(57)【要約】電気機械的、好ましくは圧電的モノリシック素子（３０）を用いるモータが開示される。素子（３０）は、非作動部（３１）により相互に接続された少なくとも二つの可動部又は変位部（３２Ａ、３２Ｂ）から構成される。各変位部（３２Ａ、３２Ｂ）は、少なくとも一つのユニモルフ又は好ましくはバイモルフ（３３Ａ、３３Ｂ）から構成され、作動体積が不活性部（３１）から外側へ平行に延伸し、電気機械的層間に配列された電極（１２）も同様である。変位部（３２Ａ、３２Ｂ）は、動かされる本体（２０）に対して実質的に同一面内で且つ平行に配置されている。  接触部は、中央の非作動部（３１）及び変位部（３２Ａ、３２Ｂ）に配列されている。中央接触部は作動面（３４Ｃ）であり、その他は固定子（２４）に取り付けるための取付け部（３６Ａ、３６Ｂ）である。取付け部（３６Ａ、３６Ｂ）は、本体（２０）の前記主変位方向（Ｘ）における動きに関して、固定子（２４）に固定される。作動面（３４Ｃ）は、取付け部（３６Ａ、３６Ｂ）に対し相対的に、二次元内で動くことが出来る。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子（２４）、動かされる本体（２０）及び少なくとも一つの電気機械的素子（３０）を具備する電気機械的モータであって、
前記電気機械的素子（３０）は、概ね細長い形状を有し；
前記電気機械的素子（３０）は、非作動部（３１）により相互に接続された、第一変位部（３２Ａ）及び第二変位部（３２Ｂ）を有し；
前記第一変位部（３２Ａ）及び前記第二変位部（３２Ｂ）は、それぞれ第一作動部（３３Ａ）及び第二作動部（３３Ｂ）から順次構成され；
前記第一及び第二作動部は、前記電気機械的素子（３０）の長手方向に延伸し、且つそれぞれ少なくとも一つの作動体積（１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ）及び前記作動体積（１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ）を作動させるための電極（１２）を具備し；
前記作動体積（１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ）は、それぞれ少なくとも一つの電気機械的層を具備し；
前記非作動部（３１）は、一作動面（３４Ｃ）を具備し；
前記第一変位部（３３Ａ）及び前記第二変位部（３３Ｂ）は、それぞれ前記非作動部（３１）から離れた位置に配列された取付け部（３６Ａ、３６Ｂ）を具備し；且つ
前記取付け部（３６Ａ、３６Ｂ）は、前記本体（２０）の主変位方向（Ｘ）における運動に関して、固定子（２４）に実質的に固定されており、
前記電気機械的素子（３０）が、前記本体（２０）の前記主変位方向（Ｘ）に対して実質的に平行に延伸し；
前記電気機械的素子（３０）が、一個の単独のモノリシック体として与えられており；且つ
前記電気機械的層及び前記電極の主表面の法線が、それぞれ、前記モノリシック電気機械的素子の作用する、前記本体表面に実質的に垂直と成るよう配列されていることを特徴とする電気機械的モータ。
【請求項２】
前記作動部が、それぞれ少なくとも二つの作動体積（１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ）及び前記作動体積（１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ）を作動させるための電極（１２）を具備した、バイモルフ部であることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械的モータ。
【請求項３】
前記電気機械的素子が概ね梁の形状をなし、その両端部（３５Ｂ、３５Ｄ）の近傍に前記取付け部（３６Ａ、３６Ｂ）を具備し、前記作動面（３４Ｃ）が実質的に前記梁状物の中心部に配置されており、それにより前記作動面（３４Ｃ）が前記梁状物の伸張部分に沿って（Ｘ）且つ前記梁状物に垂直な方向（Ｚ）に移動できることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電気機械的モータ。
【請求項４】
前記非作動部（３１）は梃子（４４）を有し、前記作動面（３４Ｃ）は前記梃子（４４）の先端に配列され、前記非作動部（３１）の回転により前記作動面（３４Ｃ）の並進をもたらすことを特徴とする、請求項１、２又は３に記載の電気機械的モータ。
【請求項５】
前記電気機械的素子が概ね円弧形状を有することを特徴とする、請求項１乃至４いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項６】
前記電気機械的層及び前記電極が、前記円弧形状の接平面に実質的に平行に配列されていることを特徴とする、請求項５に記載の電気機械的モータ。
【請求項７】
前記電気機械的層及び前記電極が、前記円弧形状の接平面に実質的に垂直に配列されていることを特徴とする、請求項５に記載の電気機械的モータ。
【請求項８】
前記作動面が、少なくとも二次元に移動できることを特徴とする、請求項１乃至７いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項９】
各変位部（３２Ａ、３２Ｂ）が、端部と端部が突き合わされた少なくとも二つのバイモルフ部（３３Ａ、３３Ｃ；３３Ｂ、３３Ｄ）を具備し、それにより各変位部が少なくとも四つの作動体積（６０Ａ〜Ｄ；６０Ｅ〜Ｈ）を具備することを特徴とする、請求項１乃至８いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項１０】
前記作動面が、摩擦を増加させる幾何学的構造（４９）を有することを特徴とする、請求項１乃至９いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項１１】
前記第一変位部（３２Ａ）における二つの電気機械的層間の電極（４０Ｄ）が接地され、前記第二変位部（３２Ｂ）における二つの電気機械的層間の電極（４０Ａ）が前記電気機械的素子の励起電圧の最大値（Ｕ）に対応する電圧に接続されていることを特徴とする、請求項２乃至１０いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項１２】
前記電気機械的層の材料が硬質圧電材料であり、且つ前記電気機械的層が全体積内において同一方向に予め分極されていることを特徴とする、請求項１乃至１０いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項１３】
前記電気機械的素子（３０）が、反復される小さなステップで前記本体（２０）に対して動作することを特徴とする、請求項１乃至１２いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項１４】
前記固定子が、前記電気機械的素子を前記本体（２０）に押し付ける弾性（５２）部材を備え、前記弾性部材（５２）は金属化されたフレキシブル印刷回路板であることを特徴とする、請求項１乃至１３いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項１５】
前記固定子（２４）の、前記電気機械的素子（３０）を取り付けてある部分（４７Ａ、４７Ｂ；４９Ａ、４９Ｂ）が、容易に傾けることが出来ることを特徴とする、請求項１乃至１４いずれかに記載の電気機械的モータ。
【請求項１６】
前記固定子の、前記電気機械的素子を取り付けてある前記部分が、可撓性材料から成る抓み（４７Ａ、４７Ｂ）であることを特徴とする、請求項１５に記載の電気機械的モータ。
【請求項１７】
電気機械的素子（３０）が、はんだバンプ（４９Ａ、４９Ｂ）に取り付けられていることを特徴とする、請求項１５に記載の電気機械的モータ。
【請求項１８】
前記はんだバンプ（４９Ａ、４９Ｂ）に接続された、前記固定子部内の金属バイア（５１）によって特徴づけられる、請求項１７に記載の電気機械的モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、小型モータ用の装置及び駆動方法に関し、詳しくは、小さなステップの反復に基礎を置く電気機械的モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
制御された微細な位置決めが出来る、極度に小型化されたモータを必要とする多くの応用製品がある。これらの中で、例えばカメラのような携帯用民生品は、低エネルギー消費、軽量及び廉価についての要求を追加している。要求される動きは、一般的には直線的であるが、しばしば親螺子などの運動変換機構と組み合わせた回転モータが使用される。運動範囲は、多くはミリメータの程度である。上述の全ての要求を満たすような実際の小型モータは、今までの所提案されていない。
【０００３】
一般に、固体アクチュエータ材料、及びある型の拡大機構の使用が、望まれている小型モータに付いての最善の解決策であると見られる。ＰＺＴ素子のような固体アクチュエータは、非常に高いエネルギー密度をもち、従ってモータの寸法が小型化できる。概して、現存する高密度エネルギーのアクチュエータ材料は、十分の一パーセントを超えて形状を変化させることはできず、そのことが小さな外形寸法の最適構造物を作ることを困難にしている。多くの応用製品において使用されて来た一つの部品は、圧電バイモルフ素子であり、それは曲げの様式において大きな内部運動拡大が達成できるからである。米国特許第４，２９１，９５８号において、拡大梃子と組み合わされたバイモルフ片持ち梁が、カメラの焦点合わせ用に提案さている。しかし、このような焦点合わせ装置の要求される行程距離が、装置の貧弱な剛性をもたらしている。米国特許第４，３３９，６８２号において、回転子を駆動するための弾性部材によって接続された、二つのバイモルフに基づくモータが呈示されている。一ステップ毎の動きが運動を拡大する。この構造の必要空間は別にして、回転運動の直線運動への変換は、通常、性能の低下をもたらすものである。ロータと駆動素子両者の、又はロータのみの歯と組み合わされて曲げの様式で動作するバイモルフが、例えば日本国特許６１−１７７１７８及び日本国特許２−１４２３６５の要約に開示されているように、機械的ステッピング・モータを構築するのに用いられている。曲がっているバイモルフからのエネルギー伝達を改善する方法が欧州特許第０９９３０５５号に示唆されている。この改善されたバイモルフは、超音波モータに使用することが意図されている。極度に小さな寸法が要求される応用製品を意図したモータが、スウェーデン（ＳＥ）特許第９３００３０５−１号に構築されて呈示されている。回転又は直線的並進が、動かすべき物体と直接接触したバイモルフを用いて、ステップ状の動きによってなされる。この発明において、バイモルフ素子は、バイモルフ素子の接触点が二次元で動くように駆動される、即ち、バイモルフは曲げと長手方向の両方で使用される。ドイツ国特許ＤＤ第１４３６８２号において、現在のところ最も近い先行技術であると考えられる、圧電スティック・スリップ・モータが開示されている。鋼／圧電素子サンドイッチ状物から成る二つのバイモルフが、鋼製中間非作動部により接続されている。非作動部部に接続された梃子が駆動される輪に作用する。バイモルフの同位相での曲げは輪を駆動するのに用いられ、一方バイモルフの位相を異にする曲げは、不活性部を回転させ且つ輪への接触圧を変化させる。しかし構造は、動かされる本体周辺の空間が狭い応用製品には、不適当である。米国特許第５，０８９，７４０号には、バイモルフに基づいた駆動機構が開示されている。組み合わされた運動様式を有する複雑な門形配列のバイモルフが呈示され、比較的高い剛性を具備している。しかし、全体の配列が空間消費的であり、その配列の部品を使用することは組み合わされた動きの利点を無くしてしまうことになろう。
【０００４】
幾つかの応用製品において、空間は決定的な因子であり、多くの場合、二次元片持ち梁バイモルフに対し、先行技術によって十分な剛性の支持体を供給できる空間はない。先行技術による更に複雑な配列は、このような応用製品には適切でない。従って、制限された機械的支持の下で狭い空間において動作出来る、簡単な駆動素子に対する必要性がある。
【０００５】
基本的に支持体の二つの考慮すべき性質がある。第一は、支持体の可撓性に起因するバイモルフ先端の曲げ偏差である。第二は、支持体の曲げに関しての等価質量に関係する支持体の曲げ剛性である。バイモルフの圧電的作動により達成されるのと同程度に、支持体の可撓性によりバイモルフの先端が動かされる場合は、ステップ状の動きを生成する方法は僅かしかない。スティック・スリップ機構、又は支持体の共振周波数より高い周波数での動作を意味する、支持体曲げ等価質量を利用する慣性機構、の何れかが使用できるかもしれない。支持体の共振周波数は、一般的にバイモルフ自身の共振周波数に近いが、それは、ばね定数及び質量がほぼ等しいからである。実行面では、設計が究極的に重要で、小型の寸法では性能がどちらかといえば悪くなるであろう。より剛性の高い支持体が用いられると、支持体の共振周波数は更に高くなり、利用できる動作周波数範囲が減少乃至は消滅してしまうことさえあるであろう。本質的には、設計に自由度を与え且つ性能の最適化をさせる、並びにバイモルフ自身の剛性に対して支持体の曲げ剛性を非常に大きくとるという、唯一の解決策がある。この望みの剛性を得るためには、支持体は多少大きいか又は複雑になるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、制限された機械的支持の下でも満足に動作でき、且つ制限された半径方向空間内で動作できる、電気機械素子、例えば圧電素子を提供することである。更なる目的は、改善された効率、並びに力と容積の間の大きな比を有する、電気機械的素子を提供することである。本発明のもう一つの目的は、より柔軟性に富んだ駆動様式を有する、電気機械的素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的は、同封された特許請求の範囲に従う装置によって達成される。一般的に言うと、固定子、動かされる本体、及び電気機械的、好ましくは圧電的なモノリシック素子、を有するモータが使用され、その素子は、ほぼ細長くて、非作動部により相互に接続された、少なくとも二つの移動可能部又は変位部から成っている。各変位部は、少なくとも一つのユニモルフ、又は好ましくは少なくとも一つのバイモルフから成り、作動体積が非作動部から外側へ平行に延伸しており、電気機械的層間に配列された電極も同様である。変位部は、動かされる面と平行な、実質的に同一な平面上に配置されている。接触部は、中央非作動部及び変位部に配列されている。中央接触部は作動面であり、その他は、本体の主変位方向への、取付け部の固定子に対する相対的な動きを妨げるように、固定子に取り付けるための取付け部である。作動面は、取付け部に対し相対的に、二次元に移動できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の利点は、モータが非常に小さく、且つ簡単な取付け解決策を備えて製造できることである。素子は、非動的ばかりでなく、動的駆動機構でも容易に動作でき、非常に高い効率を達成することが可能である。性能を増大させるか又は電圧信号の数を減少させるかの何れかが可能な、一般的な型の素子によって多軸運動がなされることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（詳細な説明）
本発明は、その更なる目的と利点と共に、添付図面と一緒に以下の説明を参考にすることによって最善の理解がなされるであろう。
【００１０】
小型化されたモータの重要な応用製品は、例えばレンズが光軸に沿って直線的に移動させられるべき光学レンズ系である。ある場合には、大きな保持力を達成するために、螺子を介して、特に光軸方向の、直線運動に変換されるような回転運動を利用することが要求される。その他の場合には、直接的直線運動が好ましい。小型化されたモータのその他の応用製品は、例えば管状の所謂真空ピンセットによる細かい細部の位置決めに関するものであろうが、この場合は、同一のモータで回転と直線両方の運動を達成することが望まれる。
【００１１】
例えば管を変位させることが出来るが、同時にモータの外径が制限されるような、回転、直線又は直線−回転複合モータを設計するためには、半径方向に小さい寸法を有する駆動素子を用いることが望ましい。素子は、その代わり、軸方向に長い延伸部を有することがある。バイモルフ素子は、一般にこのような幾何学的寸法を有し、曲げ様式が半径方向の動きに利用され、一方、伸び様式は軸方向の変位を生ずる。管の外表面の起こりうる形状的誤差を相殺するために、半径方向に十分大きな変動をすることが重要である。
【００１２】
圧電バイモルフ素子は非常に大きな利点を有しており、それは材料全体の形状変化に関連して、非常に大きな曲げ運動を得ることが出来るということである。スウェーデン国特許第９３００３０５−１号に説明されている初期の発明は、バイモルフ素子に基づくモータの設計を呈示した。簡潔に言えば、素子の先端の二方向への動き、曲げと伸びの両方、を得られる可能性が、回転子を掴み且つ動かすために利用された。二組の素子を利用することにより、一方の組の素子は回転子を解放し且つ元の位置に戻し、他方の組は保持し且つ駆動する。回転子はこのような方法で、素子と回転子の先端との間の摩擦力を用いて、ステップ状に回転する。
【００１３】
本発明の実施例は、例えば軟質及び硬質ＰＺＴなどの圧電材料を用いて説明されているけれども、他の電気機械的材料も亦利用できるであろう。
【００１４】
図１は、本体２０に作動している、先行技術に従った単式バイモルフ圧電素子１０を例示する。素子１０は、固定子部２４へ素子１０を取り付けるための非作動部２２を備えている。素子１０は、更に今度は少なくとも二つの平行な作動体積１４、１６から成る変位部２８を備えている。作動体積１４、１６の各々は、少なくとも一つの圧電層から構成される。作動体積１４、１６は、作動体積１４、１６と平行に配列された電極１２（図には一つしか例示されていない）により、個別に作動することが出来る。変位部２８の先端に、動作中に本体２０と接触させられる作動面１８が在る。弾性手段２６は、固定子２４と本体２０との間に力を負荷する。
【００１５】
圧電素子１０は、周辺部との二つの接触部、一つの取付け部２２及び一つの作動面１８を、具備している。接触部の一方は固定子部２４に関してこのように固定され、他方は本体20に関して移動可能である。
【００１６】
選択した電極間に電圧を印加することにより、圧電層の作動体積が個別に作動される。ここでは、圧電材料は軟質である、即ち材料は容易に再分極されるということが、仮定されている。作動体積１６に電圧を印加することにより、圧電層は電場の方向に膨張する、即ち、各層はより厚くなる。しかし、同時に作動体積１６は長手方向には収縮する。この収縮は、従って上で吟味したｄ１３係数に関係する。もしも作動体積１４が変化しない（即ち、バイモルフがユニモルフとして振舞う）ならば、作動体積１６の長さの短縮が、素子１０の変位部２８を図の上方向、即ちＺ方向に曲げる。圧電素子の全ての動きが、動きの原理を説明するために、図では大きく誇張されていることに注意すること。
【００１７】
両体積１４、１６に同じ電圧を印加することにより、素子１０の変位部２８は長手方向、即ちＸ方向に収縮させることが出来る。体積１４、１６の一方への電圧は、同様に長手方向の収縮を（同時に曲げも）もたらすが、両方の体積に電圧が印加された時よりも小さな大きさである。それぞれの体積１４、１６に違った電圧を組合せることにより、作動面１８は、図１に矢印で規定したように、二次元空間、Ｘ−Ｚ空間内で動くことが出来る。本体２０を動かすためには、素子１０は、図に示すようにそれに向かって強制的に曲げられ、次いで素子１０の膨張がなされ、作動面１８を基本的にＸ方向に動かす（見かけの曲げは、図では誇張されているから）。次いで、素子１０を元の真っ直ぐな形に戻らせるか又は本体から離れるように曲げて、本体２０との接触が終わることになり、素子１０は本体２０を引き戻すことなく再び収縮することが出来る。これが、このような圧電素子１０に対して起こり得る駆動様式の簡単な例である。
【００１８】
硬質圧電材料から作られた圧電素子は、印加された電圧に対して異なった応答をすることがある。しかし、電圧を適切に選ぶことにより、同じ運動様式を得ることが出来る。
【００１９】
しかし、一個または数個のこのような単式素子に基づくモータは、背景の項で説明したように幾つかの小さな欠点を有している。例えば大きな非作動部が、モータの満足できる動作を保証するのに必要である。
【００２０】
図２ａは、本発明による複式バイモルフ圧電素子３０のモノリシック実施態様を例示している。図１に対応する部品は同じ参照番号を有し、もう一度説明することはしない。圧電素子３０は、第一バイモルフ部３３Ａを有する第一変位部３２Ａを備えている。第一バイモルフ部３３Ａは、少なくとも第一１４Ａ及び第二１６Ａ作動体積を具備している。作動体積１４Ａ、１６Ａの各々は、少なくとも一つの圧電層から構成される。バイモルフ部は、ほぼ平で、基本的に一方向への延伸物である。第一バイモルフ部３３Ａは、この実施例では、梁の形状をしており、作動体積１４Ａ、１６Ａは、第一端部３５Ａ及び第二端部３５Ｂの間に延伸している。バイモルフ部の典型的な形状は梁または片持ち梁で、端部３５Ａ、３５Ｂは梁状物の短い端部であり、作動体積１４Ａ、１６Ａは梁状物の長手方向に沿って延伸している。電極１２（一つだけ例示）は、バイモルフの各体積を個別に作動するために、作動体積１４Ａ、１６Ａに平行に且つその内部に配列されている。
【００２１】
バイモルフ部３３Ａの作動体積１４Ａ、１６Ａは、典型的には、数層の協同作用をする圧電層から構築されている。「バイモルフ」によって、普通は、中心線の両側で異なった性質を有する円板または梁状物を表わす。圧電バイモルフに関しては、例えば、円板又は梁状物の異なる面が別個に作動されるように、中心線又は中心電極の両側で、圧電材料に異なる分極をさせるように選ぶことがある。バイモルフは従って二つの別個の作動体積から構成される。しばしばバイモルフ梁状物が使用されるが、バイモルフは、更に後で吟味するように、例えば円板などの他の形状をとることも出来る。中心線の両側の作動体積は、代りに、中間電気層によって分けられた、圧電材料の多数の層から成っていても良い。一般に、各第二電気層は接地層であって、他の電気層はある電極に接続されている。この方法で、圧電材料における特定の必要な電場に対して、駆動電圧の低下を得ることが出来る。中央電極は接地電極であることが多く、それが何れの位相に対しても共通であるからである。以下の説明において、見取り図を簡単にするために、中心電極のみ、乃至、時には各作動体積中の一位相の電極が描かれている。
【００２２】
図２ｂにおいて、典型的な多層バイモルフ部が更に詳しく例示されている。バイモルフは、接地電極１２で分割された二つの作動体積１４、１６から成る。上作動体積１６は、電極１１で分割された多数の圧電層１７から成る。同様に、下作動体積１４は、電極１３で分割された多数の圧電層１５から成る。上作動体積１６の各第二電極は、第一位相電極１９に接続され、下作動体積１４の各第二電極は、第二位相電極１９に接続されている。残りの電極は接地電極２３に接続されている。
【００２３】
従来のバイモルフで利用されている圧電効果は、電場に垂直な収縮（係数ｄ13で与えら
れる）である。ｄ13様式は、ｄ33様式（電場に平行な膨張）よりも小さな歪を与えるが、小さな多層素子に対してこれは普通相殺され、その理由は大きな体積の素子を利用できるからである。
【００２４】
図２ａにおける圧電素子３０は、第二バイモルフ部３３Ｂを有する第二変位部３２Ｂを備えている。第二バイモルフ部３３Ｂは、少なくとも第三１４Ｂ及び第四１６Ｂ作動体積を具備している。作動体積１４Ｂ、１６Ｂの各々は、少なくとも一つの圧電層から構成される。第二バイモルフ部３３Ｂは、この実施例では梁の形状をしており、作動体積１４Ｂ、１６Ｂは、第三端部３５Ｃ及び第四端部３５Ｄの間に延伸している。電極１２（一つだけ例示）は、バイモルフの各体積を個別に作動するために、作動体積１４Ｂ、１６Ｂに平行に且つその内部に配列されている。上で吟味したように、バイモルフ部３３Ｂの作動体積１４Ｂ、１６Ｂは、典型的には、数層の協同作用をする圧電層から構築されている。
【００２５】
第一及び第二変位部３２Ａ、３２Ｂは、非作動部３１を介して第一端部３５Ａ及び第三端部３５Ｃで、それぞれ相互にモノリシック的に接続されている。第一バイモルフ部３３Ａは、別な表現では、非作動部３１を介して第一端部３５Ａが第二バイモルフ部３３Ｂの第三端部３５Ｃに突き当てられている。別の言葉で言えば、本実施態様の圧電素子３０は、中心部の非作動材料中央部と、其処から延伸する二つの梁状物３２Ａ、３２Ｂとから構成される。二つの変位部３２Ａ、３２Ｂは、実質的に同一平面内に配置されている。変位部３２Ａ、３２Ｂの曲げは、本質的にこの面に垂直に、且つ動かされる本体２０の表面に本質的に垂直に、発生する。素子３０は、モノリシック体として製造される。
【００２６】
図２ａにおいて、素子３０の非作動部３１は、動かされる本体２０上に働く作動面３４Ｃが与えられる。梁状物３２Ａ、３２Ｂの先端は、代りに固定子２４への取付け部３６Ａ、３６Ｂが与えられる。これらの取付け部３６Ａ、３６Ｂは、それぞれの変位部３２Ａ、３２Ｂの非作動部であることが好ましい。取付け部３６Ａ、３６Ｂは、動かされる本体の少なくとも主変位方向の動きに関して、固定子２４に実質的に固定される。この実施態様の圧電素子３０は、従って三つの接触部を、一つは中央の非作動部３１に、二つは非作動部３１とそれに接続された端部３５Ａ、３５Ｃとから離れた処に具備している。好ましくは、これらの外側接触部は、各梁状物の先端に隣接して、即ちそれぞれ外側端部３５Ｂ及び３５Ｄに近接して配置される。好ましくは、取付け部は、それぞれの変位部３２Ａ、３２Ｂの最外部から２０％以内に配置される。外側接触点は取付け部３６Ａ、３６Ｂであり、中央接触部は作動面３４Ｃである。
【００２７】
図２ａの圧電バイモルフ素子は、幾つかの異なった様式で動作させることが出来る。二つの梁状物は、互いに協力して駆動されるのが好ましい、なぜなら、それらが共通の作動面３４Ｃを駆動するからである。一方の梁状物が収縮すると、他方は一般に膨張し、好ましくは、それらは常に同じ量だけ曲がるべきである。取付け部と作動面との間に、四つの独立した作動体積１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ及び１６Ｂが在る。四つの作動体積は、作動面にＺ及びＸの両方向の動きをさせる。軟質圧電材料の場合、正のＺ運動は、体積１４Ａと１４Ｂが同時に作動されたときに達成され、負のＺ運動は、体積１６Ａ及び１６Ｂが同時に作動されたときに達成される。しかし、体積１４Ａと１６Ａとが同時に活性化されると、正のＸ運動が起こり、体積１４Ｂと１６Ｂの同時作動は、負のＸ運動を生じさせる。此処では、取付け部３６Ａ、３６Ｂ及びそれらが取り付けられる固定子の対応箇所は、非弾性であるか又は同様な可撓性を有すると、仮定されている。取付け部の性質は、起こり得る最高の挙動を得るために重要で、後で説明されるであろう。
【００２８】
共通作動面３４Ｃの回転で構成される駆動様式は、体積を対角線上、即ち、例えば１４Ａと１６Ｂ、で作動することにより達成できるであろう。実際の作動面は、無視できない面積を有するものである。大きな面積を用いることで作動面の傾斜が達成できる。
【００２９】
図２ａの素子は、単式梁状素子の使用と比べて、確かな利点を与える。支持体は、曲げトルクに対して安定である必要はなく、むしろ反対で、なぜなら、曲げ剛性の低減がＺ方向の大きな行程距離を生ずるからである。全固定子部２４の慣性が一般にバイモルフ及び支持体よりも非常に大きいので、慣性モータの構造は、著しく簡単化される。これは、大きな動作周波数範囲を生じさせる。硬質ＰＺＴを用いて、座屈様式にＸ方向の素子の膨張を重畳させることができ、従来のバイモルフ曲げよりも大きな反りと力とをもたらす。
【００３０】
駆動素子は、圧電材料を用いて多層技術により製造され、モノリシックであることが好ましい。しかしながら、他の型の駆動素子や材料も本発明で用いることは可能である。
【００３１】
図３に、複式バイモルフ圧電素子のもう一つの有効な配列が例示されている。図２ａと対応する部品は同じ参照番号を有し、もう一度説明することはしない。ここでも亦、圧電素子３０は、第一変位部３２Ａ及び第二変位部３２Ｂを備えている。変位部３２Ａ、３２Ｂは、上述した圧電層を含む作動体積１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂのバイモルフ部３３Ａ、３３Ｂで構成され、非作動部３１により相互接続されている。二つの変位部３２Ａ、３２Ｂは、実質的に同一平面内に配置されている。
【００３２】
図３において、梁状物３２Ａ、３２Ｂは、本体２０と接触するためのそれぞれの作動面３４Ａ、３４Ｂを与えられている。中央の非作動部３１は、この配列では代って、固定子２４に固定された梁状物中央部を保持する、取付け部を構成する。この配列の圧電素子３０は、従って同様に三つの接触部を、一つは中央の非作動部３１に、二つは非作動部３１とそれに接続された端部３５Ａ、３５Ｃとから離れた処に具備している。好ましくは、これらの外側接触部は、それぞれの梁状物の先端に隣接して、即ちそれぞれ外側端部３５Ｂ、３５Ｄに近接して配置される。中央接触部はこの配列では取付け部であり、外側接触部は作動面３４Ａ、３４Ｂである。
【００３３】
図３の圧電バイモルフ素子３０は、幾つかの異なった様式で動作することが出来る。好ましくは、二つの作動面３４Ａ、３４Ｂは並列に駆動される、即ち、両作動面３４Ａ、３４Ｂは同時に本体２０と接触し、本体２０を同じ方向に駆動し、且つ本体２０を同時に解放する。図３の素子３０は、単式梁状素子の使用に比べてかなりの利点を生じる。本体２０への接触が二つの作動面３４Ａ、３４Ｂによって為されるので、本体２０の回転に対する安定性はかなり改善される。更に、二つの作動面３４Ａ、３４Ｂが互いに同位相で駆動されると、取付け部３１に負荷される曲げ力のほとんどが、対向する梁状物によって相殺される。非作動部３１は、従って単式梁状素子の非作動部２２（図１）よりも、かなり小さく作製することが出来る。圧電材料及び本体２０周りの空間の利用は、従って一層効率的になる。ある用途においては、作動面３４Ａ、３４Ｂを異なる位相で駆動することが興味深いものであり、それは素子３０の強固な取付けが与えられねばならないということを暗示するものである。
【００３４】
実際には、全ての部品が必要なマイクロメータの精度を持つような公差で、全部品を製造することは困難である。それで、全ての製造及び搭載公差を相殺するような構造が望ましい。図３の素子の一利点は、取付けが非常に弱いものに選択され素子が管に対して両作動面と自動調整されるならば、取付け点、及び発条手段２６の実行、の両者が簡略化できることである。図３の素子のこの利点は、従って取付け面積が小さくなるだけでなく、搭載も簡単になる。
【００３５】
電気機械的モータ及びアクチュエータ、特に、圧電モータ及びアクチュエータは、莫大な種類が入手可能である。装置を分類する一つの方法は、駆動機構によって分けることである。装置の特徴と問題点は、各群又は下位群に対して特有のものであることが多い。特定の駆動機構のモータ装置に適用される一つの解決策が、他の型のものに対しては全く不適切であることもある。本発明では、動的のみでなく、非動的駆動機構に基づく電気機械的装置も考慮されている。普通の駆動機構をより良く理解するために、補遺１に種々の機構についての簡単な報告がなされている。
【００３６】
図２ａ又は３に示すような素子を用意して、一般には四つの制御可能な位相と接地によって制御する。図４に、ステップ運動を生成することを可能にしつつ、図３の型の軟質圧電素子に対する制御可能な位相の数を減らす解決法が示されている。複式バイモルフ圧電素子３０は、二つの変位部３２Ａ及び３２Ｂを具備している。電極は、実際の場合に別々の位相がそれぞれ幾つかの電極から構成されることがあっても、簡単のために単一電極として図示されている。中央電極は、それぞれ参照番号４０Ａと４０Ｄを持ち、四つの制御可能な相は、それぞれ参照番号４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｅ及び４０Ｆを持っている。中央電極の一つ４０Ａは位相電極の最高電圧Ｕに等しい一定電圧Ｕが供給され、他方の中央電極４０Ｄは接地される。一方の素子部の上電極４０Ｂは、他方の素子部の下電極４０Ｆに接続され、逆もまた同様である。これらの電極の組々は、次いで二つの移相電圧信号Ａ及びＢにより制御される。
【００３７】
硬質圧電材料用の場合は、両バイモルフは同じ中央電圧、一般的には接地電圧であってよいが、望みの挙動を得るために分極することが選択される。これは、電極４０Ｇ〜Ｋにより図４Ｂに図示されている。分極方向は、矢印Ｐで示されている。
【００３８】
図４Ａ及び４Ｂの回路は、図３の配列に合うように描かれているが、同じ原理が例えば図２ａの実施態様にも適用できる。しかし、実際の接触は、このような場合、取付け部における、又はそれと接続状態にある、両端部で与えられる。
【００３９】
図５は、図４の装置において用いられる電圧信号がとり得る形状の一つを例示している。第一位相電圧Ａは、最高電圧Ｕまで直線的に増加する。最高電圧Ｕはしばらく維持され、次いで直線的に接地電圧まで再び減少している。第二位相電圧Ｂは、同じ全体的形状を有するが、Ａに対して相対的に移相されている。この実施例では、軟質圧電材料が選ばれており、従って電圧は通常は反転されない。硬質圧電材料の場合は、電圧は反転することが出来、接地電圧を位相の最高および最低電圧の中間に置くことで対応する動きを生じさせることもある。これらの電圧位相を図４の電極へ印加することにより、素子の作動面３４Ａ、３４Ｂは菱形の運動行程を描く。
【００４０】
機能の説明は、形状変化が印加された電圧に対して直線的であると仮定して、簡単化する。材料の選択に依存して、実際の形状変化は、直線的とは異なるが、誤差はそれほど大きくないので主な特徴は変わらない。図５を参照すると、点４２Ａでは、両位相Ａ及びＢは零であり、作動面は最大収縮状態にある。４２Ａから、相Ａは直線的に点４２Ｂでの最高電圧まで上昇し、これは両作動面３４Ａ及び３４Ｂが図４において上向きで且つ右へ動くことを意味する。点４２Ｂから４２Ｃへは、位相Ｂの電圧が最高値まで上昇し、作動面３４Ａ及び３４Ｂが下向きで且つ右へ動くことになる。作動面３４Ｂは、此処では最大の収縮状態にあり、一方作動面３４Ａは「零」位置にある。Ａ及びＢの位相電圧は同じ移相様式で減少し、作動面３４Ａ、３４Ｂに対して元の位置に戻る動きをもたらすであろう。両作動面３４Ａ、３４Ｂは図４Ａの破線行程（誇張されている）に沿って同期して動き、例えば、作動面が上述の実施例では本質的に点４２Ｄと４２Ｆの間では接触しないで動くことを意味するような、運動周波数を選ぶことにより、本体は慣性機構により前方に駆動されるであろう。運動の方向は、位相ＡとＢの間の移相が反転すれば、反転することになる。速度は、駆動素子の共振周波数並びに発条力と固定子慣性力との関係によって制限される、特定の間隔内にある周波数により制御することが出来る。ミリメートル台の駆動素子は、一般に５から３５ｋＨｚの周波数間隔内で動作することが出来る。
【００４１】
それ以外の電圧信号も使用できる。好ましくは、これらの電圧信号の傾斜部は最高電圧の半分（Ｕ／２）の周りで対称でなければならない。
【００４２】
図６には、管状本体２０を駆動する本発明による圧電モータの、軸に沿った断面を例示する。二つの圧電素子３０は、断面で示されている。それらは、図３に図示した型であるこの実施態様の中に在り、同様な部品は同じ参照番号が与えられている。素子３０は、フレキシブル印刷回路板４８に取付けられており、一方適切な低摩擦材料からなる二つの入れ子５４及び固定子外管５６によって固定されている。発条５２は、管の中心方向へ、即ち動かされる本体である内管２０に向かって、素子３０に力を負荷するように配列されている。原理的には、フレキシブル印刷回路板も例えば厚い金属膜により剛性を高めることが出来、管状の発条として働くことも出来る。図６のモータの断面図が図７に図示されている。此処では、四つの素子が見られ、極端な製造及び搭載の精度、又は摺り合せを必要としないで、例えば擬似静的、歩行又は慣性駆動機構を可能としている。もっと少ないか又はさらに多い素子を、ある場合は追加した発条配置と組合せて、用いることが出来る。四つより少ない駆動機構を有するモータは、慣性又は擬似静的駆動機構により駆動されるのが好ましい。三つ又は四つの素子により、自動心合わせ及び自己安定化効果が達成できる。更に多くの素子が種々の軸方向位置で用いられるならば、入れ子も省略されることがある。図７に、それを通してフレキシブル印刷回路板４８を配列できる開口５８が、固定子管５６の中に示されており、それは異なる素子位相へ電圧接続を配列するのを容易にする。
【００４３】
図６に、動かされる本体２０に関する素子３０の幾何学的条件が明瞭に例示されている。素子は、動かされる本体の表面と実質的に同じ平面内で且つ平行に、そのバイモルフ部を具備している。この場合、素子３０は中心管２０の軸方向に延伸している。接線方向に従う素子を具備することも考えられる、即ち、素子は中心管２０の円周に平行な円筒面に従って曲げられる。このような素子の一つが後で更に例示される。図６及び７から、半径方向へのモータの広がりは、事実非常に小さいことが容易に見て取れる。このようなモータ設計は、例えば、動かされる本体が光学レンズであるか又はそれに接続されている、光学装置に適している。
【００４４】
図７には、四つの駆動素子が動かされる円筒の周囲に対称的にずらし配置されている。この配列は、動かされる本体の自動心出しによって、慣性又は擬似静的ばかりでなく非動的駆動機構を使用することも可能にする。
【００４５】
若しも駆動素子の固定子への取付けが全体として可撓性がないならば、固定子は、素子の大部分が曲がるのを妨げる。取付けに曲げ可撓性を導入することによって、より大きな行程距離が利用できることになる。図８Ａは、取付けの可撓性が改善できる可能性を例示している。この実施例において、複式梁状素子３０は、その二つの取付け部３６Ａ及び３６Ｂそれぞれにより、固定子主要部４６に取付けられたフレキシブル印刷回路板４８の、抓み４７Ａ、４７Ｂに取付けられる。この取付け配列は、取付け点に回転の自由度を与えるであろうが、Ｘ方向の動きを制限し、Ｚ方向への動きは幾らか制限するであろう。従って、取付け部は固定子に、少なくとも動かされる本体の主変位方向への動きに関して、固定される。抓み４７Ａ、４７Ｂの形と寸法は、取付け点に適切な性質を与えるように調整できる。金属膜５０が、更に剛性を上げるためにフレキシブル印刷回路板４８の面上に供給される。
【００４６】
図８ｂは、代わりの解決法を示す。電気的バイアホール５１及び／又は、はんだバンプ４９Ａ、４９Ｂを用いて、Ｘ及びＺ方向の剛性は高いがかなり低い曲げ剛性を有する、メサ型金属構造が生成される。
【００４７】
剛性のある取付けを用いた、もう一つの方法が図９に例示されている。ここで素子３０は、それぞれ二つのバイモルフ部から成る二つの変位部３２Ａ、３２Ｂから構成されている、即ち、変位部３２Ａはバイモルフ部３３Ａと３３Ｃから成り、変位部３２Ｂはバイモルフ部３３Ｂと３３Ｄから成っている。バイモルフ部は、前に説明したものと同様な、圧電層及び電極を備えている。一つの変位部のバイモルフ部は、端と端とで配列して一つの共通梁状物を形成している。別の言葉で言うと、素子は二つの梁状物からなり、その各々は、端と端が突き合わされた直列のバイモルフ部を有している。バイモルフは、八つの個別に制御可能な作動体積６０Ａ〜Ｈを具備し、それは新しい運動様式の生成を可能にする。最も簡単な場合は、バイモルフ部は等しい長さであるが、より手の込んだ応用製品では、取付け部に望まれる性質を与えるように選択されることもある。
【００４８】
典型的な動きは、各変位部のバイモルフ部に反対方向の曲げを与えることにより生成される。Ｚ方向の動きを達成するために、部３３Ｃ及び３３Ｄは外向きの曲げを生ずる。反対方向の曲げが同時に部３３Ａ及び３３Ｂにより生じる。取付け点３６Ａ、３６Ｂは次いで平坦に、作動面３４ＣのＺ位置とは独立に、維持される。作動水準を全ての部で調整することにより、締め付け力を最低値まで低減することも可能である。
【００４９】
若しも図９において簡単化された駆動が要求される場合は、図１１に従って接続されるであろう。二つの位相は、この見取り図では、Ｘ及びＺ運動を制御する可能性は与えるが、Ｘ軸の周りの傾きは起こさせない。接続は、基本的には図４と類似している。
【００５０】
図１０ａ〜１０ｄは、本発明の更に発展させた実施態様を示す。素子３０は、図２ａによる素子に基づくものである。作動面３４Ｃは、此処では、非作動部３１に取付けられた拡大梃子４４の端部に置かれている。二つの変位部３２Ａ及び３２Ｂを非作動部３１に関して対称的様式で駆動することにより、拡大梃子４４は基本的にＺ方向に動かされる、図１０ｂ及び１０ｄ参照。代って、二つの変位部３２Ａ及び３２Ｂを非作動部３１に関して非対称的様式で駆動することにより、拡大梃子４４は傾けられる、図１０ａ及び１０ｃ参照。傾けられた拡大梃子は、作動面３４ＣをＸ方向に動かすことになる。しかし、梃子の寸法は、動きを強調するため、図では誇張されていることに注意すること。素子の曲がりはこのようにして直線運動に転換することができる。作動体積の絶対的行程距離は極度に制限されているので、梃子４４の傾きは、作動面３４Ｃの利用できる行程距離を増大させる。このような転換は、動きの大きさを増大させるという観点においても、並びにより多くの機械的エネルギーを転換する可能性、即ち駆動素子３０と駆動される面との間のより良い機械的結合にとっても、非常に好都合なことである。理想的な場合は、バイモルフに蓄えられた全機械的エネルギーを、部品を駆動するのに転換できる。図１０ａ〜１０ｄによる素子に対して簡単化された駆動が望まれる場合は、電極４０Ｌ〜Ｐは図１０ｅに示したように接続されるかもしれない。両方のバイモルフに対して同じ接地が用いられ、材料の分極は異なった運動様式を得るように選ばれる。
【００５１】
図１０ａ〜１０ｄにおいて、変位部３２Ａ、３２Ｂは、それぞれ一つだけのバイモルフ部を具備することが意図されている。このような場合は、取付け点３６Ａ、３６Ｂ及び固定子側における対応する手段は、Ｘ及びＺ位置は固定したままで、出来るだけ自由なＹ軸周りの回転を与えねばならない。このような回転の自由度は、図８ａ及び８ｂで与えられた取付けの解決策を使用することにより、実行されるかもしれない。代替法は、図９による、各変位部に一つより多いバイモルフ部を有する素子を用いることである。固定子に対する取付けは、多かれ少なかれ剛性があるが、それでも、図１０ａ〜１０ｄの運動様式は達成することが出来る。
【００５２】
此処までは、一般的に好ましい素子形状と考えられる、梁形状の素子のみを吟味してきた。しかし、図１２に例示するように、二平面内の広がり、例えば円板を有するようなバイモルフ素子を生成することも可能である。ここで、中央非作動部３１は作動面３４Ｄを具備する。円板の縁に沿って、その他の非作動部３６Ｃ〜３６Ｆ（二つだけ示されている）が備えられており、素子３０を固定子に取り付けるのに用いられる。この実施態様では、円板は四つの区域に分割され、それらは個別に作動できる。非作動取付け部の配置は、運動様式の選択に依存するということに着目すべきである。図２における素子の場合のような曲げ−伸び様式に対しては、取付け部は図１２のように配置される。例えば図１０ａ〜１０ｄのような曲げ−曲げ様式に対しては、代って、取付け部は、破線で描いた非作動部３６Ｇよって示されるように区域分割線に配置されることが好ましい。区域３２Ｃ〜３２Ｆは、前の実施態様の梁状物又は変位部に対応する。各区域３２−Ｆに対して取付け点３６Ｃ〜Ｆが組合されている。各区域又は変位部は、前に吟味したものに類似した、少なくとも一つのバイモルフ部からなる。バイルフ部の動作は基本的には円板の湾曲をもたらし、作動面３４Ｄを上下に、横方向にと動かし、且つ傾ける。横方向の動きは、ある程度まで硬い円板の幾何学的形体によって制限され、本実施態様の代替法は、図１０のように円板に拡大梃子を設けることであり、且つ代わりに円板の曲げ様式を用いることであろう。
【００５３】
図１２による素子の剛性を低減するもう一つの方法は、異なる区域間に細溝４７を導入することである。図１３において、細溝が増大して、十字の幾何学的形体を有する基本的には四梁状素子を生成している。これは可撓性を増し、「円板」面内の動きが引き続いて増大する。例示された実施態様は四つの「脚」を持っているが、勿論どのような数の「脚」も使用できる。
【００５４】
梁形状素子も違った形を採ることが出来る。本発明による二つの実施態様が図１４及び１５に例示されている。これらの実施態様においては、円弧形状が用いられ、円筒形又は球状の幾何学的形体を有する応用製品に対して有利であろう。このようにして、各応用製品の個々の幾何学的形体は、作動動作に必要な空間を最小化するように使用される。図１５の素子において、バイモルフは同一円筒面内に配置されている。素子は、直列に接続されて、二つ以上の複式梁状物を有する輪状物を生成するかもしれない。
【００５５】
多くの場合において、素子により生成される力は、摩擦力が使用される限りは、動かされる本体に負荷できるものよりも大きい。これに対する一つの解決策は、作動面３４Ｃ及び／又は動かされる本体の表面に、幾らかの摩擦を向上させる幾何学的形体４９、５１を用いることである。図１６には、歯状物を有する表面４９、５１が、例示されている。これは、作動面３４Ｃと本体２０との間に負荷できる力を増大させる。しかし、Ｚ方向の行程距離に対する更に余分な必要を生じることになるが、それは表面の歯状物が、各ステップの復帰相において、それらの相対的な噛合を解放しなければならないからである。歯状部の幾何学低形体は、位置決めにおいても寄与することが在るが、それは作動面３４Ｃの歯状物４９が本体２０の歯状物に関して心出しされるからである。歯状物が鋭いほど、より強い力が許されるが、しかし同時にステップ動作が一層注意深く行なわれねばならない。技術的な制限により、歯状物の先端は一般には平になり、位置決めは、歯状物が平らな部分を互いに押し付けて終わる代りに、互いを掴むような方法で行なわれねばならない。
【００５６】
上述の実施態様においては、好ましいバイモルフが利用された。ユニモルフ、即ち非作動領域に取り付けられた作動体積は、原理的には同様の様式で用いることが出来る。しかし、行程距離がバイモルフの場合の半分にしかならず、且つ運動様式も制御が更に難しいので、バイモルフが大抵の応用製品にはより好ましい。ユニモルフは、一つの作動体積が如何なる電圧からも束縛されずに維持される場合の、バイモルフと見なされる。しかし、非常に単純な動きが要求される場合は、ユニモルフが代替物であり得ることもある。各変位部の作動部は、それ故ユニモルフでもバイモルフでもよい。
【００５７】
本発明に対して、添付した特許請求の範囲により規定されるその精神から逸脱せずに、種々の修正及び変更が為されるであろうことは、当業者により理解されるであろう。
【００５８】
（参考文献）
米国特許第４，２９１，９５８号
米国特許第４，３３９，６８２号
日本国特許６１−１７７１７８（要約）
日本国特許２−１４２３６５（要約）
欧州特許第０９９３０５５号
スウェーデン国特許第９３００３０５−１号
（補遺１）
電気機械的材料に基づく数種のモータが提案され、それらの幾つかは商用化されている。種々の文献や特許出願に開示されている種々の駆動機構を区別するために、物理的原理によって、特に小型モータに対する重要性に関して、機構を分類することが出来る。更に細かい区分も可能である。種々の機構の簡単な説明が以下に呈示される。
【００５９】
駆動機構の第一の区分は、動的機構と非動的機構との間で為される。あるモータ部品の慣性及び／又は時間に依存する物理的効果を用いることによって、動的機構に基づく電気機械的モータが実現できる。典型的には、このモータは、低い内部速度乃至周波数では動作せず、ある周波数範囲でのみ動作できる。普通に出会う名前である、超音波及び進行波モータは、動的機構の群に属し、後者は機械的共振に基づくモータの特別な例である。
【００６０】
開示されたモータ構造の主要な部分は、圧電材料自身、又は圧電材料と機械的に結合された構造、の何れかの機械的共振に基づいている。駆動される部品は、共振している表面又は素子との、間歇的で周期的な接触によって動かされる。進行波モータにおいては、駆動される部品、普通は回転子と幾つかの共振する素子との間に、常に接触が為されることになる。この機構における主な関心事は、エネルギーの節約及び運動の拡大に対する潜在能力と結び付けられる。共振している作動構造は、エネルギー消費はほとんど無しに動くことが出来、理論的には高効率モータで使用されるかもしれない。構造物を如何に簡単に共振させるかに依存して、より小さいか又はより大きな運動増幅が得られる。運動の拡大は、寸法が小さくされ、機械的部品間の隙間が狭い場合に重要である。実際上の欠点は、比較的大きな摩耗、並びに故障なしで共振している部品の大きな運動範囲に達することの困難性である。
【００６１】
或る種のモータは慣性効果を用いる。駆動される部品は、作動素子との間歇的摩擦接触により周期的に動かされる。モータの駆動される部品又はその他の部品の慣性は、作動素子がもう一つの接触位置まで、通常速い二次元運動により、自由に移動できるように選択される。一回の周期は、動的接触の生成、駆動される部品の移動、動的解放、及び出発位置への帰還から構成される。動的性向が、周期の周波数をある範囲内に維持することを必要とさせる。接触時間が、一周期の時間との関係において短いものであると、慣性機構は、衝撃機構となるであろう。この機構の重要な利点の一つは、短い寿命と中程度の力を有する応用製品において、接触する面に対する要求事項が適度なものであることである。動的運動であることに起因して、この機構は、位置決めと分解能に関して非動的機構より劣っている。
【００６２】
スティック−スリップ機構は、相対速度零での作動素子と駆動される部品との間の摩擦係数の増加が利用される、特別な慣性機構である。作動素子の二次元運動はこの場合不要である。摩擦係数は（通常）相対速度零では高くなるので、駆動される部品の望みの運動が、アクチュエータによって滑り力より小さな力で為される。アクチュエータは、大きな初期加速度を有する高速度で元へ戻される。アクチュエータの加速度は、アクチュエータと動かされる部品との間の滑りをケースに入れるのに十分大きく選ばれる。従って、駆動される部品の慣性が利用される。主な利点は簡単な構造であり、主な欠点は部品の摩耗、及び機構の制御できない性向である。
【００６３】
特に、圧電モータに対して呈示乃至開示された初期の構造は、衝撃機構に基づいていた。一般に、機械的運動量の一部は、振動するアクチュエータから動く部品へ伝達される。利点は簡単な構造であるが、運動方向の転換及び摩擦を伴う諸問題を含む幾つかの欠点が在る。
【００６４】
非動的機構は、作動素子の任意の低い周波数又は速度において運動が為され得る、ということを特徴とする。駆動される部品は、掴む、動かす、解放する、及び戻るなどの連続から成る、周期運動をさせる作動素子によって動かされる。一つの素子（の組）が解放されている時に、もう一つの素子（の組）は、駆動される部品を掴むことになる。このことは、少なくとも二つの掴み素子（又は素子の組）が、掴み−解放を交互に行なう機能を与えるように、設計され且つ提供されねばならないことを意味している。非動的機構の上限は、典型的には、作動素子の機械的共振が実質的に素子の運動に影響するような周期周波数、即ち準−静的限界である。典型的には、非動的機構は、低から中位の高速の制御された位置決めが望まれる場合に、有益である。更にこの機構は、種々の応用製品における最適化を容易にし、且つ大きな力を伝える可能性を提供する。主な欠点は、望ましい機構を達成するための構造上の要求事項である。性能の低下無しに構造を簡単にするための種々の解決策は、それ故商業的に大きな関心事である。非動的運動に対して以下に開示した機構は、尺取虫機構、及び繊毛（シリア）駆動素子を利用する機構である。
【００６５】
「尺取虫」機構において、駆動される部品は、クランプ−延伸−クランプ方式の機械的ステップにより動かされる。少なくとも二組の位相を異にして動くクランプ素子がなければならない。クランプ素子は、駆動される部品を動かす中央延伸管に接続されている。各運動の間に、延伸物、駆動される部品が両方の組の素子によって締め付けられて、静止する。
【００６６】
繊毛駆動素子を用いて、一次元的にのみ移動できる駆動素子に、機械的ステップをさせることが出来る。本質的に、位相を異にして動作する二組の素子が必要である。一方の組は、法線と接線方向の間の一方向へ動くことが出来る。他方の組も、法線と接線方向の間の一方向へ動くことが出来るが、一般的に、第一組に対し法線軸に関して鏡像関係にある。第一組が持ち上げられると、駆動される部品は法線方向と接線方向の両方に動かされる。第二組が、持ち上げられて駆動される部品に接触し、次いで第一組が下げられる。第二組が下げられた時、駆動される部品は、第一組によって達成されたのと同じ方向に動く。方向の変換は二組の間の位相を変えることにより達成される。
【００６７】
動かされる本体と接触していて本質的に非動的であるが、動的特性を有する部品を含む機構により、運動を生ぜしめることも可能である。このような機構は、制御された歩行用に使用することが出来、駆動される部品に接触している組は（準−）静的に動作し、駆動される部品に接触していない組はより動的な様式で動作するような、二組の素子に基づいている。一般に、駆動される部品に接触していない素子は、素子及び／又はその他の部品の慣性を利用して、解放から掴み連鎖への早い帰還を果たす。駆動される部品は、従って、任意の低速で動いてもよいが、戻り連鎖の周波数又は速度は、素子が自由に動けるように十分に大きくなければ成らない。このような機構は、擬似−静的と呼ぶことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本体上で作動している、単式バイモルフ圧電素子の簡単な見取り図である。
【図２】図２ａは、一つの作動面を有する、本発明による複式バイモルフ圧電素子の実施態様の簡単な見取り図であり、図２ｂは、図２ａに用いられる典型的なバイモルフ部の、より詳細な見取り図である。
【図３】二つの作動面を有する、複式バイモルフ圧電素子の簡単な見取り図である。
【図４】図４ａは、二つの電圧パルスを有する図３による軟質圧電材料から成る、複式バイモルフ圧電素子を駆動するための回路の概略図であり、図４ｂは、二つの電圧パルスを有する図３による予め分極された硬質圧電材料から成る、複式バイモルフ圧電素子を駆動するための回路の概略図である。
【図５】図４の回路に対する有用な電圧パルス形状を例示した図である。
【図６】管状本体を駆動する本発明による圧電モータの、軸に沿った断面図である。
【図７】図６のモータの断面図である。
【図８】図８ａは、本発明による圧電モータ内固定子の、可撓性取付け部を例示する見取り図であり、図８ｂは、本発明による圧電モータ内固定子の、可撓性取付け部の代りの実施態様を例示する見取り図である。
【図９】四つのバイモルフ部を有する、本発明による圧電素子の実施態様の簡単な見取り図である。
【図１０】図１０ａ〜ｄは、運動拡大梃子を有する、図９による圧電素子の可能な運動様式を概略例示する図であり、ｅは、二つの電圧パルスを有する図１０ａ〜ｄによる予め分極された硬質圧電材料から成る、圧電素子を駆動するための回路の概略図である。
【図１１】二つの電圧パルスを有する図９による圧電素子を駆動するための回路の概略図である。
【図１２】それぞれ円板型及び十字型の圧電素子の概略図である。
【図１３】それぞれ円板型及び十字型の圧電素子の概略図である。
【図１４】本発明による圧電素子の異なる実施態様の概略図である。
【図１５】本発明による圧電素子の異なる実施態様の概略図である。
【図１６】圧電素子作動面の摩擦向上要素の使用法を例示する図である。
【国際公開パンフレット】
2004524786.tif 000003
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【国際調査報告】
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