(57)【要約】      （修正有）【課題】大幅な小型化が可能な圧電モータを備える運動制御システムを提供する。【解決手段】ベース１５と、ベース１５によって支持され、ベース１５に対して運動可能であるステージ２０と、ベース１５に結合し、ステージ２０を運動させるべく動作することができるモータ２５とを備えている運動制御システム１０であって、モータ２５は、ベース１５へと接続するように構成された取り付けベースと、ステージ２０に係合することができる摩擦パッドと、取り付けベースへと接続された第１の端部と、第２の端部とを備える接続部とを備えている。圧電素子は、取り付けベースと第２の端部との間に配置され、電気信号に応答して摩擦パッドおよびステージ２０を運動させるように動作することができる。取り付けねじ５５は、ベース１５の外側からアクセス可能であり、接続部に係合する。取り付けねじ５５は、モータ２５とベース１５との間の唯一の取り付け機構である。【選択図】図１
0003218046.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ベース（１５）と、
前記ベースによって支持され、前記ベースに対して運動可能であるステージ（２０）と、
前記ベースに結合し、前記ステージを運動させるべく動作することができるモータ（２５；２２０）と、
取り付けねじ（５５）と、
モータ端と調節端とを備える予荷重部材（６５）とを備えており、
前記モータは、
該モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベース（１００）と、
前記ステージに係合することができる摩擦パッド（９５）と、
前記取り付けベースへと接続された第１の端部（１９０；２６０）と、第２の端部（１２０；２３０）とを備えており、前記摩擦パッドが前記第１の端部と前記第２の端部との間に接続されている接続部（１１５）と、
前記取り付けベースと前記第２の端部との間に配置され、電気信号に応答して前記摩擦パッドおよび前記ステージを運動させるように動作することができる圧電素子（９０）とを備えており、
前記取り付けねじは、前記ベースの外側からアクセス可能であり、前記接続部に係合し、前記モータと前記ベースとの間の唯一の取り付け機構であり、
前記モータ端は、前記モータに接触し、可変の予荷重の力を前記モータへと加えるように移動可能であり、前記調節端は、前記ベースの外側からアクセスできるように配置され、
前記モータは、第１のアーム（２６０）と、第２のアーム（２２５）と、第３のアーム（２９０）と、を含めて一体として構成され、
前記第１のアームが固定端（３５０）において前記取り付けベースへと接続され、前記第２のアームが前記圧電素子へと取り付けられ、前記圧電素子の膨張及び収縮に応答して移動する端部（３５５）を有し、前記第３のアームが、前記予荷重が加えられる予荷重の調節のために使用される浮動する端部（３６０）を有する運動制御システム（１０）。
【請求項２】
前記取り付けベースは、ねじ穴（１０５）を備えており、前記取り付けねじ（５５）は、該ねじ穴に螺合して前記モータ（２５；２２０）を前記ベース（１５）へと固定して接続する、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項３】
予荷重の力は、ゼロと４０Ｎとの間で調節可能である、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項４】
前記モータ（２５；２２０）は、モータ外周を画定し、該外周の内側の空間のうちの少なくとも約７０パーセントが、前記モータおよび前記圧電素子によって占められる、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項５】
前記接続部は、前記第２の端部に位置する結合パッド（２３０）と、該結合パッドと前記摩擦パッド（９５）との間を延びる剛体カプラ（２３５）とを備える、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項６】
前記接続部は、第１の幅を有する第１の端部（１６５）と、第２の幅を有する第２の端部（１８０）と、転回幅を有する転回部分（１７０）とを有するテーパばね（１３５）を備え、前記第１の幅および前記第２の幅は、前記転回幅よりも小さい、請求項５に記載の運動制御システム。
【請求項７】
前記第３のアーム（２９０）は、実質的にＵ字形の部分を辿る第１の部分と、実質的にＵ字形の部分を辿る第２の部分と、実質的にＬ字形である第３の部分とを含む、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項８】
薄肉たわみ部（２２５）が、前記結合パッド（２３０）から前記摩擦パッド（９５）を支持する剛体カプラ（２３５）まで延び、可撓要素（２６０）が、前記取り付けベース（１００）をＵ字形部材（２４０）へと接続することで、前記取り付けベースへと接続された２つの端部を備えるおおむねＵ字形のセグメントが完成され、前記摩擦パッド（９５）は、前記Ｕ字形のセグメントの開放端の反対側に支持される、請求項５に記載の運動制御システム。
【請求項９】
運動制御システム（１０）において使用され、ベース（１５）内に支持され、ステージ（２０）を運動させるべく動作することができる圧電モータ（２２０）であって、
当該圧電モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベース（１００）と、
前記ステージに係合することができる摩擦パッド（９５）と、
前記取り付けベースに結合し、電気信号に応答して前記摩擦パッドを運動させるように動作することができる圧電素子（９０）と、
前記取り付けベースへと接続された第１の端部（１９０；２６０）と、前記圧電素子に結合した第２の端部（１２０；２３０）とを備える接続部（１１５）とを備えており、
前記摩擦パッドは、前記第１の端部と前記第２の端部との間において前記接続部へと接続され、
前記接続部は、第１の幅を有する第１の端部（１６５）と、第２の幅を有する第２の端部（１８０）と、転回幅を有する転回部分（１７０）とを有するテーパばね（１３５）を備え、前記第１の幅および前記第２の幅は、前記転回幅よりも小さく、
前記モータは、第１のアーム（２６０）と、第２のアーム（２２５）と、第３のアーム（２９０）と、を含めて一体として構成され、
前記第１のアームが固定端（３５０）において前記取り付けベースへと接続され、前記第２のアームが前記圧電素子へと取り付けられ、前記圧電素子の膨張及び収縮に応答して移動する端部（３５５）を有し、前記第３のアームが、前記予荷重が加えられる予荷重の調節のために使用される浮動する端部（３６０）を有する、圧電モータ。
【請求項１０】
前記接続部は、前記第２の端部に位置する結合パッド（２３０）と、該結合パッドと前記摩擦パッド（９５）との間を延びる剛体カプラ（２３５）とを備える、請求項９に記載のモータ。
【請求項１１】
前記第３のアーム（２９０）は、実質的にＵ字形の部分を辿る第１の部分と、実質的にＵ字形の部分を辿る第２の部分と、実質的にＬ字形である第３の部分とを含む、請求項９に記載のモータ。
【請求項１２】
薄肉たわみ部（２２５）が、前記結合パッド（２３０）から前記摩擦パッド（９５）を支持する剛体カプラ（２３５）まで延び、可撓要素（２６０）が、前記取り付けベース（１００）をＵ字形部材（２４０）へと接続することで、前記取り付けベースへと接続された２つの端部を備えるおおむねＵ字形のセグメントが完成され、前記摩擦パッド（９５）は、前記Ｕ字形のセグメントの開放端の反対側に支持される、請求項１０に記載のモータ。
【考案の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
圧電素子は、機械装置の位置決めにおいて駆動部品として使用される。これらの「圧電モータ」（「圧電アクチュエータ」と呼ばれることもある）は、他の種類の伝統的なモータと比べ、これらの圧電モータを特定の用途における使用に関して好ましい選択肢とするいくつかの独特な利点を有している。運動装置としての圧電素子の典型的な使用は、電界内に置かれたときに１方向に膨張するという圧電素子の特性を利用することによる。一連の電気電極の間に複数の薄い圧電素子を積み重ねることによって、圧電アクチュエータの相対的な膨張を大きくすることができるが、運動は、装置の全体的なサイズに対して依然としてきわめて小さいままである。行程が数百ミクロンに満たず、分解能がナノメートルの範囲である運動を必要とする用途において、圧電アクチュエータは、通例の好ましい選択肢である。これらの実装例は、機械的な増幅器（典型的には、「レバーアーム」の原理を使用する）を使用しても、使用しなくてもよいが、負荷に直接接続される。この種の駆動機構を使用する圧電式の運動装置は、典型的に、たわみにもとづく機構を使用し、高速およびナノメートル未満の分解能が可能である。
【０００２】
より長い行程を達成するために、開発済みの或る種の圧電モータは、１つ以上の摩擦「レッグ（ｌｅｇ）」が摩擦「トラック（ｔｒａｃｋ）」に接触する摩擦にもとづく構成である。レッグとトラックとの間に一定の高い圧力を加えることによって、摩擦レッグを摩擦トラックへと「スティック（ｓｔｉｃｋ）」させることができる。圧電素子は、摩擦「レッグ」または「トラック」のいずれかに取り付けられる。ゆっくりと変化する電圧が圧電素子へと印加されるとき、該当の摩擦要素が移動する。大きな摩擦力ゆえに、２つの摩擦要素が「スティック」し、一緒に運動する。圧電素子を駆動する電気信号がきわめて急激に変化する場合、摩擦要素は、関係する構成部品に関する質量の慣性ゆえに、お互いに対して「スリップ（ｓｌｉｐ）」する。実際の運動が、圧電素子のゆっくりとした運動の段階において生じる一方で、スリップが、摩擦レッグと摩擦トラックとの間の相対位置を効果的に変化させ、圧電素子が以前の変位に新たな変位を付け足すことを可能にする。このサイクルを多数回繰り返すことにより、小さな圧電的運動を「つなぎ合わせる」ことで、大きな移動距離を達成することができる。この種の圧電モータの行程は、典型的には、摩擦トラックの長さによってのみ制限される。トラックは直線的または円形であってよく、直線運動または回転運動をモータによって生み出すことを可能にする。これらの種類のモータは、典型的に、圧電「スティックスリップ（ｓｔｉｃｋ−ｓｌｉｐ）」モータと称される。
【０００３】
スティックスリップモータの最も一般的な現状の実装例を、摩擦トラックに対する摩擦レッグの構成にもとづいて、２つの分類へとグループ分けすることができる。第１の種類は、摩擦レッグを摩擦トラックの周囲に配置し、実質的にロッドとして形作られたトラックへのクランプを形成する。これらのモータは、取り付け先の運動装置に応力を作用させることなく大きな予荷重の力を加えることができる同心の構成という利点を有する。主たる欠点は、予荷重の力を調節することができず、行程がロッドの長さによって制限されうる点にある。圧電素子を、クランプまたはロッドのいずれかに取り付けることができ、それぞれの構成に利点および欠点がある。
【０００４】
第２の種類のスティックスリップモータにおいては、圧電素子が、典型的には、片側においてのみ摩擦トラックに接触する１つ以上の摩擦レッグに取り付けられる。これは、モータの活動部分（圧電素子および摩擦レッグ）を、直線または回転の任意のトラックへと接線方向に取り付けることができる別個のユニットとして作製することを可能にする。これらの種類のモータは、より融通が利くが、生み出される力が小さく、取り付け先の運動装置のベアリングに応力を加えるという欠点を有する。
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００５】
本考案は、既存の設計に対していくつかの重要な改善をもたらす。提案されるスティックスリップモータの構成は、製造の容易さ、使い勝手、単純さ、コスト、および性能を改善しつつ、生み出す力が同じであればモータのサイズを大幅に小型化する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一つの構成では、本考案は、ベースと、前記ベースによって支持され、前記ベースに対して運動可能であるステージと、前記ベースに結合し、前記ステージを運動させるべく動作することができるモータとを備える運動制御システムを提供する。前記モータは、該モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベースと、前記ステージに係合することができる摩擦パッドと、前記取り付けベースへと接続された第１の端部と、第２の端部とを備える接続部とを備えている。前記摩擦パッドは、前記第１の端部と前記第２の端部との間において前記接続部へと接続されている。圧電素子は、前記取り付けベースと前記第２の端部との間に配置され、電気信号に応答して前記摩擦パッドおよび前記ステージを運動させるように動作することができる。取り付けねじは、前記ベースの外側からアクセス可能であり、前記接続部に係合している。前記取り付けねじは、前記モータと前記ベースとの間の唯一の取り付け機構である。
【０００７】
別の構成では、本考案は、ベースと、前記ベースによって支持され、前記ベースに対して運動可能であるステージと、前記ベースに結合し、前記ステージを運動させるべく動作することができるモータとを備える運動制御システムを提供する。前記モータは、該モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベースと、前記ステージに係合することができる摩擦パッドと、前記取り付けベースへと接続された第１の端部と、第２の端部とを備える接続部とを備えている。前記摩擦パッドは、前記第１の端部と前記第２の端部との間において前記接続部へと接続されている。前記モータは、前記取り付けベースと前記第２の端部との間に配置され、電気信号に応答して前記摩擦パッドおよび前記ステージを運動させるように動作することができる圧電素子を備えている。予荷重部材は、モータ端および調節端を備えている。前記モータ端は、前記モータに接触し、可変の予荷重の力を前記モータへと加えるように移動可能である。前記調節端は、前記ベースの外側からアクセスでき、かつ前記ベースと実質的に同一平面になるように配置されている。
【０００８】
さらに別の構成では、本考案は、第１のポケットを備えるベースと、前記第１のポケット内に配置され、前記ベースに対して運動可能であるステージと、前記ベースに結合し、前記ステージを運動させるべく動作することができるモータとを備える運動制御システムを提供する。前記モータは、該モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベースと、前記ステージに係合することができる摩擦パッドと、前記取り付けベースへと接続された第１の端部と、第２の端部とを備える接続部とを備えている。前記摩擦パッドは、前記第１の端部と前記第２の端部との間において前記接続部へと接続されている。前記モータは、前記取り付けベースと前記第２の端部との間に配置され、電気信号に応答して前記摩擦パッドおよび前記ステージを運動させるように動作することができる圧電素子を備えている。前記モータは、モータ外周を画定しており、該外周の内側の空間の少なくとも９０パーセントが、前記モータおよび前記圧電素子によって占められる。
【０００９】
さらに別の構成では、本考案は、運動制御システムにおいて使用される圧電モータを提供する。圧電モータは、ベース内に支持され、ステージを運動させるべく動作することができる。前記圧電モータは、当該圧電モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベースと、前記ステージに係合することができる摩擦パッドと、前記取り付けベースに結合し、電気信号に応答して前記摩擦パッドを運動させるように動作することができる圧電素子とを備えている。接続部は、前記取り付けベースへと接続された第１の端部と、前記圧電素子に結合した第２の端部とを備える。前記摩擦パッドは、前記第１の端部と前記第２の端部との間において前記接続部へと接続されている。前記接続部は、第１の幅を有する第１の端部と、第２の幅を有する第２の端部と、転回幅を有する転回部分とを有するテーパばねを備え、前記第１の幅および前記第２の幅は、前記転回幅よりも小さい。
【００１０】
本考案の他の態様が、詳細な説明および添付の図面を検討することによって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本考案を具現化する運動制御システムの分解斜視図である。
【００１２】
【図２】図１の運動制御システムの上面図である。
【００１３】
【図３】図１の運動制御システムにおける使用に適したスティックスリップ圧電モータの上面図である。
【００１４】
【図４】図３のスティックスリップ圧電モータが枢動可能であることを示す図３のモータの上面図である。
【００１５】
【図５】予荷重ねじが動作状態にある図３のモータを示している。
【００１６】
【図６】直線状のトラックを駆動すべく配置された図３のモータを示している。
【００１７】
【図７】円柱形のトラックを駆動すべく配置された図３のモータを示している。
【００１８】
【図８】予荷重が加えられた状態における計算による応力分布を示す図３のモータの上面図である。
【００１９】
【図９】図１の運動制御システムにおける使用に適した別のスティックスリップ圧電モータの上面図である。
【００２０】
【図１０】図１０のモータの概念的または象徴的な表示である。
【００２１】
本考案の実施形態を詳しく説明する前に、本考案の応用が、以下の説明において述べられ、あるいは以下の図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に限られないことを、理解すべきである。本考案は、他の実施形態が可能であり、種々のやり方で実施または実行することが可能である。また、本明細書において使用される表現および術語が、説明の目的のためのものであり、本考案を限定するものとして解釈すべきではないことを、理解すべきである。本明細書における「・・・を含む」、「・・・を備える」、または「・・・を有する」、ならびにこれらの変種の使用は、これらの用語とともに列挙されるアイテム、およびそれらの均等物、ならびにさらなるアイテムを包含するように意図される。とくに指定または限定されない限り、用語「取り付け」、「接続」、「支持」、および「結合」、ならびにこれらの変種は、広い意味で用いられ、直接的および間接的の両方の取り付け、接続、支持、および結合を包含する。さらに、「接続」および「結合」は、物理的または機械的な接続または結合に限定されない。
【考案を実施するための形態】
【００２２】
図１が、ベース１５と、ステージ２０と、圧電モータの形態のモータ２５とを含む運動制御システム１０の一部分の分解図を示している。ベース１５は、実質的に任意の形態をとることができるが、通常は、ステージ２０を移動可能に支持し、かつモータ２５をステージ２０に係合して所望の運動を生み出すように支持する不動の構成要素を含む。図示の構成において、ベース１５は、ステージ２０を受け入れ、かつステージ２０を回転軸３５を中心にして回転可能に支持するように寸法付けられたステージポケット３０を含んでいる。ステージ２０は、ステージ２０の滑らかな運動を促進するベアリングまたは他の構成要素を備えることができる。他の構成においては、直線状のステージを細長いスロット内に支持し、スロットに平行な軸に沿って直線運動させてもよい。
【００２３】
さらに、モータポケット４０が、ベース１５に形成され、モータ２５を受け入れるような寸法および形状とされている。第１の開口４５が、ステージ２０の回転軸３５に実質的に平行な軸５０に沿ってモータポケット４０へとベース１５を貫いて延び、取り付けねじ５５を受け入れるように寸法付けられている。取り付けねじ５５は、モータ２５をベース１５へと取り付けて固定するようにモータ２５に係合する。第２の開口６０が、モータポケット４０へと延びており、第１の開口４５に垂直に配置され、回転するステージ２０に関しておおむね径方向に位置している。予荷重部材６５が、第２の開口６０に螺合し、モータ２５へと加えられる所望の予荷重の力７０を正確に設定するために開口６０へと出し入れすることが可能である。好ましい構成においては、約ゼロ〜４０ニュートンの間の予荷重の力７０が、モータ２５へと加えられる。
【００２４】
さらに図１を参照すると、取り付けねじ５５は、第１の開口４５を通過し、モータ２５に螺合する。見て取ることができるとおり、取り付けねじ５５は、ユーザがねじ５５を締め、あるいは緩めることによって、運動制御システム１０を決して分解することなくモータ２５とステージ２０との係合を制御できるように、ベース１５の外側から完全にアクセス可能である。
【００２５】
図２を参照すると、モータ２５およびステージ２０が、モータポケット４０およびステージポケット３０内のそれぞれの動作位置に示されている。図示のとおり、予荷重ねじ６５が、モータ２５に係合する第１の端部７５と、ベース１５の外面に露出する第２の端部８０とを備えている。第２の端部８０は、所望の予荷重が加えられるときに、ベース１５と実質的に同一平面にとどまり、好ましくはベース１５の内部に引っ込んだ位置にある。予荷重ねじ６５のこの配置は、運動制御システム１０を分解することなく、かつ運動制御システム１０の設置面積を大幅に増大させることなく、ベース１５の外側から予荷重の力７０を定期的に調節することを可能にする。
【００２６】
図３〜８が、圧電モータの形態の図１および２のモータ２５の実施形態を示している。モータ２５は、硬質金属または他の適切な材料から所望の形状へと機械加工された本体８５と、圧電スタック９０と、硬質セラミックパッド９５とを、すべて図３に示されるように互いに接続して備えている。本体８５の特定の形状は、本体８５が占める体積に対して最大の機能性を達成する。
【００２７】
本体８５は、図１および２に関して説明したようにモータ２５をベース１５へと堅固に取り付けるために使用されるただ１つのねじ穴１０５を有する取り付けベース１００を備える。取り付けベース１００は、本体８５の一端に形成され、ねじ穴１０５が形成された実質的に中実な矩形部分を備えている。さらに、取り付けベース１００は、圧電スタック９０または圧電素子を受け入れるように構成された第１の圧電素子取り合い面１１０を画定している。圧電スタック９０は、接着剤または他の適切な取り付け手段を使用して第１の圧電素子取り合い面１１０へと結合させられる。
【００２８】
本体８５は、結合パッド１２０と、薄肉たわみ部１２５と、剛体カプラ１３０と、テーパばね１３５と、予荷重アーム１４０とを含む接続部１１５をさらに備える。結合パッド１２０は、第１の圧電素子取り合い面１１０に実質的に平行になるように配置された第２の圧電素子取り合い面１４５を備えている。圧電スタック９０は、膨張の方向１５０が２つの圧電素子取り合い面１１０、１４５に実質的に垂直であるように第２の圧電素子取り合い面１４５へと結合させられる。
【００２９】
薄肉たわみ部１２５は、セラミックパッド９５（摩擦パッド）と剛体カプラ１３０とを互いに接続する。摩擦パッド９５は、剛体カプラ１３０へと接続され、あるいは剛体カプラ１３０の一部として形成され、圧電スタック９０の膨張および収縮に応答して所望の運動をもたらすべくステージ２０に係合し、より具体的にはステージ上の摩擦トラック２０に係合するように配置される。好ましい構成において、摩擦パッド９５は、接着剤を使用して剛体カプラ１３０へと貼り付けられるが、他の取り付け手段も使用に適する。摩擦パッド９５は、好ましくは超硬質セラミック材料から作製され、球状の摩擦面１５５を有するが、他の表面の構成も可能である（例えば、円柱形、平坦、楕円形、長円形、など）。
【００３０】
図３のモータの構成は、圧電スタック９０と摩擦パッド９５との間の所望の剛性を保証することによって、モータ２５の効率および膨張の方向１５０における運動制御システム１０の剛性を向上させる。これまでのモータの実装例は、より長くて薄い結合アームを使用しており、これがモータの剛性および効率を低下させている。加えて、いくつかの従前のモータは、上述の剛体カプラ１３０の代わりに、より長くて薄く、場合によっては湾曲した結合アームを使用している。これらの構成においては、結合アームが、モータの「スリップ」段階において圧縮され、あるいは曲がり、小さなばねを生成する。これにより、スリップ段階におけるモータのスリップの量が小さくなり、結果としてモータの効率が低下する。これを補償するために、ユーザは、より高い駆動電圧を用いることを強いられ、結果として電力損失、振動、および雑音が大きくなる。
【００３１】
図３の圧電モータ２５のテーパばね１３５は、最小の空間において可能な限り最大の力および変位を得るために、本体８５の中心全体を利用するダブルテーパばね１３５を含む。ばね１３５は、第１の厚さを有する第１の端部１６５から第２の厚さを有する転回部分１７０まで延びる第１のアーム１６０を備える。図示の構成において、第１のアーム１６０の厚さは、第１の厚さから第２の厚さへと線形に増加している。転回部分１７０は、第１のアーム１６０を第２のアーム１７５へと接続するＵ字形部分である。第２のアームは、第１の厚さを有する転回部分１７０から第２の厚さを有する第２の端部１８０まで延びる。第２のアーム１７５の厚さは、第１の厚さから第２の厚さへと線形に減少している。ばねアーム１６０、１７５の断面は、図８に示されるように材料への応力がばねの全長にわたって実質的に等しくなるように構成される。この構成は、モータ２５によって占められる空間の最も効率的な利用を可能にし、したがってこれまでに可能であったよりも小さい小型高性能モータ２５の構成を可能にする。
【００３２】
予荷重アーム１４０は、予荷重表面１８５、および予荷重表面１８５と取り付けベース１００との間を延びる可撓要素１９０を備える。可撓要素１４０の少なくとも一部分は、凹んだ領域１９５を画定するように膨張方向１５０に対して角度を有している。予荷重表面１８５は、予荷重ねじ６５が占める空間を減らすために、この凹んだ領域１９５に画定される。この特徴は、予荷重ねじ６５の支持に必要な材料の量を減らすことによって、より小さい運動装置１０の設計を可能にする。
【００３３】
したがって、接続部１１５は、結合パッド１２０から膨張の方向１５０に実質的に平行な方向に薄肉たわみ部１２５および剛体カプラ１３０を通って延びるおおむね回り道の経路を辿る。これは、接続部１１５のこの部分が、膨張の方向１５０においては剛直であるが、他の方向においてはより可撓であることを保証する。次いで、接続部１１５は、約１８０°向きを変え、転回部分１７０へとばね１３５の第１のアーム１６０を辿る。転回部分１７０において、接続部１１５は再び約１８０°向きを変え、予荷重アーム１４０へと第２のアーム１７５を辿る。次いで、予荷重アーム１４０は、可撓要素１９０へと１８０°よりもわずかに小さく向きを変え、可撓要素１９０は、少なくともその長さの一部分において膨張の方向１５０に対して鋭角に延びた後に、取り付けベース１００に出会う。
【００３４】
図３のモータ２５の構成は、利用可能な体積のきわめて効率的な使用が達成されるような構成である。図３のモータ２５は、モータ外周２００（図５に示されている）を画定し、このモータ外周２００の範囲内の可能な空間の少なくとも７０パーセントが、モータ２５および圧電素子９０によって占められる。好ましい構成においては、空間の少なくとも約７５パーセント（プラスマイナス２パーセント）が使用され、より好ましい実施形態は、空間の約８０パーセントを使用する。このように、モータ２５に用いられる空隙は、モータ外周２００の範囲内の空間の最大で３０パーセントを構成するにすぎない。
【００３５】
運動制御装置１０を組み立てるために、モータ２５の全体が、取り付けベース１００のただ１つの取り付け穴１０５によってベース１５へと取り付けられる。この取り付けは、モータ２５をベース１５内に保持するベース１５とモータ２５との間の唯一の接続である。ただ１つの接続は、図４に示されるようにモータ２５の全体が取り付け穴１０５を中心にして枢動することを可能にする。加えて、ねじ５５が、運動制御装置１０の開放または分解を決して必要とすることなくモータ２５の全体を回転させ、あるいは固定できるよう、好ましくは運動制御装置１０の外側からアクセス可能である。これは、製造における大いなる助けであり、運動制御装置１０の組み立ておよび較正の手順を簡単化する。また、予荷重の調節を現場であらゆる有資格のユーザによって行うことができるがゆえに、必要な定期的な調節が行われる可能性が高くなるため、運動制御装置１０の寿命の延長においても重要な役割を果たす。
【００３６】
運動制御装置１０を使用するために、ユーザは、図５に示されるように予荷重ねじ６５を使用して予荷重表面１８５へと予荷重の力７０を加える。予荷重の力７０は、ひとたび加えられると、摩擦パッド９５とステージ２０上の摩擦トラックとの間に必要な圧力を生み出す。図６が、直線状のステージ２０５に係合している摩擦パッド９５を示す一方で、図７は、回転ステージ２０に係合している摩擦パッド９５を示している。予荷重表面１８５への力７０が、テーパばね１３５を通して摩擦パッド９５へと伝えられる。ばね１３５は、予荷重の力７０の方向においては堅固であり、圧電膨張の方向１５０においては可撓である２つの薄肉たわみ部２１０を介して、予荷重表面１８５および摩擦パッド９５へと接続されている。アセンブリ１０の全体の剛性を高めるために、予荷重表面１８５は、可撓要素１９０を介して取り付けベース１００へと接続されている。可撓要素１９０は、予荷重アーム１４０をベース１００へと接続するように機能する。可撓要素１９０は、圧電素子の膨張の方向１５０においては或る程度剛直であり、垂直な方向においてははるかに可撓であるように設計される。
【００３７】
摩擦パッド９５の球状の摩擦面１５５が、取り付け穴１０５を中心とするモータ２５の枢動可能性および予荷重ねじ６５の使用との組み合わせにおいて、きわめて迅速かつ容易な組み立ての手順を可能にし、運動装置１０の製造コストを大幅に低減する。具体的には、ユーザが、摩擦パッド９５を摩擦トラックに接触させ、モータの本体の全体が、モータにいかなる応力も導入することなく取り付け穴１０５を中心にして回転させられる。予荷重の力が表面１８５に加えられるとき、テーパ状の予荷重ばねが圧縮される一方で、摩擦パッド９５および接続アーム１３０は動かない。これは、予荷重の調節が圧電素子９０にいかなる望ましくない力も導入しないことを保証する。さらに、モータ２５の全体がずれに対してきわめて寛容であり、ほぼあらゆるトラック表面へと調節できるため、高精度の部品も不要になる。モータ２５を、直線運動を生み出すために直線状のトラック（または、ステージ）２０５（図７）へと、あるいは回転運動を生み出すために円柱形のトラック（または、ステージ）２０（図８）へと、容易に取り付けることができる。加えて、予荷重ねじ６５がベース１５の外側に露出されているため、運動制御装置１０の開放または分解を決して必要とすることなく予荷重７０を調節することが可能である。
【００３８】
スティックスリップモータ２５が運動の方向１５０に生み出すことができる力は、摩擦パッド９５と摩擦トラックとの間の摩擦力に比例する。次いで、この摩擦力は、摩擦パッド９５を摩擦トラックへと押し付ける力（すなわち、予荷重の力７０）に比例する。図示の構成においては、予荷重の力７０は、テーパばね１３５の圧縮の量によって決定される。テーパばね１３５は、予荷重表面１８５を押す予荷重ねじ６５によって圧縮される。外部からアクセス可能な予荷重ねじ６５と外部からアクセス可能な取り付けねじ５５との組み合わせは、既存の設計に対する大きな改善である。これらは、運動装置１０の組み立ておよび較正の手順を簡単にし、したがって製造の時間およびコストを減らす。また、有資格のユーザが、高デューティサイクルの用途において結果として生じた摩耗を補償し、運動装置１０の寿命を事実上延長するために、現場で予荷重の調節を行うことを可能にする。
【００３９】
図９が、図１および２の運動制御システム１０における使用に適したモータ２２０の別の構成を示している。モータ２２０は、図３のモータ２５のそれぞれの構成要素と実質的に同じ取り付けベース１００、摩擦パッド９５、予荷重表面１８５、および圧電スタック９０を備えている。
【００４０】
図９のモータ２２０は、図３のモータ２５の薄肉たわみ部１２５よりも長く、膨張の方向１５０に対して鋭角に配置された薄肉たわみ部２２５を備えている。薄肉たわみ部２２５は、結合パッド２３０から摩擦パッド９５を支持する剛体カプラ２３５まで延びている。Ｕ字形部材２４０が、加えられる予荷重の力７０に実質的に平行な方向に延びる２つのレッグ２４５、２５０を備えている。２つのレッグ２４５、２５０を含むＵ字形部材２４０は、実質的に一様な厚さであり、第１のレッグ２４５が剛体カプラ２３５へと接続され、第２のレッグ２５０がテーパ状リンク２５５へと延びている。テーパ状リンク２５５は、Ｕ字形部材２４０の第２のレッグ２５０から可撓要素２６０まで延びており、Ｕ字形部材２４０から可撓要素２６０へと増加する厚さを備えている。テーパ状リンク２５５は、第１の線形な割合で厚さが増加する第１の部分２６５と、第２の線形な割合で厚さが増加する第２の部分２７０と、第３の割合で厚さが増加する第３の部分２７５とを含む。他の構成においては、他の厚さの変化（例えば、非線形）が可能である。可撓要素２６０は、膨張方向１５０に対して鋭角で延びる第１の部分２８０と、膨張方向１５０に実質的に平行な第２の部分２８５を含む。可撓要素２６０は、実質的に一様な厚さである。
【００４１】
さらに図９を参照すると、予荷重アーム２９０は、テーパ状リンク２５５から片持ち梁の様相で延び、テーパ状リンク２５５から予荷重表面１８５へと回り道の経路を辿る。予荷重アーム２９０は、実質的にＵ字形の経路を辿る第１の部分２９５と、約２７０度まで向きを変える経路を辿る第２の部分３００と、実質的にＬ字形の第３の部分３０５とを含む。斜めの部分３１０が、Ｌ字形の部分３０５の端部から予荷重表面１８５へと延び、予荷重ねじ６５のための凹部空間３１０を画定している。
【００４２】
図１０により明瞭に示されるとおり、図９のモータ２２０は、３つの別個のアームを備える星形の構成を有する。１つのアームが、ベース１００へと接続され、第２のアームが、表面において圧電素子１４５へと接続され、第３のアームの表面１８５に予荷重が加えられる。可撓要素２６０は、両方向に可撓であり、予荷重の構造の全体を支持するように機能する。取り付けベース１００へと加えられる力は、互いに近くに加えられ、運動の方向に平行である。主たる力は、取り付け穴１０５に整列した圧電素子によって加えられ、可撓アーム２６０が、比較的小さな力を取り付けベース１００へと加える。Ｕ字形の部材２４０は、予荷重の力７０の方向においては実質的に剛直であり、圧電素子の膨張の方向１５０においては比較的柔軟である。したがって、運動の方向における抵抗はわずかであり、予荷重のたわみが圧電素子の運動から隔離される。テーパ状リンク２５５は、予荷重アーム２９０と協働して、テーパ状のＵ字形の予荷重ばねを形成する。予荷重アーム２９０の特定の形状により、調節面１８５の行程がより長くなり、したがって予荷重ねじによるより細かい予荷重の調節が提供される。
【００４３】
図１０は、図９のモータ２２０の象徴的な表示であり、モータの可撓性および剛性をよりよく説明している。図９に関して述べたように、モータは複雑な構造を備えるが、そのような構造は、簡略表示において、３つの別個の端部、すなわち固定端３５０と、圧電素子またはスタック９０へと取り付けられた移動する端部３５５と、予荷重の調節に使用される浮動の端部３６０とを備える星形の構成を有する。
【００４４】
取り付けベースまたは剛体ベース１００は、取り付け穴またはねじ穴１０５を使用して運動プラットフォームへと取り付けられる。これは、すべての運動の測定の起点となる比較的剛直な固定点をもたらす。圧電素子９０の片側が、膨張の方向３６５が取り付け穴１０５に対して垂直になるように剛体ベース１００へと取り付けられる。圧電素子９０の反対側が、結合パッド２３０（剛体プレートと称されることもある）へと取り付けられる。
【００４５】
薄肉たわみ部２２５は、移動する端部において結合パッドへと接続される。薄肉たわみ部２２５の他端は、剛体カプラ２３５へと接続され、摩擦パッド９５が、運動装置の移動する部分との係合のために剛体カプラへと接続されている。薄肉たわみ部２２５は、膨張の方向に実質的に平行な方向に延びる梁として示されている。したがって、薄肉たわみ部は、膨張の方向においては比較的剛直であり、したがって圧電素子の膨張の大部分が摩擦パッド９５へと伝えられるように保証する。結合パッド、薄肉たわみ部、および剛体カプラのみが、圧電素子から摩擦パッドへの運動の伝達に関係する。しかしながら、薄肉たわみ部２２５は、膨張の方向３６５に垂直な方向においては比較的可撓である。したがって、動作の際に、摩擦パッドに係合する表面における不一致が、薄肉たわみ部の変位によって吸収され、予荷重または圧電素子の膨張に影響を及ぼすことがない。
【００４６】
膨張（および、運動）の方向に垂直な予荷重の力が、摩擦パッドと対向するトラックとの間に所望の運動を保証するために必要な摩擦を生じさせるべく、摩擦パッドへと加えられる。この予荷重の力は、図９および１０のモータにおいては完全に、浮動するばねアーム３７０の浮動する端部３６０を圧縮することによってＵ字形のテーパ状のばね２９０の形状である予荷重アームによって生み出される。
【００４７】
Ｕ字形のテーパばね２９０によって生み出される予荷重の力は、Ｕ字形部材２４０を介して剛体カプラ２３５および摩擦パッド９５へと伝えられる。Ｕ字形部材２４０の構成は、膨張の方向に実質的に垂直な予荷重の力の方向において比較的堅固であるような構成である。しかしながら、Ｕ字形部材は、膨張の方向においては比較的可撓であり、抵抗をほとんど示さない。この構成は、膨張の際に圧電素子が生じさせる力とは無関係に、そのような力に影響を及ぼすことなく、ユーザが大きな予荷重の力を膨張の方向に垂直な方向に加えることを可能にする。
【００４８】
可撓要素２６０は、いかなる有意な構造的機能も果たさない。可撓要素は、膨張（および、運動）の方向に平行な方向および垂直な方向の両方において可撓である。可撓要素２６０は、Ｕ字形部材２４０を取り付けベース１００へと接続して、取り付けベースへと接続された２つの端部を含むおおむねＵ字形のセグメントを完成させるように機能し、摩擦パッドが、Ｕ字形のセグメントの開放端の反対側に支持される。Ｕ字形のテーパ状ばねが、Ｕ字形のテーパ状ばねの一方のレッグがＵ字形のセグメントに存在するようにＵ字形のセグメントへと接続され、浮動するばねアームが、Ｕ字形のセグメントから基本的に片持ち梁状に延びる。
【００４９】
Ｕ字形のセグメントへと取り付けられるＵ字形のばねのレッグは、Ｕ字形要素に隣接する第１のジョイント３７５および第２のジョイント３８０において取り付けられる。第１のジョイントおよび第２のジョイントは、膨張の方向に実質的に平行な線に沿って整列する。この構成は、構造全体を摩擦パッドが係合するトラックの不完全さに適応させなければならないときに応力の水準を低くする。また、この構成は、予荷重の力によって生じる力、したがって応力が、圧電素子へと伝えられる可能性も小さくする。
【００５０】
図１０は、Ｕ字形のテーパ状ばね２９０を、単純なＵ字形であるものとして示している。単純なＵ字形が使用される場合、モータの小さなサイズが、浮動する端部３６０の小さな変位で必要な予荷重の力を可能にすると考えられる。しかしながら、そのような小さな変位が必要とされるため、所望の予荷重を調節することが困難になり、予荷重の水準が、トラックの不完全さによって引き起こされるばらつきの影響を受けやすくなると考えられる。この過敏さを軽減し、予荷重の設定をより容易にするために、浮動するばねアーム３７０が、利用可能な空間のできるだけ多くを占める曲がりくねった経路（図９におけるＵ字形のテーパ状ばね２９０として図１０において特定される）を辿るように構成される。そのようにすることで、浮動する端部の調節範囲を、浮動するばねアームとＵ字形要素２４０との間のすき間の全体として、予荷重の調節性を最大にすることができる。
【００５１】
アームが占める空間が、製造技術によって制限されることに注意すべきである。好ましい構成においては、ワイヤＥＤＭが、モータの種々の特徴を定める回り道の経路を切り出すために使用される。ワイヤＥＤＭは、約０．３ｍｍ以上のスロットが切断の工程において典型的に形成される点で限定される。しかしながら、他の製造方法またはシステムも、モータの設計をさらに改善すべく、これらのスロットのサイズを小さくするために使用することができる。
【００５２】
図９および１０の構成は、所与のサイズの圧電スタックにおいてきわめて小型なモータをもたらす。例えば、モータの高さ（膨張の方向に垂直）は、同じ方向における圧電スタックの高さよりも０．６ｍｍ大きいだけにすぎない。したがって、高さ３ｍｍの圧電スタックにおいて、モータの高さはわずか３．６ｍｍである。加えて、浮動する端部、したがって予荷重ねじが、約０．３ｍｍの行程を有する。これは、そのような小さなモータのサイズに関して比較的大きい値であり、容易かつ正確な予荷重の値の調節を可能にする。本明細書に記載の予荷重の構成は、約（プラスマイナス２５％）０〜４０Ｎの間の予荷重の力のための約０．３ｍｍの調節範囲において、最大約４０Ｎの力を生み出すことができる。
【００５３】
図９のモータ２２０の構成は、利用可能な体積のきわめて効率的な使用が達成されるような構成である。図９のモータ２２０は、モータ総体積を定めるモータ外周４００を画定する。図示の構成において、そのモータ総体積の内側の可能な空間の少なくとも約７０パーセント（プラスマイナス２パーセント）が、モータ２２０および圧電素子９０によって占められる。好ましい構成においては、空間の少なくとも約７５パーセント（プラスマイナス２パーセント）が使用され、より好ましい実施形態は空間の約８０パーセントを使用する。このように、モータ２２０に用いられる空隙は、モータ外周４００の範囲内の空間の最大で３０パーセントを構成するにすぎない。
【００５４】
図１および２の運動制御システム１０への図９のモータ２２０の組み込みおよび動作は、図３のモータ２５についてのものと実質的に同じである。
【００５５】
モータ２５、２２０ならびに本考案を具現化する他のモータの構成は、小型かつ空間の利用において効率的でありつつ、依然として所望の方向において堅固かつ他の方向において可撓である。本明細書に示した圧電モータの構成において、モータの寸法は、多くの場合に圧電スタックのサイズに関係し、あるいは比肩する。剛性に関して、通常は、モータが、予荷重の方向における剛性と比べたときに運動の方向においてきわめて堅固であることが望ましい。以下の表が、種々の比についての所望の値、ならびに３ｍｍ×３ｍｍの圧電スタックを備える圧電モータについて達成される実際の比を示している。図３を参照すると、モータの幅は、紙面への奥行きであり、モータの高さは、図３の「Ｙ」方向におけるロータの最大寸法であり、モータの長さは、図３の「Ｘ」方向におけるロータの最大寸法である。加えて、運動の方向が「Ｘ」方向であり、予荷重の方向が「Ｙ」方向である。
0003218046.tif 000003
【００５６】
本考案の種々の特徴および利点が、以下の実用新案登録請求の範囲に記載される。
【図１】
0003218046.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0003218046.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月17日(2018.7.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ベース（１５）と、
前記ベースによって支持され、前記ベースに対して運動可能であるステージ（２０）と、
前記ベースに結合し、前記ステージを運動させるべく動作することができるモータ（２５；２２０）と、
取り付けねじ（５５）と、
モータ端と調節端とを備える予荷重部材（６５）とを備えており、
前記モータは、
該モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベース（１００）と、
前記ステージに係合することができる摩擦パッド（９５）と、
前記取り付けベースへと接続された第１の端部（１９０；２６０）と、第２の端部（１２０；２３０）とを備えており、前記摩擦パッドが前記第１の端部と前記第２の端部との間に接続されている接続部（１１５）と、
前記取り付けベースと前記第２の端部との間に配置され、電気信号に応答して前記摩擦パッドおよび前記ステージを運動させるように動作することができる圧電素子（９０）とを備えており、
前記取り付けねじは、前記ベースの外側からアクセス可能であり、前記接続部に係合し、前記モータと前記ベースとの間の唯一の取り付け機構であり、
前記モータ端は、前記モータに接触し、可変の予荷重の力を前記モータへと加えるように移動可能であり、前記調節端は、前記ベースの外側からアクセスできるように配置され、
前記モータは、第１のアーム（２６０）と、第２のアーム（２２５）と、第３のアーム（２９０）と、を含めて一体として構成され、
前記第１のアームが固定端（３５０）において前記取り付けベースへと接続され、前記第２のアームが前記圧電素子へと取り付けられ、前記圧電素子の膨張及び収縮に応答して移動する端部（３５５）を有し、前記第３のアームが、前記予荷重が加えられる予荷重の調節のために使用される浮動する端部（３６０）を有する運動制御システム（１０）。
【請求項２】
前記取り付けベースは、ねじ穴（１０５）を備えており、前記取り付けねじ（５５）は、該ねじ穴に螺合して前記モータ（２５；２２０）を前記ベース（１５）へと固定して接続する、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項３】
予荷重の力は、ゼロと４０Ｎとの間で調節可能である、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項４】
前記モータ（２５；２２０）は、モータ外周を画定し、該外周の内側の空間のうちの少なくとも約７０パーセントが、前記モータおよび前記圧電素子によって占められる、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項５】
前記接続部は、前記第２の端部に位置する結合パッド（２３０）と、該結合パッドと前記摩擦パッド（９５）との間を延びる剛体カプラ（２３５）とを備える、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項６】
前記接続部は、第１の幅を有する第１の端部（１６５）と、第２の幅を有する第２の端部（１８０）と、転回幅を有する転回部分（１７０）とを有するテーパばね（１３５）を備え、前記第１の幅および前記第２の幅は、前記転回幅よりも小さい、請求項５に記載の運動制御システム。
【請求項７】
前記第３のアーム（２９０）は、実質的にＵ字形の部分を辿る第１の部分と、実質的にＵ字形の部分を辿る第２の部分と、実質的にＬ字形である第３の部分とを含む、請求項１に記載の運動制御システム。
【請求項８】
薄肉たわみ部（２２５）が、前記結合パッド（２３０）から前記摩擦パッド（９５）を支持する剛体カプラ（２３５）まで延び、可撓要素（２６０）が、前記取り付けベース（１００）をＵ字形部材（２４０）へと接続することで、前記取り付けベースへと接続された２つの端部を備えるおおむねＵ字形のセグメントが完成され、前記摩擦パッド（９５）は、前記Ｕ字形のセグメントの開放端の反対側に支持される、請求項５に記載の運動制御システム。
【請求項９】
運動制御システム（１０）において使用され、ベース（１５）内に支持され、ステージ（２０）を運動させるべく動作することができる圧電モータ（２２０）であって、
当該圧電モータを前記ベースへと接続するように構成された取り付けベース（１００）と、
前記ステージに係合することができる摩擦パッド（９５）と、
前記取り付けベースに結合し、電気信号に応答して前記摩擦パッドを運動させるように動作することができる圧電素子（９０）と、
前記取り付けベースへと接続された第１の端部（１９０；２６０）と、前記圧電素子に結合した第２の端部（１２０；２３０）とを備える接続部（１１５）とを備えており、
前記摩擦パッドは、前記第１の端部と前記第２の端部との間において前記接続部へと接続され、
前記接続部は、第１の幅を有する第１の端部（１６５）と、第２の幅を有する第２の端部（１８０）と、転回幅を有する転回部分（１７０）とを有するテーパばね（１３５）を備え、前記第１の幅および前記第２の幅は、前記転回幅よりも小さく、
前記モータは、第１のアーム（２６０）と、第２のアーム（２２５）と、第３のアーム（２９０）と、を含めて一体として構成され、
前記第１のアームが固定端（３５０）において前記取り付けベースへと接続され、前記第２のアームが前記圧電素子へと取り付けられ、前記圧電素子の膨張及び収縮に応答して移動する端部（３５５）を有し、前記第３のアームが、予荷重が加えられる予荷重の調節のために使用される浮動する端部（３６０）を有する、圧電モータ。
【請求項１０】
前記接続部は、前記第２の端部に位置する結合パッド（２３０）と、該結合パッドと前記摩擦パッド（９５）との間を延びる剛体カプラ（２３５）とを備える、請求項９に記載のモータ。
【請求項１１】
前記第３のアーム（２９０）は、実質的にＵ字形の部分を辿る第１の部分と、実質的にＵ字形の部分を辿る第２の部分と、実質的にＬ字形である第３の部分とを含む、請求項９に記載のモータ。
【請求項１２】
薄肉たわみ部（２２５）が、前記結合パッド（２３０）から前記摩擦パッド（９５）を支持する剛体カプラ（２３５）まで延び、可撓要素（２６０）が、前記取り付けベース（１００）をＵ字形部材（２４０）へと接続することで、前記取り付けベースへと接続された２つの端部を備えるおおむねＵ字形のセグメントが完成され、前記摩擦パッド（９５）は、前記Ｕ字形のセグメントの開放端の反対側に支持される、請求項１０に記載のモータ。