JP7335229B2 - 電気機械ステータ、モータ及び電気機械モータの駆動方法 - Google Patents

Description

提案される技術は、全体として電気機械モータに関し、特に、電気機械材料を含み、超音波領域で振動する振動素子を利用する電気機械モータ、及びこのようなモータを駆動する方法に関する。

電気機械駆動素子は、従来技術において、多くの種類の小型モータ用途に使用されてきた。これらのモータの大部分は、電気機械駆動素子の超音波動作に基づいている。電気機械材料の典型的な例は、圧電材料、電歪材料及び反強誘電材料であり、これらの材料は、単結晶でも多結晶又は非結晶でもよい。

圧電効果の活性化が比較的簡単であるため、圧電材料の使用が一般的である。多くの異なるデザインが利用可能である。ＰｉｅｚｏＷａｖｅ（登録商標）モータでは、圧電棒が共振する。圧電棒上の駆動パッドが被動体に接触し、駆動パッドの運動が被動体に対する移動動作に変換される。これは、多くのタイプの用途で有利に使用されてきたコンパクトな解決策である。

特許文献１及び特許文献２には、剛性の低い部分によって金属薄板の振動を生成するピエゾ素子を含むモータが開示されている。したがって、この接続部は、共振器間のリンクとして機能し、適切な設計により、ピエゾ素子を含まずに高い予荷重に耐えることができる。

これらのタイプのモータの多くに共通するのは、ステータの接触点が閉ループ内で繰り返し移動することである。通常、接触点が外部相互作用なしに移動できる場合、ループは楕円経路に近い経路に一致する。しかしながら、移動する接触点と被動体との相互作用によって、全体的な動きが作成される。ループの一部の間、接触点は、被動体と機械的に接触し、被動体と相互作用してその要求される動きを得る。ループの別の部分の間、接触点は、代わりに機械的接触から解放され、それによって新しい駆動接触の準備を「リセットする」ことができる。このような駆動方式を動作可能にするためには、ステータと被動体との間に垂直力を付与する必要がある。この垂直力は、ステータを被動体に押し付ける。接触点の動きは通常非常に速く、ステータの慣性により、適切な垂直力が加えられた場合に、接触点を被動体の表面から一時的に完全に取り除くことができる。加えられる垂直力が高すぎたり低すぎたりすると、通常は最適な動作が得られない。したがって、効率的な動きを得るために、適切な、明確に定義された垂直力を選択する必要がある。

圧電モータは、小型化されたシステムにおいてしばしば使用され、垂直力を付与する装置にさらなる制限を加える。

国際公開第２００４／１１２２３２号 国際公開第２００５／０３１８８８号

全体的な目的は、限られた空間内で明確に定義された垂直力の使用を可能にする電気機械モータ及びその動作方法を提供することである。

上記の目的は、独立請求項による方法及び装置によって達成される。好ましい実施形態は、従属請求項に定められている。

概して、第１の態様において、電気機械ステータは、アクチュエータ部分と、支持部分と、ばね部分とを備える。弾性材料の連続シートが、アクチュエータ部分の少なくとも一部と、支持部分の少なくとも一部と、ばね部分の少なくとも一部とを構成する。アクチュエータ部分は、少なくとも１つの振動体と被動体相互作用部とを備える振動アセンブリを備える。振動体は、弾性材料の連続シートの一部に取り付けられた電気機械ボリュームを備え、振動体は、電気機械ボリュームに交流電圧が印加されると、弾性材料の連続シートの平面を横切る振動方向に曲げ振動を引き起こすように配置されている。支持部分は、アクチュエータ部分とばね部分との間に取り付けられている。支持部分は、ばね部分を介して少なくとも１つの固定点に接続されている。ばね部分は弾性があり、ばね部分と支持部分との間の接続点に対する固定点の振動方向における変位に関してばね定数を有し、それにより固定点の振動方向における変位に伴い、被動体相互作用部に振動方向の垂直力を付与することができる。

第２の態様において、電気機械モータは、第１の態様による電気機械ステータと、被動体と、前記振動体の電気機械ボリュームに交流電圧を供給するように構成された電圧源とを備える。

第３の態様において、電気機械モータを動作させる方法が提示される。動作させられる電気機械モータは、アクチュエータ部分と、支持部分と、ばね部分とを有する電気機械ステータを含み、弾性材料の連続シートが、アクチュエータ部分の少なくとも一部と、支持部分の少なくとも一部と、ばね部分の少なくとも一部とを構成する。アクチュエータ部分は、少なくとも１つの振動体と被動体相互作用部とを備える振動アセンブリを備える。振動体は、弾性材料の連続シートの一部に取り付けられた電気機械ボリュームを備える。支持部分は、アクチュエータ部分とばね部分との間に取り付けられている。支持部分は、ばね部分を介して少なくとも１つの固定点に接続され、ばね部分は弾性があり、ばね定数を有する。方法は、被動体相互作用部に、前記弾性材料の連続シートの平面を横切る振動方向に垂直力を付与することであって、ばね部分と支持部分との間の接続点に対して振動方向に固定点を変位させることによりに垂直力を付与することを含む。電気機械ボリュームに交流電圧を印加し、振動体に振動方向に曲げ振動を行わせる。

提案された技術の１つの利点は、空間が限られている装置によって明確に定義された垂直力及び他の動作条件が提供されることである。他の利点は、詳細な説明を読むときに理解されるであろう。

本発明は、そのさらなる目的及び利点と共に、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより最もよく理解されることができる。
図１Ａは、アクチュエータ部分２０の一実施形態の概略図である。図１Ｂは、被動体相互作用部の動きの概略図である。図１Ｃは、垂直力がない場合の被動体相互作用部の動きのＺ成分を示す図である。 図２Ａは、電気機械ステータの一実施形態の概略図である。図２Ｂは、動作中の電気機械モータのフレーム支持点のＺ移動を示す図である。図２Ｃは、動作中の被動体相互作用部のＺ移動を示す図である。 図３Ａは、非弾性変形状態にある電気機械ステータの一実施形態の立面図である。図３Ｂは、弾性変形しているときの図３Ａの実施形態の立面図である。 電気機械モータの一実施形態の立面部分概略図である。 対の電気機械ステータを有する電気機械モータの一実施形態の立面部分概略図である。 図６Ａ～図６Ｃは、動作の第１段階中の電気機械モータの概略図である。 対の電気機械ステータを有する電気機械モータの別の実施形態の立面部分概略図である。 電気機械ステータの別の実施形態の立面図である。 電気機械ステータの実施形態の一部の上からの図である。 電気機械ステータの実施形態の一部の上からの図である。 電気機械ステータの実施形態の一部の上からの図である。 電気機械ステータの実施形態の一部の上からの図である。 電気機械ステータの他の実施形態の上からの図である。 電気機械ステータの他の実施形態の上からの図である。 電気機械ステータの他の実施形態の上からの図である。 片側のみに支持部分を有する電気機械ステータの一実施形態の２つの立面図である。 片側のみに支持部分を有する電気機械ステータの一実施形態の２つの立面図である。 図９Ａ～図９Ｂによる対の電気機械ステータを有する電気機械回転モータの一実施形態の立面図である。 図１０Ａ～図１０Ｄは、垂直力を修正するための距離素子の使用の概略図である。 図１０Ｅは、相対距離を修正するための塑性変形の使用の概略図である。 電気機械モータを動作させる方法の一実施形態のステップのフローチャートである。

図面全体を通して、類似又は対応する要素には同じ符号が使用されている。

提案した技術のより良い理解のために、超音波電気機械モータの動作に関するいくつかの基本的な考慮事項の概要から始めることが有用である。

図１Ａは、振動アセンブリ２５を有する、電気機械モータのアクチュエータ部分２０を概略的に示す。振動アセンブリ２５は、電気機械活性物質の電気機械ボリューム３２を備える振動体３０を備え、振動体３０は、交流電圧が電気機械ボリューム３２に印加されると振動を引き起こす。振動アセンブリ２５は、被動体と相互作用する電気機械ステータの一部となるよう意図されている被動体相互作用部２２をさらに備える。振動アセンブリの全体の弾性２４は、図中のばね状部分によって示される。

適切な交流電圧が電気機械ボリューム３２に供給されると、振動体３０を振動させ始めることができ、被動体相互作用部２２を通常は、図１Ｂに概略的に示されるように、閉ループ経路１００に沿って移動させることができる。この運動は、次に、被動体の変位を得るために電気機械モータにおいて使用される。閉ループ経路を達成する方法の実際の詳細は、振動アセンブリ２５の実際の設計に依存し、したがって、従来技術においてよく知られている。閉ループ経路１００の上部の近くのＸ方向の運動成分は、Ｘ方向の変位力を伝達するために、被動体との機械的相互作用において使用されることができる。逆に、閉ループ経路１００の下部の近くの負のＸ方向の運動成分が存在する場合、被動体とのいかなる機械的相互作用も回避されるべきである。被動体との機械的接触を提供及び解除するために必要な機能は、Ｚ方向の運動成分によって行われる。このＺ方向の動きが本開示の主な主題となる。

図１Ｃには、振動体３０が垂直力なしで、すなわち、被動体との接触なしで動作しているときの、閉ループ経路に沿ったＺ方向成分１０２の一実施形態の周期的挙動を示す図が示されている。曲線の上部は正のＸ運動成分があるフェーズに相当し、曲線の下部は負のＸ運動成分があるフェーズに相当する。したがって、Ｚ方向の運動を使用して、被動体にそれぞれ接触し、接触を解除することが要求される。

通常、印加される電圧は、反対方向に閉ループ経路を与えるためにも提供され得る。

上述のように、被動体相互作用部２２の運動を被動体の変位に変換するためには、被動体相互作用部２２が被動体と機械的に相互作用する必要がある。図２Ａは、電気機械モータ１の電気機械ステータ２を概略的に示す。アクチュエータ部分２０は、ばね部分６０によって加えられる垂直力Ｆで被動体１０に押し付けられる。力Ｆは、運動方向に対して本質的に垂直に加えられ、これが名前の説明である。アクチュエータ部分２０とばね部分６０との間のブリッジとして、支持部分４０が存在してもよい。ばね部分６０と任意選択で支持部分４０との全体の弾性６１は、図中のばね状部分によって示される。

振動体３０に低周波交流電圧が印加されると、ばね部分６０は、得られる振動を補正する。被動体相互作用部２２は、被動体１０と常に機械的に接触する。これにより、電気機械ステータ２全体が、全く何の運動も起こさずにゆっくりと振動する。しかしながら、供給される交流電圧の周波数が高くなると、システムの慣性が重要な役割を果たし始める。振動体３０の振動により、被動体相互作用部２２が負のＺ方向移動する（すなわち、被動体１０から離れる）と、電気機械ステータ２の慣性は、ばね部分６０が直ちに運動を補正するのを妨げる。その結果、被動体相互作用部２２は、短期間の間、被動体１０との機械的接触をやめる。この間、被動体相互作用部２２は、被動体１０に干渉することなく、例えば、負のＸ方向に自由に移動することができる。換言すれば、被動体相互作用部２２は、リセットされ、被動体との機械的接触なしに、被動体１０との新たな接触に備えることができる。

図２Ｂは、ばね部分６０（又は支持部分４０）とアクチュエータ部分２０との接続点のＺ方向位置ｚ_emの動き１０４を示す概略図である。この接続点は、以下ではフレーム支持点と呼ばれる。被動体相互作用部２２と被動体１０との接触が解除されると、ばね部分６０によって付与される垂直力は、アクチュエータ部分２０を被動体１０に向かって移動させ始める。システムの慣性は、この運動にアクチュエータ部分２０の振動よりもはるかに長い時定数を与える。上記の接続点の運動は、被動体相互作用部２２が被動体１０に再び接触するまで継続し、通常は、アクチュエータ部分２０の振動が被動体相互作用部２２を被動体１０に向けて再び移動させるときに生じる。フレーム支持点は次に、通常は元の位置に再び押し戻される。この動きのストロークは、垂直力の大きさ、可動部分の質量、及びアクチュエータ部分２０の振動の周波数によって決まる。

図２Ｃは、動作中の被動体相互作用部２２の先端のＺ方向の位置１０６を示す概略図である。図は、アクチュエータ部分２０が被動体相互作用部２２を被動体１０から引き離した時点から始まる。被動体相互作用部２２は、閉ループの下部を実行する（図１Ｃ参照）が、フレーム支持点の移動により修正される。その一方で、フレーム支持点は、点線１０８で示されるように正のＺ方向にゆっくりと動かされる。このような動きにより、被動体相互作用部２２とフレーム支持点とが接近するため、点線１０８は、負のフレーム支持点の動きに相当する。これらの動きは、曲線１０２と曲線１０４の負の対応（すなわち曲線１０８）が交わる点に対応する点１１０で、被動体相互作用部２２が被動体１０に再び到達するまで続く。換言すれば、ｚipは、被動体１０の表面の位置ｚbに等しい。被動体１０との接触により、被動体相互作用部２２のＺ方向へのさらなる運動が阻止され、期間の残りの部分で、曲線部１１２によって示される、アクチュエータ部分２０によりＺ方向に加えられる力の作用により、フレーム支持点のみが再びゆっくりと元の位置に戻る。その後、プロセスは最初からやり直す。

ここで、２つの運動の時定数間の関係、すなわち、曲線１０２によって示されるアクチュエータ部分２０の振動とフレーム支持点の移動１０４との関係が、モータの動作に重要な役割を果たすことが理解できる。フレーム支持点の動き１０４の時定数がアクチュエータ部分２０の振動の時定数に対して減少すると、すなわち、フレーム支持点の動きが比較的速い場合、被動体相互作用部２２が被動体１０と接触していない時間が短縮される。これは、点線曲線１１４によって概略的に示される。このことは、負のＸ方向に無視できない運動成分が存在する場合の振動のフェーズの間も、被動体相互作用部２２が被動体１０と接触している可能性があることを意味する。これにより、速度が低下し、摩耗が増加する。

同様に、フレーム支持点の動き１０４の時定数がアクチュエータ部分２０の振動の時定数に対して増加すると、すなわち、フレーム支持点の動きが比較的遅い場合、被動体相互作用部２２が被動体１０に接触している時間が短縮される。これは、点線曲線１１６によって概略的に示される。このことは、被動体相互作用部２２が、より短い期間中に被動体１０に影響を与え、その結果、利用可能な速度を低下させる可能性があることを意味する。また、Ｘ方向の移動に利用できる力も減少する。

モータの動作を最適化するために、加えられる垂直力は、好ましくは、動作周波数及びモータの様々な部分の様々な質量に適切に適合するように合わせられる。このため、ばね部分が明確に定義されかつ容易に制御可能な弾性特性を有することが要求される。同時に、通常の超音波電気機械モータは、小型の用途に適用されるので、このようなばね部分は、限られた空間内に設けられ、好ましくは可能な限り少ない取り付けステップしか要求しない必要がある。

本開示に提示された技術によれば、弾性材料の連続シートは、アクチュエータ部分、支持部分、及びばね部分の基部として使用されることができる。これにより、必要な取り付け作業が最小限に抑えられ、取り付け精度が向上する。同時に、弾性材料の連続シートの形状を適切に設計するだけで、異なる部分の適切な特性を得ることができる。十分に制御可能な垂直力は、弾性材料の連続シートの主平面を横切る方向において容易に得ることができる。

一実施形態において、電気機械ステータは、アクチュエータ部分と、支持部分と、ばね部分とを備える。弾性材料の連続シートが、アクチュエータ部分の少なくとも一部と、支持部分の少なくとも一部と、ばね部分の少なくとも一部とを構成する。アクチュエータ部分は、少なくとも１つの振動体と被動体相互作用部とを備える振動アセンブリを備える。振動体は、弾性材料の連続シートの一部に取り付けられた電気機械ボリュームを備える。振動体は、電気機械ボリュームに交流電圧が印加されると、弾性材料の連続シートの平面を横切る振動方向に曲げ振動を引き起こすように配置されている。支持部分は、アクチュエータ部分とばね部分との間に取り付けられている。支持部分は、ばね部分を介して少なくとも１つの固定点に接続されている。ばね部分は弾性があり、ばね部分と支持部分との間の接続点に対する固定点の振動方向における変位に関してばね定数を有し、それにより固定点の振動方向における変位に伴い、被動体相互作用部に振動方向の垂直力を付与することができる。

図３Ａは、電気機械ステータ２の一実施形態を示す。電気機械ステータ２は、アクチュエータ部分２０と、少なくとも１つの支持部分４０と、少なくとも１つのばね部分６０とを備える。本実施形態において、電気機械ステータ２は、アクチュエータ部分２０の両側に設けられた、２つの支持部分４０と、２つのばね部分６０とを備える。弾性材料の連続シート５が、アクチュエータ部分２０の少なくとも一部と、支持部分４０の少なくとも一部と、ばね部分６０の少なくとも一部とを構成する。

アクチュエータ部分２０は、少なくとも１つの振動体３０と被動体相互作用部２２とを備える振動アセンブリ２５を備える。本実施形態において、振動アセンブリ２５は、被動体相互作用部２２によって相互に接続された２つの振動体３０を備える。振動体３０はそれぞれ、弾性材料の連続シート５の一部に取り付けられた電気機械ボリューム３２を有する。振動体３０は、それぞれの電気機械ボリューム３２に交流電圧が印加されると、弾性材料の連続シート５の平面を横切る振動方向Ｚに曲げ振動を引き起こすように配置されている。アクチュエータ部分２０は、その側部において、取り付け部材４２によって支持部分４０に接続されている。

ばね部分６０を構成する弾性材料の連続シート５の部分は、Ｚ方向の移動に関して弾性を有する。弾性変形がない状態、すなわち、ばね部分６０の弾性材料の連続シート５がＺ方向の弾性変位を受けていない状態では、ばね部分６０の弾性材料の連続シート５は平坦である。このような状況を図３Ａに示す。

それぞれの支持部分４０は、アクチュエータ部分２０とそれぞれのばね部分６０との間に取り付けられている。支持部分４０の目的は、アクチュエータ部分２０によって引き起こされるあらゆる運動、特に回転運動を、ばね部分６０に伝達されることから切り離すことである。アクチュエータ部分２０は曲げ振動を行い、これにより、通常、取り付け部材４２が捩れたり回転したりする。しかしながら、主な支持部分４０の捩れ特性はそれほど許容されないので、取り付け部材４２の、主に弾性材料の連続シート５内の軸の周りの回転運動は、ばね部分６０に伝達されない。したがって、支持部分４０は、好ましくは、アクチュエータ部分２０の回転運動がばね部分６０に伝播するのを少なくとも部分的に妨げるように適合されている。

ばね部分６０は、それぞれの支持部分４０を少なくとも１つの固定点６２に接続する。各ばね部分６０は弾性があり、ばね部分６０と支持部分４０との間の接続点に対する振動方向Ｚにおける固定点６２の変位に関してばね定数を有する。この弾性により、固定点６２の振動方向Ｚにおける変位に伴い、被動体相互作用部２２に振動方向Ｚの垂直力を付与することができる。図３Ｂは、このような状況を示し、固定点６２が距離Ｄだけ変位すると、ばね部分６０の弾性材料の連続シート５の弾性変形を引き起こし、その結果、アクチュエータ部分２０、特に被動体相互作用部２２が、モータに取り付けられたときに垂直力として使用される力で図中上方に押される。したがって、図３Ａは、電気機械モータに装着する前の状態の電気機械ステータの実施形態を示し、図３Ｂは、電気機械モータに装着されたときと同様の状態の同じ実施形態を示す。

アクチュエータ部分２０は、通常、取り付け部材４２に様々な種類の振動を受けさせる。これらの振動の少なくとも高周波部分が固定点６２に至るまで伝播しないことが好ましい。取り付け部材４２と比較して支持部分４０の幾何学的寸法が根本的に異なるため、取り付け部材４２に供給される振動エネルギーの大部分は、アクチュエータ部分２０に反射して戻される。また、ばね部分６０及び支持部分４０が共に比較的高い慣性力を有することにより、ばね部分６０の弾性挙動もローパスフィルタ作用をもたらす。換言すれば、支持部分４０とばね部分６０とが共に、アクチュエータ部分２０と前記固定点６２との間の振動のローパスフィルタを構成する。

この特定の実施形態において、ばね部分６０の弾性材料の連続シート５は、切れ目６４のパターンを有する。これらの切れ目６４は、支持部分４０から固定点６２までの弾性材料の連続シート５を通る直接経路を除去し、このことは、支持部分４０から固定点６２までの経路６６の有効長さがはるかに長くなることを意味する。ばね部分６０の弾性特性は、他のパラメータの中でもとりわけ、このような長さに依存するので、ばね部分６０を横方向に延長することなく、ばね部分６０のばね定数を減少させることができる。以下の図８Ａを参照されたい。換言すれば、切れ目６４は、支持部分４０への接続点６８と固定点６２との間に少なくとも１つの限定された経路６６を提供する。本実施形態において、この少なくとも１つの限定された経路６６は曲がっている。

さらに、切れ目６４によって形成される限定された経路６６はまた、少なくとも支持部分４０を通る経路と比較して、一般に幅が狭い。換言すれば、少なくとも１つの限定された経路６６は、ばね部分６０と支持部分４０との間の接続点６８と、アクチュエータ部分２０と支持部分４０との間の取り付け部材４２との間の最も近い経路に沿った平均断面よりも小さい平均断面積を有する。幅が小さいほど、又は断面が小さいほど、通常は、ばね定数が低くなる。この結果、ばね部分６０は、電気機械ステータ２の全体的なばね特性を決定する際の重要な部分となる。

弾性材料の連続シートは、典型的な実施形態において平坦な金属シートである。しかしながら、弾性材料の連続シートの他の設計及び／又は組成も可能である。

一実施形態において、弾性材料の連続シートは、シート全体にわたって本質的に均一な組成を有する。換言すれば、１つの同じ材料がシート全体を形成する。

別の実施形態において、弾性材料の連続シートは、シート領域にわたってその組成を変化させる。これは、例えば、シート領域にわたって化学勾配を有する材料を使用することによって、又はシートの異なる部分に異なる処理、例えば、硬化又はコーティングを施すことによって提供され得る。このようにして、材料特性は、異なる部分に対してある程度適合させることができる。より硬質の材料が、例えば、特定の用途における支持部分において有用であり得る。代わりに、より軟質の材料が、用途の技術分野によっては、ばね部分において有益であり得る。

しかしながら、弾性材料の連続シートの利点のいくつかを達成するために、弾性材料の連続シートは、恒久的に接合された１つの部品で提供されるべきである。勾配又は他の変更された特性は、特定の実施形態において、後に不可逆的な接合によって１つの部品に統合される別個の部品から始めることによって提供することができる。他の実施形態において、勾配又は変更された特性は、当初は均質な材料で達成され得る。さらなる実施形態において、弾性材料の連続シートにおける勾配又は変更された特性は、材料自体の製造に関連して提供されることができる。

電気機械ステータ２は、電気機械モータに組み込まれることが意図されている。図４は、図３Ａ～図３Ｂの実施形態による電気機械ステータを有する電気機械モータ１の実施形態を示す。電気機械モータ１は、被動体１０と、振動体３０の電気機械ボリューム３２に交流電圧を供給するように構成された電圧源７０とをさらに備える。この特定の実施形態はまた、被動体１０に対する固定点６２の位置を定める軸受装置８０を備える。通常、図面は実際のサイズに比べて拡大されている。この種の電気機械モータの典型的なサイズは数ミリメートルである。

図５は、電気機械モータ１の別の実施形態を示しており、図３Ａ～図３Ｂによる２つの電気機械ステータ２が、被動体１０の両側にツイン設計で取り付けられている。固定手段８２によって、場合により距離素子を介して、２つの電気機械ステータ２の固定点６２を互いに取り付けることにより、軸受装置の必要性がなくなる。代わりに、２つの電気機械ステータ２は、互いに同期して動作させることができる。固定手段８２は、一時的又は恒久的な機械的接続を提供する任意の種類のものとすることができる。典型的な例は、ねじ又はリベットである。しかしながら、用途に応じて、例えばスポット溶接又は接着によって構成される固定手段８２も使用することが可能である。

上記の基本的な考慮事項による電気機械モータの実際の動作は、力、慣性、周波数、共振特性などが最終的な性能に影響を与える、非常に複雑なプロセスである。様々な量の役割の理解を深めるために、簡略化されたモデルシステムを電気機械的励起の最初の半サイクルで分析することができる。最初の半サイクルは３つのフェーズ、すなわち、予圧された開始状態と、被動体からの被動体相互作用部の最初の取り去りと、及び被動体相互作用部の最初の自由移動フェーズとに分けられる。

図６Ａは、予圧された開始状態における状況を概略的に示す。被動体相互作用部２２は、予圧力Ｆで被動体１０と機械的に接触している。この予圧力は、被動体１０に対する、したがって、被動体相互作用部２２の頂部に対する固定点の特定の変位δ_spによって達成される。変位δ_spと予圧力Ｆとの関係は、

と表され、ここで、ｃ_spは前記ばね部分のばね定数である。

図６Ｂは、被動体１０からの被動体相互作用部２２の最初の取り去りの状況を概略的に示す。予圧力は、ステータ、特にばね部分を弾性変形させる。このような予圧力が瞬間的に解放されると、ステータは、１組の固有共振モード成分から成る運動で振動し始める。予圧の方向の支配的な固有共振モードは、この場合、一次固有共振モードｆ_spとして示される。被動体相互作用部２２の接触を解除できるようにするために、電気機械ボリュームに提供される電圧の動作周波数ｆ_oは、少なくとも電気機械ステータ２全体の一次固有共振周波数ｆ_spを超える必要がある。換言すれば、電気機械モータの一実施形態において、電圧源は、少なくとも電気機械ステータ全体の一次固有共振周波数ｆ_spを超える動作周波数ｆ_oで交流電圧を供給するように構成される。

電気機械ステータ２の固有共振周波数は、他のすべての機械システムと同様に、例えば、部品が予圧されているか否か、又は運動制限が生じるか否かに依存する。被動体相互作用部の自由移動フェーズは、所定の初期条件で自由振動している電気機械ステータに類似する。電気機械ステータ全体の一次固有共振周波数は、

と表すことができ、ここで、ｍ_eqは、電気機械ステータの質量ばね表現の等価集中質量である。

最初の取り去りの分析はさらに進めることができる。動作周波数ｆ_oを用いると、被動体相互作用部２２のＺ方向の距離ｚ_ipで表される動きは、

と表すことができ、ここで、δ_ipは、被動体相互作用部２２の先端のストロークの振幅である。

最大加速度は、

となり、被動体相互作用部２２が接触していない時間にほぼ近い半サイクルを行う時間は、

である。

図６Ｃは、被動体相互作用部２２の最初の自由移動フェーズを概略的に示す。このフェーズの間、ばね部分６０は、被動体相互作用部２２を被動体１０に向けて押し戻すように作用する。この押し戻しの距離は、Δδ_spで表すことができ、電気機械ステータの一次固有共振周波数によって制御される。距離は、

と近似されることができる。
最大加速度は、

となる。
最大押し戻し距離Δδ_maxは、約半サイクル後に達し、

となる。
最大押し戻し距離Δδ_maxがδ_ipに比べて小さいと仮定すると、

であり、ここで、ξは少数であり、式（４）は、テイラー級数の最初の２つの項で近似することができる。関係式（１）、（２）、（４）を組み合わせると、動作周波数の推定値が得られる。

良好な動作を実現するために、最大押し戻し距離Δδ_maxは、好ましくは、距離δ_ipよりもかなり小さく、好ましくは、距離δ_ipの１０％未満であるべきであり、すなわち、ξは、好ましくは、０．１未満であるべきである。予圧力Ｆは、多くの典型的な用途において、２０Ｎの大きさのオーダーであり得る。被動体相互作用部２２と被動体１０との間の典型的な最大距離δ_ipは、自由移動フェーズの間、５μｍの範囲内であり得る。電気機械ステータの典型的な等価集中質量は、０．５ｇの範囲内であり得る。このような仮定は、共に、完全に実行可能な約１００ｋＨｚの動作周波数を示す。

また、電気機械ステータの加速度ａ_spは、被動体相互作用部２２の加速度ａ_ipよりもかなり低く、好ましくは加速度ａ_ipの１０％未満であるべきである。

一次固有共振周波数ｆ_spと好ましい動作周波数ｆ_oとの比を表すこともできる。

最大押し戻し距離δ_maxを０．５μｍ、変位δ_spを１ｍｍとすると、約１００の周波数比が必要となる。これらの条件は、モータの種類及び用途によってかなり異なり、したがって、好ましい周波数比も大幅に異なり得る。

しかしながら、一般的な状況では、動作周波数ｆ_oは、好ましくは、少なくとも５倍、より好ましくは少なくとも１０倍、最も好ましくは少なくとも３０倍、一次固有共振周波数ｆ_spを超えるべきである。

上記の分析は、動作の最初の瞬間に行われる。しかしながら、このモデルは想定される「連続的な」正弦波運動を含む。これは、初期速度がゼロでないと「想定」されることを意味する。このようなモデルの不完全性は、分析におけるわずかな遅延又は時間シフトを引き起こす可能性がある。しかしながら、定常状態の動作の条件は、上記のモデルとして使用されたものとあまり変わらないと想定される。押し戻し距離の回復は、おそらく正確に同じ開始位置にはならないが、主な推論は、いずれにしても少なくとも１桁以内では有効であろう。

動作周波数ｆ_oはまた、通常は、振動アセンブリの振動特性に適合するように、例えば、振動アセンブリの共振周波数の近くに位置するように選択される。次に、適切な動作のための上記の推定を満たすために、ばね部分の適切な質量、ばね定数及び変位を求めることができる。

弾性材料の連続シートをばね部分として使用する１つの利点は、梁形状の狭い材料部分のばね定数は推定及び予測が比較的容易であることである。例えば、図３Ａ～図３Ｂの実施形態において、ばね部分は、直列に接続された直線梁と曲線部分とで構成され、分析的に及び／又はシミュレーションによって比較的容易に推定されるばね定数の寄与を有すると見なすことができる。一般に、ばね部分と支持部分との接続点とアクチュエータ部分と支持部分との取り付け部材との間のばね部分を通る経路が長いほど、ばね部分のばね定数は小さくなる。蛇行形状を用いることにより、限られた空間内で非常に長い経路を得ることができる。同様に、経路の幅が狭くなると、ばね定数も小さくなる。

ステータのすべての能動部品に共通の弾性材料の連続シートを使用することにより、ステータの異なる部品間の信頼できる幾何学的関係が保証される。追加の取り付けコンポーネントからの制御されない変位又は曲げは、垂直力の付与に影響を与えず、最終的に達成される垂直力は、ばね部分の形状と弾性変形距離だけから非常に正確に推定することができる。

ばね部分の様々な詳細設計が使用可能である。図７は、電気機械モータ１の別の実施形態を示す。ここで、蛇行は、図３Ａ～図３Ｂの蛇行に垂直な方向に提供される。

図８Ａ～図８Ｆは、ばね部分を通る弾性材料の連続シート内に切り出された、曲がった狭い材料経路を利用するというアイデアを用いた、ばね部分パターンの実施形態の他の例を示す。図８Ａは、支持部分４０から垂直に延びる４つのばね部分６０を有する電気機械ステータ２を示す。これは、前に提示された曲線状のばね形状からの直線化と考えることができる。このような設計のばね特性は、標準的な梁振動モデルを使用して非常に簡単に計算することができる。しかしながら、本実施形態は、アクチュエータ部分の両側に十分な利用可能な空間があることを必要とする。

図８Ｂは、２つの固定点６２を有するが、支持部分４０への１つの接続部６８のみを有するばね部分６０を示す。これは、垂直力が支持部分４０の中央に加えられることを確実にし、運動方向に垂直な軸の周りの許容される傾斜を制限しなければならない用途において有利であり得る。

図８Ｃでは、１つの支持部分４０は、それぞれがそれ自身の固定点６２を有する、分離された２つのばね部分６０に接続されている。この場合、接続部６８と固定点との間の経路は、基本的に螺旋形状を有する。

図８Ｄでは、疲労が発生することがある箇所の構造を強化するために、ばね部分６０の蛇行形状の屈曲部６１の幅を大きくしている。

図８Ｅは、すべての屈曲部が大きな曲率半径を有するばね部分６０を示す。これにより、亀裂の発生が問題となる可能性のある鋭い角が回避される。

図８Ｆは、アクチュエータ部分２０のそれぞれの側に２つの支持部分４０を有する実施形態を示す。これにより、例えば、被動体相互作用部２２に不均一に加えられる荷重を補正するために、異なる支持部分４０に加えられるばね力を適合させることができる。

図８Ｇは、アクチュエータ部分２０を囲む単独の支持部分４０を有する実施形態を示す。

図８Ｈは、それぞれのばね部分６０がモータの意図される運動の方向Ｘにおける支持構造体の側に設けられた実施形態を示す。このため、モータ全体の幅は狭くなるが、モータに沿ってより多くの空きスペースが必要になる場合がある。

図９Ａは、片側にのみ支持部分及びばね部分を有する電気機械ステータ２の実施形態を示す。これは、例えば、回転モータの用途に適している。この特定の実施形態において、取り付け部材４２は、加えられる垂直力の結果としてアクチュエータ部分が傾く傾向を最小限にするために、アクチュエータ部分２０の中央で作用するように設けられている。したがって、取り付け部材４２は、この特定の実施形態において細長い梁２７として形成される。図９Ｂは、図９Ａの底面からの図であり、空洞２９を設けることにより、取り付け部材４２に移動のための追加の空間がどのように与えられるかを示す。

図９Ｃにおいて、図９Ａ～図９Ｂによる電気機械ステータが、回転電気機械モータ用のツインステータの設計の一実施形態において適用されている。固定点６２は、本実施形態において、回転電機モータ１のシャフト８６に取り付けられている。このような取り付けは、固定点６２が、例えば何らかの軸受装置によってシャフト８６に対して自由に回転可能であるが、シャフト８６に沿った変位に対してロックされるように構成される。

上記の説明で分かるように、電気機械ステータの等価集中質量も、適切な周波数及びばね特性を見出す上で役割を果たす。例えば、要求されるばね定数を与える適切なばね部分の設計が見つかったが、他のパラメータが高い推奨動作周波数を引き起こす傾向がある場合、支持部分の質量を適合させることによって周波数を適合させることができる。支持部分は本質的にばね作用に寄与しないが、その質量は電気機械ステータの等価集中質量に寄与するので、ばね定数を大幅に変更することなく支持部分に追加の質量を加えることができる。

特定のばね部分の設計が確定している場合に、利用できる動作周波数の範囲を「調整」する別の方法は、ばね部分の弾性変形を修正することである。図１０Ａを参照すると、ツインの設計における２つの電気機械ステータの固定点は、固定手段８２によって一緒に保持される。このような状況は、距離Ｄによる各固定点の変位に対応している。例えば、推奨動作周波数の下限を減少させるために、より低い垂直力が要求される場合、図１１Ｂに示す状況を使用することができる。この場合、固定点６２間には、ワッシャなどの距離素子８４を支持することができる。これにより、各固定点６２の変位Ｄが幾分か減少する。換言すれば、取り付け時に固定点６２が移動する距離を適合させるだけで、適合された垂直力を得ることができる。距離素子８４は、高精度の厚さで容易に製造されることができ、これは、加えられる垂直力も非常に正確に調整することができることを意味する。

例えば、軸受装置８０に対して取り付けられた単独の電気機械ステータの同様の状況を図１０Ｃ～図１０Ｄに示す。

別の実施形態において、弾性材料の連続シートの塑性変形も、固定点の変位を修正するのに利用することができる。図１０Ｅは、各電気機械ステータ２の支持部分４０が取り付け前に塑性変形される、ツインステータの設計を有する電気機械モータ１を示す。この塑性変形により、固定点６２の必要な変位を、被動体の一般的な厚さに適合させることができる。

このような実施形態において、このような製造プロセスは通常はあまり正確ではないため、塑性変形によって生じる変位を制御するために特に注意しなければならない。好ましくは、少なくともばね部分６０の弾性材料の連続シート５は、弾性変形がない状態では平坦である。これにより、ばね定数の特性が適切に定められる。

図１１は、電気機械モータを動作させる方法の一実施形態のステップを示すフローチャートである。電気機械モータは、アクチュエータ部分と、支持部分と、ばね部分とを備える。弾性材料の連続シートが、アクチュエータ部分の少なくとも一部と、支持部分の少なくとも一部と、ばね部分の少なくとも一部とを構成する。アクチュエータ部分は、少なくとも１つの振動体と被動体相互作用部とを備える振動アセンブリを備える。振動体は、弾性材料の連続シートの一部に取り付けられた電気機械ボリュームを備える。支持部分は、アクチュエータ部分とばね部分との間に取り付けられている。支持部分は、ばね部分を介して少なくとも１つの固定点に接続されている。ばね部分は弾性があり、ばね定数を有する。

方法は、被動体相互作用部に、弾性材料の連続シートの平面を横切る振動方向に垂直力を付与する、ステップＳ１０を含む。この垂直力の付与は、ステップＳ１２において、固定点を振動方向に変位させることにより行われる。ステップＳ２０において、電気機械ボリュームに交流電圧を印加し、振動体に振動方向に曲げ振動を行わせる。

好ましい実施形態において、印加される交流電圧は、電気機械ステータ全体の最低固有共振周波数を超える動作周波数に同調している。

上述の実施形態は、本発明のいくつかの例示的な例として理解されるべきである。本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態に対して様々な修正、組み合わせ、及び変更を行うことができることは、当業者に理解されるであろう。特に、技術的に可能であれば、異なる実施形態における異なる部分的な解決策を他の構成で組み合わせることができる。しかしながら、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (9)

1. アクチュエータ部分（２０）と、支持部分（４０）と、ばね部分（６０）とを備える電気機械ステータ（２）であって、
   前記アクチュエータ部分（２０）の少なくとも一部と、前記支持部分（４０）の少なくとも一部と、前記ばね部分（６０）の少なくとも一部とを弾性材料の連続シート（５）が構成し、
   前記アクチュエータ部分（２０）は、少なくとも１つの振動体（３０）と被動体相互作用部（２２）とを備える振動アセンブリ（２５）を備え、
   前記振動体（３０）は、前記弾性材料の連続シート（５）の一部に取り付けられた電気機械ボリューム（３２）を備え、前記振動体（３０）は、前記電気機械ボリューム（３２）に交流電圧が印加されると、前記弾性材料の連続シート（５）の平面を横切る振動方向（Ｚ）に曲げ振動を引き起こすように構成され、
   前記支持部分（４０）は、前記アクチュエータ部分（２０）と前記ばね部分（６０）との間に取り付けられ、
   前記支持部分（４０）は、前記ばね部分（６０）を介して少なくとも１つの固定点（６２）に接続され、
   前記ばね部分（６０）は弾性があり、前記ばね部分（６０）と前記支持部分（４０）との間の接続点（６８）に対する前記固定点（６２）の前記振動方向（Ｚ）における変位に関してばね定数を有し、それにより、前記固定点（６２）の前記振動方向（Ｚ）における変位に伴い、前記被動体相互作用部（２２）に前記振動方向（Ｚ）への垂直力（Ｆ）を付与することができ、
   前記ばね部分（６０）の前記弾性材料の連続シート（５）は、前記支持部分（４０）への接続点（６８）と前記固定点（６２）との間に少なくとも１つの限定された経路（６６）を提供する切れ目（６４）のパターンを有する、電気機械ステータ。
2. 少なくとも前記ばね部分（６０）の前記弾性材料の連続シート（５）は、弾性変形がない状態では平坦である、請求項１に記載の電気機械ステータ。
3. 前記支持部分（４０）は、前記アクチュエータ部分（２０）の回転運動が前記ばね部分（６０）に伝達するのを少なくとも部分的に妨げるように適合されている、請求項１又は２に記載の電気機械ステータ。
4. 前記支持部分（４０）と前記ばね部分（６０）とが共に、前記アクチュエータ部分（２０）と前記固定点（６２）との間の振動のローパスフィルタを構成する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械ステータ。
5. 前記少なくとも１つの限定された経路（６６）は、前記接続点（６８）と、前記アクチュエータ部分（２０）と前記支持部分（４０）との間の取り付け部材（４２）との間の最も近い経路に沿った平均断面よりも小さい平均断面積を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機械ステータ。
6. 前記少なくとも１つの限定された経路（６６）は曲がっている、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気機械ステータ。
7. 前記振動アセンブリ（２５）は、前記被動体相互作用部（２２）によって相互に接続された２つの前記振動体（３０）を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械ステータ。
8. 電気機械モータ（１）であって、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の電気機械ステータ（２）と、
   被動体（１０）と、
   前記振動体（３０）の前記電気機械ボリューム（３２）に交流電圧を供給するように構成された電圧源（７０）と
   を備える、電気機械モータ。
9. 前記電圧源（７０）は、
   

   

   の周波数よりも少なくとも５倍、好ましくは少なくとも１０倍、最も好ましくは少なくとも３０倍高い動作周波数で前記交流電圧を供給するように構成され、
   ここで、ｃ_spは前記ばね部分の前記ばね定数であり、ｍ_stは前記電気機械ステータ（２）の等価集中質量である、請求項８に記載の電気機械モータ。

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