JP2002502578A - ハイパワー超音波モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ハイパワー超音波モータ（２１）。モータはあらかじめ決められた幾何学的配置を有するハウジング（２３）及びトランスデューサ（４１）を含む。トランスデューサは、磁気ひずみ材料から作られた能動素子（４２）及び能動素子の少なくとも一部を通して広がる電磁界を発生するためのコイルを含む。能動素子は、電磁界が存在しないときの第１の形状と電磁界が存在するときの第２の形状との間で変化できる。電気信号が、電磁界を発生させるためにコイルに提供される。音響素子（９６）が、仕事を行うための超音波エネルギーを提供するためトランスデューサに接続される。

Description

【発明の詳細な説明】 ハイパワー超音波モータ 本発明は、広くアクチュエータに関し、より詳しくは超音波アクチュエータに 関する。 図１は、本発明の超音波アクチュエータの等角図である。 図２は、図１の超音波モータの平面図である。 図３は、図２のライン３−３に沿った図１の超音波モータの断面図である。 図４は、図１の超音波モータの分解組立図である。 図５は、図４のライン５−５に沿った図１の超音波モータの断面図である。 図６は、図５のライン６−６に沿った図１の超音波モータの断面図である。 図７は、図４のライン７−７に沿った図１の超音波モータの断面図である。 図８は、図７のライン８−８に沿った図１の超音波モータの断面図である。 図９は、図４のライン９−９に沿った図１の超音波モータの断面図である。 図１０は、図９のライン１０−１０に沿った図１の超音波モータの断面図であ る。 図１１は、図１の超音波モータの部分の側面図である。 本発明の、ハイパワー超音波アクチュエータすなわちモータ２１は、形態が円 筒形であり、また中心縦軸２２に関して同心に配置されている。装置すなわちモ ータ２１は、比較的大きさが小さく、また約３インチ（７．６２ｃｍ）の直径と 約４インチ（１０．１６ｃｍ）の長さを有する。あらかじめ決められた幾何学的 配置のハウジング部材すなわちモータハウジング２３がモータ２１内に含まれる 。図１〜４及び分離して図５及び６に示されたモータハウジング２３は、断面が 円形であり、円筒形の壁２６の一端を横切って広がる、大部分が平面な端の壁２ ７を有する外側の円筒形の壁２６を有する。円筒形の壁２６の他の一端は、モー タハウジング２３の内部チャンバ２８にアクセスするために開いている。内部チ ャンバは、壁２６及び２７により形成される。円筒形の壁２６の開放端には、縦 軸２２と直角に広がる環状平坦面３１が備えられている。中央の円上の開口部３ ２が、端の壁２７を通して内部チャンバ２８中に広がる。モータハウジング２３ は、 ６−２−４−２チタンのような任意の適切な材料から作られる。円筒形の壁２６ は、約２．８５インチ（７．２３９ｃｍ）の外側の直径及び約２．３インチ（５ ．８４２ｃｍ）の内側の直径、及び約１．４５インチ（３．６８３ｃｍ）の端か ら端への長さを有する。端の壁２７は、約０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の 厚さ及び約１．５インチ（３．８１ｃｍ）の直径を有する。モータハウジング２ ３には、電流がモータハウジングの回りで円周方向に流れることを防ぐため、ハ ウジング２３を通して縦方向に延びる、放射状に広がるスリット３３が備えられ ている。モータハウジング中のそのようないかなる電流も、超音波モータ２１の 効率を低下させる不要な電磁界及び熱を発生させる。スリット３３は、約０．０ ４インチ（０．１０１６ｃｍ）の厚さを有し、約０．６０インチ（１．５２４ｃ ｍ）の距離、モータハウジング２３の外側から内側に放射状に広がる。 トランスデューサアセンブリすなわちトランスデューサ４１が、モータハウジ ング２３に収容され、より詳しくは内部チャンバ２８内に配置される。図３及び ４に示すように、トランスデューサ４１は、電磁界に置かれることにより付勢さ れたときに形状が変化する、任意の能動的又はスマートな材料から作られた円筒 形すなわちロッド状の部材を、駆動ロッド４２の形状の中に含む。そのような能 動的材料は、かけられた磁界に応答して形状を変化させる磁気ひずみ材料(magne tostrictive material)を含む。磁気ひずみ材料は、比較的高いエネルギー密度 を持つように高い機械的ストレスに耐えることができるような材料であるため、 好適である。高いエネルギー密度は、与えられた電力入力及びスマートな材料の 体積からのより大きい機械的パワー出力を可能にし、このようにして超音波モー タ２１の大きさ及び重量を減少させる。好適な磁気ひずみ材料は、希土類材料及 び希土類−遷移金属材料(rare earth-transition metal material)である。好適 な希土類−遷移金属材料は、米国特許第４，３０８，４７４号、４，６０９，４ ０２号、４，７７０，７０４号、４，８４９，０３４号又は４，８１８，３０４ 号に開示された、普通TERFENOL-Dと言われる希土類−鉄材料である。TERFENOL-D は、テルビウム、ジスプロシウム及び鉄の元素から形成された合金であり、Ｔｂ_x Ｄｙ_1-xＦｅ_1.92の式を有する。駆動ロッド４２のTERFENOL-D材料のための好適 な式は、Ｔｂ_.3Ｄｙ_.7Ｆｅ_1.90-1.95である。TERFENOL-Dのような 磁気ひずみ材料は、望ましくは、約−１００から＋３８０℃の範囲の広い動作温 度環境を有する。TERFENOL-Dはまた、１０．５から１０．８Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の 比較的高い熱伝導度を有する点でも有利である。 駆動ロッド４２は、外側の円筒形の表面４３、及び縦軸２２に垂直に広がりか つお互いに平行な第１及び第２の平面端表面４４及び４６で形成される。駆動ロ ッド４２は、約１．２５インチ（３．１７５ｃｍ）の直径、及び約０．７インチ （１．７７８ｃｍ）の端の表面４４及び４６の間の長さを有する。穴４７が、端 の表面４４及び４６の間の中央の縦軸２２に沿って広がり、約０．２５インチ（ ０．６３５ｃｍ）の直径を有する内側の円筒形の表面４８から形成される。駆動 ロッド４２は、その中の渦電流を抑制するために、薄層でできている。 トランスデューサ４１は、能動的駆動ロッド４２の少なくとも一部を通して広 がる電磁界を発生するための手段として働く駆動コイル５１を含む（図３及び４ を参照）。コイル５１は、内部チャンバ２８内に駆動ロッド４２に関して同心に 配置され、及び全体の駆動ロッド４２を通して広がる電磁界を生成する。コイル ５１は、ニューヨーク州のCotronics of Brooklynにより作られたDuralco１２８ エポキシを使用して適所に巻かれた１８番のアメリカ線番号(AWGS)の正方形構造 の銅線(build square copper wire)５２から作られる。電気的伝導性のある電線 ５２は、２２℃で約０．０９オームの直接電流抵抗を有する。コイル５１は、２ 層の電線５２により巻かれ、及び１層あたり１７ターンを有する。電線を巻いた コイル５１は、約０．７４インチ（１．８８ｃｍ）の長さ、約１．７インチ（４ ．３１８ｃｍ）の外側直径及び約１．５インチ（３．８１ｃｍ）の内側直径を有 する。 ハイパワーソース５６が、電気信号をトランスデューサ４１に提供するために 、超音波モータ２１の手段の内部に含まれる（図１参照）。電気ソース５６は、 １０ワットから５０キロワットの、好適には３キロワットを超える範囲の電力を トランスデューサに提供する。パワーソース５６は、最も好適には、トランスデ ューサ４１に約６キロワットの電力を、約１５０ボルト及び４０アンペアの超音 波三相正弦波信号の形態で提供する。簡単のため図１にのみ示す電線５７は、パ ワーソース５６をコイル電線５２の自由端に結合する。モータハウジング２３の 端 の壁２７には、内部チャンバ２８と連絡するために、角を成すように離して配置 された第１、第２、及び第３の穴６１、６２及び６３が備えられる（図５を参照 ）。第１及び第２の穴６１と６２との間の、及び第２及び第３の穴６２と６３と の間の間隔を空けた角度は、それぞれ約９０°である。チューブ状ストレインリ リーフ(strain relief)６６が、第１の穴６１の一端に配置される。電線５７が 、パワーソース５６からストレインリリーフ６６及び第１の穴６１を通して延び ており、及び電線５２に電気的に接続されている。 磁石手段又はチューブ状磁石手段７１が、駆動ロッド４２に連続的にバイアス をかけるために、超音波モータ２１内に提供される（図３及び４を参照）。チュ ーブ状磁石手段７１は、第１及び第２の環状のバイアス磁石７２及び７３から構 成される第１及び第２の対向する端部分、及び第３の又は中央の環状のバイアス 磁石７４から構成される中央部分を有する。中央のバイアス磁石７４は、第１及 び第２のバイアス磁石７２及び７３の間に配置される。バイアス磁石７２〜７４ は、硬磁性材料から作られており、多くの異なるグレードのネオジム鉄ホウ素磁 石のような任意の適切なタイプのものでよい。他には、バイアス磁石７２〜７４ は、サマリウムコバルトのような材料から作ることもできる。 チューブ状磁石手段７１は、駆動ロッド４２を通して均一な直流磁界を生成す るように大きさが決められかつ形成される。中央のバイアス磁石７４の放射方向 の厚さより大きい放射方向の厚さの第１及び第２のバイアス磁石７２及び７３は 、そのような均一な直流磁界バイアスを提供する。第１及び第２のバイアス磁石 ７２及び７３は、それぞれ約０．２インチ（０．５０８ｃｍ）の縦の寸法すなわ ち長さ、及びそれぞれ約２．１インチ（５．３３４ｃｍ）及び１．７２インチ（ ４．３６９ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。中央のバイアス磁石７４は、 約０．３５インチ（０．８８９ｃｍ）の長さ、及びそれぞれ約２．１インチ（５ ．３３４ｃｍ）及び１．７９インチ（４．５４７ｃｍ）の外側及び内側の直径を 有する。見られるように、中央のバイアス磁石７４は、磁石７２及び７３の内側 の直径より大きい内側の直径に起因する、第１及び第２のバイアス磁石７２及び ７３の放射方向の厚さより小さい放射方向の厚さを有する。 図３に示すように、チューブ状磁石手段７１は、コイル５１に関して同心に配 置される。バイアス磁石７２〜７４は、コイル５１の長さに近く接近している総 計の長さを有する。第１のバイアス磁石７２は、コイル５１の一端の表面と縦に 揃っている、外側の、平面の端の表面７６を有する。第２のバイアス磁石７３は 、コイル５１の他の一端の表面と縦に揃っている、外側の、平面の端の表面７７ を有する。第１及び第２のパイアス磁石７２及び７３は、それぞれ、放射方向に 通して延びる約０．０４インチ（０．１０２ｃｍ）の厚さのスリット８１を有す る。中央のバイアス磁石７４は、放射方向に通して延びる約０．０４インチ（０ ．１０２ｃｍ）の厚さのスリット８２を有する。スリット８１及び８２は、縦に 揃っており、電流がバイアス磁石の回りで円周方向に流れることを防ぐために、 縦軸２２に平行な方向に延びている。上述のように、そのような電流は、トラン スデューサ４１の望ましい性能を低下させる不要な磁界及び熱を発生し得る。 第１及び第２の磁束帰還手段(flux return means)が、バイアス磁石７２〜７ ３により生成された直流磁界を捕えるため及びこの直流磁界を駆動ロッド４２を 通して導くため、モータハウジング２３により、内部チャンバ２８内に収容され る（図３及び４を参照）。第１及び第２の磁束帰還手段は、コイル５１により生 成された交流磁界も捕え、この交流磁界を駆動ロッド４２中に伝える。第１及び 第２の磁束帰還手段は、第１及び第２の内側の環状ディスクのような部材すなわ ち磁性を有するディスク８６及び８７、及び第１及び第２の環状リング部材すな わち磁性を有するリング８８及び８９を含む。 ディスク８６及び８７及びリング８８及び８９は、それぞれ比較的低い電気伝 導度及び比較的高い電気抵抗率を有する、任意の適切な強磁性体又は軟磁性体か ら作られる。磁束帰還素子８６〜８９は、比較的高い磁気飽和磁束密度(magneti c saturation flux density)も有する。より現実的な電気抵抗率の範囲は０．０ １から１０００Ω−ｃｍの範囲であるが、素子８６〜８９の材料は、１０００Ω −ｃｍより大きい電気抵抗率を有することが好適である。磁気飽和磁束密度は、 ８，０００ガウスより大きいこと、より好ましくは１２，０００ガウスより大き いこと、最も好ましくは２０，０００ガウスより大きいことが好適である。 素子８６〜８９のための適切な材料は、ペンシルバニア洲の、Arnold Enginee ring of Marengo,Illinois and Magnetics of Butlerにより、High Fluxとい う商標名で売られている材料である。High Fluxは、０．５のニッケルと残りの 鉄との組成を有するニッケル及び鉄の合金である。High Flux材料のニッケル及 び鉄の成分は、ミクロン及びサブミクロンの粒子の大きさに粉砕される。誘電体 が、電気的に絶縁するために粒子の上に噴霧され、粉末の混合物は、砂岩の構造 の同等物である固体成分を作るために平方インチあたりおよそ２００トンで圧縮 される。他の適切な材料は、ニュージャージー州の、MMG North America of Pat ersonにより売られている鉄の粉末である。鉄の粉末は、９５％より大きい鉄の 組成を有する。鉄の粉末は、上述のHigh Fluxを製造するための方法と同様の方 法で製造される。簡潔に言えば、鉄の素子は、ミクロン及びサブミクロンの粒子 の大きさに粉砕される。誘電体が、電気的に絶縁するために粒子の上に噴霧され 、粉末の混合物は、砂岩の構造の同等物である固体成分を作るために圧縮される 。これらの材料のそれぞれは、０．０１から５０Ω−ｃｍの範囲の電気的抵抗率 及び１２，０００から１５，０００ガウスの範囲の磁気飽和磁束密度を有する。 High Fluxは、より良い磁束伝導体となる、高い比透磁率を有する。 第１の磁性を有するディスク８６は、約０．１インチ（０．２５４ｃｍ）の縦 の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約１．２５５インチ（３．１８８ｃｍ）及び ０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。第２の磁性 を有するディスク８７は、約０．０７インチ（０．１７７８ｃｍ）の縦の寸法す なわち厚さ、及びそれぞれ約１．２５５インチ（３．１８８ｃｍ）及び０．２５ インチ（０．６３５ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。ディスク８６及び８ ７は、第１の磁性を有するディスク８６が駆動ロッド４２の第１の端の表面４４ に接し、第２の磁性を有するディスク８７が駆動ロッド４２の第２の端の表面４ ６に接するように、それぞれ縦軸２２上の中心に配置される。 第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９は、それぞれ約０．０８イン チ（０．２０３２ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約２．０９５イ ンチ（５．３２１３ｃｍ）及び１．３１インチ（３．３２７４ｃｍ）の外側及び 内側の直径を有する。リング８８及び８９のそれぞれには、それの内側に半月形 状のカットアウト９１、及びそれを通って延び、約０．１２インチ（０．３０４ ８ｃｍ）の厚さを有する放射方向に延びるスリット９２が与えられている。第１ のリング８８中のカットアウト９１は、電線５７及びこれによりパワーソース５ ６に電気的に結合するため、コイルの電線５２がリング８８を通過して内部チャ ンバ２８から出ることができるようにする。スリット９２は、スリット３３、８ １及び８２に関して上述した理由のため、電流がリング８８及び８９の回りで円 周方向に流れることを防ぐ。第１の磁性を有するリング８８は、第１のバイアス 磁石７２の端の表面７６及びコイル５１の対応する端に接し、第２の磁性を有す るリング８９は、第２のバイアス磁石７３の端の表面７７及びコイル５１の対応 する端に接する。 音響素子すなわち延長部(extension)９６が、超音波モータ２１内に含まれ、 及びとりわけモータハウジング２３の開放端を閉じるために働く。図３及び４に 最も明確に示されるように、音響延長部９６は、それぞれが縦軸２２上の中心に 配置されるフランジ部分９７及び円筒形部分９８を含む。ディスクのようなフラ ンジ部分９７は、約０．２２５インチ（０．５７１５ｃｍ）の縦の寸法すなわち 厚さ、及び約２．９インチ（７．３６６ｃｍ）の外側直径を有する。フランジ部 分９７は、モータハウジング２３の環状平坦面３１と接しかつ噛み合う、大部分 が平坦な表面すなわち面１０１を有する。中央の平坦面１０２が面１０１の中央 に備えられる。中央の面１０２は、約１．２５５インチ（３．１８７７ｃｍ）の 外側の直径を有し、また面１０１に平行である。中央の表面１０２は、約０．０ ３５インチ（０．０８８９ｃｍ）、面１０１から外側に間隔を空けて配置される 。１２の複数の円周上に間隔を空けて配置された穴１０３が、フランジ部分９７ を通して縦に延び、及びモータハウジング２３の平坦面３１中に縦に延びるネジ 山が切られた、同じ数の複数の穴１０４と縦に揃う。キャップネジ１０６がフラ ンジの穴１０３のそれぞれを通して延び、音響延長部９６をモータハウジング２ ３に固定するため、モータハウジング中の穴１０４とネジで嵌合する。 円筒形部分９８は、フランジ部分９７と統一体を構成し、またフランジ部分９ ７から面１０１から離れる方向に延びる。面１０１と平行に延びる環状の平坦面 １０７は、音響延長部９６の他の端を形成する。２つの対向して揃えられたカッ トアウトすなわち平面が、レンチで超音波モータ２１を把持及び回転することを 容易にするため、端面１０７近傍の円筒形部分９８中に形成される。ネジ山が切 られた突出部１１２が、約０．７インチ（１．７７８ｃｍ）の距離、端面１０７ から垂直に突出する。 音響延長部９６は、音響金属(acoustic metal)のような任意の適切な材料から 作られる。適切な音響金属はアルミニウム合金、マグネシウム合金及びチタン合 金である。マグネシウム合金は、音響延長部９６の材料として好適である。音響 延長部９６を形成するために好適なマグネシウム合金は、高Ｑ／低減衰の材料で あり、以下のAmerican Society for Testing and Materials(ASTM)のタイプの材 料を含む：それぞれが、２．５から３．５、０．７から１．３及び少なくとも０ ．２０の範囲のそれぞれアルミニウム、亜鉛及びマグネシウムのパーセント組成 を有するAZ31B-F^c及びAZ31B-H24；５．８から７．２、０．４から１．５及び少 なくとも０．１５の範囲のそれぞれアルミニウム、亜鉛及びマグネシウムのパー セント組成を有するAZ61A-F；７．８から９．２、０．２から０．８及び少なく とも０．１５の範囲のそれぞれアルミニウム、亜鉛及びマグネシウムのパーセン ト組成を有するAZ80A−T5；４．８から６．２及び少なくとも０．４５の範囲の それぞれ亜鉛及びジルコニウムのパーセント組成を有するZK60A-T5；２．５から ４．０及び０．４５から１．０の範囲のそれぞれトリウム及びジルコニウムのパ ーセント組成を有するHK31A-H24。これらの材料は、それぞれ１００より大きいQ (quality factor)を有し、また１８，０００から３０，０００ｐｓｉ（１２６５ ．５５から２１０９．２４ｋｇ／ｃｍ²）の高い疲れ強度を有する。AZ80A-T5、Z K60A-T5、AZ31B及びAZ61A-Fは、音響延長部９６のより好適な材料であり、AZ80A -T5は、約１２．２μΩ−ｃｍの比較的高い電気抵抗率を持つため最も好適であ る。 音響延長部は、音響延長部の材料の４分の１共振波長と等しい、約２．５イン チ（６．３５ｃｍ）の、中央の面１０２から端面１０７へ測定した縦の寸法すな わち長さを有する。従って、音響延長部は、それの共振周波数でトランスデュー サ４１から振動するように大きさが作られている。 第２の磁性を有するディスク８７、駆動ロッド４２及び第１の磁性を有するデ ィスク８６の積み重ねが内部チャンバ２８内に配置される（図３を参照）。第２ の磁性を有するディスク８７は、中央の表面１０２に接する。コイル５１は、駆 動ロッド４２の回りに延び、また第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８ ９の間に積み重ねられる。第２の磁性を有するリング８９は、フランジ部分９７ の面１０１に接する。第１のバイアス磁石７２、中央のバイアス磁石７４及び第 ２のバイアス磁石７３が、コイル５１の外側で、第１及び第２の磁性を有するリ ング８８及び８９の間に積み重ねられる。縦軸２２に沿って中心に配置されたデ ィスクのような反作用質量(reaction mass)１２１が、第１の磁性を有するディ スク８６に接する。反作用質量１２１は、１７−４ＰＨステンレススチールのよ うな任意の適切な材料から作られ、約０．１インチ（０．２５４ｃｍ）の縦の寸 法すなわち厚さ、及びそれぞれ約１．２５５インチ（３．１８８ｃｍ）及び０． ２４５インチ（０．６２２３ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。反作用質量 １２１は、約０．４５インチ（１．１４３ｃｍ）の直径を持つ隆起した中央の部 分１２１ａを有する。中央部分１２１ａは、約０．０４インチ（０．１０１６ｃ ｍ）の縦の寸法すなわち厚さを有する。反作用質量１２１は、反作用質量１２１ と第１の磁性を有するディスク８６の合成質量が駆動ロッド４２をそれの共振周 波数で動作させるような特定の質量を有するような大きさで作られる。 駆動ロッド４２にプリロードを与えるための手段が、超音波モータ２１内に含 まれ、またそれは、皿バネ１２６、プリロードディスク１２７及びプリロードプ レート１２８を含む。皿バネ１２６は、ニュージャージー州の、HK Metalcraft of Lodiにより作られた部品番号BEL-2401-2410のような任意の適切なタイプでよ い。皿バネ１２６がプリロードプレート１２８内に埋め込まれることを防ぐプリ ロードディスク１２７は、１．９５青色硬化バネ鋼(blue hardened spring stea l)のような任意の適切な材料からつくることができる。ディスク１２７は、約０ ．０３インチ（０．０７６２ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約１ ．４インチ（３．５５６ｃｍ）及び１．０インチ（２．５４ｃｍ）の外側及び内 側の直径を有する。プリロードプレート１２８は、形状がディスク状であり、６ −２−４−２チタンのような任意の適切な材料から作られる。プリロードプレー ト１２８は、ネジ山が切られ、モータハウジング２３の中央の開口部３２にネジ で嵌合するような直径の大きさで作られた、外側の円筒形の表面を有する。ネジ 山が切られた穴１３１が、プリロードプレート１２８の中心と通して延びる。 プリロードプレート１２８は、１５００から２８００ポンド（６８０．４から１ ２７０．０８ｋｇ）の範囲、好適には約２３００ポンド（１０４３．２８ｋｇ） で駆動ロッド４２にプリロードを与えるために中央の開口部３２内で回転させて 締められる。 能動的冷却手段が、モータ２１のデューティサイクルを延長し、それの性能を 高めるために、超音波モータ２１内に備えられる。能動的冷却手段は、駆動ロッ ド４２、コイル５１及びチューブ状の磁性を有する手段７１の周囲に延びる部分 を有する液体通路１４１を含む。液体通路１４１は、任意の適切な誘電体冷却液 がトランスデューサ４１及び他のモータ構成部分を冷却するため超音波モータ２ １を通して流れることができるように構成される。ペンシルバニア洲の、Multit herm Corporation of Colwynにより作られる商標名Multitherm503を有する液の ような、任意の合成の熱移動液が、超音波モータ２１のための適切な冷却液であ る。 液体通路１４１は、第１のすなわち外側の螺旋部分１４１ａ、第２のすなわち 中間の螺旋部分１４１ｂ及び第３のすなわち中央の螺旋部分１４１ｃからなる、 ３つの螺旋部分を有する。外側の螺旋部分１４１ａは、図３に示すように、チュ ーブ状の磁性を有する手段７１の外側の周囲に円周に広がり、円筒形の壁２６の 内側の表面により一部が形成される。外側の螺旋部分１４１ａは、分離して図７ 及び８に示すように、チューブ状の磁性を有する手段７１の周囲に広がる、外側 の冷却部(cooling fixture)１４２からなるチューブ状部材により更に形成され る。冷却部１４２は、約０．９９インチ（２．５１４６ｃｍ）の縦の寸法すなわ ち長さ、及びそれぞれ約２．２９８インチ（５．８３７ｃｍ）及び２．１インチ （５．３３４ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。ディスクのようなリング１ ４３は、冷却部１４２の一端に形成される。リング１４３には、約１．７５イン チ（４．４４５ｃｍ）の内側の直径を有する中央の開口部１４６が備えられる。 冷却部１４２の外側の円筒形の表面は、少なくとも６ターンを備える螺旋チャネ ル１４７で形成される（図４及び８を参照）。チャネル１４７は、約０．０６イ ンチ（０．１５２４ｃｍ）の半径を有する。２つの正反対に対向するカットアウ ト１４８が、螺旋チャネル１４７と通じるために、リング１４３中に備えられる 。外側の冷却 部１４２が、リング１４３がモータハウジング２３の端の壁２７の近くに位置す るように、内部チャンバ２８内に配置される。 超音波モータ２１は、液体通路１４１の中間の螺旋部分１４１ｂを形成するた めに、第２のチューブ状部材すなわち冷却部１５６を含む手段を有する。冷却部 すなわち内側の冷却部１５６は、分離して図９及び１０に示すように、約０．７ ４インチ（１．８７９６ｃｍ）の縦の寸法すなわち長さ、及びそれぞれ約１．５ インチ（３．８１ｃｍ）及び１．２６インチ（３．２００４ｃｍ）の外側及び内 側の直径を有する。冷却部１５６の内側の円筒形の表面は、少なくとも５ターン を有する螺旋チャネル１５７で形成される。チャネル１５７は、約０．０６イン チ（０．１５２４ｃｍ）の半径を有する。図３に示すように、内側の冷却部１５ ６が、駆動コイル５１と駆動ロッド４２との間に配置される。駆動ロッド４２の 外側の円筒形の表面４３は、液体通路１４１の中問の螺旋部分１４１ｂの内側の 表面を形成する。 外側及び内側の冷却部１４２及び１５６は、それぞれ電気的絶縁性のすなわち 非伝導性材料から作られる。適切な材料は、窒化ホウ素、アルミナ、炭化シリコ ン、炭化ホウ素、二ホウ化チタン、炭化タングステン、窒化シリコン、尖晶石、 熱分解黒鉛、熱分解窒化ホウ素、酸化ベリリウム、黒鉛及びシリコン、及び前述 事項の全ての混合物、変化及びグレードを含むようなセラミックである。他の適 切な材料は、窒化アルミニウムである。冷却部１４２及び１５６の好適な材料は 、高温圧縮された窒化ホウ素である。前述の材料は良い熱伝導体であり、このた めモータハウジング２３及びそれの中の構成部品からの熱の除去を高める。特に 、その材料は、１Ｗ／ｍ−Ｋより大きい、好適には３０Ｗ／ｍ−Ｋより大きい、 比較的高い熱伝導性を有する。 中央の螺旋部分１４１ｃは、駆動ロッド４２の中央の穴４７を通して広がって いる。中央の螺旋部分１４１ｃを形成するための手段は、冷却チューブ１６１の 形状の中に細長い部材を含む。駆動ロッドの内側の円筒形の表面４８は、液体通 路１４１の中央の螺旋部分１４１ｃを形成するためにも役に立つ。冷却チューブ １６１は、ポリアミド／イミド、例えばTorlonのような、任意の適切な非電気的 伝導性材料から作られ、また第１の端部分すなわち螺旋部分１６１ａ及び、フ ィッティング１６１ｂの形状の反対側の第２の端部分を有する（図１１を参照） 。中央のすなわちネジ山を切られた部分１６１ｃは、螺旋部分１６１ａとフィッ ティング１６１ｂとの間に配置される。螺旋部分１６１ａは、図３に示すように 、駆動ロッドの穴４７内部の配置のために、大きさ及び形状が作られ、また約０ ．７５インチ（１．９０５ｃｍ）の縦の寸法すなわち長さ、及び０．２１インチ （０．５３３４ｃｍ）の外側の直径を有する。少なくとも４ターンを有する螺旋 チャネル１６２が、螺旋部分１６１ａの回りで円周に広がっている。螺旋チャネ ル１６２は、約０．０６インチ（０．１５２４ｃｍ）の半径を有する。冷却チュ ーブ１６１の円筒形の中央の部分１６１ｃは、駆動ロッド４２内部の螺旋部分１ ６１ａを固定するため、プリロードプレート１２８のネジ山が切られた穴１３１ にネジで嵌合するように、外部の大きさ及び形状が作られる。中央の穴１６３は 、フィッティング１６１ｂ及び中央の部分１６１ｃを通して、螺旋チャネル１６ ２中の開口部１６４に縦に延びている（図１１を参照）。穴１６３は、フィッテ ィング１６１ｂの開口した端を通して延びている。 冷却液が、入口フィッティング１７１を通して延びる穴１７２を有するチュー ブ状入口フィッティング１７１により、超音波モータ２１中に導かれる。入口ラ イン（図示せず）は、これに関して、フィッティング１７１に接続される。入口 フィッティング１７１は、モータハウジング２３の円筒形の壁２６を通して縦に 延びる入口の穴１７３に、ネジで固定される（図３及び５を参照）。縦の入口の 穴１７３は、音響延長部９６のフランジ部分９７の側面に入る放射方向に延びる 穴１７７と、フランジ面１０１中の開口部１７６により、通じている。放射方向 の穴１７７は、フランジ部分９７のおよそ中心の方に延びている。プラグ１７８ が、フランジ部分９７の外側の円筒形の表面中の放射方向の穴１７７の開口部を 閉じるように働く。第１、第２及び第３の開口部１８１、１８２及び１８３は、 横断する穴１７７と通じるために、フランジ面１０１を通して更に延びる（図３ 及び４を参照）。第１の開口部１８１は、放射状の穴１７７内部の液体が液体通 路１４１の外側螺旋部分１４１ａと通じることができるようにするため、フラン ジ面１０１上に放射状に位置させられる。第２及び第３の開口部１８２及び１８ ３は、冷却液が液体通路の中間及び中央の螺旋部分１４１ｂ及び１４１ｃにアク セスすることができるようにするため、同様に位置させられる。カットアウト９ １は、第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９を過ぎる冷却液の流れを 容易にする。 液体通路１４１の外側及び中間の螺旋部分１４１ａ及び１４１ｂを通して流れ る冷却液は、内部チャンバ２８中の、外側及び内側の冷却部１４２及び１５６の 縦方向の他の端で再び結合する。外側の冷却部１４２内の液体は、この事につい てはカットアウト１４８によって外側の螺旋部分１４１ａを出る。通路部分１４ １ａ及び１４１ｂからの冷却液は、端の壁２７中の第３の穴６８を通してモータ ハウジング２３を出る。出口フィッティング１８６の形状中のチューブ状部材は 、モータハウジング２３から縦に延びており、穴６３と通じる穴１８７を備えて いる。液体通路１４１の中央螺旋部分１４１ｃを通して移動する冷却液は、冷却 チューブによって超音波モータ２１を出るために、開口部１６４を通して冷却チ ューブ１６１中の中央の穴１６３に人る。出口ライン（図示せず）は、冷却液を 超音波モータ２１から排出するために、出口フィッティング１９６及び冷却チュ ーブ１６１のフィッティング１６１ｂに固定される。内部チャンバ２８内の温度 は、駆動コイル５１の頂上の第１の磁性を有するリング８８中のスリット９２中 に配置されたサーミスタ又は熱電対のような任意の適切な温度センサ（図示せず ）によって、モニタすることができる。チューブ状ストレインリリーフ１９１が モータハウジング２３に固定されており、電線１９２が温度センサと接続するた めにモータハウジングに入ることを可能にするため、第２の穴６２に通じている 。 操作及び使用では、モータ２１は、音響延長部９６のネジ山を切られた突出部 １１２で振動運動を発生するためのTERFENOL-Dのような磁気ひずみ材料から作ら れた駆動ロッドを使用する。この振動運動は、超音波周波数範囲、すなわち１７ キロヘルツより高い範囲である。一般に、駆動ロッド４２は、磁界が存在しない ときの第１の形状と、磁界が存在するときの第２の形状との間で変化できる。よ り詳しくは、駆動ロッド４２の巨大な磁気ひずみ材料中の磁性を有する領域(mag netic domain)は、軸２２に平行な磁界が駆動ロッドにかけられたときに、縦軸 ２２と一列に並ぶ。磁性を有する領域がこのように並ぶことにより、駆動ロッド ４２は伸びる。正弦波入力信号が、入力信号と同じ周波数を有し、駆動ロッ ド４２を通して広がる変化する電磁界を発生するため、コイル５１に与えられる 。 皿バネ１２６は、駆動ロッド４２の作動及び不作動の間中約２３００ポンド（ １０４３．２８ｋｇ）で一定のままである縦方向のプリロードを駆動ロッド４２ 上に作るために働く。プリロードにより、磁性を有する領域は、外部から、駆動 ロッド４２の縦軸２２により完全に直角に向けられる。駆動ロッドのための変形 対磁界強度(strain versus magnetic field strength)の曲線上の、非常により 長い線形動作領域がこのようにして提供され、プリストレスをその上に持たない 駆動ロッドと比較して、与えられた強度の磁界に対して、非常により高い変形(s train)が得られる。 チューブ状の磁性を有する手段７１は、駆動ロッド内の磁性を有する領域が、 それらの最大の可能な値のおよそ２分の１の変形を起こさせる直流磁界バイアス を駆動ロッド４２に提供する。ここで駆動ロッド４２の材料がそれの総計の変形 の２分の１の状態であり、磁気ひずみを通じて駆動ロッド４２をそれの磁気的に バイアスされた変形から伸びたり縮んだりさせる、コイル５１からの交流磁界が 、直流バイアス磁界に加わり、及びそれを減じる。駆動ロッド４２を磁気的にバ イアスすることは、駆動ロッドの磁気ひずみ材料の全般の効率を増大させ、また 駆動コイル５１への入力信号の要求される強度、及びその結果、駆動コイルによ り生成される熱を２の係数で減少させる。 チューブ状の磁性を有する手段７１の大きさ及び形状は、十分に均一な駆動ロ ツド４２中の直流磁界バイアスを提供する。上述のように、中央のバイアス磁石 ７４の放射方向の厚さは、中央のバイアス磁石のどちらかの側に配置された第１ 及び第２のバイアス磁石７２及び７３の放射方向の厚さより小さい。この厚さの 減少は、中央バイアス磁石７４の比較的より大きい内側の直径により起こされる 。比較的より薄い中央のバイアス磁石７４は、駆動ロッド４２の縦方向の中心の 直流バイアス磁界の強度を減少させる。チューブ状の磁性を有する手段７１から の均一な直流バイアスは、駆動ロッド４２の性能及び駆動コイル５１への駆動ロ ッドの磁気結合を高める。 駆動ロッド４２を通じた十分に均一な磁気的バイアスは、磁束帰還素子８６〜 ８９の使用により更に促進される。上述のように、第１及び第２の磁性を有する ディスク８６及び８７は、駆動ロッド４２の各自の端の表面４４及び４６上に配 置される。第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９は、チューブ状の磁 性を有する手段７１の各自の端の表面７６及び７７上に配置される。これらの磁 束帰還素子は、バイアス磁石７２〜７４により生成された直流磁界を捕え、駆動 ロッド４２を通して磁界を導くように働いており、それにより駆動ロッド４２中 の磁界の漏れを減少させ、またこのようにして駆動ロッドの直流バイアスを高め る。 パワーソース５６により超音波モータ２１に与えられた正弦波入力信号は、約 ６キロワットのパワー及び約２０キロヘルツの周波数を有する。入力信号は、駆 動コイル５１の螺旋状に巻かれた電線５２を通過し、交流電磁界が駆動ロッド４ ２を通じてコイルにより生成される。この電磁界は、−６００から＋６００エル ステッドの範囲の、好適には約５００エルステッドの最大の磁界の強度を有する 。駆動ロッド４２の磁気ひずみ材料中の磁性を有する領域は、変形することによ り誘導された磁界に応答し、駆動コイル５１により生成された誘導された磁界の 周波数に同期して、駆動ロッドの長さを伸ばしたり縮めたりする。 超音波モータ２１は、運動量保存の法則で動作する。モータハウジング２３及 びトランスデューサ４１及びその中の他の構成部品は、装置２１のモータ部分を 構成する。音響延長部９６は、装置２１の運動量反作用部分(momentum reaction ary section)として働く。駆動ロッド４２の振動性の運動のため、対応する振動 性の力が、駆動ロッド４２により反作用質量１２１に対して及ぼされる。反作用 質量が皿バネ１２６に対してある方向に駆動されるとき、音響延長部９６は、運 動量を保存するため、反対の方向に反応しなくてはならない。フランジ面１０１ での超音波モータ２１の縦方向の速度は、約ゼロである。モータ２１の最大の縦 方向の速度は、端面１０７においてである。音響延長部９６は、駆動ロッド４２ の直接の負荷のパス中にあり、上述のように、それの共振周波数で動作するよう に縦方向の大きさが作られている。従って、共振２分の１波長の定在波が確立さ れ、ネジ山を切られた突出部１１２をトランスデューサ４１に応答して超音波の 周波数で振動させる。確立された定在波は、振動している駆動ロッド４２と位相 が１８０°異なる。突出部１１２は、使用できる仕事を生み出すため、他 のシステムに取り付けることができる。 上記に示した種々のマグネシウム合金から音響延長部９６を形成することは、 音響延長部９６により発生させられた超音波振動運動を強める。一般に、これら のマグネシウム合金は、比較的低い密度を有し、及びこのため運動量保存の法則 に従って、チタン合金のような他の音響金属と比較してネジを切られた突出部１ １２での振動振幅出力の速度を増加させる。延長部９６のマグネシウム合金材料 は、モータ２１の寿命に貢献する比較的高い強度も有する。 磁束帰還素子８６〜８９は、駆動ロッド中の交流磁界の強度を増加させ、また このようにしてトランスデューサ４１の性能を高めるために、駆動コイル５１に より作られた交流磁界を捕え、及びその磁界を駆動ロッド４２を通して伝える働 きもする。この目的のため、磁性を有するリング８８及び８９は、駆動コイル５ １の縦方向の端に位置させられ、及び磁性を有するディスク８６及び８７は、駆 動ロッド４２の縦方向の端に位置させられる。上述のように、ディスク８６及び ８７及びリング８８及び８９は、それぞれ低い電気伝導率を有する軟磁性を有す る材料から作られる。これらの素子は、超音波周波数で強磁性であり、非常に低 いエネルギー損失を有する。これらの素子の比較的高い電気抵抗率は、磁束を伝 え、及び導く磁束帰還素子の性能を減じるかなりの程度の渦電流が、その中に発 生することを防止する。そのような渦電流は、駆動ロッド４２を通した交流磁界 の強度を低下させ、及びこのようにしてトランスデューサ４１の効率に悪影響を 与える。磁束帰還素子８６〜８９によって交流磁界を捕えること及び方向を変え ることは、超音波モータ２１の効率を、２から５倍の係数で増加させる働きをす る。 液体通路１４１による、超音波モータ２１内のトランスデューサ４１及びチュ ーブ状の磁性を有する手段７１の能動的冷却は、モータの性能を更に高める。能 動的冷却は、フルパワーでの超音波モータ２１の連続作動も可能にする。駆動ロ ッド４２、駆動コイル５１及びバイアス磁石７２〜７４の中及び回りに螺旋通路 部分を組込むことは、モータから熱を取り去る冷却液の性能を増加させる。この 点で、螺旋チャネル１４７、１５７及び１６２の使用は、冷却液に接触される熱 移動面積を増加させる。螺旋部分１４１ａ〜ｃは、トランスデューサ４１の中及 び回りの液体の流速を増加させ、そのため無秩序な流れのパターン及び乱流を強 め、またこのようにして冷却液の対流の程度を増加させる。具体的に、螺旋部分 １４１ａ〜ｃを通る冷却液の速度及び対流の程度は、それぞれ約１０倍から４５ 倍に増加させられる。 電気絶縁性のすなわち誘電体の材料から外側及び内側の冷却部１４２及び１５ ６を構成することは、トランスデューサ４１の動作効率を高めるように働く。駆 動コイル５１により発生させられる高い周波数の磁界からの有害な渦電流は、冷 却部１４２及び１５６中に発生しない。渦電流は、駆動ロッド４２を通して広が る交流磁界の強度を低下させ得る。そのような望ましくない渦電流は、超音波モ ータ２１の非伝導性の冷却液中にも発生しない。更に、冷却部１４２及び１５６ は、良好な熱の伝導体であり、及びこのため超音波モータ２１のモータ部分内の 種々の構成部品から冷却液への熱の移動を高める。冷却部１４２及び１５６の誘 電体材料は、モータ２１内の電気的ショートに対して更に保護する。 モータ２１により生成された超音波エネルギーは、多くの用途で使用できる仕 事を生み出す。例えば、超音波モータ２１は、固体、液体及び気体の励振のため に使用することができる。化学的混合物の励振では、モータ２１は、混合物中に 、物理的、構造的及び化学的変化を引き起こすことができる。例として、モータ ２１は、工業用エポキシのようなポリマーの硬化のため又はゴムの脱硫のために 使用することができる。モータ２１は、他の用途での使用のため、簡単により大 きい又は小さい大きさにできる。例えば、より小さいモータは、種々の外科用又 は他の医療用の道具として使用することができよう。例は、歯科のクリーニング 、人工骨(bone prosthesis)の挿入及び除去、音響イメージング及び手術法を含 む。他の用途は、モータ２１を生物の細胞を分離するために使用することを含む 。モータ２１は、ソーダ水、ビール又はワインのガスを抜くため、超音波を使用 して材料を加工又は部品を溶接で結合するため、及び種を超音波処理するために 更に使用することができる。 本発明のハイパワー超音波モータの他の構造では、トランスデューサは、モー タ部分の一端が固定され、モータ部分の他の一端が自由に動くことを特徴とする ４分の１波長モードで動作させることができる。この構造では、音響延長部は必 要ない。他の実施形態では、フェライト又はモリブデンパーマロイ粉末のような 、磁束を集中させることがより効率的でない軟磁性材料を、上述の高効率の磁束 帰還素子の材料の代わりに使用し、また本発明の範囲内にすることができる。こ こに示した超音波モータの、他の実施形態は、上述のすべてより少ない構成部品 を含むことができ、また本発明の範囲内にすることができることも理解されるべ きである。更に、上述の特徴のいくつか又はすべてを利用するトランスデューサ を、他の超音波の用途での使用のために提供することができ、また本発明の範囲 内とすることができる。 前述の事項から、新しくかつ改良された超音波モータが提供されたことがわか る。超音波モータは、TERFENOL-Dのような磁気ひずみ材料から作られたスマート な材料の作動素子(smart material actuation element)を利用し、比較的低い密 度の材料から作られた運動量反作用部(momentum reaction section)を有する。 ３キロワットを超える信頼性のある連続的なハイパワーをモータにより発生させ ることができる。モータは比較的大きさが小型であり、簡単に大きさを変えられ る。誘電体液による能動的冷却を備えさせることができる。作動素子は、十分に 均一な直流磁界により磁性的なバイアスをかけることができ、また低い電気伝導 性を有する材料から作られた磁束帰還素子を使用することができる。ウェーブガ イド(wave guide)の先端でのピークピーク間で約２０μｍの変位を発生させるこ とができる。モータは約２５００ｐｓｉ（１７５．７７ｋｇ／ｃｍ²）の圧力を ウェーブガイドの表面に提供することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．あらかじめ決められた幾何学的配置を有するハウジングと、 磁気ひずみ材料からつくられた能動素子及び前記能動素子の少なくとも一部を 通して広がる電磁界の発生手段を有するトランスデューサと、 電磁界が存在しないときの第１の形状と電磁界が存在するときの第２の形状と の間で変化できる前記能動素子と、 前記電磁界の発生手段への電気信号の提供手段と、 仕事を行うための超音波エネルギーを提供するために前記トランスデューサに 接続された音響素子とを有することを特徴とするハイパワー超音波モータ。 ２．前記電気信号の提供手段は、３キロワットを超えるパワーを提供することを 特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。 ３．前記能動素子は円筒形の素子であり、前記電磁界の発生手段コイルは前記円 筒形の素子に関して同心に配置された伝導性を有する材料から作られることを特 徴とする請求項１に記載の超音波モータ。 ４．前記能動素子をバイアスするための磁性を有する手段を更に有する請求項１ に記載の超音波モータ。 ５．前記磁性を有する手段は、前記円筒形の素子に関して同心に配置されたチュ ーブ状の磁性を有する手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の超音波モー タ。 ６．前記円筒形の素子は、第１及び第２の対向する端と、 前記コイルにより発生させられた磁束を捕え、及び前記円筒形の素子を通して 前記磁束を導くための、前記円筒形の素子の前記第１及び第２の端の近傍にある 、前記ハウジングにより収容された第１及び第２の磁束帰還素子とを有すること を特徴とする請求項３に記載の超音波モータ。 ７．前記音響素子は、前記トランスデューサ上に設置され、及び４分の１共振波 長を有する材料から作られ、前記音響素子は、前記材料の前記４分の１共振波長 と等しい長さを有することを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。 ８．前記音響素子が音響金属から作られることを特徴とする請求項１に記載の超 音波モータ。 ９．前記トランスデューサは、冷却液を受けるように構成された前記トランスデ ューサについての通路の提供手段を含む、前記冷却液と使用するための請求項１ に記載の超音波モータ。 10．前記通路の提供手段は、電気絶縁体である材料から形成されることを特徴と する請求項９に記載の超音波モータ。 11．前記通路の提供手段は、セラミック材料から形成されることを特徴とする請 求項９に記載の超音波モータ。