エネルギー効率の良い分離構造を有する多自由度の圧電マイクロアクチュエータ
約１ｍｍ以下の大きさで製作できる多自由度圧電アクチュエータ。その多自由度圧電アクチュエータは、３次元空間の３本の基本軸それぞれの周りでまたはそれぞれの軸の方向に、回転素子または摺動素子の動きを発生させることができる。多自由度圧電アクチュエータは、１つまたは複数の側面と、第１の端面と、第２の端面とを有する圧電素子（１０）を備えることができる。ここで、少なくとも１つまたは複数の側面は、独立した側面電極（１１）を複数備えており、第１の端面または第２の端面のうちの少なくとも一方は、端面電極（１２）を備えている。圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子（３０，４０）および分離構造（５）についても記載されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、多自由度（ＤＯＦ）の運動を発生させることができる圧電アクチュエータまたはマイクロモータであって、全体の大きさが数ミリメートル、またはミリメートル単位以下である可能性のある圧電アクチュエータまたはモータ、およびこのようなアクチュエータを比較的優れたエネルギー効率で実装するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロロボット分野およびマイクロ工学分野では、１立方センチメートル未満の体積を持つアクチュエータがますます必要とされている。一般的な電磁アクチュエータは、現在ほとんどの用途で使用されているものの、マイクロスケールの用途で必要とされるようなセンチメートル単位以下の大きさに小型化するのには、全般的に適していない。それは、電磁アクチュエータの作動力が、アクチュエータの大きさの４乗の関数として増減することに主な原因がある。一方、圧電超音波アクチュエータは、作動力がアクチュエータの大きさの１乗の関数として増減するものであり、電磁アクチュエータよりも良好な比例特性を呈している。そのため、圧電アクチュエータは、センチメートル単位以下の大きさに小型化するのにより好適である。
【０００３】
圧電アクチュエータは、通常圧電素子で構成される。この素子には、出力能力を拡大するために、頂部にトランスデューサ素子を搭載することができる。最近、トランスデューサの外径が２４１μｍであるトランスデューサ素子を用いた圧電アクチュエータが開発された（非特許文献１を参照）。このアクチュエータは、単一自由度で回転子を回転させられることを証明した。しかしながら、および球状のロボットの目の作動の為の用途および臀部と肩部の連結のための用途といった多くの用途で、多自由度のマイクロアクチュエータが必要とされており、同様に、マイクロロボットおよびマイクロ工学の多くの分野でも必要とされている。約７ｍｍのトランスデューサを有する圧電アクチュエータも開発されている。このような多自由度圧電アクチュエータを電気的に励起するのに使用される従来の方法は、製造上および組み立て上の難点が内在しているため、ミリメートル単位未満の大きさに小型化するのにはあまり適していない。
【０００４】
共振アクチュエータを、システムまたは基板のような別の物体に実装するとき、実装される物体が十分な剛性を備えていないことによって、かなりのエネルギーが、アクチュエータから喪失されるとともに、そのシステムまたは基板に吸収されることになる（非特許文献２を参照）。これは作動効率を低下させるものであり、影響を受けやすい周辺システムにとって有害となる可能性がある。これを緩和するためには、アクチュエータを、中間的に分離した構造を介してシステムまたは基板に実装すればよい。この分離構造は、喪失されるエネルギーを、システムまたは基板との実装部に伝達させるのではなく、アクチュエータの実装点からアクチュエータに向けて反射させるように設計されるものである。これは、２区分構造を使って実現することができる。この場合、それら２区分は、音響インピーダンスの不整合度合いが、かなり大きくなっていなければならない。材料の剛性は音響インピーダンスに最も著しく影響を及ぼす要因であるため、他のものが全て一定であれば、このような構造用に通常、剛性材料および非剛性材料が選択されることが望ましい。このような構造を使用する際に生じる主な欠点は、高分子等の典型的な非剛性材料が、かなり大きな音響散逸係数を有していることである。つまり、このような材料を用いると、アクチュエータがこの構造に伝達するエネルギーは、粘性効果に起因して、多くが喪失されてしまう。加えて、このような分離構造は、薄膜の第一波のアクチュエータでは利用可能であるが（非特許文献３を参照）、バルク用の第二波アクチュエータには提供されていない。
【０００５】
本明細書でなされている、文献、行為、材料、装置、部品、等についての考察はどれも、これらの事柄のいずれかまたは全部が、従来技術の基本部分の一部を形成するもの、あるいは、本発明に関連する分野において、その考察は周知の知識であり、本出願の各請求項の優先日以前に存在していたものと、認めているようには把握されるべきでない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｂ．Ｗａｔｓｏｎ，Ｊ．Ｆｒｉｅｎｄ＆Ｌ．Ｙｅｏ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１９（２００９）
【非特許文献２】Ｗ．Ｎｅｗｅｌｌ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ（１９６５）
【非特許文献３】Ｋ．Ｌａｋｉｎ，Ｋ．ＭｃＣａｒｒｏｎ＆Ｒ．Ｒｏｓｅ，ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（１９９５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
「備える」という用語、または「備えた」若しくは「備えている」等の変形は、本明細書全体にわたって、記載されている要素、整数、若しくはステップ、または要素、整数、若しくはステップから成る群を包含し、いかなる他の要素、整数、若しくはステップ、または要素、整数、若しくはステップから成る群も除外しないことを意味するものと理解される。
【０００８】
本発明は、約１ｍｍ以下の大きさで製作できる多自由度の圧電アクチュエータまたはマイクロモータを提供することを所望の特徴とする。さらに本発明は、エネルギー効率が比較的良好な、圧電アクチュエータに使用される分離構造であって、高音響吸収材料を追加する必要のない分離構造を提供することを所望の特徴とする。本明細書では、その分離構造付きアクチュエータの実施形態を例示して提供している。但し、この分離構造付きアクチュエータの用途は、本明細書の例に限定されない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの態様によれば、３次元空間の３本の基本軸それぞれの周りでまたはその方向に、回転素子または摺動素子の運動を発生させることができる圧電アクチュエータであって、１つまたは複数の側面と、第１の端面と、第２の端面と、を有する本体を備えた圧電素子を備え、少なくとも１つまたは複数の側面は、複数の独立した側面電極を備え、第１の端面または第２の端面のうちの少なくとも一方は、端面電極を備えている、圧電アクチュエータが提供される。
【００１０】
一実施形態によれば、圧電素子は、端面電極が存在する平面に垂直な軸であって、その圧電素子の幾何学的中心を通過する軸として規定される長手方向軸を有する。圧電素子は、この長手方向軸と垂直且つ相互に垂直な各横軸を有するものと理解することができる。圧電素子は様々な形態を有することができるが、矩形のブロックまたは円筒体を備えるのがよい。
【００１１】
一実施形態によれば、圧電素子は、１つ、１つ以上、少なくとも４つ、または４つのみの側面を有することができる。１つ以上の側面を有する場合に、各側面に側面電極を備えることができる。側面が１つである場合に、この側面に複数の電極を設けることができる。一実施形態では、アクチュエータ本体は、４つの電極を備えた１つの側面を有することができる。
【００１２】
それらの電極は、導電性材料で構成することができる。適切な電極の例として、銀フィルムまたは金フィルム等の金属フィルム、銀の塗料等の導電性塗料または導電性ペーストが挙げられる。
【００１３】
４つの側面電極が存在する場合に、一実施形態では、それらの電極を、２組の対を形成するように配置することができる。この場合、所与の対に属する２つの側面電極は、圧電素子の対向する側面または対向する場所に存在する。この実施形態において、側面電極対の各電極は、圧電素子の長手方向軸を中心に、他方の電極から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。
【００１４】
圧電素子の２組の対向する側面電極対は、それら側面電極が存在する平面に垂直な２本の軸が、相互に垂直であり、且つ、端面電極が存在する平面に垂直な軸（即ち、圧電素子の長手方向軸）に垂直であるように設置されることが好ましい。
【００１５】
上記によれば、長手方向軸をｚ軸と考えるならば、圧電素子の側面電極は、２つはｙ−ｚ平面に平行であり、且つ、２つはｘ−ｚ平面に平行であるように設置することができる。
【００１６】
圧電素子は、圧電セラミック材料を含む適切な圧電材料で任意に形成することができる。一実施形態では、圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）素子で構成することができる。ＰＺＴは、富士セラミックス社（日本）等の数多くの供給業者から商品として入手することができる。
【００１７】
圧電素子は、長手方向軸の方向に分極していてよい。
【００１８】
圧電素子は、横方向および／または長手方向に振動させることによって作動させることができる。
【００１９】
横方向振動は、対向する側面電極対の両側に交流（ＡＣ）信号を印加することによって誘発することができる。この場合、一方の側面電極を正極のＡＣ信号に接続し、他方を接地に接続するようにしてよいし、または、一方の側面電極を正極のＡＣ信号に接続し、他方を負極のＡＣ信号に接続し、２つの信号の位相が１８０度ずれるようにしてもよい。
【００２０】
長手方向振動は、２組の対向する側面電極対のうちの一方または両方にＡＣ信号を印加することによって誘発することができる。この場合、選択された電極は、位相が合うように同じ極のＡＣ信号に接続され、両端面電極の少なくとも一方は、電気的に接地されている。
【００２１】
一実施形態では、交流信号は、正弦波ＡＣ信号とすることができる。方形波および／またはのこぎり波のＡＣ信号は単独で利用することができるし、または、その信号を正弦波信号と順番に利用してもよい。
【００２２】
回転素子または摺動素子は、圧電素子の１つの端部に搭載することができる。回転素子の直径は、１ｍｍより大きくてよいし、１ｍｍ以下、例えば約０．４ｍｍであってもよい。
【００２３】
回転素子の３自由度の回転は、圧電素子／電極集合体および本明細書に記載の電気入力方式を使って達成することができる。これは、横方向に振動するｙ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによってｘ軸を中心とする回転を誘発することと、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによってｙ軸を中心とする回転を誘発することと、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、横方向に振動するｙ方向振動モードと結合させることによってｚ軸を中心とする回転を誘発することと、によって、３次元空間の３本の基本軸のそれぞれを中心とする回転を発生させることで、実現することができる。
【００２４】
第１の態様の更に別の実施形態では、圧電アクチュエータは、トランスデューサ素子を備えている。トランスデューサ素子は、圧電素子の１つの端部に搭載されることができる。トランスデューサ素子は、圧電素子と回転素子との間または圧電素子と摺動素子との間に搭載することができる。
【００２５】
トランスデューサ素子は、アクチュエータの出力性能を増大するのに使用することができる。一実施形態では、トランスデューサ素子は、長手方向軸を有する本体を備えている。そのトランスデューサ素子の長手方向軸は、圧電素子の長手方向軸と同一にさせることができる。トランスデューサ素子の断面は、１または複数の内壁および／または外壁によって規定され、様々な形態を有することができるのであり、中実ロッドまたは中空管体または両者の組み合わせにより構成することができる。適切なトランスデューサ素子は、直径１ｍｍ未満のものを、ケイデンスサイエンス社（米国）等の製造業者から入手することができる。
【００２６】
一実施形態では、トランスデューサ素子にスロットまたは切り欠きを設けることができる。
【００２７】
本明細書では、「スロット」という用語は、トランスデューサ素子内に形成されまたはトランスデューサ素子の表面上に作製される切り欠きのあらゆる形態を含むものと理解されるべきである。切削、欠刻、溝、ピッチ、穴、等の形態は全て対象に含むものと理解されるべきである。この規定は、分離構造に形成されるスロットを含め、本明細書に規定の他のスロットにも当てはまるものである。
【００２８】
スロットは、トランスデューサ素子の１つまたは複数の壁に設けることができる。例えば、トランスデューサ素子の内壁および／または外壁に設けることができる。スロットは、あらゆる数量、配置、寸法、形状、および／または深さでも設けることができる。例えば、スロットは、平行な側壁、非平行な側壁を有することができ、実質的にＵ形状またはＶ形状となり得る。好適な実施形態によれば、スロットは、対にして配置するのがよい。この場合、所与の対に属する個々のスロットは、トランスデューサ素子の対向する側面に設置され、対を成している各スロットは、対応するスロットのものと同じ寸法、形状、および／または深さを有している。スロットが対で配置される場合、それぞれのスロット対の各スロットは、トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他方のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設けることができる。このような対は何組設けてもかまわないが、スロットは対称に設けることが望ましい。このように対称に配置すれば、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動が絶対に起こらないことが分かっている。
【００２９】
更に別の実施形態では、スロットは、トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように設けることができる。この場合、上記両平面の交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致している。トランスデューサ素子の長手方向軸がｚ軸を成す場合、スロットは、トランスデューサ素子がｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称となるように設けることができる。スロットは、これらの平面それぞれに関するトランスデューサ素子の対称性が同じになるように設けることができる。
【００３０】
前に規定したように、トランスデューサ素子は、中実であってよく、中空であってもよい。中空素子の場合、スロットは、中空素子の壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。スロットは、各横方向振動モードが独立して、他のモードと共通の周波数で結合できるようにすることによって、このようなアクチュエータの設計上の柔軟性を高めることができる。加えて、トランスデューサ素子にスロットを含めることによって、遥かに短いトランスデューサ素子長で振動モードを結合できるようになるため、アクチュエータの長さおよび容積を小さくすることができる。
【００３１】
スロットは、レーザ加工によって形成することができる。別の実施形態では、スロットは、結果的にトランスデューサ素子にスロットが形成されるような態様で、トランスデューサ素子に材料を添加し、または、そこに突起部分を作製することによって形成することができる。スロットの数量、配置、寸法、形状、および／または深さは、共振周波数を調整し、アクチュエータの出力性能を最適化するために、戦略的に設定できるパラメータである。
【００３２】
さらに別の実施形態では、スロットは使用するよりむしろ、適切な場所でトランスデューサ素子に材料を追加することによって、トランスデューサ素子の曲げ運動を改変することができる。一実施形態では、トランスデューサ素子の壁上に、突起部分領域を形成することができる。それらの突起部分領域は、任意の所望の形状で構成することができ、例えば、こぶ状とすることもできれば、一連の衝撃を与えて構成することもできる。
【００３３】
突起部分領域は、スロットを設けるのと同様に、対にして配置することができる。この場合、所与の対に属する個々の突起部分領域は、トランスデューサ素子の対向する側面に設置され、対を成している各突起部分領域は、対応する領域のものと同じ寸法、形状、および／または高さを有している。突起部分領域が対で配置される場合、領域対それぞれに属する各領域は、トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他方の領域から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。このような対は何組設けてもかまわないが、領域は対称に設けることが望ましい。このように対称に配置すれば、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動が絶対に起こらないことが分かっている。
【００３４】
更に別の実施形態では、突起部分領域は、トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように設けることができる。この場合、２つの平面の交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致している。トランスデューサ素子の長手方向軸がｚ軸を成す場合、突起部分領域は、トランスデューサ素子がｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称となるように設けることができる。突起部分領域は、これらの平面それぞれに関するトランスデューサ素子の対称性が同じになるように設けることができる。
【００３５】
更に別の実施形態では、スロットおよび突起部分領域の両方を、トランスデューサ素子に設けることができる。
【００３６】
圧電素子電極に印加されるＡＣ信号の周波数は、アクチュエータの出力性能を最適化すべく、アクチュエータの横方向共振周波数および長手方向共振周波数それぞれに対応して調節することができる。これらの振動モードを結合することは、共通の共振周波数で起こるため、アクチュエータの幾何学的パラメータを変更することによって実現することができる。
【００３７】
トランスデューサ素子には、金属、高分子、およびセラミックスを含め、任意の適した材料が使用されてよい。トランスデューサ素子は、作動効率を低下させる粘性材料エネルギーの損失を最小限に抑えるべく、ステンレス鋼等の音響消散性の低い材料で製作するのがよい。金属のロッドおよび管体は、直径１ｍｍ未満のものを、ケイデンスサイエンス社（米国）等の製造業者から容易に入手することができる。
【００３８】
さらに別の実施形態では、アクチュエータは、分離構造を備えることができる。その分離構造は、圧電素子と実装台との間に設けることができる。
【００３９】
一実施形態では、分離構造は、複数のセグメントから成る本体を備えることができる。一実施形態では、分離構造は、２セグメント構造を備えることができる。別の実施形態では、分離構造は、２以上の周期的構造のセグメントを備えることができる。それらのセグメントは異なっていてもかまわない。一実施形態では、各セグメントは、剛性が相互に異なっていてよい。即ち、１つのセグメントは、剛性の高い他の構造に対して、相対的に、比較的低い剛性を有することができる。剛性の相対的な差は、２つのセグメント間の材質および／または幾何学構造の差によってもたらされ得る。
【００４０】
セグメント間の幾何学的構造の違いを活用した分離構造用に、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを、トランスデューサ素子について本明細書に記載されているものと同様の態様で作製することができる。例えば、分離構造の中実部分または中空部分の壁に、スロットまたは突起部分領域を形成することができる。
【００４１】
中空分離構造の一実施形態では、スロットは、壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。分離構造の比較的剛性の低いセグメントおよび比較的剛性の高いセグメントの断面形態は、任意の適切な形にすることができる。本明細書に規定されたアクチュエータに使用するためには、分離構造の各セグメントは、円筒形にするとともに、圧電素子の長手方向軸と一致した円筒軸を有するのがよい。分離構造のスロットも、結果的にトランスデューサ素子にスロットが形成されるような態様で、市販のレーザ加工機によって、またはトランスデューサ素子に材料を添加若しくは突起部分を作製することによって、形成することができる。
【００４２】
幾何学的に改変された分離構造における剛性の低いセグメントに、数量、配置、寸法、形状、および／または深さが任意のスロットを形成することができる。上述のように、スロットは、側壁を平行、非平行とすることができ、実質的にＵ形状または実質的にＶ形状で構成することができる。一実施形態では、スロットは対にして配置することができ、この場合、所与の対に属するスロットは、セグメントの対向する側面に設置され、同じ寸法、形状、および／または深さを有している。このようなスロットの対は、分離構造に何組配置してもかまわない。スロット対のそれぞれに属する各スロットは、分離構造の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設けることができる。スロットを対称に構成すれば、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、不要な横方向運動は絶対に起こらない。
【００４３】
スロットは、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントが、相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように形成され得る。この場合、上記両平面の交差線は、分離構造の長手方向軸と一致している。トランスデューサ素子の長手方向軸がｚ軸を成すと考えられる場合、スロットは、分離構造がｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称となるように設けることができる。スロットは、これらの平面それぞれに関する対称性が同じになるように設けることができる。
【００４４】
分離構造の幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントは、比較的剛性の高いセグメントよりも壁から物質を多く除去してスロットを内蔵させることによって、形成することができる。これは、セグメントの構造的剛性を最小限に抑え、これにより、音響インピーダンスの不整合および分離効率が高まる。次いで、標準的な比較的剛性の高いセグメントと、この幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントとを一緒に使用するなどして、比較的高い剛性の構造−比較的低い剛性の構造を周期的構造も含んで組み立てることによって、分離構造を製作することができる。
【００４５】
分離構造が突起部分領域を有する場合に、それら突起部分領域は、トランスデューサ素子の特徴として本明細書に記載している突起部分領域の特徴を有することになる。ここでも、自明であるが、スロットおよび突起部分領域の両方を分離構造に設けることができる。
【００４６】
幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを用いるか否かに関わらず、分離構造を製作するのに任意の適切な材料を使用することができる。幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを用いれば、音響吸収係数が低い材料を使用することが可能になる。これらの材料は、典型的には、スロットを内蔵させて幾何学的に改変する以前は剛性が高いものである。マイクロ分野の用途用に、ステンレス鋼のロッドまたは管体といった材料を使用することができる。これらの材料は、ケイデンスサイエンス社（米国）等の供給業者から入手することができる。
【００４７】
分離構造は、製作するのに幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを用いるか否かに関わらず、その幾何学的パラメータおよび材料的性質を使って、特定の用途に合うように改造することができる。構造の剛性に不整合があるため、分離構造の共振周波数スペクトルの中に「ギャップ」が現れる。これらギャップ内の周波数では、分離構造は、励起されても振動しない。分離部の材料の性質の他に、直径、周期、体積分率（各セグメントが占める周期部分）、等といった幾何学的パラメータを調整することによっても、これらのギャップの中心周波数および帯域幅を改変することができる。周期は、分離構造内にいくつ含めてもかまわない。この場合、使用される周期が多くなると、アクチュエータから実装部に伝達されるエネルギーは少なくなるが、長さは一層長くなる。これも、特定の状況に応じて設定できるパラメータである。
【００４８】
分離構造が幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを使って製作される場合、単一長の金属の材料で製作することができる。これは、分離構造に誤差および非効率をもたらす可能性のある組み立て手段の必要性を取り除くものである。これは、ステンレス鋼でできた管のような通常の材料を選択し、かつ、長さに沿ってセグメントにスロットを設け、比較的高い剛性の構造−比較的低い剛性の構造を形成することによって実現することができる。
【００４９】
一実施形態では、圧電アクチュエータ全体の最大直径は１ｍｍ未満であり、５００μｍ未満であることがより好ましく、約３５０μｍであることがさらに好ましい。
【００５０】
圧電アクチュエータは、マイクロガイドワイヤまたはマイクロカテーテルに実装することができる。
【００５１】
第２の態様では、圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、１または複数の壁を有する本体を備えたトランスデューサ素子が提供される。この場合、トランスデューサ素子の壁にスロットが設けられ、且つ／または突起部分領域が設けられ、対にして配置される。なお、所与の対に属するスロットまたは突起部分領域は、トランスデューサ素子の対向する側面上に設置される。
【００５２】
一実施形態では、スロットは、同じ寸法、形状、および／または深さを有することができる。突起部分領域の場合、これらは、同じ寸法、形状、および／または高さを有することができる。
【００５３】
この態様では、スロットまたは突起部分領域は、本体上に対称に配置することができる。この態様では、対それぞれに属する各スロットまたは突起部分領域は、トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他方から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。
【００５４】
第３の態様では、圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、１または複数の壁を有する本体を備えたトランスデューサ素子が提供される。この場合、トランスデューサ素子の壁にスロットが設けられ、且つ／または突起部分領域が設けられ、それらスロットおよび／または突起部分領域は、トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置される。なお、上記両平面の交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致している。
【００５５】
上記した第２および第３の態様では、トランスデューサ素子は、これらの態様で規定されるスロットおよび／または突起部分領域の特徴の他に、本発明の第１の態様の一部として本明細書に規定のトランスデューサ素子の１つ、一部、または全部の特徴も有することができる。
【００５６】
第２および第３の態様のトランスデューサ素子は、圧電素子、例えば本発明の第１の態様に記載のコンポーネントとして本明細書に規定の圧電素子に搭載することができる。
【００５７】
第４の態様では、圧電アクチュエータに使用される分離構造であって、１つまたは複数の比較的剛性の低いセグメントと、１つまたは複数の比較的剛性の高いセグメントとを備えた複数のセグメントから成る本体を備えた分離構造が提供される。剛性の差は、比較的剛性の低いセグメントと比較的剛性の高いセグメントとの間の材料特性の差、および／またはそれらの幾何学的構造によるものである。
【００５８】
第４の態様の一実施形態では、分離構造は、２セグメント以上の構造を有する。相対的剛性の差は、それら２セグメント相互間の材料特性の差、および／またはそれらの幾何学的構造によるものである。別の実施形態では、分離構造は、周期的に配置された複数のセグメントを備えることができる。
【００５９】
剛性の差が幾何学的構造の差による場合、上記の比較的剛性の低いセグメントに、１組または複数組のスロット対を対称に配置して設けることができる。
【００６０】
剛性の差が幾何学的構造の差による場合、上記の比較的剛性の高いセグメントに、１組または複数組の突起部分領域対を対称に配置して設けることができる。
【００６１】
所与の対に属するスロットまたは突起部分領域は、それらが存在するセグメントの対向する側面に設置することができる。スロットは、同じ寸法、形状、および／または深さを有することができる。突起部分領域は、同じ寸法、形状、および／または高さを有することができる。対それぞれに属する各スロットまたは突起部分領域は、分離構造の長手方向軸を中心に、他方から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。スロットまたは突起部分領域は、上記セグメントが相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置することができる。この場合、上記両平面の交差線は、分離構造の長手方向軸と一致している。
【００６２】
第４の態様の分離構造は、圧電素子、例えば本発明の第１の態様のコンポーネントとして本明細書に規定の圧電素子に装着することができる。
【００６３】
更に別の実施形態では、分離構造は、多自由度アクチュエータ等の圧電アクチュエータを形成するように、単一長の手持ち材料による圧電素子と一緒に形成することができる。一実施形態では、その単一長の手持ち材料は、中実であってもよければ中空のチタン管体であってもよく、次いで、それらの外面に、ＰＺＴ材料を選択的に成長させる。この後に、トランスデューサ素子に相当する部分およびアクチュエータ−分離構造構体の剛性低いセグメントにスロットを設ければよい。或いは、ＰＺＴ材料を成長させる前にスロットを凹設けても差し支えない。この場合、材料は、スロットの上にまたはそれを覆って選択的に成長することができる。
【００６４】
第４の態様の分離構造は更に、本発明の第１の態様の一部として本明細書に規定の分離構造の１つ、一部、または全部の特徴も有することができる。
【００６５】
例示のみを目的として、本明細書に付属する図面を参照して、本発明について以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１ａ】本発明に係る圧電素子の実施形態を示す図である。
【図１ｂ】本発明に係る圧電素子の実施形態を示す図である。
【図２ａ】本発明に係る圧電アクチュエータ内で横方向（ｘ方向）振動モードを励起するのに使用可能な通電方式を示す図である。
【図２ｂ】本発明に係る圧電アクチュエータ内で長手方向（ｚ方向）振動モードを励起するのに使用可能な通電方式を示す図である。
【図３ａ】図２ａおよび図２ｂにあるような基本振動モードを結合して、３次元空間の３本の基本軸のうちのｘ軸の周りで回転子を回転させるのに使用可能な、通電方式を示す図である。
【図３ｂ】図２ａおよび図２ｂにあるような基本振動モードを結合して、３次元空間の３本の基本軸のうちのｙ軸の周りで回転子を回転させるのに使用可能な、通電方式を示す図である。
【図３ｃ】図２ａおよび図２ｂにあるような基本振動モードを結合して、３次元空間の３本の基本軸のうちのｚ軸の周りで回転子を回転させるのに使用可能な、通電方式を示す図である。
【図４ａ】本発明に係るトランスデューサ素子の実施形態を示す図である。
【図４ｂ】本発明に係るトランスデューサ素子の実施形態を示す図である。
【図４ｃ】本発明に係るトランスデューサ素子の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る、圧電素子に装着するための分離構造の一実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る圧電アクチュエータの一実施形態を示す図である。
【図７】（ａ）はマイクロモータが、直交曲げ振動モードと軸方向振動モードとの結合によって、どのように長手方向ｚ軸を中心とする回転を発生させることができるか、（ｂ）はどのように横方向ｘ軸を中心とする回転を発生させることができるか、（ｃ）はどのように横方向ｙ軸を中心とする回転を発生させることができるかを示す図である。
【図８】（ａ）は２５０×２５０×５００μｍＰＺＴ圧電素子頂部に搭載された中空円筒形トランスデューサ（外径２３０μｍ、内径１１０μｍ）であって、曲げ共振周波数を下げるべく、典型的には１８１μｍ離間され、壁をまっすぐに貫通する３０×１００μｍのスロットが、トランスデューサ壁内に、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称に設けられているトランスデューサを備えたマイクロモータの一実施形態を示す図である。（ｂ）は関連するＦＥＡ予測変位を表した、第１の曲げ振動モード形状の図である。（ｃ）は関連するＦＥＡ予測変位を表した、第２の曲げ振動モード形状の図である。（ｄ）は関連するＦＥＡ予測変位を表した、第１の軸方向振動モード形状の図である。
【図９】トランスデューサ長に対する共振周波数の測定値を示す図である。第２の曲げ共振周波数を軸方向共振周波数と結合させて２本の横方向軸（ｘおよびｙ）での回転を達成すべく、トランスデューサ長を変更し、１４５０μｍにおいてこれを実現した。長手方向軸の回転には、第１の曲げモードを使用した。
【図１０】導電性エポキシ樹脂を使ってトランスデューサをＰＺＴ素子に接着し、ＰＺＴ素子を隔離された基板に接着し、電力金線をＰＺＴ素子に接続して製作したマイクロモータの試作品を示す図である。
【図１１】過渡的な始動段階の回転子の角加速度に基づいて計算した各軸を中心とする回転速度の関数として、マイクロモータのトルクの測定値を示した図である。横方向ｘ軸、横方向ｙ軸、および長手方向ｚ軸の動作周波数はそれぞれ、４５６ｋＨｚ、４６２ｋＨｚ、および１９１ｋＨｚであった。
【図１２】回転速度を６〜２０ＲＰＭに下げるのに、連続バースト−トリガー式制御方式をどのように活用したのかを示す図である。提示の静止画像は、３本の直交回転軸のうちの、（ａ）は長手方向ｚ軸、（ｂ）は横方向ｘ軸、（ｃ）は横方向ｙ軸を中心とするマイクロモータ動作のビデオ撮影から取り出したものである。見易くするために、長さ１ｍｍのナイロンを回転子に接着した。
【図１３】ステンレス鋼−ナイロン複合体で形成された分離構造の規格化帯域幅および中心周波数を示すグラフである。各線は、見易くするために適合させたものである。
【図１４】本発明に係る分離構造を製作した試作品を示す図である。
【図１５】テストを行った分離構造の、数値計算および実験による共振周波数スペクトルであって、モード５とモード６の間の、中心周波数５２０ｋＨｚ、帯域幅３８０ｋＨｚの阻止帯域が現れているスペクトルを示すグラフである。各線は、見易くするために適合させたものである。
【図１６】第１の阻止帯域の中心周波数（５２０ｋＨｚ）で分離構造を示す図である。（ａ）は実験的に励起した分離構造であって、振動変位はページ平面に垂直である。（ｂ）は数値計算により励起した分離構造であって、変位形状を示すために、ページ面内で振動変位を表示している。接続界面における振動振幅を、本図面の表に示している（挿入図）。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
圧電アクチュエータまたはモータから運動を発生させることは、トランスデューサの共振振動性質を、周期的に励起させる圧電素子を使うことによって実現される。これら振動モードの形状およびアクチュエータの幾何学的形状に応じて、移動および回転を含む、種々の出力動作を発生させることができる。
【００６８】
圧電アクチュエータの圧電素子１０、２０の実施態様を、図１ａおよび図１ｂに示す。圧電素子は多くの異なる形状を成すことができるものの、図１ａに示しているのは矩形ブロックの素子であり、図１ｂに示しているのは円筒形の素子である。
【００６９】
圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含め、さまざまな材料で製作することができる。ＰＺＴは、富士セラミックス社（日本）等の供給業者から商品として入手することができる。
【００７０】
圧電素子１０には、それぞれが別々の側面電極１１を有する４つの側面が設けられている。他方、図示の圧電素子２０には、４つの側面電極１１を有する１つの側面が備わっている。どちらの実施態様も、端面電極１２を有する。これらの電極は、アクチュエータ内で振動モードを励起するために使用される。それらの実施態様において、端面電極は、図示された圧電素子１０、２０の下方の端部にそれぞれ設けられるものと想定することができる。
【００７１】
図１ａおよび図１ｂに示されたように、圧電素子１０、２０の２組の対向する側面電極対は、側面電極１１が存在する各平面に垂直な２本の軸が、相互に垂直であり、且つ端面電極１２が存在する平面に垂直な軸（素子の長手方向軸）に垂直である、ように設置される。
【００７２】
例えば、図１ａの圧電素子１０の側面電極１１は、２つはｙ−ｚ平面に平行であり、もう２つはｘ−ｚ平面に平行である、ように設置される。
【００７３】
運動が３本の基本軸の周りまたは３本の基本軸全てでなされる必要がない場合、４つ未満の側面電極１１および２つ未満の端面電極１２を備えることは任意であることを理解されたい。
【００７４】
図２ａ、図２ｂ、図３ａ、および図３ｂを精査すれば自明であるが、電気入力が印加される諸電極のうちの一部のものは図示されていない。更に、これらの図において、正弦波ＡＣ信号の表示も、単に例示であり、方形波および／またはのこぎり波といった他のＡＣ信号も可能である。
【００７５】
図２ａのｘ方向といった圧電素子の横方向振動は、一対の対向する側面電極１１に正弦波ＡＣ信号を印加することによって誘発することができる。この場合、それら２つの信号の位相が１８０度ずれるように、一方の電極を正極ＡＣ信号に接続し、他方を負極ＡＣ信号に接続することができる（図２ａ参照）。このようにすれば、所与の入力電圧に対して達成可能な横方向振動の振幅は、最大化する。
【００７６】
図２ｂのｚ方向といった圧電素子の長手方向振動は、対向する側面電極１１から成る（１組または複数組の）電極対のうちの一方または両方に正弦波ＡＣ信号を印加することによって誘発することができる。この場合、選択した電極を、位相が合うように同一極のＡＣ信号に接続し、両端面電極１２のうちの一方を、電気的に接地する（図２ｂ参照）。
【００７７】
このような電気入力方式を用いれば、図示の圧電素子頂部に直接的にまたは間接的に載置した回転子（例えば０．３９７ｍｍのボール回転子）の３自由度回転を実現できるであろう。３次元空間の３本の基本軸それぞれを中心とする回転は、次のようにして誘発することができる。
１．ｘ軸を中心とする回転は、横方向に振動するｙ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによって誘発することができる（図３ａ参照）。
２．ｙ軸を中心とする回転は、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによって誘発することができる（図３ｂ参照）。
３．ｚ軸を中心とする回転は、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、横方向に振動するｙ方向振動モードと結合させることによって誘発することができる（図３ｃ参照）。
【００７８】
図１ａ〜３ｃを参照して説明したような圧電素子を有する圧電アクチュエータも含め、本発明に係る圧電アクチュエータは、アクチュエータの出力性能を拡大すべく、圧電素子頂部に搭載されるトランスデューサ素子も備えることができる。
【００７９】
トランスデューサ素子の長手方向軸は、圧電素子１０、２０の長手方向軸と一致させることができ、また、トランスデューサ素子は多くの断面形態を有することができる。図４ａ〜４ｃにあるように、トランスデューサ素子は、中空管体３０で形成することもできれば、中実ロッド４０で形成することもできる。図示のトランスデューサ素子は、直径１ｍｍ未満とすることができ、ケイデンスサイエンス社（米国）等の適切な製造業者から供給される材料で形成することができる。
【００８０】
図４ａ〜４ｃに示されたように、スロット３１、４１は、トランスデューサ素子の壁に設けることができる。図で示した実施態様において、スロットは対にして配置されており、スロット対は、図にあるものも含め、任意の数量、配置、寸法、形状、および／または深さにすることができることは自明である。所与の対に属するスロットの態様は、スロットがトランスデューサ素子３０、４０の対向側面に設置され、且つ同じ寸法、形状、および深さを有するようなものとなっている。特定の態様が図示されているが、このようなスロット対はいくつでも設けることができる。このように対称な構成で設ければ、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動は絶対に起こらない。
【００８１】
図４ａに示すトランスデューサ素子３０のスロット３１は、トランスデューサ素子が、長手方向軸を中心とする若干の角度方向だけ、図４ａのｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面といった２つの平面に関して対称となるように設けられている。これらの平面は相互に垂直であり、それらの交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致することになる。
【００８２】
図４ｂおよび図４ｃにあるスロット４１は、これらの平面それぞれに関するトランスデューサ素子の対称性が同じになるように設けることができる。
【００８３】
図示のスロットは、トランスデューサ素子に設けることができ、図４ａにある中空素子の場合に、壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。
【００８４】
スロットを用いれば、各横方向振動モードを単独で、他のモードと、共通の周波数で結合できるようになることから、このようなアクチュエータの設計上の柔軟性が高まる。加えて、トランスデューサにスロットを含めることによって、遥かに短いトランスデューサ長で振動モードを結合できるようになるため、アクチュエータの長さおよび容積が小さくなる。説明しているように、このようなスロットは、市販のレーザ加工機によって設けることができるが、スロットを形成するようにトランスデューサに材料を添加することも含め、他の形成技法を活用しても差し支えない。スロットの数量、配置、寸法、形状、および／または深さは、共振周波数を調整し、アクチュエータの出力性能を最適化すべく、戦略的に設定できるパラメータである。
【００８５】
スロットを備えた実施形態を図示しているが、本明細書に記載の説明から自明であるように、トランスデューサ素子には、その代わりにまたはそれに加えて、規定の特徴を有する突起部分領域を設けることも可能である。
【００８６】
圧電素子電極に印加されるＡＣ信号の周波数（ω）は、出力性能を最適化すべく、アクチュエータの横方向共振周波数および長手方向共振周波数それぞれに対応するように調節することができる。これらの振動モードは共通の共振周波数で起こるため、それらを結合することは、アクチュエータの幾何学的パラメータを変更することによって実現することができる。
【００８７】
図４ａ〜４ｃに示すトランスデューサ素子には、金属、高分子、およびセラミックスを含め、任意の適切な材料を使用することができる。好ましくは、トランスデューサ素子は、作動効率を低下させる粘性材料エネルギー損失を最小限に抑えるべく、ステンレス鋼等の低音響散逸性材料で製作するのがよい。金属ロッドおよび管体は、直径１ｍｍ未満のものを、ケイデンスサイエンス社（米国）等の製造業者から容易に入手することができる。
【００８８】
図５は、本発明に係る分離構造５の一実施態様を示している。分離構造５は、２つのセグメント５０、５１の周期構造を形成することによって製作される。この場合、それら２つのセグメントは、主に材料の性質若しくは幾何学的構造またはその両方によって、剛性が異なっている。
【００８９】
幾何学構造の違いを活用した分離構造において、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０は、本明細書に規定のトランスデューサ素子３０、４０とほとんど同じ態様で作製することができる。この場合、中実部分または中空部分の壁にスロット５２が設けられる。中空の場合、スロット５２は、壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。分離構造５の比較的剛性の低いセグメント５０および比較的剛性の高いセグメント５１の断面形態は、様々な適切な形状とすることができる。本明細書に記載の圧電素子２０に使用するには、分離構造５のセグメントは、圧電素子２０の長手方向軸と一致した長手方向軸を有する円筒体とするのがよい。スロット５２も、本明細書に記載のように市販のレーザ加工機または他の技法によって設けることができる。
【００９０】
トランスデューサ素子３０、４０と同様に、分離構造５に使用されるスロットは、任意の数量、配置、寸法、形状、および／または深さにすることができる。図で示した実施態様において、スロット５２は対にして配置されている。この場合、所与の対に属するスロット５２は、セグメント５０の対向する側面に設置され、同じ寸法、形状、および深さを有している。このような対は、何組を設けてもかまわない。このように対称な構成で設ければ、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動は絶対に起こらない。
【００９１】
図示するように、スロット５２は、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントが、長手方向軸を中心とする若干の角度方向だけ、図５のｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面といった２つの平面に関して対称となるように配設されている。これらの平面は相互に垂直であり、それらの交差線は、セグメントの長手方向軸と一致することになる。スロット５２は、図５に示すように、これらの平面それぞれに関する対称性が同じになるように設けることができる。
【００９２】
幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０は、スロット５２を含めることにより、比較的剛性の高いセグメント５１に比べ少ない材料で形成されている。これによって、セグメント５０の構造的剛性は最小限に抑えられ、ひいては、音響インピーダンス不整合および分離効率が高まる。分離構造５は、比較的高い剛性の構造５１−比較的低い剛性の構造５０を形成することによって製作することができる。
【００９３】
図では示していないが、本明細書で説明しているように、比較的剛性の高いセグメント５１は、対称に配置された突起部分領域の対を１組または複数組有することができる。
【００９４】
幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０を用いるか否かに関わらず、分離構造５を製作するのに任意の適切な材料を使用することができる。幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０を用いれば、音響吸収係数が低い材料を使用することが可能になる。これらの材料は、通常は、スロットを設けて幾何学的に改変する以前は剛性が高いものである。マイクロ分野の用途用に、ステンレス鋼のロッドまたは管体といった材料を使用することができる。これらの材料は、ケイデンスサイエンス社（米国）等の供給業者から、商品として低価格で入手することができる。
【００９５】
分離構造５を図示したように製作するのに、比較的剛性の低いセグメント５０を用いるか否かに関わらず、分離構造の幾何的パラメータおよび材料的性質を用いて、特定の用途に合うように、分離構造５を改造することができる。分離構造５の剛性に不整合があるため、分離構造５の共振周波数スペクトルの中に「ギャップ」が現れる。これらギャップ内の周波数では、分離構造５は、励起されても振動しない。材料の性質の他に、分離構造５の直径、周期、体積分率（各セグメントが占める周期部分）等の幾何的パラメータを調整することによっても、このギャップの中心周波数および帯域幅を改変することができる。周期は、分離構造５内にいくつ含めてもかまわない。この場合、使用される周期が長くなると、アクチュエータから実装部に伝達されるエネルギーは減少するが、長さは一層長くなる。これも、特定の状況に応じて設定できるパラメータである。
【００９６】
一実施態様では、図示のように幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０を使用した分離構造は、（図５に示すように）単一長の手持ち材料で製作することができる。これは、分離構造５に誤差をもたらすとともに効率を悪化させる可能性のある組み立て手段を不要にするものである。これは、ステンレス鋼の管体等の普通の材料を選択するとともに、長さに沿って離間されたセグメントにスロット５２および／または突起部分領域（図示省略）を導入し、比較的高い剛性の構造５１−比較的低い剛性の構造５０を形成することによって実現することができる。
【００９７】
多自由度圧電アクチュエータ構造６の別の実施態様を図６に示す。この実施態様では、分離構造は、単一長の手持ち材料で製作されている。例えば、アクチュエータは、中実の基材または中空チタン管体６１で製作することができるのであり、次いで、その外面６０に、圧電素子部分を形成すべく、ＰＺＴ材料を選択的に成長させる。この後、トランスデューサ素子を形成するとともに分離構造部分の比較的剛性の低いセグメント５０を形成するために、スロット６２を設ければよい。あるいは、ＰＺＴ材料６０を成長させる前にスロット６２を設けてもよい。この場合、ＰＺＴ材料６０は、図６に示すように成長させるかまたはスロットの上端部を覆って選択的に成長させることができる。
【００９８】
アクチュエータの試作品の開発についての説明
本明細書に規定の特徴を用いて、マイクロモータまたはアクチュエータ７の試作品を開発した。本試作品は、中空円筒形トランスデューサ７０を含んでこの試作品を構成したが、これは、単一のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電素子７１の頂部に搭載され、ＰＺＴ圧電素子７１に励起されてボール回転子７２を駆動するものである。
【００９９】
この試作品では、２つの曲げ振動モードを結合することによって、長手方向軸を中心に回転運動を発生させることができる（図７ａ参照）。加えて、トランスデューサ内で曲げ振動モードを軸モードと結合することによって、各横方向軸を中心に回転運動を発生させることができる（図７ｂおよび図７ｃ参照）。これらの回転出力を実現するには、各振動モードを、他方に対して４分の１波長分の位相差をもって励起する必要がある。２つの振動モードのうちの位相が進んでいる方を変更することによって、任意の軸を中心とする回転を反転することができる。その結果、３自由度の可逆回転がもたらされる。この場合、２本の直交横方向軸（ｘおよびｙ）および長手方向軸（ｚ）の周りで回転が生じる。
【０１００】
トランスデューサ内で必要な振動モードを起動するために、ＰＺＴ圧電素子内で曲げ運動および軸方向運動を発生させる方法が考案された。
【０１０１】
この設計に使用されるＰＺＴ素子は、長手方向に分極している。ＰＺＴ素子の対向する２つの側面の相互間の電気的な差を加えることで、ｄ３１圧電歪み結合によって、ＰＺＴ素子を強制的に曲げることができる。あるいは、上方または下方の長手方向電極のいずれかを接地した状態でＰＺＴ素子の対向する２つの側面の相互間に等しい電気ポテンシャルを印加することで、ＰＺＴ素子を軸方向に強制的に延伸させることができる。
【０１０２】
このような共振モータの性能は、直交する２つの振動モードが結合されるその精度のレベルによって決まる。２つの振動モードを結合することは、２つの共振周波数を所望の精度水準内で整合させるために、トランスデューサの幾何学的パラメータを調整することによって実現される。この例で周波数の整合を実施するために、有限要素解析（ＦＥＡ）を実施した。
【０１０３】
３自由度マイクロモータの設計および開発を行うために選択されたＦＥＡパッケージは、ＡＮＳＹＳ１１．０（アンシス社、ペンシルバニア州キャノンズバーグ）であった。マイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ）および圧電材料の用途に対する特有の適合性に基づいて、このパッケージが選択された。マイクロモータの振動モードの共振周波数を予測し、調整するために、最初にモード解析を行った。
【０１０４】
ＦＥＡを行うに際して、完全なユニットから回転子を除いたもので、マイクロモータをモデル化した。そのモデルには、ＰＺＴ素子をトランスデューサに結合するため、かつ、マイクロモータをテスト用基板に固定するために、２ヶ所のエポキシ接着剤を含ませた。そのため、導電性の高強度エポキシ（Ｅｐｏｔｅｋ Ｈ２０Ｅ、エポキシテクノロジー社、マサチューセッツ州ビレリカ）を選択し、接着部厚を１０μｍとした。これは、後に、数値計算−実験確認手順によって検証された。標準的な皮下注射針の管体の入手可能性に基づき、円筒形トランスデューサの内径および外径を、それぞれ１１０μｍおよび２３０μｍに設定した。次いで、ＰＺＴ素子の大きさを、所望のモータ規模、製造性、およびこれらの制約下での共振変位の最大化に基づき、２５０×２５０×５００μｍに設定した。トランスデューサの材料は、ステンレス鋼３０４を選択し、圧電素子の材質は、ＰＺＴでは標準的なものとした。これらのパラメータの事前の情報から、トランスデューサ長が、モータの共振周波数を調整するための唯一の変数として残った。
【０１０５】
トランスデューサ長を変化させた場合、長さが短くなると、マイクロモータに曲げを誘発することがますます困難になった。加えて、横方向軸の回転を達成するためには、トランスデューサ長をより長くすることで、軸方向振動モードの周波数を十分に低くして、曲げ振動モードと結合できるようにする必要があることが分かった。マイクロ分野で使用するにはトランスデューサ長を最小限に抑えることが望ましいことから、より短いトランスデューサ長において曲げ運動を促進するために、簡素性を犠牲にして、トランスデューサ壁を意図的に脆弱化させることを構想した。この意図的な脆弱化は、図８ａに示すように、スロット７２をトランスデューサ壁に対称的に配置して設けることによって実現した。モード変位の純度を維持しつつ、全共振周波数を大幅に下げることに基づいて模索された多くの設計の中で、これらのスロットが最も適した設計であることが分かった。各直交軸を中心とする、純粋で、制御された状態の回転子の回転を達成するためには、独立の振動モード（図８ｂ〜ｄ）の純度を最大化することが重要である。
【０１０６】
このモード純度を更に助長するために、各軸における曲げ振動モード相互間に小さく正確な周波数差を発生させる目的で、各横方向軸に特有の２つのスロットを形成した。
【０１０７】
図９は、図７の設計にトランスデューサ長の変更を行った場合に、曲げ振動モードおよび軸方向振動モードの両方に及んだ影響を示している。具体的には、マイクロモータでモード周波数結合を行うには、第２の曲げ振動モードが第１の軸方向振動モードと密接に整合していることが必要であった。見てとれるように、これは、使用した幾何形状において、トランスデューサ長が１４５０μｍの場合の事例である。
【０１０８】
次いで、図８の大きさに従って、試作品９を製作した。トランスデューサ９０は、手持ちの標準的な皮下注射針の中空管体（ケイデンスサイエンス社、ニューヨーク）から所定の長さに切断したものであり、レーザ加工機（レーザマイクロマシーニングソルーションズ社、マッコーリー大学、オーストラリア）によって、スロット９１を設けた。圧電素子９２（Ｆｕｊｉ Ｃ−２０３、富士セラミックス社、日本）に直径５０μｍの金線９３を接着し、上記のものと同じ導電性高強度エポキシを使って電力を供給した。
【０１０９】
図１０に、完成した試作品９を示す。マイクロモータの性能評価に使用した回転子は、直径０．３９７ｍｍのクロム製のボール９４（スモールパーツアンドベアリングズ、オーストラリア国クイーンズランド）であった。
【０１１０】
最初に、レーザドップラ振動計（ポリテック社、カリフォルニア州タスティン）を使って、振動モードの周波数を実験的に測定し、数値モデルの妥当性を確認すべく、ＦＥＡによる予測と比較した。表１に、この比較を示している。表１において、誤差は、予測値に対して規格化している。実験による周波数は全て、予測したものに対して４％以内であることは表１から明らかである。この誤差には、この大きさのモータを製作し手で組み立てることに関連する難点が寄与していると考えることができる。そのため、マイクロモータを設計するのに使用したエポキシ接着剤、並びに電気的境界条件および機械的境界条件を含め、ＦＥＡモデルは妥当であると考えた。
【０１１１】
ｋＨｚを単位とする共振周波数（ｆ）の、ＦＥＡで予測したものと実験によるものとの比較。誤差（％）は、予測によるｆに対して規格化している。
【表１】
【０１１２】
マイクロモータの性能を測定するには、過渡的始動期間の間に回転子の回転速度を測定し、モータの加速、したがってトルクを推測する必要があった。レーザドップラ速度計（Ｃａｎｏｎ ＬＶ−２０Ｚ、米国）を使って、ボール回転子の接線方向速度を測定した。この速度は、後で回転速度に変換することができる。二位相出力およびトリガー能力を備えたＷＦ１９９６（ＮＦ社、日本）信号発生器を使って、マイクロモータに印加する二位相電圧を生成した。続いて、ＢＡ４８２５（ＮＦ社、日本）電力増幅器を使って、各入力を増幅した。マイクロモータへの入力信号、および回転子速度に比例するレーザドップラ速度計からの出力電圧を、デジタルオシロスコープ（レクロイウェーブジェット、米国）を使ってモニタし、記録した。
【０１１３】
実験による、全３軸を中心とする回転子の時間の関数としての回転速度を、指数関数に適合させた。続いて、その等式を微分して、回転子の角加速度の式を得た。これによって、マイクロモータのトルクが計算できるようになった。図１１は、３本の直交軸についてこれらのトルクを計算した結果を示したものであり、回転子の回転速度との関係でプロットしている。どの軸も、印加された電圧は、２１．２ＶＲＭＳであった。横方向ｘ軸、横方向ｙ軸、および長手方向ｚ軸の動作周波数はそれぞれ、４５６ｋＨｚ、４６２ｋＨｚ、および１９１ｋＨｚであった。横方向ｘ軸、横方向ｙ軸、および長手方向ｚ軸におけるピーク（ストール）トルクおよび最大（無負荷）回転速度はそれぞれ、１．３３ｎＮｍと６３００ＲＰＭ、１．２３ｎＮｍと４９５０ＲＰＭ、および２．３８ｎＮｍと５６３０ＲＰＭであった。本明細書に提示の値は、マイクロモータの平均的能力を表しているが、ピークのトルク値および回転速度値は、最大その２倍まで観察された。したがって、トップダウン製造および組み立ての最新技術が微細な領域で発達していることから、本発明者は、このマイクロモータについても大幅な性能向上が可能であると考えている。
【０１１４】
圧電マイクロモータは、通常、非常に高速の回転速度（＞＞２０ＲＰＳ）で動作する。マイクロドリルおよびロボット推進力といった様々な用途では、これらの回転速度は望ましいものであるが、その他の用途では速すぎる。例えばＭＩＳの場合、外科治療における生理学的な振戦の抑制、マイクロロボット鉗子、並びに、内視鏡および腹腔鏡を用いた手術等の用途では、低速での制御が必要とされる。これらを目的として、３つの回転軸全てにおいて、入力駆動信号を連続して出力するトリガバーストを行った。この場合、バーストの継続期間（マーク）は、変調デューティサイクルと同じように制御した。図１２は、３つの直交回転軸に対するマイクロモータの制御を用いて撮影したビデオから取り出した静止画像を示している。このような方式で制御することによって、使用したマークにおいて、約５０００ＲＰＭから１０ＲＰＭまで回転速度が低下した。これは、外科医が良好な位置の制御を行うのに適度に適している。
【０１１５】
試作品について行なった作業に基づき、外形が３５０μｍで、可逆３自由度回転が可能な実際のマイクロモータを設計し、試作し、テストした。より短いトランスデューサ長において曲げ振動モードおよび軸方向振動モードの共振周波数を結合させるために、トランスデューサの壁内部にスロットを設けた。２１．２ＶＲＭＳにおいて、マイクロモータのトルクはおよそ１〜２ｎＮｍであり、回転速度は約５０００〜６０００ＲＰＭであることが分った。ある電気制御方式を活用して６〜２０ＲＰＭの速度に低下できることを実証し、これらのマイクロモータが、高速のみならず、多くの用途で必要とされる低速でも動作できるだけの能力を有することを実証した。このマイクロモータは、既存のマイクロロボットＭＩＳツールと一体化され、これらの技術を更に小型化するのに必要なきっかけを与えると期待されている。あるいは、手動診断および処理用のマイクロＭＩＳツールの技術を更に進化させるために使用されるものと期待されている。これらはいずれも、外科医が患者により良い治療を施せるように探求するのに役立つであろう。
【０１１６】
分離構造の試作品の実験についての説明
１ｍｍ未満の円筒形に設計された分離構造を、数値計算により開発し、実験的にテストを行った。このマイクロ構造は、音響的な挙動を隔絶するために、共振マイクロアクチュエータと実装部との間に設置するように設計した。共振周波数スペクトル内に音響阻止帯域が形成されることを活用した。汎用性が高いという理由から、円筒形の構造を選択した。屈曲波を隔絶することに主眼を置いて検討を行なったが、長手方向の波動に関する事例も、容易に組み込むことができる。
【０１１７】
自由な等方性円筒形導波路の共振傾向の特徴を把握することは、ポッホハンマーの周波数方程式によって実現することができる。屈曲波の場合は、ポッホハンマー方程式内での結合割合が大きいため、閉じた形態の解は依然として獲得し難い。結果として、近似解を得られるように、長年の間に代替技法が開発された。しかしながら、このような解および解析は、単純な自由円筒体の場合についてのみ開発されたに過ぎず、不均一性と複雑な境界条件とが合わさったことによる複雑な状況には適応できていない。これを解決するために、有限要素解析（ＦＥＡ）を使って分離構造の共振周波数を予測し、このようにして、共振周波数スペクトルをプロットできるようにした。
【０１１８】
どちらも直径１ｍｍ未満のものが容易に入手できることを根拠に、ナイロン−６モノフィラメントとステンレス鋼３０４ロッドから成る複合構造を考案した。ＡＮＳＹＳ１１．０（アンシス社、米国ペンシルバニア州キャノンズバーグ）を使って、これらの材料の周期構造から成るパラメータモデルを開発した。ステンレス鋼のセグメントおよびナイロンのセグメントの直径は、３００μｍに設定した。複合体の周期長、体積分率、および周期数は、音響分離を調整し最適化するための変数として残しておいた。
【０１１９】
最初に、ＦＥＡパッケージを使って一連のモデル解析を行い、モデルの共振周波数を予測したが、これは、これらの変数に対する構造の感度を確かめるためである。横方向分散スペクトルを生成するために、固有モード数を波数に関連付けた。角波数ｋは、２π／λによって求められる。式中、λは音響波長である。導波路分離構造において、音響波長が複合周期ｄのスカラ分率に等しい場合にはいつでも、阻止帯域が起こる。そのため、ｎ番目の阻止帯域の波数は、式（１）によって求められる。
ｋｎ＝２πｎ／ｄ； ｎ＝１，２，３，・・・（１）
【０１２０】
Ｌを構造の全長としたときに、固有モード数ｍが２Ｌ／λを介して波長と関連付けられていることから、ｐの複合周期を有する構造の所与の固有モードの波数は、式（２）のようになる。
ｋｍ＝πｍ／ｐｄ； ｍ＝１，２，３，・・・（２）
式（１）と式（２）が等しい場合にはいつでも、阻止帯域が存在することになる。
【０１２１】
複合体積分率および周期長が音響阻止帯域の中心周波数および帯域幅に及ぼす影響について検討を行った。体積分率ではなく周期の長さを調節することによって、阻止帯域の中心周波数を最大限に制御できることが、確立された。阻止帯域の中心周波数が、それが結合されることになる共振アクチュエータの動作周波数と一致することが望ましいことから、複合周期長は、最後に調節されるべきである。他方、体積分率は、阻止帯域の中心周波数および帯域幅に非常に強く影響することが分かった。所与の阻止帯域の帯域幅は、阻止帯域の周波数が高いと帯域幅が広くなる傾向にあるという点で中心周波数と関係があるため、帯域幅を、中心周波数に対して規格化した。図１３から明らかなように、ステンレス鋼−ナイロン複合体において、最適な体積分率は約０．６５である。即ち、周期は、６５％をステンレス鋼にする必要がある。次いで、複合周期長を使って第１の阻止帯域の中心周波数を５００ｋＨｚ付近に調節し、一周期が１５００μｍで得られた。この周波数は、典型的な超音波マイクロアクチュエータの動作周波数に基づいて選択されたものである。最後に、ＦＥＡ変位を視覚的に観察して、複合体の３つの周期は実験を行うのに十分であると判断した。
【０１２２】
試作品は、ナイロン１０１およびステンレス鋼１０２の複合周期を三つ含んでおり体積分率が０．６５、周期が１５００μｍで製作された（図１４）。ステンレス鋼（ケイデンスサイエンス社、米国ニューヨーク州）セグメントおよびナイロン（オーストラリアンモノフィル社、オーストラリア）セグメントをレーザ加工機（レーザマイクロマシーニングソルーションズ社、マッコーリー大学、オーストラリア）によって所定の長さに切断し、高強度エポキシ（Ｅｐｏｔｅｋ Ｈ２０Ｅ、エポキシテクノロジー社、米国マチューセッツ州ビレリカ）を使って接着部１０３で相互に接着した。接着部厚は１０μｍと推測されるが、ナイロンセグメントの長さを同じ量だけ短縮することによってこの厚さを確保した。というのは、エポキシの音響インピーダンスは、ナイロンのものと非常に似通っているからである。同じエポキシを使って構造および基板に接着した、大きさが２５０×２５０×５００μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電素子１０４（Ｆｕｊｉ Ｃ−２０３、富士セラミックス社、日本）を使って、分離構造内に曲げ波動を励起した。
【０１２３】
レーザドップラ振動計（ＬＤＶ）（ポリテック社、米国カリフォルニア州タスティン）を使って、試作品の横方向の共振周波数を測定し、図１５に示すように予測値と比較した。図１５において、式（２）を使って波数を算出するのに、ここでも固有モード数を使用した。図１５から明らかなように、実験による中心周波数および帯域幅がそれぞれ５２０ｋＨｚおよび３８０ｋＨｚである第１の音響阻止帯域が存在する。図１５は更に、横方向分散スペクトルの数値計算による予測と実験による実測とが定量的に卓越して一致していることも実証しており、数値モデルおよび分離構造の設計にＦＥＡを使用することが妥当であることを示している。
【０１２４】
阻止帯域内における構造の音響分離性能を検証するために、屈曲波を用いて中心周波数で試作品を励起し、ＬＤＶを使ってその振動変位を走査した（図１６の（ａ））。観察および分離構造のＦＥＡ高調波励起との比較により（図１６の（ｂ））、音響波は、第１の周期内ではほとんど完全に隔絶されており、構造が終端するまでに十分に隔絶されている。そのため、用途に特有の要件によっては、この構造が１周期あれば十分なはずである。
【０１２５】
この結果に基づき、長波長限界において、共振マイクロアクチュエータが発する音響波等の音響波を隔絶できることを、分離構造により証明された。ステンレス鋼−ナイロンの複合分離構造は、中心周波数が５２０ｋＨｚで、帯域幅が３８０ｋＨｚの十分な音響阻止帯域を生成した。
【０１２６】
具体的な実施形態に示されたように、本発明には、広範囲にわたって説明した本発明の範囲から逸脱することなく、数多くの変形および／または変更を施すことができることは、当業者により理解されるであろう。したがって、本実施形態は、あらゆる点で、限定的に理解されるべきではなく、例示的であると理解されるべきである。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、多自由度（ＤＯＦ）の運動を発生させることができる圧電アクチュエータまたはマイクロモータであって、全体の大きさが数ミリメートル、またはミリメートル単位以下である可能性のある圧電アクチュエータまたはモータ、およびこのようなアクチュエータを比較的優れたエネルギー効率で実装するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロロボット分野およびマイクロ工学分野では、１立方センチメートル未満の体積を持つアクチュエータがますます必要とされている。一般的な電磁アクチュエータは、現在ほとんどの用途で使用されているものの、マイクロスケールの用途で必要とされるようなセンチメートル単位以下の大きさに小型化するのには、全般的に適していない。それは、電磁アクチュエータの作動力が、アクチュエータの大きさの４乗の関数として増減することに主な原因がある。一方、圧電超音波アクチュエータは、作動力がアクチュエータの大きさの１乗の関数として増減するものであり、電磁アクチュエータよりも良好な比例特性を呈している。そのため、圧電アクチュエータは、センチメートル単位以下の大きさに小型化するのにより好適である。
【０００３】
圧電アクチュエータは、通常圧電素子で構成される。この素子には、出力能力を拡大するために、頂部にトランスデューサ素子を搭載することができる。最近、トランスデューサの外径が２４１μｍであるトランスデューサ素子を用いた圧電アクチュエータが開発された（非特許文献１を参照）。このアクチュエータは、単一自由度で回転子を回転させられることを証明した。しかしながら、および球状のロボットの目の作動の為の用途および臀部と肩部の連結のための用途といった多くの用途で、多自由度のマイクロアクチュエータが必要とされており、同様に、マイクロロボットおよびマイクロ工学の多くの分野でも必要とされている。約７ｍｍのトランスデューサを有する圧電アクチュエータも開発されている。このような多自由度圧電アクチュエータを電気的に励起するのに使用される従来の方法は、製造上および組み立て上の難点が内在しているため、ミリメートル単位未満の大きさに小型化するのにはあまり適していない。
【０００４】
共振アクチュエータを、システムまたは基板のような別の物体に実装するとき、実装される物体が十分な剛性を備えていないことによって、かなりのエネルギーが、アクチュエータから喪失されるとともに、そのシステムまたは基板に吸収されることになる（非特許文献２を参照）。これは作動効率を低下させるものであり、影響を受けやすい周辺システムにとって有害となる可能性がある。これを緩和するためには、アクチュエータを、中間的に分離した構造を介してシステムまたは基板に実装すればよい。この分離構造は、喪失されるエネルギーを、システムまたは基板との実装部に伝達させるのではなく、アクチュエータの実装点からアクチュエータに向けて反射させるように設計されるものである。これは、２区分構造を使って実現することができる。この場合、それら２区分は、音響インピーダンスの不整合度合いが、かなり大きくなっていなければならない。材料の剛性は音響インピーダンスに最も著しく影響を及ぼす要因であるため、他のものが全て一定であれば、このような構造用に通常、剛性材料および非剛性材料が選択されることが望ましい。このような構造を使用する際に生じる主な欠点は、高分子等の典型的な非剛性材料が、かなり大きな音響散逸係数を有していることである。つまり、このような材料を用いると、アクチュエータがこの構造に伝達するエネルギーは、粘性効果に起因して、多くが喪失されてしまう。加えて、このような分離構造は、薄膜の第一波のアクチュエータでは利用可能であるが（非特許文献３を参照）、バルク用の第二波アクチュエータには提供されていない。
【０００５】
本明細書でなされている、文献、行為、材料、装置、部品、等についての考察はどれも、これらの事柄のいずれかまたは全部が、従来技術の基本部分の一部を形成するもの、あるいは、本発明に関連する分野において、その考察は周知の知識であり、本出願の各請求項の優先日以前に存在していたものと、認めているようには把握されるべきでない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｂ．Ｗａｔｓｏｎ，Ｊ．Ｆｒｉｅｎｄ＆Ｌ．Ｙｅｏ，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．１９（２００９）
【非特許文献２】Ｗ．Ｎｅｗｅｌｌ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ（１９６５）
【非特許文献３】Ｋ．Ｌａｋｉｎ，Ｋ．ＭｃＣａｒｒｏｎ＆Ｒ．Ｒｏｓｅ，ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（１９９５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
「備える」という用語、または「備えた」若しくは「備えている」等の変形は、本明細書全体にわたって、記載されている要素、整数、若しくはステップ、または要素、整数、若しくはステップから成る群を包含し、いかなる他の要素、整数、若しくはステップ、または要素、整数、若しくはステップから成る群も除外しないことを意味するものと理解される。
【０００８】
本発明は、約１ｍｍ以下の大きさで製作できる多自由度の圧電アクチュエータまたはマイクロモータを提供することを所望の特徴とする。さらに本発明は、エネルギー効率が比較的良好な、圧電アクチュエータに使用される分離構造であって、高音響吸収材料を追加する必要のない分離構造を提供することを所望の特徴とする。本明細書では、その分離構造付きアクチュエータの実施形態を例示して提供している。但し、この分離構造付きアクチュエータの用途は、本明細書の例に限定されない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの態様によれば、３次元空間の３本の基本軸それぞれの周りでまたはその方向に、回転素子または摺動素子の運動を発生させることができる圧電アクチュエータであって、１つまたは複数の側面と、第１の端面と、第２の端面と、を有する本体を備えた圧電素子を備え、少なくとも１つまたは複数の側面は、複数の独立した側面電極を備え、第１の端面または第２の端面のうちの少なくとも一方は、端面電極を備えている、圧電アクチュエータが提供される。
【００１０】
一実施形態によれば、圧電素子は、端面電極が存在する平面に垂直な軸であって、その圧電素子の幾何学的中心を通過する軸として規定される長手方向軸を有する。圧電素子は、この長手方向軸と垂直且つ相互に垂直な各横軸を有するものと理解することができる。圧電素子は様々な形態を有することができるが、矩形のブロックまたは円筒体を備えるのがよい。
【００１１】
一実施形態によれば、圧電素子は、１つ、１つ以上、少なくとも４つ、または４つのみの側面を有することができる。１つ以上の側面を有する場合に、各側面に側面電極を備えることができる。側面が１つである場合に、この側面に複数の電極を設けることができる。一実施形態では、アクチュエータ本体は、４つの電極を備えた１つの側面を有することができる。
【００１２】
それらの電極は、導電性材料で構成することができる。適切な電極の例として、銀フィルムまたは金フィルム等の金属フィルム、銀の塗料等の導電性塗料または導電性ペーストが挙げられる。
【００１３】
４つの側面電極が存在する場合に、一実施形態では、それらの電極を、２組の対を形成するように配置することができる。この場合、所与の対に属する２つの側面電極は、圧電素子の対向する側面または対向する場所に存在する。この実施形態において、側面電極対の各電極は、圧電素子の長手方向軸を中心に、他方の電極から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。
【００１４】
圧電素子の２組の対向する側面電極対は、それら側面電極が存在する平面に垂直な２本の軸が、相互に垂直であり、且つ、端面電極が存在する平面に垂直な軸（即ち、圧電素子の長手方向軸）に垂直であるように設置されることが好ましい。
【００１５】
上記によれば、長手方向軸をｚ軸と考えるならば、圧電素子の側面電極は、２つはｙ−ｚ平面に平行であり、且つ、２つはｘ−ｚ平面に平行であるように設置することができる。
【００１６】
圧電素子は、圧電セラミック材料を含む適切な圧電材料で任意に形成することができる。一実施形態では、圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）素子で構成することができる。ＰＺＴは、富士セラミックス社（日本）等の数多くの供給業者から商品として入手することができる。
【００１７】
圧電素子は、長手方向軸の方向に分極していてよい。
【００１８】
圧電素子は、横方向および／または長手方向に振動させることによって作動させることができる。
【００１９】
横方向振動は、対向する側面電極対の両側に交流（ＡＣ）信号を印加することによって誘発することができる。この場合、一方の側面電極を正極のＡＣ信号に接続し、他方を接地に接続するようにしてよいし、または、一方の側面電極を正極のＡＣ信号に接続し、他方を負極のＡＣ信号に接続し、２つの信号の位相が１８０度ずれるようにしてもよい。
【００２０】
長手方向振動は、２組の対向する側面電極対のうちの一方または両方にＡＣ信号を印加することによって誘発することができる。この場合、選択された電極は、位相が合うように同じ極のＡＣ信号に接続され、両端面電極の少なくとも一方は、電気的に接地されている。
【００２１】
一実施形態では、交流信号は、正弦波ＡＣ信号とすることができる。方形波および／またはのこぎり波のＡＣ信号は単独で利用することができるし、または、その信号を正弦波信号と順番に利用してもよい。
【００２２】
回転素子または摺動素子は、圧電素子の１つの端部に搭載することができる。回転素子の直径は、１ｍｍより大きくてよいし、１ｍｍ以下、例えば約０．４ｍｍであってもよい。
【００２３】
回転素子の３自由度の回転は、圧電素子／電極集合体および本明細書に記載の電気入力方式を使って達成することができる。これは、横方向に振動するｙ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによってｘ軸を中心とする回転を誘発することと、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによってｙ軸を中心とする回転を誘発することと、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、横方向に振動するｙ方向振動モードと結合させることによってｚ軸を中心とする回転を誘発することと、によって、３次元空間の３本の基本軸のそれぞれを中心とする回転を発生させることで、実現することができる。
【００２４】
第１の態様の更に別の実施形態では、圧電アクチュエータは、トランスデューサ素子を備えている。トランスデューサ素子は、圧電素子の１つの端部に搭載されることができる。トランスデューサ素子は、圧電素子と回転素子との間または圧電素子と摺動素子との間に搭載することができる。
【００２５】
トランスデューサ素子は、アクチュエータの出力性能を増大するのに使用することができる。一実施形態では、トランスデューサ素子は、長手方向軸を有する本体を備えている。そのトランスデューサ素子の長手方向軸は、圧電素子の長手方向軸と同一にさせることができる。トランスデューサ素子の断面は、１または複数の内壁および／または外壁によって規定され、様々な形態を有することができるのであり、中実ロッドまたは中空管体または両者の組み合わせにより構成することができる。適切なトランスデューサ素子は、直径１ｍｍ未満のものを、ケイデンスサイエンス社（米国）等の製造業者から入手することができる。
【００２６】
一実施形態では、トランスデューサ素子にスロットまたは切り欠きを設けることができる。
【００２７】
本明細書では、「スロット」という用語は、トランスデューサ素子内に形成されまたはトランスデューサ素子の表面上に作製される切り欠きのあらゆる形態を含むものと理解されるべきである。切削、欠刻、溝、ピッチ、穴、等の形態は全て対象に含むものと理解されるべきである。この規定は、分離構造に形成されるスロットを含め、本明細書に規定の他のスロットにも当てはまるものである。
【００２８】
スロットは、トランスデューサ素子の１つまたは複数の壁に設けることができる。例えば、トランスデューサ素子の内壁および／または外壁に設けることができる。スロットは、あらゆる数量、配置、寸法、形状、および／または深さでも設けることができる。例えば、スロットは、平行な側壁、非平行な側壁を有することができ、実質的にＵ形状またはＶ形状となり得る。好適な実施形態によれば、スロットは、対にして配置するのがよい。この場合、所与の対に属する個々のスロットは、トランスデューサ素子の対向する側面に設置され、対を成している各スロットは、対応するスロットのものと同じ寸法、形状、および／または深さを有している。スロットが対で配置される場合、それぞれのスロット対の各スロットは、トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他方のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設けることができる。このような対は何組設けてもかまわないが、スロットは対称に設けることが望ましい。このように対称に配置すれば、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動が絶対に起こらないことが分かっている。
【００２９】
更に別の実施形態では、スロットは、トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように設けることができる。この場合、上記両平面の交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致している。トランスデューサ素子の長手方向軸がｚ軸を成す場合、スロットは、トランスデューサ素子がｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称となるように設けることができる。スロットは、これらの平面それぞれに関するトランスデューサ素子の対称性が同じになるように設けることができる。
【００３０】
前に規定したように、トランスデューサ素子は、中実であってよく、中空であってもよい。中空素子の場合、スロットは、中空素子の壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。スロットは、各横方向振動モードが独立して、他のモードと共通の周波数で結合できるようにすることによって、このようなアクチュエータの設計上の柔軟性を高めることができる。加えて、トランスデューサ素子にスロットを含めることによって、遥かに短いトランスデューサ素子長で振動モードを結合できるようになるため、アクチュエータの長さおよび容積を小さくすることができる。
【００３１】
スロットは、レーザ加工によって形成することができる。別の実施形態では、スロットは、結果的にトランスデューサ素子にスロットが形成されるような態様で、トランスデューサ素子に材料を添加し、または、そこに突起部分を作製することによって形成することができる。スロットの数量、配置、寸法、形状、および／または深さは、共振周波数を調整し、アクチュエータの出力性能を最適化するために、戦略的に設定できるパラメータである。
【００３２】
さらに別の実施形態では、スロットは使用するよりむしろ、適切な場所でトランスデューサ素子に材料を追加することによって、トランスデューサ素子の曲げ運動を改変することができる。一実施形態では、トランスデューサ素子の壁上に、突起部分領域を形成することができる。それらの突起部分領域は、任意の所望の形状で構成することができ、例えば、こぶ状とすることもできれば、一連の衝撃を与えて構成することもできる。
【００３３】
突起部分領域は、スロットを設けるのと同様に、対にして配置することができる。この場合、所与の対に属する個々の突起部分領域は、トランスデューサ素子の対向する側面に設置され、対を成している各突起部分領域は、対応する領域のものと同じ寸法、形状、および／または高さを有している。突起部分領域が対で配置される場合、領域対それぞれに属する各領域は、トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他方の領域から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。このような対は何組設けてもかまわないが、領域は対称に設けることが望ましい。このように対称に配置すれば、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動が絶対に起こらないことが分かっている。
【００３４】
更に別の実施形態では、突起部分領域は、トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように設けることができる。この場合、２つの平面の交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致している。トランスデューサ素子の長手方向軸がｚ軸を成す場合、突起部分領域は、トランスデューサ素子がｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称となるように設けることができる。突起部分領域は、これらの平面それぞれに関するトランスデューサ素子の対称性が同じになるように設けることができる。
【００３５】
更に別の実施形態では、スロットおよび突起部分領域の両方を、トランスデューサ素子に設けることができる。
【００３６】
圧電素子電極に印加されるＡＣ信号の周波数は、アクチュエータの出力性能を最適化すべく、アクチュエータの横方向共振周波数および長手方向共振周波数それぞれに対応して調節することができる。これらの振動モードを結合することは、共通の共振周波数で起こるため、アクチュエータの幾何学的パラメータを変更することによって実現することができる。
【００３７】
トランスデューサ素子には、金属、高分子、およびセラミックスを含め、任意の適した材料が使用されてよい。トランスデューサ素子は、作動効率を低下させる粘性材料エネルギーの損失を最小限に抑えるべく、ステンレス鋼等の音響消散性の低い材料で製作するのがよい。金属のロッドおよび管体は、直径１ｍｍ未満のものを、ケイデンスサイエンス社（米国）等の製造業者から容易に入手することができる。
【００３８】
さらに別の実施形態では、アクチュエータは、分離構造を備えることができる。その分離構造は、圧電素子と実装台との間に設けることができる。
【００３９】
一実施形態では、分離構造は、複数のセグメントから成る本体を備えることができる。一実施形態では、分離構造は、２セグメント構造を備えることができる。別の実施形態では、分離構造は、２以上の周期的構造のセグメントを備えることができる。それらのセグメントは異なっていてもかまわない。一実施形態では、各セグメントは、剛性が相互に異なっていてよい。即ち、１つのセグメントは、剛性の高い他の構造に対して、相対的に、比較的低い剛性を有することができる。剛性の相対的な差は、２つのセグメント間の材質および／または幾何学構造の差によってもたらされ得る。
【００４０】
セグメント間の幾何学的構造の違いを活用した分離構造用に、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを、トランスデューサ素子について本明細書に記載されているものと同様の態様で作製することができる。例えば、分離構造の中実部分または中空部分の壁に、スロットまたは突起部分領域を形成することができる。
【００４１】
中空分離構造の一実施形態では、スロットは、壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。分離構造の比較的剛性の低いセグメントおよび比較的剛性の高いセグメントの断面形態は、任意の適切な形にすることができる。本明細書に規定されたアクチュエータに使用するためには、分離構造の各セグメントは、円筒形にするとともに、圧電素子の長手方向軸と一致した円筒軸を有するのがよい。分離構造のスロットも、結果的にトランスデューサ素子にスロットが形成されるような態様で、市販のレーザ加工機によって、またはトランスデューサ素子に材料を添加若しくは突起部分を作製することによって、形成することができる。
【００４２】
幾何学的に改変された分離構造における剛性の低いセグメントに、数量、配置、寸法、形状、および／または深さが任意のスロットを形成することができる。上述のように、スロットは、側壁を平行、非平行とすることができ、実質的にＵ形状または実質的にＶ形状で構成することができる。一実施形態では、スロットは対にして配置することができ、この場合、所与の対に属するスロットは、セグメントの対向する側面に設置され、同じ寸法、形状、および／または深さを有している。このようなスロットの対は、分離構造に何組配置してもかまわない。スロット対のそれぞれに属する各スロットは、分離構造の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設けることができる。スロットを対称に構成すれば、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、不要な横方向運動は絶対に起こらない。
【００４３】
スロットは、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントが、相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように形成され得る。この場合、上記両平面の交差線は、分離構造の長手方向軸と一致している。トランスデューサ素子の長手方向軸がｚ軸を成すと考えられる場合、スロットは、分離構造がｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称となるように設けることができる。スロットは、これらの平面それぞれに関する対称性が同じになるように設けることができる。
【００４４】
分離構造の幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントは、比較的剛性の高いセグメントよりも壁から物質を多く除去してスロットを内蔵させることによって、形成することができる。これは、セグメントの構造的剛性を最小限に抑え、これにより、音響インピーダンスの不整合および分離効率が高まる。次いで、標準的な比較的剛性の高いセグメントと、この幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントとを一緒に使用するなどして、比較的高い剛性の構造−比較的低い剛性の構造を周期的構造も含んで組み立てることによって、分離構造を製作することができる。
【００４５】
分離構造が突起部分領域を有する場合に、それら突起部分領域は、トランスデューサ素子の特徴として本明細書に記載している突起部分領域の特徴を有することになる。ここでも、自明であるが、スロットおよび突起部分領域の両方を分離構造に設けることができる。
【００４６】
幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを用いるか否かに関わらず、分離構造を製作するのに任意の適切な材料を使用することができる。幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを用いれば、音響吸収係数が低い材料を使用することが可能になる。これらの材料は、典型的には、スロットを内蔵させて幾何学的に改変する以前は剛性が高いものである。マイクロ分野の用途用に、ステンレス鋼のロッドまたは管体といった材料を使用することができる。これらの材料は、ケイデンスサイエンス社（米国）等の供給業者から入手することができる。
【００４７】
分離構造は、製作するのに幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを用いるか否かに関わらず、その幾何学的パラメータおよび材料的性質を使って、特定の用途に合うように改造することができる。構造の剛性に不整合があるため、分離構造の共振周波数スペクトルの中に「ギャップ」が現れる。これらギャップ内の周波数では、分離構造は、励起されても振動しない。分離部の材料の性質の他に、直径、周期、体積分率（各セグメントが占める周期部分）、等といった幾何学的パラメータを調整することによっても、これらのギャップの中心周波数および帯域幅を改変することができる。周期は、分離構造内にいくつ含めてもかまわない。この場合、使用される周期が多くなると、アクチュエータから実装部に伝達されるエネルギーは少なくなるが、長さは一層長くなる。これも、特定の状況に応じて設定できるパラメータである。
【００４８】
分離構造が幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントを使って製作される場合、単一長の金属の材料で製作することができる。これは、分離構造に誤差および非効率をもたらす可能性のある組み立て手段の必要性を取り除くものである。これは、ステンレス鋼でできた管のような通常の材料を選択し、かつ、長さに沿ってセグメントにスロットを設け、比較的高い剛性の構造−比較的低い剛性の構造を形成することによって実現することができる。
【００４９】
一実施形態では、圧電アクチュエータ全体の最大直径は１ｍｍ未満であり、５００μｍ未満であることがより好ましく、約３５０μｍであることがさらに好ましい。
【００５０】
圧電アクチュエータは、マイクロガイドワイヤまたはマイクロカテーテルに実装することができる。
【００５１】
第２の態様では、圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、１または複数の壁を有する本体を備えたトランスデューサ素子が提供される。この場合、トランスデューサ素子の壁にスロットが設けられ、且つ／または突起部分領域が設けられ、対にして配置される。なお、所与の対に属するスロットまたは突起部分領域は、トランスデューサ素子の対向する側面上に設置される。
【００５２】
一実施形態では、スロットは、同じ寸法、形状、および／または深さを有することができる。突起部分領域の場合、これらは、同じ寸法、形状、および／または高さを有することができる。
【００５３】
この態様では、スロットまたは突起部分領域は、本体上に対称に配置することができる。この態様では、対それぞれに属する各スロットまたは突起部分領域は、トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他方から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。
【００５４】
第３の態様では、圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、１または複数の壁を有する本体を備えたトランスデューサ素子が提供される。この場合、トランスデューサ素子の壁にスロットが設けられ、且つ／または突起部分領域が設けられ、それらスロットおよび／または突起部分領域は、トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置される。なお、上記両平面の交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致している。
【００５５】
上記した第２および第３の態様では、トランスデューサ素子は、これらの態様で規定されるスロットおよび／または突起部分領域の特徴の他に、本発明の第１の態様の一部として本明細書に規定のトランスデューサ素子の１つ、一部、または全部の特徴も有することができる。
【００５６】
第２および第３の態様のトランスデューサ素子は、圧電素子、例えば本発明の第１の態様に記載のコンポーネントとして本明細書に規定の圧電素子に搭載することができる。
【００５７】
第４の態様では、圧電アクチュエータに使用される分離構造であって、１つまたは複数の比較的剛性の低いセグメントと、１つまたは複数の比較的剛性の高いセグメントとを備えた複数のセグメントから成る本体を備えた分離構造が提供される。剛性の差は、比較的剛性の低いセグメントと比較的剛性の高いセグメントとの間の材料特性の差、および／またはそれらの幾何学的構造によるものである。
【００５８】
第４の態様の一実施形態では、分離構造は、２セグメント以上の構造を有する。相対的剛性の差は、それら２セグメント相互間の材料特性の差、および／またはそれらの幾何学的構造によるものである。別の実施形態では、分離構造は、周期的に配置された複数のセグメントを備えることができる。
【００５９】
剛性の差が幾何学的構造の差による場合、上記の比較的剛性の低いセグメントに、１組または複数組のスロット対を対称に配置して設けることができる。
【００６０】
剛性の差が幾何学的構造の差による場合、上記の比較的剛性の高いセグメントに、１組または複数組の突起部分領域対を対称に配置して設けることができる。
【００６１】
所与の対に属するスロットまたは突起部分領域は、それらが存在するセグメントの対向する側面に設置することができる。スロットは、同じ寸法、形状、および／または深さを有することができる。突起部分領域は、同じ寸法、形状、および／または高さを有することができる。対それぞれに属する各スロットまたは突起部分領域は、分離構造の長手方向軸を中心に、他方から１８０度回転させた場所またはその付近に設置することができる。スロットまたは突起部分領域は、上記セグメントが相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置することができる。この場合、上記両平面の交差線は、分離構造の長手方向軸と一致している。
【００６２】
第４の態様の分離構造は、圧電素子、例えば本発明の第１の態様のコンポーネントとして本明細書に規定の圧電素子に装着することができる。
【００６３】
更に別の実施形態では、分離構造は、多自由度アクチュエータ等の圧電アクチュエータを形成するように、単一長の手持ち材料による圧電素子と一緒に形成することができる。一実施形態では、その単一長の手持ち材料は、中実であってもよければ中空のチタン管体であってもよく、次いで、それらの外面に、ＰＺＴ材料を選択的に成長させる。この後に、トランスデューサ素子に相当する部分およびアクチュエータ−分離構造構体の剛性低いセグメントにスロットを設ければよい。或いは、ＰＺＴ材料を成長させる前にスロットを凹設けても差し支えない。この場合、材料は、スロットの上にまたはそれを覆って選択的に成長することができる。
【００６４】
第４の態様の分離構造は更に、本発明の第１の態様の一部として本明細書に規定の分離構造の１つ、一部、または全部の特徴も有することができる。
【００６５】
例示のみを目的として、本明細書に付属する図面を参照して、本発明について以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１ａ】本発明に係る圧電素子の実施形態を示す図である。
【図１ｂ】本発明に係る圧電素子の実施形態を示す図である。
【図２ａ】本発明に係る圧電アクチュエータ内で横方向（ｘ方向）振動モードを励起するのに使用可能な通電方式を示す図である。
【図２ｂ】本発明に係る圧電アクチュエータ内で長手方向（ｚ方向）振動モードを励起するのに使用可能な通電方式を示す図である。
【図３ａ】図２ａおよび図２ｂにあるような基本振動モードを結合して、３次元空間の３本の基本軸のうちのｘ軸の周りで回転子を回転させるのに使用可能な、通電方式を示す図である。
【図３ｂ】図２ａおよび図２ｂにあるような基本振動モードを結合して、３次元空間の３本の基本軸のうちのｙ軸の周りで回転子を回転させるのに使用可能な、通電方式を示す図である。
【図３ｃ】図２ａおよび図２ｂにあるような基本振動モードを結合して、３次元空間の３本の基本軸のうちのｚ軸の周りで回転子を回転させるのに使用可能な、通電方式を示す図である。
【図４ａ】本発明に係るトランスデューサ素子の実施形態を示す図である。
【図４ｂ】本発明に係るトランスデューサ素子の実施形態を示す図である。
【図４ｃ】本発明に係るトランスデューサ素子の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る、圧電素子に装着するための分離構造の一実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る圧電アクチュエータの一実施形態を示す図である。
【図７】（ａ）はマイクロモータが、直交曲げ振動モードと軸方向振動モードとの結合によって、どのように長手方向ｚ軸を中心とする回転を発生させることができるか、（ｂ）はどのように横方向ｘ軸を中心とする回転を発生させることができるか、（ｃ）はどのように横方向ｙ軸を中心とする回転を発生させることができるかを示す図である。
【図８】（ａ）は２５０×２５０×５００μｍＰＺＴ圧電素子頂部に搭載された中空円筒形トランスデューサ（外径２３０μｍ、内径１１０μｍ）であって、曲げ共振周波数を下げるべく、典型的には１８１μｍ離間され、壁をまっすぐに貫通する３０×１００μｍのスロットが、トランスデューサ壁内に、ｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面に関して対称に設けられているトランスデューサを備えたマイクロモータの一実施形態を示す図である。（ｂ）は関連するＦＥＡ予測変位を表した、第１の曲げ振動モード形状の図である。（ｃ）は関連するＦＥＡ予測変位を表した、第２の曲げ振動モード形状の図である。（ｄ）は関連するＦＥＡ予測変位を表した、第１の軸方向振動モード形状の図である。
【図９】トランスデューサ長に対する共振周波数の測定値を示す図である。第２の曲げ共振周波数を軸方向共振周波数と結合させて２本の横方向軸（ｘおよびｙ）での回転を達成すべく、トランスデューサ長を変更し、１４５０μｍにおいてこれを実現した。長手方向軸の回転には、第１の曲げモードを使用した。
【図１０】導電性エポキシ樹脂を使ってトランスデューサをＰＺＴ素子に接着し、ＰＺＴ素子を隔離された基板に接着し、電力金線をＰＺＴ素子に接続して製作したマイクロモータの試作品を示す図である。
【図１１】過渡的な始動段階の回転子の角加速度に基づいて計算した各軸を中心とする回転速度の関数として、マイクロモータのトルクの測定値を示した図である。横方向ｘ軸、横方向ｙ軸、および長手方向ｚ軸の動作周波数はそれぞれ、４５６ｋＨｚ、４６２ｋＨｚ、および１９１ｋＨｚであった。
【図１２】回転速度を６〜２０ＲＰＭに下げるのに、連続バースト−トリガー式制御方式をどのように活用したのかを示す図である。提示の静止画像は、３本の直交回転軸のうちの、（ａ）は長手方向ｚ軸、（ｂ）は横方向ｘ軸、（ｃ）は横方向ｙ軸を中心とするマイクロモータ動作のビデオ撮影から取り出したものである。見易くするために、長さ１ｍｍのナイロンを回転子に接着した。
【図１３】ステンレス鋼−ナイロン複合体で形成された分離構造の規格化帯域幅および中心周波数を示すグラフである。各線は、見易くするために適合させたものである。
【図１４】本発明に係る分離構造を製作した試作品を示す図である。
【図１５】テストを行った分離構造の、数値計算および実験による共振周波数スペクトルであって、モード５とモード６の間の、中心周波数５２０ｋＨｚ、帯域幅３８０ｋＨｚの阻止帯域が現れているスペクトルを示すグラフである。各線は、見易くするために適合させたものである。
【図１６】第１の阻止帯域の中心周波数（５２０ｋＨｚ）で分離構造を示す図である。（ａ）は実験的に励起した分離構造であって、振動変位はページ平面に垂直である。（ｂ）は数値計算により励起した分離構造であって、変位形状を示すために、ページ面内で振動変位を表示している。接続界面における振動振幅を、本図面の表に示している（挿入図）。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
圧電アクチュエータまたはモータから運動を発生させることは、トランスデューサの共振振動性質を、周期的に励起させる圧電素子を使うことによって実現される。これら振動モードの形状およびアクチュエータの幾何学的形状に応じて、移動および回転を含む、種々の出力動作を発生させることができる。
【００６８】
圧電アクチュエータの圧電素子１０、２０の実施態様を、図１ａおよび図１ｂに示す。圧電素子は多くの異なる形状を成すことができるものの、図１ａに示しているのは矩形ブロックの素子であり、図１ｂに示しているのは円筒形の素子である。
【００６９】
圧電素子は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含め、さまざまな材料で製作することができる。ＰＺＴは、富士セラミックス社（日本）等の供給業者から商品として入手することができる。
【００７０】
圧電素子１０には、それぞれが別々の側面電極１１を有する４つの側面が設けられている。他方、図示の圧電素子２０には、４つの側面電極１１を有する１つの側面が備わっている。どちらの実施態様も、端面電極１２を有する。これらの電極は、アクチュエータ内で振動モードを励起するために使用される。それらの実施態様において、端面電極は、図示された圧電素子１０、２０の下方の端部にそれぞれ設けられるものと想定することができる。
【００７１】
図１ａおよび図１ｂに示されたように、圧電素子１０、２０の２組の対向する側面電極対は、側面電極１１が存在する各平面に垂直な２本の軸が、相互に垂直であり、且つ端面電極１２が存在する平面に垂直な軸（素子の長手方向軸）に垂直である、ように設置される。
【００７２】
例えば、図１ａの圧電素子１０の側面電極１１は、２つはｙ−ｚ平面に平行であり、もう２つはｘ−ｚ平面に平行である、ように設置される。
【００７３】
運動が３本の基本軸の周りまたは３本の基本軸全てでなされる必要がない場合、４つ未満の側面電極１１および２つ未満の端面電極１２を備えることは任意であることを理解されたい。
【００７４】
図２ａ、図２ｂ、図３ａ、および図３ｂを精査すれば自明であるが、電気入力が印加される諸電極のうちの一部のものは図示されていない。更に、これらの図において、正弦波ＡＣ信号の表示も、単に例示であり、方形波および／またはのこぎり波といった他のＡＣ信号も可能である。
【００７５】
図２ａのｘ方向といった圧電素子の横方向振動は、一対の対向する側面電極１１に正弦波ＡＣ信号を印加することによって誘発することができる。この場合、それら２つの信号の位相が１８０度ずれるように、一方の電極を正極ＡＣ信号に接続し、他方を負極ＡＣ信号に接続することができる（図２ａ参照）。このようにすれば、所与の入力電圧に対して達成可能な横方向振動の振幅は、最大化する。
【００７６】
図２ｂのｚ方向といった圧電素子の長手方向振動は、対向する側面電極１１から成る（１組または複数組の）電極対のうちの一方または両方に正弦波ＡＣ信号を印加することによって誘発することができる。この場合、選択した電極を、位相が合うように同一極のＡＣ信号に接続し、両端面電極１２のうちの一方を、電気的に接地する（図２ｂ参照）。
【００７７】
このような電気入力方式を用いれば、図示の圧電素子頂部に直接的にまたは間接的に載置した回転子（例えば０．３９７ｍｍのボール回転子）の３自由度回転を実現できるであろう。３次元空間の３本の基本軸それぞれを中心とする回転は、次のようにして誘発することができる。
１．ｘ軸を中心とする回転は、横方向に振動するｙ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによって誘発することができる（図３ａ参照）。
２．ｙ軸を中心とする回転は、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによって誘発することができる（図３ｂ参照）。
３．ｚ軸を中心とする回転は、横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、横方向に振動するｙ方向振動モードと結合させることによって誘発することができる（図３ｃ参照）。
【００７８】
図１ａ〜３ｃを参照して説明したような圧電素子を有する圧電アクチュエータも含め、本発明に係る圧電アクチュエータは、アクチュエータの出力性能を拡大すべく、圧電素子頂部に搭載されるトランスデューサ素子も備えることができる。
【００７９】
トランスデューサ素子の長手方向軸は、圧電素子１０、２０の長手方向軸と一致させることができ、また、トランスデューサ素子は多くの断面形態を有することができる。図４ａ〜４ｃにあるように、トランスデューサ素子は、中空管体３０で形成することもできれば、中実ロッド４０で形成することもできる。図示のトランスデューサ素子は、直径１ｍｍ未満とすることができ、ケイデンスサイエンス社（米国）等の適切な製造業者から供給される材料で形成することができる。
【００８０】
図４ａ〜４ｃに示されたように、スロット３１、４１は、トランスデューサ素子の壁に設けることができる。図で示した実施態様において、スロットは対にして配置されており、スロット対は、図にあるものも含め、任意の数量、配置、寸法、形状、および／または深さにすることができることは自明である。所与の対に属するスロットの態様は、スロットがトランスデューサ素子３０、４０の対向側面に設置され、且つ同じ寸法、形状、および深さを有するようなものとなっている。特定の態様が図示されているが、このようなスロット対はいくつでも設けることができる。このように対称な構成で設ければ、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動は絶対に起こらない。
【００８１】
図４ａに示すトランスデューサ素子３０のスロット３１は、トランスデューサ素子が、長手方向軸を中心とする若干の角度方向だけ、図４ａのｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面といった２つの平面に関して対称となるように設けられている。これらの平面は相互に垂直であり、それらの交差線は、トランスデューサ素子の長手方向軸と一致することになる。
【００８２】
図４ｂおよび図４ｃにあるスロット４１は、これらの平面それぞれに関するトランスデューサ素子の対称性が同じになるように設けることができる。
【００８３】
図示のスロットは、トランスデューサ素子に設けることができ、図４ａにある中空素子の場合に、壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。
【００８４】
スロットを用いれば、各横方向振動モードを単独で、他のモードと、共通の周波数で結合できるようになることから、このようなアクチュエータの設計上の柔軟性が高まる。加えて、トランスデューサにスロットを含めることによって、遥かに短いトランスデューサ長で振動モードを結合できるようになるため、アクチュエータの長さおよび容積が小さくなる。説明しているように、このようなスロットは、市販のレーザ加工機によって設けることができるが、スロットを形成するようにトランスデューサに材料を添加することも含め、他の形成技法を活用しても差し支えない。スロットの数量、配置、寸法、形状、および／または深さは、共振周波数を調整し、アクチュエータの出力性能を最適化すべく、戦略的に設定できるパラメータである。
【００８５】
スロットを備えた実施形態を図示しているが、本明細書に記載の説明から自明であるように、トランスデューサ素子には、その代わりにまたはそれに加えて、規定の特徴を有する突起部分領域を設けることも可能である。
【００８６】
圧電素子電極に印加されるＡＣ信号の周波数（ω）は、出力性能を最適化すべく、アクチュエータの横方向共振周波数および長手方向共振周波数それぞれに対応するように調節することができる。これらの振動モードは共通の共振周波数で起こるため、それらを結合することは、アクチュエータの幾何学的パラメータを変更することによって実現することができる。
【００８７】
図４ａ〜４ｃに示すトランスデューサ素子には、金属、高分子、およびセラミックスを含め、任意の適切な材料を使用することができる。好ましくは、トランスデューサ素子は、作動効率を低下させる粘性材料エネルギー損失を最小限に抑えるべく、ステンレス鋼等の低音響散逸性材料で製作するのがよい。金属ロッドおよび管体は、直径１ｍｍ未満のものを、ケイデンスサイエンス社（米国）等の製造業者から容易に入手することができる。
【００８８】
図５は、本発明に係る分離構造５の一実施態様を示している。分離構造５は、２つのセグメント５０、５１の周期構造を形成することによって製作される。この場合、それら２つのセグメントは、主に材料の性質若しくは幾何学的構造またはその両方によって、剛性が異なっている。
【００８９】
幾何学構造の違いを活用した分離構造において、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０は、本明細書に規定のトランスデューサ素子３０、４０とほとんど同じ態様で作製することができる。この場合、中実部分または中空部分の壁にスロット５２が設けられる。中空の場合、スロット５２は、壁を部分的にまたは完全に貫通することができる。分離構造５の比較的剛性の低いセグメント５０および比較的剛性の高いセグメント５１の断面形態は、様々な適切な形状とすることができる。本明細書に記載の圧電素子２０に使用するには、分離構造５のセグメントは、圧電素子２０の長手方向軸と一致した長手方向軸を有する円筒体とするのがよい。スロット５２も、本明細書に記載のように市販のレーザ加工機または他の技法によって設けることができる。
【００９０】
トランスデューサ素子３０、４０と同様に、分離構造５に使用されるスロットは、任意の数量、配置、寸法、形状、および／または深さにすることができる。図で示した実施態様において、スロット５２は対にして配置されている。この場合、所与の対に属するスロット５２は、セグメント５０の対向する側面に設置され、同じ寸法、形状、および深さを有している。このような対は、何組を設けてもかまわない。このように対称な構成で設ければ、アクチュエータ内で長手方向振動が誘発される際に、無用な横方向運動は絶対に起こらない。
【００９１】
図示するように、スロット５２は、幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメントが、長手方向軸を中心とする若干の角度方向だけ、図５のｘ−ｚ平面およびｙ−ｚ平面といった２つの平面に関して対称となるように配設されている。これらの平面は相互に垂直であり、それらの交差線は、セグメントの長手方向軸と一致することになる。スロット５２は、図５に示すように、これらの平面それぞれに関する対称性が同じになるように設けることができる。
【００９２】
幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０は、スロット５２を含めることにより、比較的剛性の高いセグメント５１に比べ少ない材料で形成されている。これによって、セグメント５０の構造的剛性は最小限に抑えられ、ひいては、音響インピーダンス不整合および分離効率が高まる。分離構造５は、比較的高い剛性の構造５１−比較的低い剛性の構造５０を形成することによって製作することができる。
【００９３】
図では示していないが、本明細書で説明しているように、比較的剛性の高いセグメント５１は、対称に配置された突起部分領域の対を１組または複数組有することができる。
【００９４】
幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０を用いるか否かに関わらず、分離構造５を製作するのに任意の適切な材料を使用することができる。幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０を用いれば、音響吸収係数が低い材料を使用することが可能になる。これらの材料は、通常は、スロットを設けて幾何学的に改変する以前は剛性が高いものである。マイクロ分野の用途用に、ステンレス鋼のロッドまたは管体といった材料を使用することができる。これらの材料は、ケイデンスサイエンス社（米国）等の供給業者から、商品として低価格で入手することができる。
【００９５】
分離構造５を図示したように製作するのに、比較的剛性の低いセグメント５０を用いるか否かに関わらず、分離構造の幾何的パラメータおよび材料的性質を用いて、特定の用途に合うように、分離構造５を改造することができる。分離構造５の剛性に不整合があるため、分離構造５の共振周波数スペクトルの中に「ギャップ」が現れる。これらギャップ内の周波数では、分離構造５は、励起されても振動しない。材料の性質の他に、分離構造５の直径、周期、体積分率（各セグメントが占める周期部分）等の幾何的パラメータを調整することによっても、このギャップの中心周波数および帯域幅を改変することができる。周期は、分離構造５内にいくつ含めてもかまわない。この場合、使用される周期が長くなると、アクチュエータから実装部に伝達されるエネルギーは減少するが、長さは一層長くなる。これも、特定の状況に応じて設定できるパラメータである。
【００９６】
一実施態様では、図示のように幾何学的に改変された比較的剛性の低いセグメント５０を使用した分離構造は、（図５に示すように）単一長の手持ち材料で製作することができる。これは、分離構造５に誤差をもたらすとともに効率を悪化させる可能性のある組み立て手段を不要にするものである。これは、ステンレス鋼の管体等の普通の材料を選択するとともに、長さに沿って離間されたセグメントにスロット５２および／または突起部分領域（図示省略）を導入し、比較的高い剛性の構造５１−比較的低い剛性の構造５０を形成することによって実現することができる。
【００９７】
多自由度圧電アクチュエータ構造６の別の実施態様を図６に示す。この実施態様では、分離構造は、単一長の手持ち材料で製作されている。例えば、アクチュエータは、中実の基材または中空チタン管体６１で製作することができるのであり、次いで、その外面６０に、圧電素子部分を形成すべく、ＰＺＴ材料を選択的に成長させる。この後、トランスデューサ素子を形成するとともに分離構造部分の比較的剛性の低いセグメント５０を形成するために、スロット６２を設ければよい。あるいは、ＰＺＴ材料６０を成長させる前にスロット６２を設けてもよい。この場合、ＰＺＴ材料６０は、図６に示すように成長させるかまたはスロットの上端部を覆って選択的に成長させることができる。
【００９８】
アクチュエータの試作品の開発についての説明
本明細書に規定の特徴を用いて、マイクロモータまたはアクチュエータ７の試作品を開発した。本試作品は、中空円筒形トランスデューサ７０を含んでこの試作品を構成したが、これは、単一のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電素子７１の頂部に搭載され、ＰＺＴ圧電素子７１に励起されてボール回転子７２を駆動するものである。
【００９９】
この試作品では、２つの曲げ振動モードを結合することによって、長手方向軸を中心に回転運動を発生させることができる（図７ａ参照）。加えて、トランスデューサ内で曲げ振動モードを軸モードと結合することによって、各横方向軸を中心に回転運動を発生させることができる（図７ｂおよび図７ｃ参照）。これらの回転出力を実現するには、各振動モードを、他方に対して４分の１波長分の位相差をもって励起する必要がある。２つの振動モードのうちの位相が進んでいる方を変更することによって、任意の軸を中心とする回転を反転することができる。その結果、３自由度の可逆回転がもたらされる。この場合、２本の直交横方向軸（ｘおよびｙ）および長手方向軸（ｚ）の周りで回転が生じる。
【０１００】
トランスデューサ内で必要な振動モードを起動するために、ＰＺＴ圧電素子内で曲げ運動および軸方向運動を発生させる方法が考案された。
【０１０１】
この設計に使用されるＰＺＴ素子は、長手方向に分極している。ＰＺＴ素子の対向する２つの側面の相互間の電気的な差を加えることで、ｄ３１圧電歪み結合によって、ＰＺＴ素子を強制的に曲げることができる。あるいは、上方または下方の長手方向電極のいずれかを接地した状態でＰＺＴ素子の対向する２つの側面の相互間に等しい電気ポテンシャルを印加することで、ＰＺＴ素子を軸方向に強制的に延伸させることができる。
【０１０２】
このような共振モータの性能は、直交する２つの振動モードが結合されるその精度のレベルによって決まる。２つの振動モードを結合することは、２つの共振周波数を所望の精度水準内で整合させるために、トランスデューサの幾何学的パラメータを調整することによって実現される。この例で周波数の整合を実施するために、有限要素解析（ＦＥＡ）を実施した。
【０１０３】
３自由度マイクロモータの設計および開発を行うために選択されたＦＥＡパッケージは、ＡＮＳＹＳ１１．０（アンシス社、ペンシルバニア州キャノンズバーグ）であった。マイクロエレクトロメカニカルシステムズ（ＭＥＭＳ）および圧電材料の用途に対する特有の適合性に基づいて、このパッケージが選択された。マイクロモータの振動モードの共振周波数を予測し、調整するために、最初にモード解析を行った。
【０１０４】
ＦＥＡを行うに際して、完全なユニットから回転子を除いたもので、マイクロモータをモデル化した。そのモデルには、ＰＺＴ素子をトランスデューサに結合するため、かつ、マイクロモータをテスト用基板に固定するために、２ヶ所のエポキシ接着剤を含ませた。そのため、導電性の高強度エポキシ（Ｅｐｏｔｅｋ Ｈ２０Ｅ、エポキシテクノロジー社、マサチューセッツ州ビレリカ）を選択し、接着部厚を１０μｍとした。これは、後に、数値計算−実験確認手順によって検証された。標準的な皮下注射針の管体の入手可能性に基づき、円筒形トランスデューサの内径および外径を、それぞれ１１０μｍおよび２３０μｍに設定した。次いで、ＰＺＴ素子の大きさを、所望のモータ規模、製造性、およびこれらの制約下での共振変位の最大化に基づき、２５０×２５０×５００μｍに設定した。トランスデューサの材料は、ステンレス鋼３０４を選択し、圧電素子の材質は、ＰＺＴでは標準的なものとした。これらのパラメータの事前の情報から、トランスデューサ長が、モータの共振周波数を調整するための唯一の変数として残った。
【０１０５】
トランスデューサ長を変化させた場合、長さが短くなると、マイクロモータに曲げを誘発することがますます困難になった。加えて、横方向軸の回転を達成するためには、トランスデューサ長をより長くすることで、軸方向振動モードの周波数を十分に低くして、曲げ振動モードと結合できるようにする必要があることが分かった。マイクロ分野で使用するにはトランスデューサ長を最小限に抑えることが望ましいことから、より短いトランスデューサ長において曲げ運動を促進するために、簡素性を犠牲にして、トランスデューサ壁を意図的に脆弱化させることを構想した。この意図的な脆弱化は、図８ａに示すように、スロット７２をトランスデューサ壁に対称的に配置して設けることによって実現した。モード変位の純度を維持しつつ、全共振周波数を大幅に下げることに基づいて模索された多くの設計の中で、これらのスロットが最も適した設計であることが分かった。各直交軸を中心とする、純粋で、制御された状態の回転子の回転を達成するためには、独立の振動モード（図８ｂ〜ｄ）の純度を最大化することが重要である。
【０１０６】
このモード純度を更に助長するために、各軸における曲げ振動モード相互間に小さく正確な周波数差を発生させる目的で、各横方向軸に特有の２つのスロットを形成した。
【０１０７】
図９は、図７の設計にトランスデューサ長の変更を行った場合に、曲げ振動モードおよび軸方向振動モードの両方に及んだ影響を示している。具体的には、マイクロモータでモード周波数結合を行うには、第２の曲げ振動モードが第１の軸方向振動モードと密接に整合していることが必要であった。見てとれるように、これは、使用した幾何形状において、トランスデューサ長が１４５０μｍの場合の事例である。
【０１０８】
次いで、図８の大きさに従って、試作品９を製作した。トランスデューサ９０は、手持ちの標準的な皮下注射針の中空管体（ケイデンスサイエンス社、ニューヨーク）から所定の長さに切断したものであり、レーザ加工機（レーザマイクロマシーニングソルーションズ社、マッコーリー大学、オーストラリア）によって、スロット９１を設けた。圧電素子９２（Ｆｕｊｉ Ｃ−２０３、富士セラミックス社、日本）に直径５０μｍの金線９３を接着し、上記のものと同じ導電性高強度エポキシを使って電力を供給した。
【０１０９】
図１０に、完成した試作品９を示す。マイクロモータの性能評価に使用した回転子は、直径０．３９７ｍｍのクロム製のボール９４（スモールパーツアンドベアリングズ、オーストラリア国クイーンズランド）であった。
【０１１０】
最初に、レーザドップラ振動計（ポリテック社、カリフォルニア州タスティン）を使って、振動モードの周波数を実験的に測定し、数値モデルの妥当性を確認すべく、ＦＥＡによる予測と比較した。表１に、この比較を示している。表１において、誤差は、予測値に対して規格化している。実験による周波数は全て、予測したものに対して４％以内であることは表１から明らかである。この誤差には、この大きさのモータを製作し手で組み立てることに関連する難点が寄与していると考えることができる。そのため、マイクロモータを設計するのに使用したエポキシ接着剤、並びに電気的境界条件および機械的境界条件を含め、ＦＥＡモデルは妥当であると考えた。
【０１１１】
ｋＨｚを単位とする共振周波数（ｆ）の、ＦＥＡで予測したものと実験によるものとの比較。誤差（％）は、予測によるｆに対して規格化している。
【表１】
【０１１２】
マイクロモータの性能を測定するには、過渡的始動期間の間に回転子の回転速度を測定し、モータの加速、したがってトルクを推測する必要があった。レーザドップラ速度計（Ｃａｎｏｎ ＬＶ−２０Ｚ、米国）を使って、ボール回転子の接線方向速度を測定した。この速度は、後で回転速度に変換することができる。二位相出力およびトリガー能力を備えたＷＦ１９９６（ＮＦ社、日本）信号発生器を使って、マイクロモータに印加する二位相電圧を生成した。続いて、ＢＡ４８２５（ＮＦ社、日本）電力増幅器を使って、各入力を増幅した。マイクロモータへの入力信号、および回転子速度に比例するレーザドップラ速度計からの出力電圧を、デジタルオシロスコープ（レクロイウェーブジェット、米国）を使ってモニタし、記録した。
【０１１３】
実験による、全３軸を中心とする回転子の時間の関数としての回転速度を、指数関数に適合させた。続いて、その等式を微分して、回転子の角加速度の式を得た。これによって、マイクロモータのトルクが計算できるようになった。図１１は、３本の直交軸についてこれらのトルクを計算した結果を示したものであり、回転子の回転速度との関係でプロットしている。どの軸も、印加された電圧は、２１．２ＶＲＭＳであった。横方向ｘ軸、横方向ｙ軸、および長手方向ｚ軸の動作周波数はそれぞれ、４５６ｋＨｚ、４６２ｋＨｚ、および１９１ｋＨｚであった。横方向ｘ軸、横方向ｙ軸、および長手方向ｚ軸におけるピーク（ストール）トルクおよび最大（無負荷）回転速度はそれぞれ、１．３３ｎＮｍと６３００ＲＰＭ、１．２３ｎＮｍと４９５０ＲＰＭ、および２．３８ｎＮｍと５６３０ＲＰＭであった。本明細書に提示の値は、マイクロモータの平均的能力を表しているが、ピークのトルク値および回転速度値は、最大その２倍まで観察された。したがって、トップダウン製造および組み立ての最新技術が微細な領域で発達していることから、本発明者は、このマイクロモータについても大幅な性能向上が可能であると考えている。
【０１１４】
圧電マイクロモータは、通常、非常に高速の回転速度（＞＞２０ＲＰＳ）で動作する。マイクロドリルおよびロボット推進力といった様々な用途では、これらの回転速度は望ましいものであるが、その他の用途では速すぎる。例えばＭＩＳの場合、外科治療における生理学的な振戦の抑制、マイクロロボット鉗子、並びに、内視鏡および腹腔鏡を用いた手術等の用途では、低速での制御が必要とされる。これらを目的として、３つの回転軸全てにおいて、入力駆動信号を連続して出力するトリガバーストを行った。この場合、バーストの継続期間（マーク）は、変調デューティサイクルと同じように制御した。図１２は、３つの直交回転軸に対するマイクロモータの制御を用いて撮影したビデオから取り出した静止画像を示している。このような方式で制御することによって、使用したマークにおいて、約５０００ＲＰＭから１０ＲＰＭまで回転速度が低下した。これは、外科医が良好な位置の制御を行うのに適度に適している。
【０１１５】
試作品について行なった作業に基づき、外形が３５０μｍで、可逆３自由度回転が可能な実際のマイクロモータを設計し、試作し、テストした。より短いトランスデューサ長において曲げ振動モードおよび軸方向振動モードの共振周波数を結合させるために、トランスデューサの壁内部にスロットを設けた。２１．２ＶＲＭＳにおいて、マイクロモータのトルクはおよそ１〜２ｎＮｍであり、回転速度は約５０００〜６０００ＲＰＭであることが分った。ある電気制御方式を活用して６〜２０ＲＰＭの速度に低下できることを実証し、これらのマイクロモータが、高速のみならず、多くの用途で必要とされる低速でも動作できるだけの能力を有することを実証した。このマイクロモータは、既存のマイクロロボットＭＩＳツールと一体化され、これらの技術を更に小型化するのに必要なきっかけを与えると期待されている。あるいは、手動診断および処理用のマイクロＭＩＳツールの技術を更に進化させるために使用されるものと期待されている。これらはいずれも、外科医が患者により良い治療を施せるように探求するのに役立つであろう。
【０１１６】
分離構造の試作品の実験についての説明
１ｍｍ未満の円筒形に設計された分離構造を、数値計算により開発し、実験的にテストを行った。このマイクロ構造は、音響的な挙動を隔絶するために、共振マイクロアクチュエータと実装部との間に設置するように設計した。共振周波数スペクトル内に音響阻止帯域が形成されることを活用した。汎用性が高いという理由から、円筒形の構造を選択した。屈曲波を隔絶することに主眼を置いて検討を行なったが、長手方向の波動に関する事例も、容易に組み込むことができる。
【０１１７】
自由な等方性円筒形導波路の共振傾向の特徴を把握することは、ポッホハンマーの周波数方程式によって実現することができる。屈曲波の場合は、ポッホハンマー方程式内での結合割合が大きいため、閉じた形態の解は依然として獲得し難い。結果として、近似解を得られるように、長年の間に代替技法が開発された。しかしながら、このような解および解析は、単純な自由円筒体の場合についてのみ開発されたに過ぎず、不均一性と複雑な境界条件とが合わさったことによる複雑な状況には適応できていない。これを解決するために、有限要素解析（ＦＥＡ）を使って分離構造の共振周波数を予測し、このようにして、共振周波数スペクトルをプロットできるようにした。
【０１１８】
どちらも直径１ｍｍ未満のものが容易に入手できることを根拠に、ナイロン−６モノフィラメントとステンレス鋼３０４ロッドから成る複合構造を考案した。ＡＮＳＹＳ１１．０（アンシス社、米国ペンシルバニア州キャノンズバーグ）を使って、これらの材料の周期構造から成るパラメータモデルを開発した。ステンレス鋼のセグメントおよびナイロンのセグメントの直径は、３００μｍに設定した。複合体の周期長、体積分率、および周期数は、音響分離を調整し最適化するための変数として残しておいた。
【０１１９】
最初に、ＦＥＡパッケージを使って一連のモデル解析を行い、モデルの共振周波数を予測したが、これは、これらの変数に対する構造の感度を確かめるためである。横方向分散スペクトルを生成するために、固有モード数を波数に関連付けた。角波数ｋは、２π／λによって求められる。式中、λは音響波長である。導波路分離構造において、音響波長が複合周期ｄのスカラ分率に等しい場合にはいつでも、阻止帯域が起こる。そのため、ｎ番目の阻止帯域の波数は、式（１）によって求められる。
ｋｎ＝２πｎ／ｄ； ｎ＝１，２，３，・・・（１）
【０１２０】
Ｌを構造の全長としたときに、固有モード数ｍが２Ｌ／λを介して波長と関連付けられていることから、ｐの複合周期を有する構造の所与の固有モードの波数は、式（２）のようになる。
ｋｍ＝πｍ／ｐｄ； ｍ＝１，２，３，・・・（２）
式（１）と式（２）が等しい場合にはいつでも、阻止帯域が存在することになる。
【０１２１】
複合体積分率および周期長が音響阻止帯域の中心周波数および帯域幅に及ぼす影響について検討を行った。体積分率ではなく周期の長さを調節することによって、阻止帯域の中心周波数を最大限に制御できることが、確立された。阻止帯域の中心周波数が、それが結合されることになる共振アクチュエータの動作周波数と一致することが望ましいことから、複合周期長は、最後に調節されるべきである。他方、体積分率は、阻止帯域の中心周波数および帯域幅に非常に強く影響することが分かった。所与の阻止帯域の帯域幅は、阻止帯域の周波数が高いと帯域幅が広くなる傾向にあるという点で中心周波数と関係があるため、帯域幅を、中心周波数に対して規格化した。図１３から明らかなように、ステンレス鋼−ナイロン複合体において、最適な体積分率は約０．６５である。即ち、周期は、６５％をステンレス鋼にする必要がある。次いで、複合周期長を使って第１の阻止帯域の中心周波数を５００ｋＨｚ付近に調節し、一周期が１５００μｍで得られた。この周波数は、典型的な超音波マイクロアクチュエータの動作周波数に基づいて選択されたものである。最後に、ＦＥＡ変位を視覚的に観察して、複合体の３つの周期は実験を行うのに十分であると判断した。
【０１２２】
試作品は、ナイロン１０１およびステンレス鋼１０２の複合周期を三つ含んでおり体積分率が０．６５、周期が１５００μｍで製作された（図１４）。ステンレス鋼（ケイデンスサイエンス社、米国ニューヨーク州）セグメントおよびナイロン（オーストラリアンモノフィル社、オーストラリア）セグメントをレーザ加工機（レーザマイクロマシーニングソルーションズ社、マッコーリー大学、オーストラリア）によって所定の長さに切断し、高強度エポキシ（Ｅｐｏｔｅｋ Ｈ２０Ｅ、エポキシテクノロジー社、米国マチューセッツ州ビレリカ）を使って接着部１０３で相互に接着した。接着部厚は１０μｍと推測されるが、ナイロンセグメントの長さを同じ量だけ短縮することによってこの厚さを確保した。というのは、エポキシの音響インピーダンスは、ナイロンのものと非常に似通っているからである。同じエポキシを使って構造および基板に接着した、大きさが２５０×２５０×５００μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）圧電素子１０４（Ｆｕｊｉ Ｃ−２０３、富士セラミックス社、日本）を使って、分離構造内に曲げ波動を励起した。
【０１２３】
レーザドップラ振動計（ＬＤＶ）（ポリテック社、米国カリフォルニア州タスティン）を使って、試作品の横方向の共振周波数を測定し、図１５に示すように予測値と比較した。図１５において、式（２）を使って波数を算出するのに、ここでも固有モード数を使用した。図１５から明らかなように、実験による中心周波数および帯域幅がそれぞれ５２０ｋＨｚおよび３８０ｋＨｚである第１の音響阻止帯域が存在する。図１５は更に、横方向分散スペクトルの数値計算による予測と実験による実測とが定量的に卓越して一致していることも実証しており、数値モデルおよび分離構造の設計にＦＥＡを使用することが妥当であることを示している。
【０１２４】
阻止帯域内における構造の音響分離性能を検証するために、屈曲波を用いて中心周波数で試作品を励起し、ＬＤＶを使ってその振動変位を走査した（図１６の（ａ））。観察および分離構造のＦＥＡ高調波励起との比較により（図１６の（ｂ））、音響波は、第１の周期内ではほとんど完全に隔絶されており、構造が終端するまでに十分に隔絶されている。そのため、用途に特有の要件によっては、この構造が１周期あれば十分なはずである。
【０１２５】
この結果に基づき、長波長限界において、共振マイクロアクチュエータが発する音響波等の音響波を隔絶できることを、分離構造により証明された。ステンレス鋼−ナイロンの複合分離構造は、中心周波数が５２０ｋＨｚで、帯域幅が３８０ｋＨｚの十分な音響阻止帯域を生成した。
【０１２６】
具体的な実施形態に示されたように、本発明には、広範囲にわたって説明した本発明の範囲から逸脱することなく、数多くの変形および／または変更を施すことができることは、当業者により理解されるであろう。したがって、本実施形態は、あらゆる点で、限定的に理解されるべきではなく、例示的であると理解されるべきである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元空間の３本の基本軸それぞれの周りでまたはそれぞれの軸の方向に、回転素子または摺動素子の運動を発生させることができる圧電アクチュエータにおいて、
１つまたは複数の側面と、
第１の端面と、
第２の端面と、
を有する本体を備えた圧電素子を備え、
前記少なくとも１つまたは複数の側面は、複数の独立した側面電極を備え、前記第１の端面または第２の端面のうちの少なくとも一方は、端面電極を備えている、圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電素子の前記本体は矩形のブロックである、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記本体は、４つの側面を有し、各側面は単独の側面電極を備えている、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記本体は、４つの側面電極を備えた１つの側面を有している、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電素子の前記本体は円筒体である、請求項１または４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記４つの側面電極は、２組の対を形成するように配置され、それによって、所与の対に属する２つの側面電極は、前記圧電素子上の対向する場所に存在している、請求項３または４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
側面電極対の各電極は、前記圧電素子の長手方向軸の周りを、もう一方の電極から１８０度の角度で回転した場所またはその付近に配置されている、請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記圧電素子の２組の対向する前記側面電極対は、それら側面電極が存在する平面に垂直な２本の軸が、
相互に垂直であり、且つ
前記端面電極が存在する平面に垂直な軸に垂直である、ように配置されている、請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記本体の前記長手方向軸は、前記アクチュエータのｚ軸を成し、
前記圧電素子の側面電極は、
２つはｙ−ｚ平面に平行であり、且つ
２つはｘ−ｚ平面に平行である、ように設置されている、請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記圧電素子の前記本体は、チタン酸ジルコン酸鉛で形成されている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電素子は、前記圧電素子の前記本体の長手方向軸の方向に分極されている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記圧電素子は、前記圧電素子の横方向振動および／または長手方向振動を誘発することによって作動させることができ、
横方向振動は、対向する側面電極対にまたがってＡＣ信号を印加することによって誘発され、その場合に、一方の側面電極は正極のＡＣ信号に接続されるとともに、他方は接地され、または、一方の側面電極は正極のＡＣ信号に接続されるとともに、他方は、２つの前記信号の位相が１８０度ずれるように負極のＡＣ信号に接続され、
長手方向振動は、対向する側面電極対の一方または両方にＡＣ信号を印加することによって誘発され、選択された電極は、位相が合うように同一極のＡＣ信号に接続され、前記端面電極のうちの少なくとも一方は、電気的に接地される、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記交流信号は、正弦波ＡＣ信号、方形波ＡＣ信号、および／またはのこぎり波ＡＣ信号である、請求項１２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記圧電アクチュエータの前記回転素子または摺動素子は、前記圧電素子の１つの端部に搭載される、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
横方向に振動するｙ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによってｘ軸を中心とする回転を誘発することと、
横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動する前記ｚ方向振動モードと結合させることによってｙ軸を中心とする回転を誘発することと、
横方向に振動する前記ｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、横方向に振動する前記ｙ方向振動モードと結合させることによってｚ軸を中心とする回転を誘発することと、
によって前記回転素子の３自由度回転を得ることが可能な、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１６】
さらに、トランスデューサ素子が前記圧電素子の一方の端部に搭載され、それが前記圧電素子と前記回転素子間または前記圧電素子と摺動素子間に搭載されたものである、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１７】
前記トランスデューサ素子にはスロットが設けられている、請求項１６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１８】
前記スロットは、前記トランスデューサ素子の壁の１つまたは複数に設けられている、請求項１７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１９】
前記スロットは、前記圧電素子の外壁および／または内壁に設けられている、請求項１８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２０】
スロットは対にして配置され、それによって、所与の対に属するスロットは、前記トランスデューサ素子の対向する側面に設置され、且つ同じ寸法、形状、および／または深さを有している、請求項１７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２１】
スロットから成る対それぞれに属する各スロットは、前記トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項２０に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２２】
対を成すスロットは、前記トランスデューサ素子上に、対称に配置されている、請求項２０または２１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２３】
前記スロットは、前記トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように設けられており、前記平面の交差線は、前記トランスデューサ素子の前記長手方向軸と一致している、請求項２２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２４】
前記トランスデューサ素子は中空または中実であり、更に、前記トランスデューサ素子が中空の場合に、前記スロットは、前記トランスデューサ素子の壁を部分的にまたは完全に貫通している、請求項１７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２５】
前記トランスデューサ素子は、低音響散逸性材料で製作されている、請求項１６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２６】
分離構造を更に備えている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２７】
前記分離構造は、前記圧電素子と実装台との間に設けられている、請求項２６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２８】
前記分離構造は、複数のセグメントから成る本体を備えている、請求項２７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２９】
前記分離構造は、２つのセグメント区分構造、セグメントが３つ以上の構造、および／または周期構造を備えている、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３０】
前記複数のセグメントは、１または複数の比較的剛性の高いセグメントと、１または複数の比較的低い剛性のセグメントとから構成されている、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３１】
前記分離構造の本体は、中空または中実であり、更に、前記分離構造の前記本体の１または複数の壁にスロットが配置されている、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３２】
前記分離構造の前記本体は、中空の管体を備えている、請求項３１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３３】
前記スロットは、前記分離構造の壁に部分的にまたは完全に貫通して設けられている、請求項３２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３４】
前記分離構造の前記セグメントは円筒形状であり、前記円筒形状の軸は、前記アクチュエータの長手方向軸と同一である、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３５】
前記スロットは対にして配置され、それによって、所与の対に属するスロットは、前記セグメントの対向する側面に設置され、且つ同じ寸法、形状、および／または深さを有している、請求項３１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３６】
スロットの各対それぞれに属する各スロットは、前記分離構造の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項３５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３７】
スロット対は、前記分離構造に、対称な形で設けられている、請求項３５または３６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３８】
前記スロットは、前記分離構造が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように対にして配置され、前記平面の交差線は、前記分離構造の前記長手方向軸と一致している、請求項３７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３９】
前記分離構造の前記長手方向軸は、ｚ軸を成し、前記スロットは、前記分離構造がｙ−ｚ平面およびｘ−ｚ平面に関して対称となるように設けられている、請求項３７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４０】
圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、
１つまたは複数の壁を有する本体を備え、
前記トランスデューサ素子の前記壁にスロットが設けられ、且つ／または突起部分領域が設けられ、対にして配置されており、それによって、所与の対に属する前記スロットまたは前記突起部分領域は、前記トランスデューサ素子の対向する側面上に設置されている、トランスデューサ素子。
【請求項４１】
スロットのそれぞれの対に属する各スロットまたは突起部分領域から成る対それぞれに属する各突起部分領域は、前記トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項４０に記載のトランスデューサ素子。
【請求項４２】
前記スロットおよび／または突起部分領域は、前記本体に、対称に配置されている、請求項４０に記載のトランスデューサ素子。
【請求項４３】
圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、
１つまたは複数の壁を有する本体を備え、
前記トランスデューサ素子の前記壁にスロットが設けられ、且つまたは突起部分領域が設けられ、それらスロットおよび／または突起部分領域は、前記トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置されており、前記平面の交差線は、前記トランスデューサ素子の前記長手方向軸と一致している、トランスデューサ素子。
【請求項４４】
圧電アクチュエータに使用される分離構造であって、
複数のセグメントから成る本体を備え、
前記セグメントは、１または複数の比較的剛性の低いセグメントと、１または複数の比較的剛性の高いセグメントとを備え、剛性の差は、前記比較的剛性の低いセグメントと前記比較的剛性の高いセグメントとの間の材料特性の差、および／またはそれらの幾何学的構造によるものである、分離構造。
【請求項４５】
前記構造は、２セグメント以上の構造を備え、剛性の差は、それらの幾何学的構造の違いによるものであり、対称に配置された１または複数のスロット対が、前記比較的剛性の低いセグメントに設けられている、請求項４４に記載の分離構造。
【請求項４６】
所与の対に属するスロットは、前記比較的剛性の低いセグメントにおいて対向する側面に設置され、且つ、同じ寸法、形状、および／または深さを有している、請求項４５に記載の分離構造。
【請求項４７】
前記スロットの対それぞれに属する各スロットは、前記分離構造の長手方向軸を中心に、他方から１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項４５または４６に記載の分離構造。
【請求項４８】
前記スロットは、前記比較的剛性の低いセグメントに、前記セグメントが相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置されており、前記平面の交差線は、前記セグメントの長手方向軸と一致している、請求項４５に記載の分離構造。
【請求項１】
３次元空間の３本の基本軸それぞれの周りでまたはそれぞれの軸の方向に、回転素子または摺動素子の運動を発生させることができる圧電アクチュエータにおいて、
１つまたは複数の側面と、
第１の端面と、
第２の端面と、
を有する本体を備えた圧電素子を備え、
前記少なくとも１つまたは複数の側面は、複数の独立した側面電極を備え、前記第１の端面または第２の端面のうちの少なくとも一方は、端面電極を備えている、圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電素子の前記本体は矩形のブロックである、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記本体は、４つの側面を有し、各側面は単独の側面電極を備えている、請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記本体は、４つの側面電極を備えた１つの側面を有している、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記圧電素子の前記本体は円筒体である、請求項１または４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記４つの側面電極は、２組の対を形成するように配置され、それによって、所与の対に属する２つの側面電極は、前記圧電素子上の対向する場所に存在している、請求項３または４に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
側面電極対の各電極は、前記圧電素子の長手方向軸の周りを、もう一方の電極から１８０度の角度で回転した場所またはその付近に配置されている、請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記圧電素子の２組の対向する前記側面電極対は、それら側面電極が存在する平面に垂直な２本の軸が、
相互に垂直であり、且つ
前記端面電極が存在する平面に垂直な軸に垂直である、ように配置されている、請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記本体の前記長手方向軸は、前記アクチュエータのｚ軸を成し、
前記圧電素子の側面電極は、
２つはｙ−ｚ平面に平行であり、且つ
２つはｘ−ｚ平面に平行である、ように設置されている、請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
前記圧電素子の前記本体は、チタン酸ジルコン酸鉛で形成されている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１１】
前記圧電素子は、前記圧電素子の前記本体の長手方向軸の方向に分極されている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１２】
前記圧電素子は、前記圧電素子の横方向振動および／または長手方向振動を誘発することによって作動させることができ、
横方向振動は、対向する側面電極対にまたがってＡＣ信号を印加することによって誘発され、その場合に、一方の側面電極は正極のＡＣ信号に接続されるとともに、他方は接地され、または、一方の側面電極は正極のＡＣ信号に接続されるとともに、他方は、２つの前記信号の位相が１８０度ずれるように負極のＡＣ信号に接続され、
長手方向振動は、対向する側面電極対の一方または両方にＡＣ信号を印加することによって誘発され、選択された電極は、位相が合うように同一極のＡＣ信号に接続され、前記端面電極のうちの少なくとも一方は、電気的に接地される、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記交流信号は、正弦波ＡＣ信号、方形波ＡＣ信号、および／またはのこぎり波ＡＣ信号である、請求項１２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
前記圧電アクチュエータの前記回転素子または摺動素子は、前記圧電素子の１つの端部に搭載される、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１５】
横方向に振動するｙ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動するｚ方向振動モードと結合させることによってｘ軸を中心とする回転を誘発することと、
横方向に振動するｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、長手方向に振動する前記ｚ方向振動モードと結合させることによってｙ軸を中心とする回転を誘発することと、
横方向に振動する前記ｘ方向振動モードを、９０度の位相差をもって、横方向に振動する前記ｙ方向振動モードと結合させることによってｚ軸を中心とする回転を誘発することと、
によって前記回転素子の３自由度回転を得ることが可能な、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１６】
さらに、トランスデューサ素子が前記圧電素子の一方の端部に搭載され、それが前記圧電素子と前記回転素子間または前記圧電素子と摺動素子間に搭載されたものである、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１７】
前記トランスデューサ素子にはスロットが設けられている、請求項１６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１８】
前記スロットは、前記トランスデューサ素子の壁の１つまたは複数に設けられている、請求項１７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１９】
前記スロットは、前記圧電素子の外壁および／または内壁に設けられている、請求項１８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２０】
スロットは対にして配置され、それによって、所与の対に属するスロットは、前記トランスデューサ素子の対向する側面に設置され、且つ同じ寸法、形状、および／または深さを有している、請求項１７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２１】
スロットから成る対それぞれに属する各スロットは、前記トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項２０に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２２】
対を成すスロットは、前記トランスデューサ素子上に、対称に配置されている、請求項２０または２１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２３】
前記スロットは、前記トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように設けられており、前記平面の交差線は、前記トランスデューサ素子の前記長手方向軸と一致している、請求項２２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２４】
前記トランスデューサ素子は中空または中実であり、更に、前記トランスデューサ素子が中空の場合に、前記スロットは、前記トランスデューサ素子の壁を部分的にまたは完全に貫通している、請求項１７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２５】
前記トランスデューサ素子は、低音響散逸性材料で製作されている、請求項１６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２６】
分離構造を更に備えている、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２７】
前記分離構造は、前記圧電素子と実装台との間に設けられている、請求項２６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２８】
前記分離構造は、複数のセグメントから成る本体を備えている、請求項２７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項２９】
前記分離構造は、２つのセグメント区分構造、セグメントが３つ以上の構造、および／または周期構造を備えている、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３０】
前記複数のセグメントは、１または複数の比較的剛性の高いセグメントと、１または複数の比較的低い剛性のセグメントとから構成されている、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３１】
前記分離構造の本体は、中空または中実であり、更に、前記分離構造の前記本体の１または複数の壁にスロットが配置されている、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３２】
前記分離構造の前記本体は、中空の管体を備えている、請求項３１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３３】
前記スロットは、前記分離構造の壁に部分的にまたは完全に貫通して設けられている、請求項３２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３４】
前記分離構造の前記セグメントは円筒形状であり、前記円筒形状の軸は、前記アクチュエータの長手方向軸と同一である、請求項２８に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３５】
前記スロットは対にして配置され、それによって、所与の対に属するスロットは、前記セグメントの対向する側面に設置され、且つ同じ寸法、形状、および／または深さを有している、請求項３１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３６】
スロットの各対それぞれに属する各スロットは、前記分離構造の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項３５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３７】
スロット対は、前記分離構造に、対称な形で設けられている、請求項３５または３６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３８】
前記スロットは、前記分離構造が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように対にして配置され、前記平面の交差線は、前記分離構造の前記長手方向軸と一致している、請求項３７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３９】
前記分離構造の前記長手方向軸は、ｚ軸を成し、前記スロットは、前記分離構造がｙ−ｚ平面およびｘ−ｚ平面に関して対称となるように設けられている、請求項３７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４０】
圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、
１つまたは複数の壁を有する本体を備え、
前記トランスデューサ素子の前記壁にスロットが設けられ、且つ／または突起部分領域が設けられ、対にして配置されており、それによって、所与の対に属する前記スロットまたは前記突起部分領域は、前記トランスデューサ素子の対向する側面上に設置されている、トランスデューサ素子。
【請求項４１】
スロットのそれぞれの対に属する各スロットまたは突起部分領域から成る対それぞれに属する各突起部分領域は、前記トランスデューサ素子の長手方向軸を中心に、他のスロットから１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項４０に記載のトランスデューサ素子。
【請求項４２】
前記スロットおよび／または突起部分領域は、前記本体に、対称に配置されている、請求項４０に記載のトランスデューサ素子。
【請求項４３】
圧電アクチュエータに使用されるトランスデューサ素子であって、
１つまたは複数の壁を有する本体を備え、
前記トランスデューサ素子の前記壁にスロットが設けられ、且つまたは突起部分領域が設けられ、それらスロットおよび／または突起部分領域は、前記トランスデューサ素子が相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置されており、前記平面の交差線は、前記トランスデューサ素子の前記長手方向軸と一致している、トランスデューサ素子。
【請求項４４】
圧電アクチュエータに使用される分離構造であって、
複数のセグメントから成る本体を備え、
前記セグメントは、１または複数の比較的剛性の低いセグメントと、１または複数の比較的剛性の高いセグメントとを備え、剛性の差は、前記比較的剛性の低いセグメントと前記比較的剛性の高いセグメントとの間の材料特性の差、および／またはそれらの幾何学的構造によるものである、分離構造。
【請求項４５】
前記構造は、２セグメント以上の構造を備え、剛性の差は、それらの幾何学的構造の違いによるものであり、対称に配置された１または複数のスロット対が、前記比較的剛性の低いセグメントに設けられている、請求項４４に記載の分離構造。
【請求項４６】
所与の対に属するスロットは、前記比較的剛性の低いセグメントにおいて対向する側面に設置され、且つ、同じ寸法、形状、および／または深さを有している、請求項４５に記載の分離構造。
【請求項４７】
前記スロットの対それぞれに属する各スロットは、前記分離構造の長手方向軸を中心に、他方から１８０度回転させた場所またはその付近に設置されている、請求項４５または４６に記載の分離構造。
【請求項４８】
前記スロットは、前記比較的剛性の低いセグメントに、前記セグメントが相互に垂直な２つの平面に関して対称となるように配置されており、前記平面の交差線は、前記セグメントの長手方向軸と一致している、請求項４５に記載の分離構造。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図７（ｃ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１ｂ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３ａ】
【図３ｂ】
【図３ｃ】
【図４ａ】
【図４ｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図６】
【図７（ａ）】
【図７（ｂ）】
【図７（ｃ）】
【図８（ａ）】
【図８（ｂ）】
【図８（ｃ）】
【図８（ｄ）】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公表番号】特表２０１３−５２１７４７（Ｐ２０１３−５２１７４７Ａ）
【公表日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５５２５６（Ｐ２０１２−５５５２５６）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２０１１／０００２２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０３６４４
【国際公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５１２２２２２８６）インテリメディカル テクノロジーズ プロプライエタリー リミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｉｎｔｅｌｌｉｍｅｄｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｐｔｙ Ｌｔｄ
【住所又は居所原語表記】ｃ／ｏ ＭＧＩ Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ Ｌｅｖｅｌ １０， ６００ Ｓｔ Ｋｉｌｄａ Ｒｏａｄ， Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ， Ｖｉｃｔｏｒｉａ ３００４， Ａｕｓｔｒａｌｉａ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＡＵ２０１１／０００２２２
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０３６４４
【国際公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５１２２２２２８６）インテリメディカル テクノロジーズ プロプライエタリー リミテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】Ｉｎｔｅｌｌｉｍｅｄｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｐｔｙ Ｌｔｄ
【住所又は居所原語表記】ｃ／ｏ ＭＧＩ Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ Ｌｅｖｅｌ １０， ６００ Ｓｔ Ｋｉｌｄａ Ｒｏａｄ， Ｍｅｌｂｏｕｒｎｅ， Ｖｉｃｔｏｒｉａ ３００４， Ａｕｓｔｒａｌｉａ
【Ｆターム（参考）】
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