(57)【要約】  共通アクチュエータバックボーン（５）によって相互接続された少なくとも２つのバイモルフ、モノモルフまたはマルチモルフ電気機械式作動要素（６）を使用する電気機械式モータ（１）を開示する。作動要素（６）は、長手方向（Ｌ）、すなわち作動要素（６）の主要な延伸方向と、撓み方向、すなわち作動要素（６）の曲げ方向との両方において別々に制御可能である。同様に、異なる作動要素（６）は、個別に制御可能である。好ましくは、アクチュエータ（３）の寸法は特定の周波数付近の共振周波数に選択される。作動要素（６）は相互作用部（７）を備え、相互作用部（７）ではアクチュエータと被移動本体（２）との間の任意の接触が行われる。精密位置決めと共振運動との両方において良好に動作するために、相互作用部（７）は作動要素（６）と被移動本体（２）との間の音波の伝達を部分的に抑止するように配置される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被移動本体（２）に接触するための相互作用部（７）をそれぞれが有する少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と、
前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と機械的に接続されているアクチュエータバックボーン（５）であって、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれは励起時に形状変化を示す電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）を含み、前記形状変化は、前記アクチュエータバックボーン（５）と前記相互作用部（７）との間で方向付けられる長手方向（Ｌ）の寸法変化、および前記長手方向（Ｌ）に垂直かつ前記被移動本体（２）の主変位方向（９）に平行な前記電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）の曲げを含んでいるアクチュエータバックボーン（５）と、
前記アクチュエータバックボーン（５）を機械的に支持するアクチュエータ固定子部（４）と
を具備する電気機械式アクチュエータ（３）であって、
前記相互作用部（７）が、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれと前記被移動本体（２）との間の音波の伝達を部分的に抑止するように配置されていることを特徴とする電気機械式アクチュエータ。
【請求項２】
前記相互作用部（７）は、前記作動要素（６；６Ｂ）の音響インピーダンスとかなり異なる音響インピーダンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項３】
前記相互作用部（７）の前記音響インピーダンスは、前記作動要素（６；６Ｂ）の前記音響インピーダンスと５０％超異なることを特徴とする請求項２に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項４】
前記相互作用部（７）は、前記被移動本体（２）と前記電気機械式アクチュエータ（６；６Ｂ）との間で要求される動作力（Ｎ）において、予め定められた間隔内にある長手方向の圧縮を与える弾性を有し、
前記予め定められた間隔は、前記長手方向（Ｌ）における前記寸法変化の最大値と、前記要求される動作力（Ｎ）における前記作動要素（６；６Ｂ）の長手方向の圧縮との間の差の１０％から９０％の間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項５】
前記相互作用部（７）は、前記被移動本体（２）と前記電気機械式アクチュエータ（６；６Ｂ）との間で要求される駆動力（Ｆ）において、予め定められた間隔内にある前記主変位方向（９）の剪断を与える弾性を有し、
前記予め定められた間隔は、前記相互作用部（７）における前記曲げの最大ストロークと、前記要求される駆動力（Ｆ）における前記作動要素（６；６Ｂ）の前記主変位方向（９）における剪断との間の差の１０％から９０％の間であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項６】
前記曲げ振動の大部分は、それぞれの前記作動要素（６；６Ｂ）内で生じることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項７】
前記作動要素（６；６Ｂ）は、前記アクチュエータバックボーン（５）の音響インピーダンスとかなり異なる音響インピーダンスを有することを特徴とする請求項６に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項８】
前記作動要素（６；６Ｂ）は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と前記アクチュエータバックボーン（５）との間の音波の伝達を少なくとも部分的に抑止するように配置された手段（１１）によって、前記アクチュエータバックボーン（５）と機械的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項９】
前記曲げ振動は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と前記アクチュエータバックボーン（５）の両方に関係することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクチュエータバックボーン（５）は、前記アクチュエータ固定子部（４）と前記アクチュエータバックボーン（５）との間の音波の伝達を少なくとも部分的に抑止するように配置された手段（１２、１６）によって、前記アクチュエータ固定子部（４）と機械的に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１１】
電気機械式アクチュエータ（３）であって、
前記電気機械式アクチュエータ（３）は、
少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）であって、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれは、被移動本体（２）に接触するための相互作用部（７）を有し、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれは、励起時に形状変化を示す電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）を含み、前記形状変化は、前記アクチュエータバックボーン（５）と前記相互作用部（７）との間で方向付けられる長手方向（Ｌ）における寸法変化、および前記長手方向（Ｌ）に垂直かつ前記被移動本体（２）の主変位方向（９）に平行な前記電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）の曲げを含んでいる少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と、
前記アクチュエータバックボーン（５）を機械的に支持するアクチュエータ固定子部（４）と
を具備し、
それによって、前記寸法変化は第１の周波数における長手方向の振動共振を有し、前記曲げは前記第１の周波数の付近における曲げ振動共振を有することを特徴とする電気機械式アクチュエータ。
【請求項１２】
前記第１の周波数の付近における前記曲げ振動共振は曲げ振動モードに対応し、その曲げ振動モードにおいて、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）の１つ１つは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のうちの同じ作動要素の第２の部分の同時ストロークと比較して、反対方向のストロークを示す第１の部分を有することを特徴とする請求項１１に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１３】
前記第１の周波数の付近における前記曲げ振動共振は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、１つよりも多くは常に有していない曲げ振動モードに対応することを特徴とする請求項１２に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１４】
前記第１の周波数の付近における前記曲げ振動共振は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、少なくともある瞬間において２つ以上有する曲げ振動モードに対応することを特徴とする請求項１２に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１５】
前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）は、前記曲げ振動の方向における厚さｔを有し、前記厚さｔは、
【数１】
2009540789.tif 000008
の付近の範囲内で選択され、上式において、Ｌは前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）の長さであり、Ｋｎは前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）の次数ｎの曲げ振動定数であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１５】
前記曲げ振動定数は、１５よりも大きな値を有することを特徴とする請求項１４に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１６】
前記曲げ振動定数は、一方の端において固定され、かつ反対側の端において自由である作動要素に対する２次の共振振動の曲げ振動定数の付近であることを特徴とする請求項１４に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ（３）と、
被移動本体（２）と
を具備する電気機械式モータ（１）。
【請求項１８】
電気機械式アクチュエータ（３）を駆動するための方法であって、
前記電気機械式アクチュエータ（３）は、
少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）であって、それぞれが被移動本体（２）と接触するための相互作用部（７）を有する少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と機械的に接続されるアクチュエータバックボーン（５）とを有し、
前記方法は、
前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれの電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）に対して、その形状変化を励起するための電気信号を印加するステップ（２２２）を含み、
前記形状変化は、前記アクチュエータバックボーン（５）と前記相互作用部（７）との間に方向付けられる長手方向（Ｌ）における寸法変化、および前記長手方向（Ｌ）に垂直かつ前記被移動本体（２）の主変位方向（９）に平行な前記電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）の曲げを含み、
それによって、前記印加された電気信号の周波数は、前記寸法変化の長手方向振動共振、ならびに前記曲げの曲げ振動共振の付近となるように選択されることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記印加された電気信号の周波数は、自由な相互作用部（７）を有する作動要素の第１の曲げ振動モードの共振周波数と、変位および／または傾斜の制限を受ける相互作用部（７）を有する作動要素の第２の曲げ振動モードの共振周波数との両方の付近であるように選択されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の曲げ振動モードは、前記第１の曲げ振動モードの次数よりも１次低い次数のモードであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の曲げ振動モードでは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）が、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のうちの同じ作動要素の第２の部分の同時ストロークと比較して、反対方向のストロークを示す第１の部分を有することを特徴とする請求項１８〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の曲げ振動モードは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、１つよりも多くは有していないことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の曲げ振動モードは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、少なくともある瞬間において２つ以上有していることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械式アクチュエータ装置と、そのような装置を設計するための方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
極度に小型化されたモータを必要とする多くの適用分野が存在する。例えば、消費者製品においては、極度に小型、軽量、低消費電力かつ安価なモータが一般に必要とされている。運動範囲は、多くの場合ミリメートルの程度であり、マイクロメートルの精度が要求される。例えば、高速、静かな移動、低消費電力、容易に制御される位置決め、および高い位置決め精度など、ある程度相反する複数の性能特性が一般に要求される。
【０００３】
高度に正確であり、同時に比較的容易に制御される位置決めを達成するために、「ウォーキング」機構、スティック−スリップ機構、「内部」位置決めまたはステッピング機構などのさまざまな運動機構が選択されている。そのような原理に従って動作するほとんどの装置に共通していることは、それらがアクチュエータと被移動本体との間の高度な静的接触を含むということである。位置精度は、かなりの程度まで、この静的接触に依存する。しかし、速度はしばしば比較的低く、装置はしばしばサブ超音波周波数で動作し、これは装置をうるさくする場合があり、また電力効率は比較的貧弱である。そのような装置の代表的な例は、米国特許第６，７９８，１１７号明細書で開示されている。
【０００４】
高速および高電力効率を達成するために、その他の運動機構が一般に利用される。それらの機構のほとんどに共通していることは、それらが機械的共振を何らかの方法で使用するということである。アクチュエータおよび／または被移動本体は、それにより励起されて振動し、その結果アクチュエータと被移動本体との間に発生する摩擦は、通常減少させられる。電力効率は一般に高くなる。ほとんどの場合、幾何学的寸法は、選択される周波数が超音波領域内となるようなものであり、それによって動作は人間の耳にとって比較的静かになる。しかし、位置決め精度、および／または例えば開始および停止シーケンスの容易な制御は達成することが困難である。そのような装置の代表的な例は、米国特許出願第２００５／００７３２１９号明細書で開示されている。
【０００５】
米国特許第５，３４５，１３７号明細書では、作動要素の他次元運動を可能にする超音波振動器の設計が開示されている。米国特許第６，０６６，９１１号明細書では、米国特許第５，３４５，１３７号明細書で提示された要素と多くの類似点を有する超音波駆動要素が開示されている。しかし、ここでは、相次いで配置された複数の作動要素が組み合わせられた超音波周波数運動を達成するために使用されている。
【０００６】
高精度に制御されるウォーキング機構のために、米国特許第６，０６６，９１１号明細書における発明に類似した主要な幾何学的設計が、代わりに有利に使用されてもよいということが、米国特許第６，７９８，１１７号明細書において後に示された。しかし、良好な動作特性を達成するためには、異なる詳細設計が好ましい。さらに、精密位置決め機構と、共振高速機構との両方について、良好に動作する従来の電気機械式アクチュエータは存在しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の電気機械式アクチュエータの一般的な問題は、電気機械式アクチュエータが精密位置決め機構と高速共振機構とを使用して選択的に動作することを可能にするための適切な設計がないことである。
【０００８】
したがって、本発明の目的は、精密位置決め機構に従って動作することと、高速共振機構に従って動作することの両方が可能な装置を提供することである。本発明のさらなる目的は、精密位置決め機構の装置と、高速共振機構の装置との間の相反する設計上の特徴における実施可能な妥協点を見出すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的は、添付の特許請求の範囲による装置および方法によって達成される。一般的に述べると、共通アクチュエータバックボーンによって相互接続された少なくとも２つのバイモルフ、モノモルフ、またはマルチモルフ電気機械式作動要素を使用する一般的な設計が使用される。作動要素は、長手方向、すなわち作動要素の主要な延伸方向と、撓み方向、すなわち作動要素の曲げとの両方において、別々に制御可能である。同様に、異なる作動要素は個別に制御可能である。好ましくは、アクチュエータの寸法は、特定の周波数付近で、これらの２つの運動モードの両方の共振周波数を提供するように選択される。作動要素は相互作用部とともに提供され、相互作用部ではアクチュエータと被移動本体との間の任意の接触が行われる。精密位置決めと共振運動との両方において動作するために、相互作用部は作動要素と被移動本体との間の音波の伝達を部分的に抑止するように配置されている。
【００１０】
好ましくは、電気機械式バイモルフ、モノモルフ、またはマルチモルフボリュームと、相互作用部との間に、音響インピーダンスのかなりの不一致が存在する。同様に、音波の伝達の抑止が、作動要素とアクチュエータバックボーンとの間、またはアクチュエータバックボーンと、アクチュエータバックボーンを機械的に支持しているアクチュエータ固定子部との間のいずれかに提供される。好ましい実施形態では、相互作用部は、精密位置決めに対する要求と高速共振運動に対する要求との間の妥協点である弾性を有する。相互作用部および作動要素の長手方向の圧縮は、作動要素の長手方向の最大延伸の１０％〜９０％の内側でなければならない。同様に、相互作用部および作動要素の横剪断（ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌ  ｓｈｅａｒｉｎｇ）は、作動要素の最大曲げストロークの１０％〜９０％の内側でなければならない。さらなる好ましい実施形態では、相互作用部を含む作動要素は長手方向振動および／または曲げ振動の共振に２０未満のＱ値を与えるように設計され、そしてさらに好ましくは１０未満のＱ値を与えるように設計される。
【００１１】
本発明、およびそのさらなる目的と利点は、以下の説明を添付の図面と一緒に参照することによって、最も良く理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るモータの実施形態を示すブロック図である。
【図２】異なる条件における作動要素の長手方向への延伸の関係を示す概略図である。
【図３】共振Ｑ値が異なる場合の影響を示す図である。
【図４】本発明に係るアクチュエータの実施形態を示すブロック図である。
【図５】図４に示すアクチュエータの作動要素の振動状態を示す概略図である。
【図６Ａ】異なる境界条件を有するビームについての撓み共振モードを示す図である。
【図６Ｂ】異なる境界条件を有するビームについての撓み共振モードを示す図である。
【図６Ｃ】異なる境界条件を有するビームについての撓み共振モードを示す図である。
【図７】本発明に係るアクチュエータの別の実施形態を示すブロック図である。
【図８】図７に示すアクチュエータの振動状態を示す概略図である。
【図９】本発明に係るアクチュエータのさらに別の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】図９に示すアクチュエータの振動状態を示す概略図である。
【図１１】本発明に係るアクチュエータのさらなる実施形態を示すブロック図である。
【図１２】本発明に係る方法の実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、高速共振動作と精密位置決め動作との間の相互作用における基本的機構へのいくつかの新しい洞察に基づいている。共通アクチュエータバックボーンによって相互接続された電気機械式バイモルフを含む２つの作動要素を利用した設計が、精密位置決めにおいてうまく使用されており、そして、同様の設計が共振装置においても使用されることを少なくとも提案するために、詳細な説明は主としてそのような装置に関する。
【００１４】
図１は、そのようなアクチュエータ設計の基本的実施形態を示している。電気機械式モータ１は、被移動本体２に対する運動を達成するように配置されたアクチュエータ３を具備する。アクチュエータ３は、この実施形態では、共通アクチュエータバックボーン５に機械的に接続された２つの作動要素６を具備する。作動要素６は、アクチュエータバックボーン５とは反対側の端に配置された相互作用部７によって、本体２と時々接触する。アクチュエータバックボーン５は、アクチュエータ３のハウジングを一般に構成するアクチュエータ固定子部４によって支持されている。作動要素６は、作動要素に沿った主要な延伸部を有するモノモルフ、バイモルフ、またはマルチモルフとして配置された電気機械式能動ボリューム８を具備する。本実施形態ではバイモルフを示している。
【００１５】
電気機械式能動ボリューム８は、本実施形態において、および以下のほとんどの例において、圧電材料を含んでいる。しかし、電歪材料などのその他のタイプの電気機械式材料を、作動要素を構築するために使用することも可能である。本実施形態では、能動ボリューム８は圧電バイモルフであり、バイモルフの２つの部分は圧電層の多層スタックと励起電極とによって構築されている。この実施形態では、圧電層電極は、作動要素６の主要な延伸に対して垂直に、すなわち主変位方向９に本質的に平行に向けられる。代替の実施形態では、電極を有する能動ボリュームも、同様に主変位方向に向けられてもよい。バイモルフの異なる部分を、異なる電圧信号によって励起することにより、作動要素６は、曲げられること、あるいは、長手方向Ｌに延伸または圧縮されることが可能であり、すなわち、相互作用部７は本体の主変位方向９に平行な方向、および本体の主変位方向９に垂直な方向の両方に移動させられる。
【００１６】
高速かつ効率的な動作を達成するための一つの方法は、１つまたは複数の共振モードに対応する周波数でモータを駆動することである。１つの長手方向共振モードが、少なくとも１つの撓み共振モードと本質的に同じ共振周波数を有するように、モータを設計することが、特に好都合である。そのようにして、相互作用部７の上昇および解放をもたらす長手方向の移動と、本体２の変位をもたらす撓み移動との両方が、所与の印加電圧信号に対して拡大されることが可能である。共振モードのうちの１つのみを利用するモータを設計することはもちろん可能である。通常、設計はコンピュータ援用の数値法を使用して行われ、片持ち梁の長手方向モードについての周波数の大まかな見積もりは、
【数１】
2009540789.tif 000003
であり、上式においてＬは片持ち梁の長さ、Ｙはヤング係数、そしてρは密度である。撓み共振モードは、
【数２】
2009540789.tif 000004
を用いて評価することができ、上式においてｔは厚さ、Ｋｎは次数ｎのモードにおける定数である。それらの定数Ｋｎは、片持ち梁の境界条件と、共振の次数ｎとに大きく依存する。
【００１７】
長手方向および撓みの同時共振のためのモータを設計するには、作動要素の好適な周波数を得るための長さが最初に選択される。例えば２０ｋＨｚよりも大きな不可聴範囲内の周波数を選択することが望ましい。第２に、撓み共振を長手方向共振と一致させるための要素の厚さが選択される。上記の関係により、理想的な細長い片持ち梁の厚さは、おおよそ次に従って選択される。
【数３】
2009540789.tif 000005
【００１８】
定数Ｋｎは、モータがどのように設計されているかということと深い関係があり、これについては以下でさらに述べる。厚さにおけるこの選択は、バッキングへの規定された取り付けを有する理想的な細長い作動要素についてのみ最適である。しかし、厚さは、その他の場合についても近似して使用されてもよく、それによって共振を微調整するため、実際にはいくらかの調整が必要となる。
【００１９】
本発明によれば、そのようなアクチュエータにおいて、相互作用部は非常に重要な構成要素であることが見出された。
【００２０】
微細ウォーキングの性能の解析を試みる際に以下のような制限が発見された。その制限というのは、作動要素が収縮している場合に、アクチュエータの得られる伸びの変化の合計は被移動本体と接触しないことを確実にするために十分なほど大きくなければならないという制限である。言い換えると、新しい「ステップ」を開始するために元の位置に戻るべきである場合に、作動要素はいかなる摩擦もなしに自由に移動することを許可されるべきである。これは、アクチュエータのすべての相互作用部に対して、そして表面の共平面性に対して、いくらかの制限を加える。ウォーキング機構による制御された位置決めを達成するには、相互作用部は脚部の延伸の小さな部分内で同一平面上になければならない。長手方向における特定の要素延伸を仮定する場合、ウォーキング中の良好な制御を保証するためには、脚部はこの値の１０分の１以内で平面的であることが好ましい。
【００２１】
説明したモータのタイプは、作動要素と被移動本体との間の特定の摩擦動作に基づく。したがって、そのようなアクチュエータは、相互作用部を被移動本体に押し付ける何らかのタイプの垂直力を必要とする。相互作用部が非常に弾性的である場合、垂直力は相互作用部を（およびある程度は電気機械式ボリュームも）圧縮する。強すぎる垂直力、または非常に軟らかい相互作用部は、相互作用部が作動要素のいかなる延伸においても本体から解放されることができないということを、もたらす。したがって、いかなるウォーキング運動を実行することもまったく不可能となる。言い換えると、相互作用部は弾性的でありすぎてはならず、その理由は、意図される最大垂直力にさらされる場合に、作動要素の可能となる長手方向の延伸は、一定の余裕を伴ってアクチュエータのいかなる圧縮も超えなければならないからである。
【００２２】
さらに、準静的微細ウォーキングの間は硬質な相互作用部が好ましい。作動要素および相互作用部におけるいかなる弾性も、ウォーキング動作におけるステップ長さを減少させ、その結果として速度などが減少する。例えば位置決め分解能などの精密位置決め制御も、硬質な脚部、および特に硬質な相互作用部を使用することによって大幅に改善される。
【００２３】
他方、共振性能の解析を試みる際に、硬質な相互作用部は避けるべきであるということが発見された。硬質な相互作用部を有する作動要素の共振運動は、通常相互作用面に大規模な摩耗を生じさせる。さらに、モータは不可避的に内部電力損失を有するため、熱を作動要素から除去してモータハウジングに輸送しなければならない。これは、精密位置決めの間よりも高速動作においてより重要である。さらに、多くの場合、非常に静かな相互作用部を有する共振アクチュエータは、被移動本体の（そして特にその表面の）特性、駆動条件、垂直力などを制御することが困難になる可能性がある多くの要因に大きく依存する。これは、いかなるモータにおいても好ましくなく、そして、堅牢でさまざまな適用例に適応可能となる必要があるモータにとっては、特に好ましくない。例えば、共振周波数が駆動条件に影響される場合、電力効率をできるだけ良好に利用するために共振周波数を追跡する駆動電子回路を有する必要がある。しかし、そのような駆動電子回路は、複雑かつ高価である。
【００２４】
理想的には、共振器および共振周波数への影響がほとんど、またはまったくなしに出力作業が行われるために、共振エネルギーのうちのごく一部が使用されるように、モータの動作に使用される共振器は構築されるべきである。これが、ウォーキング機構のために最適化されたモータは通常共振動作のためにそれほど好適ではない、という理由である。したがって、課題は両方の動作モードにとって許容可能な妥協点を見出すことである。
【００２５】
アクチュエータバックボーンによって相互接続された作動要素に基づく配置において、作動要素と被移動本体との間の音波の伝達を部分的に抑止するように相互作用部が配置されている場合に、共振動作はうまく働くように見える。これは、被移動本体によって反射され、変更された波の共振動作への影響を減少させる。これは、作動要素の残りの部分と比較した音響インピーダンスのかなり大きな不一致を有する相互作用部の使用によって達成されてもよい。最も単純な実装は、異なる密度および／または弾性係数を有する相互作用部を使用することである。相互作用部の断面が、長手方向に沿って段階的なやり方で変化する場合、音波は、やはり、かなりの程度まで反射される。
【００２６】
共振動作において、共振は作動要素を通して伝播している一連の音波として考えられてもよい。波はさまざまな境界において、そして共振条件において反射され、定常波がさまざまな波の間の正の干渉によって形成される。被移動本体との接触がない場合は、本質的にすべての音波が反射される。ごく少量の音響エネルギーが、圧力波として周囲の媒体内に放射される。しかし、作動要素が本体と接触している場合に条件は変化する。作動要素の残りの部分と同じ音響インピーダンスを有する相互作用部を有することによって、作動要素内で得られる音響エネルギーの大部分は本体に伝達されることが可能であり、そしてその逆も可能である。好ましくは、接触に依存した挙動を回避し、安定した堅牢な動作を得るために、音響要素と被移動本体との間に音響的不一致が存在すべきである。
【００２７】
しかし、作動要素自体の内部での固有の反射を増加させることによって、音響エネルギーの伝達は減少させられてもよい。理想的な場合、境界面における音波の反射率Ｒは、
【数４】
2009540789.tif 000006
として表されてもよく、上式においてＺ１２およびＺ２２は境界面の各側におけるボリュームの音響インピーダンスであり、そして、透過率Ｔは、
Ｔ＝１−Ｒ
として表されてもよい。
【００２８】
したがって、音響インピーダンスの差によって、より多くのエネルギーが反射されるということが理解される。その場合に、共振している物体の機械的運動として蓄積されるエネルギーは大きくされてもよく、ごく一部のみが境界面を越えて伝達されてもよい。したがって、相互作用部の音響インピーダンスと、作動要素の残りの部分の音響インピーダンスとの間の大きな不一致は本体と作動要素との間のエネルギーの交換を減少させる。好ましくは、不一致は５０％よりも大きい。しかし、不一致は、本体の移動動作を実行するのに十分ないくらかのエネルギーが撓み方向に伝達されることを可能にするのに十分なほど大きくなければならない。特に長手方向における音響エネルギーの交換を減少させることによって、共振動作に対する本体の影響も減少し、それによって共振周波数を追跡する必要は減少するか、または完全になくなる。
【００２９】
さらに、音響インピーダンスＺは、おおよそ
【数５】
2009540789.tif 000007
であり、上式において、Ｙは弾性係数、ρは密度である。これは、主作動要素の電気機械式材料よりも弾性的である相互作用部が、そのようなインピーダンス不一致を生じさせるということを意味している。さらに、相互作用部の増加させられた弾性は摩耗の問題を減少させるので、ある程度弾性的な相互作用部が好ましい。しかし、剛性は適切な精密位置決め動作を確実にするのに十分なほど大きくなければならない。
【００３０】
一般に、相互作用部は、理想的なウォーキング相互作用部よりもはるかに弾性的でなければならない。良好な妥協点は、所与の垂直力に対して、脚部の長手方向の総延伸の一部である相互作用部の長手方向における形状を変化させる弾性を有することである。これは図２に概略的に示されている。図２の左側には、アクチュエータが無荷重かつ無延伸である状況を示している。作動要素の電気機械式部分は、長さＬ０を有し、相互作用部は厚さＤ０を有する。図２の中央には、垂直力Ｆを使用してアクチュエータが荷重された状況を示している。作動要素の電気機械式部分は、長さＬ１まで圧縮され、相互作用部はその厚さをＤ１まで減少させている。作動要素の電気機械式部分の圧縮は、Ｃ１＝Ｌ０−Ｌ１であり、相互作用部の圧縮はＣ２＝Ｄ０−Ｄ１である。図２の右側では、作動要素が長手方向に励起されており、作動要素の電気機械式部分は長さＬ２を示し、一方で相互作用部は本質的にＤ１の厚さを依然として有している。したがって、作動要素の最大延伸はＥ＝Ｌ２−Ｌ１である。この図から、ウォーキング機構で動作することが可能となるためには、右端の状況の相互作用部の表面が、左端の状況の相互作用部の表面よりも上でなければならない。言い換えると、
Ｌ０＋Ｄ０＜Ｌ２＋Ｄ１
であり、これは、
Ｌ０−Ｌ１＋Ｄ０−Ｄ１＜Ｌ２−Ｌ１
すなわち
Ｃ２＋Ｃ１＜Ｅ
と同等である。
【００３１】
したがって、相互作用部および作動要素の長手方向の圧縮は、適度な余裕を伴って、作動要素の長手方向の最大延伸の９０％未満でなければならず、好ましくは７５％未満である。
【００３２】
上記でさらに述べた共振動作のために必要とされる剛性も、対応する言葉で表現されてもよい。したがって、相互作用部および作動要素の長手方向の圧縮は、作動要素の長手方向の最大延伸の１０％よりも大きくなければならず、好ましくは２５％よりも大きい。
【００３３】
前述の説明は、ある程度まで、接線方向の弾性、すなわち曲げ／撓み方向における弾性についても有効である。モータの所望の接線力出力において、相互作用部の（および、作動要素自体の）剪断／曲げ変形は、作動要素の接線方向の総移動の一部のみでなければならない。ここでも、実際的な上限は９０％、そして好ましくは７５％であり、一方、以下で述べるように下限は存在しない。適用例に応じて、好ましい割合は長手方向の弾性と接線方向の弾性とについて別個に異なるように選択されてもよく、その理由は、大きな割合を使用する場合には、共振動作はより堅牢に、かつ適用例の環境の影響をより受けにくくなり、一方で、より小さな割合を使用する場合には位置決め性能は向上するからである。適用例は、場合によっては強い力の出力を要求し、この場合には接線方向の弾性の選択がより重要になる。
【００３４】
本体とアクチュエータとの間における音波の伝達の部分的抑止は、共振周波数のさまざまな駆動条件への依存性を減らすのに役立つ。しかし、その他の設計特性も、同様の結果を提供してもよい。共振の良好度（ｇｏｏｄｎｅｓｓ）（Ｑ）は、共振時の特定の変位と、静的条件における同じ変位との間の比にしばしば密接に関連している。別の一般的定義は、共振動作における共振周波数と半値全幅尺度（ｆｕｌｌ−ｗｉｄｔｈ  ｈａｌｆ−ｍａｘｉｍｕｍ  ｍｅａｓｕｒｅ）との間の比を使用することである。どのような定義が使用されるかに関係なく、高いＱを有する、すなわち高度のエンハンスメント（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）を有する共振は、共振が発生する狭い範囲も有する。電気機械式モータ内で高いＱの共振が使用される場合、動作は周波数の変化に非常に敏感になる。しかし、Ｑ値を意図的に減少させることにより、許容可能なエンハンスメントが達成される周波数領域は増加する。
【００３５】
これは、図３に概略的に示している。曲線１００によって示している高いＱの共振は、共振周波数ｆｒの周囲の比較的狭い周波数範囲Δｆ１内で達成することが可能である。例えば、共振振動ストロークなどの問題の量の動的な値は、静的ストロークについてのδ１ｓｔａと比較して、δ１ｄｙｎまで増加させられる。曲線１０１で示しているより低いＱ値を有する共振は、より低い最終エンハンスメントδ２ｄｙｎを提供する。しかし、その代わりに、許容可能なエンハンスメントはより広い周波数範囲Δｆ２内で提供される。上記の説明を考慮すると、相互作用部のタイプと音響インピーダンスとは、所与の適用例における駆動条件の所与の変化に対して、周波数偏移をできるだけ小さくするように選択されてもよい。次に、取得された可能性のある周波数偏移は、共振器の適切なＱ値を選択するために使用されてもよい。小さな周波数偏移ならば、条件が変化した場合にあまりにも多くの性能を失うことなしに、Ｑ値はある程度大きく選択されてもよい。同じように、大きな周波数偏移ならば、いかなる性能であれ、条件が変化した場合に得られることが可能であることを確実にするためには、Ｑ値はある程度低く選択されなければならない。
【００３６】
実際的な実験および設計配慮から１０前後のＱを有する共振が一般的であることが見出された。実際的に使用可能なＱ値の適度な範囲は５〜２５であると見積もられてもよい。
【００３７】
Ｑ値を変更する一つの方法は、共振器内、一般的な場合には作動要素内とバックボーン内との両方、ならびに中間構成要素、相互作用部およびハウジングにおいて、高いＱ値材料と低いＱ値材料との比率を変更することである。別の方法は、音響エネルギーの一定の割合が、共振器から周囲の構成要素に散逸することを可能にすることである。例えば、ハウジングは、通常セラミックユニットを保護するためにポリマーで満たされており、これはＱ値を減少させる減衰効果を有する。機械的Ｑ値に関しては、圧電セラミック材料自体が選択されてもよい。
【００３８】
図４は、本発明に係るアクチュエータ３の一実施形態を示している。アクチュエータ３は、共通バックボーン５に取り付けられた２つの「脚部」すなわち作動要素６を具備している。本実施形態では、作動要素６は、接着剤１１によってバックボーン５に取り付けられている。しかし、他の実施形態では、例えば蝋付け、はんだ付けおよび共焼結などのさまざまなその他の取り付け方法が使用されてもよい。本実施形態では、作動要素６とバックボーン５との間の接着剤１１は、その固定特性に加えて、少なくとも部分的に作動要素６の音響挙動をバックボーン５の音響挙動から分離する。その場合に、作動要素６の振動特性は、内部要素の特性に主に依存し、軽微な程度だけバックボーン５の特性に依存する。しかし、バックボーン５に面している作動要素６の端１３はその運動が制限される。
【００３９】
図示しているアクチュエータ３は線形であり、２つの作動要素６は被移動本体（この図には図示せず）の主変位方向９内で一列に相次いで配置されている。代替の実施形態では、例えば３つのそのようなユニットを円形に取り付けることによって、回転アクチュエータを作成してもよい。作動要素６は、撓み共振（すなわち、曲げ）と本質的に同じ周波数における長手方向共振を有するように寸法が決定されている。通常は、第１の基本的な長手方向共振トーンが使用される。これらの作動要素６が、例えば正弦波信号などの位相シフト信号を使用して駆動される場合、作動要素６の上の相互作用部７は楕円軌道１４に沿って移動する。この実施形態では、作動要素６は望ましくない共振モードを避けるために厚さよりも幅の方が大きくなる。バックボーン５は、この実施形態ではアクチュエータハウジングでもあるアクチュエータ固定子部４に対して接着剤１２または何らかのその他の取り付け方法を使用して固定されている。アクチュエータ固定子部４は、この実施形態では高い剛性を有する材料で作られているだけでなく、高い剛性を有するように成形されており、そして共振しているユニット、すなわち作動要素６、および、ある限られた程度まではバックボーン５とアクチュエータ固定子部４自体との間の音響的不一致をもたらす。寸法および材料は、上記の一般的説明に従って被移動本体が相互作用部７に選択された垂直力Ｆおよび所望の出力接線力Ｔで押し付けられる場合に、共振周波数における小さな差が得られるように選択されている。このようにして、アクチュエータはその特定の適用例においてうまく動作する。
【００４０】
図５は、図４の実施形態の作動要素６のうちの１つの主要な振動特性を示しているが、ただし、見る人にとって可視となるようにするため、大きさは極度に誇張されている。相互作用部を楕円経路内で移動させるために、曲げまたは撓み運動を長手方向の拡張／収縮運動と組み合わせることが可能であるということが分かる。その他の作動要素は、特定の適用例では、第１の作動要素に相対的な予め定められた位相シフトを用いて同様の方法で駆動されてもよい。
【００４１】
上記の本開示において、好ましくは、撓み運動の共振は長手方向の拡張／収縮と組み合わせられるということを述べた。しかし、撓み信号は比較的複雑であり、いくらかの追加の説明が有用な可能性がある。図６Ａには、連続的で均質な片持ち梁ビーム５０を示している。ビーム５０は、この実施形態では、第１の端５２においてビーム５０の振動動作を制限する基礎５５に固定されている。したがって、ビーム５０は第１の端５２において、いかなる変位も傾斜も示すことは許されない。逆に、ビーム５０の第２の端５１は自由に移動でき、すなわち変位および傾斜の両方が許可される。
【００４２】
第１の共振振動モード７０は、静止ビームの中心線７６の２つの極端なストローク６１、６２によって質的に示されている。第１のノード６０、すなわち常に中心線７６上に位置しているビーム５０の点は、基礎５５への取り付け点、すなわち第１の端５２に存在している。この第１のノード６０は基礎５５に向けての境界条件の結果である。第１の振動モード７０は、上述の境界条件を有するビーム５０の基本撓み共振振動である（すなわち、次数ｎ＝１）。これは、ビームのすべての部分が、同じ方向のストローク６３を常に示すという事実によっても見ることができる。言い換えると、ビームの第２の端５１が上方に曲げられている場合には、ビーム５０のすべての内部部分が（第１のノードの点を除き）同様に中心線７６の上に位置している。振動モード７０は、関係（１）に関する場合、定数Ｋ１ｆｒｅｅと関連付けられる。薄く細長いビームの場合、Ｋ１ｆｒｅｅ≒３．５２である。
【００４３】
第２の共振振動モード７１は、静止ビームの中心線７６の２つの極端なストローク６８、６９によって質的に示されている。第１のノード６０は、ここでも同様に基礎５５への取り付け点、すなわち第１の端５２に存在している。第２の振動モード７１は、上述の境界条件を有するビーム５０の２次の撓み共振振動である（すなわち、次数ｎ＝２）。これは、ビームの２つの部分が反対方向の同時ストローク６４、６５を常に示すという事実によっても見ることができる。言い換えると、ビームの第２の端５１が上方６５に曲げられている場合、それにもかかわらずビーム５０の一部の内部部分は中心線７６の下６４に位置している。これは、通常ビームの内部にノード６６を生じさせる。振動モード７１は関係（１）に関する場合、定数Ｋ２ｆｒｅｅと関連付けられる。薄く細長いビームの場合、Ｋ２ｆｒｅｅ≒２２．０である。
【００４４】
基本共振周波数を使用して作動要素の厚さを適合させる問題を考慮する場合、必要とされる厚さは長さよりも約５０％大きいということが認識されている。これは、一般的な設計において達成することは多少困難な場合がある。（さらに、定数の計算は細長い片持ち梁を仮定しており、これはこの関係が適切なものではないということを示す可能性がある。）しかし、２次の共振の使用は、作動要素の厚さと長さとの間のほぼ１／４程度の比を提供し、これは設計の観点からはより妥当である。
【００４５】
しかし、実際には、作動要素の撓み振動は上述のように理想的ではない。作動要素はその第２の端において被移動本体と相互作用するため、その他の境界条件が振動サイクルの少なくとも一部の間で有効である。図６Ｂに、別の連続的で均質な片持ち梁ビーム５０を示している。ビーム５０は、この実施形態では第１の端５２においてビーム５０の振動動作を制限する基礎５５に固定されている。したがって、ビーム５０は第１の端５２において、いかなる変位も傾斜も示すことは許されない。これに対して、ビーム５０の第２の端５１は、第２の端の傾斜は許可されるような方法で本体５６と接触している。この境界は強制されるヒンジ機能を示す円５３によって表されている。
【００４６】
第１の共振振動モード７２は、静止ビームの中心線７６の２つの極端なストローク６１、６２によって質的に示されている。第１のノード６０は、前述同様に第１の端５２に存在している。第２のノード６７は、境界条件の結果として第２の端５１に存在している。第１の振動モード７２は、上述の境界条件を有するビーム５０の基本撓み共振振動である（すなわち、次数ｎ＝１）。これは、ビームのすべての部分が同じ方向のストローク６３を常に示すという事実によっても見ることができる。言い換えると、ビームの内部の一部分が上方に曲げられている場合、ビーム５０のすべての内部部分が（第１および第２のノードの点を除き）同様に中心線７６の上に位置している。振動モード７２は、関係（１）に関する場合、定数Ｋ１ｔｉｌｔと関連付けられる。薄く細長いビームの場合、Ｋ１ｔｉｌｔ≒１５．４である。
【００４７】
第２の共振振動モード７３は、静止ビームの中心線７６の２つの極端なストローク６８、６９によって質的に示されている。第１のノード６０は、ここでも同様に第１の端５２に存在し、そして第２のノード６７は第２の端５１に存在している。第２の振動モード７３は、上述の境界条件を有するビーム５０の２次の撓み共振振動である（すなわち、次数ｎ＝２）。これは、ビームの２つの部分が反対方向のストローク６４、６５を常に示すという事実によっても見ることができる。言い換えると、ビームの一部分が上方６５に曲げられている場合、それにもかかわらず、ビーム５０のいくらかのその他の内部部分は中心線７６の下６４に位置している。これは、通常ビームの内部にノード６６を生じさせる。振動モード７３は、関係（１）に関する場合、定数Ｋ２ｔｉｌｔと関連付けられる。
【００４８】
図６Ｃにさらに別の連続的で均質な片持ち梁ビーム５０を示している。ビーム５０は、この実施形態では第１の端５２においてビーム５０の振動動作を制限する基礎５５に固定されている。したがって、ビーム５０は、第１の端５２においていかなる変位も傾斜も示すことは許されない。ビーム５０の第２の端５１は、本体５６との接点によって変位も傾斜も許されないような方法で同様に固定される。
【００４９】
第１の共振振動モード７４は、静止ビームの中心線７６の２つの極端なストローク６１、６２によって質的に示されている。第１のノード６０は、前述同様に第１の端５２に存在している。第２のノード６７は、境界条件の結果として第２の端５１に存在している。ここで、境界条件が図４Ｂとは異なるため、ビームのストロークは、第２のノード６７の近くでは、特に異なっているということに留意されたい。第１の振動モード７４は、上述の境界条件を有するビーム５０の基本撓み共振振動である（すなわち、次数ｎ＝１）。これは、ビームのすべての部分が同じ方向のストローク６３を常に示すという事実によっても見ることができる。言い換えると、ビームの内部の一部分が上方に曲げられている場合、ビーム５０のすべての内部部分が（第１および第２のノードの点を除き）同様に中心線７６の上に位置している。振動モード７４は、関係（１）に関する場合、定数Ｋ１ｆｉｘと関連付けられる。薄く細長いビームの場合、Ｋ１ｆｉｘ≒２２．４である。
【００５０】
第２の共振振動モード７５は、静止ビームの中心線７６の２つの極端なストローク６８、６９によって質的に示されている。第１のノード６０は、ここでも同様に第１の端５２に存在し、そして第２のノード６７は第２の端５１に存在している。第２の振動モード７５は、上述の境界条件を有するビーム５０の２次の撓み共振振動である（すなわち、次数ｎ＝２）。これは、ビームの２つの部分が、反対方向のストローク６４、６５を常に示すという事実によっても見ることができる。言い換えると、ビームの一部分が上方６５に曲げられている場合、それにもかかわらず、ビーム５０のいくらかのその他の内部部分は中心線７６の下６４に位置している。これは、通常ビームの内部にノード６６、すなわちゼロのストローク大きさを示す内部位置を生じさせる。振動モード７５は、関係（１）に関する場合、定数Ｋ２ｆｉｘと関連付けられる。
【００５１】
作動要素が被移動本体と接触せずに移動する場合は、図６Ａの条件がかなり適切に状況を説明すると考えられる。しかし、作動要素が被移動本体と接触する場合は、おそらく図６Ｂおよび図６Ｃの条件との類似性がある異なる条件が発生する可能性がある。理解されるように、自由端構成の基本撓み片持ち梁周波数を使用することは非常に困難であり、その理由は、共振周波数は第２の端がどのように固定されているかに極度に敏感だからである。しかし、使用される周波数を、（Ｋ２ｆｒｅｅに対応する）自由端を有するビームの第２の共振周波数の領域内に調整することにより、これらの問題は大幅に減少する。この共振周波数は、図６Ｂおよび図６Ｃによるビームの基本共振周波数の付近に位置しているため、図６Ａの２次の振動モードと、図６Ｂまたは図６Ｃにある程度類似した基本振動モードとの間の移行が容易になる。適用される周波数は、両方の場合に共振周波数に近く、したがって、良好なエンハンスメント特性を示す。言い換えると、定数Ｋ２ｆｒｅｅ、Ｋ１ｔｉｌｔ、およびＫ１ｆｉｘはお互いに比較的近くに位置している。
【００５２】
類似した周波数を同様に有するより高次の曲げ振動モードを見出す可能性がある。現在のところ、ゼロのストロークの大きさを示す各作動要素内の内部位置を１つより多くは有さない曲げ振動モードが、ほとんどのモータ設計において最も実際的な選択肢である。しかし、定数Ｋｍｆｒｅｅ、Ｋｎｔｉｌｔ、およびＫｎｆｉｘの間で同じ有利な類似性を示すより高次の組み合わせが、ある特定のモータ設計において使用される可能性があると信じられており、そして、一般にｍ＝ｎ＋１である。言い換えると、第２の曲げ振動モード、すなわち２つの固定端、または１つの固定端と１つのヒンジ連結された端のいずれかを有するビームのモードは、第１の曲げ振動モード、すなわち１つの固定端と１つの自由端とを有するビームのモードよりも、一般に１ステップ低次である。
【００５３】
類似した周波数における長手方向の共振を提供するために、作動要素の厚さを調整する場合、作動要素からの良好な駆動特性が期待される。
【００５４】
バックボーンは、モータまたはアクチュエータの重要な部分であり、いくつかの機能を有する。本発明において、高速移動は共振によって行われ、共振器は常にバックボーンをある程度含んでいる。図４の実施形態における接着剤はこの依存性を減少させるが、いくらかの残りの依存性が常に存在する。共振している部分が作動要素自体のみであるモータを有することがもちろん望ましいが、機械的振動は作動要素と最も密接に機械的に接触している構成要素を常にある程度含んでいる。本発明のいくつかの実施形態では、バックボーン自体が共振器の励起においてより重要な役割を果たすように設計されていてもよい。図７は、本発明に係るアクチュエータの別の実施形態を示す。本実施形態では、アクチュエータ３は、共通バックボーン５に取り付けられた４つの「脚部」すなわち作動要素６を具備している。本実施形態では、作動要素６は、共焼結によってバックボーンに取り付けられており、音波がバックボーン５と高度に交換されることを可能にするインタフェース１５が提供されている。これは、作動要素６とバックボーン５との間の音響結合が非常に良好であり、アクチュエータ３全体がバックボーン５と作動要素６との両方における運動を含むモードで振動するということを意味している。バックボーン５は、この実施形態では、非電気機械式能動材料を含み、あらゆる振動は作動要素６内の電気機械式ボリュームの動作によって、インタフェース１５における機械的接続を介して励起される。作動要素内の能動材料は、横方向の収縮を示し、これはインタフェース１５においてバックボーン５の曲げに影響を及ぼす。したがって、バックボーン５は振動に受動的に参加することを許可される。
【００５５】
代わりに、バックボーン５と、この実施形態ではハウジングであるアクチュエータ固定子部４との間の音響結合は、弱く作成されている。本実施形態では、バックボーン５はハウジングに取り付けられたピボット支持体１６上に配置され、これはピボット支持体１６の位置においてノードを有するバックボーン５の曲げモードが優先されることを意味している。その理由は、このような場合には音響エネルギーのうちの非常に少量がアクチュエータ固定子部４に伝達されるからである。ピボット支持体１６は、２つの中央の作動要素の外側に対照的に配置されているが、２つの外側の作動要素の内側に対称的に配置されている。代替の実施形態では、ピボット支持体を単にハウジングの表面に対抗して支持しているバックボーン５の部分として設計してもよい。
【００５６】
図８は、図７のアクチュエータにおけるいくつかの可能な振動モードを示す。バックボーンは、本質的にピボット支持体の位置におけるノードを有する曲げ運動を本質的に実行する。そのような曲げは作動要素６を長手方向で上下に移動させる。長手方向の運動は、この実施形態では、共振動作の間、作動要素自体の拡張／収縮に取って代わってもよく、または組み合わせが利用されてもよい。共振周波数におけるいかなる相関性も考慮する必要はなく、作動要素の設計にはより大きな自由度が存在する。しかし、少なくとも低い周波数において長手方向の拡張を利用する可能性は存続しなければならず、その理由はそのような拡張は精密位置決めの間に使用されるからである。作動要素自体の曲げ共振は、被移動本体に変位方向の運動を与えるために使用されることが可能となるような運動を達成する可能性を提供する。
【００５７】
図９は、本発明に係るアクチュエータモータのさらに別の実施形態を示す。アクチュエータ３は、本実施形態でも同様に共通バックボーン５に取り付けられた４つの「脚部」すなわち作動要素６を具備している。しかし、この場合、作動要素６はノードとは別個の位置に配置される。少なくとも２つの異なる振動モードを可能にするために、バックボーン５はアクチュエータ固定子部４上に非対称的に配置される。したがって、本実施形態はバックボーンを共振器内でも能動的に使用する。
【００５８】
図１０は、図９のアクチュエータにおけるいくつかの可能な振動モードを示す。バックボーンは曲げ運動を本質的に実行する。ノードは作動要素６に対して非対称的に位置しているので、そのような曲げは作動要素６を長手方向で上下に移動させ、それと同時に前後の傾斜運動を示す。前述同様に、この実施形態では、共振動作の間、長手方向の運動は作動要素自体の拡張／収縮に取って代わってもよく、または、組み合わせが利用されてもよい。しかし、ここでも同様に、少なくとも低い周波数において、長手方向の拡張を利用する可能性は存続しなければならず、その理由は、そのような拡張は精密位置決めの間に使用されるからである。本実施形態における傾斜運動は、場合によっては作動要素自体の曲げ共振と組み合わされて、被移動本体に変位方向の運動を与えるために使用されることが可能となるような運動を達成するために使用される。
【００５９】
図１１は、本発明に係るアクチュエータモータのさらに別の実施形態を示す。アクチュエータ３は、図４のアクチュエータにある程度類似しているが、しかし中間の作動要素６Ｂが２つのその他の作動要素６Ａの間に提供されている。側方の作動要素６Ａは、図４のアクチュエータについて説明したのと同様の共振高速移動のために、および精密位置決めのために使用される。中央の作動要素６Ｂは、精密位置決めのためだけに使用され、高速移動の間はまったく作動させられない。軟質の圧電セラミックが使用される場合、共振の間に作動する作動要素６Ａは、常に中央の作動要素６Ｂより上に延伸し、高速移動の間は中央の作動要素６Ｂと被移動本体との間に接触はない。高速移動が終了したら、段階的な方法で最終的な精密位置決めを行うために、作動要素６Ｂが使用される。さらに、この作動要素は、可能な最良の精密位置決め性能を有するために、はるかに硬質な相互作用部を有してもよい。
【００６０】
上記に示したように、本体の精密位置決めは、さまざまな方法で実行されてもよい。例えば図４の実施形態の場合、一方の作動要素が常に本体と接触し、その間にもう一方が初期位置にリセットされる標準的なウォーキング方法が容易に実装される。そのようなウォーキング機構は、例えば米国特許第６，７９８，１１７号明細書などの多くの他の従来技術文献で述べられている。しかし、より多くの作動要素を使用する類似した実施形態も可能である。
【００６１】
しかし、精密位置決め移動方策はさまざまな方法で選択されてもよく、そのうちのいくつかを以下で説明する。２つの作動要素のみを有するそれらのセットアップを使用する利点は作動要素の平坦化が必要ないということである。
【００６２】
１つの代替の精密位置決め移動方策では、両方の作動要素が本体と接触して一緒に移動させられ、それによって本体を変位させる。しかし、一定の距離の後で、作動要素は再びそれらの開始形状に復帰しなければならない。次に、作動要素は、相互作用部が本体に対してスリップするように高加速を使用して後方に移動させられる。その後、作動要素は再び全摩擦接触（スティック）を使用して、前方にゆっくりと移動させられる。このタイプのスティック−スリップ機構は中程度の接線および垂直力に好適である。
【００６３】
別の代替の精密位置決め移動方策では、両方の作動要素が、復帰フェーズにおいて相互作用部を解放するように、または少なくとも垂直力が減るように高加速を使用して後方および下方に同時に移動させられる。本体と相互作用部との間の小さな摩擦での、または摩擦なしでの相対的移動が存在する。その後、相互作用部は、本体が再び変位するように前方および上方にゆっくりと移動させられる。このサイクルはある程度強い垂直力が含まれている場合に好適である。
【００６４】
さらに別の代替の精密位置決め移動方策では、作動要素は別個に、そして原則として１つずつ移動させられる。一方の作動要素は、他方が本体を前方に移動させている間、固定されているか、または摩擦係数を減少させるために振動していてもよい。本体を移動させた作動要素についてのサイクルの復帰部分は、後方および下方への移動の組み合わせによって作られる。この方法の利点は、固定された作動要素が垂直力のほとんどを支持して、前述の代替方法よりも強い垂直力で動作することを可能にするということである。
【００６５】
本発明に係る設計方法の実施形態の主要なステップを図１２に示している。手順は、ステップ２００から開始される。ステップ２１０において、被移動本体に接触するための相互作用部を有する作動要素を少なくとも２つと、作動要素を機械的に接続するアクチュエータバックボーンと、アクチュエータバックボーンを機械的に指示するアクチュエータ固定子部とを有する電気機械式アクチュエータを設計する。作動要素は、励起時に形状変化を示す電気機械式モノモルフ、バイモルフ、またはマルチモルフボリュームを含んでいる。形状変化は、アクチュエータバックボーンと相互作用部との間で方向付けられる長手方向の寸法変化、および長手方向に垂直かつ被移動本体の主変位方向に平行な電気機械式モノモルフ、バイモルフ、またはマルチモルフボリュームの曲げを含んでいる。ステップ２１２において、相互作用部は、作動要素と被移動本体との間の音波の伝達を部分的に抑止するように配置される。手順はステップ２１９で終了する。
【００６６】
本発明に係る動作方法の実施形態の主要なステップを図１３に示している。手順はステップ２２０から開始される。ステップ２２２において、少なくとも２つの作動要素に、その形状変化を励起するために電気信号が印加される。形状変化は、アクチュエータバックボーンと相互作用部との間で方向付けられる長手方向の寸法変化、および長手方向に垂直かつ被移動本体の主変位方向に平行な作動要素の曲げを含んでいる。印加される電気信号の周波数は、寸法変化の長手方向振動共振と、曲げの曲げ振動共振との付近であるように選択される。手順はステップ２２９で終了する。
【００６７】
上述の実施形態は、本発明の少数の説明的な例として理解されるべきである。本発明の範囲を逸脱することなく、さまざまな修正、組み合わせ、および変更が実施形態に対して行われてもよいということが、当業者は理解するであろう。特に、さまざまな実施形態におけるさまざまな部分的解決策が、技術的に可能な場合、他の構成において組み合わされてもよい。しかし、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図１】
2009540789.tif 000009
【図２】
2009540789.tif 000010
【図３】
2009540789.tif 000011
【図４】
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【図５】
2009540789.tif 000013
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2009540789.tif 000015
【図６Ｃ】
2009540789.tif 000016
【図７】
2009540789.tif 000017
【図８】
2009540789.tif 000018
【図９】
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【図１０】
2009540789.tif 000020
【図１１】
2009540789.tif 000021
【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年2月5日(2009.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
【図１】本発明に係るモータの実施形態を示すブロック図である。
【図２】異なる条件における作動要素の長手方向への延伸の関係を示す概略図である。
【図３】共振Ｑ値が異なる場合の影響を示す図である。
【図４】本発明に係るアクチュエータの実施形態を示すブロック図である。
【図５】図４に示すアクチュエータの作動要素の振動状態を示す概略図である。
【図６Ａ】異なる境界条件を有するビームについての撓み共振モードを示す図である。
【図６Ｂ】異なる境界条件を有するビームについての撓み共振モードを示す図である。
【図６Ｃ】異なる境界条件を有するビームについての撓み共振モードを示す図である。
【図７】本発明に係るアクチュエータの別の実施形態を示すブロック図である。
【図８】図７に示すアクチュエータの振動状態を示す概略図である。
【図９】本発明に係るアクチュエータのさらに別の実施形態を示すブロック図である。
【図１０】図９に示すアクチュエータの振動状態を示す概略図である。
【図１１】本発明に係るアクチュエータのさらなる実施形態を示すブロック図である。
【図１２】本発明に係る方法の実施形態を示すフローチャートである。
【図１３】本発明に係る動作方法の実施形態を示すフローチャートである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被移動本体（２）に接触するための相互作用部（７）をそれぞれが有する少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と、
前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と機械的に接続されているアクチュエータバックボーン（５）であって、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれは励起時に形状変化を示す電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）を含み、前記形状変化は、前記アクチュエータバックボーン（５）と前記相互作用部（７）との間で方向付けられる長手方向（Ｌ）の寸法変化、および前記長手方向（Ｌ）に垂直かつ前記被移動本体（２）の主変位方向（９）に平行な前記電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）の曲げを含んでいるアクチュエータバックボーン（５）と、
前記アクチュエータバックボーン（５）を機械的に支持するアクチュエータ固定子部（４）と
を具備する電気機械式アクチュエータ（３）であって、
前記相互作用部（７）が、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれと前記被移動本体（２）との間の音波の伝達を部分的に抑止するように配置されていることを特徴とする電気機械式アクチュエータ。
【請求項２】
前記相互作用部（７）は、前記作動要素（６；６Ｂ）の音響インピーダンスとかなり異なる音響インピーダンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項３】
前記相互作用部（７）の前記音響インピーダンスは、前記作動要素（６；６Ｂ）の前記音響インピーダンスと５０％超異なることを特徴とする請求項２に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項４】
前記相互作用部（７）は、前記被移動本体（２）と前記電気機械式アクチュエータ（６；６Ｂ）との間で要求される動作力（Ｎ）において、予め定められた間隔内にある長手方向の圧縮を与える弾性を有し、
前記予め定められた間隔は、前記長手方向（Ｌ）における前記寸法変化の最大値と、前記要求される動作力（Ｎ）における前記作動要素（６；６Ｂ）の長手方向の圧縮との間の差の１０％から９０％の間であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項５】
前記相互作用部（７）は、前記被移動本体（２）と前記電気機械式アクチュエータ（６；６Ｂ）との間で要求される駆動力（Ｆ）において、予め定められた間隔内にある前記主変位方向（９）の剪断を与える弾性を有し、
前記予め定められた間隔は、前記相互作用部（７）における前記曲げの最大ストロークと、前記要求される駆動力（Ｆ）における前記作動要素（６；６Ｂ）の前記主変位方向（９）における剪断との間の差の１０％から９０％の間であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項６】
前記被移動本体（２）の変位中における曲げ振動の大部分は、それぞれの前記作動要素（６；６Ｂ）内で生じることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項７】
前記作動要素（６；６Ｂ）は、前記アクチュエータバックボーン（５）の音響インピーダンスとかなり異なる音響インピーダンスを有することを特徴とする請求項６に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項８】
前記作動要素（６；６Ｂ）は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と前記アクチュエータバックボーン（５）との間の音波の伝達を少なくとも部分的に抑止するように配置された手段（１１）によって、前記アクチュエータバックボーン（５）と機械的に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項９】
前記被移動本体（２）の変位中における曲げ振動は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と前記アクチュエータバックボーン（５）の両方に関係することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１０】
前記アクチュエータバックボーン（５）は、前記アクチュエータ固定子部（４）と前記アクチュエータバックボーン（５）との間の音波の伝達を少なくとも部分的に抑止するように配置された手段（１２、１６）によって、前記アクチュエータ固定子部（４）と機械的に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１１】
前記寸法変化は第１の周波数における長手方向の振動共振を有し、前記曲げは前記第１の周波数の付近における曲げ振動共振を有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１２】
前記第１の周波数の付近における前記曲げ振動共振は曲げ振動モードに対応し、その曲げ振動モードにおいて、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）の１つ１つは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のうちの同じ作動要素の第２の部分の同時ストロークと比較して、反対方向のストロークを示す第１の部分を有することを特徴とする請求項１１に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１３】
前記第１の周波数の付近における前記曲げ振動共振は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、１つよりも多くは常に有していない曲げ振動モードに対応することを特徴とする請求項１２に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１４】
前記第１の周波数の付近における前記曲げ振動共振は、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、少なくともある瞬間において２つ以上有する曲げ振動モードに対応することを特徴とする請求項１２に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１５】
前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）は、前記曲げ振動の方向における厚さｔを有し、前記厚さｔは、
【数１】
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の付近の範囲内で選択され、上式において、Ｌは前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）の長さであり、Ｋｎは前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）の次数ｎの曲げ振動定数であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１６】
前記曲げ振動定数は、１５よりも大きな値を有することを特徴とする請求項１４に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１７】
前記曲げ振動定数は、一方の端において固定され、かつ反対側の端において自由である作動要素に対する２次の共振振動の曲げ振動定数の付近であることを特徴とする請求項１４に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電気機械式アクチュエータ（３）と、
被移動本体（２）と
を具備する電気機械式モータ（１）。
【請求項１９】
電気機械式アクチュエータ（３）を駆動するための方法であって、
前記電気機械式アクチュエータ（３）は、
少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）であって、それぞれが被移動本体（２）と接触するための相互作用部（７）を有する少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）と機械的に接続されるアクチュエータバックボーン（５）とを有し、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれの相互作用部（７）は、それぞれの前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）の前記アクチュエータバックボーン（５）と反対側の端に位置しており、
前記方法は、
前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のそれぞれの電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）に対して、その形状変化を励起するための電気信号を印加するステップ（２２２）を含み、
前記形状変化は、前記アクチュエータバックボーン（５）と前記相互作用部（７）との間に方向付けられる長手方向（Ｌ）における寸法変化、および前記長手方向（Ｌ）に垂直かつ前記被移動本体（２）の主変位方向（９）に平行な前記電気機械式モノモルフ、バイモルフまたはマルチモルフボリューム（８）の曲げを含み、
それによって、前記印加された電気信号の周波数は、前記寸法変化の長手方向振動共振、ならびに前記曲げの曲げ振動共振の付近となるように選択されることを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記印加された電気信号の周波数は、自由な相互作用部（７）を有する作動要素の第１の曲げ振動モードの共振周波数と、変位および／または傾斜の制限を受ける相互作用部（７）を有する作動要素の第２の曲げ振動モードの共振周波数との両方の付近であるように選択されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の曲げ振動モードは、前記第１の曲げ振動モードの次数よりも１次低い次数のモードであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の曲げ振動モードでは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）が、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）のうちの同じ作動要素の第２の部分の同時ストロークと比較して、反対方向のストロークを示す第１の部分を有することを特徴とする請求項１９〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の曲げ振動モードは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、１つよりも多くは有していないことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の曲げ振動モードは、前記少なくとも２つの作動要素（６；６Ｂ）内のゼロのストローク大きさを示す内部位置を、少なくともある瞬間において２つ以上有していることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【国際調査報告】
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