(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電場の影響によって自身の形状を変化させ、これによって小さなステップの非共振的繰り返しにより別の物体に対する運動が生成される電気機械材料を含むアクチュエータまたはモーターであって、前記アクチュエータまたはモーターが、前記電気機械材料中に集積された複数の電極を有する少なくとも１つの一体構造モジュールを含み、前記一体構造モジュールが焼結されたブロックであり、且つ少なくとも１つの受動部分（１）および少なくとも２つの能動素子（２）を有し、各能動素子（２）に１つの独立したコンタクト点が前記別の物体に接触して設けられ、さらに、前記コンタクト点が、前記一体構造モジュールの前記受動部分（１）に対して少なくとも２つの独立した方向に互いに独立して位置付け可能であり、これによって、前記一体構造モジュールが単独でまたは他のモジュールと組み合わされて、前記運動の生成のために用いられる、アクチュエータまたはモーター。
【請求項２】
前記コンタクト点が、３つの独立した方向に、前記一体構造モジュールの前記受動部分（１）に対して互いに独立に位置付け可能である、請求項１に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項３】
前記一体構造モジュールの前記コンタクト点が、前記一体構造モジュールまたは取り付けられたユニットの基部平面に対して傾斜した平面上に置かれる、請求項１に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項４】
前記一体構造モジュールが球形コンタクトの形状を有する、請求項１に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項５】
ベロー形状の管を用いて、前記一体構造モジュール同士間に垂直力を生成する、請求項３または４に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項６】
前記一体構造モジュールが前記別の物体に対して押し付けられる、請求項１に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項７】
前記一体構造モジュールが、重力、静電力、分子力、原子力または粘性力によって前記別の物体に押し付けられる、請求項６に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項８】
前記一体構造モジュールが磁力によって前記別の物体に押し付けられる、請求項６に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項９】
前記一体構造モジュールが弾性スプリング力によって前記別の物体に押し付けられる、請求項６に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項１０】
３次元の空洞が前記一体構造モジュールの中に集積されている、請求項１に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項１１】
前記能動素子の少なくとも一部が、２次元または３次元で曲折している構造体（１２）からなるベースユニットによって構築される、請求項１０に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項１２】
前記能動素子の少なくとも一部が、少なくとも２つの端部で互いに固定された複数のアーチ形状構造体（１２）によって構築される、請求項１０に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項１３】
前記ベースユニットが曲折した薄膜または平面状の構造体である、請求項１１に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項１４】
前記空洞が弾性材料によって充填される、請求項１０に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項１５】
前記一体構造モジュールが、位相のずれた電圧を発生させる制御エレクトロニクスおよびセンサーのさまざまなフィードバックおよび通信のエレクトロニクスを含み、前記センサーが、力および位置の少なくとも１つを測定する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のアクチュエータまたはモーター。
【請求項１６】
電場に影響されて自身の形状を変化させ、これによって小さなステップを非共振的に繰り返すことにより前記別の物体に対する運動が生成される電気機械材料からなるアクチュエータまたはモーターと別の物体とを含むアクチュエータまたはモーターの配置であって、前記アクチュエータまたはモーターが、前記電気機械材料中に集積された複数の電極を有する少なくとも１つの一体構造モジュールを含み、前記一体構造モジュールが焼結されたブロックであり、且つ少なくとも１つの受動部分（１）および少なくとも２つの能動素子（２）を有し、各能動素子（２）に存在する１つの独立したコンタクト点が前記別の物体に接触して設けられ、前記コンタクト点が、前記一体構造モジュールの前記受動部分（１）に対して少なくとも２つの独立した方向に互いに独立して位置付け可能であり、これによって前記一体構造モジュールが単独でまたは他のモジュールと組み合わされて、前記運動を生成させるために用いられ、さらに、前記別の物体がくさび形状を有する、アクチュエータまたはモーターの配置。
【請求項１７】
前記別の物体が弾性材料を含む、請求項１６に記載のアクチュエータまたはモーターの配置。
【請求項１８】
前記別の物体が弾性構造体である、請求項１６に記載のアクチュエータまたはモーターの配置。
【請求項１９】
電場に影響されて自身の形状を変化させ、これによって小さなステップの非共振的繰り返しにより別の物体に対する運動が生成される電気機械材料からなる複数のモジュールを含むアクチュエータシステムであって、前記モジュールが、前記電気機械材料中に集積された複数の電極を有する一体構造モジュールであり、前記一体構造モジュールの各々が、焼結されたブロックであり、且つ少なくとも１つの受動部分（１）および少なくとも２つの能動素子（２）を有し、各能動素子（２）に存在する１つの独立したコンタクト点が前記別の物体に接触して設けられ、前記コンタクト点が、前記一体構造モジュールの前記受動部分（１）に対して少なくとも２つの方向に互いに独立して位置付け可能である、アクチュエータシステム。
【請求項２０】
前記複数のモジュールが他のモジュールの上に積層される、請求項１９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２１】
ベロー形状の管（４）が、前記一体構造モジュール同士間に垂直力を発生するように配置される、請求項２０に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２２】
中心管（６）が前記積層された一体構造モジュールの中心に配置される、請求項２０に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２３】
前記一体構造モジュールの能動素子を用いて、前記別の物体（１０）に少なくとも２つの軸運動をさせる、請求項１９に記載のアクチュエータシステム。
【請求項２４】
電場に影響されて自身の形状を変化させる電気機械材料からなるアクチュエータまたはモーターを駆動することにより別の物体に対する運動を生成する方法であって、前記方法が小さいステップを繰り返すことによって前記アクチュエータまたはモーターを移動させるステップを含み、前記移動ステップがさらに、少なくとも１つの一体構造モジュールを単独でまたは他の一体構造モジュールと組み合わせて駆動するステップを含み、前記一体構造モジュールが、焼結されたブロックであり、且つ前記電気機械材料中に集積された複数の電極を有し、前記一体構造モジュールの各々に少なくとも２つのコンタクト点が、前記一体構造モジュールの受動部分に対して少なくとも２つの方向に互いに独立して位置付けされる、方法。
【請求項２５】
前記移動ステップが、くさび形状を有する前記一体構造モジュールの少なくとも１つを別のモジュールに対してまたはくさび形状を有する別のユニットに対して回転させるステップをさらに含み、これによって、回転運動を傾斜運動に変換する、請求項２４に記載の運動を生成する方法。
【請求項２６】
前記回転ステップが、中心管の狭窄部（７）を生成して移動させ、これによって前記中心管中のなんらかの液体をぜん動的に運動させるステップを含む、請求項２４に記載の運動を生成する方法。
【請求項２７】
電場の影響によって自身の形状を変化させ、これによって、小さなステップの非共振的繰り返しにより別の物体に対する運動が生成される電気機械材料からなるアクチュエータまたはモーターを製造する方法において、前記アクチュエータまたはモーターが、前記電気機械材料中に集積された複数の電極を有する少なくとも１つの一体構造モジュールを含み、前記一体構造モジュールが焼結されたブロックであり、且つ少なくとも１つの受動部分（１）および少なくとも２つの能動素子（２）を有し、前記方法が、前記電気機械材料中に複雑な電極配置を生成するステップおよび前記電気機械材料の未焼結本体中に幾何学的形状を複製するステップを含む、製造方法。
【請求項２８】
前記複製ステップに先立って前記電気機械材料を電極層でコーティングするステップをさらに含む、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項２９】
幾何学的形状を前記未焼結本体中に複製する前記ステップによって発生された前記幾何学的形状を用いて１つの未焼結本体を他の未焼結本体に整合させるステップをさらに含む、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３０】
前記複製ステップが、層間に電極を接続するために前記未焼結本体に穴を形成するステップを含む、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３１】
可塑性変形プロセスによって電極層を接続するステップをさらに含む、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３２】
前記複製ステップが、電気不活性材料で層を形成するステップを含む、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３３】
外部摩擦層を形成するステップをさらに含む、請求項２７に記載の製造方法。
【請求項３４】
前記複製ステップが空隙の体積を形成するステップを含む、請求項２７に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は一般的には、電場の影響によってその形状を変化させる電気機械材料を含む小型のモーターおよびアクチュエータに関し、より特定的には、別の本体に対する運動が小さなステップの繰り返しによって生成されるモーターおよびアクチュエータに関する。本発明ほまた、このようなモーターの駆動方法および製造方法にも関する。
関連技術
数ミリ未満の寸法範囲を持つ高性能モーターに対して大きな需要が存在するが、この種のモーターは、線形および／または回転の運動を生成できなければならない。この種のモーターは高精度を持ち、同時に大出力を発生できることがしばしば望ましい。この種のモーターで信頼性が高くしかも安価であるモーターが、例えばカメラ、ハードディスク、ＣＤプレイヤーなどを駆動するのに必要とされるので、潜在市場はきわめて大きいことがわかる。例えばポンプなどの医学用機器の分野でも、このようなモーターには大きな関心が寄せられている。
現在の技術水準では、電気機械材料に基づくさまざまな装置が存在する。電気機械材料は、電場の影響を受けるとその形状を変化させるという興味深い特性がある。したがって、ベースプレートに固定された電気機械材料片は、電場を印加されるとその固定されていない表面が動く。このような運動は、収縮であれ伸張であれ、さまざまなタイプのモーターまたはアクチュエータを構築するのに利用することができる。
１センチ以上の範囲の寸法を持つモーターに対してしばしば用いられる技法は超音波モーター技法と呼ばれる。同じ種類のデバイスに対してしばしば用いられる他の用語は共振、振動、進行波、衝撃式モーターデバイスなどがある。一般的には、このようなモーターにおいては、電気機械材料は、それ自身および通常は金属ブロックである固体片材料に対して共振振動を印加する。例えば進行波モーターにおいては、金属ブロックの突出部分は楕円形の運動を余儀なくされ、この突出部分と接触している別の物体が、この運動に従って運動することを余儀なくさせられる。これが超小型モーターとなると、このような運動があまりに小さくなりすぎて、調節不能な表面微細構造によって制限されるため、この技法は不利となる。
電気機械材料からなる超小型モーターにとってより適切なアプローチは、固有共振で作動しないない装置を用いることである。このようなモーターに対する要求を満足させるに十分高い電位を有する１つの特定的な起動原理としては、インチワームタイプのモーター（Ｍ．ベクセル、Ａ．−Ｌ．ティエンスー、Ｊ−Ａシュバイツ、Ｊ．セデルクビストおよびＳ．ヨハンセンによる、「センサーとアクチュエータ」Ａ、４３（１９９４）３２２−３２９（M. Bexell, A-L. Tiensuu, J-A. Schweitz, J. Sderkvist, and S. Johansson, Sensors and Actuators A, 43（1994）322-329））がある。その運動は、昆虫の尺取り虫に類似した方法で小さなステップの繰り返しによって発生するのでこの名前がある（微細位置付け書籍、フィシャー、ニューヨーク、バーレーインスツルメント社、１９９０（The micropositioning book. Fishers, NY: Burleigh Instruments, Inc.（1990））。この運動の原理は、本出願の以下では、「非共振ステップ」技法と呼ばれ、上述の超音波技法とは区別される。電気機械材料の部分もまた、ＰＺＴと呼ばれる。
この運動の原理は単純である。移動中の本体が２つの爪の間に保持され、移動する本体の各側に前記爪の各々が存在する。各爪は、移動する本体に実質的に平行な、長手方向のＰＺＴ片からなっており、その各端部に、横方向ＰＺＴが存在する。ＰＺＴは、金属の本体上に組み立てられる。横方向ＰＺＴのすべてが開始位置で付勢されて伸張し、前記移動する本体を把持し、対向する２つの前部横方向ＰＺＴが再収縮し、前記移動する本体の把持をゆるめる。電場が前記長手方向ＰＺＴに印加されその長さを伸張し、前記前部横方向ＰＺＴが実質的に強制的に再度伸張されて、前記移動する本体を新しい位置で把持する。後部横方向ＰＺＴは前記移動する本体に対するその把持をゆるめ、前記長手方向ＰＺＴは再度収縮し、この後で、前記後部ＰＺＴは再度前記本体を把持する。このようなサイクルの結果、前記移動する本体は前記２つの爪に対して移動することになる。
上記のように動作を制御するために、電子制御装置が必要である。エレクトロニクスが、異なるＰＺＴに適切な電圧を適切な順序で供給しなければならない。このような電圧シーケンスは非常に高速で繰り返され得るので、小さなステップ寸法にもかかわらず、比較的高速の運動を得ることが可能である。
非共振ステップ原理に基づいた既存の製品の開発を制限する決定的な要因がいくつか存在する。これらの制限の１つは、個々の起動素子を十分にストロークさせるのが困難である点であり、システム中で、前記素子および他の部品を高精度で組み立てるための経費が高価であるという点である。これらの問題に対していくつかの解決法が、ヨハンセンによるスウェーデン特許出願第９３００３０５−１号に提示されている。少なくとも２軸運動機能を持つ起動素子を用いることによって、素子の数を減少させている。同時に、前記素子中における内部テコ（例えば、バイモルフ）によって運動を拡大でき、これによって設計の際の自由度が増大する。これらの着想にしたがって、超小型モーターが構築されたが、予測したとおりの望ましい高いトルクおよび運動能力を持つことが分かった（Ｍ．ベクセルおよびＳ．ヨハンセン「トランスジューサ」、ストックホルム、スウェーデン、１９９５、５２８−ニュース（M. Bexell and S. Johansonn, Transducers, Stockholm, Sweden（1995）528-News））。
上記の解決法によれば、別の本体に対する運動を次のようにして達成できる。電気機械材料からなる４つの能動素子を、通常はシリコン製である受動ベースプレート上に取り付け、移動する本体はこの突出する能動素子に対して保持される。素子はすべて、ＰＺＴの縦方向に分割された２つの被制御部分からなり、前記２つの部分はいずれも、ベースプレートと移動する本体の間に伸張している。電圧を印加して、前記ＰＺＴの第１の部分に対して水平方向だが他方の部分に対してはそうではない電場を発生させると、一方の部分は縦方向に収縮する傾向があるが、他方は不変である。前記２つの部分は物理的に１つの物体片に一体化されているので、前記能動素子は次に、活動的な部分の側に湾曲する。前記部分の双方を付勢すると、前記素子全体が収縮し、前記第２のＰＺＴだけに電圧を印加すると、前記素子は他方の側に湾曲する。前記別々の部分に対する電圧を変更させることによって、前記能動素子の上部におけるコンタクト点が菱形領域内部のなんらかの経路に沿って進行する。「コンタクト点」はもちろん、数学的な意味ではなく、実際の幾何学と垂直力によって変化する小さな「接触領域」であり、これらの表現は本明細書では同義語として使用されている。
次々と配置された４つの能動素子を側部方向への運動方向で用いることによって、前記本体に対する運動作用を与えることができる。前記第１と第３の素子を同位相で移動させ、前記第３と第４の素子を位相を異にして移動させることによって、上記と類似の非共振ステップ運動が達成される。
現在のところ、このモーターは、現在周知のいかなる超小型モーターと比較しても単位体積当たり最高のトルクを発生させる。本発明の起源であるこの構造でもいくつか欠点がある。以前の特許出願では、モーターは、例えば、基板上に取り付けられた能動素子からなっており、通常は、半田付けによって組み立てられていた。これはかなり時間のかかる作業であり、したがって経費が高くなる。しかしながら、ほとんどの応用分野では、モーター１つ１つの経費が非常に低いことを要求している。
上記の特許出願では、バイモルフまたは多数モルフ（multimorph）の素子を用いて２軸運動および、それと同時に、ストローク拡大の可能性を得ていた。単一締め付けバイモルフの欠点は、力容量が理想的なテコと比較して大幅に減少されてしまうことであり、これが、力があまり必要でない場合の位置付けに上述のタイプの素子が通常的に使用される理由である。二重締め付けバイモルフ、曲折膜またはアーチ形構造体は、米国特許第５，５８９，７２５号に開示されているように、与えられたストローク拡大のための力容量が良好である。しかしながら、このようなテコ装置構造体はいまだ提示されていない。製造（例えば組み立て）の経費があまりにも高価すぎるのか、あるいは性能が十分でないのかである。
超小型モーターの１つの重要な応用分野は、カテーテルタイプの器具（医療用）である。問題は、長く狭い管をいかにして制御するかである。管自体を器具とするかまたは、他のカテーテルタイプの器具のための補助物とするかである。直径が５ｍｍ未満の寸法を持つ管タイプの構造体の運動を制御方法に対してはほんのいくつかの提案や例があるだけである。その提案はすべて明らかな欠点がある。運動が遅すぎるか、管が弱すぎるか、加熱しすぎるかである。
従来、圧電気材料からなる多層構造体は次に示すように製造されてきた。未焼結のテープを、圧電粉末と重合体接着剤の混合物をテープ鋳込みすることによって作る。電極パターンの輪郭を、前記未焼結のテープ上に金属ペーストをスクリーン印刷することによって定める。多層構造体を、これらのテープを積層して作り、次にこの構造体を２つのステップ、すなわち重合体をバーンアウトする第１のステップと焼結させる第２のステップとで熱処理して、一体構造のユニットを生成する。その外部形状は、ほとんど一般的に、未焼結の状態のときに鋭いくさびで切削されるが、掘削や切削・せん孔などの他の技法を用いてもよい。焼結の後で、さまざまな電極に対するコンタクトを、層に対して直角に、側面上に金属ペーストを印刷したり塗布したりして形成し、次に前記ペーストを熱処理して金属を形成する。
超小型モーターの将来の応用分野での主要な点は、製造が安価でなければならないことである。現在の微細製造技法はむしろ高価であり、安価な能動部品の製造には適していない。主たる必要性は、電極のパターン形成および電気活性材料の層間電気接続である。
発明の概要
従って、本発明の１つの目的は、できる限り少ない数の個別素子からなり、非共振ステップ原理を用いたモーターまたはアクチュエータを提供し、装置の運動の精度を維持または改良することである。本発明の別の目的は、このようなモーターやアクチュエータの製造方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、さらに小型化できるモーターやアクチュエータを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、広い範囲の合成運動を達成できるモーターやアクチュエータを提供することである。
上記の目的は、請求の範囲第１項によるモーターやアクチュエータによって達成される。アクチュエータまたはモーターは、小さなステップを繰り返して実行することによって運動が生成される運動作用を与える電気機械材料を含む。前記アクチュエータは、電気機械材料中に集積された電極を持つ少なくとも１つの一体構造のモジュールを含む。「一体構造」という用語は本書では、熱処理によって最終的に集積された、例えば別々の材料を焼結したブロックなどの１つの単一の一体的な本体を意味する。前記アクチュエータは、移動する本体との間に少なくとも２つのコンタクト点を有するが、前記コンタクト点は、少なくとも２つの独立した方向に、前記一体構造モジュール中の受動部品に対して互いに独立して位置付けすることができる。前記モジュールは、単独でまたは他のモジュールと組み合わせて、他の本体を移動させる目的で用いることができる。
本発明による前記製造方法は、電気機械材料などのセラミック製ボディ中に複雑な電極を配置させるためのものであり、前記方法は、幾何学的形状を、電気機械材料の粒子を持つ重合体のテープ中に複製するステップを含む。前記複製ステップによって、前記モジュールが３次元でパターン形成される。
【図面の簡単な説明】
本発明は次に示す添付図面を参照してより詳細に以下に説明される。
図１は、本発明による六角形の一体構造体の１つの好ましい実施態様の図であり；
図２は、調整可能な形状を持つ、管状の１つの実施態様を示し；
図３は、ぜん動性内部運動をする同心内部管を含む、図２による実施態様の変更例の図であり；
図４は、回転運動と線形運動が合成された運動を可能とする１つの実施態様を示し；
図５は、与えられるストローク拡大のための力容量が向上したアーチ形状構造体を示し；
図６は、電気活性テープの形状の輪郭を定める圧延プロセスを示し；
図７は、電極層をコーティングした電気活性材料の可塑的変形されたテープの最終的な形状の一部を示し；
図８は、本発明によるアクチュエータを生産するさらなる方法を示し；
図９は、開始材料として用いられる薄膜中の整合形状を示す。
実施態様の好ましい説明
本発明の１つの好ましい実施態様を図１に示す。図１には、すべての能動素子を集積した一体構造モジュールが開示されている。前記一体構造モジュールは、共にモジュールの一体部分である、大きい方の六角形の機械的に受動的な部分１と能動素子２とに関して説明できる。したがって、これらの部分が一緒になって一体構造モジュールを形成しているので、図１に示すどの部分も取り外すことはできない。前記能動素子２は、前記モジュールに対して移動することになる本体の表面と接触あるいは少なくとも近傍に存在するように配置される（図示されていない）。
各素子２は、通常は多層構造体の、好ましくは圧電性の電気機械材料からなる。電気機械材料は、それに印加されたある電場に反応する。電圧が印加されたとき大きく形状を変化させるためには、電場は前記材料のあらゆる部分で高い値でなければならない。多層化されていない材料の場合、１つの電圧を構造体全体に印加しなければならないので、非常に高い電圧が必要である。多層化構造体の利点の１つは、特定の電場を達成するに必要とされる電圧が低くてすむことである。これは、例えば駆動エレクトロニクスを持つ構造体の整合にとって望ましい。これは、電極層および接地層を材料内部に導入することによって達成される。各電極に比較的低い電圧を印加しても、局所電場は大きな形状変化を引き起こすのに十分なほど高くなる。
このような多層化構造体の可能な構成を図１の上部に示す。同図には、前記素子の１つの拡大図が示されている。電気的コンタクト１７ Ｉから１７ ＶＩは電極１６ Ｉから１６ ＶＩに接続され、接地コンタクト１７ ０は、同図中の電気機械層間の接地層１６ ０に接続されている。同図中で、前記電気機械材料は実際には透明ではないが、前記電気機械層は分かりやすいように透明な体積として描かれている。電極やコンタクトを含め、拡大図に示すすべての部分は、前記一体構造モジュールの一体化された部分をなす。
前記能動素子２の上記の構成では、各能動素子を３つの独立した方向に移動させることができる。同じ電圧を電極１７ Ｉから１７ ＶＩのすべてに印加することによって、能動素子２全体がその高さを伸張する、すなわち、移動される本体に対する前記コンタクト点は上方に移動する。例えば、電圧を電極１７ Ｉおよび１７ ＩＩに印加すると、前記電気機械材料の対応する部分の高さが延長しようとするが、一方、それ以外の部分は不変のままである。同図中では、この状況は、前記能動素子２を内方に傾斜させ、これによって前記コンタクト点を内側にそして幾分上方に移動させる。同様に、電圧を前記電極１７ ＩＩから１７ ＩＶに印加すると、前記能動素子２は図１で左側に曲げられる。このような運動を合成することによって、前記能動素子２の前記コンタクト点を、ある制限値内の任意の方向に移動させることができる。
したがって、図１に示すように電極を配置することによって、前記素子の上部表面を基板に対して任意の方向に移動させることができる。例えば図１中のＡとＢのように配置された２つの独立した組の能動素子があれば、前記モジュールは、非共振ステップ技法タイプのモーターに容易に用いることができる。
このような運動の１例は回転運動である。動かされるる本体が、活動していないとき、各素子２に対して１つのコンタクト点を有するように前記能動素子の上部に置かれると仮定する。ステップサイクルは、最初にＡ組の能動素子を伸張させることで開始され、これによってＡ組の素子の３つのコンタクト点だけが残る。次に、前記Ａ組の素子は、そのすべてが前記六角形の受動部分１に最も近いところにある端と平行に曲がるように起動される。次に、移動する本体は、前記モジュールの中心を通る軸の回りに少しの角度だけ回転する。前記Ｂ組の素子は、移動する本体と接触し、前記Ａ組は縮小してまっすぐになる。次に、前記サイクルはＢ組を曲げ、さらに進行する。
線形運動はまた、上記のようにする代わりに前記素子の組をある方向に曲げることによって遂行できる。前記能動素子の平面内で任意の運動がこのようにして達成可能であることが容易に理解されよう。
上記の例では、前記素子は、一定の電圧パルスで駆動されるものと仮定したが、通常は、実際には、素子はすべて正弦波電圧によって駆動されて、前記素子コンタクト点が前記基板を基準として楕円運動をすることになる。そのとき、２つの組ＡおよびＢは、通常は約１８０度位相を異にして回転する。各素子に少なくとも２つの位相があり、図１に示す単純な配置は、１つの正弦波で電極ＩおよびＶＩを駆動し、別の正弦波で電極ＩＩＩおよびＩＶを駆動すべきである。これらは前記コンタクト点の適切な楕円運動を実行させるためにその位相を約９０度だけずらされるべきである。非共振ステップ技法による運動を遂行させるために能動素子中の電極を配置し、電圧を前記コンタクトに印加する方法はもちろん多く存在する。
実際のエレクトロニクスは従来の方法に従って構造化してもよく、本出願書中ではこれ以上検討しない。
また、位相のずれた電圧を発生させる制御エレクトロニクスやさまざまなセンサー（例えば、力センサーや位置センサー）のフィードバックや通信用エレクトロニクスを一体化モジュールに一体化するか、それに取り付けることが望ましい。このようにして、特別に調整された電気機械アクチュエータモジュールを１つの一体構造部として得ることができる。
本発明の１つの実施態様によるアクチュエータは、カテーテルタイプの医学用器具として好都合に利用することができる。制御エレクトロニクスと通信エレクトロニクスを前記モジュール内に集積する（または搭載する）と仮定し、例えば図２に示す配置は、以前の問題を解決することにになる。この配置は、本発明による複数のモジュールからなり、そのままのモジュール１は、通常は背面側３が傾斜したくさび形状を有する。このくさび形状は前記モジュール自体であっても、モジュールと分離したまたはモジュールに取り付けられた別のユニットでもよい。また、弾性材料または弾性構造体（例えば、スプリングタイプの幾何学的形状）をくさび形状ユニットの間またはくさび形状ユニットとして用いるのも便利である。
このような配置により複数のさまざまな運動モードが容易に得られる。前記モジュールを互いに対して回転させると、この配置全体が傾斜することになる。これは、モジュールの１つが回転運動をすると、上記のように配置された複数のモジュールが円形経路に沿って運搬され、回転するモジュールまでの距離に対する円形経路の半径が前記くさびの角度に対応することを意味する。分かりやすい例としては、回転するモジュールの上の配置が線形になっている場合である。このような場合、この配置の上部部分は円錐の表面をたどることになる。
２つのモジュールが一緒に作動することによって、傾斜無しの回転運動を起こすことができる。これは、前記２つのくさびを反対方向に配置して、くさび角度が互いに補償し合うようにすることによって得られる。このようにして、回転運動は図２の配置中でさらに伝達されることになる。
このようなシステムのアセンブリのための１つの考えられる解決法は、前記くさびを含め前記モジュールを１つのベロー形状の管４の中に格納することである。前記管は多くのモジュールの間に垂直力を生成する。同時に、前記管は保護用エンベロープおよび電気的接続部としての役割をする。
モジュールはすべて直列の通信母線（例えば２本から４本の電線からなる）に接続して、モジュール間の電気的接続部の数を減少させることができる。
別の洗練されたカテーテルのデザインは、図３に示すような球形のコンタクト表面を持つモジュールを用いる。球形コンタクト表面５によって、なんら傾斜することなく、各モジュールを次のモジュールに対して回転させることが可能となる。また、３軸式の能動素子を使用すれば、各モジュールを個別にいかなる方向にも傾斜させることも可能である。これは、図１に関連して述べた線形運動に対応する。前記カテーテルは図２の以前のデザインと比較してよりしなやかである。しかしながら、前記くさび形状デザインははるかに製造しやすく、これが一部の応用分野で有利となり得る。
例えば、液体を前記カテーテルの作動端を介して出し入れしようとする要望もある。これは、図３に示すように、前記モジュールの中心に管６を配置することによって達成される。ある距離だけ離れた２つの管狭窄部７を一緒に移動させると、液体がぜん動的に移送される。狭窄部は管を回転させることによってまたは前記モジュールを用いて引き伸ばすことによって作成できる。あるスキームに従って個々のモジュールを移動させることによって、このような狭窄部を前記配置に沿って移動させることができ、狭窄部双方を一緒に移動させると、その間に囲まれた体積は前記配置の中心を通って移動されることになる。
高性能の応用例の中には、例えば、高速高精度の装置の線形運動がある。このようなデザインの１つを図４に示す。前記デザインは１つのステータ構造体８に組み立てられた３つのモジュールからなる。前記ステータ構造体は、スプリングタイプの素子９によってローター１０に対して放射状の力を生成する形状を有する。モジュール中の能動素子を図４に示すようような３軸運動をするように作ると、前記ローターの軸方向運動と回転運動を双方とも達成することができる。モジュールの拡大図から分かるように、前記４つの能動素子は２つの組に分けられている。これは、モータの２つの他のモジュールにも同様になされている。これら能動素子の２つの組は、図１の説明から類推される非共振ステップ原理による運動に類似した把持用爪を形成する。各組の前記能動素子が作動中に接線方向に曲げられると、結果として起こるローターの運動は回転となる。各組の能動素子が作動中に軸方向に曲げられると、結果として起こるローターの運動は軸方向への移動となる。もちろん、モジュール中の能動素子を前記２つの純粋な運動の場合の間の方向に曲げることによって、これら２つの運動モードを同時に合成することもできる。
単純な回転モーターが、図１の構造体に類似した２つのスプリングを搭載した構造体にローターを中心に配置して同じように構造化することが可能である。最も単純な場合、２つの一体化モジュールのコンタクト点を、締め付けスプリング構造体によって平面状ローターディスクに押圧する。例えば、前記一体モジュールに穴を開けると、前記ローターディスクに接続されたローターシャフトは前記モジュールに対してその中心で直交する。
前記モジュールによって移動されることになっている本体は実際には、摩擦力によって移動される。このような力を発生させるためには、前記モジュールに対するある種の垂直力が必要である。ステータとローターとの間、すなわちモジュールとモジュールに対して移動する本体との間に運動を発生させるに必要な垂直力を達成させる方法は数多く存在する。重力、磁気、静電気、分子、原子、粘性による力などあらゆるタイプの力が利用可能である。スプリングに蓄えられる弾性力がもちろん、多くの応用分野に魅力的であるが、永久磁石を用いることが最もコストパフォーマンスの良い方法の１つであろう。弾性スプリングとはこの場合、移動する本体をモジュールに対して押圧するあらゆる機械的装置を意味するものと解釈されたい。これらの「スプリング」は通常は、周囲を包囲する材料を構成する。しかしながら、スプリングは取付のための作業を幾分か必要とし、これがこのような解決法のコストパフォーマンスを劣化させるかもしれない。
モジュール中の各能動素子の運動範囲はきわめて重要なパラメータである。製造の精度および正確さと比較して十分大きな運動範囲が必要である。図１に示す素子構造はあるモーターの寸法にとっては十分かもしれないが、モーターをさらに小型化するには、ある種のストローク拡大用メカニズムを用いる必要がある。
現在の技術水準による装置では、ある種のストローク拡大努力がなされているが、まったく不十分である。図５に略図を示すテコ装置構造体１１は、これらの問題をすべて解決するものである。この構造体１１は、反対方向に方位付けされた２つのアーチ１２がベースユニットとして配置されたアーチ形状の構造体からなる一体構造の本体である。前記アーチは一般的には、電極の層を持つ電気的に活性な材料からなり、任意の電圧が印加されると、一方のアーチの曲率が増大し、他方のアーチの曲率が減少するように互いに接続されている。このようにして、本体全体が垂直方向に拡張し、水平力１４は補償される。水平力は、例えば、前記曲率を変化させる水平方向の形状変化によって発生する。一方のアーチの曲率が減少し、他方のアーチの曲率が増大するので、その結果生じる力は水平方向に反対の符号を有し、したがって各ベースユニット内部で補償されることになる。前記モジュール中に電極を適切に分配することによって、３軸運動が達成される。例えば、各アーチ内の電極領域は、前記一体構造モジュール１内の能動素子２と同じように分割され、したがって力の伝達と変位のために用いられる中心部は水平方向にも移動させることができる。前記アーチ間の容積は空か適切な弾性材料で充填されているかのいずれかである。ゴムなどの弾性材料は、例えば、アクチュエータの性能を実質的に損なうことなく、過負荷に対する保護として役立つ。
本発明によれば、一体構造モジュールの製造方法が開示される。前記方法においては、もちろん、前記一体構造モジュールを、内部空隙およびその類似物を含め、その最終的な形状を直接的に形成しようとする要望がある。図６から９に、これらの問題を解決するための、考えられる処理技法がいくつか述べられている。図６では、幾何学的形状１９を持つローラー１８を用いて、これらの形状を電気機械材料１５からなるテープ中に複製する。ローラーの代わりに幾分遅い抜き打ちプロセスを用いてもよいが、この用法はツールの製造が安価であるという点で有利である。複製プロセスによって製造された形状は、主に、未焼結状態、すなわち熱処理前に電極層および前記層間の接続層の輪郭を形成するために用いられる。複製技法の他の用途は整合の補助手段として、及び、空隙の体積を規定することであり、これについては以下にさらに説明する。
実際の適用によっては、上述した複製に先立って、図７に示すようにテープが電極層１６で覆われていてもよい。テープが一方または双方の側部を電極層１６で覆われている場合、図７に示す圧延プロセスによって電極を直接にパターン化することができる。前記電極層はテープの可塑性変形によって分割され、図１から分かるように、別々の電極領域となる。例えば、重合体テープの上部に圧電粒子で電極をパターン化することは通常は、現在の技術水準による標準的なリソグラフィ技術では困難であり、したがって、本発明によるこの方法によりこの問題を洗練された方法で解決する。
前記層間の電気的接続もまた、前記テープを可塑的に変形して穴２０を形成することによってとることができる。図７では、前記穴２０の壁はまだ電極材料で覆われており、電気的接続が２つの層の間に形成されている。こうする代わりに、上述の方法で形成された穴を電気的に導電性のあるペーストで充填してもよい。このようにして、モジュール内部の電気的接続は水平方向だけではなく、縦方向にも形成できる。電気的接続の形成の別の方法は、可塑性変形と一緒に、図８に示すように圧延、折り重ね、ねじりなどを組み合わせて所望の電気的接続を形成するものである。電気機械材料からなるアクチュエータの製造において、時間がかかり総体的に制限的な処理ステップの１つは、層間の電気的接続である。互いに異なった２つの平行な層が折り目自体で接続される単純な折り重ね方式のある種の応用例ではこの問題は解決されるが、その理由は、前記層間の接続が必要ないからである。電気活性材料の重合体テープを圧延してねじる方式は、穴を形成することなく別々の層間に電気的接続を形成する別の方法である。
次の処理ステップは、本来周知の方法によって、これらの層を積層して熱処理によって一体構造ユニットまたはモジュールを製造することである。したがって、これらのステップは本開示ではこれ以上説明しない。
内部空隙の体積（または適切な材料）は、電気不活性材料の層を包含させることによって作ることができる。このような層は、前記積層ステップ間だけでなく前記複製ステップの前または後に導入してもよい。この複製によって、別々の形状を持つ重合体の体積が作成される。例えば熱処理、特に従来の導入バーンアウト熱処理の間に、重合体材料は消滅する。このようにして空隙の体積は、パターン化された重合体層を複製技法の助けにより導入することによって作成できる。
モジュールなどの能動素子の上部に存在するのが適当な外部摩擦層を、同じように包含させることができる。前記能動素子の外側部分は、移動本体と物理的に接触するモジュールの部分であるため、摩擦的効果にさらされる唯一のモジュール部分である。しかしながら、前記移動動作はある種の摩擦に依存するので、ある程度のコンタクトが存在しなければならない。摩耗などに対する抵抗力を向上させる１つの方法は、前記能動素子の最外側部分を外部摩擦層で覆うことである。このような層もまた、最終的な電気機械層の上部に１つまたは複数の摩耗抵抗材料層を追加することによって、本発明による製造方法で容易に導入される。次に、前記摩擦層は、前記焼結プロセスで前記モジュール中に集積される。
前記製造プロセスにおける１つの困難なステップは、熱処理に先だって積層される別々の層を整合させることである。全体の精度はミクロンのオーダーである必要があるので、それに相応する精度を整合プロセスで獲得する必要がある。積層中の整合作業は、特定の整合用の形状２１，例えば穴のなかのペグも薄膜中で複製されれば、非常に単純化することができる。図９から分かるように、幾何学的構造体は整合手順において役に立つものである。図９では、連続して与えられる３つの層に存在するある種の幾何学的エッジは２１Ａから２１Ｆで示されている。凸部エッジである２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｅは、下部層の凹部エッジ２１Ｃ、２１Dおよび２１Ｆとそれぞれ対応している。このような層を互いの上に位置付けすると、これらのエッジは一緒に適合し、層を正確に整合させるように案内する。
本発明によるある好ましい実施態様を上記のように説明したが、本発明はそれに限られるものではないことに注意されたい。本発明の精神に従った変更例および修正例が含まれ、また、本発明が添付クレームの範囲によってのみ定義されることを了解されたい。
【図１】
0003980646.tif 000002
【図２】
0003980646.tif 000003
【図３】
0003980646.tif 000004
【図４】
0003980646.tif 000005
【図５】
0003980646.tif 000006
【図６】
0003980646.tif 000007
【図７】
0003980646.tif 000008
【図８】
0003980646.tif 000009
【図９】
0003980646.tif 000010