(57)【要約】  ２次元運動可能でありアクチュエータ支持体（１２）に接続された駆動エレメント（１４ａｄ）を有する電気機械式アクチュエータ（１０）が開示される。アクチュエータ支持体（１２）はフェロメカニカル的に非能動的である材料で作られる。さらに、駆動エレメント（１４ａ−ｄ）とアクチュエータ支持体（１２）との間のジョイントは堅固であり非常に安定している。これは、たとえば、熱硬化プラスチック接着、拡散ボンディング、又は、共焼結によって作られた不可逆的なジョイントの使用によって実現される。共焼結が好ましい。アクチュエータ支持体（１２）材料は、堅固であるように選択され、好ましくは７０ＧＰａ、より好ましくは１００ＧＰａを超える剛性を有し、好ましくは５Ｗ／ｍＫ、より好ましくは１０Ｗ／ｍＫを超える高い熱伝導率を有する。電極（２２）は、剛性を増大させると同時に熱伝導率を改善するため、好ましくはアクチュエータ支持体に一体化される。駆動エレメント（１４ａ−ｄ）は、好ましくは、少なくとも駆動面において、熱伝導材料によって覆われる（２８、２６）。【選択図】図３
2007527689.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）の第１の組と、
少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ，４１ａ−ｂ）の第２の組と、
前記第１の組及び前記第２の組の前記アクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ，４１ａ−ｂ）を担持するアクチュエータ支持体（１２）と、
を備え、
それによって、前記アクチュエータ支持体（１２）がフェロメカニカル的に非能動的であり、
前記第１の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）が、前記第１の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）が電極（１８）への適当な電圧信号の印加によって前記第１の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）の先端を前記アクチュエータ支持体（１２）と相対的に２次元で移動させる形状変化を示すように配置された電気機械的に能動的な材料及び電極（１８）を備える、
電気機械式アクチュエータ（１０）であって、
前記第１の組及び前記第２の組の前記アクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ，４１ａ−ｂ）が不可逆的なジョイントによって前記アクチュエータ支持体（１２）に機械的に取り付けられ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】
前記第１の組及び前記第２の組の前記アクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ，４１ａ−ｂ）と前記アクチュエータ支持体とが共焼結され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】
前記第１の組及び前記第２の組の前記アクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ，４１ａ−ｂ）と前記アクチュエータ支持体とが蝋付けされ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４】
前記第１の組及び前記第２の組の前記アクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ，４１ａ−ｂ）と前記アクチュエータ支持体とが接着され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５】
前記第１の組及び前記第２の組の前記アクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ，４１ａ−ｂ）と前記アクチュエータ支持体とが拡散接合され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６】
前記アクチュエータ支持体（１２）が少なくとも５Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有することを特徴とする、請求項１乃至５のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項７】
前記アクチュエータ支持体（１２）が少なくとも１０Ｗ／ｍＫの熱伝導率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】
前記アクチュエータ支持体（１２）が少なくとも７０ＧＰａの剛性を有することを特徴とする、請求項１乃至７のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項９】
前記アクチュエータ支持体（１２）が少なくとも１００ＧＰａの剛性を有することを特徴とする、請求項８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支持体（１２）が一体化された熱伝導体（２２）を有することを特徴とする、請求項１乃至９のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１１】
前記第２の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）が、前記第２の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）が前記電極（１８）への適当な電圧信号の印加によって前記第２の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）の先端を前記アクチュエータ支持体（１２）と相対的に移動させる形状変化を示すように配置された電気機械的に能動的な材料及び電極（１８）を備えることを特徴とする、請求項１乃至１０のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１２】
前記形状変化が前記第２の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメント（１４ａ−ｈ）の先端を前記アクチュエータ支持体（１２）と相対的に２次元で移動させ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２の組の前記少なくとも１個のアクチュエータエレメントが電気機械的に受動的なサポートエレメント（４１ａ−ｂ）であることを特徴とする、請求項１乃至１２のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１４】
少なくとも１個のアクチュエータエレメントが高い熱伝導率を有する材料の駆動面（２６）を有することを特徴とする、請求項１乃至１３のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１５】
少なくとも１個のアクチュエータエレメントが高い熱伝導率を有する材料（２４）によって覆われることを特徴とする、請求項１乃至１４のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１６】
前記アクチュエータ支持体（１２）が最も外側のアクチュエータエレメントの外側に延在する（１３）ことを特徴とする、請求項１乃至１５のうちのいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に電気機械式アクチュエータに係わり、特に２次元運動パターンを示す駆動エレメントを利用する電気機械式アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械式アクチュエータ、特に、電気機械式モータは、近年多種多様のタスクに広く適用されている。強い力、小さいサイズ、高速、高精度位置決め、及び、低コストの製造は、従来技術のモータの多くの魅力的な特性である。しかし、これらの魅力的な特性は、相容れないことがよくあり、ある１つの局面に関する最適化はしばしばその他の性質を低下させる。
【０００３】
２次元運動を示す駆動エレメントを使用する電気機械式アクチュエータ配置はしばらくの間検討されている。米国特許第５，３４５，１３７号には、２次元駆動超音波モータが開示されている。電気機械式ボリュームに種々の幾何学的伸長を有する電極を積層すると、積み重ね全体が種々の方向に曲がるように制御される。
【０００４】
エス・ジョハンソン（S.Johansson）の論文，「マイクロロボットシステムの組立への一手法（One approach towards the fabrication of a microrobot system）」, Material Science and Engineering C2 (1995), pp.141-149では、共通のアクチュエータ支持体に半田付けされた６個の六角形エレメントを備えるアクチュエータが提案されている。六角形エレメントは、エレメントの上端が制御された方式で３次元運動することを可能にさせる電極構造体を有する。非常に高い精度を示すステッピング機構が達成される。非常に密接な米国特許第６，１８４，６０９号では、配置はアクチュエータ支持体とエレメントが一体化されたモノリシックブロックとして製造されることにより改良される。このような配置は、小さいステップからなる非共振繰り返しを使用して位置決め精度をさらに改良した。しかし、速度及び電力効率は若干制限された。
【０００５】
ドイツ特許第４４０８６１８号では、共通ベースは２組のバイモルフ駆動エレメントを互いに接続する。駆動エレメント及びベースは、共通の圧電セラミック板から切り取られる。駆動エレメントは、エレメントの先端の楕円運動パスを引き起こす位相シフトされた正弦波電圧によって駆動される。類似したアプローチは米国特許第６，０６６，９１１号で使用されている。圧電層の積み重ねは共通の圧電ベース上に並行して形成される。この駆動エレメントは超音波周波数域で駆動されることが対象とされていたので、高速度及び高電力効率による利益を受ける。しかし、この開示に記載された情報に基づく動作条件の推定は、駆動エレメントが長時間に亘って動作することは難しいということを明らかにする。圧電セラミック材料の励起と脱励起は大量の熱を発生する。開示された駆動エレメントを提案された条件で駆動すると、非常に短い時間内で、駆動エレメントの広範囲の加熱をもたらすであろう。このような加熱は、典型的に、駆動エレメント及びアクチュエータ支持体の予測不可能な残留変形の原因となり、半田付けされたジョイントを弱め、駆動エレメントのキューリー温度を超えるならば、駆動エレメントの分極は消失する。
【０００６】
米国特許第６，３３７，５３２号では、類似した基本的なアプローチが使用されるが、動作は非共振歩行動作が対象とされている。圧電式脚部の励起は非常に制御された方式で行われ、滑らかな運動と非常に正確な位置決めを生じる。しかし、動作周波数は共振よりもはるかに低い。
【０００７】
発明の概要
従来技術の装置による一つの一般的な問題は、高い動作周波数での温度問題である。別の一般的な問題は、ステータ配置が、典型的に、時間と共に、典型的に支持部品のフェロメカニカル（ｆｅｒｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）変形又はジョイントの塑性変形によって、若干機械的に変形され、位置決め精度に影響を与えることである。
【０００８】
したがって、本発明の一般的な目的は、高い位置決め精度と同時に広周波数域で動作可能な電気機械式アクチュエータを提供することである。本発明のさらなる目的は、動作中に容易に冷却できる電気機械式アクチュエータを提供することである。
【０００９】
上記目的は請求項にかかる電気機械式アクチュエータによって達成される。一般的に言うと、電気機械式アクチュエータは、２次元運動可能でありアクチュエータ支持体に接続された駆動エレメントを有する。アクチュエータ支持体は、フェロメカニカル的に非能動的である材料、すなわち、たとえば、非圧電性物質で作られる。さらに、駆動エレメントとアクチュエータ支持体との間のジョイントは堅固であり非常に安定している。これは、たとえば、熱硬化プラスチック接着、拡散ボンディング、又は、共焼結によって作られた不可逆的なジョイントの使用によって実現される。共焼結が好ましい。アクチュエータ支持体材料は、堅固であるように選択され、好ましくは７０ＧＰａ、より好ましくは１００ＧＰａを超える剛性を有し、好ましくは５Ｗ／ｍＫ、より好ましくは１０Ｗ／ｍＫを超える高い熱伝導率を有する。電極は、剛性を増大させると同時に熱伝導率を改善するため、好ましくはアクチュエータ支持体に一体化される。駆動エレメントは、好ましくは、少なくとも駆動面において、熱伝導材料によって覆われる。
【００１０】
本発明による一つの利点は、１００ｍｍ／ｓ程度の高速が、５−１０Ｎ程度の比較的強い力、並びに、ナノメートル位置決め能力と組み合わされることである。
【００１１】
本発明は、さらなる目的及び利点と共に、添付図面とともに以下の説明を参照することによって最も良く理解される。
【００１２】
発明の詳細な説明
図１には、基本的に米国特許第６，３３７，５３２号による駆動エレメントの実施形態が示されている。本明細書では、このようなアクチュエータ装置をモデル装置として使用するが、発明は多数のその他のタイプのアクチュエータにも同様に適用される。駆動エレメント１０は、アクチュエータ支持体１２を備え、そのアクチュエータ支持体から、切り込み２０によって分離された４個のアクチュエータエレメント１４ａ−ｄ、すなわち、「脚部」が突出する。アクチュエータエレメント１４ａ−ｄは、異なる電極１８の間に電圧信号を印加することにより励起される２個の独立した制御可能な能動的ボリュームをそれぞれに有する（境界が破線で示されている）。電圧信号は電極１７を脚部の側面で接触させることによりアクチュエータエレメント１４ａ−ｄに供給される。
【００１３】
図２は、作動中である図１の駆動エレメントの若干簡略化された説明図である。脚部１４ａ−ｄはペアで作動され、少なくとも一方のペアが運動させられるべき本体１と常に接触している。脚部１４ａ−ｄの運動は、脚部１４ａ−ｄの電気機械式ボリュームの励起及び脱励起を必要とする。このような動きは熱を発生する。駆動エレメント１０の能動的ボリューム全体がこの熱生成にかかわる。図２では、アクチュエータエレメント１４ａの熱生成部が二重斜線で示されている。周囲の媒体は典型的に空気であり、空気は不良熱伝導体である。さらに、放射による散逸が無視される。熱はこのようにして二つの主要な方向で散逸する。熱のより少ない部分ｑが、アクチュエータエレメント１４ａ−ｄが本体１と機械的接触している期間中に、運動させられるべき本体１へ伝達される。主要な熱伝達路Ｑは、アクチュエータ支持体１２を通り抜けて、ヒートシンク１６、たとえば、金属ハウジングまで達するか、又は、電気接続を経由する。アクチュエータエレメント１４ａ−ｄは、製造の便宜のため、典型的に、アクチュエータ支持体１２と一緒にワンピースで製造され、このことは、アクチュエータ支持体が典型的に、同じ材料であり、しかし、電圧によって作動されない材料を含むことを意味する。電気機械的な材料は、一般に、かなり脆弱であるため、アクチュエータ支持体１２の厚さＤは典型的に比較的大きい。電気機械的な材料は同時に典型的に不良熱伝導体であり、このことは、主要な熱散逸路Ｑが非常に非効率的であることも意味する。
【００１４】
運動させられるべき本体の高い走行速度を達成するため、高い駆動周波数及び高い駆動電圧を使用することが必要である。このような組み合わせは駆動エレメントの温度を著しく上昇させる。１−５ｋＨｚの比較的低い周波数でさえ、熱生成は非常に高温になり、駆動エレメント１０が破損されることがよくある。電気機械的に動作中の材料において発生される熱の量は、主として電気機械的損失に依存し、この電気機械的損失は材料のタイプと駆動条件、すなわち、電界レベル及び励起周波数に依存する。広周波数域で準静的に作動されるモータを設計するため、駆動脚部を冷却する効率的な解決策が必要である。多くの場合、モータからの可聴音をできるだけ低くすることが望まれる。これは、約２０ｋＨｚを超える周波数で駆動脚部を励起するときに達成される。多数のモータ解決策の中で、加熱問題のため、この解決策だけが非常に短い動作時間で実現可能である。
【００１５】
電気機械的なセラミック材料は、典型的に、機械的荷重を受けるときに強弾性効果を発揮する。二つの重要な効果は、機械的ヒステリシス、すなわち、応力・歪み曲線にヒステリシスが存在することと、強弾性変形であり、たとえば、エイチ・ツァオ及びエイ・ジー・エヴァンズ（Cao, H. and Evans, A.G.）による「強弾性セラミックの非線形変形（Nonlinear deformation of ferroelastic ceramics）」, J. Am. Cer. Soc. 76(1993), pp. 890-896に記載されている。強弾性変形は、受動圧電支持体をもつ圧電モータにおいて問題になる。強弾性変形は、材料の機械的に誘起された分極として説明される。支持体には電極が無いので、材料は製造されるときにランダムな分極をもつ。機械的荷重を受けるとき、分極は変化し、この分極は材料の形状変化と関連付けられる。支持体の分極を制御するため、電極が存在すべきであり、これは複雑であると共に費用がかかる。電極のない領域を分極させるために材料を予備変形させる可能性もあるが、材料の加熱は材料を脱分極させ、この脱分極はその後に反対の形状変化を与える。
【００１６】
図２の駆動エレメントが作動されるとき、アクチュエータエレメント１４ｄがアクチュエータ支持体１２に加える力はアクチュエータ支持体１２の永久変形の原因となる。この永久変形が今度は、破線１１４によって誇張された縮尺で示されたアクチュエータエレメント１４ｄの角度及び高さ誤差をもたらす。アクチュエータエレメント１４ｄの高さ及び角度は理想型とは異なり、よって動作は悪影響を受ける。
【００１７】
アクチュエータ支持体１２が十分に堅固でないならば、同様の幾何学的な不正確さが生じる。必然的に生じる変形は、そのとき、主として弾性タイプであるが、位置決め精度の結果は基本的に同じである。電気機械的な材料の比較的低い剛性は比較的厚いアクチュエータ支持体１２を必要とし、このことがアクチュエータエレメント１４ａ−ｄから熱を取り除く能力を低下させる。
【００１８】
図３は本発明による駆動エレメントの好ましい実施形態を示す。上述の通り、この特定の実施形態の駆動エレメント１０は、電気機械的に能動的な材料からなる４個の脚部１４ａ−ｄを備える。しかし、アクチュエータ支持体１２は、この場合に、フェロメカニカル的に非能動的である材料を備える。このようにして、フェロメカニカル的な効果に起因する変形が回避される。さらに、アクチュエータ支持体１２は、好ましくは、通常の電気機械的な材料より高い熱伝導率を有する材料で作られる。好ましくは、熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫより高く、さらにより好ましくは、１０Ｗ／ｍＫより高い。支持体材料として適切である材料の例は、たとえば、酸化アルミニウムと酸化マグネシウムである。
【００１９】
高精度位置決めアプリケーションでは、アクチュエータ支持体１２は、上記のように、運動システムに高い安定性及び精度を与えるため、できる限り堅固であるべきである。特に、強い力又は圧力が電気機械的な材料に加えられるとき、材料の望ましくない形状変化が起こる。これは、位置決めシステムの位置決め安定性及び精度の低下をもたらす。図３におけるアクチュエータ支持体１２は非電気機械的な材料で作られるので、アクチュエータ支持体１２は、好ましくは、電気機械的な材料より高い剛性を有する。剛性は、好ましくは、少なくとも７０ＧＰａ、より好ましくは１００ＧＰａを超える。剛性の増加は、さらに、アクチュエータ支持体１２が、参照文字ｄによって示されるように、電気機械的な材料が使用された場合よりかなり薄く設計されることを可能にする。このことは、アクチュエータ支持体１２を通る熱伝達を増大させる、及び、小型アプリケーションの設計の際に寸法を縮小することを可能にするという二つの主要な利点を有する。適当なアクチュエータ支持体材料の例は、酸化アルミニウム又は窒化珪素のような高剛性をもつ非電気機械的な材料である。
【００２０】
高精度位置決めアプリケーションにおける別の重大な問題は、駆動脚部のサポート、すなわち、印加された荷重が支持体によってどのようにして引き受けられるか、ということである。理想的には、サポートは、両方の駆動方向で印加された荷重に対して同様に振る舞うように、各駆動脚部にとって等しくなるべきである。理想的でない状況は、たとえば、図１及び２に示されているように、アクチュエータエレメントの一方側のサポートだけが存在する駆動エレメントの２個の外側のアクチュエータエレメントに起こる。これらのアクチュエータエレメントに対し、印加された荷重に起因する撓みはサポートされていない方向でより大きい。このサポートの非対称性は、図３に示されているように、アクチュエータエレメント１４のアクチュエータ支持体１２を延長することによって容易に解決される。したがって、好ましくは、アクチュエータエレメント１４は、両側に延長部１３をもつ共通支持体１２上に取り付けられる。換言すると、アクチュエータ支持体１２は最も外側のアクチュエータエレメントの外側に延在する。延長部１３は、一方側だけへの取り付けを容易化するように、電極層を駆動エレメントの一方側からもう一方側へルート決めするためにも使用される。図３において、導体１５は接触目的のため示されている。
【００２１】
アクチュエータ支持体１２を通る熱伝導をさらに高めるため、たとえば、金属により作られた熱伝導体２２が、アクチュエータ支持体１２の中を通って能動的ボリュームからヒートシンク（図示されず）まで設けられる。（図には数個の熱伝導体だけが示されている）。
【００２２】
アクチュエータエレメント１４ａ−ｄ及びアクチュエータ支持体１２は異なる材料で作られているので、アクチュエータエレメント１４ａ−ｄをアクチュエータ支持体１２へ機械的に取り付けるための方法に特別の配慮をしなければならない。アクチュエータエレメント１４ａ−ｄとアクチュエータ支持体１２との間のジョイントが確かに非常に堅固であることは、このジョイントが駆動エレメント１０全体の中で最も応力を受ける部分であるため、非常に重要である。ジョイントは極度に堅固であることが必要であり、短時間と長時間の両方において、できる限り小さい変形又は弾性的な振る舞いを示す。さらに、アクチュエータエレメント１４ａ−ｄは熱を発生するので、ジョイントは上昇した温度によって影響されてはならない。本発明によれば、アクチュエータエレメント１４ａ−ｄの間のジョイントは不可逆的なタイプであり、すなわち、一旦取り付けられると、ジョイントは熱的又は化学的な処置によって取り外すことが不可能である。最も好ましいジョイントは、アクチュエータエレメント１４ａ−ｄとアクチュエータ支持体１２を共焼結することにより製造される。これは、グリーン状態のアクチュエータ支持体にグリーン状態の能動的な電気機械的な材料を被せ、その後に、この複合構造体を同時に焼結することにより達成される。このような解決策では、焼結プロセス中に過度の機械的応力を持ち込まない材料の組み合わせを見つけることが必要である。
【００２３】
不可逆的なジョイントを実現するための別の実現可能な方法は、既に焼結された部品を互いに取り付けることである。拡散ボンディング又は蝋付けは実現可能な代替案である。別の代替案は、できる限り小さなクリープ及び変形特性を有する、好ましくは、熱硬化プラスチックタイプの接着剤を使用することである。この点に関して、二つの本体の間に位置するこのような接着剤のボリュームが変形可能性を最小限に抑えるために最小化されるべきことを指摘することも重要である。互いに取り付けられる表面は、接着剤でつける前に、注意深く平面研磨されるべきである。
【００２４】
理想的には、アクチュエータ内で発生されたすべての熱は駆動脚部の表面／境界面から散逸されるべきである。最大利用可能表面は周囲の媒体に向かう表面である。通常、駆動脚部表面は、たとえば、表面に入る露出した電極間のスパーキングを防止するため、あるタイプのポリマーで保護される。しかし、このようなポリマーは、典型的に不良熱伝導体である。駆動エレメントの冷却を強化するため、図３の実施形態の表面は、できる限り高い熱伝導率を有する絶縁材料２４によって覆われる。（この被覆は図３では、駆動エレメントの内部構造を明らかにするため前方側で取り除かれている）。絶縁材料２４は、本実施形態では、窒化アルミニウム又は酸化アルミニウムのような熱伝導材料の粒子が詰められたポリマーである。このようにして使用できる絶縁材料の別の例は、表面全体を覆う酸化アルミニウムの薄層である。被覆材料２４は電極間のスパーキングを防止するため良好な電気絶縁特性をさらに有するべきであることを銘記することが重要である。覆われた駆動脚部の表面から熱が散逸されるとき、駆動脚部は、個別の脚部の運動に影響を与えない熱伝導ペーストに埋め込まれてもよい。駆動脚部は、熱伝導材料が詰められたポリマー又はシリコンベースの材料に浸漬させられてもよい。熱伝導性のペースト、ポリマー、又は、シリコンベースは、典型的に絶縁性である。しかし、完全な被覆率をもつ絶縁材料２４が使用されるならば、金属粉末のような導電性材料が、たとえば、ポリマーベース内の熱伝導体として使用される。
【００２５】
駆動エレメントからの別の冷却路は、上記のように、アクチュエータエレメントの接触部を通り、運動させられる本体に至る。図３では、本実施形態のアクチュエータエレメント１４ａ−ｄは、良好な熱伝導をもつ駆動面２６を有する。駆動面は、典型的に、高い摩耗抵抗及び高い硬度を有する。運動させられる本体は、典型的に、周囲へ向かう広い表面を有し、さらに、典型的に、セラミック又は金属材料で作られる。本実施形態では、駆動面２６はエレメント１４ａ−ｄの全体を覆い、このことはエレメント１４ａ−ｄと運動させられる本体との間の熱伝達領域もまた広いということを意味する。典型的なアクチュエータ配置では、駆動面２６はアクチュエータエレメント１４ａ−ｄの上端に接着させられる。しかし、現在の好ましい実施形態では、駆動面もまた、アクチュエータエレメント１４ａ−ｄ及びアクチュエータ支持体１２からなるモノリシック本体の主要部と共焼結される。処理の視点から、これは多数の動作条件を決定する駆動面２６の幾何学的性質がアクチュエータエレメント１４ａ−ｄ自体と同じプロセスステップで製造されるので有利であり、それによって、良好に制御された幾何学的性質依存が実現される。共焼結は、一般的に、アクチュエータエレメント１４ａ−ｄと駆動面２６との間により堅固な接合をさらに与える。このことは、アクチュエータ支持体１２への接合に関してさらに前に示された理由と同じ理由のため、高精度位置決めシステムにおいて重要である。
【００２６】
駆動面の幾何学性質は重要である。図４ａでは、平坦な駆動面２６が示されている。この形状は、運動させられる本体との接触領域が広く、高い熱伝導率を示すという利点を有する。欠点は、アクチュエータエレメントの傾きが本体と駆動面との間の接触位置の変化を生じ、その接触位置の変化が位置決め精度を低下させることである。
【００２７】
図４ｂでは、別の駆動面２６の幾何学的性質が示されている。ここで、実際の駆動部は、駆動面２６の中央にある隆起部２７である。しかし、この隆起部２７を通る熱散逸を高めるため、熱伝導体２２は、駆動面２６に一体化され、アクチュエータエレメント表面から隆起部２７の上端表面までの効率的な熱経路を提供する。
【００２８】
当業者は、駆動面及び実現可能な熱導体のその他の幾何学的性質が考えられ、個別のアプリケーション毎に適当な方法で設計されることを理解する。図４ａ及び４ｂの駆動面２６の実施形態、並びに、多数のその他の有用な幾何学的性質は、共焼結に適したある種のグリーン状態で容易に形成される。
【００２９】
損失される電力を減少させる一つの技術は、アクチュエータエレメントに供給される駆動電圧を低下させることである。通常、ピーク・ピーク電圧は、モータの設計によって決められ、運動させられる本体の平面度、アクチュエータエレメントの駆動面の平面度、及び、本体をアクチュエータエレメントに押し付ける所与の垂直力でのアクチュエータエレメントと本体との間の希望のクリアランスのような要因によって与えられる。これらの条件は、位置決め中の制御された運動のため必要とされる。高速で静かなロングストロークの運動の場合、アクチュエータエレメントは好ましくは超音波周波数で駆動される。アクチュエータエレメントは、そのとき典型的に、位相シフトされた正弦波電圧で駆動され、アクチュエータエレメントは楕円軌道に沿って運動する。高周波数動作中、アクチュエータエレメントと本体との間のクリアランスはそれほど重大でなく、電圧を低下させることができる。特に、高周波数が使用されるならば、エレメントが戻り運動中に本体から解放されるべき時間は非常に短い。アクチュエータエレメントの縦方向における本体の運動は、したがって、たとえば、本体の慣性のため小さい。
【００３０】
上記のように、熱発生は、励起及び脱励起手順と密接に結合される。簡略化された運動パターンは、典型的に、より低い熱発生を与える。低い熱発生を与えると考えられている駆動エレメント１０の一実施形態は図５ａに示されている。アクチュエータエレメント１４ｅ、１４ｆ、１４ｈの個数は３個に削減されている。中央のアクチュエータエレメント１４ｆは、図３で説明されたものと同じタイプであり、２個の能動的ボリューム２８ａ及び２８ｂを有し、その先端は２次元である。端のアクチュエータエレメント１４ｅ及び１４ｈは、しかし、より簡単な設計である。これらのエレメントは、電気機械層及び電極の単一の積み重ねとして構築される。電極に電圧信号が供給されるとき、アクチュエータエレメント１４ｅ及び１４ｈは、延長又は短縮されるが、（図に明らかにされているように）その先端を横方向へ移動させない。アクチュエータエレメント１４ｅ、１４ｈは、動作中におおよそ静止することが意図され（以下のさらなる説明を参照）、無視できる量の熱しか生成しない。
【００３１】
図５ａの駆動エレメントの駆動動作は図５ｂの図によって示されている。駆動方法は、普通の歩行原理と類似している。中央のアクチュエータエレメント１４ｆは、通常の歩行モードにおけるのと同様の方法で本体を駆動する。中央のアクチュエータエレメント１４ｆが解放フェーズ及び戻りフェーズに達するとき、側方のアクチュエータエレメント１４ｅ、１４ｈは駆動レールを保持する。しかし、側方のアクチュエータエレメント１４ｅ、１４ｈは曲がらないので、本体の運動はこのフェーズの間停止される。
【００３２】
中央のアクチュエータエレメント１４ｆの上端は、図５ｂに示された菱形の経路１００内に置かれる。側方のアクチュエータエレメント１４ｅ、１４ｈは垂直方向に置かれ、本明細書では、線１０６によって規定された高さに置かれると考えられる。アクチュエータエレメント１４ｆが点１０８から開始するならば、本体は側方のエレメント１４ｅ、１４ｈの上に載る。アクチュエータエレメント１４ｆが菱形の経路１００に沿って時計回りに運動するとき、アクチュエータエレメント１４ｆは点１０２で本体と接触し、側方のエレメント１４ｅ、１４ｆから本体を持ち上げる。運動は点１１０を過ぎて点１１２へ向かって継続し、点１０４を通過するとき、アクチュエータエレメント１４ｆは本体を再び側方のエレメント１４ｅ、１４ｈに任せる。アクチュエータエレメント１４ｆは戻り、新たなステップの準備をする。
【００３３】
ステップサイズは側方のアクチュエータエレメント１４ｅ、１４ｈの高さによって決められることが理解される。これらエレメントの伸びを変えることにより、ステップサイズが容易に制御される。各ステップ内の位置の微調整は、アクチュエータエレメント１４ｆの横運動を制御することによって行われる。本体の速度は典型的に、同じ駆動周波数において図３の駆動エレメントによって利用可能な速度の半分であることも理解される。しかし、簡略化された設計のため、熱散逸経路はより簡単に設けられる。
【００３４】
本体の運動は、典型的に、主要な運動方向において断続的であり、これがある種のノイズを引き起こす。さらに、アクチュエータエレメント１４ｆからの、及び、アクチュエータエレメント１４ｆへの本体の受け渡しはノイズを生じる。アクチュエータエレメント１４ｅ及び１４ｈは、次に、本体移動と関連して、ｚ方向に、すなわち、主要な運動方向と垂直に、滑らかな遅延と加速をそれぞれ与えるために制御される。
【００３５】
図６は駆動エレメントのさらなる実施形態を示す。本実施形態では、構造はなおさらに簡略化されている。本実施形態では、側方のアクチュエータエレメントは電気機械的に受動的なサポートエレメント４１ａ、４１ｂである。動作原理は、側方のアクチュエータの高さが変更できないという相異はあるが、図５ａにおける実施形態の動作原理と同じである。しかし、アクチュエータエレメント４１ａ、４１ｂは完全に受動的であるため、電気機械的な材料で作る必要がない。その代わりに、アクチュエータエレメント４１ａ、４１ｂは、高い熱伝導性を有する材料で作られ、能動的なアクチュエータエレメント１４ｆからの熱伝導を助ける。アクチュエータエレメント４１ａ、４１ｂは、信頼できる位置決め精度を提供するために、本発明によれば、アクチュエータ支持体１２に固定される。しかし、それらのアクチュエータエレメントは付加的なサポート３２に取り付けられることもあり、付加的な剛性と熱伝導性の両方を駆動エレメント組立体１０に提供する。
【００３６】
様々な変形及び変更が特許請求の範囲によって規定された発明の範囲を逸脱することなく本発明になされることが当業者によって理解されるであろう。
【００３７】
参考文献
エス・ジョハンソン（S.Johansson），  「マイクロロボットシステムの組立への一手法（One approach towards the fabrication of a microrobot system）」，  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｃ２（１９９５），  ｐｐ．１４１−１４９
エイチ・ツァオ及びエイ・ジー・エヴァンズ（Cao, H. and Evans, A.G.），  強弾性セラミックの非線形変形（Nonlinear deformation of ferroelastic ceramics）」，  Ｊ．  Ａｍ．  Ｃｅｒ．  Ｓｏｃ．  ７６（１９９３），  ｐｐ．８９０−８９６
米国特許第５，３４５，１３７号
米国特許第６，０６６，９１１号
米国特許第６，１８４，６０９号
米国特許第６，３３７，５３２号
ドイツ特許第４４０８６１８号
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】４個の脚部を有する駆動エレメントの斜視図である。
【図２】駆動エレメントの熱流入及び変形の説明図である。
【図３】本発明による駆動エレメントの実施形態の斜視図である。
【図４ａ】有用な駆動面の斜視図である。
【図４ｂ】有用な駆動面の斜視図である。
【図５ａ】本発明による駆動エレメントの別の実施形態の断面図である。
【図５ｂ】図５ａの駆動エレメントの運動の基本原理を説明する図である。
【図６】本発明による駆動エレメントのさらに別の実施形態の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【国際調査報告】
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