(57)【要約】  本発明によるマイクロステッピングモータは、ほぼ互いに直角に向けられた作用方向を有する２つの電気機械式の駆動エレメント（１０１，１０２）、特にピエゾ曲げ変換器を有している。これらのアクチュエータ（１０１，１０２）は駆動リング（１）に作用し、これによりシャフト（２０８）を回転させる。これらのアクチュエータ（１０１，１０２）は、内側に位置する駆動リング（１）と、フレーム（４）と、Ｕ字形のアウタフレーム（６）とを備えた、ねじり剛性的な、互いに内外に入り組んだフレーム形の全体構造体（駆動モジュール）を介して非半径方向で駆動リング（１）に枢着されている。駆動モジュールが射出成形部品として一体に形成されているコンパクトな駆動装置が得られる。
2010527573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械式のモータ、特に圧電式のマイクロステッピング駆動装置において、
−２つの電気機械式の駆動エレメント（１０１，１０２）が設けられており、両駆動エレメント（１０１，１０２）が、ほぼ互いに直角に向けられた作用方向を有しており、
−駆動リング（１）内に回転可能に支承されたシャフト（２０８）が設けられており、該駆動リング（１）が、前記電気機械式の駆動エレメント（１０１，１０２）の、各作用方向への変位によって、前記シャフト（２０８）に直接に伝達可能なシフト運動を励起されて、前記シャフト（２０８）が、駆動リング（１）内で転動し、これにより回転するようになっており、
−ほぼ直角な剛性的なフレーム（４）と、該フレーム（４）をＵ字形に取り囲むアウタフレーム（６）とが設けられており、該アウタフレーム（６）が、Ｕ字体の両脚部を成すＵ字体脚部（６ａ，６ｂ）と、両作用方向のうちの一方の作用方向に対してほぼ平行に配置された、Ｕ字体の基部を成す１つの基部エレメント（７）とを備えており、前記Ｕ字体脚部（６ａ，６ｂ）の端部に結合された前記フレーム（４）が、ほとんど力を加えることなしに前記基部エレメント（７）に対して相対的に剪断の形で、前記基部エレメント（７）に対して平行な作用方向にシフト可能であり、
−前記フレーム（４）の内部に配置され、かつ前記基部エレメント（７）に対してほぼ平行に配置されたロッドエレメント（３ａ，３ｂ）を介して前記フレーム（４）に結合された駆動リング（１）が、前記フレーム（４）に対して相対的に剪断の形で、前記基部エレメント（７）に対して直角な作用方向にシフト可能であり、
−前記基部エレメント（７）に対して平行な作用方向に対応する駆動エレメント（１０１）が前記フレーム（４）に枢着されており、前記基部エレメント（７）に対して垂直な作用方向に対応する駆動エレメント（１０２）が駆動リング（１）に枢着されている
ことを特徴とする、電気機械式のモータ。
【請求項２】
アウタフレーム（６）のＵ字体脚部（６ａ，６ｂ）が、それぞれ固体ジョイント（９）によって基部エレメント（７）と前記フレーム（４）とに結合されており、前記ロッドエレメント（３ａ，３ｂ）が、それぞれ固体ジョイント（５）によって駆動リング（１）と、前記フレーム（４）の、前記基部エレメント（７）に対して直角に配置された両フレームエレメント（４ｂ，４ｄ）のいずれか一方のフレームエレメントとに結合されている、請求項１記載の電気機械式のモータ。
【請求項３】
前記固体ジョイント（５，９）が、それぞれ前記ロッドエレメント（３ａ，３ｂ）およびアウタフレーム（６）のＵ字体脚部（６ａ，６ｂ）の短い区分に設けられた横断面減少部によって形成されている、請求項２記載の電気機械式のモータ。
【請求項４】
駆動リング（１）に、前記基部エレメント（７）に対して直角に配置されたそれぞれ１つのブラケットエレメント（１０３）を剛性的に取り付けるための少なくとも１つのピン（１５）が組み込まれており、該ブラケットエレメント（１０３）の反対の側の端部に、前記基部エレメント（７）に対して垂直な作用方向に対応する駆動エレメント（１０２）が作用している、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
【請求項５】
アウタフレーム（６）の両Ｕ字体脚部（６ａ，６ｂ）のうちの一方のＵ字体脚部の端部の、前記フレーム（４）に対する結合部が、フレーム角隅（１４）として形成されており、該フレーム角隅（１４）に抗張抗圧ロッド（１２）が結合されており、該抗張抗圧ロッド（１２）が、前記Ｕ字体脚部（６ａ，６ｂ）の両端部を結合するフレームエレメント（４ａ）の外側でかつ該フレームエレメント（４ａ）に対して平行に配置されており、前記抗張抗圧ロッド（１２）の自由端部が、前記フレームエレメント（４ａ）の、前記フレーム角隅（１４）とは反対の側の端部を超えるまで延びており、前記抗張抗圧ロッド（１２）の自由端部に、前記基部エレメント（７）に対して平行な作用方向に対応する駆動エレメント（１０１）が作用している、請求項２から４までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
【請求項６】
抗張抗圧ロッド（１２）および／またはブラケットエレメント（１０３）が、それぞれその両端部に向かって１つの固体ジョイント（１３，１９）を有している、請求項４または５記載の電気機械式のモータ。
【請求項７】
２つの電気機械式の駆動エレメント（１０１，１０２）が、曲げ変換器、有利には圧電式の曲げ変換器である、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
【請求項８】
アウタフレーム（６）の基部エレメント（７）がその両端範囲の一方の端範囲で、ハウジング（２００）内に固定可能な位置固定エレメント（８）に固く連結されており、該位置固定エレメント（８）が、２つの収容部（１０ａ，１０ｂ）を有しており、該収容部（１０ａ，１０ｂ）が、それぞれ１つの曲げ変換器（１０１，１０２）の固定側の端部を剛性的に取り付けるために設けられており、アウタフレーム（６）の基部エレメント（７）もしくは両Ｕ字体脚部（６ａ，６ｂ）のいずれか一方のＵ字体脚部の側方外側に各１つの曲げ変換器（１０１，１０２）が配置されている、請求項７記載の電気機械式のモータ。
【請求項９】
駆動リング（１）を備えた前記フレーム（４）と、アウタフレーム（６）と、位置固定エレメント（８）とが、プラスチック射出成形技術で一体に製作された１つの駆動モジュールを形成しており、該駆動モジュールの射出成形時に前記曲げ変換器（１０１，１０２）が、該駆動モジュール内に一緒に埋め込まれている、請求項８記載の電気機械式のモータ。
【請求項１０】
カバー（２０７）を備えたほぼ直方体形のハウジング（２００）が設けられており、該ハウジング（２００）内に、当付け面（２０６）と第１の軸受け孔（２０２）とを備えた中央の軸受け台（２０１）が設けられており、前記カバー（２０７）にシャフト（２０８）のための第２の軸受け孔（２０７ａ）が設けられており、位置固定のために設けられた、前記基部エレメント（７）に固く連結された位置固定エレメント（８）が、ハウジング角隅（２０５）に配置されていて、剛性的でかつ耐久性良く位置固定されており、シャフト（２０８）に設けられた少なくとも１つの円筒状の転動面（２１４）が、駆動リング（１）に設けられたリング孔（２）に設けられた対応する転動面（１ａ）内で転動するようになっている、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
【請求項１１】
前記シャフト（２０８）が、ディスク状の中間部分を備えて形成されており、該中間部分に設けられた、第１の環状の端面が前記軸受け台（２０１）に載着されており、前記中間部分の外周面が、前記シャフト（２０８）の円筒状の転動面（２１４）を形成している、請求項１０記載の電気機械式のモータ。
【請求項１２】
前記シャフト（２０８）の軸線のｚ方向における位置固定を確保するために、前記シャフト（２０８）を貫通させるための孔（２０９ａ）を備えたＵ字形ばね（２０９）が設けられており、該Ｕ字形ばね（２０９）は、一方では前記シャフト（２０８）のディスク状の中間部分に設けられた第２の環状の端面に、他方では前記カバー（２０７）が装着された状態で前記カバー（２０７）の所定の面に、前記シャフト（２０８）の回転が、著しく妨げられないようにそれぞれ支持されている、請求項１１記載の電気機械式のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械式のモータ、特に圧電式のマイクロステッピング駆動装置に関する。
【０００２】
自動車のコックピットは、デザインと技術との最適な融合を実現しようと試みている。運転者の視界には、種々の指針インストルメントが位置している。これらの指針インストルメントは種々異なる技術的な要求に応えると同時に、自動車の大量生産のための競争力のある価格を有していなければならない。このような指針インストルメントの１例は、シーメンスＶＤＯ社（Firma Siemens VDO）の計器「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ  ２０００」である。
【０００３】
「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ  ２０００」は、単段式のウォーム歯車伝動装置を用いて減速されるステッピングモータ駆動装置をベースとしている。４極式のこのステッピングモータは、時間の関数として、位相角度を互いに９０゜だけ位相シフトされた２つの正弦状のコイル電流曲線によって制御される。位相シフトの正負符号は、モータシャフトの回転方向を決定し、周波数はモータシャフトの回転速度を決定する。正弦状の電流曲線の３６０゜の完全な１周期の枠内では、最大１２８の中間段を再現可能に調節することができる。これらの中間段の使用は「マイクロステッピング運転」と呼ばれる。
【０００４】
上で特徴付けられたステッピングモータを内容とする、完全な作動駆動装置「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ  ２０００」は、１２個の個別部分から成っている。このステッピングモータ自体は１つの共通のステータ金属薄板と１つの永久磁石ロータとを備えた２つのコイルから構成されている。構成部分コストに関しては、コイルおよび永久磁石が最も大きな比重を占める。価格を決定する要因となるのは、材料コストの他に同じく製造コストである。製造コストは作動駆動装置のコンポーネントの数に対してほぼ比例して増大する。
【０００５】
欧州特許第１０９８４２９号明細書に基づき、新しいモータ原理に基づき作動する電気機械式のモータ、すなわち回転するコイルなしに作動する電気機械式のモータが公知である。このモータでは、作動中に少なくとも２つの電気機械的な駆動エレメントを時間的にずらして作動させることによって１つの駆動リングが循環シフト運動させられるので、この駆動リングから、特に該駆動リングの内部に位置するシャフトへの直接的な力伝達によってこのシャフトが回転させられる。駆動リングの循環シフト運動は、たとえば圧電式、磁気歪み式、電気歪み式または電気力学式に駆動されるアクチュエータによって生ぜしめることができるので、材料コストおよび製造コストの点で大量生産のために一層好適となる作動駆動装置が得られる。ピエゾアクチュエータは、該ピエゾアクチュエータのその都度のストロークが半径方向で駆動リングに作用するように駆動リングに取り付けられ、この場合、場合によっては、該駆動リングへのできるだけ対称的な力導入を達成するために、さらに別の手段が講じられる。
【０００６】
最後に挙げた技術的な事情では、たしかにトルク変動を有しない、極めて良好な等速回転特性（シャフトの目下の位置とは無関係な回転速度の不変性）を有する、機能の点で最適化された駆動装置が得られる。しかし、特に曲げアクチュエータの長手方向延在長さおよび半径方向の配置に基づき、平坦な駆動装置変化形はこの平面内での著しい所要スペースを必要とし、たいていはあまりコンパクトであるようには見えない。しかし、コンパクトで平坦な駆動装置は、コックピットインストルメントにおいて設定された、極めて狭められた構成スペース事情に基づいて早急に必要とされる。
【０００７】
本発明の課題は、構成部分点数、製作手間、構成スペース需要および機能性の点で最適化されたステッピング駆動装置、特にコックピットインストルメントの計器に用いられる小型作動駆動装置を提供することにある。
【０００８】
この課題は、請求項１に記載の電気機械式のモータ、特に圧電式のマイクロステッピングモータにより解決される。本発明の有利な構成および改良形は以下の説明、図面および請求項２以下に記載されている。
【０００９】
本発明による電気機械式のステッピング駆動装置は次のような特徴を有している：
２つの電気機械式の駆動エレメント（アクチュエータ）が設けられており、両駆動エレメントが、ほぼ互いに直角に向けられた作用方向を有しており、駆動リング内に回転可能に支承されたシャフトが設けられており、この場合、該駆動リングが、前記電気機械式の駆動エレメントの、各作用方向への変位によって、前記シャフトに直接に伝達可能なシフト運動を励起されて、前記シャフトが、駆動リング内で転動し、これにより回転するようになっている。さらに、ほぼ直角な剛性的なフレームと、該フレームをＵ字形に取り囲む外側フレームもしくはアウタフレームとが設けられており、該アウタフレームが、Ｕ字体の両脚部を成すＵ字体脚部と、両作用方向のうちの一方の作用方向に対してほぼ平行に配置された、Ｕ字体の基部を成す１つの基部エレメントとを備えており、前記Ｕ字体脚部の端部に結合された前記フレームが、ほとんど力を加えることなしに前記基部エレメントに対して相対的に剪断の形で、前記基部エレメントに対して平行な作用方向に移動可能もしくはシフト可能であり、さらに、前記フレームの内部に配置され、かつ前記基部エレメントに対してほぼ平行に配置されたロッドエレメントを介して前記フレームに結合された駆動リングが、前記フレームに対して相対的に剪断の形で、前記基部エレメントに対して直角な作用方向にシフト可能である。この場合、前記基部エレメントに対して平行な作用方向に対応する駆動エレメントが前記フレームに枢着されており、前記基部エレメントに対して垂直な作用方向に対応する駆動エレメントが駆動リングに枢着されている。
【００１０】
フレーム形に互いに内外に入り組んだ３つのエレメント、すなわち駆動リングとフレームとアウタフレームとを備えた本発明による全体構造体は、これらのエレメントもしくはその一部の部分的に剛性的で、部分的に剪断フレキシブル（scherflexibel）で、しかし全体的にはねじり剛性的である固有の結合部に基づいて、「フレーム運動機構（Rahmenkinematik）」を実現する。このフレーム運動機構では、公知先行技術とは異なり、曲げアクチュエータにより提供された力をリング孔の中心点に関して半径方向で駆動リングに導入することをもはや配慮しなくて済む。なぜならば、非半径方向の偏心的な力導入により生ぜしめられた、駆動リングへ作用するトルクは前記全体構造体および前記全体構造体の複数の角隅のうちの１つにおける位置固定部によって、たとえばハウジング内で、ほぼねじりなしに吸収されるからである。このことは、特にたとえばほぼ直方体形のフレーム状の全体構造体の外側に沿った駆動エレメントのスペース節約的な配置を可能にする。これにより、ステッピング駆動装置の極めてコンパクトで構成スペース節約的な構造が実現可能となる。本発明によるステッピング駆動装置はさらに、極めて少数の単純な構成部分によりすぐれているので、本発明によるステッピング駆動装置は大量生産のために特に適している。さらに、プラスチックとアクチュエータとの間の熱膨張差に基づいて生じる、ステッピング駆動装置の熱的な歪みが構造的に確実に吸収される。形状接続、つまり係合に基づいた嵌合、たとえば駆動リングとシャフトとの間に形成された歯列によって、センサおよび制御回路が要求される必要なしに、純粋に制御された運転において本発明によるステッピング駆動装置の極めて高い作動精度が達成される。
【００１１】
本発明によれば、コンパクト性を最適化するために、駆動リングに対する絶対的に完全に対称的な力導入が目標とされるわけではない。このことから機能の点で場合によっては生ぜしめられる結果、たとえば軽度の等速回転変動およびトルク変動は、別の手段によって、顧客固有の規格が引き続き維持される程度にまで低減され得る。特に小さなトルクは、駆動エレメントの、純然たる正弦曲線を変調させる制御によって補償され得る。
【００１２】
本発明の特に有利な実施態様では、アウタフレームのＵ字体脚部が、それぞれ固体継手もしくは固体ジョイントによって基部エレメントと前記フレームとに結合されており、前記ロッドエレメントが、同じくそれぞれ固体継手もしくは固体ジョイントによって駆動リングと、前記フレームの、前記基部エレメントに対して直角に配置された両フレームエレメントのいずれか一方のフレームエレメントとに結合されていることによって、剪断能力を３つのエレメントに分配すること、もしくはこれらのエレメントを互いに相対的に結合することが実現されている。ロッドエレメントと、アウタフレームのＵ字体脚部とがペアになってほぼ平行に配置されていることに基づき、駆動リングはフレームに対して相対的に、フレームはアウタフレームの基部エレメントに対して相対的に、それぞれ容易に（つまりほとんど力を加えることなしに）剪断運動することができるようになる。それに対して、ねじれに対しては、こうして形成されたフレーム形の全体構造体は高い抵抗を発揮する。
【００１３】
固体ジョイントは、それぞれ前記ロッドエレメントおよびアウタフレームのＵ字体脚部の短い区分に設けられた横断面減少部によって形成されていてよい。このことは、特に製作技術的に有利である。
【００１４】
力導入のためには、駆動リングに、前記基部エレメントに対して直角に配置されたそれぞれ１つのブラケットエレメントを剛性的に取り付けるための少なくとも１つのピンが組み込まれており、この場合、ブラケットエレメントの反対の側の端部には、前記基部エレメントに対して垂直な作用方向に対応する駆動エレメントが作用している。すなわち、フレーム形の全体構造体の内部における、つまり駆動リング自体に対する、前記基部エレメントに対して垂直な作用方向もしくは対応する駆動エレメントの、本発明による全体構造体においてジオメトリ的（幾何学的）に必要となる作用を製作技術的に簡単に実現することができる。
【００１５】
「基部エレメントに対して平行な作用方向」に関する力導入の点では、次のような実施態様が特に有利となる。すなわち、アウタフレームの両Ｕ字体脚部のうちの一方のＵ字体脚部の端部の、前記フレームに対する結合部が、フレーム角隅（フレームコーナ部）として形成されており、該フレーム角隅に抗張抗圧ロッドが結合されており、該抗張抗圧ロッドが、前記Ｕ字体脚部の両端部を結合するフレームエレメントの外側でかつ該フレームエレメントに対して平行に配置されており、前記抗張抗圧ロッドの自由端部が、前記フレームエレメントの、前記フレーム角隅とは反対の側の端部を超えるまで延びており、前記抗張抗圧ロッドの自由端部に、前記基部エレメントに対して平行な作用方向に対応する駆動エレメントが作用している。
【００１６】
さらに、上で挙げた両実施態様の改良形では、抗張抗圧ロッドおよび／またはブラケットエレメントが、それぞれその両端部に向かって１つの固体ジョイントを有していてよい。駆動リングにおける両電気機械式の駆動エレメント、有利には両圧電式の駆動エレメントのこのような剪断フレキシブルな枢着により、両駆動エレメントの運動方向が互いに分離されているので、両駆動エレメントがその運動に関して互いに邪魔し合わなくなるか、または極めて僅かにしか邪魔し合わなくなるという利点が得られる。すなわち、力導入時に損失エネルギが生じなくなる。
【００１７】
特に有利な実施態様では、２つの電気機械式の駆動エレメントが曲げ変換器、有利には圧電式の曲げ変換器として形成されていてよい。
【００１８】
圧電性のセラミック材料を主体とした、このような固体型の曲げアクチュエータは、数年来、様々な構造で工業的に多目的に使用されている。固体型の曲げアクチュエータは小さな構造、低いエネルギ需要および高い信頼性の点ですぐれている。すなわち、たとえば１つの圧電式の曲げアクチュエータは工業的な環境において少なくとも１０９サイクルの寿命を示す。小型作動駆動装置においてたとえば指針インストルメントのために使用される曲げ変換器は、典型的には、該曲げ変換器の運動させられる端部が約０．２ｍｍ〜２ｍｍの範囲の自由変位を有するように寸法設定される。さらに、曲げ変換器の自由に運動可能な端部の変位ロックの場合には、０．５Ｎ〜２Ｎの範囲内のロック力が達成される。曲げ変換器のほぼ直線状の変位は、その最大長手方向延在長さに関してその都度横方向に行われる。したがって、曲げ変換器の作用方向に相当する変位の方向は、曲げ変換器の長手方向軸線に対してほぼ直交する。
【００１９】
以下に挙げる配置により、本発明によるステッピング駆動装置の特にコンパクトな変化形が得られる。すなわち、アウタフレームの基部エレメントがその両端範囲の一方の端範囲で、ハウジング内に固定可能な位置固定エレメントに固く連結されており、該位置固定エレメントが、２つの収容部を有しており、該収容部が、それぞれ１つの曲げ変換器の静止側もしくは固定側の端部を剛性的に取り付けるために設けられているので、アウタフレームの基部エレメントもしくは両Ｕ字体脚部のいずれか一方のＵ字体脚部の側方外側に各１つの曲げ変換器が配置されている。
【００２０】
上記実施態様の有利な改良形では、駆動リングを備えた前記フレームと、アウタフレームと、位置固定エレメントとが、一緒になってプラスチック射出成形技術で一体に製作された１つの駆動モジュールとして形成されており、この場合、この駆動モジュールの射出成形時に前記曲げ変換器が、該駆動モジュール内に一緒に埋め込まれている。駆動モジュールをプラスチック射出成形技術で実現することは簡単でかつ廉価となる。この場合、射出成形作業工程に曲げアクチュエータを組み込むことにより、製作ステップ数は一層低減される。
【００２１】
駆動モジュールの剛性的な支承もしくは対応するシャフトの回転可能な支承のためには、カバーを備えたほぼ直方体形のハウジングを設けることが有利である。この場合、ハウジング内には、当付け面と第１の軸受け孔とを備えた中央の軸受け台が設けられており、前記カバーにはシャフトのための第２の軸受け孔が設けられており、位置固定のために設けられた、前記基部エレメントに固く連結された位置固定エレメントが、ハウジング角隅に配置されていて、剛性的でかつ耐久性良く位置固定されており、この場合、シャフトに設けられた少なくとも１つの円筒状の転動面が、駆動リングに設けられたリング孔に設けられた対応する転動面内で転動するようになっている。
【００２２】
以下に、本発明の有利な実施態様を図面につき詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】本発明によるステッピング駆動装置に用いられる駆動モジュールの１実施例を示す平面図である。
【図１Ｂ】本発明によるステッピング駆動装置に用いられる駆動モジュールの１実施例を示す斜視図である。
【図２Ａ】図１に示した駆動モジュールを、挿入された曲げアクチュエータおよびブラケットエレメントと共に示す平面図である。
【図２Ｂ】図１に示した駆動モジュールを、挿入された曲げアクチュエータおよびブラケットエレメントと共に示す斜視図である。
【図３】図２Ａもしくは図２Ｂに示したブラケットエレメントの平面図である。
【図４Ａ】シャフトおよび駆動モジュールを支承するためのハウジングを示す平面図である。
【図４Ｂ】シャフトおよび駆動モジュールを支承するためのハウジングを示す斜視図である。
【図５Ａ】図４Ａもしくは図４Ｂに示したハウジングに対して嵌合するカバーを示す平面図である。
【図５Ｂ】図４Ａもしくは図４Ｂに示したハウジングに対して嵌合するカバーを示す斜視図である。
【図６Ａ】本発明によるステッピング駆動装置を部分組立て状態で示す平面図である。
【図６Ｂ】本発明によるステッピング駆動装置を部分組立て状態で示す斜視図である。
【図７Ａ】Ｕ字形ばねを示す平面図である。
【図７Ｂ】Ｕ字形ばねを示す斜視図である。
【図８Ａ】本発明によるステッピング駆動装置のためのシャフトを示す平面図である。
【図８Ｂ】本発明によるステッピング駆動装置のためのシャフトを示す斜視図である。
【図９】本発明によるステッピング駆動装置を組立て状態で示す、ｚ軸に沿って断面した軸方向横断面図である。
【００２４】
本発明によれば、２つの曲げ変換器の適当な周期的な線状運動を重畳させることによって連続的でかつ均一な回転を発生させることを可能にする圧電式のステッピングモータが提供される。この目的のためには、曲げ変換器１０１，１０２（図２参照）が、ｘ−ｙ平面における剪断フレキシブル性を保証する、互いに入り組んだフレーム形の全体構造体によって、扁平な駆動リング１に結合されており、この場合、この駆動リング１は曲げ変換器１０１，１０２（図２参照）の互いに直角を成す作用方向ｘおよびｙに沿って並進可能となる。前記全体構造体には、本発明によるフレーム運動機構（Rahmenkinematik）が実現されている。方形のフレーム４は駆動リング１と、Ｕ字形のアウタフレーム６と、位置固定エレメント８と、場合によっては組み込まれた曲げ変換器１０１，１０２と一緒になって、以下において「駆動モジュール」と呼称される。この駆動モジュールは射出成形技術によってポリエチレン、射出成形プラスチック、ＰＯＭまたは別の適当な材料から製造可能である。
【００２５】
図１には、駆動モジュールが平面図（Ａ）および斜視図（Ｂ）で図示されている。この駆動モジュールは駆動リング１を有しており、この駆動リング１は円筒状のリング孔２を有している。このリング孔２の軸線は、たとえばデカルト座標系のｚ軸と整合している。デカルト座標系のｘ−ｙ平面は図平面に対して平行に延びている。駆動リング１は、ほぼ互いに平行に延びかつその長手方向延在長さがｘ方向に対してほぼ平行に向けられている２つのロッドエレメント（抗張抗圧ロッド）３ａ，３ｂによって、４つのフレームエレメント４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから成るフレーム４に結合されており、このフレーム４は機械的に十分な剛性を有していて、ほぼ直角でかつｘ方向もしくはｙ方向に対してほぼ平行に向けられている。駆動リング１とフレーム４とにおける抗張抗圧ロッド３ａ，３ｂの結合は、いわゆる固体継手もしくは固体ジョイント（Festkorpergelenk）５によって行われる。固体ジョイントは、慣用のジョイントと同様に（ただし、制限された角度範囲内でのみ）、接続された構成要素の互いに相対的な、ほぼスムーズな回転を可能にする。固体ジョイントの機能は曲げ原理に基づいている。短い区分においてロッド横断面を意図的に減少させることによって局所的な曲げが達成される。減じられたロッド横断面は著しく減じられた曲げ剛性をもたらす。しかし、横断面減少部は極めて局所化されているので、各ロッドの軸方向のばね率（剛性）はほとんど減じられない。
【００２６】
ロッドエレメント３ａ，３ｂの、ペアになって互いにほぼ平行にかつｘ軸に対して平行に延びている配置形式と、機械的に十分に剛性的な駆動リング１および機械的に十分に剛性的なフレーム４における、それぞれ固体ジョイント５によるロッドエレメント３ａ，３ｂの結合形式との組合せに基づき、駆動リング１を比較的容易に（つまりほとんど力を加えることなしに）フレーム４に対して相対的に剪断の形でｙ方向に移動させることができるようになる（変位部は僅か約１００マイクロメートルの範囲でしか運動しない）。しかし、駆動リング１のねじれや、フレーム４に対して相対的なｘ方向における駆動リング１の移動に対しては、前記構造体は所望通りに極めて高い抵抗を発揮する。
【００２７】
フレーム４は、互いにほぼ平行に延びかつその長手方向延在長さがｙ方向に対してほぼ平行に向けられている、Ｕ字体の脚部を成す２つのＵ字体脚部（抗張抗圧ロッド）６ａ，６ｂによって、Ｕ字体の基部を成す、機械的に十分に剛性的なＵ字体基部エレメント７に結合されている。２つのＵ字体脚部６ａ，６ｂはＵ字体基部エレメント７と共にフレーム４のための１つのＵ字形のアウタフレーム６を形成している。基部エレメント７は位置固定エレメント８と固く連結されている。フレーム４および基部エレメント７における機械的に十分に剛性的なＵ字体脚部（抗張抗圧ロッド）６ａ，６ｂの結合はやはり固体ジョイント９を介して行われる。
【００２８】
Ｕ字体脚部６ａ，６ｂの、ペアになって互いに平行でかつｙ軸に対してほぼ平行な配置形式と、機械的に十分に剛性的なフレーム４および機械的に十分に剛性的な基部エレメント７における、固体ジョイント９によるＵ字体脚部６ａ，６ｂの結合形式との組合せに基づき、フレーム４を比較的容易に（つまりほとんど力を加えることなしに）基部エレメント７に対して相対的に、もしくは位置固定エレメント８に対して相対的に剪断の形でｘ方向に移動させることができるようになる。フレーム４のねじれや、基部エレメント７に対して相対的な、もしくは位置固定エレメント８に対して相対的なｙ方向におけるフレーム４の移動に対しては、前記構造体は所要の極めて高い抵抗を発揮する。
【００２９】
フレーム４に対する駆動リング１の結合部の構造と、基部エレメント７を介して行われる位置固定エレメント８に対するフレーム４の結合部の構造とから得られる結果として、駆動リング１は位置固定エレメント８に対して相対的にｘ−ｙ平面においてほとんど力を加えることなしに、いずれの方向にも任意に移動可能で、ただしねじり剛性的に支承されている。この場合、全体構造体は「フレーム運動機構」と呼ばれる。駆動リング１に作用するいかなるトルクも、駆動リング１が著しく回転させられることなしに、このフレーム運動機構によって位置固定エレメント８に伝達される。
【００３０】
その結果、本発明によれば、曲げアクチュエータ１０１，１０２により提供された力が、リング孔２の中心点に関して駆動リング１内に半径方向で導入されることをもはや配慮しなくて済む。なぜならば、多かれ少なかれ偏心的となる、非半径方向の力導入により生ぜしめられた、駆動リング１に対するトルクは、フレーム運動機構と、ステッピング駆動装置のハウジング（以下の図４および図６参照）内に固く固定された位置固定エレメント８とによって、ねじれなしに吸収されるからである。
【００３１】
図１にさらに図示されているように、位置固定エレメント８はストリップ状の電気機械式（たとえば圧電式）の曲げアクチュエータ（図２参照）をねじり剛性的に取り付けるための収容部１０ａ，１０ｂを有している。この場合、位置固定エレメント８には、曲げアクチュエータの固定の端部を電気的にコンタクトするための手段（図示しない）が設けられていてよい（たとえばプレッシャコンタクトピン、クランプコンタクト、Ｕ字形ばねコンタクト等）。択一的には、曲げアクチュエータが、運動させられる範囲においても、つまり反対の側の可動端部においても、電気的に接続されていてよい。
【００３２】
位置固定エレメント８の収容部１０ｂに挿入したい曲げアクチュエータ１０１の、運動させられる端部１０１ａ（図２Ａ参照）を収容するためには、適当な収容体１１が設けられている。この収容体１１は剛性的な１つの抗張抗圧ロッド１２と、２つの固体ジョイント１３とを介して、ほぼ図面で見てフレーム４の右上側の角隅（コーナ部）１４に取り付けられている。
【００３３】
駆動リング１は、たとえば、以下に（図２および図３）詳しく説明する１つもしくは２つのブラケットエレメントを剛性的に取り付けるための１つまたは２つのピン１５を有している。
【００３４】
念のため付言しておくと、図１に示した本発明による駆動モジュールは、例示的な配置構成で図示されているに過ぎない。基部エレメント７がｘ軸に対して平行に配置されている状態のままで、たとえばＵ字形のアウタフレーム６が、図面で見てフレーム４を上方から、反転されたＵ字体の形で取り囲んでいてもよく、かつ／または駆動リング１がフレームエレメント４ｄではなくフレームエレメント４ｂに結合されていてもよい。
【００３５】
図２には、挿入された曲げアクチュエータ１０１，１０２とブラケットエレメント１０３とを備えた駆動モジュールが平面図（図２Ａ）および斜視図（図２Ｂ）で図示されている。第１の曲げアクチュエータ１０１は電気的に制御されるとｘ方向に変位するか、もしくは抵抗の場合にはｘ方向の力を発生させる。この運動もしくはこの力は機械的に剛性的に抗張抗圧ロッド１２によって、剛性的なフレーム４に伝達される。フレーム４はｘ方向に関して機械的に剛性的に駆動リング１に連結されているので、第１の曲げアクチュエータ１０１は駆動リング１をｘ方向に運動させるか、もしくは駆動リング１にｘ方向の力を加える。第２の曲げアクチュエータ１０２は電気的に制御されるとｙ方向に変位するか、もしくは抵抗の場合にはｙ方向の力を発生させる。この運動もしくはこの力は機械的に剛性的に、ブラケットエレメント１０３に設けられた抗張抗圧ロッド１６によって、剛性的な駆動リング１に伝達される。抗張抗圧ロッド１２，１６が、収容体１１，１７と、フレーム４もしくは対応部分１８と、さらに駆動リング１とにそれぞれ固体ジョイント１３，１９によって結合されていることに基づき、両曲げアクチュエータ１０１，１０２は完全に互いに別個に独立して作用するようになり、相互に影響を付与し合わなくなる。すなわち、両曲げアクチュエータ１０１，１０２は特にそれぞれ他方の曲げ変換器の比較的高い機械的な剛性に抗して作動しなくて済むようになる。つまり、曲げ変換器もしくは曲げアクチュエータ１０１，１０２の運動は互いに分離されている。
【００３６】
曲げアクチュエータ１０１，１０２が電気的に制御されると、曲げアクチュエータ１０１，１０２はほぼ円弧の形を描いて運動し、これにより、曲げアクチュエータ１０１，１０２の運動させられた端部における曲げ線（撓み線）の接線ピッチ（Tangentensteigung）が変化する。このような一種の「旋回運動」は固体ジョイント１３，１９によって確実に受け止められる。また、駆動モジュールに対して相対的な曲げアクチュエータ長さの変化（たとえばフレーム運動機構および曲げアクチュエータ材料の熱膨張差による）も、固体ジョイント１３，１９を有する抗張抗圧ロッド１２，１６の連結部によって確実に受け止められ、この場合、抗張抗圧ロッド１２，１６は、該抗張抗圧ロッド１２，１６の力伝達機能もしくはストローク伝達機能が損なわれることなしに最小限に回転させられる。
【００３７】
ようするに、曲げアクチュエータ１０１，１０２は駆動リング１を完全に互いに別個に独立して位置固定エレメント８に対して相対的にｘ方向もしくはｙ方向に運動させることが判る。フレーム運動機構によってリングねじれが阻止される。
【００３８】
図３には、適当なブラケットエレメント１０３が図示されている。ブラケットエレメント１０３は抗張抗圧ロッド１６と、１つの曲げアクチュエータ１０１，１０２の運動させられる端部１０１ａを取り付けるための収容体１７と、（たとえばプレス、接着等により）ブラケットエレメント１０３を駆動リング１に剛性的に取り付けるためのピン１５に対する対応部分１８とから成っている。収容体１７および対応部分１８はそれぞれ固体ジョイント１９を介して抗張抗圧ロッド１６に結合されている。１つのブラケットエレメント１０３または対称性の理由から２つのブラケットエレメント１０３を使用することができる（駆動モジュールの表側と裏側とにそれぞれ１つのブラケットエレメント１０３を備えた、図２Ｂに示した実施例参照）。
【００３９】
さらに、ステッピングモータにおける、駆動モジュールに結合されたフレーム運動機構の原理を実現するためには、１つのシャフトと、該シャフトの、できるだけ遊びのない、ただし回転可能な支承部と、駆動モジュールの剛性的な支承部とが必要となる：
図４には、このために適したほぼ直方体形のハウジング２００が平面図（図４Ａ）および斜視図（図４Ｂ）で図示されている。このハウジング２００は中央の軸受け台２０１を有しており、この軸受け台２０１は円筒状の滑り軸受け孔２０２を備えている。この滑り軸受け孔２０２は、引き続き組立てが行われた後に、この滑り軸受け孔２０２内で回転するシャフトに設けられた円筒状の滑り面と、遊び嵌めの形でペアリングされて対偶を成している。２つの隣接した内縁部の縁部長さ、たとえば内縁部２０３，２０４の縁部長さおよび滑り軸受け孔２０２の軸線の位置は、たとえばハウジング角隅２０５における位置固定エレメント８の（剛性的でかつ耐久性の良い）位置固定の際に駆動リング１のリング孔２の軸線が滑り軸受け孔２０２の軸線に対して整合するように設定されている。軸受け台２０１に設けられた当付け面２０６は、シャフトの転動面がｚ方向（図平面に対して直角の方向）において、リング孔２のｚ方向位置に対応する高さに位置するように測位されているので、曲げアクチュエータ１０１，１０２の適当な制御時にシャフトはリング孔２の円筒状の内面１ａ（図１Ｂ参照）内で転動することができる。
【００４０】
図５Ａおよび図５Ｂには、第２の軸受け孔２０７ａを備えた、ハウジング２００に対して嵌合するカバー２０７が図示されている。第２の軸受け孔２０７ａは図５に図示されているように、貫通孔として形成されているか、または択一的に、媒体または湿分に対する単純化されたカプセル封入の理由から、盲孔として形成されていてよい。この盲孔はシャフトに設けられた第２の円筒状の滑り面に対して、回転可能であるが密な遊び嵌めの形でペアリングされている。盲孔の孔軸線は、カバー２０７がハウジング２００内に挿入された状態でリング孔２の軸線と、ハウジング２００に設けられた第１の軸受け孔２０２の軸線とに対して整合する。
【００４１】
図６Ａおよび図６Ｂには、本発明によるステッピング駆動装置が部分組立て状態で図示されている。この場合、ステッピング駆動装置はハウジング２００内に組み付けられた駆動モジュールと、挿入された曲げアクチュエータ１０１，１０２と、挿入されたシャフト２０８と、挿入されたブラケットエレメント１０３とを備えている。
【００４２】
図７Ａおよび図７Ｂには、適当なＵ字形ばね２０９が図示されている。このＵ字形ばね２０９はシャフトを貫通させるための孔２０９ａを有しており、これにより、Ｕ字形ばね２０９が作動時にずれ動かなくなることが確保される。Ｕ字形ばね２０９は孔軸線近傍の面２１０を介して１本の接触線の形でシャフト２０８に支持されており、これにより、シャフト２０８に作用する、摩擦によって生ぜしめられた制動トルクができるだけ小さく保持される。さらに外側に位置する下側の面２１１は、Ｕ字形ばね２０９をカバー面に支持するために働く。組み付けられたＵ字形ばね２０９（図９も参照）は、一方ではシャフト２０８に、他方ではカバー２０７が挿入された状態でカバー２０７の所定の面に、それぞれ十分な、ただし小さな力によって支持され、これにより、シャフト２０８の回転を妨げる著しい摩擦力が生ぜしめられることなしに、シャフト２０８は軸受け台２０１の当付け面２０６に当て付けられた状態に保持される。こうして、駆動リング１およびシャフト２０８の転動面が、あらゆる運転条件下にｚ方向で互いに対して十分に正確に位置決めされたままとなることが確保される。
【００４３】
図８Ａおよび図８Ｂには、適当なシャフト２０８が図示されている。このシャフト２０８は２つの円筒状の滑り軸受け面２１２，２１３を有しており、両滑り軸受け面２１２，２１３は軸受け孔２０２，２０７ａの円筒状の内面とペアリングされている（対偶を成している）。シャフト２０８はさらに、少なくとも１つの円筒状の転動面２１４を有しており、この転動面２１４はリング孔２に設けられた少なくとも１つの転動面１ａ（図１Ｂ参照）とペアリングされている。この場合、滑り軸受け面２１２の軸方向の延長部は、ステッピングモータによって駆動したい各エレメントを接続するために働く。
【００４４】
図９には、本発明による駆動装置を組み立てられた状態で示す、ｚ軸に沿って断面した軸方向横断面図が示されている。図９は特にこの駆動装置の構成部分の互いに相対的な位置を示している。シャフト２０８は２つの個所で狭い遊び嵌めの形で滑り面ペア（対偶）２０７ａ，２１３および２０２，２１２によりｚ軸を中心にして摩擦少なく回転可能で、ただし並進に対しては機械的に剛性的に支承されている。適当なＵ字形ばね２０９が、当付け面２０６と協働してｚ方向に関してシャフト２０８を摩擦少なく位置固定された状態に保持している。駆動モジュールは休止状態においてリング孔２の転動面１ａを同心的に保持すると同時に、ｚ方向でシャフト２０８の転動面２１４に対して相対的な適当な位置においても保持している。
【００４５】
適当な電気的な制御機能を用いて、曲げアクチュエータ１０１，１０２はそれぞれその運動させられる端部１０１ａにおいて、休止位置を中心とした正弦形もしくは余弦形の時間的な曲線を描いて変位を実施し、これによりリング孔２の転動面１ａはシャフト２０８の転動面２１４と当接した状態に保持され、円形のシフト運動の形でシャフト２０８の転動面２１４を巡るように運動させられ、これによりシャフト２０８は回転させられる。駆動リング１のｘ変位もしくはｙ変位の相対的な位相位置によって回転方向が規定され、制御周波数によって回転速度が規定される。
【００４６】
極めて簡単な事例では、駆動リング１からシャフト２０８への力伝達が摩擦により行われる。この場合、このように形成された作動駆動装置の、シャフト２０８に作用する負荷トルクに関連してスリップが生じ、これにより作動駆動装置の精度が減じられる恐れがある。このスリップは有利には駆動リング１の転動面とシャフト２０８の転動面との間の形状接続、つまり係合に基づいた嵌合を導入することによって減じられる。この場合、このスリップは、特に駆動リング１の内面１ａと、シャフト２０８の外面もしくは転動面２１４とに歯列を施与することにより減じられる。駆動リング１およびシャフト２０８は少なくとも１の歯数差を有していると有利である。このことは、駆動リング１の内面に設けられた歯列が、シャフト２０８の外面２１４よりも少なくとも歯１つ分だけ多く有していることを意味する。歯列が噛合い解除されないように駆動リング１とシャフト２０８とが作動駆動装置内部で作動させられると、当該作動駆動装置は理想的にスリップなしで作動する。
【００４７】
駆動リング１およびシャフト２０８のサイクロイド歯列が特に有利であるとみなされる。サイクロイド歯列では、全ての歯のほぼ半数が噛み合っており、これにより駆動リング１とシャフト２０８との間の高いトルクが伝達可能となる。駆動リング１の内面１ａとシャフト２０８の外面２１４とに設けられた多数の歯を介して、まず、典型的に２０：１〜２００：１の範囲にある作動駆動装置の減速比が規定されている。作動駆動装置を歯１つ分だけ送るためには、すなわちシャフト２０８を駆動リング１によって歯１つ分だけさらに回転させるためには、有利には作動駆動装置の制御正弦信号の完全な１周期が実行されなければならない。歯１つ分だけ送るためには制御信号の１周期が実行されなければならないので、当該作動駆動装置は高い精度および高い反復精度によりすぐれている。さらに、歯の数および歯１つ当たりの制御信号の１サイクルの使用により、作動駆動装置の高い角度分解能が実現される。これに対して補足的に、制御信号の１周期内で任意に、作動駆動装置のマイクロステッピング運転を保証するために補間法を使用することができる。したがって、作動駆動装置は有利な構造によれば高い効率と、高い減速比と、駆動リング１およびシャフト２０８の歯列に基づいた、伝達可能な高いトルクと、トルク伝達時における無スリップ性と、シャフト２０８の１つの歯内での回転角度の任意の補間（マイクロステッピング運転）と、小さな駆動トルク変動（リプルRipple）と、駆動リング１およびシャフト２０８のための低い歯面負荷とを提供するので、同じく摩耗が減じられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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