JP5869656B2 - 超音波モータおよび同超音波モータを駆動するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１乃至５に記載の超音波モータに関し、また請求項６乃至８に記載の同超音波モータを駆動するための方法に関する。

特許文献１から、少なくとも１つの平面状端部面上に１つの摩擦層または複数の摩擦構成要素が配置されていて、摩擦構成要素が回転式に駆動される構成要素（ロータ）と摩擦接触している、圧電性中空円筒状アクチュエータを備える超音波モータが周知である。この文献の図１６によれば、アクチュエータの両方の平面状端部面に摩擦構成要素を配置することができるという。この超音波モータを駆動するための方法では、アクチュエータを電気的に励振することによって、関連を持った接線・軸方向振動モード状態にアクチュエータを置き、この際に、相応する振動が１つの摩擦層ないしは複数の摩擦層または摩擦構成要素に伝達され、その結果最終的に１つのロータないしは複数のロータが駆動される。

特許文献１において公知である超音波モータの場合は、２つのロータが、アクチュエータの、対向して位置する端部面上の摩擦層ないしは摩擦構成要素と、摩擦接触するが、この場合は２つのロータを同期に駆動することのみが可能である。これに対して、超音波アクチュエータの、対向して位置する端部面上に配置されている両方のロータを、独立して駆動することは不可能である。

米国特許第７２１８０３１号

これゆえに本発明の課題は、前述の従来技術をもとにして、唯一の中空円筒状超音波アクチュエータで、２つの被駆動構成要素を相互に独立して移動させることを可能にする、超音波モータを提供することである。

本発明のこの課題は、請求項１に記載の超音波モータによって解決され、これに続く従属項は少なくとも目的に沿った実施例および発展例を含む。
それによれば、中空円筒または環状の超音波アクチュエータを備える超音波モータは、圧電性の材料を出発点とし、超音波アクチュエータの一方の平面状端部面に、各々１つの円周方向における第１の角距離を持って位置し、また駆動するべき第１の構成要素と摩擦接触しているところの、摩擦構成要素の第１の群が配置されていて、ならびに超音波アクチュエータの他方の平面状端部面に、各々１つの円周方向における第２の角距離の間隔を持って位置し、また第２の駆動するべき構成要素と摩擦接触しているところの、摩擦構成要素の第２群が配置されている。さらに、その超音波アクチュエータの内側周面上に基準電極が配置され、かつ超音波アクチュエータの外側周面上に励起電極が配置されていて、各々の励起電極は、基準電極と、両電極の間に配置されている圧電性材料と共に、超音波定在波の発振器を形成し、この発振器には、超音波アクチュエータ内に超音波定在波を発生させるために、電圧を印加することができる。この場合、本発明の本質は、第１群の摩擦構成要素は第２群の摩擦構成要素に対して円周方向における第３の角距離分のずれを持って配置され、この場合第３の角距離は第１の角距離より小さく、また第２の角距離より小さいことである。

この超音波アクチュエータは、放射方向に、中空円筒の放射方向の外側周面と内側周面との間の間隔で決まる所定の壁厚を、また軸方向に、高さｈを持つ、中空円筒の幾何学的形状を持つ。この中空円筒は、外側周面および内側周面が弯曲面である一方で、中空円筒をその高さＨに関して軸方向に限定する、２つの平面状の面も備える。これらは、基本的に相互に平行に伸延する、中空円筒の平面状の端部面である。

この２つの各々の端部面上に複数の摩擦構成要素が周方向に相互に間隔を持って配置されていて、それぞれ隣接した摩擦構成要素は超音波アクチュエータの円周に沿って１つの角度（角距離）を挟んで、相互に離れている。しかしながら、摩擦構成要素が配置されている円周に関してのその位置（円周上位置）は、第１群の摩擦構成要素と第２群の摩擦構成要素では異なる。言い換えれば、第２群の摩擦構成要素は第１群の摩擦構成要素とは円周上位置が異なり、その結果これらの間に角度のずれが存在する。ずれに対応する角距離は、この場合第１群の摩擦構成要素と第２群の摩擦構成要素が相互に間隔を置いている角距離よりも小さい。

超音波アクチュエータの両端部面上での摩擦構成要素のこの特殊な配置は、超音波アクチュエータ内に励振されるまたは作成される超音波定在波を適して形成することによって、第２の被駆動構成要素が静止している間に、第１の被駆動構成要素のみを運動させること、ないしは第１の被駆動構成要素が静止している間に、第２の被駆動構成要素のみを運動させるということを可能にする。ここでは、超音波定在波の位相を適してずらすことで、そのつど被駆動構成要素の駆動方向を変更することも可能である。この被駆動構成要素の運動は１つの方向へと同様に、これと対向した方向へも可能である。

第１の角距離が第２の角距離に対応することは有利である。
同じく、第３の角距離が、第１の角距離の４分の１または第２の角距離の４分の１に対応することは有利である。

さらに、発振器が、励起電極と基準電極の交互の、複数の層を備え、この場合に発振器の２つの隣接する電極層の間に１つの圧電性材料の層が配置されていることは、有利であり、これによって発振器の制御が僅かな電圧で可能になる。

これに加えて第１の被駆動構成要素のみでなく第２の被駆動構成要素も回転運動に至らせることが可能であり、また第１の被駆動構成要素と第２の被駆動構成要素の重心がそれぞれの回転軸と一致することは有利である。こうして両方の被駆動構成要素の回転運動を特に容易に実現することができる。この場合、第１の被駆動構成要素の回転軸が、第２の被駆動構成要素の回転軸と一致することは有利である。

加えて本発明は、前述の実施形態ないしは発展形態の１つの超音波モータを駆動するための方法であって、この方法は、縦方向および横方向の振動成分を持つ第１の超音波定在波を、超音波アクチュエータ内で励振するために発振器の電極に１つの電圧を印加し、ここで第１の超音波定在波は、第２群の摩擦構成要素が第２の被駆動構成要素を運動させることなく、第１群の摩擦構成要素のみが第１の被駆動構成要素を運動させるように形成され、内でまたは、縦方向および横方向の振動成分を持つ第２の超音波定在波を、超音波アクチュエータ内で励振するために発振器の電極に１つの電圧を印加し、ここで第２の超音波定在波は、第１群の摩擦構成要素が第１の被駆動構成要素を運動させることなく、第２群の摩擦構成要素のみが第２の被駆動構成要素を運動させるように形成され、内でその結果、第１の被駆動構成要素と第２の被駆動構成要素を独立して駆動することを可能にすることを特徴とする。

ここでは、第１の超音波定在波と第２の超音波定在波が同一の波長を有することは有利である。このことは超音波アクチュエータの電気的制御を特に簡単にする
さらに、第１の超音波定在波と第２の超音波定在波との間に、波長の４分の１の位相のずれがあることが有利である。これによって第１の被駆動構成要素と第２の被駆動構成要素を、特に効果的に、独立して駆動することが可能になる。

本発明による超音波モータの、電気的励起装置を伴わない分解図。 表示２３：図１による超音波アクチュエータの側面図；表示２４：表示２３による超音波アクチュエータの下面図；表示２５：表示２３による超音波アクチュエータの上面の上面図。 本発明による超音波アクチュエータの、電気的励起装置との電気的接続に関するブロック回路図。 表示３１〜３４：励起電極を電気的励起装置（電気的励起装置は図示されていない）と接続するための変形例。 表示３６：非励振状態にある、モデル化された超音波アクチュエータ；表示３５および３７：表示３６による超音波アクチュエータの、定在波形成のために励振された状態においての、算出された最大変形。 本発明による超音波モータの、超音波アクチュエータの摩擦構成要素の点の運動を明確にするための、図４の表示３１の部分拡大図。 本発明による超音波モータの１つの実施形態。 本発明による超音波モータの別の実施形態。

図１は本発明による超音波モータの分解図を示している。この超音波モータは、圧電性中空円筒または環３として形成されている、超音波変形定在波（ａｋｕｓｔｉｓｃｈｅ Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ−Ｓｔｅｈｗｅｌｌｅ）のための、閉じられた共振装置２を持つ、超音波アクチュエータ１を含む。アクチュエータ１の圧電性中空円筒３の一方の端部面４上には、３個の摩擦構成要素５を持つところの第１群が配置されている。圧電性中空円筒３の、対抗する他方の端部面６上には、３個の摩擦構成要素５を持つところの第２群が配置されている。

この第１群の摩擦構成要素５上にはバネ８の助けを借りて、ロータ１０として実施されているところの第１の被駆動構成要素９が、第１の被駆動構成要素９に配置されている摩擦層１１で、圧着されている。この場合、この被駆動構成要素９は１つの歯車４６であって、さらに歯車４７と作用結合している。

第２群の摩擦構成要素６上には、バネ１２の助けを借りて、ロータ１４として実施されているところの第２の被駆動構成要素１３が、第２の被駆動構成要素１３に配置されている摩擦層１５で、圧着されている。この場合、この被駆動構成要素１３は同じく１つの歯車４６であって、さらに歯車４７と作用結合している。

第１の被駆動構成要素の中心軸と第２の被駆動構成要素の中心軸は一致し、これらはまた、同時に超音波アクチュエータの中心軸である、回転軸４５上にある。
圧電性中空円筒３の内側周面上には基準電極１７が配置されている。圧電性の中空円筒３の外側周面上には、相互に分離された構造を持つ励起電極１９がある。圧電性中空円筒３を形成しているこの圧電セラミックスは、通常、電極１７および電極１９に分極されている。

このアクチュエータ１はキャリア２０で支承されている。ロータ１０および１４は、可動式に軸受け２１内に配置され、ないしは支承されていて、キャリア２２によって保持されている。

これらキャリア２０および２２は超音波モータのハウジングの一部であり得る。
図１に示されている、それぞれの端部面ごとの３個の摩擦構成要素と並んで、この超音波アクチュエータ１は圧電性中空円筒３のそれぞれの端部面４および６上に、２個、４個、５個もしくは一般化してｎ（ｎ＝自然数）個の摩擦構成要素５および７を持つことができる。

図２の表示２３は、図１の超音波アクチュエータを側面図で示し、一方、表示２４は対応して下側からの図（すなわち下面）を、また表示２５は対応して上側からの図（すなわち上面）を示す。超音波アクチュエータの上方端部面４上には３個の摩擦構成要素５が配置されていて、この場合隣接する２つの摩擦構成要素間の距離はそれぞれ２ａである。同様に、下方端部面６上にも３個の摩擦構成要素７が配置されていて、この場合２つの、隣接する摩擦構成要素間の距離もそれぞれ２ａである。

超音波アクチュエータ１の端部面６は、仮想線ａで６個の等しい部分面（一般的に偶数の同一の部分面）に分割され、この場合、隣接する線ａ間の角度αは同一である。同様に、超音波アクチュエータ１の端部面４は、仮想の線ｂで６個の等しい部分面（一般的に偶数の同一の部分面）に分割され、この場合、隣接する線ｂの間の角度αは同じく同一である。この場合、線ａおよびｂは重なり合わず、それに替わって、それぞれ隣接する線ａとｂとの間には角度α／２がある。

線ａは全て、摩擦構成要素７の１つに対して対称軸を形成し、一方、線ｂは全て、摩擦構成要素５の１つに対して対称軸を形成する。
この圧電性中空円筒４は平均周長Ｌと高さｈを持っている。この平均周長Ｌは線ａおよび線ｂによって６個の同一のセクションｌ（一般的に偶数の同一のセクション）に分割される。この平均周長Ｌは、中空円筒の外側周面と内側周面の間の中央と定義される位置での周長である。

全てのセクションｌは、線ａおよび線ｂで２つに分割される。
比ｌ／ｈが０．９と１．３の間の領域にあることが特に有利である。
２つの隣接する線ａおよび線ｂで分離される超音波アクチュエータの全ての部分周長上に、ないしは対応する外側の部分周面上に、１つの励起電極１９が配置されている。言い換えれば、全ての励起電極は、外側周面上で、ほぼα／２の角度（隣接する励起電極間に１つの間隙があり、間隙が電極を相互に分離する）に渡って伸延している。

図３は、４個の摩擦構成要素５と４個の摩擦構成要素７を持つ、展開された超音波アクチュエータ１を使用して、電極１７および１９と、電気的励起装置２６との電気的接続に関するブロック回路図を示している。

この場合、この電気的励起装置２６は、その周波数ｆａがこのアクチュエータ１の作動周波数と同じである、交流電圧Ｕを供給する。
この周波数ｆａは式ｆａ＝Ｎ／ｌで決定することができ、この場合Ｎは、圧電セラミックスの周波数定数であり、この周波数定数はアクチュエータ内で形成された超音波定在波のタイプ、および圧電性中空円筒３がそれで形成されているところの、圧電セラミックスによって決まる。

電極１７および１９を電気的励起装置２６と接続するためのこの電気回路図は、電極１
９が一対となってアクチュエータ１の電気的励起装置２６と接続することを助ける、切替スイッチ２７、２８、２９および３０を含む。

図４の表示３１〜３４には電極１９を電気的励起装置２６と接続するための、４つの可能な変形例が示されている。表示３１による第１の例では、切替スイッチ２７および２８が閉じられている。表示３２による第２の例では切替スイッチ２９および３０が閉じられている。表示３３による第３の例では切替スイッチ２７および３０が閉じられていて、一方、表示３４による第４の例では切替スイッチ２８および２９が閉じられている。電極１９の電気的励起装置との接続は複数の線で示されている。

上述の全ての例において、全ての励起電極１９および基準電極１７の対、ならびにそれらの間の圧電セラミックスは、超音波変形定在波のための１つの発振器を形成する。ここで示されている３層構造と並んで、超音波定在波の発振器は多層構造を持つことができ、この場合は基準電極１７の層、励起電極１９の層および圧電セラミックス層が交互に配置される。

図４の表示３１〜３４に斜線が付けられている発振器に、周波数ｆａで電圧Ｕを印加する場合、アクチュエータ１内に超音波変形定在波が形成される。図５の表示３５〜３７は有限要素法計算によってこの波の形を明らかにしている。

アクチュエータ内で形成された波の長さλはＬ／ｎまたは２ｌであり、すなわち圧電性中空円筒３の平均周長Ｌは２ｌｎまたはλｎである。一方の端面部４の摩擦構成要素５およびこれに隣接する他方の端面部８の摩擦構成要素７は、波長の４分の１、λ／４またはｌ／２だけ位相がずれている。各々の励起電極１９の幅は、波長の４分の１、λ／４すなわちｌ／２である。

超音波アクチュエータ１内で形成された波の場合、点３８で振動の長軸方向要素の最大振幅と、振動の横方向要素の最大振幅が現れる。波は点３９では振動の横方向の要素のみを持つ。

圧電性中空円筒３がＰＩセラミック社（ＰＩ Ｃｅｒａｍｉｃ ＧｍｂＨ）の圧電セラミックスＰＩＣ １８１で形成されていて、超音波アクチュエータ１内に図５に示されている波が形成される場合は、周波数特性Ｎは１８３７Ｈｚｍである。

図４の表示３１〜３４により、切替スイッチ２７〜３０を操作した場合も、形成された定在波の形は変化しない。摩擦構成要素５および７に関連して、波の長さが変化するだけである。この波はその波長λ／２（ｌ）の半分、またはその波長λ／４（ｌ）の４分の１分ずれる。

この波の長さの変化は、表面端部面４および６上に、ないしは圧電性中空円筒３の摩擦構成要素上に配置されている点の移動軌道の変化につながる。これは摩擦構成要素５および７上の点３５および３６がそれらの移動軌道を変えることへとつながり、図４の表示３１〜３４に示されている。示されている例の全てにおいて点４０および点４１は２つの異なった移動軌道上、１つの傾斜した移動軌道４２上および横方向移動軌道４３上を移動する。

図６は、図４の表示３１に示した例においての、摩擦構成要素５の点４０の運動および摩擦構成要素７の点４１の運動の拡大図である。
点４０の移動軌道４２の傾斜は２つの運動成分、長軸方向成分４４および横方向成分４５に分解することができる。この横方向成分４５は、全ての摩擦構成要素５が第１の被駆動構成要素９の摩擦層１１上に押し付けられることをもたらし、また長軸方向成分４４は
、摩擦構成要素５が長軸方向成分４４の摩擦によって第１の被駆動構成要素９の移動を呼び起こすことをもたらす。

点４１が、長軸方向成分を含まない横方向移動軌道４３上を移動することから、第２の被駆動構成要素１３は不動の状態にある。
移動方向の変更は、移動軌道４２の傾斜の反転によって結果として生じる。

図４には被駆動構成要素９および１３の移動方向が矢印および指標Ｖで示されている。
図７は１つの本発明による超音波モータを示し、このモータでは第１の被駆動構成要素９の重心と第２の可動性構成要素１３の重心が、それらの回転軸４５と一致していない。このような超音波モータは研磨板の自動的平衡保持のため、または高速で回転する類似の器具または工具に使用される。

図８は１つの超音波モータを示し、このモータでは、第１の被駆動構成要素９には指針４８が取り付けられていて、第２の被駆動構成要素１３はシャフト４９を介して１つの指針５０と接続されている。この超音波モータは、２つの指針ユニットの独立した摺動が必要な、車両の測定機、時計または他の測定装置に使用することができる。

本発明による超音波モータとこのような超音波モータを駆動するための対応する方法によって、唯一の超音波アクチュエータで２つの被駆動構成要素を相互に独立して運動させることが可能となり、この際に移動方向を変更することまたは制動された状態で停止させることも可能となる。これは超音波モータないしは超音波駆動の使用範囲を明らかに拡大する。

Claims (6)

1. 圧電材料からなる、中空円筒または環状の超音波アクチュエータを備える超音波モータであって、該超音波アクチュエータの一方の平面状端部面に位置し、駆動するべき第１の被駆動構成要素と摩擦接触しているところの、第１の群の摩擦構成要素が配置されていて、該超音波アクチュエータの他方の平面状端部面に位置し、第２の駆動するべき被駆動構成要素と摩擦接触しているところの、第２の群の摩擦構成要素が配置されていて、該超音波アクチュエータの内側周面上に基準電極が配置され、かつ該超音波アクチュエータの外側周面上に励起電極が配置されていて、各励起電極は、該基準電極と、両電極の間に配置されている圧電材料と共に超音波定在波の発振器を形成し、該発振器には、該超音波アクチュエータ内に波長λの超音波定在波を発生させるために、周波数ｆａの交流電圧を印加することが可能な、超音波モータにおいて、
   各励起電極の幅は前記波長λの４分の１であり、
   第１の群における摩擦構成要素は、周方向において超音波定在波の波長λと等しい距離だけ互いに離間し、
   第２の群における摩擦構成要素は、周方向において超音波定在波の波長λと等しい距離だけ互いに離間し、
   第１の群の摩擦構成要素と第２の群の摩擦構成要素とは互いに波長λの４分の１だけ位相がずれていることを特徴とする超音波モータ。
2. 前記発振器が、それぞれ励起電極と基準電極の交互の、複数の層を備え、発振器の２つの隣接する電極層の間に１つの圧電性材料の層が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波モータ。
3. 第１の被駆動構成要素のみでなく第２の被駆動構成要素も回転運動に至らせることが可能であり、また前記第１の被駆動構成要素と前記第２の被駆動構成要素の重心がそれぞれの回転軸と一致することを特徴とする請求項１または２に記載の超音波モータ。
4. 縦方向および横方向の振動成分を持ち、かつ前記第１の群の摩擦構成要素のみにより第１の被駆動構成要素を運動させる第１の超音波定在波を、前記超音波アクチュエータ内で励振するために、前記発振器の前記電極に対して超音波アクチュエータの周波数と同一の周波数ｆａの電圧を印加するか、さらには縦方向および横方向の振動成分を持ち、かつ前記第２の群の摩擦構成要素のみにより第２の被駆動構成要素を運動させる第２の超音波定在波を、前記超音波アクチュエータ内で励振するために、前記発振器の前記電極に対して超音波アクチュエータの周波数と同一の周波数ｆａの電圧を印加し、前記第１の被駆動構成要素と前記第２の被駆動構成要素を独立して駆動することを可能にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波モータを駆動するための方法。
5. 第１の超音波定在波と第２の超音波定在波が同一の波長を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第１の超音波定在波と前記第２の超音波定在波との間に、波長の４分の１の位相のずれがあることを特徴とする請求項５に記載の方法。

Images