(57)【要約】  曲げ剛性の高い変位コネクタ、高性能圧電アクチュエータ、およびそれらから作製された派生装置を開示する。コネクタは、周方向に交互に配置された凹部収容部を有し、目的とする圧電作動素子に用いられたときに、復元力を低減させることなく、変位アクチュエータの変位量を、個々の作動素子の変位量の約２倍、３倍または４倍にする。コネクタは、目的とする用途に適合するような任意の横断面の全体形状と長さとを取り得ることができる。コネクタ凹部は、縦モード積層、横モードバーおよび／またはチューブ、単結晶ブロックの適切な寸法のカットおよびそれらが接合された組立体を含む、幅広い種類の横断面および寸法の圧電素子を収容するように構成することができる。高性能変位アクチュエータおよび小型Ｌａｎｇｅｖｉｎ低周波水中プロジェクタなどの派生装置は、このようなコネクタから作製することができる。
2019511132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電アクチュエータを形成する複数の圧電作動素子と共に使用するためのコネクタであって、前記コネクタは、
第１の基部と、前記第１の基部に対向して実質的に平行な位置にある第２の基部と、を備えた実質的にシリンダ型の構成素子と、
前記第１の基部から前記構成素子内に延在する少なくとも１つのコネクタ凹部と、前記第２の基部から前記構成素子内に延在する少なくとも１つのコネクタ凹部とを備え、前記各コネクタ凹部は前記複数の圧電作動素子のうち１つを収容することを特徴とするコネクタ。
【請求項２】
前記コネクタ凹部は、前記第１の基部と前記第２の基部との周囲に沿って互い違いに配置され、前記第１の基部から延在する前記少なくとも１つのコネクタ凹部は、前記第２の基部から延在する前記少なくとも１つのコネクタ凹部に隣接して配置されることを特徴とする、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項３】
前記コネクタの横断面は、円形、正方形、矩形、多角形、環または環状多角形状のいずれかであることを特徴とする、請求項１または２に記載のコネクタ。
【請求項４】
前記コネクタ凹部の横断面形状は、円形、三角形、正方形、矩形、多角形、Ｖチャンネル型、Ｔチャンネル型、またはＬチャンネル型形状のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項５】
前記コネクタ凹部の前記横断面形状は、収容された前記圧電作動素子の横断面形状とほぼ同じであり、前記コネクタ凹部の前記チャンネル横断面形状は、２つ以上の収容された前記圧電作動素子の前記横断面を組み合わせた横断面形状とほぼ同じであることを特徴とする、請求項４に記載のコネクタ。
【請求項６】
前記基部は、前記コネクタと一体であることを特徴とする、求項１〜５のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項７】
前記基部は、前記シリンダ型の構成素子に機械的に固定されているか、接合されているかの少なくとも何れかであ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コネクタ。
【請求項８】
前記圧電作動素子は、縦（ｄ３３）モード作動素子、横（ｄ３１）モード作動素子、または横（ｄ３２）モード作動素子のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項９】
前記圧電作動素子は、圧電セラミック、圧電単結晶の部品または接合された組立体の１つを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１０】
前記圧電作動素子は、ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］の圧電セラミックおよび／または、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛インジウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、およびこれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、高圧電率鉛系リラクサの単結晶化合物の固溶体を含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１１】
前記圧電作動素子を収容するための前記コネクタ凹部の少なくとも１つは、環状であることを特徴とする、求項１〜１０のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１２】
前記環状のコネクタ凹部は、前記環状のコネクタ凹部の幅の０.２〜０.５倍の範囲の厚さを有する外殻を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のコネクタ。
【請求項１３】
前記コネクタからアクチュエータを製造する際に、前記コネクタの取り扱いの補助として、前記コネクタは少なくとも１つの開口部を含むことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１４】
前記コネクタは、少なくとも１つの高い剛性の負荷パッドが前記コネクタ凹部の少なくとも１つの内部の基部に接合されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１５】
前記コネクタは、前記コネクタの一方または両方の端面に接合されている少なくとも１つの補強プレートをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１６】
前記コネクタは、前記コネクタを貫通するコネクタの中心孔をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１７】
前記コネクタは、高弾性率材料、軽金属、工学セラミック、または繊維強化ポリマーのうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１８】
前記コネクタは、鉄合金、ニッケル合金、銅ベースの合金、およびＷＣ−Ｃｏサーメットのうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の前記コネクタ少なくとも１つのと、前記コネクタ凹部内にある少なくとも１つの上部圧電作動素子と、前記コネクタ凹部内にある少なくとも１つの下部圧電作動素子とを含む組立体であって、前記少なくとも１つの上部圧電作動素子は、前記第１の基部から突出し、前記少なくとも１つの下部圧電作動素子は、前記第２の基部から突出することを特徴とする、組立体。
【請求項２０】
前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子の横断面形状は、中実三角形、中空三角形、中実正方形、中空正方形、矩形、実円形、環状または擬環多角形であることを特徴とする、請求項１９に記載の組立体。
【請求項２１】
前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子は、単結晶を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の組立体。
【請求項２２】
前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子の各々は、複数の接合された圧電単結晶を含むことを特徴とする、請求項１９に記載の組立体。
【請求項２３】
請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の前記組立体の少なくとも１つと、少なくとも１つの前記圧電作動素子とを備えることを特徴とする、アクチュエータ。
【請求項２４】
台座、基部プレート、予め応力を付与する機構、およびケーシングのうちの少なくとも１つをさらに備えることを特徴とする、請求項２３に記載のアクチュエータ。
【請求項２５】
捻じれ防止機構をさらに備えることを特徴とする、請求項２４に記載のアクチュエータ。
【請求項２６】
前記組立体は、横断面が中実三角形である複数の縦（ｄ３３）モードの積層型作動素子を備えることを特徴とする、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項２７】
前記縦（ｄ３３）モードの積層型作動素子が、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミック、またはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックの組成改質誘導体のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２６に記載のアクチュエータ。
【請求項２８】
前記縦（ｄ３３）モードの積層型作動素子は、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛インジウム−ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ２／３）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］及びこれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、単結晶からなることを特徴とする、請求項２７に記載のアクチュエータ。
【請求項２９】
前記組立体は、横断面が中空三角形である横（ｄ３１またはｄ３２）モード作動素子を備えることを特徴とする、請求項２３〜２５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項３０】
前記横（ｄ３１またはｄ３２）モードの作動素子は、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミック、またはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックの組成改質誘導体を含むことを特徴とする、請求項２９に記載のアクチュエータ。
【請求項３１】
前記横（ｄ３１またはｄ３２）モードの作動素子は、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛インジウム−ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ２／３）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］およびそれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、単結晶を含むことを特徴とする、請求項２９に記載のアクチュエータ。
【請求項３２】
モータ部が、請求項１から１８のいずれか一項に記載の前記コネクタのうちの少なくとも１つ、および、請求項１９から２２のいずれか１項に記載の前記組立体のうちの少なくとも１つの、いずれかまたは両方を備えることを特徴とする水中プロジェクタ。
【請求項３３】
ヘッドマス、テールマス、予め応力を付与する機構、およびケーシングのうちの少なくとも１つをさらに備えることを特徴とする、請求項３２に記載の水中プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曲げ剛性の高い変位コネクタに関し、特に、高性能圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
工業、航空宇宙、防衛、医療、科学分野を含む多くの技術分野では、ヒステリシスを最小限に抑え、かつ比較的大きな変位（＞６０μｍ）と高い阻止力（＞５０Ｎ）とを有する、小型で高性能かつ信頼性の高い圧電アクチュエータが必要とされている。Ｎｉｅｚｒｅｃｋｉ．Ｃらの「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｃｔｕａｔｉｏｎ：  ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｒｔ」と題する「Ｔｈｅ  Ｓｈｏｃｋ  ａｎｄ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｄｉｇｅｓｔ」第３３巻、２００１年版、ページ２６９〜２８０を参照とする。
【０００３】
直接プッシュプル式圧電アクチュエータは、縦（ｄ３３）積層及び横（ｄ３１）チューブアクチュエータを含んでいる。これらは大きな阻止力を有するが、変位量が小さく、典型的には、阻止力は約１００Ｎより大きく、変位量は４０μｍ未満である。４０μｍを超える変位量を達成するための、数百層からなり、高さが測定値で１００ｍｍを超える積層体が、販売されている。先行技術による直接プッシュプル式圧電アクチュエータの概略図が、図１Ａから図１Ｃに示されている。図１Ａは、横（ｄ３１およびｄ３２）バー１０１を示し、図１Ｂは、横（ｄ３１）チューブ１０２を示し、図１Ｃは、縦（ｄ３３）積層１０３を示す。図１Ａから図１Ｃに示すように、短い矢印は、それぞれの活性化材料の製造において使用される電気ポーリングの方向を示し、大きな二重矢印は、活性化（すなわち、意図した変位）方向を示す。
【０００４】
出発材料は、縦（ｄ３３）モードまたは横（ｄ３１またはｄ３２）モード（図１Ａおよび１Ｂ）のいずれかの、直接プッシュプル式圧電矩形形状のバー、ロッドまたはチューブのいずれかの単体であってよいし、これらの組立体であってもよい。組立体としては、例えば、中実または中空横断面の複数の横モードバーが接合されたｄ３３積層体（図１Ｃ）のような組立体や、国際特許出願第ＰＣＴ／ＳＧ２０１２／０００４９３号（Ｘｉａ、Ｙ．Ｘ他らによる「Ｃｏｓｔ−ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｍｕｌｔｉ−ｓｔａｋｅ  ａｃｔｕａｔｏｒ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ」）に開示されているような、横断面が三角形、正方形及び他の多角形パイプである複数の圧電単結晶が接合された組立体を含むが、限定はされない。これらは、以後総称して「作動素子」と呼ぶ。
【０００５】
好ましくは、作動素子は、圧電ひずみ係数が高く、つまり変位ストロークが大きいものでなければならない。このような構造物の例として、圧電セラミックおよび単結晶の縦（ｄ３３）モード積層バー、ロッドまたは中空シリンダや、圧電単結晶の横（ｄ３２およびｄ３１）バーの単品または組立体が含まれる。
【０００６】
直接プッシュプルの用途では、所定の印加電界または電圧に対して、作動素子の変位は活性化方向の寸法に比例し、阻止力はその横断面の（または耐荷重）面積に比例する。これらの直接プッシュプル素子からなる単一のアクチュエータは、典型的には１００Ｎを超える高い復元力を有するが、４０μｍより小さい限られた変位量しか有しない。
【０００７】
直接プッシュプル式作動素子の変位量を増加させるために、レバーアーム（図２Ａ〜図２Ｂ）、屈曲性（図３Ａ〜図３Ｃ）、および蛇行構造および／または伸縮構造（図４Ａ〜図４Ｂ）の手法を含む様々な変位増大メカニズムが考案されている。
【０００８】
Ｕｃｈｉｋａｗａによる米国特許第４,５７０,０９５号「Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｃｏｍｂｉｎｅｄ  ｗｉｔｈ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ」、およびＡｓａｎоによる米国特許第４,７８３,６１０号「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒ」では、レバーアームのアクチュエータを開示している。このようなレバーアームアクチュエータは、結果として装置の出力は減少するが、レバーアーム機構を利用して直接プッシュプル式アクチュエータの変位量を増加させる。このような設計では、通常、支点は薄い可撓性部材で形成されているが、アームは支点よりも随分と厚く、したがって極めて高い剛性がある。さらにレバーアームアクチュエータは、変位アクチュエータとしてだけでなく、ロボットのグリッパとして広く使用されている。従来技術による種々のレバーアームアクチュエータ１１１及び１１２の概略図が、図２Ａ及び図２Ｂに示されている。
【０００９】
Ｔｏｕｌｉｓによる米国特許第３,２７７，４３３号「Ｆｌｅｘｕｒａｌ−ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」、およびＲｏｙｓｔｅｒ、Ｌ．Ｈの「Ｔｈｅ  ｆｌｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ  ｃｏｎｃｅｐｔ：Ａ  ｎｅｗ  ａｐｐｒｏａｃｈ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ、第３巻、ページ１１７−１２６には、可撓性張力アクチュエータが開示されている。可撓性張力アクチュエータは、アクチュエータ群からなり、プッシュプル式アクチュエータで生じた動作は、高弾性の可撓性張力部材によって、横方向におけるより大きな変位に変換される。前記可撓性張力部材は、典型的には、金属から作製されている。それらは、楕円型（Ｊｏｈｎｓｏｎの米国特許第５，７４２，５６１号「Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ  ｄｒｉｖｅｎ  ｐｉｓｔｏｎ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」）、ムーニー型（Ｎｅｗｎｈａｍの米国特許第５，２７６，６５７号「Ｍｅｔａｌ−ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ａｃｔｕａｔｏｒｓ」）、シンバル型（Ｎｅｗｎｈａｍの米国特許第５，７２９，０７７号「Ｍｅｔａｌ−ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ」）、矢型（Ｊｏｓｈｉ、Ｍ．らによる「Ｐｉｅｚｏ−ｂｏｗ  ｈｉｇｈ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ  ａｃｔｕａｔｏｒ」、Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、ｖｏｌ．８２（２００６）、２５〜４３のアクチュエータを含んでいる。
【００１０】
ムーニー型とシンバル型のアクチュエータは、２個のエンドキャップで挟まれた圧電ディスクで構成されている。ディスクが半径方向に変位することで、エンドキャップを撓ませ、軸方向の変位を大幅に増加させる。図３Ａ〜図３Ｃに、先行技術によるプッシュプル式アクチュエータの変位量を増大させるための様々な撓みアクチュエータ１２１、１２２および１２３の概略図を示す。活性化材料を接続するリード線は、図を明確にするために示されていない。
【００１１】
Ｓｕｄａによる米国特許第４，５１０，４１２号「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｉｓｐｌａｃｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅｓ」、およびＲｏｂｂｉｎｓ、Ｗ．Ｐ．らによる「Ｈｉｇｈ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒ  ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ｍｅａｎｄｅｒ−ｌｉｎｅ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ  Ｐａｒｔ  １:Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、ｖｏｌ．３８、（１９９１）４５４〜４６０では、伸縮構造あるいは蛇行構造がプッシュプル式アクチュエータの変位量を増加させるために使用されている。このようなアクチュエータは、アクチュエータ全体が単一圧電セラミックから成形される場合には脆弱となる。図４Ａおよび図４Ｂに、先行技術による伸縮式アクチュエータ１３１および蛇行式アクチュエータ１３２の概略図が示されている。活性化材料を接続するリード線は、図を明確化するために示されていない。
【００１２】
しかしながら、先行技術の全ての変位量増大機構は、大きな曲げコンプライアンスから、得られるアクチュエータの性能は著しく低下する。
【００１３】
変位量を増大するために使用される機械的コネクタは曲げコンプライアンスが大きいため、上述の変位量増大機構を備える装置では、変位と阻止力との両方が悪影響を受ける。
【００１４】
しかしながら、積層型アクチュエータ、つまり横断面が中実三角形である作動素子は、その鋭い角部が脆く、および製造コストが高かくなりがちなため、現在まで使用されていない。同様に、横断面が三角パイプである横モード作動素子も現在まで使用されていない。
【００１５】
したがって、上記の欠点を克服する曲げ剛性の高い（ＨＢＳ）コネクタが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】国際特許出願第ＰＣＴ／ＳＧ２０１２／０００４９３号（２０１７年１０月１２日公開）
【特許文献２】米国特許第４，５７０，０９５号（１９８６年２月１１日公開）
【特許文献３】米国特許第４，７８３，６１０号（１９６６年１０月４日公開）
【特許文献４】米国特許第３，２７７，４３３号（１９９８年４月２１日公開）
【特許文献５】米国特許第５，７４２，５６１号（１９９４年１月４日公開）
【特許文献６】米国特許第５，２７６，６５７号（１９９８年３月１７日公開）
【特許文献７】米国特許第５，７２９，０７７号（１９８５年４月９日公開）
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｎｉｅｚｒｅｃｋｉ．Ｃらの、「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｃｔｕａｔｉｏｎ：  ｓｔａｔｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｒｔ」、Ｔｈｅ  Ｓｈｏｃｋ  ａｎｄ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｄｉｇｅｓｔ  ｖｏｌ、３３、（２００１）２６９〜２８０
【非特許文献２】Ｊｏｓｈｉ、Ｍ.らの、「Ｐｉｅｚｏ−ｂｏｗ  ｈｉｇｈ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｈｉｇｈ  ｂｌｏｃｋｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ  ａｃｔｕａｔｏｒ」、Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、ｖｏｌ．８２（２００６）、２５〜４３
【非特許文献３】Ｒｏｂｂｉｎｓ、Ｗ．Ｐ．らの、「Ｈｉｇｈ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ａｃｔｕａｔｏｒ  ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ  ｍｅａｎｄｅｒ−ｌｉｎｅ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ  Ｐａｒｔ  １:Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ、ｖｏｌ．３８、（１９９１）４５４〜４６０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
以下の概要は、開示された実施形態に特有のいくつかの革新的な特徴を理解し易くするために提供され、完全に説明することは意図していない。本明細書に開示された実施形態の様々な態様は、明細書全体、特許請求の範囲、図面、および要約の全てを考慮することによっての完全に理解することができる。
【００１９】
したがって、開示された実施形態の一態様は、曲げ変位が最小であるか、または湾曲することのない曲げ剛性が高い（ＨＢＳ）コネクタを提供することである。
【００２０】
従って、開示された実施形態の別の態様は、円周方向に交互に配置された凹部収容部を有するＨＢＳコネクタを提供して、頂部向き作動素子及び底部向き作動素子を円周方向に嵌合させることができるようにすることである。
【００２１】
したがって、開示された実施形態のさらに別の態様は、横断面が作動素子の横断面と可能な限り近似する凹部収容部を有するＨＢＳコネクタを提供して、その基部における梁間の負荷を低減することである。
【００２２】
したがって、開示された実施形態の別の態様は、片持ち梁効果を発生させないためにコネクタの本体に堅固に接続された凹部の基部を有するＨＢＳコネクタを提供することである。
【００２３】
したがって、開示された実施形態の別の態様は、使用中の曲げ変位をさらに最小化する、厚い外側リングまたは外殻を有するＨＢＳコネクタを提供することである。
【００２４】
したがって、開示された実施形態のさらに別の態様は、必要に応じて追加の頂部および底部補強プレートを使用することにより、曲げ剛性の高いコネクタを提供することである。
【００２５】
したがって、開示された実施形態のさらに別の態様は、円周方向に交互に配置された凹部収容部と、外側に十分に厚いリングまたは外殻を有する曲げ剛性の高い（ＨＢＳ）コネクタ兼変位乗算器を提供することである。変位乗算器は、必要に応じて、目的の圧電作動素子と嵌合させることで、復元力を低下させることなく、個々の作動素子の変位量を、概ね２倍（２ｘ）、３倍（３ｘ）または４倍（４ｘ）の変位量にする変位アクチュエータを作製することができる。
【００２６】
したがって、開示された実施形態のさらに別の態様は、意図された用途に適した任意の横断面の全体形状と長さとを取り得るコネクタを提供することである。
【００２７】
したがって、開示された実施形態のさらに別の態様は、縦モード積層体、横モードバーおよび／または横モードチューブ、単結晶ブロックの適切な寸法のカット、およびそれらの接合された組立体を含んだ、多種多様な横断面と寸法の圧電素子をコネクタ凹部収容部が収容するように凹部収容部を適切に構成されたコネクタを提供する。
【００２８】
したがって、開示された実施形態のさらに別の態様は、ＨＢＳ、ＨＢＳ２倍、ＨＢＳ３倍およびＨＢＳ４倍コネクタからなる、高性能変位アクチュエータおよび小型Ｌａｎｇｅｖｉｎ低周波水中プロジェクタなどの派生装置を提供する。
【００２９】
したがって、開示された実施形態のさらに別の態様は、横断面が縦（ｄ３３）モードまたは横（ｄ３１またはｄ３２）モードのどちらかの中実三角形または三角形パイプである作動素子を提供することである。
【００３０】
本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例として示す添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
上記の概要、ならびに以下の例示的な実施形態の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むことでより理解することができる。本開示を説明するために、本開示の例示的な構造が図面に示されている。しかしながら、本開示は、本明細書に開示される特定の方法および手段に限定されない。さらに、当業者は図面が一定の縮尺ではないことを理解するであろう。可能な限り、同じ素子は同じ番号で示される。
【図１Ａ】従来技術による、横（ｄ３１およびｄ３２）バーの構成からなる直接プッシュプル式圧電アクチュエータの概略図である。
【図１Ｂ】従来技術による、横（ｄ３１）チューブの構成からなる直接プッシュプル式圧電アクチュエータの概略図である。
【図１Ｃ】従来技術による、縦（ｄ３３）積層体の構成からなる直接プッシュプル式圧電アクチュエータの概略図である。
【図２Ａ】従来技術による、プッシュプル式アクチュエータの変位を拡大するためのレバーアームの設計の概略図である。
【図２Ｂ】従来技術による、プッシュプル式アクチュエータの変位を拡大させるためのレバーアームの設計の概略図である。
【図３Ａ】従来技術による、プッシュプル式アクチュエータの変位を拡大させるための可撓伸長設計を示す概略図である。
【図３Ｂ】従来技術による、プッシュプル式アクチュエータの変位を拡大させるための可撓伸長設計を示す概略図である。
【図３Ｃ】従来技術による、プッシュプル式アクチュエータの変位を拡大させるための可撓伸長設計を示す概略図である。
【図４Ａ】プッシュプル式アクチュエータの変位を拡大させるための蛇行設計の概略図である。
【図４Ｂ】プッシュプル式アクチュエータの変位を拡大させるための伸縮設計の概略図である。
【図５Ａ】横断面が円形である、６つの等間隔に配置された凹部収容部を有する本発明のシリンダ型ＨＢＳ２倍（素子間）コネクタの例を示しており、１段ごとに上向きまたは下向きのどちらかの凹部が３個ある図を示す。
【図５Ｂ】横断面が円形である、６つの等間隔に配置された凹部収容部を有する本発明のシリンダ型ＨＢＳ２倍（素子間）コネクタの例を示しており、１セットあたり上向きまたは下向きの凹部が３個ある図である。
【図６Ａ】１段ごとに２個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｂ】１段ごとに２個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｃ】１段ごとに２個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｄ】１段ごとに２個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｅ】１段ごとに２個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｆ】１段ごとに２個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｇ】１段ごとに３個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｈ】１段ごとに３個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｉ】１段ごとに３個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｊ】１段ごとに３個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｋ】１段ごとに３個の作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｌ】１段ごとに３個より多い種々の横断面を有する作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｍ】１段ごとに３個より多い種々の横断面を有する作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｎ】１段ごとに３個より多い種々の横断面を有する作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｏ】１段ごとに３個より多い種々の横断面を有する作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｐ】１段ごとに３個より多い種々の横断面を有する作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｑ】１段ごとに３個より多い種々の横断面を有する作動素子を備えた、ＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｒ】種々の横断面全体を示すＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｓ】種々の横断面全体を示すＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｔ】種々の横断面全体を示すＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｕ】種々の横断面全体を示すＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｗ】種々の横断面全体を示すＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｘ】交互に配置される凹部収容部の総数と、それに伴う作動素子の数を最小限にしたＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｙ】交互に配置される凹部収容部の総数と、それに伴う作動素子の数を最小限にしたＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６Ｚ】交互に配置される凹部収容部の総数と、それに伴う作動素子の数を最小限にしたＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６ＡＡ】交互に配置される凹部収容部の総数と、それに伴う作動素子の数を最小限にしたＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６ＢＢ】交互に配置される凹部収容部の総数と、それに伴う作動素子の数を最小限にしたＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図６ＣＣ】交互に配置される凹部収容部の総数と、それに伴う作動素子の数を最小限にしたＨＢＳ２倍コネクタの実現可能な設計例である。
【図７Ａ】使用時の基部の撓みをさらに抑制する、本発明のＨＢＳ２倍コネクタの個々の凹部収容部の基部に接合されるのに適した寸法の、薄くても高い剛性を有する荷重パッドの使用例を示す。
【図７Ｂ】使用時の基部の撓みをさらに抑制する、本発明のＨＢＳ２倍コネクタの個々の凹部収容部の基部に接合されるのに適した寸法の、薄くても高い剛性を有する荷重パッドの使用例を示す。
【図８】コネクタの撓みをさらに制限する、本発明のＨＢＳ２倍コネクタの上面および底面に堅固にねじ止めまたは接合される、特殊な形状をした薄くても高い剛性を有するプレートの使用例を示す。
【図９Ａ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍コネクタを複数部品で設計する例を示す。
【図９Ｂ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍コネクタを複数部品で設計する例を示す。
【図１０Ａ】装置の作製を簡単にするための、本発明のＨＢＳ２倍コネクタの本体に形成される適切な開口部の例を示す。
【図１０Ｂ】装置の作製を簡単にするための、本発明のＨＢＳ２倍コネクタの本体に形成された適切な開口部の例を示す。
【図１０Ｃ】装置の作製を簡単にするための、本発明のＨＢＳ２倍コネクタの本体に形成された適切な開口部の例を示す。
【図１１】本発明に従った、正方形のＨＢＳ２倍組立体の一例を様々な方向から見た図を示す。
【図１２】本発明に従った、シリンダ型のＨＢＳ２倍組立体からなる２段アクチュエータの例を示す。
【図１３】横断面が矩形形状の６つの作動素子を１段ごとに３個ずつ備えた環状のＨＢＳ２倍コネクタの一例を示す。
【図１４Ａ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｂ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｃ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｄ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｅ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｆ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｇ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｈ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｉ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｊ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｋ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｌ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｍ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１４Ｎ】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環および擬環コネクタの実現可能な設計の例を示す。
【図１５】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環状組立体の一例を示す。
【図１６】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の環状組立体からなる２段リングアクチュエータの一例を示す。
【図１７】本発明に従った、ＨＢＳ２倍の同心円状のコネクタの設計の一例を示す。
【図１８】装置の作製を簡単にするための短い外殻を備えた、図１７の同心円状のＨＢＳ２倍コネクタの変形設計の例を示す。
【図１９】外殻リングの凹部が、横断面が一致する個々の作動素子を収容するための、矩形横断面または湾曲横断面のいずれかのセグメントの凹部で置き換えられた、曲げ剛性を改善する本発明の別の設計例を示す。
【図２０】図１７に示すＨＢＳ２倍コネクタからなる本発明のＨＢＳ２倍組立体の一例を示す。
【図２１】本発明に従った、シリンダ型ＨＢＳ３倍コネクタの設計例を示す。
【図２２】図２１の同心円状のシリンダ型ＨＢＳ３倍のコネクタの別の設計例を示す。
【図２３】図２１のＨＢＳ３倍コネクタから作製された、３段アクチュエータの一例を示す。
【図２４】図２２のＨＢＳ３倍コネクタから作製された、３段アクチュエータの一例を示している。
【図２５】図２４に示された３段アクチュエータとは、高い阻止力の用途のための追加の頂部および／または底部補強ディスクまたは補強プレートを備えることが異なる、３段アクチュエータの一例を示す。
【図２６】本発明に従った、ＨＢＳ３倍コネクタのさらに別の例を示す。
【図２７】本発明に従った、ＨＢＳ４倍コネクタの設計例を示す。
【図２８】横断面全体形状が多角形である、本発明のＨＢＳ４倍コネクタの別の設計例を示す。
【図２９】図２７のＨＢＳ４倍コネクタから作製された、４段アクチュエータの一例を示す。
【図３０】高い阻止力の用途に最適な、ＨＢＳ４倍アクチュエータの設計例を示す。
【図３１】全ての上向きおよび下向きのシリンダ型ＨＢＳ２倍組立体が周方向に配置されている、本発明のＨＢＳ４倍コネクタおよび組立体の設計例を示す。
【図３２】本発明に従った、ＨＢＳ２倍コネクタから作製された派生装置の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
これらの非限定的な実施例において論じられた特定の値および構成は変更可能であり、少なくとも１つの実施形態を説明するために引用されており、その範囲を限定するものではない。
【００３３】
３種類の曲げ剛性の高い（ＨＢＳ）コネクタ兼変位乗算器が開示されている。具体的には、（ｉ）２個のＨＢＳ素子からなる２倍コネクタおよびそれに関連するＨＢＳ２倍組立体、（ｉｉ）ＨＢＳ素子とその組立体とを組み合わせた３倍コネクタ、および（ｉｉｉ）ＨＢＳ組立体同士を組み合わせた４倍コネクタが開示されている。これらの装置が、圧電作動素子とそれに付随する受動部品に取り付けられると、それぞれ（ｉ）ＨＢＳ２倍アクチュエータ、（ｉｉ）ＨＢＳ３倍アクチュエータ、および（ｉｉｉ）ＨＢＳ４倍アクチュエータと呼ばれる。
【００３４】
＜曲げ剛性（ＨＢＳ）が２倍のコネクタ、組立体およびアクチュエータ＞
ＨＢＳ２倍組立体またはＨＢＳ組立体は、適切にワイヤ付けされた作動素子に取り付けられたＨＢＳ２倍コネクタであって、アクチュエータの作製で使われるような台座、基部プレートまたはケーシングは含んではいないものを指す。
【００３５】
これらの作動素子の典型的な材料および化合物は、ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］圧電セラミックとそれらの組成改質誘導体、および／または、高圧電性鉛系リラクサ固溶体の単結晶の適切な混合物および適切なカットであり、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛-ジルコン酸チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛インジウム−ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］の固溶体とそれらの組成改質誘導体を含む。例示的な実施形態では、各圧電作動素子は、（ｉ）縦（ｄ３３）モード作動素子、（ｉｉ）横（ｄ３１）モード動素子、または（ｉｉｉ）横（ｄ３２）モード作動素子の内の１つを備え、各作動素子は、圧電セラミックまたは圧電単結晶の単一部品、または複数の部品で接合された組立体のいずれかを備える。
【００３６】
ＨＢＳ２倍コネクタ２０１の例示的な実施形態を図５Ａに示す。ＨＢＳ２倍コネクタ２０１は、基部２０３の頂部と底部とを備えた、全体形状が実質的にシリンダである構成素子を備える。図５Ｂは、ＨＢＳ２倍コネクタ２０１の断面Ａ−Ａおよび断面Ｂ−Ｂを示す。頂部と底部の基部２０３は、ＨＢＳ２倍コネクタ２０１のシリンダ部と一体的である。つまり、曲げ剛性と耐屈曲性を最大限にするために単一のユニットとして製造してもよい。頂部と底部の基部２０３は、第１及び第２基部２０３とも呼ばれる。基部２０３は、断面Ｂ−Ｂに示されるようにＨＢＳ２倍コネクタ２０１の長手方向軸２０９に対して実質的に垂直な基部２０３の平面を備え、図から分かるように、第１及び第２基部２０３は、互いに対向して平行する構成となり得る。ＨＢＳ２倍コネクタ２０１は、合計で６つの縦（ｄ３３）または横（ｄ３１またはｄ３２）モードのプッシュプル式圧電作動素子（図示せず）を収容するための特別に成形された等間隔のコネクタ凹部２０５を含む。それにより新規かつ有用な構成の電気機械的トランスデューサを提供できる。
【００３７】
６つより多いあるいは少ない圧電作動素子または圧電作動素子の積層体であって、（ｉ）縦（ｄ３３）または横（ｄ３１またはｄ３２）モード結晶の圧電矩形バー、ロッド、またはチューブ、（ｉｉ）中実または中空横断面の複数の横モードバーが接合されたｄ３３積層体のような組立体、または（ｉｉｉ）三角形または正方形、または別の多角形の横断面の圧電単結晶の接合組立体を含むものが、これらに限定ないが、本明細書および特許請求の範囲に発明として記載され、本発明のいかなるＨＢＳ２倍組立体において、使用されてもよいことに留意されたい。
【００３８】
図５Ａにおける例示的実施形態では、３個のコネクタ凹部２０５が各基部２０３からＨＢＳ２倍コネクタ２０１の内部に延びている。すなわち、コネクタ凹部２０５の長い寸法は、ＨＢＳ２倍コネクタ２０１の長手方向軸２０９に対して実質的に平行である。この構成は、上向き及び下向きの作動素子の両方を収容し、本明細書において以下に開示される実施形態および図面によりにさらに説明される。図５Ａに示される構成は、横断面が円形である作動素子を収容または実質的に包囲しているが、別の横断面形状の作動素子も以下で説明される様々な図で示される種々の横断面形状のコネクタ凹部に収容することができる。例えば、圧電作動素子の横断面の形状は、中実三角形、中空三角形、中実正方形、中空正方形、矩形、中実円、環または擬環多角形である。コネクタの中心孔２０７は、ＨＢＳ２倍コネクタ２０１を貫通し、アクチュエータまたは電気機械的トランスデューサを作る際に、任意の応力ロッド（図示せず）を挿入するために使用される。例示的な実施形態では、コネクタの中心孔２０７の長手方向軸は、長手方向軸２０９と一致している。
【００３９】
また、図６Ａ〜図６ＣＣは、本発明のＨＢＳ２倍コネクタの追加の例示的な構成の概略平面図を示す。実線は頂部の作動素子のセットを収容するコネクタ凹部の輪郭を表す。隠れ線（破線）は、底部の作動素子のセットを収容するコネクタ凹部を表している。また、図６Ａ〜図６Ｆは、１段ごとに２個の作動素子を有する設計に関する。図６Ｇ〜図６Ｋは、１段ごとに３個の素子を持つ設計に関する。また、図６Ｌ〜図６Ｑは、１段ごとに３個超える素子を有する設計に関する。また、図６Ｒ〜図６Ｗは、種々の横断面の全体形状を有するコネクタを表す。
【００４０】
費用対効果のため、図６Ｘ〜図６ＣＣに示すＨＢＳ２倍コネクタの設計例に見られるように、完成された変位装置が使用中に安定する限りは、ＨＢＳ２倍コネクタは、交互のコネクタ凹部の数および使用される作動素子の数をできるだけ少なくするように構成すればよい。さらに、素子およびコネクタの横断面は、適切であれば任意のものでよく、１段ごとの素子の数は、特定の用途に合わせて変更することができる。いくつかの構成で示される任意のコネクタの中心孔は、アクチュエータを作る際に応力ロッドを挿入するために設けられている。
【００４１】
当業者であれば分かるように、ＨＢＳ２倍コネクタの別の類似形態も可能であり、ＨＢＳ２倍コネクタは以下の重要な特徴を含む。
【００４２】
本発明のＨＢＳ２倍コネクタにおいて、頂部および底部を向く素子（すなわち、頂部および底部の作動素子のセット）のための別のコネクタ凹部は、（例えば、図４の）従来技術の半径方向とは対照的に周方向に配置される。そして、従来技術のアクチュエータが示す大きな曲げコンプライアンスを回避するために、１つの部品のコネクタ設計を採用することが好ましく、そうすることでコネクタ凹部の横断面が作動素子の横断面に可能な限り近似するため梁間の負荷を最小限に抑えることができる。基部は、片持ち梁効果を排除するために、それらの円周に沿ってコネクタのシリンダ本体と一つのユニットを形成する。梁間の負荷と片持ち梁荷重とを最小限にすると共に、シリンダの円周に沿って基部を全周的に支持することは、コネクタの高い剛性と、それに伴う高い曲げ剛性を実現する本発明の重要な特徴である。図５Ｂおよび以下の別の図に示すように、１つの基部から延在するコネクタの各凹部は、（ｉ）もう一方の基部から延在するコネクタの２個の凹部間、または（ｉｉ）もう一方の基部から延在するコネクタの少なくとも１つの凹部に隣接して配置される。
【００４３】
円周に沿って全周的に支持することに加えて、コネクタの基部は、荷重を十分にかけた時のコネクタの撓みを、許容される値に制限するための十分な厚さと剛性とを有する。
【００４４】
コネクタの基部の撓みをさらに低減する手段として、コネクタ凹部の横断面に近似した横断面の、薄くても高い剛性を有する荷重パッドを、それぞれのコネクタ凹部の内部の基部に接合してもよい。このような撓みが低減される一例が、図７Ａの改良コネクタ２２０に示され、コネクタ凹部２２５が三角形の横断面形状の作動素子を収容することを目的としている。図から分かるように、コネクタ２２１は、横断面形状が円形のコネクタ凹部２０５ではなく、横断面形状が三角形であるコネクタ凹部２２５を含むが、この点以外は、図５Ａと同じである。図７Ａにおける例示では、３個のコネクタ凹部２２５が、各基部２２３から延びている。改良コネクタ２２０は、任意の応力ロッド（図示せず）用のコネクタの中心孔２２７を含む。図７Ｂの断面図Ｃ−Ｃに示すように、補強パッド２２９は、コネクタ凹部２２５の１つ以上の内面の底部に接合させるか、または別の方法で取り付けてもよい。
【００４５】
あるいは、適切に成形された頂部および底部の補強プレート２４９をコネクタ基部の頂部および底部として使用することができる。頂部および底部の補強プレート２４９は、コネクタ２４１に機械的に固定および／または接合することができる。さらに、頂部および底部の補強プレート２４９は、図７Ｂに示される補強パッド２２９の代わりとして、または補強パッド２２９に追加して、図８の改良コネクタ２４０に示すように、使用することができる。頂部および底部の補強プレート２４９は、改良コネクタ２４０におけるコネクタ２４１の基部２４３上に堅くねじ止めおよび／または接合されてもよい。補強プレート２４９は、作動素子または応力ロッド（図示せず）が突き出るようにして意図するように機能させることに適した開口２４５、２４７を有することが好ましい。
【００４６】
あるいは、改良ＨＢＳ２倍コネクタ２６０を複数部品で設計してもよく、図９Ａ、９Ｂに示されるように、この場合、コネクタ２６１のコネクタ凹部２６５は、矩形形状の横断面（図示しない）の作動素子を収容するように構成されている。このような設計では、コネクタ２６１のコネクタ凹部２６５として示される矩形形状の貫通孔は、作動素子を収容するためのものである。同様の形状に形成された孔のうち半数の孔に対して、高い剛性を有する頂部および底部の補強プレート２６９が、コネクタ２６１に対して堅くねじ止めおよび／または接合され、図示された改良コネクタ２６０を形成する。断面Ｅ−Ｅは、６つのコネクタ凹部２６５のすべてを示し、断面Ｆ−Ｆは、コネクタ２６１における高い剛性の補強プレート２６９の配置を示す。
【００４７】
開示されたアクチュエータの製造時における取り扱いの補助として、コネクタの重要でない部分に、様々な形態および寸法の側面開口部２９１、２９３および基部開口部２９５を設けることができる。このような例を図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃに示す。そのような開口部がコネクタの剛性に悪影響を及ぼさないように注意しなければならない。すなわち、使用中にコネクタを著しく撓ませることに繋がらないようにしなければならない。
【００４８】
図１１は、本発明に従った横断面の全体形状が正方形であるＨＢＳ２倍コネクタ３０１を備えるＨＢＳ２倍組立体３００の上面図、断面図、および等角投影図の一例を示す。ＨＢＳ２倍組立体３００を形成するために、リード線が適切にワイヤ付けされ、コネクタ凹部３０５の深さよりもわずかに長い適切な長さを有する４つの作動素子３０３が、例えばエポキシ樹脂のような適切な接合剤で、図に示されるように、ＨＢＳ２倍コネクタ３０１のそれぞれのコネクタ凹部３０５の基部３０７に接合される。そして、ＨＢＳ２倍コネクタ３０１の反対側の端面では、上部の作動素子３０３のセットが頂部基部３０９から突出し、底部の作動素子３０３のセットが底部基部３０９から突出する。図示されるように、装置の製造を容易にするために、適切なスロット開口部および／またはワイヤフィードスルーホールを設計に組み込むことができるが、コネクタの曲げ剛性に悪影響を与えてはならない。各段によって生成される阻止力がほぼ等しくなるように、１段ごとの作動素子の横断面の総面積がほぼ同じであることが好ましいが、必須ではない。
【００４９】
本明細書に開示されたコネクタの構成の有限要素解析によれば、アルミニウムコネクタであっても、作動素子を介した軸方向の負荷で生成されるコネクタの基部の曲げ変位は、従来の設計（上記）に対して大幅に低減し、最大で全体の変位量の数パーセントまで低減する。コネクタの曲げ変位は、負荷で生じるアクチュエータの所望の変位に抗して作用するので、望ましくないことに留意すべきである。コネクタが、軽金属、エンジニアリングセラミック、鉄合金、ニッケル合金、銅ベースの合金、繊維強化されたポリマーまたはタングステンカーバイドコバルト（ＷＣ−Ｃｏ）サーメットを含んだ高弾性率の材料であれば、曲げ変位量がより小さくなることが期待できる。
【００５０】
図１２は、本発明のＨＢＳ２倍組立体３２１から製造された２段（２倍）アクチュエータ３２０の上面図、底面図、断面図、および斜視図の一例を示している。作動素子３２３は、横断面が円形の圧電積層型セラミックでできている。２段アクチュエータ３２０を形成するために、ＨＢＳ２倍組立体３２１の頂部及び底部の作動素子３２３のセットの露出した端面が、アクチュエータ３２０の硬質の台座３２５および基部プレート３２７に適切な接合剤で接合される。コイルバネ３３１とロックナット３３３とを備えた応力ロッド３２９が、作動素子３２３と様々なエポキシ樹脂接合剤とを圧縮して配置するために組み込まれているが、これは任意である。ＨＢＳ２倍組立体３２１は、図示のようにケーシング３３５内に挿入される。台座３２５が作動時に自由に移動できるよう、台座３２５とケーシング３３５との間に、１つ以上のＯリング３３７または別の優れた可撓性材料を使用してもよい。装置の製造中に接続を容易にするために任意のスロット開口部３３９を設けてもよい。別の設計の台座３２５、基部プレート３２７、予め応力を付与する機構およびケーシング３３５を、様々な用途に合わせて適用してもよい。作動素子３２３を接続するリード線は、図を明確化するためにこの図には示していない。
【００５１】
対照的に、図１３および図１４Ａ〜図１４Ｎは、本発明の環状のＨＢＳ２倍コネクタ３４１を示しているが、環状の横断面ではなく、擬環多角形の横断面であってもよい。図６〜図１２に示す設計と比較すると、環状のＨＢＳ２倍コネクタ３４１は、所望の用途に適するかなり大きな内孔を有する。結果として、このようなＨＢＳ２倍コネクタおよび組立体で作られたアクチュエータは、フットプリントがより大きくなる。
【００５２】
図１５は、本発明のＨＢＳ２倍組立体３５０の他の例を示す。ＨＢＳ２倍組立体３５０は、環状のＨＢＳ２倍コネクタ３５１と、２組の３個の矩形形状の作動素子３５３とからなる。３個の頂部の作動素子３５３のセットは、コネクタ３５１の上面から突出しており、３個の底部の作動素子３５３のセットは、底面から突出している。適切な電圧が作動素子３５３に印加されると、頂部の作動素子３５３のセットは、上向き方向に伸長または収縮し、底部の作動素子３５３のセットは、下向き方向に伸長または収縮する。それにより、ＨＢＳ２倍組立体３５０を両方向の変位アクチュエータとして機能させることができる。
【００５３】
図１６は、図１５に示すＨＢＳ２倍組立体３５０を含む２段（２倍）アクチュエータ３６０の上面図および断面図の一例を示す。この作動素子３６１の構成は、矩形形状の横モード圧電単結晶または圧電セラミックバーである。２段アクチュエータ３６０を形成するために、ＨＢＳ２倍組立体３５０の頂部の作動素子３６１のセットの端面は、頂部の剛性台座３６３の基部上に適切な薬剤で接合される。底部の作動素子３６１のセットは、図示のように基部プレート３６５の表面に接合されている。皿バネ３７３とロックナット３７５とを備える応力ロッド３７１は、２段（２倍）アクチュエータ３６０の設計においては任意である。作動素子を接続するリード線は、図を明確化するために示されていない。図１６の組立体は、完成したアクチュエータとして使用するか、または図に示すように、保護ケーシング３６７に内挿することができる。この例では、作動中に台座３６３が自由に動くようにするためのＯリング３７７が使用されている。
【００５４】
本発明のＨＢＳ２倍コネクタ３８１のさらに別の例は、同心円状の設計であるが、図１７の上面図、断面図、および底面図を介して示されるような厚い剛性の外殻を有する。厚い外殻は、本発明の設計の重要な特徴である。ＨＢＳ２倍コネクタ３８１の軸方向におけるコネクタ凹部の基部の曲げ変位量が、個々の作動素子の全変位量の２０％以下となるように、外殻の厚さは、コネクタ凹部の基部の厚さと合わせて配慮しなければならない。
【００５５】
図１８は、装置の作製を容易にするために、改良された設計のより短い外殻を有する同心円状のＨＢＳ２倍コネクタ３９１の上面図、断面図、および底面図を示す。このような設計では、より短い外殻を、ＨＢＳ２倍コネクタ３９１の曲げ変位が個々の作動素子の全変位量の２０％以下に制限するように、厚く堅固にすることが重要である。図１７および図１８に示す同心円状の設計は、製造が簡単で費用対効果が高いが、図２〜図１６に示されているように硬く設計することはできない。図１７に示す環状のＨＢＳ２倍コネクタ３８１の外殻の厚さ、および図１８に示す環状のＨＢＳ２倍コネクタ３９１の外殻の厚さは、環状の各コネクタ凹部の幅の０.２倍から０.５倍の範囲にすべきである。
【００５６】
図１８に示すＨＢＳ２倍コネクタ３９１と同様の設計であるが、図１９の上面図、断面図、および底面図においては、曲げ剛性の改善が示されている。本設計のＨＢＳ２倍コネクタ４０１は、外側に環状の凹部はないが、同様の横断面を有する作動素子の各々を収容するため、円形横断面、三角形横断面、正方形横断面、矩形形状横断面、環状横断面、多角形横断面、Ｖチャンネル型横断面、Ｔチャンネル型横断面、またはＬチャンネル型横断面形状からなる適切な数のセグメントの凹部を備える。外殻上のスロット開口部および貫通孔は、装置の製造および取り扱いを容易にするためのものであるが、コネクタの曲げ剛性を低減しないように寸法および位置を注意深く選択しなければならない。
【００５７】
あるいは、図１９のＨＢＳ２倍コネクタ４０１の外殻のシェルのセグメントの凹部は、ｄ３１モード圧電セラミックチューブを長さ方向に数個に等分割することによって製造された作動素子を収容するために、湾曲またはアーチ形の横断面（図示せず）であってもよい。しかしながら、このようにして完成された作動素子は、現在の圧電セラミックのｄ３１圧電歪係数が低いため、全体の変位量が減少する可能性がある。
【００５８】
図２０は、図１７示すＨＢＳ２倍コネクタ３８１、ＨＢＳ２倍コネクタ３８１の中間コネクタ凹部内の横断面が正方形または円形の作動素子４１３のｄ３３積層体と、ＨＢＳ２倍コネクタ３８１の環状コネクタ凹部内のｄ３３環状積層体４１５とを含むＨＢＳ２倍組立体４１０の一例を示す。作動素子４１３と積層体４１５とを接続するリード線は、図を明確化するため示されていない。ＨＢＳ２倍組立体４１０は、完成したアクチュエータとして使用することができる。あるいは、設計に保護ケーシング（図示せず）を用いてもよい。
【００５９】
本発明のＨＢＳ２倍コネクタは、高い曲げ剛性で堅固にできているため、ＨＢＳ２倍コネクタからなる２段（２倍）アクチュエータによって生成される変位量は、図１２、１６および図２０で例示されるように、個々の階層によって生成される変位量の合計にほぼ等しくなる。つまり、全ての作動素子が同一のカット及び寸法である場合、本発明の２段（２倍）アクチュエータによって生成される変位量は、個々の作動素子の変位量の約２倍である。一方、２段アクチュエータの阻止力は、約ｎ倍の大きさであり、ｎは１段ごとの作動素子の数となる。
【００６０】
完成されたアクチュエータの阻止力は、（ｉ）より大きい横断面（すなわち、耐荷重）面積の作動素子を使用すること、または（ｉｉ）１段ごとの作動素子の数を増すことで、アクチュエータのフットプリントを大幅に増加させなくても、増大させることができる。
【００６１】
あるいは、２個または３個のＨＢＳ２倍組立体のユニットを並列に接続して完成されたアクチュエータを形成することで、完成されたアクチュエータの阻止力を２倍または３倍にすることができる。
【００６２】
＜中実および中空三角形の横断面の作動素子＞
図５から図２０で分かるように、所定のコネクタの横断面積に対して、図６Ｅ、６Ｊ、６Ｓおよび６Ｗのように、近接して離間した、横断面が三角形の複数の作動素子を備えるＨＢＳ組立体により、総耐荷重面積を大きくすることができ、さらに完成された装置の、阻止力、曲げおよび捻り強度を大きくすることができる。したがって、横断面が縦（ｄ３３）モードまたは横（ｄ３１またはｄ３２）モードの中実三角形またはパイプ型三角形である作動素子も、ＨＢＳコネクタで形成可能である。
【００６３】
本発明のＨＢＳ組立体およびアクチュエータの製造において、（ｉ）面取りまたは丸みを帯びた角部、または（ｉｉ）鋭い角部を適切な手段で保護または強化した、横断面が中実または中空三角形の作動素子を使用することが不可欠である。
【００６４】
＜ＨＢＳ３倍コネクタ、組立体およびアクチュエータ＞
図２１は、本発明の例示的なＨＢＳ３倍コネクタ４２１の上面図、断面図、及び底面図を示す。ＨＢＳ３倍コネクタ４２１は、シリンダ型ＨＢＳ２倍組立体を収容するのに十分に大きな直径の孔４２３を含む。シリンダ型ＨＢＳ２倍組立体は、頂部および底部の作動素子のセット（図示せず）を備えたＨＢＳ２倍コネクタ（図示せず））を備える。ＨＢＳ３倍コネクタ４２１は、所望の横断面形状（図示の例では矩形形状である）を有する作動素子のセット（図示せず）をさらに収容するのに適したコネクタ凹部４２５を含む。凹部を収容する厚い外殻は、必要な補強効果を提供し、図示された例示的な実施形態の重要な特徴である。
【００６５】
図２２は、本発明のＨＢＳ３倍コネクタ４３１の更に別の例の上面図、断面図、及び底面図を示す。ＨＢＳ３倍コネクタ４３１は、図１７のＨＢＳ２倍コネクタ３８１と同様の設計であるが、外環の凹部４３３が、代わりに環状のＨＢＳ２倍組立体を収容するための十分な幅がある点が異なる。ＨＢＳ３倍コネクタ４３１の厚い外殻は、必要な補強効果を提供し、これは本発明の重要な特徴である。本発明のＨＢＳ３倍コネクタ４２１および４３１の横断面の全体形状は、円形に代えて、様々な用途に適合する正方形、円形、矩形、環状、および他の多角形を含んだいかなる形状でも取り得る。
【００６６】
図２３は、図２１のＨＢＳ３倍コネクタ４２１を使用する応力ロッドを備えた３段（３倍）アクチュエータ４４０の上面図、断面図、および底面図の一例を示す。３段アクチュエータ４４０を作製するために、図１５に示すシリンダ型ＨＢＳ２倍組立体３５０は、ＨＢＳ３倍コネクタ４２１の中央の凹部内に正確に配置されている。底部セットの作動素子４２３の端面がＨＢＳ３倍コネクタ４２１の中央コネクタ凹部の基部に接合される。次に、ＨＢＳ３倍コネクタ４２１の厚い外殻における環状コネクタ凹部の基部に、１組の作動素子４２５が追加されて接合される。
【００６７】
３段（３倍）組立体４４０の作動素子４２３の最頂部および最底部の自由端面は、それぞれ、３段（３倍）アクチュエータ４４０の堅固な台座４２７と基部プレート４２９上とに接合される。続いて、応力ロッドが挿入され、すべての作動素子４２３、４２５と接合部とに、皿ばねおよびロックナットが所定の圧縮力で負荷を与える。３段（３倍）アクチュエータ４４０は、保護性を高めるため適切なケーシング（図示せず）の内部に収容されてもよい。図示を明確化するため、作動素子４２３、４２５を接続するリード線は、図示していない。３段（３倍）アクチュエータ４４０の別の設計の台座、基部プレート、予め応力を付与する機構及びケーシングを、様々な用途に適用可能である。
【００６８】
図２４は、図２２に示すＨＢＳ３倍コネクタ４３１を用いて作製された３段（３倍）アクチュエータ４５０の、さらに別の例の上面図および断面図を示す。３段アクチュエータ４５０を構成するには、ＨＢＳ３倍コネクタ４３１の外殻リング状の凹部内にＨＢＳ２倍環状組立体を適切に配置し、底部の作動素子４５３のセットの端面を、ＨＢＳ３倍コネクタ４３１のコネクタの環状の凹部の基部に接合させる。続いて、所望の変形特性を有する、ｄ３３積層体またはｄ３１チューブ作動素子４５５、または選択された構成の複数の作動素子が、中央凹部の基部上に接合される。作動素子４５５、および図１５の完成されたＨＢＳ３倍組立体３５０の最上端および最底端の自由端面は、アクチュエータの堅固な台座４５７と基部プレート４５９とにそれぞれ接合される。前述の例のように、上記組立体はアクチュエータとして使用されてもよく、又は適切なケーシング（図示せず）の内部に配置されてもよい。図示を明確化するために、リード線、リード線貫通孔、および製造を容易にするための開口部は、図示していない。別の設計の台座、基部プレート、予め応力を付与する機構およびアクチュエータのケーシングを、様々な用途に適用することが可能である。
【００６９】
図２３および図２４に示す３段アクチュエータ４４０、４５０の所望の阻止力が低から中程度であれば、これらのアクチュエータは、十分に設計されたことになる。
【００７０】
より大きな阻止力が必要な場合、ＨＢＳ３倍コネクタの曲げ剛性は、コネクタ４３１の上面および／または底面に補強ディスクまたは補強プレート４６３および４６５を追加して組み込むことでさらに強化され、そうすることで図２５に示されるような３段アクチュエータ４６０が作製される。頂部および底部の補強ディスク４６３、４６５または補強プレートは、それらを目的の機能をするために、突出する作動素子の最頂部および最底部の組に対して適切な窓を設けることが望ましい。
【００７１】
図２６は、本発明のＨＢＳ３倍コネクタ４７１のさらに別の例を示す。この例では、すべての作動素子が円周方向に配置されている。大きな凹部収容部は、シリンダ型ＨＢＳ２倍組立体４７３用であり、小さい凹部収容部は、図示された横断面が正方形である作動素子４７５の第３のセット用である。特定の用途に適用させるために別の横断面の活性化材料を使用してもよい。
【００７２】
＜ＨＢＳ４倍コネクタ、組立体およびアクチュエータ＞
図２７は、低から中程度の阻止力の４段（４倍）アクチュエータを作製するためのＨＢＳ４倍コネクタ４８１の設計例を示す。この設計では、中央凹部４８３は、シリンダ型ＨＢＳ２倍組立体を収容するために使用され、外殻リング状の凹部４８５は、ＨＢＳ２倍の環状組立体を収容するために使用される。厚い外殻及びコネクタ凹部の基部は、必要な補強効果を提供し、本発明の重要な特徴である。
【００７３】
本発明のＨＢＳ２倍、ＨＢＳ３倍およびＨＢＳ４倍コネクタの横断面全体は、円形に代わって、様々な用途に適した任意の適切な形状を取り得ることができる。一例として、図２８は、横断面が多角形である４段（４倍）アクチュエータを作るのに適したＨＢＳ４倍コネクタ４９１の多角形形状の設計を示す。この場合も、厚い外殻およびコネクタ凹部の基部は、必要な補強効果を提供し、これは本発明の重要な特徴である。
【００７４】
図２９は、図２７のＨＢＳ４倍コネクタ４８１から作製された４段（４倍）アクチュエータ５００の一例を示す。ＨＢＳ４倍コネクタ４８１を使用して４段（４倍）アクチュエータ５００を作製するために、シリンダ型ＨＢＳ２倍組立体５０３が、ＨＢＳ４倍コネクタ４８１の中央コネクタ凹部の基部の内側に配置されて、基部上に接合される。一方、ＨＢＳ２倍の環状組立体５０５は、外殻リング状の凹部の基部の内側に配置されて、基部に接合される。続いて、堅固な台座（図示せず）および基部プレート５０７は、組立体５０３の露出した作動素子の最頂部の端面および組立体５０５の露出した作動素子子の最底部の端面上にそれぞれ接合される。組立体は、アクチュエータとして使用されてもよいし、保護性を高めるため適切なケーシング（この図には示しておらず、図面を明確化するため、リード線およびワイヤフィードスルーホールおよび開口部も示されていない）の内部に配置してもよい。類似する４倍アクチュエータの別の設計の台座、基部プレート、任意の予め応力を付与する機構を、様々な用途に適用することが可能である。
【００７５】
図３０は、高い阻止力を目的とするＨＢＳ４倍アクチュエータまたは４段アクチュエータ５１０の設計例を示す。この例では、追加の頂部および底部の補強プレート５１３および５１５が、図２９のＨＢＳ４倍コネクタ４８１の上面および底面に堅固に取り付けられている。頂部および／または底部の補強プレートまたは補強ディスクは、最頂部および最底部の作動素子の複数のセットを突出させて、意図した機能をさせるための適切な開口部を有する。
【００７６】
図３１は、ＨＢＳ４倍コネクタ５２１と、ＨＢＳ４倍コネクタ５２１から作製された４段アクチュエータ５２０との別の設計例を示しており、頂部と底部とに向いて交互に配置されたシリンダ型ＨＢＳ２倍組立体４７３が円周方向に配置されている。そのような設計は、先に説明したものとは対照的に、フットプリントがより大きくなるが、より高い曲げおよび／または捻り強度のアクチュエータが必要とされる場合の用途に適用してもよい。
【００７７】
好ましくは、本発明のＨＢＳ２倍、ＨＢＳ３倍及びＨＢＳ４倍コネクタは、軽金属、エンジニアセラミック及び繊維強化ポリマーを含む延性があり高弾性率の材料からなるが、限定はしない。
【００７８】
機械加工または成形後に加工して表面層の絶縁性を持たせることができる高弾性率の軽金属が有利となる。陽極酸化アルミニウムおよび適切なアルミニウム合金は、本発明のＨＢＳコネクタの製造に非常に適した材料である。
【００７９】
あるいは、コネクタは、鉄、ニッケルおよび銅ベースの最適な合金およびＷＣ−Ｃｏサーメット等の、高弾性および高強度のエンジニアリング材料で作製することができる。これらの材料を使用する際には、コネクタは、作動素子の電気接点から電気的に絶縁されていなければならない。
【００８０】
＜派生装置＞
図３２は、本発明のＨＢＳコネクタから作製された例示的な派生装置５３０を示す。これは、Ｌａｎｇｅｖｉｎ（またはＴｏｎｐｉｌz）水中プロジェクタを示しており、この図では、図１５に示されたものと同様のＨＢＳ２倍組立体５３３が示されている。ＨＢＳ２倍組立体５３３は、ヘッドマス５３５、テールマス５３７、応力ロッド５３９、皿ばね５４１およびロックナット５４３と共に、Ｌａｎｇｅｖｉｎ水中プロジェクタのモータ部分として使用される。所定の設計周波数でＨＢＳコネクタおよびその組立体の使用することにより、プロジェクタの全体の高さを低くできるので、低周波（＜１５ＫＨz）で小型のＬａｎｇｅｖｉｎ水中プロジェクタが実現できる。この例では、ＨＢＳコネクタを適切に設計することで、中間質量として作用し、そのような装置の帯域幅を広げることができる。
【００８１】
より低い動作周波数では、Ｌａｎｇｅｖｉｎ水中プロジェクタのモータ部分として３倍またはＨＢＳ４倍組立体を使用することがより好ましい。ＨＢＳコネクタとその組立体とを使用することで、水中測定、水中通信、水中撮像用途に適した小型で低周波の幅広い水中プロジェクタが実現できる。
【００８２】
本発明の動作原理の主要な特徴からかけ逸脱することなく、本実施形態で選択された形状、寸法、材料が、若干異なる同等の設計に、適合、改変、改良または置換されてもよく、コネクタ兼変位乗算器の曲げ剛性を増大させるために、追加の部品が付加されてもよいことは、当業者にとって明白である。本発明の概念を、例えば、ＨＢＳ５倍およびＨＢＳ６倍コネクタ、関連する５段および６段アクチュエータに、しかるべき設計変更でありつつも簡単な設計変更を行うことで容易に拡張することができる。さらに、耐腐食性材料を使用し、捻じれ防止機能を組み込みなどの追加の保護機能を最終装置の設計に組み込むことができる。これらの置換、変更、改変または改良は、以下の請求項の範囲および文言に包含されるものと考えられる。
【００８３】
さらに、上記に開示された作動素子のいずれも、関連技術で知られているように、個々の圧電単結晶および／またはそれらが接合された組立体から製造することができる。例えば、圧電結晶の構成要素は、縦（ｄ３３）モードまたは横（ｄ３１またはｄ３２）モードの矩形形状の結晶バー、結晶ロッド、結晶チューブであってよい。接合された作動素子は、三角形またはパイプ型三角形、正方形またはパイプ型正方形、または他のパイプ型多角形の横断面を含む中実または中空横断面の縦モードまたは横モード作動素子であってよい。
【００８４】
本開示の実施形態は、可能な態様をカバーするためにかなり詳細かつ包括的に説明されているが、当業者は、本開示の他の態様も可能であることを認識するであろう。さらに、上記に開示された変形例、および他の特徴および機能、またはそれらの代替物は、望ましくは、他の多くの異なるシステムまたは用途に組み合わされてもよい。これらの代替、改変、変形または改良は、当業者によって種々の用途のために実施されてもよく、それらは以下の特許請求の範囲によって包含されると考えられる。
【図１】
2019511132.tif 000003
【図２】
2019511132.tif 000004
【図３】
2019511132.tif 000005
【図４】
2019511132.tif 000006
【図５Ａ】
2019511132.tif 000007
【図５Ｂ】
2019511132.tif 000008
【図６Ａ】
2019511132.tif 000009
【図６Ｂ】
2019511132.tif 000010
【図６Ｃ】
2019511132.tif 000011
【図６Ｄ】
2019511132.tif 000012
【図６Ｅ】
2019511132.tif 000013
【図６Ｆ】
2019511132.tif 000014
【図６Ｇ】
2019511132.tif 000015
【図６Ｈ】
2019511132.tif 000016
【図６Ｉ】
2019511132.tif 000017
【図６Ｊ】
2019511132.tif 000018
【図６Ｋ】
2019511132.tif 000019
【図６Ｌ】
2019511132.tif 000020
【図６Ｍ】
2019511132.tif 000021
【図６Ｎ】
2019511132.tif 000022
【図６Ｏ】
2019511132.tif 000023
【図６Ｐ】
2019511132.tif 000024
【図６Ｑ】
2019511132.tif 000025
【図６Ｒ】
2019511132.tif 000026
【図６Ｓ】
2019511132.tif 000027
【図６Ｔ】
2019511132.tif 000028
【図６Ｕ】
2019511132.tif 000029
【図６Ｖ】
2019511132.tif 000030
【図６Ｗ】
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【図６Ｘ】
2019511132.tif 000032
【図６Ｙ】
2019511132.tif 000033
【図６Ｚ】
2019511132.tif 000034
【図６ＡＡ】
2019511132.tif 000035
【図６ＢＢ】
2019511132.tif 000036
【図６ＣＣ】
2019511132.tif 000037
【図７Ａ】
2019511132.tif 000038
【図７Ｂ】
2019511132.tif 000039
【図８】
2019511132.tif 000040
【図９Ａ】
2019511132.tif 000041
【図９Ｂ】
2019511132.tif 000042
【図１０Ａ】
2019511132.tif 000043
【図１０Ｂ】
2019511132.tif 000044
【図１０Ｃ】
2019511132.tif 000045
【図１１】
2019511132.tif 000046
【図１２】
2019511132.tif 000047
【図１３】
2019511132.tif 000048
【図１４Ａ】
2019511132.tif 000049
【図１４Ｂ】
2019511132.tif 000050
【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
2019511132.tif 000054
【図１４Ｇ】
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【図１４Ｈ】
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【図１４Ｉ】
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【図１４Ｊ】
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【図１４Ｋ】
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【図１４Ｌ】
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【図１４Ｍ】
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【図１４Ｎ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
2019511132.tif 000075
【図２８】
2019511132.tif 000076
【図２９】
2019511132.tif 000077
【図３０】
2019511132.tif 000078
【図３１】
2019511132.tif 000079
【図３２】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年12月29日(2016.12.29)
【手続補正１】
【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】
全体の軸方向の変位および阻止力が大きな多段式軸方向変位圧電アクチュエータを形成する複数の圧電作動素子と共に使用するための小さいフットプリントの高い曲げ剛性のコネクタであって、
前記コネクタは、
第１の基部と、前記第１の基部に対向して実質的に平行な位置にある第２の基部と、を備えた実質的に中実のシリンダ型の構成素子と、
前記第１の基部から実質的に前記コネクタを通って、周方向に延在し、等間隔に離間して配置され、前記第１の基部に垂直な１組の複数のコネクタの凹部と、
前記第２の基部から実質的に前記コネクタを通って、周方向に延在し、等間隔に離間して配置されており、前記第２の基部に垂直な１組の複数のコネクタの凹部とを備え、前記第２の基部から延在する前記１組の複数のコネクタの凹部は、第１の基部から延在する１組の凹部収容部と、前記コネクタの周面に沿って、概ね等角度間隔で分布しており、
前記各コネクタの凹部は、１つの圧電作動素子を収容することができ、
前記各コネクタの凹部の横断面は、前記コネクタの凹部が収容する前記圧電作動素子の横断面と実質的に等しく、
前記各コネクタの凹部の前記基部は、使用時の片持ち梁荷重を避けるために前記コネクタの本体に堅固に接続されており、
前記各コネクタの凹部の深さは、好ましくは、前記コネクタの凹部が収容する前記圧電作動素子の長さよりも僅かに短く、さらに、
２組のコネクタ凹部の両方に収容された前記圧電作動素子は、一体で動作し、全体の圧電作動素子の軸方向の変位が個別の圧電素子の軸方向の変位に対して約２倍の変位を生成し、さらに、全体の圧電作動素子の阻止力が個別の圧電素子の阻止力より大きいことを特徴とする、コネクタ。
【請求項２】
前記コネクタの横断面は、円形、正方形、矩形、多角形、環または環状多角形状のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項３】
前記コネクタ凹部の横断面形状は、円形、三角形、正方形、矩形、多角形、Ｖチャンネル型、Ｔチャンネル型、またはＬチャンネル型形状のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のコネクタ。
【請求項４】
前記コネクタ凹部の前記横断面形状は、収容された圧電作動素子の横断面形状とほぼ同じであり、前記コネクタ凹部の前記チャンネル横断面形状は、２つ以上の収容された圧電作動素子の前記横断面を組み合わせた横断面形状とほぼ同じであることを特徴とする、請求項３に記載のコネクタ。
【請求項５】
前記基部は、前記コネクタと一体であることを特徴とする、求項１〜４のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項６】
前記基部は、前記シリンダ型の構成素子に機械的に固定されているか、接合されているかの少なくとも何れか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コネクタ。
【請求項７】
前記圧電作動素子は、縦（ｄ３３）モード作動素子、横（ｄ３１）モード作動素子、または横（ｄ３２）モード作動素子のうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項８】
前記圧電作動素子は、圧電セラミック、圧電単結晶の部品または接合された組立体の１つを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項９】
前記圧電作動素子は、ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］の圧電セラミックおよび／または、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛インジウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］およびこれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、高圧電率鉛系リラクサの単結晶化合物の固溶体を含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１０】
前記圧電作動素子を収容するための前記コネクタの凹部の少なくとも１つは、環状であることを特徴とする、求項１〜９のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１１】
前記環状のコネクタ凹部は、前記環状のコネクタ凹部の幅の０.２〜０.５倍の範囲の厚さを有する外殻を備えることを特徴とする、請求項１１に記載のコネクタ。
【請求項１２】
前記コネクタからアクチュエータを製造する際に、前記コネクタの取り扱いの補助として、前記コネクタは少なくとも１つの開口部を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１３】
前記コネクタは、少なくとも１つの高い剛性の負荷パッドが前記コネクタの凹部の少なくとも１つの内部の基部に接合されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１４】
前記コネクタは、前記コネクタの一方または両方の端面にさらに接合されている少なくとも１つの補強プレートをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１５】
前記コネクタは、前記コネクタを貫通するコネクタの中心孔をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１６】
前記コネクタは、高弾性率材料、軽金属、工学セラミック、または繊維強化ポリマーのうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１７】
前記コネクタは、鉄合金、ニッケル合金、銅ベースの合金、およびＷＣ−Ｃｏサーメットのうちの１つを含むことを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のコネクタ。
【請求項１８】
請求項１〜１７に記載の少なくとも１つの前記コネクタと、前記コネクタの凹部内にある少なくとも１つの上部圧電作動素子と、前記コネクタの凹部内にある少なくとも１つの下部圧電作動素子とを含む組立体であって、前記少なくとも１つの上部圧電作動素子は、前記第１の基部から突出し、前記少なくとも１つの下部圧電作動素子は、前記第２の基部から突出することを特徴とする、組立体。
【請求項１９】
前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子の横断面形状は、中実三角形、中空三角形、中実正方形、中空正方形、矩形、実円形、環状または擬環多角形であることを特徴とする、請求項１８に記載の組立体。
【請求項２０】
前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子は、単結晶を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の組立体。
【請求項２１】
前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子の各々は、複数の接合された圧電単結晶を含むことを特徴とする、請求項１８に記載の組立体。
【請求項２２】
請求項１８〜２１に記載の少なくとも１つの前記組立体と、少なくとも１つの圧電作動素子とを備えることを特徴とする、アクチュエータ。
【請求項２３】
台座、基部プレート、予め応力を付与する機構、およびケーシングのうちの少なくとも１つをさらに備えることを特徴とする、請求項２２に記載のアクチュエータ。
【請求項２４】
捻じれ防止機構をさらに備えることを特徴とする、請求項２３に記載のアクチュエータ。
【請求項２５】
前記組立体は、横断面が中実三角形である複数の縦（ｄ３３）モードの積層型作動素子を備えることを特徴とする、請求項２２〜２４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項２６】
前記縦（ｄ３３）モードの積層型作動素子が、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミック、またはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックの組成改質誘導体のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２５に記載のアクチュエータ。
【請求項２７】
前記縦（ｄ３３）モードの積層型作動素子は、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛インジウム−ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ２／３）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］及びこれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、単結晶からなることを特徴とする、請求項２６に記載のアクチュエータ。
【請求項２８】
前記組立体は、横断面が中空三角形である横（ｄ３１またはｄ３２）モード作動素子を備えることを特徴とする、請求項２２〜２４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項２９】
前記横（ｄ３１またはｄ３２）モードの作動素子は、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミック、またはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックの組成改質誘導体を含むことを特徴とする、請求項２８に記載のアクチュエータ。
【請求項３０】
前記横（ｄ３１またはｄ３２）モードの作動素子は、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、ニオブ酸鉛インジウム−ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ２／３）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］およびそれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、単結晶からなることを特徴とする、請求項２８に記載のアクチュエータ。
【請求項３１】
モータ部が、請求項１から１８のいずれか一項に記載のコネクタの少なくとも一つ、および請求項１９から２２のいずれか１項に記載の組立体の少なくとも１つの、いずれかまたは両方を備えることを特徴とする水中プロジェクタ。
【請求項３２】
ヘッドマス、テールマス、予め応力を付与する機構、およびケーシングのうちの少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする、請求項３１に記載の水中プロジェクタ。
【国際調査報告】
2019511132.tif 000081
2019511132.tif 000082
2019511132.tif 000083