JP4637112B2 - 蠕動電気機械アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電気機械アクチュエータに関する。

背景技術
高出力を有し簡単で小型の長行程アクチュエータに対する需要は大きい。このようなアクチュエータは、可搬電圧源によって数日間駆動可能であれば好適である。高い位置決め精度が必要な場合もある。このような要求を満たし得る種類のアクチュエータは極めて少ない。また、これら要求を部分的に満足するような提案は幾つかあるが、極めて複雑で商業的に実現するにはコストがかかりすぎる。

消費電力を低くする要求を満たすには、良く設計した部品が必要である。従来の低電力長行程（１００％超のひずみ）アクチュエータは、主に２種類しか存在しない。１つは従来の電磁モータ、例えば小型ＤＣモータであり、他の１つは機械共振超音波モータである。このＤＣモータの大きな欠点は、小型化に適していないことである。そのため、ＤＣモータを小型化すると、高価格になる。また、小型化したＤＣモータの速度と運動量は、小型用途における一般的な要求を完全に満足できず、例えば小型ギヤボックスが必要となれば製造コストを大きく押し上げる。

一般的な共振超音波モータは効率が良い。ただし周波数間隔が小さい場合である。駆動電子部品の品質、温度、摩耗等の要因により、このモータの特性は劣化するか、少なくとも制御不能な仕方で変化する。周波数間隔は、駆動要素の大きさおよび形状に大きく左右される。小さな駆動要素を使用する場合、一般に動作周波数は極めて高く、許容誤差によって動作が大きく左右される。また、共振モータによって線形運動を行うことは困難である。その理由は、移動しようとする要素／本体の両端における波伝播条件の制御または予測が非常に難しいからである。一般に機械共振は、回転モータで良く動作する。しかしながら線形モータの場合、両端における反射波が機械共振の良さを低減する。従って従来の小型線形超音波モータは、いずれも要求性能を満たさない。特に駆動電子部品を可搬装置の一部とする場合、要求性能を満たさない。

電気機械能動材料を使用することで、アクチュエータ容積に対し高出力を発生することが論証されている。例えばエム・ベクセルおよびエス・ヨハンソンの「圧電小型モータの製作と評価」、センサとアクチュエータ、Ａ７５（１９９９）、８〜１６ページを参照できる。電気機械能動材料は、小型モータの基材として注目すべき候補である。１つの大きな課題は、効率が良く、出力が高く、構造が頑健で、アクチュエータの製造が簡単な運動機構を見つけねばならないことである。

電気機械アクチュエータに基づく小型モータを提供するための好適な手法は、アクチュエータを慎重に設計し、要求最大出力と材料自体の出力性能とを良好に一致させることである。一般に最初の段階は、アクチュエータ材料の選択である。材料の機械的エネルギ密度が高いほど、機械的設計が容易になる。エネルギ密度が中程度であれば、作動サイクル当たりの内部エネルギ損失が低い材料を使用することが重要になる。

機械共振は、前記問題点があるため、小型線形モータに使用するのはそれほど好適でない。それに代えて電気共振を使用する方法がある。当然ながら、エネルギ効率を向上するための追加方法として機械共振を利用する用途も常に存在する。

設計における次の段階は、材料の機械的変形と移動部品の運動とを結びつけ、アクチュエータ材料の変形の繰り返しが回転子（または対応する線形移動部品）の移動を引き起こすようにすることである。段階的繰り返しを求めた従来の機構は幾つかある。例えば、足踏み機構（米国特許第３，９０２，０８４号）、歩行（米国特許第６，３３７，５３２号）、楕円振動（米国特許第６，４３７，４８５号）、進行波機構（米国特許第４，５０４，７６０号）等がある。

足踏み機構や歩行は、精密位置決めに極めて有用である。しかしながら、高エネルギ効率を実現するには幾つかの困難がある。従来技術のモータは、位置決め精度に関して最適化されてきた。公知の設計は柔軟性が極めて低い。そのため負荷に対する適応度が低く効率が悪い。

楕円振動に基づくモータは、エネルギ効率を高く設計できる。しかしながら、精密位置決めはやや難しく、用途に応じた機械的頑健性を設計することが困難である。

進行波機構は、機械的な波が１方向に進行する時、回転子に接触する波の頂上が波の伝播方向とは逆の方向に移動する現象を利用する。移動方向に直交する圧力／負荷は、小さいか中程度とし、波の谷から回転子を離しておかねばならない。負荷が高すぎると、波機構は減衰または無効になってしまう。高速を実現するには、表面領域のごく一部に接触させる必要がある。

発明の概要
本発明の目的は、高いエネルギ伝搬を有するアクチュエータを提供することである。本発明の他の目的は、高精度位置決めが可能なアクチュエータを提供することである。本発明のさらに他の目的は、機械的に頑健なアクチュエータを提供することである。本発明のさらに他の目的は、高いエネルギ効率を可能にするアクチュエータ構成を提供することである。

前記目的は、特許請求の範囲に記載の装置および方法によって実現する。一般的に述べると、電気機械材料の容積を有する蠕動作動要素は、限定的な蠕動部において、蠕動作動要素の主運動方向に選択的寸法変化を引き起こすように配置する。前記容積を活性化する電圧信号を変化させることにより、前記蠕動部は、蠕動作動要素に沿って移動する。これにより、蠕動作動要素と相互作用する本体は、蠕動作動要素に対して変位する。蠕動部の長さは、蠕動作動要素の全長の半分未満であることが好ましく、さらに短かければより好ましい。また、蠕動作動要素は、本体と相互作用する表面が蠕動部において本体から離れるよう配置することが好ましい。

本発明に基づくアクチュエータの利点は、その運動原理が、アクチュエータとそれが作用する本体との間に、大きな力の伝達を可能にすることである。この運動は、力の効率が良く、準静的動作を可能にする。そのため、高精度位置決めを実現できる。本発明に基づくアクチュエータは、重負荷用の設計も簡単である。

本発明とそのさらなる目的および利点とは、添付図面と共に以下の説明を参照することにより、最も良く理解できよう。

発明の詳細な説明
本発明において使用する能動材料の一例は、圧電材料である。しかしながら、他のいかなる電気機械アクチュエータ材料を使用しても構わない。特に、急速に進歩しているポリマアクチュエータ材料は極めて興味ある材料である。しかしながら、外部刺激によって形状を変化させる他の従来および新規電気機械材料を使用しても良い。

最初に、本発明に基づくアクチュエータの一実施例に基づき、本発明の基本概念を図示し説明する。次に、従来のアクチュエータとの比較により、本発明の利点を明確にする。最後に、本発明の実施例の変更例および異なる形態を簡単に説明する。

図１Ａ−Ｅは、本発明に基づく電気機械モータ１０におけるアクチュエータ構成の一実施例を示す。運動原理に特に関係する部分のみを図示する。当業者には明らかな通り、基本運動原理の理解を促すため、機械的支持と、通常の力と、電子制御を提供する部品とは省略している。

蠕動作動要素３０は移動本体２０を保持する。本体２０は、蠕動作動要素３０に対して、矢印９０で示す主運動方向に移動する。本実施例において、蠕動作動要素３０は、電気機械材料から成る７個の容積３４Ａ−Ｇを備える。本実施例において、この材料は圧電材料であり、一般に前記主運動方向に極性を持たせる。蠕動作動要素３０の相互作用表面３２は、本体２０と接触し、適切な耐摩耗性と摩擦とを提供する材料で構成することが好ましい。蠕動作動要素３０の両端と各電気機械材料容積３４Ａ−Ｇ間とには、電極３６がある。（図１Ａ−Ｅにおいてはその数個のみに参照番号を付すことで図を見やすくしてある）。制御手段（図示せず）を配置し、前記電極に適切な電圧信号を印加する。図１Ａにおいて、電極間の差電圧はゼロであり、電気機械材料容積３４Ａ−Ｇは、各々非励起形状を取る。

図１Ｂにおいて、容積３４Ａと３４Ｂとに電圧を印加する。それに応じて容積３４Ａと３４Ｂは、形状を変化させる。容積３４Ａと３４Ｂは、主運動方向９０に平行な方向に寸法を増加させ、相互作用表面３２に垂直な方向に寸法を減少させる。当業者には明らかな通り、これら図における形状変化は誇張して基本概念を分かりやすくしている。このようにして、境界３８Ａと３８Ｂを有した蠕動部４０を作り出す。これにより、蠕動作動要素３０の端部４２は、本体２０に対して両矢印４４で示す距離だけ移動する。

図１Ｃにおいて、各電極への電圧信号を変化させる。すなわち、容積３４Ｂと３４Ｃに差電圧を印加する。容積３４Ｂと３４Ｃは、主運動方向９０に拡張し、相互作用表面３２に垂直に縮小する。一方、容積３４Ａは非励起となり、非励起形状を取り戻す。これにより、蠕動部４０は容積３４Ｂと３４Ｃとから成り、境界３８Ａと３８Ｂもそれに伴って移動する。蠕動作動要素３０の全長は、基本的に図１Ｂと同じである。これは、各々の場合において２個の容積が励起するからである。容積３４Ａは元の形状を取り戻しているため、この容積の相互作用表面３２部分は、本体２０と再び接触する。しかしながら、図１Ａとの相対位置は、距離４４だけ変位している。

図１Ｂから図１Ｃへの遷移は、基本的に徐々に発生させることが好ましい。これにより、蠕動部４０は、実質的に連続して蠕動作動要素３０に沿って移動する。このように電圧信号を徐々に変化させれば、最後の段階として図１Ｄに示す状態が得られる。ここでは容積３４Ｆと３４Ｇが励起し、長手方向の拡張と横方向の収縮とを示す。蠕動部４０は、蠕動作動要素３０の他端４６に到達している。この状態において、本体２０と接触している蠕動作動要素３０の相互作用表面３２は全て、本体に対し図１Ａの状態から距離４４だけ移動している。

図１Ｅにおいて、全容積３４Ａ−Ｇは再び非励起となり、本体２０に接触する。この状態は図１Ａと似ているが、蠕動作動要素３０の全てが本体２０に対して移動しているところが異なる。蠕動作動要素３０を固定すれば、本体２０が移動する。

図１Ａ−Ｅに示した運動は、蠕動作動要素３０の一部に蠕動部４０を形成し、蠕動作動要素３０に沿って蠕動部４０またはその境界を移動することによって作り出す。この蠕動部４０の運動は、電気機械材料の各容積３４Ａ−３４Ｇを順次励起することによって引き起こす。蠕動作動要素３０の蠕動部４０は、蠕動作動要素３０に沿ってほぼ連続して伝わる。本実施例において、主運動方向９０における蠕動作動要素３０の寸法変化は拡張であり、本体２０は蠕動部４０の移動方向と同一方向に移動する。

「蠕動」という用語は、その運動の起源の性質を表すために使用している。医療分野での使用と同様、蠕動とは収縮または拡張が引き起こす漸進的運動を意味する。米国特許第５，７５１，０９０号が開示するバーリーモータを検討すると、そのモータも蠕動の一種と考えることができる。しかしながら、その運動は段階的運動であり、各部が良く定義された仕事を持っているため、その運動は個別蠕動と呼べるものである。一方で本発明は、１つの連続体に基づいており、その連続体を収縮／拡張部が伝播する。蠕動体は要求通りの最大エネルギを伝達すべく設計する必要がある。

本発明は、蠕動作動要素３０を通って伝播する拡張／収縮波としてみることもできる。この場合、進行波モータとの類似性がある。しかしながら、進行波モータにおいては、アクチュエータの各表面部は楕円軌道に沿った運動をする。そしてアクチュエータと移動体との間の接触点は、波伝播方向とは逆方向に移動する。接触点における相互作用は、主たる運動発生動作であるため、移動体も前記方向に移動する。進行波アクチュエータにおいて、波の底における表面部は、主たる運動方向とは逆の運動成分を有する。効率的な運動を実行するため、反対方向に移動する表面部と移動体との間の接触を避ける必要がある。従って、作動要素と移動体との間の接触面積は、全アクチュエータ表面のごく一部であることが一般的であり、少なくとも半分未満である。一般に進行波アクチュエータは、作動要素を通る横波を利用している。

これとは逆に本発明は、収縮／拡張の伝播を含む機構に基づき、固定子と回転子との間の接触面積の運動は無視できるほどに少ない。負荷の主要部を搬送する部分が運動せずに接触することは、進行波モータとの大きな差異の一つである。収縮／拡張波は、基本的に縦波であり、横方向の全ての運動は重要でない。また、蠕動部４０の幅は、蠕動作動要素３０の全長よりも小さいことが好ましい。ほとんどの場合、蠕動部４０は、蠕動作動要素３０の全長の半分未満であり、それよりも短いことが好ましい。蠕動作動要素３０の主部は、常に本体と接触している。これにより、小型アクチュエータでも極めて大きな力が可能となる。進行波モータと比較しての他の大きな差異は、このかなり大きな瞬間接触面積である。

蠕動能動固定子の構成は、主に材料に依存する。頑丈で大きな形状変化を有する材料は、追加材料や追加成分の必要性を最小にし、電気機械材料の容積自体で蠕動作動要素の大部分を構成できる。伝播波が進行する箇所は、固定子と回転子との間に接触が無いか接触が極めて少ないことが好ましい。能動電気機械材料のほとんどは、異なる方向に同時に収縮し拡張するので、それを直接使うことができる。

図２は、本発明に基づく電気機械モータの電子部品の一実施例を示すブロック図である。蠕動作動要素３０は、電気機械能動容積を実現する多数の電極３６を有する。電極３６は、本実施例の制御手段である電圧駆動装置５４からコネクタ５２を介して電圧信号５０を受け取る。電圧制御装置５４は、各電極３６の必要電圧を決定し、選択した位相差を有する要求電圧信号を供給する。電圧駆動装置５４は、エネルギ回収手段５６を備えることが好ましい。エネルギ回収手段５６は、電気機械能動容積への電圧が変化する際に放出したエネルギの少なくとも一部を回収するために配置する。このエネルギは、同時に充電する別の電極に転送するか、あとで使用するために保存できる。このようなエネルギ回収手段５６は、従来から知られているため、詳細は説明しない。

図３は、本発明に基づく電気機械連続蠕動モータの他の実施例を示す。この実施例において、容積３４Ｈ−Ｎ内の機械電気材料は、各容積を横断して電圧を印加すると、主運動方向に収縮する。本実施例において、容積３４Ｌ−Ｍから成る蠕動部４０は、主運動方向に収縮している。基本原理は図１Ａ−Ｅと同様であるが、本体２０の運動方向は逆である。

効率が主たる性能として求められない用途においては、収縮波表面と残余の固定子表面とにおける圧力が同一であっても構わない。かかる状態を図４に示す。蠕動作動要素３０は、容積３４Ｏ−Ｘから成り、励起によって主たる運動方向に収縮するが、横方向には基本的に寸法変化を示さない。収縮波（本実施例における）部分、すなわち蠕動部４０は、非収縮固定子部分４１より一般的に小さいことが好ましい。さらに小さければなお好ましい。容積３４Ｏ−Ｘは、励起または非励起にすると、それ以外の容積と比較して、重心位置が変化する。全ての容積が本体２０に接触しているため、変化している容積あるいは非変化の容積の少なくとも一つは、本体表面に対して滑らねばならない。蠕動部４０の面積は、非収縮固定子部分４１よりもかなり小さいため、結果として蠕動部４０は滑り、非収縮固定子部分４１は本体２０と静的に接触したままである。小さな力が収縮波部分に加わり、収縮によって収縮波表面に滑りが生ずる。蠕動部における収縮速度が適度に速ければ、摩擦係数は一般に減少し、前記状態がさらに進む。この構成は、滑り運動による摩耗が大きいが、固定子と回転子／シャトルとの間に平坦性がある。

本体２０と蠕動作動要素３０との間の相対変位速度は、様々な方法で変化できる。１つの簡単な方法は、電圧信号の周波数／期間を変えることである。これについては後述する。平均速度を変える方法もある。これは、新しい蠕動部４０の開始間隔を変化させる。蠕動部４０が存在しない期間を導入することにより、平均速度を低減する。平均速度を増すため、前の蠕動部４０が蠕動作動要素３０の反対端部に到達する前に、新しい蠕動部４０を開始することもできる。すなわち、１以上の蠕動部４０を同時に存在させても良い。このような状態を図５に示す。ここでは、蠕動作動要素３０内に第１蠕動部４０Ａと第２蠕動部４０Ｂとが存在し、各々境界３８Ａと３８Ｂ、境界３８Ｃと３８Ｄを有している。蠕動部４０Ａと４０Ｂは、蠕動作動要素３０の延長方向に沿って同時に移動する。図５から当業者には明らかな通り、蠕動部は、互いに有害に干渉しない限り、同時にいくつでも使用可能である。蠕動部の合計面積は、全相互作用表面３２よりも小さいことが好ましい。

電圧駆動回路を配置して能動材料に供給したエネルギを効率的方法で回収すれば、総エネルギ効率に大きな損失を生ずることなく、準静的蠕動伝播を実現できる。準静的動作とは、動作に対する動的貢献度が無視できるような動作モードと定義できる。準静的動作が求められるのは、位置決め精度が重要な場合である。系において静的力のみを考えればよい場合、最適化は容易である。本体は常に相互作用表面３２の大部分で支持されるため、本発明に基づくモータの動作は、任意にいつでも遅くでき、停止することもできる。これは、進行波機構では実現不可能である。

前記実施例において、蠕動作動要素３０は、主に電気機械能動容積自体によって構成した。しかしながら、用途によっては、あるいは電気基材の選択によっては、いくつかの制限が出てくる。電気機械材料を選択した場合、その材料の形状変化が相互作用表面に垂直な方向において不十分であれば、例えば耐摩耗条件を満足できないため、他の設計概念を使用する必要がある。また例えば、薄い固定子を必要とする用途においては、回転子から伝播波を解放するために別の技術を使用しなければならない。大きな変形を得るための簡単な技術は、内部てことして曲げを利用することである。圧電能動材料を採用する場合、圧電材料の連続体を固定子として使用することは、材料のもろさから必ずしも望ましいののではない。このような場合、別のより頑丈な材料、例えば金属やポリマを連続体として使用することができ、圧電材料は運動を発生させるためにだけ使用することができる。

図６は、本発明に基づく連続蠕動モータの一実施例を示す。本実施例において、蠕動作動要素３０は、主搬送体６０を有する。主搬送体６０は、相互作用表面３２を備える。主搬送体６０は、機械的支持用の固定子部６２に取り付ける。主搬送体６０に沿った規則的位置に、電気機械能動材料の容積６４Ａ−Ｍを取り付ける。主搬送体６０は、形状において柔軟性があり、主運動方向に沿って寸法変化が可能であり、本体２０から相互作用表面の一部を取り外せる。本実施例において、主搬送体６０は折り曲げ可能であり、膨らみを形成し、蠕動作動要素３０の全長の短縮部分を持ち上げ、前記膨らみ部分内において本体２０から相互作用表面３２を引き離すことを可能にする。前記短縮部分は、一部は能動材料によるものであり、一部は曲げ自体によるものである。容積６４Ａ−Ｍは、コネクタ５２を介して電極３６に適切な電圧を提供することによって励起する。容積６４Ａ−Ｍの形状変化は、主搬送体６０を例えば膨張させ、蠕動部４０を形成する。

この動作は前記実施例と同様である。容積６４Ａ−Ｍの電極３６への電圧信号を制御することにより、主搬送体は形状を変化させ、それによって蠕動作動要素３０に沿って蠕動部４０の境界３８Ａと３８Ｂを基本的に連続して移動させる。

回転子／シャトルは、通常、受動的で硬いと見なせる。場合によっては、図７に示すように、固定子の変形が主たる移動を引き起こす。図６において、短縮は、能動材料と曲げとの組み合わせによって発生し、本体２０の短縮は無視できる。図７において、本体２０は、無視できない弾性を有する。一般に垂直力は、シリコンゴム１０１等の弾性材料を用いた固定子表面に均一に分布する。垂直力８６が固定子部６２に加わると、相互作用表面３２における圧力は、弾性本体の厚さを収縮させる。ほとんどの材料は小さな体積変化と共に変形するため、圧力印加箇所において本体２０は長手方向に伸張する。固定子３０の蠕動部４０に対応する部分６６と圧力印加部６８との間において、本体２０の相対縦長さ変化は、固定子と本体との組み合わせに大きく作用し、蠕動部４０の移動に伴う移動を引き起こす。

極めて大きな力が働く用途の場合、固定子と回転子間の摩擦だけでは、回転子と固定子間の滑りを防げないことがある。そのような場合でも正確な位置決めが必要であるなら、回転子／本体と固定子との相互作用表面を考慮せねばならない。図８は、１つの解決策を示す。蠕動作動要素３０の相互作用表面３２は、幾何学構造を備える。この実施例では、固定子歯８２の形状を有する。また、移動体２０の相互作用表面も、幾何学構造８２と相補的形状の幾何学構造８４を備える。（電気機械容積は本図に示さない）。本実施例において、幾何学構造８４も三角歯である。蠕動作動要素３０は、蠕動部４０において本体２０から強制的に引き離す。固定子歯８２は、本体２０に再び接近する時、別の本体歯８４と噛み合う。かかる実施例において、主運動方向９０に平行な力は、平坦な相互作用表面に基づく実施例より、極めて高い。本実施例において、主運動方向における蠕動作動要素の寸法変化は必要ない。その理由は、歯を使用するからである。垂直方向の寸法変化だけで十分である。ただし、回転子と固定子との歯数は互いに異ならせる。

相対寸法変化、すなわち蠕動作動要素３０と本体２０間の寸法差の変化は、主運動方向に平行な方向の成分、または主運動方向に垂直なまたは直交する方向の成分、または両方向の成分を有することができる。

本体２０と固定子３０の歯８２と８４の数は、様々な観点から重要である。歯数における相対差を利用し、印加する周波数と本体の周波数または速度とのギヤ比を制御できる。例えば、印加電圧信号の１サイクルが蠕動部の１回転に対応する場合、ギヤ比１／Ｈ＝（Ｎｒ−Ｎｓ）／Ｎｓは本体２０のギヤダウンを与える。ただし、Ｎｒは本体２０の歯数、Ｎｓは固定子３０の歯数である。歯が無い場合にギヤダウン効果があるなら、それと同一比で本体と固定子とに歯を持たせることができる。ギヤ比を高く（すなわちＨを低く）して速度を速めることもできるが、その場合には歯の摩擦が増加する。摩擦、発熱、摩耗を最小にするにはギヤ比を低くすれば良い。この場合にはモータの力が増加する。

相互作用表面の幾何構造を他の目的に使うこともできる。図９の実施例は、直交方向の形状変化が無くても蠕動部が移動できるよう、固定子歯８２と本体歯８４との形状を作っている。蠕動部における固定子の歯の長さは、回転子の歯の長さと異なっている。歯が平坦であるため、蠕動部におけるつかみがない。蠕動部の移動によって本体が移動する。他の噛み合う歯により、接線方向の強い力を維持する。当然ながら逆も可能である。すなわち、蠕動部の歯の長さが本体の歯の長さに等しくても良い。他の利点は、電気機械容積への電圧が遮断した時に本体がロックすることである。広範囲の負荷によって矢印８６で示す垂直力が生じる時、蠕動作動要素３０は本体に従って調整され、歯８２と歯８４とが噛み合う箇所において蠕動作動要素と本体とがロックする。これにより精密位置決めが実現する。要求位置に到達したら、全電圧を遮断する。固定子と本体間の相対位置は、要求位置にとどまる。

本発明の主たる利点は、固体の本体を移動する場合に発揮される。しかしながら、本発明に基づく蠕動作動要素は、液体または気体を送り出す時にも使用できる。図１０は、２個の蠕動作動要素３０Ａと３０Ｂを示す。これらは、垂直力８６によって互いに押し付けられている。２個の蠕動作動要素３０Ａと３０Ｂは、固定子歯８２Ａと８２Ｂを備える。これらの歯は、歯表面が高精度である。境界３８Ａ−Ｄを有する各蠕動部４０Ｃと４０Ｄを蠕動作動要素３０Ａと３０Ｂに沿って移動することにより、蠕動作動要素３０Ａと３０Ｂ間に移動容積８８が形成される。この容積が液体または気体から成るのであれば、蠕動ポンプが生まれる。

図１１に示す好適実施例は、極めて大きな力を必要とすると共に高い耐摩耗性を必要とする場合の応用例である。蠕動作動要素３０は、装着ｄ３３アクチュエータの容積から成る。横方向の収縮／拡張を使用し、図１Ａ−Ｅと同様の蠕動機能を作り出す。本実施例において、移動本体２０は、蠕動作動要素３０の両側に配置する。そのため、蠕動作動要素３０は、各側に１個の相互作用表面３２を有する。蠕動部４０は、短い蠕動距離９２を有し、極めて大きな垂直力８６を可能にする。ほとんどの耐摩耗材料は、圧電材料等と比べ、硬い。従って、連続する耐摩耗層は、縦方向への固定子の伸張を制限する。蠕動作動要素３０の縦方向における移動性を制限しないようにするため、蠕動作動要素３０に酸化アルミニウム繊維９４を伸張方向に直交して配置できる。本体２０は、硬い耐摩耗層９６で構成し、それと蠕動作動要素３０とを相互作用させることが好ましい。

図１２は、本発明に基づく駆動方法の一実施例における主なステップを示すフローチャートである。この方法は、ステップ２００で開始する。ステップ２０２において、蠕動作動要素を本体に配置する。蠕動作動要素は、電気機械容積を有し、励起すると蠕動作動要素の寸法を局所的に変化させる。ステップ２０４において、電気機械容積を選択的に励起し、蠕動作動要素に沿ってほぼ連続的に蠕動部を移動させる。このステップにおいて、蠕動作動要素は、本体に対し滑らないように接触する。これは、蠕動部以外の蠕動作動要素の各部によって実現する。一連の手順はステップ２０６において終了する。そして破線矢印２０８が示すように、前記手順を繰り返す。

当業者には明らかな通り、ここに開示した本発明の実施例には、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更や改良が可能であり、本発明の範囲は請求の範囲によってのみ限定される。

文献
エム・ベクセル、エス・ヨハンソン「圧電小型モータの製作と評価」、センサとアクチュエータ（Sensors & Actuators）、Ａ７５（１９９９）、８〜１６ページ
米国特許第３，９０２，０８４号
米国特許第４，５０４，７６０号
米国特許第５，７５１，０９０号
米国特許第６，３３７，５３２号
米国特許第６，４３７，４８５号

図１Ａ−Ｅは、本発明に基づくアクチュエータの一実施例を示し、その運動原理を示す概略図である。 本発明に基づく電気機械アクチュエータ装置の一実施例を示すブロック図である。 本発明に基づくアクチュエータの他の実施例を示す概略図である。 本発明に基づくアクチュエータのさらに他の実施例を示す概略図である。 １以上の同時蠕動部を有する本発明に基づくアクチュエータの一実施例を示す概略図である。 本発明に基づくアクチュエータのさらに他の実施例を示す概略図である。 移動本体の寸法変化を伴う本発明に基づくアクチュエータの一実施例を示す概略図である。 歯を有する本発明に基づくアクチュエータの一実施例を示す概略図である。 歯を有する本発明に基づくアクチュエータの他の実施例を示す概略図である。 本発明に基づく蠕動ポンプの一実施例を示す概略図である。 中央固定子を有する本発明に基づくアクチュエータの一実施例を示す概略図である。 本発明に基づく方法の一実施例を示すフローチャートである。

Claims (23)

1. 本体（２０）と、
   主運動方向（９０）に延びた蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）とを備え、
   前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）は、前記本体（２０）との相互作用表面（３２）と、圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と、前記圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）を励起する電極（３６）と、前記電極（３６）へ電圧信号（５０）を供給する制御手段（５４）とを備え、前記相互作用表面（３２）は、前記主運動方向に沿った前記圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）に設けられ、
   前記圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と前記電極（３６）は、前記相互作用表面（３２）と前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）が当該蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）と前記本体（２０）との寸法差を変化させ得るように配置し、
   蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）は、前記蠕動作動要素の一部であり、前記相互作用表面（３２）は、前記寸法差を各瞬間に存在させ、
   前記制御手段（５４）は電圧信号を供給すべく配置し、当該電圧信号は、前記寸法変化が存在する蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の境界（３８Ａ−Ｄ）を移動させ、
   前記移動は、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）に沿って前記主運動方向（９０）に平行にほぼ連続的であり、
   前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）と前記本体（２０）との間の前記寸法差の前記変化は、前記主運動方向（９０）に基本的に平行な寸法成分を有し、
   前記圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と前記電極（３６）は、前記主運動方向（９０）に平行な前記寸法差変化と同時に前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）内の前記相互作用表面（３２）を前記移動本体（２０）から引き離すよう配置する、圧電アクチュエータ（１０）。
2. 前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）と前記本体（２０）との間の前記寸法差の前記変化は、前記主運動方向（９０）に基本的に直交する寸法成分を有することを特徴とする、請求項１に基づく圧電アクチュエータ。
3. 前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の長さは、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の全長の半分未満であることを特徴とする、請求項１または２に基づく圧電アクチュエータ。
4. 前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の長さは、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の全長の半分より極めて短いことを特徴とする、請求項３に基づく圧電アクチュエータ。
5. 前記主運動方向（９０）に沿った前記寸法差の変化は、前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の収縮に起因することを特徴とする、請求項１に基づく圧電アクチュエータ。
6. 前記主運動方向（９０）に沿った前記寸法差の変化は、前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の拡張に起因することを特徴とする、請求項１に基づく圧電アクチュエータ。
7. 前記容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）自体が、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の大部分を構成することを特徴とする、請求項１−６のいずれかに基づく圧電アクチュエータ。
8. 前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）は、弾性材料の連続体（６０）から成り、そこに少なくとも１個の前記圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）を取り付けたことを特徴とする、請求項１−７のいずれかに基づく圧電アクチュエータ。
9. 前記主運動方向（９０）に直交する前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の収縮は、前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）内の前記相互作用表面（３２）を前記本体（２０）から引き離すことを特徴とする、請求項１−８のいずれかに基づく圧電アクチュエータ。
10. 前記主運動方向（９０）に直交する前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の曲げは、前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）内の前記相互作用表面（３２）を前記本体（２０）から引き離すことを特徴とする、請求項１−８のいずれかに基づく圧電アクチュエータ。
11. 前記相互作用表面（３２）は、前記主運動方向（９０）において前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）のほぼ全長に沿った連続相互作用表面であることを特徴とする、請求項１−１０のいずれかに基づく圧電アクチュエータ。
12. 前記相互作用表面（３２）は区切られた相互作用表面であり、当該区切られた相互作用表面は、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）のほぼ全長に沿って分布することを特徴とする、請求項１−１０のいずれかに基づく圧電アクチュエータ。
13. 前記相互作用表面（３２）は第１幾何学構造（８２；８２Ａ−Ｂ）を備え、前記移動本体（２０）は第２幾何学構造（８４）を備え、当該第１および第２幾何学構造（８２，８４；８２Ａ−Ｂ）は相補形状を有することを特徴とする、請求項１−１２のいずれかに基づく圧電アクチュエータ。
14. 本体（２０）に対して蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）を配置し、当該蠕動作動要素は圧電容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と前記本体との相互作用表面を有し、当該圧電容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）は励起すると前記相互作用表面（３２）と前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と前記本体（２０）との寸法差を局所的に変化させ、
    蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）は、前記蠕動作動要素の一部であり、前記相互作用表面（３２）は、前記寸法差を各瞬間に存在させ、
    前記圧電容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）を選択的に励起して、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）に沿って第１方向（９０）にほぼ連続的に、前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）を前記圧電容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）に沿って移動する、各段階を備え、
    前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）は、前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）外側にある前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の部分によって、前記本体（２０）と滑ることなく接触し、
    前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）と前記本体（２０）との間の前記寸法差の前記変化は、第１方向（９０）に基本的に平行な寸法成分を有し、
    前記主運動方向（９０）に平行な前記寸法差変化と同時に前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）内の前記相互作用表面（３２）を前記移動本体（２０）から引き離す、蠕動アクチュエータ（１０）を駆動する方法。
15. 前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）と前記本体（２０）との間の前記寸法差の前記変化は、前記第１方向（９０）に基本的に直交する寸法成分を有することを特徴とする、請求項１４に基づく方法。
16. 前記寸法差の変化は、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の拡張に起因することを特徴とする、請求項１４に基づく方法。
17. 前記寸法差の変化は、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の収縮に起因することを特徴とする、請求項１４に基づく方法。
18. 前記寸法差変化を引き起こす段階と同時に、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）において、前記第１方向（９０）とは異なる第２方向の寸法変化を引き起こす段階をさらに備えることを特徴とする、請求項１４−１７のいずれかに基づく方法。
19. 前記第２方向における前記寸法変化は収縮であることを特徴とする、請求項１８に基づく方法。
20. 前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の長さは、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の全長の半分未満であることを特徴とする、請求項１４−１９のいずれかに基づく方法。
21. 前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の長さは、前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）の全長の半分より極めて短いことを特徴とする、請求項２０に基づく方法。
22. 相互作用本体（２０；３０Ａ，３０Ｂ）との相互作用表面（３２）と、
    少なくとも１個の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と、
    前記少なくとも１個の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）を励起する電極（３６）と、
    前記電極（３６）へ電圧信号（５０）を供給する制御手段（５４）とを備え、前記相互作用表面（３２）は、前記主運動方向に沿った前記圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）に設けられ、
    前記少なくとも１個の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と前記電極（３６）は、前記相互作用表面（３２）の蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）と前記蠕動作動要素（３０）の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）に前記蠕動作動要素（３０）と前記相互作用本体（２０；３０Ａ，３０Ｂ）との寸法差を変化させると共に前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）内の前記相互作用表面（３２）を前記相互作用本体（２０；３０Ａ，３０Ｂ）から引き離すように配置し、
    前記制御手段（５４）は電圧信号を供給すべく配置し、当該電圧信号は、前記少なくとも１個の圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）を励起することで、前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）の境界（３８Ａ−Ｄ）を前記蠕動作動要素（３０）に沿って第１方向（９０）にほぼ連続的に移動させ、
    前記蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）と前記本体（２０）との間の前記寸法差の前記変化は、前記主運動方向（９０）に基本的に平行な寸法成分を有し、
    前記圧電材料の容積（３４Ａ−３４Ｘ；６４；６４Ａ−６４Ｍ）と前記電極（３６）は、前記主運動方向（９０）に平行な前記寸法差変化と同時に前記蠕動部（４０；４０Ａ，４０Ｂ）内の前記相互作用表面（３２）を前記移動本体（２０）から引き離すよう配置する、第１方向（９０）に延びた蠕動作動要素（３０；３０Ａ，３０Ｂ）。
23. 前記相互作用本体は、別の蠕動作動要素（３０Ａ，３０Ｂ）であることを特徴とする、請求項２２に基づく蠕動作動要素。

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