JP6492161B2 - アクチュエータデバイス - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載のアクチュエータデバイスおよび請求項９に記載の複数の該アクチュエータデバイスを有する配列に関する。

科学論文「Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｎｏｖｅｌ ｃｏｍｐａｃｔ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ ｆｏｒ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ」（Ｌａｓｅｒ ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ誌、１０巻（２０１３年）（０４５３０１）（７頁）から、８×８マトリックスの合計６４個のＰＺＴアクチュエータを有するアクチュエータデバイスが周知であり、この場合、アクチュエータデバイスは、レーザシステムのミラーを標的として変形させて、レーザビームの波面収差を補正するために配設される。上記アクチュエータデバイスの図１は、アクチュエータの配列もしくは取り付けの設計態様を詳細に示しており、この態様では、ばねおよび締め付けねじを使用してアクチュエータに圧縮予張力が付与される。アクチュエータのＰＺＴセラミックは非常に小さい引張応力でも損傷する可能性があるので、この圧縮予張力は、対応するアクチュエータが引張応力を受けるのを防ぐのに必要である。

この設計は、多数の個々の部品を有する複雑な構造であるために、組み立てが極めて複雑であり、アクチュエータデバイスが備えるアクチュエータの数が多くなるほど複雑になるので、不利である。個々のアクチュエータの下端のねじ接続部を介して接続線に電力を供給する必要があるので、組み立てはさらに難しくなる。また、使用される個々の部品は、比較的大きなスペースを占めるので、対応するアクチュエータデバイスの小型化はすぐに限界に達する。特に、圧縮ばねの対応する配置により、アクチュエータの設置面積の空間的な広がりは比較的大きくなり、その結果、隣接するアクチュエータ間の間隔（ピッチ）も比較的大きくなる。

アクチュエータデバイスを有する電気機械モータは、独国特許出願公開第１０２００６０３２９９５（Ａ１）号明細書から周知である。この電気機械モータでは、ばねストリップによる高圧縮力によって圧電アクチュエータに予張力が加えられるが、この場合、ばねストリップはモータの構造要素に締結される。組み立て時に（例えば、溶接方法による）、高い引張応力を受けるばねストリップの締結は、この場合、特に、アクチュエータデバイスが複数のアクチュエータと、それに対応して多数のバネストリップとを有する場合には、不利である。連続列で配置されるアクチュエータのアレイ配列にばねストリップを取り付けるのは、隣接アクチュエータによって全ての面が取り囲まれた内側のアクチュエータの場合、極めて難しい。

したがって、本発明の目的は、上記の先行技術で周知のアクチュエータデバイスの不利点を克服するアクチュエータデバイスを提供することである。特に、本発明の目的は、複数のアクチュエータを有するアクチュエータデバイスであって、簡単かつ迅速に製造することができ、隣接するアクチュエータ間の間隔が非常に狭い小型化を実現しやすいアクチュエータデバイスを提供することである。

上記目的は、請求項１に記載のアクチュエータデバイスによって達成される。従属請求項は、有利な実施形態および改良形態を少なくとも含む。

したがって、本発明は、電気的に作動可能で、長さを変更可能な少なくとも４つのアクチュエータ、特に、圧電アクチュエータを有するアクチュエータデバイスについて説明する。各々のアクチュエータは、別個に固有のハウジングを備えるので、個々のハウジングは別々に、互いに離間して配設される。本発明における「ハウジング」は、この場合、必ずしもアクチュエータを完全に囲むもしくは囲繞するとは限らず、少なくとも部分的に囲むもしくは囲繞する要素を指す。

各ハウジングは、共通の基部要素と一体化して、もしくは一部品として形成される。「共通の基部要素」とは、この場合、全てのハウジングが、全てのハウジングに共通の同一の基部要素に接続されることを意味する。機械的圧縮力は、ハウジングと一体的に形成されたばね状部分によりアクチュエータの特定の規定領域に加えられ、この場合、圧縮力の作用方向は、長手方向に平行、もしくはアクチュエータの長さ変化方向に平行に伸びる。

全てのハウジングが共通基部要素と一体的もしくは一部品として形成され、アクチュエータの確実な連続動作に必要な圧縮力を加えるばね状部分が各々のハウジングに一体的に形成される形態により、ハウジングはアクチュエータ自身より少しだけ大きい空間を占めるので、隣接するアクチュエータ間の間隔もしくはピッチが非常に狭い極めて小型のアクチュエータデバイスであり、同時に、組み立てが容易にかつ迅速に実行可能であるアクチュエータデバイスが実現される。さらに、このようなねじ接続部が全くない構造にすることにより、電気的作動のためにアクチュエータ上に設けられる接続線の処理、もしくは接続線による案内／電力供給は比較的簡単になる。本発明のアクチュエータデバイスでは、アクチュエータ自身の組み立てもしくはハウジング挿入も簡単であり、複雑でない。

好ましくは、各ハウジングは、少なくとも２つの隣接ハウジングによって囲まれ、特に好ましくは、隣接ハウジングが配置される向きは、互いに対して実質的に垂直である、もしくは９０°を成す。この文脈での「実質的に」は、角度がわずかに、すなわち、９０°から＋／−５％だけずれる可能性があることを意味する。

ばね状部分はハウジング内のスロットによって形成されるのが有利であることがわかる。この場合、スロットは、有利には、ハウジングの長手方向に垂直な方向に伸びる。これらのスロットは、ハウジング部分の必要とされる可撓性もしくはばね作用を確実に発生させ、残りのハウジング材料の対応する部分にはハウジング内のスロットによって中実状態の接合部が形成される。スロット以外に、同様にハウジング部分のばね作用を発生させるハウジング上の他の形態の凹部も考えられる。

ハウジングの少なくとも一部が開口部もしくは通路を有し、その中にアクチュエータを長手方向に、すなわち、直立状態で挿入する、好ましくは、押し込むことができるのが有利であることがわかる。このように、特に、２列より多いアクチュエータを有する場合に、アクチュエータデバイスを特に簡単に組み立てることができる。内側アクチュエータ、すなわち、アクチュエータのマトリックス配列の中央の近くもしくは中央に配置されるアクチュエータの挿入もしくは押し込みは、この場合、比較的簡単に行うことができる。

この場合、開口部もしくは通路は、アクチュエータを挿入もしくは設置する前の長手方向長さが挿入されるアクチュエータの長手方向長さよりわずかに短くなるように設計され、開口部もしくは通路の長手方向に対する横方向の長さは、開口部もしくは通路内に挿入されるアクチュエータとハウジングもしくは基部要素との間の間隔が０（ゼロ）にならないように寸法決めされる。このような開口部もしくは通路の形態にすることにより、アクチュエータを開口部もしくは通路に挿入した後、アクチュエータは２つの端面側で固定して締め付けられ、および／またはアクチュエータに圧縮応力が加わるが、アクチュエータの残りの側面は自由面であり、ハウジングに接触しない、またはハウジングから離間して配置される。

さらに、少なくとも１つのハウジングがアクチュエータによって移動もしくは変形される要素と直接的もしくは間接的に接触するために配設される接触要素を有するのが有利であることがわかる。

この場合、接触要素は、好ましくは、ねじ形状、さらに好ましくは、雌ねじ形状の保持ユニットを有するのが有利であることがわかる。このように、アクチュエータデバイスを簡単に組み立てることができるが、この場合、開口部／通路の長手方向長さはアクチュエータの長手方向長さより短いので、アクチュエータを挿入もしくは押し込むためにハウジングを長くする必要がある。雌ねじが設けられる場合、保持手段をねじ込むことができ、これにより、相当の引張力を非常に簡単にハウジングに加えることができる。

さらに、この場合、接触要素は、アクチュエータの長さ変化方向に対して横方向の力の発生を低減もしくは除去する分離部分を有するのが有利であることがわかる。また、横方向の力は、特に、アクチュエータが圧電セラミック材料である場合に損傷を生じさせやすい可能性がある。

最後に、この場合、接触要素はハウジングと一体的に形成されるのが有利であることがわかる。このようにして、極めて小型で組み立てやすい構造のアクチュエータデバイスが得られる。

さらに、本発明は、複数の上記アクチュエータデバイスを備える配列もしくはアレイ配列であって、隣接するアクチュエータデバイスが少なくとも部分的に接触した状態の配列もしくはアレイ配列に関する。このようにして、互いに近接して配置された多数のアクチュエータを有する配列もしくはアレイが、簡単かつ組み立てやすい方法で実現される。特に好ましくは、隣接するアクチュエータデバイスは、基部要素の平面もしくは側面で接触する。

この場合、アクチュエータデバイスはそれぞれ、基部要素を介して基板に接続されるのが有利である。アクチュエータデバイスは、各々のハウジングもしくはハウジングの一部のみ、または個々の接触要素のみのいずれかが基板から突出するように、基板に埋め込まれる、もしくは挿入されるのが特に有利である。

図面は、概略図であり、正確な縮尺で示されていない。

本発明のアクチュエータデバイスの一実施形態を示した図である。 図１の本発明のアクチュエータデバイスの配列の一実施形態を示した図である。 図２の配列を別の角度で示した図である。 本発明のアクチュエータデバイスの別の実施形態を示した図である。 図４の本発明のアクチュエータデバイスの配列の一実施形態を示した図である。 図５の配列を別の角度で示した図である。

図１は、合計９個のアクチュエータ２と、それに対応して９個のハウジング３であって、アクチュエータを囲むハウジングとを有する３×３のマトリックス配列の本発明のアクチュエータデバイス１の可能な一実施形態を示した図である。この場合、個々のハウジング３は、共通の基部要素４と一部品として、もしくは一体的に形成される。基部要素および個々のハウジングは、この場合、金属材料から成る。他の材料、例えば、プラスチック、特に、強化プラスチックを使用することも可能である。

ハウジングの形状もしくは構造は、エロージョン方法によって実現される。この場合、ばね作用を有するハウジング３の部分５には、互いに並行に配置される長楕円形スロットもしくは凹部６が形成され、スロットもしくは凹部それぞれは、ハウジングの長手方向に対して横方向に伸びる。この場合、スロットの周囲領域にあるハウジングの残りの材料は、中実状態の接合部を形成し、このことにより、対応するハウジング部分の規定の可撓性もしくはばね作用が確実に生じる。同じようにハウジング部分の所望のばね作用を発生させる別の形状の凹部もしくは切り込み、例えば、楕円形もしくは骨型の凹部もしくは切り込みも考えられる。

各ハウジング３は、ハウジング通路７を有し、各々に圧電アクチュエータが挿入される。この場合、個々のアクチュエータは、端面を形成する最小面積の側面で、ハウジングの対応する内側もしくは内面と接触している、またはハウジングの対応する内側もしくは内面で支承される。一方、該アクチュエータは、反対側に配置され、同様に端面を形成する他の最小面積の側面で、基部要素の対応面と接触している、または同様に基部要素の対応面で支承される。このように、アクチュエータの残りの側面はどれもハウジングもしくは基部要素の面と接触せず、アクチュエータの長さ変化が妨げられることはない。

通路７の長手方向長さは、アクチュエータの挿入前は、挿入されるアクチュエータの長手方向長さより規定絶対値だけ短く、アクチュエータを通路に挿入した後、圧縮応力がアクチュエータに加わるが、圧縮応力は、実質的には、ハウジングの実施形態および基部要素およびハウジングの既定の材料の影響を受ける。したがって、ハウジングに形成されるスロットもしくは凹部の特定の場所もしくは配置および形状、そして通路７の長手方向長さと通路に挿入する前のアクチュエータの長手方向長さとの差によって、規定の範囲に圧縮予張力を発生させることができる。

アクチュエータの設置面積は、３×３ｍｍ^２であるが、ハウジングの設置面積は５×５ｍｍ^２である。隣接するハウジング間の間隔は、０．５ｍｍである。上記寸法もしくは間隔は、変更可能であり、特に、アクチュエータデバイスを小型化するためにさらに小さくすることができる。この小型化は、下限を有するアクチュエータの寸法もしくはアクチュエータの断面積によってのみ制限される。

各々のハウジングには、ハウジング３と一部品として、もしくは一体的に形成される接触要素８が自由端に設けられる。しかし、例えば、接着剤、はんだ付け、もしくは溶接によって材料接着することにより接触要素をハウジングに接続することも可能である。各々の接触要素は立方体形状であるが、例えば、ピン形状もしくはキノコ形状のような他の幾何学的形状も考えられる。

このタイプの接触要素の形態では、例えば、個々のアクチュエータを個々のハウジング通路に組み合わせた後に、平面研削工程により個々の接触要素間の高さの差を容易に解消することができる。

各々の接触要素８には、雌ねじの形状の保持ユニット９が設けられ、この保持ユニット９により、対応するハウジングに引張力を容易に加えることができる。これは、例えば、対応する雄ねじを有する要素（例えば、フック）を保持ユニットにねじ込むことで行われてよく、フックに引張力が加わることにより、この引張力はハウジングに伝達される。弾性ばね状部分５を有するハウジングに加わる引張力の作用により、ハウジングもしくは対応する通路７の長さ変化もしくは長さ伸長が生じ、その結果、個々の通路の対応する長手方向長さより長い長手方向長さを有する個々のアクチュエータを通路内に容易に挿入もしくは押し込むことができる。その後に引張力を解放することにより、ばね状部分５のばね作用もしくは弾性作用を受けて、ハウジングは引張力が加わる前の元の寸法に戻ろうとする。しかし、ここでアクチュエータが通路に挿入されるので、元の寸法に戻ることができない。ばね状部分を有するハウジングの延長により、結果として、長手方向の長さの方向に周囲のハウジングによってアクチュエータに圧縮力が加えられる。

図１に示されている３×３モジュールは、別の対応するアクチュエータデバイスによって容易に拡大可能であり、別の対応するアクチュエータデバイスは、平面状側面にすることにより、既存のモジュールに取り付けるだけでよい。図２は、合計１６個の図１のアクチュエータデバイス１を有する対応する（アレイ）配列１０を示している。この場合、基部要素の領域で個々のアクチュエータデバイスは互いに当接する、またはそれぞれ接触している。各々のアクチュエータデバイスは、基板１１とねじ止めされる。

図３は、図２の（アレイ）配列を下から見た図であり、この場合、基板１１の下側も見える。この基板には、多数の通過孔１３が設けられ、一方では、アクチュエータデバイスが、この通過孔１３を介して、ねじを使用して基板に接続され、他方では、アクチュエータに接続されてアクチュエータを作動させるのに使用される電線１２が通過孔１３から引き込まれる。

図４は、本発明のアクチュエータデバイスの別の可能な実施形態を示した図である。この実施形態が図１に示されているアクチュエータデバイスと異なる点は、主に、この場合、アクチュエータ２もしくはアクチュエータ２を囲むハウジング３が互いに対して別の配列で配置され、全てのハウジング３が一部品として、もしくは一体的に形成される共通基部要素４が別の幾何学的形状を有するという点である。具体的には、アクチュエータデバイスは、各々が１２個のアクチュエータを有する２つの列を有する、つまり、１２×２モジュールである。アクチュエータを囲むハウジングの構造は、図１のアクチュエータデバイスのハウジングの構造と同じであり、これについては、すでに上記で詳細に説明した。基部要素４の形状は、主に、アクチュエータの１２×２配列により決まるので、細長形状となる。基部要素は、個々の遠位端部分に、肩部もしくは階段部を有するので、アクチュエータデバイスを基板に締結する締結部分１４が形成される。そのためには、締結部分は、ねじを通すための通過孔を有する。

図５は、合計６個の図４の１２×２モジュールが基板１１に組み入れられた（アレイ）配列を示した図であり、基本的に、接触要素８のみが基板の上部に突出している、または基板の上部によって形成される平面から突出している。アクチュエータデバイスは、互いに接触した状態でその基部要素の長い側面より上に突出し、締結部分１４を介して、ねじを使用して下から基板と接続される、もしくはねじ止めされる。この状態は、図６で確認することができる。図６は、図５の（アレイ）配列を下から見た図である、すなわち、基板の下側から見た図である。

図２および図３の（アレイ）配列とは異なり、この場合、基板には通過孔が無いが、個々のアクチュエータデバイスもしくはその基部要素に通過孔がある。しかし、通過孔は、この場合、アクチュエータにつながる電線によって、電力を供給するためにのみ使用される。

Claims (9)

1. 電気的に作動可能で、長さを変更可能な少なくとも４つのアクチュエータ（２）であり、ばね状部分（５）が一体的に形成された別個のハウジング（３）によって、それぞれ長さ変化方向に圧縮力が加えられるアクチュエータ（２）を有するアクチュエータデバイス（１）であって、前記各々のハウジング（３）は、全てのハウジングに共通の基部要素（４）と一部品として形成され、
   前記各々のハウジング（３）は、少なくとも２つの隣接するハウジング（３）によって囲まれる、アクチュエータデバイス（１）。
2. 前記ばね状部分は、前記ハウジング（３）内のスロット（６）によって形成されることを特徴とする、請求項１に記載のアクチュエータデバイス。
3. 前記ハウジングの少なくとも一部は、開口部もしくは通路（７）を有し、その中に前記アクチュエータを長手方向に整列して、挿入する、好ましくは、押し込むことができることを特徴とする、請求項１または２に記載のアクチュエータデバイス。
4. 少なくとも１つの前記ハウジング（３）は、前記アクチュエータによって移動もしくは変形される要素と接触するために配設される接触要素（８）を有することを特徴とする、請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載のアクチュエータデバイス。
5. 前記接触要素は、好ましくは、ねじ形状、さらに好ましくは、雌ねじ形状の保持ユニット（９）を有することを特徴とする、請求項４に記載のアクチュエータデバイス。
6. 前記接触要素は、前記ハウジングと一体的に形成されることを特徴とする、請求項４または５に記載のアクチュエータデバイス。
7. 請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の複数のアクチュエータデバイス（１）を有する配列（１０）であり、隣接する前記アクチュエータデバイスは、少なくとも部分的に、好ましくは、個々の基部要素の領域で接触していることを特徴とする、配列（１０）。
8. 前記アクチュエータデバイスはそれぞれ、前記基部要素を介して基板（１１）に接続されることを特徴とする、請求項７に記載の配列。
9. 前記アクチュエータデバイスは、前記ハウジングもしくは前記接触要素のみが前記基板から突出するように前記基板（１１）に挿入されることを特徴とする、請求項７または８に記載の配列。

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