JP2010527575A - 電気機械式のモータ、特に圧電式のマイクロステッピング駆動装置 - Google Patents

Abstract

本発明によるマイクロステッピング駆動装置は、互いにほぼ垂直に方向付けられた作用方向を有する２つの電気機械式の駆動エレメント（１４，１５）、特に圧電式の撓みアクチュエータを有している。これらのアクチュエータ（１４，１５）は、軸（２３）を回転させるために、駆動リング（１０）に係合している。アクチュエータ（１４，１５）は剪断方向においてフレキシブルでかつねじり剛性のほぼ正方形のフレーム構造体（３１）を介して、非半径方向で、フレーム構造体（３１）の内部に配置されていて該フレーム構造体（３１）と剛性的に結合された駆動リング（１０）に、枢着されている。これによって、フレーム構造体（３１）と駆動リング（１０）とが一体に射出成形による駆動モジュールとして構成されているコンパクトな駆動装置が得られる。

Description

本発明は、電気機械式のモータ、特に圧電式のマイクロステッピング駆動装置もしくは作動駆動装置に関する。

自動車のコックピットにおいては、デザインと技術との最適な融合を実現することが望まれている。ドライバの視界には種々様々な指示計器が存在している。これらの指示計器は、種々様々な技術的な要求を満たす必要があるのみならず、自動車の大量生産のための競合価格を有していることも必要である。このような指示計器のための１つの例は、「Ｓｉｅｍｅｎｓ ＶＤＯ 社」の「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ ２０００」である。

この「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ ２０００」は、単段式のウォーム歯車伝動装置によって減速されるステッピングモータ駆動装置をベースにしている。４極式のステッピングモータは、時間の関数として、位相角を９０°だけ互いに位相シフトされた正弦状の２つのコイル電流経過によって、制御される。移相の符号はモータ軸の回転方向を規定し、周波数はモータ軸の回転速度を規定している。正弦状の電流経過の３６０°の１つの完全な周期の範囲において、１２８までの中間段を再現可能に調節することができる。これらの中間段の使用は、マイクロステッピング運転と呼ばれる。

上に述べたように特徴付けられたステッピングモータを内蔵している完全な作動駆動装置「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ ２０００」は、１２の個別部材から成っている。ステッピングモータ自体は、１つの共通のステータ金属薄板と２つの永久磁石ロータとを備えた２つのコイルから成っている。構成部材コストに関しては、コイルと永久磁石が最も大きく影響する。価格に対して重要な要素としては、材料コストの他に、製造コストを挙げることができ、この製造コストは、作動駆動装置の構成部材の数にほぼ比例して高騰する。

ＥＰ１０９８４２９Ｂ１に基づいて、新規なモータ原理によって、つまり回転するコイルなしに、作動する電気機械式のモータが公知であり、この電気機械式のモータでは、運転中に、少なくとも２つの電気機械式の駆動エレメントを時間的にずらして操作することによって、駆動リングが環状に移動もしくはシフトさせられ、その結果駆動リングから、特に駆動リングの内部に位置している軸への直接的な力伝達によって、軸が回転させられる。駆動リングの環状シフト運動は、例えば圧電式、磁歪式、電歪式又は電気力学式に駆動されるアクチュエータによって生ぜしめることができ、その結果、材料コスト及び製造コストに関して大量生産のためにより良好に適した作動駆動装置が得られる。ピエゾアクチュエータは駆動リングに取り付けられ、ピエゾアクチュエータのその都度の行程が半径方向で駆動リングに作用するようになっており、この場合場合によっては、駆動リングに対する可能な限り対称的な力導入を達成するために、さらに別の手段が用いられる。

最後に述べた技術的な状況下において確かに、最高の動機特性（軸の瞬間位置とは無関係な回転速度の不変性）を備えた、トルク変動のない、機能に関して最適化された駆動装置が生ぜしめられる。この場合しかしながら特に撓みアクチュエータの長さと半径方向における配置形式とによって、扁平な駆動バリエーションは平面において大きなスペースを必要とし、多くの場合コンパクトな構成が得られない。コンパクトで扁平な駆動装置はしかしながら、コックピット計器において所定された極めて狭められた構造空間状況に基づいて、切に望まれている。

本発明の課題は、構成部材数、製造コスト、所要空間及び機能性に関して最適化されたステッピングモータ、特に、コックピット計器の測定機構のための最小作動駆動装置を、提供することである。

この課題を解決するために本発明の構成では、請求項１記載のように、電気機械式のモータ、特に圧電式のマイクロステッピング駆動装置において、互いにほぼ垂直に方向付けられた作用方向を有する２つの電気機械式の駆動エレメントと、駆動リング内に回転可能に支承された軸とが設けられていて、駆動リングが電気機械式の駆動エレメントの変位によって、軸に直に伝達可能なシフト運動のためにそれぞれの作用方向に励起可能であり、その結果軸が駆動リング内において転動し、これによって回転するようになっており、２つの電気機械式の駆動エレメントが、剪断方向においてフレキシブルでかつねじり剛性のほぼ正方形のフレーム構造体を介して、非半径方向で、正方形のフレーム構造体の内部に配置されていて該フレーム構造体と剛性的に結合された駆動リングに、枢着されている。

本発明の別の有利な構成は、以下の記載、図面及び請求項２以下に開示されている。

本発明による電気機械式のステッピング駆動装置は、以下の特徴を有している：
互いにほぼ垂直に方向付けられた作用方向を有する２つの電気機械式の、有利には圧電式の駆動エレメント（アクチュエータ）と、駆動リング内に回転可能に支承された軸とが設けられていて、駆動リングが圧電式の駆動エレメントの変位によって、軸に直に伝達可能なシフト運動のためにそれぞれの作用方向に励起可能であり、その結果軸が駆動リング内において転動し、これによって回転するようになっており、それに対して２つの電気機械式の駆動エレメントが、剪断方向においてフレキシブルでかつねじり剛性のほぼ正方形のフレーム構造体を介して、非半径方向で、正方形のフレーム構造体の内部に配置されていて該フレーム構造体と剛性的に結合された駆動リングに、枢着されている。

剪断方向においてフレキシブルであるがねじり剛性の正方形のフレーム構造体に基づいて、本発明によれば、従来技術とは異なり、撓みアクチュエータによって準備された力を、リング孔の中心点に関して駆動リングに半径方向で力導入することに、もはや注意を払う必要がなくなる。それというのは、非半径方向の偏心的な力導入によって惹起された、駆動リングに対するトルクは、剪断方向においてフレキシブルなフレーム構造体と、例えばハウジングにおけるその角隅のうちの１つにおける固定部とによって、ほぼねじれなしに受容されるからである。これによって、特に正方形のフレーム構造体の外側又は内側の辺に沿った、駆動エレメントのスペースを節減した配置形式が可能になる。ひいてはステッピング駆動装置の極めてコンパクトで構造空間を節減する構造を実現することができる。駆動エレメントの所定の寸法設定に応じて、長い駆動エレメントを正方形のフレーム構造体の有利には外側に沿って配置し、かつ短い駆動エレメントをフレーム構造体の内側に沿って、つまり内室に配置することができる。本発明によるステッピング駆動装置はさらに、極めて僅かな数の単純な構成部材によって傑出しており、その結果本発明によるステッピング駆動装置は大量生産のために特に適している。さらに、プラスチックとアクチュエータとの異なった熱膨張によって生じる、駆動装置の熱による変調は、構造的に確実に受け止められる。例えば駆動リングと軸との間に形成された歯列を用いた形状結合によって、本発明による駆動装置の極めて高い調節精度が、純粋に制御された運転において得られ、この際にセンサ及び制御回路を使用する必要はない。

さらに、電気機械式、有利には圧電式の２つの駆動エレメントが剪断方向においてフレキシブルに変位することによって、両駆動エレメントの運動方向は互いに対して遮断されており、その結果両駆動エレメントはその運動においてまったく又は極めて僅かしか妨げられない。つまり正方形のフレームのフレキシブル構造に基づいて、力導入時に損失エネルギの生じることがない。

本発明によれば、コンパクトさの最適化のために、必ずしも駆動リングへの完全に対称的な力導入が要求されない。機能に関して場合によっては生じる結果、例えば若干の同期変動及びトルク変動は、別の処置もしくは手段によって減じられ、これによって顧客による特別仕様は引き続き維持されることができる。特に、小さなトルクは、純粋な正弦経過を変調する駆動エレメントの制御によって、補正することができる。

本発明の特に有利な実施形態では、正方形のフレーム構造体が、正方形のほぼ角隅に配置された４つの角隅エレメントから成っており、これらの角隅エレメントがそれぞれ、ほぼ平行な１対のロッドエレメントによって互いに結合されており、角隅エレメントへのロッドエレメントの結合がそれぞれ固体ジョイントによって行われていて、１つの角隅エレメントが駆動リングと剛性的に結合されている。ロッドエレメントが対を成してほぼ平行に配置されていることと、ロッドエレメントが固体ジョイントによって角隅エレメントに結合されていることとによって、このように形成されたほぼ正方形のフレーム構造体は容易に（つまり極めて小さな力で）、平面の剪断方向における各方向において変形されることができる。これに対して任意の２つの角隅エレメントのねじりに対しては、このように形成されたフレーム構造体は大きな抵抗を有している。１つの角隅エレメントが例えばハウジングに固定されると、対向して位置している角隅エレメントは固定された角隅エレメントに対して平面においてシフト可能ではあるが、回転することはできない。従って駆動リングはこの平行移動可能な角隅エレメントと剛性的に結合される。これによって駆動リングもまた同様に容易にシフト可能であるが回動不能である。駆動リングに作用する各トルクは、ほぼねじり剛性のフレーム構造体によって受容され、固定された角隅エレメントに、ひいてはハウジングに導かれ、この際に駆動リングが回転させられることはない。

固体ジョイントはそれぞれ、短い区分におけるロッドエレメントの横断面の先細もしくは減少によって形成されていることができ、このことは特に製造技術的に有利である。この実施形態はさらに有利に、つまり正方形のフレーム構造体全体の著しく大きなねじり剛性を備えて構成されることができる。そのために本発明の有利な構成では、横断面先細部もしくは横断面減少部が少なくとも１対の場合に、該横断面減少部が、同じ対のロッドエレメント及び同じ角隅エレメントに対応配置もしくは配属されていて、対を成している横断面減少部のうちの少なくとも１つが、各ロッドエレメントの中心軸線に対してずらされて形成されていて、対を成す２つの横断面減少部によって形成された回転中心の間隔が、それぞれ真ん中に配置された横断面減少部における間隔に対して増大させられている。

力の導入を撓みアクチュエータによって行うことが望まれていない場合に、本発明の別の有利な実施形態では、各１つの電気機械式の駆動エレメントの運動させられる端部が、駆動リングと結合された角隅エレメントの各１つの隣接角隅エレメントに係合している。

また、力の導入が撓みアクチュエータによって行うことが望まれている場合に、本発明の特に有利な実施形態では、駆動リングに結合された角隅エレメントに、互いにほぼ垂直に配置された２つの引張り押圧ロッドが結合されており、該引張り押圧ロッドが、正方形のフレーム構造体の外部又は内部において、かつ前記角隅エレメントに結合された各ロッドエレメントに対して平行に延びていて、フレーム構造体の自由端部がそれぞれ少なくとも、駆動リングに結合された前記角隅エレメントに所属の隣接角隅エレメントの領域内にまで延びており、各１つの電気機械式の駆動エレメントの運動させられる端部が、各１つの引張り押圧ロッドの自由端部に係合している。本発明の別の実施形態では、さらに引張り押圧ロッドがそれぞれその両端部に向かって各１つの固体ジョイントを有している。

本発明の別の有利な実施形態では、電気機械式の２つの駆動エレメントが、撓みアクチュエータ、有利には圧電式の撓みアクチュエータとして形成されている。

圧電式のセラミック材料をベースにしたこのような固体形式の撓みアクチュエータは、以前から種々様々な構造形式で工業において多方面で使用されている。このような固体形式の撓みアクチュエータは、小さな構造形式、僅かなエネルギ需要、及び高い信頼性の点で傑出している。例えば圧電式の撓みアクチュエータは、工業の分野において少なくとも１０⁹サイクルの耐用寿命を示す。

本発明によるステッピング駆動装置の特にコンパクトな実施形態では、２つの撓みアクチュエータが、正方形のフレーム構造体の外側又は内側においてかつ正方形のフレーム構造体の２つの辺に対してほぼ平行に配置されており、フレーム構造体が、駆動リングに結合された角隅エレメントに対向して位置しており、撓みアクチュエータがそれぞれその運動させられる端部で、駆動リングに結合された角隅エレメントのそれぞれの隣接角隅エレメントに係合しているか、又は各引張り押圧ロッドの自由端部に係合している。

この実施形態においてさらに有利には、駆動リングに結合された角隅エレメントに対向して位置している角隅エレメントが、ハウジングに固定されていて、２つの受容部を有しており、該２つの受容部がそれぞれ、撓みアクチュエータを剛性的に固定するために撓みアクチュエータの静止端部に設けられている。本発明のこの有利な実施形態では、ほぼ条片形状の撓みアクチュエータが、１つの端部において機械的に剛性に緊締されているか又は固定されている。この端部において有利には撓みアクチュエータの電気的な接触接続が行われる。反対側に位置する運動させられる端部においては、撓みアクチュエータの電気的な制御に相応して、撓みアクチュエータの作用方向への変位が行われる。例えば指示計器のための小型作動駆動装置において使用される撓みアクチュエータは、典型的には、この撓みアクチュエータがその運動させられる端部において約０.２ｍｍ〜２ｍｍの範囲における自由な変位を有するように、寸法設定されている。さらに、撓みアクチュエータの自由に運動させられる端部の変位をロックする場合には、０.５Ｎ〜２Ｎの範囲におけるロック力が得られる。撓みアクチュエータのほぼ直線的な変位はそれぞれ、その最大長さに関して横方向に行われる。撓みアクチュエータの作用方向に相当する変位方向は、従って撓みアクチュエータの長手方向軸線に対してほぼ垂直である。

本発明のすべての実施形態において、正方形のフレーム構造体と駆動リングとが一緒に、プラスチック射出成形技術において一体に製造された駆動モジュールとして形成されており、撓みアクチュエータが駆動モジュールと一緒に射出成形されていると、有利である。プラスチック射出成形技術において駆動モジュールを製造することは、簡単かつ安価であり、射出作業工程に撓みアクチュエータを含めることによって、製造ステップの数はさらに減じられる。

駆動モジュールを剛性的に支承するためにもしくは所属の軸を回転可能に支承のために、本発明の別の有利な実施形態では、蓋を備えたほぼ直方体形状のハウジングが設けられており、該ハウジングに、軸のための接触面と第１の軸受孔とを備えた中央の軸受ブロックが設けられ、かつ蓋に、軸のための第２の軸受孔が設けられており、正方形のフレーム構造体の、固定のために設けられた角隅エレメントが、１つハウジング角隅に配置され、かつ剛性的にかつ耐疲労性に固定されていて、軸の少なくとも１つの円筒形の転動面が、駆動リングのリング孔の所属の転動面において転動できるようになっている。

次に図面を参照しながら本発明の有利な実施形態を説明する。

直方体形状のフレーム構造体と駆動リングとから形成された、本発明によるステッピング駆動装置のための駆動モジュールを示す平面図である。 直方体形状のフレーム構造体と駆動リングとから形成された、本発明によるステッピング駆動装置のための駆動モジュールを示す斜視図である。 図１に示された駆動モジュールを、挿入された撓みアクチュエータと共に示す平面図である。 図１に示された駆動モジュールを、挿入された撓みアクチュエータと共に示す斜視図である。 軸及び駆動モジュールを支承するためのハウジングを示す平面図である。 軸及び駆動モジュールを支承するためのハウジングを示す斜視図である。 図３に示されたハウジングに適合する蓋を示す平面図である。 図３に示されたハウジングに適合する蓋を示す斜視図である。 本発明によるステッピング駆動装置が部分的に組み立てられた状態を示す平面図である。 本発明によるステッピング駆動装置が部分的に組み立てられた状態を示す斜視図である。 湾曲ばねを示す斜視図である。 本発明によるステッピング駆動装置のための軸を示す図である。 組み立てられた状態における駆動装置をｚ軸に沿って断面した図である。 本発明によるステッピング駆動装置のための駆動モジュールの別の実施形態を示す平面図である。 本発明によるステッピング駆動装置のための駆動モジュールの別の実施形態を示す斜視図である。 正方形のフレーム構造体の内部に配置された撓みアクチュエータを備えた本発明による駆動モジュールのさらに別の実施形態を示す平面図である。 正方形のフレーム構造体の内部に配置された撓みアクチュエータを備えた本発明による駆動モジュールのさらに別の実施形態を示す斜視図である。

本発明による圧電式のステッピングモータは、撓み変換器とも呼ぶことができる撓みアクチュエータの適宜な周期的な直線運動の重畳によって、連続的でかつ一様な回転を生ぜしめることを、可能にする。そのために撓みアクチュエータ１４，１５（図２参照）は、剪断方向にフレキシブルな正方形のフレーム構造体３１を用いて、扁平は駆動リング１０に連結されていて、この駆動リング１０が撓みアクチュエータ１４，１５の互いに垂直な作用方向ｘ、ｙ（図２参照）に沿って並進運動可能になっている。正方形のフレーム３１は駆動リング１０と一緒に、かつ場合によっては組み込まれた撓みアクチュエータ１４，１５と一緒に、以下において、「駆動モジュール」と呼ぶ。この駆動モジュールは射出成形技術を用いて、ポリエチレン、射出成形プラスチック、ＰＯＭ又はその他の適宜な材料から製造可能である。

図１には、駆動モジュールが平面図及び斜視図で示されている。この駆動モジュールは、正方形のほぼ角隅に配置された４つの角隅エレメント１，２，３，４から成っており、これらの角隅エレメント１，２，３，４は、４対のロッドエレメント５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂと互いに結合されていて、これらのロッドエレメント５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂと角隅エレメント１，２，３，４とは一緒にほぼ正方形のフレーム３１を形成している。

角隅エレメント１，２，３，４へのロッドエレメント５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの結合は、いわゆる固体ジョイント９を用いて行われる。固体ジョイント９は、汎用のジョイントのように（しかしながら制限された角度範囲内において）、接続されたエレメント相互のほぼ妨げられない回転を可能にする。その機能は撓み原理に基づいている。図１から明らかに分かるように、局部的な撓みは、短い区分においてロッド横断面が合目的的に減じられていることによって、得られる。ロッド横断面が減じられていることによって、曲げ強さは著しく減じられる。この横断面減少は極めて局部的に行われているので、ロッドの軸方向におけるばね定数（剛性）はほとんど減じられない。

ロッドエレメント５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂが対を成してほぼ平行に配置されていることと、これらのロッドエレメント５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，８ａ，８ｂが固体ジョイント９によって角隅エレメント１，２，３，４に結合されていることによって、これによって形成されたほぼ正方形のフレーム構造体３１は容易に（つまりほぼ力を加えることなしに）剪断方向である平面の各方向において変形されることができる。任意の２つの角隅エレメント相互のねじれに対しては、フレーム構造体３１が強く抵抗する。

例えば角隅エレメント１（後で図５との関連において記載する）が固定されると、角隅エレメント４は角隅エレメント１に対して平面において移動することができるが、しかしながら回転することはできない。従って駆動リング１０は角隅エレメント４と堅く、つまり剛性的に結合される。駆動リング１０は容易にシフト可能であるが、しかしながら回動不能である。駆動リング１０において作用する各モーメントは、ねじり剛性のフレーム構造体３１によって受容され、角隅エレメント１の固定部に導かれ、この際に駆動リング１０はほとんど回転することがない。

その結果本発明によれば、リング孔１０ａ（図１Ｂ参照）の中心点に関しては、駆動リング１０への撓みアクチュエータ１４，１５によって準備された力の半径方向における力導入を、もはや考慮する必要はない。それというのは、非半径方向の力導入によって惹起された駆動リング１０に対するトルクは、フレーム構造体３１と角隅エレメント１の固定部とによってほぼねじりなしに受容されるからである。

固定された角隅エレメント１は、２つの（最初に図２に示された）撓みアクチュエータ１４，１５をその静止端部に剛性に固定するための受容部１１を有している。付加的に受容部１１には、図示されていない手段が設けられていてもよく、これらの手段は、撓みアクチュエータの電気的な接続のために働き、例えば圧力接点ピン、クランプ接点又はＵ字形ばね接点によって形成されている。さらにまた、撓みアクチュエータ１４，１５はその反対側の可動の端部もしくは領域において電気的に接触接続されてもよい。

撓みアクチュエータ１４，１５の可動の端部１５ａ（図２Ａ参照）は、図１の実施例ではそれぞれ受容体１２に保持され、各受容体１２からその駆動運動もしくは駆動力は、各１つの引張り押圧ロッド１３を介して角隅エレメント４に、ひいては駆動リング１０に伝達される。引張り押圧ロッド１３は同様に固体ジョイント９を用いて、つまり剪断方向にフレキシブルに、角隅エレメント４にもしくは受容体１２に連結されており、これによって撓みアクチュエータ１４，１５は完全に互いに無関係に独立して駆動リング１０に対して作用することができ、つまりそれぞれ他方の撓みアクチュエータ１４，１５の大きな機械的な剛性に抗して作動する必要はない。すなわち撓みアクチュエータ１４，１５の運動は互いに遮断されている。

撓みアクチュエータ１４，１５が電気的に制御されると、撓みアクチュエータ１４，１５はほぼ円弧の形に屈曲し、これによって、撓み線の接線勾配は運動する撓み端部において変化する。この「回転運動」形式は、固体ジョイント９によって確実に受け止められる。同様に駆動モジュールに対する撓み長さの変化（例えばフレーム構造体３１及び撓み材料の異なった熱膨張による）は、固体ジョイント９を備えた引張り押圧ロッドカップリング１３によって、確実に受け止められ、この場合引張り押圧ロッド１３は最小にしか回転されず、しかもこれによって機能が損なわれることはない。

図２には、撓みアクチュエータ１４，１５を備えた駆動モジュールが示されており、この場合撓みアクチュエータ１４，１５の電気的な接触接続部は図示されていない。撓みアクチュエータ１４を用いて、ｙ方向における駆動リング１０の運動を角隅エレメント１に対して惹起することができ、かつ撓みアクチュエータ１５を用いてｘ方向における駆動リング１０の運動ｗｐ角隅エレメント１に対して惹起することができる。つまりこの変位は、図２Ａに示されているように、それぞれ正又は負のｘ方向もしくはｙ方向において行われることができる。

駆動モジュールに関連したステッピングモータにおける運動原理を実現するためには、さらに１つの軸と、この軸のための可能な限り遊びのないしかしながら回転可能な軸受装置と、駆動モジュールの剛性の軸受装置とが必要である。

図３には、そのために適したほぼ直方体形状のハウジングが平面図（図３Ａ）と斜視図（図３Ｂ）とで示されている。このハウジングは、円筒形の滑り軸受孔１７を備えた中央の軸受ブロック１６を有しており、滑り軸受孔１７は、その中で回転する軸の円筒形の滑り面と共に、狭い遊び嵌めの形で対を成している。隣接した２つの内側縁部、例えば内側縁部１８，１９の縁部長さと、軸受孔１７の軸線の位置とは、次のように寸法設定されている。すなわちこの場合例えばハウジング角隅２０に角隅エレメント１が（剛性にかつ耐疲労性に）固定されている場合に、駆動リング１０のリング孔１０ａの軸線が軸受孔１７の軸線に対して合致するように調節されている。軸受ブロック１６ａの接触面１２は、軸の転動面がｚ方向（プレート平面に対して垂直な方向）において、リング孔１０ａのｚポジションに対して一致する高さに位置するように、配置されており、これによって軸は撓みアクチュエータ１４，１５の適宜な制御時にリング孔１０ａの円筒形の内面において転動することができる。

図４には、第２の軸受孔２２を備えた、ハウジング１６に適合する蓋１６ｂが示されており、この場合第２の軸受孔２２は、軸の円筒形の第２の滑り面に対して、回転可能ではあるが狭い遊び嵌めの形で対を成しており、この第２の軸受孔２２の孔軸線は、蓋１６ｂがハウジング１６に挿入された場合に、リング孔１０ａの軸線とハウジング１６における第１の軸受孔１７の軸線とに合致する。

図５には、ハウジング１６内に組み込まれた駆動モジュール、挿入された撓みアクチュエータ１４，１５、挿入された軸２３及び挿入された湾曲ばね２４を備えた本発明によるステッピング駆動装置が、部分的に組み立てられた状態で示されている。湾曲ばね２４は、一方では軸２３に支持され、かつ他方では蓋１６ｂが挿入された場合に蓋１６ｂの１つの面に、十分なしかしながら僅かな力でもって支持されており、これによって軸２３を軸受ブロック１６ａの面２１との接触状態に保つことができ、しかもこの場合軸２３の回転を妨げるような摩擦力はほとんど生じない。このようになっていることによって、駆動リング１０及び軸２３の転動面は、すべての運転条件下において十分正確にｚ方向において互いに対して位置決めされたままでいることが保証される。

図６には、適宜な湾曲ばね２４が示されている。この湾曲ばね２４は、軸を通すための孔２５を有しており、これによって同様に、湾曲ばね２４も運転時に「移動」することができない。湾曲ばね２４は孔軸線の近傍における面２６を介して、接触線の形で軸２３に支持されており、これにより、摩擦によって生じて軸２３に対して作用する制動トルクを可能な限り小さく保つことができる。さらに外側に位置する面２７は、蓋面に湾曲ばね２４を支持するために働く。

図７には、適宜な軸２３が示されている。この軸２３は円筒形の２つの滑り軸受面２８，２９を有しており、両滑り軸受面２８，２９は、軸受孔１７，２２の円筒形の内面と対を成しており、軸２３はさらに少なくとも１つの円筒形の転動面３０を有しており、この転動面３０は、リング孔１０ａの少なくとも１つの転動面と対を成している。この場合面２８の軸方向の延長部は、ステッピングモータによって駆動される各エレメントを接続するために働く。

図８には、本発明による駆動装置が組み立てられた状態においてｚ軸に沿って断面されて示されている。図８は特に、駆動装置の構成部材相互の位置を示している。軸２３は２つの箇所において狭い遊び嵌めの形で滑り面対２８，１７；２９，２２を用いて、ｚ軸を中心にして低摩擦で回転可能に、しかしながら遊びなしに支承されている。適宜な湾曲ばね２４が、接触面２１と共働してｚ方向に関して低摩擦に固定されている。駆動モジュールは休止状態においてリング孔１０ａの転動面を、同心的に、かつｚ方向においても軸２３の転動面３０に対して適宜な位置で保持している。

図９には、駆動モジュールの特に有利な実施形態が示されている。この実施形態は、図１に示された実施形態に対して次のような利点を有している。すなわちこの場合、フレーム構造体３１の互いに隣接したロッドエレメントのすべての回転中心の間隔、例えば互いに隣接したロッドエレメント３４，３５の固体ジョイント９の回転中心３２，３３の間隔が大きく形成されており、しかもこの際にロッドエレメントの軸方向における剛性が損なわれることはなく、また駆動モジュールの長さもしくは延びに影響が及ぶこともない。固体ジョイント９のこのような構成によって、駆動リング１０に対して作用するトルクに関する、フレーム構造体３１のねじり剛性は、図１に示された実施形態のねじり剛性に対して著しく高められる。

図１０Ａ及び図１０Ｂには、駆動モジュールのさらに別の実施形態が示されており、この場合撓み変換器である撓みアクチュエータは、既に述べた実施形態とは異なり、正方形のフレーム構造体３１の外側にではなく、フレーム構造体３１の内部に配置されている。これによって特に、短く寸法設定されたアクチュエータのために、ステッピング駆動装置の特にコンパクトな構造を実現することができる。角隅エレメント１，２，３，４はこの実施形態では程度の差こそあれ条片形状に形成されている。固体ジョイント３２，３３は図９に示された「非対称的な」実施形態で実現可能である。

適宜な電気な制御機能を用いて、撓みアクチュエータ１４，１５はそれぞれ可動の端部において、休止位置を中心にして正弦のもしくは余弦の時間的な経過をもつ変位を実行し、これによってリング孔１０ａの転動面は軸２３の転動面３０との接触状態に保たれ、円形のシフト運動の形で軸２３の転動面３０を中心にして運動させられ、これによって軸２３は回転させられる。駆動リング１０のｘ変位もしくはｙ変位の相対的な位相位置を用いて、回転方向は決定され、制御周波数もしくは制御振動数を用いて回転速度が決定される。

最も簡単な場合には、駆動リング１０から軸２３への力伝達は摩擦によって行われる。この場合にはこのように構成された作動駆動装置の、軸２３に対して作用する負荷トルクに関連して、スリップの生じることがあり、これによって作動駆動装置の精度は減じられてしまう。このスリップは有利には、駆動リング１０の転動面と軸２３の転動面との間における形状結合部もしくは嵌合部を導入することによって減じられ、特に駆動リング１０の内面１０ａと軸２３の外面とに歯列を設けると有利である。この場合駆動リング１０と軸２３とが少なくとも１つの歯数の差を有していると有利である。つまり駆動リング１０の内面の歯列は、軸２３の外面よりも少なくとも１つ多くの歯を有している。駆動リング１０と軸２３とが作動駆動装置の内部において、歯列が係合外にならないように運転されると、作動駆動装置は理想的にスリップなしに作動する。

駆動リング１０及び軸２３のサイクロイド歯列が特に有利である。サイクロイド歯列の場合には、すべての歯のほぼ半分が係合しており、これによって駆動リング１０と軸２３との間において大きなトルクを伝達することができる。駆動リング１０の内面及び軸２３の外面に位置する歯の数によって、作動駆動装置１の減速比が決定され、この減速比は典型的には２０：１〜２００：１の範囲である。作動駆動装置をただ１つの歯の分だけさらに駆動するもしくは送るためには、つまり軸２３を駆動リング１０によって歯１つ分だけさらに回転させるためには、作動駆動装置１の、制御のために働く正弦信号の１つの完全な周期が実行されねばならない。歯１つ分だけさらに送るためには制御信号の１サイクルを実行すればよいので、作動駆動装置は高い精度と高い再現精度の点で傑出している。さらに、歯の数と、歯毎に制御信号の１サイクルを使用することとによって、作動駆動装置の高い角度分解能が実現される。それに加えて、制御信号の１周期の中で任意に補間（interpolieren）することができ、これによって作動駆動装置のマイクロステッピング運転を保証することができる。これにより、有利な構造による作動駆動装置は高い効果、大きな減速比、駆動リング１０と軸２３との歯列に基づく伝達可能な大きなトルク、トルク伝達時におけるスリップの消滅、軸２３の内部における回転角の任意の補間（マイクロステッピング運転）、僅かな駆動トルク変動（リップル）並びに、駆動リング１０及び軸２３のための低い歯面負荷を提供し、その結果同様に摩耗も減じられる。

Claims (14)

1. 電気機械式のモータ、特に圧電式のマイクロステッピング駆動装置であって、
   互いにほぼ垂直に方向付けられた作用方向を有する２つの電気機械式の駆動エレメント（１４，１５）と、
   駆動リング（１０）内に回転可能に支承された軸（２３）とが設けられていて、駆動リング（１０）が電気機械式の駆動エレメント（１４，１５）の変位によって、軸（２３）に直に伝達可能なシフト運動のためにそれぞれの作用方向に励起可能であり、その結果軸（２３）が駆動リング（１０）内において転動し、これによって回転するようになっており、
   ２つの電気機械式の駆動エレメント（１４，１５）が、剪断方向においてフレキシブルでかつねじり剛性のほぼ正方形のフレーム構造体（３１）を介して、非半径方向で、正方形のフレーム構造体（３１）の内部に配置されていて該フレーム構造体（３１）と剛性的に結合された駆動リング（１０）に、枢着されていることを特徴とする電気機械式のモータ。
2. 正方形のフレーム構造体（３１）が、正方形のほぼ角隅に配置された４つの角隅エレメント（１，２，３，４）から成っており、これらの角隅エレメント（１，２，３，４）がそれぞれ、ほぼ平行な１対のロッドエレメント（５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）によって互いに結合されており、角隅エレメントへのロッドエレメントの結合がそれぞれ固体ジョイント（９）によって行われていて、１つの角隅エレメント（４）が駆動リング（１０）と剛性的に結合されている、請求項１記載の電気機械式のモータ。
3. 固体ジョイント（９）がそれぞれ、短い区分におけるロッドエレメント（５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ）の横断面の減少によって形成されている、請求項２記載の電気機械式のモータ。
4. 横断面減少部が少なくとも１対の場合、該横断面減少部が、同じ対のロッドエレメント（３４，３５）及び同じ角隅エレメント（１，２，３，４）に対応配置もしくは配属されていて、対を成している横断面減少部のうちの少なくとも１つが、各ロッドエレメント（３４，３５）の中心軸線に対してずらされて形成されていて、対を成す２つの横断面減少部によって形成された回転中心（３２，３３）の間隔が、それぞれ真ん中に配置された横断面減少部における間隔に対して増大させられている、請求項３記載の電気機械式のモータ。
5. 各１つの電気機械式の駆動エレメント（１４，１５）の運動させられる端部（１５ａ）が、駆動リング（１０）と結合された角隅エレメント（４）の各１つの隣接角隅エレメント（２，３）に係合している、請求項２から４までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
6. 駆動リング（１０）に結合された角隅エレメント（４）に、互いにほぼ垂直に配置された２つの引張り押圧ロッド（１３）が結合されており、該引張り押圧ロッド（１３）が、正方形のフレーム構造体（３１）の外部又は内部において、かつ前記角隅エレメント（４）に結合された各ロッドエレメント（６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ）に対して平行に延びていて、フレーム構造体（３１）の自由端部がそれぞれ少なくとも、前記角隅エレメント（４）に所属の隣接角隅エレメント（２，３）の領域内にまで延びており、各１つの電気機械式の駆動エレメント（１４，１５）の運動させられる端部（１５ａ）が、各１つの引張り押圧ロッド（１３）の自由端部に係合している、請求項２から５までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
7. 引張り押圧ロッド（１３）がそれぞれその両端部に向かって各１つの固体ジョイント（１３）を有している、請求項６記載の電気機械式のモータ。
8. 電気機械式の２つの駆動エレメント（１４，１５）が、撓みアクチュエータ、有利には圧電式の撓みアクチュエータである、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
9. ２つの撓みアクチュエータ（１４，１５）が、正方形のフレーム構造体（３１）の外側又は内側においてかつ正方形のフレーム構造体（３１）の２つの辺に対してほぼ平行に配置されており、フレーム構造体（３１）が、駆動リング（１０）に結合された角隅エレメント（４）に対向して位置しており、撓みアクチュエータ（１４，１５）がそれぞれその運動させられる端部（１５ａ）で、駆動リング（１０）に結合された角隅エレメント（４）のそれぞれの隣接角隅エレメント（２，３）に係合しているか、又は各引張り押圧ロッド（１３）の自由端部に係合している、請求項８記載の電気機械式のモータ。
10. 駆動リング（１０）に結合された角隅エレメント（４）に対向して位置している角隅エレメント（１）が、ハウジング（１６）に固定されていて、２つの受容部（１１）を有しており、該２つの受容部（１１）がそれぞれ、撓みアクチュエータ（１４，１５）を剛性的に固定するために撓みアクチュエータ（１４，１５）の静止端部に設けられている、請求項９記載の電気機械式のモータ。
11. 正方形のフレーム構造体（３１）と駆動リング（１０）とが、プラスチック射出成形技術において一体に製造された駆動モジュールを形成しており、撓みアクチュエータ（１４，１５）が駆動モジュールと一緒に射出成形されている、請求項８から１０までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
12. 蓋（１６ｂ）を備えたほぼ直方体形状のハウジング（１６）が設けられており、該ハウジング（１６）に、軸（２３）のための接触面（２１）と第１の軸受孔（１７）とを備えた中央の軸受ブロック（１６ａ）が設けられ、かつ蓋（１６ｂ）に、軸（２３）のための第２の軸受孔（２２）が設けられており、正方形のフレーム構造体（３１）の、固定のために設けられた角隅エレメント（１）が、１つハウジング角隅（２０）に配置され、かつ剛性的にかつ耐疲労性に固定されていて、軸（２３）の少なくとも１つの円筒形の転動面（３０）が、駆動リング（１０）のリング孔（１０ａ）の所属の転動面において転動できるようになっている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電気機械式のモータ。
13. 軸（２３）が、円板形状の中央部材を備えて形成されており、該中央部材の第１のリング形状の端面が軸受ブロック（１６ａ）に載置されていて、中央部材の周面が軸（２３）の円筒形の転動面（３０）を形成している、請求項１２記載の電気機械式のモータ。
14. 軸（２３）の軸線のｚ方向における固定を保証するために、軸（２３）を貫通させるための孔（２５）を備えた湾曲ばね（２４）が設けられており、該湾曲ばね（２４）が一方では、軸（２３）の円板形状の中央部材のリング形状の第２の端面に支持され、かつ他方では蓋（１６ｂ）の装着時には該蓋（１６ｂ）の１つの面に支持されていて、この際に軸（２３）の回転がほとんど妨げられないようになっている、請求項１３記載の電気機械式のモータ。

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