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特許5722231組み合わせた共振器を備えて音響定在波に基づく圧電疑似共振モータ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5722231
(24)【登録日】2015年4月3日
(45)【発行日】2015年5月20日
(54)【発明の名称】組み合わせた共振器を備えて音響定在波に基づく圧電疑似共振モータ
(51)【国際特許分類】
H02N 2/00 20060101AFI20150430BHJP
【ＦＩ】
H02N2/00 C
【請求項の数】13
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2011-542502(P2011-542502)
(86)(22)【出願日】2009年12月18日
(65)【公表番号】特表2012-513189(P2012-513189A)
(43)【公表日】2012年6月7日
(86)【国際出願番号】US2009068810
(87)【国際公開番号】WO2010080634
(87)【国際公開日】20100715
【審査請求日】2012年12月14日
(31)【優先権主張番号】61/138,665
(32)【優先日】2008年12月18日
(33)【優先権主張国】US
(73)【特許権者】
【識別番号】511148042
【氏名又は名称】ディスカバリー テクノロジー インターナショナル，インク．
(74)【代理人】
【識別番号】100080089
【弁理士】
【氏名又は名称】牛木 護
(74)【代理人】
【識別番号】100161665
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 知之
(74)【代理人】
【識別番号】100125081
【弁理士】
【氏名又は名称】小合 宗一
(72)【発明者】
【氏名】ペトレンコ，セルゲイ
(72)【発明者】
【氏名】ヅェルヤスコフ，ヴァレンティン，ランゲロフ
【審査官】
松永 謙一
(56)【参考文献】
【文献】
特表２００７−５３８４８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平０８−０３３３７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００３／００５２５７３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開平０８−２３７９７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−２８１７７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００２−２９１２６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
実開昭６３−１２７２９４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
特開２００５−０９４９５６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｎ１／００−２／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
対向する第１及び第２の表面部を有すると共に、対向する第３及び第４の表面部を有する圧電共振器本体を備え、
前記第１の表面部及び前記第２の表面部は前記圧電共振子本体の第１の縦軸及び第２の縦軸と平行であり、前記第３の表面部及び前記第４の表面部は前記第１の縦軸と平行で、前記第２の縦軸と垂直であり、前記第１の縦軸及び前記第２の縦軸はお互いに垂直であり、
さらに前記第２の表面部に配置された少なくとも１個の共通の電極と、
前記第１の表面部に配置された複数の電極と、を備え、
前記複数の電極は励起電極の対を１つかそれ以上備え、それぞれの前記励起電極の対は前記第１の縦軸に沿った第１の方向に沿って位置付けされた第１の電極及び第２の電極を備えた圧電装置において、
さらに前記第３の表面部及び前記第４の表面部の内少なくても１つの、１つかそれ以上の接触場所に配置された１つかそれ以上の接触素子を備え、
前記圧電共振器本体は、前記第２の縦軸の方向で第１の縦の定在波の第１次の固有共振周波数（ν１）と、前記第１の縦軸の方向で第２の縦の定在波の偶数次（even order）の固有共振周波数（ν２）とを持ち、次の式で定義され、
交流電圧電源をさらに備え、前記交流電圧電源は少なくても前記接触素子の一部に楕円形動作をさせるために、前記共通の電極と、前記励起電極のそれぞれの対における前記第１又は前記第２の電極に交流電圧を印加させ、前記楕円形動作は前記第１の表面部及び前記第２の表面部と平行であり、前記第３の表面部に配置された前記接触素子の一部の楕円形動作は第１の楕円形の経路であり、前記第４の表面部に配置された前記接触素子の一部の楕円形動作は第１の楕円形の経路と反対の第２の楕円形の経路であり、
前記交流電圧電源の周波数ν３は、前記固有周波数ν１と前記固有周波数ν２の間にπ／２の位相差をもたらす様な中間の数値であることを特徴とする圧電装置。
前記第１の表面部及び前記第２の表面部は前記圧電共振子本体の第１の縦軸及び第２の縦軸と平行であり、前記第３の表面部及び前記第４の表面部は前記第１の縦軸と平行で、前記第２の縦軸と垂直であり、前記第１の縦軸及び前記第２の縦軸はお互いに垂直であり、
さらに前記第２の表面部に配置された少なくとも１個の共通の電極と、
前記第１の表面部に配置された複数の電極と、を備え、
前記複数の電極は励起電極の対を１つかそれ以上備え、それぞれの前記励起電極の対は前記第１の縦軸に沿った第１の方向に沿って位置付けされた第１の電極及び第２の電極を備えた圧電装置において、
さらに前記第３の表面部及び前記第４の表面部の内少なくても１つの、１つかそれ以上の接触場所に配置された１つかそれ以上の接触素子を備え、
前記圧電共振器本体は、前記第２の縦軸の方向で第１の縦の定在波の第１次の固有共振周波数（ν１）と、前記第１の縦軸の方向で第２の縦の定在波の偶数次（even order）の固有共振周波数（ν２）とを持ち、次の式で定義され、
【数7】
前記交流電圧電源の周波数ν３は、前記固有周波数ν１と前記固有周波数ν２の間にπ／２の位相差をもたらす様な中間の数値であることを特徴とする圧電装置。
【請求項2】
前記第１の縦軸に沿った長さ（Ｌ）と前記第２の縦軸に沿った幅（Ｂ）を持つ前記圧電共振器本体において、Ｃが前記圧電共振子本体の音波速度であり、ｎは前記固有周波数ν２の次数でｎ＝２ｋであり、ｋは整数で１以上（ｋ≧１）であるとすると、
であることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【数8】
【数9】
【請求項3】
それぞれの前記励起電極の対の第１の電極が、第１の電極領域として、２ｉ（Ｌ／ｎ）と（２ｉ＋１）（Ｌ／ｎ）との間の領域にＬ方向に沿って設置され、それぞれの前記励起電極の対の第２の電極が、第２の電極領域として、（２ｉ＋１）（Ｌ／ｎ）と（２ｉ＋２）（Ｌ／ｎ）との間の領域にＬ方向に沿って設置され、ここでｉは整数であり、０以上（ｎ−２）／２以下（（ｎ−２）／２≧ｉ≧０）であることを特徴とする請求項２に記載の圧電装置。
【請求項4】
前記複数の接触素子の前記接触場所がＬ方向に沿って（２ｉ＋１）（Ｌ／ｎ）により定義される領域であることを特徴とする請求項３に記載の圧電装置。
【請求項5】
ｎ＝２であることを特徴とする請求項４に記載の圧電装置。
【請求項6】
ｎ＝４であることを特徴とする請求項４に記載の圧電装置。
【請求項7】
ｎ＝６であることを特徴とする請求項４に記載の圧電装置。
【請求項8】
前記上面部の上に配置された少なくても１個の上部のガイドと、
前記下面部の下に配置された少なくても１個の下部のガイドと、をさらに備え、
前記上部のガイド及び前記下部のガイドは前記楕円形動作の一部で前記接触素子と物理的に接触するために位置付けられ、前記上部のガイド及び前記下部のガイドは、前記接触素子と前記物理的に接触している間に、当該ガイドと接触する前記接触素子に弾性的に付勢されることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
前記下面部の下に配置された少なくても１個の下部のガイドと、をさらに備え、
前記上部のガイド及び前記下部のガイドは前記楕円形動作の一部で前記接触素子と物理的に接触するために位置付けられ、前記上部のガイド及び前記下部のガイドは、前記接触素子と前記物理的に接触している間に、当該ガイドと接触する前記接触素子に弾性的に付勢されることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項9】
台をさらに備え、
前記圧電共振子本体、前記上部のガイド、及び前記下部のガイドの内の一つが前記台に取り付けられることを特徴とする請求項８に記載の圧電装置。
前記圧電共振子本体、前記上部のガイド、及び前記下部のガイドの内の一つが前記台に取り付けられることを特徴とする請求項８に記載の圧電装置。
【請求項10】
前記圧電共振子本体が立方体であることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項11】
前記圧電共振子本体はシリンダー状の外形を持つことを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項12】
前記圧電共振子本体はスリットを持ち、前記スリットは前記第１の軸に対して直角方向に、少なくても部分的に伸びることを特徴とする請求項１１に記載の圧電装置。
【請求項13】
前記圧電共振子本体と前記複数の接触素子が一体的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、2008年12月18日に出願した米国出願第61/138,665号の利益を請求する非仮出願である。
【0002】
本発明は、圧電モータに関し、特に組み合わせた共振器を備えて音響定在波に基づく圧電疑似共振モータに関する。
【背景技術】
【0003】
一般的に、圧電アクチュエータは平らな圧電素子から形成され、それは通常、圧電素子の長さと幅の明確な比率を持つために構成される（共振子の長さ（Ｌ）と幅（Ｂ）は方程式Ｂ＝０．５Ｌの関係にある）。この構成は一般に、平面縦弾性二次元波を前記圧電素子に励起させることが可能である。その結果、通常は接触点の直線変位が生じる。その接触点は通常共振子の中心に位置し、圧電素子の表面に接続されている接続素子又は摩擦素子を使用しているモータの他の部分と連結している。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0004】
本発明の具体例は圧電モータとそれを使用したシステムに関係がある。本発明の第１の具体例において、圧電装置が提供される。その装置は対向する第１及び第２の表面部を有すると共に、対向する第３及び第４の表面部を有する圧電共振子本体を含み、その第１の表面部及び第２の表面部はその圧電共振子本体の第１の縦軸及び第２の縦軸と実質的に平行であり、その第３の表面部及び第４の表面部は第１の縦軸と実質的に平行で、第２の縦軸と実質的に垂直であり、第１の縦軸及び第２の縦軸はお互いに実質的に垂直である。その装置は、さらに第２の表面部に配置された少なくとも１個の共通の電極と第１の表面部に配置された複数の電極とを含み、その複数の電極は励起電極の対を１つかそれ以上含み、それぞれの励起電極の対は第１の縦軸に沿った第１の方向に沿って位置付けされた第１の電極及び第２の電極を含む。その装置は、さらに第３の表面部及び第４の表面部の内少なくても１つの、１つかそれ以上の接触場所に配置された１つかそれ以上の接触素子を含み、その接触場所のそれぞれは前記励起電極の対の１つの前記第１の電極及び前記第２の電極の間に少なくても部分的に位置合わせされる。その装置で圧電共振子本体は、第２の縦軸の方向で第１の縦の定在波の第１次の固有共振周波数（ν１）と、第１の縦軸の方向で第２の縦の定在波の偶数次（even order）の固有共振周波数（ν２）とを持ち、固有共振周波数（ν１）と固有共振周波数（ν２）とのパーセント差は、０％より大きくて２０％以下である。
【0005】
本発明の第２の具体例において、圧電モータを含んだ燃料電池ポンプが提供される。その圧電モータは、対向する上面部及び下面部を有すると共に、対向する前面部及び後面部を有する圧電共振子本体を含み、その前面部及び後面部はその圧電共振子本体の第１の縦軸及び第２の縦軸と平行であり、その第１の縦軸及び第２の縦軸はお互いに垂直であり、その上面部及び前記下面部は第１の縦軸と平行で、第２の縦軸と垂直である。そのモータは、さらに後面部に配置された少なくとも１個の共通の電極と、第１の縦軸に沿って前面部に配置された複数の電極とを含み、その複数の電極は励起電極の対を１つかそれ以上含む。そのモータはさらに、上面部及び下面部で第１の縦軸に沿った接触場所に配置された複数の接触素子を備え、それぞれの複数のその接触素子は励起電極の対の一つと関連付けられる。そのモータでは、圧電共振子本体は第２の縦軸の方向で第１の縦の定在波の第１次の固有共振周波数（ν１）と第１の縦軸の方向で第２の縦の定在波の偶数次（even order）の固有共振周波数（ν１）とを持ち、固有共振周波数（ν１）と固有共振周波数（ν２）とのパーセント差は、０％より大きくて２０％以下である。
【0006】
本発明の第３の具体例において、圧電装置が提供される。その装置は、対向する第１及び第２の表面部を有すると共に対向する第３及び第４の表面部を有する圧電共振子本体を含み、第１の表面部及び第２の表面部はその圧電共振子本体の第１の縦軸及び第２の縦軸と実質的に平行であり、第３の表面部及び第４の表面部は第１の縦軸と実質的に平行で、第２の縦軸と実質的に垂直であり、第１の縦軸及び前記第２の縦軸はお互いに実質的に垂直である。その装置は、さらに後面部に配置された少なくとも１個の共通の電極と、第１の表面部に配置された複数の電極とを含み、その複数の電極は励起電極の対を１つかそれ以上含み、それぞれのその励起電極の対は第１の縦軸に沿った第１の方向に沿って位置付けされた第１の電極及び第２の電極を含む。その装置は、さらに第３の表面部及び第４の表面部の内少なくても１つの、１つかそれ以上の接触場所に配置された１つかそれ以上の接触素子を含み、その接触場所のそれぞれは励起電極の対の１つの第１の電極及び第２の電極の間に少なくても部分的に位置合わせされる。その装置はさらに、複数の接触素子と摩擦接触する駆動素子を少なくても１つと、１つの共通の電極と励起電極の対に接続された励起源とを含む。その装置では、圧電共振子本体は、第２の縦軸の方向で第１の縦の定在波の第１次の固有共振周波数（ν１）と、第１の縦軸の方向で第２の縦の定在波の偶数次（even order）の固有共振周波数（ν２）とを持ち、ここで固有共振周波数（ν１）と固有共振周波数（ν２）とのパーセント差は、０％より大きくて２０％以下である。その装置では、圧電共振子本体の第１の縦の定在波と第２の縦の定在波を同時に生成するため、共通の電極及び、励起電極の対のそれぞれの第１の電極及び第２の電極の１つに交流電圧を印加するためにその励起源は構成される。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の一具体例に従って長さ方向に沿った２次の縦振動モードと幅方向に沿った１次の縦振動モードで構成された、典型的な圧電アクチュエータの概略側面図である。
【図2】本発明の一具体例に従って長さ方向に沿った４次の縦振動モードと幅方向に沿った１次の縦振動モードで構成された、典型的な圧電アクチュエータの概略側面図である。
【図3】本発明の一具体例に従って長さ方向に沿った６次の縦振動モードと幅方向に沿った１次の縦振動モードで構成された、典型的な圧電アクチュエータの概略側面図である。
【図4】本発明の一具体例に従って長さ方向に沿った２次の縦振動モードと幅方向に沿った１次の縦振動モードで構成された、典型的な圧電アクチュエータの概略透視図である。
【図5】図５Ａは幅方向と高さ方向に沿った圧電共振子の周波数の反応を示した、周波数と振幅のグラフ（X-Y plot）である。図５Ｂは高さ方向と幅方向に沿った圧電共振子の位相の反応を示した、図５Ａで示されたシステムの周波数と位相のグラフ（X-Y plot）である。
【図6】本発明の他の一具体例に従ったシリンダー状の圧電モータの部分概略図である。
【図7】本発明の他の一具体例に従ったシリンダー状の圧電モータの部分概略図である。
【図8A】本願発明に従って構成された、１つのファンと圧電モータを使用したロータリーポンプ800である。
【図8B】本願発明に従って構成された、それぞれ反対方向のエアフローを供給するためそれぞれ反対方向の回転を持つ２つのファンと圧電共振子とを使用したロータリーポンプ850の上面図である。
【図8C】本願発明に従って構成された、それぞれ反対方向のエアフローを供給するためそれぞれ反対方向の回転を持つ２つのファンと圧電共振子とを使用したロータリーポンプ850の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
添付した図に関連して本発明は説明され、ここで同様の引用された数字は、等価又は同等の要素を指定するために図中に用いられる。この図は寸法通りには描かれておらず、単にこの発明を説明するためだけに提供される。説明のための各実施例に関連して、本発明のいくつかの態様が以下に説明する。数々の具体的な詳細、関係、方法は、本発明の十分な理解を提供するために説明されることを理解されるべきである。関連する当業者は、しかしながら、この発明が具体的な詳細の一つもしくはいくつかを用いることなく、または他の方法を用いて実施され得るとすぐに分かるだろう。他の例で、本発明を分かりにくくすることを避けるため、よく知られた構造または作用は詳細には示されていない。本願発明は作用や事象の説明された順序付けに制限されず、作用の中には異なる順序及び／又は他の作用や事象と共に発生するものがあるかもしれない。さらに、すべての説明された作用や事象が、本願発明に従った手順で実施されなければならないとは限らない。
【0009】
平らな圧電素子を基にしたモータの様な、アクチュエータとしての従来の二次元波励起圧電モータを使用することの実在する制限の一つが、通常は前記接触点の直線運動で起こることに関連した低効率である。この低効率の理由は、移動する台の巡回方向に関してこの直線運動の方向は通常斜めであるからである。その結果、圧電素子により発生する力のわずか（すなわちこの力の移動する台の巡回方向への投射）が移動する台に印加される。さらに、アクチュエータの様な前記接触点の振動動作は通常、接触点が対角線上に位置する状態で側面がλ／２の正方形の圧電共振子の拡大と縮小を起こす、ただ一つの平面波の結果である。したがって、通常は単一の圧電素子の拡大と縮小を組み込むための構造を基にして動作する様なシステムは、接触点の可能性の数を制限する。結果として、この構造の一つの欠点は、多数の接触点は通常不可能であるということである。
【0010】
さらに、動作中に機械的な結合を供給するための、圧電素子の表面に接続されている一つ以上の接触点又は摩擦点を、通常この様な構造は使用する。しかしながら、この様な層は、発振器から駆動素子への音響エネルギーの移送の間に、通常はいくらかのエネルギーの内部消費が生じるだろう。結果として、前記システムの効率は通常この様な構造に悪影響を与えられる。
【0011】
これらの制限を考慮して、本願発明の様々な具体例は新しい圧電モータを提供する。特に新しい圧電モータは、音響定在波を使用している共振型の圧電モータである。以下に説明される様に、横移動又は圧電素子又は台を供給するために、圧電素子上の異なる接触点で高効率のナノ単位の楕円形（nano-elliptical）動作を供給することによりその新しい圧電モータは動作する。この新しい圧電モータの高効率は、前記接触点が前記移動する台に作用しているとき、前記接触点は比較的平坦な楕円形の経路の先端の一部に沿って動いているということが原因である。したがって、前記台に接触する前記接触点により印加された前記力の相当部分は、通常はその移動方向と平行な方向である。接触点の前記ナノ単位の楕円形の動作は、ただ一つの平面波とは対照的に、２つの直行する定在波の重ね合わせにより供給される。結果として、高次モードの励起を発生させることが可能になり、多数の接触点がアクチュエータに供給されることが可能になる。
【0012】
音響定在波を有する共振圧電モータは、回転変形から動作を作り出す。これらの回転変形は、通常は非常に小さいナノ単位の楕円形状である。多数の接触点を使用して動作を作り出すために、回転変形の方向と同様もしくは一致する様にナノ単位の楕円形動作は定められなければならない。例えば圧電共振子の第１の側面に対称的に位置している点に第１の直線方向に直線動作を供給するため、その楕円形の回転は通常は第１の回転方向である。圧電共振子の第２の側面の点に第１の直線方向に直線動作を供給するため、通常その楕円形の回転は第１の回転方向とは逆の第２の回転方向である。結果としてそれらの回転方向が異なっているにもかかわらず、向かい合った場所の接触点は同じ方向の力を印加することにより協調的に作用する。
【0013】
本願発明の一具体例に従った圧電共振子は電極を含み、縦振動、特に音響定在波の励起のために圧電共振子の向かい合った場所の連動をさせるように導く。その縦振動は、その圧電共振子の上面及び下面の接触素子を経たガイドの摩擦により相互に作用させ、接触場所の動作を引き起こす。本発明のいくつかの具体例では、前記接触素子は前記圧電共振子と一体的に形成される。バネの様な圧力作成装置により供給された圧力下の前記ガイドに、前記圧電共振子は保持されることが可能である。前記接触場所は、前記共振子の最大振動速度の場所に位置する。前記圧電共振子の長さ方向に沿った前記圧電共振子の第１の方向の高次の縦振動モードの同時形成の条件と、前記圧電共振子の幅方向に沿った第２の方向の１次の縦振動モードの励起条件とを満たすために、前記圧電共振子の大きさと前記電極の場所が選択される。さらにまた本願発明の様々な具体例では、前記第１及び第２の方向に沿った固有周波数（共振周波数）は異なり、前記第１及び第２の方向に沿った固有周波数の間の周波数を持つ交流電圧電源が、前進又は逆転動作の間に前記圧電共振子を励起させるために用いられる。
【0014】
本願発明の様々な具体例が図１−４に関して説明されるだろう。図１は本願発明の一具体例に従った、その長さ方向に沿った２次の縦振動モード（ｎ＝２）とその幅方向に沿った１次の縦振動モードのために構成された典型的な圧電アクチュエータ100の側面図の略図である。図２は本願発明の一具体例に従った、その長さ方向に沿った４次の縦振動モード（ｎ＝４）とその幅方向に沿った１次の縦振動モードのために構成された典型的な圧電アクチュエータ125の側面図の略図である。図３は本願発明の一具体例に従った、その長さ方向に沿った６次の縦振動モード（ｎ＝６）とその幅方向に沿った１次の縦振動モードのために構成された典型的な圧電アクチュエータ150の側面図の略図である。図４は本願発明の一具体例に従った、その長さ方向に沿った２次の縦振動モード（ｎ＝２）とその幅方向に沿った１次の縦振動モードのために構成された典型的な圧電アクチュエータ175の透視図の略図である。
【0015】
図１−４で、典型的な圧電アクチュエータ100,125,150,175はそれぞれ、圧電共振子3と接続素子5を含む。典型的な圧電アクチュエータ100,125,150はまた、ガイド2とバネ1も含む。動作時、本願発明に従った圧電共振子3の励起は、ナノ単位の楕円形の経路に沿った接触素子5の動作を引き起こす。一般的に、楕円形の経路12,13は約数十から数百ナノメートルの大きさ（すなわちその楕円形の短軸及び長軸の寸法）を持ち、動作方向に関して通常は平坦である。すなわち、楕円形の経路12,13の結果として発生するその長軸は、通常は動作方向に平行に位置付けられる。接触素子5が楕円形の経路12,13に沿ってその圧電共振子から最も遠い点にある時、ガイド2に関して圧電共振子3の直線のマイクロ単位の動作（micro-motion）を開始するため、接触素子5はガイド2の摩擦により相互に作用する。適切な摩擦力に確実にするため、バネ1は圧電共振子3とガイド2に垂直力を供給する。接触素子5が楕円形の経路12,13に沿ってその圧電共振子から最も近い点にある時、接触素子5とガイド2の間にはほとんど又は全く摩擦が発生せず、結果としてほとんど又は全く動作が発生しない。振動が継続している時、ガイド2に関して圧電共振子3の繰り返しの動作をもたらす様にそのマイクロ単位の動作は繰り返される。
【0016】
本願発明の様々な具体例では、ガイド2又は圧電共振子3がそのアクチュエータに直線動作を供給する様に、典型的な圧電アクチュエータ100,125,150,175が構成され得る。すなわち、ガイド2か又は圧電共振子3が固定され得る。ガイド2の位置が固定された場合、移動させるために圧電共振子3は台18に取り付けられる。結果として、接触素子5のナノ単位の楕円形動作は圧電共振子3とその取り付けられた台の動作をもたらす。その一方、圧電共振子3の位置が固定された場合、移動させるためにガイド2は台18に取り付けられる。結果として、接触素子5のナノ単位の楕円形動作はガイド2とその取り付けられた台の動作をもたらす。従来の圧電アクチュエータとは対照的に、この様な形態がさらなる構造の柔軟性を提供する。
【0017】
本願発明の様々な具体例では、最大振動速度の位置9が接触素子5の位置と一致する様に、圧電の共振器又は圧電共振子3の直行する振動モードと関連する２つの定在波の重ね合わせにより、接触素子5の楕円形動作は形成される。すなわち、直行する振動モードの両方の定在波が最大になる、圧電共振子3での場所である。接触素子5のそれぞれに関連する一組の電極4aと4b（まとめて電極4と呼ぶ）の一つを通って励起電圧を供給することにより、その振動モードは励起される。すなわち、第１の方向にナノ単位の楕円形の経路を供給するため、しかも電極4aへの第１の方向に力を供給するために、励起電圧は電極4aに供給される。同じ様なナノ単位の楕円形の経路を供給するため、しかしその逆の方向（電極4bへの方向）に力を供給するために、励起電圧は電極4bに供給される。以下に説明される様に、接地点又は共通接点8、及び電極4a,4bにそれぞれ接触している励起接点6,7の一つを通ってその励起電圧は供給される。
【0018】
振動モードの一つが、圧電共振子3の長さＬに沿った第１の縦軸10に沿って形成された定在波により生じる縦振動である。その他の振動モードは、圧電共振子3の幅Ｂに沿って、及び第１の縦軸10に垂直な第２の縦軸11に沿った縦振動である。したがって、圧電共振子3は２つの直線状の共振器、一つは圧電共振子3の長さＬに沿って作動し、もう一つはその幅Ｂに沿って作動する、を組み合わせる。したがって、縦軸10,11により定義された面でのナノ単位の楕円形動作を供給するために独自で２つの直交する振動の同時励起を引き起こすという点において、圧電共振子3は効率的な“組み合わせた共振器（combined resonator）”である。
【0019】
本願発明の様々な具体例では、接触素子5に最大振動速度を供給するために、直交する振動の２つの種類の間の合成は除かれる必要がある。一般的にもしこの様な合成が起こったら、接触素子5の動作を供給するために使用されているエネルギーの代わりに、エネルギーが一つの振動モードから他方の振動モードに伝達されてしまう。しかしながら、もし基本の（１次の）縦モードが圧電共振子3の幅Ｂと交差して励起され、高次の縦の倍音（overtone）モード（ｎ＝２，４，６）が圧電共振子3の長さＬに沿って同時に励起されたとしたら、この合成は取り除かれることができることを本願発明者は発見している。
【0020】
一般的に、前記共振器の幅方向に交差した１次の縦モードの励起条件は次の方程式により表されることができる。【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【0021】
本願発明の様々な具体例では、圧電共振子3の向かい合った面のナノ単位の楕円形12,13もまた、一般に反対方向に回転するために構成される。これは、圧電共振子3の両側の接触素子5がその反対方向に同調して移動するのと同じ方向へ、圧電共振子3にガイド2を押して移動させる。例えば図１−３では、ナノ単位の楕円形12に沿った動作は反時計回りであり、その時のナノ単位の楕円形13に沿った動作は時計回りである。
【0022】
一般的に、楕円形の経路12,13の方向が相反する様なナノ単位の楕円形動作を供給するため、通常は圧電共振子3の２つの直角に交わる定在波の構成が要求される。これらの定在波は、通常は直角に交わる方向のそれぞれの励起電圧を供給している結果である。通常は、同じ周波数でお互いに対して実質的に９０°位相をずらした２つの交流電圧電源と専用の電極配置を使用している圧電共振子の励起を、この様な励起システムは要求するだろう。残念ながら、あらゆる不安定さがそのモータの基本性能に直接影響を与えるので、通常はこの様な２つの発生器の励起システムは複雑であり、維持される位相関連の高い安定性を要求する。これは一般にその励起システムの制御でさらなる要求を課し、全体の費用を増やす。
【0023】
しかしながら、固有周波数ν１及び固有周波数ν２に近い値だがそれらのどちらにも一致しない第３の周波数ν３で動作する励起電源を使用して、ナノ単位の楕円形が励起されることができることを本願発明者は発見している。この様な振動数は、その圧電共振子の向かい合った側面の相反する回転を確実にする、その圧電共振子の振動速度の中心の相反している最大値（central opposing maxima）でのナノ単位の楕円形の構成を許可する。したがって本発明の様々な具体例では、前に説明した励起電極の専用の構成を必要とせず、２つのモードを同時に励起するのに周波数ν３での交流電源が１つ使用される。よって本発明の具体例では、単独の励振源の組み合わせ共振器が提供される。すなわち、縦の共振器が長さ方向に沿って供給され、縦の共振器が幅方向を横切って供給され、ここで同じ電極が独自で２つの種類の直交する振動を同時に励起する。
【0024】
固有周波数ν１及び固有周波数ν２に近い値のあらゆる周波数ν３がその圧電共振子を励起するのに使用され得るけれども、その２つの方向での振動のその振幅を改良するためにν３が選択されることもできる。これは図５Ａと５Ｂで説明される。図５Ａは周波数と振幅を示したグラフ（X-Y plot）であり、圧電共振子の幅及び長さに沿った圧電共振子の周波数の反応を示している。ここで、圧電共振子の長さは幅の実質的に５倍である。図５Ａで、Ｘ軸はその共振器の励起周波数νexを示し、Ｙ軸は励起により生じる音響振動の振幅を示す。一般的に、励起周波数が次元の共振周波数に近づくにつれて、その形成された音波の振幅が増える。この反応の統計データは、図５Ａに曲線502と曲線504で描かれている。曲線502はその長さ方向に沿った圧電共振子での反応曲線を示し、曲線504はその幅方向に沿った圧電共振子での反応曲線を示す。さらに、共振周波数ν１は前記組み合わせ共振器の幅方向を横切った縦振動の固有共振周波数に相当し、共振周波数ν２は前記圧電共振子の長さ方向に沿った縦振動の固有共振周波数に相当する。
【0025】
図５Ａに示す様に、曲線502と曲線504は部分的に重なり合う。したがって本発明の様々な具体例において、その圧電共振子の長さ方向及び幅方向に沿った相当の励起を供給するため、固有周波数ν１と固有周波数ν２との間の励起周波数ν３は、曲線502と曲線504がお互いに実質的に重なり合う点を選択することができる。しかし、もし励起周波数ν３もまたその生じた波の位相特性を考慮して選択されるとしたら、前記長さ方向及び幅方向に沿った励起の振幅もまた改良されることができる。図５Ｂに関してこれは説明される。
【0026】
図５Ｂは、周波数の反応が図５Ａで示されたシステムの周波数と位相を示したグラフであり、その高さ方向及び幅方向に沿った圧電共振子での位相の反応506と位相の反応508をそれぞれ示している。図５Ｂに示す様に、その励起が長さ方向を横切った振動と幅方向を横切った振動の間にπ／２の位相差をもたらす様な中間の振動数ν３がある。したがって、この振動数で、又はこの振動数付近で圧電共振子を励起することは、それらの間で約π／２の差を持ち共振器の幅方向及び長さ方向に沿った２つの直交する振動の励起をもたらす。これら２つの振動の重ね合わせは、その接触素子の場所で振動速度の中心の相反している最大値でのナノ単位の楕円形を生じる。その結果この様なν３の選択は、その圧電共振子の長さ方向及び幅方向の両方に沿った振動モードの同時励起の新しいやり方を許可する。
【0027】
したがって本願発明の様々な具体例において、第１の縦軸10及び第２の縦軸11と平行な方向の圧電共振子3に固有周波数ν１と固有周波数ν２との間のいくらかの分離を供給するため、ナノ単位の楕円形12,13の相反する動作は圧電共振子3の幾何学的寸法の選択による励起電圧電源を使用することで供給されることができる。特に、圧電共振子3の幾何学的寸法はＬが２Ｂと等しくならない（Ｌ≠２Ｂ）様に選択される。よって前記組み合わせた共振器の周波数はその直交した方向に沿った同じ方向ではなくなるが、２つの周波数ν１と周波数ν２を発生させる。ここで周波数ν１と周波数ν２は等しくなく（ν１≠ν２）、次の式に従って分離される。【数5】
【0028】
さらにまた、縦軸10に平行な前進もしくは逆転動作のどちらかの様な励起接点6,7の一つにその励起電圧は印加されることができる。本願発明の様々な具体例において、これは電極4a,4bの内の適切な一つの励起により実現されることができる。すなわち図１−３に示される様に、縦軸10に平行な第１の方向の動作を供給するため、前記圧電共振子は接触素子5にナノ単位の楕円形の経路を生成するために構成される(すなわち、楕円形の経路12の反時計回り動作と楕円形の経路13の時計回り動作)。この様な構成では、電極4bがフロート（float）してもいい間は電極4aと共通電極8の励起接点6を通じてその励起電圧が印加される。その一方で図１−３に示される様に、縦軸10に平行で第１の方向に対向する第２の方向の動作を供給するため、前記圧電共振子は接触素子5にナノ単位の楕円形の経路を生成するために構成される(すなわち、楕円形の経路12の時計回り動作と楕円形の経路13の反時計回り動作)。この様な構成では、電極4aがフロートしてもいい間は電極4bと共通電極8の励起接点6を通じてその励起電圧が印加される。
【0029】
本願発明のいくつかの具体例において、圧電共振子3は実質的に立方体（cuboid）である。６つの面により囲まれた立体図形を、ここで使用される“立方体（cuboid）”という用語で呼ぶ。例えば前記圧電共振子は、第１の縦軸10に沿った長さＬと第２の縦軸11に沿った幅Ｂの長方形の面の形で作成され得る。幅Ｂと長さＬ（さらに縦軸10,11と平行）により囲われたこれらの面は、プレートの前面14及び後面15を定義する。第２の縦軸11に垂直で長さＬに沿った面は、そのプレートの上面16と下面17を定義する。前記モータの可動部がＬの特質（dimension）に沿って直線的に移動させることができる様に、圧電共振子3はそのプレートの前面14及び後面15と直角に対立されることができる。この様な具体例において、接触素子5はその圧電共振子の上面16及び下面17に位置付けられる。本願発明の様々な具体例において、圧電共振子3の接触場所5とガイド2との間に接触圧を供給するバネ荷重のガイド1,2にその圧電共振子3は組み込まれる。
【0030】
本願発明の様々な具体例において、接触素子5の場所又は配置は（２ｉ＋ｉ）（Ｌ／ｎ）という式により定義される。ここで、ｎは前に説明した様に縦振動モードの次元（すなわちｎ＝２，４，６）であり、ｉは（ｎ−２）／２≧ｉ≧０で定義される整数である。さらに前進もしくは逆転動作を供給するために、前に説明した様に、電極4が圧電共振子3の前面上に対の電極4a,4bで配置される。これら対の電極で第１の電極4aは２ｉ（Ｌ／ｎ）と（２ｉ＋１）（Ｌ／ｎ）との間の位置に配置される。これら対の電極で第２の電極4aは、（２ｉ＋１）（Ｌ／ｎ）と（２ｉ＋２）（Ｌ／ｎ）との間の位置に配置される。したがって、圧電共振子3の長さ方向に横切って、電極4a,4bは交互になる（alternate）。
【0031】
本願発明のいくつかの具体例において図１に示す様に、圧電共振子3は長さＬに沿った２次の振動モードの構成の条件を満たす。この様な具体例では、一つの共通電極8をプレート後面15に接触させて、さらに２つの違う電極4a,4bをプレート前面14に接触させている状態で、接触素子5の対が圧電共振子3の上面16と下面17に配置される。これらの他の電極4a,4bは前面14を、第１の電極4aが第１の励起接点7に接続され第２の電極4bが第２の励起接点6に接続される、それぞれの長さがＬ／２の２つの等しい電極の場所に分けている。
【0032】
本願発明の他の具体例において図２に示す様に、圧電共振子3は長さＬに沿った４次の振動モードの構成の条件を満たす。この様な具体例では、一つの共通電極8をプレート後面15に接触させて、さらに電極4の２つの対をプレート前面14に接触させている状態で、接触素子5の複数の対が圧電共振子3の上面16と下面17に配置される。その電極4の対は前面14を、第１の電極と第３の電極4aがお互い同士と第１の励起接点7に接続され第２の電極と第４の電極4bがお互い同士と第２の励起接点6に接続される、それぞれの長さがＬ／４の４つの等しい電極の場所に分ける。
【0033】
本願発明のさらに他の具体例において図３に示す様に、圧電共振子3は長さＬに沿った６次の振動モードの構成の条件を満たす。この様な具体例では、一つの共通電極8をプレート後面15に接触させて、さらに電極4の３つの対をプレート前面14に接触させている状態で、接触素子5の複数の対が圧電共振子3の上面16と下面17に配置される。これらの電極4の対は前面14を、第１の電極と第３の電極と第５の電極4aがお互い同士と第１の励起接点7に接続され第２の電極と第４の電極と第６の電極4bがお互い同士と第２の励起接点6に接続される、それぞれの長さがＬ／６の６つの等しい電極の場所に分ける。
【0034】
その結果、前に説明した様に周波数ν３の適切な励起電圧を、前に説明した様に共通電極8と励起接点6に印加することで第１の方向の動作を供給し、その同じ励起電極を共通電極8と励起接点7に印加することで、第１の方向と同じ動作量で、しかし反対方向の動作を供給する。
【0035】
本発明の様々な具体例では直線状の圧電モータに関して前に説明しているが、図６及び図７に示す様に、円形の圧電モータ構成を供給するために図４の圧電アクチュエータもまた使用されることができる。図６及び図７は本発明の他の具体例に従った、シリンダー状の圧電モータの一部の略図である。円形の軸（circular axis）（第１の縦軸）と第２の軸に沿った方向もしくはその円形の軸に実質的に垂直（第２の縦軸）な方向に音響定在波が生成される実質的なシリンダー状の圧電共振子を提供するため、その円形の軸により定義された第１の縦軸に沿って１つもしくは複数の圧電アクチュエータが配置される。円の外周により定義された軸を、ここで使用される“円形の軸（circular axis）”という用語で呼ぶ。以下に説明する様に、これらの圧電アクチュエータは図１−４に示した圧電アクチュエータと類似して構成される。したがって前に説明した4a,4b,5,6,7及び8の部品の説明は、図６及び図７の同部品を説明するための目的には十分である。
【0036】
図６に示した第１の典型的なシリンダー状の構成において、Ｘ軸について円形の軸612に沿って３つの圧電アクチュエータ602,604,606を並べることにより、圧電共振子601は提供される。そして接触素子5がＸ軸と平行に伸ばすことができる様に、そのアクチュエータ602−606は配置される。その結果、図１−４において前面に並べられた電極の構成と類似した構成で、圧電共振子601の外面601aに電極4aと電極4bが並べられる。図１−４において後面に並べられた電極の構成と類似した構成で、圧電共振子600の内面601bに共通電極8が並べられる。この様な構成では、圧電共振子601の長さＬは円形の軸612の外周によって定義されることができ、前に説明した図１−４に関しての直線状の共振器の長さに相当する。同様に圧電共振子601の高さ614は、前に説明した図１−４に関しての直線状の共振器の幅Ｂに相当するだろう。したがって、電極4aもしくは4bに印加させる単独の励起源を用いて円形の軸612や高さ614に平行な方向に沿った縦の定在波の同時励起を供給するという前に説明した方法に従って、圧電共振子601の次元や励起周波数が選択されることができる。この様な構成は、一つ以上のロータ616,618を回転させるために使用され得る。２つのロータを回転させる場合、図１−３のバネが圧電共振子に接触するガイドを付勢するという方法と同じ様に、バネもしくは他の弾力性のある部品620が圧電共振子3に接触したロータ616,618を付勢するために使用されることができる。
【0037】
しかしながら、この様なシリンダー状のシステムが励起される時、振動の寄生性の放射モード（parasitic radial mode）もまた励起され得る。一般的に圧電共振子の寄生性の放射モードは、エネルギー共役が原因でシリンダー状の圧電共振子での振動の他の全ての望ましいモードを抑制してしまう能力がある。そのためシリンダー状の圧電共振子を使用した本発明の具体例では、２つの隣接した接点5の間の中間の完全もしくは部分的な切り取り、もしくはスリット610が中間に取り込まれることができる。そのスリット610は振動の放射モードの伝播を防ぐ。その結果いくつかの具体例において、圧電共振子601が実質的にシリンダー状にできるという点では、その圧電共振子により完全なシリンダー状に形成されないかもしれない。
【0038】
図７に示した第２のシリンダー状の構成において、Ｘ軸について配置された円形の軸712に沿って３つの圧電アクチュエータ702,704,706を並べることにより、圧電共振子701は提供される。しかしながら接触素子5がＸ軸に関して放射状に、及び円形の軸712に垂直に伸ばすことができる様に、そのアクチュエータ702−706は配置される。その結果、図１−４において前面に並べられた電極の構成と類似した構成で、圧電共振子701の上面701aに電極4aと電極4bが並べられる。図１−４において後面に並べられた電極の構成と類似した構成で、圧電共振子700の下面701bに共通電極8が並べられる。したがって圧電共振子701がシリンダー状の形をしている間は、環状のもしくはリング型に成形された圧電共振子として動作するよう構成される。この様な構成では、圧電共振子701の長さＬは円形の軸712の外周によって定義されることができ、前に説明した図１−４に関しての直線状の共振器の長さに相当する。同様に圧電共振子701の環状の幅（annular width）714は、前に説明した図１−４に関しての直線状の共振器の幅Ｂに相当するだろう。半径方向に沿った環状もしくはリングの幅を、ここで使用される“環状の幅（annular width）”という用語で呼ぶ。したがって、電極4aもしくは4bに印加させる単独の励起源を用いて円形の軸712や環状の幅714に平行な方向に沿った縦の定在波の同時励起を供給するという前に説明した方法に従って、圧電共振子701の次元や励起周波数が選択されることができる。
【0039】
しかしながら、この様な環状のシステムが励起される時、振動の寄生性の放射モード（parasitic radial mode）もまた励起され得る。一般的に圧電共振子の寄生性の放射モードは、エネルギー共役が原因で環状の圧電共振子での振動の他の全ての望ましいモードを抑制してしまう能力がある。そのため環状の圧電共振子を使用した本発明の具体例では、２つの隣接した接点5の間の中間の完全もしくは部分的な切り取り、もしくはスリット710が中間に取り込まれることができる。そのスリット710は振動の放射モードの伝播を防ぐ。その結果いくつかの具体例において、圧電共振子701が実質的にシリンダー状にできるという点では、その圧電共振子により完全なシリンダー状に形成されないかもしれない。
【0040】
円形の圧電モータの典型的な具体例が圧電アクチュエータの限られた数だけを含めることとして示されているが、本発明の様々な具体例はこの観点に制限されるものではない。本発明の他の具体例において、あらゆる数の接触素子や電極を持ったあらゆる数の圧電アクチュエータが使用され得る。
【0041】
ここで説明されるモータへの応用例は、超小型の燃料電池ポンプのモータ構成部分としてそれを組み込むことも含むだろう。コンパクトで、安価で、静かなエアポンプは、効率的な燃料電池の新たな生成の一環として必要とされる。例えば、アクチュエータとして平坦な圧電共振子を使用した回転インペラーポンプを提供でき、そのアクチュエータはファンを取り付けたロータの回転を起こすための、その圧電共振子の長さ方向と幅方向に沿った縦振動モードの励起原理に影響を与える。しかしながら、ここで説明されるロータリーポンプは圧電共振子を含んでいるあらゆるアクチュエータ装置の型に使用されることができる。
【0042】
図８Ａは、１つのファンと、本発明の一具体例に従って構成された圧電共振子とを使用したロータリーポンプ800を示す。図６Ｂは、それぞれ反対方向のエアフローを供給するためそれぞれ反対方向の回転を持つ２つのファンと、本発明の具体例に従って構成された圧電共振子とを使用したロータリーポンプ850の上面図及び側面図をそれぞれ示す。これらの構造は、基部51，圧電共振子52，（複数の）軸受部を持ったロータ53，ファン54，バネ55，及び燃料電池素子56を含む。
【0043】
ロータリーポンプ800及び850は次の通りに動作する。圧電のアクチュエータ62は電気的に励起され、楕円形の動作軌跡は、その動作の面が圧電共振子62の主要な面と平行な状態で、その両端がたどりながら振動する。その振動の楕円形の経路は、圧電共振子62の変形の組み合わせから生じるもので、これは圧電共振子62の電気的な励起により促進される。圧電共振子62の各端の楕円形動作が、圧電共振子と（各）ロータとの（各）接触域の摩擦を介して、（各）ロータ53の回転運動に伝達し、（各）ファン54を回転させることができる様に、圧電共振子62の（各）端は（各）ロータ53に接触するバネ55の圧力により保持される。動作時の酸素を供給するため、（各）ファン54からの空気は燃料電池素子56に移動させられる。
【0044】
もし回転するファン54の断面積Ｓが１ｃｍ２（Ｓ＝１ｃｍ２）で、圧電共振子52の（各）端の直線動作をファン64の回転動作に変換する係数Ｋが０．４ｃｍ／ｒｅｖ（Ｋ＝０．４ｃｍ／ｒｅｖ）であるならば、空気流量Ｑ＝２００ｃｍ３／ｍｉｎを確保するために必要とするファン64の回転速度ｎは以下の式で求められる。【数6】
【0045】
出願人はここに上述の明白で理論的な態様を提示するが、その態様は本発明の各具体例に関してなされた見解を説明しようとするに正確なものであると確信する。しかしながら、本出願の具体例は提示された理論的な態様なしで実施されるかもしれない。加えて出願人は、その提示された理論に制約されるつもりはないことを理解する上で、その理論的な態様を提示する。
【0046】
本発明の様々な具体例が前に説明されている間、それらは単に例として提示されているだけで、それに制限されないことを理解されるべきである。本発明の精神や範囲から逸脱することなくここの開示に従って、開示された具体例の数々の変形が作成され得る。したがって、本発明の広さや範囲は、前に説明したいかなる具体例によっても制限されないこととすべきである。むしろ本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲やそれに相当するものに従って定義されるべきである。
【0047】
１つまたはそれ以上の実施に関して解説及び説明しているが、この明細書や付属する図面を読んで理解できる他の当業者は相当する変更や修正箇所に気がつくだろう。さらに、本発明の特定の特性が単にいくつかの実施の一つに関してだけ説明されているかもしれない一方で、あらゆる所定の又は特定の応用のために要求される様に及び好都合な様に、他の実施の他の一つ又はそれ以上の特性にこのような特性が組み合わされるかもしれない。
【0048】
ここで使用された技術は特定の具体例のみで説明する目的であり、本発明を制限する意図はない。次の用語、単数形の“ａ”、“ａｎ”、及び“ｔｈｅ”は、特に文脈で明確な指示がない場合は複数形も同様に含むことを意図する。さらに、用語“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”、“ｉｎｃｌｕｄｅｓ”、“ｈａｖｉｎｇ”、“ｈａｓ”、“ｗｉｔｈ”又はそれに関した色々なものが詳細な説明及び／又は特許請求の範囲で使用されるという点で、この様な用語は用語“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”と同様の方法を含めたことを意図する。
【0049】
特に指示がない場合、ここで使用される全ての用語（技術的、科学的用語も含む）は、この発明が属する当業者によって一般に理解されている様に同じ意味を持っている。例えば一般に辞書を使用して定義される様な用語は、技術に関係のある文脈のこれらの意味と一致する意味を持っていることとして解釈されるべきであり、ここで明確に定義されない場合は理想的もしくは過度に正式な意味で解釈される意志はない。
【符号の説明】
【0050】
１ バネ２ ガイド
３ 圧電共振子
４ａ，４ｂ 電極
５ 接触素子
８ 共通電極
１２，１３ 楕円形の経路
１００ 圧電モータ