(57)【要約】  電気機械駆動素子の製造において、振動特性が試験環境で定義される。これらの特性は、モータに構成されるときに優れた動作をもたらすことが認められる。２つの撓み振動モードが定義される。１つは、それぞれの外側部分の２つの支持体に固定される素子に関係するｓモードである。ｓモードは３つの節点を有する。もう１つの振動モードは、支持体および中間部分（Ｈ１）に配置された駆動パッドに固定される素子に関係するεモード（１１２）である。εモード（１１２）は、中間部分（１１１）の両側に１つずつ節点（１５５）を有し、中間部分（１１１）は、中間部分（１１１）と節点（１５５）との間の部分（１１３、１１５）のストローク振幅より小さいストローク振幅を有する。２点および３点でそれぞれ固定されたｓモードの共振周波数の平均は、εモード（１１２）の共振周波数とは２５％未満だけ異なる。【選択図】図２Ｇ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械材料の体積（３４、３６）と、
前記体積（３４、３６）を励起させるための電極と、
電気機械駆動素子（３０）の中間部分（１１１）に取り付けられた駆動パッド（４０）と、
を備えた電気機械駆動素子（３０）であって、
前記電気機械駆動素子（３０）が、前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、第１共振周波数ｆ１を持つ振動ｓモード（１０６）を有し、
前記電気機械駆動素子（３０）が、前記駆動パッド（４０）および前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の前記２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、第２共振周波数ｆ２を持つ振動歪みｓモード（１０６）を有し、
前記ｓモード（１０６）が、３つの節点（１５５）を有し、そのうちの１つが前記中間部分（１１１）に位置する振動モードであり、
前記電気機械駆動素子（３０）が、前記駆動パッド（４０）および前記２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、第３共振周波数ｆ３を持つ振動εモード（１１２）を有し、
前記εモード（１１２）が、前記中間部分（１１１）の外側の各側に節点（１５５）を１つずつ有する振動モードであり、前記中間部分（１１１）が、前記中間部分（１１１）と前記節点（１５５）との間の部分（１１３、１１５）のストローク振幅より小さいストローク振幅を有し、
よってｆ３がｆ１およびｆ２の平均から２５％未満だけ異なるように構成された、
電気機械駆動素子。
【請求項２】
前記枢動支持体（５２）が前記ｓモード（１０６）の２つの外側節点（１５５）の近傍に配置される、請求項１に記載の電気機械駆動素子。
【請求項３】
前記駆動パッド（４０）が前記電気機械駆動素子（３０）に接着され（６０）、前記接着剤（６０）の弾性特性、前記接着剤（６０）の振動減衰特性、前記接着剤（６０）が塗布される位置、および接着剤（６０）の量の少なくとも１つが、要求される第３共振周波数ｆ３を達成するように選択される、請求項１に記載の電気機械駆動素子。
【請求項４】
動作を起動させるように意図された前記駆動パッド（４０）の表面領域（７０）が、凹所（７４）を備えた略平坦な領域（７２）である、請求項１に記載の電気機械駆動素子。
【請求項５】
前記電気機械駆動素子の各側に１つずつ前記駆動パッド（４０）を備え、２つの異なる点位置で被運動物体と相互作用することを可能にした、請求項１乃至４のいずれかに記載の電気機械駆動素子。
【請求項６】
前記駆動パッドが被運動物体（１）を挿置するように意図された穴（４７）を含み、それによって前記穴（４７）を取り囲む表面が前記被運動物体を作動させる、請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械駆動素子。
【請求項７】
前記駆動パッドが非弾性特性を有する材料を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載の電気機械駆動素子。
【請求項８】
前記駆動パッドがΣまたはｓ字形状を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載の電気機械駆動素子。
【請求項９】
前記駆動パッドが中実であり、少なくとも部分的に補強ポリマから作られる、請求項１乃至７のいずれかに記載の電気機械駆動素子。
【請求項１０】
前記駆動パッドがｚ方向に変形するときに、１つの好適なｘ方向の大きい動きにより非対称に変形する、請求項１乃至９のいずれかに記載の電気機械駆動素子。
【請求項１１】
主固定子（２０）と、
被運動物体（１）と、
前記主固定子（２０）と前記物体（１）との間に配設された少なくとも１つの電気機械駆動素子（３０）と、
を備えた電気機械式アクチュエータ（１０）であって、
前記電気機械駆動素子（３０）が次に、
電気機械材料の体積（３４、３６）と、
前記体積（３４、３６）を励起させるための電極と、
前記電気機械駆動素子（３０）の中間部分（１１１）に取り付けられた駆動パッド（４０）と、
を備え、
前記駆動パッド（４０）が前記物体（１）と機械的に接触して配設され、
前記電気機械駆動素子（３０）が、前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の前記２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、第１共振周波数ｆ１を持つ振動ｓモード（１０６）を有し、
前記電気機械駆動素子（３０）が、前記駆動パッド（４０）および前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の前記２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、第２共振周波数ｆ２を持つ振動歪みｓモード（１０６）を有し、
前記ｓモード（１０６）が、３つの節点（１５５）を有し、そのうちの１つが前記中間部分（１１１）に位置する振動モードであり、
前記電気機械駆動素子（３０）が、前記駆動パッド（４０）および前記２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、第３共振周波数ｆ３を持つ振動εモード（１１２）を有し、
前記εモード（１１２）が、前記中間部分（１１１）の外側の各側に節点（１５５）を１つずつ有する振動モードであり、前記中間部分（１１１）が、前記中間部分（１１１）と前記節点（１５５）との間の部分（１１３、１１５）のストローク振幅より小さいストローク振幅を有し、
よってｆ３がｆ１およびｆ２の平均から２５％未満だけ異なるように構成された、
電気機械式アクチュエータ。
【請求項１２】
前記駆動パッド（４０）によって作動させるように意図された前記物体（１）の表面領域が、凹所を備えた略平坦な領域である、請求項１１に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１３】
前記枢動支持体（５２）を前記主固定子（２０）に締結するばねであって、前記電気機械駆動素子（３０）に対する前記物体（１）の偏位方向（ｘ）に平行な軸に沿ってわずかに回転することができるように構成されたばねを備える、請求項１１に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１４】
前記電気機械駆動素子の各側に前記駆動パッド（４０）を１つずつ備え、２つの異なる点位置での被運動物体との相互作用を可能にする、請求項１１乃至１３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】
前記電気機械駆動素子の各側の前記駆動パッド（４０）が同一の被運動物体と２つの異なる点位置で相互作用する、請求項１４に記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１６】
前記被運動物体（１）の両側で連動して相互作用する２つの前記電気機械駆動素子（３０）を備える、請求項１１乃至１３のいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１７】
前記駆動パッド（４０）が、前記被運動物体（１）を挿置するように意図された穴（４７）を含み、それによって前記穴（４７）を取り囲む表面が前記被運動物体を作動させる、請求項１１乃至１６のいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１８】
前記駆動パッド（４０）が非弾性特性を有する材料を含む、請求項１１乃至１７のいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項１９】
前記電気機械駆動素子（３０）が、接着剤によってまたは機械的締結手段によってモータハウジングに取り付けられるフレキシブルプリント回路基板（５０）に取り付けられる、請求項１１乃至１８のいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項２０】
前記電気機械駆動素子（３０）がばねによってｘ方向に締結される、請求項１１乃至１９のいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項２１】
モータハウジング（５９）に支持され、前記駆動パッド（４０）とは反対側の前記電気機械駆動素子（３０）の中間の位置で前記駆動素子（３０）を押圧するように構成されたばね手段（５７）を備える、請求項１１乃至２０のいずれかに記載の電気機械式アクチュエータ。
【請求項２２】
電気機械駆動素子（３０）を製造するための方法であって、
励起電極を有する電気機械材料の体積（３４、３６）を提供するステップと、
前記電気機械駆動素子（３０）の中間部分（１１１）に駆動パッド（４０）を取り付けるステップと、
前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分で２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、前記電気機械駆動素子（３０）の振動ｓモード（１０６）の第１共振周波数ｆ１を測定するステップと、
前記駆動パッド（４０）および前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、前記電気機械駆動素子（３０）の振動歪みｓモード（１０６）の第２共振周波数ｆ２を測定するステップと、
前記ｓモード（１０６）が、３つの節点（１５５）を有し、そのうちの１つが前記中間部分（１１１）に位置する振動モードであり、
前記駆動パッド（４０）および前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の前記２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、前記電気機械駆動素子（３０）の振動εモード（１１２）の第３共振周波数ｆ３を測定するステップと、
前記εモード（１１２）が、前記中間部分（１１１）の外側の各側に節点（１５５）を１つずつ有する振動モードであり、前記中間部分（１１１）が、前記中間部分（１１１）と前記節点（１５５）との間の部分（１１３、１１５）のストローク振幅より小さいストローク振幅を有し、
ｆ３がｆ１およびｆ２の平均から２５％未満だけ異なるようになるまで前記駆動パッドを適応させるステップと、
を含む方法。
【請求項２３】
前記適応ステップが次に、次のリスト：
前記振動のストローク（ｚ）の方向に平行な駆動パッド（４０）の弾性、
前記ストローク（ｚ）の方向に直角な駆動パッド（４０）の剪断弾性、
前記駆動パッド（４０）用の前記取付け手段（６０）の弾性特性、ならびに
前記取付け手段（６０）の位置および延長、
から少なくとも１つの特性を適応させるステップを含む、請求項２２に記載の製造方法。
【請求項２４】
電気機械モータ（１０）の製造方法であって、
電気機械駆動素子（３０）として励起電極を有する電気機械材料の体積（３４、３６）を提供するステップと、
前記電気機械駆動素子（３０）の中間部分（１１１）に駆動パッド（４０）を取り付けるステップと、
前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分で２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、前記電気機械駆動素子（３０）の振動ｓモード（１０６）の第１共振周波数ｆ１を測定するステップと、
前記駆動パッド（４０）および前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、前記電気機械駆動素子（３０）の振動歪みｓモード（１０６）の第２共振周波数ｆ２を測定するステップと、
前記ｓモード（１０６）が、３つの節点（１５５）を有し、そのうちの１つが前記中間部分（１１１）に位置する振動モードであり、
前記駆動パッド（４０）および前記電気機械駆動素子（３０）のそれぞれの外側部分の前記２つの枢動支持体（５２）に固定されているときに、前記電気機械駆動素子（３０）の振動εモード（１１２）の第３共振周波数ｆ３を測定するステップと、
前記εモード（１１２）が、前記中間部分（１１１）の外側の各側に節点（１５５）を１つずつ有する振動モードであり、前記中間部分（１１１）が、前記中間部分（１１１）と前記節点（１５５）との間の部分（１１３、１１５）のストローク振幅より小さいストローク振幅を有し、
ｆ３がｆ１およびｆ２の平均から２５％未満だけ異なるようになるまで前記駆動パッド（４０）を適応させるステップと、
主固定子（２０）と被運動物体（１）の間に前記適応された駆動パッド（４０）を有し、前記駆動パッド（４０）が前記物体（１）と機械的に接触して配設されるように前記電気機械駆動素子（３０）を配設するステップと、
を含む方法。
【請求項２５】
次のリスト：
物体（１）の表面品質、
物体（１）の材料、
物体（１）の質量分布、
物体（１）の接触の幾何学的形状、
物体（１）の支持剛性、
物体（１）の弾性特性、
前記枢動支持体（５２）間のばね剛性、および
ばね力、
の少なくとも１つの項目を適応させるステップをさらに含む、請求項２４に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に電気機械駆動素子に関し、詳しくは電気機械駆動素子の振動特性、および電気機械駆動素子の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械材料に基づく極小化モータは、比較的少量の電力だけを使用して制御微細位置決めを行なうことが可能である。消費者製品は往々にして極小、軽量、低電力消費、かつ安価なモータを必要とする。
【０００３】
米国特許第６，４３７，４８５号には、二重電気機械素子に基づく電気機械式アクチュエータが開示されている。該電気機械素子は固定子をそれぞれの外端に機械的に当接支持する。駆動部は本質的に電気機械素子の中間に取り付けられ、運動させられるように意図された物体の表面に対する接触子として働く。明確に定められた電圧信号を電気機械素子の電気機械的能動部に供給することにより、駆動部は、被運動物体に運動を伝達するために二次元で運動するように強制される。基本的概念は非常に成功していることが立証されており、さらなる改善が例えば米国特許第６，７４７，３９４号に開示されている。
【０００４】
公開済みの国際特許出願第２００４／０８８８３１号では、共振挙動が論じられている。一実施形態は上述した型のモータであった。ここには、例えば２つの撓み共振周波数が相互に比較的近くに位置するようにモータ内の電気機械素子を設計かつ配設することによって、作動が有利になると明記された。
【０００５】
実際的なモータ製造では、実際の動作中に共振周波数を確認することはあまり現実的ではなく、共振周波数が意図された値に存在しない場合に、組立済みの装置を修正しようとすることはさらにいっそう非現実的であることが示されている。
【０００６】
発明の概要
本発明の一般的目的は、改善された電気機械駆動素子およびそのような素子を含む装置を提供することである。本発明の特定の目的は、改善された振動特性を有する電気機械駆動素子を提供することである。本発明の別の特定の目的は、そのような振動特性の改善された再現性をもたらす製造方法を提供することである。
【０００７】
上記目的は、同封する特許請求の範囲に係る装置および方法によって達成される。一般的に言うと、電気機械素子の好適な振動特性は、明確に定められた試験環境で定義される。これらの特性は、モータ組立体内に配設される場合に、良好な作動をもたらすことが明らかになっている。２つの撓み振動モードが定義され、それらの共振周波数は相互にあまり離れずに現われる。１つの振動モードは、電気機械素子が電気機械駆動素子のそれぞれの外側部分で２つの支持体に固定される状況に関係するｓモードである。ｓモードは３つの節点を有する２次モードである。もう１つの振動モードは、電気機械素子が支持体にのみならず、電気機械駆動素子の中間部分に配置された駆動パッドにも固定される状況に関係するεモードである。εモードは中間部分の各側に節点を１つずつ有し、中間部分は、電気機械駆動素子の中間部分と節点との間の部分におけるストローク振幅より小さいストローク振幅を有する。ｓモードおよびεモードの共振周波数は、ｓモードの共振周波数の２５％未満だけ異なる。
【０００８】
駆動パッド特性のみならず、駆動パッドの取付け手段の特性も、電気機械モータへの最終組立ての前に、共振周波数を調整するために使用することが可能である。
【０００９】
本発明の１つの利点は、モータへの最終組立て前に、電気機械駆動素子の共振挙動の適応を実行することができることである。これは、適切な動作を確実にするより明確に定められた特性を有する電気機械駆動素子を達成する可能性を開く。
【００１０】
本発明は、そのさらなる目的および利点と共に、添付の図面と共に取り上げる以下の説明を参照することによって最もよく理解することができる。
【００１１】
詳細な説明
図１に、ダブルマルチモルフ屈曲振動アクチュエータ装置１０の実施形態、この場合モータの簡易図を示す。電気機械モータは、被運動物体を駆動する電気機械式アクチュエータとみなすことができる。固定子２０は、駆動パッド４０によって運動させられる物体１に対して作動する電気機械駆動素子３０を備える。電気機械駆動素子３０は、フレキシブルプリント回路基板５０の第１（上）面１５３に取り付けられ、それによって支持される。枢動支持体５２が、フレキシブルプリント回路基板５０の反対側１５４に取り付けられる。枢動支持体５２は、フレキシブルプリント回路基板５０に一体化された肥厚部として、または例えば接着によって取り付けられる別個の体積として設計することができる。支持体５２およびフレキシブルプリント回路基板は一緒に電気機械駆動素子３０の担持体１５０を構成し、電気的および機械的接続のために可撓性担持体が使用される。ばね５４は、矢印５８によって示される法線力によって、電気機械駆動素子３０を物体１に対して押圧する。ばね５４は、枢支点１５２で先端５６によって枢動支持体５２に力を伝達する。
【００１２】
電気機械駆動素子３０は本実施形態では、２つの能動部３４および３６それぞれを有する圧電ダブルバイモルフを備える。駆動素子３０は、本開示では撓み運動として表わされ、二重矢印４２によって示されるように図中で上下ストロークを持つ屈曲運動状態に駆動される。能動部３４および３６の屈曲動作は、駆動パッド４０の方向４２の運動のみならず、方向４２に直角な方向の運動をも生成する。物体１は最終的に、駆動パッド４０との相互作用によって運動する。
【００１３】
駆動素子３０は一般的に、枢動支持体５２に近接して配置されたフレキシブルプリント回路基板５０の４つの電気端子に、一般的に機械的かつ電気的に接続される。ばね５４の先端５６と枢動支持体５２との間の接触は、電気機械駆動素子３０を浮動状態に懸架する。換言すると、担持体１５０は、電気機械駆動素子３０に平行な軸、つまり矢印１５７に平行な軸の周りに、枢支点１５２を中心にばね５４に対して枢動することができる。
【００１４】
モータは一般的に、２つの位相シフト信号を２つの相に印加することによって動作する。４つの端子つまり相ＡおよびＢ、Ｇｎｄ、ならびにＶｃｃが一般的に使用される。モータは一般的に比較的大きい周波数範囲で、一般的におよそ第２撓み共振周波数およびそこから２５％付近で動作する。機能は、駆動パッド上の接触点が楕円軌道に沿って運動する、従来の超音波モータと同様である。駆動方向−ｘ方向−に沿った運動は基本的に、撓みモードが自由ビームの２次撓みモード共振に密接に関連することによって生じる。このモードは３つの節点を含む。この共振は、駆動素子が駆動ロッドと接触しないとき、および駆動パッドが駆動ロッドが接触しているときの異なる条件のため、動作中に拡張される。
【００１５】
したがって、物体１の実際の運動は一般的に、電気機械駆動素子３０の振動運動に依存する。この振動は、一方では電気機械材料および電極の構造ならびに材料を励起させる電圧信号に依存し、他方ではフレキシブルプリント回路基板５０、駆動パッド４０、物体１自体、枢動支持体５２、およびばね５４のような周囲の部品との相互作用に依存する。摩擦、弾性特性、質量等を含むパラメータは、電気機械駆動素子３０の実際の振動状態を決定するのに重要である。したがって、一般的な場合、優れた予測性および再現性をもたらす精度でそのようなパラメータを全部制御することは非常に難しい。多くの先行技術を実施する場合、設計を実験的に試験し、優れた動作を達成するために組立時に調整しなければならない。そのような状況は一般的にあまり充分ではなく、動作を全体的にいっそう適正に制御することが希望される。
【００１６】
機械科学では、完全に自由な振動ビームの状態はかなりよく理解されている。図２Ａは、そのようなビーム１００を概略的に示す。破線の曲線１０２は、特定の振動モード（１次共振モード）中のビームのストロークを示す。２つの節点が１５５によって表わされる。図２Ｂは、破線の曲線１０６によって指定される別の振動モード、２次共振モードの同じ自由ビーム１００を示す。３つの節点が１５５によって表わされる。図２Ｃは、破線の曲線１１０によって指定される別の振動モード、３次共振モードの同じ自由ビーム１００を示す。４つの節点が１５５によって表わされる。周波数、ストローク振幅、エネルギ含量等が比較的容易に決定される。
【００１７】
しかし、図２Ｄに示すように、そのようなビーム１００に駆動パッド１１４および／または枢動支持体１５２が例えば支持レバー１１６を介して設けられる場合、特に駆動パッドが物体１から断続的に離れたり接触するモータ動作中には、状況は急速に複雑になる。図２Ｄで、駆動パッド１１４は、その質量、ばね定数、長さ、摩擦係数、減衰特性、駆動ロッドとの相互作用特性等に応じて、振動に影響を及ぼす。枢支点１５２の並進および回転ばねならびに減衰特性、ならびに支持レバー１１６の高さ、ばね、および減衰特性も重要である。
【００１８】
本実施形態の駆動素子は、動作中に少なくとも部分的にモータ固定子および駆動ロッド（または被運動物体）に固定される。図２Ｅで、３つの固定点が１１８および１２０によって表わされる。駆動素子は動作中に常に、点１１８を中心とする回転を基本的に許容しながらｘ方向の並進運動を基本的に抑止するように、点１１８またはその近くに固定される。この枢支点は、所望する振動モードの節点の近くに選択される。上で略述した通り、３つの節点を有し、そのうちの２つが点１１８の近傍に位置する振動モードはおそらく、ｘ方向の運動に深く関与する。図２Ｂから分かるように、駆動素子の中間に配置される駆動パッドの先端は、基本的にｘ方向の運動を実行する。素子のストロークは文字「ｓ」に類似しており、該振動モードを本開示では「ｓモード」と呼ぶ。点１１８のみで固定される素子のｓモードの共振周波数は、完全に自由な素子の対応する共振値に比較的近い値を持つ。
【００１９】
実際には、点１２０のｘ方向の固定は、素子を点１１８で、または素子の節点の近くでｘ方向に固定する必要がある。多くの場合、駆動素子が一般的に節点の近くに半田付けされるフレキシブルプリント回路基板は、固定力に対抗する。フレキシブルプリント回路基板は例えばモータハウジングに接着するか機械的に締結することができる。点１２０のｚ方向の固定は通常、面平行な被運動物体の両側に均等な駆動素子がある左右対称な配置によって達成される。
【００２０】
駆動素子をｘ方向に固定する１つの方法は、ばねを用いて電気機械駆動素子（３０）をアクチュエータの安定な部分に締結することである。
【００２１】
駆動パッドの先端と接触している被運動物体が無限に小さい質量を持ち、かついずれかの方向に自由に運動することができる場合、駆動素子の振動モードは影響されない。しかし、そのような状況ではない。駆動パッドと被運動物体との間の接触は追加的固定点１２０として作用し、それは振動挙動を変化させる。駆動パッドのｚ方向、つまり被運動物体に対し垂直方向の並進の制約は、駆動パッドが節点の近くに取り付けられているので、ｓモードの挙動にはあまり大きく影響しない。対照的に、例えば重い運動物体によって引き起こされるｘ方向の並進の制約は、ｓモードにかなり影響する。運動の可能性が完全に妨げられると、図２Ｆに破線曲線１０８によって示される別の振動モードが発生する。ここでそれを「ひずみｓモード」と名付けることにしよう。したがって、そのようなモードの共振周波数は、節点１２０には全く抑制を持たないｓモードとは大きく異なる。
【００２２】
自由素子について図２Ａに示した１次撓み振動モードは、２次撓み振動モードよりずっと低い共振周波数を有する。素子のストロークの形状のため、このモードは本開示では「ｃモード」と表わされる。ｓモードの場合と同様に、枢支点１１８で素子を固定すると、ｃモードの周波数は多少変化するが、主要な撓み挙動には影響しない。しかし、点１２０における固定の導入は、この場合、劇的な結果をもたらす。点１２０の近くでｚ方向に自由に運動する能力に対する制約は、完全に新しいタイプの振動モードを生成させる。多くの設計の場合、新しいタイプの共振モード、εモードが現われることが明らかになっている。このεモードは図２Ｇに破線曲線１１２で概略的に示され、２つの節点１５５を有すること、および素子の中間部分１１１が両側の部分１１３、１１５より低いストローク振幅を有することを特徴とする。換言すると、εモード１１２は節点１５５と中間部分１１１との間のどこかに最大ストローク振幅を有する。それにもかかわらず、２つの外側の節点１５５の間に追加節点は無い。
【００２３】
εモードを観察すると、中間部分のｚ方向の運動の制約は極めて重要であることに気付くかもしれない。しかし、εモードは略対称であるので、ｘ方向の挙動は全くまたは少なくともあまり重要ではない。素子を非常に強く剛直に固定すると、中間部分のストロークは結果的に小さくなる。中間部分の運動の制約が絶対的である、極端な理論上の場合、状況は図２Ｈに破線曲線１１９で示すものと同様になる。図２Ｆおよび２Ｈの状況を比較することにより、「剛直」ｓモードおよび「剛直」εモードの振動状態は同一であり、それらが理論的に同一共振周波数に現われるはずであることに気付く。ｓモードは主にｘ方向の運動特性によって影響され、εモードはｚ方向の運動特性によって影響されるので、εモードの共振周波数がｓモードの共振周波数に比較的近くなるように、素子の特性を適応させることが可能であろう。一般的に、ｘ方向の剛直な特性は、ｓモードの共振周波数を増大させる傾向がある一方、ｚ方向に剛直な特性はεモードの共振周波数を増大させる傾向がある。
【００２４】
動作中に、動作サイクルは素子が被運動物体との機械的接触を解放する位相を含まなければならないので、さらにいっそう複雑な状況が発生する。駆動パッドと物体との間の接触が存在する限り、素子を３点で固定するのと同様の状況が存在する。しかし、駆動パッドが物体を解放したときには、素子を２点で固定するのと同様の状況が存在する。したがって、３点固定状況および２点固定状況の間の一種の混合である振動状況が存在しなければならない。解放周期は振動周期より短いので、プロセスは励起動力学によって影響され、３点または２点固定いずれかの場合に関連する共振周波数の観点では完全に説明することができない。そのような高速の事象過程を追跡することは、事実上、極めて困難である。今日の利用可能な解析ツールでは、かくして、素子の振動特性を調整するためにそのような直接解析を使用することは適さない。
【００２５】
本発明では、よく特徴付けられた固定状態の関連振動モードの上記理解を考慮して、代わりに、実験的に優れた動作特性をもたらすそのような明確に定められた振動モードの特性を求めることを提案する。かくして、素子が２つの外側の点だけで固定されている状況の場合のｓモードの共振周波数とは２５％未満異なる、εモードの共振周波数を有する電気機械駆動素子が、一般的に優れた動作特性を有するモータ組立体をもたらすことが分かっている。ｓモードの測定は、素子が２点または３点で固定されているときに行なわれる。εモードの測定は、素子が素子のそれぞれの外側部分の枢動支持体のみならず、駆動パッドでも固定されているときに行なわれる。そのような測定は、モータへの最終組立ての前に実行することができるので、最終組立ての前に振動特性を変更するために素子に対し修正を行なうことさえもできる。
【００２６】
モータは、制御されたεモード振動を持つように、様々な方法で作製することができる。図３は、モータハウジング内の何らかの適度に安定な支持部５９に取り付けられ、駆動パッドの反対側で駆動素子の中間を押圧して法線力５８を生成する、ばね５７を利用した別の実施形態である。ばね５７は、所望の周波数のＳモードの振動を維持するために、素子の駆動パッド側のばね定数およびｘ方向の比較的弱いばね定数に匹敵するｚ方向のばね定数を有する。
【００２７】
別の実施形態を図４に示す。この場合、駆動素子３０の両側に同様の駆動パッド４０があり、被運動物体１は両方の駆動パッド４０を同時に押圧する。この駆動素子３０上の駆動パッド４０の２つの異なる接触点は両方とも、破線で示される楕円軌道に沿って、ただし逆方向に移動する。簡潔にするために、楕円軌道に沿った移動の半分で、駆動パッド４０が物体１と接触すると考えた場合、上部駆動パッドは物体１を接触点４１で左側に移動させる。下部駆動パッドは同時に物体１から解放される４５。半サイクル後、上部駆動パッドは解放され、下部駆動パッドは物体１と接触して、それをさらに左側に移動させる。図から分かるように、上部駆動パッドは次いで逆戻りすることができ、点４３を通過した直後に最初のサイクルを繰り返す。
【００２８】
第３の実施形態を図５に示す。この場合、駆動パッド４０は円筒状の穴４７を有し、その中に駆動ロッド１が挿通される。穴４７を画定する駆動パッド４０の表面は、駆動ロッド１に力を加える。穴／ロッドは所望のεモード振動を生成するばね定数を有するので、駆動機構は図４で記載したものと同様である。両側に穴／ロッドを持つ対称型の配置は、システムに望ましくない振動を防止するのに有利であるが、場合によっては１つの駆動ロッド１だけを使用することができる。
【００２９】
図４および５の両方において、駆動パッド４０と物体１との間の許容差は重要な製造ステップである。１つの技法は、所望の法線力が一般的に製造許容差内で達成されるように、低めのばね定数を持つ物体１を使用することである。別の製作技法は、顕著な非弾性を有する材料の駆動パッド４０を使用することである。つまり、それらは徐々に弾性的に変形し、許容差はこの非塑性変形によって補償される。言うまでも無く様々なタイプの塑性変形を使用することができるが、そうすると法線力が時間と共に減少する危険性がある。それでもなお、一部の用途は、関連する性能の経時的変化を容認する。
【００３０】
図６は、共振周波数の例を示すグラフである。線１５０は、完全に自由な（理論的）駆動素子のｃモードの共振周波数を示す。試験実施形態の場合、シミュレーションから、該共振周波数が３０ｋＨｚ付近であることが得られている。同じ駆動素子のｓモードの共振周波数は、線１５４で示すように約８０ｋＨｚに現われる。駆動素子を駆動素子のそれぞれの外側部分の位置で固定する場合、振動状態は変化する。ｓモード（線１５６）は約７８ｋＨｚの共振周波数ｆ１に移動する。最後に、駆動素子が駆動パッドでも固定されると、新しいタイプの振動モードが現われる。εモード（線１５８）は、試験セットアップで、約９０ｋＨｚの共振周波数ｆ３に現われる。対応する「歪み」ｓ状モード（図２Ｆ参照）（線１６０）は、約１００ｋＨｚの共振周波数ｆ２に現われる。
【００３１】
振動周波数の測定は様々な方法で実行することができる。使用できることが立証されている１つの方法は、インピーダンススペクトルを記録することである。正弦形状の試験信号が駆動素子の相端子に接続される。信号は非常に明確に定められた周波数および指定された振幅を有する。測定接続は、駆動素子の接地端子に接続される。測定機器は、試験信号接続と接地接続との間のインピーダンスの大きさおよび位相を測定する。これは、実際の抵抗のみならず、複合リアクタンスも容易に導出可能であることを意味する。インピーダンスは試験信号周波数の関数として測定される。
【００３２】
測定周波数の適切な組を選択することによって、特定の周波数間隔が調べられる。測定値の大きさは一般的に、周波数の関数としてインピーダンス曲線にプロットされる。インピーダンス曲線の典型的な形状を図７Ａに示す。インピーダンスの大きさの極小が共振周波数１３０に現われる。動揺に、極大は反共振１３２に現われる。図１に提示したもののような対称な駆動素子では、対称性に関する情報も得ることができる。駆動素子の異なる部分に位相を接続することによって、非対称な共振が抑制される。これは、例えばｓモードが消滅する一方、ｃモードおよびεモードが残ることを意味する。
【００３３】
図７Ｂに、上述に従って３点で固定された駆動素子からのインピーダンススペクトルを示す。インピーダンススペクトルは、ノイズおよび無関係の微小な共振を抑制するために処理される。上部曲線１３４は１つの相と接地との間のインピーダンスの大きさであり、下部曲線１３６は一体に接続された相と接地との間のインピーダンスである。８９ｋＨｚの共振１３８は、対称な振動モード、この場合はεモードとして明瞭に識別される。約１００ｋＨｚの共振１４０は非対称なモード、この場合は歪みｓモードである。
【００３４】
図８は、本発明に係る駆動素子の製造方法の実施形態の主要ステップの流れ図を示す。手順はステップ２００から開始される。ステップ２１０で、励起電極を有する電気機械材料の体積が提示される。これは、先行技術で公知のいずれかの方法によって実行することができる。ステップ２１２で、駆動パッドが電気機械駆動素子の中間部分に取り付けられる。この取付けは、１つの実施形態では、接着によって実行される。電気機械駆動素子はステップ２１４で、２点および３点で固定され、対応する周波数ｆ１およびｆ２が測定される。ｓモードは、３つの節点を有し、そのうちの１つが駆動素子の中間部分に位置する振動モードである。ステップ２１６で、電気機械駆動素子は追加的に駆動パッドで固定され、εモードの第３共振周波数ｆ３が測定される。εモードは、中間部分の外側の各側に節点を１つずつ有する振動モードであり、中間部分は、中間部分と節点との間の部分のストローク振幅より小さいストローク振幅を有する。ステップ２１８で検査されたときに、第３共振周波数ｆ３が、共振周波数ｆ１および共振周波数ｆ２の平均から２５％の所望の許容差の範囲内に存在する場合、手順はステップ２９９に進み、そこで手順は終了する。しかし、ステップ２１８で、ｆ３がｆ１とｆ２の平均から２５％内に存在しないと結論付けられた場合、手順はステップ２２０に進み、そこで駆動パッドおよび／または取付けの手段が適応される。手順は次いで、更新された共振測定のためにステップ２１４に戻る。
【００３５】
図９は、本発明に係るモータの製造方法の実施形態の主要なステップの流れ図を示す。大部分のステップは図８に示すものと同一であり、説明は繰り返さない。ステップ２１８で検査したときに、第３共振周波数ｆ３が、共振周波数ｆ１および共振周波数ｆ２の平均から２５％の所望の許容差の範囲内に存在する場合、手順はステップ２２２に進む。ステップ２２２で、駆動素子はモータ内の被運動物体と固定子との間に配設される。駆動パッドはそれによって、物体と機械的に接触して配置される。手順はステップ２９９で終了する。
【００３６】
駆動ロッドから遠ざかる方向‐ｚ方向‐の運動は、上で詳述した通り、駆動素子および駆動パッドの両方が関与する共振である。ｚ共振に関与する全ての部品が重要であるが、駆動パッドと電気機械材料との間の接着剤シール、パッド自体および被運動物体との接触面は特に重要である。実際的な状況で、接触面の構造を決定し、接着剤の材料特性を最初に選択し、次いで要求される振動特性を達成するように、駆動パッドの幾何学的形状、材料特性、および接着剤の幾何学的パラメータを最適化することが好ましい。
【００３７】
駆動パッド４０は通常、図１０に概略的に示すように、接着剤６０によって駆動素子３０上に接着される。この実施形態では、駆動パッド４０は薄壁管の形状を有し、それはうまく働く幾何学的形状であることが立証されている。しかし、他の幾何学的形状および構成も可能である。接着剤材料の剛性は言うまでも無く、駆動素子全体の振動特性にとって重要である。駆動パッド４０の下の厚さ６６、幅６４、円筒の軸線に平行な長さ（図示せず）、および高さ６２などの幾何学的考慮点も、これらの構成要素は振動器の設計の一部でもあるので、よく制御することが重要なパラメータである。さらに、接着剤は振動に対する減衰効果を有し、一般的により平滑な動作をもたらすが、ストロークを低減させる。したがって共振周波数は、材料特性および幾何学的考慮点の両方に関する接着剤シールの変化により変位される。
【００３８】
一般的に、接着剤６０は完全に対称的にすることができず、結果的に、２つの反対の方向に駆動するときに例えば性能に差が生じる。これは、駆動パッド４０がｚ方向に押圧されるときの駆動パッド４０のｘ方向の傾斜の観点から説明することができる。したがって駆動パッド４０は、この傾斜が最小限に低減されるように作らなければならない。駆動素子３０に対する平坦な表面は、ｘ方向に安定な結合および制御された剛性の両方をもたらす。
【００３９】
図１１に示す、駆動パッド４０と駆動ロッド１（被運動物体）との間の接触面７０は、よく制御された接触状況を可能にしなければならない。表面の関連ばね定数は例えば磨耗に依存する。そのようなばね定数は、特定の用途で許容できる以上に大きく変化してはならない。したがって、例えば磨耗状況を慎重に考慮しなければならない。磨耗中に、生成される磨耗くずは一般的に接触状況を変化させ、ばね定数および／または減衰を低減または増大させ得る。磨耗くずは粒子として残り、あるいは表面に付着することがあり得る。したがって、例えばｚ共振に影響する特性に干渉することなく磨耗くずを維持することのできる、自然または人工凹部７４付きの接触面７０を持つことが好都合である。しかし、主面７２は、明確に定められた、好ましくは平坦な構造を持つべきである。したがって、表面は多数の凹部を持ち、平坦であることが好ましい。そのような表面は例えば、最初に表面を研磨し、次いで表面に意図的にキャビティ、溝、または他のタイプの凹所を設けることによって製造することができる。別の手法は、比較的粗い表面から着手し、表面を部分的に平坦化するものである。図１１の紙面に垂直な方向に駆動ロッド１と接触する歯付きの駆動パッド４０の１つの特定の設計は、良好な結果を示した。
【００４０】
駆動パッドとロッドとの間の摩擦は、慎重に制御しなければならない。摩擦係数が高すぎたり、低すぎると、モータの動作が妨げられる。摩擦力は素子の中間にトルクを引き起こすので、節点位置がわずかに変位し、これは特定の状態では、駆動パッドの接触点のストロークを増大させる。一般的に、摩擦係数は各々の特定の用途で最適化しなければならない。
【００４１】
駆動パッドの表面構造が動作特性にとって重要であるのと同様に、被運動物体の特性も重要である。物体表面の品質、つまり平坦性および窪みに関する問題は駆動表面の考慮事項に匹敵する。ここで、接触の幾何学的形状、例えばそれが直線的接触、歯、凸面等であるかどうかもまた関心事である。さらに、物体の材料一般もまた重要である。例えば物体の弾性特性は、駆動パッドとの相互作用挙動のみならず、物体の支持剛性にも影響する。また、質量分布は駆動パッドとの相互作用に影響する。
【００４２】
また、枢動支持体の取付けは実際の共振周波数にも影響することがあるので、それらも重要である。ここで、支持体間のばね剛性およびばね力が関心事である。
【００４３】
接着剤の材料および表面構造が選択されたときに、駆動パッドおよび駆動素子への接続の幾何学的考慮事項は、適切な機能が達成されるように調整しなければならない。制御しなければならない幾つかのパラメータがある。駆動パッドの幾何学的形状はおそらく、最も重要なものである。上で、円筒状の駆動パッドを例示的実施形態で使用した。しかし、他の形状も実現可能である。図１２は、興味深い駆動パッドの幾何学的形状の少数のさらなる実施例を示す。左側の２つはキャビティが組み込まれており、全体的剛性が低減される。次いで幾何学的形状を使用して、ｘ方向およびｙ方向それぞれの剛性を差別化することができる。右側の２つは、２つの異なる材料、例えば炭素補強ポリマによって構成される中実駆動パッドを示す。ここではまた、高さと幅との間の幾何学的関係が、ｘ方向およびｚ方向に異なる弾性特性をもたらす。真ん中の駆動パッドは、少なくとも２つの異なる傾斜の薄壁部分を持つΣまたはｓの形状を有し、法線力Ｆが加えられたときに、取付け面に直交方向δに変形するように設計されている。このタイプの設計は、ｘ方向およびｚ方向の両方のばね定数を同調させることを可能にする。一般的に、取付け面に直交する運動は、モータが両方の方向に同一性能を持つことを意味する。一部の用途では、１方向にずっと高い力を持つことが望ましく、その場合、ｚ方向に変形したときにｘ方向にも大きい動きがあるように、駆動パッドを非対称にすることができる。
【００４４】
駆動パッドの質量分布、破壊強度、降伏強度、および磨耗特性も慎重に選択しなければならない。安定な摩擦係数をもたらす低い定常磨耗が良好な解決策である。駆動パッドおよび取付け材料、例えば接着剤の破壊強度は、衝撃等に耐えるように充分に高くなければならず、降伏強度は構成要素の塑性変形を防止するのに充分に高くなければならない。
【００４５】
高負荷が加えられたときの機能をも改善する別の機構もある。図１３Ａに関連して、駆動素子３０は通常、枢動支持体５２で法線力を発生するばねによって適正に維持される。小さい負荷時に、駆動パッド４０の接触面はある種の楕円形路８０を実行する。ｘ運動は一般的にｚ運動より大きい。図１３Ｂのように大きい負荷が加わると、駆動パッド４０の摩擦力によって生じるトルク８２のため、駆動素子３０は回転する。駆動素子３０の回転αは、駆動パッド４０の運動の楕円軌道８４を対応する角度αだけ回転させる。したがって、この回転αは結果的にｚ運動を増大させる。ｚ運動の増大は次に、より高い駆動力を随伴し、動作の改善をもたらす。したがって、駆動素子３０がこのように回転することを可能にする、ばねおよび機械的支持体を使用することが重要である。
【００４６】
駆動ロッドの案内は、振動および引出し効果（ｄｒａｗｅｒ  ｅｆｆｅｃｔ）を最小限に低減することができるように行なわれることが好ましい。案内部間に小さい遊びを用いることで摩擦が低減され、より高い力を出力することが可能になる。
【００４７】
本発明に係る駆動素子を含むモータは、１つまたは２つの単純な方形波信号により駆動させることができる。インダクタをモータ相と直列に使用し、かつ電圧を固定しなければならない場合、モータ相の電圧を他の手段によって調整しなければならない。１つの優れた解決策は、相電圧を調整するために、方形波のデューティサイクルを変化させることである。この解決策は現代のデジタルエレクトロニクスと充分に両立し、モータの速度を調整する方法をもたらす。したがってデューティサイクルは速度に直接関係する。速度を調整する別の一般的な方法は、相ＡおよびＢに加えられる２つの信号間の位相シフトを変化させることである。
【００４８】
本発明に係る駆動素子は、駆動速度を調整する別の方法をも可能にする。モータは一般的に比較的大きい動作周波数範囲を有し、一般的に（３点固定）εモードが（２点および３点固定）２次共振周波数の間に位置する。これは通常、周波数に関連する駆動ロッドの駆動速度をもたらす。そのような関係の１例を図１４に曲線１７０で示す。したがって駆動速度は、単に周波数を変化させるだけで調整することができ、幾つかの用途で非常に便利である。
【００４９】
本開示全体を通して、添付の図面の特定の細部は、実際の場合には非常に小さい効果を可視化するために、極端に誇張されて描かれている。したがって、図面は特定の尺度で描かれていると考えるべきではなく、１つの同じ図中の異なるサイズの比較は適切ではない。
【００５０】
上述した実施形態は、本発明の少数の実証的実施例として理解されたい。本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態に様々な変形、組合せ、および変化を施すことができることを当業者は理解されるであろう。特に、異なる実施形態における異なる部分的解決策を、技術的に可能な場合に、他の構成で組み合わせることができる。しかし本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】電気機械モータの実施形態の略図である。
【図２Ａ】電気機械駆動素子の振動モードを概略的に示す図である。
【図２Ｂ】電気機械駆動素子の振動モードを概略的に示す図である。
【図２Ｃ】電気機械駆動素子の振動モードを概略的に示す図である。
【図２Ｄ】駆動パッドおよび枢動支持体を有する電気機械駆動素子の実施形態を示す。
【図２Ｅ】本発明に係る電気機械駆動素子の固定点を示す。
【図２Ｆ】電気機械駆動素子の振動モードを概略的に示す図である。
【図２Ｇ】電気機械駆動素子の振動モードを概略的に示す図である。
【図２Ｈ】電気機械駆動素子の振動モードを概略的に示す図である。
【図３】本発明を適用することのできる電気機械モータの実施形態の略図である。
【図４】本発明を適用することのできる電気機械モータの別の実施形態の略図である。
【図５】本発明を適用することのできる電気機械モータのさらに別の実施形態の略図である。
【図６】様々な固定状況に対するｃ、ｓ、およびε振動モードの共振周波数を示すグラフである。
【図７Ａ】共振周波数のインピーダンス測定の典型的な結果を示すグラフである。
【図７Ｂ】共振周波数のインピーダンス測定の典型的な結果を示すグラフである。
【図８】本発明に係る駆動素子製造方法の実施形態の主要ステップの流れ図である。
【図９】本発明に係る電気機械モータ製造方法の実施形態の主要ステップの流れ図である。
【図１０】本発明に係る電気機械駆動素子で有用な駆動パッドの実施形態の略図である。
【図１１】本発明に係る電気機械モータで有用な駆動パッドおよび被運動物体の実施形態の略図である。
【図１２】本発明に係る電気機械駆動素子で有用な駆動パッドの他の実施形態の略図である。
【図１３Ａ】図１に係る電気機械モータの大きい負荷時に発生する傾斜効果の略図である。
【図１３Ｂ】図１に係る電気機械モータの大きい負荷時に発生する傾斜効果の略図である。
【図１４】本発明に係る電気機械モータの実施形態における駆動周波数と駆動速度との間の典型的な関係を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
2008530966.tif 000009
【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008530966.tif 000015
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【国際調査報告】
2008530966.tif 000026
2008530966.tif 000027
2008530966.tif 000028