(57)【要約】  高性能の圧電アクチュエータ及び派生的な装置を作製するための費用効果の高い高曲げ剛性を有するコネクタを開示する。一実施形態ではコネクタは従来の機械加工技術で費用効果的に機械加工でき、円周に沿って交互に配置された円形断面を有する凹部を有する。当該凹部は、円形又は非円形断面を有する圧電能動素子を収容し費用効果の高い２段式（２×）の圧電変位アクチュエータの作製に使用できる。他の実施形態ではコネクタ内の非円形断面を有する凹部は、従来の機械加工技術を使用して又は非従来の機械加工技術の使用を減らしながらも、凹部の費用効果的な機械加工を可能にするための壁開口部を含む。凹部の基部の曲げ変位を最小化するために必要に応じて付加的な補強機構が追加されてもよい。そのようなコネクタから高性能の多段式変位アクチュエータや小型のランジュバン低周波水中プロジェクタ等の、費用効果的の高い派生的な装置を作製することができる。【選択図】図３Ａ
2020526009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設置面積が小さく、高曲げ剛性（ＨＢＳ）コネクタと、複数の圧電能動素子とから構成され、軸方向の大きな総変位及び大きな発生力を有する多段式の圧電アクチュエータであって、前記コネクタは、
第１基部と、前記第１基部に対向し、実質的に平行な関係にある第２基部とを有する、円形、正方形、矩形、又は多角形の断面を有する細長い構成要素と、
前記第２基部から前記第２基部に実質的に垂直に前記コネクタの中を実質的に通って延在し、外周に沿って等間隔で配置された複数のコネクタ凹部の組であって、前記コネクタの外周に沿って実質的に等しい角度の間隔で、前記第１基部から延在する複数の凹部ハウジングの組の間に交互に配置された複数のコネクタ凹部の組とから構成され、
各コネクタ凹部は圧電能動素子を収容することができ、
各コネクタ凹部の基部は、使用中の片持ち荷重を最小限にするために前記コネクタ本体に堅固に連結されており、
各コネクタ凹部の深さは、好ましくは、それが収容する圧電能動素子の長さよりわずかに短く、
各圧電能動素子の軸方向の変位のほぼ２倍（２×）の軸方向の総変位と、各圧電能動素子の発生力と同等以上の発生力とを生じさせるために、コネクタ凹部の両方の組に収容された前記圧電能動素子が一体となって作動する、多段式の圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記コネクタ凹部は円形の断面形状であって、
前記コネクタ凹部は、前記コネクタ本体を貫通する円形の貫通孔を機械加工し、当該各貫通孔の開口部は、鑞付け、接合、ボルト止め、又は他の適当な技術によって、成形された端板及び／又は孔用栓を用いて封止することによって作製される、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項３】
前記コネクタ凹部は円形の断面形状であって、
各コネクタ凹部は円形の断面形状を有する圧電能動素子を収容する、請求項１又は２に記載のコネクタ。
【請求項４】
前記コネクタ凹部は円形の断面形状であって、
円形の断面を有する各コネクタ凹部は非円形の断面形状を有する圧電能動素子を収容する、請求項１又は２に記載のコネクタ。
【請求項５】
各コネクタ凹部は入口部と本体とを有し、
前記入口部は円形の断面形状であり、前記本体は非円形の断面形状であって、
前記入口部は、前記コネクタ凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、前記本体よりも大きな断面積を有する、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項６】
前記コネクタ凹部は非円形の断面形状であって、
各コネクタ凹部は、当該凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、当該凹部の全長にわたって横切る壁開口部を有する、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項７】
前記コネクタ凹部は、非円形の断面形状であって、
各コネクタ凹部は、当該コネクタ凹部の異なる側面上に位置する、物理的に相互に連結可能な複数の壁開口部を有し、
前記開口部の垂直方向の合計の長さは、前記コネクタ凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、前記コネクタ凹部の全長を横切る、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項８】
前記コネクタ凹部は非円形の断面形状であって、各コネクタ凹部は入口部及び本体を有し、
各コネクタ凹部は、それの本体の長さに沿って壁開口部を有し、
各コネクタ凹部の前記入口部は壁開口部を有しておらず、前記凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、それの本体よりも大きな円形の断面積を有する、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項９】
前記コネクタ凹部は非円形の断面形状であり、各コネクタ凹部は入口部及び本体を有し、
各コネクタ凹部は、それの本体に沿って異なる側壁上に、物理的に連結可能な複数の壁開口部を有し、
各凹部の前記入口部は、前記凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、それの本体よりも大きな円形の断面積を有する、請求項１に記載のコネクタ。
【請求項１０】
前記コネクタ凹部の前記断面は、三角形、正方形、矩形、又は他の多角形の形状である、請求項１〜９のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１１】
前記コネクタ凹部の前記基部の撓み変位を減少させるために、１つ又は複数の付加的な補強機構をさらに備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１２】
前記コネクタ凹部の少なくとも１つの内側の前記基部に接合された少なくとも１つの高剛性荷重パッドをさらに備える、請求項１〜１１のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１３】
前記コネクタの少なくとも１つの端面に接合された少なくとも１つの補強端板をさらに備える、請求項１〜１２のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１４】
前記コネクタは、それの中心を貫通する中心孔をさらに備える、請求項１〜１３のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１５】
前記コネクタは、軽金属、エンジニアリングセラミック、又は繊維強化ポリマーを含む、低密度の高弾性材料から作製される、請求項１〜１４のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１６】
前記コネクタは、チタン系合金、鉄系合金、ニッケル系合金、銅系合金、又はＷＣ−Ｃｏサーメットを含む、高弾性率エンジニアリング合金の１つから作製される、請求項１〜１４のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１７】
軽量化の目的で、付加的な切欠き、開口部、非貫通孔及び／又は貫通孔を含む、請求項１〜１６のいずれかに記載のコネクタ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の、費用効果の高いＨＢＳコネクタから構成される２段式（２×）圧電アクチュエータ。
【請求項１９】
前記圧電能動素子は、円形の断面又は非円形の断面を有する、縦（３３）モード能動素子又は横（３１又は３２）モード能動素子のうちの１つを備える、請求項１８に記載のアクチュエータ。
【請求項２０】
前記圧電能動素子は、圧電セラミック、個々の圧電単結晶、又は圧電単結晶が結合した集合体のうちの１つを備える、請求項１９に記載のアクチュエータ。
【請求項２１】
前記圧電能動素子は、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］圧電セラミック、及び／又は、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、及びそれらの組成的に改質された誘導体を含む群から選択される、高圧電性リラクサ系固溶体単結晶化合物、から構成される、請求項２０に記載のアクチュエータ。
【請求項２２】
前記ＨＢＳコネクタは、前記アクチュエータの製造及びアセンブリ中の取り扱いを補助するために１つ又は複数の付加的な開口部を備える、請求項１、１８、１９、２０又は２１に記載のアクチュエータ。
【請求項２３】
基台、基部板、プレストレス機構、又はケーシングのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２２に記載のアクチュエータ。
【請求項２４】
捩れ防止機構をさらに備える、請求項２３に記載のアクチュエータ。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の、費用効果の高い１つ又は複数のコネクタ及び／又はアクチュエータから構成される、より高い段数（３×、４×等）の圧電アクチュエータ。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれか一項に記載の前記コネクタ及び／又はアクチュエータを少なくとも１つ有するモータ部を備える水中プロジェクタ。
【請求項２７】
ヘッド質量部、整合層、テール質量部、プレストレス機構、又はケーシングのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２６に記載の水中プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は曲げ剛性の高い変位コネクタに関し、特に安価に製造できる高性能圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電気は外的な機械的応力への応答で特定の固体材料に蓄積する電荷である。直接圧電効果を示す材料が逆圧電効果も示すという点において、圧電効果は可逆過程である。すなわち、圧電素子は印加された電界により内的な機械的歪みを発生させることができる。
【０００３】
したがって、圧電素子は機械的変位を発生させる駆動源として用いることができる。しかしながら、一般に圧電素子の変形量は小さいため、圧電素子を駆動源として使用する場合には、多くの場合、当該圧電素子の機械的歪みを増大させ、それを大きな変位量に変換する必要がある。近年、特定の使用のための適当な機械的変位を発生させるために圧電素子を使用するアクチュエータを設計することに多くの努力が注がれている。
【０００４】
直接プッシュプル圧電アクチュエータは縦方向（ｄ３３）のスタック及び横方向（ｄ３１）のチューブ型又はバー型アクチュエータを備える。それらは大きな発生力を有するが、変位が小さく、典型的には、約１００Ｎを超える発生力及び４０μｍ未満の変位を有する。４０μｍを超える変位を得るために数百の層を積層し、高さが１００ｍｍを超えるスタックが市販されている。これらのアクチュエータには、製造業、航空宇宙、防衛、医療、及び科学分野で多くの実用的な用途がある。
【０００５】
これらの直接プッシュプル能動素子の変位を増大させるために多様な変位増強機構が考案されており、それらはレバーアーム、フレックステンショナル、蛇行線式、及び入れ子式の手法を含む。しかしながら、それらの大きな曲げコンプライアンスのために、そのようなアクチュエータは変位及び発生力の両方において悪影響を受ける。
【０００６】
したがって、これらの制限を克服する高性能の圧電アクチュエータが必要とされている。それらは従来の製造技術を用いて、安価で容易に製造できるものでなければならない。
【０００７】
（発明の概要）
上記の要約及び実施形態の例示的な以下の詳細な説明は添付の図面を参照することにより、より良く理解されるだろう。本開示を説明するために、本開示の例示的な構成を図面に示す。しかしながら、本開示は本明細書に開示された特定の方法及び手段に限定されるものではない。さらに、図面が縮尺どおりに描かれていないことは当業者にとって明白であるだろう。
【０００８】
本発明は、高い曲げ剛性を有する２段式（two-level）（ＨＢＳ（High-Bending-Stiffness）−２×）のコネクタの費用効果的な設計を含む。同一の圧電スタック、チューブ、又はバーに嵌合させた場合、コネクタは能動素子の各々の発生力と同等の発生力を維持しながら、約２倍の軸方向の変位を生じさせることができる。
【０００９】
より具体的には、本発明は、設置面積が小さく、高曲げ剛性（ＨＢＳ）コネクタと、複数の圧電能動素子とから構成され、軸方向の大きな総変位及び大きな発生力を有する多段式の圧電アクチュエータを含む。当該コネクタは、（１）第１基部と、前記第１基部に対向し、実質的に平行な関係にある第２基部とを有する、円形、正方形、矩形、又は多角形の断面を有する細長い構成要素と、（２）前記第２基部から前記第２基部に実質的に垂直に前記コネクタの中を実質的に通って延在し、外周に沿って等間隔で配置された複数のコネクタ凹部の組であって、前記コネクタの外周に沿って実質的に等しい角度の間隔で、前記第１基部から延在する複数の凹部ハウジングの組の間に交互に配置された当該複数のコネクタ凹部の組とから構成される。各コネクタ凹部の基部は、使用中の片持ち荷重（cantilever loading）を最小限にするためにコネクタ本体に堅固に連結されている。円形の断面を有する各コネクタ凹部は、非円形の断面形状を有する圧電能動素子を収容することができる。各圧電能動素子の軸方向の変位のほぼ２倍（２×）の軸方向の総変位と、各圧電能動素子の発生力と同等以上の発生力とを生じさせるために、コネクタ凹部の両方の組に収容された圧電能動素子が一体となって作動するように、圧電能動素子の長さはコネクタ凹部の深さよりもわずかに長いことが好ましい。
【００１０】
コネクタ凹部は円形の断面形状であってもよく、コネクタ本体を貫通する円形の貫通孔を最初に機械加工することによって製造されてもよい。その後、孔の開口部の一方の側は、鑞付け、接合、ボルト止め、又は他の適当な技術によって、成形された端板及び／又は孔用栓を用いて封止することができる。円形の断面を有する各コネクタ凹部は、円形の断面形状を有する圧電能動素子を収容することができる。代替的な設計において、円形の断面を有する各コネクタ凹部は、非円形の断面形状を有する圧電能動素子を収容してもよい。
【００１１】
各コネクタ凹部は、当該凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、当該凹部の全長を横切る壁開口部を有してもよい。あるいは、各コネクタ凹部は、物理的に相互に連結することができる、当該コネクタ凹部の異なる側面上に配置された複数の壁開口部を有してもよい。これらの開口部の垂直方向の合計の長さは、当該凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、当該凹部の全長を横切る長さであってもよい。
【００１２】
各コネクタ凹部は入口部及び本体を備えてもよい。好ましい設計において、各コネクタ凹部の当該入口部は、当該凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、壁開口部を有さず、それの本体よりも大きな円形の断面積を有する。各コネクタ凹部は、物理的に連結可能な異なる側壁上に、それの本体に沿って複数の壁開口部を有してもよい。
【００１３】
代替的な設計において、コネクタ凹部は三角形、正方形、矩形、又は他の多角形の形状を有する。コネクタ凹部の基部の撓み変位を減少させるために、１つ又は複数の付加的な補強機構を備えてもよい。さらに、コネクタは、少なくとも１つのコネクタ凹部の内側で基部に接合された高剛性荷重パッドを備えてもよい。重量を減少させるために、及び／又は製造若しくは使用を補助するための接点を与えるために、コネクタの一部が切り取られる、又は取り外されてもよい（すなわち、切り欠き、開口部、非貫通孔及び／又は貫通孔を備えてもよい）。
【００１４】
コネクタは当該コネクタの少なくとも一方の端面に接合された補強端板を備えてもよい。コネクタはまた、それの中心を貫通する中心孔を備えてもよい。コネクタは、軽金属、エンジニアリングセラミック、又は繊維強化ポリマーを含む、低密度高弾性率材料から作製されてもよい。あるいは、コネクタは、チタン系合金、鉄系合金、ニッケル系合金、銅系合金、又はＷＣ−Ｃｏサーメットを含む、高弾性率エンジニアリング合金の１つから作製されてもよい。
【００１５】
圧電活性素子は、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］圧電セラミック、及び／又は亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、及びそれらの組成的に改質された誘導体を含む、高圧電性鉛系リラクサ固溶体単結晶化合物であってもよい。
【００１６】
さらに、ＨＢＳコネクタは、アクチュエータの製造及びアセンブリ中の取り扱いを補助するために、１つ又は複数の付加的な開口部を備えてもよい。アクチュエータはまた、基台、基部板、プレストレス機構、ケーシング、及び／又は捩れ防止機構のうちの少なくとも１つを備えてもよい。
【００１７】
他の可能な設計として、１つ又は複数の費用効果の高いコネクタ及び／又はアクチュエータから構成される、より高段式（３×、４×等）の圧電アクチュエータを含む。本発明は、特に、水中プロジェクタに適用することができる。水中プロジェクタはヘッド質量部、整合層、テール質量部、プレストレス機構、及び／又はケーシングを備えてもよい。
【００１８】
（概論）
したがって、開示された実施形態の一態様は、各能動素子の発生力と同等の発生力を維持しながら、約２倍の軸方向の変位を生じさせる、費用効果の高い２段式（すなわち、２×）の圧電アクチュエータを提供することである。
【００１９】
したがって、開示された実施形態の更に他の態様は、モータ部が本発明の費用効果の高いＨＢＳコネクタ及び／又はアクチュエータで作製された、小型のランジュバン低周波水中プロジェクタ等の、派生的な装置を提供することである。
【００２０】
本発明の他の態様及び長所は、本発明の原理を例示する添付の図面を参照することにより、以下の詳細な説明から明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
図１Ａは円周に沿って交互に配置された、上向き及び下向きに突出する正方形の凹部を有する、（３＋３）型高曲げ剛性（ＨＢＳ）コネクタを示している。
【００２２】
図１Ｂは、図１Ａの（３＋３）型ＨＢＳコネクタから作製された、派生的な２段式（２×）アクチュエータを示し、正方形の凹部には同様の断面を有する圧電能動素子が嵌合されている。
【００２３】
図２Ａは円形の断面を有する凹部を有する（２＋２）型高曲げ剛性（ＨＢＳ）コネクタを示している、本発明の実施形態を示している。
【００２４】
図２Ｂは、図２Ａの（２＋２）型ＨＢＳコネクタから作製された、派生的な２段式（２×）アクチュエータを示す本発明の他の実施形態を示しており、円形の断面を有する凹部には非円形の断面を有する圧電能動素子が嵌合されている。
【００２５】
図３Ａは費用効果の高いＨＢＳコネクタの他の例示的なデザインを示し、コネクタ凹部を形成するために、円形の貫通孔がコネクタ本体から機械加工された後、端部が頂部端板及び底部端板で選択的かつ堅固に塞がれている。
【００２６】
図３Ｂは費用効果の高いＨＢＳコネクタの更に他の例示的なデザインを示し、コネクタ凹部を形成するために、円形の貫通孔がコネクタ本体から機械加工された後、端部が端部栓で選択的かつ堅固に塞がれている。
【００２７】
図４は、図２Ａと同様のデザインのＨＢＳコネクタを示しているが、重量を低減する目的で付加的な切り欠き及び貫通孔を有する。
【００２８】
図５は入口部に大きな断面の凹部を有する（２＋２）型ＨＢＳコネクタのデザインの例を示しており、当該大きな断面は入口部の下方の長くて深い非円形の断面を有する凹部の加工をより費用効果的にすることを可能にする。
【００２９】
図６Ａは直線状の全長にわたる壁開口部を有する非円形の断面凹部を有する（２＋２）型ＨＢＳコネクタのデザインの例を示している。壁開口部は、容易な機械加工の目的で、凹部の基部からコネクタの反対側の端面まで横切る。凹部は三角形の断面を有する圧電能動素子を収容するように設計されている。
【００３０】
図６Ｂもまた、容易な機械加工の目的のために、直線状の全長にわたる壁開口部を有する非円形の断面を有する凹部を含む（２＋２）型ＨＢＳコネクタのデザインの例を示しており、凹部は正方形又は矩形の断面を有する圧電能動素子を収容するように設計されている。
【００３１】
図６Ｃは分割された全長にわたる壁開口部を有する、非円形の断面を有する凹部を含む（２＋２）型ＨＢＳコネクタの他の例を示している。これらの開口部は、２つの半分の長さの壁開口部、又は千鳥状に凹部の隣接する側壁に配置された、複数の短い壁開口部で構成され、それらの合計の長さが凹部の基部からコネクタの反対側の端面まで横切るように構成されている。前記２つの半分の長さの壁開口部は物理的に相互に連結されていてもよいし、されていなくてもよい。
【００３２】
図６Ｄは容易な機械加工の目的で、直線状の部分的な長さの壁開口部を有する非円形の断面を有する凹部を含む（２＋２）型ＨＢＳコネクタを示している。「部分的な長さの壁開口部」とは凹部の基部からコネクタの反対側の端面まで延在しない壁開口部を意味する。好ましいデザインにおいて、壁開口部を含まない凹部の入口部は容易な機械加工のために円形の断面を有する。
【００３３】
図６Ｅは容易な機械加工の目的で、分割された部分的な長さの壁開口部を有する非円形の断面を有する凹部を含む（２＋２）型ＨＢＳコネクタの更に他のデザインを示している。この例において、各凹部に属する２つの短い壁開口部は互いに物理的に連結されていない。
【００３４】
図６Ｆは千鳥状に配置された部分的な長さの壁開口部を有する、非円形の断面を有する凹部を含む（２＋２）型ＨＢＳコネクタの更に他のデザインを示している。この例において、各凹部に属する２つの壁開口部は、容易な機械加工の目的で、短い水平部分に沿って物理的に相互に連結されている。
【００３５】
図６Ｇは異なるデザインの全長にわたる壁開口部を有する、非円形の断面を有する凹部を含む（２＋１）型ＨＢＳコネクタの代替的なデザインを示している。
【００３６】
図６Ｈは、圧電スタック、チューブ又はバーが嵌合された、図６Ｄの（２＋２）型ＨＢＳコネクタから作製された２段式（２×）圧電アクチュエータを示している。
【００３７】
図６Ｉは異なるデザインの部分的な長さの壁開口部を有する凹部を有する（２＋１）型ＨＢＳコネクタによって製造された２段式（２×）圧電アクチュエータを示しており、当該圧電アクチュエータには圧電スタック、チューブ又はバーが嵌合されている。
【００３８】
図７Ａ及び図７Ｂは、容易な機械加工の目的で多様なデザインの壁開口を有する非円形の断面を有する凹部を含むＨＢＳコネクタのデザインの例を示しており、使用中のコネクタの凹部の基部の曲げ撓み及び歪みを最小化するための、ねじ止め式の補強機構を有するＨＢＳコネクタのデザインの例を示している。
【００３９】
図７Ｃ及び図７Ｄは、容易な機械加工の目的で多様なデザインの壁開口部を有する非円形の断面を有する凹部と、使用中のコネクタの凹部の基部の曲げ撓み及び歪みを最小化するためのボルト設計式の補強／強化機構とを含む、ＨＢＳコネクタのデザインの例を示している。
【００４０】
図７Ｅ及び図７Ｆは、容易な機械加工の目的で多様なデザインの壁開口部を有する非円形の断面を有する凹部と、使用中のコネクタの凹部の基部の曲げ撓み及び歪みを最小化するための付加的な補強機構とを含む、ＨＢＳコネクタの代替的なデザインを示している。
【００４１】
（発明の詳細な説明）
（定義）
本明細書において、「１つの実施形態／態様」又は「一実施形態／態様」は実施形態／態様に関連して記載された特定の特徴、構造又は特徴が本開示の少なくとも１つの実施形態／態様に含まれることを意味する。明細書の多様な部分における語句「１つの実施態様／態様における」又は「他の実施形態／態様における」の使用は、必ずしも全てが同じ実施形態／態様を参照しているわけではなく、また、他の実施形態／態様とは相互に排他的な別個の又は代替的な実施形態／態様を参照しているわけではない。さらに、記載されている多様な特徴はいくつかの実施形態／態様には示され、他の実施形態には示されないこともある。同様に、記載されている多様な特徴はいくつかの実施形態／態様対しては要件となるが、他の実施形態対しては要件とならないこともある。特定の例において、実施形態と態様は交換可能に使用されている場合がある。
【００４２】
本明細書中で使用される用語は、一般に、開示との関連で、及び各用語が使用される特定の状況で、当該技術分野におけるそれらの通常の意味を有する。開示を説明するために使用される特定の用語は、以下で、又は明細書の他の部分で論じられ、開示の説明に関して実務者に付加的な手引きを与える。便宜上、例えばイタリック及び／又は引用符を使用して特定の用語を強調表示することがある。強調表示の使用は用語の範囲と意味には影響しない。強調表示されているかどうかにかかわらず、同様な状況において用語の範囲と意味は同じである。同じことを複数の様式で表現できることは明白であるだろう。
【００４３】
したがって、代替的な用語及び同義語が、本明細書中で論じられる用語のいずれか１つ又は複数に対して使用されてもよい。また、用語が本明細書中で詳細に説明されているか否かに基づいて特別な意味がその用語に与えられるわけではない。特定の用語の同義語が提供される。１つ又は複数の同義語の繰り返しは、他の同義語の使用を排除するものではない。本明細書に記載されたいかなる形式の実施例も含む本明細書の実施例の使用は例示ためのみのものであり、本開示又はいかなる例としての事項の開示の範囲及び意味をさらに限定することを意図するものではない。同様に、本開示は本明細書で与えられる多様な実施形態に限定されるものではない。
【００４４】
本開示の実施形態による器具、装置、方法及びそれらの関連する結果の例を以下に示すが、それらは本開示の範囲をさらに限定するためのものではない。なお、実施例においては、読者の便宜のためにタイトル又はサブタイトルを使用する場合があるが、これらは本開示の範囲を限定するものではない。特に定義しない限り、本明細書で使用されるすべての技術的及び科学的用語は、本開示が関係する当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。それらに矛盾がある場合には、定義を含む本文書が支配的なものとなるだろう。
【００４５】
用語「捩れ防止機構」は、アクチュエータの軸方向への対応する直線運動を許容するが、それの捩れを防止する機械的な取り付け具等の装置を意味する。
【００４６】
用語「曲げ剛性」は、本発明のコネクタに収容された圧電能動素子の伸長変位を相殺するように作用する、コネクタの複数の荷重支持部材のいずれかの曲げ変形に対する、より具体的には、コネクタの機械加工された複数の凹部の基部の曲げ変位に対する当該コネクタの抵抗を意味する。
【００４７】
用語「発生力（blocking force）」は、設計上最大の印加された電場によって引き起こされる圧電性能動素子の伸長変位の合計に等しい圧縮変位を生じさせるために必要な印加された力を意味する。
【００４８】
用語「ｄ３３」及び「ｄ３１」は、圧電能動素子に単位電界が印加されたときにそれによって生ずる機械的歪みに関連する圧電係数を意味する。
【００４９】
用語「多段式アクチュエータ」は、圧電能動素子を収容するための複数の段の凹部を有するコネクタから作製されるアクチュエータを意味する。２段式（２×）アクチュエータは、圧電能動素子を収容するための上段の凹部及び下段の凹部を備える。
【００５０】
用語「プレストレス機構」は、圧電アクチュエータの動的な適用を可能にするために、アクチュエータ内の圧電性能動素子及び多様な接続部を圧縮下に置くように設計された機械的取り付け具等の装置を意味する。
【００５１】
用語「小さな設置面積」は、高精度の動作が重要であり、メンテナンスが困難な複雑な自動化システムへの組み込みが容易になるように、それの大きさが小さいアクチュエータ等の装置を意味する。
【００５２】
（好ましい実施形態の説明）
図１Ａは高曲げ剛性（ＨＢＳ（High-Bending-Stiffness））コネクタ１０１の例を示している。凹部を詳細に説明するために、角張った長手方向の部分も含まれている。コネクタは、複数の圧電アクチュエータを収容するために（半径方向ではなく）円周に沿って配置された複数の凹部１０２を含む概ね中実な円筒形本体から構成されている。このデザインにおいて、各コネクタ凹部の断面は、それが収容する圧電能動素子の断面と実質的に等しい。各圧電能動素子の基部は、使用中の片持ち荷重を最小限にするためにコネクタ本体に堅固に連結されている。
【００５３】
図１Ｂは、図１ＡのＨＢＳコネクタを使用する派生的な２段式アクチュエータを示している。同一の圧電スタック、チューブ又はバー１０３が嵌合された場合、結果として得られるアクチュエータは、各圧電能動素子の発生力を維持しながら、能動材料の軸方向の変位をほぼ２倍にする。明確化のために、圧電能動素子に接続される配線、上部基台、基部板、及びケーシングは図示されていない。
【００５４】
好ましいデザインにおいて、各コネクタ凹部の断面は、それによって収容される圧電能動素子の断面と実質的に等しい。能動素子の基部は、使用中の片持ち荷重を最小限にするためにコネクタ本体に堅固に連結されている。コネクタは各圧電能動素子と同等の発生力を維持しながら、能動材料の軸方向の変位をほぼ２倍にする。
【００５５】
本明細書で使用される用語「高曲げ剛性（ＨＢＳ（High-Bending-Stiffness））コネクタ」は上述した本質的な特徴を有するコネクタとして定義される。基本的に、コネクタは所望の長さを有する円形、正方形、矩形、又は多角形の断面のいずれかを有する中実ブロックから機械加工される。複数の適切に配線された圧電スタック、チューブ型又はバー型アクチュエータを収容するために、複数の凹部が外周に沿って配置されており、当該アクチュエータは交互に上方及び下方に突出する。
【００５６】
以下、記号「（ｍ＋ｎ）」は多様な２段式（２×）ＨＢＳコネクタの設計上の構成を記述するために使用され、「ｍ」及び「ｎ」は上段及び下段の圧電能動素子の数であってもよいし、又はその逆であってもよい。例えば、（２＋２）型コネクタは、上方に突出する２つの圧電能動素子をそれの上段に接続するための凹部と、下方に突出する２つの圧電能動素子をそれの下段に接続するための凹部とを有する。したがって、図１Ａに示す例は（３＋３）型ＨＢＳコネクタとなる。
【００５７】
ＨＢＳコネクタの初期設計において、各コネクタ凹部の断面は、それが収容する圧電能動素子の断面と実質的に等しい。言い換えれば、円形のスタック（すなわち、能動素子）を収容するために円形の断面を有する凹部が使用される。同様に、ほぼ正方形の断面を有するスタックを収容するために正方形の断面を有する凹部が使用される。凹部の基部がコネクタの本体に堅固に連結される必要があることを考慮すると、上述の特徴は凹部の基部の曲げ変位を最小にするのに役立つ。そうでない場合は、圧電能動素子によって生ずる変位に対して悪影響を及ぼす。
【００５８】
初期設計は、円筒形状の圧電素子を収容するために使用する円形の断面を有する凹部を採用している。そのようなデザインは、円形の断面を有する凹部が、三角形、正方形、矩形及び多角形の断面を有する圧電スタックを含む、非円形の断面を有する圧電スタックを収容するために使用される場合を必ずしも包含するものではない。
【００５９】
非円形の断面を有する圧電能動素子の場合、凹部の整合する断面を維持することは、凹部の基部の荷重範囲及び曲げ変位を最小化するのに役立ち、それによってコネクタに高い剛性を与えるが、そのような長く非円形の凹部の加工は従来の加工技術を使用して費用効果的に達成することができない。
【００６０】
上述の非円形の断面を有する長い凹部は放電加工によって機械加工することができるし、３Ｄ付加製造技術によって製造することもできるし、又は他の適当な非従来的な機械加工技術によって作製することもできる。しかしながら、これらの非従来的な製造技術は低速かつ高価である。
【００６１】
圧電アクチュエータの初期設計はまた、円形、正方形、又は矩形の断面のいずれかを有する凹部を含む。それらには、同様の断面を有する圧電能動素子が嵌合される。従来の機械加工によって平坦な基部を有する円形の断面を有するコネクタの凹部を形成することは比較的経済的であるが、小さい（正方形及び矩形の断面を含む）非円形の断面を有する長い凹部を形成するには、通常、高価で非常に低速な成形工程を伴う非従来の成形技術が必要となる。
【００６２】
したがって、本発明の１つの実施形態は、（図２Ａに示されているような）費用効果の高いＨＢＳコネクタの製造のために円形の断面を有する凹部を有するＨＢＳコネクタを備える多段式圧電アクチュエータを含む。しかしながら、円形の凹部には、非円形の断面を有する圧電スタック又はバーが嵌合される。これは、結果として製造される２段式圧電変位アクチュエータのコストを低減するための手段である。
【００６３】
図２Ａは円形の断面を有する複数の凹部２０２を有するコネクタ２０１を示している。図２Ｂに示すように、それらは、非円形の断面２０３を有する能動素子を収容し、２段式（２×）の圧電アクチュエータを作製するために使用することができる。結果として得られる２×−アクチュエータは、円形の能動素子を用いた初期設計に匹敵する働きを示す。円形の断面を有する長い凹部は、従来の機械加工技術を介して比較的容易に機械加工することができ、結果として得られる２段式（２×）の圧電アクチュエータを費用効果が高いものにする。明確化のために、圧電能動素子に接続される配線、上部基台、基部板、及びケーシングは図示されていない。
【００６４】
図２Ａ及び図２Ｂに示す実施例は（２＋２）型デザインである。これらは上方に突出する（上段用）圧電能動素子を収容するための２つの凹部と、下方に突出する（下段用）圧電能動素子を収容するための２つの凹部とを含む。その他の設計上の構成としては、（１＋２）、（２＋１）、（１＋３）、（３＋１）、（２＋３）、（３＋２）、（３＋３）型等があり、用途の必要性に応じて設計することができる。
【００６５】
凹部の基部の曲げ変位を制限するために必要な付加的な特徴に言及することは重要である。正方形の断面積を有するスタックを収容する場合、凹部の内径は、非円形の断面積を有するスタック又はバーの横方向の最大寸法よりも大きく、かつ、その寸法に近いものでなければならない。また、凹部の基部の周囲はコネクタ本体に強固に連結されていることが好ましい。
【００６６】
図３Ａ及び図３Ｂは費用効果の高いＨＢＳコネクタ３１０及び３２０の他の例示的なデザインを示している。図示されたデザインにおいて、凹部が円形の貫通孔３１１、３２１として機械加工され、当該貫通孔をコネクタ凹部に変換してＨＢＳコネクタを完成させるために、端板３１２（図３Ａ）及び／又は端部栓３２２（図３Ｂ）がコネクタ本体の端面に堅固に鑞付け、接合、又はねじ込みされる。
【００６７】
本発明のＨＢＳコネクタは軽量化のために、付加的な切欠き、非貫通孔及び／又は貫通孔を備えてもよい。図４に例を示す。この例においては、上述の目的のために、貫通孔４０２及び切り欠き４０３がＨＢＳコネクタ４０１に組み込まれている。
【００６８】
ＨＢＳコネクタは、その製造中に多段式アクチュエータの取り扱いを補助するために、多様な形状及び寸法の側面及び／又は他の開口部を備えてもよい。これらは、例えば、リード線のためのフィードスルーとして、凹部の基部上への圧電能動素子の位置決め及び接合を補助するための開口部を含む。本明細書に記載されているように、開口部は、それらが使用中にコネクタの曲げ変位を著しく増大させないように、コネクタの重要でない部分に配置されることが好ましい。例えば、凹部の基部の周囲は使用中の荷重範囲を制限するために、コネクタの本体に堅固に連結された状態で維持されることが好ましい。これは、円形の断面を有する凹部と非円形の断面を有する凹部の両方に適用される。
【００６９】
（容易な機械加工のために適当な壁開口部を有する非円形の断面を有する凹部を含むＨＢＳコネクタ）
図５は同様の断面を有する圧電能動素子を収容するための非円形の断面を有する凹部５０２を含む（２＋２）型ＨＢＳコネクタ５０１のデザインの例を示している。このデザインにおいて、凹部５０３の入口部（すなわち、開口端部）は、下側の長くかつ深い非円形の断面を有する凹部の機械加工をより費用効果的にすることを可能にするために、それらの断面より大きな断面を有する。
【００７０】
本発明の他の実施形態は、従来の機械加工技術を使用して、又は非従来の機械加工技術の使用を減らしながらも、コネクタの側面から非円形の断面を有する長い凹部を容易に機械加工することができるように、当該非円形の断面を有する長い凹部の壁に沿って適当な開口を組み込むことである。
【００７１】
図６Ａ〜図６Ｅは、費用効果の高いコネクタの製造のための、多様なデザインの適当な壁開口部を有する、非円形の断面を有する凹部を含むＨＢＳコネクタの例を示している。
【００７２】
図６Ａ及び図６Ｂは直線状の全長にわたる壁開口部を有する凹部を含む（２＋２）型ＨＢＳコネクタの例を示し、図６Ｃは分割された全長にわたる壁開口部を有する凹部を示している。全長にわたる壁開口部は、凹部の基部からコネクタの反対側の端面まで延在する壁開口部である。直線型のデザインにおいて、壁開口部は凹部の全長にわたって横切る。これに対し、分割された全長にわたる開口部は、２つの半分の長さの壁開口部、又は千鳥状に凹部の隣接する側壁に配置された、複数の短い壁開口部で構成され、それらの垂直方向の合計の長さが凹部の基部からコネクタの反対側の端面まで横切るように構成されている。全長にわたる壁開口部は、コネクタの端面からの穴あけ又はフライス加工を行わずに、コネクタの側面から直接的に非円形の断面を有する凹部を加工することを可能にする。
【００７３】
これに対し、図６Ｄ〜図６Ｆは、直線（図６Ｄ）、分割（図６Ｅ）、及び千鳥状（図６Ｆ）のデザインの、部分的な長さの壁開口部のみを有する凹部を有するコネクタを示している。部分的な長さのデザインにおいて、壁開口部、又は短い壁開口部の垂直方向の合計の長さは、凹部の基部からコネクタの反対側の端面までの全長にわたって延在していない。分割のデザイン（図６Ｅ）において、個々の凹部に属する２つの短い長さの壁開口部は物理的に相互に連結されていない。千鳥配置のデザイン（図６Ｆ）において、２つの短い壁開口部は、容易な機械加工の目的で、短い水平部分にわたって物理的に連結されている。壁開口部を含まない凹部の入口部は、それの下側の非円形の断面を有する凹部と同一の断面を有するものであってもよいし、あるいは、類似しているがより大きな断面又は円形の断面を有するものであってもよい。
【００７４】
図６Ｇは、異なるデザインの全長にわたる壁開口部を有する非円形の断面を有する凹部を有する（２＋１）型コネクタを示している。２つの側面の凹部の壁開口部は直線状のデザインを有する。中央の凹部のデザインは、凹部の反対側の側面に２つの半分の長さの開口部を有する分割デザインである。
【００７５】
図６Ａの凹部は三角形の断面を有する圧電能動素子を収容するためのものであり、図６Ｂ〜図６Ｇの凹部は正方形又は矩形の断面を有する圧電能動素子を収容するためのものである。他のデザインも可能である。ＨＢＳコネクタの、非円形の断面を有する長くて深い凹部の加工費用を低減するデザインが好ましい。
【００７６】
図６Ｈは、図６Ｄの費用効果の高いＨＢＳコネクタから作製された派生的な（２＋２）型の２段式圧電アクチュエータを示している。
【００７７】
図６Ｉは、図６Ｆと同様のデザインの（２＋１）型ＨＢＳコネクタからなる２段式の圧電アクチュエータを示しているが、壁開口部が部分的な長さを有するデザインである。
【００７８】
図示するように、収容された圧電素子の断面は凹部の断面とほぼ等しい。しかしながら、使用中に凹部の基部の曲げ変位を制限するために凹部の断面が小さく保たれるならば、（円形の断面を有するものを含む）他の形状を有する圧電素子を使用することができる。明確化のために、圧電能動素子に接続される配線、上部基台、基部板、及びケーシングは図示されていない。軽量化の目的で、付加的な切り欠き、非貫通孔及び／又は貫通孔をＨＢＳコネクタのデザインに組み込むことができる。
【００７９】
（適当な壁開口部及び強化された特徴を有する非円形の断面を有する凹部を含むＨＢＳコネクタ）
非円形の断面を有する個々の凹部の壁に沿った適当な開口部はＨＢＳコネクタの製造をより費用効果的にすることができるが、それらは使用中のコネクタの曲げ剛性を低下させてしまう可能性がある。この欠点は、凹部の基部の撓みの程度を制限するために付加的な支持体及び／又は補強材を備えることによって最小限に抑えることができる。図７Ａ〜７Ｆはそれらの補強用の特徴のいくつかの例を示している。
【００８０】
図７Ａは、直線状の全長にわたる壁開口部７１１を有する、非円形の断面を有する凹部を備える（２＋２）型ＨＢＳコネクタ７１０の例を示している。壁開口部は、例えば、製造上の目的で、コネクタを固定して移動させるための接点として利用することもできる。図７Ａにはリング型の補強／強化用特徴（７１２）も示されており、頂部及び底部の両方の補強リングはねじ締め機構を介して適用することができる。あるいは、頂部及び底部の補強リングは接着性の接合又はボルト締めによって適用されてもよい。
【００８１】
図７Ｂは（２＋２）型ＨＢＳコネクタ７２０の他の例を示しており、このコネクタは直線状の部分的な長さの壁開口部７２１と、頂部及び底部補強リング７２２とを有する非円形の断面を有する凹部を備えている。頂部及び底部の両方の補強リングは、ねじ込み機構、接着接合、又はボルト締めによって適用することができる。
【００８２】
図７Ｃは分割された全長にわたる壁開口部と、単純なボルト設計の補強／強化機構とを有する、費用効果の高い（２＋２）型ＨＢＳコネクタ７３０を示している。図示されたデザインにおいて、凹部の基部の張り出し部分は、高い剛性を有する適当なサイズのボルト７３１によって強化され、このボルトは半分の長さの壁開口部の上方の残りの半分の材料に堅固にねじ込まれる。効果的な強化を与えるために、大径かつ剛性のボルトヘッドが好ましい。
【００８３】
図７Ｄは分割された部分的な長さの壁開口部と、単純なボルト設計の補強／強化機構とを有する、費用効果の高い（２＋２）型ＨＢＳコネクタ７４０を示している。図示されたデザインにおいて、凹部の基部の張り出し部分は高剛性の金属７４１で作製された適当なサイズのボルトによって補強され、この高剛性金属は部分的な長さの開口の上方の残りの上半分の材料に堅固にねじ込まれる。効果的な強化を与えるために、大径かつ剛性のボルトヘッドが好ましい。
【００８４】
図７Ｅは全長にわたる壁開口部を有する凹部と、異なる基部強化デザインとを有する、費用効果の高い（２＋１）型ＨＢＳコネクタ７５０を示している。中央の凹部の基部が高剛性ボルト７５１で強化されるのに対し、両側の凹部の基部は、出っ張り部又は面取り部７５２の形式の端部の突出部を有する、特別に機械加工された棒状部で強化される。棒状部は、当該棒状部の突出した出っ張り部又は面取り部が凹部の基部の張り出し部の底面を支持するために、それに堅固に接合されるように、開口部の側面上に接合されてもよい。あるいは、棒状部７５２は、ねじ（図示せず）を用いて開口部の側面上に固定されてもよい。
【００８５】
図７Ｆは部分的な長さの壁開口部を有する凹部を有する、費用効果の高い（２＋１）型ＨＢＳコネクタ７６０を示しており、非円形の断面を有する３つの凹部の基部は全て、壁開口部の上方の残りの材料に堅固にねじ込まれた高剛性ボルト７６１によって強化されている。
【００８６】
重量が重要な設計上の考慮事項である場合、必要に応じて、２段式の圧電アクチュエータを構成するＨＢＳコネクタは、軽量化の目的で、付加的な切欠き、開口部、非貫通孔及び／又は貫通孔を備えてもよい。
【００８７】
（構成材料と予測性能）
本発明の多様な種類の、費用効果の高いコネクタは、軽金属、エンジニアリングセラミック、又は繊維強化ポリマーを含む、低密度高弾性材料から作製されてもよい。あるいは、それらは、チタン系合金、鉄系合金、ニッケル系合金、銅系合金、又はＷＣ−Ｃｏサーメットを含む高弾性率エンジニアリング合金から作製されてもよい。
【００８８】
（有限要素シミュレーション結果）
凹部の基部の誘発される曲げ変位と、上述した多様な費用効果の高いＨＢＳコネクタの結果的な軸方向の変位を推定するために有限要素シミュレーションを行った。表１は、（２＋２）型デザインの、外径が約２２ｍｍ、高さが３６ｍｍの純アルミニウム製のＨＢＳコネクタであって、多様な凹部の断面を有し、同一の基部の厚さ２ｍｍを有するＨＢＳコネクタの結果を示している。
【００８９】
この結果は、（２＋２）型デザインの、５．５×５．５ｍｍ２及び５×５ｍｍ２の正方形の断面を有する圧電スタックをそれぞれ収容するために正方形の断面を有する凹部が使用された、ＨＢＳコネクタ及び２段式アクチュエータに対し、合計２０ｋｇの軸方向の荷重の下での当該コネクタの、誘発された正味の軸方向の変位（すなわち、伸長）が約２．０μｍであることを実証している（列１）。
【００９０】
内径７．８ｍｍの円形の断面を有する凹部を備え、５×５ｍｍ２の正方形の断面を有する圧電スタックが嵌合された、本発明の（２＋２）型デザインの、小型の純アルミニウム製ＨＢＳコネクタについて、同じ軸方向の荷重の下でのコネクタの軸方向の伸長の合計は２．６μｍ未満である（列２）。
【００９１】
直線デザイン又は分割デザイン（図６Ｂ及び６Ｄ）の全長にわたる壁開口部を有する凹部を有するＨＢＳコネクタについて、当該コネクタの正味の軸方向の伸長は５．５μｍ程度と大きく、凹部の基部にかなりの捩れが現れた（列３及び４）。
【００９２】
多様なデザイン（図６Ｃ及び図６Ｅ）の部分的な長さの壁開口部を有する、正方形の断面を有する凹部を含む（２＋２）型デザインのＨＢＳコネクタについて、同じ荷重条件下での正味の軸方向の変位は３．５μｍ未満の小さい変位に留まった（列５及び６）。
【００９３】
シミュレーション結果はさらに、多様な基部の補強機構が、多様なデザインの壁開口部を有するＨＢＳコネクタの正味の軸方向の変位を制限するのに効果的であることを示している。予測された正味の軸方向の変位は、調査した全ての例において３．０μｍ未満に減少している（列７〜１０）。
【００９４】
表２は、多様なデザインの、幅２９ｍｍ×厚さ１２ｍｍ×高さ２６ｍｍのアルミニウム製の（２＋１）型ＨＢＳコネクタのシミュレーション結果を示している。壁開口部の無い凹部を含むＨＢＳコネクタに対し、予測された正味の軸方向の変位は４．０〜４．５μｍの範囲である（列１及び２）。全長にわたる壁開口部を有する凹部を有する（２＋１）型コネクタの場合、正味の変位は、最大で５μｍとすることができるが（列３）、基部の強化を有さない部分的な長さの壁開口部を有する凹部（列４）の場合、正味の変位は約４μｍに制限される（列４）。異なる基部補強材を用いることにより、正味の変位を４μｍ未満に低減することができる（列５及び６）。
【００９５】
言い換えると、（２＋１）型デザインは、多数の圧電能動素子を必要とせず、わずか３つの圧電能動素子を必要とするので、材料の費用を節約することができるが、それらの軸方向の変位は（２＋２）型デザインと比較して約２５％大きい。これは、３５〜４０ｍｍの長さの圧電スタックが能動素子として使用される場合には、結果として得られる２段式圧電アクチュエータの合計のストロークの６％未満であり、多くの工学的用途において許容されるものである。
【００９６】
荷重下でのコネクタの正味の軸方向の変位は、電界によって誘発される圧電アクチュエータの軸方向の変位を相殺する傾向があるが、本発明のＨＢＳコネクタの独特の構造は、示された多様な（２＋２）型デザイン（基部の強化の無い全長にわたる壁開口部を有するデザインは除く）に対して、それの正味の軸方向の変位を３．５μｍ未満に制限し、（２＋１）型デザインに対しては、４．５μｍ未満に制限している。これは、結果として得られる２段式圧電アクチュエータの合計のストロークのほんの一部に過ぎない（すなわち、約４〜６％である）。
【００９７】
本発明の費用効果の高いＨＢＳコネクタの、使用中の凹部の基部の曲げ変位をさらに制限するために、次の特徴を利用することができる。すなわち、（ａ）個々の凹部の基部における高剛性の荷重パッドの接合、及び／又は（ｂ）コネクタの両端面上に適当な開口部を有する高剛性の端板の接合、を利用することができる。
【００９８】
さらに、費用効果の高いＨＢＳコネクタは、それを貫通する中心孔、及び／又は２段式アクチュエータ（図示せず）の製造及びアセンブリ中の取り扱いを補助するための１つ又は複数の他の開口部を備えてもよい。
【００９９】
本発明に適した能動素子のための典型的な材料及び化合物は、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］圧電セラミック及びそれらの組成的に改質された誘導体、及び／又は亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］固溶体、及びそれらの組成的に改質された誘導体を含む、適当な組成物及び一片（cuts）の高圧電性リラクサ系固溶体単結晶であってもよい。
【０１００】
さらに、関連技術において周知のように、上記の開示された能動素子はいずれも、個々の圧電能動素子であってもよいし、又は任意の適切に接合された圧電能動素子であってもよい。例えば、構成要素としての圧電素子は、縦（ｄ３３）又は横（ｄ３１又はｄ３２）モードの単独の圧電セラミック又は単結晶バー、ロッド又はチューブであってもよいし、又は圧電セラミックスタック及び単結晶ステークアクチュエータ（例えば、ＷＯ２０１３／１００８６０を参照）を含む（ただし、これらに限定されない）、適当な断面を有する任意の単結晶リング又はバーが結合した集合体であってもよい。
【０１０１】
アクチュエータは、必要な配線に加えて、少なくとも１つの基台、基部板、及びケーシングをさらに備えてもよい。アクチュエータはまた、使用中に構成要素及び接続部分を圧縮下に置くためのプレストレス機構を備えてもよい。同様に、アクチュエータは捩れ防止機構（図示せず）を備えてもよい。
【０１０２】
本発明の費用効果の高いＨＢＳ−２×−コネクタは高い曲げ剛性を有する比較的剛性なものであるので、当該コネクタから作製される２段式（２×）アクチュエータによって生じる変位は、個々の段によって呈される変位の合計にほぼ等しくなるだろう。言い換えると、全ての能動素子が同じ断面及び寸法を有する場合、本発明の２段式（２×）アクチュエータによって生じる変位は、個々の能動素子の変位のほぼ２倍であり、２段式アクチュエータの発生力は約ｎ倍大きくなる（ここで、ｎは１段当たりの能動素子の数である）。
【０１０３】
なお、結果として作製されるアクチュエータの発生力は、アクチュエータの設置面積を大幅に増大させることなく、（ｉ）より大きな断面（すなわち、荷重支え部）の面積の能動素子を用いる、又は（ｉｉ）各段により多くの能動素子を用いることによって増大させることができる。
【０１０４】
あるいは、費用効果の高い２×アクチュエータユニットを２つ又は３つ並列に接続することによって、結果として得られるアクチュエータの発生力を２倍又は３倍にすることができる。
【０１０５】
（その他の派生的な装置）
本発明はまた、費用効果の高いＨＢＳ−２×コネクタ及び／又はアクチュエータの少なくとも１つのユニットを圧電作動の手段として使用する派生的な装置を含む。これらはより高い段数（３×、４×、５×等）の圧電変位アクチュエータを含む。また、ヘッド質量部、テール質量部、ストレスロッド、圧縮ばね又は皿ばね、及びロックナットを使用する、又は使用しない、少なくとも１つの費用効果の高い、２×又はそれより高い段数のコネクタをそれのモータ部として使用する水中プロジェクタも含まれる。後者の例において、費用効果の高いＨＢＳコネクタは、適切に設計された場合に、装置の帯域幅を増大させるのに役立つ中間質量部としても作用することができる。そのような用途においては、ＨＢＳコネクタの重量の制御が重要になる場合がある。
【０１０６】
ＨＢＳコネクタの費用効果の高い製造を可能にするために、若干異なるが同等のデザインに対して、本発明の構成、寸法、又は選択される材料を適合、修正、改良、又は置き換えすることができ、また、結果として得られるコネクタの曲げ剛性をさらに高めるために付加的な特徴を付加することができることは当業者にとって明白であるだろう。さらに、耐食性材料の使用及び捩れ防止機能の組み込みとして、付加的な保護的な特徴を最終的な装置のデザインに組み込んでもよい。これらの代替品、代替物、修正物、又は改良物も、以下の請求項の範囲の範囲内に入る。
【０１０７】
可能な態様を包含するために、本開示の実施形態を包括的かつ詳細に説明してきたが、本開示の他の変形も可能であることは当業者に明白であるだろう。さらに、開示された上記の変形及び他の特徴及び機能、又はそれらの代替物は、望ましくは、多くの他の異なるシステム又は用途に組み合わせられてもよい。当業者が多様な用途のために、その後に行うことができるこれらの代替物、修正物、変形物、又は改良物もまた、特許請求の範囲に含まれる。
【０１０８】
表１  本発明の多様な純アルミニウム製（２＋２）型ＨＢＳコネクタの正味の軸方向の変位の有限要素解析の結果
（重要：特に明記しない限り、コネクタの全体寸法は直径約２２ｍｍ、長さ３６ｍｍ、凹部の基部の厚さは２ｍｍであり、加えられた軸方向の総荷重は２０ｋｇである）
【０１０９】
【表１】
2020526009.tif 000003
＊前記変位は印加された電場によって誘発される圧電アクチュエータの軸方向の変位を相殺するので、最小化されなければならない。
【０１１０】
表２  本発明の多様な純アルミニウム製（２＋１）型ＨＢＳコネクタの正味の軸方向の変位の有限要素解析の結果
（重要：特に明記しない限り、コネクタの全体寸法は幅約２９ｍｍ×厚さ１２ｍｍ×高さ３６ｍｍ、凹部の基部の厚さは２ｍｍであり、加えられた軸方向の総荷重は２０ｋｇである）
【０１１１】
【表２】
2020526009.tif 000004
＊前記変位は印加された電場によって誘発される圧電アクチュエータの軸方向の変位を相殺するので、最小化されなければならない。
【図１Ａ】
2020526009.tif 000005
【図１Ｂ】
2020526009.tif 000006
【図２Ａ】
2020526009.tif 000007
【図２Ｂ】
2020526009.tif 000008
【図３Ａ】
2020526009.tif 000009
【図３Ｂ】
2020526009.tif 000010
【図４】
2020526009.tif 000011
【図５】
2020526009.tif 000012
【図６Ａ】
2020526009.tif 000013
【図６Ｂ】
2020526009.tif 000014
【図６Ｃ】
2020526009.tif 000015
【図６Ｄ】
2020526009.tif 000016
【図６Ｅ】
2020526009.tif 000017
【図６Ｆ】
2020526009.tif 000018
【図６Ｇ】
2020526009.tif 000019
【図６Ｈ】
2020526009.tif 000020
【図６Ｉ】
2020526009.tif 000021
【図７Ａ】
2020526009.tif 000022
【図７Ｂ】
2020526009.tif 000023
【図７Ｃ】
2020526009.tif 000024
【図７Ｄ】
2020526009.tif 000025
【図７Ｅ】
2020526009.tif 000026
【図７Ｆ】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年3月12日(2018.3.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設置面積が小さく、高曲げ剛性（ＨＢＳ）コネクタと、複数の圧電能動素子とから構成され、軸方向の大きな総変位及び大きな発生力を有する多段式の圧電アクチュエータであって、前記ＨＢＳコネクタは、
第１端面と、前記第１端面に対向し、実質的に平行な関係にある第２端面とを有する、円形、正方形、矩形、又は多角形の断面を有する細長い構成要素であるコネクタ本体と、
前記第２端面にそれぞれ垂直であり、前記第２端面の入口部から前記第１端面の凹部の基部まで、前記コネクタ本体の中を実質的に通って延在し、外周に沿って等間隔で配置された第１の複数の凹部の組と、
前記第１端面にそれぞれ垂直であり、前記第１端面の入口部から前記第２端面の凹部の基部まで、前記コネクタ本体の中を実質的に通って延在する、第２の複数の凹部の組と、から構成され、
前記凹部は、前記コネクタ本体に堅固に連結された機械加工されていない凹部の基部を有する前記コネクタ本体に、実質的な深さの孔を機械加工することによって形成され、
前記２つの凹部の組は、前記コネクタ本体の外周に沿って実質的に等しい角度の間隔で、互いに交互に配置され、
各凹部は圧電能動素子を収容するために形成され、
各凹部の深さは、それが収容する圧電能動素子の長さより短く、
各圧電能動素子の軸方向の変位のほぼ２倍（２×）の軸方向の総変位と、各圧電能動素子の発生力と同等以上の発生力とを生じさせるために、前記複数の圧電能動素子は、２つの組に分割され、前記第１の組は前記ＨＢＳコネクタの前記第１端面から突出し、前記第２の組は前記ＨＢＳコネクタの前記第２端面から突出し、前記複数の圧電能動素子の両方の組が一体となって作動する、多段式の圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記凹部は円形の断面形状であって、
各凹部は円形の断面形状を有する圧電能動素子を収容する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記凹部は円形の断面形状であって、
円形の断面を有する各凹部は非円形の断面形状を有する圧電能動素子を収容する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
各凹部は入口部と凹部の本体とを有し、
前記入口部は円形の断面であり、前記凹部の本体は円形又は非円形の断面形状であって、
前記入口部は、前記凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、前記凹部の本体よりも大きな断面積を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記凹部は非円形の断面形状であって、
各凹部は、当該凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、当該凹部の全長にわたって横切る壁開口部を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記凹部は、非円形の断面形状であって、
各凹部は、当該凹部の異なる側面上に位置する、物理的に相互に連結可能な複数の壁開口部を有し、
前記開口部の垂直方向の合計の長さは、前記凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、前記凹部の全長を横切る、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記凹部は非円形の断面形状であって、各凹部は入口部及び凹部の本体を有し、
各凹部は、その凹部の本体の長さに沿って壁開口部を有し、
各凹部の前記入口部は壁開口部を有しておらず、前記凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、その凹部の本体よりも大きな円形の断面積を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記凹部は非円形の断面形状であり、各コネクタ凹部は入口部及び凹部の本体を有し、
各凹部は、その凹部の本体に沿って異なる側壁上に、物理的に連結可能な複数の壁開口部を有し、
各凹部の前記入口部は、前記凹部をより容易に機械加工することを可能にするために、その凹部の本体よりも大きな円形の断面積を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記凹部の本体の前記断面は、三角形、正方形、矩形、又は他の多角形の形状である、請求項４、７又は８のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記凹部の基部の撓み変位を減少させるために、１つ又は複数の付加的な補強機構をさらに備える、請求項１〜９のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記凹部の少なくとも１つの内側の前記凹部の基部に接合された少なくとも１つの高剛性荷重パッドをさらに備える、請求項１〜１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記コネクタ本体の少なくとも１つの端面に接合された少なくとも１つの補強端板をさらに備える、請求項１〜１１のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記コネクタ本体は、それの中心を貫通する中心孔をさらに備える、請求項１〜１２のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記コネクタは、軽金属、エンジニアリングセラミック、又は繊維強化ポリマーを含む、低密度の高弾性材料から作製される、請求項１〜１３のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記コネクタは、チタン系合金、鉄系合金、ニッケル系合金、銅系合金、又はＷＣ−Ｃｏサーメットを含む、高弾性率エンジニアリング合金の１つから作製される、請求項１〜１４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
軽量化の目的で、付加的な切欠き、開口部、非貫通孔及び／又は貫通孔を含む、請求項１〜１５のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の、費用効果の高いＨＢＳコネクタ及び複数の圧電能動素子から構成される２段式（２×）圧電アクチュエータ。
【請求項１８】
前記圧電能動素子は、円形の断面又は非円形の断面を有する、縦（３３）モード能動素子又は横（３１又は３２）モード能動素子のうちの１つを備える、請求項１７に記載のアクチュエータ。
【請求項１９】
前記圧電能動素子は、圧電セラミック、個々の圧電単結晶、又は圧電単結晶が結合した集合体のうちの１つを備える、請求項１８に記載のアクチュエータ。
【請求項２０】
前記圧電能動素子は、チタン酸ジルコン酸鉛［ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］圧電セラミック、及び／又は、亜鉛ニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３］、インジウムニオブ酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛［Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３］、及びそれらの組成的に改質された誘導体を含む群から選択される高圧電性リラクサ系固溶体単結晶化合物、から構成される、請求項１９に記載のアクチュエータ。
【請求項２１】
前記ＨＢＳコネクタは、前記アクチュエータの製造及びアセンブリ中の取り扱いを補助するために１つ又は複数の付加的な開口部を備える、請求項１、１７、１８、１９又は２０に記載のアクチュエータ。
【請求項２２】
基台、基部板、プレストレス機構、又はケーシングのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２１に記載のアクチュエータ。
【請求項２３】
捩れ防止機構をさらに備える、請求項２２に記載のアクチュエータ。
【請求項２４】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の、費用効果の高い１つ又は複数のＨＢＳコネクタから構成される、より高い段数の圧電アクチュエータ。
【請求項２５】
請求項１〜２４のいずれか一項に記載のアクチュエータを有するモータ部を備える水中プロジェクタ。
【請求項２６】
ヘッド質量部、整合層、テール質量部、プレストレス機構、又はケーシングのうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項２５に記載の水中プロジェクタ。
【国際調査報告】
2020526009.tif 000028
2020526009.tif 000029
2020526009.tif 000030