
−−要  旨−−
本発明では、単一の圧電素子と機械式共振器を使用して所望の運動を実現する。圧電素子は、一対の電気接点を有する。圧電素子は、正弦波電気信号で励起され、このとき該素子、共振器、およびときには取付システムは、単一信号により少なくとも２つの振動モードが励起されて共振器が動く対象の物体と接触する領域で楕円運動を発生するように構成構成されている。
【００１４】
本発明の他の実施形態では、振動素子は、圧電素子と磁場に晒されたときに形状を変える磁歪素子を有する。
【００１５】
従来技術と異なり、楕円の半軸は共振器の長軸（長手方向の軸）と揃っておらず、またそれと垂直な方向にもないため有利である。また、２つのモード間の相対的位相シフトは、円形またはほとんど円形−楕円形の経路を得るために９０°に近い必要はない。それぞれの振動の振幅は、大きさが異なる場合がある。所与の周波数において、モータ２６は物体４２を一方向に動かす。別の周波数で動作している場合、モータ２６は物体４２を別の方向または異なる回転で動かす。好ましくは、物体４２を反対方向に動かすが、これは、ユーザの要求条件とモータ２６、その支え、および駆動される物体４２の設計により異なる。モータ２６をさらに高い周波数で動作させ、車軸の回転および／または平行移動（translation）など物体の運動をさらに発生させることが可能である。本開示における駆動される物体４２の動きは、共通方向への物体４２の平行移動または回転運動を意味し、物体４２を環状経路内で前後に交互に動かすだけで実質的平行移動または実質的回転を伴わない物体を揺らす動作を意味しない。
【００１６】
圧電素子は、一部機械的共振器の内側に取り付けられ素子を圧縮状態でプリロードする。圧電素子と機械的共振器を組み合わせたものをモータ、または振動素子と呼ぶ。単一駆動周波数により少なくとも２つの振動モードが励起され被駆動物体を駆動するために使用されるモータの所定の位置で第１の方向への楕円運動が発生するように、該素子と共振器との組合せを構成する。特に、振動モードは、通常、モータの長軸にそっており、第２の振動モードはそこを横断し、曲げまたはねじれを生じる。この運動を行わせるには、共振器と圧電素子とを適切な構成に設計するか、または場合によっては、共振器の長軸からのオフセットに駆動圧電素子を配置し軸方向の運動と曲がり運動を組み合わせた運動を発生させる。
【００１７】
共振器の遠位端３６の遠位縁４４での運動は通常最大であり、これを使用するのが好ましいが、モータの他の場所を使用することもできる。モータの反対側の端は近位端３５である。その結果、遠位縁は楕円経路内を動くが、これは、モータを第１の周波数で単一信号により励起したときに少なくとも２つの振動モードの組合せから生じる。さらにモータを第２の駆動周波数によりモータ内で２つの共振振動モードが励起されるように構成し、モータの所定の位置が楕円経路内で第１の楕円経路とは反対の方向に回転するようにする。
【００１８】
単一圧電素子および共振器はこうして単一の周波数で駆動され、振動モータの所定の場所で第１の楕円運動を発生する。圧電素子が第２の周波数で駆動されて振動モータの２つの共振振動モードを励起する。これにより、所定の位置が第２の楕円運動において第１の楕円運動と異なる、好ましくは反対の方向に、被駆動素子を所望の距離動かすのに十分なだけ動く。２つの楕円運動は通常、重ならない。この運動はモータのさまざまな位置で行わせることができ、しかも振幅も方向も変えられ、そのため、さまざまな配置によりそのモータで他の素子を駆動できる。
【００１９】
そのためモータは、物体を２つの反対の方向に動かすために単一圧電ドライバ、単一共振器、および２つの別々の周波数を必要とする。圧電ドライバと共振器の選択および構成の仕方によって、十分な大きさの共振または共振に近い振動を発生させ物体を所定の力で動かすことができる。モータの設計に工夫を加え、設計の簡素化、部品点数の削減、コストの低減、高効率化を達成している。
【００２０】
他の実施形態では、モータは駆動される物体に弾力的に押し付けられる。駆動される物体と接触するモータ上の所望の場所で所望の運動を行わせる場合に、取付方法に応じて取付け具は振動する質量の一部になることもあり、モータの共振振動モードに影響を与えることがある。
【００２１】
簡素化された振動システムが提供される。該システムは、それの使用時に被駆動素子と係合するように配置されている共振器と駆動的に連絡している振動源を有する。振動源は、圧電素子であるのが好ましいが、電気エネルギーを物理的運動に変換する他の素子、たとえば磁歪デバイスや電歪デバイスを使用することもできる。この説明では便宜上、圧電振動源を通常使用する。
【００２２】
振動素子および共振器は、振動素子に供給される第１の周波数の第１の信号により少なくとも２つの振動モードで同時に共振するように共振器を励起したときに、選択された接触部分が第１の楕円運動で動くように構成されている。その結果の楕円運動は、被駆動素子と選択された接触部分が被駆動素子を動かすことができる十分な接触を保ったときに被駆動素子を動かすことができる十分な振幅の運動である。これらの少なくとも２つの振動モードを選択するが、その際に、その少なくとも１つは第１の楕円運動を発生するように共振器の純粋な縦方向（長軸方向）モードまたは曲がりモードを含まないようにする。この開示で述べている被駆動素子の動き(movement)とは、共通の方向への平行移動または回転運動（motion）のことであり、部品を前後に交互に動かしてその部分を振動させるだけで実質的平行移動または回転を伴わない運動のことではない。
【００２３】
圧電素子および共振器は、圧電素子に供給される第２の周波数の第２の信号により少なくとも２つの振動モードで同時に共振するように励起したときに選択された接触部分が第２の楕円運動で所望の量だけ動くように構成するのが好ましい。これにより、単一の振動素子による被駆動素子の多自由度運動が可能になる。別の離散周波数で励起された追加振動モードを使用して、同じ選択された接触部分に、または異なる被駆動素子と係合する異なる選択された接触部分に異なる運動を伝えることができる。好ましい実施形態の一バージョンでは、共振器は選択された接触部分がその部材の遠位端の縁に配置される長い部材を有する。
【００２４】
この基本的組合せについていくつかのバリエーションを説明し、その後、他の特徴および利点についていくつか説明する。一バリエーションでは、基部と振動素子の間に差し挟まれ、システムの動作時に被駆動素子に対し振動素子を弾力的に押し付けるように配置された弾力性のある素子を有する。第１の周波数で共振器素子上にノードを作る振動モードを有する方法には利点があり、弾力性のある取付具を振動素子のノード部分に接続し、システムの動作時に被駆動素子に対し振動素子が弾力的に押し付けられるように配置する。さらに弾力性のある取付具を振動素子に接続する場所は、システムの動作時に被駆動素子に対し振動素子が弾力的に押し付けられるようにいぜんとして配置されているノード以外とすることもできる。弾力性のある取付けは、さまざまな振動モードの決定に役立つ。
【００２５】
圧電素子は、システムの動作時に共振器内に圧縮して保持されると有利である。好ましくは、圧電素子を共振器の開口部に圧入し（即ち、プレス嵌めし）、システムの動作時に圧電素子が圧縮状態になるようにする。このような圧入の他の利点は、システムの動作時に圧電素子を降伏点を超える応力がかかっている共振器の壁により圧縮状態に保つ場合に得られる。さらに他の利点は、壁を湾曲させることで得られる。また、圧電素子が圧電素子の縁の隣に傾斜面を持ち、共振器の開口部内に圧電素子を圧入しやすくなっている場合にも利点が得られる。
【００２６】
第１と第２の楕円運動は各々長軸と短軸を持ち、各楕円運動の長軸対短軸の比を約３：１〜１５０：１の範囲、好ましくは約４：１〜３０：１の範囲、理想的には約５：１〜１５：１の範囲とすると有利である。とりわけ利点として、高速な運動を可能にでき、またシステム設計の実装が簡単になる。長軸または短軸の１つを被駆動素子の運動の軸に揃えて、運動を最大化でき有利であるが、長軸を揃えるのが好ましい。
【００２７】
これらの楕円の長軸を振動素子の主軸に対するある角度で傾斜させ、その傾斜角度を一定範囲の駆動周波数にわたって維持することには利点がある。したがって、長軸と選択された接触部分の被駆動素子の接線との間の運動方向に沿う角度βが約２００Ｈｚ以上の周波数範囲にわたり第１の周波数のいずれかの側で約２５°以下だけ変化するようにシステム構成および傾斜角度を選択することには利点がある。角度βの変化を約１０度以下にすると有利である。
【００２８】
さらに、システムの設計をしやすくし、とりわけ性能が向上するように角度を変化させることにも利点がある。そこで、選択した接触部分が被駆動素子と係合駆動するときに角度βが約５〜８５°の範囲に収まるようにして、楕円運動の長軸を角度βにすることにも利点がある。これらの範囲のほとんどでは、角度βが約０〜５°の範囲のとき、また発生する同じ選択された接触部分を複数の運動に使用するときにその範囲を省略する。しかし、選択された接触部分が被駆動素子の運動の一方向のみを達成する場合、軸をより正確に揃えることができ、また被駆動運動の約０〜５°の範囲内で揃えることができる。
【００２９】
本発明の他の特徴として、ある範囲の駆動周波数で所望の運動を行い、コンポーネント使用時の誤差を低くし、コストを低減できるという点があげられる。そこで、共振器を振動させ振動を増幅する振動源を有する振動素子が提供される。共振器は、被駆動素子と係合し、振動素子の使用時に被駆動素子を駆動経路に沿って動かすように配置された選択された接触部分を有する。選択された接触部分は、振動源が第１の周波数で第１の電気信号により励起されたときに、第１の楕円経路内で動く。楕円経路は、第１の周波数が第１の周波数のいずれかの側の変化で約２００Ｈｚ以上のときに変化が約１０°未満の定義済み角度で振動素子の主軸と揃わない長軸および短軸を持つ。定義済み角度の変化は、第１の周波数の変化が２００Ｈｚのとき、望ましくは第１の周波数が２．５ｋＨｚ以上変化したときに、５°未満であるのが好ましい。
【００３０】
本発明の他の特徴も、この範囲の駆動周波数で使用できる。そこで、前のように、振動源は圧電素子であるのが好ましいが、他の素子を使用することもできる。運動は、純粋振動モードまたは重ねられた少なくとも２つの振動モードにより引き起こされるが、少なくとも１つの振動モードは純粋な縦モードまたは純粋な曲げモードではないのが好ましい。有利なことに、振動素子は振動素子を使用しているときに選択された接触部分が被駆動素子に弾力的に押し付けられるように配置された弾力性のある支えに接続されている。必要ならば、弾力性のある支えを使用して、楕円運動を発生する振動モードの定義をしやすくできる。
【００３１】
本発明の他の態様は、共振はずれ振動モードを使用して被駆動素子を動かすための振動コンポーネントを有する。振動コンポーネントは、振動素子を形成するために共振器に取り付けられた圧電振動源などの振動素子を有する。振動素子は、使用時に選択された接触部分を被駆動素子と係合するように配置されている。複数の圧電素子などさまざまな圧電振動源を使用して、選択された接触部分の所望の楕円運動を行わせることができる。しかし、第１の楕円経路内で動く選択された接触部分は、振動源が第１の電気信号で励起され重ね合わされている少なくとも２つの振動モードが第１の楕円経路を形成するときに長軸と短軸を持つのが好ましい。有利なことに、振動モードのうち少なくとも１つは、純粋な縦モードとは別であり、また純粋な曲げモードとも別である。さらに、この特定の態様については、少なくとも２つの振動モードのうちの少なくとも１つが共振はずれで、第１の電気信号は十分に増幅され、生じる楕円経路が使用時に被駆動素子を動かすことができる十分な増幅度を持つ少なくとも１つの共振はずれ振動モードが選択された接触部分の運動を発生させる。この共振はずれの特徴は、例を挙げると弾力性のある支え、圧入圧電素子、その他の特徴を含む本明細書で説明する他の特徴とともに使用することができる。
【００３２】
前の方で言及していないが、本発明のさまざまな実施形態と特徴に適用可能な特徴の１つに、選択された接触部分の楕円運動に大きな縦横比を使用するという方法がある。長軸と短軸の比は、約５：１以上が好ましく、１５：１および３０：１の比だと、運動を行わせることはできるが、次第に望ましくなくなると考えられる。縦横比が大きくなると、駆動運動は衝撃駆動にさらに似たものとなる。しかしながら、縦横比３：１〜１５０：１、あるいはそれ以上とすることが可能であり、本開示のさまざまな特徴および実施形態を使用して運動を行わせることができると考えられる。
【００３３】
本発明の他の態様の１つに、純粋な縦または純粋な曲げ以外の振動モードを使用する態様がある。そこで、本発明は、振動素子を形成するために共振器に取り付けられている振動源を有する。振動素子は、使用時に選択された接触部分を被駆動素子と係合するように配置されている。選択された接触部分は、振動源が第１の電気信号で励起され、少なくとも２つの振動モードを引き起こし、これらが重ね合わされて第１の楕円経路を形成するときに、長軸と短軸を持つ第１の楕円経路内で動く。この特定の態様では、振動モードのうち少なくとも１つは、純粋な縦モードとは別であり、また純粋な曲げモードとも別である。楕円運動は長軸と短軸を持ち、そのうち一方は第１の方向に被駆動素子の運動を引き起こすのに十分な量だけ方向が揃えられる。
【００３４】
別の言い方をすると、振動素子は、選択された接触部分を、各々長軸と短軸を持つ第１と第２の楕円経路内で動かすということである。長軸および短軸の少なくとも１つは、軸が関連づけられている楕円経路から生じる運動の方向と一致しない。純粋な曲げまたは純粋な縦モード以外の振動モードをこのように使用する場合は、例を挙げると弾力性のある支え、圧入圧電素子、その他の特徴を含む本明細書で説明する他の特徴とともに使用することができる。
【００３５】
本発明の他の態様は、振動素子と方向が揃わないが、傾斜した駆動素子および被駆動素子を使用する楕円運動を利用するというものである。そこで、少なくとも第１の方向に可動な被駆動素子を含む被駆動素子を動かすための振動システムを実現する。振動源は、振動素子を形成するために共振器に取り付けられ、振動素子は、被駆動素子と係合しそれを動かすために配置された選択された接触部分を有する。この特定の態様については、選択された接触部分は、長軸と短軸を持ち、少なくともその１つが振動素子の長軸と揃っていない第１の楕円経路内で動く。有利なことに、長軸は、選択された接触部分において第１の方向に被駆動素子の接線に対し角度αだけ傾斜している。角度αは、約１０°〜８０°の範囲であり、これは、選択された接触部分が被駆動素子と係合し駆動しているときのことである。この角度はさらに、後述のように精密化される。このような傾斜軸の使用は、例を挙げると弾力性のある支え、圧入圧電素子、その他の特徴を含む本明細書で説明する他の特徴とともに使用することができる。
【００３６】
本発明はさらに、上記の装置および利点を実装するための方法も含む。特に、選択された接触部分が被駆動素子と係合し駆動する振動素子を備え、選択された接触部分を第１の楕円運動内で動かすことにより被駆動素子を動かす振動システムを構成する方法を含む。この方法は、楕円運動の長軸と短軸の少なくとも一方が振動素子の運動の主軸と揃っていない局所座標系内のその楕円運動を分析するステップを含む。この方法では次に、システム設計を変更し、選択された接触部分の運動の方向に被駆動素子の接線に対して楕円軸の少なくとも１つを傾斜させ被駆動素子の許容可能な運動が十分得られる量だけ少なくとも１つの軸を接線により正確に揃える。この傾斜は、楕円運動を変更するか、または振動素子および被駆動素子あるいはその両方の相対的向きを変更することで行う。この傾斜は、振動システムの動作中保持される。
【００３７】
局所座標系を接線に関して配向することには利点がある。角度β1で指定されている第１の楕円運動の長軸の傾斜の角度を５°よりも大きい角度に設定し、振動素子と被駆動素子を約５°を超える角度αで互いに対して傾斜させることにも利点がある。
【００３８】
この方法はさらに、選択された接触部分が第２の楕円運動で動く振動素子を備えて所望の量だけ第２の方向に被駆動素子を動かすステップも含めることができる。この方法の他のバリエーションとして、第１の楕円運動と類似の方法で第２の楕円運動を分析する方法がある。そのため、第２の楕円運動を、第２の楕円運動の長軸と短軸の少なくとも一方が振動素子の運動の主軸と揃っていない局所座標系内で分析する。システム設計を変更し、選択された接触部分の第２の方向に被駆動素子の接線に対して第２の楕円軸の少なくとも１つを傾斜させ第２の方向に被駆動素子の許容可能な運動が十分得られる量だけ第２の楕円運動の少なくとも１つの軸を第２の方向の接線により正確に揃える。システムを使用するときに第２の楕円軸のその傾斜を維持すると好都合である。第１と第２の楕円軸のうち少なくとも一方の向きは、通常、一方向の被駆動素子の運動の最適さを下げてでも被駆動素子の他の方向への運動を改善するために選択された妥協の産物である。
【００３９】
分析方法ではさらに、接線に関して局所座標系を配向し、第１の楕円運動の長軸の傾斜角度を角度β1で指定し、振動素子と被駆動素子を約５°を超える角度αだけ互いに対して傾斜させることができる。第２の楕円運動の長軸の傾斜角度は、角度β2で指定することができ、β1とβ2の少なくとも１つは５°よりも大きい。角度β1とβ2の少なくとも１つは約５〜８５°の範囲であるのが好ましい。さらに、この方法では、振動素子の基部への取付けを弾力的なものにすることができる。ここで説明する他の特徴も使用できる。
【００４０】
本発明では、簡素化された駆動システムを使用できる。駆動システムの１つでは、圧電素子に取り付けられた誘導コイルを使用し、圧電素子の固有容量との連携により動作しＬ−Ｃ駆動回路を形成する。線コイルを振動素子に組み込み、さらにコイル線を振動素子に直列または並列に電気的接続する手段としても使用できる。
【００４１】
また本発明では、単純なドライバ装置を使用して、振動素子が固有容量を持つときの振動素子とその機械的共振器の動作を制御することができる。前述のように、圧電素子は固有容量を持つ。制御装置は、少なくとも１つのスイッチング素子を備え、ここで説明している正弦波信号などの所定の信号を印加することができる。さらに、振動素子を駆動する少なくとも１つの電気的共振器ドライバ回路があり、このドライバ回路は、スイッチング素子に電気的に結合され、そのスイッチング素子によりアクティブになる。最後に、少なくとも１つの誘導コイルがあり、このコイルは電気的に振動素子に結合され、振動素子の容量とともに電気的共振器を形成し、その信号が所定の周波数でドライバ回路を励起する。回路共振は、第１および第２（および他の）楕円運動を発生するために使用される第１と第２の周波数で第１と第２の信号で発生するように選択される。
【００４２】
コイルを振動素子に取り付けるか、または振動素子との共通の支えに取り付ける場合に利点がある。コイルが圧電素子または機械的共振器の一部を囲むようにするのが好ましい。さらに、ドライバ回路とスイッチング素子をコイルからの距離の４倍以上圧電素子から離して配置すると便利である。製作をいっそう簡単にするために、さらに、コイルを形成するために使用される同じ導電体で圧電素子をドライバ回路に並列または直列に接続できる。
【００４３】
さらに、他の実施形態では、圧電素子を駆動する複数の単方向電気的ゲートを有する圧電共振器ドライバ回路が提供される。ドライバ回路は、制御素子に電気的に結合され、それによって制御されるが、圧電素子は単方向ゲートの１つに電気的に結合されるか、またはペアとなる。誘導コイルなどの少なくとも１つの電磁気エネルギー保存素子を圧電素子に電気的に結合し、その電磁気的エネルギー保存素子が振動素子の容量とともに電気的共振器を形成するようにする。単方向電気的ゲートは、１つまたは複数のダイオードの形態をとり、負の電圧が圧電素子に加わるのを防止する。ドライバ回路は、選択された接触部分が被駆動素子と係合したときに第１の方向に被駆動素子を動かせる十分な振幅で選択された接触部分が振動素子により第１の楕円運動内で動くように選択した変調された所定の第１の共振周波数で共振するのが好ましい。ドライバ回路はさらに、選択された接触部分が被駆動素子と係合したときに第２の方向に被駆動素子を動かすことができる十分な振幅で選択された接触部分が振動素子により第２の楕円運動内で動くように選択した変調された所定の第２の共振周波数で共振するのが好ましい。さらに、抵抗器をインダクタおよび圧電素子および／またはゲート素子に電気的に結合し、圧電素子の入力電圧を所定の動作パラメータの範囲内に維持することができる。圧電素子内に負の電圧が発生するのを防止する向きで抵抗にダイオードを結合すると有利である。
【００４４】
制御回路によって実現される制御方法は、広い意味で、圧電素子と電気的に連絡する制御素子、およびインダクタと圧電素子の間で電気信号を交互発生するインダクタを配置するステップを含み、圧電素子はスイッチングされる共振Ｌ−Ｃ回路として機能する容量を備え、電気信号により第１の周波数で振動素子を共振駆動できる。インダクタの一部を共振器上に形成すると有利である。
【００４５】
振動素子の動作を制御する方法は、圧電素子と電気的に連絡する制御素子、およびインダクタと圧電素子の間で電気信号を交互発生するインダクタを配置するステップを含み、圧電素子はスイッチングされる共振Ｌ−Ｃ回路として機能する容量を備え、電気信号により第１の周波数で振動素子を共振駆動できる。この方法は、さらに、第１の周波数を選択するステップと、選択された接触部分が被駆動素子と係合したときに第１の方向に被駆動素子を動かすことができる十分な振幅で振動素子の選択された接触部分が振動素子により第１の楕円経路内で動くように構成するステップを含むことが好ましい。
【００４６】
第１の周波数で圧電素子を駆動する電圧が回路への供給電圧よりも大きいと有利である。さらに、この方法は、抵抗器を圧電素子と電気的に連絡するようにし、圧電素子に供給される電気信号の形状を定めるステップを含む。さらに、この方法で振動素子の一部の周りに少なくともインダクタの一部を形成することが好ましい。最後に、インダクタと圧電素子は、スイッチングされる共振Ｌ−Ｃ回路として機能する容量(capacitance)を提供して、第２の電気信号により第２の周波数で振動素子を共振駆動できるようにすることことが好ましく、第２の周波数は振動素子とその取付けの構成と併せて選択され、振動素子の選択された接触部分により、選択された接触部分が被駆動素子と係合したときに被駆動素子を第２の方向に動かすことができる十分な振幅で第２の楕円経路内で動く。
【００４７】
本発明はさらに、所定の力、所定の進行速度、所定の方法で被駆動素子を動かすことができるように支えられている被駆動素子を動かす振動システムを構成する方法も含む。このシステムでは、振動素子の選択された接触部分が被駆動素子と周期的に係合して、被駆動素子を動かすが、このとき選択された接触部分と被駆動素子のうちの一方が選択された接触部分および被駆動素子と弾力的に接触した状態に置かれた他方に弾力的に押し付けられる。弾力的接触は弾力的支えによって実現され、振動素子は電気エネルギーを直接物理的運動に変換する振動源によって振動させられる。振動素子は、共振器内に取り付けられた振動源を有していて、選択された接触部分は共振器上にある。
【００４８】
このシステムを構成する方法は、被駆動素子の所望の動きを行わせる選択された接触部分の所望の楕円運動を定義するステップを含む。振動素子および弾力性のある支えの少なくとも一方が、振動源に送られる第１の周波数の第１の信号により振動源が励起されたときに選択された接触部分が楕円経路内で動く十分な振幅と位相を持つ２つのモードで共振器が振動するように構成されている。楕円経路は、所望の楕円運動に十分近く、被駆動素子の運動は許容範囲にある。
【００４９】
この方法は、被駆動素子の第２の所望の動きを行わせる選択された接触部分の第２の所望の楕円運動を定義するステップを含む。振動素子および弾力性のある支えの少なくとも一方が、振動源に送られる第２の周波数の第２の信号により振動源が励起されたときに選択された接触部分が第２の楕円経路内で動く十分な振幅と位相を持つ２つのモードで共振器が振動するように構成されている。第２の楕円経路は、第２の所望の楕円運動に十分近くなるように選択され、被駆動素子の第２の動きは許容範囲にある。振動源は、圧電素子を有するものを選択するのが好ましい。さらに、選択した接触部分の所望の運動を行わせるように共振器を構成したり、所望の運動をするように弾力性のある支えと併せた共振器を構成することができる。
【００５０】
振動源が第１の信号により駆動されるときに第１の方向に被駆動素子を動かし、第２の信号により駆動されるときに第２の方向に被駆動素子を動かす選択された接触部分に加えて、選択された接触部分がさらに第１の周波数の単一の正弦波信号が印加されたときに第１の方向に動き、また第１の周波数が主周波数で、これに異なる周波数の複数の正弦波信号が重ね合わされるときに第１の方向に動くことができる場合にも利点が生じる。これら後者の場合、第２の信号は第１の信号と同時に発生しないか、さもなければ第１と第２の信号は同時に発生すれば振幅は実質的に異なる。
【００５１】
この方法はさらに、圧電素子を共振器の開口部に圧入することによりシステムの動作時に圧電素子を共振器内で圧縮状態にするステップを含む。これは、降伏点を超えるが、最終的強度点を超えないように共振器の壁に応力を加えることで行うのが好ましい。この方法はさらに、基部と振動素子の間に弾力性のある素子を挿入し、第１の周波数で励起時に被駆動素子に対し振動素子を弾力的に押し付けるステップを含む。上記の特徴および利点を実施する他の方法について以下で詳しく開示する。
【００５２】
本発明の他の方法には、振動源を共振器内に配置した振動モータを使用して物体を動かす方法が含まれる。この方法は、単一の電気信号が振動源に印加されたときに選択された接触部分の第１の楕円運動が発生する十分な振幅と位相の２つのモードで共振器が同時に振動するように構成することにより共振器の選択された接触部分を第１の楕円運動内で動かすステップを含む。この方法はさらに、選択された接触部分を被駆動素子と弾力的に接触するようにして被駆動素子を動かすステップを含む。さらに、この方法は、弾力性のある素子を共振器に接続し、被駆動素子に対し共振器を弾力的に押し付けるステップを含む。
【００５３】
この方法の他の態様には、振動源用に圧電素子を選択するステップと、圧電素子を共振器の開口部に圧入して圧縮状態にするステップが含まれる。この開口部は、圧電素子が開口部に圧入されたときに弾性限度を超えて応力が加えられた少なくとも２つの向かい合う壁により定義するのが好ましい。壁を湾曲するように選択した場合に利点がある。
【００５４】
振動源に圧電素子を使用すると、圧電物質の固有容量が、システム性能を維持したまま簡素化された制御システムを採用するのに役立つ。制御スイッチで振動素子を駆動する共振器ドライバ回路をアクティブにすることができるが、誘導コイルなどの少なくとも１つの電磁気エネルギー保存素子を振動素子に電気的に結合し、ドライバ回路がアクティブになったときに振動素子を駆動するようになっている。振動素子は、電磁気エネルギー保存素子が放電するときに電荷を増やし、コイルは、振動素子が放電しドライバ回路が振動素子をアクティブにしていないときに電荷を増やす。この構造は、基本的に、圧電素子と電気的に連絡する制御素子、およびインダクタと圧電素子の間で電気信号を交互発生するインダクタを配置し、その際に圧電素子はスイッチングされる共振Ｌ−Ｃ回路として機能する容量を提供し、電気信号により選択された接触部分において所望の楕円運動が生じるように選択した第１の周波数で振動素子を共振駆動できる。これにより、第１の周波数で圧電素子を駆動する電圧が制御素子に供給される電気信号の電圧よりも大きくすることができる。これと同じ回路を使用して、圧電素子の他の振動モードの電気信号を供給することができる。
【００５５】
さらに、コイルを振動素子に取り付けるか、または振動素子と同じ支えに取り付けることができる。有利なことに、このコイルは、振動素子の一部を囲むことができる。さらに、コイルは、圧電素子に直列または並列に接続できる。さらに、圧電ドライバ回路は、ダイオードなどの複数の単方向電気的ゲートを有することができ、圧電素子とペアにすることで、圧電素子にかかる負の電圧を防止するか、または少なくとも制限することができる。これらのドライバ回路では、選択された接触部分の所望の運動が行われるような周波数を選択する。
【００５６】
本発明ではさらに、被駆動素子を動かすために使用する振動装置の製造および組立ての態様についても改善している。これらの態様では、電気エネルギーを直接物理的運動に変換する振動源を使用している。振動素子を圧縮状態に保つため弾性限界を超えて応力が加えられている少なくとも２つの向かい合う側壁で定められる開口部を持つ共振器が提供される。振動源はその開口部内にあり、振動素子は動作時に定義済みのプリロード下の共振器により圧縮状態に保持される。振動源は開口部に圧入式が有利であり、圧電素子を有する。他の利点は、側壁を湾曲させている場合に得られる。
【００５７】
さらに、少なくとも２つの向かい合う縁が傾斜し、開口部の縁と係合するように配置され圧電素子の破損を極力抑えながら圧電素子を開口部に圧入しやすくなっている圧電素子を有すると有利である。損傷を減らすことは、特に、また傾斜した縁がない場合に圧電素子と共振器に発生することがある損傷を考慮すると特に望ましいことである。好ましいのは、開口部を定め、当接する壁に実質的に平行な表面を持つ少なくとも２つの向かい合う縁があり、傾斜した表面がそこから壁の１つに当接する接触面まで延びており、該接触面によりプリロードの力が加わることである。
【００５８】
一つの実施形態では、共振器は長軸を持つ開口部を有し、該開口部は長軸の向かい合う側の２つの側壁と長軸上の２つの向かい合う端壁で部分的に画定されている。圧電素子は向かい合う端壁により圧縮状態に保持され、各側壁はその弾性限界を超えて応力を加えられ、圧電素子を圧縮状態に保持する。共振器には選択された接触部分があり、これは、圧電素子がここで説明しているさまざまな電気信号により励起されたときに第１の楕円運動で動く。側壁が湾曲していて、しかも前記端壁の少なくとも１つまたは該端壁と係合する圧電素子の両端の２つの側面が圧電素子を開口部に圧入しやすくなるように傾斜していると、圧電素子が端壁の間に圧入され場合に利点となる。側壁をカーブさせ、圧電素子からまたは圧電素子に向かって曲がるようにできる。さらに、共振器を支える弾性素子の一部を端壁の１つと圧電素子の間に挿入できる。
【００５９】
本発明はさらに、共振器内で圧電素子を圧縮状態にする方法を含み、共振器は端壁と側壁を持ち、これにより、圧電素子を圧縮状態で受け取り、圧縮状態にするサイズの開口部を定める。この方法は、向かい合う端壁間の距離を長くし、端壁間の圧電素子が開口部の元の状態に戻らないような力で圧電素子を端壁間に力づくで入れ、それにより側壁を弾性限界を超えて押し付けながら圧電素子を圧縮状態にするステップを含む。この方法は、さらに、端壁または圧電素子の対応する縁のいずれか少なくとも１つに傾斜した面を設け、前記の少なくとも１つの傾斜面を係合させる係合させることにより圧電素子を開口部内に押し込むステップを含む。
【００６０】
さらに、この方法は、圧電素子を開口部に押し込みながら向かい合う端壁を引き離すステップも含むことができる。他の一実施形態では、この方法は、側壁を互いから離れるように曲げ、向かい合う湾曲した側壁を互いの方向へ押し付け端壁を互いから離し、圧電素子を端壁の間に入れるステップを含む。他の実施形態では、この方法は、側壁を互いの方向へ曲げ、向かい合う湾曲した側壁を押して互いから離して端壁を互いから離し、圧電素子を端壁の間に押し込むステップを含む。さまざまな方法はさらに、圧電素子と端壁の１つとの間に圧電素子用の弾力性のあるマウントを挿入するステップを含めることもできる。
【００６１】
さらに、共振器の開口部に圧入されるように構成した圧電素子を有すると有利である。開口部は、開口部を通る長軸の向かい合う側に配置されている側壁で定められ、第１の寸法だけ離されており、向かい合う端壁は長軸上に配置され、第２の寸法だけ離されている。圧電素子の第１の寸法は開口部の第１の寸法よりも小さく、第２の寸法は開口部の第２の寸法よりも大きく、圧電素子をその開口部に挿入したときに弾性限界を超えて側壁に応力が加わるように選択されている。圧電素子は、開口部に挿入するため圧電素子の位置を合わせたときに端壁の縁に位置的に対応する傾斜した縁を有する。また上記のさまざまなバリエーションは、湾曲した側壁、使用時に１つの端壁と圧電素子の間に挿入された共振器の弾力的な支え、および開口部に挿入できるように圧電素子の位置を合わせるときに位置的に端壁の縁に対応する少なくとも１つの傾斜した縁を含むこの実施形態とともに使用できる。
【００６２】
また、圧電アクチュエータとともに使用するための共振器２４を有すると有利である。該共振器は、圧電素子またはその他の振動源を受け入れられ、その素子を圧縮状態に保持できるサイズであって、連続する壁を有して外部からアクセス可能な開口部を有する。開口部は、任意選択であるが、一部、湾曲した向かい合う側壁で定めるのが好ましい。壁を、開口部およびその中の圧電素子に向けて、あるいはそこから遠ざかるように湾曲させることができる。側壁は、湾曲し、側壁の長さの実質的部分について一様な断面であるのが好ましい。実質的長さとは、長さの半分超、好ましくは、さらにそれより下、理想的には、端壁の接合部に到達するまでの全長である。断面は矩形であるのが好ましい。
【００６３】
本開示では、上記の特徴および利点と後述の特徴および利点を実施する他の方法も、当業者にとっては明白なことであろう。さらに、本発明の他の所望および特徴も、全体を通して類似の番号は類似の部分を指している、添付図面に関して行っている次の説明を考慮すると明白であろう。
【００６４】
−−図面の説明−−
図１の各図はそれぞれ本発明の第１の実施形態の側面平面図、側面斜視図、端面図、および底面図である。
図２は、図１の振動素子の上面図である。
図３は、図２の端面図である。
図４は、本発明の第２の実施形態の斜視図である。
図５は、Ｃ−クランプ構成を使用する本発明の第３の実施形態の側面図である。
【００６５】
図６は、複数の素子を駆動する本発明の第４の実施形態の斜視図である。
図７ａは、圧入圧電素子を含む本発明の振動素子の斜視図である。
図７ｂは、組立て時の図７の振動素子の拡大部分の図である。
図８は、圧入圧電素子を有する本発明の第５の実施形態の図である。
図９は、変形前の圧入実施形態の上面図である。
図１０は、円柱状楔による変形後の図９の実施形態の上面図である。
【００６６】
図１１は、図１０の１１−１１に沿った断面図である。
図１２は、矩形楔を使用する図９の代替実施形態の上面図である。
図１３は、共振器の軸からオフセットされている圧電素子を有する実施形態の図である。
図１４は、圧電素子からの力を共振器の中心線からオフセットする挿入物を有する実施形態の図である。
図１５は、共振器の軸に対して斜めになっている圧電素子を有する実施形態の図である。
【００６７】
図１６は、選択的に配置される複数の不活性素子の間に配置され、ねじ山付締め具で押し付けられている圧電素子を有する実施形態の図である。
図１７〜１９は、振動素子用のピボット付き支えを有する本発明の振動素子のサスペンション構成の図である。
図２０〜２１は、弾力的な支えを有する本発明の振動素子のサスペンション構成の図である。
図２２は、ピボット付き支えを有する本発明の振動素子のサスペンション構成の図である。
【００６８】
図２３〜２４は、部品の長軸が平行であるが、平面からずれている本発明の振動素子および被駆動素子の構成を示す図である。
図２５は、部品の長軸がある角度で傾斜している本発明の振動素子および被駆動素子の構成を示す図である。
図２６は、図２５の構成の端面図である。
図２７〜２９は、２つの振動素子が平行に配置されているが、被駆動素子の平面に対して平面からずれている構成を示す図である。
【００６９】
図３０は、２つの振動素子が同じ平面内に配置されているが、被駆動素子を含む平面からずれている構成を示す図である。
図３１は、被駆動素子が被駆動素子の上下に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、互いに向かい合うように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
図３２は、被駆動素子が被駆動素子の上下に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、同じ方向を向くように配置されている、２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
図３３は、被駆動素子が被駆動素子の１つの共通の側面に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、同じ方向を向くように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【００７０】
図３４は、被駆動素子が被駆動素子の１つの共通の側面に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、互いに向き合うように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
図３５は、被駆動素子が被駆動素子の反対側に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、同じ方向を向くように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
図３６は、図３５の構成の端面図である。
図３７〜４０は、３つの振動素子と１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【００７１】
図４１は、６つの振動素子と１つの被駆動素子の構成を示す正面図である。
図４２は、図４１の構成の左側面図である。
図４３は、本発明の選択された接触部分の楕円運動の図である。
図４４〜５１は、図４３に示されている接触部分の楕円運動に影響を及ぼすさまざまな態様のグラフィック表現である。
【００７２】
図５２は、圧電素子を受け入れるように開口部が形成されている共振器の同じ面の共振器内に溝がある振動素子の斜視図である。
図５３は、共振器内に溝があり、圧電素子を受け入れる湾曲した端を有する開口部を有する振動素子の斜視図である。
図５４は、共振器内の溝が広くなっている振動素子の斜視図である。
図５５は、圧電素子を受け入れるように形成された開口部と異なる共振器の面の共振器内に溝がある振動素子の斜視図である。
図５６は、圧電素子を受け入れるＨ字形開口部を有する振動素子の斜視図である。
【００７３】
図５７は、共振器内に２つのビーム（beam）を定める溝があり、圧  電素子は一方のビームに配置される、振動素子の斜視図である。
図５８は、共振器内に振動素子のパフォーマンスを変える穴がある振動素子の斜視図である。
図５９は、共振器の近位端部に大きな質量を持つ振動素子の斜視図である。
図６０は、圧電素子が配置される開口部を定める４つの側壁を有する振動素子の斜視図である。
図６１は、共振器内の空洞に圧電素子を収納している振動素子の断面図である。
【００７４】
図６２は、被駆動素子と係合する複数の選択された接触部分を有する振動素子の側面図である。
図６３〜６６は、本発明の振動素子に電子信号を送るシステムの電気配線図である。
図６７は、特別に構成された端部を有する圧電素子の平面側面図である。
図６８は、図６７の圧電素子の斜視図である。
図６９は、図６７〜６８の圧電素子を形成するために使用されるダイスの側面断面図である。
【００７５】
図７０は、本発明の別の実施形態の振動する駆動素子と振動する被駆動素子の概略図である。
図７１〜７２は、複数の位置感知構成の概略図である。
図７４は、本発明の共振器素子の断面図である。
図７５は、湾曲バネサスペンションシステムを有する振動素子の概略図である。
図７６は、圧電素子を共振器の開口部に圧入する手順を示す図である。
【００７６】
図７７は、本発明の圧電モータアセンブリの引き嵌め（pull-fit）プロセスを示す図である。
図７８は、本発明の圧電モータアセンブリの他の実施形態の図である。
図７９〜８１は、コイルが本発明のモータまたはモータコンポーネントに一体化しているか、または随伴している他の実施形態の図である。
図８２は、本発明の選択された接触部分の運動を示す図である。
【００７７】
−−詳細な説明−−
本発明のモータのいくつかの実施形態を説明し、その後、モータの動作および設計に関するいくつかの理論上および実用上の側面を説明する。図１〜３を参照すると、さまざまな場所で詳しく説明しているように、圧電モータアセンブリ２０は、電気エネルギーを巨視的機械的運動に変換する素子を有する。これを実現するために、単一の電気信号を使用し、振動素子の所定の場所で少なくとも２つの振動運動を発生させる。この少なくとも２つの振動運動の結果、所定の場所で楕円運動が生じる。この楕円運動は、楕円の長軸の方向への行程の少なくとも一部に対応する時間の間、振動素子が被駆動素子と係合し、その反対方向への行程に対応する時間の間、被駆動素子からはずれるか、またはそれを超えてスライドするように選択されている。第２の単一周波数により、第２の楕円運動が反対方向に発生し、被駆動素子を反対方向に動かす。所望の運動は、必要な楕円運動を決定するために使用され、システムのさまざまなコンポーネントは、その運動を実現するように設計されている。単一周波数を使用して楕円運動を発生させるため、得られる設計が簡素化され、したがって、低コスト、高信頼性のモータを製作できる。
【００７８】
モータアセンブリ２０は、電気エネルギーを直接物理的運動に変換する振動源２２を有する。振動源２２は圧電素子であることが好ましく、１塊の圧電材料を有してなるか、または多層圧電物質を有してなり、さまざまな素子の運動が組み合わさって所望の方向への動きを高める。圧電物質２２の形状はさまざまであるが、長手方向の軸２５が運動が最大となる方向に沿っていると有利である。圧電物質２２は、共振器２４に、好ましくはその内側に取り付ける。圧電物質２２および共振器２４は、振動素子２６、即ちモータ２６を有する。
【００７９】
圧電材料が好ましいのは、これが印加電圧に素早く反応するからである。所与の電圧に対し生じる偏向は、圧電物質の長さの約．１％以下と小さく、また他の方向にはさらに小さいが、その結果生じる力は大きく、振動共振を得ることができる。
【００８０】
振動源２２はさらに、電歪材料、磁歪材料（たとえば、ターフェノール
（Terfenol））や、励振に使用できるその他の材料を有することもできる。
【００８１】
振動源２２は、電気エネルギーを直接物理的運動に変換する材料またはデバイスを有することが好ましい。参照しやすくするため、振動源２２を圧電物質２２と呼び、ここで説明する。
【００８２】
モータ２６とモータアセンブリ２０とを混同しないようにするために、ほとんどの場合、「振動素子」２６という用語を使用して圧電素子２２と共振器２４の組合せを意味している。
【００８３】
共振器２４は、さまざまな形状を持つが、形状が矩形断面の直方体であるものとして描かれている。圧電物質２２を共振器２４の内側に取り付けるために、共振器２４内に空洞または開口２８を形成し圧電素子２２を保持するようにすると有用である。開口２８は、共振器２４の一部を完全に通り、矩形の開口を形成し、側壁２９は開口２８の側壁を定め、それらの側壁は開口２８を通って延びる長手軸の向かい合う側に配置され、端壁３１は開口２８を通って延びる長手軸上に配置されるように示されている。こうして、開口２８は、該開口を囲む連続する壁により都合よく画定されている。圧電物質２２との適切な電気的接続を行うが、該接続は各種の電気的接続でよいが、電線３０として示されている。
【００８４】
応力が加わっていない圧電物質２２に高電圧を印加すると圧電物質が損傷することがある。そこで、圧電物質２２を端壁３１により少なくともその長軸に沿って圧縮状態に置くと有利である。これによりさらに、プリロードが行われ、圧電物質の寿命と性能が最適化される。しかし、圧縮を必要としない、または圧縮を利用しない他の振動源を使用する場合は、圧縮力を必ずしも使用しない。圧電素子２２をプリロードする複数の方法については後述する。
【００８５】
圧電素子２２を圧縮状態にする作業を簡単にするため、開口２８を向かい合う側面で囲むと有利であり、また圧電物質２２の長軸の向かい合う末端部で囲むのが好ましい。この配置では、圧電物質２２に圧縮力を加えるために使用できる向かい合う面が提供される。圧電物質２２をプリロードする方法の１つに、共振器２４の近位端３５のねじ山付き開口にねじ３２を動くように通し、ねじの遠位端を動かして共振器２４の開口２８の一端に圧電物質２２をあてて圧縮する方法がある。圧電材料は脆いため、保護キャップ３４をねじ３２の遠位端と圧電物質２２の隣接する端との間に挿入する。キャップ３４は、圧電物質２２を壊したりひびを入らせたりしないでねじ３２を回転して圧電物質を圧縮することができる保護材料で製作されている。金属製キャップ３４が好ましいが、ねじ３２が回転することで生じる圧電物質２２の少なくとも一部の損傷を避けるためにある種の潤滑油を使用したり、回転適応設計を用いたりすると有利である。ねじおよび／または保護板を持たない圧電物質２２の他の締付け方法、たとえば、開口２８の伸縮などを利用できる。以下では別の方法を説明するが、本開示によれば当業者は他の方法もわかるであろう。
【００８６】
電圧を圧電素子２２に印加すると、その圧電素子は長軸２５に沿って延び、これによって、部分的に断面積の小さい側壁２９を延ばすことにより振動素子２６の長さも延ばす。圧電物質２２の振動は、振動素子２６の縦方向モードを励起し、これにより、ねじ３２と反対側の遠位端３６は長軸２５に沿って往復する。その縦方向の運動に加えて、長軸２５を横断する振動素子２６の曲げモードが励起される。図に示されている実施形態では、第１の好ましい曲げモードは矢印３８で示されている方向に発生し、図１に図解されている紙の平面内の長軸２５に垂直である。第２の好ましい横方向曲げモードは、図１に図解され、軸４０で示されている、紙に直交する軸に沿って発生する。実際、振動モードは多くの場合、複数の軸に沿った運動および複数の軸を中心とする回転を伴うさまざまなモードの組合せである。
【００８７】
本発明のコンポーネントは、さまざまなモードがそれぞれの共振周波数でまたはそれに非常に近い周波数で励起され、長軸２５および好ましくは横軸３８、４０のうち１つのみに沿って運動の振幅が大きくなるように構成すると有利である。後述のように、横方向の曲がりは、共振器２４に対する圧電物質２２の非対称的な配置または振動素子２６上に非対称的に配置された質量、または圧電素子２２の取付け、または所望の横方向運動と共振するように共振器２４を形作ること、または他のメカニズムにより励起できるが、これらのいくつかについては後述する。
【００８８】
図１〜２に示されている実施形態では、横軸３８に沿った運動は横軸４０に沿った運動よりも実質的に大きいことが好ましい。実質的に大きいとは、３倍の差、好ましくは１０倍の差を意味する。
【００８９】
被駆動素子４２は、振動素子２６の選択された接触部分４４と接触するように配置されている。図１〜２に示されているように、選択された接触部分４４は振動素子の縁を含むが、他の場所も使用可能である。ここで使用しているように、特記しない限り、「縁」という用語は複数の表面が合流するコーナー、たとえば、３つの平面が合流する（かつ３つの縁が合流する）断面が矩形の棒のコーナーを含むと解釈する。さらに、縁以外の接触する表面の他の形状を使用することもできる。たとえば、接触面４４が被駆動素子４２の係合面と平たく係合するように選択した角度で傾斜している面取りした表面も使用できる。本開示では、多数の構成を派生させ、係合面４４で被駆動素子４２の運動に必要な係合が保たれるようにする。
【００９０】
図に示されているように、被駆動素子４２は断面が円柱状の棒を有するが、他の形状の被駆動素子も使用できる。振動素子２６の中心線２５および棒４２の中心線４５は同じ平面内にあり、その平面内で測って約３０°の角度αだけ離されている。中心線２５、４５の向きと角度αは、特定の用途により異なる。角度αは、解析的に決定するのが困難であり、モータの設計に応じて調整するのが好ましい。通常は、１０°〜８０°の範囲であり、好ましくは２０°〜６０°の範囲である。被駆動素子４２は、被駆動素子４２の長軸４５に沿って動くことができるように支えられている。該被駆動部材は、振動素子２６に相対的に動くことができるように支えられており、実際には図に示されている実施形態において静止状態に保持されている。被駆動素子４２は、以下に詳述するように、軸４５に沿って平行移動する。
【００９１】
図に示されているように、被駆動素子４２の支えはホイール４６で行うことができ、これにより、軸４５に沿った運動に対する抵抗を低くしている。この支えは、ここではホイール４６上に傾斜した表面を置くことにより実現しており、これは棒状被駆動素子４２の湾曲した側面と当接し、棒が軸４５に沿って平行移動するとともに回転する。ホイールは、被駆動素子４２の選択された接触部分４４とは反対側駆動素子に配置され、さらに接触部分４４は軸４５に沿った方向に２つのホイール４６の間に配置され、ホイール４６および選択された接触部分４４は軸４５に沿う方向以外のすべての方向に被駆動素子４２の運動を制約する。ホイール４６はさらに、図７５に示されているように、回転軸６５を同軸とするホイールの平たい縁を使用して被駆動素子４２と接触することもできる。ホイール４６はさらに、被駆動素子４２を適宜支え、案内するように被駆動素子４２の隣接する部分の羽目合い形状と係合するように構成された輪郭外周を持つ。本開示により、運動可能な支えのさまざまな構成は当業者には明白であろう。
【００９２】
振動素子２６は、被駆動素子４２に弾力的に押し付けるのが好ましく、図１〜２はこれを実現する多数の方法のうちの１つを示す。選択された接触部分４４の楕円運動１００は、無制限の運動、接触部分４４が被駆動素子と係合するかしないかに関係なく発生する運動、および被駆動素子４２に押し付けられることに抵抗することに依存しないで行われる運動であるのが好ましい。しかしながら、選択された接触部分４４を弾力的に被駆動素子４２に押し付け、駆動部分と被駆動部分の駆動による係合を強めると有利である。
【００９３】
平坦な長いバネ材料でできているバネ５０を向かい合う端５０ａ、５０ｂを持つＬ字形に曲げる。バネの第１の端５０ａは基５２に留められている。バネの第２の端５０ｂは、振動素子２６の端に固定され、これを通して、ねじ３２が進み、バネ５０の端５０ｂ内の穴をねじが通る。端５０ａを含むバネ５０の第１の脚は一般に、振動素子２６の長軸に平行であり、端５０ｂを含むバネ５０の第２の脚は一般に、軸３８に平行であり、この２つの脚は一般に互いに垂直である。バネ５０により、振動素子２６は被駆動素子４２の選択された接触部分４４に弾力的に押し付けられる。端５０ａ、５０ｂの取付けの位置を変えることによって、振動素子２６が被駆動素子４２に押し付けられるプリロードを変化させることができる。後述のように、弾力性のある素子５０の形状、断面、場所、および形態はいろいろなものが考えられ、これを使用して、所望の振動モードを実現できる。
【００９４】
バネ５０は、振動素子２６の振動特性を最適化するとともに、十分な柔軟性をもたらして被駆動素子４２と振動素子２６の間の接触を確実なものとするように設計されている。モータアセンブリ２０の寿命を通じてこの接触および、定められている接触圧力範囲が維持される必要がある。バネ５０は、製作許容差および不確定性を補正すると有利であり、さらに、選択された接触部分４４における振動素子２６のサイズを減らすおそれのある摩耗を補償できる。
【００９５】
さらに後述するように、動作中の振動素子２６は振動のせいで一部の時間しか被駆動素子４２に接触しないことがあり、このような場合のためバネ５０は適当な係合が確実となるように設計されていることが好ましい。バネ定数およびバネの位置を使用して、接触および非接触時間の割合を調整できる。これにより、設計者は係合する部分４４と被駆動素子４２の間の係合が十分な力であって、モータアセンブリ２０の望む目標を達成するために十分な力で被駆動素子４２を動かすことができるようにモータアセンブリ２０を構成することができる。さらに、バネ５０など、接触部分を弾力的に押し付けて係合させる係合させる取付システムにより、選択された係合部分４４と被駆動素子４２の係合に影響を与える寸法を変化させることで対応できる。製作許容差がこのように柔軟なので、製作コストを低減し、位置合せ誤差およびコストを縮小できる。
【００９６】
図示されている実施形態では、ホイール４６は基部５２に接続されている軸に回転するように取り付けられている。本開示では被駆動素子４２を取り付ける他の方式も可能である。たとえば、基部５２が１または２以上の突起を支持するようにし、これらの突起には一直線に並ぶ穴が設けられ、しかもこれらの穴内にはリニアベアリングを配することが好ましいが、これらの穴を通って長い被駆動部材４２が延びるようにできる。この構成では、長い被駆動部材４２は軸に沿って平行移動するが、他の運動は制約される。モータは、２５×２５×５ｍｍ3程度またはそれ以上小さくすることができる。
【００９７】
［動作］：
図１〜２を主に参照すると、適当な周波数、波形、および電圧の電気信号を圧電素子２２に印加すると、振動素子２６は棒４２を動かし始める。図の実施形態では、好ましい波形は正弦波または方形波である。発生する直線運動の方向は、周波数により決定される。たとえば、一方の方向に約３５ｋＨｚ、他方の方向に約６０ｋＨｚで動作するモータアセンブリ２０は、さまざまな潜在的用途に適していると思われる。他の周波数の組も可能であり、モータアセンブリ２０の設計に関するさまざまな要因により変化する。動作周波数は、さまざまなコンポーネントの設計を変更することで変更することができ、人間やほとんどのペットの耳には聞こえないような動作周波数を選択する。動作電圧は、圧電物質２２またはその他の使用している振動源の種類に応じて異なる。最高最低振幅（peak-to-peak amplitude）６ボルトで動作する多層圧電物質２２は、さまざまな用途に有用であると信じられる。
【００９８】
圧電素子２２の振動により、振動素子２６が一方向に振動し、選択された接触部分４４は被駆動素子４２に対して楕円運動を行う。後述のように、第１の周波数で励起された圧電物質２２の振動により、振動素子２６が一方向に振動し、選択された接触部分４４は被駆動素子４２に対して第１の楕円運動１００ａを行う。楕円運動は、第１の信号で共振器２４の２つの共振モードを励起させることで実現され、所望の楕円運動１００ａを生じるが、この際にこの楕円運動を行わせるのに被駆動素子４２と係合させる必要がないのが好ましい。図１に示されているように、第１の楕円運動１００ａにより被駆動素子は右に動く。
【００９９】
さらに、第２の周波数で励起された圧電物質２２の振動により、振動素子２６が一方向に振動し、選択された接触部分４４が楕円運動１００ａと異なる方向および向きで、好ましくは（ただし任意選択である）、楕円運動１００ａのとは反対方向に、被駆動素子４２に対して第２の楕円運動１００ｂを引き起こす。図示されているように、第２の楕円運動は時計回りであり、図１に示されているように反対方向に、左へ、被駆動素子４２を動かす。通常、楕円運動１００ａ、１００ｂは重ならないが、異なる長軸および短軸、振幅、および向きを持つ。楕円運動１００ａ、１００ｂは重なるのが理想的である。楕円運動１００ａ、１００ｂは、選択された接触部分４４が被駆動素子４２と係合することを必要とせずに行われるのが好ましい。
【０１００】
その結果、選択された接触部分４４により、振動源が第１の信号で駆動されたときに被駆動素子４２は第１の方向に動き、振動源が第２の信号で駆動されたときに被駆動素子は第２の方向に動く。ただし、選択された接触部分がさらに、第１の周波数の単一正弦波信号が印加されたときに第１の方向に動くと有利である。さらに、選択された接触部分４４は、第１の周波数が主要な周波数であって、この周波数に異なる周波数の複数の正弦波信号が重ね合わされているときに第１の方向に動くこともできる。この後者の場合、第２の信号は第１の信号と同時に発生しないか、または第１の信号と同時に発生するとしても振幅が実質的に異なるか、のいずれかである。
【０１０１】
信号振幅が１０倍異なると実質的に異なると考えられ、振幅は１００倍以上異なることが好ましい。その結果、楕円運動１００は単純な正弦波信号で実現できる。別法としては、種々の周波数からなる複雑な信号―たとえば、鋸歯波形を発生するように重ね合わされている複雑な周波数―で実現できる。
【０１０２】
選択された接触部分４４と被駆動素子４２との駆動係合の際中は、楕円運動１００は、振動素子２６が被駆動素子４２に押し付けられる位相と、そうではない位相から成り立っていると考えられる。方向が被駆動素子の長軸４５に沿っている振動素子の運動成分は、一部、振動素子２６と被駆動素子４２との間の摩擦により被駆動素子に伝達される。第２の位相では、振動素子２６は反対方向に動く。この第２の位相では、振動素子は軸４５と平行ないかなる運動成分をも伝達しないが、それは、振動素子２６が被駆動素子に押し付けられないからである。
【０１０３】
他の振動モータの設計とは対照的に、必要な製作許容差は著しく緩いと考えられ、そのため、接触状況と非接触状況との交互発生に正確な製作を必要としない。設計により、特にバネおよび振動素子２６の質量を含めて、必要な均衡状態を作り出せる。
【０１０４】
高い周波数（３０ｋＨｚ超）および小さな運動では、接触を実際に測定することは難しいため、振動素子２６と被駆動素子４２とは常に接触している可能性があるとも考えられる。そのような状況では、被駆動素子４２の運動は、接触部分４４の楕円運動により選択された接触部分４４で引起こされる力の差により生じると考えられ、該楕円運動は一方向のみ、または主に一方向のみに合成力を提供し、それにより被駆動素子４２をその方向に駆動する。この楕円運動およびいくつかの設計態様の詳細は、後述する。
【０１０５】
実際のメカニズムがどうあれ、被駆動素子は直線運動をし、運動の方向は振動素子２６の選択された接触部分４４の運動により決定される。接触部分が反時計回りの楕円運動をする場合、被駆動素子４２は図１に示されているように右に動く。運動が時計回りの場合、反対方向に動く。
【０１０６】
振動素子２６を軸４０に沿って動くように励起することも可能であり、その結果、丸棒状被駆動素子４２の回転が生じる可能性がある。選択された接触部分４４の運動の相対的大きさに応じて、またその向きと被駆動素子４２との接触に応じて、またベアリング支えが適切に配置されている場合には、平行移動と回転の両方とも同時に発生しうる。
【０１０７】
さらに、図２を参照すると、最大の運動の軸が長軸２５となるようにする一方、横軸４０を次に大きな、但し他の有意な運動だけの軸として選択することが可能であると考えられる。その場合、モータアセンブリ２０により、棒状被駆動素子４２の長軸４５を中心とする回転が生じる。この回転運動を実現するために、選択された接触部分４４が、それの運動の実質的部分が被駆動素子４２の軸４５にほぼ直交する平面内にある楕円運動を与えて、回転運動を被駆動素子に与える必要がある。回転の方向もまた、選択された接触部分４４が楕円の形状をなす方向に依存する。
【０１０８】
さらに、最大の２つの運動、および有意な運動のみがある軸を横軸３８、４０として選択することが可能であると考えられる。この場合も、選択された接触部分４４が被駆動素子４２と係合して該素子４２を動きの一部の時間は長軸４５の回りを回転させ、また選択された接触部分４４の動きの他の時間の間は十分に係合をやめて運動または顕著な有害運動を防止する形で選択された接触部分４４の楕円運動を引き起こすことが可能である。
【０１０９】
代替実施形態は図４に示されており、長い駆動素子４２の代わりに、回転可能なホイール６０を取り付け、ホイール６０の適切に配置された被駆動面６２と接触する部分を持つ振動素子２６により駆動できるようにしている。この実施形態では、ホイール６０はベアリングの回転軸６５を中心に回転するように取り付けられている。被駆動面６２は、被駆動面６２ａの場合のように回転軸６５に直交する平面内に配置されているホイールの側面６４に置くか、または軸６５を同心軸とする表面６２ｂに沿って置くのが好ましい。ホイール６０は、歯車を含む、さまざまな素子を有することができる。振動素子２６の選択された接触部分４４は、被駆動面６２と係合し、回転軸の回りにホイール６０を動かす。ホイール６０は、接触部分４４がたどる楕円経路の周りを接触点の運動とは反対方向に回転する。そのため、振動素子２６の接触部分４４が時計回りに動くと、ホイール６０は反時計回りに動き、ホイール上にありかつ振動素子上にある接触部分は接触しながら同じ運動を共有する。
【０１１０】
図５は、他の実施形態を示している。モータアセンブリ２０は、Ｃクランプ７４の形状をした共振器２４を含む振動素子２６を有する。圧電素子２２は、クランプ内に保持される。運動を伝達するために、第１の電気信号により、圧電素子２２は振動素子２６内で動き、これにより接触部分４４は第１の楕円運動１００ａ内で動く。
【０１１１】
圧電素子２２はねじ３２で締め付けられ、ねじ３２は脚７３を通り、挿入板３４を押し付けて、圧電素子２２を板３４とＣクランプ共振器７４の反対側の脚７５との間に押しつける。この締付けにより、圧電素子２２内にプリロードが生じ、圧電素子２２の寿命と性能が向上し、好ましくは最適化される。
【０１１２】
圧電素子２２を保持しているＣクランプの脚７３、７５の剛性は似たものとすることができるが、異なる剛性だと有利である。
【０１１３】
一方の脚７３は少なくとも向かい合う脚７３よりも１０倍剛性があると有利である。脚７５は、柔軟であるほど、剛性の高い脚７３よりも大きな振幅で振動する。選択された接触部分４４は、剛性の低い脚７３に配置し、選択された接触部分４４での運動の振幅が大きくなるようにするのが好ましい。さらに、この構成では、脚７３には曲げ応力がかかり、最大の応力は脚の内側端部に隣接する。切り欠き７７は、脚７５が切り欠き７７を中心に旋回する（pivot）ように曲げを局所化するためにその位置の隣に配置することができる。
【０１１４】
バネ素子５０は、第１の端５０ａが基部５２に接続され、第２の端５２ｂが振動素子７６に接続され、振動素子と被駆動素子４２との接触を保つ。第２の端５０ｂは、ねじ３２の頭に接続されているように示されているが、共振器７６に対して他の接続方法を使用することもできる。この実施形態では、バネ５０は、引っ張りコイルバネとして示されている。共振器７４は、穴８０を通り、基部５２に入るピン７８により緩く留められており、共振器７４はピン７８を中心に旋回できる。ピン７８は、バネ５０の作用線からはずれており、接触部分４４は被駆動素子４２に弾力的に押し付けられる。
【０１１５】
バネ５０は、図に示されている構成では張力がかかっている。バネ５０の柔軟性は、被駆動素子４２と振動素子７４の間の接触を確実なものとする十分な範囲にある。モータアセンブリ２０の寿命の間この接触および、定められている接触圧力範囲が維持され有利である。バネ５０は、選択された接触部分４４の振動素子７６のサイズを減らすおそれのある製作不確定性および摩耗を補正するように設計されており有利である。
【０１１６】
被駆動素子４２が振動素子７６から分離するのを防止するために、基部５２に接続されているホイール４６は前述のように設けられている。代替方法として、基部５２は、被駆動素子４２が通る穴がある側壁８０を備え、被駆動素子を所望の平行移動軸に沿って動けるようにしながら支えることができる。側壁８０の穴は、摩擦を減らせる設計とすると有利であり、被駆動素子４２を支えるリニアベアリングを有することができる。側壁８０の穴を大きくし被駆動素子４２と永続的に接触しないようにした場合、これらは代わりに補助ベアリングとして機能し、被駆動素子４２が強制的に外力により振動素子２６内に押し込まれるのを防止し、サスペンションだけでなく振動素子２６をも破損するのを防止する。
【０１１７】
適当な周波数、波形、および電圧の電気信号を圧電素子２２に印加すると、振動素子４６は被駆動素子４２を動かし始める。発生する直線運動の方向は、周波数により決定される。後述のようにモータアセンブリ２０のさまざまなコンポーネントの構成を変更すると、動作周波数も変化する場合がある。図に示されている例では、丸棒４４を駆動するため６Ｖの最高最低振幅でモータアセンブリ２０を動作できる多層圧電素子を使用している。
【０１１８】
第１の周波数での圧電物質２２の振動により振動素子７６が一方向に振動し、選択された接触部分４４が被駆動素子４２に対して第１の楕円運動を行う。楕円運動は、振動素子７６を被駆動素子４２に押し付ける位相と、そうでない位相とから成り立ち、これについては後で詳述する。図のように選択された接触部分４４が反時計回りの楕円経路１００ａを動く場合、被駆動素子４２は図５に示されているように右に動く。
【０１１９】
第２の周波数で励起された圧電物質２２の振動により、振動素子２６が一方向に振動し、選択された接触部分４４は、楕円運動１００ａのとは反対の方向に被駆動素子４２に対して第２の楕円運動１００ｂを行う。図示されているように、第２の楕円運動は時計回りであり、図５に示されているように反対方向に、左へ、被駆動素子４２を動かす。通常、楕円運動１００ａ、１００ｂは重ならないが、異なる長軸および短軸、振幅、および向きを持つ。楕円運動１００ａ、１００ｂは重なるのが理想的である。振動素子２６は、第２の楕円運動１００ｂが、たとえば、被駆動素子４２を回転するために異なる向きとなるように構成することも可能である。
【０１２０】
詳細には、圧電素子２２の振動により、振動素子７６はピン７８を中心に発振を開始し、これにより、接触部分４４は上下運動、前後運動を楕円経路１００に沿って行う。上下運動および前後運動は、位相不一致であり、そのため接触部分４４は経路１００ａ、１００ｂのうち一方に沿って楕円運動をする。そのため、棒状の被駆動素子４２は運動を開始する。振動素子７６の回転は、接触部分４４と被駆動素子４２との相互作用により生じ、これは、ピンを中心とする角運動量保存と見なすことができる。
【０１２１】
図５の振動モータ２６を図４に示されているように回転する被駆動素子４２とともに使用することができ、また他の駆動構成で使用することもできる。
【０１２２】
図６は、振動素子２６が固定状態で取り付けられ、被駆動素子４２が弾力的に振動素子に押し付けられる他の実施形態を示している。被駆動素子４２が長い場合、また特に柔軟な棒または他の構造でできている場合には、被駆動素子を振動モータ２６に対して押し付けただけで、これらの部品は弾力的に押し付けられ接触し得る。それには、被駆動素子の柔軟性により本来弾力的に支えられるような被駆動素子４２の支えを必要とする。そうでない場合、被駆動素子４２に弾力的な支えを設けるか、または被駆動素子の柔軟性に加えて弾力的な支えを設けることができる。このような弾力的な支えは、バネ５０ａ、５０ｂにより概略が示されており、これらは、振動素子２６の選択された接触部分４４ａ、４４ｂに弾力的に押し付けられる。
【０１２３】
この実施形態では、振動素子２６は特別な形状で構成され、複数の、好ましくはいくつかの選択された接触部分４４ａ、４４ｂ、．．．４４ｎを有する。振動素子２６の種々の部分を使用して、特定の周波数で励起された自由振動モードから生じる所望の楕円運動１００を発生することができると、さまざまな構成が可能になる。複数の別々の励振周波数の各々について、異なる選択された接触部分４４を所定の楕円運動１００で共振させることができる。代替方法として、同じ選択された接触部分４４が異なる励振周波数で共振して楕円運動を但し異なる方向で引き起こしてもよい。該楕円運動は反対方向を向いていて被駆動素子の運動を逆転したものが好ましいが、他の運動もユーザの必要に応じて可能である。その結果、別々のかつ対応する選択された接触部分４４ａ〜４２ｎに弾力的に押し付けられている４２ａ〜４２ｎの複数の被駆動素子を個別に制御できる。
【０１２４】
たとえば、一方の被駆動素子４２ａを平行移動させ、他方の被駆動素子４２ｂを回転させることが、それぞれ選択された接触部分４４ａ、４４ｂで適切な向きを有する楕円経路１００ａ、１００ｂを生成する可能であると考えられる。楕円経路１００ａ、１００ｂは、圧電素子２２に単一の励振周波数を加えて発生させるのが好ましく、これにより、十分に共振した振動が発生し、楕円経路が生成される。代替方法としては、図の運動１００ａの発生に第１の励振周波数を必要とし、運動１００ｂを発生させるのに第２の励振周波数を使用する必要があるであろう。圧電物質２２で得られるさらに他の励振周波数を使用して、楕円運動の方向を変更して反対方向にたどるようにもできる。
【０１２５】
さらに、接触部分４４ａ、４４ｂは振動素子２６の遠位端３６に示されているが、接触部分４４は振動素子２６のさまざまな場所および向きに置くこともできる。これは、係合部分４４ｎと被駆動素子４２ｎにより図に示されているが、この場合被駆動素子４２ｎは回転し（たとえば、歯車を駆動する）か、または長軸に沿って平行移動する。
【０１２６】
これらの態様は、図６２の実施形態によりさらに例示されており、この図は、選択された接触部分４４が振動素子２６の遠位端３６で発生する必要のないことを示している。図６２では、振動素子２６は、１つまたは複数の選択された接触部分４４ｅを素子の長軸に沿って素子の周囲に有している。第２の１つまたは複数の選択された接触部分４４ｆは、振動素子の反対側の表面に配置されている。選択された接触部分４４は、振動素子２６の周囲部よりも少し盛り上がっている領域を有することが好ましい。円柱状シャフトなどの被駆動素子４２は、接触部分４４ｅと接触するように置かれる。図の実施形態では、振動素子２６と被駆動素子４２の軸２５、４５は、平行に揃えられ、同一平面上にあるが、必ずそうである必要はない。
【０１２７】
振動素子２６が第１の周波数で励起されたときに、接触部分は楕円経路１００ａで振動し、被駆動素子４２の運動が第１の方向に発生する。接触部分４４ｅは、接触部分４４ｆのとは反対の楕円経路内を動く。被駆動素子４２の運動をずらす（shift）ために、接触部分４４ｆと被駆動素子４２とを接触状態に置く。そのためには、振動素子２６と被駆動素子４２の一方または両方を動かす。振動素子２６の回転は、図の実施形態においては十分なものとなる。こうして、単一の励振周波数により、被駆動素子４２の動きの向きが反対になることがある。この実施形態ではさらに、振動素子２６と被駆動素子４２との接触が複数点接触になる場合のあることも示している。これは単一点接触に限られていない。また、たとえば、ベアリングを１つだけ使用して、駆動される棒４２を振動素子２６に対し２〜４点で押し付けることも可能である。接触部分４４の数が増えると、被駆動素子４２との摩擦による係合も強くなり、被駆動素子４２にさらに大きな力を加えることができ、そのため、被駆動素子４２によって大きな力を加えることができる。
【０１２８】
代替方法として、複数の被駆動素子４２を振動素子２６の異なる部分４４と接触するようにし、駆動される各物体について異なる運動を行わせることができる。さらに、振動素子２６を固定面に押し付けて、さまざまな接触部分４４（たとえば、４４ｅ、または４４ｆ）を選択することにより、振動素子および振動素子に接続されている物体を表面上でさまざまな方向に動かすことができる。
【０１２９】
[プリロードされたモータの構成]：
多くの場合、多層圧電素子２２を使用すると有利である。これらの素子２２は、断面形状が矩形であるのが好ましいが、正方形、円形など他の形状を使用することもできる。圧電素子２２は、プリントされた電極を有する複数の圧電物質層からなり、これらの層が互いの上に積み重ねられている。多くの場合、多数の圧電コンポーネントは、大きな積み重ねられた板を押圧し切断して多数の単一圧電素子を形成することにより同時に製作される。
【０１３０】
この製造方法の結果、圧電物質の機械的出力領域は通常、電極層に平行であり、また平坦でもある。多層圧電素子を使用するために、機械的プリロードを加えることが多い。そうすると、圧電素子の動的動き（dynamic movement）での層剥離が防止されるため圧電物質の寿命が延び、また圧電素子２２とこの圧電素子が取り付けられている共振器２４との間の接触も最適化される。そのため、圧電素子２２により発生する機械的運動は、接触ゾーンを通して共振器に効率よく伝達される。
【０１３１】
プリロードを発生させる方法はさまざまなものがある。２つの部分に分かれる共振器２４を使用できる。バネを使用し、圧電素子２２と圧縮されたバネを、溶接またはその他の方法で固定した共振器の２つの部分の間に挿入してプリロードを発生させる。この方法により永続的プリロードが発生する。
【０１３２】
プリロードを発生する他の方法が図１に示されており、そこでは、共振器２４で圧電素子２２に圧力を加えるようにすることでプリロードを発生させるのが好ましい。圧縮により確実に、圧電素子２２の振動は共振器２６と選択された接触部分４４に伝達される。さらに圧縮により、高電圧が印加されたときの圧電素子２２の破損が少なくとも一部回避できる。圧力は、圧電素子２２に加えられる軸力を力が作用する面積で割った値に等しい。この面積は、圧電素子２２と共振器２６の隣接部分との間の接触面積である。接触面積は測定が困難な場合があるため、特徴パラメータとして圧力ではなく力を使用するほうが簡単である。
【０１３３】
電流が圧電素子２２を流れない場合に圧電素子２２に加えられる力は、プリロードに反作用する側壁２９内の軸力に等しい静的プリロードと駆動される物体４２に押し付けられる接触面４４から生じる接触力からの荷重成分を含む。これらの力はすべて、変動する電流が圧電素子２２内を流れるときに変動する。
【０１３４】
圧電素子２２は、圧電素子２２のプリロードが圧電素子２２の最も能動的な方向になるように調節することができる。これは振動モータ２６が動作するために必要ではないが、この構成により最高の効率が得られる。図１に示されているビーム型振動素子２６の場合、最大の運動は、好ましくは長軸２５と一致した方向の３−３方向に発生するのが好ましい。
【０１３５】
ここで説明している圧電素子２２のプリロードを発生する方法は、（１）共振器２４内の圧電素子２２をねじ山付ファスナーまたはその他の押付けメカニズムで締め付ける、（２）シャフトの圧入に似た方法で力を加えて圧電素子２２をモータ体の穴に押し込む、および（３）それらの組合せなどである。他のプリロードメカニズムも使用できる。次の開示では、ここまで説明したねじ山付ファスナーについてさらに詳しく説明し、いくつかの圧入メカニズムと方法を説明する。楔を使用する方法と上記方法のいくつかのバリエーションで、この説明を締めくくる。
【０１３６】
[ねじ付きのプリロードデバイスと方法]：図１および図５は、ねじ山付ファスナーのプリロード方法および装置を示しており、これについて後述する。共振器素子２６は、圧電素子２２を収納できるように穴、空洞、または開口２８が形成されている構成である。共振器は、さまざまな形状、たとえば、断面が丸形、正方形、矩形、または多角形である。開口２８は、すべての寸法について圧電素子２２よりも大きい。ねじ山付ファスナー３２は固定物体の穴を通して延ばされ、ねじ山付ファスナー３２の遠位端により圧電素子２２が共振器２４に押し付けられる。ねじ山付ファスナー３２は、共振器のねじ穴を通り、圧電素子２２に押し付けられる板３４に直接当接すると有利である。
【０１３７】
部品を組み立てると、ねじ山付ファスナー３２を締め付けることで圧電素子２２内にプリロードを発生させることができる。ねじ山付ファスナー３２を既知のトルクで締め付けることによりプリロードを近似計算できる。ねじ山付ファスナー３２は、圧電物質２２の長軸と一列に配される必要はないが、さまざまな方法でずらしねじ山付ファスナーを締め付けて２つの物体を互いに押し合うようにして圧電素子２２を圧縮することができる。さまざまな他のメカニズムを使用して、圧電素子２２を圧縮状態にできる。他のプリロードメカニズムについては後述する。
【０１３８】
[単軸応力圧入プリロードデバイスおよび方法]：圧電素子２２の圧入の複数の態様について、図７ａを参照して説明する。共振器２４は、圧電素子２２の穴または開口２８が共振器内に形成される設計であり、側壁２９により開口の側面が定められている。開口２８は、圧電素子２２の軸方向には、圧電素子２２と開口２８に圧入する他の素子との組み合わせた長さよりも少し小さい。共振器２４と開口２８に圧入される部品との間の必要な締め代は、すべての部品の幾何学的形状と寸法、さらに共振器２４の材質の弾性歪みによって異なる。
【０１３９】
図７ｂを参照すると、圧電素子２２は直接、共振器２４に圧入できる。
【０１４０】
この圧入は、圧電素子２２の少なくとも１つの隣接する縁と開口２８の羽目合い部分の共振器２４の端壁の間に傾斜した接触領域を配置するテーパ付きの表面８２を用意することで簡単に行える。傾斜面８２は、オフセット接触型（offset， abutting-type）の締め代を回避し、圧入の開始時に滑り締め代が生じる。この圧入を行うための改善された方法について後述する。このプリロードメカニズムおよび方法では、圧電素子２２の接触面に対し大きな剪断応力が発生する。圧電材料は脆いため、圧電素子２２にひび割れが生じることがある。このような剪断応力を回避し、圧電素子２２を保護するために、あまり脆くない材料８４（図７ａ）、たとえば金属、好ましくは鋼鉄からなるストリップ状の２枚の板の間に圧電素子２２をはさんで同時に押し込むことも可能である。材料８４のストリップは、圧電素子２２および振動素子２６の配置構成に適したさまざまな形状をとることができる。保護キャップ８４も、圧電素子２２を開口２８内に導き入れ、それにより部品のテーパを不要にするために使用することができ有利である。材料８４のストリップの１つは、振動素子２６を基部５２に接続するバネ５０の端５０ｂを有すると有利である。
【０１４１】
圧電素子２２および任意の端保護材８４を開口２８に挿入したときに、側壁２９は長い素子２２と任意の端保護材８４を収納できるように引き延ばされる。引き延ばされた側壁２９は、バネとして作用し、圧電素子２２上のプリロードを維持する。理想的には、圧電素子２２へのプリロードは、側壁２９の断面寸法を知り、側壁２９の弾性歪みを生じる締め代を、即ち側壁内の既知の応力とプリロードを固定することで指定できる。そのため、プリロードは、この応力に側壁２９の合計断面積をかけた値に等しい。
【０１４２】
残念なことに、この方法は、長さが１インチ以下の小さな振動素子２６に必要な締め代は、妥当なコストで従来の機械加工プロセスにより得られる許容差を超える、０．０００１インチ程度で小さすぎる可能性があるため実用的でない。振動素子が大きい場合、プリロードが大きくなり、寸法を大きくとる必要が生じるが、これらの寸法にするために必要な精度は、同様に小さな許容差を必要とする可能性が高く、したがって、高価な機械加工や研磨作業を必要とする。これは一部、締め代の変動が小さいと、側壁２９が応力歪み曲線の弾性部分内にあり、圧電素子２２が伸縮したときにバネとして作用する場合に、プリロードの差が大きくなることが原因である。
【０１４３】
このような欠点があるため、振動素子２６の長さ部分と開口２８の間の締め代を十分に大きくし、開口２８を形成する側壁２９に対し降伏強度を超え最終的引っ張り強さ以下の応力が加わるようにし、許容可能な製品寿命が得られる疲労強度以下の十分な量とするのが望ましい。降伏強度を超える応力が加わった場合、側壁２９は、開口２８または圧電素子２２または端保護材８４の寸法が変化するとしてもプリロードを比較的一定に保つ。このため、製作許容差が緩められ、製造が大幅に簡素化され、コストが著しく低減される。
【０１４４】
降伏から、側壁２９のネッキングが開始する地点までの応力歪み曲線の塑性部分を使用して、所望のプリロードを発生させることができる。降伏後、ネッキング前に発生する歪みの使用可能な部分は、歪みを生じている弾性部分よりも少なくとも１０倍大きい。これは、すべての非鉄金属に適用されることが考えられ、共振器２４の好ましい材料であり、アルミニウムが最も好ましい非鉄金属である。鉄金属および一部の非金属材料も使用できる。
【０１４５】
この方法を使用すると、振動素子２６と開口２８の間の締まり嵌めの必要な許容差が著しく緩められる。さらに、降伏点よりも上の応力歪み曲線の勾配は弾性部分に比べてかなり小さくなる。そこで、プリロードもまた締め代の大きさにそれほど大きく依存しない。この方法と設計を用いると、プリロードを降伏強度に図の構成の側壁２９の合計断面積をかけた値として推定できる。他の構成では、また別の計算が必要になるが、このような計算は当業者であれば知っており、したがってここでは詳述しない。
【０１４６】
圧入方法は、ねじ山付ファスナーを使用して圧電素子２２にプリロードをかけるのに比べていくつかの利点がある。圧入された圧電素子２２の性能は、プリロードと接触領域がより適切に定義されるため反復性に優れる。さらに、圧入圧電素子２２のプリロードは、簡単に計算でき、製作許容差に大きく依存しない。圧入方法ではさらに、モータ部品の合計点数も減らすことができるが、それは、端５０ｂを使用して圧電素子２２を開口２８に圧入するときにバネ５０を振動素子５０に別々に締め付ける必要がないからである。さらに、振動素子２６の組立ては、ねじ山付ファスナー３２が不要になり、振動時の締付けおよび緩めの不確定性がなくなるため簡単に行える。ねじ山付ファスナー３２をなくすと、さらに、テーパ付きの穴も不要になり、製造コストが低減される。
【０１４７】
図１に示されている振動素子２６は、開口２８の向かい合う側に２つのまっすぐな側壁２９を有する。これらの側壁は、各コーナーのビームなど、異なる構成を有し得る。しかし、これらの構成では、側壁２９はまっすぐであり、一般に、圧電素子２２の長軸に平行である。そのため、側壁は圧電素子２２のプリロードおよび動作時に主に一軸張力がそのままかかる。
【０１４８】
[圧入プリロードの湾曲ビーム構成]２つの側壁が湾曲して圧電素子からも互いから離れた代替構成にもいくつかの利点がある。これら２つの一般的な種類の振動素子２６の圧入動作は違わない。しかし、基本構成から得られる利点は、後述のように大きく異なる場合がある。問題の原因と、いくつかの部分的解決法についてまず説明し、その後、湾曲した側壁２９の利点について図８に関して説明する。
【０１４９】
図７を参照すると、圧電素子２２にかかるプリロードは、材料の降伏強度に側壁２９の合計断面積を掛けた値として評価されるが、それは側壁にかかる応力が一軸張力だからである。つまり、側壁２９の断面全体に同じ応力が加わるということである。側壁２９が同じ断面積を持ち、長軸が振動素子２６の長軸２５と一致するように圧電素子２２を押し付けた場合、側壁２９もまた同じ力および同じ応力を受ける。側壁２９の断面積が一定であれば、応力も振動素子の長軸２５に沿って測定された側壁の長さにわたって一定である。
【０１５０】
圧電素子２２は、共振器２４と選択された駆動部分４４を動かし、被駆動素子４２を動かす十分な物理的変位を発生する必要がある。側壁２９はバネとして作用し圧電素子２２にプリロードを発生させるので、プリロードの一部を克服し、振動素子２６を延ばし、選択された接触部分を動かす必要がある。側壁２９の剛性が大きすぎる場合、圧電素子２２の大きすぎるエネルギーは側壁２９に押し付ける際に消費され、選択された接触部分４４および被駆動素子４２の動きに伝達される振動エネルギーの量が減ることがある。
【０１５１】
長さ約１インチ（２．５４ｃｍ）以下と小さな振動素子２６では、圧電素子２２に最大の力が加わり、また側壁２９を降伏領域に置きたいため、側壁２９が０．０１インチ（．２５ｍｍ）程度の厚さを持つように構成される。このような寸法またはそれより小さい寸法では、アルミニウムの部品製造が不正確になり、側壁２９の厚さの割合が著しく異なることがある。そのため、断面積の小さな領域に大きな応力が加わり、最終的に、最も小さな断面積に応力と歪みが集中することになる。このように応力と歪みが側壁２９の短いセクションに集中すると、圧入動作時にこの領域にネッキングが発生する可能性が高まる。
【０１５２】
ネッキングは、いくつかの理由から望ましくない。モータアセンブリ２０の取扱い、温度変化、または動作により発生する側壁２９内のすべての他の歪みが非常に短いネッキング領域に集中するため、ネッキング領域に大きな応力および歪みが発生すると、モータアセンブリ２０の動作時に疲れ破壊を起こす可能性がある。さらに、ネッキングが発生すると、側壁２９および振動素子２６の幾何学的形状したがって振動が変化し、モータアセンブリ２０の性能が変わる場合がある。
【０１５３】
側壁２９に主に一軸の張力がかかっている振動素子２４の疲労破壊は、ネッキングが存在していなくても問題となる。側壁２９は降伏状態に置かれるため、モータ動作時の疲労平均応力は材料の降伏強度に近い。３０ｋＨｚ〜９０ｋＨｚで動作することから圧電素子２２により発生するたわみ（deflections）は数百ナノメートル程度であるため応力の振幅は非常に小さい。高い周波数では、動作サイクルが非常に大きくなるが、振幅は非常に小さい。鉄金属は応力疲労限度を持ち、この応力疲労限度以下で動作すると、疲労破壊を被らないで済む。アルミニウム、その他の非鉄金属の疲労限度は観察されていない（少なくとも、１億サイクル以上で）。モータ２０は数１０キロヘルツの範囲の周波数で動作し、この範囲では低振幅のサイクルであるにもかかわらず、モータが１０億応力振幅サイクルを超えるのに数時間を要しないため、モータが小さな応力振幅において究極的に材料に疲労破壊が生じることがあるという問題が残っている。
【０１５４】
ここで公開されている疲労データは利用できないが、このようなモータでの疲労破壊は１０億サイクルを超えるときに認められており、疲労破壊に対する対策を講じることが望ましいことを示している。断面の寸法がほとんど一定の側壁２９を製作する製造プロセスを使用した場合、側壁の単に小さな一領域の代わりに側壁２９全体が応力および歪みを吸収できるようにすることで疲労特性が改善される。側壁２９の表面仕上げを改善する方法も、ひび割れ発生部位の数を減らすことで役立つ。側壁を同じ断面積にし、圧電素子２２を中心に置くよう注意することで側壁に対し等しい応力をかけるようにすることでも、疲労破壊を避けられる。
【０１５５】
図８を参照すると、ここで説明しているモータ２２とともに使用できる振動素子２６ｐが示されている。振動素子２６ｐは、湾曲した側壁２９ｐを備え、これは、圧電素子２２が共振器２６ｐの開口２８ｐに押し込まれたときに、さらに複雑な応力状態に置かれる。開口２８ｐは、向かい合う平坦な部分３１を備え、圧電素子２２の端に隣接し、湾曲した側壁２９ｐをなす。そこで開口２８ｐは、一般に円形であるが、２つの向かい合う平面は圧電素子２２の長軸に対応する軸２５ｐに直交する配置になっている。共振器２４ｐの残り部分は、選択された接触部分４４の望む運動および配置に適したさまざまな構成を持つことができる。ここで、湾曲した側壁２９ｐによって定められる開口２８ｐ以外の矩形構成を持つ共振器２４ｐを示す。湾曲した側壁は、湾曲した長さに沿って一様な断面を持ち、図に示された構成は断面が湾曲した側壁の長さに沿って矩形である。湾曲した側壁は、側壁の長さの実質的部分について一様な断面を持つのが好ましい。ここで使用しているように、実質的な長さとは、側壁２９の長さの半分を超える長さを指していると有利であり、側壁２９の長さの７５％を指すのが好ましく、また端壁３１の間の側壁２９の長さの９０％超を指しているのが理想的である。
【０１５６】
湾曲している側壁２９ｐについても、応力状態は一軸として近似することができるが、側壁の応力は一様でなく、実際には曲げ応力と軸応力の組合せである。これらの応力は、古典的なビーム理論計算を使用して求めることができる。代替方法として、側壁の変形は有限素子法（finite element methods）またはカスティリャーノ（Castigliano）の理論により近似できる。
【０１５７】
本実施形態では、側壁２９も圧電素子２２および保護板８４の圧入時に塑性変形させて、締まり嵌めの量の差の小ささに関係なく、プリロードをおおよそ一定にすると有利である。しかし、振動素子２６ｐの側壁２９ｐには応力の加わり方が一様でないが、その代わりに、曲げられて湾曲したビームのように応力がかかる。側壁２９ｐの湾曲構成では常に、最大の応力が、共振器２４の本体を結合する湾曲した壁２９ｐの端部において側壁２９ｐの外面および内面にかかる。これらの応力は、基本的に、湾曲した壁２９ｐが共振器２４本体の残りの部分との結合部で発生する。これらの応力は、開口２８ｐを形成する壁２９ｐの内側、さらに壁２９ｐの外側でも発生する。壁が湾曲しているので、各側壁２９ｐに最大応力８６が生じる画定した領域が４個所生じ、そのうち２つは壁の内側に、後の２つは壁の外側に生じる。
【０１５８】
これは、圧電素子２２を開口２８ｐに圧入したときに側壁２９の断面全体が同時に塑性変形に到達するのではなく、これらの領域が塑性変形に最初に到達することを意味していることは明白である。この局在的曲げは有利な結果をもたらす場合がある。
【０１５９】
振動素子２６ｐは、図７ａの振動素子２６に勝るいくつかの利点を持つ。側壁２９ｐは湾曲しているため、まっすぐな側壁２９よりもかなり厚く、それでも、圧電素子２２に同じプリロードが発生する。これは、製造にもよく、また振動素子２６ｐの疲労寿命にもよい。壁が厚いほど、疲労寿命が延びるが、それは、小さい材料の欠陥や製造誤差はそれに比例して小さくなるからである。このような材料の欠陥および製造誤差は、疲労破壊に至るひび割れ発生の最も発生確率の高い場所である。
【０１６０】
さらに、高いサイクル疲労で、疲労寿命の大半はひび割れの発生に費やされ、壁が厚いほどそのひび割れ発生が少なくなる。さらに、疲労ひび割れは、最高の応力がかかっている壁部分から始まる。壁２９ｐでは、最大応力の場所は、上述のように知られており、応力集中を低減するステップを実行できる。たとえば、これらの高応力領域での応力集中を低減するために、側壁２９ｐに隅肉または丸くした接合部８８を持たせ、図８に示されているように、壁２９ｐの内側と外側の両方で壁を隣接させるのが好ましい。限界応力領域が知られており、補強するか、または応力除去ステップを適用することができるため、振動素子２６ｐでは、機械加工した表面仕上げ以上のものを必要としなくてよいと考えられる。研磨された表面の費用と労力は必要なものと考えられない。
【０１６１】
さらに、ネッキングも、振動素子２６ｐでは重大な問題ではない。というのは、側壁２９ｐの厚さに対し非一様な応力が分布しているからである。振動素子２６ｐはさらに側壁２９ｐのバネ定数、軸偏向（かたより）で割った軸力、は図７ａの側壁２６に比較して低い。バネ定数が小さいと、圧電素子２２は側壁２９、２９ｐで形成されるプリロードバネに対し押す際にではなく被駆動素子４２を動かす際により多くのエネルギーを消費する。こうした理由から、まっすぐな一軸張力側壁２９ではなく湾曲した側壁２９ｐを使用すると有利であるのである。側壁２９ｐは、曲率が一様であり、開口２８ｐを通る縦の中心線２５ｐの部分を中心として対称的であるのが好ましい。まっすぐな側壁と比較すると、湾曲した側壁はさらに、開口２８を大きく横に広げられる（弾力的にまたは塑性的に）。
【０１６２】
[楔プリロード法と設計]：
図９〜１１を参照し、楔効果を使用した方法と装置を図１の構成の共振器を使用して説明する。そこで共振器２４は、矩形開口２８が長軸２５に沿って対称的に位置が揃えられている矩形体として示されている。他の形状も使用できる。開口２４は、図１０に反映されているように長軸に沿って測定したときに圧電素子２２および保護キャップ８４よりもわずかに大きい。少しの圧入であれば許容可能である。穴９０は、共振器２４を貫いて開口２８の一端に配置される。穴９０は、ここでは、駆動端４４（図１）の反対側の、バネ５０（図１）に接続された端に隣接する、共振器２４の端に配置されているものとして示されている。
【０１６３】
図１０〜１１に示されているように、楔９２は穴９０に力ずくで押し込まれ、穴９２と開口２８の隣接する端が十分に変形する。図からわかるように、穴と楔は両方とも円柱状で、開口２８の端の隣に配置され、長軸に沿って膨れて開口２８に入り、開口２８内で圧電素子２２を十分に圧縮する。基本的に、楔により、開口２８の一方の壁が歪み、圧電物質が圧縮状態になる。介在する保護板３４（図１）は、圧電素子２２の一端または両端で使用するか、または省くことができる。
【０１６４】
円柱状の穴および楔の寸法は正確に制御され共振器２４上に配置できるため、また部品の材料特性が知られており予測可能であるため、開口２８の正確な変形が得られる。側壁２９にかかる力を均等に保つ場合、歪みは対称的である必要がある。しかし、圧電素子２２の力が共振器２４に対して作用する軸を潜在的に傾斜させるためにオフセット圧縮が望ましい場合、穴９０を長軸２５からずらすことができる。
【０１６５】
図１２を参照すると、穴は円形である必要はなく、矩形の溝を有する有することができ、楔９２はそれに対応して、適切なプリロードを発生させるのに必要なだけ穴９０を歪ませるように構成される。断面の形状が矩形であるか、または楕円形である楔９２を使用できる。楔９２の形状が変化し変形した材料の量が増えるにつれ、穴９０に楔９２を挿入するのに必要な力が増大する。
【０１６６】
後述のように、圧電素子２２が共振器２４の長軸２５に平行なただしそれからずれている軸に沿って、またはその長軸２５に対するスキュー角で力を加えるようなある種の状況では利点がある。図１３〜１６は、圧電素子２２と共振器２４との相対的長軸のこのようなずれ（オフセット）と傾斜を得るいくつかの方法を示している。別のバリエーションは図５３に関して後述する。
【０１６７】
図１３は、開口２８内の圧電素子２２のオフセットを示しており、圧電素子２２の長軸の中心線９５は共振器２４の軸２５の中心線から横にずれている。このオフセットは、選択された接触部分４４の望む運動に応じて、中心線２５の上、下、または両側であり得る。
【０１６８】
図１４は、圧電素子２２の一端と開口２８の隣接する壁の間に挿入された小さな硬化挿入物９４を示している。硬化した鋼球または小さな円板を使用できるが、共振器の隣接部分に関してサイズまたは形状を定め、圧電素子２２によって加えられる駆動力のもとで挿入物９４の許容できない変形が発生しないようにする必要がある。この実施形態では、保護キャップ３４を使用して、圧電物質を損傷するおそれのある局部的な力が脆い圧電素子２２に加わるのを避けるのが好ましい。挿入物９４の場所は、選択された接触部分４４の望む運動に応じて、中心線２５の上、下、または両側にであり得る。複数の挿入物を使用できる。
【０１６９】
図１５は、圧電素子２２の軸９５に沿って同方向に合わせられ、両方とも共振器２４の長軸２５に対してスキュー角で配置されている開口２８と圧電素子２２を示している。そのため、圧電素子２２は共振器２４の中心線に対して非対称的に取り付けられる。圧電素子２２と共振器２４の相対軸のスキューの量は、選択された接触部分４４の望む運動により異なる。この構成は、断面が変化する側壁２９ができてしまうという不利がある。しかし、本開示では、当業者が共振器２４の長軸２５と振動素子２６にスキュー角で圧電素子２２を取り付けることが可能である。小さな挿入物９４を圧電素子２２の両端上に、かつ長軸２５の向かい合う両側に置くことによっても、軸２５に対する圧電素子２２のスキュー軸が得られる。上述した、または後述する取付システムのさまざまな組合せを使用できる。
【０１７０】
−振動素子と被駆動素子の取付け−
本開示では、振動素子２６および弾性取付システム５０のさまざまな取付構成が可能である。この取付構成は、選択された駆動部分４４と被駆動素子４２の対応する係合部分の位置、ならびにこれらの素子の必要な運動により決定されることが多い。
【０１７１】
図１７を参照すると、振動素子２６は、ピボット１０４を中心に回転する旋回端に旋回するように取り付けられている剛体ビーム１０２の遠位端に取り付けられている。振動素子２６では、選択された接触部分４４が被駆動素子４２に弾力的に押し付けられる。選択された接触部分４４は、振動素子２６の遠位端３６の内側に示されている。選択された接触部分４４の位置は振動素子２６上のさまざまな位置とすることができることを繰り返し述べるためである。同じことが、ここで説明した他の取付構成についてもいえる。
【０１７２】
図１７に示されているように、バネ５０により部品が弾力的に押し付けられ、これで被駆動素子を動かす運動の望む部分について十分な接触を維持する。バネ５０にはさまざまな形態のものがあり、各種の方法で接続できる。駆動される物体４２は、形状も、また運動もさまざまである。駆動される物体４２の有用な形態として、振動素子２６の遠位端に配置された棒、ボール、またはホイールがある。被駆動素子４２は、意図した運動が行えるように適切に支える必要があり、またその支えについては、運動が設計により異なるためここには示されていない。
【０１７３】
図１８は、図１７に似た配置を示しているが、弾性力が加えられる場所が変更されており、力は旋回する剛体素子１０２の遠位端に加えられ、振動素子２６を押すのではなく引き込んで被駆動素子４２と接触させる。弾性力を加えるバネ５０は、振動素子２６の長軸２５に一直線にそろった軸に沿って力を加えると有利であるが、これは任意選択である。
【０１７４】
図１９は、図１７〜１８に似た配置を示しているが、弾性力が加えられる場所が変更されており、力は剛体素子１０２の旋回端の隣に加えられる。バネ５０によって加えられるような弾性力の場所は、バネの変位に影響を及ぼす場合がある。バネ５０がピボット１０４の近くに配置されたとき、バネ５０はあまり動かないが、それは、ピボットとバネの接続箇所との間の実効モーメントアームが少ないからである。
【０１７５】
振動素子２６が堅く取り付けられている場合、ここで説明したような構成を使用して、被駆動素子４２を弾力的に押し付けて、固定されている振動素子２６との十分な接触を維持し被駆動素子の動きを望むとおり行うことができる。
【０１７６】
図２０は、バネ５０のバネ金属の平たいストリップを使用する１つの有利な取付構成を示している。バネ５０は、第１の端５０ａが基部５２に取り付けられ、反対側の端５０ｂは振動素子２６に接続されている。端５０ａを含むバネ５０の第１の脚は振動素子２６の長軸２５に平行であり、バネの第２の脚はほぼ直角に曲がっている。振動素子２６の遠位端は、被駆動素子４２に弾力的に押し付けられる。被駆動素子４２は、原則として、十分滑らかな形状を持ちうるが、駆動される物体４２の容易に使える形態として、振動素子２６の遠位端に配置された棒、ボール、またはホイールがある。被駆動素子４２は、意図した運動が行えるように適切に支える必要があり、またその支えについては、運動が設計により異なるためここには示されていない。
【０１７７】
図２１は、一端が堅く基部５２に取り付けられ、反対側の遠位端５０ｂが振動素子２６に取り付けられているまっすぐな重ね板バネ５０ａを示している。振動素子２６の遠位端は、バネ５０により被駆動素子４２に押し付けられる。バネ５０は他の形状も可能である。
【０１７８】
図２２は、ピボット１０６を中心に旋回する第１の端とバネ５０により被駆動素子４２に弾力的に押し付けられる反対側の遠位端を備える振動素子２６を示している。選択された接触部分４４は、ピボット１０６と長軸２５に沿ったバネ５０の接続部の中間にあり、バネ５０およびピボット１０６がそうであるように軸２５の反対側に位置している。しかし、選択された接触部分４４の軸２５に対するさまざまな配置も、所望の運動と部品の構成に応じて、可能である。
【０１７９】
そこで、選択された接触部分４４で少なくとも運動の２成分を発生するための方法と装置が提供される。これら２つの運動成分は、互いに異なる方向を持ち、各成分は圧電素子２２が事前決定された周波数で励起されると発振し、これら２つの成分は相互に異なる位相を持つ。これら２つの運動成分は、振動素子２６、そのサスペンション５０、またはその両方を構成することにより、所望の向きに沿って楕円運動１００を発生するような形状である。また、同じ接触部分４４または他の接触部分４４が圧電素子２２のさまざまな励振周波数で適当な楕円１００を作り、１つまたは複数の選択された接触部分４４と係合する被駆動体４２の相互に異なる巨視的運動を発生させる方法と装置が提供され有利である。
【０１８０】
一実施形態では、振動素子２６はバネのような素子５０で基部５２に取り付けられており、バネは曲げバネ、トーションバネ、空気バネ、エラストマーバネ、またはその他の種類のバネとすることができる。たとえば、バネを電子回路基板の一部から作ることもでき、これは製造上有利である。バネ定数またはバネの柔軟性は、接触部分４４と被駆動素子４２の係合部分との間の接触領域の摩耗を補正するように調整することができ、また製造時の不正確さを補正することもできる。たとえば、バネ５０の伸展性が高いと、接触部分４４の曲げたわみが比較的大きくても接触部分４４が被駆動素子４２に加える弾力的接触力の変動は小さくなる。
【０１８１】
バネ５０は、いろいろな方法で振動素子２６に取り付けられる。一実施形態では、振動素子２６が有する有する開口２８の寸法は、変形していない圧電素子２２の対応する寸法とバネ５０の厚さの合計よりもわずかに小さい。バネ５０と圧電素子２２を開口２８に挿入するとこの開口は広がり、圧入を生じて、前記振動素子を機能的にバネおよび圧電素子に接続することになる。他の実施形態では、振動素子は、溝などの開口を備え、ここに、バネの末端を押し込むか、接着剤で接着するか、ねじ込むか、その他の方法で留めることができる。溝は、好ましい方法で配向することができる。一実施形態では、溝は振動素子２６の長軸２５に垂直になるように配向される。他のバリエーションでは、それに平行な配向である。
【０１８２】
振動素子２６をハウジングまたは基部５２に接続することに加えて、バネのような素子５０も振動素子２６の機能拡張とすることができる。適切な調整を行うことで、バネ５０により、振動素子の振動をハウジング５２から機能的に絶縁することができる。また、バネ５０は振動素子２６の動的挙動に影響を及ぼし、増幅やその他の動的効果により振動素子２６の性能が高まる場合がある。たとえば、バネ５０が振動素子２６の対称軸と異なる、またはその軸からはずれている対称軸を持つ場合、圧電素子２２、振動素子２６、およびバネ５０で構成されるアセンブリは、動的非対称となり、以前は独立した振動モードであったものの結合が生じる。
【０１８３】
別の実施形態では、振動素子２６は、ハウジングないしは基部５２に直接取り付けることができる。これは、ハウジングないしは基部５２が機能的に振動素子２６の振動を絶縁する場合に好ましい。この実施形態では、ハウジング自体が、可動素子４２に振動素子２２を押し付ける弾性力を発生する必要がある。これは、ハウジングまたは基部５２の設計で接触力を調整し、モータの摩耗を補正するメカニズムを有する有する場合に好ましい。被駆動素子４２に関して振動素子２６の位置を調整設定するための溝内のねじは一例である。
【０１８４】
さらに他の実施形態では、振動素子２６はハウジング５２に堅く接続されており、被駆動素子４２は可動素子を支えるベアリングにより振動素子２６に弾力的に押し付けられる。この目的のためには、支えがある種のバネまたはその他の圧縮可能な媒体を備えている場合には、弾性力を提供してこれらの部品を接触させることが好ましい。このような状況では、モータアセンブリ２０も、被駆動素子４２に作用する重力が必要な弾性力を供給できるような位置に取り付けることができる。
【０１８５】
−駆動素子および被駆動素子の配置−
図２３〜３６を参照すると、被駆動素子４２に関して振動素子２６を取り付けるためのさまざまな構成が示されている。これらの図は、概略図であり、望む運動を可能にし、部品を意図した用途に十分かなう接触状態に維持する部品の取付システムを省略している。例示のため、駆動される物体４２は断面が円柱状の棒として示されているが、ボールでも、ホイールでも、棒でも、バーでも、歯車でも何でもよい。振動素子２６は、ある力と角度で駆動される物体４２に押し付ける必要があり、それによって、運動を引き起こすのに必要な接触を得る。これは、前述した、または本開示が与えられている場合は当業者に自明な取付メカニズムにより実現できる。その弾力的接触を行うメカニズムは図に示されていない。また、特定の設計に依存するため、被駆動部分４２の望む動きを行うための取り付ける構成も示されていない。次の構成は例にすぎない。他の構成も可能であるが、すべてを説明することはできないので、ここでは説明しない。これらの構成を組み合わせることも可能である。
【０１８６】
[単一振動素子構成]：図２３〜２６は、単一の振動素子２６を使用する構成を示している。図２３では、振動素子２６は、被駆動素子４２の上にあり、素子２６、４２の少なくとも１つは弾力的に押し付けられ、選択された駆動部分４４と被駆動素子４２の選択された係合部分との十分な接触を維持し、所望の運動を行わせることができる。振動素子２６と被駆動素子４２の長軸は、互いに垂直であるが、さまざまな中間の角度をとることもできる。接触部分４４は、遠位端３６の内側にあるが、選択された振幅で所望の運動を発生させる振動素子２６の長さに沿った位置に置くことができる。そのため接触部分４４が所望の楕円運動１００を生じる位置にできるように選択すると有利である。運動１００は、振動素子２６の軸２５に大体整列しているように示されているが、これにより、被駆動素子４２は軸４５を中心に回転する。しかし、そうである必要はなく、コンポーネントの所望の運動と設計に応じて、軸２５に直交する平面内に置き、軸４５に沿って、またはその間の向きで、平行移動させることもできる。本明細書で使用しているように、０〜５°の並行度は、整合しているとみなされる。
【０１８７】
図２４は、被駆動素子の軸４５から垂直方向にずれていて、かつその軸に垂直な長軸２５を示している。さまざまな中間傾斜角度が考えられる。選択された接触部分４４は、振動素子２６の下側周辺端部の遠位端３６にある。この配置は、軸４５を中心とする被駆動素子４２の回転、その軸に沿った平行移動、またはそれらの運動の組合せを発生するのに適している。
【０１８８】
図２５〜２６では、長軸２５、４５は同一平面上にあり、図１の角度αについて説明したように互いに対して角度αだけ傾斜している。選択された接触部分４４は、振動素子２６の下側周辺縁部の遠位端３６にある。この配置は、軸４５に沿った被駆動素子４２の平行移動、その軸を中心とする回転、またはそれらの運動の組合せを発生するのに適している。図２６を参照すると、軸２５、４５は同一平面上にあるように示されているが、そうでなくてもよく、スキュー角度で交差することもできる。
【０１８９】
[複数振動素子構成]：連携して被駆動素子４２を動かす複数振動素子２６を使用する構成が図２７〜４２に示されている。複数振動素子２６を使用する方法には、被駆動素子４２を複数の場所で支えるためベアリングをいくつか省くことができ、コストを節約し、通常安価なベアリングやブッシングの場合に生じる摩擦を低減することができるという利点がある。用途によっては、ベアリングを追加しなくても、振動素子２６だけを使用して被駆動素子４２を吊すことが十分にできる。振動素子２６の接触部分の振動により、摩擦支えを低くすることができ、また振動素子２６の支え部分の楕円運動は、このような摩擦の低い支えを使用する場合には不要である。
【０１９０】
さらに、その結果、複数振動素子２６を使用すると、力、および／または被駆動素子４２を動かす速度を増やすことができる。単一の共通励起信号を各振動素子２６に送って電気系統を簡素化したり、別々に信号を送って被駆動素子４２の異なる運動を同時に発生させることもできる。
【０１９１】
特定の数の振動素子２６からなる次の構成について説明する。本開示では、複数振動素子２６を使用して被駆動素子４２のさまざまな自由度を制約する他のさまざまな取付構成を設計できる。
【０１９２】
[二重振動素子構成]：特に２つの振動素子２６と単一の被駆動素子４２を使用する構成は、図２７〜３６に示されている。図２７では、２つの振動素子２６が被駆動素子４２の反対側の側面に弾力的に押し付けられている。この２つの振動素子２６は、被駆動素子４２の長軸４５に垂直な軸２５を持ち、これは、その軸４５の反対側の側面にある。各振動素子２６ａ、２６ｂの選択された接触部分４４は、２つの振動素子の遠位端間の中間にあるのが好ましいが、接触部分４４は遠位端３６に置くことができるためそうでなくてもよい。振動素子２６の軸２５は、平行にし、同一平面上に置くことができるが、平行または同一平面のいずれかである必要はない。この配置は、その長軸４５に沿った被駆動素子４２の平行移動、その軸を中心とする回転、またはそれらの運動の組合せを発生するのに適している。
【０１９３】
図２８は、被駆動素子４２の共通の側面に弾力的に押し付けられている２つの振動素子２６を示している。この２つの振動素子２６は、被駆動素子の長軸４５に垂直な軸２５を持つが、軸２５は軸４５に対し傾斜させることもできる。振動素子２６の軸２５は、同一平面上に置くことができるが、そうである必要はない。接触部分４４は、各面３６の遠位端にある。接触部分４４は、軸４５が配置されているように示されている水平面から４５°の角度にあるが、その平面の反対側にある。この構成は、その長軸４５に沿った被駆動素子４２の平行移動、その軸を中心とする回転、またはそれらの運動の組合せを発生するのに適している。
【０１９４】
図２９は、図２８に似た構成を示しているが、ただし、振動素子２６は向かい合い、長軸に関して被駆動素子４２の反対側に配置されている点が異なる。
【０１９５】
図３０は、図２４に似た構成を示しているが、ただし、２つの振動素子２６が共通軸２５上にあって、被駆動素子２６の反対側に配置されている点が異なる。各振動素子２６の長軸２５は一致している必要はないが、同一平面上に置かれ、互いに対して傾斜していてもよい。
【０１９６】
図３１では、２つの振動素子２６が被駆動素子４２の反対側にあり、素子２６は互いに向き合っているが、それぞれ、被駆動素子４２の長軸４５を通る平面に対して傾斜角度α、βの向きを持つ。角度α、βは、各振動素子２６の軸２５が平行であるように示されているが、平行である必要はない。これらの角度により、長軸２５が被駆動素子４２の長軸４５と交差するのが好ましいが、そうである必要はない。選択された接触部分４４は、各振動素子２６の遠位端３６にある。
【０１９７】
図３２では、２つの振動素子２６が被駆動素子４２の反対側にあり、素子２６は同じ方向を向き、それぞれ、被駆動素子４２の長軸４５を通る平面に対して傾斜角度α、βの向きを持つ。角度α、βは、長軸２５が被駆動素子４２の長軸４５と交差するのが好ましいような角度であるが、そうである必要はない。選択された接触部分４４は、各振動素子２６の遠位端３６にある。
【０１９８】
図３３では、２つの振動素子２６が被駆動素子４２の同じ側にあり、素子２６は同じ方向を向き、それぞれ、被駆動素子４２の長軸４５を通る平面に対して傾斜角度α、βの向きを持つ。角度α、βは、長軸２５が被駆動素子４２の長軸４５と交差するのが好ましいような角度であるが、そうである必要はない。軸２５は、同じ平面にある必要はないが、同じ平面にあるのが好ましい。選択された接触部分４４は、各振動素子２６の遠位端３６にある。
【０１９９】
図３４では、２つの振動素子２６が被駆動素子４２の同じ側にあり、素子２６は互いに向き合い、それぞれ、被駆動素子４２の長軸４５を通る平面に対して傾斜角度α、βの向きを持つ。角度α、βは、長軸２５が被駆動素子４２の長軸４５と交差するのが好ましいような角度であるが、そうである必要はない。軸２５は、同じ平面にある必要はないが、同じ平面にあるのが好ましい。選択された接触部分４４は、各振動素子２６の遠位端３６にある。
【０２００】
図３５〜３６は、２つの振動素子２６が被駆動素子４２の反対側にあり、素子２６は同じ方向を向き、それぞれ、被駆動素子４２の長軸４５を通る平面に対して傾斜角度α、βの向きを持つ構成を示している。角度α、βは、長軸２５が被駆動素子４２の長軸４５と好ましくは交差するような角度であるが、そうである必要はない。軸２５は、同じ平面にある必要はないが、同じ平面にあるのが好ましい。軸２５は軸４５上の共通の位置で交差し、係合部分４４は軸４５に直交する同じ平面内にあると有利である。
【０２０１】
この構成では、選択された接触部分４４は、各振動素子２６の遠位端３６にある。各素子２６の選択された接触部分４４は、被駆動素子４２の係合部分の形状と相補し係り合う形状となっている。ここで、棒４２の断面が円形であるため、選択された接触部分４４は凸面である。この湾曲した係合により、振動素子２６は被駆動素子４２を支え、これにより該被駆動素子４２の軸４５に沿った平行移動以外の運動が抑制される。接触部分４４に軸４５の長さに沿って小さな係合表面がある場合、被駆動素子４２は係合部分４４を中心に揺れる。接触部分４４に軸４５の長さに沿って十分な長さを持つ係合表面がある場合、被駆動素子４２は係合部分４４を中心に揺らさなくても支えることができる。この構成を使用すると、被駆動素子４２の取付けを簡素化できる。２つの振動素子２６の先端の間で棒を締め付けて振動素子２６がベアリングとしても動作するようにする。
【０２０２】
[三重振動素子構成]：
図３７〜４０は、３つの振動素子２６ａ、２６ｂ、および２６ｃを使用する構成を示しており、文字ａ、ｂ、およびｃはそれぞれ第１、第２、および第３の振動素子のさまざまな対応する部品と関連づけられている。図３７は、図２７で説明しているような２つの振動素子２６ａ、２６ｂを示しており、各々被駆動素子４２の反対側に弾力的に押し付けられている。この２つの振動素子２６ａ、２６ｂは各々、被駆動素子４２の長軸に垂直な軸２５を持ち、これは、その軸４５の反対側にある。各振動素子２６ａ、２６ｂの選択された接触部分４４ａ、４４ｂは、振動素子の遠位端の中間にあるのが好ましいが、接触部分４４は遠位端３６に置くことができるためそうでなくてもよい。第３の振動素子２６ｃは、被駆動素子４２の対向する側面に配置されており、その選択された接触部分４４ｃは、４４ａと４４ｂの間の軸に沿った接触部分４４ａ、４４ｂの中間、好ましくはそれらから等しい距離にある。被駆動素子４２は、Ｚ軸方向に沿った長軸を有する有する。第１と第２の振動素子２６ａ、２６ｂは被駆動素子４２と１２時および６時の位置で接触し、第３の振動素子２６ｃは被駆動素子４２と３時の位置で接触するのが好ましい。他の接触場所も可能である。接触部分４４ｃは、振動素子２６ｃの遠位縁にあり、第３の振動素子２６ｃは軸２５ａ、２５ｂを含む平面に平行な角度αの向きとなるのが好ましい。振動素子２６ａ、２６ｂの軸２５は平行であるのが好ましく、軸２５ａ、２５ｂ、および２５ｃは同一平面上にあるのが好ましいが、さまざまな軸が平行または同一平面のいずれかである必要はない。この構成では、長軸４５に沿った被駆動素子４２の平行移動および長軸４５を中心とする被駆動素子４２の回転が可能であり、その際に振動素子のｙ軸に沿った両方の方向へのおよび＋ｘ方向への平行移動は抑制されるが、−ｘ方向に沿った動きについては可能である。
【０２０３】
図３８は、被駆動素子４２の軸４５に直交する平面内を延びる半径方向の軸に垂直である長軸２５を有する振動素子２６を示している。接触部分４４は、遠位端３６からずれているものとして示されているが、必ずしもそうである必要はない。振動素子２６は、角度β、γ、およびαが各々約６０°であって等間隔に並べられているものとして示されているが、角度は変化する場合がある。軸２５ａ、２５ｂ、２５ｃは同一平面にあるように示されているが、必ずしもそうである必要はない。被駆動素子４２は、Ｚ軸方向に沿った長軸を有する有する。この配置では、振動素子２６でｘおよびｙ軸に沿った両方向の被駆動素子４２の平行移動を制約できる。
【０２０４】
図３９は、被駆動素子の片側にある振動素子２６ａ、２６ｂの２つを配置したもので、軸２５ａ、２５ｂはｘ軸に平行であり、それぞれの接触部分４４ａ、４４ｂは垂直なｙ軸に平行な軸に沿った対応する場所で被駆動素子の周辺部と係合している。接触部分は、遠位端３６ａ、３６ｂの縁に置かれている。軸２５ａ、２５ｂは平行でかつ同一平面にあるが、必ずしも同一平面でも平行でもある必要はない。第３の振動素子２６ｃは、被駆動素子４２の反対側にあり、軸２５ｃはｙ軸に平行である。軸２５ｃは、軸２５ａ、２５ｂと同一平面上にあるのが好ましいが、そうである必要はない。被駆動素子４２は、Ｚ軸方向に沿った長軸を有する有する。この配置では、振動素子２６でｘおよびｙ軸に沿った両方向への被駆動素子４２の平行移動を制約できる。
【０２０５】
図４０は、被駆動素子の片側にある振動素子２６ａ、２６ｂの２つを配置したもので、軸２５ａ、２５ｂはｘ軸に平行であり、それぞれの接触部分４４ａ、４４ｂは垂直なｙ軸に平行な軸に沿った対応する場所で被駆動素子の周辺部と係合している。軸２５ａ、２５ｂは平行でかつ同一平面にあるが、必ずしも同一平面でも平行でもある必要はない。被駆動素子４２は、Ｚ軸方向に沿った長軸を有する有する。第３の振動素子２６ｃは、被駆動素子４２の反対側にあり、軸２５ｃはｘ軸に平行であり、軸２５ｂと同軸になっている。接触部分は、遠位端３６ａ、３６ｂ、３６ｃの縁に置かれている。この配置により、振動素子２６はｘ軸とｙ軸に沿った両方向への被駆動素子４２の平行移動を制約できるが、図４０に示されているように、水平から４５°のスキュー軸の一方向に沿った運動が可能である。
【０２０６】
複数の振動素子２６を使用する上の構成では、各々の振動素子は他の振動素子と同時にアクティブにするのが好ましく、振動素子は連携して被駆動素子４２の望む運動を引き起こす。しかし、振動素子２６は、異なるときに、または異なる組合せで、または異なる順序で、別々にアクティブにし、被駆動素子の運動を別々に行うことができる。
【０２０７】
[６個の振動素子]：
図４１−４２は、６個の振動素子２６ａ〜２６ｆを使用して、長軸４５を中心に回転し平行移動できる被駆動素子４２を支える構成を示している。振動素子２６では各々、一端が好ましくは被駆動素子の長軸４５に直交する平面内で被駆動素子４２を囲むリング１１０に取り付けられている。振動素子２６の向かい合う遠位端３６ａ〜３６ｆは、被駆動素子４２に押し付けられる。振動素子２６のうち３つは、図４２に最もよく示されているように、他の３つの振動素子と反対の方向に被駆動素子４２に向かっている。被駆動素子４２の軸４５（図４１）に直交するｘ−ｙ平面で見た各振動素子２６の相対的位置は、角度α、β、γ、σ、ε、およびρにより決定される。これらの角度は、支えと駆動の力を均等に分配するために６０°であるのが好ましいが、角度はこれと異なっていてもよい。振動素子２６は、被駆動素子４２の長軸４５と交差する長軸２５を持つと有利であるが、軸２５は軸４５と交差しないように斜めにすることもできる。振動素子２６と被駆動素子４２の間の角度は、図面に示されているようにδとφにより定められ、さまざまな部品の寸法および振動素子２６の向きにより異なる。リング１１０が柔軟なので、振動素子２６が被駆動素子４２に確実に押し付けられる。そのため、棒は６点で吊られる。
【０２０８】
この構成では、振動素子２６で被駆動素子４２を支え、被駆動素子４２の長軸４５に沿ってのみ平行移動でき、またその軸を中心に回転できる。
【０２０９】
−モータの動作原理−
以下の説明により、上述の実施形態の動作を理解し、またこれらの実施形態およびそのバリエーションを実装するさまざまな方法を理解することができる。
【０２１０】
本発明のモータでは、１つの電気的励起信号で振動素子２６のさまざまな振動モードを励起する圧電素子２２を１つだけ使用している。接触部分４４の運動は、これらの振動モードにより決定される。特に、このモータでは第１の周波数の正弦波電気的励起信号で第１の方向に接触部分４４を楕円経路で動かし、第２の周波数の正弦波励起信号で第２の方向に接触部分４４を楕円経路で動かし、その結果接触部分４４において運動または速度の必要な力または振幅を与える。第３およびそれ以上の周波数の正弦波励起信号について第３およびそれ以上の方向の接触部分４４の楕円経路の動きが可能であることが知られている。
【０２１１】
モータアセンブリ２０は、モータ動作音が人間および大半のペット動物の耳に聞こえないようにするために接触部分４４が毎秒数万回の楕円運動をたどるように構成すると有利である。各楕円サイクルの選択されたセグメントで、接触部分４４が駆動される物体４２の係合面と接触し、そこで、駆動される物体４２を対応する方向に少しだけ搬送する摩擦接触力を加える。駆動された物体４２の観察された巨視的運動は、個々の搬送ステップの全累積である。
【０２１２】
この開示の大半は振動素子２６の遠位端３６に配置され、第１の楕円経路１００ａ内を動いて被駆動物体４２を被駆動物体の長軸４５の方向に搬送する接触部分４４と、第２の楕円経路１００ｂ内で動き反対向きの搬送を引き起こす（図２および図５のように）同じ選択された接触部分４４について述べているが、第１と第２の選択された接触部分４４は同じである必要はなく、また隣接している必要もなく、また遠位端３６に位置する必要もない。これらは、同じ振動素子２６上に位置するだけでよい。さらに、選択された接触部分４４の個数と、各接触部分のそれぞれの楕円経路１００の方向(directions)と向き(orientations)は、特定の設計により異なることがある。３つあってもよく、またそれ以上でもよい。したがって、複数の方向に、複数の楕円経路１００内で動く振動素子２６上に複数の選択された接触部分４４があり得る。
【０２１３】
選択された接触部分４４の所望の運動について、単一の方向か複数の方向か、また単一の選択された接触部分４４があるのか複数の接触部分４４があるのかその組合せがあるかを確認すると有利である。そこでそのような運動を行うようにモータアセンブリ２０を設計する。しばしばあることだが、この設計では完全なものを得られないが、その代わりに、所望の運動の許容可能な近似を得ることができる。そのような所望の運動を行わせるためにモータアセンブリ２０のコンポーネントを構成するために使用できるいくつかの要因について後述する。
【０２１４】
[楕円運動の発生]：圧電素子２２が正弦波電気信号で励起された場合、図１〜３に振動素子２６の長軸２５に沿う状態で示されているか、または図１５に長軸２５に対する傾斜角になっている状態で示されている、長軸９５に主に沿った正弦波の力と正弦波変位が発生する。その後、前記の力および変位を使用して、振動素子２６の振動モードを励起する。振動素子２６は、所定の励振周波数で振動モードのうち少なくとも２つが実質的に励起されるように構成するのが好ましい。モードに長軸２５の方向の一様な運動成分しか含まれない場合、これは、縦モードであるとみなされる。モードの運動成分が長軸２５に垂直な方向にある場合、モードは曲げモードであるとみなされる。他のよく知られているモードとしては、ねじれモードと剪断モードがある。混合モードは、これらのモードのいずれでもないが、方向２５、３８、または４０のどれかの中の運動またはそれを中心とする回転の成分を持つことができる。励起された各モードにより、正弦波運動成分が接触部分４４の運動に加えられる。運動のこれらの成分のうち少なくとも２つが平行でなく、また相互に位相不一致であれば、接触部分４４のその結果の運動は楕円であることがわかる。
【０２１５】
この開示のほとんどでは、長軸９５に主に沿った力および変位を発生する圧電素子２２について説明しているが、異なる主方向を持つ圧電素子または圧電素子以外の力および変位発生素子を使用することもできる。
【０２１６】
[楕円運動の利用]：楕円運動を位相から９０°ずれて励起される相互に垂直の縦および曲げモードだけで発生させる必要はないが、その代わりに相互に斜めであり、実質的に９０°となりうる位相差を持つ少なくとも２つの励起されたモードで楕円運動を発生できるという本発明の利点は従来技術のモータに勝っている。この場合、接触部分４４では、半軸が必ずしも方向２５、３８、または４０と揃っていない楕円１００を辿り、その結果、振動素子２６を駆動される物体４２に斜めの角度で取り付けることが有利になる。つまり、長軸２５は、角度α（図１）で振動素子２６に対し傾斜しているのが好ましいが、この角度は、特定の設計および関連するコンポーネントにより異なる。振動素子２６の斜めの取付けにより、楕円１００は駆動される物体４２に対して回転する。この回転に関連して、座標変換を別のところで公式化するが、これにより楕円経路１００を発生する運動の成分間の相対的位相シフトに対する該回転の効果が有益となりかつ高まる。
【０２１７】
選択された接触部分４４の楕円運動１００は選択された接触部分４４が被駆動素子４２と係合していないとしても得られるが、有用な運動を発生させるためには、各楕円サイクル１００の一部分で振動素子２６の接触部分４４を駆動される物体４２の係合する面と物理的に接触させる。この部分は、後の各サイクルについて同じままであるのが好ましい。各係合で、振動素子２６は駆動される物体４２に摩擦力を作用させる。これらの力は、係合している間変化する場合があるが、累積的効果で駆動される物体４２が振動素子２６に関して搬送される。この搬送は、搬送の方向が駆動される物体４２に最も近い楕円の点での接触部分４４の運動の方向と一致している場合に最も効率がよいと考えられる。
【０２１８】
楕円経路１００に対して接線方向の接触部分４４の速度は、楕円の短軸が楕円経路と交差するときに最大となり、楕円の長軸が楕円経路と交差するときに最小となる。したがって、長軸が駆動される物体４２の係合面の接線方向にある楕円は効率のよい搬送メカニズムを実現できると予想される。長軸が駆動される物体４２の係合面に対して傾斜している楕円を使用すると有利である。このような状況では、接触部分４４は、駆動される物体４２に最も近い点を過ぎた後そこから離れる速度と異なる速度で駆動される物体４２に向かう。楕円形状に固有のことであるが、より高速な接近は、通常より遅い遠ざかりをもたらし、引込みが遅くなり、その逆もいえる。そのため、被駆動素子４２との係合のプロセスをより緩やかまたはより急激のいずれかに選択できる。極端な場合、このような運動は鋸歯運動とも呼ばれる。正確な鋸歯運動を発生するモータは従来技術にある。したがって、本開示の傾斜楕円を意図的に使用すると、これらの鋸歯モータにのみ見られる利点のいくつかが得られる。
【０２１９】
搬送を効率的にするためには、摩擦係合が十分に大きいこと、および摩擦力が低下するかまたは消滅している間だけ接触部分４４が駆動される物体４２の所望の搬送の方向に反して動くことが好ましい。接触部分４４の一部または全部が駆動される物体４２の係合面との接触を失ったときに前記摩擦力の低下または消滅が起る。
【０２２０】
摩擦と摩耗の大きさは、さらに、摩擦パラメータと、接触部分４４に使用される材料の組合せおよび接触部分４４のサイズによって決まる。また、これらのパラメータは、モータ２０の強度にも影響を及ぼす。通常、摩擦が大きいほど、力は強くなるが、摩耗も増える可能性がある。使用に適当だと信じられる材料の組合せとしては、接触部分の片側に鋼鉄、アルミニウム、およびガラスを使用し、接触のもう一方の側にガラス、グラスファイバ、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ、ＡＢＳ、または鋼鉄を使用するものがある。ガラス面の摩擦パラメータは、化学的に修正可能であるか、または粒子を加えたり、テクスチャをエッチングすることにより物理的に修正可能である。
【０２２１】
駆動される物体４２の係合面の寸法が正確でなくてよいということと、バリエーションがモータ２０の弾性取付システムによって受け入れられるという点はモータアセンブリ２０の利点であるが、これについては後述する。さらに、振動による摩耗で、振動素子２６の接触部分４４が修正され、接触領域が広がる可能性があることが示されている。この効果は、特に、モータの耐用期間の初期に強いものである。この効果は、たちまち弱まり、モータの性能がよくなる。この摩耗の使用は有利であるが、それは、弾力的な取付具５０により選択された接触部分４４が被駆動素子４２に押し付けられ、堅い材料と柔らかい材料との中間の摩耗となり、初期製作許容差を低減できるからである。必要に応じて、摩耗を利用して選択された接触領域４４を増やせる。
【０２２２】
[望ましい楕円運動の発生]：楕円軌道１００のサイズと向きは、楕円生成に使用されている振幅と位相によって異なる。十分大きな周波数範囲にわたって接触部分４４の有用な楕円軌道１００を維持できるかどうかは、モータアセンブリ２０の振動設計特性によって決まる。
【０２２３】
励起の周波数が振動素子２６のモードの共振周波数を超えて高くなる場合、該モードは圧電素子２２に印加される励起信号に関して−１８０°の滑らかな位相変化を受けることが知られている。この遷移が発生する周波数範囲の幅は、システム内の機械的減衰の量とともに増える。このような周波数範囲は２つの励起モード間の位相差が広い周波数範囲にわたり０または１８０°から十分に異なり、また接触部分４４の所望の楕円運動を潜在的に維持できるようにするうえで十分に大きいことが望ましい。これにより、モータ２０について基本的に製造および動作条件の変動に対する感度が低くなる。特定の場所で望む減衰量とするために、別の減衰素子を振動素子２６の一部または機械振動に関与するサスペンションの部分に加えることもできる。しかし、システム設計および材料に固有の減衰を使用するのが好ましい。
【０２２４】
モータをより強力なものにするために、これは励起振動モードが励起の望む周波数近くで接触部分４４において有意な振幅を示す場合に望ましく、したがって、選択されたモードの共振周波数に近い励起周波数を有する有することが好ましい。接触部分４４のモードの振幅もその励起の振幅に依存するため、圧電素子２２で発生した機械振動を適宜さまざまなモードに分配するように振動素子２６を設計することが好ましい。この分配は、振動素子２６の減衰、幾何学的および材料特性、ならびに振動素子２６と接触部分４４の駆動される物体４２との間で発生する力の組合せを使用していくつかの方法で制御された形で行うことができる。概念的には、力の分配に影響を及ぼす方法および修正は、モードの形状と共振周波数に影響を及ぼす方法と異なる。しかし実際には、力の分配に影響を及ぼす修正により、モードの形状およびその共振周波数が修正されることが非常に多い。たとえば、機械エネルギー力を純粋な縦モードと純粋な曲げモードに分配するいくつかの修正では通常、さらに、２つのモードを結合して１つにし混合タイプの新しいモードを作る方法が棒状の振動素子２６について知られている。
【０２２５】
[機械振動の分配]：内部減衰力により、一方のモードを他方のモードに結合することができ、それにより、圧電素子２２は潜在的に、第１のモードを駆動でき、さらに第２のモードが減衰により間接的に励起される。この効果は特に、それぞれの共振周波数および励振周波数が寄り固まっている場合に強い。
【０２２６】
ある周波数で圧電素子２２により励起される第１のモードは、さらに接触部分４４で発生した接触力により第２のモードを励起できる。特に、接触部分４４の楕円運動により、正弦波である力または第１のモードを駆動する同じ周波数で間欠的に発生する力を発生できる。次にこの力により、振動素子２６内に他のモードが励起されるとともに、別のところで説明している駆動される物体４２の振動モードも励起される。この形態の励起は相互的であり、この効果を故意に利用して以前の独立モードを結合して新しいモードを形成することができる。接触部分４４の楕円１００と接触力が発生する楕円の一部の向きにより、第１のモードに関して第２のモードを励起する位相が決定される。この位相は、１８０°の倍数でないのが好ましい。
【０２２７】
接触で振動素子２６のどのモードが励起され、どれだけ励起されるかについても、接触部分４４と駆動される物体４２の係合面の振動素子２６に関する位置と向きにより異なる。接触部分４４は、アセンブリ２０、振動素子２６、弾性取付システム５０、または駆動される物体４２の対称平面内に置かれるように、またはそうされないように選択することができる。非対称の位置決めを使用すると、使用しなかった場合には圧電素子２２単独で励起するのが難しいモード、たとえば、振動素子２６のある種の曲げモードやねじれモードを励起できる。同じ目的のために、振動素子２６に関する係合面の向きを、いくつかの対称平面に垂直または平行になるように、またはそうならないように選択することができる。
【０２２８】
[圧電素子の位置と向き]：図１を参照すると、振動素子２６は長い棒の形で、開口２８がその棒の長軸２５に垂直であるのが好ましい。開口２８の寸法は、圧電素子２２の対応する寸法よりもわずかに小さく、圧電素子を圧入方式で開口２８に挿入できる。振動素子２６の形状が対称的である場合、圧電素子２２が長軸２５に関して対称的に挿入される場合、および圧電素子２２と振動素子２６の間の接触がほとんど完全である場合、主に軸２５の方向の縦の振動のみが発生すると予想される。これらの振動は、接触部分４４での前述の接触力により曲げまたはその他の振動に変換することができるか、または駆動される物体４２に対し振動素子２６を押し付ける後述の弾性取付システム５０の作用により変換できる。
【０２２９】
圧電素子２２は、素子２２が非対称的に開口２８に挿入される場合、たとえば圧電素子２２の長軸９５が振動素子２６の長軸に対してずれている（図１４参照）かまたは傾斜している（図１５参照）場合、あるいは圧電素子２２と共振器２４との間の接触領域の少なくとも１つが非対称的になっている場合、振動素子２６の縦方向の振動以外の振動を直接発生できる。たとえば、図５の振動素子７６では、圧電素子２２の長軸は共振器７４の主長軸からずれている。このずれにより、共振器７４と振動素子７６のさまざまなモードが結合される。さらに、共振器７４はピン７８を中心として回転し、これによりさらに、振動素子７６の振動モードを修正できる。
【０２３０】
圧電素子２２を非対称に挿入する修正を顕著にするほど、曲げが一層高まり、その他の振動が通常増える。また、このような修正により、通常、以前には独立であった縦および曲げモードが１つに結合され、新しい混合タイプのモードが作られる。棒状の振動素子のねじれモードも励起できる。
【０２３１】
好ましい実施形態では、圧電素子２２は、接触が可能な領域全体に沿って共振器と圧電素子２２が完璧な接触状態にならないように、共振器２４の開口２８に挿入される。挿入プロセスでこのような意図的な部分的接触を実現するために、たとえば、挿入された圧電素子２２により開口２８の側壁２９を変形し、接触可能性のある領域のある部分部分で接触が失われるようにすることができる。代替方法として、部分的接触を実現するのに、圧電物質２２の接触可能性のある面をでこぼこにする、たとえば圧電物質を開口２８に挿入する前に共振器２４の接触領域の材料を所々除去する。図１０および図１１では、これは、図示の長軸２５からずれている位置にピン９２を挿入することでも行える。挿入物９４（図１６）を使用して、挿入の場所に局部的な接触領域を設けることもできる。さらに、上記の方法を組み合わせて、所望の部分的接触を得、所望の接触部分４４に横方向および縦方向の運動成分の所望の組合せを引き起こすことができる。
【０２３２】
[振動素子の形状]：さまざまな振動モードの共振周波数は通常、振動素子２６を長くすると低くなり、短くすると高くなる。さらに、共振器２４の断面の形状およびサイズも、曲げとねじれを伴う共振周波数およびモードに影響を及ぼす。たとえば、図７４を参照すると、共振器２４の断面、または共振器２４の遠位端の少なくとも一部の断面はＩ字形とすることもでき、これを利用して、長軸方向の運動および横方向の曲げを伴うモードの相対的剛性および共振周波数を変化させることができるが、それはＩビームの断面が一方の横軸に沿って剛性を持ち、この剛性は他方の横軸に沿った剛性とかなり異なるからである。また、共振器２４の長さを大幅に増やさなくても低い横方向の曲げ剛性を発生する。図７４は、さらに、Ｔ字形断面を示しており、Ｔを長軸に対して非対称にした場合ねじれモードが導かれる可能性がある。Ｃ字形断面およびさまざまな他の断面形状を使用して、共振器２４および振動素子２６の共振モードを変えることができる。他の非対称断面形状も使用可能である。
【０２３３】
楕円１００が振動素子２６の長軸２５および／または駆動される物体４２の係合面に対して傾斜するように、振動素子２６の接触部分４４に所望の楕円運動１００を発生できる振動モードを意図的に得るために、振動素子２６で非対称設計を採用すると有利である場合がある。たとえば、共振器２４を螺旋状にしたり、アーチ型またはＬ字形にすることも可能である。他の形状も可能である。このようにして得られた非対称質量分布により、性質上純粋に縦方向にも純粋に横方向にもない振動モードを発生することができるが、これは傾斜した楕円運動１００を発生するのに有利な方法である。
【０２３４】
さらに、図７８を参照すると、好都合な設計の特徴を有する有する他の実施形態が示されている。この実施形態では、まっすぐでない共振器２４が示されている。さらに、被駆動素子と交差しない軸に沿った圧電素子２２の場所も示されている。さらに、圧電素子２２と共振器２４の異なる位置合せおよび向き設定も示されている。これらの軸は、互いに対して傾斜しており、圧電素子２２の軸は一般に、被駆動素子４２の軸４５と平行である。共振器２４の軸２５は、２本の軸９５、４５の間の間隙を橋渡しするように傾斜している。選択された接触面４４は、棒状の被駆動素子４２上の隣接する接触領域の形状に一致する曲面をなしている。この曲面は製作することもできるが、モータが動作する過程で生じる自然な摩耗により発生することもある。この弾性取付システムは、棒４２を動かす選択された接触面４４の運動を受け入れられるようになっている。
【０２３５】
弾性取付システムは１つまたは複数のバネ５０を有する有すると有利である。図の実施形態で、棒４２が水平面にある場合、圧電物質の軸９５を通り長軸４５に垂直な（ただしそこからずれている）水平面内で位置を揃えたバネ５０ａにより、弾性取付システムが形成される。共振器２４の反対側に２つのバネ５０ａが突き出て、対称的な弾力的な取付けになるようにすると有利であるが、バネ５０ａは１つだけ使用できる。バネ５０ａは、圧電素子２２と共振器２４内の開口２８との間にバネ５０ａの遠位端を挿入することにより共振器２４に接続されていることが示されている。別々のバネ５０ａの代わりに、真ん中が圧電素子２２に当接する単一の重ね板バネ素子を使用することも可能である。
【０２３６】
バネ５０ａの代わりに、またはバネ５０ａに加えて、バネ５０ｂを共振器２４の水平面に直交する軸内の端３５に隣接する位置に接続する。バネ５０ａ、５０ｂの相対的剛性と、これらのバネの相対的位置に応じて、被駆動素子４２のさまざまな運動が得られる。この運動は、軸４５を中心とする回転と軸４５に沿った平行移動との組合せであるのが好ましいが、駆動される物体４２の純粋な回転または純粋な平行移動も可能である。
【０２３７】
[サスペンション]：弾性取付システム５０は、サスペンションと呼ばれ、振動素子２６に接続され、選択された接触部分４４が首尾一貫して被駆動素子４２の係合部分に押し付けられ、接触部分４４の楕円運動１００により被駆動素子４２を搬送できるようになっている。被駆動素子４２が弾力的に吊られていて代わりに接触部分４４に押し付けられている場合も同様の原理が適用される。この一貫した弾性力は、被駆動素子の表面の滑らかさや構成が変わったとしても、また接触部分４４が摩耗の兆候を示したとしても維持されるのが好ましい。弾性力が小さい場合、これらのモータは駆動される物体４２を素早く搬送するが、力が弱いことが示されている。弾性力が大きい場合、搬送速度は下がるが、搬送力は強くなる。大きすぎる弾性力を選択した場合、駆動される物体は通常停止する。
【０２３８】
選択された接触部分４４の位置と１つまたは複数の振動素子２６が配置されている構成（たとえば、図２３〜４２によって、異なるサスペンションシステムが必要になる。さまざまなサスペンションシステムが図１、２、５および図１７〜２２に示されており、サスペンションシステムの一部について、「振動素子と被駆動素子の取付け」のセクションで説明している。ここで説明しているサスペンションシステムは、主に、バネを使用するサスペンションシステムであるが、これに限定されているわけではない。サスペンションには、重ね板バネ、コイルバネ、その他の種類のバネを使用することができ、またたとえばエラストマーバネや圧縮ガスバネなどの弾力的な材料を使用することもできる。サスペンションシステムが振動素子２６の振動モードに及ぼす影響は、使用する特定の種類のサスペンションシステムとその配置により異なる。
【０２３９】
たとえば、図７５は、第１の端１８８ａが基部５２に接続され反対側の端１８８ｂが振動素子２６に接続されている湾曲した薄板バネ１８８を使用するサスペンションシステムを示している。図の実施形態では、バネ１８８は、圧電素子２２の一端と開口２８を定める隣接する壁の間に挿入されている。振動素子２６は、駆動される物体４２の係合面に対して角度αだけ傾斜している。湾曲したバネ１８８では、サスペンションに必要な空間を小さくできるため、モータアセンブリ２０を小型化できる。ホイール４６は、図７５に示されているように、回転軸６５を同軸とするホイールの平たい縁を使用して被駆動素子４２と接触することができる。ホイール４６はさらに、被駆動素子４２を適宜支え、案内するように被駆動素子４２の隣接する部分の相補的対応形状と係合するように構成された輪郭外周を持つ。本開示により、可動性支えのさまざまな構成は当業者には明白であろう。
【０２４０】
他の例は図１に示されているが、振動素子２６は、端５０ａが基部５２に取り付けられている位置に取り付けられそこを中心に動く。選択された接触部分４４は、基部５２へのバネ端５０ａの取付けに関連して配置される結果、ほぼ垂直な軸が取付点５０ａと接触部分４４の両方を通る。
【０２４１】
対照的に、図５のＣクランプ構成では振動素子７６はピン７８を中心にして回転する。接触部分４４を通る垂直軸は、旋回ピン７８を通る垂直軸からずれている。このずれだけでなく、圧電素子２２の非対称的な配置のせいで、異なるサスペンションシステムは異なる特性を持つ。
【０２４２】
弾性サスペンションシステムの一部は通常、振動素子２６の振動に関与し、したがって、振動モードに影響を及ぼす。サスペンションシステムの設計は、選択された接触部分４４の所望の運動が高められるようなものが有利である。
【０２４３】
バネ５０などの弾性サスペンションシステムは振動素子２６の動作周波数で振動のノードに接続されている場合は、この振動には関与しない。しかし、弾性サスペンションシステムを選択された動作周波数で振動のノード以外の場所に接続した場合には、そうでない場合には独立している、振動素子２６のさまざまな振動モードと結合し得る非対称を生じる。この結果生じる選択された接触部分４４での楕円運動１００は、特に、駆動される物体４２の係合面が振動素子４２に対して傾斜している場合に有用である。
【０２４４】
たとえば、図５の実施形態では、振動素子７６はピン７８を中心に発振し、これにより、接触部分４４は上下運動を楕円経路１００に沿って行うことができる。振動素子４６、７６の取付けにより、モータアセンブリ２０のさまざまな振動モードおよび接触部分４４のさまざまな動きが可能になる。
【０２４５】
さらに、図７８を参照すると、被駆動素子のねじれ運動または回転運動で使用するのに適している他の実施形態が示されている。この実施形態では、被駆動素子４２は長軸４５を中心として回転する。圧電素子２２の長軸９５は、共振器２４の長軸２５と軸が揃っていない。これらの軸は、互いに対して傾斜しており、圧電素子２２の軸は、被駆動素子４２の軸４５とほぼ平行である。共振器２４の軸２５は、２本の軸９５、４５の間の間隙を橋渡しするように傾斜している。選択された接触面４４は、棒状の被駆動素子４２上の隣接する接触領域の形状に一致する曲面をなしている。この弾性取付システムは、長軸４５を中心に棒４２を回転する選択された接触面４４の運動を受け入れられるようになっている。
【０２４６】
弾性取付システムは１つまたは複数のバネ５０を有する有すると有利である。図の実施形態で、棒４２が水平面内にある場合、圧電物質の軸２２を通り長軸４５に垂直な（ただし該軸からずれている）水平面内に揃えられたバネ５０ａにより、棒４２の回転運動が可能である。共振器２４の反対側に２つのバネ５０ａが突き出て、対称的な弾力的な取付けになるようにすると有利であるが、ばね５０ａは１つだけ使用できる。バネ５０ａは、圧電素子２２と共振器２４内の開口２８との間にバネ５０ａの遠位端を挿入することにより共振器２４に接続されていることが示されている。
【０２４７】
別々のバネ５０ａの代わりに、真ん中が圧電素子２２に隣接する単一の重ね板バネ素子を使用することも可能である。
【０２４８】
バネ５０ｂを端３５に隣接させて共振器２４の水平面に直交する軸内に接続すると有利であるが、任意選択である。バネ５０ａ、５０ｂの相対的剛性と、これらのバネの相対的位置に応じて、被駆動素子４２のさまざまな運動が得られる。この運動は、長軸４５を中心とする主にまたは純粋に回転する運動であるが、軸４５を中心とする回転および軸４５に沿った平行移動の組合せも可能である。
【０２４９】
図７８はさらに、振動素子２６および共振器２４が非対称にできることを示している。また、バネ５０はさまざまな配置、構成、および向きを持つことができることも示している。実際、バネ５０は曲げバネまたはねじりバネとすることができ、各々システムのまたは振動素子２６のサスペンションおよび共振振動モードに影響を与える可能性がある。図７８はさらに、バネ５０を圧電素子２２に接続する必要がないことも示している。さらに、共振器２４の主要振動部分の軸２５は、圧電物質を通る軸９５に平行である必要もない。さらに、接触部分４４は、被駆動素子の隣接する表面に一致するように成形することもできる。この成形は、共振器２４内で実施するか、または切断あるいはその他の方法で共振器２４内に入れるか、または摩耗および慣らしで形成することができる。
【０２５０】
[摩擦を減じる動作モード]：
動作周波数でないある周波数で励起したときに、接触部分４４に変化する接触力を発生させ、場合によっては、駆動される物体４４上の実効摩擦保持力を低減することができる離昇（liftoff）を引き起こすことは、本開示のモータの追加特徴である。つまり、これらの周波数で動作させ、モータをオフにしたときに、モータを通じて駆動される物体を引っ張るのが簡単であるということである。この選択的に減じられる摩擦の特性は、用途によって有用な場合がある。
【０２５１】
−理論的設計態様−
圧電物質２２と共振器２６は、被駆動素子４２を動かす選択された接触部分４４の所望の運動を発生するように構成されている。接触部分４４は、図１に示されているように楕円経路１００内で動くのが好ましい。共振器２６の運動の２つの矩形成分の位相および振幅の変化とその楕円運動を発生する重合せについてここで説明する（斜角について類似の結果を導くことができる）。位相と振幅を修正することにより、モータアセンブリ２０の本出願に有用な楕円のいくつかの特性をよく理解できるであろう。これらの特性には、選択された接触部分４４が好ましくは辿る経路である楕円の短半軸と長半軸の向きと長さが含まれる。他の関連する特性としては、さらに、接触部分４４の速度と相関する楕円を横断する速度および被駆動素子４２が動く際の速度が考えられる。この設計には、圧電モータアセンブリ２０内のいくつかの寸法許容差に合わせる楕円の半軸の方向を必要とする場合がある。この設計ではさらに、楕円１００の半軸の長さがいくつかの定義済み限界を超えないことも必要になる場合がある。さらに、楕円１００の半軸の比は、運動が大きくなるように、または高速な運動になるように選択すると有利であり、軸の比は５：１とすると有利であり、１０：１だと好ましく、１０〜５０：１とすると理想的である。
【０２５２】
図４３を参照すると、楕円１００はとりわけ図１および図５に示されているように振動素子２６の接触部分４４の潜在的運動を表す。楕円１００は、運動の２つの成分により発生し、第１の成分はＥx方向（図１の被駆動素子４２の長軸４５に沿った運動に対応する）で作用する。運動の第２の成分は、Ｅy方向に作用し、これはＥx方向に垂直である。運動の２つの成分Ｅx、Ｅyは、モータアセンブリ２０の選択された接触部分４４で発生する。運動の成分を発生するのに使用されるメカニズムは、以下の開示に影響を与えない。楕円１００の局所的な長軸および短軸ｅx、ｅyもそれぞれ示されている。
【０２５３】
例示のため、運動の第１の成分と第２の成分Ｅx、Ｅyは、振幅ＡとＢを持つ正弦波であり、それぞれ位相差がφ＝π／２＋Δφ［ｒａｄ］であると仮定する。ただし、他の波形も使用できる。図１に示されているような共振器２４の縁に配置されている選択された接触部分４４の位置ベクトルｒは、時間の関数として、以下の式で表される。
【０２５４】
ｒ＝Ａｃｏｓ（ωｔ＋φ）Ｅx＋Ｂｓｉｎ（ωｔ）Ｅy
この式の中のωは、発振の周波数である。図４４は、Ａ＝１、Ｂ＝０．５、ω＝１、およびφ＝π／６［ｒａｄ］の運動の部分的成分の一例を示している。図４３の楕円１００は、｜Δφ｜＜９０°では反時計回りに横断し、９０°＜｜Δφ｜＜２７０°では時計回りに横断する。
【０２５５】
次に長半軸と短半軸の長さ２ａおよび２ｂを以下の式からそれぞれ計算する。
【０２５６】
【数１】
0004943618.tif 000002
【０２５７】
図４５は、ｂ／ＢがΔφおよび比Ｂ／Ａにどのように依存しているかを示している。図４６は、ａ／Ａの依存性を示している。ｂ／Ｂの依存性はＢ／Ａ＜＝０．３の比については実質的に変化しないことに注意することが重要である。
｜Δφ｜＜５０°およびＢ／Ａ＜＝０．３に対するこの依存性の、よい近似は次の関数で与えられる。
【０２５８】
【数２】
0004943618.tif 000003
【０２５９】
向き角度α（図４３）は、値ａｔａｎ（Ｂ／Ａ）を超えることができない（図４７を参照）。設計規則として、Ｂ／Ａ＜０．５について以下の式がある。
【０２６０】
【数３】
0004943618.tif 000004
【０２６１】
十分に小さな比Ｂ／Ａについては角度αを以下の式で近似できる（図４８を参照）。
【０２６２】
【数４】
0004943618.tif 000005
【０２６３】
以下の例は、前の材料の使用例である。Ｂ／Ａ＝０．３と仮定する。図４７から、ａｔａｎ（Ｂ／Ａ）≒１５であることがわかる。次に図４８から、Δφ＝４５°についてα≒０．８＊１５°＝１２°が成り立つ。図４５〜４６は、ｂ／Ｂ≒０．７およびａ／Ａ≒１．０２５であることを示している。
【０２６４】
この情報は、楕円１００のさまざまな特性を保存するまたはそのような特性が得られるような方法でＡ、Ｂ、およびΔφをいっしょに変更する方法を例示している。前の例では、変更を加えて、振動素子２６の長軸２５間の傾斜角度α（図１）が１２°に近い値になるようにし、被駆動素子４２の平行移動を大きくとることができる。また変更を加えて、楕円１００（図１、図４３）の短軸の長さである２ｂが所与の値よりも大きいままで、被駆動素子４２の不要な動きを避けるだけでなく被駆動素子４２の許容できない摩耗も十分避けられるように、振動素子２６により、選択された接触部分４４が被駆動素子４２からはずれるようにすることもできる。比較的広いパラメータ範囲にわたって、本発明の被駆動素子４２を動かすのに特に有用な所望の楕円１００が得られる。上の例では、被駆動素子４２は、Ｅx方向に１２°の角度で配向するのが好ましい。しかし、当業者には、最適な角度が一般にこの値に制限されることはないことは明白であろう。
【０２６５】
図１、４３、および図４９〜５１を参照すると、軸の位置が振動素子２６の長軸２５と合わされている座標系から選択された駆動部分４４の楕円運動に対応する座標系への座標変換の影響を考慮すると有利である。これは、周波数応答曲線（frequency response curves）、したがってモータアセンブリ２０の性能および設計に対する影響が有用なものであることを示す場合がある。図４３は、軸ＥxおよびＥyにより定められたモータ座標系を示しており、Ｅx軸は被駆動素子４２（図１）の長軸４５に対応する。楕円１００は、図１の振動素子２６上の選択された駆動部分４４の第１と第２の運動成分により発生すると考えられる。楕円１００の局所的な軸は、軸ｅxとｅyで表される。
【０２６６】
たとえば、運動の第１の成分がＥx方向にあり、選択された周波数の近傍で一定の増幅係数ｇ1（ｓ）＝Ａで近似できる伝達関数（transfer function）を持つと仮定する。運動の第２の成分がＥy方向にあり、選択された周波数の近傍でラプラス変換
【０２６７】
【数５】
0004943618.tif 000006
【０２６８】
で与えられる二次の共振器により近似できる伝達関数を持つ。
【０２６９】
ここで、ω0は（減衰していない）共振周波数で、ｅは機械システム、つまりこの場合のモータアセンブリ２０での減衰から固有に発生する無次元の減衰パラメータである。
【０２７０】
ｇ1（ｓ）とｇ2（ｓ）の重合せにより、伝達関数Ｇ1（ｓ）およびＧ2（ｓ）がそれぞれｅxおよびｅy方向に得られる。例示のため、Ａ＝１かつω0＝１となる例を取り上げる。図４９〜５１は、ｋ＝０．０１およびα＝２５°についてのＧ1（ｓ）およびＧ2（ｓ）を示している。パラメータｅは、図４９〜５０〜５１へと増大する。これら２つの信号を組み合わせると、Ｇ1（ｓ）とＧ2（ｓ）との位相差Δφが間欠的変化を受け、この変化はシステムの減衰が増大するとともに丸められる挙動が生じる。この効果により、相対的位相差が０〜１８０°の範囲となり有用な楕円形状の運動を生じる共振周波数を見つけやすいような拡大された周波数範囲が得られる。この周波数範囲は、単純な二次発振器の伝達関数で得られる範囲よりもかなり広い。このような特に広がっている位相範囲を、他の設計態様とともに使用すると、選択された駆動周波数が変化したときに得られる楕円１００の形状と向きを選択しやすくなる。
【０２７１】
上の座標変換の影響は、Ｇ1（ｓ）とＧ2（ｓ）を高次のより現実的な伝達関数で置き換えると圧電モータアセンブリ２０から発生するため高まる。このような伝達関数により、いっそう広い周波数範囲において０〜１８０°で変動するＧ1（ｓ）とＧ2（ｓ）との間の相対的位相シフトΔφが得られ、モータアセンブリ２０が製作許容差、材料特性、温度変化、その他の製造要因および基準に依存する度合いがますます低くなる。
【０２７２】
縦方向の運動と横方向の運動の間のこのような位相シフトを使用して所望の楕円運動を得る。３°〜１７７°の位相シフトは、選択された接触部分４４で有用な運動を得るのに十分適していると考えられる。位相シフトが９０°だと、振幅が等しい場合円運動になる。この位相シフトにより、選択された接触部分４４が非円運動をし、楕円運動の長軸に沿って大きく動くのが好ましいが、任意選択である。
【０２７３】
Ｅx軸の下の楕円１００の部分は、駆動部分４４と被駆動素子４２との係合を反映するものと考えられる。楕円１００の形状を変えることで（つまり、ｅxおよびｅyに沿って測定した２ａ、２ｂ）、係合の持続時間を変化させ、ある程度その係合の圧力を変化させることができる。さらに、楕円１００の向きを変えることにより（つまり、被駆動素子の軸４５と楕円の長軸との間の傾斜角度α）、係合の持続時間を変えることができる。傾斜角度αがｅx軸とＥx軸との位置合せに近づくと、駆動部分４４と被駆動素子４２との接触の持続時間が増える。
【０２７４】
実用上の理由から、被駆動素子４２の長軸は多くの場合、２つの軸Ｅxとｅxの間に置くことがある。しかし、さらに重要な態様では、これらの式は、圧電物質２２の励振周波数が変化したときに選択された駆動部分４４の振幅と位相（つまり、楕円１００）が変化することを示している。これは、楕円１００の振幅と向きを変え、したがって、被駆動素子４２を駆動する運動の特性を変化させることができることを示している。さらに、これらの式は、振幅および周波数の広い範囲にわたってこのような変化をもたらし、以前には利用できなかった圧電物質２２の機能設計特性の柔軟性をもたらすことができることを反映している。さらに、これらの式は、製作許容差を圧電ドライブを使用した既存のモータの多くのものと比べて小さくでき、かつ潜在的に著しく小さくできる十分な範囲で係合の基準を変えることができることを反映している。
【０２７５】
従来、このようなさまざまな製造基準は正確であったため、圧電振動素子２６の製造コストが高くなり、モータの動作範囲および基準は狭いものであった。そこで、基準を緩和すれば、広い範囲の動作パラメータを使用できるようにしながら、モータ製作時のコスト低減を大幅に進めることができる。
【０２７６】
被駆動素子４２の運動の方向は、被駆動素子４２の相対的向きと、楕円経路１００を周回するときの選択された接触部分４４の方向に依存する。振動素子２６の異なる点は、異なる振動形状を示す場合がある。通常、楕円経路１００を周回する時計回りおよび反時計回りの運動が発生する領域は、振動素子２６の長さに沿って交互に切り替わる。棒形の振動素子２６の駆動方向は、通常、振動素子を長軸２５を中心に１８０°回転させることで反転できる。
【０２７７】
接触点４４の運動の形は、本発明にとって重要である。この形状では、駆動力はある方向が他の方向よりも勝っていなければならない。これは通常、被駆動素子４２が動いた方向に選択された接触部分４４が動いている間に接触圧力を増大させることにより実現される。接触部分４４が反対方向に動くと、接触圧力は小さくなるか、または接触部分４４と被駆動素子４２との接触がいっそう緩いものとなる。１つの重要な態様として、適切な運動を発生させる方法がある。
【０２７８】
機械のノイズや不要な振動があるため、その形または楕円は必ずしも理想的な理論的経路を辿るわけではない。したがって、選択された接触部分４４はときに、望ましくない運動、たとえば８の字形の運動を生じることがある。しかしながら、これらの運動は振動素子２６では恒常的に出現することがある。しかし、これらは被駆動素子４２を駆動するのには使用していない。これは、接触部分４４の３次元振動形状の説明において明確になる。
【０２７９】
この説明では、振動の２次元形状のみ取り上げる。実際、接触部分４４は３次元では幾分小さい運動をし、その方向は、軸２５に沿った駆動力の方向および振動素子２６と被駆動素子４２との間の軸４５にほぼ沿っている接触力の方向の両方に垂直である。これらの振動もまた、高い周波数成分を含むことがある。そのため、接触部分４４の運動は、いくつかの平面内に射影された場合に８の字型運動のように見えることがある。この８の字型運動が認められても、被駆動素子４２を駆動する振動素子２６の動作には関係がなく、単に未使用の運動の副作用にすぎない。
【０２８０】
性能最適化のため楕円運動１００の長軸は被駆動素子４２が動く方向と完全に揃うようにするのが理想的である。方向が完全に揃うことは、いろいろな理由から困難であり、たとえば、製作許容差や性能の変動がある。さらに、楕円経路１００であっても完全には楕円でなく、時間とともに変化することがある。たとえば、電圧、電流の変化、停電、または変動、時間による低下、電気的ノイズ、機械的ノイズ、電磁干渉は、楕円経路１００の形状および滑らかさに影響を及ぼす。そこで、製造コストおよび組立コストを低減し、環境変動やシステム使用中に発生するその他の変化に対応できるシステムを生産するために実用的変動範囲に適応できるシステムを構成することが望ましい。このような変動があるため、０〜５°程度の整列は揃っているとみなすが、ほとんどの場合、完全な整列からずれていてもここで開示しているシステムの性能には実質的に影響を及ぼさないというのがその理由の一端である。
【０２８１】
振動素子２６は、選択された接触部分４４の動きの進行波に依存しない。しかし、材料内に存在する力学的な波もそこを通って進行する。本発明では、このような波は振動素子２６の一部で反射され、最初の波と重なり合う他の進行波が生じる。したがって、定常波が生じ、場合によっては、この定常波を選択された接触部分４４とともに使用できる。いくつかの従来技術のモータでは、定常波でない、むしろ、進行波とともに動くまたは進行波によって動かされる駆動される物体とともに進行する波を必要とする。この進行波は、定常波と異なる。
【０２８２】
[実用上の設計態様]：
接触部分４４は、駆動される物体を動かすために駆動される物体４２と接触する振動素子２６の点である。この接触部分は、通常、共振器２６の一部であり、共振器の遠位端３６上にあるのが好ましい。重い被駆動素子４２を動かすことができるモータアセンブリ２０の出力およびモータアセンブリ２０の効率は、接触部分４４の周期的運動と、接触部分４４および被駆動素子４２の間の力との関数になっている。選択された接触部分４４の空間的運動は、モータの複数の振動モードの重合せの結果である。これらのモードはすべて圧電素子２２により発生する同じ周波数で励起されて、振幅および相対的位相を変化させる。接触部分４４の所望の運動に対するこれらの寄与と接触部分４４によって加えられる力は、相対的大きさと、これらの複数の振動モードの各々の相対的位相角との関数になっている。さらにこれらの振動モードは、モータの幾何学的形状、構成関係式（constitutive  relations）、および材料特性の関数となっている。
【０２８３】
モータアセンブリ２０の性能を高めるために、以下のガイドラインに従うとよい。モータアセンブリ２０の性能を最適なものとするために以下のガイドラインをすべて選択された接触部分４４において同時に満たしているのが好ましいが、できあがったモータが満足な性能を有する有する場合はこれらのガイドラインの１つまたは複数について妥協してもよい。
【０２８４】
選択された接触部分４４の運動は、それぞれ長さａおよびｂの長軸および短軸を持つ楕円である。ここで使用しているように、また特に断りのない限り、楕円運動または楕円といった場合、長軸と短軸が等しい楕円、つまり円も含む。また楕円運動または楕円に言及した場合、長軸または短軸のいずれかが他方の軸に比べて短い楕円を意味し、直線に近いような引き延ばされた楕円も含む。
【０２８５】
楕円の長軸は、被駆動素子４２の駆動方向と位置が揃っているのが好ましい。長軸と短軸の長さａおよびｂは両方とも所望の用途にかなった十分な大きさであり、選択された用途に最適な性能を十分発揮できる大きさであるのが好ましい。一般に好ましい楕円形状では、速くするために短軸「ｂ」に比べて長い長軸「ａ」を持ち、次に説明するように楕円の戻り部分で被駆動部材４２から接触部分４４の係合をはずすのに十分な短軸「ａ」を有する有する。上述のように、３：１〜１５０：１、あるいはそれ以上の比を使用できると思われるが、この比が高いと、運動の直線性が増し、被駆動素子での衝撃運動が大きくなる。
【０２８６】
被駆動素子４２上の接触面の法線方向にある選択された接触部分４４での力は、接触部分４４が駆動方向に動いたときに大きく、接触部分４４がそれと反対方向に動いたときに小さく（または０に）なる。力が０の場合、接触部分４４は駆動される物体４２との接触を失っている。この接触を失うケースでは、振動素子の後方への運動２６の先端は非常に効率よいが、モータアセンブリ２０はさらにその期間にトラクションを失う。このトラクション喪失は、モータの効率および強度を評価する際に考慮する必要がある。接触部分４４が駆動方向の反対に動くときに法線力が大きすぎると、被駆動素子は駆動方向に適切に搬送されない場合があり、性能が失われる。
【０２８７】
さらに、選択された接触部分４４と被駆動素子４２との間の法線接触力は、接触部分４４と駆動される物体４２との間の摩擦力の測定基準である。法線力が大きいほど、モータアセンブリ２０のスラストは強くなる。しかし、数千サイクルの楕円経路進行から繰り返し接触することで生じる摩耗も考慮する必要がある。接触部分４４の接触面積が広いほど、接触部分４４と係合する被駆動素子４２の表面に発生する瑕疵を許容できるという利点がある。
【０２８８】
これまでに開示した実施形態では、選択した接触部分４４は多くの場合、振動素子２６の遠位端３６の一方の縁に配置されるように示されているが、所望の楕円運動がその場所で容易に発生させられるというのが一部理由となっている。さらに、このような縁の位置であれば、接触面積を狭め、摩擦係合を適切なものにできる。しかし、選択した接触部分を縁に配置する必要があるというわけでは必ずしもない。さらに、通常ある程度の材料摩耗により、縁が摩滅し、一定期間使用した後接触面４４が平たくなる。このような摩耗は通常、モータアセンブリ２０の動作または使用には影響しない。別のところで説明しているように、接触部分４４はさらに、振動素子２６上の他の場所に配置することもできる。たとえば、接触部分４４は、図６２のように振動素子２６の側面に配置することもできる。選択された接触部分４４は、点接触である必要はない。特定の用途では、選択された接触部分４４のサイズおよび位置が影響を受ける。
【０２８９】
駆動方向にの接触部分４４の変位と法線接触力は位相が同じでない。これら２つの数量を変位力図にプロットすると、楕円が描かれる。この楕円の長軸の変位軸に関する向きから、他の設計パラメータは得られる。この向きに応じて、最大接触力が先端の前進運動の前または後に発生する。ある意味で、これは、幾分鋸歯状の動きに似たものとして解釈できる。有用な運動は楕円経路１００の一方の半楕円軸が、互いよりも５倍、１０倍、またはそれ以上大きいとき発生するので、比較的小さな運動であっても半軸の１つに潜在的に使用できることがある。
【０２９０】
選択された接触部分４４の運動は、モータアセンブリ２０全体とそのコンポーネントの振動の結果である。選択した接触部分４４の運動は、励起周波数がシステムの共振周波数に近く、また選択した接触部分４４が大きな振幅の発生する場所にある場合に大きくなる。選択した接触部分４４の運動を多方向にわたって大きくなるようにするには、選択した周波数範囲に複数の共振振動が集まるようにモータアセンブリ２０を設計すると有利である。たとえば、曲げモードの自然周波数が縦モードのそれに近く、また励起周波数がこれらの曲げモードおよび縦モードを励起する周波数の間にある場合、選択した接触部分４４の結果の運動は適度に大きな振幅を持つ。選択した接触部分４４の運動が楕円となる性質は、それぞれの運動の位相差により生じる。この位相差は、システム内の減衰により一部発生する。これらの要因をさまざまに組み合わせて用いることで、接触部分４４の所望の運動を引き起こし、電力、信頼性、摩耗などのモータアセンブリ２０の他の基準を設定できる。
【０２９１】
共振周波数の絶対的位置および相対的位置、ならびにモータアセンブリ２０の振動モードは、複数のパラメータの影響を受ける。次の要因は、モータアセンブリ２０の許容可能な設計を構成する際に使用できる。
【０２９２】
低い振動モードは、一般に、高い振動モードよりも強いが、それは、低い振動モードは比較的小さな弾性エネルギーを保存し、さらに多くのエネルギーを選択した接触部分４４を通じて物体４２を駆動するために残すからである。
【０２９３】
周波数の図の振動素子２６の縦共振の場所は、主に圧電物質２２および共振器２４の長さ、ならびに部品の材料特性の影響を受ける。最初の縦モードははるかに最も強く、したがって、使用するのが望ましいモードである。
【０２９４】
周波数の図における振動素子２６の縦方向共振の位置はさらに、モータのサスペンション、つまり、バネの鋼鉄製支え５０（図１）または振動素子２６をハウジングに接続するその他のメカニズムの影響を受ける。バネ５０などの支えの自然（共振）周波数を振動素子２６の縦方向共振周波数に近づけると、縦方向周波数を互いに近い２つの周波数に分割する効果を生じる。モードの位相は、これらの共振領域内で０〜１８０度まで強く変動する。したがって、共振分割を使用して、モータの作業領域を広い周波数範囲に分散し、モータをより堅牢なものにすることができる。
【０２９５】
０度と１８０度以外の位相差は、減衰メカニズムにより生じる。この効果を広い周波数領域に広げるために、減衰層などの追加減衰素子を振動素子２６に追加するか、またはモータアセンブリ２０のさまざまな部分に追加できる。さらに、内部減衰は、圧電物質２２と共振器２４の材料特性および組立方法の影響を受ける。これらの要因はさらに、材料の履歴、つまり製造プロセスの影響を受けることがある。
【０２９６】
さらに、減衰がシステム材料に内在するのか、あるいは設計コンポーネントによって加えられるのかに関係なく、減衰を利用することにより、主共振モードを使用して二次振動モードを励起し、経路１００に沿って選択された接触部分４４の所望の楕円運動を発生する。楕円半軸は振幅の比が５、１０またはそれ以上であり、減衰により励起される振動モードは主振動モードから生じる振幅１／５、１／１０などの振幅を持つだけでよいことに注意されたい。減衰により振動モードを結合できるため、減衰を使用して、選択された接触部分の所望の楕円運動を引き起こすことができる。
【０２９７】
曲げ共振振動モードは主に、圧電物質２２と共振器２４の長さ、断面積、および形状の影響を受け、またさらに部品の材料特性の影響も受ける。低い共振振動モードは、高い共振振動モードよりも強い。共振縦振動モードの配置と分割のガイドラインは曲げモードにも通用する。
【０２９８】
剪断共振振動モードは、選択された接触部分４４の縦方向運動に寄与する場合があるが、特に接触部分４４が振動素子２６の遠位端３６および遠位端の縁に置かれている場合である。共振器２４の断面の形状は、共振器２４に関する圧電物質２２の配置の場合のようにこれらの共振振動モードを左右する。さらにたとえば、図２を参照されたい。圧電物質２２の長軸が共振器２４の長軸から適宜ずらされている場合、遠位端３６の縁は剪断共振を持ち、遠位端３６の向かい合う縁は軸４０を中心に旋回する。モータの中心線に近い材料を取り除くと、特にこの共振モードに強い影響を与えることがある。材料を中心線に沿って取り除いた一構成を図５２に示し、これについては後述する。
【０２９９】
ねじれ共振振動モードを使用して、選択した接触部分４４の選択された、好ましくは垂直の運動を支えることができるが、ただし、接触部分４４が振動素子２６の側面に近い場合である。ねじれ共振振動モードは、通常、他の振動モードに比べて大きさが小さいが、振動素子２６の長さに沿ってさまざまな部分を使用することでさまざまな物体を駆動できる可能性がある。ねじれ共振振動モードは、図２３、２５、２７、２８、２９、３０、３２などの実施形態の被駆動素子４２を回転するのにも使用できる。またねじれ共振振動モードは、図３８〜４０の実施形態の被駆動素子４２を平行移動するのにも使用できる。
【０３００】
断面収縮から生じる共振振動モードは、図１に示されている棒状の被駆動素子４２など、長くした被駆動素子の場合にはほとんどメリットはない。断面収縮で見られる周波数は、高すぎて、振幅を容易に使用することはできない。断面収縮は、ポアソン効果に支配されている。この効果は、圧電素子２２または共振器２４モータの縦の歪みが最も高い場合、つまり応力が最も高い場合に最も強い。したがって、断面収縮は、圧電素子２２が共振器に接続されている場合、またはフレームで圧電素子と大きい力が働いているその接続部を保持している場合に大きい。この収縮により、共振器２４の薄い側壁２９（図１）の曲げ振動が駆動できる。側壁２９の曲げ共振振動モードが振動素子２６の縦振動モードに同調すると、自然振動周波数のさらに別の分割が発生することができ、上述と同様の利点がある。
【０３０１】
圧電素子２２は、取り付けられている共振器２４内に主に縦方向の力を発生させる。振動素子２６からのこれらの縦方向の力を結合して長軸２５と別の方向にすると、曲げ、剪断、ねじりなど、振動素子２６内に他のいくつかの振動モードが生じる可能性がある。縦運動と振動素子２６内の他の振動運動との結合の強さにより、振動素子２６のさまざまなモードの相対的振幅が決定され、したがって、選択された接触部分４４の運動に対するその相対的寄与を決定できる。結合は、振動素子２６のコンポーネント、主に圧電素子２２および共振器２４内の材料特性、幾何学的形状面の不完全さ、および非対称性により発生する。
【０３０２】
これらの結合の効果の一部は、たいていの場合、あまりよく定義されず、分析が困難であり、また測定や設計も難しい。したがって、きちんと定義されたメカニズムが好ましい。これらのメカニズムは、長軸２５の中心から外れたところに、または振動素子２６の長軸２５に対しある角度で圧電素子２２を取り付けることや、バネ５０または類似の素子などの振動素子２６に柔軟な取付具を使用することを含む。バネ５０の場合、振動素子２６の縦方向運動により、バネ５０の曲げが発生する。振動素子２６に固定されたバネの端５０ｂを力ずくで曲げるか、または場合によってはねじる。この曲げまたはねじりで、曲げモーメントが振動素子２６内に発生する。バネ４０の構成を使用して、たとえば、曲がり、縁、および類似の修正を平坦な金属バネに加えることにより振動モードを変化させることができる。さらに、設計に役立つ場合、指定した位置でバネ５０の柔軟性を大きくし、柔軟な部分を中心とする回転の軸を適切に定義することができる。圧電素子２２を選択または構成または励起して純粋な縦運動以外の運動を行うようにした場合、振動素子２６内の振動モードを結合することができる。
【０３０３】
振動素子２６とモータ２２を構成する際にいくつかの追加要因を考慮するのが好ましい。これらの要因には、何にも接触していない場合に選択した接触部分４４が動く楕円１００の向き、被駆動素子４２と接触している場合に接触部分４４の力変位楕円の向き、および被駆動素子４２と接触している場合に選択した接触部分４４で発生する機械力の推定値がある。
−方向の反転−
第１の周波数で一方向に駆動される物体４２を搬送するという振動素子２６の動作の原理が知られている場合、第２の周波数で同じ動作原理を使用して駆動される物体を反対方向に搬送することが望ましい。このような設計は、楕円運動を使用して動作する振動素子に有用なだけでなく、他の原理で動作する振動素子にも有用である。第１の周波数で接触部分４４の搬送運動を発生する振動素子２６の振動モードは必ずしも、第２の周波数で搬送運動を発生するものと同じでないし、また必ずしも同じ種類でもない。
【０３０４】
振動素子２６が適切に設計されているとすると、単方向の動きに必要な同じ機械コンポーネントを使用して２つの異なる動作周波数で双方向の動きを行うことができるということは、このような多方向設計の利点である。特に、単一振動源２０、たとえば、圧電素子で十分である。
【０３０５】
多方向設計の実現は、振動素子２６の軸２５が被駆動素子４２の搬送の方向に対して斜めの場合に単純になる。さらに、多くの場合、いずれかの動作周波数での接触部分４４の運動の形状は、搬送の最大の力または速度を得るのに最適とはいえない場合があり、適当な双方向性能を達成するための妥協に過ぎない。さらに、振動素子が一方向に搬送する周波数範囲は必ずしも、他の方向に搬送する周波数範囲と同じ広さではない。テストしたところ、被駆動素子を反対方向に動かしまたは搬送するのに第１の周波数で５ｋＨｚの周波数範囲、第２の周波数で少なくとも３００Ｈｚが可能であることがわかった。
−図で例示した設計−
振動素子２２の性能を高めるために圧電素子２２を保持している共振器２４の設計に対するさまざまな修正が可能である。可能なものとして以下の実施態様がある。以下の実施形態の組合せおよび従来の実施形態の組合せも可能である。圧電素子２２を留める方法とさまざまな取付方法のすべての組合せも可能と思われる。
【０３０６】
図５２〜５５は、溝１１２が空洞２８の隣から遠位端３６の隣へ延び、共振器を通り長軸２５の方向に沿って延びる、共振器２４を有する有する振動素子２６を示している。溝１１２は、端が丸く、側面が平行であるのが好ましい。しかし、溝は端が矩形であってもよい。図５４に示されているように、幅広の溝に比較して長くて幅が狭い溝１１２を使用する方法には利点がある。溝１１２が狭いと、ビーム１１４は寸法を大きくとれるため、製作許容差は結果の振動に対しあまり影響しないことになる。溝１１２が広いと、壁１１４は通常、寸法が小さくなるため、製作の誤差が振動性能に及ぼす影響が大きくなる。
【０３０７】
溝１１２は、開口２８のように共振器２４の同じ表面に対し開いているのが好ましい。しかし、必ずしも必要なことではないので、望んでいる振動モードおよび構成に応じて溝が共振器２４の他の表面に開いていてもよい。図５５は、開口２８の向きから１８０°回転した横方向の表面に開いている溝１１２を示している。特に共振器２４が円柱状物体形状の場合にさまざまな角度方向が可能である。溝１１２は、２つのビームセグメント１１４ａ、１１４ｂを有する有する共振器を溝の向かい合う側面に作り、各々共振器２４の一部を形成する。
【０３０８】
図５２〜５４で、近い振動モードおよび周波数を持つおおよそ等しい寸法の側面ビーム１１４を製作するために溝１１２は比較的対称的に配置されているように示されている。しかし、溝１１２は図５５に反映されているように対称的に配置されている必要はなく、また寸法が非常に異なり共振周波数が異なるビーム１１４ａ、１１４ｂができるように配置できる。さらに、複数の溝１１２を使用できる。
【０３０９】
したがって、共振器２４内の溝１１２は、共振器内に数多くのビームを作成でき、しかも、各ビームは固有振動数で振動し、まさしくその理由により選択されている。固有振動数が高いと、共振器２４内の振動の位相シフトの数が増える。固有振動数が非常に近いほとんど同一の２つのビーム１１４ａ、１１４ｂを用意することで、高い振幅を持つ広い周波数範囲を得ることもできる。
【０３１０】
溝１１２はさらに、共振器の質量分布、共振器の曲がり、および共振器２４の剪断剛性も変える。これらの変化は各々、共振器２４および振動素子２６の共振周波数および共振振動モードに影響を及ぼす。これにより、製作許容差を低くしながら広い範囲の周波数で振動素子２６の必要な振動モードを励起できる柔軟な設計を行える。
【０３１１】
図５３では、圧電素子２２の開口２８は、圧電素子２２に隣接する部分の上の端が平坦ではなく丸くなっている。圧電素子の断面が正方形または矩形の場合に、圧電素子２２と開口２８の端との間の接触領域は２本のラインを含む。これにより、接触がより明確なものとなる。開口２８が圧電素子２２に隣接する壁で形成される場合、その壁は通常、完全には平坦でなく、また完全には長軸２５に直交していない。さらに、圧電素子２２の端は完全には平坦でなく、また完全には中心線（たとえば、長軸２５）に直交していない。そこで、圧電素子２２の端が開口２８を定める壁（たとえば、端壁３１）に隣接する場合、圧電物質がその中心線に沿って圧縮されず、その結果圧電物質がオフセット軸またはスキュー軸に沿って圧縮されるようにすることが可能である。オフセット軸またはスキュー軸により、振動モードが変化する場合がある。この接触位置を解決する他の方法を図９〜１６について説明する。
【０３１２】
図５６は、２つの溝が圧電素子１２２に沿って開口２８の各側面にある実施形態を示している。溝１１２は、開口２８内に開いており、「Ｈ」の中心に取り付けられた圧電素子１２２で「Ｈ」形状の構成を形成する。この構成を使用すると、圧電素子１２２を共振器２４に圧入するのが容易になるが、それはネッキングが開始する前に側壁２９を大きく変形できるからである。
【０３１３】
図５７は、開口２８が中心に配置された溝１１２によって定められる一方の脚１１４内に形成され、脚１１４ａがその長さの一部分についてさらに脚１１４ｃに分割される実施形態を示している。このような構成は、選択した接触部分４４の運動に剪断力に関して大きく寄与する可能性があり、これは脚１１４ａの軸に沿って位置を合わせているものとして示されている。脚１１４ｂ上の異なる選択された接触部分４４ｂを使用して、脚１１４ａの駆動モードをアクティブにするために使用されているのと異なる周波数で異なる素子を駆動することもできる。脚１１４上の第３の潜在的接触部分４４ｃは、アクティブにされたときにさらに別の被駆動素子に対しさらに別の周波数を表すことができる。これは、もう１つの図であって、選択された接触部分４４は必ずしも、振動素子２６上の同じ位置にある必要はないが、ただし振動素子２６の個数、構成、および配置、ならびに被駆動素子のモータアセンブリ２０の構成など、さまざまな要因に依存する。
【０３１４】
図５８は、共振器２４で穴１１６を有する有する実施形態を示している。穴は、振動素子２６の長軸２５に沿って延びているように示されているが、軸はずれ、またはその軸２５に対して斜めに配置することができる。穴１１６は、遠位端３６上に開いているように示されているが、共振器２６のどの表面にでも形成できる。穴１１６は、円柱状が好ましく、精密許容差で穴を開けた結果をこのような穴で安価に維持できる。しかし、他の形状も使用することができ、ドリル穴は、さまざまな断面形状となるように開けることができる。穴１１６の直径は、望む効果により異なり、材料が取り除かれるため穴によって質量分布が変化し、また穴を形成した後残っている材料の剛性も変化する。
【０３１５】
図５９は、大きな質量が、圧電素子１２２の背後にあり、圧電素子１２２と遠位端３６の反対側にある共振器２４の近位端３５との間に配置されている実施形態を示している。この余分な質量により、振動素子２６の遠位端３６の振動が高まり、選択した接触部分４４が遠位端３６にあるときに有用である。
【０３１６】
図６０は、複数の側壁２９がある実施形態を示している。堅い側壁２９を圧電素子２２の隣に置くだけでなく、さらに複雑な側壁構成を用意することも可能である。
【０３１７】
図６１は、圧電物質が実質的にフレームに封じ込まれ囲まれている他の実施形態を示している。この構成は、バッテリをフラッシュライトに挿入する作業に似通っている。開口２８は、端が閉じた穴を持ち、穴の端１２０は穴を開けるのに使用したドリルに応じて円錐形状または平坦な形状である。キャップ１２２は、穴２８の端の対応するねじ山と係合し、穴の中に置かれた圧電素子２２を圧縮する。キャップ１２２は、圧電素子２２の隣接する端上でキャップ３４と隣接する湾曲した端１２４を備え、点接触を発生するように示されている。１つまたは複数の小さな穴１２６を、開口２８を定める側壁２９内に形成し、電線３０を圧電素子２２に接続できるようにするのが好ましい。しかし、電気接続に他の方法を考案することもできる。底部１２０が平坦な場合に圧電素子２２が隣接する端１２０で面接触を形成し、圧電物質または保護キャップ３４（図に示されていない）の断面が正方形の場合に４点接触を形成し、圧電物質または保護キャップ３４（図に示されていない）の断面が丸形の場合に線接触を形成する。
【０３１８】
共振器２４は、機械加工するか、または非鉄金属、好ましくはアルミニウムで鋳造するのが好ましい。共振器は、適切な材料を焼結したものでもよい。さらに、共振器は２つの別々のセクションを適切な接着剤で圧電素子２２の向かい合う側面に結合したものを有する有することもできる。さらに、共振器２４は、適当なセラミック材料で形成することもできる。焼結したセラミック材料で形成した場合、共振器は共振器２４の焼結中に圧電物質に直接焼結することもできる。
【０３１９】
被駆動素子のサスペンション：被駆動素子４２は、振動素子２６に関して動き、所望の荷重を支えるか、または動けるように吊すのが好ましい。通常、荷重は、荷重、たとえば、リニアモータアセンブリ２０でハウジングに相互に出入りするＣＤトレイに接続されているグラスファイバの棒に対し被駆動素子４２の一部を押し付けることで動かされる。しかし、状況によっては、被駆動素子４２自体が所望の荷重である場合がある。被駆動素子４２は、ベアリング上に吊すこともできる。あまりコストがかからない方法では、小さなホイール上の被駆動素子を吊し、ブッシングをリニアベアリングとして使用する。ブッシングは、棒状の被駆動素子４２で正常に動作すると思われる。ブッシングとガラスまたはグラフファイバの棒の間の低摩擦およびスティクション係数で、摩擦によるモータアセンブリ２０の性能喪失が低減される。自己潤滑ベアリングがあると、さらに摩擦喪失を低減できるため望ましい。他の方法も可能である。ホイールやボールなどの他の駆動される物体も、車軸上に簡単に吊り下げられる。
【０３２０】
被駆動素子４２が棒を有する有する場合、その棒が直線上を動けるように少なくとも４個のボール上に吊すこともできる。デルリンボールを使用したこのような取付けのスティクションは、４つのボールベアリングを使用した場合よりも小さいと考えられる。好ましくは、ボールを溝の中に走らせて、棒によってボールに加えられる半径方向負荷を伝達する必要がある。したがって、モータアセンブリ２０を棒を平行移動する構成としたときに、棒に溝を切って被駆動素子４２に縦方向溝を付けることができる。溝の向きは、棒または被駆動素子４２の所望の動きに応じて変化する。さらに、溝の長さにより、棒の運動を制限することもできる。
【０３２１】
振動素子２６によって駆動される板はさらに、少なくとも３つのボールで吊すことができる。これにより、板の運動の自由度を３とすることができる。他の方法も可能である。
【０３２２】
被駆動素子４２は、振動素子２６を取り付けるために上で説明した原理を用いて選択された接触部分４４に弾力的に押し付ける方法で吊すことができる。弾力的な支えの１つを上の図６に関して説明する。
−電子装置−
入力信号のパワースペクトルが選択された接触部分４４の所望の運動を行わせるのに十分な所望の駆動周波数でかなりの量の振動エネルギーを供給する限り、モータ２６は圧電素子２２に加えられたさまざまな異なる信号形状で機能するため、振動素子２６の圧電素子２２を駆動するのにいくつかのさまざまな電子回路を使用できる。これは、特別な波形、たとえば鋸波波形などを発生する専用の高価な電子回路を必要とする従来技術のモータに対し利点を持つ。ドライバ回路の具体例は図６３〜６６に示されている。
【０３２３】
図６３は、好ましくはＦａｉｒｃｈｉｌｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社から市販されているＮＤＳ８８５８Ｈハーフブリッジなどのハーフブリッジ１５２を使用するドライバ回路の例を示している。ディスクリートハーフブリッジもまた、適当なものであると考えられるが、サイズ面から好ましいとはいえない。指定周波数の矩形入力タイマー信号１５０を使用して、ハーフブリッジ集積回路１５２の入力を繰り返し切り替えることができる。このプロセスにより、圧電素子２２を表すキャパシタ１５４に振動波形が発生する。ただし、ハーフブリッジ１５２を切り替えることができる必要なしきい値に到達する限り、信号１５０は矩形である必要はない。したがって、信号１５０は、マイクロコントローラまたはその他の適当な信号発生器、たとえば、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ社が市販しているＬＭ５５５タイマー回路により生成できる。入力タイマー信号１５０を使用して、ハーフブリッジ１５３の入力を切り替える。前記入力の１つがハーフブリッジの出力に接続されている期間は、入力信号１５０によって決定され、適宜選択できる。通常、供給電圧（ＶＣＣ）がハーフブリッジの出力に接続されるサイクルは時間の約５０％以下を占め、この回路および圧電素子２２のエネルギー効率を最適化する。信号１５０がＨｉｇｈレベルの場合、ハーフブリッジ１５２内のｎチャネルトランジスタ１５３ａは導通し、キャパシタ１５４を放電する。この放電が終わった後、信号１５０はＬｏｗレベルに変化し、ハーフブリッジ内のｐチャネルトランジスタ１５３ｂが代わりに導通し、キャパシタ１５４を充電する。このプロセスは、無限に繰り返すことができ、したがって、キャパシタ１５４は圧電素子２２を表すので、圧電素子２２、したがって振動素子２６（図１）の振動運動を発生する。
【０３２４】
代替方法として、ドライバ回路内のトランジスタ１５３ａ、１５３ｂの１つをコンポーネント１５６、たとえば、抵抗器などの受動素子または定電流ダイオードなどの能動素子で置き換えることができる。このような代替実施形態は、図６４に示されており、トランジスタ１５３ｂは抵抗器などのコンポーネント１５６で置き換えられている。
【０３２５】
具体的実施形態によれば、図６３、６４のドライバ回路には、たとえばマイクロコントローラの一部として、集積回路内に実装できるという利点がある。
【０３２６】
図６５は、キャパシタ１５４（圧電素子２２）、電磁気エネルギー蓄積デバイス、たとえば誘導コイル１５８や、並列に接続されたオプションの抵抗器１５６を有する有するスイッチング共振回路を使用する圧電素子２２の他のドライバ回路を示している。共振回路を使用して圧電素子２２を駆動する方法の利点の１つに、圧電素子２２の動作に必要な高電圧を維持しながら供給電圧（ＶＣＣ）をバッテリレベル（たとえば、３Ｖ）まで下げることができるという点があげられる。さらに、回路全体は、圧電素子２２を表すキャパシタ１５４のほかに３つの電子部品のみで構成されている。
【０３２７】
図６５では、入力信号１５０（図６３のハーフブリッジドライバ回路ですでに説明しているものと似ている）を使用して、きちんと決定されている方法でトランジスタなどの制御素子１５３のオン、オフを切り替える。通常、トランジスタ１５３が導通状態になっているサイクルは、圧電素子２２のエネルギー効率が最高になるように約５０％以下に選択される。入力信号１５０がＨｉｇｈレベルのときに、トランジスタ１５３は導通し、コイル１５８を通る電流を増やしながらキャパシタ１５４の充電を反転する。コイル１５８内の電流は、キャパシタ１５４が完全に充電したときに最大に達する。その時点で、コイル１５８は最大量のエネルギーを電磁場に蓄積しており、これは入力信号１５０がＬｏｗレベルに設定されトランジスタ１５３がもはや導通状態でなくなった場合に好ましい。コイル１５８に蓄積されたエネルギーは、電流の流れを維持し、さらにこれは、キャパシタ１５４の充電を反転し、キャパシタ１５４間の電圧を高め、したがって、圧電素子２２の電圧が高くなる。
【０３２８】
キャパシタ１５４がその充電を完全に反転したときに、回路調整が正しければ、コイル１５８内のエネルギーによりキャパシタ１５４間の電圧が供給電圧（ＶＣＣ）を超えて高くなる。コイル１５８がそのエネルギーを放出すると、キャパシタ１５４間の電圧は最高に達し、キャパシタ１５４はシステムの電気エネルギー全体を蓄積する。次に、コイル１５８を流れる電流が反転し、さらにこれによりキャパシタの充電が反転する。この時点またはその後まもなく、サイクルを繰り返せるように入力信号１５０が再びＨｉｇｈレベルに切り替わった場合に好ましい。
【０３２９】
抵抗器１５６は、図６５の回路の動作に必要ないが、キャパシタ１５４の波形を整形し、トランジスタ１５３を通る電流の高速スイッチングから発生する可能性のあるピーク電圧を遮断し、それにより潜在的電磁干渉とともに振動エネルギーが望ましくない周波数スペクトルに漏れるのを抑える方法を提供する。代替方法として、さらに抵抗器をインダクタ１５８と直列に接続することもできる。また別の代替方法として、誘導コイル１５８をキャパシタ１５４と直列に接続し、別のタイプの電気的共振回路を形成することも有用である。この回路の共振周波数をモータの動作周波数に十分近くなるように選択した場合、電力消費を比較的低く維持しながら圧電素子２２での電圧を高くできる。前述のように、インダクタ１５８はさらに、キャパシタ１５４を接続しているのと同じワイヤでできているワイヤコイルとすると有利である。
【０３３０】
さらに、図７９〜８１を参照すると、たとえば、絶縁電線を振動素子２６に巻き付けて図７９に示されているように誘導コイルを形成することにより、コイル１５８、さらに抵抗器１５６さえも、直接振動素子２６に一体化することも可能である。このような実施形態では、図８０に示されているようにワイヤコイル１５８の２つの端を圧電素子への電気的リードとして同時に使用することができる。図３０に示されているようにワイヤコイル１５８を共振器２４に巻き付けるか、または図８１に示されているように別にすることができる。これらの構成では誘導コイル１５８をキャパシタ１５４と並列に接続し、追加配線を節約できるが、コイル１８５は、減衰抵抗、ハーフブリッジ、または単一トランジスタありまたはなしで直列に接続することができる。
【０３３１】
さらに、誘導コイル１５８を、電気的共振器回路を形成するために使用する圧電素子２２の近くに取り付けることができる。圧電素子２２およびコイル１５８を物理的に近づけることで、部品の電気的接続部に固有の電気的抵抗を減らすことができ、また特に、モータを駆動するために使用される電流の大半はこの電気的共振器内で発振するため回路をより効果的にできる。その結果、コイル１５８および圧電素子２２で構成される電気的共振器から出て信号発生ユニットにつながっている電線の直径を小さくし、また長さを長くして、電気的干渉を低く抑えることができる。
【０３３２】
信号発生器などの電気的信号発生源は、振動素子２６およびさまざまな道たとえば１対の電線３０を通る振動運動２２の発生源に電気的に接続されている。駆動される物体４２を第１の方向に動かすために、信号発生器は、主周波数が対応する動作周波数であるスペクトルを持つ電気的信号を出力する。代表的な使用可能な信号としては、純粋な正弦、三角、および矩形の波形があるがこれらに限られるわけではない。同様に、主周波数が第２のまたは第３の動作周波数であるスペクトルを持つ信号により、駆動される物体４２は第２のまたは第３の方向に動く。
【０３３３】
ここで説明するさまざまな振動モータがさまざまな波形で高い信頼性により動作できるということは、正弦波以外の特別な波形、たとえば、鋸波波形で機能する必要があり、純粋な正弦波形では信頼できる機能をしない従来技術のモータに勝る利点となっている。したがって、圧電素子２２に印加される信号の品質は、従来技術のモータに比べて低くてもよいため、信号発生器はその構造を単純にすることができ、その結果、モータシステム全体のコストを下げることができる。
【０３３４】
さらに、信号発生器によって発生したすべての電気信号を、振動素子２６、特に圧電素子２２にたとえば電線３０で接続している同じ電気的接続部を通して伝達することが望ましい。すべての信号が同じ電気的接続部を通じて伝達される場合、さまざまな選択された接続を切り替えるユニットを必要としない。このため、さらに、従来技術のモータに比べて振動モータが簡素化される。さらに、一部の従来技術のデバイスでは、２つの電気信号の間で位相シフトを発生し、別々の電気的コネクタを通じて個別に信号を少なくとも１つの圧電素子に伝達するが、このより簡素化された電気的接続ではそのようなさらに複雑な設計を回避することができる。そのため、一部の従来技術のモータに比べてモータのコストを低減することができる。
【０３３５】
図７９〜８１に示されているように、圧電素子２２は、開口２８を形成する壁と係合する部分を越えて延びるサイズに設定できる。したがって、圧電素子２２は、端壁３１を越えて延びるように示されている。圧電素子の寸法がこのように変化することを利用して、キャパシタ１５４の値を変化させ、図６５に示されている回路などの制御回路の性能を変えることができる。
【０３３６】
図６５および図７９〜８１のドライバ回路の潜在的欠点の１つは、キャパシタ１５４間に出現する負の電圧によるものである。負の電圧は、有極電機部品である圧電素子２２に損傷を与えることがある。圧電素子が負の電圧の影響を受けやすいという状況に対処するために、図６６に関して説明しているような回路の修正を提示することができる。
【０３３７】
図６６は、負の電圧により敏感であると考えられる圧電素子２２とともに使用するのに適しているドライバ回路を示している。この回路では、第２の物理的キャパシタ１５４ｂを圧電素子２２（キャパシタ１５４ａで表されている）に追加され、または図に示されているように電気的に分割される複数の圧電層を持つ場合は、多層圧電素子２２を２つのキャパシタ１５４ａと１５４ｂで表すことができる。また、既存の抵抗器１５６ａに加えて、回路にもう１つの抵抗器１５６ｂを入れる。抵抗器１５６とキャパシタ１５４に並列に、２つのダイオード１６０ａ、１６０ｂを追加する。
【０３３８】
ダイオード１５６ａの向きにより、２つの抵抗器１５６ａ、１５６ｂの間のノードの電圧が供給電圧（ＶＣＣ）以下に下がるのが防止される。そのため、キャパシタ１５４ａ間の電圧は、導通ダイオード間の標準的電圧降下よりもさらに負の方向に下がることはありえない（約０．５〜０．７ボルト）。このような小さい負の電圧は、ほとんどの圧電素子で維持できる。
【０３３９】
前と同じ方法で、入力信号１５０で回路を励起して共振させる場合、圧電素子２２（キャパシタ１５４ａで表されている）間の発振電圧の振幅は供給電圧（ＶＣＣ）よりも大きくできるが、電圧は負になりえない。物理的キャパシタ１５４ｂについても同様のことがいえ、有極電気部品もそこで選択できる。さらに、圧電素子が複数の圧電層を持ち、２つのキャパシタ１５４ａと１５４ｂで表されるように電気的に分割される場合、図６６のドライバ回路は圧電素子を駆動するのに単一の制御信号１５０のみあればよく有利である。
【０３４０】
圧電素子２２への電気入力信号の所与の電圧振幅について、圧電素子の電流消費は振動素子２６のある共振周波数のすぐ下の励起周波数で急激に上昇し、そのような共振周波数のすぐ上で急激に降下することが観察されている。棒状の振動素子２６では、これらの周波数は通常、縦方向モードに対応する。この電気的効果を利用すると、レーザ振動計などの専用測定機器を使用しなくても特定の振動モードを安価にまた素早く決定することができる。ある共振周波数のすぐ上で電流が急激に減少する現象を利用すると、モータアセンブリ２０をこれらの周波数で作動させることができる場合に、振動ユニット２６を駆動するのに必要な電力を低減することができる。また、電流の降下を自動的に検出し、その降下が発生した周波数を追跡するように電子回路を構成すると、フィードバックが得られるため有利である。このフィードバックを使用して、温度や湿度など変化する外部影響に最適な動作周波数を合わせることができる。また、この種のフィードバックを使用して、モータで動かさなければならない機械的負荷を検出することもできる。
−特別構成の圧電素子−
圧電素子２２を共振器の開口２８に圧入するいくつかの実施形態では、この開口２８を定める壁は圧入プロセス時に弾力的にかつ／または塑性的に変形するため、大きな圧電素子２２を受け入れ、プリロードを発生することができる。圧入時に圧電物質に剪断力が発生しないようにし、また圧電物質が破壊しないようにする方法の１つに、圧電物質の機械的接触面に金属層を追加する方法がある。しかし、この方法に対する時間と労力はコストを押し上げる。
【０３４１】
図６７〜６９は、凹み２８に圧入する構成になっている特別形状の端１７０を持つ圧電素子２２を示している。端１７０により追加金属層が不要になるため、コストが節約されるだけでなく、機械的接触面が少なくなり、したがって、性能が向上する。新しい圧電物質形状ではさらに、よりはっきりした接触領域を作ることができる。
【０３４２】
成形した端１７０は、少なくとも、圧電物質の縁に隣接する１つの平坦部１７２、好ましくは成形された端１７０の向かい合う縁の２つの平坦部１７２を持つ。この平坦部１７２の内側端は、傾斜またはテーパ１７４を結合し、圧電素子２２が圧入される穴２８を広げる役目を果たす。テーパ１７４により、平たい中央の接触領域１７６が結合される。
【０３４３】
成形された端１７０は、圧電素子２２の２つの向かい合う端に配置すると有利であり、これは、開口２８を定める壁に隣接し、圧電素子のプリロードを発生する端である。向かい合う端１７０上の平坦部１７２は、選択した距離だけ間を開けて並べられ、圧電素子２２を変形していない開口２８に挿入できるようになっている。そのため、圧電物質の位置を決めやすい。傾斜１７４により、圧電物質を開口２８に圧入しやすくなっている。傾斜した表面１７４は、十分な長さと傾斜であり、圧電素子２２に許容できないほどの損傷を与えることなく挿入できる。具体的な長さと傾斜角度は、用途ごとに異なる。中央の接触領域１７６により、開口２８の最終的な寸法が定められ、プリロードが設定され、さらに、局所的な接触領域が設けられて、開口２８が形成される共振器２４との係合を駆動する際の領域が減る。したがって、係合と励起の接触領域および軸を見つ、係合を改善しやすい。端１７０の形状は、中心軸２５を中心に対称的であるため、圧電物質を２方向から圧入できるが、そうする必要があるわけではない。
【０３４４】
圧電素子２２は、圧電素子を製作する焼結プロセスの後グラインダにかけ、テーパ１７４および平坦部１７２の成形を行うことができる。代替方法として、圧電素子を形成するプレス処理時にテーパを付けることもできる。プレス処理は、通常、圧電物質作成シーケンスの積層処理の後に行う。この方法では、追加処理ステップは不要である。この方法はさらに、電極面がグラインドされその結果圧電効率が低下する危険性はないという点でグラインドに勝る利点を持つ。
【０３４５】
図６９を参照すると、以下のプロセスはこの圧電素子を作成するのに適していると考えられるが、当業者であれば本開示により他の方法を考案することができる。積層装置は、下のダイスから開始し、第１の圧電層を上に置く。他のすべての層は通常のレイアッププロセスとまったく同様に続く。最後に、上のダイスが積み重ねられ、積重ね全体がプレスされる。このプレス処理中、圧電素子２２に力が加えられダイスの形状を受け入れる。
【０３４６】
ダイス１７８は、図示されている表面輪郭を生じる構成の形状を持つ。そのためダイス１７８は、平坦部１７２、傾斜面１７４、および中心平坦部１７６を、これらの面がダイスで製造されるプレスされ焼結された圧電素子上に形成するように配置している。ダイス１７８の輪郭を必要に応じて修正し、圧電素子の形成時に発生する可能性のある収縮および変形に対応する。
【０３４７】
組み合わせた表面輪郭を、ダイスに配置される圧電素子２２の数だけ繰り返す。電極１８０の相対的位置がダイスの位置に一致することが重要である。積層機械により、適切な位置合せを確実なものとすることができる。積み重ねられた素子はプレスされ、図６７〜６９に示されている圧電素子のグループを作成する。
【０３４８】
プレス処理に続いて、圧電素子は通常のように切断され処理される。切断時、安定と位置合せのためダイスを積重ねに付けたままにすると有利である。その結果が、前記利点を持つ圧電素子である。
【０３４９】
圧電物質が図６７〜６８に示されているように成形された場合、さらに利点がある。通常、電極１８０は、圧電素子２２の各側にプリントされる。多層キャパシタを作るために通常使用される機械を使用した場合、電極１８０は部分的に隣接する側面の縁を覆い、ここではそれは、凹んだ平面１７２の上の電極の一部を含む。この表面１７２は変形せずに開口２８に収まるようなサイズなので、追加された電極層のわずかな厚さは取付けに影響しない。しかし、電極層１８０が開口２８を定める壁に対し圧入される圧電素子の通常の正方形の端壁にあった場合、圧電物質の縁は電極層を欠いている中心よりも大きくなり、圧入がさらに困難になる。したがって、図６７〜６８の圧電物質の形状により、よけいな電極材料を取り除く必要がなくなる。
【０３５０】
さらに、圧電物質の分極化によって生じる変形の原因となるように圧電素子を作成するダイスを形成することも可能である。分極した場合、平坦な接触領域１７６は外側にわずかにふくらみ、圧電素子２２に対して凸形になる。この分極するふくらみを相殺するために、ダイス１７８を接触面１７６でわずかに凸になっている表面で形成し、得られる圧電素子２２が接触面１７６でわずかに凹んだ表面を持つようにすると有利である。圧電素子２２が分極した後、接触面１７６が平坦になるように曲率の大きさを選択する。曲率の大きさは、関連する圧電素子の特定の設計により異なる。
【０３５１】
図７６は、潜在的な圧入挿入手順を示している。任意選択で、最初にテーパ付きプラグ１８２を開口２８に挿入して、開口２８の挿入縁を少し塑性的に変形し、開口の羽目合い縁の一部を広げるのが好ましい。図の実施形態では、端壁３１は圧電素子２２と係合し、圧電素子を圧縮状態にする。テーパの形成時に側壁２９を伸ばしすぎ、破壊しないようにするために、端壁３１の挿入縁を２段階のステップで個々に成形するか、またはフレーム全体を軸変形に対し強制できるようにする。
【０３５２】
プラグ１８２を取り外すときに、形成された端１７０を持つ圧電素子２２の位置を開口２８に揃える。平坦部１７２は、プラグ１８２によって作成される幅広の縁ありまたは縁なしで開口２８に入ることができると好ましい。開口２８を定める端壁３１に形成された傾斜した縁は圧電素子２２上の傾斜面１７４と合わさり、スライドさせて挿入する方法で開口２８内の圧電素子の位置を決定することができる。テーパ付き端壁は便利であるが、圧入の実施には必要ない。しかし、望ましい場合は、共振器に非対称性を持ち込むという利点が加わる。側壁２９が圧電素子２２と係合し、圧縮力を印加するとすれば、傾斜面を側壁２９に形成したり、または圧電素子２２の対応する縁に形成したりできる。
【０３５３】
上の説明では、圧電素子２２が複数の圧電層を含むと説明した。端１７０が特別な形状になっている単一圧電性結晶またはセラミックブロックを形成できるので、必ずしもそうである必要はない。
【０３５４】
図７７は、圧電素子２２を共振器２４の開口２８に圧入する他の有利な方法を示している。わかりやすくするため、所望、問題、そして解決策について簡単に説明する。
【０３５５】
振動モータ２６の性能の反復性については、一貫したプリロードを圧電素子２２に印加する必要がある。圧電素子２２の寸法の変化に対応するために、同じプリロードを行いながら、側壁２９を塑性変形することができる。応力歪み曲線の勾配は塑性領域では非常に小さく、圧電素子２２の長さが変わったときのプリロードの変化は非常に小さい。このため、最も短い圧電素子２２と最も大きい開口２８、最も長い圧電素子２２と最も小さい開口２８との組合せにより、圧電素子に対し本質的に同じプリロードがかかる。
【０３５６】
しかし、圧電素子２２を開口２８に圧入すると、これは、摩擦力を受け、圧電素子に対し高い剪断力が発生する。圧電材料は脆いので、剪断力は圧電材料の隣接層を剥離する作用をする場合がある。剪断力が圧電物質に作用するのを防止するために、保護板３４、８４を追加して剪断力を受け止めることができる。これは、圧電素子２２に対する応力を緩和するだけでなく、板３４、８４が圧電物質を開口２８に誘導するときに圧入を助ける働きもする。
【０３５７】
振動モータ２６のコストを軽減し、さらに圧電素子２２と共振器２４との間の機械的結合を改善するために、板３４、８４などの鋼鉄製保護層なしで圧電素子２２を圧入するのが望ましい。以下のプロセスでは、圧入作業時に圧電物質に作用する力を一定の低レベルにまで下げて、圧入プロセスを制御しやすくし、したがって自動化しやすくするという方法をとっている。
【０３５８】
目標は、圧電物質を開口２８に強制的に入れることでは側壁２９の伸張のほとんどが行われず、他の機械でその伸張を行うようにすることである。この機械では、共振器２４を図７７に示されているような力Ｐで引っ張り、側壁２９を引き延ばす。テーパ付き縁８２を持つ圧電物質は、共振器２４の開口２８の上に据え付けられ、力Ｆで開口２８に圧入されるが、この力は一定であるのが好ましく、また圧電物質が穴に独りでに押し込まれるほど強くはない。力Ｆは、さらに、圧電素子２２に損傷が生じるほど強くもなく、特に圧電物質を剥離する剪断力を発生するほど強くもない。
【０３５９】
側壁２９を伸張するある時点で、力Ｐを増やすことで、圧電物質２２は力Ｆのもとで穴の中にスライドして入り始める。力Ｆを指定値に設定すると、圧電素子２２と共振器２４との間の剪断力は、その結果の法線力に摩擦係数を掛けた値に制限される。こうして得られた法線力は、所望のプリロード力から力Ｐを差し引いた値に等しい。
【０３６０】
圧電素子２２が開口２８へのスライドを開始したら、機械により側壁２９の伸張を停止する必要があるが、それは、停止しないと、圧電物質にかかるその結果のプリロードが減少するからである。
【０３６１】
力Ｐを印加する牽引装置は、負荷制御または変位制御の２つの原理のうちの１つで制御することができる。負荷制御とは、印加された負荷を制御し、その結果の変位を測定することを意味している。変位制御は正反対であって、変位を制御し、結果の負荷を測定する。側壁２９の引き延ばしすぎを防止するために、この用途には変位制御を使用するのが好ましい。
【０３６２】
たとえば、ねじメカニズムを使用するか、あるいは空気圧または油圧シリンダーを使用して牽引力Ｐを印加することができる。コイルなどの１つまたは複数のバネを使用して力を印加する方法を使用すると有利である。押す力Ｆを印加する場合も類似のメカニズムを使用できる。圧電素子が開口２８内にスライドし始めたら、力Ｆはもはや一定である必要はない。このときに、力Ｆを大きくして、挿入プロセスをスピードアップすると有利である。
【０３６３】
側壁２９は、開口２８を通る長軸２５に向かって、またはそこから離れる方向に、湾曲させることができる。側壁２９が開口２８を通る長軸２５から離れるように湾曲する場合、反対向きの力を向かい合う側壁２９に印加することにより、側壁３１を力で引き離し、圧電素子２２が開口２８に挿入されるようにできる。湾曲している側壁２９を互いに押し合う力を取り除いた後、圧電素子２２は圧縮状態になる。湾曲した側壁２９を押し付けて端壁３１間のスペースを拡大する際に、側壁２９はその弾性限界を超える応力が加えられ、ここで説明している利点が得られ有利である。
【０３６４】
同様に、側壁２９が互いに向かって湾曲する場合、力を側壁に印加して押し離すことにより、端壁３１を互いから離し、圧電素子２２が開口２８に挿入されるようにできる。湾曲している側壁２９を互いから押し離す力を取り除いた後、圧電素子２２は圧縮状態になる。湾曲した側壁２９を押し離して端壁３１間のスペースを拡大する際に、側壁２９はその弾性限界を超える応力が加えられ、ここで説明している利点が得られ有利である。
【０３６５】
傾斜面８２（または１７４、(図６７〜６９）を適用することにより圧電素子２２にテーパを付ける代わりに、開口２８の縁にテーパを付けることも可能である。また、両方の部品にテーパを付けることも可能である。圧電素子２２も開口２８もテーパがついていない場合、圧電素子２２は圧電素子とが同じサイズである地点でスライドして中に入り始める。このため、位置合せの問題が生じ、側壁２９の引き延ばしすぎを回避するために非常に正確な制御を必要とする。したがって、少なくとも１つの羽目合い部品にテーパを付けることが望ましい。
【０３６６】
ここで説明した圧入方法はさらに、他のすべての圧入にも適応させることができる。圧電素子２２と共振器２４またはフレームを有する振動モータ２６を例として使用する。
−ステッパモータの近似−
図７０を参照すると、振動素子２６は、モータアセンブリ２２の通常動作に使用される周波数と一致しない、したがって指定された方向に被駆動素子４２を搬送しないが、被駆動素子４２それ自体の振動モードをむしろ励起する、選択された励起周波数で動作することができる。これは図７０に示されており、棒形の被駆動素子４２の誘起されたモードはノード１９０を持つ。被駆動素子が図４に示されているような回転物体である場合も同様のノードが観察される。
【０３６７】
この状況では、接触部分４４がノード１９０を中心とするように棒４２がその位置をシフトする傾向がある。接触部分４４にどのノードが最も近いかにより、棒４２の前進運動または後退運動が生じる。したがって、被駆動素子４２に沿って特定の位置を探すことにより、モータアセンブリ２２はステッパモータのインクリメンタルな動きと配置の態様が得られる。ステップのサイズは、被駆動素子４２内で励起されている特定の振動モードにより自然に決定され、励起されているモードとともに変化する。
【０３６８】
被駆動素子４２の中心を既知のノード１９０とすることで、被駆動素子４２を定義済みの位置に動かすことができる。このため、振動モータ２６の通常動作時に累積する可能性のある位置決め誤差がなくなるので、これを使用すると、位置のフィードバックの必要なくモータの精度と反復性を高めることができる。この動作モードでは、被駆動素子４２の実際の位置を所望のノード１９０までのある距離内とする必要があり、そのため共振振動により所望のノードに向けた動きを生じる。
【０３６９】
被駆動素子４２のサスペンションは、被駆動素子４２の自然な振動モードの周波数とノード位置に影響を及ぼす。したがって、被駆動素子４２のステッピング動作のために、ノード１９０によって達成されるこのような配置活動を行うため適切な励起周波数を選択する際にサスペンションの影響を考慮する必要がある。逆に、サスペンションの設計は、特定の励起周波数が必要であるということの影響を受けることがあり、そのような周波数に対応するように設計することができる。したがって、駆動される物体の振動ノードを使用して駆動される物体を較正のため既知の位置に搬送する方法と装置が提示されている。
−位置の感知−
振動素子２６に関する被駆動素子４２の位置を正確に知ることが望ましい状況がある。図７１を参照すると、説明されている実施態様では、圧電素子２２からの振動または音響パルスの特徴的な進行持続時間を使用して被駆動素子の位置を監視する。振動素子２６に関する被駆動素子４２の位置は、機械的振動パルスが振動素子２６から被駆動素子４２内に進行し、またその逆に進行するのに要する時間を測定することにより決定することができる。振動パルスは、圧電素子２２により振動素子２６内に、あるいはソレノイド、バネ式衝撃メカニズム、またはその他の機械式もしくは電子式メカニズムなどのその他の何らかの発生メカニズム１９８により被駆動素子４２内に発生できる。
【０３７０】
被駆動素子４２の遠位端に隣接する被駆動素子上の既知の場所に取り付けられた受信装置１９６、たとえば、圧電セラミックマイクを使用して、圧電素子２２から発生したパルスを感知できる。このパルスは選択した接触部分４４で衝撃振動を発生させるのに十分なものである。代替方法として、圧電素子２２を使用して発生器１９８で発生した振動パルスを感知できるが、その際に、機械的運動（たとえば、選択した接触部分４４の）を電気信号に変換する圧電材料固有の能力を活用する。
【０３７１】
圧電素子２２はすでに発生した振動パルスを感知することも可能である。これは、振動素子２６と被駆動素子４２を通るパルス進行が被駆動素子４２の遠位端など被駆動素子４２上のある場所で反射し、圧電素子２２に戻ってそこで感知される必要がある。同様にして、反射により、センサ１９６は発生器１９８で発生したパルスを感知することが可能である。
【０３７２】
振動パルスは、そのパワースペクトルが被駆動素子４２を動かす可能性のある周波数の有意な振動エネルギーを含まないように選択できる。代替方法として、振動パルスは、圧電素子２２への動作入力信号に組み込むことができ、たとえば、短いポーズなどである。振動素子２６と被駆動素子４２の幾何学的形状および材料特性が知られており、また振動素子２６の接触部分４４の位置が知られているため、パルス発生から感知までの監視されている時間差は、圧電素子２２と受信装置１９６または被駆動素子４２の遠位端の間の距離を表すまたはその特性を示している。
【０３７３】
さまざまな位置感知を行う実施形態のうちいくつかでは、望ましくない振動が弱められるように位置感知前に圧電素子２２を一時的に無効にすることが望ましい。その後で、指定信号を放射し、検出して、それから、振動素子２６の動作が再開するようにできる。圧電素子２２がアクチュエータとともにセンサとしても使用される場合、被駆動素子４２を動かすだけでなく位置のフィードバックも行うのに単一の圧電素子だけあればよいというのがこれらの実施形態の利点である。
【０３７４】
圧電素子２２または発生器１９８のいずれかで発生するパルスは、機械インピーダンスが急に変化する表面で反射される。これらの表面としては、振動素子２６の向かい合う端と被駆動素子４２の向かい合う端２００がある。これらの反射は一部望ましくなく、マスクするか、または他の方法で位置決定パルスから区別できる必要がある。このための方法には、被駆動素子４２の遠位端２００ｂなどのある種の反射面を傾斜する、減衰する、または粗くすることにより望ましくない反射信号の品質を落とすことが含まれるが、これに限定するわけではない。本開示では、位置感知方法およびシステムで使用するために端から反射される信号を区別できるよう端２００を交互にする他の方法を考案することができる。
【０３７５】
図７２は、一体型ポテンショメータの動作方法に似た方法で駆動される物体の位置を監視するために、抵抗性の駆動される物体の特性抵抗を使用する抵抗位置測定方法を使用する異なる位置感知実施形態を示している。被駆動素子４２の長さに沿って選択された接触部分の位置により、検出され、素子の相対位置を定めるために使用される抵抗が変化する。
【０３７６】
例示のため、被駆動素子４２は円柱状の棒を有する。被駆動素子４２は、電気的抵抗材料で製作するか、または電気的抵抗材料２０４で全部または一部コーティングした電気的絶縁材料で製作する。カーボンプラスチック材料がいずれの使用にも適当であると考えられる。振動素子２６の選択された接触部分４４と棒４２の向かい合う端のいずれかとの間の電気的抵抗は棒４２に関する接触部分４４の位置に左右されるため、この位置は、棒４２の向かい合う端の一方と振動素子２６との間の導電度つまり電気的抵抗を測定することにより決定できる。
【０３７７】
電気的抵抗を測定するのに必要な電圧は小さい場合があり、振動素子２６と被駆動素子４２の遠位端との間に印加できる。しかし好ましくは、駆動される物体４２の一端を正の供給電圧に接続し、他端を負の供給電圧に接続することである。振動素子２６のところの電圧をたとえば電圧計２０４で測定することにより、正確な位置情報を取得できる。
【０３７８】
必要な電圧を直接、駆動される物体４２の端２００ａ、２００ｂに印加する代わりに、この電圧を被駆動素子４２を支えるホイールまたはベアリング４６に印加することもできるが、ただし、ホイールまたはベアリング４６は導電性材料から作られ、また互いにかつ振動素子２６から電気的に絶縁されているものとする。このような実施形態では、ベアリング４６と被駆動素子２６の間の電気的接触抵抗を考慮する必要がある。
【０３７９】
説明されている実施形態で使用するために適当にコーティングした非導電性の駆動される物体４２を、あらかじめ導電性塗料に浸して乾かしてある十分に厚いプラスチック板から切り出すことができる。これにより、板の外面に導電層が形成される。この板をさらに、いくつかの細長い板に切り取り、導電層を持たない２つの向かい合う縁を作る。したがって、板の縁から形成した細長い板または棒を除いて、有利なことに、切断プロセスにより、非導電性プラスチックが駆動される物体（細長い板または棒）の伸ばされた側に露出し、導電性塗料が長い抵抗器２０２を形成し、これが駆動される物体の長軸を巻いている。この実施形態は、さらに、被駆動素子の端２００ａ、２００ｂの一方から導電層を除去することにより修正できる。位置は、振動素子２６と１つの接触点たとえばベアリング４６ａまたは４６ｂとの間の抵抗を測定して決定できる。
【０３８０】
導電性の駆動される物体４２はさらに、その適切な部分が最初に絶縁層でコーティングされ、その後電気的抵抗層でコーティングされている場合に位置感知実施形態でも使用できる。たとえば、絶縁層をベアリングに面する金属製棒状の駆動される物体４２のその側に塗布することができる。この層の上に、電気的抵抗層２０２を塗布し、基盤の金属が棒４２の端でのみ接触するようにする。位置依存の抵抗は、ベアリングと棒４２の端の間に置く。
−その他のバリエーションと利点−
従来技術の圧電モータと比べて、このモータ２６は、運動を発生するのに圧電素子２２を１つだけと電気的励起を１回だけ必要とする。共振振動モードを使用して単一励起周波数による楕円運動１００を発生するので、圧電素子２２は他の双方向圧電モータの場合よりも小さくでき、またモータ２６全体もさらに小さくできる。
【０３８１】
本発明は、被駆動素子４２の直線運動を実現するために非常によく機能する。従来の解決方法では、モータをラックピニオン配置を駆動するギヤボックスで使用する。このモータアセンブリ２０は、さらに単純な配置を備え、従来技術のモータに比べてより安価な配置となっている。選択した接触部分４４は、摩擦により被駆動素子４２と係合するため、被駆動素子が外力で押されモータが逆転する場合でもモータ２０は損傷しない。対照的に、このような運動では、従来の電気モータからギヤがはぎ取られる。
【０３８２】
本発明は、特に低コスト用途に適している。設計が単純であるため、高精度の製造要件も付帯のコストも不要になる。低コストの製造方法と安価な圧電素子を使用できる。その引き替えとして、この設計は、他の圧電モータに比べてパワーが小さくまた効率も低い。しかし、使用可能な電力と低コストであることにより、本発明の実施形態は特に、おもちゃ、事務機器、およびホームオートメーションなどの多くの従来の市場に適している。振動モータ２６の使用例を以下で説明する。しかし、このモータの著しい利点の１つは、そのサイズと単純さにあり、そのため低コストを実現できるのである。
【０３８３】
振動モータアセンブリ２０は、サイズが．４×．４×．８インチ（１×１×２ｃｍ）と小さくでき、被駆動素子４２を０．５〜１０インチ／秒（１．３〜２５ｃｍ／秒）の速度、０．１〜３Ｎの力で動かすことができると考えられる。回転駆動ユニットは、．６×．８×．８インチ（１．５×．２×２ｃｍ）と小さなサイズにできると考えられ、トルクおよびＲＰＭは回転駆動される物体４２の直径に依存する。振動モータアセンブリの電圧は、回路設計と必要な電力によって異なるが、電圧範囲は３Ｖ、６Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、１１０Ｖ、または２２０Ｖである。他のカスタム設定の電圧も使用できる。したがって、振動モータ２６に使用できる動作電圧の範囲は広い。
【０３８４】
振動素子２６のサイズは非常に小さくでき、素子は２×３×１０ｍｍ3と小さくすることが可能と考えられる。振動モータ２０のコストは、競合する電気モータの半分になると思われる。モータ２６は、直線運動、回転運動、直線と回転の両方の運動、電源オフ時の力の阻止が可能である。これらのモータは、０．６ミリ秒とほとんど遅延なく始動停止し、ギヤがないため反動がなく、高速な運動を可能にしながら、しかもギヤを使わずに低速運動が可能になっている。超音波範囲で駆動されるため、音がしない。これらのモータは、潤滑油を必要とせず、有毒物質もまったく使用しない。非常に精度が高く、必要な場合にマイクロメータ範囲で動くことができる。電源オンの時間を制御することにより、さまざまな速度および距離を達成できる。磁場を発生せず、ブラシ放電もなく、誘導ピーク電圧もない。
【０３８５】
振動モータ２６はＣＤ−ＲＯＭドライブのトレイのアクチュエータとしての使用、スキャナではライトバーや回転素子の運動、プリンタおよびコピー機では、用紙の搬送および誘導に非常に適しているという利点がある。ホームオートメーションの用途では、この振動モータ２６で空調素子、自動ブラインド、照明制御およびスイッチ、ダスト感知装置のダスト防止ドア、オートロック、または運動検出器内の素子を作動させることができる。振動モータ２６は、さらに、遠隔操作カメラ、たとえばセキュリティカメラの位置決め、パン、チルト、ズームに使用できる。
【０３８６】
直接ガラスと係合し駆動できるため、振動モータ２６を使用して家庭、小売店、劇場、画廊、美術館、ホテル、およびレストランのアクセント照明の位置と焦点を制御できるという利点が得られる。自動車用途では、振動モータ２６を使用して、鏡、ヘッドライト、および空調の通気口の位置決めを行い、オートロックを作動させることができる。モータアセンブリ２０のステッパに似た動作により、鏡の位置などの機械設定を、コンピュータの指示のもとで複数の運転者のそれぞれについて記憶し、取り出すことができる。
【０３８７】
位置決め可能なモータ２０に関する位置情報を格納するコンピュータを組み合わせると、その位置を自動的に調整するセンサにさまざまな可能性が見つかる。このようなものとして、光センサ、このようなセンサ用のレンズクリーニングメカニズム、振動モータ２６を使用して開閉する保護カバー、自動位置合せメカニズム、近接レーザ、および単純なモータで小さな部品を動かす必要のあるさまざまな製品の調整がある。
【０３８８】
振動モータ２６は、特に、低コスト、小サイズ、および低ノイズであることが有利なおもちゃに有用である。人形には、モータ２６によって動く手足と作動する瞼を有することができる。遠隔制御車両には、モータ２６で制御するステアリングを有することができる。アニメーショントイブックも用意できる。鉄道モデルは、移動式のフォーク、クレーン、信号、鉄道ゲート、その他の作動コンポーネントを有することができる。さらに、振動モータ２６は、適切な修正を加え、コーティングを行うことで水などの液体に耐久性があるようにでき、また複数の運動も可能である。出力が低いため、怪我の心配があまりない。また、圧電素子２２に供給される電気的動作信号を動作していないが聞こえる周波数スペクトルを含む電気信号と混ぜることも可能である。このような実施形態では、圧電モータ２０も音および音楽を発生するための単純なデバイスとして使用することもできる。
【０３８９】
したがって、匹敵するパワーと速度を持つ従来のモータに比べて生産コストが低いモータアセンブリ２０を有利に実現できる。モータアセンブリ２０のサイズおよび重量は小さく、本発明を利用すれば、モータの小型化をいっそう進めることができる。このモータは、被駆動素子４２のステッパに似た運動を達成することができ、被駆動素子の位置決めは、被駆動部品上の位置決めセンサを使用せずに可能である。モータアセンブリ２０では、高速または低速の駆動速度を使用でき、ギヤボックスを必要としない。モータにギヤを使用していないため、ギヤトレインに関連するような反発がない。モータアセンブリ２０では、被駆動素子４２を平行移動運動させたり回転させたり、またその両方の運動を行わせることができる。被駆動素子４２の位置決めの精度は１μｍである。動作周波数は、人間には聞こえない周波数を選択することができ、モータの動作は無音である。磁場または火花放電がないので、モータアセンブリ２０およびその振動素子２６は、電磁干渉または火花に敏感な環境で使用するのに適している。モータアセンブリ２０の反応時間が短く、２値状態コントローラで制御することができ、これは、ＰＩＤコントローラに比べて簡単に実装でき、また費用も安い。
【０３９０】
本発明はさらに、圧電駆動素子２２と、駆動素子２２を圧縮状態に保持する共振器２４とを持つ振動素子２６を有するため有利である。この振動素子はバネ１０などの弾力性のあるサスペンションシステムを組み合わせることができるため、コンポーネントをユーザの裁量でさまざまな被駆動素子に適用するユーザにとって有利である。これらの部品は、１つまたは複数の特定の用途についてまたは１つまたは複数の汎用の用途について選択した駆動部分４４に楕円経路１００を発生する連係動作をするように設計され構成されており有利である。この組合せは、一体として提供することができ、バネ５０を有することも備えないこともできる。したがってユーザは、これらのコンポーネントを使用して、さまざまな被駆動素子４２を駆動することもできる。
【０３９１】
代替方法として、振動素子２６およびバネ５０などの弾力性のある取付具だけでなく、振動素子２６とのあらかじめ定められた関係で支えられている被駆動素子４２も含む完全なモータアセンブリ２０をユーザに提供することができる。このような他の状況では、モータアセンブリ２０は、吊られている駆動される物体４２、たとえば、リニアモータの棒とともにハウジングに収納するのが好ましい。このような他の状況では、モータアセンブリ２０および被駆動素子４２は、ユーザが装着を確認しながらすぐに取り付け使用することができる。このアセンブリは、他のモータで使用されている被駆動素子とともに使用することも、またはコンポーネントと使用するように構成されている製品の一部として使用することもできる。駆動素子とサスペンション素子を用意することで、ユーザはアプリケーションに大きな柔軟性をもたらしながら低コストの駆動メカニズムを獲得できる。
【０３９２】
駆動される物体４２は、選択した駆動部分４４と係合するように配置された滑らかで堅い表面を持つのが好ましい。被駆動素子４２は、比較的一定した接触力を選択された接触部分４４と被駆動素子４２との間で維持できる限り、さまざまな形状をとることができ、たとえば、円板、棒、ホイール、ギヤ、ビーム、ボールなどが考えられる。このため、設計者はモータアセンブリ２０の実装方法としてさまざまな方法を利用することができる。
【０３９３】
モータアセンブリ２０は、汚れ、他の外部の接触および潜在的損傷から保護するためハウジングに収納すると有利である。ハウジングは、射出成形プロセスでプラスチックから製造するか、または鋼板で作ることができる。スナップジョイントを使って組み立てられるように設計するのが好ましい。この組立ては、ねじ山付ファスナーを含む高価な方法は取らず、完全自動組立てに適している。
【０３９４】
したがって、エンドユーザが安価な小型モータユニットを用意することができ、設計に簡単に作り込める。使用する上での柔軟性を高めるために、基部１０またはハウジングにクランプ用の穴またはその他のクランプメカニズムを備え、エンドユーザの製品に簡単に取り付けられるようにする。特定の指定基部５２またはハウジングの体積が十分であれば、ユーザの取付けニーズに合わせて基部５２および／またはハウジングユニットを特別に構成することができる。
【０３９５】
そこで、第１の半軸と第２の半軸を持つ楕円１００を生成するメカニズムと方法を提示しているが、第１の半軸の長さは選択した接触部分４４と被駆動素子４２の係合面との摩擦力の差を発生するのに使用し、その際に、運動成分は楕円経路１００に沿った進行の方向にある。この楕円運動は、楕円経路１００を発生する少なくとも２つの振動モードを生じる圧電素子２２に供給される単一の励起周波数によって与えると有利である。この楕円運動１００は、少なくとも２つの振動モードを励起することにより得られ、そのうち少なくとも１つ、または好ましくは両方が純粋な縦モードまたは純粋な曲げモードでなく、これらのモードを重ね合わせて選択した接触部分で楕円運動を発生する。この楕円運動１００は、選択した接触部分４４を被駆動素子４２と接触状態にせずに行えて有利である。
【０３９６】
純粋な縦モードおよび純粋な曲げモード以外のモードがある場合の実際の結果として、選択した接触部分４４の楕円経路１００を定義する長軸は、振動素子２６の長軸２５に対してある角度をなす。楕円経路１００の長軸と短軸は、従来技術の振動デバイスと共通であるため共振器の長軸２５と位置が揃っていない。長軸２５に関する楕円経路１００の長軸の角度は、０°近くまたは９０°の倍数でないのがよい。説明を簡単にするため、図１の第１象限内の部品の向きに関して説明するが、当業者であれば、他の象限を通じて部品を回転することができるか、またはここで説明している相対的角度を変更せずに部品の向きを変更できることは理解するであろう。
【０３９７】
最大の運動および最も速い進行は楕円経路１００の長軸を被駆動素子４２の進行経路に合わせたときに生じるため、振動素子２６は被駆動素子４２に対してある角度にし軸をそろえるのが好ましい。楕円経路１００の長軸の位置が被駆動素子４２の長軸と揃っている場合、この上述の角度は、上記の角度αとみなすことができる。楕円経路１００の長軸と被駆動素子４２の長軸を完全に合わせる作業は多くの場合、実用上の理由から妥協である。
【０３９８】
楕円運動１００は共振器２４の長軸２５に対してある角度をなしているため、大きな縦横比を持つ楕円運動を使用できる。楕円経路１００の長軸対短軸の比は、５を超えると有利であり、１０を超えるとさらに有利であり、２０：１を超えるのが好ましい。しかし、半軸が小さすぎるときには、選択した接触部分は、楕円を被駆動素子と位置を合わせたときに被駆動素子から適切にはずすことができず、３０：１以上の比は達成が困難であり、特に低コストでは難しい。さらに、比が増えると、性能は衝撃駆動振動素子の性能に近づく。こうして、１５０：１およびさらには３０：１の比でさえ、実現が難しく、使用しにくい。最も有用なサイズの楕円経路１００は縦横比が約３：１〜１５０：１であると考えられるが、好ましくはこの比は約４：１〜３０：１で、理想的には約５：１〜１５：１である。１５０：１までとそれ以上の縦横比を使用する場合、得られるアプリケーションは主に衝撃駆動タイプのデバイスで使用される。
【０３９９】
選択した接触部分４４で楕円経路１００を得るのに必要な振幅は、小さな入力信号を何倍も大きくして得るのが好ましい。そのためには、振動の共振モードを選択した入力信号に十分近くなるように選択あるいは作成し、使用可能な振幅を得る必要がある。圧電素子２２への電圧入力ごとに選択した接触部分４４は楕円経路１００の長軸に沿って０．３〜０．５ミクロンの運動を発生できると有利である。電圧入力ごとに、楕円経路１００の長軸に沿った運動は１マイクロメートル以上であるのが好ましい。これらの運動は、運動を少なくとも１００倍に、また通常は１０００倍以上に増大する共振振動モードの増幅の結果である。
【０４００】
小さな共振倍率を使用し、代わりに大きな入力信号を供給し、選択した接触部分４４で許容可能な楕円経路１００を発生するのに必要な振幅を得ることが可能であるが、あまり望ましいことではない。使用可能な楕円経路１００を生じる振動モードの１つが共振からずれている場合、圧電素子２２への電気入力信号を十分大きくし、使用可能な楕円運動を発生することができ、十分な運動で被駆動素子４２を動かす。したがって、用途によっては、圧電素子２２への１つの電圧入力で２０〜５０ナノメートルの楕円経路の長軸に沿って運動を引き起こすことが適当であると思われるが、動きは１００ナノメートル以上が望ましい。
【０４０１】
こうして、選択された接触部分４４は、圧電素子２２などの振動源が第１の電気信号で励起されたときに長軸と短軸を持つ第１の楕円経路内で動き、この第１の電気信号により、重ね合わされている少なくとも２つの振動モードが第１の楕円経路１００を形成する。振動モードのうち少なくとも１つは、純粋な縦モードとは別であり、また純粋な曲げモードとも別であるのが好ましい。２つの振動モードのうちの少なくとも１つが共振はずれの場合、第１の電気信号が十分に増幅されることで少なくとも１つの共振はずれ振動モードにより、結果の楕円経路１００が使用時に被駆動素子４２を動かすことができる十分な振幅を持つ選択された接触部分４４の運動が発生する。ここで使用しているように、共振はずれ振動モードといった場合、その結果の運動が使用可能な楕円運動を発生せず、運動は被駆動素子４２を駆動するのに不十分であるような、共振モードから十分に離れている振動モードのことである。
【０４０２】
所望の楕円運動１００は、選択された接触部分４４が被駆動素子４２と係合せずに行われると有利である。係合の角度に応じて、これは角度αによって反映されているが、この係合により、衝撃または曲げが生じ、楕円経路１００または被駆動素子４２の結果の運動に影響を及ぼすことがあるため、このような影響に対する適切な補正を行うことができる。
【０４０３】
上述のように、選択した接触部分の楕円経路１００が発生していることは、振動素子２６の長軸２５に揃っていない局所座標系内で最も簡単に判別される。楕円経路１００の１つの軸が振動素子２６とまたは好ましくは被駆動素子４２と位置が揃うように運動の位置を合わせる座標変換により、楕円経路１００の実用的な使用を評価できる。
【０４０４】
被駆動素子４２の複数の運動を単一の振動素子２６から発生することが望まれる場合、選択した楕円経路１００はさまざまな周波数で、望ましい場合は複数の選択した接触部分４４でいくつかの潜在的楕円経路間の妥協の産物となる可能性がある。複数の運動を単一の圧電素子２２から発生させることが望まれる場合、異なる楕円運動を発生するために使用する周波数を周波数とその結果の運動とを明確に区別できるだけ十分に異なったものとすることが好ましい。別々の運動の周波数は、実質的に一様な楕円運動１００が発生する周波数範囲と少なくとも同じマージンで分けることが好ましい。したがって、たとえば、第１の楕円運動１００を第１の周波数のいずれかの側で２．５ｋＨｚの周波数範囲で発生する場合、合計の範囲が５ｋＨｚであれば、第２の周波数が第１の周波数から少なくとも５ｋＨｚであると有利であり、それ以上であるのが好ましい。
【０４０５】
楕円運動１００の長軸は被駆動部分４２が動く際に沿う軸と揃うようにするのが理想的である。図１に示されているように、その位置合せ角度は振動素子２６の長軸２５と棒状の被駆動素子４２の軸４５とがなす角度αに対応している。この位置合せは、被駆動素子４２を一方向にのみ動かした場合に達成可能である。しかし、同じ振動素子２６を使用して被駆動素子４２を反対方向に動かすときには、相対的位置合せは、特に両方向に、実施するのが困難かまたは不可能である。さらに、後述の双方向運動に関する位置合せの考慮事項は、被駆動素子４２の運動の単一方向のみを使用する場合であっても利用すると有利である。
【０４０６】
図８２は、この位置合せの考慮事項を示すために使用される。図８２は、第１の方向に被駆動素子４２を動かすための長軸ｅx1を有する第１の楕円経路１００ａと、被駆動素子を第２の反対方向に動かすための長軸ｅx2を有する第２の楕円経路１００ｂを示している。長軸ｅx1は、被駆動素子４２の軸４５に対して角度β1で傾斜しており、長軸ｅx2は、その軸４５に対して角度β2で傾斜している。軸４５は、選択した接触部分４４で被駆動素子４２の運動方向において被駆動素子４２の接線に平行であるとみなすことができる。第１の方向に沿った運動、楕円１００ａから生じる運動は、通常最も簡単なものと考えられ、通常、楕円１００ａの長軸ｅx1は被駆動素子４２の軸４５と位置を最も正確に合わせられるが、長軸ｅx2はその軸４５とはそれほど正確には合わせられない。したがって、β1は通常、β1が最初に選択されたときβ2よりも小さい。しかし、楕円経路１００ａ、１００ｂの最終的な選択はここで説明したようないくつかの要因の妥協の結果であるため必ずしもそうである必要はない。
【０４０７】
楕円経路１００の長軸または短軸ができる限り接近して被駆動素子４２の所望の運動と揃うようにβ1とβ2は０であるのが理想的であるが、多方向運動について実現するのは困難である。同じ運動が望まれているが、方向が異なる双方向運動では、β1とβ2の範囲は選択された接触部分４４で、被駆動素子４２の運動の方向に沿って、被駆動素子４２の接線に対して５°〜４０°であると考えられる。これらの角度を４０°〜４５°とすることは可能であるが、あまり望ましいこととは思われない。被駆動素子の運動の方向に角度β1とβ2を楕円経路１００ａ、１００ｂの長軸と完全に合わせることは非常に望ましいが、０°〜５°の範囲内で合わせするのが好ましい。ここで使用しているように、部品の向きにより角度が水平軸に対して９０°の倍数ずつ増えるので、指定された角度は絶対的な数値としてではなく相対的な角度として解釈すべきである。したがって、たとえば、長軸と被駆動経路を０°〜５°の範囲内に合わせるといった場合、図面に示されているように水平Ｘ軸の向かい合う側面の角度が含まれる。そのため、共通測定軸に対して３６０°〜３６５°の絶対角度を含む。
【０４０８】
図８２に示されているように、角度は、平行移動する棒４２の角度４５に関する角度である。しかし、被駆動素子４２は、回転する円板を有することができる（たとえば、図４）。β1およびβ2の範囲が選択した接触部分４４の場所にある被駆動素子の接線から見て約５°〜８５°の範囲の場合に、使用できるが、ときには望ましくない性能が得られることがあると思われる。好ましい性能レベルは、β1およびβ2の範囲が約５〜３５°および５５〜８５°で得られ、最高の性能は、β1およびβ2の範囲が約１５°〜２５°および６５°〜７５°の範囲のときに得られると思われる。
【０４０９】
上述のようにもしくは暗示しているように、０°〜９０°の軸に関する対称性を考慮しているため、上記の範囲は原点の共通軸に対して絶対値の９０°増分で変えることができる。上記の説明と角度範囲は、多方向運動に適用されると思われる。
【０４１０】
所望の角度β1およびβ2を得るために、角度αを前述の範囲内で維持する必要があると思われる。使用されるβ1とβ2の特定の組合せは通常、楕円経路１００の長軸ができる限り接近して被駆動素子４２の軸と合うように選択される。位置合せが近いほど、振動素子２６から被駆動素子４２への運動４５の選択した軸に沿った運動の伝達の効率が高まる。
【０４１１】
しかし、説明したさまざまな角度から、角度β1とβ2で配向された楕円経路１００に沿った使用可能な振動運動を生じる共振器２４の選択した振動モードは、純粋な縦モードでも純粋な曲げモードでもないということがみてとれる。したがって、選択した接触部分４４に楕円運動１００を発生する際に、角度β1および／またはβ2は、楕円経路１００ａ、１００ｂの長軸および短軸が振動素子２６の共振器２４の長軸と位置が揃わないような角度である。さらに、角度β1および／またはβ2は、楕円経路１００ａ、１００ｂの長軸および短軸が、たとえば図１の軸３８、４０に沿って、その振動素子２６の純粋な曲げモードと揃わないような角度である。振動素子２６などの駆動素子と被駆動素子４２との間の角度αを変化させて、長軸および短軸を被駆動素子４２に望ましい運動の方向に有利に合わせることができる。
【０４１２】
これもまた、選択した接触部分４４に楕円経路１００ａ、１００ｂを発生する動素子２６の振動モードが、軸２５に沿って純粋な縦振動モードでなく純粋な曲げモードでない少なくとも１つの振動モードを持つ（たとえば、図１に示されている構成の軸３８、４０に沿って）。したがって、たとえば、楕円経路１００ａを生成するように選択されている２つの振動モードは、共振器２４の純粋な縦モードまたは純粋な曲げモードを含まず、選択された接触部分４４の第１の楕円運動１００ａを発生するが、第２の楕円経路１００ｂを発生する振動モードについても同じことがいえる。純粋な縦モードまたは純粋な曲げモードを使用して第１の楕円経路１００ａを発生する場合、第２の楕円経路１００ｂに使用する振動モードは、楕円経路１００ｂを発生するために必ずしも共振器２４の純粋な縦モードまたは純粋な曲げモードを含むわけではない。さらに、軸２５に沿って純粋な縦振動モードを含む振動モードを使用する場合、軸２５を被駆動素子４２に対し、０°〜９０°またはその倍数以外の角度αで傾斜するのが望ましいが、約５°〜８５°およびその倍数であるのが好ましい。
【０４１３】
角度β1およびβ2が被駆動素子４２に対して大きくなると、接触により、選択した接触部分４４と被駆動素子４２との間の衝撃も大きくなる。楕円経路１００ａ、１００ｂの一方または両方の縦横比が大きくなり、一方の軸が他方の軸よりもかなり大きくなると、接触は衝撃駆動のそれに近づく。楕円経路１００ａ、１００ｂの一方に最高の縦横比、得られる運動を効果的に衝撃駆動であると十分に見なせるほどの高い縦横比を設定し、他の楕円経路に非衝撃駆動を発生する低い縦横比を設定することが可能であると思われる。有利なことに、純粋な衝撃タイプの駆動を発生する楕円経路１００の縦横比は避けられる。
【０４１４】
さらに、本開示の教示を使用して反対方向に非常に高い縦横比の楕円運動１００ａ、１００ｂを持つ振動素子２６を構成することができると考えられる。楕円の長軸と短軸との縦横比が十分に大きい場合、楕円経路の周囲の運動の特定の方向は、被駆動素子の動きの方向を決定しない。その代わりに、被駆動素子に関する長軸の傾斜角度βは運動の方向を決定する際の決定的要因となる。したがって、同じ（または異なる）選択した接触部分４４で２つの高い縦横比の楕円経路１００ａ、１００ｂを使用し、同じ方向に被駆動素子４２を動かす衝撃駆動を発生できると思われる。実際、本開示の原理を使用することで、単一圧電素子２４により、各々衝撃駆動で使用される２つの異なる周波数の２つの縦共振モードを発生することが可能である。
【０４１５】
高い縦横比の楕円運動を使用して純粋な衝撃駆動を近似するかどうか、または衝撃駆動を実装するために純粋な直線運動を得るかどうかに関係なく、被駆動素子４２の運動を２つの別々の周波数で発生することができる。しかし、２つの周波数を使用すると、被駆動素子の進行速度が異なる場合がある。異なる周波数を使用することによる進行速度の差は、楕円の進行方向（たとえば、時計回りと反時計回り）が変化する、または角度βが変化する高い縦横比の楕円運動を使用する場合に高められる。さらに、本発明の教示は、複数の単一圧電素子２２を使用して衝撃タイプの運動の複数の周波数を発生したり、振動素子２６の主に縦の共振を使用して実際の衝撃運動を発生する場合でさえ利用できる。
【０４１６】
角度β1およびβ2は、振動する駆動素子２２に対する励起周波数のできる限り広い範囲にわたって十分一定するようにするのが望ましい。たとえば、圧電素子２２に対する２ｋＨｚ範囲の励起周波数信号により選択した接触部分で楕円運動１００を生じ、角度β1の変化が５°以下の場合、振動システムの設計が簡単になり、また性能パラメータの許容差が大きいコンポーネントを使用するのが簡単になる。角度β1またはβ2の変化は、できる限り大きな励起周波数範囲にわたって、１０°未満が望ましく、５°未満が好ましく、３°未満が理想的である。これにより、振動素子２６の主軸２５と被駆動素子４２の運動軸４５との間の傾斜角度αを妥当な許容差で設定することができ、また手頃な価格で利用できる許容差のコンポーネントを使用し、受け入れ可能な運動を発生することができる。このため特に、ここで述べているように、広範な商業応用製品で低コストモータを利用できる。
【０４１７】
したがって、選択した接触部分４４をおおよそ同じ楕円運動１００内で動かせることが望ましく、圧電素子２２への駆動信号入力の周波数は選択した周波数のいずれかの側で２００Ｈｚと変化が小さい。おおよそ同じ楕円経路１００は、駆動信号の周波数が選択した周波数から２．５ｋＨｚ以上の変化のときに得られるため有利である。したがって、振動源２２への励起周波数の変化は選択した周波数のいずれかの側で２．５ｋＨｚであるのが望ましく、またそれ以上であるのが好ましいが、それでも、傾斜角度β1およびβ2で楕円経路１００の適当な振幅を出力する。相対的に、選択した励起周波数の５〜１０％の範囲で適当な楕円経路１００を発生できるのが望ましく、その際に傾斜角度β1とβ2の変化は２５°未満であり、その周波数範囲で１０°未満が好ましく、また約５°以下が理想的である。そのようにできるかどうかは、特定の設計基準と性能要件にかかっている。
【０４１８】
傾斜角度β1とβ2を妥当な広い範囲の励起周波数にわたって十分一定に保つ方法の１つに、ここで説明しているようようにモータのさまざまな設計パラメータを変えてみる方法がある。上述の角度２５°、好ましくは１０°、理想的には約５°以下は、各々、十分一定とみなされ、約５°以下の角度が最も好ましく、最も一定して妥当と思われる。これらの傾斜角度を十分一定に保つことは、角度β1とβ2に対する相対的位相変化の影響で角度に対する振幅の変化の影響を補正することにより、最も簡単に実現できる。そのために、位相と振幅について適当な運動方向と周波数応答曲線を持つ一組の振動モードを選択するとよい。さらに、局所的な向きで楕円運動１００を表示し分析するために座標変換を使用しても、設計は容易になる。
【０４１９】
ここで使用しているように、主軸を使用して、振動素子２６と選択した接触部分４４の楕円経路１００との間の傾斜角度を示している。主軸は、振動素子２６の幾何学と形状、および振動素子２６の選択した接触部分４４の位置と向きにより異なる。選択した接触部分４４が図１に示されているように遠位端に置かれている引き延ばされた振動素子２６では、主軸は長軸２５であるか、またはそれに直交する軸であるか、またはそのような軸を中心とする回転である可能性が高い。選択した接触部分４４が図７８に示されているように遠位端に置かれているまっすぐでない振動素子２６では、主軸は遠位端を通る長軸２５であるか、またはそれに直交する軸であるか、またはそのような軸を中心とする回転である。図６に示されているように長さに沿って置かれた、または振動素子２６の中間部分に置かれた選択した接触部分４４ｎでは、主軸はやはり遠位端３６ａを通る長軸であるか、またはそれに直交する軸であるか、またはそのような軸を中心とする回転である。特定の主軸は一部、選択した接触部分４４と、選択した接触部分４４で被駆動素子４２により楕円経路１００の位置合せを行うために振動素子を配向するのに簡単に使用できる振動素子２６の隣接する軸との運動により変わる。
【０４２０】
組み立てた後モータ２０の品質をテストするために、圧電素子２２を使用してモータの少数の電気機械特性を測定すると有利であり、またコスト効果がある。これらの特性には、所定の入力信号について圧電素子２２によって引き込まれる電流、および振動素子２６で適切に励起された後オフになったときに圧電素子により発生する電気的信号があるが、これらに限られるわけではない。また、モータ２０の耐用期間中にそれらの特性を追跡し、そうして、レーザ振動計などの専用機器がなくてもモータの効率を監視できる。
【０４２１】
上記の説明では、単一電気信号を使用して単一の圧電素子２２を励起し、共振器２４の主駆動軸（たとえば、長軸２５）に対し傾斜している選択した接触部分４４で楕円運動１００を発生する方法を重点的に取り上げた。楕円運動１００は、選択された接触部分４４の制約のない運動であり、接触部分４４が被駆動素子４２と係合するかしないかに関係なく発生する。しかし、その傾斜した楕円運動１００は、共振器２４の複数の単一圧電電素子２２を使用して発生することができる。本発明は、したがって、複数の圧電素子２２を使用して共振器２４の主駆動軸（たとえば、長軸２５）に対して傾斜した楕円運動１００を発生する振動素子２６の広い範囲にわたる応用性がある。したがって、たとえば、図８２に示されているように、第１と第２の圧電素子２２ａ、２２ｂは、共振器２６（または図２に示されているように共振器２６内の１つまたは複数の開口２８を定める接触している異なる配置の壁）の異なる部分または側面に配置することも可能である。第３の圧電素子２２ｃは、さらに共振器の他の部分に置き、選択された接触部分４４の異なる楕円運動１００ｂを発生させることができる。複数の圧電素子２２ａ〜２２ｃを使用する場合、複数の複雑な電子回路が必要になり、そのため、欠点があり、本開示のいくつかの態様の応用性を制限する場合がある。しかし、本開示のいくつかの態様では、ここで説明したような単一圧電素子２２とともに使用する以上の応用性を持つことが示されている。
【０４２２】
上記の説明は、例としてあげており、制限ではない。上の開示により、当業者であれば、本発明の範囲と精神に従いバリエーションを考案できるであろう。さらに、本発明のさまざまな特徴を単独で使用できるし、また互いのとのさまざまな組合せでも使用でき、したがって、ここで説明している特定の組合せに限定する意図はない。そこで、本発明は、図の実施形態により制限されず、また最も広い妥当な方法で読みとったときに以下の請求項により定義され、請求項の有効性を保存する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  各図はそれぞれ本発明の第１の実施形態の側面平面図、側面斜視図、端面図、および底面図である。
【図２】  図１の振動素子の上面図である。
【図３】  図２の端面図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態の斜視図である。
【図５】  Ｃ−クランプ構成を使用する本発明の第３の実施形態の側面図である。
【図６】  複数の素子を駆動する本発明の第４の実施形態の斜視図である。
【図７ａ】  圧入圧電素子を含む本発明の振動素子の斜視図である。
【図７ｂ】  組立て時の図７の振動素子の拡大部分の図である。
【図８】  圧入圧電素子を有する本発明の第５の実施形態の図である。
【図９】  変形前の圧入実施形態の上面図である。
【図１０】  円柱状楔による変形後の図９の実施形態の上面図である。
【図１１】  図１０の１１−１１に沿った断面図である。
【図１２】  矩形楔を使用する図９の代替実施形態の上面図である。
【図１３】  共振器の軸からオフセットされている圧電素子を有する実施形態の図である。
【図１４】  圧電素子からの力を共振器の中心線からオフセットする挿入物を有する実施形態の図である。
【図１５】  共振器の軸に対して斜めになっている圧電素子を有する実施形態の図である。
【図１６】  選択的に配置される複数の不活性素子の間に配置され、ねじ山付締め具で押し付けられている圧電素子を有する実施形態の図である。
【図１７〜１９】  振動素子用のピボット付き支えを有する本発明の振動素子のサスペンション構成の図である。
【図２０〜２１】  弾力的な支えを有する本発明の振動素子のサスペンション構成の図である。
【図２２】  ピボット付き支えを有する本発明の振動素子のサスペンション構成の図である。
【図２３〜２４】  部品の長軸が平行であるが、平面からずれている本発明の振動素子および被駆動素子の構成を示す図である。
【図２５】  部品の長軸がある角度で傾斜している本発明の振動素子および被駆動素子の構成を示す図である。
【図２６】  図２５の構成の端面図である。
【図２７〜２９】  ２つの振動素子が平行に配置されているが、被駆動素子の平面に対して平面からずれている構成を示す図である。
【図３０】  ２つの振動素子が同じ平面内に配置されているが、被駆動素子を含む平面からずれている構成を示す図である。
【図３１】  被駆動素子が被駆動素子の上下に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、互いに向かい合うように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【図３２】  被駆動素子が被駆動素子の上下に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、同じ方向を向くように配置されている、２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【図３３】  被駆動素子が被駆動素子の１つの共通の側面に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、同じ方向を向くように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【図３４】  被駆動素子が被駆動素子の１つの共通の側面に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、互いに向き合うように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【図３５】  被駆動素子が被駆動素子の反対側に、被駆動素子に対して傾斜した角度で、同じ方向を向くように配置されている２つの振動素子および１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【図３６】  図３５の構成の端面図である。
【図３７〜４０】  ３つの振動素子と１つの被駆動素子の構成を示す図である。
【図４１】  ６つの振動素子と１つの被駆動素子の構成を示す正面図である。
【図４２】  図４１の構成の左側面図である。
【図４３】  本発明の選択された接触部分の楕円運動の図である。
【図４４〜５１】  図４３に示されている接触部分の楕円運動に影響を及ぼすさまざまな態様のグラフィック表現である。
【図５２】  圧電素子を受け入れるように開口部が形成されている共振器の同じ面の共振器内に溝がある振動素子の斜視図である。
【図５３】  共振器内に溝があり、圧電素子を受け入れる湾曲した端を有する開口部を有する振動素子の斜視図である。
【図５４】  共振器内の溝が広くなっている振動素子の斜視図である。
【図５５】  圧電素子を受け入れるように形成された開口部と異なる共振器の面の共振器内に溝がある振動素子の斜視図である。
【図５６】  圧電素子を受け入れるＨ字形開口部を有する振動素子の斜視図である。
【図５７】  共振器内に２つのビーム（beam）を定める溝があり、圧  電素子は一方のビームに配置される、振動素子の斜視図である。
【図５８】  共振器内に振動素子のパフォーマンスを変える穴がある振動素子の斜視図である。
【図５９】  共振器の近位端部に大きな質量を持つ振動素子の斜視図である。
【図６０】  圧電素子が配置される開口部を定める４つの側壁を有する振動素子の斜視図である。
【図６１】  共振器内の空洞に圧電素子を収納している振動素子の断面図である。
【図６２】  被駆動素子と係合する複数の選択された接触部分を有する振動素子の側面図である。
【図６３〜６６】  本発明の振動素子に電子信号を送るシステムの電気配線図である。
【図６７】  特別に構成された端部を有する圧電素子の平面側面図である。
【図６８】  図６７の圧電素子の斜視図である。
【図６９】  図６７〜６８の圧電素子を形成するために使用されるダイスの側面断面図である。
【図７０】  本発明の別の実施形態の振動する駆動素子と振動する被駆動素子の概略図である。
【図７１〜７２】  複数の位置感知構成の概略図である。
【図７４】  本発明の共振器素子の断面図である。
【図７５】  湾曲バネサスペンションシステムを有する振動素子の概略図である。
【図７６】  圧電素子を共振器の開口部に圧入する手順を示す図である。
【図７７】  本発明の圧電モータアセンブリの引き嵌め（pull-fit）プロセスを示す図である。
【図７８】  本発明の圧電モータアセンブリの他の実施形態の図である。
【図７９〜８１】  コイルが本発明のモータまたはモータコンポーネントに一体化しているか、または随伴している他の実施形態の図である。
【図８２】  本発明の選択された接触部分の運動を示す図である。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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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３６】
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【図３７】
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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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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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