JP2022003867A - 圧電駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被駆動部材の前進のより正確な制御が可能な圧電ステッピング駆動装置を提供する。【解決手段】圧電ステッピング駆動装置1は、互いに独立して駆動可能な、各々が少なくとも2つの圧電アクチュエータによって作動される少なくとも2つの駆動部を有する少なくとも1つの圧電駆動装置2と、アクチュエータに制御電圧を印加すると駆動部のうちの少なくとも1つによって前進させられる被駆動部材3とを備える。駆動装置は、その先端に駆動部が配置されている略三角形状に構成されている。駆動装置は、被駆動部材の前進方向を含み同一の駆動装置の駆動部間に延在する対称面に対して鏡像対称である。駆動部のうちの少なくとも1つは、アクチュエータに制御電圧が印加されない場合に被駆動部材に対して偏向される。駆動部のうちの少なくとも1つは、アクチュエータに印加された制御電圧がない場合に被駆動部材に対して付勢される。【選択図】図1(a)

Description

本発明は、互いに独立して駆動可能な、各々が少なくとも2つの圧電アクチュエータによって作動される少なくとも2つの駆動部を有する少なくとも1つの圧電駆動装置と、これらのアクチュエータに制御電圧を印加すると駆動部のうちの少なくとも1つによって前進させられる被駆動部材とを備える、請求項1の前提部に記載の圧電ステッピング駆動装置に関する。
請求項1の前提部に記載の圧電ステッピング駆動装置は、JP H02−146971
Aで知られている。
各々の圧電駆動装置が2つの圧電アクチュエータによって作動さればねによって付勢される駆動部を含む圧電ステッピング駆動装置が、US4,613,782で知られている。駆動部は、被駆動部材の前進方向に沿って分散されている。
US5,563,465で知られる圧電ステッピング駆動装置は、互いに独立して駆動可能な、各々が少なくとも2つの圧電アクチュエータによって作動される少なくとも2つの駆動部を有する少なくとも1つの圧電駆動装置と、アクチュエータに制御電圧を印加すると駆動部のうちの少なくとも1つによって前進させられる被駆動部材とを備える。
この圧電ステッピング駆動装置は、被駆動部材の前進の正確な制御が慣性によって困難になることが不利であると分かっている。
本発明は、被駆動部材の前進のより正確な制御が可能になるという範囲で、請求項1の前提部に記載の圧電ステッピング駆動装置を改良するという目的に基づいている。
本発明の目的は、請求項1の目的で満たされる。本発明の有利な展開は、従属項において請求される。
本発明に係る圧電ステッピング駆動装置は、互いに独立して駆動可能な、各々が少なくとも2つの圧電アクチュエータによって作動される少なくとも2つの駆動部を有する少なくとも1つの圧電駆動装置と、アクチュエータに制御電圧が印加されると駆動部のうちの少なくとも1つによって前進させられる被駆動部材とを備える。アクチュエータに制御電圧が印加されない場合に、駆動部が被駆動部材の前進を遮るように、駆動部のうちの少なくとも1つは被駆動部材に対して付勢される。双方の駆動部の付勢力は、被駆動部材の前進方向(駆動方向とも呼ぶ)に対して実質的に垂直にまたは厳密に垂直に作用することが好ましい。被駆動部材に印加される付勢力を減少する、または完全に打ち消すために、および、被駆動部材に駆動力を伝達してそれぞれ前進または前進移動をもたらすために、駆動部は圧電アクチュエータへの制御電圧の印加とは独立して偏向可能である。各駆動装置の駆動部は、被駆動部材の前進方向を横切るようにまたは垂直に隣接して配置されていることが好ましい。
したがって、本発明に係る圧電ステッピング駆動装置の重要な構成要素は、移動可能に案内される被駆動部材に付勢される、それぞれ関連付けられた駆動部に作動する複数の圧電セラミックアクチュエータである。駆動部と関連付けられた2つのアクチュエータに作
用する制御電圧の調整によって、被駆動部材の前進をもたらす駆動部のある種のステッピング移動が得られる。現在、圧電アクチュエータの使用によって最小のステッピング移動および前進移動が可能であり、1ナノメートルよりもずっと小さな分解能を1回のステッピング移動によって得られる高移動分解能が得られる。被駆動部材の可変長によって、可変規制距離が得られる。
被駆動部材に対する駆動部のうちの少なくとも1つの付勢によって、静止しているオフ状態の駆動装置が自動ロックされる。その結果、駆動装置は、スイッチを切られている場合にエネルギーが消費されることはなく、熱くなることがなく、機械的に安定した態様で位置を保つ。高い時間および温度安定性を必要とする短い電源投入時間での応用は、これらの特徴から利益を得ている。
圧電セラミックアクチュエータの移動または変形は、結晶効果に基づいており、摩耗にさらされることはない。駆動部の物理的なクランピングおよびリフティングによってのみ可能な被駆動部材を前進させる場合、駆動部の被駆動部材への連結は、非常にわずかな摺動摩擦効果の影響しか受けない。これにより、被駆動部材の前進を非常に正確に制御可能になる。しかしながら、駆動部が被駆動部材を上昇させない被駆動部材の前進移動も、本発明に係るステッピング駆動装置を用いて実現可能である。
駆動部にそれぞれ作動する2つのアクチュエータが、それぞれの端部のうちの一方においてそれらに共通のフレームの駆動部に対して当接し他方の端部においてフレームの支持部に接して支持されるように、アクチュエータを挿入可能な変形可能なフレームを駆動装置が含むと有利であることが分かっている。フレームを介して一体化された駆動装置は、可撓性および汎用性を有する態様で使用可能なコンパクトなアセンブリを形成する。
したがって、フレームが弾性変形可能な部分を含んでいると有利であり得る。弾性変形可能な部分を用いることによって、局所的に必要とされるフレームの可撓性または弾性を選択的に得ることができる。
弾性変形可能な部分のうちの少なくとも1つがばね部またはたわみヒンジとして構成されていると有用であり得、その場合、弾性変形可能な部分のうちの少なくとも1つは支持部のうちの少なくとも1つとフレームの基部(軸受地点)との間および/または駆動部のうちの少なくとも1つとフレームの基部(軸受地点)との間に配置されていることが好ましい。特にフレームのこれらの領域において可撓性または弾性を増加させることが必要とされるため、まず、駆動部がそれらと関連付けられたアクチュエータによってそれぞれの力作動によって(ステッピング)移動を行なうことが可能であり、次に、高内部応力、特にせん断応力が発生しないように、またはフレームにおけるアクチュエータの配列またはアセンブリがそれぞれ簡単になるように、アクチュエータがフレーム内に挿入可能になる。
駆動装置は略三角形状に構成されており、その先端に駆動部が配置される。アクチュエータは少なくともいくつかの部分において三角形の辺を形成することが好ましく、連結された態様で三角形の底辺に固定されている。駆動部の各々は、三角形の底辺に対して個別に弾力のある態様でまたは弾性のある態様で搭載されている。好ましくは、フレームは、その先端に位置するのが駆動部である二等辺三角形を形成しており、アクチュエータは、三角形の辺を形成している。支持部は三角形の底辺に、たとえば連結された態様で固定されており、駆動部の各々は、弾性ばね部によって三角形の底辺に個別に接続可能である。好ましくは、同じ駆動部に作動するアクチュエータは、少なくともいくつかの部分において被駆動部材の前進方向を含む平面に垂直におよび/または平行に延在する作動方向に作動する。同じ駆動部に印加されるアクチュエータの作動方向は、互いに45度〜135度
、理想的には90度で位置することが望ましい。
駆動装置は、鏡像対称に構成されている。この可変要素は、前進移動におけるばらつきを最小限にしつつ、駆動部を介した被駆動部材への駆動力の均一な印加を促進する。駆動装置は、被駆動部材の前進方向を含み同一の駆動装置の駆動部間に延在する第1の対称面に対して鏡像対称に構成されている。
被駆動部材の前進方向に垂直に配列され同一の駆動装置の両駆動部を横断する第2の対称面に対して駆動装置が鏡像対称に構成されていると、有用であり得る。
ステッピング駆動装置が被駆動部材の同じ側または異なる側に配置された少なくとも2つの駆動装置を備えていると有用であり得、これらの駆動装置は鏡像対称に配置されていることが好ましい、および/または、駆動部は鏡像対称に偏向可能である、および/または、駆動部と関連付けられたアクチュエータは鏡像対称に接続されている。関連付けられたアクチュエータが制御電圧で作動されて被駆動部材に向けて前進するために整流された駆動力を伝達する場合、異なる駆動装置の2つのそれぞれの駆動部の関連付けられたアクチュエータが対で接続されており同時に偏向可能であると、有用であり得る。2つの駆動装置の配置、作動または接続に関する対象は、以下の対称面において可能である。
‐被駆動部材の前進方向を含み、異なる駆動装置の駆動部間の被駆動部材の平面に延在する第1の対称面。
‐被駆動部材の前進方向を含み、同じそれぞれの駆動装置の駆動部間の被駆動部材の平面に垂直な2つの駆動装置をそれぞれ横断する、第2の対称面。
‐前進方向に垂直に、および、被駆動部材の平面に垂直に延在し、双方の駆動装置の駆動部を横断する第3の対称面。
被駆動部材が弾性変形可能な態様で構成および/または搭載されており、アクチュエータに制御電圧がない場合に弾性変形によって駆動装置に対する回復力によって付勢されると有利であることが分かっている。この可変要素は、駆動装置が被駆動部材の片側にだけ作動する場合に有利である。
さらに、少なくとも1つの駆動装置が基部フレーム上に配置されていると有用であることが分かっており、この基部フレームは、アクチュエータに制御電圧がない場合に、その駆動部のうちの少なくとも1つが弾性変形によって駆動装置に対する回復力で付勢されるような態様で駆動装置が基部フレームに弾性可能に搭載されるように、好ましくはたわみヒンジの形状の弾性変形可能な部分を含む。被駆動部材に対する駆動部の規定された付勢は、特に調整可能なねじの使用によって簡単に実現可能である。
少なくとも1つの駆動装置および被駆動部材が同じ基部フレームに配置されていると有用であり得、この場合、少なくとも1つの駆動装置および被駆動部材が基部フレーム上で互いに弾力を有するように搭載されている。たとえば、少なくとも1つの駆動装置および被駆動部材は、互いに移動可能に弾力を有する態様で接続された基部フレームの異なる部分に配置されており、基部フレームの異なる部分は、たとえば、1つ以上のたわみヒンジによって接続されている。
加えて、駆動装置の駆動部のうちの1つと被駆動部材との間の付勢力の増大によってこの駆動装置の他の駆動部と被駆動部材との間の付勢力が減少するように、被駆動部材が搭載および/または構成されている、および/または、駆動装置が搭載されている、および
/または、基部フレームが構成されていると有利であることが分かっている。その結果、それぞれの駆動部が被駆動部材から完全に上昇されるまで純粋に機械的な態様で付勢力を減少させることができ、これによって、ステッピング駆動装置の作動が著しく簡潔になる。
本発明の他の態様は、前述の実施形態のうちのいずれか1つに係る圧電ステッピング駆動装置を作動させるための方法に関する。この方法は、以下のステップを備える。
ステップA:第1の駆動部によって被駆動部材に印加される付勢力を減少するまたは打ち消すように、少なくとも1つの第2の駆動部と関連付けられた第2のアクチュエータを作動させ、任意に少なくとも1つの第1の駆動部と関連付けられた第1のアクチュエータを作動させる。
ステップB:第2の駆動部が被駆動部材に対して駆動力を伝達し被駆動部材が駆動方向に前進させられるように、第2のアクチュエータを作動させる。
ステップC:第2のアクチュエータに印加される制御電圧を変更し、任意に第1のアクチュエータに印加される制御電圧を変更して、第1の駆動部と被駆動部材との間の接続を回復する。第1の駆動部および第2の駆動部は、被駆動部材の駆動方向に互いにずれている。
ステップD:第2の駆動部によって被駆動部材に印加される付勢力が減少されるまたは打ち消されるように、第1のアクチュエータを作動させ、任意に第2のアクチュエータを作動させる。
ステップE:第1の駆動部が被駆動部材に駆動力を伝達し被駆動部材が駆動方向に前進させられるように、第1のアクチュエータを作動させる。
ステップF:第1のアクチュエータに印加される制御電圧を変更し、任意に第2のアクチュエータに印加される制御電圧を変更して、第2の駆動部と被駆動部材との間の接続を回復する。
ステップA〜Fを繰り返し、第2の駆動部が駆動方向に被駆動部材を前進させ第1の駆動部が駆動方向と実質的に反対方向に移動するように第2のアクチュエータと第1のアクチュエータとが作動されるように、ステップBが各々の繰り返しについて修正される。
「任意に」という表現は、第1のアクチュエータまたは第2のアクチュエータそれぞれのステップAおよびステップDにおける追加的な起動が任意に、好ましくはそれぞれ他のアクチュエータに印加された制御電圧に対して位相変化されたまたは位相反転された制御電圧で行なわれることを示す。
前述の方法によって、少なくとも1つの駆動部が被駆動部材が前進している間にわたって被駆動部材とそれぞれ確実に接触しているようにする。この前進は、人間の歩行移動と同様の流れるような移動であり、一方の足がそれぞれ地面と接触している。したがって、被駆動部材の前進移動は任意に制御可能であり、被駆動部材の慣性による意図しない前進は除外される。同時に、被駆動部材の重量による意図しない移動が減少される、または取り除かれる。したがって、アクチュエータの作動は、アクチュエータの共振周波数の範囲外の周波数、特にそれより低い周波数であり、好ましくはそれよりかなり低い周波数である。この周波数は、さらに20kHz低い。
第1の駆動部が駆動方向と実質的に反対方向に移動するように、ステップBに記載の方法がさらに第1のアクチュエータの作動を含み、および/または、ステップEにおいて、第2の駆動部が駆動方向とは実質的に反対方向に移動するように第2のアクチュエータがさらに作動されると有利であると分かっている。このように達成される駆動部の移動を回復することによって、さらにより効果的な、特によりダイナミックな駆動装置が作成される。
2つの同一の駆動装置が被駆動部材の異なる側で反対方向に鏡像対称に配置されている、本発明の第1の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の側面図であり、(a)では隠れた輪郭が見えないように示され、(b)では隠れた輪郭が見えるように示されている。 2つの同一の駆動装置が被駆動部材の異なる側で反対方向に鏡像対称に配置されている、本発明の第1の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の側面図であり、(a)では隠れた輪郭が見えないように示され、(b)では隠れた輪郭が見えるように示されている。 本発明に係る圧電ステッピング駆動装置の駆動装置の斜視図である。 電源が切られた状態から始まって被駆動部材が前進している間の被駆動部材および駆動部の移動シーケンスを示す模式図である。 2つの同一の駆動装置が平行にずれて重なった状態で互いに隣接して配置され、被駆動部材にその同じ側から作動するようにされている、本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置のための駆動装置の配置を示す様々な図である。 被駆動部材が固定された軸受に対して回転するような態様で搭載され、駆動装置が同じ側から被駆動部材に作動する、本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の様々な側面図であり、(a)は、第2の実施形態に係る本発明のステッピング駆動装置の詳細な側面図であり、(b)は、アクチュエータに制御電圧が印加されない電源を切った状態の図(a)のステッピング駆動装置の模式側面図であり、(c)は、駆動部と被駆動部材との間の、駆動装置を支持する基部フレームの変形にさらされる付勢力を増大することによって、それぞれの駆動部が被駆動部材から離れる方向に押圧し、それによって他方の駆動部が駆動部材から上昇する、駆動部のうちの少なくとも1つと関連付けられたアクチュエータが制御電圧で作動される状態の図(b)からのステッピング駆動装置の模式側面図である。 被駆動部材が固定された軸受に対して回転するような態様で搭載され、駆動装置が同じ側から被駆動部材に作動する、本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の様々な側面図であり、(a)は、第2の実施形態に係る本発明のステッピング駆動装置の詳細な側面図であり、(b)は、アクチュエータに制御電圧が印加されない電源を切った状態の図(a)のステッピング駆動装置の模式側面図であり、(c)は、駆動部と被駆動部材との間の、駆動装置を支持する基部フレームの変形にさらされる付勢力を増大することによって、それぞれの駆動部が被駆動部材から離れる方向に押圧し、それによって他方の駆動部が駆動部材から上昇する、駆動部のうちの少なくとも1つと関連付けられたアクチュエータが制御電圧で作動される状態の図(b)からのステッピング駆動装置の模式側面図である。 被駆動部材が固定された軸受に対して回転するような態様で搭載され、駆動装置が同じ側から被駆動部材に作動する、本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の様々な側面図であり、(a)は、第2の実施形態に係る本発明のステッピング駆動装置の詳細な側面図であり、(b)は、アクチュエータに制御電圧が印加されない電源を切った状態の図(a)のステッピング駆動装置の模式側面図であり、(c)は、駆動部と被駆動部材との間の、駆動装置を支持する基部フレームの変形にさらされる付勢力を増大することによって、それぞれの駆動部が被駆動部材から離れる方向に押圧し、それによって他方の駆動部が駆動部材から上昇する、駆動部のうちの少なくとも1つと関連付けられたアクチュエータが制御電圧で作動される状態の図(b)からのステッピング駆動装置の模式側面図である。 本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置のための駆動装置のある配置を示す上面図であり、(a)では2つの駆動装置が互いに鏡面対称に隣接して配置または接続され、(b)では2つの駆動装置が互いに平行にずらして配置または接続されている。 駆動装置の配置が第2の実施形態と同一になるように形成されているが、被駆動部材が回転ディスクとして構成されており、駆動装置が回転ディスクとして構成された被駆動部材に同じ側から実質的に径方向に作動する、本発明の第3の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の側面図である。 被駆動部材が弾性変形する態様で搭載されており、駆動装置が同じ側から被駆動部材に作動する、本発明の第4の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の側面図である。 被駆動部材に対する駆動装置の自己整合を実現する被駆動装置の前進移動のための特別な案内装置を備える、本発明の第5の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置1を示し、(a)は上面図であり、(b)は側面図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照して以下で説明する。
第1の実施形態(図1〜図3)
図1(a)および図1(b)に示す本発明の第1の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置1は、2つの同一に構成された圧電駆動装置2を備える。図2の図示によると、圧
電駆動装置2の各々は、互いに独立して駆動可能な、各々が2つの圧電アクチュエータ213、214、223、224によって作動される2つの駆動部21、22を含む。それらはたとえば、3×3×13.5mmの寸法を有する立方体形状のアクチュエータ213、214、223、224である。駆動装置2は、それらの間に被駆動部材3を収容するために、互いに面して配置され鏡像対称に接続されている。アクチュエータ213、214、223、224がそれぞれ制御電圧で作動すると、被駆動部材3は、駆動部21、22のうちの少なくとも1つによって前進させられる。圧電駆動装置2は、実質的に正方形の基部フレーム4に搭載されており、基部フレーム4は、特に図1(b)を参照して分かるように、たわみヒンジの形状の弾性変形可能な部分を含む。圧電駆動装置2は、被駆動部材3に対して調整可能なねじを用いて詳細に図示されていない態様で図1において付勢されており、たわみヒンジによって互いに接続された基部フレーム4の部分が互いに留められている。
この場合の被駆動部材3は、それぞれ被駆動部材3の移動方向または前進方向に対して平行に延在する長手方向縁部を有する、直線状のほぼ立方体形状の要素である。アクチュエータ213、214、223、224に制御電圧が印加されない場合、本発明に係る駆動部21、22は、被駆動部材3の前進を妨げるように被駆動部材3に対して付勢される。全ての駆動部21、22の付勢力は、被駆動部材3の前進方向に垂直に作用する。
制御電圧を関連付けられた圧電アクチュエータ213、214、223、224にそれぞれ作用させることによって、被駆動部材3に加えられる付勢力を増加させる、減少させる、または完全に打ち消すために、および被駆動部材3を前進をさせるためにこれに対して駆動力を伝達するために、駆動部21、22は独立して偏向または移動可能である。各駆動装置2の駆動部21、22は、隣接して被駆動部材3の前進方向に垂直に配置されている(図1の方向に沿って見ると並んで、すなわち、重なった態様で)。
それぞれ、たわみヒンジが一体化して形成された基部フレーム4の特別な構成のために、または、基部フレーム4上の圧電駆動装置2のそれぞれの配置のために、第1の駆動部21と被駆動部材3との間の付勢力を、適切な制御電圧の印加によって第2の駆動部22と被駆動部材3との間の付勢力の増大によって減少する、またはさらに完全に打ち消すことが可能である。第2の駆動部22が被駆動部材3を押圧する付勢力を増加することによって、圧電駆動装置2を介して基部フレーム4に作用する、結果として生じる反力は、駆動装置2が基部フレーム4の残りの静止してる部分のそれぞれに対して配置されている基部フレーム4の部分を変位させる。これにより駆動装置2の変位が類似の態様で生じて、それと関連付けられたアクチュエータ213、214が位相変化したまたは位相反転された態様で作動されない、または作動されない可能性がある第1の駆動部21が上昇可能になる(完全に上昇している駆動部の特別な場合に基づく上述の動作モードを模式的に示す図5cを参照)。
好ましくは、上述の効果を増幅するために、すなわち、第1の駆動部21によって被駆動部材3に作用する付勢力を減少するまたは完全に打ち消すために、第1の駆動部21と関連付けられたアクチュエータ213、214は、第2の駆動部22と関連付けられたアクチュエータ223、224に対して位相反転された制御電圧で作動する。しかしながら、第2の駆動部22に割り当てられたアクチュエータ223、224のみが制御電圧で作動し第1の駆動部21に割り当てられたアクチュエータ213、214が作動しない場合に上述の効果が既に発生することは、本発明の範囲内である。
上述の場合、被駆動部材3は実質的に剛直であり、それぞれの駆動部21、22の付勢力の増大により引き返さない、または折れないと想定される。
しかしながら、制御電圧の作用によって第1のアクチュエータ213、214が延在すると共に、および変形していない状態(すなわち、制御電圧がない場合)に対する関連付けられた第1の駆動部21がそれに応じて偏向すると共に被駆動部材3が引き返すという点で、被駆動部材3の部分上で弾性を得ることが可能である。その結果、その位置が第2のアクチュエータ223、224において制御電圧が存在しない場合に本来の位置のままである第2の駆動部22が、被駆動部材3から解除される。好ましくは、上述の効果を高めるために、すなわち、第2の駆動部22によって被駆動部材3に印加される付勢力をさらに減少する、またはさらに完全に打ち消すために、第2の駆動部22と関連付けられたアクチュエータ223、224は、第1の駆動部21と関連付けられたアクチュエータ213、214に印加された制御電圧と位相反転された制御電圧で作動される。
当然のことながら、上述の説明は、第1の駆動部21の代わりに第2の駆動部22が被駆動部材3から持ち上げられる場合に当てはまる。
図2は、本発明に係るステッピング駆動装置において使用される、分離された状態の駆動装置2を示す図である。
駆動部21、22に作動する2つのそれぞれのアクチュエータ213、214、223、224が、それぞれの端部のうちの一方でそれらに共通の駆動部21、22に当接し、他方の端部でフレーム20の支持部215、216、225、226に接して支持されるように、アクチュエータ213、214、223、224は、変形可能なフレーム20に挿入される。
フレーム20は、先端に駆動部21、22が位置する略二等辺三角形状に形成されている。三角形に対する視認方向で、アクチュエータ213、214、223、224は、互いにずらして並べて平行に配設され、等しい長さを有する三角形の辺を形成している。支持部215、216、225、226は、三角形の角に位置しており、たわみヒンジ212、222によって三角形の斜辺に対応するフレーム20の底辺201に接合された態様で接続されている。弾性ばね部211、221は、駆動部21、22の各々を三角形の底辺に個別におよび一体化して接続する。同一の駆動部21または22にそれぞれ作動するアクチュエータ213、214または223、224はそれぞれ、互いに90度の角度である作動方向に作動し、この角度の頂点は、それぞれの駆動部21、22の領域内に位置する。
フレーム20と一体的に形成されたばね部211、221によって、被駆動部材3の駆動に必要な駆動部21、22の可動性がもたらされる。同時に、たわみヒンジ212、212と同様に、ばね部211、221によって、アクチュエータ213、214、223、224の端面に対する駆動部21、22および支持部215、216、225、226の当接面の配列が可能になる。それによって、望ましくない力、特にせん断力または引張力が、それぞれアクチュエータがフレーム20に対して留められることによって、または、ステッピング駆動装置の動作によって、アクチュエータ内に導入される。なぜなら、アクチュエータ213、214、223、224の圧電セラミック材料は、それらの破壊につながる可能性のあるそのような力の影響をきわめて受けやすいからである。
ばね部211、221は、特に駆動部21、22の双方を通じて底辺201に垂直に延在するZ面において弾力を有する態様で作動し、駆動部21、22のそれぞれを前進方向において弾力的に偏向させる。
ばね部211、221の構成および動作態様が、第1の駆動部21と関連付けられた第1のばね部211に基づいて以下で説明される。ばね部211、221の双方は同一に構
成されているため、以下の説明は、第2の駆動部22と関連付けられた第2のばね部221に当てはまる。
第1のばね部211は、三角形のフレーム20の先端に楔部211aを含む。楔部211aの先端は、フレーム20の底辺201に向かって下方向に向いている。楔部211aの平坦な側に配設されているのは、駆動部21の摩擦突出部210である。その側辺で底辺201に対向している楔部211aは、リブ形状ウェブ211bに遷移している。反対側の底辺201に対向しているリブ形状ウェブ211bには、他の楔部211cが隣接している。2つの楔部211aおよび211cのそれぞれの先端は互いに対向し、端部でウェブ211bを画定する。ウェブ211bは屈曲して変形可能であり、2つの楔部211aと211cとの間にたわみヒンジを形成する。楔部211cの平坦な側は開口してリング形状の第1の板パッケージ211dとなっている。板パッケージ211dは、Z方向に弾力を有するように形成されており、楕円リングを形成する。この楕円リングの長軸は底辺201に平行にZ面に対して垂直に延在しており、その短軸は駆動部21の摩擦突出部210を通って底辺201に垂直にZ方向に延びている。底辺201に対向する板パッケージ211dの側に形成されているのは、底辺201の対応する凹部で(Z方向に)変位可能に案内された直方体形状または立方体形状のクランピングブロック211eである。クランピングブロック211eは、第1の板パッケージ211dと第2の板パッケージ211fとを接続し、後者を介して底辺201に接続されている。第2の板パッケージ211fは2つのウェブ形状の板を含む。これらの板は、クランピングブロック211eの異なる側で底辺201に対して実質的に平行に突出しており、側端で底辺201に接続されている。第1の板パッケージ211dと同様に、第2の板パッケージ211fは、Z方向に弾力を有するように形成されている。第1の板パッケージ211dと比較して、第2の板パッケージ211fの板は大きな長さを有する一方で、小さな材料断面を有している。その結果、Z方向における第2の板パッケージ211fの弾性エネルギー係数、すなわち、Z方向における第2の板パッケージ211fの偏向に必要な力は、第1の板パッケージ211dの弾性エネルギー係数よりも小さい。クランピングブロック211eにはめねじが設けられており、クランピングブロック211eは、底辺201に対して外方向にねじ切りされた調整可能なねじによって固定されている。好ましくは、この調整可能なねじは、底辺201からのクランピングブロック211eの距離を調節するためにクランピングブロック211eに離れて対向する底辺201の側から操作される。ばね部211は、フレーム20の材料で一体的に形成されている。フレームの好ましい材料は、弾性特性を有するプラスチック材料である。
クランピングブロック211eと底辺201との間の距離を短くすることによって、楔部211aがそれに当接している双方のアクチュエータに対して押圧力をかけるように、駆動部21は底辺201に向かう方向に引っ張られる。クランピングブロック211eと底辺201との間の距離を長くすることによって、アクチュエータは、アクチュエータのセラミック材料の感度のために防止するべきである張力を受ける可能性がある。
第1の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置1を作動させるための方法が、図3(a)〜図3(j)を参照して説明される。この方法は以下のステップを備える。
ステップA:アクチュエータに制御電圧が印加されておらず、2つの反対側に配設された圧電駆動装置2の駆動部21、22が当接力を加え被駆動部材3を遮りつつ被駆動部材3と接触している、前進方向に沿った図(a)および前進方向に平行な図(b)に示される電源を切った(基本)状態または静止状態から始まり、いわゆる第2のアクチュエータが反対方向に配設された第2の駆動部22によって制御電圧で作動され、これによって、後者によって被駆動部材3に加えられる当接力が増加する。好ましくは、いわゆる第1のアクチュエータが、位相変化されたまたは位相反転された制御電圧で同時に反対方向に配
設された第1の駆動部21によって作動される。駆動装置それぞれの搭載によって、第2の駆動部22によって被駆動部材3に印加される付勢力の増大によって、駆動部21によって被駆動部材に印加される付勢力が減少する。第1のアクチュエータのさらに位相反転された作動により、被駆動部材3に対する付勢力がさらに減少することがあり、駆動部21は最終的に被駆動部材3から完全に上昇する(図(c)=前進方向に沿った図、図(d)=前進方向に垂直な図)。
ステップB:図(c)および図(d)に示す状態から始まり、第2のアクチュエータは、被駆動部材3と接続されそれによって被駆動部材3が第1の駆動部21に対して前進させられると第2の駆動部22が被駆動部材3に対して前進方向に駆動力を伝達するように、制御電圧で作動される(図(e)=前進方向に沿った図、図(f)=前進方向に垂直な図)。第1のアクチュエータを同時に位相変化するまたは位相反転作動することによって、第1の駆動部21は前進方向と反対方向に移動することが可能になり、その結果、刻み幅が大きくなる。第1の駆動部21および第2の駆動部22は、これによって被駆動部材3の前進方向に沿って(わずかに)互いにずれて配設される。
ステップC:図(e)および図(f)に示す状態から始まり、第1の駆動部21および第2の駆動部22が被駆動部材3の前進方向にずれた被駆動部材3と接触し付勢力を被駆動部材3に加えるように、第2のアクチュエータに印加される制御電圧および任意に第1のアクチュエータに印加される制御電圧は、変更されて駆動部21と被駆動部材3との間の接続を回復する(図(g)=前進方向に沿った図、図(h)=前進方向に垂直な図)。
ステップD:図(g)および図(h)に示す状態から始まり、被駆動部材3に印加される付勢力を打ち消しつつ第2の駆動部22と被駆動部材3との間の接続が解除される態様で第1のアクチュエータ、任意に第2のアクチュエータが制御電圧で作動される一方で、第1の駆動部21は被駆動部材3と接触しつつ被駆動部材3に付勢力をかけ続ける(図(i)=前進方向に沿った図、図(j)=前進方向に垂直な図)。
ステップE:図(i)および図(j)に示す状態から始まり、被駆動部材3と接触しつつ第1の駆動部21が被駆動部材3に対して前進方向に駆動力を伝達し被駆動部材3が駆動部22の第2の対に対して前進させられる態様で、第1のアクチュエータが制御電圧で作動される。好ましくは、第2のアクチュエータは同時に、第2の駆動部22が被駆動部材3から上昇した状態、すなわち、非接触状態で前進方向と実質的に反対方向に移動する態様で、制御電圧で作動される。
ステップF:第1のアクチュエータに印加される制御電圧、および任意に第2のアクチュエータに印加される制御電圧が次に変更されて、第2の駆動部と被駆動部材3との間の接触を回復する。
被駆動部材3の直線前進は、前述のステッピング駆動装置のステップA〜Fを繰り返し行うことによって達成可能である。いわゆるアナログモードは、平行に作動され偏向される駆動部21、22と同じ方向に被駆動部材3の移動が行なわれるステッピング駆動装置のステップに追随可能であり、主にアクチュエータの最大延在によって制限される被駆動部材3のきわめてわずかな走行のみが可能になるが、これはきわめて高分解能の精度をもたらす。目標位置に到達すると、アクチュエータは電源を切った状態になり得、被駆動部材3に作用する付勢のためにその状態を維持可能である。
第2の実施形態(図4〜図6)
図4は、本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置のための2つの隣接した圧電駆動装置2の配置を示す様々な図(a〜c)であり、2つの同一の圧電駆動装置
2は、平行にずれて互いに重なる態様で隣接して配置されており、その同じ側から被駆動部材3に作動するようにされている。2つの圧電駆動装置2は、略立方体形状の筐体と一体的に形成された基部フレーム4上で平行に互いにずらして配置されており、基部フレーム4は、たわみヒンジの形状の弾性変形可能な部分を含む。これらの部分の助けによって、圧電駆動装置2の駆動部は、ここでは図示されていない圧電駆動装置2の弾性搭載を可能にする被駆動部材に対して付勢可能である。それぞれの駆動部は、筐体の対応する開口部を通って突出しており、そのため被駆動部材に作動するために露出されており、駆動部は線に沿って配置されている。圧電駆動装置2の三角形のフレームのそれぞれの底辺は筐体に対して固定されており、特にその上でねじ留めされている。筐体の開口している側は、それぞれのパネルによって覆うことができる。
図5において、図(a)は本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置の側面図を示し、被駆動部材3は固定された軸受に対して回転して搭載されており、基部フレーム4に搭載された駆動装置は、同じ側から被駆動部材3に作動する。図(b)は、アクチュエータに制御電圧が印加されていない場合の電源を入れられていない状態の図(a)のステッピング駆動装置の模式側面図を示す。駆動装置2は(静止している)基部フレーム4の第1の部分41の上に配置されており、基部フレーム4の第1の部分41は、たわみヒンジ42を介して基部フレーム4の第2の部分43に対して接続されており、それに対して弾性力を有して搭載されている。図(c)は、第2の駆動部22と関連付けられたアクチュエータが制御電圧で作動されている状態の図(b)からのステッピング駆動装置の模式側面図であり、第2の駆動部22は、付勢力を増大することによって被駆動部材3に向かって押され、たわみヒンジ42の変形を受けることによって、被駆動部材3から離れるように押され、第1の駆動部21はそれによって被駆動部材3から上昇する。
図6は、本発明の第2の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置のための圧電駆動装置2の異なる配置を示す上面図である。図(a)および(b)における文字AおよびBを用いた駆動部の区別は駆動部21、22の移動の段階に関連し、同じ識別名を有する駆動部は同じ種類の移動を行ない、それぞれ関連付けられたアクチュエータは、それぞれ同相で作動される。図(a)によると、2つの圧電駆動装置2のアクチュエータは互いに鏡像対称に作動され(BAAB配置)、図(b)によると、これらのアクチュエータは互いに平行にずれて作動される(ABAB配置)。また、ここでは図示されていない駆動部21、22と関連付けられたアクチュエータを作動させる態様も考えらる。この態様によると、共通の駆動装置2の2つの駆動部21、22は同じ方向または同相で作動されるが、駆動装置2のアクチュエータのための作動信号の相は、他方の駆動装置2(AABB配置)のアクチュエータのための作動信号の相とは異なる。図(a)に示す作動は、被駆動部材にかかる力を対称に導入するために最も有利である。
第3の実施形態(図7)
図7は、本発明の第3の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置1の側面図であり、駆動装置2および同じ態様で構成された筐体におけるその配置は第2の実施形態のものと同一であるが、被駆動部材3は回転ディスクとして構成されており、圧電駆動装置2は回転ディスクとして構成された被駆動部材3に実質的に径方向に同じ側から作動する。特に駆動装置の駆動部の平行な配置は有利であり、この配置によって回転ディスクとして設計された被駆動部材3と直線状に接触可能であり、平行に並置された駆動装置およびさらに摩擦面と同時に係合している駆動部の数を増やすことによって、駆動力が増加される。
第4の実施形態(図8)
図8は、図2に示す駆動装置2を有する、本発明の第4の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置1の側面図であり、被駆動部材3は、たわみヒンジを含むフレームにおいて弾性的に搭載されている。
本発明に係る圧電ステッピング駆動装置1の構成および動作原理は、言い換えると次のように説明可能である。
本発明は、少なくとも1つの駆動装置2とそれによって駆動される要素(被駆動部材)3とを有する自動ロック式のステッピング駆動装置1を提供する。各駆動装置2は、少なくとも4つの電気機械式アクチュエータ213、214、223を挿入可能な弾性変形可能な部分212、222を有するフレーム20を含む。2つのそれぞれ関連付けられたアクチュエータ213、214または223、224は、一方の端部でフレーム20の共通の駆動部21、22に当接し、他方の端部でフレーム20の支持部215、216または225、226にそれぞれ接して支持されている。アクチュエータ213、214または223、224の電源を入れていない状態で、それぞれ、駆動部21、22は駆動されるべき要素(被駆動部材)3に対して押圧されている。
本発明に係るステッピング駆動装置は、静止状態では自動ロック式であり、制御電圧での作動が必要でないために熱を発生しない。それは、非磁性および真空互換性のある動作原理に基づいている。
第5の実施形態(図9)
図9において、図(a)は本発明の第5の実施形態に係る圧電ステッピング駆動装置1の上面図であり、図(b)はその側面図である。駆動装置2は、前述の実施形態のうちの1つの駆動装置2と同一に構成されていることが好ましい。本実施形態では、被駆動部材3は好ましくは正確にまたは実質的に立方体形状の本体部30を含み、面積の点でその最大の側はまず駆動装置2に対向し、次に案内装置5に対向している。被駆動部材3の前進方向Vは、本体部30の面積の点でその最小の側に対して垂直である、および/または、平行である。駆動装置2に対向する本体部30の前側に位置するのは被駆動部材3の走行面31であり、この被駆動部材3は駆動装置2の駆動部と相互作動し、これらの駆動部によって駆動される。好ましくは、走行面31は走行溝として構成され被駆動部材3の前進方向Vと平行に並べられているため、駆動装置2に対する駆動部による被駆動部材3の前進は、被駆動部材3の前進方向に案内される。
案内装置5に対向する本体部30の後側、たとえばその中間で延在しているのは、被駆動部材3の前進方向Vに対して平行なウェブ32である。被駆動部材3の前進方向Vに垂直な図9の図(a)では、このウェブ32は、案内装置5に対向する先端および/または本体部30の後側に対して鋭角、たとえば45度で並べられた2つのフランクを有する、実質的に三角形の断面形状を有する。
案内装置5は、略立方体形状の本体部50を含み、その最長の側は、被駆動部材3の前進方向Vに対して正確にまたは実質的に平行に並べられている。立方体の基本形状から始まって、案内装置5の本体部50は、被駆動部材3に直接対向する側と、被駆動部材3の後側と正確にまたは実質的に45度であることが好ましい鋭角を成している隣接する側面との間に、傾斜面51を含む。4つのローラ52の全ては、案内装置5のこれらの傾斜面に搭載されている。ローラ52の回転軸は各々、案内装置5の傾斜面のうちの1つに対して垂直に、被駆動部材3の後側に対して正確にまたは実質的に45度であることが好ましい鋭角で並べられている。ローラ52の回転軸および側面は、被駆動部材3の移動でローラ52が被駆動部材3のウェブ32のそれぞれのフランク上で前進方向Vに沿って回転するように、被駆動部材3のウェブ52上のフランクに一致させられている。被駆動部材3および/または案内装置5は、被駆動部材3の前進方向を含み同一の駆動装置2の駆動部間に延在する対称面に対して鏡像対称に形成/配置されていることが好ましい。被駆動部材3、案内装置5、および駆動装置2の相互作用によって、駆動装置2の被駆動部材3に
対する独立した配列が可能になる。
参照番号のリスト
1 圧電ステッピング駆動装置
2 駆動装置(単数または複数)
20 (駆動装置の)フレーム
21 第1の駆動部
210 (第1の駆動部の)接触部(摩擦突出部)
211、221 ばね部
211a 第1の楔部
211b ウェブ
211c 第2の楔領域
211d 第1の板パッケージ
211e クランピングブロック
211f 第2の板パッケージ
212、222 たわみヒンジ
213、214 (第1の駆動部の)アクチュエータ
215、216 (第1の駆動部の)の支持部
22 第2の駆動部
220 (第2の駆動部の)接触部(摩擦突出部)
223、224 (第2の駆動部の)アクチュエータ
225、226 (第2の駆動部の)支持部
3 被駆動部材
30 本体部
31 ウェブ
32 走行面
4 基部フレーム
41 第1の部分
42 弾性部
43 第2の部分
5 案内装置
50 本体部
51 傾斜面
52 ローラ
V 前進方向

Claims (12)

  1. 互いに独立して駆動可能な、各々が少なくとも2つの圧電アクチュエータ(213、214、223、224)によって作動される少なくとも2つの駆動部(21、22)を有する少なくとも1つの圧電駆動装置(2)と、前記アクチュエータ(213、214、223、224)に制御電圧が印加されると前記駆動部(21、22)のうちの少なくとも1つによって前進させられる被駆動部材(3)とを備え、前記駆動装置(2)は略三角形状に構成されており、前記三角形の先端に前記駆動部(21、22)が配置されており、前記駆動装置(2)は、前記被駆動部材(3)の前進方向を含み前記同一の駆動装置の前記駆動部(21、22)間に延在する対称面に対して鏡像対称であり、前記アクチュエータ(213、214、223、224)に制御電圧が印加されない場合に、前記駆動部(21、22)のうちの少なくとも1つが前記被駆動部材(3)に対して付勢される圧電ステッピング駆動装置(1)であって、前記駆動部が前記被駆動部材(3)の前進を遮るように、前記アクチュエータ(213、214、223、224)に制御電圧が印加されない場合に前記駆動部(21、22)のうちの少なくとも1つが前記被駆動部材(3)に対して付勢され、前記駆動部(21、22)の各々が前記三角形の底辺(201)に対して個別に弾力を有するように搭載されていることを特徴とする、圧電ステッピング駆動装置(1)。
  2. 前記駆動装置(2)は変形可能なフレーム(20)を含み、前記駆動部(21、22)にそれぞれ作動する前記2つのアクチュエータ(213、214、223、224)がそれぞれの端部の一方でそれらに共通の前記フレーム(20)の前記駆動部(21、22)に対して当接し、他方の端部で前記フレーム(20)の支持部(215、216、225、226)に接して支持されるように、前記アクチュエータ(213、214、223、224)が前記フレーム(20)に挿入されていることを特徴とする、請求項1に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  3. 前記フレーム(20)は弾性変形可能な部分(211、212)を含むことを特徴とする、請求項2に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  4. 前記弾性変形可能な部分(211、221、212、222)のうちの少なくとも1つはばね部(211、221)またはたわみヒンジ(212、222)として構成され、好ましくは前記弾性変形可能な部分(211、221、212、222)のうちの少なくとも1つは、前記支持部(215、216、225、226)のうちの少なくとも1つと前記フレーム(20)の前記底辺(201)との間、および/または、前記駆動部(21、22)のうちの少なくとも1つと前記フレーム(20)の前記底辺(201)との間に配置されていることを特徴とする、請求項2または3に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  5. 前記アクチュエータ(213、214、223、224)は少なくとも断面が前記三角形の辺を形成しており、連結された態様で前記三角形の前記底辺(201)に固定されていることを特徴とする、前記請求項のうちのいずれか1項に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  6. 前記ステッピング駆動装置(1)は少なくとも2つの駆動装置(2)を備え、前記2つの駆動装置(2)は、前記被駆動部材(3)の同一の側または異なる側に配置されており、前記駆動装置(2)は好ましくは鏡像対称に配置されている、および/または、前記駆動部(21、22)は鏡像対称に偏向可能である、および/または、前記駆動部(21、22)と関連付けられた前記アクチュエータ(213、214、223、224)は鏡像対称に接続されていることを特徴とする、前記請求項のうちのいずれか1項に記載の圧電
    ステッピング駆動装置(1)。
  7. 前記被駆動部材(3)は、弾性変形可能な態様で構成および/または搭載されており、前記アクチュエータ(213、214、223、224)に前記制御電圧がない場合、弾性変形のために前記駆動装置(2)に対する回復力によって付勢されることを特徴とする、前記請求項のうちのいずれか1項に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  8. 少なくとも1つの駆動装置(2)は基部フレーム(4)上に配置され、前記基部フレーム(4)は、前記アクチュエータ(213、214、223、224)に前記制御電圧がない場合、その駆動部(21、22)のうちの少なくとも1つが弾性変形のために前記被駆動部材(3)に対する回復力によって付勢されるような態様で前記駆動装置(2)が前記基部フレーム(4)に搭載可能になるように、好ましくはたわみヒンジの形状の弾性変形可能な部分(42)を含むことを特徴とする、前記請求項のうちのいずれか1項に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  9. 前記駆動装置(2)の前記駆動部(21、22)のうちの一方と前記被駆動部材(3)との間の付勢力の増大によって前記駆動装置(2)の他方の駆動部(22、21)と前記被駆動部材(3)との間の付勢力が減少するように、前記被駆動部材(3)が搭載および/または構成されている、および/または、前記駆動装置(2)が搭載されている、および/または、前記基部フレーム(4)が構成されていることを特徴とする、請求項7または8に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  10. 前記圧電ステッピング駆動装置(1)は、前記駆動装置(2)に対して前記前進方向(V)に前記被駆動部材(3)を案内するための案内装置(5)を備えることを特徴とする、前記請求項のうちのいずれか1項に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)。
  11. 前記請求項のいずれか1項に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)を作動させるための方法であって、
    (a)前記第1の駆動部(21)によって前記被駆動部材(3)に印加される付勢力を減少するまたは打ち消すために、前記少なくとも1つの第2の駆動部(22)と関連付けられた前記第2のアクチュエータ(223、224)を作動させ、任意に前記少なくとも1つの第1の駆動部(21)と関連付けられた前記第1のアクチュエータ(213、214)を作動させるステップAと、
    (b)前記第2の駆動部(22)が前記被駆動部材(3)に対して駆動力を伝達し前記被駆動部材(3)が前記駆動方向に前進させられるように、前記第2のアクチュエータ(223、224)を作動させるステップBと、
    (c)前記第2のアクチュエータ(223、224)に印加される前記制御電圧を変更し、任意に前記第1のアクチュエータ(213、214)に印加される前記制御電圧を変更して、前記第1の駆動部(21)と前記被駆動部材(3)との間の接続を回復するステップであり、前記第1の駆動部(21)および前記第2の駆動部(22)が前記被駆動部材(3)の前記駆動方向に互いにずれているステップCと、
    (d)前記第2の駆動部(22)によって前記被駆動部材(3)に印加される付勢力が減少されるまたは打ち消されるように、前記第1のアクチュエータ(213、214)を作動させ、任意に前記第2のアクチュエータ(223、224)を作動させるステップDと、
    (e)前記第1の駆動部(21)が前記被駆動部材(3)に駆動力を伝達し前記被駆動部材(3)が前記駆動方向に前進させられるように、前記第1のアクチュエータ(213、214)を作動させるステップEと、
    (f)前記第1のアクチュエータ(213、214)に印加される前記制御電圧を変更し、任意に前記第2のアクチュエータ(223、224)に印加される前記制御電圧を変
    更して、前記第2の駆動部(22)と前記被駆動部材(3)との間の接続を回復するステップFとを備え、任意に、
    (g)ステップA〜Fを繰り返すステップであり、前記第2の駆動部(22)が前記駆動方向に前記被駆動部材(3)を前進させ前記第1の駆動部(21)が前記駆動方向と実質的に反対方向に移動するように前記第2のアクチュエータ(223、224)と前記第1のアクチュエータ(213、214)とが作動されるようにステップBが各繰り返しについて修正されるステップを備える、方法。
  12. ステップBはさらに、前記第1の駆動部(21)が前記駆動方向と実質的に反対方向に移動するように前記第1のアクチュエータ(213、214)を作動させることを含み、および/または、ステップEにおいて、前記第2の駆動部(22)が前記駆動方向に実質的に反対方向に移動するように、前記第2のアクチュエータ(223、224)がさらに作動されることを特徴とする、請求項11に記載の圧電ステッピング駆動装置(1)を作動させるための方法。
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