JP4914895B2 - 超音波モータの圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、ロータリ超音波モータ及びリニア・モータのための圧電アクチュエータに関する。これらは、リニア動作及びロータリ動作用モータを駆動するために使用されてもよい。さらに、これらは、計器ラック、光学レンズ、光読取り／書込みヘッド、並びに高い位置合わせ精度、小寸法の駆動系及び低い供給電圧を要する他の類似デバイスを駆動するために使用されてもよい。

共振器内で音波を励起させる、層状圧電素子が貼り付けられた金属製の音波共振器で構成される超音波モータの圧電アクチュエータが知られている（特に、米国特許第５，６６５，９１８号、米国特許第５，６７２，９３０号参照）。

これらのアクチュエータの欠点は、金属共振器の寸法によって画定される、その大きい寸法にある。さらに、これらのアクチュエータは圧電活性部分の容積が小さく、のみならず圧電素子の厚さが大きく、これにより電気機械的結合係数が大幅に下がり、よって励起電圧は著しく高まる。加えて、このようなアクチュエータは複雑な構造を有し、人手による組立が必要であって製造コストが増大する。

さらに、その圧電素子が薄い層状パケットとして金属共振器へ接続される超音波モータ用圧電アクチュエータ（特に、米国特許第５，１３４，３３４号、米国特許第５，４１６，３７５号参照）も知られている。これらのアクチュエータの欠点は、その大きな寸法、その複雑な構造及び高い製造コストにある。

さらに、その主たる２つの表面に電極が取り付けられる圧電プレートで構成される、超音波モータ用圧電アクチュエータも知られている（特に、米国特許第６，３８４，５１５号、米国特許第７，７１４，８３３号参照）。

欠点は、これらのアクチュエータが高い励起電圧を必要とすることにある。これは、電気機械的結合係数が低い曲げ共振が使用されるという事実に起因する。このようなアクチュエータの最大励起電圧値は、３００Ｖ_ｅｆｆに達する。別の重要な欠点は、曲げ共振の領域内にある第２の縦共振の存在にある。これは、これらのアクチュエータの制御をより困難にし、その結果、アクチュエータ自体が励振周波数を決定する自励原理によって作動される単純な励起回路を構築することが不可能となる。これにより、駆動装置の熱安定性は著しく低下し、アクチュエータの動作安全性は下がり、製造経費は高くなる。

さらに、多層圧電素子が金属共振器本体内へ押し付けられる、超音波モータの小型圧電アクチュエータも知られている（特に、米国特許出願第２００４／０２５６９５４ Ａ１号参照）。これらのアクチュエータは小型サイズであり、低い励起電圧を有する。

これらのアクチュエータの動作原理は、近接して存在する共振周波数における共振器内の２タイプの定在波の励起を基礎とする。従って、移動素子の動作を反転させるためには、励起回路の周波数は一方から他方の共振周波数へ同調されなければならない。この場合は、励起回路を、その周波数がアクチュエータの機械パラメータによって予備決定される自励原理を基礎として構成することはできない。これにより、アクチュエータの動作安定性は下がり、励起回路の構造はより複雑なものとなり、駆動システムは全体としてより高価になる。

本発明の目的は、より小さい寸法、より低い励起電圧、より大きい動作安定性及び安全性、並びに単純化された制御及びより低い製造コストを特徴とする、改良された汎用タイプの圧電アクチュエータを提供することにある。

この目的は、請求項１に記載された特徴を備えるデバイスによって達成される。本発明的考案の有益な実施形態は、従属請求項に定義されている。

本発明は、構造的実施形態で、超音波モータ用圧電アクチュエータをこのアクチュエータ用制御ユニットを備えて構築する考案を含み、これによって、励振周波数がアクチュエータの機械パラメータによって予備決定される自励原理に従って動作する、制御ユニット内の単純構造の励起素子が可能になる。

音響定在波の多層発生器を有する音響振動共振器で構成される超音波モータ用圧電アクチュエータでは、上記音響振動共振器は、２つの主要な表面と、２つの側面と、２つの端面とを備える長方形の圧電プレートとして形成され、かつその内部に多層構造体を有することが規定されている。この多層構造体は、共通電極の層と交互する励起電極の層、及びこれらの間に置かれる分極セラミックの層を表し、分極ベクトルは電極の表面に対して垂直に伸張する。全ての励起電極は、互いに接続されない、先述のプレートの対称面に対して対称に配置される２グループに分割される。これにより、この対称面はプレートの主表面及び側面に対して垂直に、即ちその中心を通って伸張し、励起電極の各グループは、共通電極及びこれらの間の圧電セラミックと共に、圧電プレートの対称面に対して非対称に配置される音波の多層発生器を形成する。

圧電アクチュエータの好適な一実施形態では、共通電極は、その形状が励起電極の形状の反復である２つの部分で構成されてもよい。これにより、提案しているアクチュエータを使用する可能性は高まる。

アクチュエータの実施形態の様々な変形例では、励起電極及び共通電極は、圧電プレートの端面に並行して配置されてもよい。これにより、アクチュエータの変形の縦成分は増大する。

超音波モータの圧電アクチュエータの他の変形例では、励起電極及び共通電極は、圧電プレートの側方の端に対して並行に配置されてもよい。これにより、アクチュエータの変形の垂直成分は増大する。

アクチュエータの以下の有益な実施形態では、励起電極及び共通電極は、圧電プレートの主要な表面に並行して配置されてもよい。これにより、アクチュエータの変形の縦成分と垂直成分との間の励起強度差が補償される。

提案しているアクチュエータでは、超音波モータの圧電プレートの少なくとも一方の側面に、励起電極と共通電極とを互いに接続する導電電極が取り付けられてもよい。

また、励起電極と共通電極とを互いに接続する導電電極は、圧電プレートの少なくとも一方の主要な表面に取り付けられてもよい。

また、励起電極と共通電極とを互いに接続する導電電極は、圧電プレートの両端面に取り付けられてもよい。

これらは全て、本発明によるアクチュエータの構造上の可能性を高める。

提案している圧電アクチュエータの変形例によっては、アクチュエータの圧電プレートの少なくとも一方の側面に摩擦エレメントが設けられてもよい。これは、提案しているアクチュエータの可動摩擦レールを有するモータにおける使用を可能にする。

本発明による圧電アクチュエータの他の実施形態では、アクチュエータの圧電プレートの少なくとも一方の側面に摩擦層が設けられてもよい。これは、提案しているアクチュエータの滑動ブロックを有するモータにおける使用を可能にする。

本発明によれば、アクチュエータの制御ユニットは、電力増幅器及びフィードバック・ループを備える単チャネルの自動発生器で構成されてもよく、上記フィードバック・ループはフィードバック・エレメント及び方向反転スイッチを備え、上記方向反転スイッチは電力増幅器を対応する音波発生器へ交互に結合する。これは、制御ユニットの単純化を可能にする。

また、アクチュエータの制御ユニットは、２つの電力増幅器及び１つのフィードバック・ループを備える２チャネルの自動発生器で構成されてもよく、上記フィードバック・ループはフィードバック・エレメント及び方向反転スイッチを備え、上記方向反転スイッチは上記フィードバック・ループを自動発生器の対応するチャネルへ交互に結合する。これにより、アクチュエータの効率が上がる。

アクチュエータの制御ユニット内のフィードバック・エレメントは、抵抗器、キャパシタまたはこれら双方の構成要素で形成されてもよく、上記双方の構成要素は、並列して上記圧電アクチュエータの共通電極のグループへ接続される。これにより、フィードバック・エレメントは単純化される。

アクチュエータの制御ユニットの任意の変形例では、フィードバック・エレメントは、圧電アクチュエータの共通電極のグループへ接続される直列ＬＣ回路の形式である可変周波数フィルタのキャパシタを備えてもよい。これにより、フィードバック・ループ内の電圧を上げることができる。

提案しているアクチュエータの制御ユニットでは、可変周波数フィルタを備える直列ＬＣ回路のフィードバック・ループ内のキャパシタの容量は、励起電極グループの一方と共通電極グループとの間のアクチュエータの静電容量に等しくてもよい。これにより、可変周波数フィルタのパラメータは最適化される。

さらに、本発明によるアクチュエータの制御ユニットは、出力が単チャネルまたは２チャネル自動発生器の電圧源の入力へ接続される広域パルス電圧コントローラを有してもよく、その制御入力は、アクチュエータの励起レベルを制御するためのアナログ入力を形成する。これにより、アクチュエータをアナログ制御することができる。

アクチュエータの制御ユニット内の広域パルス電圧コントローラの同期入力は、単チャネルまたは２チャネルの自動発生器の信号回路へ直に、または周波数逓倍器を介して接続されることが可能である。これにより、組立ての妨害保護及びその動作速度を高めることができる。

本発明の優位点及び効果は、図面を使用して行う好適な実施形態に関する以下の説明からさらに明らかとなるであろう。

図１は、超音波モータの圧電アクチュエータ１を示す。これは、音響振動共振器２で構成される。共振器２は、２つの主要な表面４と、２つの側面５と、２つの端面６とを有する長方形の圧電プレート３として形成され、Ｌは側面５に沿ったプレート３の長さであり、Ｈは端面６に沿った高さである。提案しているアクチュエータ１のＬ／Ｈ比は、２と３の間である。

圧電プレート３は、その内部に多層構造体を有し、これは、並行する共通電極８の層と交互に並行する励起電極７の層、及びこれらの電極間に置かれる分極圧電セラミック９の層で形成され（図３参照）、分極ベクトルは電極表面７及び８に対して垂直に伸張する。図３の矢印、位置１０及び１１を参照されたい。分極ベクトルの方向は、圧電プレート３の分極軸に一致する。図３及び他の図面に示す点線１２を参照されたい。

全ての励起電極７は、プレート３の主表面４及び側面５に対して垂直に、即ちこれらの縁の中心を通って延びる対称面１５に対して対称に配置される、互いに接続されない２つの電極グループ１３及び１４に分割される。図１及び他の全ての図面における点線１６は、面１５と面４及び５とが交差するラインを示す。これらのラインは各々、対応する面の中線となる。

励起電極グループ１３及び１４は、共通電極７のパーツ及びこれらの間に置かれる圧電セラミック層９と共に、音響定在波の多層発生器１７及び１８を形成する。発生器１７または１８は各々、対称面１５に対して非対称に配置される。

圧電セラミック多層プレート３は、多層技術に対応して製造される。概して、この技術は、次のように説明することができる。第１に、有機結合剤により粒子が互いに結合される、低温圧電原料の薄いテープが製造される。次に、テープからシートが切り抜かれる。この時点で、パラジウム・ペースト製の電極が付着される。次に、シートはコンパクト・ブロックとして互いに押し付けられてプレート３が形成され、炉内で焼き付けられる。焼成の間、有機結合剤は圧電セラミックから揮発し、圧電セラミックが焼結され、パラジウム・ペーストから金属電極が形成される。この技術による一般的な層の厚さは、３０から５０マイクロメートルになる。

共通電極８は、図１０に示すように、励起電極７の形状が反復される２つの類似パーツ１９及び２０から成ってもよい。

電極７、８の各々、またはこれらの電極の各パーツ１９、２０は、導電電極２２、２３及び２４（図１、４、６、８、１１、１３、１４、１５、１６参照）へ電気接続される導電ショルダ２１（図１、２、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２参照）を有する。

クロム、銅、ニッケル、銀のイオン・スパッタリング及びこれに続く焼付けによって、導電電極を、プレート３の焼結面へ装着することが可能である。

提案しているアクチュエータでは、励起電極７及び共通電極８は、プレートの端面６に並行して配置されてもよい（図１、４参照）。電極７及び８は、プレート３の側面５に並行して配置されてもよい（図６参照）。さらに、電極７及び８は、プレート３の主表面４に並行して配置されてもよい（図８、１１参照）。

導電電極２２、２３、２４は、プレート３の側面５の一方へ（図１、８、１３、１５）、またはこれらの双方へ（図示されていない）装着されてもよい。また、導電電極２２、２３及び２４は、プレート３の主表面４の一方へ（図示されていない）、または双方へ（図４参照）装着されてもよい。また、電極２２、２３、２４は、プレート３の端面６へ装着されてもよい（図６、１１、１４、１６参照）。

図１３、１４に示すように、提案している発振器の変形実施形態は、プレート３の側面５の一方または双方へ固定される摩擦エレメント２５を有してもよい。

摩擦エレメントは、例えば酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３、酸化ジルコニウムＺｒＯ_２、窒化珪素Ｓｉ_３Ｎ_４、炭化珪素ＳｉＣ、窒化ホウ素ＢＮ、炭化ホウ素Ｂ_４Ｃ、炭化タングステンＷＣ、炭化チタンＴｉＣまたはこれらに類似するものである硬質の耐摩耗性物質で製造される。

これらの耐摩耗性エレメントは、プレート３の圧電セラミックへ化学的に結合される物質によってプレート３へ固定されることが可能である。これは、含鉛ガラスまたは類似物質によって達成されてもよい。さらに、上記エレメントは、プレート３へエポキシ樹脂接着剤によって接着されてもよい。

摩擦エレメントは、添加剤と同様の耐性があるフィラーを有する硬質の耐摩耗性プラスチック材料で製造されてもよい。これらのフィラーには、半結晶性の構造体及びガラス繊維を有するポリアリールアミドを基礎とする材料、グラファイト繊維、金属粉末、酸化物セラミック粉末、またはプラスチック材料を凝固しかつ熱伝導率を高める別のフィラーとしての材料が含まれる。

これらの摩擦エレメントは、固体硬化型エポキシ樹脂接着剤によってプレート３へ接着することが可能である。

提案しているアクチュエータの他の実施形態では、図１５、１６に示すように、プレート３の側面５の一方または双方へ摩擦層２６が配置されてもよい。

摩擦層２６は、プレート３の表面へ融解される硬質の耐摩耗性ガラス層で製造されてもよい。このようなガラスでは、アルミニウム粉末、酸化ジルコニウム粉末または他の任意の耐摩耗性物質がフィラとして使用されてもよい。また、層２６は、チタンＴｉ、クロムＣｒ、窒化チタンＴｉＮ、炭化チタンＴｉＣ、炭窒化チタンＴｉＣＮ、窒化クロムＣｒＮ、窒化チタンアルミＴｉＡｌＮ、窒化ジルコニウムＺｒＮ、窒化チタンジルコニウムＴｉＺｒＮ、窒化チタンクロムＴｉＣｒＮまたは他の任意の材料の薄層を蒸着することによって製造されてもよい。

アクチュエータ１のプレート３は、表面を湿気から保護するために、有機ラッカー、ガラス、セラミックまたは他の任意の非導電材料の薄層（図示されていない）で被覆されてもよい。

ある有益な実施形態は、方向選択スイッチ２９を伴う自動発生器２８で構成される制御ユニット２７（図１７参照）を含む。

図１８は、プレート３０と、自動発生器２８へ接続される音波発生器１７とを示す。電極７及び８へは交流電圧が印加され、電流ｉがアクチュエータを介して流される。

図１８の数字３１、３２は、プレート３の変形パターンを示す。位置３３は、側面５の表面上に配置される点３５の動作経路３４、並びに動作経路３４の包絡曲線３６を示す。

図１９は、超音波モータと、可動摩擦レール３７と相互作用する摩擦エレメント２５を備えるアクチュエータ１とを示す。アクチュエータ１は、ばね３８によって可動摩擦レール３７へ押し付けられる。

図２０は、超音波モータと、引張りばね４０によりアクチュエータ１の側面５へ押し付けられる滑動ブロック３９と相互作用する２つの摩擦層２６を備えるアクチュエータ１とを示す。

図２１の位置４１は、電気的励起電圧Ｕの周波数ｆに対するアクチュエータ１の入力抵抗Ｚの依存性を示し、位置４２は、電流ｉに対する電気的励起電圧Ｕ間の位相シフトＶの依存性を示す。アクチュエータ１の動作周波数は、周波数ｆ_ａに等しい。

図２２に示す自動発生器２８の発明的実施形態では、制御ユニット２７は単チャネルの自動発生器４３として構成されてもよい。このような自動発生器は、電源入力４５を備える電力スイッチ４４と、フィードバック・ループ４６と、フィードバック・エレメント４７と、制御入力４９を備える方向反転スイッチ４８と、可変周波数フィルタ５０とで構成されてもよい。供給電圧Ｕは、電源入力４５へ印加される。電力増幅器４４は、ハーフブリッジ最終増幅器５１と駆動装置５２とから成ってもよい。フィードバック・ループ４６は、増幅セクション５３と、フィルタ・セクション５４と、制御入力５６を備える回路ブレーカ５５とを含んでもよい。フィードバック・エレメント４７は、抵抗器５７と、キャパシタ５８または双方を含んでもよく、これらは共通電極８のグループへ並行して接続される。可変周波数フィルタ５０は、直列ＬＣ回路のインダクタンス・コイル５９とキャパシタ６０とで構成されてもよい。

図２３に示す自動発生器２８のさらなる発明的変形実施形態では、制御ユニット２７は２チャネル自動発生器６１として構成されてもよい。このような自動発生器６１は、２つのチャネル６２及び６３を形成する電力増幅器４４で構成される。

自動発生器の全ての変形例においては、可変周波数フィルタ５０のキャパシタ６０がフィードバック・エレメント４７の代わりに使用されてもよく、フィードバック・ループ４６はさらに位相シフタ・セクション６４（図２３参照）を備えてもよい。

全ての変形実施形態で、可変周波数フィルタ５０のキャパシタ６０の静電容量は、励起電極１３または１４の一方のグループと共通電極のグループとの間の静電容量に等しくてもよい。

以下の実施形態では、制御ユニット２７は、電源入力６６を備える広域パルス電圧コントローラ６５で構成されてもよく、その出力６７は自動発生器２８の電源入力４５へ接続される。

広域パルス電圧コントローラ６５は、電力増幅器６８と、フィルタ６９と、アナログ制御入力７１を備える広域パルス信号のアナログ信号変換器７０とで構成される。また、上記変換器は同期入力７２を含んでもよい。

同期入力７２は、自動発生器２８の信号回路７３へ直に、または周波数逓倍器７４を介して接続されることが可能である。

図２０は、光集束ユニット７５を駆動するための本発明によるアクチュエータを示す。アクチュエータ１は集束ユニット７５のハウジング７６内に収容され、ハウジング７６上にガイド７７がガイド上を滑動可能なレンズ・グループ７９のホルダ７８と共に付着される。アクチュエータ１は、半球として形成される滑動ブロック３９の側面５へ、プロファイルされたばね８０によって押し付けられる。

提案している圧電アクチュエータ１は、次のように動作する。制御ユニット２７へ供給電圧が印加されると、周波数がアクチュエータ１の動作周波数ｆ_０に等しい自動発生器２８によって電圧が生成される（図１７、１８の位置３０参照）。この電圧は、共通電極８及び励起電極７のグループ１３または１４へ供給され、圧電セラミック層９と共に音響定在波の多層発生器１７及び１８を形成する。

これにより、電極グループ８と７との間に圧電セラミックの層９に作用する時変性の電界Ｅが発生され、そのベクトルは圧電セラミックの分極方向に沿って、即ち圧電セラミック・プレート３の極軸１２に沿って配向される。圧電セラミック層９は薄い（３０−５０マイクロメートル）ことから、小さい電圧でアクチュエータ内に十分大きな電界を生成することが可能である。従って、アクチュエータ１の駆動に要する電圧を大幅に下げることができる。

圧電セラミックに作用する交番電界Ｅは、圧電セラミック・プレート３が周波数ｆ_０で極軸１２沿いに、かつさらには互いに対して垂直である二方向へ拡大／縮小を交互に開始する、という効果を有する。圧電モジュールｄ_３３は、極軸に沿ったプレート３の変形効率を規定し、圧電モジュールｄ_３１は、互いに対して垂直である他の二方向での変形効率を規定する。

極軸１５は、端面６に垂直に（図１、４参照）、側面５に垂直に（図６参照）かつその主表面４に垂直に（図１１参照）伸張することができる。

制御ユニット２７は、供給電圧Ｕにより発生される動作周波数ｆ_０が自動的に共振周波数ｆ_ａに等しく（または、これに近く）維持されるようにして実現される。上記共振周波数は、アクチュエータ１内で発生器１７または１８により非対称定在波が発生される、アクチュエータ１のプレート３の非対称発振の共振周波数に等しい（図１９、位置３７参照）。この波は、その励起中、プレート３の側面５に配置される点の動作経路の主たる傾向が採用されることにおいて、他のタイプの波とは異なる。

プレート３の長さＬ及び高さＨは、励起波の共振規模を表す。プレート３の厚さは、共振規模を表さない。従って、励起波の主要な変形成分は、常にプレート３の主表面４に対して並行に配置される。プレート３は、実質的に、その厚さに関しては変形されない。従って、発生される波は、プレート３の主表面４に対して並行に伸張する「表面」波を表す。

図１８の位置３１及び３２は、アクチュエータ１における非対称定在波の発生中に形成される圧電セラミック・プレート３の主表面４の２つの変形フェーズを示す。これらの図は、時間が発振周期の半分だけシフトされている。図１８の位置３３は定在波の非対称性を説明しているが、これは、プレート３の側面５上の点３５の点移動経路３４も示す。ライン３６は、移動３４の包絡曲線を表す。このラインは、表面１５の動作を非対称に反復している。位置３３は、発生器１７または１８から離れて方向づけられる点移動経路３４の支配的傾向を示す。

共振の発生及び非対称定在波自体の共振周波数は、選択されるＬ／Ｈ比及び音響振動の発生器１７、１８の構成上の実現によって決定され、この場合、これらの発生器はプレート３の対称面１５に対して非対称に配置される（お互いに関しては、発生器１７、１８は対称面１５に対して対称に配置される）（図１８、位置３０参照）。最適なＬ／Ｈ比は、約２．２５である。最適なＬ／Ｈ比を有するプレートの共振周波数ｆ_ａは、公式ｆ_ａ＝Ｎ／Ｌに従って決定することができる。ここで、Ｎは個々のタイプの定在波の圧電セラミックの周波数定数であり、使用される材料は圧電セラミック材料である。ＰＩ Ｃｅｒａｍｉｃ社の圧電セラミックＰＩＣ１８１の場合は、Ｎ＝４３５２ｋＨｚ ｍｍである。

図１９は、摩擦エレメント２５がプレート３の側面５に固定されている超音波モータの変形実施形態を示す。プレート３内に非対称定在波を発生させることにより、摩擦エレメント２５は側面５と共に、可動摩擦レール３７に対して傾斜された動作経路上で振動し、これにより、摩擦エレメントは発生器１７または１８から遠ざかる方向へ、即ち電圧が印加される発生器に支配されて移動させられる。

図２０は、摩擦層２６がプレート３の側面５へ装着されている超音波モータの変形実施形態を示す。プレート３内に非対称定在波を発生させることにより、点は摩擦層２６の中心で傾斜経路上を移動し、滑動ブロックは、作動される発生器１７または１８から離れて移動させられる。

図２１の位置４１は、５０から５５０ｋＨｚの範囲における、励起電圧Ｕの周波数に対するアクチュエータ１の入力インピーダンスＺの依存性を示す。このグラフ表示は、ＰＩ Ｃｅｒａｍｉｃ社の圧電セラミックＰＩＣ１８１で製造された寸法１６×６．６×３ｍｍのアクチュエータ１を示す。位置３８は、このアクチュエータ１の電流Ｉ（図１８の位置３０参照）に対する励起電圧Ｕの位相シフトＶの依存性を示す。

周波数に対するインピーダンスＺの依存性（位置４１）は、周波数ｆ_ａの範囲では特に優れた共振のみが発生することを実証している。この共振は広域で特に優れ、これにより、周波数ｆ_ａでは、アクチュエータ１の電気抵抗は他の共振周波数範囲の場合の約１０分の１である。

周波数ｆ_ａにおける位相シフトＶの角度は０に等しいため、アクチュエータ１の励振器を、アクチュエータ１の励起電圧の周波数がアクチュエータの機械パラメータによって予め定義される自励原理を基礎として単純な構成で構築することが可能である。

これは、共振周波数ｆ_ａにおけるアクチュエータ１のリアクタンスが力学的質量のリアクタンスによって補償され、よって、この周波数における位相シフトＶはゼロに等しくなる、という事実によって説明することができる。即ち、周波数スケールでの位相シフトのゼロ位置は、アクチュエータ１の重量及び硬度によって決定される。

ほぼ共振周波数ｆ_ａに等しい電圧Ｕの周波数ｆ_０を自動調整するために、提案している制御ユニット２７の実装は自動発生器２８から成る（図１７）。

概して、自動発生器２８の電気回路は正のフィードバックを有するセクションの閉回路から成り、上記回路では、周波数ｆ_ａでの位相シフトが各々０または３６０゜に等しく、この周波数における増幅係数は１より大きい。

図２２は、自動発生器２８の単チャネル変形例の電気回路を示す。この変形例では、セクションの閉回路は、アクチュエータ１及びフィードバック・エレメント４７、増幅セクション５３とフィルタ・セクション５４と回路ブレーカ５５とを有するフィードバック・ループ４６、電力増幅器４４、及び可変周波数フィルタ５０から成る。

自動発生器のこの変形例では、抵抗器５７は、電圧がアクチュエータを流れる電流Ｉに比例するフィードバック・エレメントを表す。増幅セクション５３は、フィードバック・ループ４６において信号を増幅させる働きをする。フィルタ・セクション５４は、フィードバック・ループ４６内で増幅エレメント５３によって形成されるフィードバック信号から第１の調波を濾波する働きをする。この増幅器は、アクチュエータ１の電力増幅器４４である。可変周波数フィルタ５０は、アクチュエータ１上のハーフブリッジ最終増幅器５１の同調に必要である。

フィルタ・セクション５４及び可変周波数フィルタは、広い通過帯域幅を有する帯域通過フィルタであり、その共振周波数はアクチュエータ１の周波数ｆ_ａに同調される。これらのフィルタの通過帯域幅は、周波数ｆ_ａの１０・・・３０％である。フィードバック・エレメント４７の抵抗器５７を備えるアクチュエータ１は、０．５・・・１．０％の通過帯域幅を有する狭帯域フィルタを表す。

エレメント５０及び５４は、周波数ｆ_ａにおいて位相シフトを生じさせないが、他の全ての周波数で位相シフトを生じさせる。周波数ｆ_ａにおける位相シフトの不発生は、増幅セクション５３の増幅係数が相応して選択され、周波数ｆ_ａにおける自動発生器２８の電気回路全体における増幅係数が１より大きければ、自動発生器２８は常に周波数ｆ_ａで発振を開始することを意味する。フィードバック・エレメント５７を備えるアクチュエータ１の通過帯域幅はエレメント５４及び５０の通過帯域幅より遙かに小さいことから、自動発生器２８の励振周波数を決定するのは主としてアクチュエータ１である。

回路ブレーカ５５は、電力増幅器４４の駆動装置５２からのフィードバック・ループ４６の分離を可能にし、これにより、自動発生器２８の自励が停止される。

キャパシタ５８は、自動発生器２８の周波数ｆ_ａへの小さな位相シフトしか必要でない場合、フィードバック・エレメント４７として使用される。

図２３は、自動発生器２８の２チャネル変形例６１を示す。自動発生器２８は、方向反転スイッチ４８によってフィードバック・ループ４６へ接続されるチャネル６２及び６３で構成される。チャネル６２、６３及び方向反転スイッチ４８は、チャネル６２または６３をフィードバック・ループ４６へ接続した時点で、導電電極２２または２３が中性線及び電源入力４５から分離されるように構成される。これにより、アクチュエータ１の効率が高まる。

自動発生器２８の全ての変形例において、可変周波数フィルタ５０のキャパシタ６０がフィードバック・エレメント４７として使用されてもよい。これにより、フィードバックの信号レベルが高まる。

キャパシタ６０へ印加される電圧は、アクチュエータを介して流れる電流Ｉに対して９０゜位相シフトされる。位相シフト部材６４は、フィードバック・ループ内の位相補償をもたらし、よって信号は反対方向へ９０゜シフトされる。

可変周波数フィルタ５０の直列ＬＣ回路のキャパシタ６０の容量は、一方の励起電極グループと共通電極グループとの間に形成されるアクチュエータの電気容量に等しくてもよい。これにより、可変周波数フィルタの特性は向上し、よって、その特性抵抗はアクチュエータ１の抵抗に対して最適である。

図２４は、追加的に広域パルス電圧コントローラ６５を備える制御ユニット２７の変形実施形態を示す。広域パルス電圧コントローラ６５は、アナログ制御入力７１を伴う広域パルス信号のアナログ信号変換器７０を含む。この変換器は、電力増幅器６８を介してフィルタ６９へ供給される広域パルス信号を発生する。

変換器６５の出力６７へ印加される電圧は、出力７１におけるアナログ電圧に比例する。電圧は、出力６７から、電力増幅器４４の電源入力４５へ供給される。入力４５における電圧変動は、結果的に、アクチュエータ１の励起レベルを増大または低下させる。

変換器７０は、自動発生器２８の信号回路７３へ直に接続される、または周波数逓倍器７４を介して上記信号回路へ接続される同期入力７２を備えてもよい。

図２０に示すアクチュエータの変形例は、次のように動作する。制御ユニット２７からの励起電圧が発生器１７または１８へ印加されると直ぐに、アクチュエータ１は、ばね８０によりアクチュエータ１の側面５へ押し付けられる滑動ブロック３９を動作させる。滑動ブロックのこの動作はばね８０を介してホルダへ伝達され、ガイド７７上のレンズ・グループ７９が変位される。

金属製の音響振動共振器が免除されることにより、本発明による実現は、アクチュエータの寸法の３倍から５倍の低減を可能にする。さらに、本発明は、アクチュエータの励起電圧をほぼ１００分の１に減らすことができる。アクチュエータの動作安定性は、音響振動共振器と圧電変換器との間の接着式接続が免除されることにより著しく高まる。本発明は、アクチュエータを励起する電圧の周波数がアクチュエータ自体により発生される単純なアクチュエータ制御ユニットの構築を可能にする。これにより、アクチュエータの動作安定性は、広い温度範囲及び機械応力範囲に渡って著しく高まる。多層技術は、製造プロセスの自動化、及びこれによる製造コストの低減を可能にする。さらに制御ユニットは、その構成の単純化によってコストの大幅な低減を可能にする。

提案しているアクチュエータの主要な変形例を示す。 提案しているアクチュエータの基本的変形例の電極構成を示す。 アクチュエータの圧電セラミックの分極方向を示す。 提案しているアクチュエータの変形実施形態を示す。 図４のアクチュエータ電極の変形実施形態を示す。 本発明によるアクチュエータを具現したものである。 図６のアクチュエータの電極構成を示す。 提案しているアクチュエータの変形実施形態を示す。 図８のアクチュエータの電極構成の変形実施形態を示す。 図８のアクチュエータの電極構成の変形実施形態を示す。 提案しているアクチュエータの変形実施形態を示す。 図１１のアクチュエータの電極構成の変形を示す。 摩擦エレメントを１つ備えるアクチュエータを示す。 摩擦エレメントを２つ備えるアクチュエータを示す。 摩擦層を１つ備えるアクチュエータを示す。 摩擦層を２つ備えるアクチュエータを示す。 制御ユニットを備えるアクチュエータを示す。 提案しているアクチュエータの動作原理を説明する諸図を示す。 提案しているアクチュエータを備える超音波モータの変形実施形態を示す。 提案しているアクチュエータを備える超音波モータの変形実施形態を示す。 提案しているアクチュエータの周波数特性を示す。 単チャネルの自動発生器を有するアクチュエータの制御ユニットの電気回路を示す。 ２チャネルの自動発生器を有するアクチュエータの制御ユニットの電気回路を示す。 広域パルス電圧コントローラを有するアクチュエータの制御ユニットの電気回路を示す。 提案しているアクチュエータの使用例を示す。

符号の説明

１ アクチュエータ
２ 音響振動共振器
３ 直角圧電プレート
４ プレート３の主表面
５ プレート３の側面
６ プレート３の端面
７ 励起電極
８ 共通電極
９ 圧電セラミック層
１０，１１ 圧電セラミックの分極方向
１２ 圧電プレート３の極軸
１３，１４ 励起電極７のグループ
１５ 対称面
１６ 端４及び５と対称面との交線
１７，１８ 音響定在波の多層発生器
１９，２０ 共通電極８のパーツ
２１ 導電ショルダ
２２，２３，２４ 導電電極
２５ 摩擦エレメント
２６ 摩擦層
２７ 制御ユニット
２８ 自動発生器
２９ 制御ユニット２７の方向選択スイッチ
３０ プレート３の略表示
３１，３２ プレート３の変形パターン
３３ 点の動作経路の表示
３４ 点３５の動作経路
３５ 側面５の表面の点
３６ 移動経路３４の包絡曲線
３７ 可動摩擦レール
３８ ばね
３９ 滑動ブロック
４０ 引張りばね
４１ アクチュエータ１のインピーダンス／周波数依存性
４２ アクチュエータ１の位相／周波数依存性
４３ 単チャネルの自動発生器
４４ 自動発生器２８の電力増幅器
４５ 電力増幅器４４の電源入力
４６ フィードバック・ループ
４７ フィードバック・エレメント
４８ 自動発生器２８の方向反転スイッチ
４９ 反転スイッチ４８の制御入力
５０ 可変周波数フィルタ
５１ ハーフブリッジ最終増幅器
５２ 駆動装置
５３ 増幅セクション
５４ フィルタ・セクション
５５ 回路ブレーカ
５６ 回路ブレーカ５５の制御入力
５７ フィードバック・エレメント４７としての抵抗器
５８ フィードバック・エレメント４７としてのキャパシタ
５９ 可変周波数フィルタ５０のインダクタンス・コイル
６０ 可変周波数フィルタ５０のキャパシタ
６１ ２チャネル自動発生器
６２，６３ 自動発生器６１のチャネル
６４ フィードバック・ループ４６の位相シフト部材
６５ 広域パルス電圧コントローラ
６６ 広域パルス電圧コントローラ６５の電源入力
６７ 広域パルス電圧コントローラ６５の出力
６８ 広域パルス電圧コントローラ６５の電力増幅器
６９ 広域パルス電圧コントローラ６５のフィルタ
７０ 広域パルス信号のアナログ信号変換器
７１ アナログ信号変換器７０のアナログ制御入力
７２ アナログ信号変換器７０の同期入力
７３ 自動発生器２８の信号回路
７４ 周波数逓倍器
７５ 光集束ユニット
７６ ユニット７５のハウジング
７７ ガイド
７８ 光学レンズ・グループのホルダ
７９ 光学レンズ・グループ
８０ プロファイルされたばね

Claims (16)

1. 実質的に、２つの主要な表面と、２つの側面と、２つの端面とを備える長方形の圧電プレートとして形成される音響振動共振器を備える、特に超音波モータのための圧電アクチュエータであって、
   前記圧電プレートの少なくとも一方の側面に摩擦エレメント又は摩擦層が設けられ、
   前記音響振動共振器は、その内部に多層構造体を有し、
   前記多層構造体は、共通電極の層と交互する励起電極の層、及びこれらの間に置かれる分極セラミックの層を表し、分極ベクトルは前記電極の表面に対して垂直に伸張し、
   全ての励起電極は、前記圧電プレートの主表面及び側面に対して垂直に、即ちこれら主表面及び側面の縁の中心を通って延びる対称面に対して対称に配置される、互いに接続されない２グループに分割され、
   前記励起電極の各グループは、前記共通電極及びこれらの間の圧電セラミックと共に、前記圧電プレートの対称面に対して非対称に配置される音響定在波の多層発生器を形成し、
   前記音響定在波の励起中、圧電プレートの側面に配置される点の動作経路が前記対称面に対して傾斜していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記共通電極は、その形状が前記励起電極の形状の反復である２つの部分で構成される、請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記励起電極及び前記共通電極は、前記圧電プレートの端面に並行して配置されることを特徴とする、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記励起電極及び前記共通電極は、前記圧電プレートの側面に並行して配置されることを特徴とする、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記励起電極及び前記共通電極は、前記圧電プレートの主表面に並行して配置されることを特徴とする、請求項１または２記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記圧電プレートの少なくとも一方の側面に、前記励起電極と前記共通電極とを互いに接続する導電電極が取り付けられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記圧電プレートの少なくとも一方の主表面に、前記励起電極と前記共通電極とを互いに接続する導電電極が取り付けられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記圧電プレートの端面に、前記励起電極と前記共通電極とを互いに接続する導電電極が取り付けられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
9. 制御ユニットは単チャネルまたは２チャネルの自動発生器を有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記制御ユニットは、可変周波数フィルタを伴う電力増幅器と、フィードバック・エレメント及び方向反転スイッチへ接続されるフィードバック・ループとを備える単チャネルの自動発生器を備え、前記方向反転スイッチは前記電力増幅器を対応する音波発生器へ交互に結合することを特徴とする、請求項９記載の圧電アクチュエータ。
11. 前記制御ユニットは、２つの電力増幅器と、フィードバック・エレメント及び方向反転スイッチへ接続される１つのフィードバック・ループとを備える２チャネルの自動発生器を備え、前記方向反転スイッチは前記フィードバック・ループを前記自動発生器の対応するチャネルへ交互に結合することを特徴とする、請求項９記載の圧電アクチュエータ。
12. 前記フィードバック・エレメントは、抵抗器、キャパシタ、または並列して接続されるこれら双方の構成要素で形成され、かつ前記圧電アクチュエータの前記共通電極のグループへ接続されることを特徴とする、請求項１０または１１記載の圧電アクチュエータ。
13. 前記フィードバック・エレメントは、前記圧電アクチュエータの前記共通電極のグループへ接続される、直列ＬＣ回路の形式である可変周波数フィルタのキャパシタを備えることを特徴とする、請求項１０または１１記載の圧電アクチュエータ。
14. 前記直列ＬＣ回路のキャパシタの静電容量は、前記励起電極グループの一方と前記共通電極グループとの間のアクチュエータの静電容量に等しいことを特徴とする、請求項１３記載の圧電アクチュエータ。
15. 前記制御ユニットはさらに、出力が前記単チャネルまたは前記２チャネル自動発生器の電圧源の入力へ接続される広域パルス電圧コントローラを備え、その制御入力は、前記アクチュエータの励起レベルを制御するためのアナログ入力を形成することを特徴とする、請求項９から１４のいずれか一項記載の圧電アクチュエータ。
16. 前記広域パルス電圧コントローラの同期入力は、単チャネルまたは２チャネルの自動発生器の信号回路へ直に、または周波数逓倍器を介して接続されることを特徴とする、請求項１５記載の圧電アクチュエータ。

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