JP5130356B2 - 電気機械的なモータ、特に圧電式のマイクロステップ駆動装置 - 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、デザインと技術の最良の協調が実現されるように努められている。この場合、運転者の視野には、種々様々な指示計器が配置されている。これらの指示計器は、種々様々な技術的要求を満たさなければならず、かつ、自動車の大量生産のために競争し得る価格も備えていなければならない。このような指示計器のための一例は、ジーメンスＶＤＯ社の「メスヴェルク（Messwerk）２０００」である。

「メスヴェルク２０００」は、１段のウォーム歯車伝動装置により減速されるステップモータ駆動装置をベースとしている。４極のステップモータは、位相角度において互いに９０°だけ位相がシフトされた２つのサイン曲線状のコイル電流経過により、時間の関数として制御される。位相シフトの正負符号は、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。サイン曲線状の電流経過の３６０°の完全な一周期の範囲では、１２８の中間段階まで再現可能に調節される。このような中間段階の利用はマイクロステップ動作として記載される。

上述した特徴を有するステップモータを備えた完全な作動駆動装置「メスヴェルク２０００」は、１２の個別部分から成っている。ステップモータ自体は、１つの共通のステータ薄板と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。構成部分コストに関してはコイルと永久磁石とは最もコストがかかる。コストに関して重要であるのは、材料コストの他に、製造コストでもあって、製造コストは、作動駆動装置の構成部分数にほぼ比例して増加する。

ＥＰ１０９８４２９Ｂ１号明細書により、新しいモータ原理、即ち、回転するコイルなしで働く電気機械的なモータが公知である。このモータでは、運転中に、少なくとも２つの電気機械的な駆動部材の時間的にずらされた操作により、駆動リングが回転するように摺動され、これにより、駆動リングから、特に駆動リングの内側に存在する軸への直接的な力伝達により軸が回転される。駆動リングの回転する摺動運動は、例えば圧電式、磁歪式、電歪式、又は電気力学的に駆動されるアクチュエータにより発生され、これにより材料コストと製造コストに関して、大量生産により適した作動駆動装置が実現される。圧電アクチュエータは駆動リングに、その各行程が、駆動リングに対して半径方向に作用するように取り付けられ、場合によっては、駆動リングへの可能な対称的な力の導入を得るためにさらに別の措置が講じられる。

上記の技術的な状況下では、確かに、機能に関して最適化された駆動装置が、最良の等速特性（軸の瞬間的な位置に依存しない回転速度の一定性）を持って、トルクの変動なしに得られる。しかしながらこの場合、湾曲アクチュエータの特に長手方向の延在と半径方向の配置は、扁平な駆動装置の構成が、平面において著しい所要スペースを要し、コンパクトではなくなるという結果を伴う。しかしながらコンパクトで扁平な駆動装置は、コックピット機器における極めて狭い構成スペース特性に基づき是非とも必要とされる。

本発明の課題は、部品数、製造の手間、所要スペース、機能性に関して最良化されたステップ駆動装置、特に、コックピット機器の測定機構のために小さな作動駆動装置を提供することである。

この課題は、請求項１に記載した、電気機械的なモータ、特に圧電式のマイクロステップモータにより解決された。本発明の有利な構成及び改良形は、以下の明細書、図面、従属請求項に記載されている。

本発明による電気機械的なステップ駆動装置は、以下の特徴を有している。即ち、互いにほぼ垂直に向けられた作用方向を有する２つの電気機械的な、有利には圧電式の駆動部材（アクチュエータ）が設けられており、駆動リング内に回転可能に支承された軸が設けられており、この場合、該軸は、駆動リングが、圧電式の駆動部材の各作用方向への変位により、軸に直接伝達可能な摺動運動を行うように励起可能であり、これにより軸が駆動リング内で転動し、これにより軸が回転するように支承されている。さらに、駆動リングが、互いに平行、かつ前記両作用方向のうち一方の作用方向に対して平行な２つの引張・押圧ロッドを介してダイアゴナルバーの端部に結合されており、前記引張・押圧ロッドはそれぞれ両端部に向かってそれぞれジョイントを有しており、これにより駆動リングはダイアゴナルバーに対して相対的に、せん断の形で、前記両作用方向の他方の作用方向、即ち、前記両引張・押圧ロッドに対して垂直方向に摺動可能である。さらに、少なくとも所定の区分で両作用方向に対して傾斜して延びているダイアゴナルバーの互いに正反対側に位置する端部が、それぞれ、前記他方の作用方向に対して平行な引張・押圧ロッドによって、各位置固定エレメントに結合されており、前記引張・押圧ロッドは両端部にそれぞれジョイントを有しており、一方の引張・押圧ロッドの位置固定エレメントと、他方の引張・押圧ロッドの前記ダイアゴナルバーへの結合個所とが、又は、他方の引張・押圧ロッドの位置固定エレメントと、一方の引張・押圧ロッドの前記ダイアゴナルバーへの結合個所とが互いにそれぞれ、前記一方の作用方向に対してほぼ平行な線に沿って向かい合って位置しており、これによりダイアゴナルバーが、位置固定エレメントに対して相対的に前記一方の作用方向で摺動可能である。

本発明によるリング状懸架装置は、（駆動リングを部分的に取り囲む）２つの作用方向のうち一方の作用方向のための平行懸架装置を、前記一方の作用方向に対して垂直な他方の作用方向のためのダイアゴナル懸架装置に組み合わせており、エレメント若しくは部分の特別な枢着的な結合に基づき互いに相対的な所望の運動性を可能にする。ダイアゴナルバーへ駆動リングを結合する構造を、ケーシング又はケーシングに機械的に剛性的に結合された部分へダイアゴナルバーを結合する構造に組み合わせた結果、駆動リングは、ケーシングに対して相対的にｘ−ｙ平面においてほぼ力がかけられずに各方向に摺動可能であるが、ねじれ剛性的に支承されている。構造全体はこの場合、接線状の運動機構と言える。特に注目に値するのは、本発明によるリング状懸架装置若しくはｘ−ｙ運動機構の極めて扁平な構成である。このような構成では駆動リングの平面に対して平行に配置すべきエレメント、例えばスペーサを省くことができる。

駆動リングに加えられる各トルクは、接線状の運動機構によりケーシングに伝達され、この場合、リングは殆ど回転しない。その結果、先行技術とは異なり、もはや、リング孔の中心点に関して、湾曲アクチュエータにより加えられる力の駆動リングへの半径方向の力の導入に注意する必要はない。何故ならば、半径方向ではない、偏心的な力の導入により発生させられるトルクが、駆動リングへ、接線状の運動機構及びケーシングによりほぼねじれなしに吸収されるからである。これにより、特に駆動リングの側面に沿って、即ち、例えば（外方に向かって）直角な駆動リングの、角隅にわたって配置された２つの面に対して平行に、駆動エレメントの省スペースな配置が可能である。これにより極めてコンパクトかつ省スペースなステップ駆動装置の構成が実現可能である。本発明によるステップ駆動装置はさらに、極めて僅かな数の単純な構成部品を特徴とする。これにより、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る熱膨張性に基づき生じる、駆動装置の熱的な狂いを構造的に確実に補償することができる。例えば、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り、本発明による駆動装置の極めて高い調節精度が、純粋な制御運転において得られ、センサや制御回路は必要としない。

本発明によれば、コンパクト性の最適化のために、完全に対称的な駆動リングへの力の導入は必ずしも必要ない。機能に関して、場合によってはこれにより生じる結果、例えば僅かな等速性変動とトルク変動とは、さらなる手段により、顧客の仕様を引き続き維持する程まで減じられる。特に、小さな回転数の変動（目標値からのずれ）は、純粋なサイン曲線経過を調節する、駆動エレメントの制御により補償される。

本発明の特に有利な構成では、引張・押圧ロッドの前記ジョイントが、それぞれ、固体ジョイントとして形成されている。固体ジョイントはそれぞれ、引張・押圧ロッドの短い区分における横断面減少部によって形成されている。これは特に、製造技術的に有利である。

接線状の運動機構の形状的な実現に関しては、前記一方の作用方向に対して平行に配置された引張・押圧ロッドが、駆動リングの互いに向かい合って位置する面に沿って配置されていて、駆動リングの各補強部に結合されており、該補強部は、駆動リングの、ダイアゴナルバーとは反対の側に配置されていると有利である。この場合さらに有利には、駆動リングとダイアゴナルバーとの間に配置された、前記他方の作用方向に対して平行な引張・押圧ロッドの長さが、前記一方の作用方向に対して平行に配置された両引張・押圧ロッドの間の間隔よりも短い。

接線状ロッドに関して有利な形状的な配置は、ダイアゴナルバーが、前記他方の作用方向に対してほぼ平行に配置された１つの中間部材と、該中間部材に向かって屈曲された２つの端部区分とから成っており、これらの端部区分は同じ回転方向で屈曲されており、これによりダイアゴナルバーの両端部は互いにほぼ正反対側に向かい合って位置していることにより得られる。

形状的に有利には、即ち、ほぼ製造技術的な観点で有利には、前記他方の作用方向に対して平行に配置され、ダイアゴナルバーの、駆動リングとは反対の面に沿って延びる引張・押圧ロッドを結合する位置固定エレメントが、ほぼ直角の、機械的に剛性的なフレーム部分に固定されている。

この構成の別の構成では、フレーム部分が、ステップ駆動装置のケーシング部分として形成されている。別の位置固定エレメントに関しては、前記他方の作用方向に対して平行に配置され、ダイアゴナルバーの、駆動リングとは反対の面に沿って延びる引張・押圧ロッドを結合する位置固定エレメントが、ステップ駆動装置のケーシングの底部部材及び／又はカバーに組み込まれていると有利であり、この場合、引張・押圧ロッドの、位置固定エレメントに結合するために設けられた端部に、位置固定エレメントに結合された端部材が設けられている。端部材は、これにより簡単に、リング状懸架装置のほぼ扁平な構造を壊さない、駆動リングの平面と、ケーシングのカバー又は底部部材との間の正確な結合を形成する。

２つの電気機械的な駆動部材を、特に有利には、湾曲アクチュエータ、有利には圧電式の湾曲アクチュエータとして形成することができる。

このような圧電式のセラミック材料を主体とした固体湾曲アクチュエータは、数年来、種々様々な構成形式で多方面の工業において使用されている。このような湾曲アクチュエータは、小さな構成形状、低い所要エネルギ、高い信頼性を特徴とする。従って、例えば、圧電式の湾曲アクチュエータは、工業界において少なくとも１０^９サイクルの耐用寿命を示している。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湾曲アクチュエータは典型的には、可動端部が、０．２ｍｍ〜２ｍｍの範囲の自由な変位を行えるように設計されている。さらに、湾曲アクチュエータの自由な可動端部の変位をロックする場合には、ロック力は０．５Ｎ〜２Ｎの範囲で得られる。湾曲アクチュエータのほぼ直線的な変位は、それぞれ、湾曲アクチュエータの最大の長手方向延在に関して横方向に行われる。従って、湾曲アクチュエータの作用方向に相応する変位の方向は、湾曲アクチュエータの長手方向軸線に対してほぼ直交方向である。

本発明によるステップ駆動装置の特にコンパクトな構成は、駆動リングの補強部に、前記一方の作用方向若しくは前記他方の作用方向に対して平行に配置され、駆動リングの一方の面に沿って延びる引張・押圧ロッドが結合されていて、該引張・押圧ロッドは、両端部に向かってそれぞれ１つの固体ジョイントを有しており、補強部とは反対側の端部にそれぞれ、各引張・押圧ロッドに対して垂直に配置され、駆動リングの一方の面に沿って延びる湾曲アクチュエータの可動端部が連結されていることにより得られる。電気機械的な、有利には圧電式の両駆動エレメントを駆動リングにこのようにせん断フレキシブルに枢着することにより、駆動エレメントの運動方向が互いに分離されるという利点が得られる。これにより、駆動エレメントの運動は全く又は殆ど妨げられない。即ち、力が導入される際に、損失エネルギは生じない。さらに、このような構成による湾曲アクチュエータの配置若しくは枢着は、極めて省スペース的である。

湾曲アクチュエータを有した別の構成では、少なくともフレーム部分と、駆動リングと、引張・押圧ロッドと、ダイアゴナルバーとが、プラスチック射出成形技術により一体的に製造される駆動モジュールを形成しており、湾曲アクチュエータが前記駆動モジュールと一緒に射出成形により形成されていると有利である。射出成形技術における駆動モジュールの構成は、簡単かつ安価であって、湾曲アクチュエータを射出成形作業工程に入れることにより、製造ステップの数をさらに減じることができる。

駆動モジュールの剛性的な支承若しくは所属の軸の回転可能な支承のために有利には、ほぼ矩形のケーシングに底部部材とカバーとが設けられており、底部部材においては、中央の軸受ブロックに当接面と、第１の軸受孔とが設けられており、カバーにおいては、軸のための第２の軸受孔が設けられており、位置固定エレメントが、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に設けられた対応する転動面において転動することができるように、ケーシングに配置され、ここに固定され、または組み込まれている。

本発明の有利な構成を、図面につき詳しく説明する。

本発明によるステップ駆動装置のための、ケーシングフレームに固定された駆動モジュールの構成を示す平面図である。 図１Ａに対応する斜視図である。 図１の駆動モジュールに湾曲アクチュエータが挿入された状態を示す平面図である。 図２Ａに対応する斜視図である。 ｘ方向に変位した駆動リングを有する駆動モジュールを示した平面図である。 ｙ方向に変位した駆動リングを有する駆動モジュールを示した平面図である。 軸と駆動モジュールを支承するためのケーシング底部部材を示した平面図である。 図４Ａに対応する斜視図である。 図１若しくは図４のケーシングに適合するカバーを示した平面図である。 図５Ａに対応する斜視図である。 Ｕ字形ばねを示した平面図である。 図６Ａに対応する斜視図である。 本発明によるステップ駆動装置のための軸を示した平面図である。 図７Ａに対応する斜視図である。 ケーシングに入れられた駆動装置を組み付けられた状態で示すｚ軸線に沿った軸方向断面図である。

本発明によれば、圧電式ステップモータであって、湾曲アクチュエータ（Biegewandler／湾曲変換器）の適当な周期的な直線運動の重畳により、継続的かつ均一な回転を行わせることができるステップモータが提供される。この目的で、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂ（図２参照）は、ｘ−ｙ平面での移動性を保証するリング懸架装置によって、扁平な駆動リング１に、駆動リング１が、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂ（図２参照）の互いに垂直な作用方向ｘ，ｙに沿って変換可能であるように連結されている。前記リング懸架装置では、本発明による接線方向運動学が実行される。（フレーム部分８に組み込み可能な）固定エレメント１２と、駆動リング１とダイアゴナルバー４と、引張・押圧ロッド３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ，１１ａ，１１ｂと、場合によっては組み込まれた湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂとから主として成っているユニットは以下で、「駆動モジュール」と記載する。駆動モジュールは射出成形技術により、ポリエチレン、射出成形プラスチック、ＰＯＭ又は他の適当な材料により製造することができる。

図１は、駆動モジュールのほぼ扁平な、従って、単純に製造可能な構造を平面図と斜視図で示している。まず、この駆動モジュールは、円筒状のリング孔２を有している駆動リング１から成っている。この駆動リング１の円筒状のリング孔２の軸線は例えば、ｘ−ｙ平面が図平面に平行に延びているカルダン座標系のｚ軸と一致している。駆動リング１は例えば直角に形成されていて、（外側の）縁部若しくは面１４は、駆動エレメント１９ａ，１９ｂの、互いに垂直な両作用方向に対して平行に向けられている。駆動リング１は、２つの互いにほぼ平行に延びる、長手方向でｘ方向に対してほぼ平行に向けられている引張・押圧ロッド３ａ，３ｂによって、機械的に十分剛性的なダイアゴナルバー４に結合されている。引張・押圧ロッド３ａ，３ｂの駆動リング１及びダイアゴナルバー４への結合は、いわゆる固体ジョイント５によって行われる。固体ジョイント５により、通常のジョイントと同様に（しかしながら、限られた角度範囲内でのみ、遊びなしに）、接続されたエレメントの互いに相対的なほぼ妨げられることのない回転が可能である。その機能は湾曲原理に基づくものである。短い区分においてロッド横断面を所望のように減じることにより局所的な湾曲が得られる。ロッド横断面を減じることにより曲げ剛性が著しく減じられる。横断面減少部が極めて局所的であるので、ロッドの軸方向のばね定数（剛性）は殆ど減じられない。横断面減少は、（板の）平面で、及び／又は板平面に対して垂直な狭隘部として行われる。軸方向の剛性、曲げ剛性、並びに局所化の程度及び作動駆動装置の機能及び製造可能性へのその影響に関する固体ジョイントのジオメトリ的な構成は、その都度の使用例に関して、例えば有限要素法によって最適化することができる。

ロッドエレメント３ａ，３ｂの対になった互いにほぼ平行及びｘ軸に対して平行に延びる配置は、機械的に十分剛性的な駆動リング１及び機械的に十分剛性的なダイアゴナルバー４との固体ジョイント５による結合とのコンビネーションにより、駆動リング１が、比較的容易に（即ち、ほぼ力をかけずに）ダイアゴナルバー４に対して相対的に、ｙ方向でのせん断の形で摺動することができるという結果が生じる。このような構造は、駆動リング１のねじれ及び、ダイアゴナルバー４に対して相対的なｘ方向での駆動リング１の摺動に対しては極めて高い抵抗を与える。

ダイアゴナルバー４の正反対にある両端部は、互いにほぼ平行に延び、長手方向でｙ方向に対してほぼ平行に向けられた、引張・押圧ロッド６ａ，６ｂによって、ステップ駆動装置のケーシングに結合されている。ロッド６ａの場合、ケーシングとの結合は例えば、ロッド６ａに対して部分的に垂直に延びるロッド６ａの端部材７を介して行われ、この端部材７は、ケーシングの底部材及び／又はカバー部材（図示せず）に機械的に十分剛性的に、摩擦接続的又は形状接続的に、例えばプレス嵌め、ピン結合、溶接、接着等により結合されている。ロッド６ｂは、ダイアゴナルバー４への結合部とは反対側の端部でフレーム部分８に結合されている。フレーム部分８は、ケーシング（さらに後で図８に示す）と統一的な構成部分であっても良いし、又は十分な剛性でケーシングに結合されていても良い。フレーム部分８、端部材７若しくはダイアゴナルバー４への、機械的に剛性的な引張・押圧ロッド６ａ，６ｂの結合も同様に固体ジョイント５によって行われる。

ロッド６ａ，６ｂの結合個所がダイアゴナルバー４の互いに反対側の端部に位置しており、一方のロッドのケーシング（又は、このケーシングに剛性的に結合された構成部分）への結合部が、他方のロッドのダイアゴナルバー４への結合部と（ｙ座標で）ほぼ同じ高さに位置していて、ロッドエレメント６ａ，６ｂの４つ全ての端部での結合が固体ジョイント５によって行われている、互いに対のｙ軸に対してほぼ平行なロッド６ａ，６ｂの配置により、ダイアゴナルバー４は、殆ど抵抗なしに（即ちほぼ力なしに）ケーシングに対して相対的にｘ方向で摺動することができる。このような構造は、ダイアゴナルバー４のねじれ及びケーシングに対して相対的なｙ方向でのダイアゴナルバー４の摺動に対しては極めて大きな抵抗を与える。

駆動リング１をダイアゴナルバー４に結合する構造と、ダイアゴナルバー４をケーシング又はケーシングに機械的に剛性的に結合されている部分（例えば端部材７、フレーム部分８）に結合する構造とを組み合わせる結果として、駆動リング１は、ケーシングに対して相対的に、ｘ−ｙ平面でほぼ力をかけずに全方向で摺動可能にかつねじれ剛性的に支承されていることになる。駆動リング１にかかる全てのトルクは、駆動リング１を殆ど回転させずに、本発明による接線方向の運動機構によりケーシングに伝達される。リング懸架装置において引き起こされる変位は、約百ミクロメータの範囲でしか動かない。

フレーム部分８は、この実施例では、同時に駆動ケーシングの一部を形成し、場合によっては補強部１６，１７を（例えば角隅及び縁部で）有することができる。フレーム部分８は、作動駆動装置、特に位置固定部材１２の取り付けのために働き、空間において不動なものとして形成されている。図１にさらに示されているように、フレーム部分８の補強部１６，１７は、ストリップ状の電気機械的な（例えば圧電式の）湾曲アクチュエータのねじれ剛性的な固定のための受容部９ａ若しくは９ｂを有している。フレーム部分８には、湾曲アクチュエータの（フレーム部分８における）静止端部を電気的にコンタクトさせるための手段（図示せず）を設けることもできる（例えば圧入コンタクトピン、クランプコンタクト、Ｕ字形ばねコンタクト等）。選択的に湾曲アクチュエータは、可動の領域若しくは逆の可動端部で電気的に接続することもできる。

静止端部でフレーム部分８の受容部９ａ，９ｂに挿入される湾曲アクチュエータの可動の端部を受容するために、適当な受容体１０ａ，１０ｂが設けられている。これらの受容体１０ａ，１０ｂはそれぞれ順に、一方の固体ジョイント５、剛性的な引張・押圧ロッド１１ａ，１１ｂ、別の固体ジョイント５を介して駆動リング１に固定されている。

図２には挿入された固体・湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂを有した駆動モジュールが示されており、この湾曲アクチュエータは以下では単に略してアクチュエータと呼ぶ。図示した例の構成では、アクチュエータ１９ａ，１９ｂは、静止端部で機械的に剛性的にフレーム部分８に固定されていて、互いにほぼ直角に配置されている。フレーム部分８へのアクチュエータ１９ａ，１９ｂの結合の強度は、フレーム部分８の補強部１６，１７によって高めることができる。アクチュエータ１９ａ，１９ｂが電気的に起動制御されると、アクチュエータは湾曲運動を行う。この際に、アクチュエータ１９ａ，１９ｂの可動端部は、アクチュエータの長手方向の延在に対してほぼ垂直な方向の運動を行う。アクチュエータ１９ａ，１９ｂの運動方向は作用方向とも言える。

従って、湾曲アクチュエータ１９ａは電気的に起動制御されるとｘ方向で変位する、若しくは抵抗のもとでｘ方向の力を発生させる。この運動若しくは力は機械的に剛性的に、引張・押圧ロッド１１ａによって剛性的な駆動リング１に伝達される。湾曲アクチュエータ１９ｂは電気的に起動制御されるとｙ方向で変位する、若しくは抵抗のもとでｙ方向の力を発生させる。この運動若しくは力は機械的に剛性的に、引張・押圧ロッド１１ｂによって剛性的な駆動リング１に伝達される。引張・押圧ロッド１１ａ，１１ｂが、固体ジョイント５によって受容体１０ａ，１０ｂに、ひいては駆動リング１に結合されていることにより、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂは完全に互いに独立的に作用し、相互に影響を与えることはない。即ち特に、アクチュエータは、それぞれ他方の湾曲アクチュエータの比較的高い機械的剛性に抗して働く必要はない。即ち、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂの運動は連結されていない。

湾曲アクチュエータが電気的に起動制御されると、湾曲アクチュエータはほぼ円弧状に湾曲する。これにより湾曲アクチュエータの可動端部における湾曲線の接線傾斜が変化する。このような形の「回転運動」は固体ジョイント５によって確実に吸収される。同様に、例えば駆動モジュールに対して相対的な湾曲長さの変化（これは例えば、接線方向運動機構、ケーシング、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂの材料の異なる熱膨張により生じる）は、固体ジョイント５を備えた引張・押圧ロッド１１ａ，１１ｂによって確実に吸収される。この際、ロッド１１ａ，１１ｂは最小限に回転し、これによりロッドの力伝達機能若しくは距離伝達機能が著しく損なわれることはない。

図３Ａには、湾曲アクチュエータ１９ａの起動制御状態での接線方向運動機構の反応（変形）が示されていて、湾曲アクチュエータ１９ａはプラスのｘ方向に対して平行に変位している。ダイアゴナルバー４は、引張・押圧ロッド３ａ，３ｂによりプラスのｘ方向に摺動される。結果として、駆動リング１は、ねじれることなしに、アクチュエータ１９ａの可動端部のｘ方向運動にすぐに従動する。この際、ダイアゴナルバー４を懸架する構造は、必要なガイドとフレキシブル性とを保証する。ダイアゴナルバー４の端部が、「左上」から「右下」へ延びるもの、即ち、図１〜図８に示したのとは逆に、向かい合う選択的な構成も可能である。

図３Ｂには、湾曲アクチュエータ１９ｂの起動制御状態での接線方向運動機構の反応（変形）が示されていて、湾曲アクチュエータ１９ｂは、マイナスのｙ方向に対して平行に変位している。結果として、駆動リング１は、ねじれることなしに、アクチュエータ１９ｂの可動端部のｙ方向運動にすぐに従動する。この際、ダイアゴナルバー４にリング１を懸架する構造は、このために必要なガイドとフレキシブル性とを保証する。

総じて、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂは駆動リング１を、ケーシングに対して相対的にｘ方向若しくはｙ方向で完全に互いに独立的に動かす。リングのねじれは接線方向運動機構により阻止される。結果として、極めてコンパクトかつ扁平な駆動モジュールの構造が、少数の単純な構成部品により得られる。従ってこの駆動モジュールの製造も簡単である。駆動モジュールは例えば簡単かつ安価にプラスチック射出成形技術で形成することができ、特に有利には、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂは１つの作業工程で駆動モジュールと一緒に射出成形することができ、これにより製造ステップの数が減らされる。さらに、駆動リング１への湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂの結合部の構造は、エレメントの互いに相対的な長さ変更（これは例えば、使用される材料の異なる熱膨張性により生じる）を補償する。

駆動モジュールに結びついた接線方向運動学的な原理をステップモータにおいて実現するためには、さらに、軸と、この軸のための、できるだけ遊びのない、しかしながら回転可能な軸受と、駆動モジュールの剛性的な支承部が必要である。

図４には、ケーシングフレーム８との関連でこのために適した底部部材１８が示されている。底部部材１８は、駆動モジュールのフレーム部分８の周方向縁部と対になった周方向溝２５を有している。この周方向溝２５は、駆動モジュールに底部部材１８を装着する際に、軸受孔２６の孔軸線が、駆動リング１のリング孔２の軸線に一致することを保証する。軸受孔２６の直径は、軸３９の円筒状の滑動面（図８参照）と対を成している。これらは一緒に、軸３９のために、遊びがなく、かつ摩擦が少ない第１の回転軸受を成す。中央の軸受ブロック２８の端面２７は、軸３９のための当接面として働き、これにより、軸３９の転動面は、リング孔２と同じ高さに位置するようになる。

図５には、ケーシングフレーム８と底部部材１８とに適合するカバー２０が示されている。このカバー２０の下面には同様に周方向溝が設けられており、この周方向溝は、駆動モジュールのフレーム部分８の周方向縁部と対を成していて、これにより、カバー２０が駆動モジュールに装着された状態では、軸受孔２９の軸線がリング孔２の軸線に一致する。軸受孔２９の直径は、軸３９の円筒状の第２の滑動面に対して対を成していて、これらは一緒に、軸３９のために、遊びがなく、かつ摩擦の少ない第２の回転軸受を形成している（図７、図８参照）。

図６には適当なＵ字形ばね２１が示されている。このばね２１は、軸を貫通させるための孔３０を有しており、これにより、この軸が運転中に「移動」しないことが保証される。Ｕ字形ばね２１は、孔軸線の近傍の面３１を介して、接触線の形で軸３９に支持されていて、摩擦により生じる、軸３９に作用するブレーキトルクができるだけ小さく維持されるようにしている。大きく外側に位置する下面３２は、カバー面においてＵ字形ばね２１を支持するために働く。Ｕ字形ばね２１の力は、軸３９が全ての運転状態で確実に、底部部材１８の軸受ブロック２８の端面２７に確実に接触するが、軸３９の回転を妨げる大きな摩擦力は回避するようにできるだけ小さく維持されるように、十分に設定されている。このようにして、駆動リング１と軸３９の転動面が、全ての運転条件のもとで、十分正確にｚ方向で互いに位置固定を維持されることが保証される。

図７には適した軸３９が示されている。この軸３９は、軸受孔２９，２６の円筒状の内面と対を成す２つの円筒状の滑り軸受面３３，３４と、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と対を成す少なくとも１つの円筒状の転動面３５とを有している。面３３の軸方向の延長部は、ステップモータによって駆動したいその都度のエレメントを軸３９に接続するために働く。

図８には、組み付けられた状態の駆動装置の、ｚ軸に沿った軸方向断面図が示されている。図８により特に、駆動装置の構成部材の互いの位置が示されている。軸３９は２つの個所における狭い遊び嵌めの形で設けられた、滑動面対３２，２２と３４，２３に基づき、ｚ軸を中心に少ない摩擦で回転可能に、かつ、並進運動に対しては機械的に剛性的に支承されている。適当なＵ字形ばね２１は、当接面２７と協働して軸３９をｚ方向に関して、少ない摩擦で位置固定する。駆動モジュールは休止状態で、リング孔２の転動面２４を、軸３９の転動面３５に対して相対的に同心的に、かつ、適切なｚ方向の位置で保持する。

適当な電気的な起動制御機能により、湾曲アクチュエータ１９ａ，１９ｂはそれぞれ可動端部で、休止位置の周りでサイン曲線状若しくはコサイン曲線状の時間的経過を有する変位を行う。これにより、リング孔２の転動面２４は、軸３９の転動面３５への接触を維持されたまま、軸３９の転動面３５の周りで円形の摺動運動の形で動かされ、これにより軸３９が回転される。駆動リング１のｘ方向変位若しくはｙ方向変位の相対的な位相位置により、回転方向が規定され、制御周波数によって回転速度が規定される。

最も簡単な場合、駆動リング１から軸３９への力の伝達は摩擦を介して行われる。この場合、軸３９に作用する、このように構成された作動駆動装置の負荷トルクに応じて滑りが生じ、作動駆動装置の正確性は減じられる。滑りは有利には、駆動リング１と軸３９の転動面の間に形状接続部を形成することにより減じられ、特にこの場合、駆動リング１の内面２４と、軸３９の外面３５とに歯列が設けられる。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つの歯列の差を有している。これは、駆動リング１の内面２４に設けられた歯列が、軸３９の外面３５に設けられた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する。駆動リング１と軸３９とが、作動駆動装置の内側で、歯列が外れないように駆動されるならば、作動駆動装置では理想的には滑りが生じない。

駆動リング１と軸３９のサイクロイド歯列が特に有利である。サイクロイド歯列では、全ての歯のほぼ半分で係合しており、これにより駆動リング１と軸３９との間に高いトルクが伝達可能である。駆動リング１の内面２４と、軸３９の外面３５とに設けられた歯の数により、まず、作動駆動装置の減速比が規定され、これは典型的には２０：１〜２００：１の範囲にある。作動駆動装置を１つの歯の分だけさらに作動させるためには、即ち、軸３９を駆動リング１によって１つの歯の分だけさらに回転させるためには、有利には、作動駆動装置の起動制御されたサイン信号の完全な１周期が行われなければならない。１つの歯の分だけさらに作動させるためには、起動制御信号の１サイクルを行わなければならないので、この作動駆動装置は高い精度と、高い再現可能性を特徴とする。さらに、歯の数と、１つの歯についての起動制御信号の１サイクルの利用性によって、作動駆動装置の高い角度分解が実現される。これに対して補足的に、作動駆動装置のマイクロステップ運転を保証するために、起動制御信号の１周期内に任意に中間値を入れることができる。従って、作動駆動装置は、有利な構成によれば、高い効率、高い減速比、高い伝達可能なトルクを、駆動リング１と軸３９の歯列に基づき奏すことができ、トルク伝達の際には滑りが生じず、軸３９の１つの歯のうちに回転角度の中間値を任意に挿入することができ（マイクロステップ運転）、僅かな駆動トルク変動（リップル）と、駆動リング１と軸３９における低い歯列縁部の負荷とが得られ、これにより摩耗も減じられる。

Claims (18)

1. 電気機械的なモータであって、
   互いにほぼ垂直に向けられた作用方向を有する２つの電気機械的な駆動部材（１９ａ，１９ｂ）が設けられており、
   駆動リング（１）内に回転可能に支承された軸（３９）が設けられており、該軸（３９）は、駆動リング（１）が、電気機械的な駆動部材（１９ａ，１９ｂ）の各作用方向への変位により、軸（３９）に直接伝達可能な摺動運動を行うように励起可能であり、これにより軸（３９）が駆動リング（１）内で転動し、これにより軸が回転するように支承されており、
   駆動リング（１）が、互いに平行、かつ前記両作用方向のうち一方の作用方向に対して平行な２つの引張・押圧ロッド（３ａ，３ｂ）を介してダイアゴナルバー（４）の端部に結合されており、前記引張・押圧ロッド（３ａ，３ｂ）はそれぞれ両端部に向かってそれぞれジョイント（５）を有しており、これにより駆動リング（１）はダイアゴナルバー（４）に対して相対的に、せん断の形で、前記両作用方向の他方の作用方向に摺動可能であって、
   少なくとも所定の区分で両作用方向に対して傾斜して延びているダイアゴナルバー（４）の互いに正反対側に位置する端部が、それぞれ、前記他方の作用方向に対して平行な引張・押圧ロッド（６ａ，６ｂ）によって、各位置固定エレメント（１２）に結合されており、前記引張・押圧ロッド（６ａ，６ｂ）は両端部にそれぞれジョイント（５）を有しており、一方の引張・押圧ロッド（６ａ，６ｂ）の位置固定エレメント（１２）と、他方の引張・押圧ロッド（６ａ，６ｂ）の前記ダイアゴナルバー（４）への結合個所とが、又は、他方の引張・押圧ロッド（６ａ，６ｂ）の位置固定エレメントと、一方の引張・押圧ロッド（６ａ，６ｂ）の前記ダイアゴナルバー（４）への結合個所とが互いにそれぞれ、前記一方の作用方向に対してほぼ平行な線に沿って向かい合って位置しており、これによりダイアゴナルバー（４）が、位置固定エレメント（１２）に対して相対的に前記一方の作用方向で摺動可能であることを特徴とする、電気機械的なモータ。
2. 引張・押圧ロッド（３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ）の前記ジョイント（５）が、それぞれ、固体ジョイントとして形成されている、請求項１記載の電気機械的なモータ。
3. 固体ジョイント（５）がそれぞれ、引張・押圧ロッド（３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ）の短い区分における横断面減少部によって形成されている、請求項２記載の電気機械的なモータ。
4. 前記一方の作用方向に対して平行に配置された引張・押圧ロッド（３ａ，３ｂ）が、駆動リング（１）の互いに向かい合って位置する面（１４）に沿って配置されていて、駆動リング（１）の各補強部（１３，１５）に結合されており、該補強部は、駆動リング（１）の、ダイアゴナルバー（４）とは反対の側に配置されている、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. 駆動リング（１）とダイアゴナルバー（４）との間に配置された、前記他方の作用方向に対して平行な引張・押圧ロッド（６ａ）の長さが、前記一方の作用方向に対して平行に配置された両引張・押圧ロッド（３ａ，３ｂ）の間の間隔よりも短い、請求項４記載の電気機械的なモータ。
6. ダイアゴナルバー（４）が、前記他方の作用方向に対してほぼ平行に配置された１つの中間部材と、該中間部材に向かって屈曲された複数の端部区分とから成っており、これらの端部区分は同じ回転方向で屈曲されており、これによりダイアゴナルバー（４）の両端部は互いにほぼ正反対側に向かい合って位置している、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. 前記他方の作用方向に対して平行に配置され、ダイアゴナルバー（４）の、駆動リング（１）とは反対の面に沿って延びる引張・押圧ロッド（６ｂ）を結合する位置固定エレメント（１２）が、ほぼ直角の、機械的に剛性的なフレーム部分（８）に固定されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
8. フレーム部分（８）が、ステップ駆動装置のケーシング部分として形成されている、請求項７記載の電気機械的なモータ。
9. 前記他方の作用方向に対して平行に配置され、ダイアゴナルバー（４）の、駆動リング（１）とは反対の面に沿って延びる引張・押圧ロッド（６ｂ）を結合する位置固定エレメント（１２）が、ステップ駆動装置のケーシングの底部部材（１８）及び／又はカバー（２０）に組み込まれており、引張・押圧ロッド（６ａ）の、位置固定エレメントに結合するために設けられた端部に、位置固定エレメントに結合された端部材（７）が設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
10. ２つの電気機械的な駆動部材（１９ａ，１９ｂ）が、湾曲アクチュエータである、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
11. ２つの電気機械的な駆動部材（１９ａ，１９ｂ）が圧電式の湾曲アクチュエータである、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
12. 駆動リング（１）の補強部（１３，１５）に、前記一方の作用方向若しくは前記他方の作用方向に対して平行に配置され、駆動リング（１）の一方の面（１４）に沿って延びる引張・押圧ロッド（１１ａ，１１ｂ）がそれぞれ結合されていて、該引張・押圧ロッドは、両端部に向かってそれぞれ１つの固体ジョイント（５）を有しており、補強部（１３，１５）とは反対側の端部にそれぞれ、各引張・押圧ロッド（１１ａ，１１ｂ）に対して垂直に配置され、駆動リング（１）の一方の面（１４）に沿って延びる湾曲アクチュエータ（１９ａ，１９ｂ）の可動端部が連結されている、請求項４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. 少なくともフレーム部分（８）と、駆動リング（１）と、引張・押圧ロッド（３ａ，３ｂ，６ａ，６ｂ，１１ａ，１１ｂ）と、ダイアゴナルバー（４）とが、プラスチック射出成形技術により一体的に製造される駆動モジュールを形成しており、湾曲アクチュエータ（１９ａ，１９ｂ）が前記駆動モジュール内に射出成形により一緒に組み込まれている、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の電気機械的なモータ。
14. ほぼ直方体のケーシングに底部部材（１８）とカバー（２０）とが設けられており、底部部材（１８）においては、中央の軸ほぼ矩形のケーシングに底部部材（１８）受ブロック（２８）に当接面（２７）と、第１の軸受孔（２６）とが設けられており、カバー（２０）においては、軸（３９）のための第２の軸受孔（２９）が設けられており、位置固定エレメント（１２）が、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）に設けられた対応する転動面（２４）において転動することができるように、ケーシングに配置され、ここに固定され、または組み込まれている、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. 軸（３９）が、ディスク状の中間部材を有して形成されており、該中間部材の第１のリング状の端面は前記軸受ブロック（２８）に接しており、前記中間部材の周面は、軸（３９）の円筒状の転動面（３５）を形成している、請求項１４記載の電気機械的なモータ。
16. 軸（３９）の軸線のｚ方向で位置固定を保証するために、軸（３９）を貫通させるための孔（３０）が設けられたＵ字形ばね（２１）が設けられており、該Ｕ字形ばねは、一方では、軸（３９）のプレート状の中間部材の第２のリング状の端面に支持されており、他方では、カバーが載着された状態でカバーの一方の面に支持されていて、これにより軸（３９）の回転を殆ど妨げないようになっている、請求項１５記載の電気機械的なモータ。
17. 駆動リング（１）のリング孔（２）の内面（２４）と、軸（３９）の対応する転動面（３５）とに、形状接続的に力を伝達するために歯列が設けられている、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。
18. 前記歯列が、サイクロイド歯列である、請求項１７記載の電気的なモータ。

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