JP6785318B2 - 対角方向に励起可能なアクチュエータプレートを有する超音波モータ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に係る超音波モータに関する。

独国特許第１０ ２０１４ ２０９ ４１９ Ｂ３号広報から超音波モータが知られており、その超音波アクチュエータは、音響対角波のためのジェネレータを有し、２つの摩擦要素をその上に有する矩形圧電板として設計される。このモータの音響波のジェネレータは、電気的に並列に接続される２つの部分からなる。これは、モータの電気的励起電圧の２倍の増加につながる。加えて、既知の構成は、摩擦要素の軌道の形状についての著しい差によって特徴付けられ、その結果、その摩擦接触結果の摩耗の増加およびモータのサービス寿命の減少をもたらす。加えて、摩擦要素の軌道の形状における差は、低速運動において駆動されるべき要素の運動の高い不均一性を引き起こす。これらは、このモータの適用分野を縮小する。

そのため、本発明の目的は、より低い電気的励起電圧において動作可能であり、摩擦接触におけるより少ない摩耗を呈し、より長いサービス寿命および低速運動において駆動されるべき要素の運動の改善された均一性を有する超音波モータを提供することである。

この目的は、請求項１に係る超音波モータによって満たされ、続く従属請求項は、少なくとも有利なさらなる発展を提示する。

これ以後、「超音波アクチュエータ」と「アクチュエータ」という用語は、同義に使用されるものとする。

超音波モータは、２つの最大面積の主面を有する矩形圧電板の形態の超音波アクチュエータを備え、２つの主面は、側面同士を接続し、超音波アクチュエータは、音響定在波を生成するための２つのジェネレータと、側面のうちの少なくとも１つの上に配置される少なくとも２つの摩擦要素とを有するということが想定される。さらに、超音波モータは、駆動されるべき要素と、電気励起デバイスとを有する。

アクチュエータの圧電板は、互いに垂直に延在し、アクチュエータの主面の中央線を通って延在する２つの仮想平面によって対角に配置されたセクションの２つの対へと分割されることができ、ジェネレータの各々は、逆相で動作可能であり各々が圧電板の対角セクション内に配置される２つの部分からなり、摩擦要素は、端面を提示する側面上か、２つの反対に配置される端面上に配置される。

圧電板を正方形または平行六面体の形状にすることが有利であり得る。
音響定在波のジェネレータは、励振電極の層と、共通電極の層と、それらの間の圧電セラミックの層とからなる、３層または多層構成を有することが有利であり得る。

さらに、圧電板の１つの主面の１つまたは両方の対角線の方向に伝播する対角音響定在波が、超音波モータのアクチュエータ内の音響定在波のためのジェネレータによって生成可能であると、有利であり得る。

さらに、アクチュエータの電気励起デバイスが、音響波のための一方のまたは他方のジェネレータを、電圧によって作動されるアクチュエータに接続するための切替スイッチを有するようにすることが有利であり得る。

加えて、電気励起デバイスが、第２の音響波ジェネレータを励起するための追加的な電圧を生成するブロックを有することが有利であり得る。

そのため、ブロックが、初期的な電圧の位相に対して追加的な電圧の位相を変化させることが有利であり得る。

加えて、ブロックが、追加的な電圧の振幅を変化させることが有利であり得る。

本発明に係る超音波モータの実施形態を示す。 図１に係る超音波モータの超音波アクチュエータを斜視図において示す。 表現１７〜２０において図１に係る超音波モータの異なる図を示す。 本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータの実施形態を示す。 本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータの実施形態および内部構造を示す。 本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータの実施形態および内部構造を示す。 本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータを電気励起デバイスに接続するための２つの異なる接続ダイアグラム（表現５２および５５）を示す。 表現５７および表現５８は、図７の表現５２に係る接続ダイアグラムの超音波アクチュエータの作動または励起原理を示し、表現５９および表現６０は、図７の表現５５に係る接続ダイアグラムの超音波アクチュエータの作動または励起原理を示す。 超音波アクチュエータにおける定在波の形成のために励起された、本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータの計算されたまたはシミュレーションされた最大の変形を示す。 本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータ上に配置される摩擦要素の軌道の表現を示す。 本発明に係る超音波モータの実施形態を示す。

図１は、本発明に係る超音波モータの可能な実施形態を示しており、それは、面積についての２つの主面および２つの主面を互いに接続する４つの側面を有する矩形圧電板２の形態の超音波アクチュエータ１を備え、互いから離間される２つの摩擦要素３は、超音波アクチュエータの端面を提示する側面のうちの１つの上に配置され、これにより、摩擦要素の各々が、超音波アクチュエータのそれぞれ隣接する側面の端面に隣接する。アクチュエータ１は、支持部５を用いてハウジング４内に保持されるか取り付けられる。摩擦要素３は、ボールベアリング８を用いて直線的に移動可能にまたは変位可能に取り付けられた、駆動されるべき要素７の摩擦層６に対して押される。

図２は、図１のアクチュエータ１の圧電板２を詳細に示す。プレート２は、長さＬ、幅Ｂ、および厚さＤを有する。それは、側面９、端面１０、および面積について最大の主面１１を有する。端面１０は、超音波モータが組み立てられた状態において、駆動されるべき要素７に向かうかそれからそれぞれ離れるように向く側面であり、その上に摩擦要素３が配置される。

長さＬが幅Ｂに等しい場合、プレートは、正方形の形状を有する。長さＬが幅Ｂに等しくない場合、プレートは、平行六面体の形状を有する。プレート１は、互いに垂直に延在する２つの仮想平面Ｓ１およびＳ２によって、対角に配置されたセクション１２，１３および１４，１５の２つの対へと分割されることができる。平面Ｓ１およびＳ２は、主面１１の中央線１６の垂線を通ってそこに垂直に延在する。

図３の表現１７は、図１または図２それぞれのアクチュエータ１のプレート２の正面図を示す。図３の表現１８および表現１９は、プレート２の底面図および上面図を示し、一方、図３の表現２０は、プレート２の背面図を示す。２つの対角線２１および２２に沿って配置されるのは、対角セクション１２，１３および対角セクション１４，１５の対応する２つの対である。圧電板２は、音響定在波を生成するための２つのジェネレータ２３および２４を備え、ジェネレータ２３およびジェネレータ２４の各々は、逆相で作動される２つの部分２５，２６および２７，２８からなる。部分２５はセクション１２に属し、部分２６はセクション１３に属し、部分２７はセクション１４に属し、部分２８はセクション１５に属する。

図３に示されたプレート２の構成では、ジェネレータ２３およびジェネレータ２４は、３層構造を有する。ジェネレータ２３およびジェネレータ２４の各部分２５，２６および２７，２８は、共通電極２９を有する層、励振電極３０，３１を有する層、およびそれらの間の圧電セラミック３２の層を備える。電極２９，３０，３１は、プレート２の主面上に配置される。プレート２の圧電セラミック材料全体は、図３に符号ｐを有する矢印によって示された方向に偏極される。ジェネレータ２３およびジェネレータ２４の共通電極２９は端子３３を備え、ジェネレータ２３の励振電極３０は端子３４を備え、ジェネレータ２４の励振電極３１は端子３５を備える。

図４は、表現３６〜３９において、対角音響定在波のためのジェネレータ２３，２４が３層構造を有する、本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータ１の異なる構造的構成を示す。表現３６は正面図を示し、表現３７および表現３８はそれぞれ底面図および上面図を示し、表現３９は背面図を示す。超音波アクチュエータのこの構造的構成では、ジェネレータ２３およびジェネレータ２４の共通電極２９は、互いに接続される。

図５の表現４０は、超音波アクチュエータ１の平面図を示し、ジェネレータ２３およびジェネレータ２４は、多層構造を有し、多層ジェネレータを呈する。表現４１は、そのような超音波アクチュエータの対応する側面図を示す。表現４２，４５および表現４３，４４は、対角音響定在波の多層ジェネレータ２３および多層ジェネレータ２４の、逆相で作動される部分２５，２６および部分２７，２８の構造を示す。各部分２５，２６および２７，２８は、励振電極３０および励振電極３１の層と、共通電極２９の層と、それらの間の圧電セラミック層３２とが、交互に配置される層から構成される。

図６は、対角音響定在波を生成するための多層ジェネレータ２３および多層ジェネレータ２４を有する、本発明に係る超音波モータのさらなる構造的構成の超音波アクチュエータを示す。表現４６は、そのような超音波アクチュエータの上面図を示し、一方、表現４７は、超音波アクチュエータの側面図を示す。表現４８，５１および表現４９，５０は、対角音響定在波のための多層ジェネレータ２３および多層ジェネレータ２４の、逆相で作動される部分２５，２６および部分２７，２８の構造を示す。図５に係る超音波アクチュエータの実施形態と同様に、電極層２９，３０，３１は、ここではプレート２の主面１１に平行に配置される。

図７の表現５２は、本発明に係る超音波モータの超音波アクチュエータ１の圧電板２を、電気励起デバイス５３に接続するための、第１の接続ダイアグラムを示す。電気励起デバイス５３は、交流電圧Ｕ１を生成し、その周波数は、圧電板２の対角線２２または対角線２１に沿ってまたはそれらの近くを伝播する、音響定在波の第２のモードの共振周波数と等しい。電圧Ｕ１は、切替スイッチ５４を用いて、ジェネレータ２４またはジェネレータ２３の共通電極２９へとおよび励振電極３１または励振電極３０へと印加される。本発明に係る超音波モータでは、ジェネレータ２４およびジェネレータ２３の部分２７，２８および２５，２６は、対角音響波の第２のモードを生成するために構成されるか逆相で作動される。部分は、そこで互いに並列に接続され、電圧Ｕ１を有する。

図７の表現５５は、本発明に係る超音波モータのアクチュエータ１の圧電板２を、電気励起デバイス５３に接続するための第２の接続ダイアグラムを示し、電気励起デバイス５３は、電圧Ｕ１のものと同じ周波数を有する追加的な電圧Ｕ２を提供されるブロック５６を有する。モータの選択された動作スキームに依存して、電圧Ｕ２は、電圧Ｕ１に対して、特に０°からプラスまたはマイナス１８０°の角度範囲によって、位相シフトされることができる。モータ動作中に、この角度は変化されることができる。加えて、振幅および電圧Ｕ２は、変更されることができる。

図８の表現５７，５８および表現５９，６０は、図２および図３それぞれに係る、または図５および図６それぞれに係る、アクチュエータ１の上面図を示す。摩擦要素３は各々、超音波アクチュエータ１の２つの端面１０のうちの１つの上に配置される。図８のジェネレータの部分２５，２６および部分２７，２８の逆位相特性は、符号＋／−によって示される。部分２５，２６および部分２７，２８の逆位相特性という用語は、部分の各々が他方の部分に対して反対の、プレート２内の変形を引き起こすことを意味する。

図８内の表現は、図７に図示される対応する接続ダイアグラムを用いてアクチュエータ１を励起するための２つの原理を説明するために役立つ。第１の原理では、モータの動作中に電圧Ｕ１を用いて、１つのジェネレータのみ、すなわちジェネレータ２４のみ（図８内の表現５８）、またはジェネレータ２３のみ（図８内の表現５７）が作動される。電圧の切り替えは、切替スイッチ５４を用いて行われる（図７内の表現５２を参照）。ジェネレータ２４またはジェネレータ２３は、アクチュエータ１内で電圧Ｕ１によって励起され、プレート２の対角線２２または対角線２１に沿って伝播する対角音響定在波の第２のモードを生成する。第２の場合では（図８内の表現５９，６０）、モータの動作中に、ジェネレータ２４およびジェネレータ２３の両方が、電圧Ｕ１および電圧Ｕ２を用いて同時に励起される。ジェネレータ２４およびジェネレータ２３の各々は、アクチュエータ１内の対角音響定在波を生成し、対角音響定在波は、その対角線２２または対角線２１に沿って伝播する。この場合、モータの動作スキームは、図７における表現５５内に示された接続ダイアグラムに対応する。図８において作動されたジェネレータ２４およびジェネレータ２３の部分２７，２８および部分２５，２６は、接続ダイアグラムの両方に対してハッチングされている。

図９の表現６１および表現６２は、圧電板２の対角線２２に沿って伝播する対角音響定在波がその内部に生成されるときの、アクチュエータ１の計算されたまたはシミュレーションされた最大の変形を示す。この場合、波は、ジェネレータ２４によって生成される。アクチュエータ１の摩擦要素３の作用面上に示された点６３および点６４は、摩擦接続に関して駆動されるべき要素７の摩擦表面６と相互作用する。

電圧Ｕ１を用いて生成され、対角線２２に沿って伝播する対角音響定在波（図７内の表現５２）では、摩擦要素３の作用面の材料点６３および材料点６４は、図１０に示されるように楕円軌道６５および楕円軌道６６上を移動する。それぞれの運動方向は、矢印によって示される。ジェネレータ２３によって使用される圧電板２の部分は、ジェネレータ２４の励起中に電気的に作動されないので（図８、表現５８参照）、プレート２は、この部分によって対称に搭載される。プレート２上のそのような搭載は、図１０内に示される軌道６５および軌道６６における補正につながる。そこでの軌道６５および軌道６６の補正とは、楕円軌道６５および楕円軌道６６のそれぞれの２つの直径に対するそれらの寸法と、摩擦層６に対する軌道６５および軌道６６の傾斜角度が実質的に等しいことを意味する。

楕円軌道上での摩擦要素３の作用面のすべての材料点の運動は、力Ｆの生成をもたらし、これは、アクチュエータ１の部分上で駆動されるべき要素７へと作用し、それを運動させる。切替スイッチ５４の作動の際に、電圧Ｕ１はジェネレータ２３を励起し、これにより対角線２１に沿う音響定在波がアクチュエータ１内で生成される。そのような波を用いて、摩擦要素３の表面の材料点の運動の方向は、反対方向に反転する。このことは、駆動されるべき要素の運動の方向の、矢印によって示された方向への反転につながる。

摩擦要素３の材料点の等しい円軌道６７が、電圧Ｕ１によるジェネレータ２４のおよび追加的な電圧Ｕ２によるジェネレータ２３の、または電圧Ｕ１によるジェネレータ２３のおよび追加的な電圧Ｕ２によるジェネレータ２４の、同時の作動によって実現される。このことは、電圧Ｕ２の適切な振幅および位相を選択することによって達成されることができる。駆動されるべき要素７の運動の方向は、そして、電圧Ｕ２と電圧Ｕ１との間の位相シフト角の反転によって変化されることができる。

図１１は、超音波アクチュエータ１が、２つの追加的な摩擦要素６８と、摩擦層６９を有する駆動されるべき１つの追加的な要素７０とを含む、本発明に係る超音波モータのさらなる実施形態を示す。

参照番号の一覧

１： 超音波アクチュエータ
２： 圧電板
３： 摩擦要素
４： ハウジング
５： 支持部
６： 摩擦層
７： 駆動されるべき要素
８： ボールベアリング
９： 側面
１０： 端面
１１： 主面
１２，１３，１４，１５： 対角セクション
１６： 中央線
２１，２２： 対角
２３，２４： 対角音響定在波のためのジェネレータ
２５，２６： 逆相で作動されるジェネレータ２３の部分
２７，２８： 逆相で作動されるジェネレータ２４の部分
２９： 共通電極の層
３０： ジェネレータ２３の励振電極の層
３１： ジェネレータ２４の励振電極の層
３２： 圧電セラミック層
３３： 共通電極２９の出力
３４： 励振電極３０の出力
３５： 励振電極３１の出力
５３： 電気励起デバイス
５４： 切替スイッチ
５６： 位相および／または電圧制御ユニット

Claims (7)

1. 超音波モータであって、矩形圧電板（２）の形態の超音波アクチュエータ（１）と、電気励起デバイス（５３）と、駆動されるべき要素（７）とを備え、前記超音波アクチュエータは、音響定在波を生成するための２つのジェネレータ（２３，２４）と、前記超音波アクチュエータ上に配置され前記駆動されるべき要素に接触することを意図される少なくとも２つの摩擦要素（３）とを備え、前記超音波アクチュエータ（１）は、互いに垂直に延在し前記アクチュエータの主面（１１）の中央線（１６）を通って延在する２つの仮想平面（Ｓ１，Ｓ２）によって、対角に配置されたセクションの２つの対へと分割され、前記ジェネレータ（２３，２４）の各々は、逆相で動作可能であり各々が異なる対角セクションに配置される２つの部分（２５，２６，２７，２８）からなり、前記摩擦要素（３）は、前記超音波アクチュエータの端面のうちの１つの上または前記圧電板（２）の２つの対向する端面（１０）上に配置され、前記圧電板（２）は、長さ（Ｌ）が幅（Ｂ）とは異なる平行六面体の形状を有することを特徴とする、超音波モータ。
2. 前記音響定在波のための前記ジェネレータ（２３，２４）は、励振電極（３０，３１）の少なくとも１つの層、１つまたは複数の共通電極（２９）の少なくとも１つの層、および隣接する電極層間に配置される圧電セラミック材料（３２）の少なくとも１つの層を有する、３層または多層構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の超音波モータ。
3. 対角音響定在波は、前記超音波モータの前記超音波アクチュエータ（１）内の音響定在波のための前記ジェネレータ（２３，２４）によって生成可能であり、前記圧電板（２）の１つの前記主面（１１）の１つまたは両方の対角線（２１，２２）の方向に伝播することを特徴とする、請求項１〜請求項２のいずれか１項に記載の超音波モータ。
4. 前記超音波アクチュエータ（１）の前記電気励起デバイス（５３）は、音響波のための一方のまたは他方の前記ジェネレータ（２３、２４）を、電圧によって作動される超音波アクチュエータ（１）に接続するための切替スイッチ（５４）を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータ。
5. 前記電気励起デバイス（５３）は、音響波のための第２の前記ジェネレータを励起するための追加的な電圧を生成するブロックを備えることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の超音波モータ。
6. 前記ブロックは、初期的な電圧の位相に対して前記追加的な電圧の位相を変化させることを特徴とする、請求項５に記載の超音波モータ。
7. 前記ブロックは、前記追加的な電圧の振幅を変化させることを特徴とする、請求項５または請求項６に記載の超音波モータ。

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