JP3804973B2 - 圧電モーター - Google Patents

Description

本発明は、請求の範囲の特質による、詳細には、連続または段階的回転運動に適した小型電気モーターとして使用される圧電モーターに関する。本発明によるモーターは、自動化システム、ロボット技術、カッターを正確に位置付ける工作機械、スクリーンワイパーモーター、窓ガラス昇降モーター、およびシートアジャスターの駆動装置として車両に使用される。それは、テレビアンテナの無慣性駆動装置および比較的低い回転速度において大きいモーメントの回転を必要とする機器にも使用される。
圧電モーターは、電気エネルギーが圧電振動子によりローターの回転運動へ変換されることで知られており、この振動子は、例えば、米国特許明細書4,019,073に開示されているように二つの異なる定常波の二つの共振子から成っている。この種類のモーターによって、二つの異なるタイプの定常波を広範囲の温度と機械的応力の下で整合することは困難である。前記不利な点は、一様な定常波により音響進行波を発生する原理に基づいている圧電モータに固有のものではない（参照：アクセル・フリュセラー、圧電進行波モーターの分析、ディッセルタティオン、シュットトガルト、１９９２年、４８頁）。これらのモータは、音波を使用するため不利であり、進行波を発生するピエゾエレメントが、弾性有機接着剤により金属導波管へ接着された薄いリングとして具現化されることを必要としている。
弾性波と小容量のピエゾエレメントにより、導波管の全容量と比較して、電気機械エネルギー変換の効率は低く、これは、モーターの励起電圧をかなり高めることが必要である。ピエゾエレメントと金属導波管とを有機接着剤で接続すると、最大機械的モーター出力を制約され、その効率と信頼性は低下する。このような進行波を採用しているモーターのピエゾエレメントは、圧電進行波モーターが安価な電磁モーターと競合出来ないように、製造を困難にし、モーターを高価にする多様に指向された分極を呈する。
本発明の目的は、高効率振動子を有し、低励起電圧において、最大機械的出力、高信頼性、および低価格を確実にする圧電モーターを提供することである。さらにほかの目的は、進行波が同一振幅の音響縦波を発生することによりモノリシックな圧電振動子に発生される圧電モーターを提供することであり、前記進行波は、ローターへ連続的に弾性接触して、振動子の摩擦面を移動し、振動子表面上の閉じた路を移動する点によりトルクをローターへ加える。
本目的は、第一請求の範囲の特徴により実現する。本発明によるモーターの最大実現可能な単位体は、圧電材から、好適にはセラミックから選択され、音波の発生のために使用されるので、モーターは潜在的に可能な有効な電気機械効率係数を呈し、その結果、励起電圧がかなり低下する。さらに、本発明により示唆される解決策により、主として有機成分から成る接着剤による導波管へのピエゾエレメントの接着は削除される。これにより、モーターの振動子への最大機械的応力が、従って、最大機械的出力が、セラミックの安定性にのみ制約されて可能になる。本発明のモーターのピエゾエレメントは、単方向へ極性化され、類似の電磁モーターと対照的にその製造を簡素化し、低廉にする。
本発明は、多様な修正により実現することが出来る。例えば、本発明の一つの実施態様において、進行波の二つの独立した発生器を第三の発生器へ二つの最初の発生器に従って、第三の発生器が、電圧発生装置ににより送られた電圧に対し電圧分配器として、および最初の二つの発生器により分圧された電圧に対し加算オペレータとして二つの発生器と協働するように、整合することが可能であ蜜る。三つの発生器は、円筒、円錐、または円盤状の圧電単位体に取り付けられる。これは、進行波発生器の励起源無しで作動するので、構造の単純化を可能にする。本発明のほかの有利な実施態様は、定常波発生器が平行な電極の区画として構成されているピエゾセラミックで製作された円筒状の単位体として具現される場合、得られる。この変形により、全振動子単位体は、圧電活性媒体として動作し、このようなモーターは、実現可能な最大電気機械効率を有する。この場合、モーターの電気的励起電圧は最小である。この発振器の設計では、有機接着剤を使用した接着接合部が少しもないので、導波管材料の強度が制約されるだけで、最大可能な機械的応力が振動子に発生する。これは、振動子の動作面上の点の振動運動を最大にし、従って、モーター軸の機械的出力を最大にする。有機接着剤の使用による接着された接合部が少しもなく、振動子内の機械的損失が減少し、効率を高める。その上、高い励起レベルにおける接着接合部の分解がないので、モーターの信頼性が増大する。さらにほかの有利な実施態様の場合、閉じた導波管は、金属またはセラミックで製作された受動的円柱状の単位体の形状であり、圧電変換器のパケットが定常波発生器に配列されるように、定常波発生器が形成される。この場合、モーターの振動子は、どのような希望する寸法を取ることが出来る。後者の実施態様波、圧電円柱の製造技術に制約されない。従って、数キロワットの出力の圧電出力モーターを形成することが可能である。
本発明により、振動子の動作面には、ローターと動作可能接触している薄い耐磨耗性摩擦層が形成されている。この実施態様は、振動子の動作面の摩擦性能を、モーターの回転運動を向上する動作面により事前セットすることが出来る。
本発明の一つの実施態様において、この摩擦層は、ガラス、金属、またはすべてのほかの適切な材料などの圧電セラミックとの化合物を形成している材料で全体的に製作されている。摩擦層が化合物を振動子と形成しているモーターは、破壊せずに、振動子の最大許容機械的応力まで動作する。さらにほかの有利な解決策により、摩擦層は、基盤層と中間層とから構成している。基盤層は摩擦特性を決定し、中間層はピエゾ材との化合物を形成している。このような実施態様は、適切な摩擦材の数をかなり倍増する。一連の変形において、摩擦層は、ピエゾセラミックとの化合物を形成している材料をベースとした材料の混合物から構成しており、また、充填材として、摩擦層の摩擦係数を高める材料を使用している。この実施態様により、摩擦層の希望の波抵抗を、使用材料の間の比率を変化することにより、選択することが出来る。さらにほかの実施態様において、摩擦層は、高い摩擦係数と高い機械的強度の多孔性材料から製作され、前記材料の孔は、ピエゾセラミックとの化合物を形成している材料で充填されている。この方法で、モーターの長期使用をステップ動作において確実にする非常に強固な摩擦層を製作することが可能である。
有利なことに、電力増幅器が、この本発明の圧電モーターの電気回路に使用されており、前記増幅器は、移相連鎖を経て基本発生器の励起源へ接続され、ブースターの励起源である。この実施態様は、温度とこの発明性モーターの信頼性を改善する機械的負荷とに関して、広範囲で発生器の鋭い微調整を可能にしている。
さらに、好適な実施態様において、ブースターの励起源に信号の位相角を反転する手段を備えることが可能である。これは、ローターの回転方向の逆転を可能にする。本発明により、基本発生器を一つの周波数入力を有する周波数制御された電圧発生器により構成することもできる。このような変形は、ローターの回転周波数の安定した制御を基本励起源の周波数の変化により可能にする。
ほかの変形において、圧電モーターは、基本発生器が定常波のその励起源への正のフィードバックを有し、および、組み合わせで、電気機械の自動発生器を構成し、定常波発生器の周波数が振動子の共振周波数の範囲に常にあり、このようにして、ローターの回転周波数の安定性を向上するように、圧電モーターが具現化されている。本発明のモーターの実施態様において、正のフィードバック分岐を、定常波基本発生器へ直列接続された電流変換器へ直列接続されたインピーダンスへ接続することが可能である。正のフィードバック分岐を、定常波基本発生器へ直列に接続された電流変換器へ接続することも可能である。
最後に、正のフィードバック分岐は、発生器により生成された定常波により、最大機械的応力が発生する場所に配列されたフィードバック電極へ接続することが出来る。
前述の最後三つの実施態様は、振動子共振周波数における電気機械発生器の安全な励起を確実にする。モーターのさらに有利な実施態様は、正のフィードバック分岐を接続解除する電気回路を備えている。この場合、ステップ制御は、容易に行われ、ステップモーターの適用を可能にする。
本発明のそのほかの特徴は、図の以降の説明から明らかになる。説明図により、本発明は、３４の実施態様により詳細に説明されるであろう。
図１ 発明性モーターの実際の構成要素の斜視図
図２ 振動子の展開図
図３ 励起電圧図
図４ 印加された励起電圧による発明性振動子の定常波の変形
図５ 励起電圧図
図６ 定常波を発生するときの振動子動作面の瞬間状態
図７ 動作面を変形するときの重畳過程を表す図
図８ 定常波を発生するときの振動子動作面上の点の移動経路の全体図
図９ 定常波を発生するときの振動子動作面上の点の移動経路図
図１０ 振動子動作面上の点の移動経路の発生展開図
図１１ 振動子動作面の点の位相移動図
図１２ 動作面上の点の実現可能な移動線
図１３ 要素容積とその等価回路の図
図１４ 発明性振動子の等価回路の全体図
図１５ 前記進行波の等価回路の簡略図
図１６ 発明性モーターの電気機械変数
図１７ 振動子の変形
図１８ 耐磨耗性層の変形
図１９ 異なる電極の変形
図２０ 特殊な電極の配置
図２１ 非対称進行波
図２２ 振動子制御の基礎となる基本原理を説明する構成図
図２３ 二つの独立した発生器と後者に依存する一つの発生器から成る振動子
図２４ 図２３の等価電気回路
図２５ 振動子自己励起の構成図
図２６ 周波数制御された自動発生器を有する構成図
図２７ 電気機械自動発生器配列の構成図
図２８ 電流変換器の構成図
図２９ フィードバック電極とその動作モード
図３０ フィードバック電極を有する構成図
図３１ ステップモーターの構成図
図３２ 長方形振動子を有するモーター設計の縦断面
図３３ 図３２の振動子の平面図
図３４ 環状振動子を有するモーター設計
図３５ 衝撃を受けた格納体内のモーター設計の断面図
図３６ 図３６のモーター設計の部分断面された平面図
図３７ 図３８の軸Ａ−Ａに沿った軸断面上のパケット変換器を有するモーター設計
図３８ 図３７の平面図
図３９ 環状磁石から成るモーター設計の軸断面
図４０ 周波数制御された自動発生器を有する基本回路図
図４１ 電気機械自動発生器として使用された第一モーター回路
図４２ 電気機械自動発生器として使用された第二モーター回路
図４３ ステップモーターとして使用された発明性モーターの基本回路図
図４４ 後者に依存している二つの独立した発生器と一つの発生器とを有するモーターの基本回路図
図１に従い、発明性圧電モーターは、圧電セラミックで製作された閉じた導波管３の形状の円柱状振動子２を有するステーターから構成している。導波管３は、弾性進行波を導波管３の単位体に発生する少なくとも一つの発生器４を備えている。示された実施態様において、ローター６は、その自重で振動子２の前面（動作面）５を押しつけている。振動子２のもう一つの非動作面７は、示されていない装置の格納体に配列された弾性遮音ベース８に置かれている。振動子発生器４は、基本発生器９と定常波を発生する二つのへほかの発生器（ブースター）１０，１１から構成している。発生器９，１０，１１のそれぞれは、円柱状導波管３の等しい大きさの区画１２，１３，１４を占有しており、中間圧電セラミックを有する二つの平行な電極１５，１６から構成している。電極１５，１６のそれぞれは、円柱状導波管３へ縦軸方向に固定された導電金属層を表している。発生器９，１０，１１を作動させるために、電極１５，１６の間に設けられた圧電セラミックは、前記電極に対し垂直に分極される。図１と後に続く図とにおいて、分極化は、矢印１５０により示されている。
定常波発生器のそれぞれは、励起源（電圧源）１７，１８，１９を有する。各励起源１７，１８，１９の接触部２０，２１は、各発生器９，１０，１１の電極１５，１６へ接続している。各電圧

は、接触部２０，２１の間に、従って、定常波発生器９，１０，１１の電極１５，１６の間に印加される。
図２において、展開された導波管３が示されており、高さｈと幅ｂを有する。中心線２２に沿った導波管３の長さは、定常波発生器９，１０，１１により導波管内で発生する波長λの整数倍でなければならない。中心線２２に沿った各定常波発生器９，１０，１１の長さは、λ／３である。ブースター１０，１１は、基本発生器９に対し中心線２２に沿って各量±λ／３だけ偏椅している。定常波発生器９，１０，１１の各グループは、進行波発生器４を構成している。円柱状導波管３の中心線に沿って進行波発生器４により占有される距離は、波長λに等しい。発生器４の数は、希望により選択され、導波管３の中心線２２の長さにより決まる。図２に示された導波管３は、５個の進行波発生器を有する。５個の発生器４は、電気的に並列に接続されている。各励起源１７，１８，１９の接続部の回路構成は、発生器９，１０，１１の各電極１６へ接続している。図２において、励起源１７，１８，１９の接続部２１は、相互に接続し、発生器９，１０，１１の共通電極である電極１５へ接続している。励起源１７，１８，１９は、相互に位相がずれた、等価の振幅と等価の周波数の正弦波の電圧を送る。励起源１７の電圧に対する励起源１８，１９の電圧の位相ずれは、±２/３π（±１２０°）である。図３は電圧曲線図である。電圧Ｕ₁は励起源１７から送られ、Ｕ₂は励起源１８から、およびＵ₃は励起源１９から送られる。
図４において、縦定常波が導波管３に示されており、従って、発生器９，１０，１１の一つの発生器により生成される動作面５において、各発生器は、各励起源１７，１８，１９の正弦波電圧Ｕ₁＝Ｕ・ｓｉｎωｔにより励起される。図４に示された導波管３は、８個の並列に接続された同等の定常波発生器９，１０，または１１を有する。前記発生器は、１６の最大と最小をそれぞれ有する定常波を発生する。同等発生器９，１０，１１の数は、進行波発生器４の数により決まる。導波管３のこの変形では、８個でなければならない。この発明性モーターが動作している間、定常波発生器９，１０，１１は、同一振幅と周波数の三つの定常波を発生し、この定常波は、導波管３の中心線２２（図２）に沿って相互にλ／３だけ離れてずれている。前記定常波の位相は、±２/３π（±１２０°）だけ相互に異なる。
これから以降に、発明的圧電モーターの基本動作が図１〜１６に関連して詳細に説明されている。励起源１７，１８，１９から送られた励起電圧Ｕ₁、Ｕ₂、Ｕ₃（図３）は、各定常波発生器９，１０，１１に印加される（図１と２）。各電圧は、各発生器９，１０，１１を制御する。前記発生器は、振動子２の導波管３において、同一振幅の三つの同一縦定常波を発生し、この定常波は導波管の中心線２２に対し、相互に±λ／３だけずれて離れ、角度±２/３π（±１２０°）だけ時間に依存してずれている。前記定常波が図４に示されている。振動子の振動振幅（２〜１０μｍ）は、その大きさ（２０〜１００ｍｍ）に対し小さいので、各定常波は相互に独立して発生する。それらは相互に独立して存在し、振動子２の動作面５を相互に独立して変形する。動作面５にほぼ直角の振動子２の点の変位は、各個々の定常波の動作によって正弦法則に従って変化し、これにより、動作面５の点の変位は、この法則に従い、正弦波の励起電圧の変化に従う。図５は、一つの振動周期の時間ｔ₀〜ｔ₈の与えられた周期について、定常波発生器９，１０，１１の一つの電圧位相図を示す。
図６は、時間ｔ₀〜ｔ₈の周期の間の振動子２の動作面５の運動の位相を示している。図において、動作面５の点ａ０が示されており、この点は、定常波の横方向速度の極値にある。前記点は、動作面５に直角な直線（破線で示されている）上を振動する。三つの定常波が振動子２に同時に生成されると、それらは重畳される。定常波により発生した振動子２の変形は合計され、従って、動作面５１の変形を行う。
図７において、動作面５を変形する重畳動作が示されている。位置の表示２３，２４，２５は、発生器９，１０，１１にかかる励起電圧Ｕ₁，Ｕ₂，Ｕ₃の瞬間値の時点ｔ₁，ｔ₂，ｔ₃に対応する（図３）。図７において、破線２６，２７，２８は、各定常波により発生した動作面５の変形状態を示す。実線２９は、動作面５の重畳された変形の特性を示している。図２３，２４，２５（図７）から、振動子２の動作面５の重畳された変形は、振動子２の進行波２９であることが見て分かる。前記進行波は、定常波の波長λに対応する一振動周期の路長を進む。進行波の振幅は、一つの定常波の振幅の１．５倍に等しい。
図８より、基本的に異なる運動構成が、振動子の動作面５上の点に関し可能である。最初のケースでは、点ａ₀〜±ａ₅は、定常波が膨れ、いわば、動作面５が膨張すると、ピークの範囲で動いて離れる。第二のケースでは、点ａ₀〜±ａ₅は、相互に近づく。動作面は圧縮される。最初のケースは、最初のケースは、振動子２が低い機械的品質であり、ピエゾセラミックが高い電気機械結合係数を有する場合に、起こる。振動子電極１５，１６間の電界の力は、優勢に振動子２の点に作用する。励起領域の大きさと符号に従って、振動子２のすべての点は、相互に離れ、または近づき、点の移動路は、傾斜した曲線または閉じた楕円である。
図８は、定常波が振動子２において発生するときにλ／２である、導波管、３の波長範囲内の点ａ₁〜ａ₅の全運動図を示す。点ａ₁〜ａ₅（図８）の運動線は、破線の曲線で示されている。導波管３（振動子２）は、交互に膨らみ（点±ａ₁’〜±ａ₅’）、振動子の接触部は膨らむ（点±ａ₁”〜±ａ₅”）。垂直の振動子成分の最高点における点ａ₀が、面５に対し直角な直線上を運動することは、図８に示された点ａ₀〜ａ₅の運動進路から明らかである。振動子２の円柱状導波管３は、弾性力により相互に保持されている微粒子の有限の大きさの弾性単位体を表す。その結果、縦定常波が励起されると、導波管３（振動子２）の点は、図８に示されているように、交互に相互に離れ、近づく進路の傾斜した経路に沿って運動する。極値の点だけが、円柱状導波管３の面に直角な直線路上を運動（振動）する（図６と８を参照）。前記点は最大横振幅△ｙ_maxを有する。残りの点は、図８に示されているように、導波管の面に対し傾斜した経路に沿って進行する。中心点ａ₀への距離が増加するにつれて、その横振幅（ｙ方向に沿って）は減少する。これは、最高点の点ａ₀（線）から一定距離だけ離れた動作面５の各点ａ_nが、横と縦の成分の速度を有する理由を説明している。中心点ａ₀の両側の距離（点＋ａ_nと−ａ_n）が増加するにつれて、速度の縦成分（ｘ方向）は増加し、距離±λ／４の距離において、横振幅は、最大値△Ｘ_maxに達する。横成分△ｙは、この点において最小である。非線形進路（曲線）は、大きい振動振幅において導波管材料の異物によるもので、これは実際には除去することは出来ない。
図９は、振動子２の動作面上の点ａ₀±ａ₃の運動の第二のケースを説明している。このケースは、振動子２の高い機械的力と振動子２のピエゾセラミック材の低い電気機械的品質の結合係数とにおいて起こる。このケースにおいて、音波の運動により振動子の単位体を圧縮し、膨張する機械的力が、点の運動の主な理由である。実際に、点の移動路は、振動子面に対しある角度で傾斜している楕円形の相似形を形成している。振動子の動作面５上の点の運動に関するこの二つの評価されたケースのそれぞれは、本発明のモーターの基本的動作原理を変えていないが、ローター６の回転方向に関しては、基本的差異がある。
図１０によれば、進行波が振動子の導波管３に発生すると、振動子２の動作面５上の各点は、その後、ａ₀’〜ａ_n’およびａ₀”〜ａ_n”からすべての点の位置を通り、一般に楕円であり、特殊な場合、円である閉じた経路に沿って進行する。進行波の進行方向は、矢印１５１により示されている。楕円の最大高さは、最大横振幅△ｙ_maxの２倍である。楕円の最大幅は、最大縦振幅△ｘ_maxの２倍である。縦と横の成分により傾斜した位相角は、常に９０°である。横成分△ｙがゼロに等しいとすると、最大縦成分△ｘは最大値を得、縦成分△ｘが最大値である場合、横成分△ｙはほぼゼロである。各点ａ_nは、点ａ_n±１と異なる楕円経路の点の進行路を有する。図１１は、動作面５上の点の進行路を示している。与えられた時点において、進行波のピークにある点ａ₀は、ローター６と接触していることが分かる。摩擦力により、動作面５の前記点は、ねじりモーメントをローター６へ伝える。前記接触が実際に面接触であるように、ローターの材料は、ある一定の柔軟性を備えており、接触面は、ローター材の弾性とローター６を振動子の動作面５へ押しつける反発力とに依存する。いわわば、進行波の波ピーク上の一定数の点は、ローターと接触して、ねじりモーメントを後者へ伝え、波の谷間の点は、逆方向へ運動する。一つの振動周期の間、動作面５の各点は、その進行路を完全に通過する。ローター６と接触している動作面５の面部分の数は、振動子の中心線２２の長さに対応する波長λの数に等しい（図１３）。楕円の回転方向またはローター６へ接触している点の進行方向は、振動子材の膨張時点における定常波のピークの点が（図８と９）、相互に離れるか、または、近づくかにより決まる。点が相互に離れると、楕円とローター６は進行波の伝搬方向に対し反対方向へ回転する。点が相互に近づくと、楕円とローター６の回転方向は、進行波の伝搬方向と一致する。この場合はここでは考察されていない。縦と横の成分の間の関係△ｘ／△ｙ、即ち、発明性モーターの運動進行路は、波長λの導波管の高さｈに対する比により本質的に定義される。前記比が大きくなるにつれて、楕円は動作面５に沿って大きくなる。前記比が小さくなると、点の進行路は円形路に近づく。振動子（導波管）の幅と振動子材の弾性は、成分比△ｘ／△ｙへの影響が小さい。動作面５の点の進行路が、ほぼ円形であるモーターの場合、波長λの導波管の高さｈに対する比は、約２である。図１２は、動作面５上の点の可能な進行路を表している。すなわち、位置３０は、動作面５に対し直角な楕円を示し、位置３１は円形進行路、位置３２は、動作面５に沿って伸張している軸比１．５の楕円、および位置３３は、軸比４を有する楕円を示している。動作面５に沿って伸張し、２〜５の範囲の成分比を有する楕円形の進行路（図１２の位置３２と３３）は、本発明性モーターの動作に関して最適である。この場合、動作面５の接線方向へ指向したエネルギーの流れは、前記面へ直角に指向したよりも４〜２５倍であり、すなわち、ステーターのエネルギーの大きな部分は、潜在的にローターのエネルギーへ変換される。円形進行路（図１２，位置３０）は、臨界的場合である。動作面５に垂直に伸張している長方形楕円（図１２，位置３０）に関して、ステーター２のエネルギーの主要部分は、モーターのローター６へ入り、後者を励起し、熱へ変換される。それが、このような進行路が望まれない理由である。動作面５に沿って伸張している極端に長方形楕円の場合（示されていない）、ローター面へ直角に指向したエネルギーは、振動子２とローター６との間の摩擦接触を確立するに十分でない。このようなモーターの場合、エネルギーの大きな部分は、特に、熱として振動子２から放出される。従って、本発明性モーターの振動子２は、点の進行路により決定される最適幾何学形である。このような幾何学形は、発生した定常波の長さの振動子２（導波管３）の高さｈに対する比により決定される。最適比の実際値は、振動子２の弾性特性とその幅ｂに依存し、λ〜０．２５λの範囲にある。相互に独立して、振動子２の定常波９，１０，１１は、前記発生器が独立した電気機械的振動装置として見なされるように、音響定常波を発生する。従って、図１３の位置３４に示されているように、定常波発生器を有する振動子２の各発生器９，１０，１１に対し長さλの基本量を選択することが出来る。このような量は、長さλ／２の電極を有する長さλのの基本独立振動装置として、すなわち、２モード圧電共振器として見なされる（図１３、位置３５）。このような共振器の等価電気回路が、図１３、位置３６に示されている。この回路は、次の成分からなる：
−静電容量
Ｃ₀＝ｓ／ｂ・ε₃₃ ^T（１−Ｋ_{31 2}）、ここでｓは電極の面積である。
−次の変換係数を有する理想的電気機械変換器
Ｎ_p＝ｂ／２・ｄ₃₁／Ｓ₁₁ ^E
−機械的容量
Ｃ_M＝λ／π²・Ｓ₁₁ ^E／ｂ・ｈ
−機械的誘導力
Ｌ_M＝ｍ、ここで、ｍは基本量の質量である。
−機械的振動子の損失
Ｒ_M＝ωＬ_M／θ_eＧ、ここで、θ_eＧはモーターの有効品質である。
変換器の発生器４の全等価回路は、定常波発生器９，１０，１１の三つの同一等価回路３７，３８，３９（図１４）の集合体として見なすことが出来る。全等価回路において、等価回路３７，３８，３９のそれぞれは、各励起源１７，１８，１９へ接続している。各等価回路３７，３８，３９の出力は、摩擦変換器４０へ接続している。全等価回路へ与えられた摩擦変換器４０は、発明性圧電モーターの摩擦接触を反映する。それは、摩擦損失の抵抗ＲＦと、振動子２の振動をローター６の回転運動へ変換する理想的変換器から成っている。ここで、
Ｎ_F＝Ｍ／Ｆ_〜、Ｍ＝一定ねじりモーメント
Ｆ_〜＝可変力
は変換係数にたいし有効である。
摩擦変換器４０の出力は、機械的負荷Ｒ_Lへ接続している。
図１４に示された等価回路は、圧電モーターが振動子２の機械的共振周波数において動作するとすると、図１５に示されているように単純な回路に変換される。前記等価回路において、変数Ｕ₁’，Ｕ₂’，Ｕ₃’，Ｒ_M’，Ｒ_F’は、図１４の回路の機械的部分へ変換される。発明のモーターは、圧電モーターの従来の電気機械的特性を呈する。実際に、振動子の機械的損失の抵抗体Ｒ_Mは、振動子５のインピーダンスωＬ_Mよりかなり小さい。従って、モーターの周波数依存は、図１６の位置４１，４２，４３に示されているような形状を呈する。位置４１は、励起周波数ｆの関数として回転周波数ｎを表し、位置４２は励起周波数ｆの関数として位相電流Ｉ_F（定常波発生器９，１０，１１の一つの電流）、および位置４３は、励起電圧Ｕ₁（Ｕ₂，Ｕ₃）と位相電流Ｉ_Fの関数として位相ずれφを表している。４１，４２，４３のすべての特性値は、代表点を経て相互に接続している。従って、回転周波数の最大値ｎ_maxは、振動子の機械的共振周波数ｆ₀（ω₀）と一致する。前記周波数は、入力電圧Ｕ₁（Ｕ₂，Ｕ₃）と位相のそれぞれの入力電流Ｉ_Fとの間のゼロ位相ずれ（位置４３）を示している。最大電流Ｉ_Fmaｘは、機械的共振周波数ｆ₀から左の周波数ｆ_Imaxにある。電流関数４２は、振動子６の反共振周波数ｆａに第二のゼロ位相を有する。入力電圧Ｕ₁（Ｕ₂，Ｕ₃）と位相電流Ｉ_F（４３）との位相ずれは、ｆ₀〜ｆ_aの範囲で正である。それは、励起周波数の残りの範囲で負である。すべての三つの関数は、連続関数であり、すなわち、非定義状態はない。図１６の位置４４は、制御電圧の関数、すなわち、モーターが機械的共振周波数ｆ₀において動作するときの回転周波数ｎの依存性を励起電圧Ｕ₁（Ｕ₂，Ｕ₃）の高さからプロットする。振動子２の振動の横振幅が動作面５の粗さより小さい場合、この間数は、本質的に、電圧Ｕ₀において小さい不連続を有する直線である。図１６の位置４５において、本発明のモーターの機械的特性値がプロットされており、モーターが機械的共振周波数ｆ₀において動作するとき、回転周波数ｎの依存性が、負荷モーメントＭからプロットされる。この関数は、負荷モーメントＭ_eまで直線である。前記モーメントにおいて、摩擦接触は破断する。Ｍ_e〜Ｍ_maxの負荷範囲において、モーターは不連続に動作する。破線は、負荷モーメントの可能な最大値Ｍ’_maxを示している。この値は、ステーター１とローターとの摩擦結合の材料の理想的選択において達成可能である。図１６の位置４６は、モーターの品質図、すなわち、モーターが機械的共振周波数ｆ₀において動作するときの負荷モーメントＭからの効率係数ηの依存性を表している。この関数は、放物曲線を負荷値Ｍ_eまで追随している。最大値Ｍ_ηmaxは、可能な最大負荷モーメントの半分１／２Ｍ’_maxの近くにある。最大効率係数の大きさη_maxは、振動子の損失抵抗Ｒ’_Mと摩擦接触部の損失抵抗Ｒ’_Fとの間の関係により決まる。物理的に見ると、摩擦接触部の損失抵抗Ｒ’_Fは、常に振動子の損失抵抗Ｒ’_Mより大きい。従って、本発明のモーターは、３０％〜７０％の範囲にある十分に大きい効率を有する。
図１７は、全体がピエゾセラミックで製作された本発明のモーターのモノリシックな振動子２の変形４７〜５４を示す。前記振動子は、発生器４内に発生した進行波の導波管である。示された変形のそれぞれは、物理的構造と必要なモーター変数に依存して使用することができる。従って、例えば、高さがその直径より大きいか、または、等しい長方形円柱として具現化された振動子２（位置４７）は、進行波発生器４を有する最小寸法の圧電モーターの構成（図１）を可能にする。短く広い円柱として具現化された振動子２（位置４８）は、最大機械的出力が必要とされるとき使用される。この場合、振動子２の直径は希望通りに拡大することが出来、進行波発生器４の数、従って、ローター６と接触する進行波の数は増加される。円柱としても見なされる円盤形の振動子（位置４９）は、最小高さの平坦なモーターとして使用される。最小断面と中心開口の圧電モーターが必要とされる場合、環状振動子が使用される（位置５０）。円錐断面の振動子（位置５１，５２）を使用することにより、振動速度の増大が可能である。このような振動子は、振動速度をその断面の狭い範囲において増加する機械的引張りの集中器と似た働きをする。倍増集中器を使用することにより、振動速度、従って、ローターの回転周波数の１．５倍〜２倍の増加が可能である。位置５３，５４は、円錐状動作面５を有する振動子を示している。このような振動子は、ボールベアリングの中心配置することなく圧電モーターの構造を可能にする。これはモーターのコストをかなり低減する。振動子２の円錐状動作面５は大きいので、モーターの機械的出力はそれに関連して増大する。本発明の圧電モーターは、ローター６への振動子２の摩擦接触に基づいており、すなわち、そのほかの面に作用する面は、摩擦磨耗を受ける。前記面の磨耗の程度は、モーターの平均呼称時間間隔を決定し、従って、これは、振動子２の動作面５とローター６の面とで構成される摩擦結合に使用される材料の耐摩耗性に依存する。ローター材の選択は、特別な問題ではない。それは、両方とも、アルミナをベースとしたセラミック、酸化ジルコニウム、炭化チタン、炭化タングステン、熱処理合金鋼などの非常に硬い材料から、および、硬い充填材を含んでいる熱反応樹脂材をベースとした軟質の合成摩擦材から選択することが出来る。振動子材の選択は、振動子がピエゾエ活性材から製造されなければならないので、非常に難しい。限定された数のピエゾ活性材だけが直接に使用できる。このようなものは、石英、幾つかの結晶子、チタン酸バリウムである。石英は、その使用を制約する非常に小さいピエゾモジュールを有する。チタン酸バリウムは、広い温度範囲においてその使用に対抗する低いキューリ点を有する。ピエゾセラミックを広範囲で使用可能にする課題は、振動子２の動作面５が、振動子２の摩擦摩耗に耐え、同時に、動作面５の摩擦係数を決定する薄い耐摩耗層を備えていることで解決された。摩擦層５の材料は、次の条件を満足しなければならない：それは、摩擦作用の振動子ーローター・モーターによる摩擦摩耗に耐えなければならない；それは、例えば、安定したピエゾセラミックの化合物を形成しなければならない。さらに、それは、強い超音波域に耐えなければならない。
図１８（位置５５，５６，５７，５８，５９）において、本発明の圧電モーター耐摩耗層６０の多数の変形が示されている。位置５５によれば、耐摩耗層は、０．１〜０．３ｍｍの薄い酸化セラミックで製作されたリング６１（アルミナまたはほかの材料をベースとした）であり、これは、酸化セラミックおよびピエゾセラミック、例えば、ガラスとの化合物を形成する材料により、圧電振動子へ接合される。このようなガラスは、十分な量の酸化鉛を含有していなければならない。位置５６において、耐摩耗層６０の変形が示されており、この場合、これは、振動子２の動作面５へ加えられた硬化処理の耐摩耗ガラスの薄い層である。ガラスは、分極される前に振動子２へ加えられる。冷却時の分裂を避けるために、ガラスの温度膨張係数が、ピエゾセラミックと５％より大きく差がないように、ガラスは、膨張係数を選択されなければならない。このような層は、低出力のモーターに使用される。
純粋なガラスの摩擦層を使用することは、摩擦係数が非常に低いので不利である。摩擦係数を高めるために、摩耗材で製作された粉末６２でガラスを処理することは（図１８、位置５７）、可能である。アルミナ、炭化チタン、窒化チタンなどの粉末は、摩耗充填材として使用される。このような実施態様により、超音波を感知しない摩擦層６０の進行波抵抗を精密に選択することが出来る。すなわち、化合物の信頼性は高まり、従って、モーターの出力が増大する。
ピエゾセラミックステップ出力モーターの特に安定した摩擦層は、振動子２のピエゾセラミックの化合物を生成する材料で充填された多孔性酸化セラミックから製作することが出来る。この摩擦層６０は、図１８の位置５８に示されている。多孔性アルミナセラミックは、それに最もよく適しており、その孔は、振動子２のピエゾセラミックの化合物を形成する容易に溶解するガラス材で充填される。
図１８の位置５９において、摩擦層６０の変形が、基層６３と中間層６４とから構成された二重層構造として示されている。この実施態様において、基層は動作面５の摩擦特性を決定し、中間層はピエゾセラミックと振動子２との間の安定した接合を形成する。振動子２の電極１５，１６の構造を同時に形成する金属層として、中間層６４を加えることは、技術的に適切である。このような被膜を、ニッケルを化学的に沈殿するか、ニッケル、チタン、またはすべてのほかの材料をイオン注入法によってスパッタリングすることにより生成することは可能である。クロームまたはすべての安定材の基層６３は、化学的方法または電気化学法により摩擦接触の範囲において、中間層６４へ付加することが出来る。本発明は、摩擦層６０を形成するすべての適切な方法を使用することができる。本発明の圧電モーターの振動子２の各実施態様は、その全容積を実質的に占有している多数の進行波発生器４から成っている。前記発生器は、振動子の導波管３の表面上の電極１５，１６の構造を決定する。図１９は、位置６５から６９により、電極１５，１６の最も重要な実施態様を示している。位置６５において、振動子２は、発生器４と三つのグループの電極１５，１６とから成って示されている。各グループの電極のそれぞれは、定常波発生器９，１０，１１を構成している（図１）。位置６６は、振動子を短い円柱として示している。前記振動子は、四つの進行波発生器４を有する。前記振動子の全電極１５は、外へ指向した共通電極を構成している。単一の電極１６は、振動子の内面に形成されている。位置６７において、振動子２は、平面上に配列された電極１５，１６により環状形である。位置６８は、帯状電極１５，１６が外面に配列されている振動子２の実施態様を示す。この振動子２は、縦方向へ分極化された導波管３の面を有し、振動子が高電圧により励起される場合に使用される。この実施態様において、振動子２は、その内面に電極を有していない。前記振動子の全電極１６は、並列に接続され、定常波発生器９，１０，１１の共通電極を構成している。従って、電極１５のそれぞれは、各発生器９，１０，１１へ整合されている。
図１９の位置６９は、展開された振動子２を、電極間の全接続が回線７０として具現化されている電極１５，１６の変形で示している。このような構成を光化学的に製作することが可能である。本発明は、各定常波発生器９，１０，１１の電極の特別な形態を提供する（図２０，位置７１）。この実施態様において、電極１５，１６は、振動子２の高さｈの約半分に等しい高さｃを有する。この場合、弾性波７００は、縦波５００と同時に発生する。縦波と弾性波との振幅比は、電極１５，１６の高さを変化することにより、変えることが出来る。弾性波の長さは、振動子の高さｈに依存する。電極１５，１６の高さｃと振動子２の高さｈを変えることにより、図２０の波の図に示されているように、弾性波の振幅と長さが縦波の振幅と長さに等しくなるように、これらの値を調節することができる。両方の波が振動子２に同時に発生すると、それらにより生成した変形が重畳する。図２０の下部に、振動子２の全変形が示されている。動作面５の重畳された波の振幅が、縦波の振幅の２倍に等しく、縦の変形と弾性の変形が、誘導面７において相互に補償され、すなわち、前記主導面７は変形されず、波が発生しないことが、見られる。
図２１，位置７１に示された発生器に類似した三つの発生器（図２１，位置７２）により、三つの定常波を振動子２に発生すると、非対称進行波が、図２１に示されているように発生する。前記進行波は動作面５を変形し、主導面７は変形しない。圧電モーターのこの実施態様において、振動子２のエネルギーは、遮音基盤８により吸収されない。従って、このようなモーターは、潜在的により高い効率を有する。
本発明は、定常波発生器９，１０，１１を励起源１７，１８，１９により制御する各種の変形を提供する。図２３，位置７３，７４，７５は、励起源１７，１８，１９を発生器９，１０，１１へ接続する一般的励起原理を表す回路を示している。
位置７３の回路は、励起源１７，１８，１９による発生器９，１０，１１の個々の励起を例証している。この回路が、励起源１７，１８，１９のすべての接触部２１が共通集約回線７６に相互接続されている位置７４の回路に置き換えられ、発生器９，１０，１１の全電極が、共通電極７７に置き換えられることは明らかである。集約回線７６と共通電極７７は、接続回線７８により相互に接続されている。このような変形は一般的励起原理を変えないが、回路の単純化を意味する。その上、励起源１７，１８，１９は振幅および周波数が等しいので、２／３π（１２０°）だけ位相がずれた、等しい電位を相互に供給することが可能であり、発生器９，１０，１１の電気抵抗が相互に等しいので、電流が接続回線７８を流れず、その回線は、位置７５によれば省略することが出来る。これには、共通電極７７が電気的接続部を必要としていないことが含まれる。
本発明の一層の単純化が、図２３によれば可能であり、この図には、振動子発生器４を有する振動子２が見られる。再び、三つの定常波発生器９，１０，１１が示されており、９は基本発生器であり、１０，１１は定常波発生のブースターである。発生器１１だけは発生器９，１０と接続して送られた電圧であり、発生器９，１０は電圧源１７，１８へ直接に接続されている。従って、発生器１１は、領域ｓに沿って分割された二つの領域ｍ，ｎの間に配列された発生器９，１０の共通部分として見なすことができ、この場合、領域ｍとｓの間の部分は発生器９に属し、領域ｓとｎとの間の部分は発生器１０に属する。
発生器９，１０，１１の電極１５，１６は、励起または電圧の源１７，１８へ接続しており、その後者は、それらに電圧Ｕ₁，Ｕ₂を供給する。図２４に示された等価回路において、Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃は、発生器９，１０の部分のそれぞれのインピーダンスである。発生器の部分９，１０が、相互に等しい場合、インピーダンスＸ₁，Ｘ₂，Ｘ₃は等しい。本発明により、電圧Ｕ₁，Ｕ₂，Ｕ₃は±１２０°または、ほぼその値でなければならない。この実施態様において、振動子２へ供給された電圧Ｕ₁，Ｕ₂は、分配器Ｘ₁，Ｘ₂，Ｘ₃により分圧され、発生した部分は、Ｘ₃に総和される。電圧Ｕ₁’，Ｕ₂’，Ｕ₃’は、振動子２の各部分に発生する。Ｘ₁＝Ｘ₂＝Ｘ₃ならば、Ｕ₁’＝Ｕ₂’である。電圧Ｕ₃は、Ｕ₁とＵ₂により僅かに大きい。電圧Ｕ₁とＵ₂との間の位相ずれ角φは、約１２０°である。電圧Ｕ₁’，Ｕ₂’のそれぞれとＵ３’との間の位相角は、約φ／２である。発生器９，１０の共通部分１１は、それらを流れる電流により考えると、個々の部分と反対に接続されているので、その励起電圧の位相は、１８０°だけ回転する。すなわち、第二ブースター１１を励起する電圧Ｕ₃’の位相φ’は、φ’／２であり、従って、この特殊なケースにおいて、φ＝１２０°ならば、φ’＝１８０°ー１２０°／２＝１２０°である。
このように、本発明の実施態様において、第三の定常波が、二つの定常波発生器９，１０の共通部分１１により励起される。前記共通部分は電圧Ｕ₁とＵ₂の部分を重ねることにより形成された電圧により励起される。これは、この実施態様には励起源１９がない理由であり、これは大きな単純化を意味する。本発明が、実行するために変形されると、発生器９，１０，１１の個々の励起のために、簡単な同期された動作と励起源１７，１８，１９の同相動作を確実にすることが困難である。従って、本発明の図２５の実施態様は、本発明の特徴を変えない自己励起を提供している。発生器９０１０，１１の励起の場合、基本発生器９の励起源１７は、搬送励起信号源を表しており、実際には、励起源１８，１９は、位相を回転し、前記信号を強化するために使用される。この場合、励起源１７は、電気搬送信号発生器７９と電力増幅器８０とから成り、励起源１８，１９は、位相ずれ手段８１，８２とバッファ増幅器８３，８４とから成っている。さらに、励起源１８，１９は、位相角の極性反転手段８５，８６を有することが出来る。前記実施態様は次のように動作する。搬送信号発生器７９は、電気信号を発生し、その周波数は、振動子２の機械的共振周波数ｆ₀に等しい。この信号は、増幅器８０と励起源１８，１９の位相ずれ手段８１，８２とへ送られる。位相ずれ手段は、信号の位相を±２／３π（１２０°）だけ回転する。位相ずれ手段８１，８２から、各励起源１８，１９の信号が、位相角の極性反転手段８５，８６へ送られる。その後、信号は、増幅器８３，８４において増幅される。増幅器８０，８３，８４において増幅された三つの信号は、励起源１７，１８，１９の励起電圧として各定常波発生器９，１０，１１へ送られる。
本発明の圧電モーターの図１６による周波数図は、連続である。すなわち、不安定な点はない。従って、制御発生器７９の周波数は、周波数曲線のすべての範囲に存在する。必要ならば、励起周波数を変えることにより、ローター６の回転周波数を変えることが出来る。装置８５，８６により、励起源１８，１９からの信号の位相を各反対の方向へ反転することによって（励起源１７からの信号の位相位置にたいし±１２０°だけ）、ローターの回転方向を反転することが出来る。
図２６において、本発明のモーターの実施態様が示されており、これは、周波数制御の自動発生器として動作する制御発生器７９から成っている。前記実施態様において、ローター６の回転周波数は、制御電圧Ｕ_Rを変えることにより、すなわち、制御発生器７９の励起電圧を変えることにより、変化することが出来る。本発明の多くの適用において、モーターの動作周波数が、可能な変動作用により、振動子の機械的共振周波数ｆ₀にほぼ等しいことは、非常に適している。このような変形は、図２７に示されている。前記変形により、本発明のモーターは、そのほかに、入力８８、フィルター８９、位相ずれ連鎖９０および増幅器９１から成る正のフィードバック分岐８７を有する。さらに、前記変形は、基本発生器９へ直列に接続されたインピーダンス９２、この場合、増幅器８０だけを有する励起源１７から成っている。フィードバック分岐８７の入力８８は、回線８８０を経て基本発生器９に収められたインピーダンス９２の電極１５，１６へ接続されている。破線により、インピーダンス９２への第二の可能な接続８８１が、図２７に示されている。フィードバック分岐８７の出力が、励起源１７のバッファ増幅器８０へ接続している。インピーダンス９２は、抵抗Ｒ、インダクターＬ、または、コンデンサーＣである。その構成要素において、考察される変形は、振動子２の機械的共振周波数ｆ₀で励起される電気機械的自動発生器である。自動発生器は、基本発生器９、その励起源１７およびほかのフィードバック分岐８７により実行するために変形され、閉じた電気機械的連鎖を構成している。振動子２の機械的共振周波数ｆ₀で前記連鎖を励起するために、本発明のモーターの図１６の位相図４３が使用され、周波数ｆ₀の近くにゼロ通過を有する。
上述の電気機械的連鎖は、周波数ｆ₀における増幅率が単位体より大きく、位相ずれが、連鎖の各不連続の前記周波数における入力信号と出力信号との間にゼロがあるように、微調整され、増幅率は増幅器８０，８３，８４により事前に選択され、位相ずれは、位相ずれ連鎖９０により事前選択される。信号の位相ずれの大きさは、インピーダンス９２の選択された成分によって決まる。抵抗を使用する場合、位相ずれは、僅かに修正して、±１０°の範囲内になければならない。コンデンサーＣを挿入する場合、位相ずれは、＋９０°の範囲にあり、インダクタンスを使用する場合、それは−９０°にある。
図２８は、フィードバック分岐８７の入力回路の電流変換器９３から成る実施態様を示している。前記実施態様は、電極７７が省略される場合の電気機械的自動発生器の回路を簡素化している。その構成要素において、前に考察されているように、その構成は、図２７の構成と似ている。
振動子の機械的共振周波数ｆ₀に対する励起電圧Ｕ₁（Ｕ₂，Ｕ₃）の精密な微調整を必要とする少数の適用において、ほかのフィードバック電極９５を有する変形は可能である（図２９、位置９４）。前記電極は、基本発生器９の定常波の機械的応力の最大値の位置に配置される。電極９５の二つの動作モードは、可能である：無負荷動作と短絡動作。無負荷動作において、電極９５は電気的負荷の抵抗ではない。発生器１７が励起されると、基本発生器９の定常波の機械的応力に比例する電圧が、電極９５上の直接の圧電効果により発生する。電極９５と電極７７の短絡動作の場合に、短絡電流が流れる。前記電流は、基本発生器９の定常波の機械的応力に比例する。無負荷電圧ＵＳと無負荷電流１Ｓの周波数図と位相図が、位置９６，９７，９８によれば、電気機械的自動発生器と接続されたフィードバック電極９５について使用される。
図３０は、電気機械的自動発生器と接続されたフィードバック電極９５の実施態様を示す。電極９５の機能は、抵抗体９９により事前に決定される。この構成は、図２７と類似しており、フィードバックの増幅率と位相ずれとにより微調整される。本発明は、また、最小始動ー停止時間のステップ動作の圧電モーターの適用を提供する。このために、図３１により、制御入力１００を有するスイッチが、電気回路をオンーオフ切り換えるフィードバック分岐８７に配置されている。オフに切り換えると、スイッチ１００は、フィードバックの電気信号回路を短時間開くか、または閉じる。いずれの場合でも、モーターの電気機械的自動発生器の制御は、最小停止時間に中断される。フィードバック分岐８７をスイッチ１００によりオンに切り換えると、自動発生器は急速に始動する。スイッチ制御、従って、ステップ動作の制御は、選択時間の正の制御電圧Ｕ₁により行われる。
以降に、本発明の圧電モーターの機械的と電気的設計の多数の実施態様が説明されている。図３２と３３が、縦軸Ｘ−Ｘに沿って伸張した振動子２と、一つ（または二つ）の進行波発生器を有する本発明の圧電モーターの実施態様を示している。圧電モーター２００は、ステーター１と縦進行波の導波管３を同時に構成している関連した振動子２とから成っている。振動子２は、取り付け基盤１０２上に自由に動くように配置されている。取り付け基盤１０２が金属で製作されているならば、絶縁基材１０３が、電極１６（７７）とモーターのステーター１との間の短絡を除去するために、前者と振動子２との間に配置されていなければならない。振動子２は、非機能の主導面１を介して遮音支持台８に突き当たっている。弾性スリーブ１０５を介してモーター軸１０６へ接続されたローター６は、スプリング１０４により振動子２の動作面５へ押しつけられる。軸１０６は、縦方向へ自由に動くことができるように、従って、スプリング１０４により加えられた接触圧力をローター６へ伝達することができるように、ボールベアリング１０７上に置かれている。
進行波が振動子に発生すると、振動子２の動作面５は、回転モーメントをローター６へ伝達し、後者に回転を起こさせる。回転は、弾性スリーブ１０５を介してモーター軸１０６へ伝達される。機械的負荷が軸１０６へ加えられると、振動子２は、軸１０６とローター６とに働いている回転モーメントに対抗して回転モーメントを発生する。振動子２は、その主導面７を介して遮音支持台８に突き当たっているので、振動子２の回転は、支持台８と主導面７との間の摩擦モーメントにより除去される。前記摩擦モーメントは、摩擦接触しているモーターの回転モーメントより常に大きいので、振動子２は停止位置に残る。この実施態様は、敏速な組立を可能にする単純な構造である。それは微少な幾何学形の製作を可能にする。ほんの２〜３ｍｍの外径が可能であるので、それは従来の電気モーターに対する手強い競合相手である。
図３４は、十分に大きい直径（１２０ｍｍ以上）と十分に大きい動作面５（環状面の幅１５〜２０ｍｍ）環状振動子２から成る本発明のモーターを示す。振動子２は、１０個の進行波発生器４より大きい空間を備えている。このようにして、高いモーター出力が確実に得られる。従って、この実施態様は、動作中に振動子に発生した熱を放散するために、取り付け基盤１０２とローター６との適切な熱伝導を必要とする。このために、好適に、アルミニウムとその合金が使用されている。この実施態様において、モーターのローター６は、ローター６の摩擦特性を決定する薄い摩擦層６００で被覆されている。
図３５と３６は、圧電出力モーター２００を示す。前記モーターは、二つの部分１０８，１０９で構成されたローターから成っている。部分１０８は軸１０６へ固定されている。部分１０９は軸１０６に沿って移動可能である。両方のローター部分は、弾性支持体１１１により円柱状振動子２の二つの円錐状動作面１１０へ押しつけられており、支持体１１１は、ナット１１２により部分１０９と円板１１３の間に押しつけられている。この弾性支持体の材料は、ポリエチレンなどの弾性有機物から選択される。前記モーターの振動子２は、揺動ボルトを備えたブラケットにより表されているハウジング１１４に装着されている。モーターには、軸受けがない。ローター１０８，１０９は、振動子２の円錐状動作面１１０により心が合わされている。この構造は、圧電モーターの最大出力を可能にする。この出力は、圧電振動子２の動的強度により制約されているだけである。
本発明は、金属導波管が使用されているさらに強力な圧電モーターの構造を可能にする。このようなモーター２００の可能な変形が、図３７と３８に示されている。それは、ステーター１と連結した金属導波管３を有する振動子２とから成っている。導波管３は、導波管の最大機械的応力を可能にする安定した熱処理鋼で製作されている。これらは、圧電セラミックについてよりも、鋼についてかなり大きい。このようなモーターは、導波管の単位体積当たりの最大出力を可能にする。この設計において、定常波発生器は、ボルト１１７により圧縮された圧電変換器のパケット１１６の形状に製作されている。それらは、軸１０６と導波管３の回りに同軸に配置されており、フランジ１１８により後者へ接続されている。
このモーターは次のように動作する：定常波発生器９，１０，１１を構成している圧電変換器パケットの各グループは、導波管３内に定常波２６，２７，２８（図７）を発生する。前記定常波の重畳は、ローター６を回転する進行波２９を発生する。圧電変換器パケットから成る圧電モーターのこのような構造は、導波管の直径に従ってパケット数を増加することにより、モーターの機械的出力を無制限に増加することができる。直径３０ｍｍの各パケットは、約１００ワットの最大変換器出力を有する。振動子に３０個のパケットと圧電モーターの３０％〜４０％の効率とを有する場合、約１００ワットの機械的出力が、軸１０６に得られる。
実施する変形の要件に従って、本発明は、圧電モーターの多数の変形を可能にする。図３９は、特殊な光学装置に使用するのに適したモーターの変形を示す。モーターは広い中心開口２３１を有する。ローター６は、前述と同様に、磁気ハウジング１２０により引きつけられる環状磁石１１９によって振動子２へ押しつけられる。
本発明は、振動子２の励起源９，１０，１１の多くの実施態様を提供しており、持つとも重要な構成要素を有するそれらの四つは、これから以降に説明される。
図４０は、周波数制御原理によりローターの回転速度を制御する本発明のモーターの電気回路の説明図を示す。この回路は、図２５と２６の構成図に相当する。この回路は基本発生器９の励起源１７を含み、制御発生器７９と実施態様発生器８０とを有する。制御発生器７９は、ウィーン・ブリッジにより自動発生器の原理に従って設定される。そのキャパシタンスを変化するコンデンサ１２２に作用する制御電圧Ｕ_Rにより制御発生器７９の周波数を変えることは可能である。図１６，位置４１に示された周波数曲線の範囲において制御発生器７９の周波数をその変化で変えるように、コンデンサ１２２のキャパシタンスが選択される。この実施態様において、励起源１８，１９は、ブースター１０，１１、位相ずれ手段８１，８２、位相角の極性反転手段８５，８６、および出力増幅器８３，８４から成っている。位相ずれ手段８１，８２は、信号の位相を＋２／３π（＋１２０°）と−２／３π（−１２０°）だけそれぞれ回転する動作増幅器を有する活性位相ずれ分岐１２３，１２４から構成している。手段８５，８６は、切り換えスイッチ１２５，１２６を接地へ接続し、後者は位相ずれ手段８１，８２の機能の変化を行い、すなわち、位相ずれの符号を反転する。このような反転は、ローター６の回転方向を反転する。増幅器８０，８３，８４は、同じもので、広い伝達帯域を有するバッファ増幅器（出力増幅器）として動作し、スイッチングモードでほとんど動作する。考察された前記装置は、どちらも、振動子の機械的共振周波数ｆ₀の左右で確実に動作する。
図４１において、図２７（自動発生器）の構成図による基本回路図が示されている。この回路において、フィードバック分岐８７の入力８８は、抵抗体Ｒ₁として具現化されたインピーダンス９２へ接続している。この抵抗体Ｒ₁へかかる電圧は、基本発生器９を流れる電流に比例する。周波数ｆ₀における前記電圧の位相ずれは、発生器９にかかる電圧似関して、実際にはゼロである。抵抗体Ｒ₁から、前記電流に比例する電圧は、帯域フィルター（Ｌ_f，Ｃ_f）に、従って、増幅器９１に印加される。周波数ｆ₀へ調整された帯域フィルター８９は、フィードバック分岐８６のフィルター域を限定し、従って、振動子２の固有周波数の範囲における回路の自己励起を除去する。増幅器９１において増幅された電圧は、フィードバック分岐８７の出力へ送られ、そこから、基本発生器９の励起源の出力増幅器８０へ送られる。閉じた回路において、全位相ずれは、周波数ｆ₀においてゼロであるので、この周波数における増幅率はより大きい単位であり、フィードバック分岐８７を有する励起源１７は、周波数ｆ０において振動し始め、従って、不安定な影響に関係なく前記周波数を維持する自動発生器として動作する。位相ずれ手段８１，８２は、二つの相互に反転可能な位相連鎖１２７，１２８を有する位相ずれ分岐１２３，１２４から成っている。この反転は、位相ずれの符号の反転を実際に起こす切り換えスイッチ１２９，１３０により行われる。このような反転は、ローター６の回転方向を反転する。出力増幅器８０，８３，８４は、分離しているフィルターＬ_f，Ｃ_fを介して発生器９，１０１１へ接続している。このようにして、増幅器をスイッチングモードで動作することが可能であり、その出力電圧は急勾配を有する。
図４２は、分離しているフィルターＬ_FＣ_FのコンデンサＣ_Fがインピーダンス９２として使用されている実施態様を示している。このコンデンサーにかかる電圧の振幅は、発生器９を通る電流似比例する。しかし、その位相は、発生器の電流に対し−９０°だけずれている。このような位相ずれは、さらに−９０°のずれを必要とする。このずれは、帯域フィルター８９のコンデンサー回路Ｃ_fにおいて行われ、この場合、電圧は、コンデンサー電流に対し抵抗体Ｒ_fにおいて−９０°だけずれる。従って、全位相ずれは、−１８０°である。増幅器９１は、再び、全位相ずれがゼロであるように、この位相を−１８０°だけずらす。その実施態様では、ローター６の回転方向を反転することが出来ないので、手段８５，８６は、除かれる。図４０，４１，４２に示された本発明のモーター２００の動作構成要素の実施態様において、バイポーラまたは電界効果形トランジスタ（示されていない）を有する半ブリッジ回路が、電圧制御器として動作するバッファ増幅器８０，８３，８４として使用されている。この回路は、供給電圧の半分に等しい電圧振幅を発生器９，１０，１１に生成する。さらに高い電圧が必要であるならば、電流切り換えから成る回路が、使用される。この回路は、出力増幅器により送られた電圧により２〜３倍高い電圧を発生器に発生する。
図４３は、電流スイッチを有する本発明のモーターの実施態様を示す。前記実施態様は、電圧Ｅが供給され、コレクター回路に誘導率Ｌ_Iにより設定された電流源を有するバイポーラトランジスタとして具現化された三つの電流反転回路１３１から成っている。発生器９，１０，１１における電圧の振幅は、約（２〜３）・Ｅである。この実施態様において、フィードバック分岐８７は、フィードバック電極９５へ接続しており、これは、周波数はｆ０において、発生器９にかかる電圧と前記電極９５にかかる電圧との間に位相ずれ＋９０°を発生する（図２９，位置９７）。帯域フィルター８９の位相ずれ連鎖９０は、全位相ずれが＋１８０°であるように、位相を＋９０°だけ再度回転する。反対方向−１８０°の位相回転は、増幅器９１により行われる。この変形は、図３１の構成図により設定された、短い始動ー停止時間を有するステップモードで動作する圧電モーターを示している。ステップ動作を行うため、この回路は、入力１０１プラス電圧により制御されたトランジスタスイッチ１００を有する。スイッチ１００が閉じると、フィードバックは分裂して、電気機械的発生器の振動の急速停止を起こす。スイッチ１００が開くと、自動発生器が急速に始動する。
図４４は、発生器９，１０を励起する電圧Ｕ１，Ｕ２の部分が総和される、本発明のモーターの電気回路を示す。この回路は、切り換えスイッチ１３０を起動すると、励起源１７，１８と発生器９，１０が、動作が交換される。これは、簡単に、モーターの回転方向の反転を行う。そのほかの構成要素に関しては、これまでに使用された参照数字は有効である。本発明のモーターのすべての可能な実施態様において、圧電セラミックは、振動子の最大取得可能な容積を占有している。従って、このようなモーターは、最大電気機械的効率の高い効果的振動子で優れている。それらは、低い励起電圧を必要とするだけで、高い負荷を可能にし、それらはまた、振動子が強い機械的応力を受けるとき働く。このモーターのモノリシックな振動子は、最大機械的応力を可能にする高い安定制御を有し、従って、モーター軸の最大機械的出力を確実にする最大振動速度を有する。
このようにして、モーターは、例えば、１０Ｗ／ｃｍ²の振動子の動作面上の特定の接線方向の負荷において、および、１ｍ／ｓの動作面の振動速度において、動作面の特定の機械的出力を送り出す。即ち、モーターの達成可能な最大機械的出力は、振動子の直径１００ｍｍで、動作面の幅１５ｍｍにおいて４５０Ｗである。
振動子の高い機械的安定性は、モーターの高い信頼性と重寿命とを確実にし、これは、強固な構成要素の信頼性に近づく。この単純な設計は、前記モーターを従来の電気モーターに競合させる正味のコストを低減する。
本明細書に、後に続く請求の範囲に、および図面に開示されたすべての特徴は、本発明とすべての希望の組み合わせにおいて本質的なものである。

Claims (17)

1. 閉じた導波管であってその導波管に弾性進行波を発生するのに適した少なくとも一つの発生器を有する導波管で構成された振動子を含むステータと、前記振動子の環状の動作面と摩擦接触しているロータとを有する圧電モータにおいて、前記発生器は前記進行波の長さに等しい長さを前記導波管の周方向に沿って有し、前記発生器は等しい振幅と波長の弾性縦定常波を発生する基本発生器と二つのブースタとで構成され、前記ブースタの一方は前記基本発生器に対し前記導波管の周方向に沿って縦定常波の波長の＋１／３だけ偏倚し、前記ブースタの他方は前記基本発生器に対し前記導波管の周方向に沿って縦定常波の波長の−１／３だけ偏倚し、励起源が前記基本発生器と前記ブースタとへ接続され、前記ブースタとそれぞれに接続された励起源とが、前者により発生された縦定常波が前記基本発生器により発生された縦定常波に対し＋２／３πと−２／３πとだけ少なくともほぼ位相ずれしているように構成され、前記導波管の周方向の長さは、縦定常波の波長、又は前記波長の整数倍に等しいことを特徴とする前記圧電モータ。
2. 請求の範囲第１項に記載の圧電モータにおいて、前記ブースタの一方は、それが、前記ブースタの他方と前記基本発生器との組み合わせで、電圧源により送られた電圧に関する電圧分配器として、又前記ブースタの他方と前記基本発生器とにより分配された電圧に関する加算器として動作するように、前記ブースタの他方と前記基本発生器とにより決定されることを特徴とする前記圧電モータ。
3. 請求の範囲第１または２項に記載の圧電モータにおいて、前記閉じた導波管が金属又はセラミックで製作された円柱状本体であり、前記発生器における基本発生器と二つのブースタが並列な電極の区画を構成していることを特徴とする前記圧電モータ。
4. 請求の範囲第３項に記載の圧電モータにおいて、前記閉じた導波管が金属又はセラミックで製作された受動的円柱状本体であり、前記発生器における基本発生器と二つのブースタが前記本体に取り付けられた圧電変換器のパケットであることを特徴とする前記圧電モータ。
5. 請求の範囲第４項に記載の圧電モータにおいて、前記振動子の前記動作面が前記ローターと接触する薄い耐磨耗性摩擦層で被覆されていることを特徴とする前記圧電モータ。
6. 請求の範囲第５項に記載の圧電モータにおいて、前記摩擦層が、圧電セラミック、例えばガラス、金属又は全ての他の材料との化合物を形成する材料で全体的に製作されていることを特徴とする前記圧電モータ。
7. 請求の範囲第６項に記載の圧電モータにおいて、前記摩擦層が基層と中間層とから構成され、前記基層が摩擦特性を決定し、前記中間層がピエゾセラミックと基層との化合物を生成していることを特徴とする前記圧電モータ。
8. 請求の範囲第７項に記載の圧電モータにおいて、前記摩擦層が合成材で製作され、前記材料の基材がピエゾセラミックとの化合物を形成し、前記摩擦層の摩擦係数を増加する充填材が使用されていることを特徴とする前記圧電モータ。
9. 請求の範囲第８項に記載の圧電モーターにおいて、前記摩擦層が高い摩擦係数の多孔性材料で製作され、前記孔がピエゾセラミックとの化合物を形成している異なる材料で充填されていることを特徴とする前記圧電モータ。
10. 請求の範囲第１〜４項に記載の圧電モータにおいて、前記二つのブースタの励起源が移相連鎖を介して前記基本発生器の励起源へ接続された出力増幅器であることを特徴とする前記圧電モータ。
11. 請求の範囲第１０項に記載の圧電モータにおいて、前記ブースターの励起源が位相角の極性反転の手段を備えていることを特徴とする前記圧電モータ。
12. 請求の範囲第１０項に記載の圧電モータにおいて、前記基本発生器の励起源が周波数制御電圧源を形成していることを特徴とする前記圧電モータ。
13. 請求の範囲第１項に記載の圧電モータにおいて、前記基本発生器とそれに対応する励起源とが正のフィードバック分岐を備え、且つそれらの構成要素において、電気機械的帰還形自動発生器を構成していることを特徴とする前記圧電モータ。
14. 請求の範囲第１２項に記載の圧電モータにおいて、前記正のフィードバック分岐が定常波を発生する前記基本発生器へ直列に接続されているインピーダンスへ接続されていることを特徴とする前記圧電モータ。
15. 請求の範囲第１２項に記載の圧電モータにおいて、前記正のフィードバック分岐が定常波を発生する前記基本発生器へ直列に接続された電流反転回路へ接続されていることを特徴とする前記圧電モータ。
16. 請求の範囲第１２項に記載の圧電モータにおいて、前記正のフィードバック分岐が前記基本発生器により発生された定常波の最大機械的応力の点に配置されたフィードバック電極へ接続されていることを特徴とする前記圧電モータ。
17. 請求の範囲第１３項に記載の圧電モータにおいて、前記モータが前記正のフィードバック分岐を遮断する制御入力を有する電子スイッチを備えていることを特徴とする前記圧電モータ。

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