JPH0621524A

JPH0621524A - 歩行用歯付アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0621524A
Application number: JP5029118A
Authority: JP
Inventors: Gordon Walter Culp; ウォルターカルプゴードン
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1993-02-18
Publication date: 1994-01-28
Also published as: EP0556821A1; US5237236A; CA2081094A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】アクチュエータ又は物体の表面上でスリップ
又は摺動を発生することなしに移動されるべき物体へ大
きな力を与えるための歯を具備するアクチュエータを提
供する。【構成】アクチュエータは、平滑な歩行用周期的ステ
ップで動作し、最初に、アクチュエータの歯を物体の歯
と噛み合わせることにより物体と係合し、その際にアク
チュエータは物体と同一の速度で移動し、次いで物体を
移動させ、物体と同一の速度で移動しながら物体から離
脱し、次いで新たなサイクルの開始のために最初の位置
へリトレースする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は歩行用ピエゾ電気アクチ
ュエータに関するものであって、更に詳細には、噛み合
った歯を有するピエゾ電気アクチュエータ及び所定のス
トライドでアクチュエータを駆動するシステムに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】多様な種類のピエゾ電気アクチュエータ
が、強制的に物体を位置決めするために摩擦トラクショ
ン（牽引）に依存している。耐スカッフ（耐摩擦摺擦）
物質は、通常、中程度の非摺擦摩擦係数を有している。
中程度の摩擦は、所望の接線方向の力即ちトラクション
（牽引）力を得るために比較的大きな垂直方向の力を付
与することを必要とする。大きな垂直方向の力は、変形
を防止するために固い容器又はハウジングを必要とし、
そうでない場合には、その変形がアクチュエータのスト
ロークの一部を容器の歪へ変換させる。このような固い
容器は、電磁モータが通常収納されるシェルよりも重量
が重たい。電磁モータシェルはモータトルクに抵抗する
が、ステータセクタ反作用に起因して大きな半径方向の
力に抵抗する必要はない。

【０００３】１９９０年５月２２日付けで発行された本
願出願人のピエゾ電気アクチュエータ特許である米国特
許第４，９２８，０３０号は、物体上で滑らかな歩行動
作を実施すべく制御されるアクチュエータのスタック即
ち積層体を開示している。この構成においては垂直方向
の力は高い。この特許は、三軸座標系における運動のた
めにリフタ、アキシャ及びタンゼンタとして作用する直
線的に動作するアクチュエータのスタック即ち積層体を
開示している。

【０００４】１９９１年５月３１日付けで出願した本願
出願人の米国特許第０７／７０８，６４３号は、直線的
に移動するのではなく軸の周りに回転すべく動作させる
ことの可能な一連のアクチュエータを開示している。こ
れらのアクチュエータは、一個のアクチュエータにおい
て直線的及び曲線運動の組合せを発生するために直線的
に動作するアクチュエータのスタック（積層体）内に設
けることが可能である。

【０００５】ピエゾ電気アクチュエータのような高容量
装置に対する効率的なパワーアンプは、１９８６年１２
月９日付けで発行された米国特許第４，６２８，２７５
号（Ｓｋｉｐｐｅｒｅｔａｌ．）に開示されてい
る。このＳｋｉｐｐｅｒ特許においては、パワーアンプ
は安定な直線的ＤＣ結合型オペアンプ（演算増幅器）と
して動作し、それはわずかの損失でもって大きな電流を
供給する。ＤＣ電源から損失を補充しながら、交互に電
荷をコンデンサへ付与し且つそれから除去させるために
負荷ストリング内に三角波形状の電流を発生させるため
に電流検知フィードバックが使用される。

【０００６】歩行用アクチュエータは、例えば真空管及
びソリッドステートクラスＡ及びＡ／Ｂパワーアンプ、
及び例えばＳｋｉｐｐｅｒｅｔａｌ．により記載さ
れるようなスイッチング増幅器などの平滑歩行動作にと
って適切な非正弦的波形を発生することの可能な多様な
パワーアンプにより活性化される。クラスＡ増幅器は、
完全な運動振幅で瞬間的な始動を与えるが、待機期間中
又は静止状態にあるアクチュエータ期間中においては使
用可能なパワーの全てを内部的に散逸させる。これらの
増幅器の効率は、無視可能な零入力時間の場合であって
も、非正弦的共振電気的駆動体により得られるものより
も実質的に低いものである。

【０００７】１９９０年３月５日付けで出願した本願出
願人の米国特許出願第０７／４８８，５４８号、及び１
９９１年８月９日付けで継続出願した米国特許出願第０
７／７４３，０６９号においては、セグメント化したピ
エゾ電気アクチュエータのストローク貢献分の機械的フ
ーリエ加算及び共振を使用する電気的駆動手段が、トラ
クション（牽引）アクチュエータ動作又は歩行動作期間
中におけるラビング即ち摺擦を排除することにより高い
効率を達成している。歩行動作用の非正弦的機械的加算
されたストロークは、各アクチュエータセグメントの共
振周波数及び振幅を変化させることにより所望とされる
殆んど任意の波形に容易に調整される。トラクション用
アクチュエータは連続的なトラクション表面上で動作す
る。好適なことには、連続的な表面は零のストライドを
包含するアクチュエータのリーチの範囲内で任意の長さ
のストライドにより歩行動作を行うことが可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主目的とする
ところは、二つ又はそれ以上の組の間欠的に係合状態と
される歯付アクチュエータの交互の歩行動作により歯付
物体の強制的な位置決めを行うことである。

【０００９】本発明の別の目的とするところは、一体的
な歯運動期間を有する強制的位置決め動作を開始させる
ことである。

【００１０】本発明の更に別の目的とするところは、ト
ラクション即ち牽引を使用する等価な装置から得られる
ものよりも実質的に大きな力を付与することである。

【００１１】本発明の更に別の目的とするところは、一
般的な歯付面に対し垂直な方向の力を減少させるか又は
取り除くことである。

【００１２】本発明の更に別の目的とするところは、垂
直方向の作動力を減少し且つ取り除くことにより装置の
寸法及び重量を低下させることである。

【００１３】本発明の更に別の目的とするところは、精
密な平滑歩行動作運動サイクルを発生し、その場合に動
作期間中に歯が滑らかに噛み合うようにセグメントを個
別的に電気的に励起することによりアクチュエータセグ
メントの機械的加算を行うことである。

【００１４】本発明の更に別の目的とするところは、一
連の信号をアクチュエータセグメントに対してフェーズ
ロックさせ且つゼロ電流交差期間中に該信号を共にスイ
ッチングさせ且つプログラムしたアクチュエータサイク
ル信号を同時的に完了するために各アクチュエータセグ
メントに対する波をカウントすることにより個別的な非
正弦的トランスデューサ出力を発生するために共振電気
信号用の電子制御システムを提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本明細書においては、サ
ブクラスのピエゾ電気アクチュエータが開示され、それ
らは係合される歯によって、単にトラクション即ち牽引
のみに依存する等価なアクチュエータと比較して大きな
作動力を発生させる。係合された歯は、更に、トラクシ
ョンアクチュエータと関連する大きな垂直方向の接触力
を減少させるか又は除去する。減少された垂直方向の力
は、等価な歯付アクチュエータに対して必要とされるハ
ウジングの厚さ及び重量を減少させることを可能とす
る。しかしながら、トラクションアクチュエータと異な
り、歯付アクチュエータは歯の間隔乃至は周期の整数で
ない任意の歩行ストライドが許容可能なものではない。
歯付のクラスのアクチュエータは、最初のストライド動
作で開始する周期が一致するストライド長さを必要と
し、従って歯付ピエゾ電気アクチュエータの比較的高い
電気機械的効率に適した電気的効率を与え、完全なスト
ライドの電気的振幅を与える電気的駆動手段を必要とす
る。従って、夫々のアクチュエータセグメントへの波形
がゼロ電流交差にある場合にアクチュエータ内の電気的
変形可能物質からなる層を活性化させるために一連のス
イッチを使用する電気的駆動手段が使用される。各セグ
メントへの波形は、アクチュエータにおける歯が常に噛
み合うように精密な運動でアクチュエータの所望の運動
を発生するように選択されており、滑らかな歩行用の力
がアクチュエータに付与され且つ機械的な加算により精
密なストロークサイクルが得られる。スイッチ動作され
る待機共振を使用する応答性完全ストライド電気駆動手
段は、比較的高い全体的なシステム効率に貢献する。

【００１６】

【実施例】図１を参照すると、歩行用歯付アクチュエー
タ２が示されており、それは、シャフト４と、アクチュ
エータ対６ａ及び６ｂと、ハウジング５（簡単化のため
に点線で示してある）とを有している。シャフト４は、
更に、外部表面１０を有しており、その上に歯９が形成
されている。各アクチュエータ６ａ，６ｂはクラウン８
を有しており、その一表面はシャフト４の歯９と一致す
る歯７（図２参照）を担持している。アクチュエータ６
ａ，６ｂはハウジング５の内側表面に固着されている。
アクチュエータ６ａ，６ｂはトラクション即ち牽引作用
により半径方向１４において強制的にシャフト４の位置
決めを行ない、且つ、歯の係合により軸方向１２におい
てより強制的に位置決めを行なう。図示した歯の係合即
ち噛み合いは、与えられた垂直方向の力を使用して、回
転方向１４における歯のトラクションよりも軸方向１２
においてより大きな位置決め力を与える。

【００１７】図２は図１の一方のアクチュエータ６を示
した概略斜視図であり、それはクラウン８とアクチュエ
ータ本体層１６，１８，２０，２２，２４，２６とを有
している。支持手段及び電気的接続部は簡単化のために
省略してある。クラウン８は歯９を有するシャフト４に
近接したその表面上に歯７を有している（図１参照）。
一実施例においては、層１８，２２，２６の電気的励起
により、固着されたアクチュエータハウジング５と相対
的にアクチュエータ６のクラウン８を矢印２８，３０，
３２でそれぞれ示した方向に直線的に移動させる。

【００１８】アクチュエータ本体層（又はセグメント）
は電気的に独立的にアドレス可能である。図示した各本
体層は、電気的変形可能物質からなる複数個の層形成し
たセグメントから構成されており、該セグメントに対す
る制御は後により詳細に説明する。電気機械的に可逆的
な電気的変形可能物質を使用する多数の可能な構成のう
ちの一つにおいて、層１６は力センサであり、それは矢
印２８で示した方向における作動力に比例した電気信号
を与える。層１８は、その層に印加された電気信号の大
きさに関係した矢印２８で示した方向の変位と力との組
合わせを与える。層２０は矢印３０で示した方向におけ
るアクチュエータ力に比例する電気信号を与える。層２
２はその層に印加された電気信号の大きさに関係した矢
印３０で示した方向における変位と力との組合わせを与
える。層２４は、矢印３２で示した方向のアクチュエー
タ力に比例する電気信号を与える。層２６はその層に印
加された電気信号の大きさに関係した矢印３２で示した
方向における変位と力との組合わせを与える。

【００１９】センサ層１６，２０，２４は制御手段へ信
号を供給する。力−変位層１８，２２，２６は、制御手
段により供給される電気信号に応答して、所定の態様で
クラウン歯７を強制的に位置決めさせ、例えば、クラウ
ン８をして経路３４をトレースさせる矢印２８及び３０
で示した方向における運動の周期的な組合わせの態様で
位置決めを行なう。経路３４の寸法及び形状は、矢印３
６で示した方向にシャフト４を周期的に係合し且つ強制
的に位置決めすべく決定される。矢印３６で示した方向
は図１の矢印１２で示した方向と平行とすることが可能
である。アクチュエータ対６ａ及び６ｂは、シャフト４
を移動させるために逐次的に歯と係合する。

【００２０】アクチュエータスタック（積層体）及び該
スタックがどの様にして平滑歩行運動によりシャフトを
移動させるかについてのより詳細な説明については、１
９９０年５月２２日付で発行された「ピエゾ電気アクチ
ュエータ（ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＡｃｔｕａｔ
ｏｒ）」という名称の米国特許第４，９２８，０３０号
に記載されている。

【００２１】本発明の別の実施例においては、アクチュ
エータ６における直線的に動作する層１８，２２又は２
４を、シャフト４へ回転クラウン運動を伝達するための
ツイスト用アクチュエータ層と置換させることが可能で
ある。ツイスト用アクチュエータのより詳細な説明に関
しては、１９９１年５月５日付で出願した「ツイスト用
アクチュエータ（ＴｗｉｓｔｉｎｇＡｃｔｕａｔｏ
ｒ）」という名称の本願出願人の米国特許出願第０７／
７０８，６４３号に記載されている。

【００２２】図３は歯７を有するクラウン８、及び歯９
を有する位置決めされる物体４の一部の歯の係合状態を
示した概略断面図である。歯７及び９はピッチ即ち周期
４６を有している。クラウン８は物体４に対して力ベク
トル４２を与える。歯７及び９の接触角θは、接線方向
力４２を与えるためには垂直方向の力４４を必要とす
る。ほとんどの実施例は、歯の垂直方向の力３８の和を
クラウン８の区域に亘り一様に分布させる。力ベクトル
４０は、垂直及び接線方向の歯の力の合成力である。力
ベクトル４２及び４４は、それぞれ、ｃｏｓθ及びｓｉ
ｎθにより力４０と関係している。比較的低い周波数信
号により電気的に励起されるアクチュエータ６が設けら
れる実施例の場合には、歯位置決め経路３４の角部を丸
める三角形状又は丸形状の歯が好適である。歯周期４６
はクラウントレース３４の幅に対応している。クラウン
トレース３４の高さは、歯係合即ち噛み合いの大きさよ
りも大きいか又は等しい。位置決めされる物体に関し万
力状のグリップ即ち把持を維持するために著しい垂直方
向の力が所望される場合には、矩形でない形状の歯が好
適である。

【００２３】図４は、θがゼロに等しい図３の歯の形態
の矩形形状の変形例である。歯周期４８はクラウントレ
ース３４の幅に対応している。クラウントレース３４の
高さは歯係合即ち噛み合いの大きさより大きいか又はそ
れと等しい。各歯はクラウン８により物体４へ付与され
る接線方向の力４２の方向に対して垂直な面内において
近接した歯の表面と接触する。θがゼロと等しいことに
より垂直方向の力は存在しない。この図面からは必ずし
も明らかではないが、トレース３４の角部は、図３の角
部のものよりも、時間的なドメインにおいて必然的によ
り「鋭い」形状である。

【００２４】歯の形状に拘らず、クラウンは、二つ又は
三つの非正弦的運動からなる物体の強制的位置決め動作
期間中に一つの経路をトレースする。共働的な運動の波
形は、歯が係合され、負荷がかけられ、強制的に位置決
めされ、負荷が取除かれ、離脱され、且つ歯の摺擦を発
生することなしに次の歯へリトレースするように決定さ
れている。常に摺擦が発生し且つ実際上潤滑を必要とす
る歯車の歯と異なり、これらの「平滑歩行動作用」の歯
は真空中において且つその他の厳しい環境条件下におい
て潤滑なしで動作する。過剰な圧力に起因する溶着（設
計により回避可能）とは別に、平滑歩行型の歯付アクチ
ュエータにおける摩耗メカニズムはほとんどなく比較的
有利である。

【００２５】図５は本発明の別の実施例を示した概略斜
視図で、この実施例はアクチュエータ対５２ａ，５２ｂ
とシャフト５６とを有している。各アクチュエータ５２
はシャフト５６の鋸歯状表面５８と係合する鋸歯状クラ
ウン５４を有している。図示した変形例は、矢印１２で
示した方向における歯のトラクション即ち牽引作用から
発生する軸方向の力により与えられるよりも矢印１４で
示した回転方向においてシャフト５６に対してより大き
な位置決め力を与え、尚両方の運動を使用することが可
能である。

【００２６】図６は図５のアクチュエータ５２の概略斜
視図であり、それは層形成したアクチュエータ本体と、
シリンダに対して近軸状に配設した歯５７を具備するク
ラウン５４を有している。シャフト５６の回転を与える
アクチュエータ層は、シャフト５６の軸周りに環状的に
作用するようにシリンダのセグメントの形状を有するよ
うに湾曲状態５１とさせることが可能である。歯と係合
し且つ離脱するアクチュエータ層は純粋に半径方向に作
用し、その際に矩形状の歯の形状を使用することを排除
している。この実施例に対する歯は台形断面を有してお
り、その両側は、少なくとも、円筒状シャフトの軸に対
してのクラウンの幅の対する角度と同じ角度に配設され
ている。

【００２７】別の実施例においては、アクチュエータ５
２の一つの層がクラウン５４の円弧状の運動を与えるス
インガ即ち揺動体とすることが可能である。スインガを
使用することにより、アクチュエータにおける湾曲した
層５１に対する必要性が除去される。

【００２８】図７は本発明の別の実施例を示した概略斜
視図であり、それは、ディスク６０とアクチュエータ６
４（そのうちの３個が示されている）を有している。ア
クチュエータはハウジング（簡単化のために省略されて
いる）へ固着されており、且つ電力源（これも省略して
ある）へ接続されている。ディスク６０は、更に、アク
チュエータクラウン６６の歯６８と噛み合う両側の面の
歯６２を有している。該アクチュエータへ電気信号を印
加すると、周期的に歩行動作を行なうアクチュエータク
ラウン６６によりディスク６０を強制的に回転させる。

【００２９】図８は図７のアクチュエータ６４の概略斜
視図であり、それは、独立的に電気的にアドレス可能な
本体層と、半径方向の歯６８を具備するクラウン６６と
を有している。回転方向にディスク６０を動作させる本
体層は、円筒状の円弧セグメント経路に沿ってクラウン
を移動させる。これらの層は、ツイスタ（捩じり運動
体）又はアキシャー（軸方向運動体）とタンゼンタ（接
線方向運動体）との組合わせとすることが可能である。
例えばリフタ（昇降方向運動体）などの歯の係合を発生
させるアクチュエータにおける本体層は、ディスク６０
の回転軸に平行な方向に移動する。別の組の本体層（バ
イアキシャー即ち二軸方向運動体、後述）は、差動的熱
膨張及び全体的な装置内での温度勾配の不整合効果の任
意の組合わせに起因する半径方向の位置エラーを長期的
に補正し、その際に所定の歯の整合及び所望の不定の歯
の接触を維持する。

【００３０】不整合を補正するこれらの層のより詳細な
説明は、１９９１年７月５日付で出願した「二軸トラン
スデューサ（ＢｉａｘｉａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅ
ｒ）」という名称の米国特許出願第０７／７２６，４４
１号に記載されている。

【００３１】歯を損傷することを回避するために、上述
した歯付アクチュエータは、歯の周期の整数倍であるク
ラウンストローク（行程）を必要とする。部分周期的ス
トロークは歯を軋らせ、且つ一方のアクチュエータと別
のアクチュエータの歯の係合した組の間での力の競合を
発生する。アクチュエータの位置を正確に制御すること
が可能なアクチュエータ駆動システムを提供するため
に、新規なアクチュエータ制御方法が必要である。

【００３２】図９はアクチュエータを正確に駆動するた
めのコントローラの一実施例を示した概略図である。こ
のシステムは、コントローラ８０と、コントローラ８０
へ接続された複数個の電気的励起器Ｓ１．．．Ｓｎと、
対応する複数個のスイッチＳＷ１．．．ＳＷｎと、アク
チュエータ８２の個々の層を有する対応する複数個のイ
ンピーダンスＺ１．．．Ｚｎと、対応する複数個の補助
インピーダンスＺ′１．．．Ｚ′ｎとを有している。ス
イッチＳＷｎの第一位置（図に示したものと反対）にお
いて、電気的ループＬ′１．．．Ｌ′ｎが対応する励起
器を補助インピーダンスＺ′１．．．Ｚ′ｎと接続させ
る。第二スイッチ位置において（図示した状態）、電気
的ループＬ１．．．Ｌｎが対応する励起器をアクチュエ
ータ層インピーダンスＺ１．．．Ｚｎと接続させる。イ
ンピーダンスＺは、通常、例えばインダクタ及び／又は
コンデンサなどの電気的リアクタンスを有している。図
９において、アクチュエータ８２のベースは固定されて
おり、従ってクラウンの運動は機械的出力波形に対応し
ている。

【００３３】外部電極がライン８４を介してコントロー
ラ８０へ供給される。典型的には、所望のアクチュエー
タ出力のアナログを有する命令がライン８６を介してコ
ントローラ８０へ供給される。供給された命令を使用し
て、コントローラ８０は励起器への電力の分布を計算し
且つ制御し、接続されたループ内において所望の共振を
発生する。オプションとして、このシステムは、アクチ
ュエータ８２内のセンサをコントローラ８０と接続する
フィードバックライン８８を有することが可能である。
ライン８８上のフィードバック信号は、例えば、アクチ
ュエータの出力状態とアクチュエータセグメントの相対
的な位置の組合わせを表わすことが可能である。

【００３４】コントローラにアクチュエータクラウンと
シャフトの位置に関するデータを供給するために位置セ
ンサを使用することが可能である。該位置センサは、更
に、相対的な歯の位置に関する情報をコントローラに供
給し続けることが可能である。

【００３５】各アクチュエータセグメントインピーダン
スへ供給される電気信号の振幅は時間の周期的関数であ
る。各励起器は、そのループを共振電気信号で駆動す
る。トランスデューサがアイドル状態にある場合に、ル
ープＬ′１．．．Ｌ′ｎにおいて共振が維持される。ス
イッチ位置が変化されてアクチュエータを活性化させる
場合に、共振はアクチュエータループＬ１．．．Ｌｎへ
転送される。Ｆ１．．．Ｆｎによりそれぞれ表わされる
各ループの所望の応答の周波数、振幅、位相、極性は、
ライン８６を介して受取られる命令からコントローラ８
０により決定される。

【００３６】コントローラ８０は、各セグメント応答Ｆ
の周波数、振幅、位相及び極性を選択するためにフーリ
エ理論を使用することが可能である。各ループ上に供給
される共振電気信号は、そのループの励起器セグメント
の適宜の応答Ｆを発生する。個々のセグメント運動のベ
クトル和は、全体的なアクチュエータ出力である。この
プロセスは、複数個の正弦的電気信号を電気的に加算す
ることによる非正弦的電気波形の合成に類似している。
しかしながら、本発明は、電気的加算が存在しないこと
及び機械的共振なしで動作可能であることによりこの様
な従来のシステムとは区別される。本発明システムは、
所望のトランスデューサ（変換器）出力を得るために電
気的共振及び機械的加算を使用している。

【００３７】図９のアクチュエータ８２は、上述した如
く、セグメント化したピエゾ電気アクチュエータを有す
ることが可能である。この実施例においては、インピー
ダンスＺがダイモルフ（ｄｉｍｏｒｐｈ）インピーダン
ス（電気的並列に且つ機械的直列に接続された個別的な
ダイモルフ又はダイモルフのグループ）を有しており、
一方インピーダンスＺ′は電気的にコンデンサとして作
用するのに一致した値の補助インピーダンスを有してい
る。

【００３８】電気的にリアクティブなセグメントを有す
る多くの電気的に変形可能なアクチュエータは、セグメ
ントの構成に依存して、純粋に容量性又は純粋に誘導性
の負荷として駆動手段へ表われる。この条件は、通常の
活性化期間中にアクチュエータにより機械的な仕事がな
されない場合に通常成立する。アクチュエータが機械的
な仕事を発生する場合には、各アクチュエータセグメン
トの電気的負荷は散逸性のコンポーネントを有してい
る。当業者にとって明らかな如く、アクチュエータセグ
メントの散逸性コンポーネントは、純粋に抵抗性のコン
ポーネントと結合した理想化された純粋にリアクティブ
即ち無効性のコンポーネントを有する等価回路（省略し
てある）により表わすことが可能である。

【００３９】図９の制御システムの変形例では、補助リ
アクタンスループＬ′１．．．Ｌ′ｎの一つ又は各々に
おいて、抵抗４３とスイッチＳＷ_R とを有している。ア
クチュエータ８２が現在活性化されるべきであり且つア
クチュエータの機械的な仕事が予定される場合、スイッ
チＳＷ_R が、補助インピーダンスＺ′１．．．Ｚ′ｎに
よりなされる仮想の仕事の電気的等価物に対応する抵抗
４３をループ内に取込むべく変化され（図示した如
く）、その際に予期される仕事を発生する共振状態の準
備が確立される。スイッチＳＷ１．．．ＳＷｎが図示し
た如くに変化されると作動用アクチュエータの活性化が
進行する。アクチュエータが機械的な仕事なしで動作を
開始すべき場合には、スイッチＳＷ_R は開放状態のまま
とされる（図示した状態と反対）。

【００４０】スイッチＳＷ_R 及びＳＷ１．．．ＳＷｎ
は、コントローラ８０の状態変化信号４５（点線）に応
答する。抵抗４３の値は、電気的パワー即ち電力から機
械的仕事への変換であるアクチュエータ電流の成分を表
わすべく予め定められている。制御システムの変形実施
例は、可変抵抗４３を使用し、各抵抗値が対応するアク
チュエータセグメントの仕事を発生する電流成分に対し
て適切なコントローラ８０の制御信号４５により調節さ
れる。前述したアクチュエータ本体セグメントのセンサ
信号は、コントローラ８０にフィードバックライン８８
により仕事を発生する電流成分の大きさ及び位相情報を
供給し、スイッチＳＷ１．．．ＳＷｎの状態に拘らず、
コントローラ８０がシステムを共振状態に維持すること
を可能とする。抵抗４３の値は、例えば段階的な態様で
動作されるモータの慣性反作用などの見掛けの過渡的な
仕事を一時的に補償すべく制御することが可能である。

【００４１】例えば波運動、周期的な地熱源などの間欠
的な機械的入力に応答する発電器として動作するモータ
は、アクチュエータ８２が発電を開始する場合に抵抗４
３の値を抽出された電力の所定の大きさを表わすべく調
節することにより多共振準備状態を維持する。

【００４２】例えば歩行用歯付ピエゾ電気アクチュエー
タなどの固定したストロークを与えるアクチュエータ
は、ループが状態変化をスイッチする場合に完全なスト
ライドのアクチュエータ動作を開始する共振リアクタン
ス置換から利点が得られる。アイドルのアクチュエータ
状態への復帰は、同一の瞬時性、制御及び効率で行なわ
れる。

【００４３】図１０を参照すると、点線の波形７０は、
例えば一定速度での物体の平滑歩行動作期間中の二軸ピ
エゾ電気アクチュエータの接線方向成分の理想的な機械
的波形である。波形７０は、時間ｔの関数としてのアク
チュエータクラウンの接線方向位置ｙのプロットであ
る。接線方向の力は、波形７０のａの部分の期間中に付
与され、且つｂの部分の期間中に取除かれる。リトレー
スはｃの部分の期間中に行なわれ、接線方向の力がｄの
部分の期間中に再度付与され、且つｅの部分の期間中に
新たな接線方向の強制サイクルが行なわれる。この例に
おいては、λの周期を有する接線方向の波形７０は周期
的である。例えばダイモルフなどの双極性トランスデュ
ーサセグメントを使用する場合には、波形７０は零入力
の機械的位置０に関し対称的であり、接線方向運動の限
界はＹ及び−Ｙとして表わされる。図１１を参照する
と、波形７２は６個のセグメント（ダイモルフグルー
プ）を具備するアクチュエータのアクチュエータ接線方
向運動を示しており、その個別的な接線方向運動はベク
トルとして加算される。実際の波形７２は理想的な波形
７０の上に重畳して示してある。理論的には、理想的な
波形７０は、別々のループで駆動される無限の数のアク
チュエータセグメントの運動を加算することにより得る
ことが可能である。しかしながら、実際には、比較的少
ない数のセグメント運動の和は、図１１に示した如く、
理想的な波形を適切にエミュレートすることが可能であ
る。

【００４４】図１２は、アクチュエータの最初の４個の
セグメントの個別的な出力波形Ｆ１．．．Ｆ４のプロッ
トを示している。直線的アクチュエータ応答の場合に
は、これらの曲線はそれぞれループＬ１．．．Ｌ４の電
気的励起に対して位相及び周波数が対応している。この
例においては、ループの半分が正弦波で共振し且つ他の
半分は余弦波で共振する。ピエゾ電気歩行動作の場合に
は、接線方向出力の力は、余弦振幅を調節することによ
り変化され、一方接線方向運動の速度は正弦振幅を調節
することにより変化される。

【００４５】アクチュエータの力及び速度は独立的に且
つ同時的に変化させることが可能である。一般的な場合
には、全てのアクチュエータセグメント（例えば、ダイ
モルフ）は、最も効率的であるが安全な動作を発生する
同一のピーク電圧へ駆動される。各セグメントの出力運
動の振幅は、各ループの電気的インピーダンスの寸法を
調節することにより変化させることが可能である。ピエ
ゾ電気アクチュエータの場合、各セグメントの容量は、
異なった数の同様のダイモルフを電気的並列状態に接続
することにより修正することが可能である。このこと
は、例えば、状態スイッチとトランスデューサとの間の
ループ内に接続されている電気的スイッチ（不図示）を
使用することにより、コントローラにより実施すること
が可能である。図１２に示した例においては、Ｆ１の振
幅は、Ｆ２の振幅よりも大きい。なぜならば、インピー
ダンスＺ１がインピーダンスＺ２よりも大きいからであ
る。図１３を参照すると、波形７４は、二軸ピエゾ電気
歩行用アクチュエータの垂直に動作する部分（リフタ）
に対する時間ｔの関数としての理想的なトランスデュー
サ出力ｙの点線で示したプロットである。アクチュエー
タは、波形７４のａの部分の期間中に位置決めされる物
体に垂直方向の力を付与し、ｂの部分の期間中に垂直方
向の力を取除き且つ物体から離してクラウンをリフト即
ち上昇させ、ｃの部分の期間中にタンゼンタによるリト
レースを待機し、且つ次の歩行用サイクルのためにｅの
部分の期間中に物体へクラウンを再度付与する。歩行期
間λは、タンゼンタ運動とリフタ運動とが共働的に行な
われる場合に図１０乃至１４に対するものと同一であ
る。

【００４６】図１４は打ち切ったフーリエ級数波形７６
を示しており、それは理想的な波形７４にオーバーレイ
した６個の個別的なリフタセグメントのベクトル和であ
り、比較的少ない数の独立的に励起されるアクチュエー
タセグメントで良好な近似が得られることを示してい
る。

【００４７】ほとんどの電気的トランスデューサは、一
時的に電気的及び弾性エネルギを蓄積する。理想的な共
振システムにおいては、励起器は、機械的仕事へ変換さ
れる電気的パワーのみを供給し、且つループ内にリアク
ティブパワー及び弾性歪として蓄積されるエネルギは損
失を発生することなしに循環される。セグメント化した
トランスデューサに対する電気的ループは、ループから
半導体成分を排除することにより低い抵抗で構成するこ
とが可能である。半導体は、例えば、励起器のコントロ
ーラ側に追いやることが可能である。

【００４８】本発明の固定ストライドアクチュエータに
対する多くの適用例は、理想的な平滑歩行用波形から著
しく逸れることを可能としている。例えば、流体圧アク
チュエータに対する歯付ピエゾ電気置換物は、光学要素
に対する位置決め器よりもかなりラフな稼動状態を可能
とする。粗い適用例の場合には、理想的なフーリエ和の
より精度の悪い近似でも我慢することが可能である。こ
のことは、ダイモルフの接続をより少ない直列ループと
することを可能とし、そのことは制御を簡単化させる。
より大きなダイモルフグループの比較的大きな容量は、
各ループをより低い周波数で動作することを可能とし、
その場合により大きな電荷転送スイング（即ちリアクテ
ィブ電流）が得られそれはより大きなセグメントストロ
ークを与える。各直列ループがほとんど実際的でない電
気抵抗で構成される場合には、非常に大きなリアクティ
ブ電流を取扱うことが可能である。より大きなリアクテ
ィブ電流が比較的小さな抵抗性の散逸で流れる場合に
は、効率が改善される。大きなリアクティブ電流は、更
に、動作速度を増加させ、アクチュエータからより大き
なパワーを抽出することを可能とする。

【００４９】最も整然とした態様で共振リアクタンス置
換に影響を与えるスタンバイスイッチは一体的に状態を
変化させる。しかしながら、余弦項で動作するトランス
デューサセグメントは、スイッチが完全なリアクティブ
電流を取扱うことを必要とする。オプションとして、コ
ントローラは、ゼロのリアクティブ電流のそれぞれの時
刻に各ループスイッチの状態を変化させることが可能で
ある。従って、基本（最も低い周波数）のループを除い
て全てのループが、時間において遅延したスイッチング
を行ない、理想的な共振リアクタンス置換とは異なった
ものとなる。全ての高次のループが基本周期（比較的短
い時間遅延）の一部に過ぎない周期を有するものである
という事実と組合わされて、多くの適用例においてのラ
フな稼動状態に対する許容度を考慮に入れると、ゼロ交
差スイッチングの利点は、この様な適用例における幾分
無秩序な状態変化の欠点を十二分に補っている。ゼロ交
差スイッチングの主要な利点は、寸法、バルク、コス
ト、抵抗性の散逸、及びスイッチの速度が減少されてい
ることである。本発明の応答性駆動手段と結合されたア
クチュエータの小型の実施例は、アクチュエータ本体と
一体的な又はそれと密接に付属した駆動コンポーネント
の多くを取込んでいる。ピエゾ電気アクチュエータ本体
は、通常、無視可能な温度上昇で動作する。一体的なゼ
ロ交差スイッチの使用は、アクチュエータ本体の熱負荷
を著しく増加させることを排除している。

【００５０】本発明の別の実施例として、ピエゾ電気ア
クチュエータコンデンサ（容量）をインダクタンスで置
換させることが可能であり、各アクチュエータインダク
タンスは別体のソレノイドである。この実施例において
は、ソレノイドは磁歪ロッドの周りに共直線的である。
磁歪ロッドの一端における機械的ストロークは、各ソレ
ノイドにより誘起されるストロークの打切りフーリエ和
である非正弦的波形である（カップリングを無視す
る）。補助的なコンデンサとインダクタとの組合わせ
が、制御回路の共振維持（スタンバイ）部分における電
気エネルギの蓄積に影響を与え、応答性の段階的動作を
可能とする。

【００５１】容量性リアクタンス及び誘導性リアクタン
スの組合わせを有するアクチュエータは、一時的な電気
エネルギの格納の相互的な分割を可能とする態様で均等
な容量性リアクタンス及び誘導性リアクタンスを有する
ループでスイッチされ、その際にシステムの電気部品の
数を減少させる。同様の構成は、容量性トランスデュー
サを、電気エネルギ格納機能を相互に分担する均等な誘
導性トランスデューサと接続する。共有された格納部は
システムの寸法及び複雑性を減少させる。

【００５２】別の実施例においては、上述したダイモル
フ及びソレノイドを、熱膨張性物質からなる電気的に加
熱されるセグメントを有するアクチュエータにより置換
させることが可能である。前述した実施例から理解され
る如く、セグメント化したアクチュエータのタイプはか
なり異なることが可能であるが、本発明の応答性電気駆
動システムの原理は同一である。

【００５３】適宜のループ周波数及びフーリエ係数振幅
を選択することにより、多様なストローク波形を本発明
により発生させることが可能である。本発明の種々の実
施例に対する使用態様は、平滑歩行用アクチュエータ、
電磁モータ、ステッピングモータ、及び熱膨張アクチュ
エータを包含する。ステップ可能な非正弦的周期的出力
は、多くの適用例において有益的である。なぜならば、
各アクチュエータストロークの所定の部分が、異なった
大きさの力、速度及び加速度を必要とする場合があるか
らである。更に、歯付アクチュエータへの本発明の適用
は、単一ステップ活性化、マルチステップ活性化、及び
連続的な一定速度の稼動状態の任意の組合わせを可能と
している。ストライドカウント用の電子手段と結合して
歯付アクチュエータの離散的ストライドは、コントロー
ラに対して、±１／２ストライドの確実性で位置決めさ
れる物体の経歴及び現在の位置を与える。ピエゾ電気歯
付アクチュエータは、比較的小さなストライド及び対応
する小さな歯周期を有しており、多様な種類の位置決め
適用例に対して十分以上の精度での本質的に開ループ位
置決定を与える。

【００５４】単一ステップでの完全な強制能力の結果と
して、本発明の利点を具備するアクチュエータは、比較
的大きな慣性負荷を位置決めする有効な能力を提供して
いる。一方、同一のアクチュエータ及び応答駆動システ
ムは、比較的大きな加速及び減速でより小さな慣性負荷
を取扱い、その際に高速で且つ正確な位置決めを行なう
ことを可能としている。例えば、磁気ディスクドライブ
データトラック間の距離に等しい歯のピッチを有するピ
エゾ電気歩行用歯付アクチュエータは、公知のヘッド支
持構成体により許容可能なものよりも著しく大きな加速
で読取り−書込みヘッドを位置決めさせることが可能で
ある。

【００５５】各トランスデューサセグメントのゼロ電流
においてのスイッチ状態の変化は、各セグメントをゼロ
の電気的状態で且つ基本的に機械的なゼロの位置に残存
させる。どの時間においても、トランスデューサセグメ
ントが直流電流又はＤＣレベルにおけるステップ変化で
励起されることはない。零入力状態にあるか又は共振状
態で稼動状態にあるかに拘らず、アクチュエータセグメ
ントはドリフトすることはない。この様にドリフトがな
いということは、ゆっくりと整合するあるドメイン（ヒ
ステリシス）を有する物質から構成されるピエゾ電気ア
クチュエータにおいては特に重要である。

【００５６】本明細書に記載したピエゾ電気アクチュエ
ータは、複数個の層又はセグメントを有する電気的に変
形可能なアクチュエータの任意の形態のもので置換させ
ることが可能である。

【００５７】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】歯を有するシャフトの軸方向位置決めを行な
うための歯付アクチュエータを示した概略斜視図。

【図２】図１の装置において使用されるアクチュエー
タにおける歯及びアクチュエータにおいて使用される層
を示した概略斜視図。

【図３】アクチュエータにおいて使用される係合状態
における歯を示した部分概略断面図。

【図４】別の実施形態における歯の係合状態を示した
部分概略断面図。

【図５】シャフトの比較的大きな回転位置決め力と組
合わさって軸方向の位置決めを行なうためのアクチュエ
ータを提供する本発明の一実施例を示した概略斜視図。

【図６】図５の装置における層及び歯を有するアクチ
ュエータを示した概略斜視図。

【図７】ディスク状ロータの強制的な回転位置決めを
与える本発明の別の実施例を示した概略斜視図。

【図８】図７の装置のアクチュエータを示した概略斜
視図。

【図９】コントローラ（制御）回路を示した概略図。

【図１０】二軸定速平滑歩行用ピエゾ電気歯付アクチ
ュエータの接線方向の作用に対する理想的な機械的波形
を示した説明図。

【図１１】図１０の理想的な波形を近似した６個のア
クチュエータセグメントの機械的和を示した説明図。

【図１２】図１１の波形を発生するために加算される
６個のアクチュエータセグメントの最初の四つの個々の
波形を示した説明図。

【図１３】二軸平滑歩行用ピエゾ電気歯付アクチュエ
ータの垂直方向の作用に対する理想的な機械的波形を示
した説明図。

【図１４】図１３の理想的な波形を近似させた６個の
アクチュエータセグメントの機械的和を示した説明図。

【符号の説明】

２歩行用歯付アクチュエータ４シャフト５ハウジング６アクチュエータ対７，９歯８クラウン１６，１８，２０，２２，２４，２６アクチュエータ
本体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アクチュエータにおいて、歯を具備するクラウンを有する電気的変形可能物質から
なる層、歯を具備する表面を有する可動物体、本アクチュエータを制御する手段、を有しており、アクチュエータクラウンが、周期的に、
歯の噛合により前記物体と係合し、前記物体を移動し、
前記物体から離脱し且つリトレースして別のサイクルを
開始することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】請求項１において、複数個のアクチュエ
ータが前記物体と交互に係合し、且つ移動させ、前記物
体が常時堅固に保持されるように少なくとも二つのアク
チュエータが常にサイクルの係合部分にあることを特徴
とするアクチュエータ。
【請求項３】請求項２において、前記アクチュエータ
が前記物体を連続的動作状態に保持し、前記アクチュエ
ータの歯が前記物体の歯と同一の速度で移動すべく制御
され、サイクル期間中に歯が係合し且つ離脱する場合に
摩擦摺擦なしで噛み合うことを特徴とするアクチュエー
タ。
【請求項４】請求項１において、前記コントローラに
対して前記アクチュエータ及びシャフトの位置を知らせ
る手段が設けられていることを特徴とするアクチュエー
タ。
【請求項５】請求項４において、複数個のアクチュエ
ータが交互に前記物体と係合し且つ移動させ、前記物体
が常時堅固に保持されるように少なくとも二つのアクチ
ュエータが常にサイクルの係合部分にあることを特徴と
するアクチュエータ。
【請求項６】請求項５において、前記アクチュエータ
が前記物体を連続的な動作状態に維持し、前記アクチュ
エータの歯が前記物体の歯と同一の速度で移動すべく制
御され、サイクル期間中に前記歯が係合し且つ離脱する
場合に摩擦摺擦なしで噛み合うことを特徴とするアクチ
ュエータ。
【請求項７】請求項１において、前記アクチュエータ
が複数個の電気的に変形可能な層を有しており、その各
層は前記コントローラにより個別的に電気的に制御さ
れ、クラウン運動が前記層の運動の機械的和により支配
されることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項８】請求項７において、各層が各層へ送給さ
れる電気信号である波形を発生する励起器を有すること
を特徴とするアクチュエータ。
【請求項９】請求項８において、前記波形の和が、一
サイクルで移動すべくアクチュエータのクラウンに指示
を与えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１０】請求項９において、前記アクチュエー
タにおける各層がそれを前記励起器及びコントローラへ
リンクさせる回路を有しており、その中に、前記励起器
からの波形を補助インピーダンスへ逸らせるスイッチが
設けられており、前記励起器からの波形がアクチュエー
タサイクル期間中に本アクチュエータへ送給され且つ本
アクチュエータが活性化されない場合に前記補助インピ
ーダンスへ逸らされることを特徴とするアクチュエー
タ。
【請求項１１】請求項１０において、各アクチュエー
タに対するスイッチが同時的にオン位置へトリガされ、
且つ各励起器に対するコントローラ内の波カウントに到
達し、アクチュエータサイクルの終了を表わすまでオン
位置に留まることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１２】請求項１０において、前記補助インピ
ーダンスが本アクチュエータにより行われる機械的仕事
をシミュレートするための抵抗を有することを特徴とす
るアクチュエータ。
【請求項１３】アクチュエータにおいて、電気的変形
可能物質からなる複数個の層が設けられており、各層は
コントローラにより個別的に電気的に制御され、アクチ
ュエータ運動が前記層の運動の機械的和により支配され
ることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１４】請求項１３において、各層が各層へ送
給される電気信号である波形を発生する励起器を有する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１５】請求項１４において、前記波形の和が
アクチュエータのクラウンにサイクル状態で動作すべく
指示することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１６】請求項１５において、本アクチュエー
タ内の各層がそれを前記励起器及びコントローラへリン
クさせる回路を有しており、該回路内に前記励起器から
の波形を補助インピーダンスへ逸らせるスイッチが設け
られており、前記励起器からの波形がアクチュエータサ
イクル期間中にアクチュエータへ送給され且つアクチュ
エータが活性化されない場合に前記補助インピーダンス
へ逸らされることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１７】請求項１６において、各アクチュエー
タに対するスイッチが同時的にオン位置へトリガされ且
つ各励起器に対するコントローラ内の波カウントに到達
しアクチュエータサイクルの終了を表わすまでオン位置
に留まることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１８】請求項１７において、前記補助インピ
ーダンスがアクチュエータにより行われる機械的仕事を
シミュレートするための抵抗を有することを特徴とする
アクチュエータ。
【請求項１９】請求項６において、本アクチュエータ
が複数個の電気的に変形可能な層を有しており、各層が
コントローラにより個別的に電気的に制御され、クラウ
ン運動が前記層の運動の機械的和により支配されること
を特徴とするアクチュエータ。
【請求項２０】請求項１９において、各層が各層へ送
給される電気信号である波形を発生する励起器を有する
ことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２１】請求項２０において、前記波形の和が
アクチュエータのクラウンにサイクル状態で運動すべく
指示することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２２】請求項２１において、アクチュエータ
内の各層がそれを励起器及びコントローラへリンクさせ
る回路を有しており、該回路内には前記励起器からの波
形を補助インピーダンスへ逸らさせるスイッチが設けら
れており、前記励起器からの波形はアクチュエータサイ
クル期間中にアクチュエータへ送給され且つアクチュエ
ータが活性化されない場合に前記補助インピーダンスへ
逸らされることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２３】請求項２２において、各アクチュエー
タに対するスイッチが同時的にオン位置へトリガされ且
つ各励起器に対するコントローラ内の波カウントに到達
し、アクチュエータサイクルの終了を表わすまで、オン
位置に留まることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２４】請求項２３において、前記補助インピ
ーダンスがアクチュエータにより行われる機械的仕事を
シミュレートする抵抗を有することを特徴とするアクチ
ュエータ。
【請求項２５】請求項２３において、前記電気的変形
可能物質が可逆的であり、入力機械エネルギの電気的パ
ワーへの変換を与え、その際に物体に作用する力がアク
チュエータ上の力に関連して発生される電気的出力を発
生することを特徴とするアクチュエータ。