JP4245193B2 - ハイパワー超音波原動機 - Google Patents

Description

本発明は、広くアクチュエータに関し、より詳しくは超音波アクチュエータに関する。
図１は、本発明の超音波アクチュエータの等角図である。
図２は、図１の超音波モータの平面図である。
図３は、図２のライン３−３に沿った図１の超音波モータの断面図である。
図４は、図１の超音波モータの分解組立図である。
図５は、図４のライン５−５に沿った図１の超音波モータの断面図である。
図６は、図５のライン６−６に沿った図１の超音波モータの断面図である。
図７は、図４のライン７−７に沿った図１の超音波モータの断面図である。
図８は、図７のライン８−８に沿った図１の超音波モータの断面図である。
図９は、図４のライン９−９に沿った図１の超音波モータの断面図である。
図１０は、図９のライン１０−１０に沿った図１の超音波モータの断面図である。
図１１は、図１の超音波モータの部分の側面図である。
本発明の、ハイパワー超音波アクチュエータすなわちモータ２１は、形態が円筒形であり、また中心縦軸２２に関して同心に配置されている。装置すなわちモータ２１は、比較的大きさが小さく、また約３インチ（７．６２ｃｍ）の直径と約４インチ（１０．１６ｃｍ）の長さを有する。あらかじめ決められた幾何学的配置のハウジング部材すなわちモータハウジング２３がモータ２１内に含まれる。図１〜４及び分離して図５及び６に示されたモータハウジング２３は、断面が円形であり、円筒形の壁２６の一端を横切って広がる、大部分が平面な端の壁２７を有する外側の円筒形の壁２６を有する。円筒形の壁２６の他の一端は、モータハウジング２３の内部チャンバ２８にアクセスするために開いている。内部チャンバは、壁２６及び２７により形成される。円筒形の壁２６の開放端には、縦軸２２と直角に広がる環状平坦面３１が備えられている。中央の円上の開口部３２が、端の壁２７を通して内部チャンバ２８中に広がる。モータハウジング２３は、６−２−４−２チタンのような任意の適切な材料から作られる。円筒形の壁２６は、約２．８５インチ（７．２３９ｃｍ）の外側の直径及び約２．３インチ（５．８４２ｃｍ）の内側の直径、及び約１．４５インチ（３．６８３ｃｍ）の端から端への長さを有する。端の壁２７は、約０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の厚さ及び約１．５インチ（３．８１ｃｍ）の直径を有する。モータハウジング２３には、電流がモータハウジングの回りで円周方向に流れることを防ぐため、ハウジング２３を通して縦方向に延びる、放射状に広がるスリット３３が備えられている。モータハウジング中のそのようないかなる電流も、超音波モータ２１の効率を低下させる不要な電磁界及び熱を発生させる。スリット３３は、約０．０４インチ（０．１０１６ｃｍ）の厚さを有し、約０．６０インチ（１．５２４ｃｍ）の距離、モータハウジング２３の外側から内側に放射状に広がる。
トランスデューサアセンブリすなわちトランスデューサ４１が、モータハウジング２３に収容され、より詳しくは内部チャンバ２８内に配置される。図３及び４に示すように、トランスデューサ４１は、電磁界に置かれることにより付勢されたときに形状が変化する、任意の能動的又はスマートな材料から作られた円筒形すなわちロッド状の部材を、駆動ロッド４２の形状の中に含む。そのような能動的材料は、かけられた磁界に応答して形状を変化させる磁気ひずみ材料（magnetostrictive material）を含む。磁気ひずみ材料は、比較的高いエネルギー密度を持つように高い機械的ストレスに耐えることができるような材料であるため、好適である。高いエネルギー密度は、与えられた電力入力及びスマートな材料の体積からのより大きい機械的パワー出力を可能にし、このようにして超音波モータ２１の大きさ及び重量を減少させる。好適な磁気ひずみ材料は、希土類材料及び希土類−遷移金属材料（rare earth-transition metal material）である。好適な希土類−遷移金属材料は、米国特許第４，３０８，４７４号、４，６０９，４０２号、４，７７０，７０４号、４，８４９，０３４号又は４，８１８，３０４号に開示された、普通TERFENOL-Dと言われる希土類−鉄材料である。TERFENOL-Dは、テルビウム、ジスプロシウム及び鉄の元素から形成された合金であり、Ｔｂ_xＤｙ_1-xＦｅ_1.92の式を有する。駆動ロッド４２のTERFENOL-D材料のための好適な式は、Ｔｂ_.3Ｄｙ_.7Ｆｅ_1.90-1.95である。TERFENOL-Dのような磁気ひずみ材料は、望ましくは、約−１００から＋３８０℃の範囲の広い動作温度環境を有する。TERFENOL-Dはまた、１０．５から１０．８Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の比較的高い熱伝導度を有する点でも有利である。
駆動ロッド４２は、外側の円筒形の表面４３、及び縦軸２２に垂直に広がりかつお互いに平行な第１及び第２の平面端表面４４及び４６で形成される。駆動ロッド４２は、約１．２５インチ（３．１７５ｃｍ）の直径、及び約０．７インチ（１．７７８ｃｍ）の端の表面４４及び４６の間の長さを有する。穴４７が、端の表面４４及び４６の間の中央の縦軸２２に沿って広がり、約０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の直径を有する内側の円筒形の表面４８から形成される。駆動ロッド４２は、その中の渦電流を抑制するために、薄層でできている。
トランスデューサ４１は、能動的駆動ロッド４２の少なくとも一部を通して広がる電磁界を発生するための手段として働く駆動コイル５１を含む（図３及び４を参照）。コイル５１は、内部チャンバ２８内に駆動ロッド４２に関して同心に配置され、及び全体の駆動ロッド４２を通して広がる電磁界を生成する。コイル５１は、ニューヨーク州のCotronics of Brooklynにより作られたDuralco１２８エポキシを使用して適所に巻かれた１８番のアメリカ線番号（AWGS）の正方形構造の銅線（build square copper wire）５２から作られる。電気的伝導性のある電線５２は、２２℃で約０．０９オームの直接電流抵抗を有する。コイル５１は、２層の電線５２により巻かれ、及び１層あたり１７ターンを有する。電線を巻いたコイル５１は、約０．７４インチ（１．８８ｃｍ）の長さ、約１．７インチ（４．３１８ｃｍ）の外側直径及び約１．５インチ（３．８１ｃｍ）の内側直径を有する。
ハイパワーソース５６が、電気信号をトランスデューサ４１に提供するために、超音波モータ２１の手段の内部に含まれる（図１参照）。電気ソース５６は、１０ワットから５０キロワットの、好適には３キロワットを超える範囲の電力をトランスデューサに提供する。パワーソース５６は、最も好適には、トランスデューサ４１に約６キロワットの電力を、約１５０ボルト及び４０アンペアの超音波三相正弦波信号の形態で提供する。簡単のため図１にのみ示す電線５７は、パワーソース５６をコイル電線５２の自由端に結合する。モータハウジング２３の端の壁２７には、内部チャンバ２８と連絡するために、角を成すように離して配置された第１、第２、及び第３の穴６１、６２及び６３が備えられる（図５を参照）。第１及び第２の穴６１と６２との間の、及び第２及び第３の穴６２と６３との間の間隔を空けた角度は、それぞれ約９０°である。チューブ状ストレインリリーフ（strain relief）６６が、第１の穴６１の一端に配置される。電線５７が、パワーソース５６からストレインリリーフ６６及び第１の穴６１を通して延びており、及び電線５２に電気的に接続されている。
磁石手段又はチューブ状磁石手段７１が、駆動ロッド４２に連続的にバイアスをかけるために、超音波モータ２１内に提供される（図３及び４を参照）。チューブ状磁石手段７１は、第１及び第２の環状のバイアス磁石７２及び７３から構成される第１及び第２の対向する端部分、及び第３の又は中央の環状のバイアス磁石７４から構成される中央部分を有する。中央のバイアス磁石７４は、第１及び第２のバイアス磁石７２及び７３の間に配置される。バイアス磁石７２〜７４は、硬磁性材料から作られており、多くの異なるグレードのネオジム鉄ホウ素磁石のような任意の適切なタイプのものでよい。他には、バイアス磁石７２〜７４は、サマリウムコバルトのような材料から作ることもできる。
チューブ状磁石手段７１は、駆動ロッド４２を通して均一な直流磁界を生成するように大きさが決められかつ形成される。中央のバイアス磁石７４の放射方向の厚さより大きい放射方向の厚さの第１及び第２のバイアス磁石７２及び７３は、そのような均一な直流磁界バイアスを提供する。第１及び第２のバイアス磁石７２及び７３は、それぞれ約０．２インチ（０．５０８ｃｍ）の縦の寸法すなわち長さ、及びそれぞれ約２．１インチ（５．３３４ｃｍ）及び１．７２インチ（４．３６９ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。中央のバイアス磁石７４は、約０．３５インチ（０．８８９ｃｍ）の長さ、及びそれぞれ約２．１インチ（５．３３４ｃｍ）及び１．７９インチ（４．５４７ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。見られるように、中央のバイアス磁石７４は、磁石７２及び７３の内側の直径より大きい内側の直径に起因する、第１及び第２のバイアス磁石７２及び７３の放射方向の厚さより小さい放射方向の厚さを有する。
図３に示すように、チューブ状磁石手段７１は、コイル５１に関して同心に配置される。バイアス磁石７２〜７４は、コイル５１の長さに近く接近している総計の長さを有する。第１のバイアス磁石７２は、コイル５１の一端の表面と縦に揃っている、外側の、平面の端の表面７６を有する。第２のバイアス磁石７３は、コイル５１の他の一端の表面と縦に揃っている、外側の、平面の端の表面７７を有する。第１及び第２のバイアス磁石７２及び７３は、それぞれ、放射方向に通して延びる約０．０４インチ（０．１０２ｃｍ）の厚さのスリット８１を有する。中央のバイアス磁石７４は、放射方向に通して延びる約０．０４インチ（０．１０２ｃｍ）の厚さのスリット８２を有する。スリット８１及び８２は、縦に揃っており、電流がバイアス磁石の回りで円周方向に流れることを防ぐために、縦軸２２に平行な方向に延びている。上述のように、そのような電流は、トランスデューサ４１の望ましい性能を低下させる不要な磁界及び熱を発生し得る。
第１及び第２の磁束帰還手段（flux return means）が、バイアス磁石７２〜７３により生成された直流磁界を捕えるため及びこの直流磁界を駆動ロッド４２を通して導くため、モータハウジング２３により、内部チャンバ２８内に収容される（図３及び４を参照）。第１及び第２の磁束帰還手段は、コイル５１により生成された交流磁界も捕え、この交流磁界を駆動ロッド４２中に伝える。第１及び第２の磁束帰還手段は、第１及び第２の内側の環状ディスクのような部材すなわち磁性を有するディスク８６及び８７、及び第１及び第２の環状リング部材すなわち磁性を有するリング８８及び８９を含む。
ディスク８６及び８７及びリング８８及び８９は、それぞれ比較的低い電気伝導度及び比較的高い電気抵抗率を有する、任意の適切な強磁性体又は軟磁性体から作られる。磁束帰還素子８６〜８９は、比較的高い磁気飽和磁束密度（magnetic saturation flux density）も有する。より現実的な電気抵抗率の範囲は０．０１から１０００Ω−ｃｍの範囲であるが、素子８６〜８９の材料は、１０００Ω−ｃｍより大きい電気抵抗率を有することが好適である。磁気飽和磁束密度は、８，０００ガウスより大きいこと、より好ましくは１２，０００ガウスより大きいこと、最も好ましくは２０，０００ガウスより大きいことが好適である。
素子８６〜８９のための適切な材料は、ペンシルバニア洲の、Arnold Engineering of Marengo, Illinois and Magnetics of Butlerにより、High Fluxという商標名で売られている材料である。High Fluxは、０．５のニッケルと残りの鉄との組成を有するニッケル及び鉄の合金である。High Flux材料のニッケル及び鉄の成分は、ミクロン及びサブミクロンの粒子の大きさに粉砕される。誘電体が、電気的に絶縁するために粒子の上に噴霧され、粉末の混合物は、砂岩の構造の同等物である固体成分を作るために平方インチあたりおよそ２００トンで圧縮される。他の適切な材料は、ニュージャージー州の、MMG North America of Patersonにより売られている鉄の粉末である。鉄の粉末は、９５％より大きい鉄の組成を有する。鉄の粉末は、上述のHigh Fluxを製造するための方法と同様の方法で製造される。簡潔に言えば、鉄の素子は、ミクロン及びサブミクロンの粒子の大きさに粉砕される。誘電体が、電気的に絶縁するために粒子の上に噴霧され、粉末の混合物は、砂岩の構造の同等物である固体成分を作るために圧縮される。これらの材料のそれぞれは、０．０１から５０Ω−ｃｍの範囲の電気的抵抗率及び１２，０００から１５，０００ガウスの範囲の磁気飽和磁束密度を有する。High Fluxは、より良い磁束伝導体となる、高い比透磁率を有する。
第１の磁性を有するディスク８６は、約０．１インチ（０．２５４ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約１．２５５インチ（３．１８８ｃｍ）及び０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。第２の磁性を有するディスク８７は、約０．０７インチ（０．１７７８ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約１．２５５インチ（３．１８８ｃｍ）及び０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。ディスク８６及び８７は、第１の磁性を有するディスク８６が駆動ロッド４２の第１の端の表面４４に接し、第２の磁性を有するディスク８７が駆動ロッド４２の第２の端の表面４６に接するように、それぞれ縦軸２２上の中心に配置される。
第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９は、それぞれ約０．０８インチ（０．２０３２ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約２．０９５インチ（５．３２１３ｃｍ）及び１．３１インチ（３．３２７４ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。リング８８及び８９のそれぞれには、それの内側に半月形状のカットアウト９１、及びそれを通って延び、約０．１２インチ（０．３０４８ｃｍ）の厚さを有する放射方向に延びるスリット９２が与えられている。第１のリング８８中のカットアウト９１は、電線５７及びこれによりパワーソース５６に電気的に結合するため、コイルの電線５２がリング８８を通過して内部チャンバ２８から出ることができるようにする。スリット９２は、スリット３３、８１及び８２に関して上述した理由のため、電流がリング８８及び８９の回りで円周方向に流れることを防ぐ。第１の磁性を有するリング８８は、第１のバイアス磁石７２の端の表面７６及びコイル５１の対応する端に接し、第２の磁性を有するリング８９は、第２のバイアス磁石７３の端の表面７７及びコイル５１の対応する端に接する。
音響素子すなわち延長部（extension）９６が、超音波モータ２１内に含まれ、及びとりわけモータハウジング２３の開放端を閉じるために働く。図３及び４に最も明確に示されるように、音響延長部９６は、それぞれが縦軸２２上の中心に配置されるフランジ部分９７及び円筒形部分９８を含む。ディスクのようなフランジ部分９７は、約０．２２５インチ（０．５７１５ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及び約２．９インチ（７．３６６ｃｍ）の外側直径を有する。フランジ部分９７は、モータハウジング２３の環状平坦面３１と接しかつ噛み合う、大部分が平坦な表面すなわち面１０１を有する。中央の平坦面１０２が面１０１の中央に備えられる。中央の面１０２は、約１．２５５インチ（３．１８７７ｃｍ）の外側の直径を有し、また面１０１に平行である。中央の表面１０２は、約０．０３５インチ（０．０８８９ｃｍ）、面１０１から外側に間隔を空けて配置される。１２の複数の円周上に間隔を空けて配置された穴１０３が、フランジ部分９７を通して縦に延び、及びモータハウジング２３の平坦面３１中に縦に延びるネジ山が切られた、同じ数の複数の穴１０４と縦に揃う。キャップネジ１０６がフランジの穴１０３のそれぞれを通して延び、音響延長部９６をモータハウジング２３に固定するため、モータハウジング中の穴１０４とネジで嵌合する。
円筒形部分９８は、フランジ部分９７と統一体を構成し、またフランジ部分９７から面１０１から離れる方向に延びる。面１０１と平行に延びる環状の平坦面１０７は、音響延長部９６の他の端を形成する。２つの対向して揃えられたカットアウトすなわち平面が、レンチで超音波モータ２１を把持及び回転することを容易にするため、端面１０７近傍の円筒形部分９８中に形成される。ネジ山が切られた突出部１１２が、約０．７インチ（１．７７８ｃｍ）の距離、端面１０７から垂直に突出する。
音響延長部９６は、音響金属（acoustic metal）のような任意の適切な材料から作られる。適切な音響金属はアルミニウム合金、マグネシウム合金及びチタン合金である。マグネシウム合金は、音響延長部９６の材料として好適である。音響延長部９６を形成するために好適なマグネシウム合金は、高Q／低減衰の材料であり、以下のAmerican Society for Testing and Materials（ASTM）のタイプの材料を含む：それぞれが、２．５から３．５、０．７から１．３及び少なくとも０．２０の範囲のそれぞれアルミニウム、亜鉛及びマグネシウムのパーセント組成を有するAZ31B-F^c及びAZ31B-H24；５．８から７．２、０．４から１．５及び少なくとも０．１５の範囲のそれぞれアルミニウム、亜鉛及びマグネシウムのパーセント組成を有するAZ61A-F；７．８から９．２、０．２から０．８及び少なくとも０．１５の範囲のそれぞれアルミニウム、亜鉛及びマグネシウムのパーセント組成を有するAZ80A−T5；４．８から６．２及び少なくとも０．４５の範囲のそれぞれ亜鉛及びジルコニウムのパーセント組成を有するZK60A-T5；２．５から４．０及び０．４５から１．０の範囲のそれぞれトリウム及びジルコニウムのパーセント組成を有するHK31A-H24。これらの材料は、それぞれ１００より大きいQ（quality factor）を有し、また１８，０００から３０，０００ｐｓｉ（１２６５．５５から２１０９．２４ｋｇ／ｃｍ）の高い疲れ強度を有する。AZ80A-T5、ZK60A-T5、AZ31B及びAZ61A-Fは、音響延長部９６のより好適な材料であり、AZ80A-T5は、約１２．２μΩ−ｃｍの比較的高い電気抵抗率を持つため最も好適である。
音響延長部は、音響延長部の材料の４分の１共振波長と等しい、約２．５インチ（６．３５ｃｍ）の、中央の面１０２から端面１０７へ測定した縦の寸法すなわち長さを有する。従って、音響延長部は、それの共振周波数でトランスデューサ４１から振動するように大きさが作られている。
第２の磁性を有するディスク８７、駆動ロッド４２及び第１の磁性を有するディスク８６の積み重ねが内部チャンバ２８内に配置される（図３を参照）。第２の磁性を有するディスク８７は、中央の表面１０２に接する。コイル５１は、駆動ロッド４２の回りに延び、また第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９の間に積み重ねられる。第２の磁性を有するリング８９は、フランジ部分９７の面１０１に接する。第１のバイアス磁石７２、中央のバイアス磁石７４及び第２のバイアス磁石７３が、コイル５１の外側で、第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９の間に積み重ねられる。縦軸２２に沿って中心に配置されたディスクのような反作用質量（reaction mass）１２１が、第１の磁性を有するディスク８６に接する。反作用質量１２１は、１７−４ＰＨステンレススチールのような任意の適切な材料から作られ、約０．１インチ（０．２５４ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約１．２５５インチ（３．１８８ｃｍ）及び０．２４５インチ（０．６２２３ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。反作用質量１２１は、約０．４５インチ（１．１４３ｃｍ）の直径を持つ隆起した中央の部分１２１ａを有する。中央部分１２１ａは、約０．０４インチ（０．１０１６ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さを有する。反作用質量１２１は、反作用質量１２１と第１の磁性を有するディスク８６の合成質量が駆動ロッド４２をそれの共振周波数で動作させるような特定の質量を有するような大きさで作られる。
駆動ロッド４２にプリロードを与えるための手段が、超音波モータ２１内に含まれ、またそれは、皿バネ１２６、プリロードディスク１２７及びプリロードプレート１２８を含む。皿バネ１２６は、ニュージャージー州の、HK Metalcraft of Lodiにより作られた部品番号BEL-2401-2410のような任意の適切なタイプでよい。皿バネ１２６がプリロードプレート１２８内に埋め込まれることを防ぐプリロードディスク１２７は、１．９５青色硬化バネ鋼（blue hardened spring steal）のような任意の適切な材料からつくることができる。ディスク１２７は、約０．０３インチ（０．０７６２ｃｍ）の縦の寸法すなわち厚さ、及びそれぞれ約１．４インチ（３．５５６ｃｍ）及び１．０インチ（２．５４ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。プリロードプレート１２８は、形状がディスク状であり、６−２−４−２チタンのような任意の適切な材料から作られる。プリロードプレート１２８は、ネジ山が切られ、モータハウジング２３の中央の開口部３２にネジで嵌合するような直径の大きさで作られた、外側の円筒形の表面を有する。ネジ山が切られた穴１３１が、プリロードプレート１２８の中心と通して延びる。プリロードプレート１２８は、１５００から２８００ポンド（６８０．４から１２７０．０８ｋｇ）の範囲、好適には約２３００ポンド（１０４３．２８ｋｇ）で駆動ロッド４２にプリロードを与えるために中央の開口部３２内で回転させて締められる。
能動的冷却手段が、モータ２１のデューティサイクルを延長し、それの性能を高めるために、超音波モータ２１内に備えられる。能動的冷却手段は、駆動ロッド４２、コイル５１及びチューブ状の磁性を有する手段７１の周囲に延びる部分を有する液体通路１４１を含む。液体通路１４１は、任意の適切な誘電体冷却液がトランスデューサ４１及び他のモータ構成部分を冷却するため超音波モータ２１を通して流れることができるように構成される。ペンシルバニア州の、Multitherm Corporation of Colwynにより作られる商標名Multitherm503を有する液のような、任意の合成の熱移動液が、超音波モータ２１のための適切な冷却液である。
液体通路１４１は、第１のすなわち外側の螺旋部分１４１ａ、第２のすなわち中間の螺旋部分１４１ｂ及び第３のすなわち中央の螺旋部分１４１ｃからなる、３つの螺旋部分を有する。外側の螺旋部分１４１ａは、図３に示すように、チューブ状の磁性を有する手段７１の外側の周囲に円周に広がり、円筒形の壁２６の内側の表面により一部が形成される。外側の螺旋部分１４１ａは、分離して図７及び８に示すように、チューブ状の磁性を有する手段７１の周囲に広がる、外側の冷却部（cooling fixture）１４２からなるチューブ状部材により更に形成される。冷却部１４２は、約０．９９インチ（２．５１４６ｃｍ）の縦の寸法すなわち長さ、及びそれぞれ約２．２９８インチ（５．８３７ｃｍ）及び２．１インチ（５．３３４ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。ディスクのようなリング１４３は、冷却部１４２の一端に形成される。リング１４３には、約１．７５インチ（４．４４５ｃｍ）の内側の直径を有する中央の開口部１４６が備えられる。冷却部１４２の外側の円筒形の表面は、少なくとも６ターンを備える螺旋チャネル１４７で形成される（図４及び８を参照）。チャネル１４７は、約０．０６インチ（０．１５２４ｃｍ）の半径を有する。２つの正反対に対向するカットアウト１４８が、螺旋チャネル１４７と通じるために、リング１４３中に備えられる。外側の冷却部１４２が、リング１４３がモータハウジング２３の端の壁２７の近くに位置するように、内部チャンバ２８内に配置される。
超音波モータ２１は、液体通路１４１の中間の螺旋部分１４１ｂを形成するために、第２のチューブ状部材すなわち冷却部１５６を含む手段を有する。冷却部すなわち内側の冷却部１５６は、分離して図９及び１０に示すように、約０．７４インチ（１．８７９６ｃｍ）の縦の寸法すなわち長さ、及びそれぞれ約１．５インチ（３．８１ｃｍ）及び１．２６インチ（３．２００４ｃｍ）の外側及び内側の直径を有する。冷却部１５６の内側の円筒形の表面は、少なくとも５ターンを有する螺旋チャネル１５７で形成される。チャネル１５７は、約０．０６インチ（０．１５２４ｃｍ）の半径を有する。図３に示すように、内側の冷却部１５６が、駆動コイル５１と駆動ロッド４２との間に配置される。駆動ロッド４２の外側の円筒形の表面４３は、液体通路１４１の中間の螺旋部分１４１ｂの内側の表面を形成する。
外側及び内側の冷却部１４２及び１５６は、それぞれ電気的絶縁性のすなわち非伝導性材料から作られる。適切な材料は、窒化ホウ素、アルミナ、炭化シリコン、炭化ホウ素、二ホウ化チタン、炭化タングステン、窒化シリコン、尖晶石、熱分解黒鉛、熱分解窒化ホウ素、酸化ベリリウム、黒鉛及びシリコン、及び前述事項の全ての混合物、変化及びグレードを含むようなセラミックである。他の適切な材料は、窒化アルミニウムである。冷却部１４２及び１５６の好適な材料は、高温圧縮された窒化ホウ素である。前述の材料は良い熱伝導体であり、このためモータハウジング２３及びそれの中の構成部品からの熱の除去を高める。特に、その材料は、１Ｗ／ｍ−Ｋより大きい、好適には３０Ｗ／ｍ−Ｋより大きい、比較的高い熱伝導性を有する。
中央の螺旋部分１４１ｃは、駆動ロッド４２の中央の穴４７を通して広がっている。中央の螺旋部分１４１ｃを形成するための手段は、冷却チューブ１６１の形状の中に細長い部材を含む。駆動ロッドの内側の円筒形の表面４８は、液体通路１４１の中央の螺旋部分１４１ｃを形成するためにも役に立つ。冷却チューブ１６１は、ポリアミド／イミド、例えばTorlonのような、任意の適切な非電気的伝導性材料から作られ、また第１の端部分すなわち螺旋部分１６１ａ及び、フィッティング１６１ｂの形状の反対側の第２の端部分を有する（図１１を参照）。中央のすなわちネジ山を切られた部分１６１ｃは、螺旋部分１６１ａとフィッティング１６１ｂとの間に配置される。螺旋部分１６１ａは、図３に示すように、駆動ロッドの穴４７内部の配置のために、大きさ及び形状が作られ、また約０．７５インチ（１．９０５ｃｍ）の縦の寸法すなわち長さ、及び０．２１インチ（０．５３３４ｃｍ）の外側の直径を有する。少なくとも４ターンを有する螺旋チャネル１６２が、螺旋部分１６１ａの回りで円周に広がっている。螺旋チャネル１６２は、約０．０６インチ（０．１５２４ｃｍ）の半径を有する。冷却チューブ１６１の円筒形の中央の部分１６１ｃは、駆動ロッド４２内部の螺旋部分１６１ａを固定するため、プリロードプレート１２８のネジ山が切られた穴１３１にネジで嵌合するように、外部の大きさ及び形状が作られる。中央の穴１６３は、フィッティング１６１ｂ及び中央の部分１６１ｃを通して、螺旋チャネル１６２中の開口部１６４に縦に延びている（図１１を参照）。穴１６３は、フィッティング１６１ｂの開口した端を通して延びている。
冷却液が、入口フィッティング１７１を通して延びる穴１７２を有するチューブ状入口フィッティング１７１により、超音波モータ２１中に導かれる。入口ライン（図示せず）は、これに関して、フィッティング１７１に接続される。入口フィッティング１７１は、モータハウジング２３の円筒形の壁２６を通して縦に延びる入口の穴１７３に、ネジで固定される（図３及び５を参照）。縦の入口の穴１７３は、音響延長部９６のフランジ部分９７の側面に入る放射方向に延びる穴１７７と、フランジ面１０１中の開口部１７６により、通じている。放射方向の穴１７７は、フランジ部分９７のおよそ中心の方に延びている。プラグ１７８が、フランジ部分９７の外側の円筒形の表面中の放射方向の穴１７７の開口部を閉じるように働く。第１、第２及び第３の開口部１８１、１８２及び１８３は、横断する穴１７７と通じるために、フランジ面１０１を通して更に延びる（図３及び４を参照）。第１の開口部１８１は、放射状の穴１７７内部の液体が液体通路１４１の外側螺旋部分１４１ａと通じることができるようにするため、フランジ面１０１上に放射状に位置させられる。第２及び第３の開口部１８２及び１８３は、冷却液が液体通路の中間及び中央の螺旋部分１４１ｂ及び１４１ｃにアクセスすることができるようにするため、同様に位置させられる。カットアウト９１は、第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９を過ぎる冷却液の流れを容易にする。
液体通路１４１の外側及び中間の螺旋部分１４１ａ及び１４１ｂを通して流れる冷却液は、内部チャンバ２８中の、外側及び内側の冷却部１４２及び１５６の縦方向の他の端で再び結合する。外側の冷却部１４２内の液体は、この事についてはカットアウト１４８によって外側の螺旋部分１４１ａを出る。通路部分１４１ａ及び１４１ｂからの冷却液は、端の壁２７中の第３の穴６８を通してモータハウジング２３を出る。出口フィッティング１８６の形状中のチューブ状部材は、モータハウジング２３から縦に延びており、穴６３と通じる穴１８７を備えている。液体通路１４１の中央螺旋部分１４１ｃを通して移動する冷却液は、冷却チューブによって超音波モータ２１を出るために、開口部１６４を通して冷却チューブ１６１中の中央の穴１６３に入る。出口ライン（図示せず）は、冷却液を超音波モータ２１から排出するために、出口フィッティング１９６及び冷却チューブ１６１のフィッティング１６１ｂに固定される。内部チャンバ２８内の温度は、駆動コイル５１の頂上の第１の磁性を有するリング８８中のスリット９２中に配置されたサーミスタ又は熱電対のような任意の適切な温度センサ（図示せず）によって、モニタすることができる。チューブ状ストレインリリーフ１９１がモータハウジング２３に固定されており、電線１９２が温度センサと接続するためにモータハウジングに入ることを可能にするため、第２の穴６２に通じている。
操作及び使用では、モータ２１は、音響延長部９６のネジ山を切られた突出部１１２で振動運動を発生するためのTERFENOL-Dのような磁気ひずみ材料から作られた駆動ロッドを使用する。この振動運動は、超音波周波数範囲、すなわち１７キロヘルツより高い範囲である。一般に、駆動ロッド４２は、磁界が存在しないときの第１の形状と、磁界が存在するときの第２の形状との間で変化できる。より詳しくは、駆動ロッド４２の巨大な磁気ひずみ材料中の磁性を有する領域（magnetic domain）は、軸２２に平行な磁界が駆動ロッドにかけられたときに、縦軸２２と一列に並ぶ。磁性を有する領域がこのように並ぶことにより、駆動ロッド４２は伸びる。正弦波入力信号が、入力信号と同じ周波数を有し、駆動ロッド４２を通して広がる変化する電磁界を発生するため、コイル５１に与えられる。
皿バネ１２６は、駆動ロッド４２の作動及び不作動の間中約２３００ボンド（１０４３．２８ｋｇ）で一定のままである縦方向のプリロードを駆動ロッド４２上に作るために働く。プリロードにより、磁性を有する領域は、外部から、駆動ロッド４２の縦軸２２により完全に直角に向けられる。駆動ロッドのための変形対磁界強度（strain versus magnetic field strength）の曲線上の、非常により長い線形動作領域がこのようにして提供され、プリストレスをその上に持たない駆動ロッドと比較して、与えられた強度の磁界に対して、非常により高い変形（strain）が得られる。
チューブ状の磁性を有する手段７１は、駆動ロッド内の磁性を有する領域が、それらの最大の可能な値のおよそ２分の１の変形を起こさせる直流磁界バイアスを駆動ロッド４２に提供する。ここで駆動ロッド４２の材料がそれの総計の変形の２分の１の状態であり、磁気ひずみを通じて駆動ロッド４２をそれの磁気的にバイアスされた変形から伸びたり縮んだりさせる、コイル５１からの交流磁界が、直流バイアス磁界に加わり、及びそれを減じる。駆動ロッド４２を磁気的にバイアスすることは、駆動ロッドの磁気ひずみ材料の全般の効率を増大させ、また駆動コイル５１への入力信号の要求される強度、及びその結果、駆動コイルにより生成される熱を２の係数で減少させる。
チューブ状の磁性を有する手段７１の大きさ及び形状は、十分に均一な駆動ロッド４２中の直流磁界バイアスを提供する。上述のように、中央のバイアス磁石７４の放射方向の厚さは、中央のバイアス磁石のどちらかの側に配置された第１及び第２のバイアス磁石７２及び７３の放射方向の厚さより小さい。この厚さの減少は、中央バイアス磁石７４の比較的より大きい内側の直径により起こされる。比較的より薄い中央のバイアス磁石７４は、駆動ロッド４２の縦方向の中心の直流バイアス磁界の強度を減少させる。チューブ状の磁性を有する手段７１からの均一な直流バイアスは、駆動ロッド４２の性能及び駆動コイル５１への駆動ロッドの磁気結合を高める。
駆動ロッド４２を通じた十分に均一な磁気的バイアスは、磁束帰還素子８６〜８９の使用により更に促進される。上述のように、第１及び第２の磁性を有するディスク８６及び８７は、駆動ロッド４２の各自の端の表面４４及び４６上に配置される。第１及び第２の磁性を有するリング８８及び８９は、チューブ状の磁性を有する手段７１の各自の端の表面７６及び７７上に配置される。これらの磁束帰還素子は、バイアス磁石７２〜７４により生成された直流磁界を捕え、駆動ロッド４２を通して磁界を導くように働いており、それにより駆動ロッド４２中の磁界の漏れを減少させ、またこのようにして駆動ロッドの直流バイアスを高める。
パワーソース５６により超音波モータ２１に与えられた正弦波入力信号は、約６キロワットのパワー及び約２０キロヘルツの周波数を有する。入力信号は、駆動コイル５１の螺旋状に巻かれた電線５２を通過し、交流電磁界が駆動ロッド４２を通じてコイルにより生成される。この電磁界は、−６００から＋６００エルステッドの範囲の、好適には約５００エルステッドの最大の磁界の強度を有する。駆動ロッド４２の磁気ひずみ材料中の磁性を有する領域は、変形することにより誘導された磁界に応答し、駆動コイル５１により生成された誘導された磁界の周波数に同期して、駆動ロッドの長さを伸ばしたり縮めたりする。
超音波モータ２１は、運動量保存の法則で動作する。モータハウジング２３及びトランスデューサ４１及びその中の他の構成部品は、装置２１のモータ部分を構成する。音響延長部９６は、装置２１の運動量反作用部分（momentum reactionary section）として働く。駆動ロッド４２の振動性の運動のため、対応する振動性の力が、駆動ロッド４２により反作用質量１２１に対して及ぼされる。反作用質量が皿バネ１２６に対してある方向に駆動されるとき、音響延長部９６は、運動量を保存するため、反対の方向に反応しなくてはならない。フランジ面１０１での超音波モータ２１の縦方向の速度は、約ゼロである。モータ２１の最大の縦方向の速度は、端面１０７においてである。音響延長部９６は、駆動ロッド４２の直接の負荷のパス中にあり、上述のように、それの共振周波数で動作するように縦方向の大きさが作られている。従って、共振２分の１波長の定在波が確立され、ネジ山を切られた突出部１１２をトランスデューサ４１に応答して超音波の周波数で振動させる。確立された定在波は、振動している駆動ロッド４２と位相が１８０°異なる。突出部１１２は、使用できる仕事を生み出すため、他のシステムに取り付けることができる。
上記に示した種々のマグネシウム合金から音響延長部９６を形成することは、音響延長部９６により発生させられた超音波振動運動を強める。一般に、これらのマグネシウム合金は、比較的低い密度を有し、及びこのため運動量保存の法則に従って、チタン合金のような他の音響金属と比較してネジを切られた突出部１１２での振動振幅出力の速度を増加させる。延長部９６のマグネシウム合金材料は、モータ２１の寿命に貢献する比較的高い強度も有する。
磁束帰還素子８６〜８９は、駆動ロッド中の交流磁界の強度を増加させ、またこのようにしてトランスデューサ４１の性能を高めるために、駆動コイル５１により作られた交流磁界を捕え、及びその磁界を駆動ロッド４２を通して伝える働きもする。この目的のため、磁性を有するリング８８及び８９は、駆動コイル５１の縦方向の端に位置させられ、及び磁性を有するディスク８６及び８７は、駆動ロッド４２の縦方向の端に位置させられる。上述のように、ディスク８６及び８７及びリング８８及び８９は、それぞれ低い電気伝導率を有する軟磁性を有する材料から作られる。これらの素子は、超音波周波数で強磁性であり、非常に低いエネルギー損失を有する。これらの素子の比較的高い電気抵抗率は、磁束を伝え、及び導く磁束帰還素子の性能を減じるかなりの程度の渦電流が、その中に発生することを防止する。そのような渦電流は、駆動ロッド４２を通した交流磁界の強度を低下させ、及びこのようにしてトランスデューサ４１の効率に悪影響を与える。磁束帰還素子８６〜８９によって交流磁界を捕えること及び方向を変えることは、超音波モータ２１の効率を、２から５倍の係数で増加させる働きをする。
液体通路１４１による、超音波モータ２１内のトランスデューサ４１及びチューブ状の磁性を有する手段７１の能動的冷却は、モータの性能を更に高める。能動的冷却は、フルパワーでの超音波モータ２１の連続作動も可能にする。駆動ロッド４２、駆動コイル５１及びバイアス磁石７２〜７４の中及び回りに螺旋通路部分を組込むことは、モータから熱を取り去る冷却液の性能を増加させる。この点で、螺旋チャネル１４７、１５７及び１６２の使用は、冷却液に接触される熱移動面積を増加させる。螺旋部分１４１ａ〜ｃは、トランスデューサ４１の中及び回りの液体の流速を増加させ、そのため無秩序な流れのパターン及び乱流を強め、またこのようにして冷却液の対流の程度を増加させる。具体的に、螺旋部分１４１ａ〜ｃを通る冷却液の速度及び対流の程度は、それぞれ約１０倍から４５倍に増加させられる。
電気絶縁性のすなわち誘電体の材料から外側及び内側の冷却部１４２及び１５６を構成することは、トランスデューサ４１の動作効率を高めるように働く。駆動コイル５１により発生させられる高い周波数の磁界からの有害な渦電流は、冷却部１４２及び１５６中に発生しない。渦電流は、駆動ロッド４２を通して広がる交流磁界の強度を低下させ得る。そのような望ましくない渦電流は、超音波モータ２１の非伝導性の冷却液中にも発生しない。更に、冷却部１４２及び１５６は、良好な熱の伝導体であり、及びこのため超音波モータ２１のモータ部分内の種々の構成部品から冷却液への熱の移動を高める。冷却部１４２及び１５６の誘電体材料は、モータ２１内の電気的ショートに対して更に保護する。
モータ２１により生成された超音波エネルギーは、多くの用途で使用できる仕事を生み出す。例えば、超音波モータ２１は、固体、液体及び気体の励振のために使用することができる。化学的混合物の励振では、モータ２１は、混合物中に、物理的、構造的及び化学的変化を引き起こすことができる。例として、モータ２１は、工業用エポキシのようなポリマーの硬化のため又はゴムの脱硫のために使用することができる。モータ２１は、他の用途での使用のため、簡単により大きい又は小さい大きさにできる。例えば、より小さいモータは、種々の外科用又は他の医療用の道具として使用することができよう。例は、歯科のクリーニング、人工骨（bone prosthesis）の挿入及び除去、音響イメージング及び手術法を含む。他の用途は、モータ２１を生物の細胞を分離するために使用することを含む。モータ２１は、ソーダ水、ビール又はワインのガスを抜くため、超音波を使用して材料を加工又は部品を溶接で結合するため、及び種を超音波処理するために更に使用することができる。
本発明のハイパワー超音波モータの他の構造では、トランスデューサは、モータ部分の一端が固定され、モータ部分の他の一端が自由に動くことを特徴とする４分の１波長モードで動作させることができる。この構造では、音響延長部は必要ない。他の実施形態では、フェライト又はモリブデンパーマロイ粉末のような、磁束を集中させることがより効率的でない軟磁性材料を、上述の高効率の磁束帰還素子の材料の代わりに使用し、また本発明の範囲内にすることができる。ここに示した超音波モータの、他の実施形態は、上述のすべてより少ない構成部品を含むことができ、また本発明の範囲内にすることができることも理解されるべきである。更に、上述の特徴のいくつか又はすべてを利用するトランスデューサを、他の超音波の用途での使用のために提供することができ、また本発明の範囲内とすることができる。
前述の事項から、新しくかつ改良された超音波モータが提供されたことがわかる。超音波モータは、TERFENOL-Dのような磁気ひずみ材料から作られたスマートな材料の作動素子（smart material actuation element）を利用し、比較的低い密度の材料から作られた運動量反作用部（momentum reaction section）を有する。３キロワットを超える信頼性のある連続的なハイパワーをモータにより発生させることができる。モータは比較的大きさが小型であり、簡単に大きさを変えられる。誘電体液による能動的冷却を備えさせることができる。作動素子は、十分に均一な直流磁界により磁性的なバイアスをかけることができ、また低い電気伝導性を有する材料から作られた磁束帰還素子を使用することができる。ウェーブガイド（wave guide）の先端でのピークピーク間で約２０μｍの変位を発生させることができる。モータは約２５００ｐｓｉ（１７５．７７ｋｇ／ｃｍ²）の圧力をウェーブガイドの表面に提供することができる。

Claims (20)

1. あらかじめ決められた幾何学的配置を有するハウジング（２３）と、
   巨大磁気ひずみ材料からつくられた能動素子（４２）、前記能動素子を冷却する、前記能動素子（４２）に沿って延びる部分を有する通路（１４１）を含む能動的冷却手段（１４１）、及び前記能動素子（４２）の少なくとも一部を通して広がる電磁界の発生手段（５１）を有するトランスデューサ（４１）と、
   前記能動素子（４２）をバイアスするための磁気バイアス手段と、
   前記電磁界の発生手段（５１）により発生させられた磁束を捕え、及び前記能動素子（４２）を通して前記磁束を導くための、少なくとも０．０１Ω−ｃｍの電気抵抗率を有する材料から作られた磁束帰還手段（８６，８７，８８，８９）と、
   前記電磁界の発生手段（５１）への電気信号の提供手段（５６）と、
   仕事を行うための超音波エネルギーを提供するために前記トランスデューサに機械的に接続された音響素子と、を有し、３キロワットを超えるパワーを提供することができることを特徴とするハイパワー超音波原動機（２１）。
2. 前記能動素子は円筒形の素子（４２）であり、前記電磁界の発生手段は前記円筒形の素子（４２）に関して同心に配置された導電性を有する材料から作られたコイルである請求項１に記載の超音波原動機（２１）。
3. 前記バイアス手段（７１）は、バイアス磁石（７２，７３，７４）である請求項２に記載の超音波原動機（２１）。
4. 前記バイアス磁石は、前記円筒形の素子（４２）に関して同心に配置されたチューブ状のバイアス磁石（７２，７３，７４）を含むことを特徴とする請求項３に記載の超音波原動機（２１）。
5. 前記円筒形の素子（４２）は、第１及び第２の対向する端（４４）、（４６）を有し、
   前記磁束帰還手段は、前記円筒形の素子（４２）の前記第１及び第２の端（４４）、（４６）の近傍にある、前記ハウジング（２３）により収容された第１及び第２の磁束帰還素子（８６，８７）を有することをさらに特徴とする請求項２に記載の超音波原動機（２１）。
6. 前記第１及び第２の磁束帰還素子（８６，８７）は、第１及び第２のディスク状素子である請求項５に記載の超音波原動機（２１）。
7. 前記音響素子（４２）は、前記トランスデューサ（４１）上に設置され、及び４分の１共振波長を有する材料から作られ、前記音響素子（９６）は、前記材料の前記４分の１共振波長と等しい長さを有することを特徴とする請求項１に記載の超音波原動機（２１）。
8. 前記音響素子（９６）が音響金属から作られることを特徴とする請求項１に記載の超音波原動機（２１）。
9. 前記音響金属はマグネシウム合金である請求項８に記載の超音波原動機（２１）。
10. 前記通路（１４１）は、前記トランスデューサ（４１）内で又は前記トランスデューサ（４１）に沿って延び、冷却液を受けるように構成されており、電気絶縁体である材料から形成されている請求項１に記載の超音波原動機（２１）。
11. 前記材料は、約１Ｗ／ｍ−Ｋより大きい熱伝導性を有することを特徴とする請求項１０に記載の超音波原動機（２１）。
12. 前記通路（１４１）は、高温圧縮された窒化ホウ素から形成されることを特徴とする請求項１０に記載の超音波原動機（２１）。
13. 前記通路（１４１）は、セラミック材料から形成されることを特徴とする請求項１０に記載の超音波原動機（２１）。
14. 前記通路（１４１）は、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化シリコン、炭化ホウ素、二ホウ化チタン、炭化タングステン、窒化シリコン、尖晶石、熱分解黒鉛、熱分解窒化ホウ素、酸化ベリリウム、黒鉛、及びシリコンからなるグループから選択された材料から作られた、液体を運ぶ螺旋の通路（１４１ａ，ｂ，ｃ）であることを特徴とする請求項１０に記載の超音波原動機（２１）。
15. 前記液体を運ぶ螺旋の通路（１４１ａ，ｂ，ｃ）は、前記トランスデューサに関して延びていることを特徴とする請求項１４に記載の超音波原動機（２１）。
16. 前記液体を運ぶ螺旋の通路（１４１ａ，ｂ，ｃ）は、前記円筒形の素子（４２）と前記コイル（５１）の間に延びていることを特徴とする請求項１５に記載の超音波原動機（２１）。
17. 前記液体を運ぶ螺旋の通路（１４１ａ，ｂ，ｃ）は、前記円筒形の素子（４２）を通して延びていることを特徴とする請求項１５に記載の超音波原動機（２１）。
18. 前記巨大磁気ひずみ材料は、ＴＥＲＦＥＮＯＬ−Ｄであることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載の超音波原動機（２１）。
19. 前記超音波トランスデューサ（４１）は、フルパワーで連続作動をすることができることを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の超音波原動機（２１）。
20. 前記磁束帰還手段の材料は、８テスラ（８０００ガウス）より大きい磁気飽和磁束密度を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波原動機（２１）。

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