JP5130355B2 - 電気機械的なモータ、特に圧電式のマイクロステッピング駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械的なモータ、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。

自動車の運転席には、デザインと技術との最適な融合を実現することが試みられている。この場合、運転者の視界には、種々異なる指示計器が設けられている。これらの指示計器は、種々異なる技術的な要求を満たしていなければならないし、自動車の大量生産に対する競合価格も有していなければならない。このような形式の指示計器に対する１つの例が、「Ｓｉｅｍｅｎｓ ＶＤＯ」社の「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ ２０００」である。

この「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ ２０００」は、一段式のウォームホイール伝動装置によって変速されるステッピングモータ駆動に基づいている。４極式のステッピングモータは、位相角９０゜だけ互いに移相された、時間の関数としての正弦波状の２つのコイル電流経過によって制御される。移相の符号は回転方向を規定しており、周波数はモータシャフトの回転速度を規定している。正弦波状の電流経過の３６０゜の完全な一周期の範囲内では、最大１２８個の中間段を再現可能に生ぜしめることができる。これらの中間段の使用は、マイクロステップ運転と呼ばれる。

上で特徴付けられたステッピングモータを有する完全な作動駆動装置「Ｍｅｓｓｗｅｒｋ ２０００」は、１２個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、１つの永久磁石ロータとを備えた２つのコイルから形成されている。構成部材コストに関して、コイルと永久磁石とは最も重要となる。材料コストのほかに、製作コストも価格に対して重要となる。この製作コストは、作動駆動装置の構成要素の個数にほぼ比例して増加する。

欧州特許第１０９８４２９号明細書に基づき、新規のモータ原理により動作する、すなわち、回転するコイルなしに動作する電気機械的なモータが公知である。この公知のモータでは、運転の間、少なくとも２つの電気機械的な駆動エレメントの時間的にずらされた操作によって、駆動リングが周方向に移動させられ、これにより、この駆動リングから、特にこの駆動リングの内部に位置する軸への直接的な力伝達によって、この軸が回動させられる。駆動リングの周方向の移動運動は、たとえば圧電式、磁歪式、電歪式また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、これによって、材料コストおよび製作コストに関して大量生産に一層良好に適した作動駆動装置が結果的に得られる。ピエゾアクチュエータは、その都度のストロークが半径方向で駆動リングに作用するように、この駆動リングに取り付けられる。この場合、場合により、さらに別の手段が講じられ、これによって、駆動リングへの可能な限り対称的な力導入が達成される。

前述した技術的な状況下では、確かに、トルク変動なしの最良の同期特性（軸の目下の位置に依存しない回転速度の不変性）を備えた、機能に関して最適化された駆動装置が得られる。しかし、この場合、特に撓みアクチュエータの長手方向の延びと半径方向の配置とによって、扁平な駆動装置変化態様が著しい空間需要を平面において要求し、たいていコンパクトであると見なされない。しかし、コンパクトな扁平な駆動装置は、運転席計器において設定された極めて狭められた構成スペース状況に基づき差し迫って必要とされる。

本発明の課題は、部材数、製造手間、構成スペース要求および機能性に関して最適化されたステッピング駆動装置、特に運転席計器の測定機構に用いられる小型作動駆動装置を提供することにある。

この課題を解決するために本発明の電気機械的なモータでは、
・２つの電気機械的な駆動エレメントが設けられており、両駆動エレメントが、互いにほぼ垂直に方向付けられた作用方向を有しており、
・駆動リング内に回動可能に支承された軸が設けられており、駆動リングが、各作用方向への電気機械的な駆動エレメントの変位によって励起可能であり、これによって、軸に直接伝達可能な移動運動が生ぜしめられるようになっており、これによって、軸が、駆動リング内で転動し、これによって、回転するようになっているのに対して、
・駆動リングに、両作用方向に関して対角線方向で反対の側に位置する２つの固定部が設けられており、両固定部につき、駆動リングが、ほぼ直角なそれぞれ１つの屈曲エレメントを介して、それぞれ１つの位置固定エレメントにフレキシブルに懸架されており、屈曲エレメントの脚部が、それぞれその両端部に向かって、それぞれ１つのジョイントを有しており、
・駆動リングを取り囲むように、ほぼ直角に形成されて両作用方向に対して平行に方向付けられた枠組みを補う４つの脚部を備えた屈曲エレメントが、以下のように、すなわち、各固定部が、各屈曲エレメントによって、枠組みにおいて対角線方向で反対の側に配置された位置固定エレメントに結合されているように配置されており、
・屈曲エレメントが、それぞれ１つの角隅エレメントを有しており、該角隅エレメント相互の間隔が、強制手段によってコンスタントに保持されており、これによって、駆動リングが、移動可能であるものの、ねじり不能に懸架されているようにした。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、駆動リングの平面に対して平行に、バーまたはブラケットとして形成された少なくとも１つのスペーサが配置されており、該スペーサの端部が、屈曲エレメントの角隅エレメントに剛性的に結合されている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、角隅エレメントが、少なくとも片側に、駆動リングの平面に対して垂直に配置されたそれぞれ１つのピンを有しており、それぞれ貫通孔によって各角隅エレメントの各ピンに結合可能である端部を備えたスペーサが、駆動リングによって駆動される軸を非接触的に貫通案内するための切欠きを有している。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、屈曲エレメントの脚部が、それぞれ１つの固体ジョイントによって、それぞれ固定部と、角隅エレメントと、位置固定エレメントとに結合されている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、固体ジョイントが、それぞれ短い区分での屈曲エレメントの脚部の横断面先細りによって形成されている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、位置固定エレメントが、機械的に剛性的なほぼ方形のフレームの、対角線方向で反対の側に位置する角隅部に固定されている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、フレームが、ステッピング駆動装置のハウジングの一部として形成されている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、電気機械的なモータの２つの電気機械的な駆動エレメントが、撓み変換器、有利には圧電式の撓み変換器である。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、撓み変換器が、それぞれその運動端部に連結された、所属の撓み変換器の作用方向に対してほぼ平行に配置された引張・押圧バーを介して駆動リングに枢着されており、引張・押圧バーが、それぞれその各両端部に向かって固体ジョイントを有しており、それぞれ１つの撓み変換器と、所属の引張・押圧バーとが、角隅部を介して駆動リングの２つの側面または半部に沿って配置されている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、駆動リングと、屈曲エレメントと、位置固定エレメントとが、一体にプラスチック射出成形技術で製造された駆動モジュールを形成しており、撓み変換器が、駆動モジュール材料の射出成形により駆動モジュールに一緒に組み込まれている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、ほぼ直方体状のハウジングが設けられており、該ハウジングが、底エレメントと蓋とを備えており、底エレメントに、当付け面と第１の支承孔とを備えた中央の支承ブロックが設けられており、蓋に、軸に対する第２の支承孔が設けられており、位置固定エレメントが、ハウジング角隅部に配置されていて、そこに固定されているかまたは組み込まれており、これによって、軸の少なくとも１つの円筒状の転動面が、駆動リングのリング孔の所属の転動面で転動するようになっている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、軸が、ディスク状の中間片を備えて形成されており、該中間片の第１の環状の端面が、支承ブロックに載置しており、中間片の周面が、軸の円筒状の転動面を形成している。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、ｚ方向での軸の軸線の位置固定を確保するために、軸を貫通させるための孔を備えたクリップばねが設けられており、該クリップばねが、一方では、軸のディスク状の中間片の第２の環状の端面に支持されていて、他方では、蓋の載着時に該蓋の一方の面に支持されており、これによって、軸の回動が、著しく妨害されないようになっている。

本発明の電気機械的なモータの有利な実施態様によれば、形状接続的な力伝達のために、駆動リングのリング孔の内面と、軸の所属の転動面とに歯列、特にサイクロイド歯列が形成されている。

前記課題は、請求項１記載の電気機械的なモータ、特に圧電式のマイクロステッピングモータによって解決される。本発明の有利な構成および改良態様は、以下の説明、図面および従属請求項から明らかである。

本発明による電気機械的なステッピング駆動装置は、以下の特徴を有している。

２つの電気機械的な、有利には圧電式の駆動エレメント（アクチュエータ）が設けられており、両駆動エレメントが、互いにほぼ垂直に方向付けられた作用方向を有しており、駆動リング内に回動可能に支承された軸が設けられており、駆動リングが、各作用方向への圧電式の駆動エレメントの変位によって励起可能であり、これによって、軸に直接伝達可能な移動運動が生ぜしめられるようになっており、これによって、軸が、駆動リング内で転動し、これによって、回転するようになっている。さらに、駆動リングに、両作用方向に関して対角線方向で反対の側に位置する２つの固定部が設けられており、両固定部につき、駆動リングが、ほぼ直角なそれぞれ１つの屈曲エレメントを介して、それぞれ１つの位置固定エレメントにフレキシブルに懸架されており、屈曲エレメントの脚部が、それぞれその両端部に向かって、それぞれ１つのジョイントを有しており、この場合、さらに、駆動リングを取り囲むように、ほぼ直角に形成されて両作用方向に対して平行に方向付けられた枠組みを補う４つの脚部を備えた屈曲エレメントが、以下のように、すなわち、各固定部が、各屈曲エレメントによって、枠組みにおいて対角線方向で反対の側に配置された位置固定エレメントに結合されているように配置されている。この場合、屈曲エレメントが、それぞれ１つの角隅エレメントを有しており、これらの角隅エレメント相互の間隔が、強制手段によってコンスタントに保持されており、これによって、駆動リングが、移動可能であるものの、ねじり不能に懸架されている。

この限りにおいて、駆動リングに対角線方向で反対の側で作用しかつ各固定部を対角線方向で反対の側の点に位置固定し、この場合、回転羽根状に同じ回動方向で駆動リングを取り囲むように配置された折り曲げられた２つの懸架エレメント（屈曲エレメント）を備えた本発明によるリング懸架手段は、（１８０゜の）回動対称性を有していて、エレメントもしくは部材の互いに相対的な固有のジョイント式の取付けに基づき、「対角線方向運動機構」を実現している。この対角線方向運動機構では、公知先行技術と異なり、リング孔の中心点を基準とした駆動リングへの、撓みアクチュエータによって提供された力の半径方向の力導入がもはや考慮される必要はない。なぜならば、半径方向と異なる偏心的な力導入によって生ぜしめられる駆動リングに加えられるトルクが、フレキシブルなリング懸架手段のねじり自由度の抑圧を達成する、角隅エレメントの間隔に該当する強制手段に基づき、リング懸架手段によってほぼねじりなしに受け止められるからである。これは、特に屈曲エレメントの脚部の内面および／または外面に沿った、すなわち、たとえば（外側で）直角な駆動リングの、角隅部を介して配置された２つの側面に対して平行な駆動エレメントの空間節約的な配置の可能性を見い出している。これによって、ステッピング駆動装置の極めてコンパクトな構成スペース節約的な構造が実現可能となる。さらに、本発明によるステッピング駆動装置は、極めて僅かな個数の単純な構成部材によって特徴付けられていて、これによって、大量生産のために特に適している。さらに、駆動装置の、プラスチックとアクチュエータとの互いに異なる熱膨張に基づき生ぜしめられる熱的な離調が、構造的に確実に吸収される。たとえば駆動リングと軸との間に形成された歯列による形状接続によって、センサと調整回路とが使用される必要なしに、本発明による駆動装置の極めて高い作動精度が、純粋に制御される運転で達成される。

本発明によれば、コンパクトさの最適化のため、駆動リングへの絶対的に完全な対称的な力導入は目標とされない。これに基づき機能に関して場合により生ぜしめられる結果、たとえば僅かな同期・トルク変動は、顧客仕様書が引き続き守られる限りにおいて、別の手段によって減少させることができる。特に小さなトルクは、駆動エレメントの、純粋な正弦波経過を変調する制御によって補償することができる。

本発明の特に有利な実施態様では、駆動リングの平面に対して平行に、バーまたはブラケットとして形成された少なくとも１つのスペーサが配置されており、このスペーサの端部が、屈曲エレメントの角隅エレメントに剛性的に結合されていることによって、リング懸架手段の所要のねじり剛性を確保するための強制手段が実現されている。スペーサによる屈曲エレメントの両角隅エレメントの間隔の規定によって、リング懸架手段を両作用方向に対して相対的に容易に（すなわちほぼ力なしに）剪断することができる。これに対して、ねじりには、対角線方向運動機構を備えたこのように形成されたリング懸架手段が極めて高く抵抗する。

この構成の構造的に簡単なもしくは容易に製作可能な改良態様では、角隅エレメントが、少なくとも片側に、駆動リングの平面に対して垂直に配置されたそれぞれ１つのピンを有しており、それぞれ貫通孔によって各角隅エレメントの各ピンに結合可能である端部を備えたスペーサが、駆動リングによって駆動される軸を非接触的に貫通案内するための切欠きを有している。

対角線方向のリング懸架手段の柔軟性の簡単な実現のためには、屈曲エレメントの脚部が、それぞれ１つの固体ジョイントによって、それぞれ固定部と、角隅エレメントと、位置固定エレメントとに結合されている。固体ジョイントは、それぞれ短い区分での屈曲エレメントの脚部の横断面の先細りによって形成されていてよい。これは、特に製造技術的に有利である。

実行したい対角線方向運動に関して、位置固定エレメントを、機械的に剛性的なほぼ方形のフレームの、対角線方向で反対の側に位置する角隅部に取り付けることが有利である。１つの改良態様では、フレームが、ステッピング駆動装置のハウジングの一部として形成されている。

２つの電気機械的な駆動エレメントは、特に有利には撓み変換器、有利には圧電式の撓み変換器として形成されていてよい。

圧電性のセラミックス材料をベースとしたこのような形式の固体撓みアクチュエータは、数年来、種々異なる構造で産業において多方面で使用される。この固体撓みアクチュエータは、小さな構造と、低いエネルギ需要と、高い信頼性とによって特徴付けられている。したがって、たとえば圧電式の撓みアクチュエータは、産業環境において少なくとも１０^９サイクルの寿命を示している。たとえば指示計器のための小型作動駆動装置に使用される撓み変換器は、典型的には、その運動端部で約０．２ｍｍ〜２ｍｍの範囲内の自由変位量を有するように寸法設定される。さらに、撓み変換器の、自由に運動可能な端部の変位阻止の事例では、０．５Ｎ〜２Ｎの範囲内の阻止力が達成される。撓み変換器のほぼ直線的な変位は、それぞれ撓み変換器の長手方向の最大の延びに対して横方向に行われる。したがって、撓み変換器の作用方向に相当する変位方向は、撓み変換器の長手方向軸線に対してほぼ直角を成している。

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変化態様は、撓み変換器が、それぞれその運動端部に連結された、所属の撓み変換器の作用方向に対してほぼ平行に配置された引張・押圧バーを介して駆動リングに枢着されており、引張・押圧バーが、それぞれその各両端部に向かって固体ジョイントを有している配置事例によって得られる。この場合、それぞれ１つの撓み変換器と、所属の引張・押圧バーとは、角隅部を介して駆動リングの２つの側面に沿って配置されているかまたは、駆動リングが直角に形成されていない場合には、２つの半部に沿って配置されている。駆動リングへの電気機械的な、有利には圧電式の両駆動エレメントのこの剪断撓み性の枢着によって、その運動方向が互いに絶縁されており、これによって、駆動エレメントがその運動中に全く妨害されないかまたは無視できる程度に僅かに妨害されるという利点が得られる。すなわち、力導入時には、損失エネルギは生ぜしめられない。さらに、この実施態様による撓み変換器の配置もしくは枢着は極めて空間節約的である。

撓み変換器を備えた構成の改良態様によれば、駆動リングと、屈曲エレメントと、位置固定エレメントとを、一体にプラスチック射出成形技術で製造された駆動モジュールとして形成し、この場合、撓み変換器が、駆動モジュール材料の射出成形により駆動モジュールに一緒に組み込まれていることが有利である。プラスチック射出成形技術での駆動モジュールの実現は簡単であると同時に廉価である。この場合、撓みアクチュエータを射出成形による組込み作業工程に含めることによって、製造ステップの回数がさらに一層減少させられる。

駆動モジュールを剛性的に支承するかもしくは所属の軸を回動可能に支承するためには、ほぼ直方体状のハウジングを設け、このハウジングが、底エレメントと蓋とを備えており、この場合、底エレメントに、当付け面と第１の支承孔とを備えた中央の支承ブロックが設けられており、蓋に、軸に対する第２の支承孔が設けられており、この場合、位置固定エレメントが、ハウジング角隅部に配置されていて、そこに固定されているかまたは組み込まれており、これによって、軸の少なくとも１つの円筒状の転動面が、駆動リングのリング孔の所属の転動面で転動するようになっていることが有利である。

本発明によるステッピング駆動装置に用いられる、ハウジングフレーム内に位置決めされた駆動モジュールの実施形態の平面図である。 本発明によるステッピング駆動装置に用いられる、ハウジングフレーム内に位置決めされた駆動モジュールの実施形態の斜視図である。 挿入された撓みアクチュエータとスペーサとを備えた駆動モジュールの平面図である。 挿入された撓みアクチュエータとスペーサとを備えた駆動モジュールの斜視図である。 図２に示したスペーサの平面図である。 軸と駆動モジュールとを支承するためのハウジング底エレメントの平面図である。 軸と駆動モジュールとを支承するためのハウジング底エレメントの斜視図である。 ハウジングに嵌合する蓋の平面図である。 ハウジングに嵌合する蓋の斜視図である。 ハウジング封入された本発明によるステッピング駆動装置の部分組立て状態の平面図である。 ハウジング封入された本発明によるステッピング駆動装置の部分組立て状態の斜視図である。 クリップばねの平面図である。 クリップばねの斜視図である。 本発明によるステッピング駆動装置に用いられる軸の平面図である。 本発明によるステッピング駆動装置に用いられる軸の斜視図である。 ｚ軸に沿った、組み立てられた状態におけるハウジング封入された駆動装置の軸方向の横断面図である。

本発明の有利な実施形態を添付の図面に相俟って詳しく説明する。

本発明によれば、圧電式のステッピングモータが提案される。このステッピングモータによって、撓み変換器の適切な周期的な線形運動の重畳により連続的なかつ一様の回転を発生させることが可能となる。この目的のためには、撓み変換器１９ａ，１９ｂ（図２参照）が、本発明による対角線方向運動を実行する、ｘｙ平面での移動可能性もしくは剪断撓み性を保証するリング懸架手段によって平らな駆動リング１に連結され、これによって、この駆動リング１が、撓み変換器１９ａ，１９ｂの互いに垂直な作用方向ｘ，ｙに沿って並進運動可能となる。（フレーム１１に組込み可能な）位置固定エレメント１２，１４と、駆動リング１と、屈曲エレメント３６ａ，３６ｂと、引張・押圧バー１７ａ，１７ｂと、場合により、組み込まれた撓み変換器１９ａ，１９ｂとから形成されたユニットを、以下、「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によってポリエチレン、射出成形プラスチック、ＰＯＭ（ポリアセタール）または別の適切な材料から製作可能である。

図１には、駆動モジュールが平面図でかつ斜視図で示してある。この駆動モジュールは、まず、駆動リング１を有している。この駆動リング１は円筒状のリング孔２を有している。このリング孔２の軸線は、たとえばデカルト座標系（斜交座標系）のｚ軸に合致している。このデカルト座標系のｘｙ平面は紙面に対して平行に延びている。駆動リング１は、たとえば直角に形成されていて、その（外）縁部でもしくは側面３８で駆動エレメント１９ａ，１９ｂの垂直な両作用方向に対して平行に方向付けられている。駆動リング１には、対角線方向で反対の側の位置に固定部３ａ，３ｂが設けられている。この固定部３ａ，３ｂにつき、駆動リング１が、それぞれ順次配置された、固体ジョイント４ａ，４ｂと、第１の脚部（引張・押圧バー）５ａ，５ｂと、固体ジョイント６ａ，６ｂと、角隅エレメント７ａ，７ｂと、固体ジョイント８ａ，８ｂと、第２の脚部（引張・押圧バー）９ａ，９ｂと、別の固体ジョイント１０ａ，１０ｂとから成る機能エレメントを介して、機械的に十分に剛性的なフレーム１１にフレキシブルに懸架されている。この順次配置された両アッセンブリを、以下、それぞれ屈曲エレメント３６ａもしくは屈曲エレメント３６ｂと呼ぶ。

フレーム１１は、この実施例では、同時に駆動装置ハウジングの一部を成していて、場合により、（たとえば角隅部および縁部に）補強部１２，１３，１４を有していてよい。フレーム１１は、作動駆動装置、特に位置固定エレメント１２，１４を固定するために働くことができ、したがって、空間固定的と見なされる。脚部（押圧・引張バー）５ａ，９ａ；５ｂ，９ｂは、互いにほぼ直角を成すようにかつ上で規定した座標系のｘ軸（たとえばバー５ａ，５ｂ）もしくはｙ軸（たとえばバー９ａ，９ｂ）に対してほぼ平行に配置されている。脚部５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂは、運転中に生ぜしめられる引張・押圧力および横方向力（撓み）に対して機械的に十分に剛性的に形成され、これによって、脚部５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂを極めて良好にほぼ剛性体と考えることができる。適切に形成された固体ジョイント４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂに基づき、リング懸架手段が、ｘｙ平面でのリングの移動と、フレーム１１に対して相対的なｚ軸に対するリングのねじれとに対する撓み性を獲得する。固体ジョイントによって、（確かに制限された角度範囲内だけであるものの、この角度範囲に対して遊びなしである）慣用のジョイントのように、接続されたエレメントの互いに相対的なほぼ妨害されない回転が可能となる。固体ジョイントの機能は撓み原理に基づいている。局所的な撓みが、短い区分でのバー横断面の意図的な減少によって達成される。減少させられたバー横断面は、著しく減少させられた撓み剛性に繋がる。しかし、横断面先細りは極めて局所化されているので、各バーの軸方向のばね定数（剛性）はほとんど減少させられない。

本発明によるリング懸架手段は、以下の注目すべき特性および機能を有している。

駆動リング１が、たとえばｘ方向に、典型的なバー長さｌに比べて小さい区間ｄｘだけフレーム１１に対して相対的に移動させられると、駆動リング１に対して相対的な位置が変化させられることなしに、バー５ａ，５ｂひいては角隅エレメント７ａ，７ｂも同期的に一緒に移動させられる。これに対して、バー９ａ，９ｂは角度φ≒ｄｘ／ｌ≪１だけ僅かに回転させられる。この角度φの小ささに基づき、角隅エレメント７ａ，７ｂのｙ座標は移動の間に極めて良好にほぼ不変のままである。この結果、互いに相対的な角隅エレメント７ａ，７ｂの間隔がｘ方向への移動の間に全く変化させられないかもしくは無視できる程度しか僅かに変化させられないことが得られる。類似の考えが、典型的なバー長さに比べて小さい区間ｄｙだけｙ方向への駆動リング１の移動に当てはまる。

重要な結果として、ｘｙ平面での駆動リング１の平らな移動が、角隅エレメント７ａ，７ｂの間隔を不変にしておくことが得られる。移動に随伴した僅かなバー回転は、固体ジョイント４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂによって容易に受け止められる。

駆動リング１がｚ軸を中心として、たとえば時計回り方向に小さな角度だけ回転させられると、固定部３ａ，３ｂのｘ座標とｙ座標とが互いに相対的にかつフレーム１１に対して相対的に逆方向に変化させられる。回転に起因して、固定部３ａのｘ座標とｙ座標とが量ｄｘ，ｄｙだけ変化させられると、回転軸線から同じ間隔を置いて対角線方向で反対の側に局所化された固定部３ｂのｘ座標とｙ座標とが量−ｄｘ，−ｄｙだけ変化させられる。フレーム１１に対して相対的なｘ方向への固定部３ａ，３ｂの逆方向の移動は、バー９ａ，９ｂの僅かな回転によって受け止められる。角隅エレメント７ａ，７ｂは、ｘ方向への固定部の逆方向の移動を一緒に実行する。なぜならば、角隅エレメント７ａ，７ｂがｘ方向に関しては剛性的にリング１に連結されているものの、フレーム１１に対しては容易に回転可能であるからである。

フレーム１１に対して相対的なｙ方向への固定部３ａ，３ｂの逆方向の移動は、バー５ａ，５ｂの僅かな回転によって受け止められる。角隅エレメント７ａ，７ｂは、固定部３ａ，３ｂの逆方向のｙ移動を一緒に実行しない。なぜならば、角隅エレメント７ａ，７ｂがｙ方向に関しては容易に回転可能に駆動リング１に連結されているものの、フレーム１１に剛性的にバー９ａ，９ｂを介して連結されているからである。

別の重要な結果として、ｚ軸に対する駆動リング１の回転が角隅エレメント７ａ，７ｂの間隔を変化させることが得られる。リング回転に随伴した僅かなバー回転は、固体ジョイント４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂによって容易に受け止められる。

典型的なバー長さに比べて小さいストロークだけｘｙ平面での駆動リング１の移動を妨害せずに可能にするものの、ｚ軸を中心としたリング１の回動には極めて高く抵抗するリング懸架手段を形成するためには、角隅エレメント７ａ，７ｂの間隔を強制手段、たとえばバーまたはブラケットによってコンスタントに保持することが必要となる。適切なスペーサを固定するためには、角隅エレメント７ａ，７ｂが、図１Ｂに認めることができるように、それぞれ１つまたは２つのピン７．１，７．２を図平面の上方にかつ下方に装備している。

ここで対角線方向運動機構と呼ぶリング懸架手段のこのように形成された構造は、極端にねじり剛性的であると見なされる。したがって、本発明によれば、リング孔２の中心点を基準とした駆動リング１への、アクチュエータによって提供される力の半径方向の力導入がもはや考慮される必要はない。なぜならば、多かれ少なかれ半径方向と異なる偏心的な力導入により生ぜしめられる駆動リング１に加えられるトルクが、ここに記載した対角線方向運動機構によってねじりなしに受け止められ、フレーム１１に導出されるからである。

ストリップ状の固体撓みアクチュエータの形の駆動エレメントを結合するためには、図１に認めることができる適切に形成された、運動端部に対する収容体１５ａ，１５ｂが設けられている。この収容体１５ａ，１５ｂは、それぞれ固体ジョイント１６ａ，１６ｂと、押圧・引張バー１７ａ，１７ｂと、別の固体ジョイント１８ａ，１８ｂとを介して駆動リング１に固定される。リング懸架手段における生ぜしめられる変位量は、ほんの約百マイクロメートルの範囲内で変動させられる。

図２には、以下、省略してアクチュエータとしか呼ばない挿入された固体撓みアクチュエータ１９ａ，１９ｂと、２つのスペーサ２０とを備えた駆動モジュールが示してある。図示の例示的な構成では、アクチュエータ１９ａ，１９ｂがその静止端部で機械的に剛性的にフレーム１１に固定されていて、互いにほぼ直角を成すように配置されている。フレーム１１へのアクチュエータ１９ａ，１９ｂの結合の剛性は、フレーム１１の補強部もしくは位置固定エレメント１２，１３によって高めることができる。さらに、フレーム１１、特に補強部１２，１３には、アクチュエータ１９ａ，１９ｂをその静止端部でクランプコンタクトまたは圧縮ばねコンタクトの形で電気的にコンタクティングするための手段（図示せず）が設けられていてよい。

選択的には、その代わりに、アクチュエータ１９ａ，１９ｂがその運動区分または運動端部で電気的にコンタクティングされていてもよい。

アクチュエータ１９ａ，１９ｂが電気的に制御されると、アクチュエータ１９ａ，１９ｂが撓み運動を実行する。この場合、アクチュエータ１９ａ，１９ｂの運動端部が、主として、長手延び方向に対して垂直な運動を実施する。したがって、電気的な制御時には、アクチュエータ１９ａの運動端部が、主として、ｘ方向への運動を実行し、アクチュエータ１９ｂの運動端部が、主として、ｙ方向への運動を実行する。

アクチュエータ１９ａ，１９ｂの運動方向を作用方向とも呼ぶ。

アクチュエータ１９ａ，１９ｂの運動端部は収容体１５ａ，１５ｂによって取り囲まれ、機械的に剛性的にかつ遊びなしに保持され、これによって、収容体が、アクチュエータによって発生させられた押圧力および引張力もしくは押圧運動および引張運動を受け止めることができ、固体ジョイント１６ａ，１６ｂを介して、所属のアクチュエータの作用方向に対してほぼ平行に方向付けられた押圧・引張バー１７ａ，１７ｂに伝達することができ、そこから、接続された固体ジョイント１８ａ，１８ｂを介して駆動リング１に伝達することができる。収容体と、固体ジョイントと、各アクチュエータ作用方向に対してほぼ平行に方向付けられた押圧・引張バーと、固体ジョイントと、駆動リング１との順次の配置は、原理に起因して、アクチュエータの作用方向への力もしくは変位しかアクチュエータと駆動リングとの間で伝達することができず、別の力もしくは変位は伝達することができないという利点を提供する。したがって、相互に影響を与えることなしに、ほぼ直角を成すように配置された両アクチュエータ１９ａ，１９ｂが完全に互いに独立して駆動リング１に作用することができる。すなわち、アクチュエータは、特にそれぞれ他方の撓み変換器の比較的高い機械的な剛性に対して作業する必要はない。すなわち、撓み変換器１９ａ，１９ｂの運動は分離されている。

撓みアクチュエータが電気的に制御されると、この撓みアクチュエータがほぼ円弧の形に撓まされる。これによって、アクチュエータの運動端部における撓み線の接線の傾きが変化させられる。このような「回動運動」は固体ジョイント１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂによって確実に吸収される。また、（たとえば対角線方向運動機構とアクチュエータ材料との互いに異なる熱膨張による）駆動モジュールに対して相対的なアクチュエータ長さの変化も、押圧・引張バー１７ａ，１７ｂと固体ジョイント１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂとの連結によって、バー１７ａ，１７ｂが最小限に回転させられることにより、その力伝達機能もしくはストローク伝達機能が損なわれることなしに確実に吸収される。

リング懸架手段のねじり剛性はスペーサ２０によって保証される。このスペーサ２０は、たとえば角隅エレメント７ａ，７ｂのピン７．１，７．２への、適切に形成された貫通孔２１のプレス嵌めによって、ピン７．１，７．２に機械的に剛性的に結合される。

要するに、撓みアクチュエータ１９ａ，１９ｂが駆動リング１を完全に互いに独立して位置固定エレメント１２，１４に対して相対的にｘ方向もしくはｙ方向に運動させることが固持されなければならない。リングねじりは対角線方向運動機構によって阻止される。

その他の点では、駆動モジュールのハウジングフレーム１１がその上側と下側とに、さらに以下で詳しく説明するように、蓋および底部材を位置正確に挿入するための周方向縁部２４を有している。

図３には、角隅エレメント７ａ，７ｂのピン７．１，７．２にプレス結合のために適切に嵌合される貫通孔２１を備えたスペーサ２０が示してある。このスペーサ２０は、貫通孔２１の軸線に設けられた力導入点の間に十分に高い押圧・引張剛性を有している。

スペーサ２０は選択的に固体ジョイント２２を有していてよく、これによって、角隅エレメント７ａ，７ｂの可能な僅かな回転が妨害されない。切欠き２３は軸の非接触的な貫通案内のために働く。

さらに、駆動モジュールに相俟った対角線方向運動学的な原理をステッピングモータで実現するためには、軸と、この軸の、可能な限り遊びなしであるものの、回動可能な支承部と、駆動モジュールの剛性的な支承部とが必要となる。

図４には、このためにハウジングフレーム１１に相俟って適した底エレメントが示してある。この底エレメントは、駆動モジュールの周方向縁部２４に対を成して配置された周方向溝２５を有している。この周方向溝２５は、駆動モジュールへの底エレメントの挿入時に、支承孔２６の孔軸線がリング１のリング孔２の軸線に合致するようになることを保証している。支承孔２６の直径は、軸３９（図９参照）に対する円筒状の滑り面に対を成すように寸法設定されている。この滑り面は、軸３９に対する、遊びなしであるものの、低摩擦の第１の回動支承部を一緒に形成している。中央の支承ブロック２８の端面２７は、軸３９の転動面がリング孔２と同じ高さに位置することになるように、軸３９に対する当付け面として働く。

図５には、ハウジングフレーム１１に嵌合する蓋が示してある。この蓋はその下面に同じく周方向溝を有している。この周方向溝は駆動モジュールの周方向縁部２４に対を成して配置されており、これによって、駆動モジュールへの蓋の挿入時に、支承孔２９の軸線がリング孔２の軸線に合致するようになっている。支承孔２９の直径は、軸３９に対する円筒状の第２の滑り面に対を成すように寸法設定されている。この第２の滑り面は、軸３９に対する、遊びなしであるものの、低摩擦の第２の回動支承部を一緒に形成している（図８および図９参照）。

図６には、ハウジングフレーム１１内に挿入された底エレメントと、挿入されたアクチュエータ１９ａ，１９ｂと、挿入されたスペーサ２０と、挿入された軸３９とを備えた本発明によるステッピング駆動装置の部分組立て状態が示してある。

図７には、適切なクリップばね１０３が示してある。このクリップばね１０３は、軸軸線を貫通させるための孔３０を有している。これによって、クリップばね１０３が運転中に「変位」し得ないことが確保される。クリップばね１０３は、孔軸線の近くの面３１を介して接触線の形で軸３９に支持されており、これによって、軸３９に加えられる、摩擦により形成された制動トルクが可能な限り小さく保たれる。さらに外方に位置する下側の面３２は、クリップばね１０３を蓋面に支持するために働く。クリップばね１０３のばね力は、軸３９をあらゆる運転状態で確実に支承ブロック２８の端面２７に当て付けて保持するために十分に設定されているものの、軸３９の回動を妨害する恐れのある著しい摩擦力を回避するために可能な限り小さく保たれている。こうして、駆動リング１と軸３９との転動面があらゆる運転条件下で十分に正確にｚ方向で互いに局所化され続けることが確保される。

図８には、適切な軸３９が示してある。この軸３９は、２つの円筒状の滑り支承面３３，３４と、少なくとも１つの円筒状の転動面３５とを有している。両滑り支承面３３，３４は支承孔２９，２６の円筒状の内面に対を成して配置されている。転動面３５は、駆動リング１のリング孔２の少なくとも１つの転動面１０５と対を成して配置されている。面３３の軸方向の延長部は、ステッピングモータによって駆動したい各エレメントを軸３９に接続するために働く。

図９には、ｚ軸に沿った、組み立てられた状態における駆動装置の軸方向の横断面図が示してある。この横断面図には、特に駆動装置の構成部材相互の位置が示してある。軸３９は、滑り面対３３，１０１：３４，１０２に基づく狭幅の隙間嵌めの形の２つの箇所に、ｚ軸を中心として低摩擦で回動可能であるものの、並進運動に対しては機械的に剛性的に支承されている。適切なクリップばね１０３は、当付け面２７と協働して、軸３９をｚ軸に関して低摩擦に位置固定して保持している。駆動モジュールは、静止状態でリング孔２の転動面１０５を軸３９の転動面３５に対して同心的に保持しているだけでなく、軸３９の転動面３５に対して相対的にｚ方向で適切な位置にも保持している。

適切な電気的な制御機能によって、撓みアクチュエー１９ａ，１９ｂはその都度その運動端部で、静止位置を中心とした正弦波状のもしくは余弦波状の時間的な経過を伴った変位を実行する。これによって、リング孔２の転動面１０５が、軸３９の転動面３５に当て付けられて保持され、この軸３９の転動面３５を中心とした円形の移動運動の形で運動させられ、これによって、軸３９を回転させる。駆動リング１のｘ変位もしくはｙ変位の相対的な位相位置によって回動方向が規定され、制御周波数によって回動速度が規定される。

最も簡単な事例では、力伝達が駆動リング１から軸３９に摩擦によって行われる。この場合、このように形成された作動駆動装置の、軸３９に作用する負荷トルクに相俟って、スリップが生ぜしめられ得る。これによって、作動駆動装置の精度が低下させられる。スリップは、特に駆動リング１の内面１０５と軸３９の外面３５とに歯列が形成されることによって、有利には駆動リング１の転動面と軸３９の転動面との間への形状接続部の導入により減少させられる。この場合、駆動リング１と軸３９とは、有利には少なくとも１つの歯数差を有している。これは、駆動リング１の内面１０５の歯列が、軸３９の外面３５の歯列よりも少なくとも１つ多い歯を有していることを意味している。歯列が係合から解除されないように、駆動リング１と軸３９とが作動駆動装置の内部で運転される場合には、作動駆動装置が理想的にスリップなしに作業する。

駆動リング１と軸３９とのサイクロイド歯列が特に有利であると見なされる。このサイクロイド歯列では、全ての歯のほぼ半分が噛み合わされている。これによって、駆動リング１と軸３９との間で高いトルクが伝達可能となる。駆動リング１の内面１０５と軸３９の外面３５とに位置する歯の個数を介して、まず、作動駆動装置の変速比が規定されている。この変速比は、典型的には、２０：１〜２００：１の範囲内に位置している。作動駆動装置を歯１つ分だけさらに作動させる、すなわち、軸３９を駆動リング１によって歯１つ分さらに回動させるためには、有利には、作動駆動装置の制御正弦波信号の完全な一周期が経過されなければならない。更なる作動のためには、歯１つ分、制御信号の１サイクルが経過されなければならないので、作動駆動装置は、高い精度と、高い繰返し精度とによって特徴付けられる。さらに、歯の個数と、歯ごとの制御信号の１サイクルの使用とを介して、作動駆動装置の高い角度分解能が実現される。これに対して補足的には、制御信号の一周期の範囲内で任意に補間が行われてよく、これによって、作動駆動装置のマイクロステップ運転が保証される。したがって、作動駆動装置は、有利な構成によれば、高い効率、高い変速比、駆動リング１と軸３９との歯列に基づく伝達可能な高いトルク、このトルクの伝達時のノンスリップ、軸３９の１つの歯の範囲内での回動角の任意の補間（マイクロステップ運転）、僅かな駆動トルク変動（リプル）および駆動リング１と軸３９とに対する低い歯側面負荷を提供し、これによって、同じく摩耗が減少させられる。

１ 駆動リング
２ リング孔
３ａ，３ｂ 固定部
４ａ，４ｂ 固体ジョイント
５ａ，５ｂ 第１の脚部
６ａ，６ｂ 固体ジョイント
７ａ，７ｂ 角隅エレメント
７．１，７．２ ピン
８ａ，８ｂ 固体ジョイント
９ａ，９ｂ 第２の脚部
１０ａ，１０ｂ 固体ジョイント
１１ フレーム
１２ 補強部
１３ 補強部
１４ 補強部
１５ａ，１５ｂ 収容体
１６ａ，１６ｂ 固体ジョイント
１７ａ，１７ｂ 押圧・引張バー
１８ａ，１８ｂ 固体ジョイント
１９ａ，１９ｂ 撓み変換器
２０ スペーサ
２１ 貫通孔
２２ 固体ジョイント
２３ 切欠き
２４ 周方向縁部
２５ 周方向溝
２６ 支承孔
２７ 端面
２８ 支承ブロック
２９ 支承孔
３０ 孔
３１ 面
３２ 面
３３ 滑り支承面
３４ 滑り支承面
３５ 転動面
３６ａ，３６ｂ 屈曲エレメント
３８ 側面
３９ 軸
１０１ 滑り面対
１０２ 滑り面対
１０３ クリップばね
１０５ 転動面

Claims (17)

1. 電気機械的なモータにおいて、
   ・２つの電気機械的な駆動エレメント（１９ａ，１９ｂ）が設けられており、両駆動エレメント（１９ａ，１９ｂ）が、互いにほぼ垂直に方向付けられた作用方向を有しており、
   ・駆動リング（１）内に回動可能に支承された軸（３９）が設けられており、駆動リング（１）が、各作用方向への電気機械的な駆動エレメント（１９ａ，１９ｂ）の変位によって励起可能であり、これによって、軸（３９）に直接伝達可能な移動運動が生ぜしめられるようになっており、これによって、軸（３９）が、駆動リング（１）内で転動し、これによって、回転するようになっているのに対して、
   ・駆動リング（１）に、両作用方向に関して対角線方向で反対の側に位置する２つの固定部（３ａ，３ｂ）が設けられており、両固定部（３ａ，３ｂ）につき、駆動リング（１）が、ほぼ直角なそれぞれ１つの屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）を介して、それぞれ１つの位置固定エレメント（１２，１４）にフレキシブルに懸架されており、屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）の脚部（５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ）が、それぞれその両端部に向かって、それぞれ１つのジョイントを有しており、
   ・駆動リング（１）を取り囲むように、ほぼ直角に形成されて両作用方向に対して平行に方向付けられた枠組みを補う４つの脚部（５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ）を備えた屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）が、以下のように、すなわち、各固定部（３ａ，３ｂ）が、各屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）によって、枠組みにおいて対角線方向で反対の側に配置された位置固定エレメント（１２，１４）に結合されているように配置されており、
   ・屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）が、それぞれ１つの角隅エレメント（７ａ，７ｂ）を有しており、該角隅エレメント（７ａ，７ｂ）相互の間隔が、強制手段によってコンスタントに保持されており、これによって、駆動リング（１）が、移動可能であるものの、ねじり不能に懸架されていることを特徴とする、電気機械的なモータ。
2. 駆動リング（１）の平面に対して平行に、バーまたはブラケットとして形成された少なくとも１つのスペーサ（２０）が配置されており、該スペーサ（２０）の端部が、屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）の角隅エレメント（７ａ，７ｂ）に剛性的に結合されている、請求項１記載の電気機械的なモータ。
3. 角隅エレメント（７ａ，７ｂ）が、少なくとも片側に、駆動リング（１）の平面に対して垂直に配置されたそれぞれ１つのピン（７．１，７．２）を有しており、それぞれ貫通孔（２１）によって各角隅エレメント（７．１，７．２）の各ピン（７．１，７．２）に結合可能である端部を備えたスペーサ（２０）が、駆動リング（１）によって駆動される軸（３９）を非接触的に貫通案内するための切欠き（２３）を有している、請求項２記載の電気機械的なモータ。
4. 屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）の脚部（５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ）が、それぞれ１つの固体ジョイント（４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂ）によって、それぞれ固定部（３ａ，３ｂ）と、角隅エレメント（７ａ，７ｂ）と、位置固定エレメント（１２，１４）とに結合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
5. 固体ジョイント（４ａ，４ｂ，６ａ，６ｂ，８ａ，８ｂ，１０ａ，１０ｂ）が、それぞれ短い区分での屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）の脚部（５ａ，５ｂ，９ａ，９ｂ）の横断面先細りによって形成されている、請求項４記載の電気機械的なモータ。
6. 位置固定エレメント（１２，１４）が、機械的に剛性的なほぼ方形のフレーム（１１）の、対角線方向で反対の側に位置する角隅部に固定されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
7. フレーム（１１）が、前記電気機械的なモータのハウジングの一部として形成されている、請求項６記載の電気機械的なモータ。
8. 電気機械的なモータの２つの電気機械的な駆動エレメント（１９ａ，１９ｂ）が、撓み変換器である、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
9. 前記撓み変換器が、圧電式の撓み変換器である、請求項８記載の電気機械的なモータ。
10. 撓み変換器（１９ａ，１９ｂ）が、それぞれその運動端部に連結された、所属の撓み変換器の作用方向に対してほぼ平行に配置された引張・押圧バー（１７ａ，１７ｂ）を介して駆動リング（１）に枢着されており、引張・押圧バー（１７ａ，１７ｂ）が、それぞれその各両端部に向かって固体ジョイント（１６ａ，１６ｂ，１８ａ，１８ｂ）を有しており、それぞれ１つの撓み変換器（１９ａ，１９ｂ）と、所属の引張・押圧バー（１７ａ，１７ｂ）とが、角隅部を介して駆動リング（１）の２つの側面（３８）または半部に沿って配置されている、請求項８または９記載の電気機械的なモータ。
11. 駆動リング（１）と、屈曲エレメント（３６ａ，３６ｂ）と、位置固定エレメント（１２，１４）とが、一体にプラスチック射出成形技術で製造された駆動モジュールを形成しており、撓み変換器（１９ａ，１９ｂ）が、駆動モジュール材料の射出成形により駆動モジュールに一緒に組み込まれている、請求項８または９記載の電気機械的なモータ。
12. ほぼ直方体状のハウジングが設けられており、該ハウジングが、底エレメントと蓋とを備えており、底エレメントに、当付け面（２７）と第１の支承孔（２６）とを備えた中央の支承ブロック（２８）が設けられており、蓋に、軸（３９）に対する第２の支承孔（２９）が設けられており、位置固定エレメント（１２，１４）が、ハウジング角隅部に配置されていて、そこに固定されているかまたは組み込まれており、これによって、軸（３９）の少なくとも１つの円筒状の転動面（３５）が、駆動リング（１）のリング孔（２）の所属の転動面（１０５）で転動するようになっている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
13. 軸（３９）が、ディスク状の中間片を備えて形成されており、該中間片の第１の環状の端面が、支承ブロック（２８）に載置しており、中間片の周面が、軸（３９）の円筒状の転動面（３５）を形成している、請求項１２記載の電気機械的なモータ。
14. ｚ方向での軸（３９）の軸線の位置固定を確保するために、軸（３９）を貫通させるための孔（３０）を備えたクリップばね（１０３）が設けられており、該クリップばね（１０３）が、一方では、軸（３９）のディスク状の中間片の第２の環状の端面に支持されていて、他方では、蓋の載着時に該蓋の一方の面に支持されており、これによって、軸（３９）の回動が、著しく妨害されないようになっている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
15. 形状接続的な力伝達のために、駆動リング（１）のリング孔（２）の内面（１０５）と、軸（３９）の所属の転動面（３５）とに歯列が形成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
16. 前記歯列が、サイクロイド歯列である、請求項１５記載の電気機械的なモータ。
17. 前記電気機械的なモータが、圧電式のマイクロステッピング駆動装置である、請求項１から１６までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。

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