JP2011514131A - 超音波モータ - Google Patents
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Abstract
本発明は、積層型プレートの形状を有する積層型アクチュエータを備えた、超音波モータに関する。このアクチュエータは、１つまたは複数の摩擦部位または摩擦層を、その側面に有している。また、超音波モータは、アクチュエータのための電気式励起装置を有している。本発明によれば、積層型プレートは、超音波振動のための、交差している鏡像型の非対称な２つのジェネレータを有しており、これらのジェネレータが、励起電極および通常電極からなる層の形状に精密化されており、これらの電極が、圧電性セラミックの層と交互に配されており、積層型アクチュエータに、２次元の非対称の定常音波が生成される。
Description
本発明は、積層型アクチュエータを備える超音波駆動装置のグループに属している。この装置は、小型の電気機械システムにおいて使用できるものであるとともに、レンズ、すなわち、光学レンズ群、光学装置、記憶デバイスの磁気もしくは光学ヘッド、または小型の位置決めテーブルなどの、高精度の可動部を有することが可能である。
超音波積層型アクチュエータを備えた超音波モータは、たとえば、特許文献ＵＳ６，０８１，０６３；ＵＳ７，２０５，７０３Ｂ２；ＵＳ７，２１１，９２９Ｂ２；ＵＳ２００７／０１０８８６９Ａ１によって知られている。これらのいずれのモータにおいても、アクチュエータは、プレートとして構成されている。このプレートは、第１の縦モード発振および第２の曲げモード発振に同調される。このことは、モータの動作中において、第１の縦モード発振および第２の曲げモード発振はプレートにおいて同時に励起する、ということを意味する。この場合、アクチュエータは、同一の周波数をもつ電圧によって励起される。摩擦部位の最適な動作経路を得るために、縦共振と曲げ共振との周波数は、互いにわずかに異なっている。したがって、これらのアクチュエータにおける周波数位相特性は、互いに近接した２つのゼロを有しており、アクチュエータの励起周波数は、一般的に、これらのゼロの近傍、すなわち、周波数位相特性における不明確な範囲内にある。
温度を変化させることによって、または、強く作用する力の影響によって、プレートの共振周波数がわずかにシフトし、このため、アクチュエータの励起周波数も、同様に修正されることになる。励起周波数定数を一定に維持することを可能とするために、励起デバイスは、位相信号に追従することができるような構成となっている。しかしながら、周波数位相特性が不明確であるために、励起デバイスの挙動が不安定となる。このため、ある周波数から別の周波数への、自発的な周期的スイッチングが生じる可能性がある。これにより、モータにおける機能の安定性が悪化するとともに、音響ノイズの発生および摩擦接触部の摩耗の増加を引き起こす。
曲げ発振モードを使用することは、さらに、アクチュエータにおける効率性の悪化を引き起こす。このため、このようなアクチュエータに作用する十分な剛性を有する移動部位を有することが、不可能となる。
さらに、上述のような不具合の生じにくい、積層型アクチュエータを備えた超音波モータが知られている（ＤＥ１０２００５０３９３５８Ａ１参照）。
このモータの機能原理は、アクチュエータプレートにおける、非対称の２次元定常波の励起に基づいている。このような波は、１つのアクチュエータ共振位置だけを有している。この波の励起は、２つの積層型ジェネレータの一方によって達成される。これらのジェネレータは、アクチュエータのプレート長さの中央を通過して伸びる断面の両側に配置されている。励起された波は、アクチュエータプレートの中央部分に位置する、非常に大きな共振最大値を有している。この最大値のみが、駆動部位の移動を可能とするのである。
最適な波形は、アクチュエータにおけるプレート高さに対するプレート長さの正確な比率によってのみ、得られる。このことは、比率が、ほぼ２〜３でなければならないということを意味する。この比率が増加または減少した場合、波形が変化して、モータの機能における非常に大きな悪化、すなわち、機械的な性能の劣化、および、摩擦接触部の摩耗の増加が再び生じる。したがって、アクチュエータの長さを一定にすると、モータの高さを小さくすることが不可能となる。このことは、このようなモータをフラットなモータとして実現することができない、ということを意味する。このことは、小型の電気機械システムのためのモータにおける利用分野を狭めている。特に、駆動部の構築高さは、システムの有用性にとって重要なファクターである。
さらに、特許文献ＤＥ１０２００５０３９３５８Ａ１に記載のモータを使用する場合、摩擦部位を、アクチュエータの一方の側に配置することが可能となる。このことは、アクチュエータを、機械的に不安定な状態とする。駆動部位の負荷が増大している場合、このようなアクチュエータは、その角度配置を変える。これにより、この場合にも摩擦接触部の劣化が生じ、これは、張力の減少を招来する。したがって、モータの安定性および駆動部位の位置決め精度が小さくなる。
本発明の目的は、機械的な性能を増大すること、アクチュエータの構築高さを小さくすること、アクチュエータの機械的な安定性を改善すること、動作の安定性を改善すること、摩擦接触部の摩耗を小さくすること、位置決め精度を高めること、ノイズの発生を減少すること、および、広い温度および負荷の範囲において、動作の安定性を高めること、にある。
本発明は、単純な手法によって、その固有の建設的な解決法および新しい音響超音波の使用の結果として、既存の従来技術に比して好ましい効果を奏する特性を得ることが可能となるような超音波モータを実現する、という目的に基づいている。
上述した目的は、特許請求項１の構成にしたがう、提案されている高精度の超音波モータを実現することによって、達成される。
さらに、積層型プレートは、矩形またはリングの一部として、または他の任意の随意的な形状に実現されてもよい。この場合、上述したジェネレータの一方によって励起された非対称の定常波は、第２のジェネレータによって生成された波の鏡像となる。このことは、提案されている発明の構造的な分野を広げている。
さらに、アクチュエータにおける積層型プレートの高さについては、その長さの４分の１に等しいか、それよりもわずかに低くすることが可能である。このことは、モータによって生成される出力を高める。
提案されているモータでは、矩形プレートとして実現されている積層型アクチュエータにおける、電極層と圧電性セラミック層とからなる交互層は、その主表面と平行に、もしくはその側面と平行に、またはその端面と平行に配されていてもよい。
これにより、励起電圧量を変えることが可能となる。提案されているモータにおける一実施例では、リングの一部として実現されている積層型アクチュエータにおける、電極層と圧電性セラミック層とからなる交互層を、積層型プレートの主表面と平行に配することが可能である。
このことは、アクチュエータに関する製造技術を単純化する。提案されている超音波モータでは、アクチュエータの積層型プレートにおける電極層および圧電性セラミック層を、この圧電性セラミックの製造時において互いに接続することが可能であり、これにより、モノリシックボディが形成される。このことは、積層型アクチュエータの安定性を高める。
提案されているモータにおけるさまざまな実施例では、アクチュエータの積層型プレートの表面に、薄い保護層を設けることが可能である。これにより、提案されているモータを、活動的なメディアの動作から保護することが可能となる。
提案されているモータにおける一部の実施例では、アクチュエータの積層型プレートが、１つまたは２つの摩擦部位を備えることが可能であり、これらの摩擦部位が、中央部分における１つまたは２つの側面に配置されている。このことは、駆動部位の動作速度を増加する。このモータにおける他の実施例では、アクチュエータの積層型プレートが、２つまたは４つの摩擦部位を備えることが可能であり、これらの摩擦部位が、１つまたは２つの側面上に、中心線に対してその長さの４分の１にほぼ等しい端面からの間隔で配置されている。このことは、モータによって生成される出力を高める。
提案されているモータにおける他の実施例では、摩擦部位は、硬質の耐摩耗性の材料、たとえば酸化セラミックまたは他の類似の材料から形成されていてもよい。これにより、モータの摩擦接触部における摩耗は小さくなる。提案されているモータにおける摩擦部位は、低融点ガラスによって、積層型プレートの表面に溶接されてもよい。これにより、モータにおける動作時の使用温度は高くなる。
上記の摩擦部位は、また、耐摩耗性のガラスまたは耐摩耗性の材料で強化されているガラスのストライプとして実現されていてもよい。このことは、積層型アクチュエータの製造技術を単純化する。
提案されているモータのさまざまな実施例では、アクチュエータにおける積層型プレートの側面または摩擦部位が、円形、Ｖ字形状または他の形状を有するガイド溝を備えていてもよい。
さらに、アクチュエータの積層型プレートの側面または摩擦部位が、円形、Ｖ字形状または他の形状を有するガイドレールを備えていてもよい。このことは、モータの構造を単純化する。
さらに、アクチュエータの積層型プレートの側面または摩擦部位が、円形、Ｖ字形状または他の形状を有するガイドレールを備えていてもよい。このことは、モータの構造を単純化する。
これらの提案されているモータの実施例では、ガイド溝またはガイドレールが、耐摩耗層を備えていてもよい。これにより、モータの寿命が長くなる。
提案されているモータにおける他の実施例では、発振器の積層型プレートが、２つまたは４つの保持部材を備えていてもよく、これらは、その側面の１つに配されている。これにより、モータにおける機能の安定性、および、駆動部位の位置決め精度が向上する。
提案されているモータにおける一部の実施例では、電気式励起デバイスが、自励式のジェネレータとして実現されていてもよい。このジェネレータの励起周波数は、それに接続されている発振器の共振周波数によって決定される。
提案されているモータにおける一部の実施例では、電気式励起デバイスが、自励式のジェネレータとして実現されていてもよい。このジェネレータの励起周波数は、それに接続されている発振器の共振周波数によって決定される。
提案されているモータにおける他の実施例では、励起デバイスが、電圧制御ジェネレータを備えることが可能である。このジェネレータの励起周波数は、位相検出器によってあらかじめ決定され、この位相検出器の位相入力部は、積層型アクチュエータのフィードバック部位または電極に対して電気的に接続されている。
これらの一方および他方の双方は、モータの動作時の信頼性を高める。提案されているモータの実施例では、励起デバイスが、ハーフブリッジ型またはブリッジ型のパワーアンプを備えていてもよい。このアンプは、ＬＣ直列（シリーズ）フィルタによって積層型アクチュエータに接続されており、そのコンデンサの容量は、積層型アクチュエータの入力容量とほぼ等しいか、または、この容量よりもわずかに大きくなっている。このことは、フィルタの品質を高める一方、パワーアンプのエネルギー損失を小さくする。
提案されているモータにおける一部の実施例では、励起デバイスが、自励式のジェネレータとして実現されており、このジェネレータの励起周波数が、それに接続されている発振器の共振周波数によって決定されており、さらに、励起デバイスが、フィードバック電圧のための対称的なＰＷＭ変調器と、変調されたメッシュ電圧のためのジェネレータとを含んでいてもよく、このメッシュ電圧の周波数が、積層型アクチュエータの動作周波数よりも１０倍ほど大きくなっている。
この場合、励起デバイスを、ＬＣバンドパスフィルタを介して積層型アクチュエータに接続することが可能である。そのコンデンサは、積層型アクチュエータの電気容量によって形成されており、その共振周波数は、アクチュエータの動作周波数とＰＷＭ変調器の変調周波数との間にある。
これにより、電気式励起デバイスにおけるエネルギー損失は小さくなる。提案されているモータでは、電気式励起デバイスは、線形パワーアンプと、積層型アクチュエータに並列に接続されている補償コイルから構成されていてもよい。これにより、モータの動作安定性は向上する。
本発明を、実施形態および図面を用いることによって、より詳細に説明することとする。
図１は、提案されている超音波モータにおける、１つの実施例を示している。このモータは、矩形の積層型プレート２の形状に実現された、積層型アクチュエータ１から形成されている。それは、その側面４の中央部分に配置された、摩擦部位３から形成されている。この摩擦部位３は、駆動部位７における耐摩耗層６の摩擦面５に押圧されている。駆動部位７は、ベアリング９内に配されているロッド８を構成している。ベアリング９は、ベースプレート１０上に位置している。摩擦部位３は、板バネ１２および絶縁スリーブ１３を備える圧縮デバイス１１によって、摩擦面５に押圧されている。このモータの改良形では、絶縁スリーブが、同時に、保持部材１４を形成している。
図２は、提案されているモータにおける、他の実施例を示している。この実施例では、駆動部位７が、軸１６に取り付けられたディスク１５として実現されている。耐摩耗層６によって、摩擦面５は、積層型アクチュエータ１の摩擦部位３の摩擦面に押圧されているが、この耐摩耗層６は、ディスク１５上に位置している。
図３に示す実施例では、モータは、２つの摩擦部位３を備えており、これらは、アクチュエータ１の矩形の積層型プレート２における２つの対向する側面４に配置されている。積層型アクチュエータ１は、ベースプレート１０上に位置している２つの橋台１７によって保持されている。このモータの駆動部位７は、２つのロッド８を備えており、これらは、平行に配されているとともに、摩擦面５上に耐摩耗層６を有している。圧縮デバイス１１は、１つまたは複数のＵ字型スプリング１８の形状に実現されており、これらのスプリングは、摩擦部位３に対して、ロッド８の摩擦面５を押圧している。
駆動部位７は、複数のベアリング９を備えており、これらについては、ガイドロッド１９において移動させることが可能である。
駆動部位７は、複数のベアリング９を備えており、これらについては、ガイドロッド１９において移動させることが可能である。
図４は、積層型プレート２における一方の側面４上に配置された２つの摩擦部位３からなる積層型アクチュエータ１を有する、モータを示している。
図５は、提案されているモータにおける、さらに他の実施例を示している。この実施例は、互いに対向して配されている２つの積層型アクチュエータ１を備えており、これらは、それぞれ、２つの摩擦部位３を有している。このモータの駆動部位７は、２つの摩擦部位３を有している。このモータの駆動部位は、ロッド８として設計されている。このロッド８には、摩擦面５を備えた対向して配置されている２つの耐摩耗層６が位置している。
図６は、モータの実施例を示している。この実施例では、積層型アクチュエータ１が、４つの摩擦部位３を備えており、これらは、２つの側面４上に位置している。各摩擦部位３は、Ｖ字形状または他の形状を有するガイド溝２０を含んでいる。
このモータの駆動部位７は、２つのロッド８を備えており、これらは、平行に配置されているとともに、ガイドレール２１を備えている。このガイドレール２１は、Ｖ字形状または他の形状を有しており、耐摩耗層６およびその上の摩擦面５を備えている。圧縮デバイス１１は、１つまたは複数のＵ字型スプリング１８の形状に実現されており、これらのスプリングは、摩擦部位３に対して、ロッド８の摩擦面５を押圧している。
図７は、駆動部位７がリング２２の一部として実現されているモータを示している。摩擦面５を備えた耐摩耗層６は、リング２２における２つの平面上に設けられている。
図８は、積層型アクチュエータ１が積層型プレートとして実現されているモータを示している。この積層型プレートは、リング２３の一部の形状を有している。アクチュエータ１の摩擦部位３は、内部円柱面２４の中央部分に配置されている。
モータの駆動部位７は、さらに、リング２５の一部の形状を有していてもよい。このリング２５は、アクチュエータ１と同軸上に配されている。摩擦面５を備えた耐摩耗層６は、このリングの一部として、駆動部位７の外部円柱面２５上に設けられている。
図９は、同軸上に配された３つの積層型アクチュエータ１を備えたモータを示している。これらの積層型アクチュエータ１は、積層型プレートとして実現されているとともに、リング２３の一部の形状を有している。これらのアクチュエータのそれぞれは、内部円柱面２４上に配された、２つの摩擦部位３を備えている。このモータでは、摩擦部位は、弾性的な（弾力的な）部位２６によって、耐摩耗層６の摩擦面５に対して押圧されている。この弾性部位２６は、同時に、絶縁スリーブ１３および保持部材１４の機能を担っている。このモータの駆動部位７は、ディスク１５として設計されている。
図１０は、提案されているモータの実施例を示している。この実施例は、リング２３の一部の形状を有する積層型プレートとしてのアクチュエータ１を備えている。摩擦部位３は、アクチュエータ１の外部円柱面２７上に配置されている。駆動部位７は、ロッド８として設計されている。
図１１は、さらに他のモータの実施例を示しており、この実施例は、リング２３の一部の形状を有する積層型プレートとしてのアクチュエータ１を備えている。このモータでは、２つの摩擦部位３が、アクチュエータ１の外部円柱面２７上に配置されている。駆動部位７も、同様に、リング２２の一部として実現されており、このリング２２の耐摩耗層６は、内部円柱面２８上に設けられている。
図１２は、３つの超音波積層型アクチュエータ１を備えた超音波モータを示している。アクチュエータのぞれぞれは、積層型プレートとして設計されているとともに、リング２３の一部を構成している。各アクチュエータは、各アクチュエータ１の外部円柱面２７上に配置された摩擦部位３を備えている。このモータの駆動部位７は、アクチュエータ１を取り囲んでいるリング２９として実現されている。その内表面３０において、リング２９は、Ｖ字形状のガイド溝２０を有している。この場合、摩擦部位３は、Ｖ字形状のガイドレール２１を含んでいる。
図１３は、提案されている超音波モータの実施例を示している。この実施例では、超音波積層型アクチュエータ１が、矩形の積層型プレート２として実現されている。プレート２は、側面４の平面３１上に、摩擦層３２を備えている。このモータの駆動部位７は、２つのスライドを備えている。これらのスライド３３は、さらに、摩擦プレート３４を備えており、スライド３３は、これを介して摩擦層３２との接触を維持している。スライド３３は、圧縮デバイス１１における２次元的に（フラットに）形成されたスプリング３５によって、アクチュエータ１に押圧されている。
図１４は、超音波モータを示しており、そのスライド３３は、圧縮デバイス１１におけるＵ字型スプリングによって、積層型アクチュエータ１の側面４に押圧されている。スプリング１８は、ピン３６によって、スライド３３を保持している。
このモータの実施例では、積層型アクチュエータ１の積層型プレート３７における側面４が、摩擦層３２上にＶ字型のガイド溝を有しており、その上において、スライド３３が、そのＶ字型のガイドレール２１を用いて移動する。
このモータの実施例では、積層型アクチュエータ１の積層型プレート３７における側面４が、摩擦層３２上にＶ字型のガイド溝を有しており、その上において、スライド３３が、そのＶ字型のガイドレール２１を用いて移動する。
図１５は、超音波モータの実施例を示しており、この実施例では、積層型アクチュエータ１の積層型プレート３７における側面４が、摩擦層３２上に、Ｖ字型のガイドレール２１を有している。スライド３３は、Ｖ字型のガイド溝２０とともに、ガイドレール２１に押圧されている。この押圧は、圧縮デバイス１１における３次元的に（体積的に）形成されたスプリング３８によって、達成されている。
提案されている超音波モータでは、積層型アクチュエータ１における積層型プレート２、３７または２３の長さＬ（中心線に関する長さ。図１６のポジション３９、４０を参照）が、励起された非対称な２次元（平面）波の長さと等しくなっている。プレート２、３７または２３の高さＨは、Ｌの１／４に等しくなるように、または、Ｌの１／４よりもわずかに低くなる（０．７〜１）ように、選択されている。
アクチュエータ１のプレートがリング２３の一部として実現されている場合には、このプレートの半径ｒ（中心線に関する半径）は、Ｌの１／２にほぼ等しくなるように選択されている（図１６のポジション４０を参照）。
アクチュエータ１のプレートがリング２３の一部として実現されている場合には、このプレートの半径ｒ（中心線に関する半径）は、Ｌの１／２にほぼ等しくなるように選択されている（図１６のポジション４０を参照）。
アクチュエータ１における積層型プレート２、３７または２３の長さＬは、４つのゾーンＡ、Ｂ、ＣおよびＤに分割されている。各ゾーンの長さは、Ｌの１／４である（図１６を参照）。
ゾーンＡおよびＣは、超音波発振のためのジェネレータＧＩを形成している。ゾーンＢおよびＤは、超音波発振のためのジェネレータＧｒを形成している（図１７のポジション４１、４２を参照）。
図１８、図１９の描画は、ジェネレータＧＩおよびＧｒの幾何学的特性を説明している。
ジェネレータＧＩおよびＧｒのそれぞれは、プレート２、３７および２３の対称面Ｍに関して、非対称的に配されている。この対称面Ｍは、ポジション４３、４４、４７および４８に示すように、中心線Ｌの中心点を通過して延びている。このため、ジェネレータＧＩおよびＧｒは、非対称的なジェネレータを構成している。ジェネレータＧＩおよびＧｒのそれぞれは、鏡面Ｓにおいて、他方のジェネレータの鏡像となっている。面Ｓは、Ｌの１／２よりも長い間隔をおいて、対称面Ｍと平行に延びている。ポジション４３、４７に示すジェネレータＧＩは、ポジション４４、４８に示すジェネレータＧｒの鏡像である。このことは、逆の場合にも同様に当てはまる。したがって、ポジション４４、４８に示すジェネレータは、ポジション４３、４７に示すジェネレータＧＩの鏡像である。
ジェネレータＧＩおよびＧｒのそれぞれは、プレート２、３７および２３の対称面Ｍに関して、非対称的に配されている。この対称面Ｍは、ポジション４３、４４、４７および４８に示すように、中心線Ｌの中心点を通過して延びている。このため、ジェネレータＧＩおよびＧｒは、非対称的なジェネレータを構成している。ジェネレータＧＩおよびＧｒのそれぞれは、鏡面Ｓにおいて、他方のジェネレータの鏡像となっている。面Ｓは、Ｌの１／２よりも長い間隔をおいて、対称面Ｍと平行に延びている。ポジション４３、４７に示すジェネレータＧＩは、ポジション４４、４８に示すジェネレータＧｒの鏡像である。このことは、逆の場合にも同様に当てはまる。したがって、ポジション４４、４８に示すジェネレータは、ポジション４３、４７に示すジェネレータＧＩの鏡像である。
積層型アクチュエータ１の積層型プレート２、３７、２３におけるジェネレータＧＩおよびＧｒは、図１８、図１９のポジション４５、４６、４９、５０に示すように、互いに交差している。この「交差」という用語は、ジェネレータＧｒおよびＧＩが、互いに非対称的に重なっている、ということを意味している。
ジェネレータＧＩおよびＧｒのそれぞれは、励起電極５１における複数の層および通常電極５２における複数の層で構成される。これらの層は、圧電性セラミック５３における複数の層と交互になっている（図２０におけるポジション５４、５５、５６を参照）。圧電性セラミック層５３の厚さは、２０〜２００ミクロンとなることが可能であり、また、金属電極５２、５３の厚さは、０．５〜１０ミクロンとなることが可能である。これらの圧電性セラミックは、およそ８００〜１０００℃の低い製造温度を有する必要がある。電極５２、５３の金属層は、圧電性セラミックにおける上記の製造温度に耐えなければならない。電極の材料として、パラジウムまたはパラジウムと銀との合金を使用することが可能である。
上記の層５１、５２、５３を、プレート２、３７、２３の主表面５７と平行に配することも可能であるし（図２０、図２１のポジション５４を参照）、または、側面５９と平行に配することも可能である（図２０のポジション５３を参照）。
図２２のポジション６０、６１における矢印は、電極５１と電極５２との間での圧電性セラミック層５３の分極Ｅにおける、２つの可能な方向を示している。
図２２のポジション６０、６１における矢印は、電極５１と電極５２との間での圧電性セラミック層５３の分極Ｅにおける、２つの可能な方向を示している。
図示するように、分極ベクトルが、励起電極５１および通常電極５２の表面に対して、ほぼ垂直に延びている。ポジション６０では、分極ベクトルは、通常電極５２から離れる方向を向いている。一方、これらは、ポジション６１では、通常電極に向かっている。
分極ベクトルの進路を、ジェネレータごとに変えることも可能である。
図２３は、その側面４の一方に摩擦部位３を有する積層型アクチュエータ１に関する、電極５１および５２における可能性のある形状を示している。
図２４は、その側面４にガイド溝２０を有する積層型アクチュエータ１に関する、電極５１および５２における可能性のある形状を示している。
構成を単純化するために、ジェネレータＧＩおよびＧｒの通常電極５２は、コンパクトな電極に接続されている。励起電極５１は、狭小な接続電極６２によって、互いに接続されている。全ての電極は突起６３を備えており、これらの突起６３が、上記の電極を接触面６４に接続するように機能している。積層型プレート２、３７および２３の表面と電極との間の電気絶縁破壊を防止するために、プレートの表面を、薄いガラス層（図示せず）によって覆うことも可能である。
構成を単純化するために、ジェネレータＧＩおよびＧｒの通常電極５２は、コンパクトな電極に接続されている。励起電極５１は、狭小な接続電極６２によって、互いに接続されている。全ての電極は突起６３を備えており、これらの突起６３が、上記の電極を接触面６４に接続するように機能している。積層型プレート２、３７および２３の表面と電極との間の電気絶縁破壊を防止するために、プレートの表面を、薄いガラス層（図示せず）によって覆うことも可能である。
図２５のポジション６５、６６、６７は、通電導体の実施例を示している。接触面６４に半田付けされているケーブル６８（ポジション６５）を、通電導体として使用することも可能である。さらに、通電導体として板バネ６９を使用することも可能である。これは、導電性ゴムからなるスペーサ７０を介した接触面との接触を維持する（ポジション６６）。板バネ６９を、同時に、摩擦面５に対して摩擦部位３を押圧するための力を生成するために、圧縮デバイス１１内において使用することも可能である。通電導体として、弾性的な金属製の薄板７１を使用することも可能であり、これは、同時に、アクチュエータを保持する（ポジション６７）。
図２６のポジション７２〜８６は、摩擦部位３を示している。
摩擦部位３（ポジション７２〜８３を参照）は、耐摩耗性の材料からなるモノリシック部位として形成されている。このような材料は、たとえば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムを有する酸化セラミック、窒化ケイ素、炭化ケイ素を有するセラミック、炭化タングステン、窒化チタンを有する金属セラミック、または、他のいずれかの類似した固体の耐摩耗性セラミックからなるものである。さらに、摩擦部位３を、単結晶材料から形成することも可能である。このような材料は、酸化アルミニウム（たとえば、サファイア、ルビー）、または、他のいずれかの硬質な耐摩耗性の単結晶からなるものを含んでいる。このモノリシックの摩擦部位３については、硬質ガラス、または、耐摩耗性の粒子（たとえば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素など）によって強化されたガラスを主成分とする材料から形成することも可能である。
摩擦部位３（ポジション７２〜８３を参照）は、耐摩耗性の材料からなるモノリシック部位として形成されている。このような材料は、たとえば、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムを有する酸化セラミック、窒化ケイ素、炭化ケイ素を有するセラミック、炭化タングステン、窒化チタンを有する金属セラミック、または、他のいずれかの類似した固体の耐摩耗性セラミックからなるものである。さらに、摩擦部位３を、単結晶材料から形成することも可能である。このような材料は、酸化アルミニウム（たとえば、サファイア、ルビー）、または、他のいずれかの硬質な耐摩耗性の単結晶からなるものを含んでいる。このモノリシックの摩擦部位３については、硬質ガラス、または、耐摩耗性の粒子（たとえば、酸化アルミニウム、炭化ケイ素など）によって強化されたガラスを主成分とする材料から形成することも可能である。
ポジション７２〜８３に示す摩擦部位３は、有機高温接着剤によって、または、低融点ガラスによって、積層型プレート２上に溶接されている。
ポジション７２〜８３に示す摩擦部位３は、硬質の耐摩耗性の材料からなる粒子によって強化された、高温耐性プラスチックから形成することも可能である。
ポジション８４、８５に示す摩擦部位３は、耐摩耗性のガラスまたは耐摩耗性の材料からなる粒子によって強化されたガラスを積層型プレート２上に溶融することによって、形成されている。
ポジション８６は、２層構造の摩擦部位３を示している。摩擦部位の下層８７は、積層型プレート２の弾性係数および熱膨張係数と近い弾性係数および熱膨張係数を有する材料から形成されている。たとえば、ここに、非分極性の圧電性セラミックを使用することも可能である。上層８８の材料は、非常に高い強度および非常に高い摩擦耐久性を有している必要がある。この層については、酸化セラミックの薄層からなる、または、他の硬質の耐摩耗性を有するセラミック材料からなる、耐摩耗性のガラスから形成することが可能である。
図２７におけるポジション８９〜９５は、アクチュエータ１における他の実施例を示している。このアクチュエータ１の積層型プレート２、３７および２３は、その側面４上に、摩擦層３２を備えている。
この摩擦層３２については、たとえば、硬質の耐摩耗性の材料（たとえば、酸化セラミック、金属セラミック、ガラス、耐摩耗性の材料からなる粒子によって強化されたガラス）からなる薄いプレートとして、形成することが可能である。さらに、この層３２を、ダイヤモンドの多結晶として製造された、耐摩耗性の薄いプレートとすることが可能である。これは、Ｔｉ、Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＣ、ＣｒＮ、ＴｉＡＩＮ、ＺｒＮ、ＴｉＺｒＮ、ＴｉＣｒＮまたはＣなどの物質からなるガス状媒質を用いた沈着または蒸着によって、製造される。摩擦層３２は、薄いグラファイト層、または、二硫化モリブデンの層を構成することが可能である。この層は、摩擦または他の任意の好適な方法によって、アクチュエータ１における側面４の表面に付与される。
ポジション８９に示すアクチュエータ１の摩擦層３２は、プレート２の側面４における平面３１に位置している。ポジション９０〜９５に示すアクチュエータ１のプレート３７は、それらの側面４に付与されている、円形、Ｖ字型および台形のガイド溝２０またはガイドレール２１を有している。他の実施例では、ガイド溝２０およびガイドレール２１は、薄いプレートとして実現されている摩擦層３２上に位置している。さらに他の実施例では、摩擦層３２を、ガイド溝２０またはガイドレール２１の表面に付与された層として、製造することが可能である。したがって、これらは、積層型プレート３７の一部を形成する。
図２８におけるポジション９６〜１０５は、駆動部位７に関する可能性のある実施例の一部を示している。
図２８におけるポジション９６〜１０５は、駆動部位７に関する可能性のある実施例の一部を示している。
駆動部位７については、ロッド８として実現することが可能である（ポジション９６〜９７）。このロッド８は、弾性的な保持プレート１０６、および、摩擦面５を備えた１つまたは２つの耐摩耗層６から形成される。
耐摩耗層６については、耐摩耗性の固体材料からなる薄いプレートとして形成することが可能である。この材料は、たとえば、酸化セラミック、金属セラミック、ガラスまたは耐摩耗性の材料からなる粒子によって強化されたガラス、または、耐摩耗性の硬質プラスチックからなるものである。これらは、なめらかな摩擦面５を有しているとともに、薄い遮音層１０７によって、保持プレート１０６に接続されている。
駆動部位７は、積層構造を有することも可能である。この積層構造では、薄い遮音層１０７が、薄い弾性プレート１０８と交互に配されている（ポジション９８）。
耐摩耗層６については、耐摩耗性の固体材料からなる薄いプレートとして形成することが可能である。この材料は、たとえば、酸化セラミック、金属セラミック、ガラスまたは耐摩耗性の材料からなる粒子によって強化されたガラス、または、耐摩耗性の硬質プラスチックからなるものである。これらは、なめらかな摩擦面５を有しているとともに、薄い遮音層１０７によって、保持プレート１０６に接続されている。
駆動部位７は、積層構造を有することも可能である。この積層構造では、薄い遮音層１０７が、薄い弾性プレート１０８と交互に配されている（ポジション９８）。
駆動部位７の耐摩耗層６は、ガイドレール２１（ポジション９９）、ガイド溝２０（ポジション１００）、または、交互に配されたガイドレール２１およびガイド溝２０（ポジション１０１）を備えることが可能である。ガイドレール２１およびガイド溝２０については、円形、Ｖ字形状または他の形状に実現することが可能である。
図２８のポジション１０２および１０３は、組み立てられた駆動部位７を示している。これらの駆動部位７は、２つのロッド８を有しており、これらは、スプリング３８または１８によって一緒に保持されている。これらの駆動部位７のロッド８を、射出成形によって、耐摩耗性の硬質プラスチックから製造することも可能である。スプリング３８、１８を、これらが成形されるように、ロッド８の本体と一体化することも可能である。
図２８のポジション１０４、１０５は、モノリシックの駆動部位７における実施例を示している。これらの実施例は、たとえば射出成形を用いることによって、全体的にプラスチック材料から形成されている。
いずれの場合においても、これらのプラスチックは、半結晶のポリアクリルアミドによって形成された基礎を有する、適切なものである。これは、酸化アルミニウム粒子または他の耐摩耗性の材料からなる粒子を含むガラス相によって、強化されている。
いずれの場合においても、これらのプラスチックは、半結晶のポリアクリルアミドによって形成された基礎を有する、適切なものである。これは、酸化アルミニウム粒子または他の耐摩耗性の材料からなる粒子を含むガラス相によって、強化されている。
図２９のポジション１０９、１１０、１１１、１１２は、リング２２の一部、リング２９およびディスク１５として実現された、駆動部位を示している。
図３０は、アクチュエータ１、保持部材１１３を有する積層型プレート２を示している。
図３１は、アクチュエータ１を電気式励起デバイス１１４に接続する電気回路を示している。この回路は、ジェネレータ１１５のための切換スイッチを備えている。電気式励起デバイス１１４は、周波数ω０の正弦波の励起電圧Ｕを付与する。この電圧によって、正弦波電流Ｉが、アクチュエータ１を流れる。励起電極５１と通常電極５２との間に、電気容量Ｃ０が形成される。これは、同時に、アクチュエータ１の入力容量を表している。
図３２は、アクチュエータ１のジェネレータＧＩまたはＧｒにおける電気インピーダンスＺの周波数依存性（ポジション１１６）、および、励起電圧Ｕとアクチュエータ１を流れる電流Ｉとの間の位相シフトψにおける周波数依存性（ポジション１１７）を示している。この依存性は、矩形のプレート２として実現されているアクチュエータ１にも当てはまるとともに、Ｌ＝５０ｍｍ、Ｈ＝１０．５ｍｍ、Ｄ＝４ｍｍの大きさを有している。ω０は、アクチュエータ１の動作周波数を表している。
図３３は、アクチュエータ１の動作周波数であるω０によって、プレート２の最大変形のイメージを表現している。ポジション１１８、１１９は、ジェネレータＧＩによって駆動された場合における、プレート２の変形のイメージを表現している。ポジション１２０、１２１は、ジェネレータＧｒによって駆動された場合における、プレート２の変形のイメージを表現している。
図３４は、ジェネレータＧＩによって駆動された場合（ポジション１２４）、および、ジェネレータＧｒによって駆動された場合（ポジション１２５）における、プレート２の表面３１（５８）および５９に位置している質点１２３の動作経路１２２を示している。
図３５は、追加的な電気部品を含む、アクチュエータ１における電気式励起デバイス１１４のブロック図である。このブロック図は、パルス式のパワーアンプ１２６、出力部１２７、制御入力部１２９を有する電源スイッチ１２８、フィードバック部位１３０、フィードバック回路１３１、および、制御入力部１３３を有する可変切換スイッチ１３２から形成されている。
パワーアンプ１２６については、ハーフブリッジ型アンプ（図３５参照）またはブリッジ型アンプとして実現することが可能である。ブリッジアンプが使用されている場合、マッチングトランスを適用する必要がある（図示せず）。フィードバック回路１３１は、電圧フィルタ１３４、フィードバック回路１３５のアンプ、位相シフタ１３６から構成されている。
アクチュエータ１は、出力フィルタ１３７を介して、アンプ１２６の出力部１２７に接続されている。出力フィルタ１３７は、インダクタンスＬｆを有するインダクタンスコイル１３８、および、容量Ｃｆを有するコンデンサ１３９から形成されている。
アクチュエータ１は、出力フィルタ１３７を介して、アンプ１２６の出力部１２７に接続されている。出力フィルタ１３７は、インダクタンスＬｆを有するインダクタンスコイル１３８、および、容量Ｃｆを有するコンデンサ１３９から形成されている。
図３６は、電気式励起デバイス１１４における他の実施例を示している。この実施例では、フィードバック回路１３１が、方形波電圧のためのパルス整形器１４０、および、位相検出器１４１から形成されている。パルス整形器１４０は、電圧フィルタ１３４およびコンパレータ１４２から形成されている。位相検出器１４１は、位相シフトにおける制御電圧へのコンバータ１４３、および、電圧制御ジェネレータ１４４から形成されている。位相検出器１４１は、補助入力部１４５、位相入力部１４６および出力部１４７を備えている。
この実施例では、フィードバック回路１３１は、フィードバック部位１３０に対して直接的に接続されている。または、これを、図３６に示すように、減結合レジスタ１４８によって、励起電極５１に接続することも可能である。
この実施例では、フィードバック回路１３１は、フィードバック部位１３０に対して直接的に接続されている。または、これを、図３６に示すように、減結合レジスタ１４８によって、励起電極５１に接続することも可能である。
図３７は、励起デバイス１１４における他の実施例を示している。この励起デバイスは、フィードバック電圧のためのＰＷＭ変調器１４９から形成されている。変調器１４９は、変調部位１５０およびメッシュ電圧ジェネレータ１５１を備えている。
図３５に示す電気式励起デバイス１１４の実施例は、線形パワーアンプ１５２、および、積層型アクチュエータ１と平行に接続されている補償コイル１５３から形成されている。補償コイル１５３は、インダクタンスＬｋを有している。これは、容量Ｃｔを有する減結合コンデンサ１５４を介して、線形パワーアンプ１５２の出力部１２７に接続されている。提案されている超音波モータは、以下のように機能する。ジェネレータＧＩまたはＧｒによって生成された、ω０と等しい周波数（図３２を参照）を有する正弦波電圧Ｕ（図３１を参照）が、励起電極５２および通常電極５１に印加された直後に、積層型アクチュエータ１において、２次元的な（平面的な）非対称の定常音波が生成される（図３３を参照）。この場合、周波数ω０は共振周波数であり、この周波数において上記のような波が生成される。波の励起は、ジェネレータＧＩまたはジェネレータＧｒにおける活性領域Ａ、ＣまたはＢ、Ｄによって実行される（図１６〜図２１、図２３を参照）。アクチュエータ１の長さＬは、励起された非対称の波の長さを規定する。
ジェネレータＧＩまたはジェネレータＧｒにおける活性領域Ａ、ＣまたはＣ、Ｄのそれぞれは、交互に配された電極層５１、５２と、これらの間の薄い圧電性セラミック層５３とから形成されており（図２０、図２１、図２２、図３１を参照）、アクチュエータ１の最大変形は、低い励起電圧を必要とするだけである。さらに、アクチュエータ１は、アクチュエータ１の内部において濃縮され外部に出ることのない電場によって、体積の全体にわたって励起される。
活性領域Ａ、ＣまたはＢ、Ｄのいずれか１つにおいて、励起層５１、通常電極５２、および、これらの間の圧電性セラミック層５３を、図２０、図２１、図２２のポジション５４、５５、５６に示すように、配することも可能である。層の配置を変えることによって、非対称の定常波における励起の有効性を変更することが可能である。これにより、励起電圧Ｕの強度が、より低い電圧値範囲に向かって修正される。
非対称の定常波が生じた場合には、積層型プレート１の表面３１（５８）、５９上に位置している質点１２３は、図３４に示す線形の動作経路において移動する。
非対称の定常波が生じた場合には、積層型プレート１の表面３１（５８）、５９上に位置している質点１２３は、図３４に示す線形の動作経路において移動する。
励起された非対称の定常波は、それを他の形状からなる非対称の定常波から区別する特性を有している。それは、たとえば、発振速度に関する３つの最大値、すなわち、中心最大値および２つの横方向の最大値を有している。中心最大値は、プレート２の中心に位置している。横方向の最大値は、プレート２の中心線に対してＬのほぼ１／４である端面５９からの間隔で位置している。中心最大値に位置している質点１２３の動作経路１２２は、表面３１（５８）に向かって、すなわち、横方向の最大値に位置している質点１２３の動作経路１２２とは逆方向に、傾いている。
上述した波は、積層型アクチュエータを備えた公知の超音波モータにおいては、現時点においては、使用されていない。
上述した波は、積層型アクチュエータを備えた公知の超音波モータにおいては、現時点においては、使用されていない。
提案されているモータでは、図１〜図１２、図３０に示すように、摩擦部位３は、アクチュエータ１のプレート２における中心最大値のエリア内か、または、横方向の最大値のエリア内に配されている。ジェネレータＧＩまたはジェネレータＧｒによって電気的に励起された場合には、摩擦部位３は、動作経路１２２と同様に、摩擦面５に向かって傾斜している動作経路上を移動（発振）する。
駆動部位７の移動メカニズムについては、以下のように説明することが可能である。摩擦部位３が摩擦面５の方向からずれた場合、それは、摩擦面５に押しつぶされる／引っかかることになり、それを前方に押圧する。これにより、駆動部位７は、動作経路１２２の傾斜方向に移動する。摩擦部位３が摩擦面５から離れる方向にずれた場合、それが分離して、駆動部位７が、慣性によって移動することができるようになる。
アクチュエータ１のプレート２、３７が摩擦層３２を備えているモータ内では（図１３〜図１４、図２４、図２５を参照。図２５内のポジション６７、図２７を参照）、駆動部位の動作の方向を、駆動部位７の摩擦面５上における摩擦層３２の全ての発振している質点の相互作用によって、説明することが可能である。
アクチュエータ１のプレート２、３７が摩擦層３２を備えているモータ内では（図１３〜図１４、図２４、図２５を参照。図２５内のポジション６７、図２７を参照）、駆動部位の動作の方向を、駆動部位７の摩擦面５上における摩擦層３２の全ての発振している質点の相互作用によって、説明することが可能である。
アクチュエータ１がリング２３の一部を形成しているモータは、アクチュエータ１が矩形のプレート２として設計されているモータと同様に動作する。これは、リング２３の一部となっているアクチュエータ１が、わずかに湾曲している、という事実に起因する。この湾曲は、Ｌの１／２にほぼ等しくなるように選択されている、半径ｒによって規定される（図１６、ポジション４０を参照）。
駆動部位７の移動速度および生成される力は、「駆動部位５の耐摩耗層６における摩擦面５に対する、摩擦部位３の動作経路の傾斜角度」に依存する。この角度は、中心線に関する、プレート２の高さＨに対するＬの比率によって決定される。
試作品のモータのテスト中、これらのモータは、Ｌ／Ｈ＝４．７５の比率において、それらの最大速度および最大出力を発現している。これらのテストは、Ｌ＝５０ｍｍ、Ｈ＝１０．５ｍｍ、Ｄ＝４ｍｍのサイズを有するプレートを備えたアクチュエータを用いて、実行された。このプレートは、タイプＰＩＣ１８１の圧電性セラミックから製造されていた。最適なＬ／Ｈ比は、プレートの長さＬおよび圧電性セラミックのタイプが異なる場合には、変化する可能性がある。
アクチュエータ１の動作周波数については、数式ω０＝Ｎ／Ｌにしたがって決定することも可能である。ここで、Ｎは、励起された非対称波の周波数定数である。タイプＰＩＣ１８１の圧電性セラミックから形成されたアクチュエータ１に関する周波数定数は、８２５０Ｈｚである。
提案されているモータでは、アクチュエータ１の積層型プレート２（３７、２３）は、超音波を発振するための２つの非対称なジェネレータＧＩおよびＧｒを備えている。これらは、横向きに反転した状態で配されている（図１８、図１９を参照）。アクチュエータ１の構成によれば、ジェネレータ（ＧＩまたはＧｒ）の一方によって、アクチュエータ１内に、非対称の定常波を独立に生成することが可能である。これは、第２のジェネレータ（ＧＩまたはＧｒ）によって生成される波の鏡像である（図３３、図３４を参照）。ジェネレータの特性は、プレート２、２３、３７の表面３２（５８）、２４、２５上に位置している質点１２３の動作経路１２２における傾斜角度を反転させることが可能であり、このために、摩擦部位３の動作経路または摩擦層３２の質点における動作経路の傾斜角度を変化させることが可能である。この傾斜角度の変化は、切換スイッチ１１５または１３２を用いることによって、ジェネレータＧＩおよびＧｒを単に切り替えることによって、達成される。同時に、生成された非対称波は、その横向きに反転している形状を変化させる（図３３、図３４を参照）。
アクチュエータ１の動作周波数については、数式ω０＝Ｎ／Ｌにしたがって決定することも可能である。ここで、Ｎは、励起された非対称波の周波数定数である。タイプＰＩＣ１８１の圧電性セラミックから形成されたアクチュエータ１に関する周波数定数は、８２５０Ｈｚである。
提案されているモータでは、アクチュエータ１の積層型プレート２（３７、２３）は、超音波を発振するための２つの非対称なジェネレータＧＩおよびＧｒを備えている。これらは、横向きに反転した状態で配されている（図１８、図１９を参照）。アクチュエータ１の構成によれば、ジェネレータ（ＧＩまたはＧｒ）の一方によって、アクチュエータ１内に、非対称の定常波を独立に生成することが可能である。これは、第２のジェネレータ（ＧＩまたはＧｒ）によって生成される波の鏡像である（図３３、図３４を参照）。ジェネレータの特性は、プレート２、２３、３７の表面３２（５８）、２４、２５上に位置している質点１２３の動作経路１２２における傾斜角度を反転させることが可能であり、このために、摩擦部位３の動作経路または摩擦層３２の質点における動作経路の傾斜角度を変化させることが可能である。この傾斜角度の変化は、切換スイッチ１１５または１３２を用いることによって、ジェネレータＧＩおよびＧｒを単に切り替えることによって、達成される。同時に、生成された非対称波は、その横向きに反転している形状を変化させる（図３３、図３４を参照）。
動作経路１２２の傾斜角度を反転させることによって、モータの動作パラメータ（速度および出力）を維持した状態で、駆動部位７の動作方向を変えることが可能となる。この特性は、１つまたは２つの摩擦部位３をその一方の側面に備えているとともに（図１、図２、図４、図５、図７〜図１２を参照）、２つまたは４つの摩擦部位３をその２つの反対側の側面に備えた（図３、図６を参照）アクチュエータ１によって、および、摩擦層３２を備えたアクチュエータ１によって（図１３、図１４、図１５、２４、図２７）、満たされる。
提案されている発明は、さらに、アクチュエータ１に関する他のプレート形状を考慮に入れている。これは、上述した形状とは異なっているとともに、ジェネレータ（ＧＩおよびＧｒ）の一方によって、アクチュエータ１内に非対称の定常波を独立に生成することが可能である。この波は、第２のジェネレータ（ＧＩおよびＧｒ）によって生成される波の鏡像を表している。提案されている超音波モータの効率的な動作を可能とするためには、励起電圧Ｕの周波数が、２次元の非対称の定常音波における共振周波数（アクチュエータ１の動作周波数ω０と等しい）と等しくなるように維持されていること、が重要である。生成された２次元の非対称の定常音波における共振周波数は、気温および駆動部位７に付与される負荷に応じて、わずかに変化する。このため、電気式励起デバイスは、この変化に追随し、これを補償しなければならない。
このために、電気式励起デバイス１１４は、提案されている発明にしたがって、自励式のジェネレータとして実現されている。このジェネレータの励起周波数は、それに接続されている積層型アクチュエータ１の共振周波数によって、あらかじめ決定されている（図３５を参照）。
電気式励起デバイスを実現するために、励起電圧Ｕに関する、アクチュエータ１を流れる電流Ｉの位相シフトにおける周波数依存性が利用される。この依存性は、アクチュエータ１の機械的な共振（図３１、図３２を参照）に近い（すなわち、周波数ω０に近い）、ゼロの位相シフトだけを有している。
この電気式励起デバイス１１４は、以下のように機能する。供給電圧Ｅが印加されると、アクチュエータ１を電流インパルスが流れ、これにより、アクチュエータは、その共振周波数での発振を開始する。その結果として、フィードバック部位１３０にフィードバック電圧が形成される。これは、アクチュエータ１を流れる電流に比例するとともに、フィードバック信号を表している。この電圧は、フィードバック回路１３１の入力部に供給され、ここで、フィルタ１３４によってフィルタリングされる。このフィルタは、この電圧における第１の高調波を除去する。これは、アクチュエータ１の動作周波数ω０に相当する。次に、アンプ１３５によって電圧振幅が増幅され、位相シフタ１３６によって位相がシフトされる。その後、電圧は、パワーアンプ１２６の入力部に供給され、同様に増幅されて、その出力部１２７から、フィルタ１３７を介して、アクチュエータ１に供給される。回路は、動作周波数ω０において、閉フィードバック回路の位相シフト角度がゼロに等しくなるとともに、増幅係数が１より大きくなるように、補償される。このように、図３５に示す電気式励起デバイス１１４は、周波数ω０で発振する自励式のジェネレータを表している。この回路の補償は、フィードバック回路１３１のアンプ１３５および位相シフタ１３６によって達成される。供給電圧Ｅを印加した直後、または、電源スイッチ１２８を閉じた直後に、デバイスは、周波数ω０で独立に発振する。
また、励起デバイス１１４の動作周波数を周波数ω０に維持するような、他の原理を適用することも可能である。この場合、フィードバック回路１３１は、方形波電圧のためのパルス整形器１４０および位相検出器１４１から形成される。パルス整形器１４０は、フィルタ１３４およびコンパレータ１４２から形成される。図３６に示すように、位相検出器１４１は、位相シフトにおける制御電圧へのコンバータ１４３、および、電圧制御ジェネレータ１４４を備えている。
この電気式励起デバイスは、以下のように機能する。供給電圧Ｅが供給された直後、ジェネレータ１４４が、周波数ω０に近い周波数での発振を開始する。最初に、アクチュエータ１は、この周波数で発振する。フィードバック部位１３０または励起電極（自由電極）５１において、フィードバック電圧が形成される。この電圧は、フィルタ１３４を介して、コンパレータ１４２に供給される。コンパレータ１４２は、方形波電圧を生成し、この電圧は、位相検出器１４１の位相入力部（測定入力部）１４６に供給される。検出器１４１の補助入力部１４５では、補助的な方形波電圧を利用することが可能である。
したがって、入力部１４５および１４６において、位相シフトにおける２つの方形波電圧を利用することが可能である。これにより、コンバータ１４３の出力部において利用可能な制御電圧の強度が決定される。この電圧は、ジェネレータ１４４の入力部に供給される。ここでは、それは、周波数によって、ジェネレータの励起を制御する。すなわち、それが、周波数ω０に対して永続的に等しくなるような範囲に周波数をシフトするように、励起を制御する。
この実施例では、位相検出器１４１を、個別の電子部品およびプログラム制御されたマイクロプロセッサの双方によって実現することが可能である。さらに、位相検出器１４１を、配線論理を有する部品によって実現することも可能である。第１および第２のケースでは、出力フィルタ１３７は、周波数ω０に同調されたバンドパスフィルタを表している。これは、ω０に等しい周波数を有するパワーアンプ１２６によって与えられた方形波電圧から、第１の高調波を除去するように機能する。このフィルタにおけるコンデンサ１３０の容量は、「それが、積層型アクチュエータ１の入力容量Ｃ０と等しいか、または、Ｃ０よりわずかに大きくならなければならない」という条件が満たされるように、選択される。これにより、必要なフィルタの品質を得ることが可能となる。
図３７は、電気式励起デバイス１１４における別の実施例を示している。この場合、電気式励起デバイスは、フィードバック電圧に関する、対称的なＰＷＭ変調器１４９から形成されている。この変調器１４９は、変調部位１５０およびメッシュ電圧ジェネレータ１５１から形成されている。このジェネレータの周波数は、周波数ω０のほぼ１０倍の大きさである。オペアンプまたはコンパレータを、変調部位１５０として使用することも可能である。
変調器１４９を利用することによって、正弦波のフィードバック電圧が、高周波のメッシュ電圧によって変調される。その結果、変調器１４９の出力部において、ＰＷＭ変調された対称的な方形波電圧が利用可能となる。そのパルス繰り返し周波数は、周波数ω０のおよそ１０倍の大きさである。この電圧は、パワーアンプ１２６の入力部に供給され、ここで、パワーアンプ１２６によって増幅される。
その結果、周波数ω０のおよそ１０倍の大きさのパルス繰り返し周波数を有する方形波のＰＷＭ電圧が、フィルタ１３７の入力部に供給される。この電圧スペクトルは、ω０に等しい周波数を有する成分を含んでいる。この成分を選択するために、フィルタ１３７のコイル１３８におけるインダクタンスＬｒを、上述した実施例に比べて極めて小さく（およそ５〜１０倍ほど小さく）なるように、選択することが可能である。アクチュエータ１の入力容量Ｃ０（図３７を参照）を、フィルタ１３７に関するコンデンサ１３９として使用することが可能である。この場合、フィルタ１３７は、ω０と１０ω０との間の周波数に同調される。したがって、誘導コイル１３８のアクティブ抵抗を、著しく減少することが可能となる。すなわち、入力フィルタ１３７のエネルギー損失が、著しく小さくなる。このことは、電気式励起デバイス１１４の効率性を増大する。
線形パワーアンプ１５２が使用されている場合、図３８に示すように、補償コイル１５３を、積層型アクチュエータ１と並列に接続することが可能である。インダクタンスは、条件ω０Ｌｋ＝１／ω０Ｃ０を考慮することによって、選択される。ここで、Ｃｔは、Ｃ０よりも極めて大きくなるように選択される。
このため、電気容量Ｃ０を補償することが可能となるとともに、線形パワーアンプ１５２の動作安定性を（したがって、モータ全体の動作安定性を）、実質的に増大することが可能となる。
このため、電気容量Ｃ０を補償することが可能となるとともに、線形パワーアンプ１５２の動作安定性を（したがって、モータ全体の動作安定性を）、実質的に増大することが可能となる。
本発明にしたがって実現される超音波モータでは、積層型アクチュエータにおける高さにＨに対する長さＬの比は、ＤＥ１０２００５０３９３５８Ａ１にしたがうアクチュエータに比べて、２倍ほど大きくなっている。したがって、同じ高さＨを有する場合には、アクチュエータに摩擦部位を備えた本発明のモータにおける機械的な性能は、２倍高くなっている。他方、機械的な性能が同じ場合には、積層型アクチュエータの高さを、ＤＥ１０２００５０３９３５８Ａ１に比べて、２分の１に維持することが可能である。
このことは、本発明にしたがう超音波モータの用途における実用範囲を広げている。
このことは、本発明にしたがう超音波モータの用途における実用範囲を広げている。
提案されているモータでは、積層型アクチュエータにおける一方の側に、２つの摩擦部位を配することが可能である。このことは、積層型アクチュエータの機械的安定性を実質的に強化する。駆動部位７に任意的な機械的負荷が付与されている場合においても、このようなアクチュエータは、その角度位置を変更しない。このことは、モータの張力における安定性を著しく増大するとともに、駆動部位７の移動速度の不変性を増大する。これらの双方によって、モータの最大張力の範囲内において、駆動部位７の位置決め精度を高めることが可能となる。
提案されている本発明のモータの積層型アクチュエータは、高さＨに対する長さＬの比に関して、動作経路における最適な傾斜角度を有している。この比は、ＤＥ１０２００５０３９３５８Ａ１にしたがう積層型アクチュエータの比よりも、２倍大きい（より有利である）。ＤＥ１０２００５０３９３５８Ａ１にしたがう積層型アクチュエータにおける高さＨに対する長さＬの比は、最適ではない。したがって、積層型アクチュエータにおける同様の幾何学的なサイズとともに、本発明にしたがう提案されているモータは、ＤＥ１０２００５０３９３５８Ａ１にしたがうモータに比べた場合における、摩擦接触部の著しく小さい摩耗によって、および、その結果としてのより長い寿命によって、特徴づけられている。それは、より低いノイズレベルを有している。
提案されているモータのアクチュエータでは、２次元の定常音波が生成される一方、屈曲波が生成されない。このため、本発明にしたがって実現されるモータは、機械的により堅固な駆動部位を備えることが可能である。
したがって、このようなモータは、特許文献ＵＳ６，０８１，０６３；ＵＳ７，２０５，７０３Ｂ２；ＵＳ７，２１１，９２９Ｂ２；ＵＳ２００７／０１０８８６９Ａ１にしたがうモータに比べて、より高い機械的性能を有している。
したがって、このようなモータは、特許文献ＵＳ６，０８１，０６３；ＵＳ７，２０５，７０３Ｂ２；ＵＳ７，２１１，９２９Ｂ２；ＵＳ２００７／０１０８８６９Ａ１にしたがうモータに比べて、より高い機械的性能を有している。
提案されている超音波モータの積層型アクチュエータは、動作周波数に近い共振ポイントを有しているだけである。このため、電気式励起デバイスの周波数を、これをアクチュエータの動作周波数に等しい値に維持することが可能となるように、一意的に制御することが可能である。このことは、幅広い温度範囲において、非常に大きな負荷力が存在する場合に、本発明によって実現されている超音波モータの動作安定性を強化する。特許文献ＵＳ６，０８１，０６３；ＵＳ７，２０５，７０３Ｂ２；ＵＳ７，２１１，９２９Ｂ２；ＵＳ２００７／０１０８８６９Ａ１にしたがう公知のモータに比べて、提案にしたがって実現されているモータは、温度が変化したときに、および、非常に大きな張力が存在する場合に、より安定的に機能する。
１ 積層型アクチュエータ
２ アクチュエータ１における矩形の積層型プレート
３ アクチュエータ１の摩擦部位
４ アクチュエータ１の側面
５ 耐摩耗層６の摩擦面
６ 駆動部位７の耐摩耗層
７ 駆動部位
８ 駆動部位７のロッド
９ ベアリング
１０ ベースプレート
１１ 圧縮デバイス
１２ 圧縮デバイス１１の板バネ
１３ 絶縁スリーブ
１４ 保持部材
１５ ディスクとして設計された駆動部位７
１６ 軸
１７ 橋台
１８ 圧縮デバイス１１のＵ字型スプリング
１９ ガイドロッド
２０ ガイド溝
２１ ガイドレール
２２ リングの一部として設計された駆動部位７
２３ リングの一部の形状を有する積層型プレートとしての積層型アクチュエータ１
２４ リング２３の一部としてのアクチュエータ１における内部円柱面
２５ リング２３の一部としての駆動部位７における外部円柱面
２６ 弾性的な（弾力的な）部位
２７ リング２３の一部としてのアクチュエータ１における外部円柱面
２８ リング２３の一部としての駆動部位７における内部円柱面
２９ リングとして設計された駆動部位７
３０ リング２９として設計された駆動部位７における内表面
３１ プレート２の側面４における平面
３２ 摩擦層
３３ 駆動部位７のスライド
３４ 駆動部位７の摩擦プレート
３５ 圧縮デバイス１１における２次元的に（フラットに）形成されたスプリング
３６ スライド３３のピン
３７ ガイドチャネル２０またはガイドレール２１を有するアクチュエータ１の積層型プレート
３８ 圧縮デバイス１１における３次元的に（体積的に）形成されたスプリング
３９〜５０ アクチュエータ１の積層型プレート２、３７、２３の描画を有する図
５１ 励起電極の層または励起電極
５２ 通常電極の層または通常電極
５３ 圧電セラミック層
５４〜５６ アクチュエータ１における積層型プレート２、３４の描画を有する図
５７ アクチュエータにおけるプレート２、３７、２３の主表面
５８ アクチュエータ１におけるプレート２、３７、２３の側面４の表面
５９ プレート２、３７の端面
６０、６１ 圧電セラミック層５３の分極方向を示す図
６２ 接続電極
６３ 電極４８、４９の突起
６４ 接触面
６５、６６、６７ 通電導体の実施例の図
６８ 通電導体として使用されるケーブル
６９ 通電導体として使用される板バネ
７０ 導電ゴムのスペーサ
７１ 通電導体として使用される弾性層板
７２〜８６ 摩擦部位３の実施例の図
８７ 摩擦部位８６の下層
８８ 摩擦部位８６の上層
８９〜９５ アクチュエータ１の実施例の図
９６〜１０５ 駆動部位７の実施例の図
１０６ 保持プレート
１０７ 遮音層
１０８ 薄い弾性プレート
１０９〜１１２ 駆動部位７の実施例を用いた図
１１３ 保持部材
１１４ 超音波発振のためのジェネレータにおける電気的な励起のためのデバイス
１１５ 超音波発振のためのジェネレータにおける切換スイッチ
１１６、１１７ インダクタンスおよび位相シフトの周波数依存性を示す図
１１８、１１９、１２０、１２１ プレート２の変形を示す図
１２２ 質点１２３の動作経路
１２３ プレート２の表面３１（５８）、５９上の質点
１２４、１２５ 動作経路１２２を示す図
１２６ パルス式のパワーアンプ
１２７ パワーアンプ１２６の出力部
１２８ 電源スイッチ
１２９ 電源スイッチ１２８の制御入力部
１３０ フィードバック部位
１３１ フィードバック回路
１３２ 超音波ジェネレータのための可変切換スイッチ
１３３ 切換スイッチ１３２の制御入力部
１３４ フィードバック回路の電圧フィルタ
１３５ フィードバック回路の電圧アンプ
１３６ フィードバック回路の位相シフタ
１３７ 出力フィルタ
１３８ フィルタ１３７のインダクタンスコイル
１３９ フィルタ１３７のコンデンサ
１４０ 方形波電圧のためのパルス整形器
１４１ 位相検出器
１４２ コンパレータ
１４３ 位相シフトにおける制御電圧へのコンバータ
１４４ 電圧制御ジェネレータ
１４５ 位相検出器１４１の補助入力部
１４６ 検出器１４１の位相入力部
１４７ 位相検出器１４１の出力部
１４８ 減結合レジスタ
１４９ 対称性的なＰＷＭ変調器
１５０ 変調部位
１５１ メッシュ電圧ジェネレータ
１５２ 線形パワーアンプ
１５３ 補償コイル
１５４ 減結合コンデンサ
２ アクチュエータ１における矩形の積層型プレート
３ アクチュエータ１の摩擦部位
４ アクチュエータ１の側面
５ 耐摩耗層６の摩擦面
６ 駆動部位７の耐摩耗層
７ 駆動部位
８ 駆動部位７のロッド
９ ベアリング
１０ ベースプレート
１１ 圧縮デバイス
１２ 圧縮デバイス１１の板バネ
１３ 絶縁スリーブ
１４ 保持部材
１５ ディスクとして設計された駆動部位７
１６ 軸
１７ 橋台
１８ 圧縮デバイス１１のＵ字型スプリング
１９ ガイドロッド
２０ ガイド溝
２１ ガイドレール
２２ リングの一部として設計された駆動部位７
２３ リングの一部の形状を有する積層型プレートとしての積層型アクチュエータ１
２４ リング２３の一部としてのアクチュエータ１における内部円柱面
２５ リング２３の一部としての駆動部位７における外部円柱面
２６ 弾性的な（弾力的な）部位
２７ リング２３の一部としてのアクチュエータ１における外部円柱面
２８ リング２３の一部としての駆動部位７における内部円柱面
２９ リングとして設計された駆動部位７
３０ リング２９として設計された駆動部位７における内表面
３１ プレート２の側面４における平面
３２ 摩擦層
３３ 駆動部位７のスライド
３４ 駆動部位７の摩擦プレート
３５ 圧縮デバイス１１における２次元的に（フラットに）形成されたスプリング
３６ スライド３３のピン
３７ ガイドチャネル２０またはガイドレール２１を有するアクチュエータ１の積層型プレート
３８ 圧縮デバイス１１における３次元的に（体積的に）形成されたスプリング
３９〜５０ アクチュエータ１の積層型プレート２、３７、２３の描画を有する図
５１ 励起電極の層または励起電極
５２ 通常電極の層または通常電極
５３ 圧電セラミック層
５４〜５６ アクチュエータ１における積層型プレート２、３４の描画を有する図
５７ アクチュエータにおけるプレート２、３７、２３の主表面
５８ アクチュエータ１におけるプレート２、３７、２３の側面４の表面
５９ プレート２、３７の端面
６０、６１ 圧電セラミック層５３の分極方向を示す図
６２ 接続電極
６３ 電極４８、４９の突起
６４ 接触面
６５、６６、６７ 通電導体の実施例の図
６８ 通電導体として使用されるケーブル
６９ 通電導体として使用される板バネ
７０ 導電ゴムのスペーサ
７１ 通電導体として使用される弾性層板
７２〜８６ 摩擦部位３の実施例の図
８７ 摩擦部位８６の下層
８８ 摩擦部位８６の上層
８９〜９５ アクチュエータ１の実施例の図
９６〜１０５ 駆動部位７の実施例の図
１０６ 保持プレート
１０７ 遮音層
１０８ 薄い弾性プレート
１０９〜１１２ 駆動部位７の実施例を用いた図
１１３ 保持部材
１１４ 超音波発振のためのジェネレータにおける電気的な励起のためのデバイス
１１５ 超音波発振のためのジェネレータにおける切換スイッチ
１１６、１１７ インダクタンスおよび位相シフトの周波数依存性を示す図
１１８、１１９、１２０、１２１ プレート２の変形を示す図
１２２ 質点１２３の動作経路
１２３ プレート２の表面３１（５８）、５９上の質点
１２４、１２５ 動作経路１２２を示す図
１２６ パルス式のパワーアンプ
１２７ パワーアンプ１２６の出力部
１２８ 電源スイッチ
１２９ 電源スイッチ１２８の制御入力部
１３０ フィードバック部位
１３１ フィードバック回路
１３２ 超音波ジェネレータのための可変切換スイッチ
１３３ 切換スイッチ１３２の制御入力部
１３４ フィードバック回路の電圧フィルタ
１３５ フィードバック回路の電圧アンプ
１３６ フィードバック回路の位相シフタ
１３７ 出力フィルタ
１３８ フィルタ１３７のインダクタンスコイル
１３９ フィルタ１３７のコンデンサ
１４０ 方形波電圧のためのパルス整形器
１４１ 位相検出器
１４２ コンパレータ
１４３ 位相シフトにおける制御電圧へのコンバータ
１４４ 電圧制御ジェネレータ
１４５ 位相検出器１４１の補助入力部
１４６ 検出器１４１の位相入力部
１４７ 位相検出器１４１の出力部
１４８ 減結合レジスタ
１４９ 対称性的なＰＷＭ変調器
１５０ 変調部位
１５１ メッシュ電圧ジェネレータ
１５２ 線形パワーアンプ
１５３ 補償コイル
１５４ 減結合コンデンサ
Claims (26)
- 積層型プレートとしての積層型アクチュエータと、このアクチュエータの電気式励起デバイスとを備えた超音波モータであって、
前記アクチュエータが、その側面に、１つまたは複数の摩擦部位または摩擦層を有しており、摩擦部位または摩擦層が、駆動部位における１つまたは２つの摩擦層に対して圧迫または押圧されている、超音波モータにおいて、
前記積層型プレートが、超音波を発振するための、交差している鏡像型の非対称な２つのジェネレータを備えており、これらのジェネレータが、励起電極および通常電極からなる層の形状に実現されており、これらの電極が、圧電性セラミックの層と交互に配されており、前記積層型アクチュエータに２次元の非対称の定常音波が生成される、ことを特徴とする、超音波モータ。 - 前記積層型プレートが、矩形またはリングの一部として、または他の任意の随意的な形状に実現されており、前記ジェネレータの一方によって励起された非対称の定常波が、第２のジェネレータによって生成された波の鏡像を表していることを特徴とする、
請求項１に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記積層型プレートの高さが、その長さの４分の１に等しいか、それよりもわずかに低いことを特徴とする、
請求項１に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 矩形プレートの形状を有する前記積層型アクチュエータにおける、交互に配されている電極層と圧電性セラミック層とが、その主表面と平行に、またはその側面と平行に、またはその端面と平行に配されていることを特徴とする、
請求項２に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記リングの一部の形状を有する前記積層型アクチュエータにおける、交互に配されている電極層と圧電性セラミック層とが、前記積層型プレートの主表面と平行に配されていることを特徴とする、
請求項２に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記積層型プレートの電極層および圧電性セラミック層が、この圧電性セラミックの製造時において互いに接続されているとともに、モノリシックボディを形成していることを特徴とする、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記積層型プレートの表面が、ガラスからなる薄い保護層によって覆われている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記積層型プレートが、１つまたは２つの摩擦部位を備えており、これらの摩擦部位が、中央部分におけるその１つまたは２つの側面に配置されていることを特徴とする、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記積層型プレートが、２つまたは４つの摩擦部位を備えており、これらの摩擦部位が、その１つまたは２つの側面上に、中心線に対してその長さの４分の１である端面からの間隔で配置されていることを特徴とする、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記摩擦部位が、硬質の、耐摩耗性の材料、酸化セラミック、または他の類似の材料から形成されていることを特徴とする、
請求項８または９のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記摩擦部位が、低融点ガラスによって、積層型プレートの表面に溶接されていることを特徴とする、
請求項１０に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記摩擦部位が、耐摩耗性のガラスまたは耐摩耗性の材料からなる粒子によって強化されているガラスのストライプとして実現されていることを特徴とする、
請求項８または９に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記積層型プレートの側面または摩擦部位が、円形、Ｖ字形状または他の形状を有するガイド溝を備えていることを特徴とする、
請求項２、８または９に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記積層型プレートの側面または摩擦部位が、円形、Ｖ字形状または他の形状を有するガイドレールを備えていることを特徴とする、
請求項２、８または９に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記ガイド溝またはガイドレールが、耐摩耗層を備えていることを特徴とする、
請求項１３または１４に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記発振器の積層型プレートが、２つまたは４つの保持部材を備えており、これらが、その側面の１つに配されていることを特徴とする、
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記電気式励起デバイスが、自励式のジェネレータとして実現されており、このジェネレータの励起周波数が、それに接続されている発振器の共振周波数によって決定されることを特徴とする、
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記電気式励起デバイスが、電圧制御ジェネレータを備えており、このジェネレータの励起周波数が位相検出器によってあらかじめ決定され、この位相検出器の位相入力部が、前記積層型アクチュエータのフィードバック部位または電極に対して電気的に接続されていることを特徴とする、
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記励起デバイスが、ハーフブリッジ型またはブリッジ型のパワーアンプを備えており、このアンプが、ＬｆＣｆ直列フィルタによって前記積層型アクチュエータに接続されており、そのコンデンサの電気容量が、前記積層型アクチュエータの入力容量とほぼ等しいか、または、この容量よりもわずかに大きくなっていることを特徴とする、
請求項１７または１８に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記電気式励起デバイスが、自励式のジェネレータとして実現されており、このジェネレータの励起周波数が、それに接続されている発振器の共振周波数によって決定されており、さらに、前記電気式励起デバイスが、フィードバック電圧のための対称的なＰＷＭ変調器と、変調されたメッシュ電圧のためのジェネレータとを含んでおり、このメッシュ電圧の周波数が、前記積層型アクチュエータの動作周波数よりも１０倍ほど大きいことを特徴とする、
請求項１７に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記電気式励起デバイスが、ＬｆＣｆバンドパスフィルタを介して前記積層型アクチュエータに接続されており、そのコンデンサが、前記積層型アクチュエータの電気容量によって形成されており、前記共振周波数が、前記アクチュエータの動作周波数と前記ＰＷＭ変調器の変調周波数との間にあることを特徴とする、
請求項２０に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記電気式励起デバイスが、線形パワーアンプから構成されているとともに、前記積層型アクチュエータと並列に接続されている補償コイルを含んでいることを特徴とする、
請求項１、１７または１８に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記圧電性セラミックが分極していることを特徴とする、
上述した請求項のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記分極している圧電性セラミックの分極ベクトルが、前記励起電極と通常電極との表面に対してほぼ垂直に延びていることを特徴とする、
請求項２３に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記分極している圧電性セラミックの分極ベクトルが、前記通常電極の方向を向いているか、または、この通常電極から離れる方向を向いていることを特徴とする、
請求項２３または２４に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。 - 前記分極ベクトルの方向が、ジェネレータごとに異なっていることを特徴とする、
請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の積層型アクチュエータを備えた超音波モータ。
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