JP7208794B2 - 圧電駆動装置 - Google Patents

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。 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。 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 (11)

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２つの前記駆動部（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）の前進方向を含み同一の前記駆動装置（２）の２つの前記駆動部（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、
   前記駆動装置（２）は、変形可能なフレーム（２０）と、前記フレーム（２０）を構成している部材と一体に形成された複数の弾性ばね部（２１１、２２１）と、を含み、
   前記複数の弾性ばね部（２１１、２２１）は、前記フレーム（２０）の基部（２０１）に対して前記駆動部（２１、２２）を弾性的に支持しており、前記基部（２０１）は、前記三角形の底辺（２０１）に対応するものであり、前記駆動部（２１、２２）の各々が前記三角形の共通の前記底辺（２０１）に、前記弾性ばね部（２１１、２２１）により、個別に弾力を有するように接続されており、前記アクチュエータ（２１３、２１４、２２３、２２４）は少なくともいくつかの部分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、圧電ステッピング駆動装置（１）。
2. 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（２１２、２２２）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（２１２、２２２）のうちの少なくとも１つは、たわみヒンジ（２１２、２２２）として構成される、請求項３に記載の圧電ステッピング駆動装置（１）。
5. 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いる、請求項１～４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、請求項１～５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. 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、弾性変形可能な部分（４２）を含むことを特徴とする、請求項１～６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. 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）および前記駆動装置（２）が構成されていることを特徴とする、請求項６または７に記載の圧電ステッピング駆動装置（１）。
9. 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、請求項１～８のいずれか１項に記載の圧電ステッピング駆動装置（１）。
10. 請求項１～９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）第１の前記駆動部（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、第２の前記駆動部（２２）と関連付けられた第２の前記アクチュエータ（２２３、２２４）を作動させ、任意に第１の前記駆動部（２１）と関連付けられた第１の前記アクチュエータ（２１３、２１４）を作動させるステップＡと、
    （ｂ）第２の前記駆動部（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）が駆動方向に前進させられるように、第２の前記アクチュエータ（２２３、２２４）を作動させるステップＢと、
    （ｃ）第２の前記アクチュエータ（２２３、２２４）に印加される前記制御電圧を変更し、任意に第１の前記アクチュエータ（２１３、２１４）に印加される前記制御電圧を変更して、第１の前記駆動部（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、第１の前記駆動部（２１）および第２の前記駆動部（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）第２の前記駆動部（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、第１の前記アクチュエータ（２１３、２１４）を作動させ、任意に第２の前記アクチュエータ（２２３、２２４）を作動させるステップＤと、
    （ｅ）第１の前記駆動部（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、第１の前記アクチュエータ（２１３、２１４）を作動させるステップＥと、
    （ｆ）第１の前記アクチュエータ（２１３、２１４）に印加される前記制御電圧を変更し、任意に第２の前記アクチュエータ（２２３、２２４）に印加される前記制御電圧を変更して、第２の前記駆動部（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、
    （ｇ）ステップＡ～Ｆを繰り返すステップを備える、方法。
11. ステップＢはさらに、第１の前記駆動部（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第１の前記アクチュエータ（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、第２の前記駆動部（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、第２の前記アクチュエータ（２２３、２２４）がさらに作動されることを特徴とする、請求項１０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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