JP2003516100A - 圧電ドライブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この発明は圧電ドライブ（１）に関する。これは励振圧電素子（１０）と、それに結合されかつ駆動される本体（３）に相互作用的に接続される共振器（２）とを含む。共振器（２）は、圧電素子（１０）による励振振動の結果、共振器（２）が励振振動の周波数に依存していくつかの方向に非対称に振動し始め、それらの振動が相互作用的接続を介して駆動される本体を方向性のある動きに変位させるような態様で設計される質量分布を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 この発明は、請求項の定義に従った圧電ドライブと、ドライブに対する圧電共
振器と、圧電ドライブの用法と、圧電共振器とに関する。

【０００２】 いわゆる圧電材料は、交流電気を印加することによって機械的振動に励振し得
る。この物理効果は逆圧電効果とも呼ばれる。この効果の公知の用法は、共振器
における振動励振器としての圧電材料の用法である。このような圧電共振器は、
回転可能に装着される回転子を駆動するためにドライブに設置されてもよい。

【０００３】 先行技術から公知の、圧電効果に基づくドライブは、ドライブとしての広範囲
の工業的使用を今日まで妨げてきた重大な不利益を有する。最も重大な不利益は
、圧電振動素子の始動が複雑であること、汚染の危険性が大きいこと、機械的公
差が非常に小さく問題のない動作を妨げること、および効率が悪いことである。
さらに、今日公知の解決策では、極度に小さいトルクを伴う非常に低い回転速度
しか可能ではない。これらのドライブのサイズを小さくすることによって、たと
えばマイクロテクノロジーまたは医学技術または時計の技術分野において用い得
るようにするためには、多大な費用が必要であり、そのために経済的な製造が不
可能になっている。さらに、公知の構成の大きな機械的摩損のために、機械加工
が困難な、特に硬くしたがって高価な材料の使用がさらに要求される。少量の摩
損でも遊びの増加およびドライブの汚染をもたらし、それによって必然的に短期
間の動作によって故障が起こる。

【０００４】 こうした圧電ドライブは、たとえばＥＰ−０，５０５，８４８号（以下ＥＰ′
８４８とする）、ＥＰ−０，７２３，２１３号（以下ＥＰ′２１３とする）、Ｆ
Ｒ−２，２７７，４５８号（以下ＦＲ′４５８とする）、およびこれと同等のＤ
Ｅ２５ ３０ ０４５号（以下ＤＥ′０４５とする）などの文書に開示されてい
る。

【０００５】 ＥＰ′８４８およびＥＰ′２１３は、２つまたは３つの共振器翼を有する複数
パートの中央に配置された圧電共振器を示す。その共振器翼の端部には、共振器
の外側の周囲に環状に配置された回転子に当接するためのアバットメントがある
。これらの圧電ドライブには、共振器翼のアバットメント面および回転子の捕捉
面ならびに回転子のベアリングの遊びにおける摩損という不利益がある。この摩
損によって高度の磨耗が起こり、それによって圧電ドライブの寿命が短くなり、
可能な適用分野が制限される。

【０００６】 ＤＥ′０４５（ＦＲ′４５８に対応）は、圧電素子に基づく電気モータのさま
ざまな配置を記載する。これらのモータは固定子および回転子を有し、それらの
うち少なくとも１つは圧電素子を囲む振動子を有する。固定子および回転子は、
モーメントを伝達するために、弾性素子によって振動子の表面上にある表面の一
点で互いに押し付けられる。方向の変更は、いくつかの振動子が交互に適用され
る程度に機能する反転手段によってもたらされる。ＤＥ′０４５号においては、
共振子を有するモータにおいて回転方向を変えることは不可能であると述べられ
ている。回転方向の変更には２つの振動子（たとえば回転子および能動固定子）
が必要である。さらに、回転子と固定子との間の接触面に対して垂直なアバット
メントは不都合である。特にいくつかの回転方向を有するモータの磨耗は非常に
大きいと言われている。回転方向の反転のためには多大な費用が必要である。製
造が非常に困難な部品のために、好適な設計は非常に高価である。

【０００７】 したがってこの発明の目的は、磨耗が少なく、かつあらゆる大きさで製造可能
な、特に小さく平らで安価な圧電ドライブを特定化することである。そのドライ
ブは動作に強く、維持が簡単であり、かつ電力が大きい必要がある。またそれは
いくつかの回転方向における広範囲の回転速度を有し、さらに簡単な位置決定を
可能にする必要がある。この圧電ドライブは一般標準に適合可能である必要があ
る。

【０００８】 この目的は、請求項の定義に従ったこの発明によって達成される。 圧電ドライブは通常、振動する共振器に基づく。それらは次に駆動される本体
に伝達される。ここに開示される発明は、圧電的に励振された共振器の振動挙動
が、ターゲット決めした設計および配置によって長手方向および横方向に影響さ
れ得るという認識に基づくものである。この発明の設計によって混合モードで動
作される圧電的に駆動される共振器は、本体を動かすことができる。共振器の成
形および本体に対する１つまたはそれ以上の共振器の配置に従って、さまざまな
実施例および用法が可能になる。特別な設計によって、いくつかの優勢な振動形
が励振され得る。特別な設計によって、周波数に依存してとりわけ回転方向を選
択し得るようにそれを選択できる。回転速度の影響は、振幅の大きさによって有
利にもたらされる。共振器のこの発明の成形のために、磨耗を引き起こす有害な
振動を最小化することがさらに可能である。方向性のある配置によって、摩損は
負の影響を有さず、補償されるようになる。この圧電ドライブは、ただ１つの圧
電素子によって、軸およびディスクなどの本体の１方向または２方向の駆動に対
して用い得る。これに対し、先行技術から公知の構成は通常、互いに正確に対応
させる必要のあるいくつかの振動水晶を必要とする。

【０００９】 有利な解決策において、圧電共振器の長手方向の振動成分は本体を駆動する働
きをし、一方共振器の横方向の振動成分はこの本体に一時的な圧力を加える。こ
のように生成された圧力角によって、駆動される本体に大きな力が伝達され得る
。このドライブは必要なときに大きなセルフロッキングを有するため、とりわけ
本体が保持される。動かされる部品の付加的な装着は方向性のある態様で避けら
れ得る。

【００１０】 この発明に従った圧電ドライブは、励振素子と、それに結合されかつ駆動され
る本体と相互作用的に接続される共振器とを含む。励振素子は有利には共振器の
２つの部分の間に装着され、駆動される本体に対して間接的に作用する。励振素
子によって誘導される動きは共振器によって変換され、次いで駆動される本体に
伝達される。この共振器は、励振素子による励振振動の結果、励振振動の周波数
に依存して共振器がいくつかの方向に非対称に振動し始めるような態様で構成さ
れる質量分布を有する。相互作用的接続を介したこれらの振動はその相互作用的
接続を介して駆動される本体に伝達され、それは方向性のある運動を起こす。振
動する素子の質量慣性は、有利な振動形を生成するために方向性のある態様で利
用される。この構成および設計によって、運動の励振された形が、最小限の磨耗
および材料負荷を有する最適化されたドライブを達成する。調節可能な素子によ
って、起こり得るあらゆる磨耗が補償されかつ一様にされる。共振器は有利には
、共振周波数またはその倍数に対応する周波数で励振される。共振器は通常、励
振周波数に依存して異なる態様で振動する、いくつかの異なる態様で非対称に形
成されるアームを含む。それらはまた、材料の選択および質量分布にも影響され
る。

【００１１】 共振器の運動形は、高い共振周波数および高い回転速度を達成するように選択
される。先行技術とは対照的に、この発明に従ったドライブは非常に高い周波数
において機能するため、小さい圧電素子を選択できる。共振器は、振動モードを
可能にするような態様で構成される。この発明に従ったドライブは、非常に強く
かつ大きな冷却面を有するような態様で構築される。駆動される部分の表面への
圧電素子の負の垂直の当接は、特にドライブが作用し始める前に方向性のある態
様で避けられる。共振器の質量およびその分布ならびにその加圧力は重要な役割
を果たす。高効率および大きなトルクを達成するためには、駆動素子は時間中に
可能な限り多くの仕事を行なうことが重要である。

【００１２】 好ましい構成において、ドライブは２方向に駆動する単一の圧電共振器を有す
る。このことは特に、同じ周波数および位相を有する単一の振動における共振器
および圧電ドライブの簡単な活性化を可能にする。たとえば特に小さいドライブ
を実現するために、機械的励振を行なう圧電素子を活性素子として振動回路に一
体化することも可能である。このことによって、時計に対するドライブに対して
付加的な振動水晶をなくすことができる。対応する構成は医学技術においても特
に有利である。

【００１３】 圧電的に駆動される共振器における励振器の長さ対幅の比は、２またはその倍
数に等しいことが特に好ましい。駆動される本体は最大振幅によって駆動される
ため、ドライブの最適な効率が得られる。

【００１４】 この圧電ドライブには必要なときに位置決め手段が設けられる。それらは外部
から測定できる信号を生成するように形成される。たとえば、圧電ドライブの交
番する加圧力によって、測定可能かつ計数可能なインピーダンスの変化を達成で
きる。よって本体の位置検出が可能であり、それによってたとえばこのドライブ
をステッパ電動機として用いることが可能になる。時計においても、たとえば針
をゼロにセットするために、対応する位置決め補助は有用であり得る。

【００１５】 共振器および励振素子は弾性手段によって駆動される本体に関して弾性的に装
着されることが有利である。これによって、本体を駆動する際に起こる機能不良
が補償される。これはとりわけドライブの非常に滑らかな走行をもたらす。また
、駆動面および捕捉面の摩損によるあらゆる磨耗が補償される。弾性手段はたと
えばばねとして設計されてもよい。材料の選択および配置によって、ばねおよび
／またはダンピング挙動に影響してもよい。弾性手段は、少なくとも１つの方向
において、相互作用的に接続された共振器よりも小さい弾性を有することが有利
である。それは特に、意図せずに動き（振動）を伝達しないように設計される。
また、弾性素子および共振器は一体的に設計され、同じ材料であってもよい。そ
の機能は成形および配置によって定められる。弾性手段は一片であってもいくつ
かの部分からなっていてもよい。たとえば、射出成形などによって製造される金
属またはプラスチック素子のばねなどが好適である。

【００１６】 この圧電ドライブは非常に平坦に設計されて、回転またはリニアモータとして
用いられてもよい。さまざまな適用が可能である。適用分野の例としては、時計
、カメラ、データメモリ、顕微鏡テーブル、回転速度計などがある。

【００１７】 通常圧電素子によって駆動される共振器は、たとえば特に有利には射出成形に
よって製造されてもよい。同時に、圧電素子はたとえば型の中に適用され、その
周囲にプラスチックが注入されてもよい。したがって、弾性装着を組込むことが
好適である。別の変更形は、部品の加圧および／または焼結にある。ドライブの
大きさに依存して、接着または機械的接続も同様に行ない得る。

【００１８】 共振器は一体的に設計されることが有利であり、またその質量分布および構成
によって好適な振動パターンおよび形を励振し得るような形を有する。材料の選
択、設計および装着によって、励振される振動パターンは周波数に依存して設定
されてもよい。その設計は、励振周波数に依存して異なる振動形を励振し得るよ
うに選択される。このことはとりわけ方向変更の生成を可能にする。駆動速度は
偏向の振幅を介して設定されることが好ましい。その質量慣性は方向性のある態
様で利用される。それによって、所与の励振周波数によって、振幅の変動によっ
て異なる駆動速度において動作することが可能である。軸の駆動において、たと
えば１分間当り数回転から数千回転の回転速度が可能である。駆動される本体に
関する共振器の装着または懸垂の選択によって、加圧力、保持モーメントおよび
さらなる変数を設定してもよい。共振器は、駆動される本体への間接的または直
接的、能動的または受動的な相互作用的接続を有する。駆動される本体に関する
共振器の装着は、磨耗および不正確さが補償されるようにされる。

【００１９】 この発明に従ったドライブの振動部分の動きは以下のように簡単に説明できる
。すなわち、共振器中の励振器によって引き起こされる長手方向の振動が二次的
な振動モード（たとえば横方向モード）をもたらす。とりわけ質量慣性および材
料の弾性のため、共振器が別の振動モードに移るにはいくらかの時間が必要であ
るため、これは特定の遅延の後に起こる。言い換えると、共振器および縁領域の
音波の速度が遅延時間を定める。これによって（重ね合わせによる長手方向振動
から横方向振動モードへの遷移の際に）楕円に似た振動形が生成される。場所に
依存して、共振器上には周波数および振幅に依存する異なる「配向」によって振
動する領域がある。対応する領域をたとえば回転子と相互作用的に接続させると
、そこに力が伝達されるために回転子はそれに従って動き始める。典型的な態様
でこの発明に従うドライブは、共振器の大きさおよび音波の速度にとりわけ依存
して５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの励振周波数で動作される（好適な寸法取りに
よってその他の動作状態も同様に可能である）。

【００２０】 励振器は、圧電結晶、セラミック、プラスチックなどのあらゆる公知の圧電材
料からなっていてもよい。振動体は金属、プラスチックなどのあらゆる材料から
なっていてもよい。振動体への励振器の接続は、公知の摩擦嵌合、材料嵌合また
は確かな嵌合手段によってもたらされる。この発明の知識によって、当業者は振
動体への励振器のさまざまな接続が可能である。たとえば、セラミックの励振器
と金属の振動体とは接着成分によって接着されてもよい。

【００２１】 特定の実施例によって、励振器の長さ対幅の比を２またはその倍数に等しくす
ることが有利である。このように長さ対幅の比を２ｎ（ｎ＝１，２，３，…）に
等しくすることにより、励振器中に特に高い振幅がもたらされる。

【００２２】 添付の図面によってこの発明を詳細に説明する。 図１は圧電ドライブ１の斜視図を概略的かつ大幅に簡略化して示すものであり
、この圧電ドライブは本質的に鎌形の共振器２と、丸い回転子３と、ばね素子４
と、保持装置５とを有する。ここに示す共振器２は圧電素子（励振素子）と、端
面においてそれに取付けられる２つの振動体１１、１２とからなる。共振器２は
ばね素子４によって保持装置５に留められる。回転子３はピボット１３に関して
回転可能に保持装置５に装着される。共振器２は接触素子１４によって回転子３
の表面２０と相互作用的に接続される。ここで保持装置５とピボット１３とはス
ナップ嵌合によって接続される。圧電素子１０に好適な電圧を印加することによ
って、これは変位して振動する。それは結合された振動体１１および１２に伝達
される。共振器２の特別な設計および装着によって、圧電素子１０によって励振
された多次元振動が、接触素子１４が円形駆動運動を実行するような態様で重な
り合い、その運動は周波数および振幅に依存して回転子３の表面２０に伝達され
る。共振器２は、接触素子の動きが駆動される表面に対して本質的に平行に延在
し、それを損なうことがないように設計される。接触素子の運動の形は、材料特
性（Ｅ−モジュール、密度など）の構成、周波数および振幅、ならびに特に回転
子３の装着に依存する。回転子３は共振器２の動きに影響する。そのため、設定
された要求に依存して最適の解決策を見出すことが可能である。調節可能なパラ
メータへの依存性は、ドライブの方向を方向性のある態様で変動し得るように延
在する。たとえば周波数を変えることによって、回転子３の回転方向が変わるよ
うな態様で接触素子１４の動きを変更してもよい。ばね素子４は、共振器３の動
きに相互作用的に加わるような態様で形成される。回転子３に関する共振器２の
装着は、あらゆる摩損および熱拡張などの変化が補償されるように選択される。
共振器の装着はまた、さらなる影響を利用し得るような態様で能動的に設計され
てもよい。特に、その装着がダンピングによって支持されることにより、振動形
が方向性のある態様で影響されるようにしてもよい。

【００２３】 圧電素子１０は、電圧が印加される両側に横方向に取付けられたばね素子４に
よって励振される。それによって圧電素子は端面に取付けられた振動体１１、１
２の方向における第１の振動で振動し始め、またこれに垂直な第２の振動で振動
し、共振器２を特徴的な振動に変位させる。同時に二次的な振動が重なり合う。
本質的にｓ形のばね素子４は、励振された振動に関して中立の態様で振舞い、か
つ駆動される本体へのこの振動の伝達を支持するように同時に設計される。ばね
素子４は少なくとも１つの方向において増加する柔軟性を有するように設計され
ることにより、共振器はその方向に好ましい態様で移動してもよい。共振器２は
本質的に鎌形に形成され、定められた場所に質量集中を有する。この共振器２（
励振素子１０を含む）の設計は、好ましい駆動運動をもたらす。

【００２４】 接触素子の動きを、詳細Ｄに大幅に簡略化して示す。駆動する圧電素子１０の
多次元に重なり合う振動の結果として、振動体１１および１２の設計によって起
こる動きを、矢印２３．１によって概略的に示す。接触素子１４の速度は場所お
よび励振振動の振幅に依存して変動する。その速度は、励振振動の振幅の変化に
よって設定される。より小さい振幅の結果起こる振動を矢印２３．２によって概
略的に示す。ピボット１３に関する共振器の動きを矢印２０によって概略的に示
す。

【００２５】 ここに示される配置によって、回転子３は非常に簡単にラッチされてもよい。
それはばね素子４の上に位置決めされた回転子２によって堅く保持される。

【００２６】 図２は、ドライブ１のさらなる実施例を概略的かつ非常に簡略化して示す。個
々の部品は図１のそれに多く対応するため、ここでは詳細な説明を繰返さない。
弓形の共振器２は圧電素子１０に加えて２つのｔ形またはｌ形に設計された振動
体１１、１２を含み、その振動体は端面において圧電素子１０に接続し、また各
々が１つの接触素子１４、１５を含む。それらの接触素子１４、１５は回転子３
の表面２０と相互作用的に接続される。ここではｓ形のばね素子４が、圧電素子
１０の回転子３に面する側に取付けられる。それは保持装置（シャーシ）５に関
する共振器２の弾性装着として働き、かつ共振器２に伝達された駆動運動によっ
て起こる反応力を伝達する働きをする。ばね素子４は、接触素子１４、１５と回
転子３との相互作用的接続を確実にするように設計される。ばね素子４は増加し
たばね力を有する。

【００２７】 印加電圧による圧電素子１０の励振は、ここでは分離した接続（ここには詳細
に示さない）によってもたらされる。これによって圧電素子は、端面において取
付けられた振動体１１、１２の方向と、それに対して垂直な方向とに振動し始め
る。

【００２８】 回転子３はその周に沿って、ここでは間隔をおかれて深くなってゆく部分２４
の形の素子を含む。これらの素子２４がカウントインパルスを生成する働きをす
るため、回転子の位置を定めることができる。この素子２４は、好ましくは共振
器２において、たとえば圧電素子１０において、測定可能な変数の変化が生成さ
れるような態様で設計される。これにより、たとえばインピーダンスの変化の場
合にはそれを外部で検出して分析できる。深くなった部分の代わりに、同等の結
果をもたらすその他の手段も考えられる（たとえば共振器の特別な形など）。位
置決め手段２４は、ドライブの機能態様を負に阻害しないように、かつ１つの測
定可能な変数の変化、特にインピーダンスの変化によって本体の位置を定め得る
ように設計される。その部品の寸法取りによって最大駆動トルクが定められても
よい。たとえば、回転子３の直径が増加すると、駆動トルクが増加する。保持ト
ルクは素子４によって、摩擦を介して設定されてもよい。必要であれば、保持ま
たは駆動トルクを増加させるための付加的な要素も可能である。ドライブはまた
、特別な要求を満たすためにたとえば伝動装置に結合されてもよい。

【００２９】 図３は、ドライブ１のさらなる実施例を示す。このドライブはほぼｕ形の共振
器２を有し、その共振器は端面において圧電素子１０に接続された異なる厚みの
振動体１１、１２を有する。振動体は回転子３の側面２０と相互作用的に接続さ
れることによって、回転子に対して横方向に、本質的に接線方向に接触する。共
振器２は、その駆動運動が負に妨害されないように保持装置５に留められる。こ
の留めの種類および態様によって共振器の振動形に影響してもよい。適用される
種類に依存して、圧電素子１０はここで端面の領域または自由側面のいずれかに
おいて励振されることにより、端面に取付けられた振動体の方向における領域で
振動し始める。共振器２の設計および配置のために、二次的な動きが重なり合い
、その結果方向性のある駆動運動が得られる。

【００３０】 回転子３はピボット１３に関して回転可能に保持装置５に装着される。ここに
示される実施例における軸１３は、回転子３の中心に配置される。振動体１１、
１２の数は２個に制限されず、要求に依存して定められる。ここに示される実施
例から逸れるその他の解決策、たとえば、１つよりも多くの回転子３を駆動可能
であることなども考えられる。また、１つよりも多くの励振器および２つよりも
多くの振動体を有する共振器２も実現し得る。たとえば、共振器２は、多層構造
において存在する複数の励振器または振動体１１、１２からなる。

【００３１】 振動体１１、１２は、周波数に依存する態様で回転子３を駆動するように設計
される。その速度は振幅によって定められることが有利である。当業者は、ここ
に開示されるこの発明の知識によって好適な解決策を見出すことができる。別の
実施例によって、ピボット１３は、圧電素子１０において位置に依存する測定可
能な変化が生じるような態様で、回転子３に関して偏心的に配置されてもよい。
回転子３の形は円形である必要はなく、たとえば好適な変化を生成するために楕
円形に成形されてもよい。圧電素子１０はまた、振動を励振するために１つより
も多くの接続対を自由に有してもよい。もちろん、ここでは静止して設計される
部品を可動的に配置してもよい。可動部品に対しても同じことが適用される。た
とえば共振器を回転子と一体化したり、またはそれらを静止的に配置しないこと
も可能である。

【００３２】 図４は、ドライブ１のさらなる実施例を概略的かつ大幅に簡略化して示す。こ
こでは回転子３は環状の中空の回転子として設計され、そこには２つの異なる長
さの振動体１１、１２のみが装着され、それらは接触領域において回転子に対し
て本質的に接線の方向に走行する。振動体１１、１２は端面において圧電素子１
０の２つの対向する表面に取付けられ、この圧電素子とともにｕ形の共振器２を
形成する。保持装置５はここでは共振器２に相互作用的に接続され、その装着を
行なう。振動体１１、１２は、圧電素子１０による機械的励振の結果として、お
よび回転子３との組合せにおいて、非周期的に振動するような態様で設計される
。振動体１１、１２は回転子３に関して特定のプレテンションを有し、それによ
って回転子が保持され、駆動運動が伝達される。共振器２の長手方向に振動する
成分が回転子３を接線方向に駆動し、特に横方向の成分が回転体に保持および集
中する圧力を加える。回転子３は弾性手段によって保持される。大きな保持力が
可能であるため、装着のためのさらなる、または外部のベアリングは必要ない。
振動当りの回転体のステップ角が非常に小さいため、運搬されるトルクは非常に
大きくなり得る。たとえば、ステップ角は０．０１°である。

【００３３】 図５は、３つの弓形の共振器２．１、２．２、２．３を有するドライブ１を概
略的かつ大幅に簡略化して示す。この実施例は、図２に従った３つの共振器を本
質的に並列接続する場合であり、これによって駆動力の増加が達成される。３つ
の共振器２．１、２．２、２．３はすべて各々の場合において１つの圧電素子１
０．１、１０．２、１０．３を有し、それは２つの本質的に平行な対向側の端面
において各々の場合に１つの振動素子１１．１、１１．２、１１．３、１２．１
、１２．２、１２．３に接続される。ここでの振動素子は弓形およびｌ形に形成
されることによって、所望の振動挙動をもたらす質量分布を有する。３つの共振
器によって、この場合は３つの機能的に依存するドライブが得られる。

【００３４】 共振器１０．１、１０．２、１０．３はばね素子４．１、４．２、４．３によ
って、ここでは環状の保持装置５に弾性的に留められる。ここでは環状の回転子
３は共振器２．１、２．２、２．３によって中央に装着される。励振によって、
圧電素子１０．１、１０．２、１０．３およびそれらに相互作用的に接続される
振動体は、多次元の態様で振動し始める。これらの振動が重なり、回転子に伝達
されることによって回転子は動き始める。ばね素子４．１、４．２、４．３によ
る補償的に作用する装着によって、とりわけ遊びおよび摩損が避けられる。ばね
素子４．１、４．２、４．３は、とりわけ負の振動を抑えるか、またはその負の
振動が他の構成要素に負の影響を与えないようにする態様で設計される。ここに
示される回転子３の弾性装着によって、ドライブは特に衝撃荷重を感じない。

【００３５】 図６は、互いに前後に配される、図５に従った２つのドライブ１．１、１．２
を示す。ここでは、それらはたとえば時計、特に腕時計またはその他の表示装置
に用いられる際に２本の針３０、３１を駆動する働きをする。第１のドライブ１
．１はピボット２８を有し、それは第２のドライブ１．２を通過して第１の針３
０を装着する働きをする。第２のドライブ３１は、対応する貫通するように設計
されたピボット２９を有し、それは第２の針３１を装着する働きをする。ここに
示される配置によって、たとえば時計に存在するような２本の針は独立に始動さ
れ得る。ドライブのこの設計によって、伝動装置およびその他の機械部品は必要
なくなる。針はノックおよびその他の機械的荷重からさらに保護される。このド
ライブは非常に小さく設計されてもよい。平らな構造のために、それらを前後に
配置することが可能である。それらは互いに負の影響および機能不良を有さない
。非常に高い振動周波数のために、このドライブは実際的に騒音がない。ここで
２つの深くなった部分２５、２６は２つの回転子３．２、３．２の位置決め手段
の働きをする。深くなった部分２５、２６は、好ましくは圧電素子１０．１、１
０．２、１０．３の挙動において１つまたはすべての共振器１０．１、１０．２
、１０．３の測定可能な変化を生じるような態様で設計される。それは外部から
測定されて針３０、３１の位置決めの働きをしてもよい。深くなった部分３０、
３１の代わりに他の位置決め手段を用いてもよい。たとえば共振器３．１、３．
２の形をしかるべく選択してもよい。

【００３６】 図７は、ドライブ１のさらなる実施例を概略的かつ大幅に簡略化して示す。こ
のドライブ１は軸３５上で作用する。共振器２．４、２．５、２．６、２．７は
軸３５の周囲に配置され、それと相互作用的に接続される。共振器２はばね素子
４によって、ここでは環状の保持装置５に留められており、その各々は２つの結
合された振動体１１、１２を有する圧電素子１０を有する。この共振器２は本質
的に並列に接続され、機能的に独立したドライブとしても機能する。並列配置に
よって電力の増加が達成される。励振周波数を変えることによって移動の方向に
影響してもよい。励振周波数の振幅によって速度が制御される。好適に配置され
た共振器（ここには詳細に示さない）によって、軸方向の変位に加えて、周方向
の変位を達成することも可能である。共振器２の数および配置は固定されておら
ず、要求を満たすために最適化されてもよい。必要であれば、いくつかの共振器
を異なる方向に提供することによって方向独立性を達成することも有用である。

【００３７】 よりよく概観するために、供給電圧に対する電気的接続は図には示さない。た
とえば金属などの導電性の共振器素子を用いるとき、共振器自体が電気的接続を
形成してもよい。交流電圧を印加することによって、共振器は機械的振動に励振
される。たとえば、共振器は０．１Ｖの正弦波の交流電圧および２００ｋＨｚの
周波数によって励振される。このことによって、時計などの電池動作される装置
におけるたとえば多層構造に配置される共振器および励振器の使用が可能になる
。共振器のこの発明の成形によって、共振器中の機械的振動は異なる態様で伝播
する。そのために、重なり合う長手方向および横方向の振動が起こる。

【００３８】 図８は、この発明に従った圧電モータ１の概略的な機能モデルを大幅に簡略化
した態様で示す。ここに示されるモータ１は共振器２を含み、その上に圧電素子
１０が結合される。圧電素子１０は励振器の働きをし、共振器２と相互作用的に
接続されるか、またはその一部をなす。ここでは一方向において薄くなり、数回
湾曲したばねの形の弾性素子６は、保持装置５に関して共振器２を装着する働き
をする。弾性素子６は、ｘ／ｙ面に平行な動きに関して好ましくは弾性である態
様で設計される。それによってあらゆる摩損および遊びならびに望ましくない拡
張が補償される。共振器２は非対称の質量分布を有する。よりよく理解するため
に、このことを質量集中を有する領域１０、１６、１７、１８によって簡略化し
た態様で明らかにする（ここで圧電素子１０は励振された振動の形に影響する質
量集中を有する領域を同様に表わす）。質量集中を有する領域１０、１６、１７
、１８は、このモデルにおいてはその質量および慣性を無視できると仮定される
遷移領域７、８、９を介して相互作用的に接続される。ここで遷移領域７、８、
９はｚ方向により厚く形成される。それによって共振器が好ましくはｘ／ｙ面に
移動することが達成される。

【００３９】 質量集中を有する領域１０、１６、１７、１８間の、矢印４８、４９によって
概略的に示される相互作用的接続は、質量集中を有する領域１０、１６、１７、
１８の動きがターゲット決めされた態様で重なって、影響されるようなものであ
る。前述のとおり、この共振器はｘ／ｙ方向に振動することが好ましい。二次的
な振動が可能である。特に質量の慣性と、材料の弾性と、ダンピングと、音波の
速度とが重要な役割を果たす。共振器２が全体として好ましい振動形を有する。
質量集中を有する領域１０、１６、１７、１８は、一方向に励振された振動の結
果として別の方向の振動が励振されるような態様で配置される。この作動原理に
よって、１つの励振素子１０によっていくつかの駆動方向を生成することができ
る。圧電素子を好ましい方向に従って配置することにより、励振振動の方向をタ
ーゲット決めされた態様で利用する。さらに全体として、振動の特徴的な（定在
）形の形成が達成され、それは励振の周波数および振幅によってターゲット決め
された態様で変更および設定できる。この駆動運動は場所依存的であり、ここで
は好適に配置された接触素子１４によって駆動される回転子３に伝達される。回
転子の駆動方向を矢印３６、３７によって概略的に示す。ベアリング素子６は共
振器２の振動形を支持するように、または少なくともそれらに負の影響を与えな
いように設計される。このような構成によって、遊びおよび摩損が補償される。
簡略化の目的のため、共振器２の動きは質量集中を有する領域に制限され、それ
は矢印４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６によって概略的にかつ大幅に
一般化して示される。矢印４０は励振振動を概略的に表わす。その結果効果的に
起こる動き（矢印４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６によって表わされ
る動きの重ね合わせ）は、共振器２の設計（特に質量分布）およびその装着また
はダンピングによって定められる。共振器２の駆動運動は、駆動方向を変え得る
態様で励振周波数によって調節可能である。共振器は、励振周波数の増加または
減少によって別の振動形を設定でき（特定の場合においてこれは定在波と比較さ
れてもよい）、それによって接触素子１４の駆動運動が変化するように設計され
る。接触素子１４と回転子２との相互作用的接続は、回転子の動きが負に影響さ
れないように選択される。共振器および縁部分は必要であれば一体的に製造され
る。前述の実施例において示したとおり、共振器２と駆動される本体との間に１
つよりも多くの駆動接触点を実現することが可能である。共振器２の好適な好ま
しい設計がそれを可能にする。質量分布および相互作用の好適な選択によって、
共振器２のいくつかの接触領域が回転子３を同じ方向に駆動する。駆動の方向は
励振周波数の好適な設定によって定められる。励振振動の振幅によって、速度を
ターゲット決めされた態様で設定してもよい。ここに開示されるこの発明の知識
によって、当業者はこれに従って共振器の他の配置および設計を生成できる。

【００４０】 図９は、圧電ドライブ１のさらなる実施例を非常に簡略化した概略的な態様で
示す。断面が先端を切った角錐の形である２つの平らな振動体１１、１２の間に
結合される圧電素子１０が認識される。この振動体１１、１２は圧電素子１０に
端面ではなく横方向に取付けられる。共振器２はばね素子４．１、４．２を介し
て装着される（装着の他方側は詳細に示さない）。この振動体が、ピボット４７
に関して回転可能に装着された回転子３と相互作用的に接続される。２つの振動
体１１、１２は導電するように設計され、圧電素子１０の活性化の働きをする。
圧電素子１０の長手方向およびそれに対して垂直方向の振動は、振動体１１、１
２に伝達される。振動体はそれらの動きを影響かつ変換し、回転子がピボット４
７の周りを回転するような態様でそれを回転子３に伝達する。このドライブは線
形ドライブとしても好適である。

【００４１】 図１０は、図９に従った振動体１１．１、１１．２、１１．３、１２．１、１
２．２および圧電素子１０．１、１０．２、１０．３、１０．４の可能な配置を
示す。この振動体１１．１、１１．２、１１．３、１２．１、１２．２および圧
電素子１０．１、１０．２、１０．３、１０．４は交互に平行に配置され、結果
的に相互に支持し合う。このような配置によって、伝達される力が増加する。こ
の並列接続によって、先行技術とは対照的に、通常各圧電素子の個別の活性化が
必要とされない。これによって、モータを少ない費用で動作し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 共振器および接触場所を有する圧電ドライブの第１の実施例を示
す斜視図である。

【図２】 共振器および２つの接触場所を有する圧電ドライブの第２の実施
例を示す斜視図である。

【図３】 共振器および２つの接触場所を有する圧電ドライブの第３の実施
例を示す斜視図である。

【図４】 共振器および２つの接触場所を有する圧電ドライブの第４の実施
例を示す斜視図である。

【図５】 ３つの共振器および６つの接触場所を有する圧電ドライブの第５
の実施例を示す斜視図である。

【図６】 ２本の針を有する時計に対する圧電ドライブの実施例を示す斜視
図である。

【図７】 軸に対する圧電ドライブの実施例を示す図である。

【図８】 圧電ドライブを概略的に示す図である。

【図９】 圧電ドライブのさらなる実施例を示す図である。

【図１０】 図９に従った圧電ドライブのサンドイッチ状の配置を示す図で
ある。

【手続補正書】

【提出日】平成１４年５月３０日（２００２．５．３０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2H020 MC22 MC23 ME11 2H044 BE04 5H680 AA06 AA19 BB01 BB16 BC01 BC02 BC10 CC01 DD02 DD12 DD23 DD33 DD67 DD72 DD85

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 励振圧電素子（１０）と、それに結合されかつ駆動される本
   体（３）に相互作用的に接続される共振器（２）とを有する圧電ドライブ（１）
   であって、前記共振器（２）は、圧電素子（１０）による励振振動の結果として
   励振振動の周波数に依存して共振器（２）がいくつかの方向（ｘ，ｙ，ｚ）に非
   対称に振動し始め、それらの振動が相互作用的接続を介して本体（３）を方向性
   のある動きに変位させるような態様で設計される質量分布を有する、圧電ドライ
   ブ。
2. 【請求項２】 前記共振器（２）は非対称形を有し、長手方向モードおよび
   横方向モードに振動することを特徴とする、請求項１に記載の圧電ドライブ（１
   ）。
3. 【請求項３】 前記圧電ドライブ（１）はただ１つの圧電素子（１０）を含
   むことを特徴とする、請求項１または２に記載の圧電ドライブ（１）。
4. 【請求項４】 前記圧電素子（１０）は側面および少なくとも１つの端面を
   含み、前記側面は素子（４）に導電する態様で接続され、前記端面は共振器（２
   ）と相互作用的に接続されることにより、側面に電圧を印加することによって圧
   電素子（１０）が励振されて端面の方向に振動し、相互作用的に接続された共振
   器（２）がそれによって励振されて振動するようにされることを特徴とする、請
   求項１から３のいずれかに記載の圧電ドライブ（１）。
5. 【請求項５】 駆動される本体（３）の速度は、励振圧電素子（１０）の振
   幅によって設定されてもよいことを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記
   載の圧電ドライブ（１）。
6. 【請求項６】 駆動される本体（３）の移動の方向は、励振圧電素子（１０
   ）の周波数によって設定されてもよいことを特徴とする、請求項１から５のいず
   れかに記載の圧電ドライブ（１）。
7. 【請求項７】 前記共振器（２）は圧電素子（１０）と、そこに相互作用的
   に接続される振動体（１１，１２）とからなることを特徴とする、請求項１から
   ６のいずれかに記載の圧電ドライブ（１）。
8. 【請求項８】 前記共振器（２）はばね素子（４，６）によって弾性的に装
   着されることを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載の圧電ドライブ（
   １）。
9. 【請求項９】 前記共振器（２）は、駆動される本体（３）に関するいくつ
   かの相互作用的接続（１４）を有することを特徴とする、請求項１から８のいず
   れかに記載の圧電ドライブ（１）。
10. 【請求項１０】 駆動される本体（３）は回転子（３）であることを特徴と
    する、請求項１から９のいずれかに記載の圧電ドライブ（１）。
11. 【請求項１１】 前記振動体（１１，１２）は、導電材料または摩損抵抗性
    材料または熱伝導性材料でできていることを特徴とする、請求項１から１０のい
    ずれかに記載の圧電ドライブ（１）。
12. 【請求項１２】 １つの共振器（２）は鎌形に形成されることを特徴とする
    、請求項１から１１のいずれかに記載の圧電ドライブ（１）。
13. 【請求項１３】 磨耗を補償するための弾性手段（４，６）が提供されるこ
    とを特徴とする、請求項１から１２のいずれかに記載の圧電ドライブ（１）。
14. 【請求項１４】 位置決め手段（２４）は、本体（３）の位置を定め得る態
    様で、測定可能な変数の変化、特にインピーダンスの変化を生成することを特徴
    とする、請求項１から１３のいずれかに記載の圧電ドライブ（１）。
15. 【請求項１５】 いくつかの圧電素子（１０．１，１０．２，１０．３）が
    並列に接続されることを特徴とする、請求項１から１４のいずれかに記載の圧電
    ドライブ（１）。
16. 【請求項１６】 本体を駆動するための方法であって、圧電素子（１０）は
    第１および／または第２の振動に変位され、前記第１および／または第２の振動
    は相互作用的に接続される共振器（２）に伝達され、前記共振器は多次元振動に
    変位されることにより、共振器（２）の特定の区域において特徴的な、特に楕円
    形の動きが形成され、さらにこの特徴的な動きが駆動される本体（３）に伝達さ
    れることによってそれが方向性のある運動に変位されることを特徴とする、方法
    。
17. 【請求項１７】 時計、カメラ、データメモリ、顕微鏡テーブル、または回
    転速度計の部品を段階的または継続的に駆動することを特徴とする、請求項９に
    記載のドライブ（２）の用法。