JPH0661542A - 異方性トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 本発明は幅寸法及び奥行寸法を変化させるこ
となしに長さを変化させるアクチュエータを提供する。 【構成】 ４個の剪断電気的変形可能本体４が中央電極
６の二つの面の上に対称的に配設されている。各本体は
更に電気的変形可能本体に取付けた接続用電極８を有し
ており、従ってアクチュエータの基本的なビルディング
ブロックであるテトラモルフを形成している。テトラモ
ルフの上半分における電気的変形可能物体のうちの二つ
は一方向に剪断を発生すべく分極され且つ下半分におけ
る二つの電気的変形可能物体は反対方向に剪断を発生す
べく分極される。電気的変形可能本体における剪断が上
下方向である場合には、テトラモルフはリフタとして作
用し、その剪断が横方向に発生する場合には、テトラモ
ルフはタンゼンタ又はアキシャーとして作用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気的トランスデューサ
（変換器）に関するものであって、更に詳細には、アク
チュエータの幅広面に垂直な並進方向において強制的に
位置決めを行なうアクチュエータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体を二つ以上の方向において強制的に
位置決めする一体的ピエゾ電気本体部分を有する多様な
種類の公知のアクチュエータは、少なくとも一つの前記
部分において厚さ又は拡大ピエゾ電気モードを使用す
る。厚さ又は拡大アクチュエータ部分が剛性構造部材へ
固定される場合には、機械的ストローク及び使用可能な
力のかなりの部分が内部歪の発生のために使用される。
なぜならば、厚さ及び拡大（即ち延長）変形は分離する
ことができないからである。拡大（実際には収縮）する
部分は緊張状態にあり、その場合の歪は脆性セラミック
物質にとってあまり好ましいものではない。内部歪は高
度に応力がかけられたアクチュエータの崩壊を早める。
厚さ変形及び拡大（延長）変形は分離不可能であるの
で、一方の運動は他方の運動に影響を与える。分極方向
に平行な電界を使用する強誘電体アクチュエータの何れ
の形態のものもアクチュエータ本体全体に亘って純粋に
並進運動を発生することが可能なものではない。

【０００３】厚さ又は拡大（延長）モードピエゾ電気要
素は、通常、その層の厚さ（最も短い距離）を横断して
電界を印加することにより分極される。後に、元の分極
電界と同一の方向に動作電界を印加すると、厚さ又は拡
大（延長）変形が発生する。所望により大きな変形を発
生するためには大きな電界が必要とされる。厚さ及び拡
大アクチュエータは、通常、単極電気的駆動に制限され
ている。元の分極方向と逆平行の方向に強力な電界が印
加されると、分極が減少されるか、破壊されるか、厳し
い場合には、異なった程度に逆方向とされる。この最後
のものは全ての適用例において許容可能なものではな
く、その場合に、動作の符号は印加された電圧の極性に
対して保存されねばならない。ピエゾ電気アクチュエー
タにとって双極性の電気的駆動を受入れることが可能で
あることが極めて望ましい。電気的及び電気機械的共振
は、対称的な正弦的電圧の振れにより特性付けられる。
共通の厚さ及び拡大（延長）ピエゾ電気要素は、電圧を
供給する装置が消極を回避するのに十分に高い電圧に一
方の極性に向かって上昇される場合に、双極性駆動を受
付けることが可能である。一般的に使用される電圧の値
は、最大のピークからピークへの振れの半分である。フ
ローティング電源とも呼ばれる上昇された電圧は、より
堅牢な絶縁を必要とし、且つある回路部分を高電圧状態
とさせるので危険性がある。フローティング自走共振器
の一部としてのピエゾ電気要素の容量を使用する回路
は、設計及び製造がより困難である。そうでない場合に
は極性が対称的な駆動の整流は、各「誤った」半サイク
ル期間中にアクチュエータを駆動されないままとさせ
る。

【０００４】単極性の電気的駆動は、特定の印加電界と
関連した所定のピエゾ機械的ストロークを発生させる。
アクチュエータが消極を発生することなしに電界の反対
の極性を受付ける場合には、アクチュエータは大きさが
等しく方向が反対のストロークの別のインクリメント即
ち増分を与えることが可能である。従って、双極性駆動
は、実効的に、印加電界強度又は最大歪状態を上昇させ
ることなしに、使用可能な機械的ストロークを２倍とさ
せる。

【０００５】厚さモードアクチュエータの利点は、スト
ローク（行程）方向に比較的大きな力を付与する能力で
ある。この方向は、通常使用されるピエゾ電気物質のシ
ートの幅広表面に垂直である。垂直方向の力は、ピエゾ
電気層を圧縮状態とさせ、それは脆性のピエゾ電気セラ
ミックにより容易に吸収することの可能な力である。多
様な種類のアクチュエータ、特に平滑トラクション（牽
引）歩行動作を行なうアクチュエータは、非正弦的機械
的ストロークにより利点が得られる。非正弦的ストロー
クは、正弦的共振電気駆動を直接的に印加することを排
除している。ゆっくりと変化する直流電源、例えばプロ
グラム可能なＤＣ電源が、ピエゾ電気位置決め器を制御
するために使用されている。これらの電源は、クラスＡ
増幅器をエミュレートするが、周波数応答が制限されて
いる。ピエゾ電気アクチュエータはほぼ完全に容量的に
リアクティブである。全てのリアクティブな容量電流
は、増幅器出力装置を介して流れる。クラスＡ増幅器
は、零励起の下で使用可能なパワーの全てを内部的に散
逸させ、そのことは電気機械的効率上の欠点である。可
変ＤＣ電圧は、基本的に、重畳される高周波数リップル
がなく、且つそれは比較的良好な位置決め精度でゆっく
りとした速度で（零の速度を包含する）滑らかな制御及
びピエゾ電気位置決め動作を提供する。中程度の周波数
及び電圧において、プログラム可能ＤＣ電源は、摺動摩
擦からの損失を発生することなしに平滑歩行動作アクチ
ュエータとしてピエゾ電気アクチュエータを動作させ
る。しかしながら、高効率は、クラスＡ又はクラスＢ増
幅器をエミュレートするプログラム可能ＤＣ電源の能力
を超えるものである。毎秒当り数歩行サイクルを超える
か又は約２００Ｖを超える電圧の場合に、動作は一層困
難となり且つ効率は低下する。更に、公知のクラスＡ又
はクラスＢ線形増幅器の何れもが完全に容量性の負荷を
駆動する場合に安定状態を維持するものではない。従っ
て、それらは、増幅器の周波数帯域の最も低い部分にお
ける場合を除いて、電気機械的に効率的なピエゾ電気歩
行動作用のアクチュエータへ適用することは不可能であ
る。

【０００６】米国特許第４，６２８，２７５号（Ｓｋｉ
ｐｐｅｒ ｅｔ ａｌ．）に記載されている電子的駆動
はクラスＡ増幅器をエミュレートしている。この増幅器
は、ピエゾ電気剪断アクチュエータを動作させるのに必
要な高い双極性の電圧の振れを与える。しかしながら、
この増幅器の超音波電荷転送サイクルは、定常電圧を保
持している場合であっても、アクチュエータを位置決め
される物体に接続する全てのメカニズムにおいて摩耗及
び疲労の割合を加速させる。更に、この増幅器は、中程
度の電気的効率を得るために、高電圧ＤＣ電源、大型且
つ高重量の変圧器及び非常に高速のスイッチング装置を
必要とする。ＡＣ・ＤＣパワーコンバータを使用するこ
と及び出力スイッチング装置内に大きなリアクティブ電
流が存在することは約６０％を超える効率を得ることを
排除している。

【０００７】平滑歩行動作が可能なピエゾ電気アクチュ
エータは、本質的に、宇宙ステーションなどの真空中に
おける動作に適したものである。なぜならば、潤滑が必
要とされないからである。ピエゾ電気アクチュエータの
高い機械的効率は、動作中における過剰な加熱を回避
し、従って全体的なシステム効率を低下させる付随的な
冷却動作を行なうことの必要性を取除いている。更に、
ピエゾ電気アクチュエータは、静的な力を維持するため
に電源から付加的なエネルギを必要とするものではな
い。

【０００８】真空中での動作は、駆動エレクトロニクス
に関し同様の熱管理条件を必要とする。熱を取去ること
の必要性は、効率の増加と共に劇的に減少する。理想的
な電源による内部熱発生は、ピエゾ電気アクチュエータ
が静的な力を付与するか又は低い速度で動作する場合に
は、無視可能なものである。理想的には、駆動システム
により供給されるエネルギはアクチュエータによる有用
な機械的仕事へ変換されるエネルギと等しいものであ
る。歩行用アクチュエータは、別のアクチュエータ本体
部分による接線方向の力が付与される前に、摩擦による
トラクション（牽引）又は歯の係合に対して必要な垂直
方向の力を与える。共振及び双極性駆動は比較的高い効
率を提供するので、リフト用の本体部分がこれらの特性
を有するものであることが必要である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、二つの方向
における寸法を維持しながら第三の方向において拡大即
ち延長乃至は伸長することが可能なアクチュエータを提
供することを目的とする。

【００１０】本発明の別の目的とするところは、内部応
力の発生を回避するアクチュエータを提供することであ
る。

【００１１】本発明の更に別の目的とするところは、結
合応力及び応力に起因するアクチュエータにおけるスト
ロークの損失を排除することである。

【００１２】本発明の更に別の目的とするところは、改
良した剛性を有するアクチュエータを提供することであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】複合乃至は多軸アクチュ
エータのリフト部分が、剪断層を使用しており、該層内
において構造的及び動作上の力はアクチュエータ本体部
分の電極により担持される。力が発生され且つ剪断によ
り担持される。厚さ及び拡大変形が存在しないことは、
内部の対立する応力を排除し且つ全てのアクチュエータ
部分が完全なる強制的な二軸方向ストロークを与えるこ
とを可能としている。剪断セグメント化及び交互の電極
配置は、動作電圧を増加させることなしにストローク長
さの増大を与えている。電極構成は、更に、独立的な電
気的層活性化を与え、それは、特に、リフト用アクチュ
エータが一つの成分である複合アクチュエータによる平
滑歩行動作期間中に、アクチュエータ動作の機械的効率
のみならず電気的効率を向上させる非正弦的共振動作を
効果的に取込んでいる。

【００１４】

【実施例】本発明は、ピエゾ電気要素を有する剪断部
分、及び装置の幅広面に対して垂直な方向に強制的位置
決め動作を与えるためにピエゾ電気要素に取付けた剪断
変換構造延長部とを使用するアクチュエータを有してい
る。ピエゾ電気剪断アクチュエータ層について説明する
が、本発明のアクチュエータは、電気的励起に応答して
強制的剪断を発生する公知のトランスデューサ（変換
器）媒体の任意の組合わせのものを組込むことが可能で
ある。

【００１５】本発明を明確に理解するために、図１乃至
３はピエゾ電気剪断アクチュエータ要素に対するイント
ロダクションを与えている。図１は、ピエゾ電気本体４
と、上部活性膜電極６と、底部静止膜電極８と、該電極
を電圧源へ接続させるリード１０及び１２とを有するピ
エゾ電気要素２を示している。説明の便宜上、静止電極
８は空間において固定されており且つ電気的接地状態に
あるものと仮定する。ピエゾ電気本体４は、この様な本
体が強誘電体物質から構成される場合には、矢印Ｐで示
した方向に分極される。図１のピエゾ電気要素は、リー
ド１２に電圧が印加されておらず、且つ真実電気的及び
機械的にゼロの状態にある。

【００１６】図２は、リード１２に正の電圧＋Ｖを印加
した後の図１のピエゾ電気要素を示している。電圧＋Ｖ
は、本体４内に矢印Ｅで示した方向に電界を発生させ
る。印加された電界は、分極Ｐと結合して、本体４をし
て弾性的に剪断を発生させる。その剪断変形の結果、電
極６は固定された電極８に対して機械的ストローク１６
だけ矢印１４で示した方向に並進運動を行なう。ストロ
ーク１６の大きさは、本体４の物質のピエゾ電気剪断定
数及び電界Ｅの強度により支配される。図３は、リード
１２へ反対の極性の電圧である−Ｖを印加した場合の矢
印１８で示した反対の方向における機械的ストローク２
０の大きさを示している。

【００１７】ピエゾ電気要素においては、分極方向に対
して垂直に電界を印加することが重要である。なぜなら
ば、電界が分極方向に対して逆平行に印加されると、分
極の減少、破壊及び、厳しい場合には、分極の逆転が発
生する。更に、剪断要素の結合係数及びピエゾ電気動作
係数の両方共、通常、同様の寸法を有する厚さ要素及び
拡大要素のものよりも大きい。

【００１８】図４は、接地電極８と活性電極６との間に
固定した単一のピエゾ電気剪断本体４を示した概略斜視
図であり、本体４は矢印Ｐで示した方向に分極されてい
る。リード１２へ双極性の電気信号を印加すると、本体
４に剪断変形が発生し、それは、印加された極性に依存
して、電極６を電極８と相対的に矢印１４で示した方向
又は矢印１８で示した方向に移動させる。この移動は、
基本的に内部引張り応力が関与しないものである。なぜ
ならば、電極６及び８と平行な本体４の各面は、この剪
断変形の期間中寸法を変化することはないからである。
従って、本体４とそれと固着する電極との間に内部応力
が発生することはない。

【００１９】電極６，８はロード（荷重）を担持するた
めに本体４を超えて延在している。強制的な相対的電極
移動の期間中、接続用の電極が本体４により発生される
剪断力を担持し、且つ物体の強制的位置決め動作に起因
する反作用荷重を担持する。簡単化のために、図面中に
おける全ての部材の厚さは誇張して示されている。実際
上、本体４及び接続用電極６，８は両方共細長い形状を
しており、図面中において垂直方向の電極の力が本体４
によって基本的に純粋な剪断力として担持することを可
能としている。しかしながら、図４の形態は、そのまま
ではピエゾ電気本体及びその電極内にある曲げ力を発生
することなしに安定的に垂直な力を支えることはでき
ず、この様な力はピエゾ電気要素がその一例である脆性
物質により良好に担持されるものではない。本体４の剪
断力担持能力は、本体の幅広表面の面積に比例する。矢
印１４，１８で示した方向におけるストロークは、矢印
Ｅで示した方向における印加電界の強度及び本体４のピ
エゾ電気感度により決定される。電極８に固定されてお
り且つそれから上方に延在する別の同様の本体は矢印１
４又は１８で示した方向へ付勢され、その際に二つの本
体のストロークを加算させる。従って、垂直方向に付加
した複数個の本体は、電気的に並列で機械的に直列な状
態で接続させることが可能である。

【００２０】図５は、テトラモルフと呼ばれるユニット
セルの部分概略斜視図を示しており、テトラモルフは、
図４の剪断電気的変形可能本体４を４個と、リード１２
により双極性電源へ接続された中央電極６と、リード１
２より接地へ接続された接続用電極８とを有している。
テトラモルフは、図示したものの左側及び右側へ連続し
て組立てることが可能であり、層を構成することが可能
である。テトラモルフは、更に、垂直方向に連続して組
立てストロークマルチプライヤ（増大器）を構成するこ
とも可能である。テトラモルフの連続した組立体は、共
通する隣接した電極が一体的なものである場合に構造的
により効率的である。テトラモルフは、分極方向及び力
担持動作に関して対称的である。図４に示した如く、要
素の厚さは著しく誇張して示してある。

【００２１】図４の要素と異なり、ピエゾ電気本体４又
は電極６，８の何れかの屈曲動作を発生する矢印１４，
１８で示した方向における垂直な荷重に起因する力は対
称性によりほぼ自己相殺される。

【００２２】活性電極６はリード１２へ印加される双極
性電気信号により活性化され、その結果本体４内に矢印
Ｅで示した方向に電界を発生する。該電界は、中央電極
６と相対的に、下側の対の要素において矢印１４で示し
た方向に接続用電極８を移動させ且つ上側の対の要素に
おいて矢印１８で示した方向に接続用電極８を移動させ
る。従って、テトラモルフのストロークは、図４の要素
のストロークの２倍である。なぜならば、上側及び下側
の要素の対が機械的に直列な状態にあるからである。構
造的には、二対の本体４は２×２並列−直列であり且つ
図４の単一要素と同じく剛性であり、該電極の通常無視
可能なコンプライアンスを無視している。図示したテト
ラモルフは、その機械的ストロークを、図示したものの
端部に固着されたその他の全てのテトラモルフ（図面中
において垂直方向）のストロークの和に加算する。

【００２３】図６ａは図５のテトラモルフの二つの層２
２，２４と、静止ベース２６と、可動面２８とを有する
テトラモルフアクチュエータの零入力状態における部分
概略断面図を示している。複数個の層が、一つの層から
隣接する層の本体４へ電極６又は８の延長部により互い
に取付けられている。簡単化のために接続用リードは省
略してあるが、全ての接地電極６は共通接地へ接続する
ことが可能であり、且つ０電圧で示した活性電極０は共
通の双極性電源へ接続させることが可能である。一方、
各層２２又は２４の活性電極は、別々の電源により独立
的に電気的に活性化させることも可能である。

【００２４】図６ｂは活性電極に「−」として示した如
く負の電圧を印加した後の状態の図６ａのアクチュエー
タを示しており、負の電圧を印加した結果、静止したベ
ース２６と相対的に強制的な機械的ストローク３２だけ
矢印１８で示した方向に可動面２８が移動している。図
６ｃは、活性電極に「＋」で示した如く正の電圧を印加
した後の状態の図６ａのアクチュエータを示しており、
正の電圧を印加した結果、強制的機械的ストローク３６
だけ矢印１４で示した方向に可動面２８が移動してい
る。

【００２５】図面の面内に水平方向に更に別のテトラモ
ルフを付加すると層の面積が増加し、その場合にはアク
チュエータの動作力及び垂直荷重担持能力が増加され
る。基本的に同一のピエゾ電気本体４であって且つ全て
の活性電極に対して同一の電圧を印加する場合には、各
層２２及び２４は全体的な機械的ストロークに対して同
一の貢献分を発生する。

【００２６】層の数を増加すると機械的ストロークが増
加し、且つ容量が増加し、且つ層の面積を増加させるこ
とにより補償されない限りアクチュエータの構造的剛性
を減少させるが、動作ピーク電圧を増加させることはな
い（全ての活性電極は平行である）。

【００２７】アクチュエータの外部垂直側部表面へ付与
する外部の静的な強制手段（簡単化のために省略してあ
る）は、更に、剪断荷重（負荷）が曲げ荷重へ変化する
内部的な傾向を圧縮力によって打ち勝つことによりアク
チュエータの荷重（負荷）担持能力を更に増加させる。
テトラモルフアクチュエータの本体上の静的な垂直下方
向の力は許容されるが基本的なものではない。なぜなら
ば、アクチュエータ本体内部の荷重担持は基本的に全て
剪断であり、ピエゾ電気本体４への引張り荷重の付与を
排除しているからである。

【００２８】静止ベース２６及び可動面２８に近接した
アクチュエータ本体表面における接地電極８は、本体４
の並進運動と干渉することなしに、動作荷重を伝達すべ
く延長されている。これらの延長部は、活性電極とピエ
ゾ電気本体４の高電圧部分に対して絶縁体を設けること
の必要性を取除いている。構造内部のギャップは、隣接
する層の活性電極が接触することを防止し、複数個の層
を独立的に電気的に活性化させることを可能としてい
る。接地電極のみを延長させることにより、電気的状態
を気にすることなしにリフト用アクチュエータ組立体を
他の構造的及びトランスデューサ本体部分へ組付けるこ
とを可能としている。

【００２９】前述した如く、ピエゾ電気本体、電極及び
ギャップの厚さは図面中においては著しく誇張して示さ
れており、実際には、所定の電圧を印加した場合に所望
の高い電界強度を得、且つアクチュエータ本体密度を中
実構成体のもの近くに維持することによりアクチュエー
タ本体の剛性及び荷重担持能力を保持しながら個別的な
層の活性化を可能とするために、基本的に純粋な剪断荷
重担持動作を得るために小さなものに構成される。

【００３０】図７を参照すると、図４のピエゾ電気要素
２と構成が類似しているが矢印Ｐで示した方向に剪断分
極が発生するピエゾ電気要素５４が示されている。ピエ
ゾ電気本体５６は電極５８及び６０の間に設けられてお
り、それらの電極に対してはリード６４及び６２により
それぞれ電圧が印加される。周期的な双極性の電圧がリ
ード６４と相対的にリード６２へ印加される場合には、
ピエゾ電気本体５６内に振動電界が矢印Ｅで示した方向
に発生され、その結果矢印６６，６８で示した如く電極
５８と６０との間に相対的な剪断運動が発生する。矢印
６６，６８で示した並進運動の方向は、図４に示したピ
エゾ電気要素２の矢印１６，１８で示した並進運動方向
に対して垂直なものとすることが可能である。

【００３１】図８はテトラモルフと呼ばれる本発明の好
適実施例の単一動作セルである。該テトラモルフは、共
通電極６４に固定されており且つ電極６０内に電気的に
包囲された４個のピエゾ電気剪断要素５６を有してい
る。全ての電極６０は電気的に共通接続させ且つ接地へ
接続させることが可能であるが、機械的に接続されるこ
とはなく、外側電極の電気的状態に拘らず、付加的なテ
トラモルフによりさらなる細分化が可能である。上側の
対の要素は図面の面に向かって分極され、一方下側の対
は反対方向に分極される。上側及び下側の対の要素は電
極の互いに入り組んだ構成により機械的直列状態で配設
されている。リード６３へ印加される電圧は、上側及び
下側の並進運動の和に等しい距離だけ下側の電極対と相
対的に上側の電極対を並進運動させ、その際に図７の単
一要素のストロークと比較して機械的ストロークを２倍
とさせている。テトラモルフの内部及び外部への延長部
が、隣接するテトラモルフへ及びそれからの位置決め力
を伝達させる。ピエゾ電気要素の垂直方向のレベルは電
気的に並列で且つ機械的に直列な状態で配列されてい
る。図面中においては、より大きな力を可能とするより
大きな層を形成するためにテトラモルフは一体的に水平
方向に延長されている。ストロークを増加させるため
に、図面において、付加的な層が一体的に垂直方向に延
長されている。一つ又はそれ以上のテトラモルフを層内
に並列電気接続させると、該層を単一の所望により低い
電圧で活性化させる。層の機械的直列な接続は、与えら
れた電圧において所望により大きな機械的なストローク
を与える。各層は、別個の電圧源へ電気的に接続させる
ことが可能である。

【００３２】図９ａは、大略、例えば四つの層２２，２
４，７２，７４のテトラモルフを有するピエゾ電気アク
チュエータ７６の一部の零入力状態を示した概略斜視図
である。参照番号の付け方は前の図面と同じである。図
面を簡単化するために積層体上部２８を省略してある。
層２２，２４は図５のテトラモルフから構成されてお
り、一方層７２，７４は図８のテトラモルフを有してい
る。複数個の層からなるスタック即ち積層体は静止ベー
ス２６へ固定されている。全ての活性電極は電気的に電
圧源へ接続されており（簡単化のために配線は省略して
ある）、該電圧は、それが負である場合には、該積層体
の上部を同時的に二つの直交する方向に並進運動させ、
その並進運動は層２２，２４の結合作用により矢印１８
で示した方向において長さ３２の垂直成分を有すると共
に、層７２，７４の結合作用により図９ｂの面内への矢
印６６で示した方向に長さ８４の水平成分を有してい
る。印加電圧が正である場合には、積層体上部は、矢印
６８で示した方向における距離９２と結合して矢印１４
で示した方向における距離３６だけ並進運動を行ない、
これらの方向は図９ｃに示した負の電圧により得られる
ものと反対の方向である。

【００３３】個々のテトラモルフは独立的に且つ電気的
にアドレス可能なものであるが、隣接するテトラモルフ
の部分に異なる電圧が印加されると、不所望の内部応力
が発生する。従って、各層は電気的に共通に接続されて
おり且つ単一の電圧が供給される。図９において、層２
２，２４は別個の電源で電気的に活性化させることが可
能であり、一方他の電源が独立的に層７２，７４を活性
化させることが可能である。

【００３４】本発明の適用例は所定の電気的波形で交互
に且つ周期的に活性化される図９の一対のアクチュエー
タを使用する平滑歩行動作であり、該波形は積層体上部
を位置決めされる物体のトラクション（牽引）表面部分
をラビング即ち摺擦することなしに平滑な歩行動作を行
なわせる。本発明の多層実施例において平滑歩行動作を
行なわせる好適な方法は前述した如くフーリエ励起によ
るものであり、その場合には、別個の非正弦的機械的ス
トローク波形が角度が付けられた作用方向を有するアク
チュエータ部分において励起される。明らかなことであ
るが、テトラモルフの水平方向及び垂直方向に作用する
層は、アクチュエータ出力の作用を変化させることなし
に積層体内において任意の所望の順番で位置させること
が可能である。

【００３５】テトラモルフの整流作用について説明した
が、分極方向Ｐが可動電極の方向を決定することに注意
すべきである。例えば、分極は層の面に対して４５度に
設定することが可能であり、この場合には４５度のテト
ラモルフ作用方向を与える。しかしながら、多様な種類
の歩行動作用アクチュエータの適用例は、水平なトレッ
ド方向におけるよりも垂直なステップダウン方向におい
てより大きな加速を発生する場合がある。従って、この
様な適用の場合には、ステップダウン層の好適な位置
は、加速せねばならない質量が最も少ないアクチュエー
タ出力端近くである。平滑歩行動作用アクチュエータの
説明に関しては、１９９１年８月２７日付で発行された
「ピエゾ電気アクチュエータ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒ
ｉｃ Ａｃｔｕａｔｏｒ）」という名称の米国特許第
５，０４３，６２１号を参照するとよい。

【００３６】１９９０年５月２２日付で発行された「ピ
エゾ電気アクチュエータ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
Ａｃｔｕａｔｏｒ）」という名称の米国特許第４，９
２８，０３０号に記載されているピエゾ電気剪断型の剪
断アクチュエータを図示した積層体の任意の箇所に固着
することにより第三のアクチュエータ作用方向が付加さ
れる。一つ又はそれ以上の層から積層体に非線形運動を
与えるために例えばツイスタなどのその他の層を付加す
ることが可能である。ツイスタは、１９９１年５月３１
日付で出願された「ツイスト用アクチュエータ（Ｔｗｉ
ｓｔｉｎｇ Ａｃｔｕａｔｏｒ）」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。

【００３７】二つ又はそれ以上の運動方向を有するアク
チュエータを製造する好適な方法は、所定の態様でアク
チュエータ要素の各面の作用方向の方向付けを行なうス
テップと結合して単一方向アクチュエータを製造する前
述した方法の延長線上にある。

【００３８】本発明の多軸実施例の主な利点は、内部応
力を回避することである。剪断変形、特にピエゾ電気要
素の変形は、二次元変形を発生し、それは要素の体積を
実質的に一定に維持し、一つの面（電極）を別の面と相
対的に並進運動させるが、厚さ、幅又は長さにおいて基
本的に変化を発生することはない。アクチュエータの動
作期間中に、位置決めされる物体へ付与される剪断歪以
外の内部歪が要素間、テトラモルフ間、同一作用方向の
層の間、及び角度が付けられた方向に作用する隣接する
層の間において発生することはない。更に、要素を剛体
支持体に結合することにより変形の一つを拘束した場合
にストロークの損失を発生する従来のピエゾ電気要素の
分離不可能な厚さ−拡大（延長）変形と異なり、剪断要
素結合表面は、剪断変形期間中に形状を変化することは
なく、従って完全なる且つ妨げのない作用を制限を与え
ることはない。

【００３９】本発明の多軸実施例の別の利点は同一の寸
法及び形状及び同様の配向状態を有する成分を具備する
モノリシックな構成であり、それは単一の且つ比較的簡
単な装置で経済的に且つ容易にアクチュエータを製造す
ることを可能とする。

【００４０】図１０は物質供給方向４０から一時的な基
板３８上へピエゾ電気物質４、電極物質６，８の層を相
継いでエピタキシャル形成するステップを有する製造方
法により製造中の部分的に完成したテトラモルフアクチ
ュエータ本体の概略斜視図を示している。供給方向４０
は、例えば、ピエゾ電気物質付着の指向性を向上させる
ために、本方法のあるステップ期間中に幅広の付着され
た表面に対して完全に垂直な方向以外の方向を包含して
いる。この方法は、小型のアクチュエータの比較的薄い
層及び大型で高い性能のアクチュエータの薄い層にとっ
て好適である。マスク（不図示）は付着を所定のパター
ンに制限する。ギャップが必要とされる箇所に一時的な
充填物質を付着させることが可能であり、この充填物質
は蒸着、溶融又は溶解により本体を完成した後に除去さ
れる。圧縮性の電気的に絶縁性の充填物質は、真空中又
はその他の厳しい環境において動作するアクチュエータ
においてそのまま残存される。圧縮性の絶縁性ギャップ
充填物質は、例えば、電気的導通を可能とするガス圧力
の範囲内における圧力において動作することを可能とす
る。

【００４１】一時的な基板３８は、アクチュエータ本体
を完成した後に除去し、その際に４分の１回転だけ（図
示した本体の）回転し且つその後に例えば他の層などの
他のアクチュエータ部分を組付けることを可能とする。
サブセットのアクチュエータリフト用層を別個の部品と
して付着させ且つテストし且つ後により大きなリフト用
アクチュエータ内に組込むことが可能である。電極間配
線、外部電気端子への接続、及び電気駆動部品は、電極
及びピエゾ電気本体と共付着させることが可能である。
ピエゾ電気本体は真性ピエゾ電気（強誘電体ではない）
であり且つ当業者に公知の付着プロセスにより示される
方向に本質的に分極する物質から付着させることが可能
である。強誘電体物質は、各ピエゾ電気本体の付着の分
極ステップにより分極させることが可能である。電気駆
動部品は、ピエゾ電気本体厚さよりも薄い絶縁層上に共
付着させることが可能である。共付着された駆動部品
（不図示）は、更に、ピエゾ電気本体の分極部分又は分
極していない部分上に付着され、その結果信頼性はより
高くなり、且つ他のアクチュエータセグメントとの一体
化はより簡単となり、且つ電気供給源及び電源制御手段
への接続がより簡単化される。より薄い層は、所定の電
界強度を得るのに必要なピーク電圧を減少させ、一方よ
り薄い層は、比例的に組立体の容量を付加する。より薄
い層の容量が一層高いにも拘らず、動作期間中に一層大
きなリアクティブ電流が発生し、より低い動作電圧は直
列駆動電圧源のソリッドステート装置を使用することを
可能とする。低い電圧は、更に、動作する層に隣接する
絶縁物質上における電気的応力を減少させることにより
アクチュエータの信頼性を増加させる。

【００４２】図１０は、プレフォームし予め分極し予め
電極を付けたピエゾ電気本体と予め製造した電極を使用
して大型のアクチュエータを組立てる方法を示してい
る。予め製造した部品４，６，８の層は部品間に所定の
ギャップを維持するための装置（不図示）を使用し一時
的な基板３８上に積層させることが可能である。次い
で、その組立体を、全ての部品が一体化されるまで、基
板３８と相対的に矢印４０で示した方向に圧力をかける
ことが可能である。この方法は、更に、電極に近接する
各ピエゾ電気本体の各平坦な表面を、例えば、金などの
拡散可能な導電性物質でコーティングするステップを包
含している。電極結合表面を同様にコーティングするこ
とが可能である。一体化ステップは、導電性のコーティ
ングが相互拡散を行なってピエゾ電気要素と電極とをモ
ノリシックな構成に結合させるまで、中程度の圧力４０
及び中程度の温度を印加することを包含している。この
方法の変形例は、乾燥、塵埃除去、及び相互拡散を助け
るための真空付与のステップを付加することが可能であ
る。電極間の電気的接続は、電極の延長部（不図示）に
より行なうことが可能である。一方、電極は幅広のシー
トからエッチング形成することが可能であり、各電極は
該シートの永久的な又は爾後に除去される導電性部分に
より一つ又はそれ以上の隣接する電極へ接続される。

【００４３】図１１は電気的駆動手段の簡単化した概略
図であり、それは電源接続５２と、アクチュエータ活性
化信号接続部７８と、コントローラ４４と、励起器４６
と、本発明のアクチュエータ４８とを有している。アク
チュエータ４８は、更に、典型的な層又は層グループ容
量４２として示したアクチュエータ層又は電気的に並列
な層のグループを有している。各層又は層のグループは
励起器４６の一部と共にループ上に接続されている。活
性化信号７８に応答して、コントローラ４４が入力５２
からの電気的パワーを励起器４６へ分配させる。コント
ローラ４４は、励起器４６の各回路に対し時間に関して
変化する信号を発生し、該信号は独特の振幅、周波数、
位相及び極性を有している。各励起器回路は、電気的に
共振するために（しかしながら必ずしも機械的に共振す
るものではない）対応する層−励起器ループを励起させ
る。ループ共振の振幅及び周波数は、アクチュエータ４
８から所望される非正弦的機械的ストローク波形により
予め決定されている。例えば、リフト用アクチュエータ
が平滑歩行動作アクチュエータの一部である場合には、
リフト用機械的波形は矢印５０で示した方向における矩
形波の近似である。この様な波形は、フーリエ理論に基
づいて層又は層グループ信号を選択することにより得る
ことが可能である。波形の高いリフトで上部が平坦な部
分が他のアクチュエータ部分によりトラクション即ち牽
引のために必要な垂直方向の力を付与する。この波形の
低いリフト部分は、アクチュエータが次の歩行動作ステ
ップの準備をする場合にアクチュエータのリトレースト
ラクション部分の間のクリアランスを与える。矩形状の
リフト用波形は、歩行運動の全ての部分の期間中に摺動
を防止することにより歩行用アクチュエータの機械的効
率に貢献している。共振を使用することは、コントロー
ラ４４の比較的抵抗性の出力成分を介するのではなく、
高い電圧の振れ及び大きなリアクティブ電流を層−励起
器ループへ帰着させることによりシステムの電気的効率
に貢献する。

【００４４】制御回路、波形及び駆動信号のより詳細な
説明に関しては、１９９０年３月５日付で出願した本願
出願人の米国特許出願第０７／４８８，５４８号、及び
その継続出願として１９９１年８月９日付で出願した
「セグメント化トランスデューサ用電気的駆動（Ｅｌｅ
ｃｔｒｉｃａｌ Ｄｒｉｖｅ ｆｏｒ ａ Ｓｅｇｍｅ
ｎｔｅｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）」という名称の米国
特許出願第０７／７４３，０６９号に記載されており、
且つ１９９２年２月１８日付で出願した「歩行用歯付き
アクチュエータ（Ｗａｌｋｉｎｇ Ｔｏｏｔｈｅｄ Ａ
ｃｔｕａｔｏｒ）」という名称の米国特許出願第０７／
８３６，４９５号、及び１９８６年１２月９日付で発行
された「高容量性装置用の効率的なパワーアンプ（Ｅｆ
ｆｉｃｉｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｆ
ｏｒ ｈｉｇｈ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ
ｓ）」という名称の米国特許第４，６２８，２７５号
（Ｓｋｉｐｐｅｒ ｅｔ ａｌ．）に記載されている。

【００４５】電気機械的に可逆的な電気剪断可能物質か
ら構成した本発明の実施例は、力センサとして使用する
ことが可能である。本発明の実施において、ピエゾ電気
要素は比較的多数であり、力は多数の並列且つ直列経路
により担持され、且つ局所的な応力は少なくとも１個の
要素をセンサとして使用することを許容するのに十分に
低いものである。ピエゾ電気剪断要素を使用する本発明
の実施例においては、可逆法則が、印加した電荷を機械
的仕事へ変換し、且つ逆に機械的仕事を電気信号に変換
することを可能とする。センサ信号はリフト用アクチュ
エータ本体内部の力の状態のアナログ信号であり、且つ
アクチュエータの層又は層グループへ印加される信号の
タイミングと協調させるためにコントローラ４４（接続
状態は省略してある）により使用される。

【００４６】本発明の技術的範囲を逸脱することなし
に、リフト用アクチュエータ要素は、更に、電歪、残留
磁気、透磁性、磁歪、熱膨張性及びその他の物質であっ
て、前述した如き電気的励起に応答して強制的な剪断変
換を与える物質を包含するものであって、ピエゾ剪断実
施例は単に一例として記載したものに過ぎない。

【００４７】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】 零入力ピエゾ電気剪断要素を示した概略斜視
図。

【図２】 正の電圧を印加した状態の図１の要素を示し
た概略斜視図。

【図３】 負の電圧を印加した状態の図１の要素を示し
た概略斜視図。

【図４】 荷重担持用電極を具備する図１の要素を示し
た概略斜視図。

【図５】 図４の４個の要素を対称的に且つ荷重をバラ
ンスさせた状態に結合させた構成を示した概略斜視図。

【図６ａ】 図５の要素から構成された零入力状態のリ
フト用アクチュエータを示した部分概略断面図。

【図６ｂ】 負の電圧を印加した後の図６ａの装置の状
態を示した部分概略断面図。

【図６ｃ】 正の電圧を印加した後の図６ａの装置の状
態を示した部分概略断面図。

【図７】 図４の要素の構成に類似しているが図４の分
極方向と垂直な矢印Ｐで示した方向に剪断分極を有する
荷重担持用電極を具備する零入力状態のピエゾ剪断要素
を示した概略斜視図。

【図８】 図７の４個の要素を対称的に且つ荷重をバラ
ンスさせた状態で結合した構成を示した概略斜視図。

【図９ａ】 図５及び図８の要素から構成された零入力
状態のリフト用アクチュエータを示した部分概略断面
図。

【図９ｂ】 負の電圧を印加した後の図９ａの装置の状
態を示した部分概略断面図。

【図９ｃ】 正の電圧を印加した後の図９ａの装置の状
態を示した部分概略断面図。

【図１０】 図６ａのアクチュエータ本体を製造する現
在好適な方法を示した概略斜視図。

【図１１】 アクチュエータを駆動するための回路の制
御手段を示した概略図。

【符号の説明】

２ ピエゾ電気要素 ４ ピエゾ電気本体 ６ 上部活性膜電極 ８ 底部静止膜電極 １０，１２ リード

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アクチュエータにおいて、 第一面と反対側の第二面とを具備しており各面が上部部
   分と底部部分とを有する中央電極が設けられており、 第一幅広表面と反対側の第二幅広表面とを具備しており
   前記第一幅広表面が前記中央電極の第一面の上部部分へ
   取付けられている第一剪断電気的変形可能物体が設けら
   れており、 第一面と反対側の第二面とを具備する第一接続電極が設
   けられており、前記第一接続電極の前記第一面は前記第
   一剪断電気的変形可能物体の第二幅広表面へ取付けられ
   ており、 第一幅広表面と反対側の第二幅広表面とを具備しており
   前記第一幅広表面が前記中央電極の第二面の上部部分へ
   取付けられている第二剪断電気的変形可能物体が設けら
   れており、 第一面と反対側の第二面とを具備する第二接続電極が設
   けられており、前記第二接続電極の第一面は前記第二剪
   断電気的変形可能物体の第二幅広表面へ取付けられてお
   り、 第一幅広表面と反対側の第二幅広表面とを具備しており
   前記第一幅広表面が前記中央電極の第一面の底部部分へ
   取付けられている第三剪断電気的変形可能物体が設けら
   れており、 第一面と反対側の第二面とを具備する第三接続電極が設
   けられており、前記第三接続電極の第一面が前記第三剪
   断電気的変形可能物体の第二幅広表面へ取付けられてお
   り、 第一幅広表面と反対側の第二幅広表面とを具備しており
   前記第一幅広表面が前記中央電極の第二面の底部部分へ
   取付けられている第四剪断電気的変形可能物体が設けら
   れており、 第一面と反対側の第二面とを具備する第四接続電極が設
   けられており、前記第四接続電極の第一面が前記第四剪
   断電気的変形可能物体の第二幅広表面へ取付けられてお
   り、 前記剪断変形可能物体の幅広表面は、前記剪断電気的変
   形可能物体が活性化される場合に寸法を変化させること
   がないことを特徴とするアクチュエータ。
2. 【請求項２】 請求項１において、本アクチュエータが
   活性化される場合に、前記第一及び第二剪断電気的変形
   可能物体が一方向に剪断を発生すべく分極され且つ前記
   第三及び第四剪断電気的変形可能物体が反対方向に剪断
   を発生すべく分極されることを特徴とするアクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記剪断電気的変形
   可能物体が、前記中央電極の上部及び底部に関して左右
   方向に剪断を発生することを特徴とするアクチュエー
   タ。
4. 【請求項４】 請求項２において、前記剪断電気的変形
   可能物体が前記中央電極の上部及び底部に関して上下方
   向に剪断を発生することを特徴とするアクチュエータ。
5. 【請求項５】 請求項３において、複数個のアクチュエ
   ータが共通接続電極により取付けられており、前記共通
   接続電極は、第一アクチュエータの剪断電気的変形可能
   物体へ取付けられた第一面を具備すると共にアクチュエ
   ータ層を形成するために隣接するアクチュエータの剪断
   電気的変形可能物体に取付けた反対側の第二面を具備す
   ることを特徴とするアクチュエータ。
6. 【請求項６】 請求項５において、一つのアクチュエー
   タの第一接続電極が一面上において隣接するアクチュエ
   ータの第二剪断電気的変形可能物体へ接続されており、
   且つ一つのアクチュエータの第三接続電極が一面上にお
   いて隣接するアクチュエータの第四電気的変形可能物体
   へ接続されていることを特徴とするアクチュエータ。
7. 【請求項７】 請求項３において、前記接続電極が上部
   部分と底部部分とを有しており、且つ第一接続電極の底
   部部分は一つのアクチュエータの第一電気的剪断可能物
   体へ取付けられており且つ上部部分は隣接するアクチュ
   エータの第三電気的剪断可能物体へ取付けられており、
   且つ第二接続電極の底部部分は一つのアクチュエータの
   第二電気的剪断可能物体へ取付けられており且つ上部部
   分は隣接するアクチュエータの第四電気的剪断可能物体
   へ取付けられており、従ってアクチュエータ積層体を形
   成していることを特徴とするアクチュエータ。
8. 【請求項８】 請求項４において、複数個のアクチュエ
   ータが共通接続電極により取付けられており、前記共通
   接続電極は第一アクチュエータの剪断電気的変形可能物
   体へ取付けられた第一面を具備すると共にアクチュエー
   タ層を形成するために隣接するアクチュエータの剪断電
   気的変形可能物体へ取付けられた反対側の第二面を具備
   していることを特徴とするアクチュエータ。
9. 【請求項９】 請求項８において、一つのアクチュエー
   タの第一接続電極が一面上において隣接するアクチュエ
   ータの第二切断電気的変形可能物体へ接続しており、且
   つ一つのアクチュエータの第三接続電極が一面上におい
   て隣接するアクチュエータの第四電気的変形可能物体へ
   接続していることを特徴とするアクチュエータ。
10. 【請求項１０】 請求項４において、前記接続電極が上
    部部分と底部部分とを有しており、且つ前記第一接続電
    極の底部部分は一つのアクチュエータの第一電気的剪断
    可能物体へ取付けられており且つ上部部分は隣接するア
    クチュエータの第三電気的剪断可能物体へ取付けられて
    おり、且つ前記第二接続電極の底部部分は一つのアクチ
    ュエータの第二電気的剪断可能物体へ取付けられており
    且つ上部部分は隣接するアクチュエータの第四電気的剪
    断可能物体へ取付けられており、従ってアクチュエータ
    積層体を形成していることを特徴とするアクチュエー
    タ。
11. 【請求項１１】 請求項９において、前記接続電極が上
    部部分と底部部分とを有しており、且つ前記第一接続電
    極の底部部分は一つのアクチュエータの第一電気的剪断
    可能物体へ取付けられており且つその上部部分は隣接す
    るアクチュエータの第三電気的剪断可能物体へ取付けら
    れており、且つ前記第二接続電極の底部部分は一つのア
    クチュエータの第二電気的剪断可能物体へ取付けられて
    おり且つその上部部分は隣接するアクチュエータの第四
    電気的剪断可能物体へ取付けられており、従ってアクチ
    ュエータ積層体を形成していることを特徴とするアクチ
    ュエータ。
12. 【請求項１２】 異方性トランスデューサにおいて、 第一面と反対側の第二面とを具備する中央電極が設けら
    れており、 各面は上部部分と底部部分とを有しており、 前記中央電極に対称的に取付けて４個の電気的変形可能
    物体が設けられており、これらの変形物体は各面上に２
    個ずつ配設されており、 各電気的変形可能物体は接続電極が取付けられている、 ことを特徴とする異方性トランスデューサ。
13. 【請求項１３】 請求項１２において、前記接続電極が
    隣接する異方性トランスデューサの電気的変形可能物体
    へ取付けられていることを特徴とする異方性トランスデ
    ューサ。