JP5265370B2 - 電気機械波デバイス - Google Patents

Description

本発明は、機械部材を摩擦によって運動させるために用いられる電気機械波デバイスと電気機械波デバイスを設計および製造するための方法とに関する。

従来の超音波進行波モータは、ハイテク用途向けであった。ハイテク用途では、このモータの特徴（たとえば低速での高トルクによるダイレクト・ドライブ、サイズに無関係な効率、高い出力対荷重比、低騒音ドライブなど）は、製造コストを低くすることよりも優先度が高かった。進行波モータ内のステータの設計として、単一の圧電セラミック素子を金属製キャリアに取り付けたものが知られている。この場合、セラミック素子はステータと同じ形状に機械加工されている。たとえば管状に成形された回転モータである。この場合、製造コストおよび材料コストが高くなる。

本発明によれば、機械波の伝搬と基板に収容された導体を通した電気信号の伝送とを行なうための基板と、機械波を生成するために基板に配置された複数のアクチュエータであって、各アクチュエータは、基板の対応する導体の組に接続され、導体の組によって伝送される励起信号を受信する、複数のアクチュエータとを備え、複数のアクチュエータは、励起信号に応答して、所定の伝搬経路に沿って基板中を伝搬する機械波を生成する、電気機械波デバイスが提供される。

本発明の重要な優位性は、電気機械波デバイスが、同一の構成要素を複数の異なる実施形態で用いるモジュール構造を有することである。たとえばデバイスの複数のアクチュエータは、標準的で低コストの構成要素であって、その数および位置が具体的な応用例の要求に容易に適合される。

本発明のさらなる優位性は、従来の費用効率の高い製造方法および構成要素を、本デバイスの製造において用いることである。たとえば基板を、デバイスの導体および機械波キャリアをもたらすプリント回路基板（ＰＣＢ）によって構成しても良く、また製造に、エレクトロニクス業界の標準的な製造方法を取り入れても良い。好ましくは、電気機械波デバイスを超音波周波数範囲で動作させ、それによってデバイスの静かな動作を実現する。こうして、基板の材料および幾何学的形状を、物理的な要求および超音波周波数範囲での動作要求に基づいて選択する。基板の材料は、プリント回路基板に使用される従来の複合物（たとえばガラス／エポキシ、またはセラミックス（たとえば酸化アルミニウム））、先端複合材料（たとえばカーボン／エポキシ）、または金属合金である。

基板は、軸の周りに幾何学的な対称性を有する閉ループを形成する。たとえば、同程度のサイズの家庭用機器および工業用機器の場合には、基板は、円筒または環状ディスクであって、外半径Ｒの範囲が約２ｍｍ〜約１００ｍｍであり、４ｍｍ〜４０ｍｍのように、たとえば約１０ｍｍのものである。円筒の高さまたは環状ディスクの幅の範囲は、約２ｍｍ〜約５０ｍｍであり、約４ｍｍ〜約２０ｍｍのように、たとえば約５ｍｍである。円筒の肉厚または環状ディスクの厚みの範囲は、約０．２ｍｍ〜約１０ｍｍであり、約０．５〜約５ｍｍのように、たとえば約１．５ｍｍである。

別の実施形態では、基板は、軸の周りに幾何学的な対称性を有さない閉ループを形成する。好ましくは、進行波の波長は、波の伝搬経路の最小の曲率半径よりも小さく、たとえば最小の曲率半径よりも１桁小さい。たとえば、同程度のサイズの家庭用機器および工業用機器の場合には、基板は、楕円形の断面を有する円筒または楕円形の環状ディスクであって、主軸の長さの範囲が、約２ｍｍ〜約１００ｍｍであり、４ｍｍ〜４０ｍｍのような、たとえば約１０ｍｍのものである。円筒の高さまたは環状ディスクの幅の範囲は、約２ｍｍ〜約５０ｍｍであり、約４ｍｍ〜約２０ｍｍのような、たとえば約５ｍｍである。円筒の肉厚または環状ディスクの厚みの範囲は、約０．２ｍｍ〜約１０ｍｍであり、０．５〜約５ｍｍのような、たとえば約１．５ｍｍである。

さらに別の実施形態では、基板は、第１の端部から第２の端部へ延びる開ループであり、たとえば直線上に延びる基板を形成する。基板の端部によって進行波の反射が生じる。反射は、吸収境界条件を与えるために端部に配置されるアクチュエータを適切に制御することによって抑制する。好ましくは、進行波の波長は、波の伝搬経路の最小の曲率半径よりも小さく、たとえば最小の曲率半径よりも１桁小さい。たとえば、同程度のサイズの家庭用機器および工業用機器の場合には、第１の端部と第２の端部との間の距離の範囲は、約５ｍｍ〜約５００ｍｍであり、約２０ｍｍ〜約２５０ｍｍのような、好ましくは約４０ｍｍ〜約１００ｍｍ、たとえば約７０ｍｍである。

より大型の実施形態も想到される。たとえば大型の応用例たとえば風力タービン、クレーン、航空機などで用いるものである。
電気信号を複数のアクチュエータへ伝送するために、基板は複数の導体を備えている。各導体は、基板の１つまたは複数の表面上に埋め込まれていても良いし、および／または基板中に組み込まれていても良い。基板は、個々の信号を各アクチュエータへ伝えるための導体、または信号を異なる組のアクチュエータへ伝えるための導体を提供する。好ましくは、基板は第１、第２、および第３の導体を備える。各導体は１つまたは複数のアクチュエータに接続されている。第１の導体は、複数のアクチュエータのうちの少なくとも１つを励起させるための第１の電気信号を伝える。第２の導体は、第２の導体に接続されるアクチュエータを励起させるための第２の電気信号を伝える。第３の導体は、第３の電気信号、たとえば第３の導体に接続されるアクチュエータ用の共通の接地信号を伝える。

複数のアクチュエータは、圧電セラミック・アクチュエータであっても良いし、磁歪アクチュエータであっても良い。異なるタイプのアクチュエータを組み合わせても良い。好ましくは、複数のアクチュエータには複数の単層型圧電アクチュエータが、その低コストを理由に、含まれている。多層型圧電アクチュエータを用いても良い。

アクチュエータは、好適であればどんな形状およびサイズであっても良い。たとえば実質的に箱形であって、分極の方向に沿った辺の長さが、約０．２ｍｍ〜約１０ｍｍであり、たとえば約０．５ｍｍ〜約５ｍｍ、約０．７ｍｍ〜約２ｍｍ、好ましくは約１ｍｍのものである。またアクチュエータは、分極の方向に垂直な幅が、約０．２ｍｍ〜約１０ｍｍ、たとえば約０．５ｍｍ〜約５ｍｍ、約０．７ｍｍ〜約２ｍｍ、好ましくは約１ｍｍである。さらにアクチュエータは、分極の方向に垂直な高さが、約０．１ｍｍ〜約５ｍｍであり、たとえば約０．２ｍｍ〜約２ｍｍ、好ましくは約０．５ｍｍである。

好ましくは、複数のアクチュエータはそれぞれ、基板の第１の表面上に配置されている。しかし複数のアクチュエータのうちの１つまたは複数を、基板の第２の表面上に配置しても良い。たとえばアクチュエータの半分を第１の表面上に配置し、アクチュエータの残りの半分を基板の第２の表面上に配置する。

電気機械波デバイスは、複数のアクチュエータを備えていても良い。たとえば４、８、１２、１６、２０、２４、３２、３６、４２、４８、９６、１９２個、またはそれ以上のアクチュエータを備える。好ましくは、アクチュエータの数Ｐは次式、
Ｐ≧４ｎ
で与えられる。ここでｎは、伝搬経路に沿って存在する進行波の波長の数に等しい波数である。アクチュエータの数に対する式は、好ましい設計から導き出される。すなわち、第１の組のアクチュエータが２ｎ個のサブ組を有し、各サブ組は１つまたは複数のアクチュエータからなる場合に、第１の組のアクチュエータは、伝搬経路に沿って、進行波の波長の半分の相互距離で配置され、隣接する２つのサブ組が進行波の各波長の２つの波腹に配置されることが、振動の１周期に渡って２つの場合で起こるようになっている。第２の組のアクチュエータが２ｎ個のサブ組を有し、各サブ組は１つまたは複数のアクチュエータからなる場合に、第２の組のアクチュエータは、伝搬経路に沿って、第１の組のアクチュエータの個々のサブ組から４分の１波長ずれて配置されている。好ましくは、２つのアクチュエータまたは一対のアクチュエータがサブ組のアクチュエータを構成する。しかし、１つ、３つ、４つ、またはそれ以上のアクチュエータがサブ組のアクチュエータを構成しても良い。好ましい実施形態では、アクチュエータの数Ｐは、Ｐ＝４ｎｋで与えられる。ここでｋ≧１は、サブ組のアクチュエータでのアクチュエータの数であり、たとえばｋ＝２である。またｎは波数であり、たとえばｎ＝３、６である。好ましくは、波数ｎの選択は、電気機械波デバイスが超音波周波数範囲で動作するようになされる。好ましくは、波数ｎ≧３であり、たとえばｎ＝３、４、５、６、７、８、またはそれ以上であり、また基板のサイズおよび／または所望の動作パラメータに基づいて選択される。

サブ組のアクチュエータを、進行波の伝搬経路に沿って２ｎ個の波腹のそれぞれに対して有することにより、確実に、波数ｎを有する波のみが第１および第２の組のアクチュエータによって生成される。したがって複数モードを励起してしまう危険が最小限に抑えられる。

好ましい実施形態では、第１の組のアクチュエータは、第１の振幅、周波数、および位相を有する第１の振動電気信号を伝える第１の導体と、共通接地を構成する第３の導体とに接続される。また第２の組のアクチュエータは、第２の振幅、周波数、および位相を有する第２の振動電気信号を伝える第２の導体と、共通接地を構成する第３の導体とに接続される。好ましくは、第１および第２の振幅および周波数は同一で、第１および第２の位相は、（共通の角周波数）×（進行波が４分の１波長だけ進むのに要する時間）に対応してπ／２だけ相互にシフトしている。

別の実施形態では、第１および第２の組のアクチュエータのサブ組間の距離は４分の１波長とは異なっており、第１および第２の導体が伝える第１および第２の電気信号間の位相差が相応に調整される。

好ましくは、第１および第２の導体上の電気信号の周波数を、基板の所望のモードの固有周波数に近い値に設定することで、機械的共振における増幅を用いる。
好ましい実施形態では、基板の同じ表面上に配置される第１または第２の組の各２ｎ個のサブ組のアクチュエータの分極を、サブ組が分極を有するように配置することによって、これらのサブ組が協同して所望の波数ｎの進行波を生成する。別の実施形態では、サブ組を基板の同じ表面上には配置せず、アクチュエータの分極を相応に変えられる。

波デバイスは、第１の組および第２の組のアクチュエータを備える。好ましくは、第１および第２の組のアクチュエータは、基板の第１の表面上に配置される。さらに波デバイスは、第３の組および第４の組のアクチュエータを備え、これらは基板の第２の表面上に配置される。

本発明の好ましい実施形態では、第１および第２の組の各２ｎｋ個のアクチュエータ（たとえばｋ＝２、およびｎ＝３またはｎ＝６）を、基板の第１の表面上に配置する。また第３の組および第４の組の各２ｎｋ個のアクチュエータ（たとえばｋ＝２、およびｎ＝３またはｎ＝６）を、基板の第２の表面上に配置する。好ましくは、第３の組のアクチュエータを、第１の組のアクチュエータの反対側に配置して、第２および第３の導体に接続する。好ましくは、第４の組のアクチュエータを、第２の組のアクチュエータの反対側に配置して、第１および第３の導体に接続する。これによって、第１および第３の組のアクチュエータが同じ波腹において一緒に動作し、第２および第４の組のアクチュエータが、進行波の４分の１波長だけシフトした同じ波腹において一緒に動作することが、確実になる。

各圧電アクチュエータは、圧電アクチュエータに電界を課すための第１および第２の電極を備える。好ましくは、第１の電極および第２の電極は、基板内で生成される機械波の方向に実質的に垂直に延びる。好ましくは、個々の圧電アクチュエータの分極は、基板内で生成される機械波の方向に実質的に平行である。この結果、圧電アクチュエータのｄ_３３モードの最大の圧電効果が、進行波を生成するために用いられる。

本発明の一実施形態では、１２のサブ組のアクチュエータが、第１の組および第２の組の各６つのサブ組（サブ組は２つのアクチュエータからなる）に配置されて、環状基板上の周方向に分配される。６つのサブ組は波数ｎ＝３に対応するため、第１および第２の組のアクチュエータによって、基板の周方向に進行し基板上に３つの節直径を有する進行屈曲波が生成される。好ましくは、第１および第２の導体上の電気信号の周波数を、ゼロ節円ｍ＝０である曲げモードの近くに設定して、（０、３）の機械波を用いるようにする。しかし本発明による波デバイスは、好適であれば基板の任意のモードを用いて機械波を伝えるように適合される。たとえば円形または環状の基板の（ｍ、ｎ）曲げモード（ｎ＞２）、たとえば（０、３）、（０、４）、（０、５）、（０、６）、（１、３）、（１、４）、（１、５）、または（１、６）が、たとえば周囲方向の伝搬経路の長さに依存して用いられる。

電気機械波デバイスがモータ内で用いられる。したがって、本発明による１つまたは複数の電気機械波デバイスと、基板と動作中接触するように配置された１つまたは複数の機械部材とを備えるモータが提供され、それによって、アクチュエータが生成する機械波による基板上の接触面の楕円運動によって、機械部材が基板に対して動く。好ましくは、電気機械波デバイスが機械部材と動作中接触することは基板上の複数の歯を介して行なわれる。これらの歯は、接触領域を規定し、摩擦接触の磨耗から残骸を取り除き、動く機械部材の速度を上げるためのものである。好ましくは機械部材が、基板上の機械波の伝搬経路の少なくとも一部に沿って動く。

機械部材は、好適であればどんな材料からも形成される。たとえば金属（たとえばアルミニウム）、プラスチック、またはプラスチックとガラスもしくは炭素繊維との複合物である。

モータは、好適であれば如何なる数の電気機械波デバイスを備えていても良い。たとえば１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、またはそれ以上の電気機械波デバイスである。１つまたは複数の電気機械波デバイスを積層しても良い。

複数の歯は、基板材料中に、たとえばミリングまたはエッチングによって形成される。本発明の別の実施形態では、複数の歯を基板に固定することを、たとえばモールディング、ハンダ付け、接着剤、溶接、シルクスクリーン印刷、堆積などによって行なわれる。複数の歯は、金属合金、セラミック、またはポリマーから形成される。本発明のさらに別の実施形態では、複数の圧電セラミック・アクチュエータは、機械部材に動作中接触する歯として機能する。

モータは、１つまたは複数の機械部材を基板に対して回転させるために周方向の機械波を伝搬させる１つまたは複数の環状基板を備える回転モータである。電気機械波デバイスは回転モータ内のステータとして機能し、機械部材は回転モータ内のロータとして機能する。別の実施形態では、電気機械波デバイスは回転モータ内のロータとして機能し、機械部材は回転モータ内のステータとして機能する。

モータは、１つまたは複数の機械部材を基板に対して直線的に動かすために実質的に直線状の機械波を伝搬させる１つまたは複数の基板を備える直線状のモータである。
モータは、所定の伝搬経路の少なくとも一部に沿って１つまたは複数の機械部材を基板に対して動かすために、所定の伝搬経路に沿って機械波を伝搬させる１つまたは複数の曲線状の基板を備える曲線モータである。

本発明の実施形態では、両面型回転モータを提供する。モータは、本発明による電気機械波デバイスと、基板の第１の表面と、たとえば第１の表面上のアクチュエータを介して動作中接触するように配置される第１の機械部材と、基板の第２の表面と、たとえば第２の表面上のアクチュエータを介して動作中接触するように配置される第２の機械部材とを備えて、アクチュエータが生成する機械波による基板の各表面上の接触面の動きが、機械部材を基板に対して回転させるようになる。

本発明の好ましい実施形態では、１つまたは複数の、たとえば２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、１１、またはそれ以上の機械部材と動作中接触する複数の、たとえば２つ、３つ、４つ、５つ、１０、またはそれ以上の電気機械波デバイスを備える積層回転モータを提供する。機械部材のうちの１つまたは複数が、２つの機械波デバイスと動作中に接触し、および／または機械波デバイスのうちの１つまたは複数が、２つの機械部材と動作中に接触する。機械部材はシャフトによって機械的に接続しても良い。機械波デバイスの圧電アクチュエータを、電気機械波デバイスと機械部材との間で動作中に接触する歯として用いても良い。１つまたは複数のディスク・スプリングによって、この接触における予圧縮を実現しても良い。好ましくはモータが、シャフトを回転的に支持し得るハウジングを有する。

本発明による電気機械波デバイスは、プリント回路基板（ＰＣＢ）の一部である。したがって、本発明による電気機械波デバイスを備えるＰＣＢが提供される。ＰＣＢは、ＰＣＢ中の少なくとも１つの開口部によって形成される少なくとも１つのブリッジ、たとえば２、３、４、５、またはそれ以上のブリッジを備えている。少なくとも１つのブリッジは、ＰＣＢ上の異なる回路から電気機械波デバイスへと至る少なくとも１つの導体を収容している。好ましくは、少なくとも１つのブリッジは、電気機械波デバイスの一部を形成しないＰＣＢ部分における機械的な振動を低減するかまたは実質的に取り除くことを助ける。

ＰＣＢは、電気機械波デバイスを駆動するためのドライバ回路を備える。好ましくは、ドライバ回路は、単層の圧電アクチュエータを駆動するように適合されている。
ＰＣＢはさらに、電気機械波デバイスの特性および／または機能を制御するための制御回路を備える。制御は、たとえば波デバイスからのフィードバックに基づいてドライバ回路を制御することによって行なう。

本発明によれば、電気機械波デバイスを提供する方法であって、所定の伝搬経路に基づいて機械波を伝搬させるための基板の形状を決定するステップと、機械波を生成させる要求に基づいて基板上の複数のアクチュエータの数および位置を決定するステップと、アクチュエータを対応する励起信号に電気的に接続するための導体を基板に設けるステップと、複数のアクチュエータを基板上に搭載するステップと、を含む方法が提供される。

搭載するステップには、複数のアクチュエータを基板上の所定のパターンにロボットを用いて搭載することが含まれる。
搭載するステップには、複数のアクチュエータを基板に固定することが含まれる。

複数のアクチュエータを基板に固定することは、好適であればどんな方法で行なっても良い。たとえばハンダ付け、接着剤、モールディング、溶接、またはシルクスクリーン印刷である。

以下、添付図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１に、本発明による電気機械波デバイスの典型的な実施形態を概略的に例示する。波デバイス１は環状基板２を備える。基板２は、例示した実施形態では、たとえばガラス／エポキシ複合物または酸化アルミニウムから形成されるプリント回路基板である。基板２は、機械波の伝搬および電気信号の伝送を、基板２の第１の表面１２に収容された導体４、６、８を通して行なうためのものである。第１の導体４は余弦信号を伝える。第２の導体６は正弦信号を伝える。第３の導体８は、個々のアクチュエータ１０に接続される共通の接地信号を形成する。

圧電アクチュエータ１０は、基板の第１の表面１２上に配置されている。それらの電極は基板の表面に垂直であり、対応する導体４、６、８に接続されている。これについては図５に詳細に示す。

圧電アクチュエータはそれぞれ、表面が時間的に伸縮し、その結果、圧電アクチュエータは共同して、基板２の周方向範囲に沿って伝搬する進行横屈曲波を生成する。
アクチュエータは、環状基板２の周りに実質的に一様に分配されている。以下にさらに説明するように、２４個の圧電アクチュエータ１０が配置され、基板２上に２つ１組で接続されていて、基板２内で周方向に機械波を生成するようになっている。アクチュエータ１０は、実質的に箱形の圧電アクチュエータで、長さ１ｍｍ、幅１ｍｍ、および高さ０．５ｍｍである。圧電アクチュエータの形状は、体積当たりの効率が最大になるように選択される。たとえば、圧電アクチュエータが基板の表面上に結合されている場合、表面に隣接する圧電アクチュエータ部分のみが、基板に移される応力の生成において活性化されているので、高さは低い。また高さが低いと電極の面積が小さくなるため、キャパシタンスが小さくなって駆動要求も小さくなる。また非立方形状であるため、自動機器を用いたアクチュエータの搭載が容易である。別の実施形態（図示せず）では、圧電アクチュエータを基板内に埋め込むことを、たとえばモールディング、ミリングなどによって行なって、アクチュエータと基板との間の機械的結合を改善するようにしても良い。

図２に、図１に示す電気機械波デバイス１の第１の表面１２とは反対側の第２の表面１４を概略的に例示する。正弦信号を伝える第２の導体６が、第１の表面１２から第２の表面１４へとメッキ・スルーホール１９を通って至り、圧電アクチュエータの対応する電極に達する。環状基板２の内半径ｒは約５ｍｍ、環状基板の外半径Ｒは約１０ｍｍ、および厚みは約１．５ｍｍである。

図３は、図１および２に示す電気機械波デバイス１の斜視図である。単一層の圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが、基板２の第１の表面１２上に搭載されている。アクチュエータ（１０ａ、１０ｂ）は、２つ１組になって接続されて、６つのアクチュエータ対（１０ａ、１０ｂ）からなる第１の組を形成している。アクチュエータ（１０ｃ、１０ｄ）は、２つ１組になって接続されて、６つのアクチュエータ対（１０ｃ、１０ｄ）からなる第２の組を形成している。第１の組のアクチュエータ対におけるアクチュエータ（１０ａ、１０ｂ）では、その第１の電極１６が第１の導体４に接続され、第２の電極１８が第３の導体８に接続されている。また第２の組のアクチュエータ対におけるアクチュエータ（１０ｃ、１０ｄ）では、その第１の電極１６が第２の導体６に接続され、第２の電極１８が第３の導体８に接続されている。第１および第２の電極１６、１８は、アクチュエータの個々の対向表面（基板表面に垂直および進行波の伝搬方向に垂直）に配置されている。

図４に、図１の環状基板内での周方向の伝搬経路に沿って進行する機械波の周方向の投影を示す。なお波の振幅は、説明を目的として誇張されている。第１の導体４は、余弦信号ｖｃｏｓ（ωｔ）（電圧振幅ｖおよび角周波数ω）を伝える。第２の導体６は、正弦信号ｖｓｉｎ（ωｔ）（同じ電圧振幅ｖおよび角周波数ω）を伝える。第３の導体８は、接地信号（０）に接続されている。第１の組の６つの圧電アクチュエータ対（１０ａ、１０ｂ）は分極されて、対間にプラス符号がある３つのアクチュエータ対は膨張し、対間にマイナス符号がある残りの３つのアクチュエータ対は収縮するようになっている。なおこれは、第１の導体４が、正の電気信号を、第１の導体に接続されるアクチュエータ対の第１の電極に伝えるときに起こる。

その結果、第１の組のアクチュエータ（１０ａ、１０ｂ）は、環状基板２内に３つの節直径（ｎ＝３）を有する定常波を励起する。これは、図４において周方向の投影内に存在する３つの節に相当する。また好ましくは角周波数ωの選択は、ゼロ節円である環状基板２の（０、３）余弦モードが励起されるように行なう。これは、環状基板２の任意の所定の点（ｒ、θ）における横偏向によって規定される。
Ｗ_１＝ａ（ｒ、ω、ｖ）ｃｏｓωｔｃｏｓ３θ
ここでａ（ｒ、ω、ｖ）は、半径ｒ、角周波数ω、および電圧振幅ｖにおける定常波の振幅である。

第２の組の６つの圧電アクチュエータ対（１０ｃ、１０ｄ）は分極されて、対間にプラス符号があるアクチュエータ対は膨張し、対間にマイナス符号があるアクチュエータ対は収縮するようになっている。なおこれは、第２の導体６が、正の電気信号を、第２の導体に接続されるアクチュエータの第１の電極に伝えるときに起こる。

同様に、第２の組のアクチュエータ（１０ｃ、１０ｄ）は、第２の導体６上の正弦信号により、環状基板２の（０、３）正弦モードを励起する。これは、環状基板２の任意の所定の点（ｒ、θ）における横偏向によって規定される。
Ｗ_２＝ａ（ｒ、ω、ｖ）ｓｉｎωｔｓｉｎ３θ
ここでａ（ｒ、ω、ｖ）は、半径ｒ、角周波数ω、および電圧振幅ｖにおける定常波の振幅である。

励起される余弦および正弦の定常波の振幅および位相は、実質的に等しい。なぜならば、デバイス１の機械的な構造は、第１の表面１２に垂直に延びる回転軸の周りに実質的に対称的であるからである。２つの定常波は、以下の方程式に基づく重ね合わせによって進行波を形成する。
Ｗ＝Ｗ_１＋Ｗ_２
＝ａ（ｒ、ω、ｖ）ｃｏｓ（ωｔ）ｃｏｓ（３θ）＋ａ（ｒ、ω、ｖ）ｓｉｎ（ωｔ）ｓｉｎ（３θ）
＝ａ（ｒ、ω、ｖ）ｃｏｓ（ωｔ−３θ）
これは、波は速度ω／３で前方へ進行することを示している。第１の導体が伝える余弦信号の符号、または第２の導体が伝える正弦信号の符号を変えると、波は反対方向に進行する。

図５に図４の断面図を示す。なお波の振幅は、説明を目的として誇張されている。アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、第１の電極３０、３２、３４、３６、３７、３８と第２の電極４０、４２、４４、４６、４７、４８とを有する。第１の電極および第２の電極は、基板２内で生成される機械波の方向に実質的に垂直に延びている。第１の組のアクチュエータ対（１０ａ、１０ｂ）の第１の電極３０、３２、３７、３８は、第１の導体４に接続されている。また第２の組のアクチュエータ対（１０ｃ、１０ｄ）の第１の電極３４、３６は、第２の導体６に接続されている。第２の電極４０、４２、４４、４６、４７、４８は、第３の導体８に接続されている。矢印は、個々の圧電アクチュエータの分極の方向を示している。アクチュエータ対に属するアクチュエータは、反対方向に分極される。すなわちプラス符号に向かう方向およびマイナス符号から離れる方向である。

図６に示す周方向への投影では、円形または環状の機械部材５０が機械波デバイス１の基板２の第２の表面１４の一部と動作中接触しており、接触面５２の楕円運動（アクチュエータ１０が生成する機械波による）が、摩擦によって機械部材５０を基板２に対して回転させるようになっている様子を例示している。波の振幅は、説明を目的として誇張されている。進行波の尾根上の接点の最大周速度は、以下のようになる。
ν_ｍａｘ＝ｌａωｎ／ｒ_ｃ
ここでｌは、環状基板２のニュートラルの屈曲面から接触面５２までの距離であり、ｒ_ｃは接点の半径であり、本実施形態では波数ｎ＝３であり、進行波の振幅は半径ｒ_ｃにおいてａ＝ａ（ｒ_ｃ、ω、ｖ）である。

結局、部材５０の最大の回転速度は以下のようになる。
Ω_ｍａｘ＝ｌａωｎ／ｒ^２ _ｃ、
したがって部材５０の回転速度の制御は、角周波数ω、電圧振幅ｖ、および／または２つの定常波間の位相を調整することで行なわれる。

図７に、本発明による電気機械波デバイス１０１を備えるプリント回路基板（ＰＣＢ）１００を例示する。ＰＣＢ１００は、ＰＣＢ内の６つの開口部１１２によって形成される６つのブリッジ１１０を備える。ブリッジ１１０のうちの１つまたは複数は、ＰＣＢ上の異なる回路から電気機械波デバイス１０１までの１つまたは複数の導体を収容する。ブリッジ１１０は振動絶縁として機能して、機械波デバイス１０１内の機械的な振動が実質的にＰＣＢ１００の残りを伝搬しないようにし、また波デバイス１０１内の進行波が、周囲のＰＣＢからの影響が最小の状態で進行できるようにする。

ＰＣＢは、電気機械波デバイスを駆動するためのドライバ回路１１４と、電気機械波デバイス１０１を制御するための制御回路１１６とを備える。制御回路１１６はたとえば、波デバイス１０１からの１つまたは複数のフィードバック信号に基づいてドライバ回路１１４を制御する。また電気機械波デバイス１０１を用いる特定の応用例のアプリケーション・エレクトロニクス１１８が、ＰＣＢ１００上に搭載される。別の実施形態では、ドライバ回路１１４および／または制御回路１１６は、アプリケーション・エレクトロニクス１１８内に組み込まれている。

図８に、本発明による回転モータ２００の一実施形態の概略的な断面を例示する。電気機械波デバイス２０１は、機械部材２０３と動作中接触していて、機械部材２０３を回転させる。電気機械波デバイス２０１は、図１〜５と関連して上述しており、基板２０２を有し、基板２０２内に進行波を生成するための複数のアクチュエータ２１０を伴っている。さらに複数の歯２１１が、基板２０２内に形成されている。機械部材２０４内の振動を減衰させるために、粘弾性部材２１３（たとえばＯリング）が機械部材２０２内に設けられている。

図９に、本発明による電気機械波デバイス３０１の別の実施形態を例示する。この実施形態は、図１〜５に示す実施形態と同様である。図１〜５に示す環状基板２の代わりに、ここでは円筒型の基板３０２を用いている。通常、円筒型の基板３０２は、外径が約１０ｍｍ〜約１００ｍｍの範囲であり、肉厚が約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲であり、円筒高さが約１ｍｍ〜約１０ｍｍである。２組の各６つのアクチュエータ対（３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ）が、図１〜５のアクチュエータ対（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）と同様の対称性および分極を伴って、円筒の内面３１２上に配置されている。２組のアクチュエータ対は、周方向に進行する半径方向の屈曲波（図４に示す第１の実施形態の基板２内の周方向に進行する横屈曲波と同様である）を生成する。この波は、３つの導体（図示せず）（図１〜３の第１、第２、第３の導体４、６、８と同様である）がアクチュエータに伝送する、印加された余弦および正弦の電気信号によるものである。

図１０は、機械部材３５０を有する円筒型の波デバイス３０１の概略的な断面を示す。機械部材３５０の円筒型の内面３５１は、基板３０２の第２の表面３１４の一部と動作中接触して、接触面３５２の楕円運動（アクチュエータ３１０が生成する機械波による）が摩擦によって機械部材３５０を基板３０２に対して回転させるようになっている。

図１１に、本発明による方法の一実施形態を例示する。図示した実施形態では、ステップＡに、所定の伝搬経路に基づいて機械波を伝搬させるための基板の形状を決定することが含まれる。ステップＢには、所定の伝搬経路に沿って機械的な進行波を生成することに基づいて基板上の複数のアクチュエータの数および位置を決定することが含まれる。ステップＣには、アクチュエータを対応する励起信号に電気的接続するための導体を基板に設けることが含まれる。ステップＤには、複数のアクチュエータを基板上に搭載することが含まれる。図示した実施形態では、ステップＤにはさらに、複数のアクチュエータを基板上の所定のパターンにロボットを用いて配置することが含まれる。さらにステップＤには、複数のアクチュエータを基板に、たとえばハンダ付けおよび／または接着剤によって固定することが含まれる。本発明による方法の別の実施形態では、ステップＡおよびＢは入れ替えられる。

図１２および図１３は、本発明に基づいて、プリント回路基板（ＰＣＢ）４００の第１の表面および第２の表面がそれぞれ電気機械波デバイス４０１を備え、デバイス４０１の両面に圧電アクチュエータが設けられている様子を例示している。ＰＣＢ４００は、ＰＣＢ内の４つの開口部４２２によって形成される４つのブリッジ４２０を備える。ブリッジの１つは、ＰＣＢ上の３つのメッキ・スルー端子４０３から電気機械波デバイス４０１へ至る３つの導体４０４、４０６、４０８を収容している。波デバイス４０１は、ＰＣＢ４００の環状の下部構造４０２を備える。これは、機械波の伝搬および電気信号の伝送を、下部構造４０２の第１の表面４１２および第２の表面４１４に収容される導体４０４、４０６、４０８を通して行なうためである。ブリッジ４２０の材料厚みを、たとえばミリングによって小さくして、下部構造４０２とＰＣＢ４００の残りとの間の振動絶縁として機能するようにする。環状の下部構造４０２の好ましい内半径および外半径は、図２の基板２の好ましいサイズと同様である。

波デバイス４０１では、９６個の圧電アクチュエータ４１０が環状の下部構造４０２に結合されている。その際、４８個のアクチュエータ（第１の組のアクチュエータに２４個のアクチュエータが含まれ、第２の組のアクチュエータに２４個のアクチュエータが含まれる）は、第１の表面４１２上に配置され、４８個のアクチュエータ（第３の組のアクチュエータに２４個のアクチュエータが含まれ、第４の組のアクチュエータに２４個のアクチュエータが含まれる）は、第２の表面４１４上に配置されている。圧電アクチュエータ４１０は、２つ１組になって（すなわちｋ＝２で）一緒に動作する。その結果、進行機械波の波数は６となる（すなわちｎ＝６）。アクチュエータ４１０の好ましい形状およびサイズは、図１のアクチュエータ１０の好ましい形状およびサイズと同様であっても良い。

単一表面上にアクチュエータを有する電気機械波デバイスに対する図１〜５に詳細に示すように、第１の導体４０４は、余弦信号を第１の組の圧電アクチュエータ（４１０ａ、４１０ｂ）に伝え、第２の導体４０６は、正弦信号を第２の組の圧電アクチュエータ（４１０ｃ、４１０ｄ）に伝え、第３の導体４０８は、すべての圧電アクチュエータ４１０に接続される共通の接地信号を形成する。アクチュエータ４１０間の端子におけるメッキ・スルーホール４０５は、第１の導体４０４の信号を第１の表面４１２から第２の表面４１４へ伝え、第２の導体４０６の信号を第２の表面４１４から第１の表面４１２へ伝える。共通の接地信号は、第１の表面４１２と第２の表面４１４との間を、メッキ・スルーホール４０５を通って、ジグザグ・パターンで伝えられる。

第１の表面４１２上の圧電アクチュエータが収縮しているときに、第２の表面４１４上の反対側の圧電アクチュエータが確実に膨張しているように、これらの反対位置の圧電アクチュエータは反対の分極を有する。

図１４に、本発明による回転モータ５００の実施形態の概略的な断面および平面図を例示する。回転モータは、両面型であり、図１２に例示するようなプリント回路基板（ＰＣＢ）４００を備える。プリント回路基板４００が備える電気機械波デバイス４０１は、電気機械波デバイス４０１の第１の表面上で第１の機械部材５０２と動作中接触をし、第２の表面上で第２の機械部材５０４と動作中接触をして、機械部材５０２および５０４を回転させる。機械部材５０２および５０４は、ボルト５０６または他の任意の好適なコネクタまたははめ合い部材によって、機械的に接続されている。圧電アクチュエータ４１０は、電気機械波デバイス４０１と機械部材５０２および５０４との間で動作中接触する歯として用いられる。

図１５に、本発明による積層回転モータ６００の実施形態の概略的な断面を例示する。図１２に例示するような５つのプリント回路基板（ＰＣＢ）４００が、５つの電気機械波デバイス４０１を備えている。電気機械波デバイス４０１は、電気機械波デバイス４０１の各サイド上で６つの機械部材６０２ａ〜ｆと動作中接触しており、機械部材６０２ａ〜ｆを回転させるように構成されている。機械部材６０２ａ〜ｆは、シャフト６０４によって機械的に接続されている。

各電気機械波デバイス４０１は、２つの機械部材と動作中接触している。圧電アクチュエータ４１０は、電気機械波デバイス４０１と機械部材６０２ａ〜ｆとの間で動作中接触する歯として用いられている。ディスク・スプリング６０６によって、この接触における予圧縮が実現される。機械部材をさらに、ボルトまたは他の任意の好適なコネクタまたははめ合い部材（図１４に例示されるような）によって機械的に接続しても良い。シャフトは、積層回転モータ６００のハウジング６０８によって回転的に支持される。さらにハウジング６０８は、ＰＣＢ４００を収容して支持する。

本発明による電気機械波デバイスの一実施形態を概略的に示す正面図である。 図１の電気機械波デバイスを示す背面図である。 図１の電気機械波デバイスを示す斜視図である。 図１の波デバイスにおける機械波伝搬を例示する図である。 図１の波デバイスにおける機械波伝搬を例示する図である。 機械部材が機械波デバイスによって動かされる様子を例示する図である。 本発明による電気機械波デバイスを備えるプリント回路基板（ＰＣＢ）を例示する図である。 本発明による回転モータを例示する図である。 本発明による電気機械波デバイスの別の実施形態を例示する図である。 本発明によるモータの一実施形態を例示する図である。 本発明による方法の一実施形態を例示する図である。 本発明による電気機械波デバイスを備えるプリント回路基板（ＰＣＢ）の第１の表面を例示する図である。 図１２におけるプリント回路基板の第２の表面を例示する図である。 本発明による回転モータの実施形態を例示する図である。 本発明による回転モータの実施形態を例示する図である。

Claims (18)

1. 電気機械波デバイスであって、
   機械波の伝搬と基板に収容された導体を通した電気信号の伝送とを行うための基板であって、複数の導体を含む前記基板と、
   所定の伝搬経路に沿った機械波を生成するために前記基板上に配置された複数の圧電アクチュエータであって、各圧電アクチュエータは、前記基板の対応する前記導体の組に電極を介して接続され、該導体の組によって伝送される励起信号を受信する、複数の圧電アクチュエータと
   を備え、
   前記各圧電アクチュエータの分極は、前記基板内で生成される機械波の方向に実質的に平行であり、
   前記電極は、前記基板内で生成される機械波の方向に実質的に垂直に延びている、電気機械波デバイス。
2. 前記基板は環状で、前記基板の周方向に機械波を伝搬させる、請求項１に記載の電気機械波デバイス。
3. 前記基板は円筒型で、前記基板の周方向に機械波を伝搬させる、請求項１又は２に記載の電気機械波デバイス。
4. 前記圧電アクチュエータは、前記励起信号に応答して所定の伝搬経路に沿って前記基板の中を伝搬する機械波を生成するように配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機械波デバイス。
5. 前記基板は、第１の導体と第２の導体と第３の導体とを含み、各導体は１つ以上の前記圧電アクチュエータに接続される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気機械波デバイス。
6. 前記圧電アクチュエータの各々は前記導体の各々の２つの導体を含む導体の組に接続され、前記導体の少なくとも１つは、前記圧電アクチュエータの励起信号を伝達するように配置される、請求項５に記載の電気機械波デバイス。
7. 前記電気機械波デバイスを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転モータ。
8. 前記基板と動作中に接触するように配置される機械部材であって、前記圧電アクチュエータが生成する機械波による基板上の接触面の運動により、前記機械部材が前記基板に対して回転するように配置される機械部材を備える、請求項７に記載の回転モータ。
9. 前記回転モータは両面型回転モータであり、前記電気機械波デバイスの前記基板は第１の表面と第２の表面とを含み、前記回転モータは更に、前記基板の前記第１の表面と動作中に接触するように配置される第１の機械部材と、前記基板の第２の表面と動作中に接触するように配置される第２の機械部材とを備え、前記圧電アクチュエータが生成する機械波による前記基板の各表面上の接触面の運動により、前記第１及び第２の機械部材が前記基板に対して回転するように配置される、請求項７に記載の回転モータ。
10. 前記回転モータは、２つ以上の電気機械波デバイスと、前記電気機械波デバイスの前記基板と動作中に接触するように配置される１つまたは複数の機械部材であって、前記圧電アクチュエータが生成する機械波による基板上の接触面の運動により、１つまたは複数の前記機械部材が前記基板に対して回転するように配置される、１つまたは複数の機械部材とを含む、積層回転モータである、請求項７に記載の回転モータ。
11. 前記電気機械波デバイスは内面及び外面の少なくとも１方を含み、前記回転モータは、前記基板の内面または外面に動作中に接触するように配置される機械部材であって、前記圧電アクチュエータが生成する機械波による前記基板上の接触面の運動により、前記機械部材が前記基板に対して回転するように配置される、機械部材を備える、請求項７に記載の回転モータ。
12. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気機械波デバイスを備える、プリント回路基板。
13. 機械波デバイスを駆動するためのドライバ回路をさらに含む、請求項１２に記載のプリント回路基板。
14. 電気機械波デバイスの特性および／または機能を制御するための制御回路をさらに含む、請求項１２又は１３に記載の、プリント回路基板。
15. アプリケーション・エレクトロニクスをさらに含む、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の、プリント回路基板。
16. 電気機械波デバイスを提供する方法であって、
    所定の伝搬経路に基づいて機械波を伝搬させるための基板の形状を決定するステップと、
    前記所定の伝搬経路に沿った機械波を生成させる要求に基づいて前記基板上の複数の圧電アクチュエータの数および位置を決定するステップと、
    前記圧電アクチュエータを対応する励起信号に電極を介して電気的に接続するための導体を前記基板に設けるステップと、 前記各圧電アクチュエータの分極が、前記基板内で生成される機械波の方向に実質的に平行となるように、且つ前記電極が、前記基板内で生成される機械波の方向に実質的に垂直に延びているように、前記複数の圧電アクチュエータを前記基板上に搭載するステップとを備える方法。
17. 前記搭載するステップには、前記複数の圧電アクチュエータを前記基板上の所定のパターンにロボットを用いて搭載することが含まれる、請求項１６に記載の方法。
18. 前記搭載するステップには、前記複数の圧電アクチュエータを前記基板に、ハンダ付けまたは接着剤によって固定することが含まれる、請求項１６または１７に記載の方法。

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