JP2017502637A

JP2017502637A - 超音波モータ

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Publication number: JP2017502637A
Application number: JP2016541042A
Authority: JP
Inventors: ヴィシュネフスキー、ウラディミール; ヴィシュネフスキー、アレクセイ
Original assignee: フィジックインストゥルメント（ピーアイ）ゲーエムベーハーアンドツェーオー．カーゲー
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2034-12-04
Also published as: CN105830329B; US20160336877A1; EP3084852A1; CN105830329A; DE102013226418B3; WO2015090312A1; EP3084852B1; US10236797B2; JP6326501B2

Abstract

本発明は、４つの摩擦要素（４）が配置され、摩擦面（６）が前記摩擦要素と摩擦接触する圧電超音波アクチュエータ（１）と、電気励振装置（１６）とを備える超音波モータであって、前記超音波アクチュエータは、内周面（１４）、外周面（１２）、および前記内周面と前記外周面とを接続する２つの平面状端面（５）を有する環状もしくは中空シリンダ状である。前記４つの摩擦要素は、前記超音波アクチュエータの前記端面の一方に、円周方向に対して等間隔で離間するように配置されることにより、前記摩擦要素の２つはいずれも互いに正反対に位置し、前記超音波アクチュエータは１２個の同一の円周方向セクション（１０）を備え、前記円周方向セクションの各々は前記超音波アクチュエータ内に形成される音響定在波の発生器を有し、前記定在波によって引き起こされる前記超音波アクチュエータの変形は、前記端面に対して傾斜した移動経路上および／または前記端面に略垂直な移動経路上で前記摩擦要素を偏向させる。各々の前記発生器は、少なくも１つの励振電極（１１）、少なくとも１つの通常電極（１３）もしくは前記通常電極セクション、および前記励振電極と前記通常電極もしくは前記通常電極セクションとの間に配置される圧電セラミック物質層（１５）を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１〜請求項５に記載の超音波モータに関する。

超音波モータは、米国特許第６７６５３３５（Ｂ２）号明細書から周知であり、この超音波モータでは、超音波アクチュエータによって、駆動される要素の線形１次元座標移動を実現することができる。２次元または３次元の座標移動を実現するためには、各超音波モータは、２つまたは３つの互いに独立した超音波アクチュエータが必要である（例えば、欧州特許第２２５８００４（Ｂ１）号明細書または米国特許第７６３５９４０（Ｂ２）号明細書を参照）。

本発明の目的は、１つの超音波アクチュエータのみを使用して、前記アクチュエータによって駆動される要素の２次元または３次元の座標移動を生じさせることができる超音波モータを提供することである。

上記目的は、請求項１に記載の超音波モータによって達成され、それに続く従属請求項は、適切な実施形態およびさらなる発展形態を少なくとも含む。

したがって、本発明は、内周面と、外周面と、内周面と外周面とを互いに接続する２つの平面状端面を有する環状または中空シリンダ状の圧電超音波アクチュエータを備える超音波モータであって、４つの摩擦要素が平面状端面の一方に配置される超音波モータに基づいている。摩擦要素は、超音波アクチュエータの周囲にわたって分散して、または端面に互いに等間隔で離間して（すなわち、等距離の位置に）配置される。すなわち、２つの隣接する摩擦要素間の円周角は９０°になり、したがって、４つの摩擦要素の２つが互いに正反対の位置に（すなわち、円周角１８０°の距離に）それぞれ配置される。摩擦要素は、摩擦要素が弾性押圧される要素の摩擦面（例えば、摩擦テーブル）と摩擦接触または可動接触する。

さらに、本発明の超音波モータは、電気励振装置を備える。電気励振装置には、超音波モータの励振電極および通常電極（複数または単数）との電気接続部が設けられ、励振電極は、通常電極（複数または単数）および励起電極と通常電極との間に配置された圧電性物質の層と共に、超音波アクチュエータ内に音響定在波を発生させるための発生器を形成する。つまり、超音波アクチュエータは、超音波アクチュエータの周囲にわたって配置される１２個の同一の発生器を備える。各発生器は、中空シリンダ状または環状の超音波セクションの部品であり、各々の円周方向セクションが部分中空シリンダを形成する。

電気励振装置によって発生器のそれぞれが電気励振することにより、波長共振器に相当する超音波アクチュエータ内に音響定在波または音響変形波が形成され、定在波によって引き起こされた超音波アクチュエータの変形が、端面に対して傾斜した、および／または端面に略垂直な方向の移動経路（横断方向移動経路）上もしくはその移動経路に沿って、摩擦要素を個々に偏向させ、傾斜移動経路は、長手方向もしくは接線方向の成分と横断方向もしくは軸方向の成分とを含み、長手方向もしくは接線方向の成分は、摩擦面に略平行に延びる。したがって、摩擦面に垂直な（Ｚ方向の）移動は、摩擦要素が端面に略垂直な方向に（すなわち、横断方向移動経路上で）偏向することにより生じるが、摩擦面に（Ｘ−Ｙ平面）に沿った移動は、摩擦要素が端面に対して傾斜した移動経路上もしくは移動経路に沿って偏向することにより生じる。

したがって、本発明の超音波モータは、１つの超音波アクチュエータのみを使用して、一平面（Ｘ−Ｙ平面）内の２次元座標移動と、さらにＸ−Ｙ平面に垂直に、したがって、Ｚ方向に移動が生じる３次元座標移動との両方を生じさせることができる。したがって、一方では、摩擦面に対する超音波アクチュエータの移動が可能である。また他方では、超音波アクチュエータは固定されて、摩擦面を形成する要素の相対移動を生じさせる場合も考えられる。

励振電極は、超音波アクチュエータの外周に配置され、通常電極（複数または単数）は、超音波アクチュエータの内周面に配置されるのが有利である場合がある。

また、励振電極、通常電極、および励振電極と通常電極との間に配置される圧電セラミック層は、超音波アクチュエータの端面に略平行に配置されるのが有利である場合がある。

さらに、電気励振装置は、超音波アクチュエータ内に音響定在波の第６のモードが生成される周波数の交流電圧を供給するのが有利である場合がある。

したがって、超音波モータは、電極の切り替えスイッチを含むのが有利である場合がある。切り替えスイッチは、超音波アクチュエータ内に音響定在波の第６のモードを生成する際に、互いに正反対の位置に配置された１組の摩擦要素内で傾斜移動経路上もしくは傾斜移動経路に沿って最大偏向が生じ、互いに正反対の位置に配置された他の組の摩擦要素内で傾斜移動経路上もしくは傾斜移動経路に沿って最小偏向が生じるように、前記電極を電気励振装置に接続する。

本発明の超音波モータを示した図（電気励振装置は図示されていない）である。

説明図８は、図１の超音波モータの超音波アクチュエータの斜視図であり、説明図９は、図１の超音波モータの超音波アクチュエータの（上から見た）上面図である。

本発明の超音波モータの超音波アクチュエータの一実施形態を示した図（摩擦要素は図示されていない）である。

本発明の超音波モータの超音波アクチュエータと電気励振装置との接続に関するブロック図である。

説明図２８は、本発明の超音波モータの超音波アクチュエータのＦＥＭモデルの非励振状態を示した図であり、説明図２７および説明図２９は、説明図２８のモデルを基本にした最大変形の位相のＦＥＭ計算を示した図である。

説明図３３〜説明図３８は、本発明の超音波モータの超音波アクチュエータの異なる電気トリガが摩擦要素の偏向方向に及ぼす影響を示した図である。

本発明の超音波モータの超音波アクチュエータの摩擦要素と摩擦面との接触係合状態を示した図である。

図１は、本発明の超音波モータを示した図である。超音波モータは、波長共振器２を形成する超音波アクチュエータ１を備え、超音波アクチュエータは、圧電性物質から成る中空シリンダ３として形成され、その平面状端面５には、４つの摩擦要素４が配置される。超音波アクチュエータ１は、摩擦要素４によって力Ｆで摩擦テーブル７の摩擦面６に弾性的に押圧される。力Ｆは、超音波アクチュエータの重力によって引き起こされるが、ばねもしくは磁石のような追加の要素によって引き起こされる場合もある。

図２の説明図８は、図１の超音波アクチュエータを１つの部品として示した図である。超音波アクチュエータは、合計１２個の同一の円周方向セクションもしくは円周方向セグメント１０を備える。各々の円周方向セグメント１０は、励振電極１１を備え、隣接する円周方向セクション１０の励振電極は互いに接触しない。全周に及ぶ通常電極１３は、超音波アクチュエータの内周面１４に配置される。各々の励振電極１１は、通常電極１３の個々の対向するセクションおよび２つの電極間に配置された圧電性物質の層と共に、超音波アクチュエータ内に音響定在波もしくは変形波を形成するための発生器を形成する。４つの摩擦要素４は、平面状端面５に配置され、摩擦要素はそれぞれ、２つの隣接する励振電極間の中央領域に配置される。すなわち、各々の摩擦要素の対称軸は、２つの隣接する励振電極間の中央に延びる。２つの隣接する摩擦要素４は、ほぼ９０°の円周角を成すので、２組の摩擦要素が存在し、２つの個々の摩擦要素は、互いに正反対の位置に配置される。

超音波アクチュエータの個々の要素間の幾何学的関係は、説明図８のアクチュエータの上面図である図２の説明図９に特に詳細に示されている。多くの直径面Ｓ（鎖線）がシリンダもしくはシリンダの円を通り、これらの直径面はそれぞれ、２つの隣接する励振電極間の中央を通って延びる、またはこれらの直径面は摩擦要素の対称面を表している。直径面Ｓは、中空シリンダを１２個の等しい円周方向セクション１０に分割する。図２の説明図８および他の図において、直径面Ｓの超音波アクチュエータ１との交点は、破線で示されている。

圧電セラミック層１５の分極の向きは、図２の説明図９に個々の矢印ｐで示されている。分極の向きは、通常電極の方に向けられるので、半径方向の向きの分極が形成される。さらに、図２の説明図９は、励振電極の電気接続部Ａ１〜Ａ１２と、通常電極の電気接続部Ａ０とを示している。

図３は、本発明の超音波モータの超音波アクチュエータの代替形態を示している。この実施形態では、個々の発生器に対して励振電極１１と通常電極１３の複数の層が交互に存在しており、圧電セラミック物質層１５は電極層間に配置される（すなわち、多層構造となる）。この場合、層は、超音波アクチュエータの軸方向に積層され、圧電セラミック物質の分極の向きは、電極に垂直になり、または端面に垂直になり、すなわち軸方向になり、圧電性物質の個々に隣接する層の分極の向きは逆になる（逆平行の向きの分極となる）。個々の発生器の励振電極１１は、個々の接続部Ａ１〜Ａ１２によって接続されるが、個々の発生器の通常電極１３は接続部Ａ０を介して接続される。

図４は、本発明の超音波モータの超音波アクチュエータと電気励振装置１６との接続に関するブロック図である。個々の電気回路は、オフスイッチ２１〜２６を有する切り替えスイッチ２０を備え、切り替えスイッチによって、トリガされる電気励振装置と励振電極との接続が可能になる。オフスイッチ２１は接続部Ａ１、Ａ４、Ａ５、Ａ８、Ａ９、Ａ１２に接続され、オフスイッチ２２は接続部Ａ２、Ａ３、Ａ６、Ａ７、Ａ１０、Ａ１１に接続されるなどの形になる。

電気励振装置１６は、接続部１７、１８において交流電圧Ｕ１を供給し、接続部１９、１８において交流電圧Ｕ２を供給する。これらの電圧は、互いに対して１８０°位相シフトされる。これらの電圧は、同じ周波数ｆｏを有し、その結果、超音波アクチュエータ１内に音響変形定在波の第６のモード（λ／２の６つの半波）が励振または生成される。発生器それぞれは、定在波のλ／４成分を生成する。

図５の説明図２８は、本発明の超音波モータの超音波アクチュエータのＦＥＭモデルの非励振状態を示しており、説明図２７および説明図２９は、超音波アクチュエータ内に励振された定在波に基づいて説明図２８のモデルを基本にした最大変形の位相のＦＥＭ計算を示している。前記定在波は、オフスイッチ２１〜２６のいずれかを作動させることで生成される。定在波の頂点に位置する端面５の点３０は、振動の横断方向もしくは軸方向成分のみを含む。一方、定在波の下降部分に位置する端面５の点３１は、振動の横断方向もしくは軸方向成分と長手方向もしくは接線方向成分との両方を含む。

オフスイッチ２１〜２６をランダムに作動させることは、生成される定在波の形状を全く変化させない。定在波の位置のみが摩擦要素４に対して変化する。定在波の変位は、波長の２分の１、すなわち、λ／２、または波長の４分の１、すなわち、λ／４のいずれかになる。

上述した定在波の位置の変化により、図６の説明図３３〜説明図３８に示されているように、摩擦要素４の点３２の移動経路が変化する。

説明図３３は、オフスイッチ２１が作動された時の位置に相当する。説明図３４は、オフスイッチ２２が作動された時の位置に相当する。説明図３５は、オフスイッチ２３が作動された時の位置に相当する。説明図３６は、オフスイッチ２４が作動された時の位置に相当する。説明図３７は、オフスイッチ２５が作動された時の位置に相当する。説明図３８は、オフスイッチ２６が作動された時の位置に相当する。

全ての場合において、点３２は２つの異なる移動経路で、すなわち、傾斜移動経路４０と横断方向移動経路４１上で移動する。

図７は、傾斜移動経路４０上での摩擦要素４の点３２の移動を示している。傾斜移動経路４０は、２つの成分、すなわち、長手方向もしくは接線方向成分４２と、横断方向もしくは軸方向成分４３とに分解することができる。移動経路の長手方向成分４２は、確実に摩擦要素５がアクチュエータ１を矢印４４で示された方向（駆動方向）に移動させるようにする。

横断方向移動経路４１上で移動する点３２は、長手方向移動成分を有さない。このこともアクチュエータ１の移動に影響を及ぼさない理由である。

オフスイッチ２１〜２６の作動は、点３２の移動経路の変化、すなわち、図６の説明図３３〜説明図３８に示されているように、横断方向移動経路４１から傾斜移動経路４０への変化、および移動経路４０の傾斜角度の反転をもたらす。移動経路４０の傾斜角度の反転は、移動の逆転をもたらす（さらに図１の６つの矢印４４で示されている摩擦テーブル７上のアクチュエータ１の移動変化を参照）。

オフスイッチ２１〜２６の作動により、摩擦面６上でのアクチュエータ１の線形移動、すなわち前方（図６の説明図３３）、後方（図６の説明図３４）、右（図６の説明図３５）、左（図６の説明図３６）への移動が可能になる。右回りの移動（図６の説明図３７）または左回りの移動（図６の説明図３８）も可能である。

本発明により、超音波アクチュエータが取り付けられた超音波モータの構造であり、案内路に配置された摩擦テーブル７への移動を可能にし、案内路はアクチュエータ１の端面５に垂直な移動を制限する（図示せず）構造が可能になる。

Claims

４つの摩擦要素（４）が配置され、摩擦面（６）が前記摩擦要素と摩擦接触する圧電超音波アクチュエータ（１）と、電気励振装置（１６）とを備える超音波モータであって、前記超音波アクチュエータは、内周面（１４）、外周面（１２）、および前記内周面と前記外周面とを接続する２つの平面状端面（５）を有する環状もしくは中空シリンダ状であり、前記４つの摩擦要素は、前記超音波アクチュエータの前記端面の一方に、円周方向に対して等間隔で離間するように配置されることにより、前記摩擦要素の２つはいずれも互いに正反対に位置し、前記超音波アクチュエータは１２個の同一の円周方向セクション（１０）を備え、前記円周方向セクションの各々は前記超音波アクチュエータ内に形成される音響定在波の発生器を有し、前記定在波によって引き起こされる前記超音波アクチュエータの変形は、前記端面に対して傾斜した移動経路上および／または前記端面に略垂直な移動経路上で前記摩擦要素を偏向させ、各々の前記発生器は、少なくも１つの励振電極（１１）、少なくとも１つの通常電極（１３）もしくは前記通常電極セクション、および前記励振電極と前記通常電極もしくは前記通常電極セクションとの間に配置される圧電セラミック物質層（１５）を有する、超音波モータ。
前記励振電極は、前記超音波アクチュエータの前記外周面に配置され、前記通常電極（単数または複数）は、前記超音波アクチュエータの前記内周面に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波モータ。
前記励振電極、前記通常電極、および前記励振電極と前記通常電極との間に配置されるそれぞれの前記圧電セラミック物質層は、前記超音波アクチュエータの前記端面に略平行に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の超音波モータ。
前記電気励振装置は、前記超音波アクチュエータ内に前記音響定在波の第６のモードが生成される周波数の交流電圧を供給することを特徴とする、請求項１〜請求項３のうちの一項に記載の超音波モータ。
前記電極の切り替えスイッチ（２０）を備え、前記切り替えスイッチは、前記超音波アクチュエータ内に前記音響定在波の第６のモードを生成する際に、互いに正反対の位置の１組の前記摩擦要素内で傾斜移動経路に沿って最大偏向が生じ、互いに正反対の位置の他の組の前記摩擦要素内で傾斜移動経路に沿って最小偏向が生じるように、前記電極を前記電気励振装置に接続することを特徴とする、請求項４に記載の超音波モータ。