JP3790523B2 - 圧電軸プッシュ・プル式超音波モータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータに係わり、特に従来の電磁気モータの運転時に生じられる電磁気干渉を避けられると共に、さらに一般の超音波モータの正逆回転時に出力されるトルクが不平衡になることを克服でき、且つ回転速度を３００rpm以上に向上でき、且つ生物医学に応用されるアクチュエータまたはコンピュータのCPUの放熱ファンに利用できる圧電軸プッシュ・プル式超音波モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術およびその課題】
圧電アクチュエータにおいて、圧電陶磁器材料が大きな役目を担当し、その圧電特性の優劣がそのアクチュエータの性能に直接的に影響を与える。近年では、圧電材料の改良に従い、圧電アクチュエータとして積み重ね式のアクチュエータが広範的に精密的な位置決めとコントロールに応用されつつある。本発明による超音波アクチュエータは、ダブル形アクチュエータと超音波モータとのミックスド・タイプであり、unimorph形式の圧電材料を採用するものである。
【０００３】
超音波モータの概念は、最前にロシアの科学技術者が提案されたものであり、超音波モータの原始的な実験模型は１９６３年にM.E.ArchangelskijとV.Lavrinenkoなどの科学技術者によって設計された。その後、超音波モータの研究分野で発表された文献は、その探究の方向と種類が雑多的である。しかしながら、大部分が環状導波式の構造を研究の対象とするものであり、それに対して、近年では、その分野の研究が下記のいくつかの形式に分けられ、数学モード推論や、駆動原理に従って構造に変形と改良を施すや有限元素法分析振動モードなどがある。
【０００４】
環状超音波モータの数学モード式研究について、Oleg Yu. Zhariiが移動超音波モータを研究対象とすることを提案し、１セットの理論を提出して回転子の回転速度と速度及びq圧特性とエネルギー転換効率などを計算することに供する。また、有限元素振動モード分析について、J.W.KromeとJ.Wallaschekなどが、ANSYSソフトを利用して振動モードを模擬する。構造における変形と改良の方面について、T.Yamazakiの非接触式超音波モータは、表面超音波をもって固定子と回転子との間の隙間で伝達し、回転子を連動旋回させ、従来の接触式超音波モータの速度限界を超えることができた。Anita M. FlynnがMEMS技術をシリコン・ウエーハに利用して数ミリメートルのモータ固定子部材を作ってマイクロ電気機械システムに利用されるマイクロアクチュエータに導入し、鉄電気薄膜を製造して圧電超音波モータに利用する。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、従来の超音波モータが有する速度限界を超えることができる、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを提供することをその主要な目的とする。
【０００６】
また、本発明は、従来の電磁気モータが運転時に電磁気干渉を生じることを防止でき、且つ一般の超音波モータの正逆回転時に生じられる出力トルクが不均一的になるような現象を解消できる、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを提供することをその次の目的とする。
【０００７】
また、本発明は、モータの回転速度を３０００rpm以上に向上できると共に、生物医学工程とコンピュータのCPUの放熱ファンに利用できる、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを提供することをその他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を図るために、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、主に、円盤圧電素子をモータの駆動固定子とし、固定子に設けられるネジのヘッドをパワー伝動軸受けとし、且つ駆動される回転子が軸心によって直接的に軸受けに連結され、摩擦力を通してパワーを伝達し、モータの設計と製造について固定子振動モード観察と模擬と圧電材料の導き周波数反応計測と波移動の機構設計とシステムの動態の鑑別と相同効果電気回路の推論と回転速度とトルクのテストなどを含み、目前出来上がった原型のモータが７４kHz交流電圧と振幅±１０Vとほぼ０．２Aの電流によって駆動される場合に、モータの回転速度が３０００rpmに達することができ、起動トルクがほぼ０．００３N・ｍであり、CDなどを推し進めるぐらいのパワーを提供でき、且つ生物医学の分野のアクチュエータやコンピュータのCPUなどの放熱ファンにも利用できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、構造が簡単なブザー・ピースを採用し、その外形が円盤薄型状を呈し、圧電陶磁器薄片１と付勢力を有する金属バック板体２とからなり、その構造は図１（a）に示すようであり、小さいほうの電流消耗と安定した振動動作の特性を有する。
【００１０】
前記圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、圧電アクチュエータによって振動してから前記金属バック板体における固定ネジを介して動的エネルギーを出力し、その構成は二枚の圧電ブザー・ピースを対向し合って緊密的に貼り付け、円盤薄型の外環部に１２０度の対称するギャップを介して三つのネジ同士２１を緊密的に螺着し、且つ円盤薄片の偏心位置にネジを螺着して駆動体とし、回転子２２が円形の鉄板を中心として軸心を貫通して形成されるものである（図１（b）参照）。
【００１１】
図２（a）と図２（b）と図２（c）に示すように、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータには、中空状のケーシング本体（固定フレーム２０３と基板２０４とからなってもよい）を有し、当該本体の上下両側にそれぞれ回転子軸受け２０５と固定子軸受けベース２０６を備え、且つそれらによって回転子の軸心２０７を挟持・サポートし、この回転子の軸心２０７には直交になるようにウエート円盤２０９が貫通結合しており、且つ軸心の底端部が軸受けベース２０６に取り付けられる。その特徴は、ケーシング本体の下側に振動薄片２１０が配置され、それによって回転子の軸心２０７にウエート円盤２０９をサポートさせて自由旋回させることができるように作用でき、脈波信号によって振動薄片２１０を音声周波数と超音波周波数とで振動させるように駆動することによって回転子の軸心２０７を自由に旋回させると共に、振動エネルギーを案内出力でき、且つ入力される交流電源の最も好ましい仕事周波数範囲が２０kHzないし２００kHzである。
【００１２】
円盤の振動は、大体移動波と定在波とのモードに分けられ、関連する文献において、振動モード観察には大体レーザ干渉術を使用するが、本発明の場合では、炭素粉末イメージ表示手段によって金属バック板体における波動を観察する。その仕事原理はポーラライズ後の圧電材料の既存のコンデンサ特性を利用し、図３に示すように、高周波電界を円盤圧電片に供給する場合に、炭素粉末３１を金属バック板体１２に撒き付け、電界の形成される瞬時的に累積される電荷３２のエネルギーによって炭素粉末を金属バック板体１２に吸着する。
【００１３】
定在波モードでは、炭素粉末が環状節点（Nodal Circle）と節直径線（Nodal Diameter Line）の箇所に集中し、図４（a）と図４（b）と図７（a）と図７（b）と図８（a）と図８（b）に示すようであり、直接的に波腹（Wave Loop）と節の点とからなる図形模様を見分けることができる。マックソン（人名）干渉術によって金属バック板体における振動モードを観察するような方法と比べると、本発明に利用されるイメージ表示法の場合では、直接的と全体域（Full Field）との観測機能を兼ねており、簡素で有効な方法であり、炭素粉末イメージ表示法によって円盤の振動を観察する場合、まず、炭素粉末による図形がはっきりしていることから、直ちにこの薄片においての主要な振動モードが移動波モードまたは定在波モードであるかを判断でき（炭素粉末が波の進行方向へ沿って運動し、動態的な図形を表すようになる）、且つ同時に炭素粉末の分布図形を観察する場合、移動波が運動する際に材質の硬い反射ネジに出会うと、波節箇所における炭素粉末が円盤において反射方向へ分布する定在波モード図形を形成し、このことから反射波が存在することを証明できる。また、イメージ表示法による観測し得た炭素粉末の分布態様と、有限元素法によって模擬する超音波振動モード図形模様と比較をすると、金属バック板材の面外（Out Of Plane）の振幅と面内（In Plane）の変位量（伸縮量）と変形方向を算出することができるようになる。
【００１４】
超音波モータに係わる数学方程式について既に多くのものが発表されたが、超音波のアクチュエータの物理的模型式がかなり複雑的であると共に、構成が改変される場合に数学式がそれに従って改変されるようになるので、有限元素分析（FEA）のソフトウェアANSYSによって超音波アクチュエータの行為を模擬分析することが物理模型によって設定される数学式により描くことより、実際的で迅速的である。また、ANSYS分析から金属バック板材の受圧電波駆動の動態的反応様態を知ることができ、このような場合にはアクチュエータの基本設計原則を検証することができるようになり、構造設計の方向を案内することができるようになるので、有限元素分析がその必要性を備えている。言い換えれば、ANSYS有限元素分析ソフトウェアによってコンピュータ模擬を実行するための主要な目的は後記のようであり、つまり、（１）最少の時間で超音波アクチュエータの最も優れた設計を達成できることと、（２）それぞれ異なる材質の超音波アクチュエータに対する設計による影響を模擬できることと、（３）はっきりと金属バック板体における波動の変異状況を了解可能なことである。
【００１５】
有限元素分析は二部分に分けて実行でき、即ち、Model AnalysisとHarmonic Analysisである。Model Analysisが圧電片の自然共振周波数を取得でき、Harmonic Analysisが交流電圧入力の動態的反応を取得でき、図５に示すようである。入力交流電圧の周波数が圧電片の超音波共振周波数に等しい場合、圧電片が最大の出力パワーを獲得できる。且つ取得したモード・シェープ（Mode Shape）が図６に示すようであり、炭素粉末イメージ表示法による図形、例えば図５（a）と図５（b）に示すよう、相互に比較できる。
【００１６】
圧電材料のパラメータの正確さを検証するために、有限元素分析ソフトウェアによって圧電片の自然共振と反共振の周波数を算出すると共に、HPインピーダンス分析装置の測定した数値と比較をし、もし、その結果が有限元素計算法によって算出される自然共振周波数とインピーダンス分析装置によって測定した数値とがあまり差がないことを示した場合、模擬の圧電係数と実際の数値とがかなり近いと意味する。その計算について下記のように説明する。
入力アドミタンスの定義は下記の通りである。
【００１７】
【数１】
【００１８】
そのうち、Iが電流であり、Vが入力電圧値であり、その値が１voltであり、Qは電圧１voltを入力する際に圧電片電極において感応される総電荷値であり、ωが反応周波数である。
【００１９】
図６は、有限元素分析ソフトウェアの計算結果とHPインピーダンス分析装置を使用して得られるアドミタンスの周波数に対する反応図である。圧電片の自然共振周波数について、有限元素分析ソフトウェアによって計算する場合、６７．５kHzの結果を得られることに対し、インピーダンス分析装置によって測定し出した自然共振周波数が７２．５kHzであり、両者の誤差が６．９％であり、この結果から、有限元素模擬に採用される圧電材料係数と実際の圧電片における圧電材料と相似しているが、異なっており、それが本発明の採用する有限元素分析ソフトウェアの模擬の圧電係数についてさらに補正する必要があることを意味する。図面に示すものから、有限元素分析ソフトウェアによって計算した自然共振周波数がインピーダンス分析装置を使用して測定した数値より高くなることが分かり、それは有限元素法によって模擬する場合に材料と構造のダンピングの特性を考量していなかったためであり、そのため、模擬値が測定値より高くなる。他に、自然共振周波数の浮遊現象は、初歩の判断により圧電ブザー・ピースがANSYSにおいて幾何構造模型を立てる際に、個別にそれぞれ異なる材料パラメータを入力したが、依然として金属バック板体と圧電陶磁器薄片とを同一の実体であると見なして合成分析を実行することが分かる。実際に、圧電ブザー・ピースは圧電陶磁器素材を銀ゲルを介して金属バック板体に付着してなるものであるので、最も真実の状況に近接する圧電ブザー・ピースの模擬は圧電材料特性を有するSOLID５エレメントにSHELL６３エレメントをカップリングしてなるシェープ・ファンクション（Shape Function）に基づいて金属バック板体における波動行為を分析すべきである。そのため、圧電素材でも金属材料でも係数と模型のたてることについてすべてさらに修正を実施すべきで、それによってさらに精確的な模擬結果を入手できる。しかしながら、前記の誤差を論じる場合、それが本発明の定性分析に対し実質的な影響を有さず、作動分析の依拠としては依然として充分である。
【００２０】
一般的に言う場合、円盤薄片の振動形式が主にラジアル・モードであり、円盤圧電陶磁器の振動の方向には径方向（R）と厚み方向との両者があり、電圧を印加する場合、円盤薄片がR方向へ向かって延伸し、また、プーソン（人名）比のため、厚み方向において減少されるようになり、そのため、円盤薄片において複数の円環状の環状節点（nodal circle）が見られるようになり、それらの環状節点の数が周波数の向上にしたがって増加されるようになり、環状節点の位置が大体Bessel関数の解析値とほぼ同じであり、図５（a）と図５（b）に示すようになる。固定子円盤における波動方程式が非軸対称自由振動形式によって描く場合下記のようになる。
【００２１】
【数２】
【００２２】
aが円盤半径である場合、分離変数法と既知の境界条件を利用すると、その振動の特徴の結果が式（２）に示すようになる。
【００２３】
【数３】
【００２４】
ここでは、nが径方向節線数（number of nodal diameter line）である。非軸対称自由振動の場合では、その円盤における波動方程式がすべてゼロ・レベルのBessel関数ではなく、そのレベル数が式（２）におけるｎによって決められる。Bessel関数は、振幅が減少しつつあるが周期性を有するようなバイブレーション関数であり、その周期性バイブレーションの特性と炭素粉末イメージ表示法によって観察しえた図形とかなり相似しており、振動平面が弧方向において定在波を形成する場合、n値が節線数によって決められるようになる。
【００２５】
前記の推論結果に対し、炭素粉末イメージ表示実験と有限元素動態模擬による観察し得た図形を合わせる場合、円盤圧電薄片を非軸対称振動の状況下で大胆的にその波動方程式の形態が第一類のnレベルのBessel関数に属すると確定できる。
【００２６】
炭素粉末イメージ表示実験とFEM模擬とから獲得した定在波モードは、二種類の異なる境界状況に分けられて討論できる。（a）境界が自由である場合にその音声周波数から超音波までの振動モード図形のことと、（b）境界ではサポートされると共に、ネジが取り付けられている圧電片の振動モードの変異のことである。
【００２７】
境界が自由である場合。図４（a）と図４（b）は、境界が自由である場合の音声周波数から超音波周波数までの範囲内で生成される定在波炭素粉末図形であり、図５（a）と図５（b）は、それらの対応するFEAの振動モード模擬図形であり、前記炭素粉末図形から分かるように、音声周波数の範囲では図形が単にぼんやりと節点の位置を識別できることに対し、超音波周波数の範囲でははっきりと環状節点の分布を見分けられる。それらは、ブザー・ピースが音声周波数範囲で仕事する場合、振動による出力パワーが超音波範囲のパワーより小さいと共に、波長が周波数の上昇にしたがって短くなり、且つ炭素粉末が節点まで移動することに要するエネルギーと距離とが正比例を成し、そのため、波長が短ければ短いほど炭素粉末の移動距離が短くなり、このことが超音波図形のほうがはっきりとなる現象の理由として説明できる。炭素粉末図形のはっきりさが波長の影響を受けるほかに、要は振動による出力パワーの大きさの影響を受ける。そのため、ブザー・ピースは、炭素粉末イメージ表示を通してはっきりと表面の波動の状況を観察できるようにすることができるほか、固定子の理想的な駆動電圧が数十kHzであることも納得させることができ、それは大きいほうの出力パワーを擁しているためである。
【００２８】
境界ではサポートされている場合。図７（a）と図７（b）は、それぞれネジが付加サポート・フレームに付着され、その振幅がゼロである場合の炭素粉末図形の図面と模擬の場合の図面である。それらの図面から分かるように、環状節点の分布がはっきりしているほか、径方向節点の分布もはっきりと見られる。この現象は、薄盤において二種類の定在波運動が存在することを示しており、その一つは径方向に沿って前進して環状節点分布を形成し、他の一つは弧方向に沿って前進して径方向節線分布を形成する。ネジが固定して動かないため、波に対しては反射体（相対的な介在物質の密度が大きくなる）となり、反射の状況が回折より酷くなるので、径方向節点の分布がはっきりとなることを招くようになり、且つネジが径方向環状節または径方向環状波ピークに近接する状況にしたがってそれぞれ異なる定在波モードを生成するようになる。このことから、われわれはネジの位置を設定することによって薄盤振動の形態を変更して圧電アクチュエータのパワー伝送モードをチェンジできるようになっている。
【００２９】
図８（a）と図８（b）は、三本のそれぞれ１２０度隔てられる反射ネジ同士を取り付ける場合の節点が金属バック板体における分布の状況を示す説明図である。回転子運転の受けるプッシュ・プル力は、固定子における質点の波動を介して伝達される必要があるので、接触点の位置を振幅の最も大きい箇所に設定しなければならない。接触点のパワー伝送も金属バック板体に固定されるネジ同士によって設定されるものである。固定子に脈波信号が印加される場合に、ネジの周囲は順次に三つの方向からのプッシュ・プル力を受け、ネジ同士に図９に示すような偏心揺動を生じさせる。ネジから観察する場合、ネジの周囲に移動波が存在することを仮定できる。これによる理想的な接触点の設定を図１０に示す。
【００３０】
その基本的な仕事原理は大体後記のようである。つまり、圧電片を電気エネルギーと機械エネルギーとの転換の媒介とする。圧電片に交流電圧を印加する場合に、圧電陶磁器が逆圧電反応により伸縮してプッシュ・プルの力を生じ、金属バック板体が伸縮して機械波を生成し、且つ径方向と弧方向に沿って伝達する。ネジの材料の性質とニッケル合金製の金属バック板体とが異なるため、波の伝達中にネジが反射点となる。外方の三つのネジ同士によって反射点を構成することによって、反射波を円心へ案内して偏心ネジを揺動することができ、その炭素粉末のイメージ表示図と模擬図とが図８（a）と図８（b）に示すようになる。反射波の走行距離が異なるため、到達する際に相互にストロークの位相差が生じるようになり、適当な駆動点を選択することによってその箇所でその点に回る三相走行波を生成して三相駆動の目的を達成し、回転軸にトルクを提供し、回転子を連動して旋回させることができるようになる。
【００３１】
圧電材料が目前の認識により依然として複数の変数を有し、例えば温度上昇や波動などがまだはっきりと認識されていないので、従来の複雑な物理モードを援用してこのシステムを構築する場合、完璧で正確にモータの動態を描けなくなってしまうようになる。本実験の設計は、モータの仕事時の圧電作動固定子の両端の電圧と電流信号をキャッチし、システム鑑別の方式によってこのシステムの動態移転関数を求め、このシステムの構築の依拠と後続きの相同効果電気回路の推論の依拠とするものである。
【００３２】
入力電圧と出力電流信号のキャッチにおいて１MHｚのサンプリング周波数を採用する場合、レベル数が（５/５）である離散伝達関数G(B)を算出でき、その式は式（３）に示すようになる。
【００３３】
【数４】
【００３４】
一部の分式を利用して式（３）を式（４）になるように展開すると、その関連係数が下記のようになる。
【００３５】
【数５】
【００３６】
表において、（c）部分λ5が一レベルの転移関数であり、圧電陶磁器素材自体が容量性材料であるため、前記の位置レベルの関数のλ5の動態モードは陶磁器が容量特性を制止して形成されるものであると想定される。（b）部分のλ3,4動態モードはその共振周波数がほぼ６４．３kHzであり、圧電陶磁器の７２kHzの共振域に近接し、この動態モードがこの共振域の特性の表現を代表できると想定される。
【００３７】
【表１】
【００３８】
（a）部分λ1,2の動態モードはその共振周波数の３８３．６９kHzとモータの仕事周波数との差が大きいため、この動態モードがこのシステムの安定さを影響する鍵ではなく、λ1,2動態モードを除去してシステムと関連性が密接的なλ3,4とλ5の動態モードを保留すると、原始のシステム動態移転関数が式（５）となるように補正できる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
また、レベル降下前後のシステム移転関数直流増益値（Gain Value）（B=1またはw=0）が等しいことによると、補償すべき直流増益が−０．０２１であることを算出できる。それを式（５）に入れ替えれば、補償後のシステム移転関数G*(B)を算出でき、式（６）に示すようになる。
【００４１】
【数７】
【００４２】
図１１はこのシステムの前記移転関数に対する模擬の状況であり、当該図面から分かるように、模擬の電流出力信号と実際の信号とは殆ど差が生じていない。
【００４３】
サンプリングの時間の周期が短いため、双線性（Bilinear）の転換の方式によって式（７）（式（６）における一部の分式をキャッチしてなるもの）における離散システムをそれぞれ連続システムの移転関数形式に転換でき、それぞれが式（８）と式（９）と式（１０）に示すようになる。
【００４４】
【数８】
【００４５】
また、この連続システムの最終の動態移転関数が下記の式に示すようになる。
【００４６】
【数９】
【００４７】
前記の式の結果より、図１２における超音波モータの等しい効果の電気回路のモデルを推論し得ることができ、その中の素子値がそれぞれCd=148.8nF、Rd=2.781Ω、Cm=89.6nF、Rm1=37.3Ω、Rm2=-9.943Ω、Lm=48.8μH、RL=-8.15Ωである。圧電陶磁器自体には正圧電の作用を有し、固定子の振動を電圧出力に転換できるので、仕事中のシステムに対しては電圧フィードバックする特性を有するので、RLが適当に負抵抗の等しい効果の電気回路特性を反映し出すことは一般の圧電の物理的モードの予測できないものとなる。
【００４８】
超音波モータの回転速度と回転トルクに係わる計測方式は、回転子が起動し始め、安定して作動し、ないし制動停止するまでの間に実行されるものであり、その回転速度が時間の経過にしたがって変化することが図１３に示すようである。当該図面から分かるように、回転子が回転し始めてから作動が安定するまでは、その回転速度の変化と時間とが曲線関係を成しており、それの加速度が変化加速度であると意味する。また、安定作動から制動停止までの期間では、その速度変化が直線となり、それの減速度が所定値であると意味する。この変化加速度の生成は、パワー伝達がドライ（Dry）摩擦モデルの特性に該当すると証明でき、即ち、超音波モータの仕事時の圧電作動固定子が相対的運動によって摩擦力を生成することを意味し、それによって回転子を運転させまたは制動させる。そのため、回転子の速度の向上にしたがって、固定子の回転子に対する速度が速やかな区域で減少され、プッシュ・プル力と阻力が平衡になるように作用し、且つトルクの出力が０になる。モータが仕事を停止する場合、固定子が二度と回転子に揺動のための動的エネルギーを提供しなくなり、単に阻力を提供し、且つその値が所定値になる。
【００４９】
本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、従来の超音波モータが設計される際に二相駆動電源によって移動波と高振幅入力脈波を構築する必要のあるリミットを突破し、等しい効果電気回路構築の際に、さらに電気回路中におけるそれぞれの抵抗や容量やインダクタンスなどのそれぞれ対応する圧電自体の振動における代表意味を論及できれば、モータの回転時の生成する温度上昇反応を抑制できると共に、モータの正逆回転の際の出力トルクの不平衡な状況を克服でき、且つ生物医学工程のアクチュエータとコンピュータのCPUの放熱ファンに導入できる。
【００５０】
本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータと他の従来技術と比較する場合、さらに下記のような優れる点を有する。
一、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、従来の超音波モータが設計される際に二相駆動電源によって移動波と高振幅入力脈波を構築する必要のあるリミットを突破することができる。
二、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、従来の電磁気モータの作動時に生じる電磁気干渉をなくすことができると共に、一般の超音波モータの正逆回転の際の出力トルクの不平衡な状況を克服できる。
三、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、モータの回転速度を３０００rpm以上に向上できると共に、生物医学工程のアクチュエータとコンピュータのCPUの放熱ファンに導入できる。
【００５１】
前記に詳細に説明した本発明の技術思想は、単に本発明の実行可能な実施例の具体的な説明に過ぎず、それらの実施例は本発明の請求の範囲を制限するものではなく、本発明の技術精神による等しい効果の実施や変更などがすべて本発明の主張範囲内に納入されるべきことは言うまでもない。
【００５２】
前記に説明したように、本発明は技術思想が新たな創作性を有し、且つ従来物より前記のような複数の効果を増進でき、既に新規性と進歩性を要求する法定の発明の要件に該当する。
【図面の簡単な説明】
【図１（a）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータの円盤部材（ブザー・ピース）の基本的構造を示す説明図である。
【図１（b）】 圧電軸プッシュ・プル式超音波モータの構成を示す説明図である。
【図２（a）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを示す分解図である。
【図２（b）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを示す組立斜視図である。
【図２（c）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを示す側面図である。
【図３】 炭素粉末が静電気により圧電アクチュエータに吸着される場合を示す説明図である。
【図４（a）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合の２０kHzの場合の炭素粉末のイメージ表示状況を示す説明図である。
【図４（b）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合の７４kHzの場合の炭素粉末のイメージ表示状況を示す説明図である。
【図５（a）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合のANSYSが２０kHzである場合の模擬図である。
【図５（b）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合のANSYSが２０kHzである場合の模擬図である。
【図６】 アドミタンスと周波数反応を示す説明図である。
【図７（a）】 ネジが固定である場合の炭層粉末イメージ表示図である。
【図７（b）】 ネジが固定である場合のANSYS模擬図である。
【図８（a）】 固定子に三本のそれぞれ１２０度隔てられるネジ同士をプラスする場合の炭素粉末イメージ表示図である。
【図８（b）】 固定子に三本のそれぞれ１２０度隔てられるネジ同士をプラスする場合のANSYS模擬図である。
【図９】 ネジ偏心運動を示す説明図である。
【図１０】 ネジが好ましい位置に配置される場合を示す説明図である。
【図１１】 増益補償後のシステム波形図と出力信号を模擬するパターンを示す説明図である。
【図１２】 モータの仕事時の固定子の等しい効果の電気回路を示す説明図である。
【図１３】 モータの回転速度と時間との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 圧電陶磁器薄片
２ 金属バック板体
２１ ネジ
２２ 回転子
３１ 炭素粉末
３２ 電荷
２０３ 固定フレーム
２０４ 基板
２０５ 軸受け
２０６ 軸受けベース
２０７ 軸心
２０９ ウエート円盤
２１０ 振動薄片
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータに係わり、特に従来の電磁気モータの運転時に生じられる電磁気干渉を避けられると共に、さらに一般の超音波モータの正逆回転時に出力されるトルクが不平衡になることを克服でき、且つ回転速度を３００rpm以上に向上でき、且つ生物医学に応用されるアクチュエータまたはコンピュータのCPUの放熱ファンに利用できる圧電軸プッシュ・プル式超音波モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術およびその課題】
圧電アクチュエータにおいて、圧電陶磁器材料が大きな役目を担当し、その圧電特性の優劣がそのアクチュエータの性能に直接的に影響を与える。近年では、圧電材料の改良に従い、圧電アクチュエータとして積み重ね式のアクチュエータが広範的に精密的な位置決めとコントロールに応用されつつある。本発明による超音波アクチュエータは、ダブル形アクチュエータと超音波モータとのミックスド・タイプであり、unimorph形式の圧電材料を採用するものである。
【０００３】
超音波モータの概念は、最前にロシアの科学技術者が提案されたものであり、超音波モータの原始的な実験模型は１９６３年にM.E.ArchangelskijとV.Lavrinenkoなどの科学技術者によって設計された。その後、超音波モータの研究分野で発表された文献は、その探究の方向と種類が雑多的である。しかしながら、大部分が環状導波式の構造を研究の対象とするものであり、それに対して、近年では、その分野の研究が下記のいくつかの形式に分けられ、数学モード推論や、駆動原理に従って構造に変形と改良を施すや有限元素法分析振動モードなどがある。
【０００４】
環状超音波モータの数学モード式研究について、Oleg Yu. Zhariiが移動超音波モータを研究対象とすることを提案し、１セットの理論を提出して回転子の回転速度と速度及びq圧特性とエネルギー転換効率などを計算することに供する。また、有限元素振動モード分析について、J.W.KromeとJ.Wallaschekなどが、ANSYSソフトを利用して振動モードを模擬する。構造における変形と改良の方面について、T.Yamazakiの非接触式超音波モータは、表面超音波をもって固定子と回転子との間の隙間で伝達し、回転子を連動旋回させ、従来の接触式超音波モータの速度限界を超えることができた。Anita M. FlynnがMEMS技術をシリコン・ウエーハに利用して数ミリメートルのモータ固定子部材を作ってマイクロ電気機械システムに利用されるマイクロアクチュエータに導入し、鉄電気薄膜を製造して圧電超音波モータに利用する。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、従来の超音波モータが有する速度限界を超えることができる、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを提供することをその主要な目的とする。
【０００６】
また、本発明は、従来の電磁気モータが運転時に電磁気干渉を生じることを防止でき、且つ一般の超音波モータの正逆回転時に生じられる出力トルクが不均一的になるような現象を解消できる、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを提供することをその次の目的とする。
【０００７】
また、本発明は、モータの回転速度を３０００rpm以上に向上できると共に、生物医学工程とコンピュータのCPUの放熱ファンに利用できる、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを提供することをその他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を図るために、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、主に、円盤圧電素子をモータの駆動固定子とし、固定子に設けられるネジのヘッドをパワー伝動軸受けとし、且つ駆動される回転子が軸心によって直接的に軸受けに連結され、摩擦力を通してパワーを伝達し、モータの設計と製造について固定子振動モード観察と模擬と圧電材料の導き周波数反応計測と波移動の機構設計とシステムの動態の鑑別と相同効果電気回路の推論と回転速度とトルクのテストなどを含み、目前出来上がった原型のモータが７４kHz交流電圧と振幅±１０Vとほぼ０．２Aの電流によって駆動される場合に、モータの回転速度が３０００rpmに達することができ、起動トルクがほぼ０．００３N・ｍであり、CDなどを推し進めるぐらいのパワーを提供でき、且つ生物医学の分野のアクチュエータやコンピュータのCPUなどの放熱ファンにも利用できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、構造が簡単なブザー・ピースを採用し、その外形が円盤薄型状を呈し、圧電陶磁器薄片１と付勢力を有する金属バック板体２とからなり、その構造は図１（a）に示すようであり、小さいほうの電流消耗と安定した振動動作の特性を有する。
【００１０】
前記圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、圧電アクチュエータによって振動してから前記金属バック板体における固定ネジを介して動的エネルギーを出力し、その構成は二枚の圧電ブザー・ピースを対向し合って緊密的に貼り付け、円盤薄型の外環部に１２０度の対称するギャップを介して三つのネジ同士２１を緊密的に螺着し、且つ円盤薄片の偏心位置にネジを螺着して駆動体とし、回転子２２が円形の鉄板を中心として軸心を貫通して形成されるものである（図１（b）参照）。
【００１１】
図２（a）と図２（b）と図２（c）に示すように、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータには、中空状のケーシング本体（固定フレーム２０３と基板２０４とからなってもよい）を有し、当該本体の上下両側にそれぞれ回転子軸受け２０５と固定子軸受けベース２０６を備え、且つそれらによって回転子の軸心２０７を挟持・サポートし、この回転子の軸心２０７には直交になるようにウエート円盤２０９が貫通結合しており、且つ軸心の底端部が軸受けベース２０６に取り付けられる。その特徴は、ケーシング本体の下側に振動薄片２１０が配置され、それによって回転子の軸心２０７にウエート円盤２０９をサポートさせて自由旋回させることができるように作用でき、脈波信号によって振動薄片２１０を音声周波数と超音波周波数とで振動させるように駆動することによって回転子の軸心２０７を自由に旋回させると共に、振動エネルギーを案内出力でき、且つ入力される交流電源の最も好ましい仕事周波数範囲が２０kHzないし２００kHzである。
【００１２】
円盤の振動は、大体移動波と定在波とのモードに分けられ、関連する文献において、振動モード観察には大体レーザ干渉術を使用するが、本発明の場合では、炭素粉末イメージ表示手段によって金属バック板体における波動を観察する。その仕事原理はポーラライズ後の圧電材料の既存のコンデンサ特性を利用し、図３に示すように、高周波電界を円盤圧電片に供給する場合に、炭素粉末３１を金属バック板体１２に撒き付け、電界の形成される瞬時的に累積される電荷３２のエネルギーによって炭素粉末を金属バック板体１２に吸着する。
【００１３】
定在波モードでは、炭素粉末が環状節点（Nodal Circle）と節直径線（Nodal Diameter Line）の箇所に集中し、図４（a）と図４（b）と図７（a）と図７（b）と図８（a）と図８（b）に示すようであり、直接的に波腹（Wave Loop）と節の点とからなる図形模様を見分けることができる。マックソン（人名）干渉術によって金属バック板体における振動モードを観察するような方法と比べると、本発明に利用されるイメージ表示法の場合では、直接的と全体域（Full Field）との観測機能を兼ねており、簡素で有効な方法であり、炭素粉末イメージ表示法によって円盤の振動を観察する場合、まず、炭素粉末による図形がはっきりしていることから、直ちにこの薄片においての主要な振動モードが移動波モードまたは定在波モードであるかを判断でき（炭素粉末が波の進行方向へ沿って運動し、動態的な図形を表すようになる）、且つ同時に炭素粉末の分布図形を観察する場合、移動波が運動する際に材質の硬い反射ネジに出会うと、波節箇所における炭素粉末が円盤において反射方向へ分布する定在波モード図形を形成し、このことから反射波が存在することを証明できる。また、イメージ表示法による観測し得た炭素粉末の分布態様と、有限元素法によって模擬する超音波振動モード図形模様と比較をすると、金属バック板材の面外（Out Of Plane）の振幅と面内（In Plane）の変位量（伸縮量）と変形方向を算出することができるようになる。
【００１４】
超音波モータに係わる数学方程式について既に多くのものが発表されたが、超音波のアクチュエータの物理的模型式がかなり複雑的であると共に、構成が改変される場合に数学式がそれに従って改変されるようになるので、有限元素分析（FEA）のソフトウェアANSYSによって超音波アクチュエータの行為を模擬分析することが物理模型によって設定される数学式により描くことより、実際的で迅速的である。また、ANSYS分析から金属バック板材の受圧電波駆動の動態的反応様態を知ることができ、このような場合にはアクチュエータの基本設計原則を検証することができるようになり、構造設計の方向を案内することができるようになるので、有限元素分析がその必要性を備えている。言い換えれば、ANSYS有限元素分析ソフトウェアによってコンピュータ模擬を実行するための主要な目的は後記のようであり、つまり、（１）最少の時間で超音波アクチュエータの最も優れた設計を達成できることと、（２）それぞれ異なる材質の超音波アクチュエータに対する設計による影響を模擬できることと、（３）はっきりと金属バック板体における波動の変異状況を了解可能なことである。
【００１５】
有限元素分析は二部分に分けて実行でき、即ち、Model AnalysisとHarmonic Analysisである。Model Analysisが圧電片の自然共振周波数を取得でき、Harmonic Analysisが交流電圧入力の動態的反応を取得でき、図５に示すようである。入力交流電圧の周波数が圧電片の超音波共振周波数に等しい場合、圧電片が最大の出力パワーを獲得できる。且つ取得したモード・シェープ（Mode Shape）が図６に示すようであり、炭素粉末イメージ表示法による図形、例えば図５（a）と図５（b）に示すよう、相互に比較できる。
【００１６】
圧電材料のパラメータの正確さを検証するために、有限元素分析ソフトウェアによって圧電片の自然共振と反共振の周波数を算出すると共に、HPインピーダンス分析装置の測定した数値と比較をし、もし、その結果が有限元素計算法によって算出される自然共振周波数とインピーダンス分析装置によって測定した数値とがあまり差がないことを示した場合、模擬の圧電係数と実際の数値とがかなり近いと意味する。その計算について下記のように説明する。
入力アドミタンスの定義は下記の通りである。
【００１７】
【数１】
そのうち、Iが電流であり、Vが入力電圧値であり、その値が１voltであり、Qは電圧１voltを入力する際に圧電片電極において感応される総電荷値であり、ωが反応周波数である。
【００１９】
図６は、有限元素分析ソフトウェアの計算結果とHPインピーダンス分析装置を使用して得られるアドミタンスの周波数に対する反応図である。圧電片の自然共振周波数について、有限元素分析ソフトウェアによって計算する場合、６７．５kHzの結果を得られることに対し、インピーダンス分析装置によって測定し出した自然共振周波数が７２．５kHzであり、両者の誤差が６．９％であり、この結果から、有限元素模擬に採用される圧電材料係数と実際の圧電片における圧電材料と相似しているが、異なっており、それが本発明の採用する有限元素分析ソフトウェアの模擬の圧電係数についてさらに補正する必要があることを意味する。図面に示すものから、有限元素分析ソフトウェアによって計算した自然共振周波数がインピーダンス分析装置を使用して測定した数値より高くなることが分かり、それは有限元素法によって模擬する場合に材料と構造のダンピングの特性を考量していなかったためであり、そのため、模擬値が測定値より高くなる。他に、自然共振周波数の浮遊現象は、初歩の判断により圧電ブザー・ピースがANSYSにおいて幾何構造模型を立てる際に、個別にそれぞれ異なる材料パラメータを入力したが、依然として金属バック板体と圧電陶磁器薄片とを同一の実体であると見なして合成分析を実行することが分かる。実際に、圧電ブザー・ピースは圧電陶磁器素材を銀ゲルを介して金属バック板体に付着してなるものであるので、最も真実の状況に近接する圧電ブザー・ピースの模擬は圧電材料特性を有するSOLID５エレメントにSHELL６３エレメントをカップリングしてなるシェープ・ファンクション（Shape Function）に基づいて金属バック板体における波動行為を分析すべきである。そのため、圧電素材でも金属材料でも係数と模型のたてることについてすべてさらに修正を実施すべきで、それによってさらに精確的な模擬結果を入手できる。しかしながら、前記の誤差を論じる場合、それが本発明の定性分析に対し実質的な影響を有さず、作動分析の依拠としては依然として充分である。
【００２０】
一般的に言う場合、円盤薄片の振動形式が主にラジアル・モードであり、円盤圧電陶磁器の振動の方向には径方向（R）と厚み方向との両者があり、電圧を印加する場合、円盤薄片がR方向へ向かって延伸し、また、プーソン（人名）比のため、厚み方向において減少されるようになり、そのため、円盤薄片において複数の円環状の環状節点（nodal circle）が見られるようになり、それらの環状節点の数が周波数の向上にしたがって増加されるようになり、環状節点の位置が大体Bessel関数の解析値とほぼ同じであり、図５（a）と図５（b）に示すようになる。固定子円盤における波動方程式が非軸対称自由振動形式によって描く場合下記のようになる。
【００２１】
【数２】
aが円盤半径である場合、分離変数法と既知の境界条件を利用すると、その振動の特徴の結果が式（２）に示すようになる。
【００２３】
【数３】
ここでは、nが径方向節線数（number of nodal diameter line）である。非軸対称自由振動の場合では、その円盤における波動方程式がすべてゼロ・レベルのBessel関数ではなく、そのレベル数が式（２）におけるｎによって決められる。Bessel関数は、振幅が減少しつつあるが周期性を有するようなバイブレーション関数であり、その周期性バイブレーションの特性と炭素粉末イメージ表示法によって観察しえた図形とかなり相似しており、振動平面が弧方向において定在波を形成する場合、n値が節線数によって決められるようになる。
【００２５】
前記の推論結果に対し、炭素粉末イメージ表示実験と有限元素動態模擬による観察し得た図形を合わせる場合、円盤圧電薄片を非軸対称振動の状況下で大胆的にその波動方程式の形態が第一類のnレベルのBessel関数に属すると確定できる。
【００２６】
炭素粉末イメージ表示実験とFEM模擬とから獲得した定在波モードは、二種類の異なる境界状況に分けられて討論できる。（a）境界が自由である場合にその音声周波数から超音波までの振動モード図形のことと、（b）境界ではサポートされると共に、ネジが取り付けられている圧電片の振動モードの変異のことである。
【００２７】
境界が自由である場合。図４（a）と図４（b）は、境界が自由である場合の音声周波数から超音波周波数までの範囲内で生成される定在波炭素粉末図形であり、図５（a）と図５（b）は、それらの対応するFEAの振動モード模擬図形であり、前記炭素粉末図形から分かるように、音声周波数の範囲では図形が単にぼんやりと節点の位置を識別できることに対し、超音波周波数の範囲でははっきりと環状節点の分布を見分けられる。それらは、ブザー・ピースが音声周波数範囲で仕事する場合、振動による出力パワーが超音波範囲のパワーより小さいと共に、波長が周波数の上昇にしたがって短くなり、且つ炭素粉末が節点まで移動することに要するエネルギーと距離とが正比例を成し、そのため、波長が短ければ短いほど炭素粉末の移動距離が短くなり、このことが超音波図形のほうがはっきりとなる現象の理由として説明できる。炭素粉末図形のはっきりさが波長の影響を受けるほかに、要は振動による出力パワーの大きさの影響を受ける。そのため、ブザー・ピースは、炭素粉末イメージ表示を通してはっきりと表面の波動の状況を観察できるようにすることができるほか、固定子の理想的な駆動電圧が数十kHzであることも納得させることができ、それは大きいほうの出力パワーを擁しているためである。
【００２８】
境界ではサポートされている場合。図７（a）と図７（b）は、それぞれネジが付加サポート・フレームに付着され、その振幅がゼロである場合の炭素粉末図形の図面と模擬の場合の図面である。それらの図面から分かるように、環状節点の分布がはっきりしているほか、径方向節点の分布もはっきりと見られる。この現象は、薄盤において二種類の定在波運動が存在することを示しており、その一つは径方向に沿って前進して環状節点分布を形成し、他の一つは弧方向に沿って前進して径方向節線分布を形成する。ネジが固定して動かないため、波に対しては反射体（相対的な介在物質の密度が大きくなる）となり、反射の状況が回折より酷くなるので、径方向節点の分布がはっきりとなることを招くようになり、且つネジが径方向環状節または径方向環状波ピークに近接する状況にしたがってそれぞれ異なる定在波モードを生成するようになる。このことから、われわれはネジの位置を設定することによって薄盤振動の形態を変更して圧電アクチュエータのパワー伝送モードをチェンジできるようになっている。
【００２９】
図８（a）と図８（b）は、三本のそれぞれ１２０度隔てられる反射ネジ同士を取り付ける場合の節点が金属バック板体における分布の状況を示す説明図である。回転子運転の受けるプッシュ・プル力は、固定子における質点の波動を介して伝達される必要があるので、接触点の位置を振幅の最も大きい箇所に設定しなければならない。接触点のパワー伝送も金属バック板体に固定されるネジ同士によって設定されるものである。固定子に脈波信号が印加される場合に、ネジの周囲は順次に三つの方向からのプッシュ・プル力を受け、ネジ同士に図９に示すような偏心揺動を生じさせる。ネジから観察する場合、ネジの周囲に移動波が存在することを仮定できる。これによる理想的な接触点の設定を図１０に示す。
【００３０】
その基本的な仕事原理は大体後記のようである。つまり、圧電片を電気エネルギーと機械エネルギーとの転換の媒介とする。圧電片に交流電圧を印加する場合に、圧電陶磁器が逆圧電反応により伸縮してプッシュ・プルの力を生じ、金属バック板体が伸縮して機械波を生成し、且つ径方向と弧方向に沿って伝達する。ネジの材料の性質とニッケル合金製の金属バック板体とが異なるため、波の伝達中にネジが反射点となる。外方の三つのネジ同士によって反射点を構成することによって、反射波を円心へ案内して偏心ネジを揺動することができ、その炭素粉末のイメージ表示図と模擬図とが図８（a）と図８（b）に示すようになる。反射波の走行距離が異なるため、到達する際に相互にストロークの位相差が生じるようになり、適当な駆動点を選択することによってその箇所でその点に回る三相走行波を生成して三相駆動の目的を達成し、回転軸にトルクを提供し、回転子を連動して旋回させることができるようになる。
【００３１】
圧電材料が目前の認識により依然として複数の変数を有し、例えば温度上昇や波動などがまだはっきりと認識されていないので、従来の複雑な物理モードを援用してこのシステムを構築する場合、完璧で正確にモータの動態を描けなくなってしまうようになる。本実験の設計は、モータの仕事時の圧電作動固定子の両端の電圧と電流信号をキャッチし、システム鑑別の方式によってこのシステムの動態移転関数を求め、このシステムの構築の依拠と後続きの相同効果電気回路の推論の依拠とするものである。
【００３２】
入力電圧と出力電流信号のキャッチにおいて１MHｚのサンプリング周波数を採用する場合、レベル数が（５/５）である離散伝達関数G(B)を算出でき、その式は式（３）に示すようになる。
【００３３】
【数４】
一部の分式を利用して式（３）を式（４）になるように展開すると、その関連係数が下記のようになる。
【００３５】
【数５】
表において、（c）部分λ5が一レベルの転移関数であり、圧電陶磁器素材自体が容量性材料であるため、前記の位置レベルの関数のλ5の動態モードは陶磁器が容量特性を制止して形成されるものであると想定される。（b）部分のλ3,4動態モードはその共振周波数がほぼ６４．３kHzであり、圧電陶磁器の７２kHzの共振域に近接し、この動態モードがこの共振域の特性の表現を代表できると想定される。
【００３７】
【表１】
（a）部分λ1,2の動態モードはその共振周波数の３８３．６９kHzとモータの仕事周波数との差が大きいため、この動態モードがこのシステムの安定さを影響する鍵ではなく、λ1,2動態モードを除去してシステムと関連性が密接的なλ3,4とλ5の動態モードを保留すると、原始のシステム動態移転関数が式（５）となるように補正できる。
【００３９】
【数６】
また、レベル降下前後のシステム移転関数直流増益値（Gain Value）（B=1またはw=0）が等しいことによると、補償すべき直流増益が−０．０２１であることを算出できる。それを式（５）に入れ替えれば、補償後のシステム移転関数G*(B)を算出でき、式（６）に示すようになる。
【００４１】
【数７】
図１１はこのシステムの前記移転関数に対する模擬の状況であり、当該図面から分かるように、模擬の電流出力信号と実際の信号とは殆ど差が生じていない。
【００４３】
サンプリングの時間の周期が短いため、双線性（Bilinear）の転換の方式によって式（７）（式（６）における一部の分式をキャッチしてなるもの）における離散システムをそれぞれ連続システムの移転関数形式に転換でき、それぞれが式（８）と式（９）と式（１０）に示すようになる。
【００４４】
【数８】
また、この連続システムの最終の動態移転関数が下記の式に示すようになる。
【００４６】
【数９】
前記の式の結果より、図１２における超音波モータの等しい効果の電気回路のモデルを推論し得ることができ、その中の素子値がそれぞれCd=148.8nF、Rd=2.781Ω、Cm=89.6nF、Rm1=37.3Ω、Rm2=-9.943Ω、Lm=48.8μH、RL=-8.15Ωである。圧電陶磁器自体には正圧電の作用を有し、固定子の振動を電圧出力に転換できるので、仕事中のシステムに対しては電圧フィードバックする特性を有するので、RLが適当に負抵抗の等しい効果の電気回路特性を反映し出すことは一般の圧電の物理的モードの予測できないものとなる。
【００４８】
超音波モータの回転速度と回転トルクに係わる計測方式は、回転子が起動し始め、安定して作動し、ないし制動停止するまでの間に実行されるものであり、その回転速度が時間の経過にしたがって変化することが図１３に示すようである。当該図面から分かるように、回転子が回転し始めてから作動が安定するまでは、その回転速度の変化と時間とが曲線関係を成しており、それの加速度が変化加速度であると意味する。また、安定作動から制動停止までの期間では、その速度変化が直線となり、それの減速度が所定値であると意味する。この変化加速度の生成は、パワー伝達がドライ（Dry）摩擦モデルの特性に該当すると証明でき、即ち、超音波モータの仕事時の圧電作動固定子が相対的運動によって摩擦力を生成することを意味し、それによって回転子を運転させまたは制動させる。そのため、回転子の速度の向上にしたがって、固定子の回転子に対する速度が速やかな区域で減少され、プッシュ・プル力と阻力が平衡になるように作用し、且つトルクの出力が０になる。モータが仕事を停止する場合、固定子が二度と回転子に揺動のための動的エネルギーを提供しなくなり、単に阻力を提供し、且つその値が所定値になる。
【００４９】
本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、従来の超音波モータが設計される際に二相駆動電源によって移動波と高振幅入力脈波を構築する必要のあるリミットを突破し、等しい効果電気回路構築の際に、さらに電気回路中におけるそれぞれの抵抗や容量やインダクタンスなどのそれぞれ対応する圧電自体の振動における代表意味を論及できれば、モータの回転時の生成する温度上昇反応を抑制できると共に、モータの正逆回転の際の出力トルクの不平衡な状況を克服でき、且つ生物医学工程のアクチュエータとコンピュータのCPUの放熱ファンに導入できる。
【００５０】
本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータと他の従来技術と比較する場合、さらに下記のような優れる点を有する。
一、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、従来の超音波モータが設計される際に二相駆動電源によって移動波と高振幅入力脈波を構築する必要のあるリミットを突破することができる。
二、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、従来の電磁気モータの作動時に生じる電磁気干渉をなくすことができると共に、一般の超音波モータの正逆回転の際の出力トルクの不平衡な状況を克服できる。
三、本発明による圧電軸プッシュ・プル式超音波モータは、モータの回転速度を３０００rpm以上に向上できると共に、生物医学工程のアクチュエータとコンピュータのCPUの放熱ファンに導入できる。
【００５１】
前記に詳細に説明した本発明の技術思想は、単に本発明の実行可能な実施例の具体的な説明に過ぎず、それらの実施例は本発明の請求の範囲を制限するものではなく、本発明の技術精神による等しい効果の実施や変更などがすべて本発明の主張範囲内に納入されるべきことは言うまでもない。
【００５２】
前記に説明したように、本発明は技術思想が新たな創作性を有し、且つ従来物より前記のような複数の効果を増進でき、既に新規性と進歩性を要求する法定の発明の要件に該当する。
【図面の簡単な説明】
【図１（a）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータの円盤部材（ブザー・ピース）の基本的構造を示す説明図である。
【図１（b）】 圧電軸プッシュ・プル式超音波モータの構成を示す説明図である。
【図２（a）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを示す分解図である。
【図２（b）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを示す組立斜視図である。
【図２（c）】 本発明の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータを示す側面図である。
【図３】 炭素粉末が静電気により圧電アクチュエータに吸着される場合を示す説明図である。
【図４（a）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合の２０kHzの場合の炭素粉末のイメージ表示状況を示す説明図である。
【図４（b）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合の７４kHzの場合の炭素粉末のイメージ表示状況を示す説明図である。
【図５（a）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合のANSYSが２０kHzである場合の模擬図である。
【図５（b）】 圧電ブザー・ピースの境界が自由である場合のANSYSが２０kHzである場合の模擬図である。
【図６】 アドミタンスと周波数反応を示す説明図である。
【図７（a）】 ネジが固定である場合の炭層粉末イメージ表示図である。
【図７（b）】 ネジが固定である場合のANSYS模擬図である。
【図８（a）】 固定子に三本のそれぞれ１２０度隔てられるネジ同士をプラスする場合の炭素粉末イメージ表示図である。
【図８（b）】 固定子に三本のそれぞれ１２０度隔てられるネジ同士をプラスする場合のANSYS模擬図である。
【図９】 ネジ偏心運動を示す説明図である。
【図１０】 ネジが好ましい位置に配置される場合を示す説明図である。
【図１１】 増益補償後のシステム波形図と出力信号を模擬するパターンを示す説明図である。
【図１２】 モータの仕事時の固定子の等しい効果の電気回路を示す説明図である。
【図１３】 モータの回転速度と時間との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 圧電陶磁器薄片
２ 金属バック板体
２１ ネジ
２２ 回転子
３１ 炭素粉末
３２ 電荷
２０３ 固定フレーム
２０４ 基板
２０５ 軸受け
２０６ 軸受けベース
２０７ 軸心
２０９ ウエート円盤
２１０ 振動薄片
Claims (5)
- 中空状のケーシング本体を有し、当該ケーシング本体の上下両側にそれぞれ回転子軸受けと固定子軸受けベースとを備え、それらによって回転軸を挟持・保持し、前記回転軸が直交するようにウエート回転盤を貫通結合しており、且つ前記回転軸の底端部が薄片状固定子における止め軸受けベースに取り付けられるように設定される、圧電軸プッシュ・プル式超音波モータにおいて、
前記ケーシング本体の下側に固定子として薄型圧電素子が取り付けられ、回転軸をサポートしているウエート回転盤を自由に旋回させることができ、
脈波信号によって前記薄型固定子を超音波周波数で振動させることによって、振動エネルギーを回転軸に伝達し、摩擦力を通して回転軸にパワーを伝達して回転軸を自由に回転させることができることを特徴とする、
圧電軸プッシュ・プル式超音波モータ。 - 前記中空状のケーシングを L 字型のケーシングに置き換えたことを特徴とする、請求項１に記載の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータ。
- 前記中空状ケーシング本体をサポートする挟持フレームの両端面の連接線と垂直軸線を代表する回転子の軸心と相互に９０度の直交する様態に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータ。
- 前記中空状ケーシング本体の挟持フレームの上端部の保持回転軸構成が軸受けを介して連結できることを特徴とする、請求項１に記載の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータ。
- 入力する交流電源の優れる周波数帯域を２０kHzないし２００kHzに設定してあることを特徴とする、請求項１に記載の圧電軸プッシュ・プル式超音波モータ。
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